压力变送器隔膜的状况检测的制作方法

1.本公开总体涉及一种压力变送器中特别是利用隔膜的压力变送器中的故障检测装置。


背景技术：

2.压力传感器用于取决于准确和稳定的压力测量以便可靠操作的各种应用中。随着更多的行业依赖压力传感器来监测和控制其应用，对这些传感器的需求也大大增加。存在具有不同的有效性和便利性的各种压力传感器设计。特别地，利用由薄材料制成的隔膜的压力传感器受到欢迎。


技术实现要素：

3.本公开的各方面允许检测压力变送器中的隔膜的状况。检测到的状况可表示由于隔膜开裂、泄漏或以其他方式受损造成的实际或预测的隔膜故障。
4.在一方面，一种用于压力变送器的材料特性传感器包括浸没在填充流体中的感测图案。所述压力变送器包括隔膜，所述隔膜被配置用于在所述隔膜的外表面处与工艺流体接触。所述压力变送器还包括压力传感器，所述压力传感器被配置用于感测所述工艺流体对所述隔膜的压力。所述压力传感器和所述隔膜限定腔体，所述填充流体设置在所述腔体内，使得所述压力传感器的所述隔膜在所述隔膜的内表面处与所述填充流体接触。所述感测图案浸没在所述腔体内的所述填充流体中并且被配置来在初始时间和所述压力变送器的操作期间的一个或多个随后时间处测量所述填充流体的电特性。
5.在另一方面，一种检测压力变送器的变化状况的方法，所述方法利用包括隔膜的压力变送器，所述隔膜被配置用于在所述隔膜的外表面处与工艺流体接触。所述压力变送器还包括压力传感器，所述压力传感器被配置用于感测所述工艺流体对所述隔膜的压力。所述方法包括：在初始时间处跨一定温度和压力范围测量感测图案浸没在其中的填充流体的一种或多种特性。所述方法还包括：根据在所述初始时间处测量的所述填充流体的所述一种或多种介电特性来表征所述填充流体的指纹；以及在随后时间处测量所述填充流体的所述一种或多种介电特性。所述方法还包括：根据在所述随后时间、压力和温度处测量的所述填充流体的所述一种或多种特性来表征所述填充流体的当前行为；将在所述随后时间处的所述填充流体的所述当前行为与在所述初始时间处的所述填充流体的所述指纹进行比较，以检测所述填充流体的所述一种或多种特性随时间的变化；以及在所述随后时间处的所述填充流体的所述材料特性与在第一时间处测量的所述填充流体指纹的所述材料特性之间的差异超过阈值时，响应于所述差异而使用警报电路产生警报。
6.在又一方面，一种压力变送器包括：隔膜，所述隔膜被配置用于在所述隔膜的外表面处与工艺流体接触；压力传感器，所述压力传感器被配置用于感测所述工艺流体对所述隔膜的压力；以及填充流体。所述压力传感器的所述隔膜在所述隔膜的内表面处与所述填充流体接触，并且所述压力传感器和所述隔膜限定腔体，所述填充流体设置在所述腔体内。
所述压力变送器还包括：感测图案，所述感测图案浸没在所述腔体内的所述填充流体中并且被配置来在初始时间和所述压力变送器的操作期间的一个或多个随后时间处测量所述填充流体的电特性。
7.本公开的目标和特征部分将是显而易见的并且部分将在本文中指出。
附图说明
8.图1是根据一个实施方案的压力变送器的前视图；
9.图2是在沿图1的线1-1延伸的平面中截取的压力变送器的区段；
10.图3是在沿图1的线1-1延伸的平面中截取的压力变送器的传感器组件的区段；
11.图4是图3的传感器组件的材料特性传感器的感测图案的顶视图；并且
12.图5是与图1的压力变送器一起使用的惠斯通电桥(wheatstone bridge)电路的电路图。
13.对应的附图标记在整个附图中指示对应的部分。
具体实施方式
14.参考图1，根据本公开的一个实施方案的压力变送器100包括被配置成位于透明盖114后面的用户显示器102(例如lcd显示器)、用户显示器外壳104和传感器外壳106。用户显示器外壳104具有开口，通过所述开口可看到用户显示器102。在所示实施方案中，压力变送器100附接到流体源，诸如井口或油泵，所述流体源通过管道供应工艺流体以便测量管道内的流体压力。然而，压力变送器100不限于流体泵应用。压力变送器100还可用于工业应用、化学应用、汽车应用、医学应用、消费者应用、住宅应用等。
15.参考图2，压力变送器100的横截面示出压力变送器的内部部件。如图2所示，压力变送器100还包括用户终端块108、用户终端块外壳110、控制器112、传感器组件116和电子连接件118。传感器外壳106包括前开口、后开口和底部开口，其中前开口被配置来接收用户显示器外壳104，后开口被配置来接收用户终端块外壳110，并且底部开口被配置来接收传感器组件116。透明盖114被配置成在用户显示器外壳104中被接收在用户显示器外壳的开口与用户显示器102之间。
16.参考图3，传感器组件116还包括芯片载体120、材料特性传感器122和隔膜124。在本公开的一个实施方案中，芯片载体120由陶瓷材料制成。芯片载体120还被配置来支撑压力传感器126。
17.在图2和图3的实施方案中，隔膜124由金属材料(例如，不锈钢、或其他基于镍铬的超合金、或其他镍铬钼合金、或其他镍钼合金、钛或蒙乃尔合金)制成。然而，隔膜不限于金属材料。尽管如图2和图3所示的压力变送器100包括单个隔膜124，但应当理解，本公开的各方面可应用于具有多于一个隔膜的压力变送器。
18.在所示实施方案中，隔膜124与压力传感器126和芯片载体120间隔开以在隔膜与芯片载体之间限定腔体130。填充流体132设置在腔体130内，所述填充流体包括不可压缩材料(例如，有机硅200dc10或其他有机硅流体、fluorinert
tm fc43或其他氟化脂肪族流体、水或neobee n1206tz)。隔膜124在隔膜的内表面133处与填充流体132接触。传感器组件116可选择性地附接到用户应用，使得隔膜124被配置用于在隔膜124的外表面135处与工艺流体
134接触。在优选实施方案中，填充流体132是不同于工艺流体134的流体，并且填充流体和工艺流体具有不同的介电特性。材料特性传感器122还包括感测图案136。材料特性传感器122及其感测图案136被配置成浸没在填充流体132中，使得材料特性传感器可测量填充流体的电特性，诸如电导率、漏电、电阻率、电容率和介电常数。如图所示，包括感测图案136的材料特性传感器122设置在芯片载体120的表面上。
19.如图4所示，所示实施方案中的感测图案136包括两个大致梳状结构137和139，其中90度转弯限定具有水平部段138和竖直部段140的梳齿141。在此实施方案中，水平部段138彼此间隔开0.0060英寸并且其长度为0.0120英寸，而感测图案电路137的宽度为0.0030英寸。在此实施方案中，感测图案136的宽度为0.0270英寸。在所示实施方案中，感测图案电路137与感测图案136的侧边缘之间的间距为0.0060英寸，而感测图案136的顶边缘和底边缘与感测图案电路137之间的间距为0.0230英寸。梳状结构137和139包括导电元件并且一起形成电容器。填充流体132用作两个导电元件之间的电介质，使得所测量的电容的变化可用于检测填充流体132的介电常数。在感测图案136的替代实施方案中，齿141将具有水平部段138，所述水平部段138具有大于0.0120英寸长的长度。梳状结构137、139被配置来有利地使耦合最大化。
20.图5示出体现呈惠斯通电桥150形式的压力变送器100的另外方面的示例性电路图。如图5所示，惠斯通电桥电路150包括温度电桥152和压力电桥154。作为感测图案136的替代方案或除了感测图案136之外，惠斯通电桥电路150被配置用于通过确定在跨电桥电路施加电压时填充流体132的电阻来测量填充流体132的材料特性。例如，电桥电路150可浮动以测量电阻。在温度电桥152的引脚9处注入电流，并且然后跨引脚9和压力电桥154的引脚2读取电压。电压读数指示填充流体132的电阻。类似地，可跨具有单个电桥电路的单个可变变送器中的浮动电桥电路读取电压，以确定填充流体132的电阻。在此实施方案中，感测图案136包括惠斯通电桥电路。
21.在操作中，压力变送器100被配置来感测工艺流体134的压力。当工艺流体134作为工艺的一部分被加压时，工艺流体向隔膜124上施加力。隔膜124被配置成足够薄以使得它可响应于工艺流体134所施加的压力而偏转。隔膜124的偏转对不可压缩的填充流体132施加力，不可压缩的填充流体132将所述力传递到压力传感器126。作为这些力传递的结果，压力传感器126测量隔膜124的外表面上由工艺流体134引起的压力变化。压力传感器126被配置来响应于施加在压力传感器上的力(即，压电或应变仪响应)而产生电子信号。电信号通过电连接件118从压力传感器126传递到控制器112。控制器112接收电信号并且输出将显示在用户显示器102上的压力读数。此外，用户终端块108提供用于将压力变送器100连接到外部电路系统的输入/输出终端。
22.在压力变送器100执行其读取工艺流体134的压力的功能时，材料特性传感器122同时执行填充流体132的测量以测试填充流体的材料特性。如上所述，材料特性传感器122浸没在填充流体132中。在初始时间(t1)处，材料特性传感器122使用感测图案136测量填充流体的电特性。在本公开的实施方案中，材料特性传感器122能够测量填充流体132的电导率、漏电、电阻率、电容率和介电常数。然而，此应用不应被解释为限制材料特性传感器122能够测量的填充流体132的材料特性。
23.为了在t1处测量填充流体132的电导率、漏电、电阻率或电容率，在感测图案136浸
没在填充流体中时以已知电阻跨感测图案136施加已知电压。为了在t1处测量填充流体132的介电常数，在感测图案136浸没在填充流体中时通过已知电容器以一个或多个频率跨感测图案136施加电压。感测图案136被配置来在一定温度和压力范围内测量填充流体132的介电特性，以创建与t1处的介电特性相关联的填充流体指纹。通过在t1处跨一定温度和压力范围测量填充流体132的材料特性中的一者或多者，填充流体的指纹能够确定与离散温度和压力下的特定特性相关联的值。
24.随着压力变送器100随时间操作，工艺流体134对隔膜124的力以及化学、机械和/或外部因素可能引起开裂或泄漏，而所述开裂或泄漏例如导致隔膜124最终发生故障。一旦隔膜已发生故障，传感器126可能以降低的性能继续操作持续一段时间。这种降低的性能可能产生不正确的压力读数，而这在应用中是不期望的。如果未得到校正，则工艺流体134的压力的错误读数可能导致不必要的校正动作，或必要的校正动作的延迟，从而为用户造成更高的成本或产品损失。
25.当隔膜124发生故障时，很可能的是，填充流体132可能受到碎屑污染或与工艺流体134混合。当填充流体132受到污染时，污染致使填充流体的所测量的材料特性发生变化。上文提及的可能的填充流体中的一些的通用值参见下面示出的表1。
[0026][0027]
材料特性传感器122被配置来通过在压力变送器100的操作期间的一个或多个随后时间tn处连续测量填充流体132的材料特性来测量这些变化。材料特性传感器122被配置来通过以已知电阻跨感测图案136施加电压来连续监测电导率、漏电、电阻率和/或电容率。替代地，材料特性传感器122被配置来借由通过已知电容器以一个或多个频率跨感测图案136施加已知电压来连续监测填充流体132的介电常数。材料特性传感器122可使用填充流体指纹确定在特定温度和压力下填充流体132的材料特性(例如，电导率、电阻率、电容率、漏电或介电常数)的适当值应该是什么。然后将此值与材料特性的所测量的值进行比较，以确定这些值是否在预定阈值内匹配。在一个实施方案中，压力变送器100的控制器112在随后时间tn处的填充流体132的材料特性与在第一时间t1处测量的填充流体指纹的材料特性之间的差异超过阈值时，响应于所述差异而产生警报。此警报向用户通知填充流体132可能已经以某种方式(诸如由于隔膜124的故障)受到污染，并且因此使用户注意到需要更换隔膜。
[0028]
现在将在下面简要描述检测如上所述的压力变送器的变化状况的示例性方法。压力变送器100包括隔膜124，所述隔膜124被配置用于在隔膜的外表面处与工艺流体134接触。压力变送器100还包括压力传感器126，所述压力传感器126被配置用于感测工艺流体134对隔膜124的压力。所述方法包括第一步骤：在初始时间t1处跨一定温度和压力范围测
量例如惠斯通电桥电路的感测图案136浸没在其中的填充流体132的一种或多种特性。在一个实施方案中，感测图案136设置在芯片载体120上，所述芯片载体优选地由陶瓷材料制成。压力传感器测量隔膜124的外表面处由工艺流体134引起的压力变化。介电特性可包括但不限于电导率、漏电、电容率、电阻率和介电常数。为了在t1处测量填充流体132的电导率、漏电、电阻率或电容率，以已知电阻跨感测图案136施加已知电压。为了在t1处测量填充流体132的介电常数，通过已知电容器以一个或多个频率跨感测图案136施加电压。在本公开的优选实施方案中，填充流体132是不同于工艺流体134的流体，并且其中填充流体和工艺流体具有不同的介电特性。
[0029]
在第二步骤中，体现本公开的各方面的方法包括根据在初始时间t1处测量的一种或多种介电特性来表征填充流体132的指纹。通过在t1处跨一定温度和压力范围测量填充流体132的材料特性中的一者或多者，填充流体的指纹能够确定与离散温度和压力下的特定特性相关联的值。
[0030]
在第三步骤中，所述方法包括在压力变送器100的操作期间的一个或多个随后时间tn处测量填充流体132的一种或多种介电特性。在第四步骤中，所述方法包括根据在随后时间、压力和温度处测量的填充流体132的一种或多种特性来表征填充流体132的当前行为。通过从传感器组件116收集温度和压力数据，材料特性传感器122可使用填充流体指纹确定在特定温度和压力下填充流体132的材料特性(例如，电导率、电阻率、电容率、漏电或介电常数)的适当值应该是什么。
[0031]
在第五步骤中，所述方法包括将在随后时间tn处的填充流体132的当前行为与在初始时间t1处的填充流体的指纹进行比较，以检测填充流体的一种或多种特性随时间的变化。然后将此值与材料特性的所测量的值进行比较，以确定这些值是否在预定阈值内匹配。
[0032]
在第六步骤中，所述方法包括在随后时间tn处的填充流体132的材料特性与在初始时间t1处测量的填充流体指纹的材料特性之间的差异超过预定阈值时，响应于所述差异而使用警报电路产生警报。此警报向用户通知填充流体132可能已经以某种方式(诸如由于隔膜124的故障)受到污染，并且因此使用户注意到需要更换隔膜。
[0033]
除非另外规定，否则本文所示出和描述的本发明的各方面的实施方案中的操作的执行或进行次序不是必需的。也就是说，除非另外规定，否则可以任何次序进行操作，并且本发明的各方面的实施方案可包括与本文所公开的操作相比另外的或更少的操作。例如，设想在另一个操作之前、与另一个操作同时或在另一个操作之后执行或进行特定操作在本发明的各方面的范围内。
[0034]
在介绍本发明或其实施方案的各方面的要素时，冠词“一个”、“一种”和“所述(the/said)”意图意指存在要素中的一个或多个。术语“包括”、“包含”和“具有”意图是包括性的，并且意指可存在除所列要素以外的另外的要素。
[0035]
可能并不需要所有所示出或描述的描绘部件。此外，一些实现方式和实施方案可包括另外的部件。在不脱离如本文所阐述的权利要求的精神或范围的情况下，可对部件的布置和类型作出变化。可提供另外的、不同的或更少的部件，并且可组合各部件。替代地或此外，一个部件可由若干部件来实现。
[0036]
以上描述通过示例而不是限制的方式来说明本发明的各方面。本说明书使本领域技术人员能够制作并使用本发明的各方面，并且描述本发明的各方面的若干实施方案、变
更、变化、替代方案和使用，包括目前所认为的执行本发明的各方面的最佳模式。另外，应当理解，本发明的各方面的应用不限于以下描述中所阐述的或附图中所示的部件构造和布置的细节。本发明的各方面能够具有其他实施方案并且能够以各种方式实践或执行。此外，将理解，本文中使用的措辞和术语是出于描述目的，并且不应认为是限制性的。
[0037]
将显而易见的是，在不脱离所附权利要求中限定的本发明的范围的情况下，修改和变化是可能的。由于可在不脱离本发明的范围的情况下对以上构造和方法作出各种改变，因此，意图以上描述中包含的并且在附图中示出的所有内容都应被解释为说明性的并且不具有限制性意义。
[0038]
鉴于以上内容，可看出实现了本发明的各方面的若干优点并且获得了其他有利结果。
[0039]
提供说明书摘要和发明内容来帮助读者快速确定技术公开内容的本质。提交时应当理解，它们不用来解释或限制权利要求的范围或含义。提供发明内容来以简化的形式介绍在具体实施方式中进一步描述的一系列概念。发明内容既不意图识别所要求保护的主题的关键特征或基本特征，也不意图用来帮助确定所要求保护的主题。