ВСТРОЕННОЕ КОЛЬЦЕВОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК G01L9/12 G01L13/02 G01F1/38 

Область техники

Настоящее изобретение относится к датчику давления для измерения давления или дифференциального давления потока жидкости. Более точно, настоящее изобретение относится к датчику давления, использующему кольцевые емкостные элементы для измерения давления или направления потока и расхода флюида.

Предшествующий уровень техники

Датчики давления и расхода флюида могут быть использованы во многих различных приложениях. В системах управления технологическим процессом датчики давления могут использоваться, например, для измерения избыточного давления, абсолютного давления и т.п. Кроме того, датчики расхода флюида могут использоваться для измерения расхода технологических жидкостей и формировать сигналы о расходе для индикаторов потока, устройств управления расходом и для измерения объемного расхода. Используемый в данном случае термин "флюид" относится и к жидкостям, и к газам, а также к их комбинациям.

Дифференциальные датчики расхода измеряют расход флюида в трубке, сосуде или трубопроводе посредством измерения перепада давления в трубке. Вариант создания такого перепада - поместить в трубку ограничивающий поток элемент или же сам измерительный датчик для получения необходимого перепада давления. Таким ограничивающим поток элементом может быть ограничительная диафрагма, которая ограничивает поток жидкости и обеспечивает измеряемый перепад давления.

В типичной системе измерения расхода на трубке с потоком флюида с обеих сторон ограничивающего поток элемента устанавливают отводы и измеряют давление на каждом отводе, при этом используют внешний датчик давления для регистрации падения давления. Импульс жидкости или заполненные жидкостью измерительные манометрические трубки передают давление на каждом из отводов на внешний датчик давления.

Такие системы характеризуются относительно высокой стоимостью установки из-за необходимости монтажа внешнего датчика давления на трубке. Кроме того, в таких системах необходимо обеспечить дополнительную защиту от утечки в местах присоединения отводов к трубке, что увеличивает время монтажа и к стоимости монтажа добавляет стоимость материала.

В некоторых случаях для технологического флюида или газа, для которых используется датчик давления, может потребоваться оборудование высокой или сверхвысокой чистоты. Для выполнения монтажных требований необходимо отделить датчик давления от технологической жидкости с помощью изолирующей диафрагмы. Обычно при заливке нефти датчик давления связывают с изолирующей диафрагмой так, что прикладываемое к диафрагме давление прикладывается и к датчику давления. Однако эта методика изоляции может привносить ошибки в измерения давления. Кроме того, в высокочистом технологическом оборудовании, если диафрагма повреждается или повреждается уплотнение (либо в результате коррозии, либо из-за столкновений с твердыми частицами, имеющимися в потоке жидкости), то весь технологический процесс может загрязниться нефтью. В случае использования расходомера на пластине кремния расходомер необходимо высушить, т.е. он не должен быть заполнен жидкостью для передачи сигнала давления.

Датчики давления используются в технологических процессах для контроля и/или управления процессом. Различные технологические процессы требуют сверхвысокой чистоты всех смачиваемых материалов (т.е. материалов, которые контактируют с технологической жидкостью). Например, на некоторых технологических этапах в полупроводниковой технологии требуется сверхвысокая чистота для работы с технологическими жидкостями. Полупроводниковая технология следует техническим условиям, сформулированным институтом SEMI (Институт полупроводниковых устройств и материалов) для обработки высокочистых материалов. Эти инструкции определяют допустимые материалы и условия для поверхности элементов, непосредственно соприкасающихся с технологической средой. Имеются и другие ситуации и технологии, требующие высокочистой обработки, например в фармацевтической промышленности.

В тех областях промышленности, где требуется сверхвысокая чистота, технологическая жидкость является препятствием для введения в технологию новых материалов или поверхностей. Обычно применение новых материалов требует длительной сертификации и технологического тестирования. Вслед за сертификацией для промышленной технологии следует получить достаточную гарантию того, что новый материал или поверхность не привнесут загрязнения в технологический процесс.

В общем случае, используемые в настоящее время преобразователи для измерения давления в сверхчистых технологиях имеют некоторые погрешности при измерениях давления. Один из источников погрешности заключается в необходимости совмещения датчика давления с технологией сверхчистой обработки. Это может требовать введения изолирующей диафрагмы, т.е. диафрагмы, физически изолирующей датчик давления от технологической жидкости. Другой источник погрешности заключается в конструкции и характеристиках самого датчика давления.

Краткое изложение существа изобретения

Технической задачей настоящего изобретения является создание протяженных высокоточных датчиков давления, которые предпочтительно могут быть использованы в высокочистых технологиях.

Согласно настоящему изобретению предложен встроенный емкостной датчик давления. В одном из вариантов реализации датчик измеряет дифференциальное давление для определения расхода флюида. В этой системе используется измерение расположенного выше по течению первого емкостного датчика и измерение расположенного ниже по течению второго емкостного датчика. Два замера используются затем для получения дифференциального давления, пропорционального расходу жидкости.

Датчик давления для измерения давления технологического флюида в трубке содержит электрод и диафрагму. Электрод объединен с внутренней стенкой трубки. Диафрагма проходит, по меньшей мере, частично над электродом и установлена с возможностью перемещения относительно электрода под действием давления технологического флюида. Электрическая емкость между электродом и диафрагмой соответствует давлению технологической жидкости.

Согласно одному варианту реализации настоящего изобретения соответствующая тонкая диафрагма приваривается на внутреннюю поверхность трубки поверх изолятора с фиксированной пластиной конденсатора. Диафрагма имеет кольцевую форму и закрепляется по всему периметру внутреннего радиуса трубки. Если давление в трубке изменяется, то диафрагма смещается относительно фиксированной пластины конденсатора, размещенной на изоляторе. Изолятор может быть выполнен из стекла или из любого другого электроизоляционного материала. Смещение концентрической диафрагмы сразу же регистрируется как изменение емкости, вызванное изменением расстояния между диафрагмой и фиксированной пластиной конденсатора.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

Фиг.1 изображает схему установки датчика давления, установленного на трубке технологической системы вдоль потока жидкости, согласно изобретению;

Фиг.2 - датчик давления в разобранном виде, согласно изобретению;

Фиг.3 - разрез встроенного емкостного дифференциального датчика давления потока, in situ, т.е. установленного в трубопроводе, согласно изобретению;

Фиг.4 - емкостной элемент датчика, согласно изобретению;

Фиг.5 - продольный разрез емкостного датчика, установленного в трубопроводе, согласно изобретению;

Фиг.6 - разрез датчика давления по линии VI-VI на Фиг.1, согласно изобретению;

Фиг.7 - вид сбоку альтернативного варианта реализации емкостного датчика давления, согласно изобретению;

Фиг.8 - общий вид части (S) емкостного датчика давления, обозначенной пунктирным квадратом на Фиг.7, согласно изобретению;

Фиг.9 - альтернативный вариант реализации емкостного датчика давления, в котором диафрагма установлена заподлицо с внутренней поверхностью датчика, а изолятор и емкостной электрод утоплены относительно этой поверхности, согласно изобретению;

Фиг.10 и 11 - блок-схемы электронного устройства, используемого для вычисления расхода, согласно изобретению.

Подробное описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения

На фиг.1 представлен пример конфигурации технологической системы, в которой может быть использован емкостной дифференциальный датчик 10 расхода согласно настоящему изобретению. Датчик 10 расхода установлен вдоль трубки 12. Флюид протекает через трубку 12 в направлении, указанном стрелкой А. Датчик 10 расхода детектирует перепад давления, который может быть использован для определения расхода протекающего через трубку 12 флюида. Термины "флюид" и "поток флюида" относятся в данном случае и к жидкостям, и к газам. Таким образом, поток флюида может быть жидкостью или газом.

Датчик 10 расхода может быть подключен электрическими соединениями 14 к управляющей системе 16 или к другому обрабатывающему электронному устройству. Такое электрическое подключение может осуществляться через двухпроводную управляющую схему (не показана), через беспроводной канал связи, или через любое другое средство связи. Управляющая система 16 обычно расположена дистанционно в пункте 18 управления технологической установкой. В другом случае управляющая система 16 может быть расположена на различных участках (пункт 18 управления показан условно).

Управляющая система 16 может быть предназначена для мониторинга информации, принимаемой от датчика 10 расхода, и/или для управления датчиком 10 расхода по каналу связи.

Формируемый датчиком 10 сигнал расхода содержит информацию о расходе и о направлении потока флюида. Например, если сигнал расхода представляет собой аналоговый сигнал (4-20 мА), то расход и направление потока флюида отображаются величиной сигнала. Например, нулевой расход может соответствовать значению сигнала в 12 мА. Поток флюида вдоль отрицательного направления, т.е. отрицательный поток, может отображаться сигналом расхода с текущим значением менее 12 мА, т.е. менее значения "нулевого расхода". Положительный поток флюида может отображаться сигналом расхода с текущим значением более 12 мА, т.е. более значения "нулевого расхода". Разность между значением сигнала расхода и значением нулевого расхода может быть использована для определения, положительным или отрицательным является поток флюида. Например, увеличение разности между значением сигнала флюида, например, увеличение разности между значением сигнала расхода и значением нулевого расхода может указывать на увеличение расхода в положительном или отрицательном направлении потока флюида.

Датчик 10 содержит два емкостных кольцевых хомута, присоединенных ограничивающим поток сегментом 20 (элемент перепада давления) к трубке 12 посредством фланцев 22. Фланцы 22 трубки 12 и ограничивающий поток сегмент 20 соединены с помощью крепежного элемента 26. Крепежный элемент 26 может быть любым крепежным средством, например это могут быть заклепки, болты, винты и гайки и т.п. В предпочтительном варианте реализации крепежный элемент 26 проходит через отверстия во фланце 22 ограничивающего сегмента 20 и через соответствующие отверстия фланца 22 трубки 12, например, в виде болта и гайки.

Датчик 10 расхода имеет два емкостных датчика 28 давления, разделенных ограничивающим поток сегментом 20. В этом варианте реализации трубка 12 снабжена фланцем 24, выполненным за одно целое с трубкой 12 и имеющим отверстие 30 того же диаметра, что и соответствующий сегмент трубки 12. Таким образом, оба сегмента трубки 12 оканчиваются фланцами 24 с отверстиями 30.

Фланцы 24 трубки и фланцы 22 снабжены крепежными отверстиями 32 и 34, соответственно. Все крепежные отверстия 32 и 34 проходят через фланцы 24 и 22 и их размер соответствует размеру крепежного элемента 36. Крепежный элемент может проходить через отверстие 32 фланца 24 трубки, через отверстие 38 емкостного датчика 28 давления и через соответствующее отверстие 34 во фланце 22 задерживающего поток элемента 20. Крепежный элемент 36 с резьбой затем может быть зафиксирован на месте с помощью затягивающейся стопорной гайки 40. Очевидно, что могут быть использованы и другие способы крепления, включая сварку.

В этом примере емкостной датчик 28 давления представляет собой кольцо, имеющее корпус 42 и монтажный фланец 44 с отверстием 46 и предназначенное для размещения в потоке флюида, причем размер кольца согласован с отверстием 30 трубки 12. Монтажный фланец 44 имеет отверстия 34 диаметром, подходящим для размещения крепежного элемента 36 (как указано выше). Гибкий цилиндр, или диафрагма 48, проходит по всей длине окружности внутренней стенки кольцевого датчика 28. Емкостной элемент 50 расположен в изолирующей прокладке (Фиг.3), расположенной между диафрагмой и внутренней стенкой кольцевого датчика 28 давления.

Как только технологическая жидкость протекает через сборку, давление флюида вызывает смещение диафрагмы, что регистрируется как изменение емкости. Давление эффективно передается по 360° диафрагмы. Изменение емкости затем может быть передано в виде электрического сигнала по соединительным проводам 14.

Поскольку диафрагма располагается на 360° с внутренней стороны датчика 28 и поскольку отверстие 46 соответствует отверстию 30 трубки 12, то нет места для скопления твердых примесей и отверстие не закупоривается. Поток флюида непрерывно очищает диафрагму 48, обеспечивая надежные и точные замеры давления.

Для варианта реализации расходомера с измерением дифференциального давления ограничивающий поток сегмент 20 может быть образован ограничивающим поток элементом (показан на Фиг.3), который эффективно сужает канал протекающей жидкости и обуславливает перепад давления на ограничивающем элементе. Затем два датчика 28 измеряют давление с обеих сторон ограничивающего элемента, и разность этих замеров может быть использована для определения дифференциального давления.

На фиг.3 представлен вариант реализации датчика 10 расхода в трубке 12. Датчик 10 расхода обычно содержит ограничивающий поток сегмент 20, размещенный между двумя емкостными датчиками 28 давления. Датчики 28 давления и ограничивающий поток сегмент 20 размещены в потоке жидкости.

Фланец 24 трубки 12 скреплен с возможностью отсоединения с фланцем 22 ограничивающего поток сегмента 20 с помощью крепежного элемента 36 с гайками 40 на обоих его концах. Емкостной датчик 28 давления расположен между трубкой 12 и ограничивающим поток сегментом 20, а более точно - между фланцем 24 и фланцем 22. Отверстие 46 датчика 28 соответствует отверстиям 30, 31 фланцев 24 и 22, соответственно. Таким образом, соединения между трубкой 12, датчиком 28 и ограничивающим поток сегментом 20 обрабатываются так, чтобы соответствие было почти идеальным.

Гибкая диафрагма 48 прикреплена к внутренней стенке датчика 28 и проходит от внутренней стенки по направлению к потоку флюида. Диафрагма 48 может быть закреплена сваркой или другим образом, обеспечивая плотное закрепление и удовлетворяя требованиям сверхчистой технологии. Точки 52 сварки показаны увеличенными, чтобы их лучше было видно. Точка 52 сварки предпочтительно должна быть малой.

В предпочтительном варианте реализации диафрагма 48 закрепляется на трубке 12 посредством точечной сварки. В другом предпочтительном варианте реализации диафрагма 48 закрепляется на трубке 12 посредством лазерной сварки. Для очистки поверхности может быть применено дополнительное электролитическое полирование, если таковы технологические требования к окончательной обработке. Вообще говоря, может быть использована любая методика, пригодная для обеспечения герметичности закрепления и обеспечивающая поддержание герметичности под давлением флюида.

Внутри датчика 28 размещен изолятор 54, и на изоляторе 54 размещен емкостной вывод 50. Электрические провода 14 проходят от емкостного вывода 50 снаружи датчика 28 через изолятор 54. Изгиб диафрагмы 48, вызванный давлением потока флюида, регистрируется передаваемым по проводам 14 электрическим сигналом.

Наличие отверстий на фланце 44 датчика 28 позволяет согласовать отверстия 30 и 31 фланца 24 и фланца 22, ограничивающего поток сегмента с отверстием 46 датчика 28, причем без необходимости в подгонке оператором.

Следует отметить, что ограничивающий поток сегмент 20 имеет ограничивающий поток элемент 21, который сужает канал потока флюида. Поток флюида направляется через горловину 23 и через узкий канал 27 к горловине 25. Узкий канал 27 вытянут между симметричными горловинами 23 и 25. Очевидно, что ограничивающим поток элементом может быть один из многих известных в данной области техники устройств, включая фильерную пластину, элемент Вентури или элемент ламинарного потока.

С верхней по течению стороны ограничивающего поток элемента 21 давление увеличивается, а с нижней по течению стороны элемента 21 давление снижается. Таким образом, ограничивающий поток элемент может рассматриваться как "элемент перепада давления", и емкостные датчики 28 располагаются для замера верхнего по течению давления и нижнего по течению давления так, чтобы определять дифференциальное давление на элементе перепада давления.

На фиг.4 представлен емкостной элемент датчика 28. Видно, что емкостной электрод 50 сформирован на поверхности изолятора 54. Изолятор 54 может быть выполнен из стекла, керамики или из любого другого электроизолирующего материала.

Диафрагма 48 предпочтительно выполнена из проводящего материала и электрически соединена с поверхностью датчика 28 и, косвенно, с трубкой 12. Таким образом, емкость измеряется по разности потенциалов между емкостью 50 и относительной поверхностью диафрагмы 48, разделенными расстоянием (d). Образующаяся емкость рассчитывается согласно выражению:

,

где: R - внутренний радиус отверстия 46, W - ширина емкостного электрода 50 в направлении потока жидкости и d - среднее смещение диафрагмы относительно емкостного электрода 50. Таким образом, изменение емкости измеряется полностью по 360° внутренней поверхности датчика 28.

Провода 14 представлены как провода 14А и 14В. В специальном варианте реализации провода 14А и 14В могут потребовать экранирования для избежания влияния паразитных емкостей. В частности, если электронные устройства отделены от датчика, то провода должны быть экранированными и может быть необходима управляющая схема для компенсации емкости. Если электронные устройства объединены с датчиком, то провода 14А и 14В могут не требовать экранирования (по меньшей мере, в пределах корпуса датчика).

Температурный датчик 56 предназначен для определения температуры чувствительного элемента и для учета связанных с температурой погрешностей измерения. Температурным датчиком 56 может быть термометр сопротивления или термистор. Температурный датчик 56 может быть встроенным в изоляционный материал 54 или может быть плотно закреплен на внешней поверхности трубки (Фиг.7).

Следует отметить, что для использования при сверхчистой обработке желателен сухой датчик. Иначе говоря, в отличие от предшествующей технологии встроенных датчиков, ни жидкость, ни газ не используются в качестве диэлектрика между диафрагмой 48 и емкостным электродом 50. Предпочтительно диафрагма 48 изолирует емкостной электрод 50 и изолятор 54 от потока жидкости и является достаточно прочной для поддержания вакуума. Если уплотнение диафрагмы 48 подвергается коррозии или диафрагма повреждается, то примеси и загрязняющие вещества не попадут в технологическую жидкость.

В представленном варианте реализации, поскольку диафрагма 48 охватывает целиком внутреннюю окружность трубки 12, то давление равномерно распределяется по диафрагме, что допускает применение более тонких диафрагм. Кроме того, поскольку отсутствует возможность повреждения диафрагмы макрочастицами (поскольку настоящее изобретение предназначено для использования в сверхчистой технологии), то возможно использование относительно тонких диафрагм 48. Более тонкая диафрагма 48, вообще говоря, более чувствительна к изменениям давления, что позволяет получить большую точность. Таким образом, толщина (τ) диафрагмы 48 зависит от равновесия давлений (сил) на диафрагме.

Если диафрагма 48 имеет кольцевую геометрию и примыкает к внутренней поверхности трубки 12, то тонкая диафрагма 48 будет работать. Однако, если диафрагма охватывает только участок периметра внутри трубки, то может потребоваться более толстая диафрагма 48. Кроме того, для получения достаточно точных измерений может быть необходимо разместить второй емкостной датчик напротив первого датчика. Наконец, возможно помещение множества конденсаторов по кольцу вдоль внутренней поверхности трубки 12 для множества замеров давления по всему внутреннему диаметру.

На фиг.5 показано сечение, на котором диафрагма 48 датчика 28 предпочтительно занимает 360° по внутренней поверхности емкостного датчика 28. На изоляторе 54 расположен емкостной электрод 50. Изолятор 54 и электрод 50, подобно диафрагме 48, вытянуты по всей внутренней поверхности датчика 28, образуя 360°-ный емкостной датчик. В этом варианте реализации температурный датчик 56 расположен в изоляторе 54 и регистрирует температуру корпуса датчика.

На фиг.6 представлено поперечное сечение корпуса датчика 42 варианта реализации настоящего изобретения. Изолятор 54 вытянут по всей внутренней поверхности корпуса. Емкостной электрод 50 расположен сверху изолирующего элемента (в иллюстративных целях). В действительности емкостной электрод 50 должен быть встроен или утоплен в изоляторе 54. Диафрагма 48 занимает 360 градусов по внутренней поверхности корпуса 42 и отделена расстоянием (d) от емкостного элемента 50.

В этом варианте реализации температурный датчик 56 расположен в изоляторе 54. Электрический провод 14А соединяет емкостной электрод с электронным устройством, а провод 14В соединяет температурный датчик 56 с электронным устройством.

В данном случае термин "соединение" предполагает наличие более одного провода, например 14А и 14В. На Фиг.5 для простоты показана только часть датчика 28. Хотя показан вариант с двумя датчиками для измерения дифференциального давления, но может использоваться один датчик для измерения абсолютного или избыточного давления.

На фиг.7 представлен альтернативный вариант реализации датчика 10 расхода, в котором емкостные датчики 28 образованы с ограничивающим поток сегментом 20 в виде единого блока. В этом примере соединение с трубкой 12 может представлять собой сварной шов вместо фланцевого соединения. Кроме того, сборка датчика 10 расхода может потребовать дополнительной сварки.

На Фиг.8 показано сечение участка датчика 10 расхода, обозначенного прямоугольником S. Сварной шов 60 вытянут вдоль направления потока. Соответственный сварной шов должен быть и на другой стороне датчика 28. В этом варианте реализации диафрагма 48, емкостной электрод 50 и изолятор 54, каждый, могут состоять из двух частей, прикрепляемых к каждой продольной половине корпуса 42 прежде, чем эти половины будут сварены между собой. Сварные швы 52 закрепления диафрагмы 48 на внутренней стенке корпуса 42 датчика показаны в увеличенном масштабе.

На фиг.9 представлен другой вариант реализации изобретения. Диафрагма 48 образована как продолжение поверхности внутренней части датчика 28. В этом варианте реализации изолятор 54 утоплен относительно канала жидкости и емкостной электрод 50 объединен с изолятором и размещен заподлицо с его поверхностью. Таким образом, емкостной электрод 50 отделен от диафрагмы 48 на расстояние (d) и изгиб диафрагмы также изменяет емкость. В частности, изгиб заземленной диафрагмы 48 изменяет расстояние между диафрагмой 48 и емкостным электродом 50, обуславливая сигнал, отображающий давление потока жидкости.

В предшествующем уровне техники такие выточенные полости должны заполняться флюидом для передачи давления на датчик давления. Поскольку это изобретение предназначено для использования в сверхчистых технологических средах, то заполняющий флюид может быть источником загрязнения. Предпочтительно, чтобы диэлектриком между диафрагмой 48 и емкостным электродом 50 был вакуум.

Температурный датчик 56 проходит через изолирующий материал и диафрагму для регистрации температуры потока флюида. В другом варианте температурный датчик может быть размещен в другом месте внутри датчика расхода.

Как в рассмотренных выше вариантах реализации на Фиг.9, датчик охватывает 360° по всей внутренней поверхности элемента датчика 28, обеспечивая 360° емкостное измерение давления протекающей жидкости.

Ограничивающий поток элемент 20 является двунаправленным и образует в потоке жидкости разрыв, обеспечивающий перепад давления внутри потока флюида при прохождении препятствия (ограничивающий поток элемент 21). Образующийся перепад давления измеряется от первого датчика до второго датчика поперек задерживающего поток элемента 21. Положительный перепад давления измеряется, когда давление на первом датчике 28 больше давления на втором датчике 28. Положительный перепад давления соответствует положительному потоку жидкости или потоку, движущемуся слева направо, или от первого датчика 28 ко второму датчику 28. Отрицательный перепад давления имеется тогда, когда давление на первом датчике 28 меньше давления на втором датчике 28. Отрицательный перепад давления соответствует отрицательному потоку жидкости или потоку, движущемуся справа налево, или от второго датчика к первому датчику. Большая величина перепада давления отвечает и большему расходу флюида. Таким образом, перепад давления указывает и направление потока флюида, и его расход. Специалистам в данной области техники должно быть очевидно, что для получения желаемого перепада давления может быть использовано много ограничивающих поток сегментов 20 различного типа, например дисковые диафрагмы с концентрическими и эксцентрическими фильерами, пластины без фильер, клиновидные элементы с двумя непараллельными гранями, образующими клин, или другие обычно используемые задерживающие поток элементы.

Таким образом, в варианте реализации с дифференциальным давлением датчик 10 расхода объединяет емкостные датчики 28 давления с задерживающим поток элементом 20 для образования единого блока, который может быть размещен в потоке жидкости.

Следует отметить, что датчик 10 дифференциального давления измеряет перепад давления на задерживающем поток элементе 20 благодаря связи емкостных датчиков 28 давления со значениями давления по обе стороны задерживающего поток элемента 21. Таким образом, датчик 10 дифференциального давления формирует сигнал, который отображает перепад давления на задерживающем поток элементе 21 и может быть использован в электронном обрабатывающем устройстве для вычисления расхода в потоке жидкости.

Поскольку датчик 10 не использует импульсную линию и не заполняется жидкостью, то он не чувствителен к местоположению. Благодаря этому датчик 10 дифференциального давления может быть размещен в другом месте без необходимости в перекалибровке.

Специалистам в данной области техники должно быть ясно, что емкостной датчик давления согласно изобретению может также быть использован для измерения абсолютного давления, избыточного давления и т.п. Аналогично, поскольку датчик не использует импульсной линии и не заполняется жидкостью, то он не чувствителен к местоположению. Соответственно, емкостной датчик давления может быть размещен в другом месте без необходимости в перекалибровке.

На фиг.10 представлена блок-схема варианта реализации электронной схемы 62 обработки, используемой в настоящем изобретении для получения сигнала расхода, отображающего направление потока и расход жидкости. В данном случае емкостной датчик 28 давления формирует для электронной схемы 62 обработки сигнал давления, отображающий перепад давления на ограничивающем поток элементе 20. Электронная схема 62 обработки в общем случае содержит аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 64, микропроцессор 66 и порт 68 входа/выхода (I/O). АЦП 64 оцифровывает сигнал давления, поступающий от датчика 28 дифференциального давления, и подает цифровой сигнал давления на микропроцессор 66. Микропроцессор 66 предназначен для определения направления потока флюида по знаку сигнала давления - либо положительного, либо отрицательного. Кроме того, микропроцессор 66 предназначен для вычисления расхода флюида в зависимости от абсолютного значения оцифрованного сигнала давления. Например, микропроцессор 66 может использовать следующие уравнения для вычисления массового расхода (Q_m) и объемного расхода (Q_V):

где: Q_m - массовый расход флюида, Q_V - объемный расход флюида, N - коэффициент перевода единиц (константа), C_d - коэффициент расхода измерительного датчика (зависит от геометрии горловины), Y - коэффициент расширения газа (Y=1,0 для жидкостей), d - диаметр горловины измерительного датчика, β - отношение площади сечения горловины к площади сечения трубки измерительного датчика, ρ - плотность флюида, h - абсолютное значение дифференциального давления, измеренного датчиком 22.

Микропроцессор 66 дополнительно предназначен для вывода через порт 68 I/O сигнала расхода, который отображает направление потока и расход флюида. Сигнал расхода может быть подан на управляющую систему 16 (Фиг.1), как это рассмотрено ранее.

В одном аспекте изобретения сигнал дифференциального давления, формируемый емкостными датчиками 28 давления, представляется как выходной сигнал, который может быть использован для коррекции ошибок, например выбросов при измерениях. Такие выбросы могут быть проблемой при использовании изобретения для измерения положения поршня в гидравлических системах в зависимости от потока гидравлической жидкости.

В другом варианте реализации датчик 10 (фиг.11) расхода содержит температурный датчик 56, который может использоваться для измерения температуры потока жидкости и/или рабочей температуры емкостного датчика 28 давления. Температурный датчик 56 может быть, например, термометром сопротивления (RTD) или другим подходящим термочувствительным устройством. Температурный датчик 56 предназначен для формирования сигнала, отображающего регистрируемую температуру, который может быть подан в обрабатывающее электронное устройство 62 через АЦП 64. АЦП 64 оцифровывает температурный сигнал и подает цифровой сигнал на микропроцессор 66. Микропроцессор 66 может быть предназначен для использования оцифрованного температурного сигнала для вычисления различных параметров флюида, например вязкости и плотности, которые затем могут быть использованы микропроцессором 66 для вычисления расхода флюида. Кроме того, микропроцессор 66 может использовать температурный сигнал для формирования температурной компенсации сигнала давления, принятого от емкостных датчиков 28 давления. Микропроцессор 66 может формировать сигнал расхода, отображающий зависимость расхода жидкости от сигнала дифференциального давления и температурного сигнала, который может быть подан на другое обрабатывающее электронное устройство, например на систему 16 управления через порт I/O 68.

Хотя настоящее изобретение рассмотрено главным образом в связи с единственным емкостным датчиком, расположенным по внутреннему периметру круглой трубки, также можно использовать другие емкостные датчики и конденсаторные сборки. Например, емкостной датчик может быть образован из множества конденсаторов, расположенных в ряд друг за другом вдоль внутренней окружности трубки. В другом случае конденсатор может занимать только некоторый участок внутреннего периметра трубки. В еще одном варианте реализации конденсаторы могут быть расположены с противоположных сторон трубки и т.д.

Хотя в настоящем изобретении рассмотрен случай задерживающего поток элемента, который отделен от емкостных датчиков давления, возможно чтобы диафрагма емкостного датчика давления служила бы в качестве задерживающего поток элемента. В этом варианте реализации емкостной датчик должен иметь отличающийся расходный коэффициент и другой способ определения параметров потока.

В еще одном варианте реализации дифференциальный расходомер не содержит ограничивающего поток элемента. Диафрагма 48 выдвинута в поток жидкости от стенки трубки. В этом варианте реализации диафрагма может требовать усиления вдоль своего участка так, чтобы она могла функционировать как ограничивающий поток элемент и поддерживать ограничение потока. Участок диафрагмы с каждой из сторон усиления может изгибаться под действием давления жидкости. В этом варианте реализации может также осуществляться другой способ определения параметров потока и расходного коэффициента по сравнению с предыдущими вариантами реализации.

Специалистам в данной области техники ясно, что возможны изменения по форме и в деталях без отклонений от существа и области применения изобретения. Например, может использоваться любого вида конструкция емкостного датчика. Кроме того, настоящее изобретение может быть применено как в устройствах измерения давления (абсолютного, избыточного и т.п.), так и в устройствах измерения дифференциального давления (устройствах измерения потока).

Изобретение предназначено для использования в областях, требующих сверхчистых технологий. Емкостный датчик (28) давления технологического флюида, выполненный в виде кольца, размещенного в потоке флюида, содержит гибкую диафрагму (48) и электрод (50), интегрированный с электрическим изолятором (54). Диафрагма, изолятор и электрод расположены по всей внутренней поверхности датчика, установленного вдоль потока технологического флюида в резервуаре, с возможностью перемещения диафрагмы относительно электрода под действием флюида так, что емкость между электродом и диафрагмой, образующими кольцевой конденсатор, зависит от давления флюида. Два датчика давления (28) в виде кольцевых конденсаторов, разделенных ограничивающим поток элементом (21), предназначенным для создания перепада давления при помещении его в поток флюида, образуют датчик расхода (10). Изобретение повышает точность измерения давления. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Датчик давления для измерения давления технологического флюида, выполненный в виде кольца, размещенного в потоке флюида, содержащий диафрагму,
электрический изолятор,
электрод, интегрированный с электрическим изолятором,
диафрагма, электрический изолятор и электрод расположены по всей внутренней поверхности датчика, установленного вдоль потока флюида в резервуаре, с возможностью перемещения диафрагмы относительно электрода под действием давления технологического флюида,
при этом электрическая емкость между электродом и диафрагмой, образующими кольцевой конденсатор, зависит от давления технологического флюида.

2. Датчик давления по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит температурный датчик, размещенный в электрическом изоляторе и предназначенный для измерения температуры флюида и для формирования температурного сигнала, отображающего температуру флюида.

3. Датчик давления по п.2, отличающийся тем, что дополнительно содержит
электронное устройство для обработки, предназначенное для формирования сигнала давления, являющегося функцией температурного сигнала.

4. Датчик давления по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит
измерительное устройство, предназначенное для формирования сигнала давления на основе величины электрической емкости.

5. Датчик давления по п.4, отличающийся тем, что содержит беспроводной трансивер, электрически связанный с кольцевым конденсатором для беспроводной передачи сигнала давления.

6. Датчик давления по п.1, отличающийся тем, что электрод и диафрагма образуют первый кольцевой конденсатор, при этом датчик дополнительно содержит
ограничивающий поток элемент, проходящий от внутренней стенки резервуара в технологический флюид,
второй кольцевой конденсатор, имеющий второй электрод, и вторую диафрагму, установленную с возможностью перемещения относительно второго электрода под действием давления технологического флюида.

7. Датчик давления по п.1, отличающийся тем, что электрический изолятор содержит стекло.

8. Датчик давления по п.1, отличающийся тем, что электрический изолятор содержит керамику.

9. Датчик давления по п.1, отличающийся тем, что диафрагма заделана в резервуар с помощью сварки.

10. Датчик дифференциального давления для измерения дифференциального давления технологического флюида в трубопроводе, содержащий
ограничивающий поток элемент, интегрированный с внутренней стенкой трубопровода и предназначенный для создания перепада давления при помещении его в поток флюида,
первый электрический изолятор,
первый кольцевой конденсатор, имеющий первую электрическую емкость и содержащий первый электрод, интегрированный с первым электрическим изолятором и расположенный в потоке технологического флюида выше по течению относительно ограничивающего поток элемента,
второй электрический изолятор,
второй кольцевой конденсатор, имеющий вторую электрическую емкость и содержащий второй электрод, интегрированный со вторым электрическим изолятором и расположенный в потоке технологического флюида ниже по течению относительно ограничивающего поток элемента,
при этом первая электрическая емкость и вторая электрическая емкость связаны с дифференциальным давлением технологического флюида.

11. Датчик дифференциального давления по п.10, отличающийся тем, что дополнительно содержит
электронное устройство обработки, предназначенное для формирования сигнала расхода, отображающего направление и расход технологического флюида в зависимости от первой и второй электрических емкостей.

12. Датчик дифференциального давления по п.10, отличающийся тем, что первый кольцевой конденсатор содержит
диафрагму, установленную с возможностью перемещения относительно первого электрода под действием давления технологического флюида,
при этом первая электрическая емкость между первым электродом и диафрагмой связана с давлением технологического флюида.

13. Датчик дифференциального давления по п.10, отличающийся тем, что ограничивающий поток элемент имеет узкий канал для прохода потока флюида, проходящий между симметричными первым и вторым горловинными участками.

14. Датчик дифференциального давления по п.10, отличающийся тем, что дополнительно содержит
температурный датчик, предназначенный для определения, по меньшей мере, одной температуры потока флюида и рабочей температуры датчика давления, и для формирования температурного сигнала в соответствии с измеренной температурой.

15. Датчик дифференциального давления по п.14, отличающийся тем, что сигнал расхода является функцией температурного сигнала.

16. Датчик дифференциального давления по п.14, отличающийся тем, что первый кольцевой конденсатор и второй кольцевой конденсатор проходят по внутренней стенке трубопровода.

17. Датчик дифференциального давления по п.10, отличающийся тем, что первый электрический изолятор и второй электрический изолятор содержат стекло.

18. Датчик дифференциального давления по п.10, отличающийся тем, что первый электрический изолятор и второй электрический изолятор содержат керамику.

19. Датчик дифференциального давления по п.10, отличающийся тем, что диафрагма заделана в трубопровод с помощью сварки.