动电学压力/流量传感器.pdf

一种变送器(10)，检测过程管道中的过程流体的流量或压力。过程管道(20)可包括设置在其中的限流器(22)，所述过程管道(20)传送过程流体的主要流量。导压管路(30)被配置以从限流器的上游侧传送过程流体的次要流量至下游侧。动电学元件(12)设置在导压管路(30)中，且被配置以产生与主要流量相关的动电势。变送器(10)中的测量电路被配置以测量穿过动电学元件(12)的动电势且把动电势与穿过过程管道(20)的过程流体的流量相关。

1.  一种用于检测过程流体的流量或压力的变送器，包括：
过程管道，所述过程管道被配置为传送过程流体的主要流量；
在所述管道中的限流器；
导压管路，所述导压管路被配置以从限流器的上游侧传送过程流体的次要流量至下游侧；
动电学元件，所述动电学元件设置在导压管路内且具有与主要流量相关的动电势；和
测量电路，所述测量电路被配置以测量穿过动电学元件的动电势，以产生与过程流体的流量或压力相关的信号。

2.  根据权利要求1所述的变送器，进一步包括：
靠近动电学元件的上游端的第一电极；
靠近动电学元件的下游端的第二电极，其中，测量电路连接至第一和第二电极以测量穿过动电学元件所产生的电压。

3.  根据权利要求1所述的变送器，其中，由动电学元件所产生的动电势提供充足的电能以给变送器的测量电路供电。

4.  根据权利要求1所述的变送器，其中，动电学元件包括多个微通道，其中，过程流体穿过微通道的流量产生穿过动电学元件的动电势，并且，穿过动电学元件的动电势与穿过多个微通道的流量相关。

5.  根据权利要求1所述的变送器，其中，导压管路的内表面包括不导电的衬。

6.  根据权利要求5所述的变送器，其中，所述不导电衬包括陶瓷材料或塑料材料。

7.  根据权利要求1所述的变送器，其中，所述过程流体包括离子。

8.  根据权利要求1所述的变送器，其中，所述限流器包括阀。

9.  根据权利要求1所述的变送器，其中，所述测量电路把所述信号发送至监控中心。

10.  一种用于测量传送过程流体的主要流量的主过程管道中的过程流体的流量或压力的方法，所述方法包括：
在主过程管道中提供限流器以产生压力降；
固定导压管路至过程管道，其中，导压管路的进口在限流器的上游，导压管路的出口在限流器的下游，并且其中，导压管路传送过程流体的次要流量；
通过使过程流体的次要流量流过动电学元件，用设置在导压管路中的所述动电学元件产生动电势；和
通过把动电势与主过程管道中的流量或主过程管道中的过程流体的压力相关，利用过程控制变送器的测量电路测量穿过动电学元件的动电势，确定穿过主过程管道的流量或主过程管道中的过程流体的压力。

11.  根据权利要求10所述的方法，进一步包括：
靠近动电学元件的上游端把第一电极设置在导压管路中；和
靠近动电学元件的下游端把第二电极设置在导压管路中，并且其中，第一和第二电极连接至变送器的测量电路，以测量穿过动电学元件的动电势。

12.  根据权利要求10所述的方法，进一步包括用模数转换器把穿过动电学元件的动电势转换成数字信号且把数字信号发送至测量电路。

13.  根据权利要求12所述的方法，进一步包括通过测量电路的微处理器和存储器处理数字信号。

14.  根据权利要求13所述的方法，进一步包括把信号从测量电路发送至输入/输出模块，并且其中，输入/输出模块通过二线式控制回路发送信号至监控中心和接收来自监控中心的信号。

15.  根据权利要求10所述的方法，进一步包括用不导电的材料涂覆导压管路的内表面。

16.  一种用于检测过程流体的压力或流量的变送器，包括：
过程管道，所述过程管道被配置为传送过程流体的主要流量；
容器，所述容器具有比过程管道中的压力低的压力；
导压管路，所述导压管路被配置以从过程管道传送过程流体的次要流量至所述容器；
动电学元件，所述动电学元件设置在导压管路内且具有与主要流量相关的动电势；和
测量电路，所述测量电路被配置以测量穿过动电学元件的动电势，以产生与过程流体的压力或流量相关的信号。

17.  根据权利要求16所述的变送器，进一步包括：
靠近动电学元件的上游端的第一电极；
靠近动电学元件的下游端的第二电极，其中，测量电路连接至第一和第二电极以测量穿过动电学元件所产生的电压。

18.  根据权利要求17所述的变送器，其中，由动电学元件所产生的动电势提供充足的电能以给变送器的测量电路供电。

19.  根据权利要求16所述的变送器，其中，动电学元件包括多个微通道，其中，过程流体穿过微通道的流量产生穿过动电学元件的动电势，并且其中，穿过动电学元件的动电势与穿过多个微通道的流量相关。

20.  根据权利要求16所述的变送器，其中，导压管路的内表面包括不导电的衬。

21.  根据权利要求20所述的变送器，其中，所述不导电衬包括陶瓷材料或塑料材料。

22.  根据权利要求16所述的变送器，其中，所述过程流体包括离子。

23.  根据权利要求16所述的变送器，其中，所述容器包括压力比过程管道的压力低的接收管道。

24.  根据权利要求16所述的变送器，其中，所述容器包括排出装置。

25.  一种用于检测过程流体的流量或压力的变送器，包括：
过程管道，所述过程管道被配置为传送过程流体的主要流量；
电力产生动电学仪器，所述电力产生动电学仪器设置在过程管道中；
在所述管道中的限流器；
导压管路，所述导压管路被配置以从限流器的上游侧传送过程流体的次要流量至下游侧；
测量动电学元件，所述测量动电学元件设置在导压管路内且具有与主要流量相关的动电势；和
测量电路，所述测量电路被配置以测量穿过动电学元件的动电势，以产生与过程流体的流量或压力相关的信号，并且其中，通过电力产生动电学仪器把电力供给至测量电路。

26.  根据权利要求25所述的变送器，其中，所述电力产生动电学仪器设置在孔板中。

27.  根据权利要求25所述的变送器，其中，电力产生动电学仪器设置在过程管道中测量动电学元件的上游。

28.  根据权利要求25所述的变送器，其中，电力产生动电学仪器设置在过程管道中测量动电学元件的下游。

29.  根据权利要求25所述的变送器，进一步包括靠近电力产生动电学仪器的相对端设置的第一和第二电极，并且其中，第一和第二电极被连接至测量电路，以给测量电路提供电力。

动电学压力/流量传感器
技术领域
本发明总体涉及工业过程变送器。特别地，本发明涉及连接至工业过程变送器的流量计或压力传感器。
背景技术
工业过程变送器连接至工业过程设备和/或工业过程管道，且适合用于测量例如压力、质量流量、体积流量、温度以及相类似的过程变量。过程变送器接收来自传感器的显示过程变量的值的信号，且典型地通过二线式回路把对应于过程变量的值的信号发送至控制面板。经常地，这样的变送器从二线式回路中引入电力，该二线式回路传送在4-20mA范围内变化的能量受限制的回路电流。
许多过程流量传感器被设置在穿过流量传感器产生压力降的主过程管道中。穿过流量传感器的压力差与流量相关。包括孔板(orifice plate)和文氏管的流量计的示例使压力降与流量相关。
发明内容
本发明包括一种检测过程流体流量的变送器。过程管道传送过程流体的主要流量且包括产生压力降的限流器。导压管路(impulse piping)被配置以从限流器的上游侧传送过程流体的次要流量至下游侧。动电学元件设置在导压管路中且被配置以产生与主要流量相关的动电势。变送器中的测量电路被配置以测量穿过动电学元件的动电势。
附图说明
图1是被连接至动电学元件的本发明的过程控制变送器的示意图。
图2是沿图1中的剖线2-2的动电学元件的横截面视图。
图3是被连接至动电学元件的本发明的过程控制变送器的另一示意图。
图4是被连接至动电学元件的本发明的过程控制变送器的另一示意图。
图5是在其中包括有电力产生动电学元件的孔板的前视图。
图6是在其中包括有电力产生动电学元件的另一孔板的前视图。
图7是在其中包括有电力产生动电学元件的另一孔板的前视图。
具体实施方式
在图1中用10总体标示被连接至动电学元件以测量工业过程中的流量或压力的过程控制变送器。因为过程流体流过动电学元件12，动电学元件12产生了动电势。典型地是二线式过程控制变送器的过程控制变送器10检测穿过动电学元件12的动电势且使所述动电势与主过程管道20中的过程流体的流量或过程管道20中的过程流体的压力相关。
动电势是由促使流体穿过具有例如毛细管或孔的微通道的固体产生的电势。在具有离子的流体从动电学元件12的上游端11移动穿过所述微通道至动电学元件12的下游端时，沿微通道的内表面的分子的静电排斥力和吸引力促使相反电荷的离子在微通道的一端积聚和促使相反电荷的离子在微通道的另一端积聚。从而基于离子的电荷所述微通道有效地分离流体离子。
因为流体的带电离子被分离和被积聚，它们在靠近动电学元件12的上游端和下游端11、13的流体中产生了两个带电区域(一个负电和一个正电)。一组电极40、42被浸没在带电区域中，且有效地测定在两个带电区域之间所产生的电势。可获得与被测定的电势相关的电流。
使电势的值与移动穿过动电学元件12的流体的流量相关。依次地，使流体的流量与流体的压力差相关，流体的压力差又与主过程管道20中的过程流体的流量或主过程管道20中的过程流体的压力相关。
动电学元件12的面积、厚度和其它的物理特性是确定被测量的动电势的量的因素。例如，如果动电学元件12在垂直流体流动的方向上具有很小的横截面积，那么在动电学元件12的端11、13处的带电区域也会很小，从而导致很少的带电离子和相对较小的电势。
类似地，用于构造动电学元件12的材料也可影响穿过动电学元件12被测量的动电势的量。除具有微通道之外，动电学元件也应该是不导电的。构造动电学元件12的典型材料包括氧化硅和微孔玻璃。然而，其它构造材料也在本发明的范围内。
显示动电学元件12被设置在连接至主过程管道20且围绕限流器22的导压管路30中。导压管路30具有在限流器22的上游侧24处的进口32和在限流器22的下游侧26处的出口34。由限流器22产生的压力降促使过程流体的次要流量穿过导压管路30和动电学元件12。
在一种配置中，限流器22包括阀，依赖于穿过动电学元件12产生的动电势操纵所述阀以增加或降低在主过程管道20中的过程流体的流量。然而，静态的或不移动的在管线中的限流器可被连接至管道以限制过程流体的流量，包括孔板、堰(weir)和直径比主过程管道20的直径小的管线段(pipe segment)，但不限于这些。
过程流体可以是包括离子的液体型或气态流体型的过程流体，诸如水和蒸汽。过程流体中的离子可包括带正电的阳离子和带负电的阴离子，所述过程流体可以是酸性的、中性的或碱性的。
过程流体中的阳离子在靠近动电学元件12的上游端11的带电区域中积聚，过程流体中的阴离子在靠近动电学元件12的下游端13的带电区域中积聚，以产生动电势。然而，在导压管路30中可颠倒动电学元件12的配置，使得阴离子在靠近上游端11的带电区域中积聚，阳离子在靠近动电学元件12的下游端13的带电区域中积聚，以产生相同的动电势。
通过把第一电极40设置在靠近动电学元件12的上游端11的导压管路30的带电区域中，和把第二电极42设置在靠近动电学元件12的下游端13的导压管路30的带电区域中，测量动电势。分别用线46、48把在变送器10中的模数(A/D)转换器60连接至第一和第二电极40、42。A/D转换器60把模拟动电势测量结果转换成数字信号，且通过线62把数字信号传送至测量电路44。
测量电路44包括微处理器50和存储器52，其测量穿过动电学元件12的动电势且把被测量的动电势与过程管道20中的过程流体的流量或压力中的任一个相关。如果测量电路44确定过程变量的值，诸如过程管道20中的过程流体的流量或压力，变送器10通过线59把信号发送至变送器10中的输入/输出(I/O)模块64。
在这个实施例中，I/O模块64典型地通过二线式过程控制回路52把信号发送至过程监控中心50。例如，所述过程监控中心50可以是控制室，所述控制室具有被连接至网络和适合与连接至工业过程的一个或多个现场设备和/或变送器通信的一个或多个计算机系统，。
变送器10使用二线式过程控制回路52用于信号传送且从过程监控中心50获得供电。例如，二线式过程控制回路52可利用诸如Fieldbus、Profibus的4mA信号技术和数字通信技术和诸如无线通信协议的其它的通信协议。
变送器电路44可以伏特或安培测量穿过动电学元件12的动电势。穿过动电学元件12的过程流体的流量可产生充足的电量给过程变送器10的测量电路44供电。
图2显示导压管路30的一种配置。导压管路30的内表面可涂覆有诸如不导电的陶瓷或塑料材料的不导电材料36。不导电材料36使得第一和第二电极40、42可准确地测量穿过动电学元件12产生的动电势，而没有金属导压管路30的干扰。
在图3中以10概括地显示了被连接至动电学元件以测量工业过程管道中的流量或压力的另一种过程控制变送器。在本申请的全文中，过程控制变送器10和100的类似的部件具有类似的参考标号。
与过程控制变送器10类似，过程控制变送器100包括流过动电学元件112且产生动电势的过程流体。过程控制变送器100检测穿过动电学元件112的动电势和把动电势与主过程管道120中的过程流体的流量或过程管道120中的过程流体的压力相关。
显示动电学元件112设置在被连接至主过程管道120和容器121(receptacle)的导压管路130中。典型地，所述容器121是具有比主过程管道120的压力低的另一过程管道或排出装置。因为容器121比主过程管道120的压力低，所以过程流体的次要流量流过导压管路130的进口132、穿过动电学元件112和穿过过程管道130中的出口134进入到容器121中。
动电学元件112包括过程流体流过的诸如毛细管或孔的许多微通道。过程流体中的阳离子在靠近动电学元件112的上游端111的带电区域中积聚，过程流体中的阴离子在靠近动电学元件12的下游端113的带电区域中积聚，以产生动电势。然而，在导压管路130中可颠倒动电学元件112的配置，使得阴离子在靠近上游端111的带电区域中积聚，阳离子在靠近动电学元件112的下游端113的带电区域中积聚，以产生动电势。
可使得动电势的值与穿过动电学元件112的过程流体的流量相关。通过如对变送器10所描述地关联穿过动电学元件112的被检测的动电势，计算穿过过程管道120的过程流体的流量或过程管道120中的过程流体的压力。
在图4的200处概括地显示用以测量工业过程中的压力的流量的被连接至动电学元件的另一个过程控制变送器。类似于过程控制变送器10和100，过程变送器200包括流过测量动电学元件212且产生动电势的过程流体。如之前对变送器10和100所描述地，过程控制变送器200使用靠近动电学元件212的端211、213设置的电极240、242检测穿过测量动电学元件212的动电势且把动电势与主过程管道220中的过程流体的流量或主过程管道220中的过程流体的压力相关。
显示动电学元件212设置有围绕限流器222设置的导压管路230。导压管路230包括上游进口232和下游出234，使得限流器222产生允许过程流体流过导压管路230的压力差降。然而，在图3中显示的配置也是典型的。
由设置在主过程管道220中，典型地是在动电学元件212的上游的电力产生动电学仪器250给变送器200供电。然而，电力产生动电学仪器250也可设置在测量动电学元件212的下游或在限流器222中。
参考图5-7，电力产生动电学仪器250典型地是具有使得过程流体从其中流过的中心开口252和在孔板250内嵌入的一个或多个电力产生动电学元件254的孔板250。所述电力产生动电学元件254可采用如图5中的环孔260、如图6所示的拱形部分262、264或如图7中的多个盘266的许多配置中的一种，但不限于此。
如之前所述地，电力产生动电学元件254设置孔板250中，以产生动电势和电流。由上游和下游电极270、272测量电流和动电势，用线274、276把所述上游和下游电极270、272连接至测量电路44，以供给测量电路运行所需要的电力。
典型地，电力产生动电学仪器250不用于测量过程变量，而是产生充足的电势和电流以给变送器200的测量电路44供电。在特定的位置上，例如在很远的位置上，在那里信号被无线地传送至控制室，例如动电学仪器250的独立电源在提供电力至测量电路44上是有用的。
虽然参考优选的实施例对本发明进行了描述，但本领域的技术人员将会认识到，在不背离本发明的实质和范围的情况下可对本发明的形式和细节进行改变。