基于谐振频率的压力传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种用于感测过程流体的压力的压力传感器，所述压力传感器包括被暴露到过程流体的压力的传感器主体。传感器主体响应于所述压力变形。从传感器主体悬挂的膜片具有响应于传感器主体的变形而改变的张力。膜片的谐振频率被测量。测量的谐振频率指示过程流体的管路压力和隔离填充流体系统的完整性。除测量谐振频率之外，振动模式本身可以用作用于评定传感器健康状态的诊断工具。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及在工业过程控制系统中使用类型的压力变送器。更具体地，本专利技术涉及一种在压力变送器中使用的压力传感器。
技术介绍
压力变送器在工业过程控制系统中用于监测过程流体的压力。压力变送器包括连接到过程流体并提供响应过程流体施加的压力的输出的压力传感器。一种众所周知类型的压力变送器为可从Chanhassen，Minnesota的Rosemount股份有限公司获得的Model 3051 变送器。例如，在美国专利第5，094，109号中也显示了压力变送器。在测量压差的许多设备中，还常常需要获得管路压力测量值(即，管或管道中的过程流体的压力)。例如，管路压力可以用于确定过程流体的质量流或者用于其它控制应用。然而，当除了压差测量之外还需要管路压力测量时，典型地需要另外的压力传感器。该另外的压力传感器需要额外的部件并连接到过程流体。这些额外部件导致增加了复杂性和费用，并且增加出现故障的可能性。进一步地，许多压力感测技术通过隔离结构连接到过程流体，所述隔离结构使用暴露于过程流体的隔离膜片和将压力传感器连接到隔离膜片的隔离填充流体。该隔离结构可能潜在性地成为过程装置中的误差、复杂性和潜在故障的来源。
技术实现思路
一种用于感测过程流体的压力的压力传感器，所述压力传感器包括暴露于过程流体的压力的传感器主体。传感器主体响应于所述压力变形。由传感器主体悬挂的膜片具有响应于传感器主体的变形而改变的张力。膜片的谐振频率被测量。测量的谐振频率指示管路过程流体的压力和隔离填充流体系统的完整性。除测量谐振频率之外，振动模式本身可以用作用于评定传感器健康状态(health)的诊断工具。附图说明图1是根据本专利技术的压力传感器的横截面立体图；图2是从施加到图1的传感器的压力口的压力的结果显示图1的压力传感器的横截面图；图3是包括声源的压力传感器的横截面图；图4是包括根据本专利技术的压力传感器的过程变量变送器的横截面图；以及图5A-5F显示根据本专利技术的中心膜片的示例性谐振模式。具体实施例方式本专利技术涉及在工业过程控制系统的压力变送器中使用类型的压力传感器。对于本专利技术，压力传感器被设置成包括可变形传感器主体。膜片安装到传感器主体。当主体变形时，膜片的谐振频率改变。谐振频率可以被测量，并且可以确定所施加的压力。图1为根据本专利技术的一个实施例的压差传感器10的立体横截面图。压力传感器 10为压差传感器结构的一个实例，并且包括延伸通过传感器主体23的压力连接器沈。传感器主体由半单元46和48形成，并且包括金属和玻璃合成物。传感器10内的空腔25承载填充流体。可移动膜片16横过空腔25延伸并被构造成响应施加的压差而移动。电极(电容器极板)20A和20B被布置在传感器10的空腔25中。连接到电极20和膜片16的电连接装置40用于测量电极20与膜片16之间的电容。该电容随着膜片响应施加的压力移动而变化，并且可用于确定施加的压差。该压差测量值可以用于确定管或管道中的流量。根据本专利技术，谐振声换能器96 (图3中所示)连接到压力传感器10的可变形压力传感器主体23，并且被构造成使膜片16谐振，所述膜片的频率响应于过程流体的管路压力变化。电极20A和20B可以用作谐振拾取器并在下面更详细地说明。当压差通过压力连接器沈施加到传感器主体23时，除膜片16的运动之外，传感器主体23的整体形状还响应于管路压力变化。传感器主体的这种形状变形将改变膜片16 的谐振频率。膜片的谐振频率可以根据任何适当的技术来测量。例如，声换能器(源)可以用于使膜片16谐振。接着可以通过测量电极20A和20B与膜片16之间的电容的变化来发送膜片的谐振频率。以下方程式用于推算预加应力膜的谐振频率/n= i- J-^-(方程式 1)2 \ pA其中fn=膜的固有频率(Hz)λ u =基于根据波节半径(i)和波节直径(j)的谐振模式的常量σ =中心膜片的张力(psi)ρ =与质量体积和重力成函数的膜材料特性(lb-s7ln4)A =谐振膜的有效面积方程式1描述了可以用于通过测量使膜片谐振的频率计算中心膜片张力的关系。 简化方程式1显示为/n ▲(方程式2)所述方程式指出中心膜片的谐振频率与中心膜片16的张力的平方根成比例。图2为显示传感器10的主体响应于从过程流体施加的管路压力的变形的传感器 10的简化横截面图。空腔深度响应于施加的压力而增加，从而导致半单元46和48完全向内偏转。这导致中心膜片16的张力(应力)减小。如图2所示，空腔深度( 随着管路压力的增加而增加(ΔΖ)。所述偏转遵循胡克定律并与管路压力P成正比，即Z = Z。+kzP(方程式 3)其中kz为管路压力与空腔深度之间的比例的弹簧常数。类似地，传感器在中心膜片(CD)处的半径(r)由于施加的管路压力而缩小(△!·)。该偏转与管路压力(ρ)成线性关系r = r0-krP(方程式 4)其中&为管路压力与径向变化之间的比例的弹簧常数。由于此，CD应力也为管路压力的线性函数σ = o0-koP(方程式 5)其中k。为管路压力与中心膜片应力之间的比例的弹簧常数。由于CD应力为双向，因此应变可以如下转换成应力权利要求1.一种用于感测过程流体的压力的压力传感器，包括可变形传感器主体，所述可变形传感器主体被暴露到所述过程流体的压力，其中所述传感器主体响应于所述压力而变形；膜片，所述膜片通过所述传感器主体被悬挂，并且具有响应于所述传感器主体的变形而改变的张力；和谐振频率传感器，所述谐振频率传感器被构造成感测所述膜片的谐振频率，所述谐振频率指示所述过程流体的压力。2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述可变形传感器主体包括玻璃及金属传感器主体。3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述谐振频率传感器包括声源。4.根据权利要求3所述的设备，其中，所述谐振频率传感器还包括电容器极板，所述电容器极板被定位成紧邻所述膜片，所述电容器极板具有响应于所述膜片的偏转而改变的电容。5.根据权利要求1所述的设备，包括温度传感器，并且其中所述膜片的谐振根据感测到的温度被补偿。6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述膜片被构造成响应于施加的压力偏转。7.根据权利要求6所述的设备，其中，所述膜片被构造成响应于施加到所述膜片的压差偏转。8.根据权利要求7所述的设备，包括 电极，所述电极被定位成紧邻所述膜片；和测量电路，所述测量电路被构造成根据所述电极与所述膜片之间的电容的变化测量所述压差。9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述膜片的谐振根据所述电极与所述膜片之间的电容通过所述测量电路来感测。10.根据权利要求1所述的设备，其中，所述谐振频率还指示所述压力传感器的诊断状态。11.根据权利要求1所述的设备，其中，所述谐振频率模式指示所述压力传感器的健康状态。12.根据权利要求1所述的设备，其中，所述压力传感器通过隔离流体连接到过程流体。13.—种过程控制变送器，包括连接到根据权利要求1所述的压力传感器的变送器电路。14.根据权利要求14所述的设备，其中，所述变送器电路被构造成根据所述膜片的谐振频率确定管路压力。15.一种感测过程流体的压力的方法，包括以下步骤将传感器主体暴露到所述过程流体的压力，从而使所述传感器主体响应于所述压力而变形；从所述压力主体悬挂膜片，所述膜片具有响应本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种用于感测过程流体的压力的压力传感器，包括：可变形传感器主体，所述可变形传感器主体被暴露到所述过程流体的压力，其中所述传感器主体响应于所述压力而变形；膜片，所述膜片通过所述传感器主体被悬挂，并且具有响应于所述传感器主体的变形而改变的张力；和谐振频率传感器，所述谐振频率传感器被构造成感测所述膜片的谐振频率，所述谐振频率指示所述过程流体的压力。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：安德鲁·J·克洛辛斯基，查尔斯·R·威勒克斯，
申请(专利权)人：罗斯蒙德公司，
类型：发明
国别省市：US