压力传感器 【技术领域】
本发明涉及在工业流体处理厂中用于对流体压力进行测量的压力传感器。具体地说，本发明涉及这种压力传感器的热性能。背景技术
众所周知，当所处理的流体的温度，周围空气的温度出现变化，甚或由于传感器外罩上的降雨导致温度变化时，压力传感器的输出会出现不希望有的变化。在瞬变与稳定状态的热条件下，由于局部的内力耗散所导致的加热误差格外难以修正。
在高精度的压力传感器中，这些输出变化是通过补偿温度而以电子的方式以及通过使用分为两部分的与一个螺纹短管连结的具有较大表面积的传感器外盒而以机械的方式进行控制的。该螺纹短管使压力敏感元件和流体隔离器与在控制电流输出的电路中生成的热量分离隔热。
高精度的电路、敏感元件，以及隔离器正在变得更为小型化。这就需要一种相应小型化的，具有无需用螺纹短管来把由电路生成的热量与压力敏感元件和流体隔离器分隔的单外盒地高精度传感器。
然而，这种散热表面较小的小型化外盒中的热问题是难以处理的。由于敏感元件和隔离器与散热的输出电路元件靠得更近，也会出现问题。这就需要有一种方法与设备，以提供一种具有小型化单个外盒的高精度的、补偿温度的压力传感器。发明内容
本发明的压力传感器包括一个小型传感器外盒，它具有能提供热阻的外壁。该外壁把所述外盒第一端的同温岛与所述外盒第二端的热沉热岛分隔开。
所述同温岛包括一个流体入口，一个用于从该入口检测流体压力的压力敏感元件和一个温度敏感元件。
所述热沉热岛包括用于与一个外壳连接的电连接部件和与接触器连接的馈入装置。所述热沉岛还包括用于向外壳进行热沉降的基本热负载部件。接触器承载由传感器控制的电流。在正常的运行条件下，电流的主要部分由该基本热负载部件传导。
所述压力传感器对电流进行控制，以提供补偿温度的、高精度的压力模型。附图说明
图1为压力传感器第一实施例的电原理图；
图2为压力传感器第二实施例的电原理图；
图3为压力传感器第三实施例的热原理图；
图4为一个差分压力传感器的第一实施例的斜向视图；
图5为一个差分压力传感器的第二实施例的正向剖面图；
图6为沿图5中的6-6线所取的侧向剖面图；
图7为一个单入口压力传感器的第一实施例的斜向视图；
图8为一个单入口压力传感器的第二实施例的正向剖图；
图9为沿图8中的9-9线所取的侧向剖面图；
图10示出温度敏感元件的温度追踪。具体实施方式
在本发明中，通过用一个小型的传感器外盒建立两个热岛的方式提供了一个小型的的压力传感器，所述外盒还用来提供两个热岛之间的热阻。所述外盒的外壁使压力敏感元件和流体压力入口与分担该传感器的一部分输出电流的基本热负载元件实现热隔离。压力敏感元件和入口形成两个热岛中的一个热岛，并包含一个用于测量压力敏感元件的温度以便能对测得的压力进行温度调整的温度敏感元件。另一个热岛是一个由热负载元件建立的热沉岛，所述热负载元件向一个电气馈入连接部件的外壳进行热沉降。单独一个小型外盒用于容纳提供高精度电流输出的整个传感器。
换句话说，使用单独一个小型外盒，而且在敏感元件与在控制高精度电流输出过程中产生热量的电路元件之间不需要螺纹短管。例如，利用本发明，可把一个小型单个外盒用于约为12.4cm(4.88英寸)高6.1cm(2.4英寸)宽的单入口传感器。另外，还可以把一个小型单个外盒用于约为11.7cm(4.6英寸)高7.6cm(3.0英寸)宽的双入口传感器。
图1示出一个小型压力传感器20。压力传感器20有一个小型的单个传感器外盒22，用于封装传感器20的敏感元件与电路。传感器20有一个或多个入口38，用于以一个或多个压力敏感元件34来接收一个或多个压力。压力敏感元件34可以是电容性的或者是压敏电阻性的压力敏感元件。温度敏感元件42与压力敏感元件34耦合，以提供温度调整。正如结合图3-9所更为详细解释的那样，各入口38，压力敏感元件34与温度敏感元件42热耦合在一起，形成一个“同温岛”。
传感器20提供一个高精度的电流输出I，表示接触器24，26处的压力。本申请中使用的术语“高精度”意味着对于±28℃(±50°F)的周围温度变化而言，传感器的总输出误差为±0.4％或者更佳。
电气馈入连接部件的接触器24，26用于把传感器20与一个外部电流回路28连接起来，回路28包括电源30和可能是一个控制器或指示器的负载32。回路28中的电流I通过接触器24，26，并可具有4-20mA的模拟电流，该电流代表压力，其幅值受传感器20的控制。该传感器还可利用在过程控制领域熟知的HART(高速可寻址远距传送)，基础局域总线(Foundation Fieldbus)或其他的双向数字通信回路协议，在该模拟回路电流上迭加一个表示压力的数字信号以及其他参数。此外，所述传感器可将其回路电流保持为一个固定的幅值，如4mA，并且迭加的信号可按照所谓“多点(multidrop)”方案来传递压力及其他信息，在该方案中有多个传感器与一个电流回路连接。最好由回路电流I驱动传感器20。
接触器24，26通过一个外部连接部件的金属壳体(图1中未示出)，该连接部件壳体用作基本热负载部件40的热沉。如图所示，基本热负载部件40可以是双极功率晶体管，或者可以是另一种类型的电流控制器件，如一个FET(场效应晶体管)或一个固态开关电路。基本热负载器件40导通并控制回路电流I的第一部分。
基本热负载器件40和所述连接部件外壳被热耦合在一起，形成一个热岛，正如下面结合图3-9详细解释的那样，这是一个“热沉岛”。
如图所示，晶体管变换电路44与压力敏感元件34和温度敏感元件42耦合。变换电路44计算入口38处压力的温度调整表达式。在进行这些计算时，变换电路44吸收回路电流I的第二部分。变换电路44还与电阻47耦合，以便测量通过基本热负载部件40的回路电流第一部分的幅值。变换电路44在引线46处提供一个控制输出信号，对晶体管48进行控制，晶体管48还控制基本热负载部件40，以使总电流I为所需的幅值。晶体管48的散热量比基本热负载部件40的散热量要小，是一个辅助热负载部件。在4-20mA回路电流的情况下，所需电流I的幅值是表示压力的一个可变的模拟量，带有或者不带有迭加的数字信号。在多点回路的情况下，所需电流I的幅值是一个固定的模拟幅值，在该固定的模拟幅值上有迭加的数字信号。
变换电路44最好包括一个嵌入式的小功率MOS微处理器和一个小功率MOS Delta-Sigma A/D转换器，用以减少热量的产生。
传感器20还包括随着电源30被接通而提供反向极性保护的齐纳二极管50和瞬间延迟基本热负载部件40导通的晶体管52。变换电路44，晶体管48，齐纳二极管50和晶体管52被布置在一个电路板(图1中未示出)上。
有如结合图3-9所详细解释的那样，小型传感器外盒22使基本热负载部件40更靠近压力敏感元件34。由于热温升效应，这种更紧密的靠近对传感器的高精度具有潜在的破坏。不过，小型传感器外盒22是特殊组构的，即具有可在外盒一端的热沉岛与外盒另一端的同温岛之间提供热阻的外壁。所述外壁使热沉岛与同温岛之间实现充分的热隔离，因而尽管存在这种空间上的紧密相邻，还是能够恢复高精度。
借助一项或多项技术，可增强该外壁的热阻。该热壁最好沿着小型传感器的外盒22的主轴尽可能地长。该热壁的有效截面最好要薄。该热壁最好由导热性相当低的材料，如不锈钢合金或可塑性树脂制成。该热壁还可具有波纹状的旋圈，以增加其有效耐热长度。该热壁还可具有从传感器的外壁向外延伸的延伸部分，以形成径向的或多面状的毛剌，凸起和方栓，来增强热流。
图2中示出与图1的传感器20相似的传感器21，并且在图1和图2中使用相同的参考标号表示相同的或相似的部件。图2中的齐纳二极管50，晶体管52，复合晶体管49和电阻47被包括在基本热负载部件41中，以便向遮盖接触器24，26的电气连接器外壳沉降热量。本技术领域的专业人士将能理解，根据应用的需要，热沉部件的数量可能不同，从图1所示的单个部件40增至图2中所示的更多的数量。
图3以剖面图的方式示出了小型压力传感器60，在剖面图上迭加了热节点(用点、方块、星形符号表示)与热阻(用锯齿形符号表示)，以表示小型传感器热控制系统的独立的热模型。作为例子，图1-2所示的电路元件布局可按照图3所示的热力安排进行。
小型压力传感器60有一个小型传感器外盒62，包括提供热阻66的外壁64。外壁64把在外盒62的第一端70形成的同温岛68与在外盒62的第二端74形成的热力热沉岛72隔开。
同温岛68包括流体入口76，用于从流体入口76接收压力的压力敏感元件78以及温度敏感元件80。流体入口76通常包括一个流体隔离器隔膜，通过隔离器流体，诸如硅油，使压力抵达压力敏感元件78。入口76的热工质82，压力敏感元件的热工质84，温度敏感元件的热工质86，以及作为小型外盒的第一端的金属块90的较大的热工质88，均通过较低的热阻89，91，92，94耦合在一起，形成同温岛68。同温岛68中的元件温度均大致相同，并由温度敏感元件80检测该温度，因此，该组合电路能够根据温度敏感元件80测得的温度对输出电流进行电子温度调整。通过热阻96，98，同温岛68与给予压力处理流体的处理温度100实现热耦合。作为热工质而言，处理温度100相对于小型传感器可以具有非常大的或极大质量的热工质模型。本技术领域的专业人士将会理解，如果在具体的应用中需要的话，同温岛68可以通过使用法兰盘，导管，或者遥控封闭的方式有效地与处理温度100实现热脱耦或隔离。
热力热沉岛72包括具有带外螺纹的外壳104的电连接器102和带有接触器108的馈入装置106。热沉岛102还包括一个基本热负载部件110，用于向外壳104进行热沉降。两个接触器108承受由传感器60控制的电流I，而且一部分电流I由基本热负载部件110导通。由于电气损耗i2R，基本热负载部件110向传感器60提供热流112(由星号表示)。热流112通过较小的热阻116与小型传感器外盒62的第二端的热工质114热耦合，形成热沉岛72。
热沉岛72通过外壁的较大热阻66与同温岛68耦合，因此，热沉岛72热脱耦。热沉岛72与周围温度118耦合，以致热量可以扩散到周围环境中。
传感器60被关闭一段时间后，在开始赋能时，热沉岛72的温度较为迅速地升高，但是，由于外壁热阻66提供良好的热脱耦，同温岛68对于这种变化的反应缓慢而微弱。
传感器60还包括电路板120，该板与压力敏感元件80及基本热负载部件110电耦合。该电路板控制接触器108上的输出电流I，以便在入口76处提供一个补偿温度的、高精度的压力的电流表达式。电路板120具有热工质121，通过较大的热阻122、124、126与同温岛68及热沉岛72耦合。传感器60可以填充空气、干燥的氮气，或者是隔热纤维或泡沫塑料，以提高外壁64中的隔热效果。
电路板120中产生的热量通过外壁64被导入周围环境中，并从外壁64与周围环境118对流。然而，对外壁64而言，从电路板发出的热流通常是横向的，而且外壁能够沿这一横向提供较好的热传导。这样设置外壁64，用以实现沿其长度热脱耦并沿横向具有良好的热传导。
还可使流体入口76被沿伸，形成适于接收热处理流体的遥控封闭，然后入口76与热过程流体(未示出)热隔离。
图4示出一种差分压力传感器150实施例的斜向视图，其中部分被切除。传感器150包括小型传感器外盒152，该外盒具有提供热阻的外壁154。外壁154把形成于该外盒第一端的同温岛156与形成于该外盒第二端的热力热沉岛159隔开。同温岛156包括两个共面的流体入口158(图4中其中之一被遮而无法看见)，所述入口具有隔离器膜片160和被封在通道中的隔离器流体162。同温岛156还包括一个容性差分压力敏感元件164，用于从流体入口158接收差分压力。同温岛156还包括安装在容性压力敏感元件164上的温度敏感元件166。
热沉岛159包括带螺纹的外壳170的电连接器168，带接触器172的封闭的馈入装置，以及向外壳170沉降热量的基本热负载部件174。接触器172承受由传感器150控制的电流，而且该电流的一部分由基本热负载器件174导通与控制。
电路板176与压力敏感元件164和温度敏感元件166以及基本热负载部件174耦合。该电路板176控制接触器172上的电流，提供一个补偿温度的、高精度的压力表达式。
小型压力传感器150还包括导热的封装化合物178(用虚线示出)，使基本热负载部件174与连接器外壳170热耦合。导热的封装化合物178是电绝缘的，因此不会使接触针172短路。基本热负载部件174至少部分地置于连接器外壳170中，以增强热传导。如果需要，可在连接器外壳170内制成或配置平罩或套180，以便为基本热负载部件174的相应的平面导热表面提供良好的热传导。可在所述平罩或套180上或者在基本热负载部件174的平面导热表面上制成隔电层，以便在真正安全的或阻燃的电路中提供所需的电绝缘。诸如陶瓷散热片、硅垫，以及金属环等导热部件均可被使用，用以增强导热。
如图4所示，可在外盒152中，至少是在第一同温岛156的一部分上，放置隔热封装化合物182。另外，至少环绕第一同温岛156的一部分设置隔热的塑性树脂套筒。所述套筒通过对流、传导和辐射来限制热流，并帮助提供传感器150内的热控制。在电路板176的上方也设置热套筒。
外盒152有一个从第一端向第二端延伸的中心轴188。垂直于该中心轴布置电路板176，形成第二同温岛。由于这种横向布置，更易于使电路板上的温度均匀。来自电路板之外的热源的热流就容易与电路板的平坦表面成直角，并且均匀分布。电路板176包括载流导体，其截面面积至少是电流所需截面面积的1.25倍。该导体与电路板176上的一个辅助热负载部件，如图1中所示的辅助热负载部件48热耦合。所述导体增大的截面面积容易使电路板176上的温度更均匀，并有助于把热量导离辅助热负载部件48。所述电路板导体最好用铜、铅或银制作，并可包括被用作电气屏蔽的所谓“接地面”导体。也可用陶瓷类物资制作所述的电路板，以增强导热性。
图5-6示出差分压力传感器190的另一种实施例，图6是沿图5中的6-6线所取的剖面图。图5-6中所示的差分压力传感器190与图4中所示的差分压力传感器150相似，并用相同的参考标号标识图5-6中与图4中相似或相同的元件。在图5-6中，外盒在焊接部位192处进行焊接。电路板176卡入套筒184，186之内，而套筒184，186用作校正部件，在焊接之前以及焊接的过程中用于对正外盒的各部分。螺栓孔194用于固定法兰盘、导管，或者遥控封闭传感器底座上的共面入口158。作为支撑座，螺纹接头170用于给传感器190附加一个可供选择的连线盒(这里未示出)。可供选择的连线盒能够用于扩散向连接器外壳170，向周围环境沉降的热量。设在电气馈入连接器中的管道196用于在封闭该管道之前进行检漏，以便提供密封的小型差分高精度的压力传感器190。
图7示出具有单个带螺纹的过程流体入口202的小型压力传感器200实施例的斜向剖视图。压力传感器200既可在入口202检测绝对压力(AP)，又可检测测量压力(GP)。图7中所示的单入口压力传感器200与图4中所示的差分压力传感器150相似，并用相同的参考标号标识图7中与图4相似或相同的部件。电路板176包括印刷电路导体204，导体的厚度已被加大，超过了电路载流量的要求，象上面解释的那样，为的是增强电路板上的热传导性。传感器200还包括一个金属“尖峰”206，是用高导热材料，如铜制成的，它能降低压力敏感元件164与隔离器隔膜160之间的热阻。金属尖峰206有助于在传感器200的低端形成一个同温岛。
图8-9示出单处理入口压力传感器210的测量压力实施例，其中图9是沿图8中的9-9线所取的剖面图。图8-9所示的单处理入口的测量压力传感器210与图7所示的传感器200相似，并用相同的参考标号标识图8-9中与图4-7中相似或相同的部件。如图8中所示，传感器210包括孔道212，它与图8-9中的压力敏感元件164的“背面”耦合，因而可以测得所述测量压力。
图10示出安装在压力敏感元件(如压力敏感元件34，78，164)上的温度敏感元件(如温度敏感元件42，80或166)的温度追踪时间曲线220。在时间曲线220中，横轴222表示时间。纵轴224表示传感器周围的环境温度。纵轴226表示该传感器内部的压力敏感元件的温度。纵轴228表示压力敏感元件的温度与安装在该压力敏感元件上的温度敏感元件的温度之间的温度差。在时间t＝0时，环境温度在点230处突然发生10℃的变化。如在点232处所示，压力传感器的温度响应这一突变并缓慢升高，又如在点234处所示，最后温度实现10℃的同样变化。然而，与压力传感器的热质量相比，温度传感器的热质量非常小。温度传感器与压力传感器处于紧密的热接触状况。温度传感器非常紧密地追踪压力传感器的温度。如在点236处所示，存在一个非常短的时间间隔，在此期间，温度差稍有增加。在点236处，温度差的最大峰值约为0.1℃。保持峰值较小有助于保证传感器良好的瞬间热性能，因为即使在瞬间温度变化的过程中也能精确地进行温度调整。
虽然已参照优选实施例描述了本发明，但是，那些熟悉本领域的技术人员可在形式上和细节上作出改变，而不脱离本发明精神与范围。也可以使用与容性压力敏感元件不同的压力敏感元件，例如阻性应变片。在某些情况下，可用单个敏感元件给出压力输出和温度输出。一种实施例中示出的特征可以适当地适用于其它所示的实施例。