ДАТЧИК ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ С ИЗМЕРЕНИЕМ ДАВЛЕНИЯ В ЛИНИИ Российский патент 2015 года по МПК G01L9/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к типу датчиков давления, используемому для измерения давления технологической текучей среды. Более конкретно, настоящее изобретение относится к датчику давления, сконфигурированному для измерения в технологической текучей среде и дифференциального давления и также (рабочего) давления в линии.

Передатчики (преобразователи) используются в системах мониторинга и управления ходом процесса, чтобы измерять различные переменные процесса для технологических процессов. Один тип передатчика измеряет дифференциальное давление технологической текучей среды в ходе процесса. Это измерение дифференциального давления можно затем использовать для вычисления расхода технологической текучей среды. Различные способы были использованы в датчиках давления, используемых в таких передатчиках. Один известный способ состоит в использовании изгибаемой диафрагмы. Емкость измеряется по отношению к диафрагме, причем диафрагма образует одну из емкостных пластин конденсатора. Если диафрагма изгибается вследствие приложенного давления, измеряемая емкость изменяется. В такой конфигурации имеется ряд источников погрешностей в измерениях давления.

Один способ, который рассматривает эти погрешности, излагается в патенте США № 6295875, озаглавленном "PROCESS PRESSURE MEASUREMENT DEVICES WITH IMPROVED ERROR COMPENSATION" (Устройства измерения давления с улучшенной компенсацией погрешностей), выданном 2 октября 2001 изобретателям Frick и др., который полностью включен в документ путем ссылки. Этот патент описывает датчик дифференциального давления, который включает в себя дополнительный электрод для использования в снижении погрешностей измерения. Однако в некоторых установках требуется измерять давление в линии для технологической текучей среды (абсолютное или в масштабе), в дополнение к измерению дифференциального давления.

ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Сборный узел датчика давления для измерения давления технологической текучей среды включает в себя корпус датчика, имеющий полость, сформированную в нем, и первое и второе отверстия к полости, сконфигурированные для приложения первого и второго давления. Диафрагма в полости отделяет первое отверстие от второго отверстия и сконфигурирована с возможностью изгибаться в ответ на перепад давления между первым давлением и вторым давлением. Предложен емкостный датчик деформации и сконфигурирован для восприятия (определения величины) деформации корпуса датчика в ответ на давление в линии, приложенное к корпусу датчика.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 - система измерения параметров процесса с передатчиком параметров процесса, сконструированного в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.2 - схематичный вид передатчика по Фиг.1.

Фиг.3 - вид поперечного сечения части передатчика параметров процесса по Фиг.1.

Фиг.4 - упрощенный вид поперечного сечения датчика давления для использования в иллюстрации действия по настоящему изобретению.

Фиг.5 - вид поперечного сечения датчика давления, включающего в себя электроды, используемые для измерения давления в линии.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение обеспечивает устройство и способ для определения давления в линии и дифференциального давления для емкостного датчика давления. Путем вычисления отношений сумм, или сумм отношений, для соответственных емкостей (емкостных сопротивлений) в многоемкостном датчике давления, может быть определено дифференциальное давление технологической текучей среды. Как обсуждено в разделе «ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ», в некоторых установках может быть желательным измерять давление в линии (абсолютное или в масштабе) в дополнение к измерению дифференциального давления. Один такой способ для измерения давления в линии показан и описан в находящейся в совместном рассмотрении заявке на патент США № 11/140681, озаглавленной "LINE PRESSURE MEASUREMENT USING DIFFERENTIAL PRESSURE SENSOR" (Измерение давления в линии с использованием датчика дифференциального давления), поданной 27 мая 2005 заявителями Donald E. Harasyn и др., заявкпе на патент США № 11/138977, озаглавленной "PRESSURE SENSOR USING COMPRESSIBLE SENSOR BODY" (Датчик давления, использующий сжимаемый корпус датчика), поданной 26 мая 2005 заявителями David A. Broden и др., которая принадлежит тому же правообладателю с настоящей заявкой, и содержимое которых включается в документ путем ссылки во всей полноте.

На Фиг.1 показана обобщенно среда системы 32 измерения параметров процесса. На Фиг.1 показан технологический трубопровод 30, содержащий текучую среду под давлением, связанный с системой 32 измерения параметров процесса для измерения рабочего давления. Система 32 измерения параметров процесса включает в себя импульсный трубопровод 34, соединенный с трубопроводом 30. Импульсный трубопровод 34 соединен с передатчиком 36 рабочего давления. Первичный измерительный элемент 33, такой как измерительная диафрагма, трубка Вентури, измерительное сопло и тому подобное, входит в контакт с технологической текучей средой в позиции в технологическом трубопроводе 30 между трубками импульсного трубопровода 34. Первичный измерительный элемент 33 вызывает изменение давления в текучей среде, если она проходит мимо первичного измерительного элемента 33. Это изменение давления (изменение дифференциального давления) относится к движению технологической текучей среды. Датчик дифференциального давления может использоваться для измерения этого изменения давления, а измерительная схема - использоваться для обеспечения выходных данных, относящихся к движению технологической текучей среды.

Передатчик 36 является устройством измерения параметров процесса, которое воспринимает рабочие давления через импульсный трубопровод 34. Передатчик 36 воспринимает дифференциальное рабочее давление и преобразовывает его в стандартизированный сигнал передачи, который является функцией последовательности технологических операций (потока).

Контур 38 процесса предпочтительно обеспечивает и сигнал питания на передатчик 36 от аппаратной 40, и двунаправленную связь, и может создаваться в соответствии с рядом протоколов связи процесса. В иллюстрируемом примере контур 38 процесса является двухпроводным контуром. Двухпроводный контур используется, чтобы передавать всю мощность питания и все передачи на передатчик 36, и от него в течение обычных операций с помощью сигнала в 4-20 мА. Компьютер 42 или другая система обработки информации через модем 44, или другой сетевой интерфейс, используется для связи с передатчиком 36. Удаленный источник напряжения 46 питает передатчик 36. Другой пример контура управления процессом представляет беспроводная связь, в которой данные передаются с помощью беспроводных технологий либо непосредственно на централизованное место, или на конфигурацию типа ячеистой сети или с использованием других способов.

Фиг.2 является упрощенной блок-схемой одного варианта осуществления передатчика 36 давления. Передатчик 36 давления включает в себя модуль 52 датчика и плату 72 электроники, связанные вместе через шину данных 66. Электроника 60 модуля датчика связывает с датчиком 56 давления, который принимает приложенное дифференциальное давление 54. Информационное соединение 58 связывает датчик 56 с аналого-цифровым преобразователем 62. Необязательный термодатчик 63 также иллюстрируется наряду с запоминающим устройством 64 модуля датчика. Плата 72 электроники включает в себя микрокомпьютерную систему 74, запоминающее устройство 76 модуля электроники, цифроаналоговое преобразование 78 сигнала и блок 80 цифровой связи. Выход обеспечивается на контуре 38 относящимся к воспринятому давлению. Фиг.2 также схематично иллюстрирует внешний емкостный датчик деформации 59, который размещается внешне по отношению к корпусу датчика 56 давления и выполнен с возможностью обеспечивать емкостную величину. Датчик 59 выполнен с возможностью иметь емкостную величину, которая изменяется в ответ на деформацию корпуса датчика 56 давления вследствие приложенного давления. Как схематично проиллюстрировано на Фиг.2, давление в линии прикладывается к корпусу датчика 56 давления вследствие приложения давления 54.

В соответствии со способами, изложенными в патенте США № 6295875, выданном Frick и др., передатчик 36 давления измеряет дифференциальное давление. Однако настоящее изобретение не ограничивается такой конфигурацией.

На Фиг.3 показан упрощенный вид поперечного сечения для одного варианта осуществления модуля датчика 52, показывающий датчик 56 давления. Датчик 56 давления взаимодействует с технологической текучей средой через изолирующие диафрагмы 90, которые изолируют технологическую текучую среду от полостей 92. Полости 92 взаимодействуют с модулем 56 датчика давления через капиллярные трубки 94. По существу несжимаемая заполняющая текучая среда заполняет полости 92 и капиллярные трубки 94. Когда давление от технологической текучей среды прикладывается к диафрагмам 90, оно передается на датчик 56 давления.

Согласно одному варианту осуществления, датчик 56 давления образован из двух половин 114 и 116 датчика давления и заполнен по существу несжимаемым сплошным материалом 105, таким как стекло или керамика. Центральная диафрагма 106 расположена внутри полости 132, 134, сформированной внутри датчика 56. Внешняя стенка полости 132, 134 несет электроды 144, 146, 148 и 150. Эти электроды обычно именуются первичными электродами 144 и 148 и вторичными электродами 146 и 150. Эти электроды образуют конденсаторы по отношению к подвижной диафрагме 106. Конденсаторы опять именуются первичными и вторичными конденсаторами, соответственно.

Как проиллюстрировано на Фиг.3, различные электроды в датчике 56 соединяются с аналого-цифровым преобразователем 62 по электрическому соединению 103, 104, 108 и 110. Дополнительно, изгибаемая диафрагма 106 соединяется с аналого-цифровым преобразователем 62 через соединение 109.

Как описано в патенте США № 6295875, дифференциальное давление, приложенное к датчику 56, можно измерять, используя электроды 144, 146, 148 и 150. Как обсуждено ниже, на Фиг.3 схематично иллюстрируется емкостный передатчик 56 дифференциального давления, который описан ниже более подробно.

В действии, давления P1 и P2 прижимают изолирующую диафрагму 90, посредством этого нажимая по существу на несжимаемую заполняющую текучую среды, которая заполняет полость между центральной диафрагмой 106 и изолирующей диафрагмой 90. Это заставляет центральную диафрагму 106 изгибаться, приводя к изменению емкости между диафрагмой 106 и электродами 146, 144, 148, и 150. Используя известные способы, изменения в этих емкостях можно измерять и использовать, чтобы определить дифференциальное давление.

На Фиг.4 показан упрощенный вид поперечного сечения датчика 56, используемый для иллюстрации действия по настоящему изобретению. Фиг.4 иллюстрирует различные электрические соединения с электродами 144, 146, 148, и 150.

В течение действия датчика 56 давления, давление в линии, приложенное к датчику давления через капиллярные трубки 94 (см. Фиг.3), вызывает деформацию в корпусе 220 датчика 56 давления. Хотя оба давления P1 и P2 вызывают деформацию датчика. Датчик будет основываться на трех различных условиях. Высокое давление до элемента (точки измерения) и низкое давление после элемента, и низкое давление до элемента и высокое давление после элемента и высокое давление до элемента с высоким давлением после элемента. Датчик будет измерять давление в линии, определенное в виде максимального из давления после элемента или до элемента. Приложенное давление в линии вызывает разность давлений между давлением внутри корпуса 220 и внутренней среды передатчика давления. Этот перепад давлений вызывает деформацию в корпусе 220. В примере, приведенном на Фиг.4, показана значительно преувеличенная деформация. Конкретно, приложенное давление в линии вызывает «выпучивание» наружу наружных стенок 200 и 202 корпуса 220 до позиций, показанных пунктиром в 200' и 202'.

Настоящее изобретение обеспечивает способ измерения давления в линии на основании деформирования, или изгиба, вдоль края датчика 56 давления. Этот изгиб иллюстрируется пунктирными линиями, помеченными 200' и 202'. Около центрального конца датчика 56 величина перемещения иллюстрируется в виде Δd1. Как показано на Фиг.4, перемещение около центра датчика 56 Δd1 больше перемещения около края Δd2. Давление в линии относится к и Δd1, и Δd2, а также относительному измерению, такому как Δd1-Δd2 или Δd1/Δd2.

Фиг.5 представляет упрощенный вид поперечного сечения датчика 56, иллюстрирующий один способ для измерения перемещения Δd1 или Δd2. В примерном варианте осуществления по Фиг.5 осуществляется мониторинг перемещений путем помещения кольцевых емкостных электродов 240 и 242 очень близко к одному концу датчика 56. Электроды 240, 242 выполняются на изолированной несущей пластине 244, поддерживаемой держателем 248. В одной конфигурации держатель 248 содержит трубку или подобное. Держатель 248 может прикрепляться по непрерывной линии (постоянно), или в точках, к датчику 56 и изолированной несущей пластине 244. В другой примерной конфигурации держатель 248 содержит множественные держатели или имеет форму, которая не проходит непрерывно вдоль внешней окружности датчика 56. В другой примерной конфигурации изолированная несущая пластина 244 монтируется к капиллярной трубке 94 с использованием связующего вещества 250. Такая конфигурация может необязательно включать в себя держатель 248. В такой конфигурации, изолирующая несущая пластина 244 может или не может крепиться к держателю 248. Предпочтительно, держатель пластины 244 сконфигурирован, чтобы либо испытывать небольшое деформирование в ответ на давление в линии или деформироваться способом, который вносит вклад в Δd1 и/или Δd2, чтобы посредством этого повысить чувствительность устройства.

Обеспечиваются электрические соединения к электродам 240 и 242 и могут использоваться для измерения емкостей C1 и C2, которые образуются по отношению к корпусу 220 датчика.

Номинальное расстояние d0 между электродами 240 и 242 и датчиком может регулироваться при монтаже изолированной несущей пластины 244 относительно корпуса 220 датчика. Диэлектрическим материалом между электродами 240, 242 и корпусом датчика может быть окружающий газ, который окружает датчик 56, например азот. В одном предпочтительном варианте осуществления конденсаторы C1 и C2 имеют одинаковую величину (то есть, C1=C2) в исходном положении. В такой конфигурации номинальные изменения расстояния d0 или диэлектрической константы газа не влияют на разность между C1 и C2, поскольку в состоянии покоя C1-C2=0. Несколько улучшенную избыточность можно получить, помещая емкостные датчики на обеих сторонах датчика 56. В одной конфигурации термодатчик также обеспечивается и используется, чтобы обеспечивать температурную компенсацию по отношению к измерениям давления в линии вследствие изменений емкости C1, C2 на основе температуры. Датчик 59 деформации, иллюстрируемый на Фиг.2, как таковой образуется электродами, показанными на Фиг.5, которые внешне монтируются к корпусу датчика способом, посредством чего их емкость меняется в ответ на деформацию корпуса датчика.

Хотя настоящее изобретение было описано со ссылкой на предпочтительные варианты осуществления, специалисты в данной области техники признают, что могут делаться изменения по форме и деталям без выхода за рамки существа и объема изобретения. Например, корпус датчика и изолированная несущая пластина не обязательно должны иметь круглую форму. Могут использоваться различные способы крепления, чтобы уменьшить напряжение, которое прикладывается к несущей пластине. Как используется в документе, "текучая среда" включает в себя жидкости и газы, или смеси, которые могут включать в себя твердые вещества.

Изобретение относится к датчикам давления, используемым для измерения технологической текучей среды и дифференциального давления. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерений давления. Сборный узел датчика давления для измерения давления технологической текучей среды включает в себя корпус датчика с наличием полости, сформированной в нем, и первое и второе отверстия к полости, сконфигурированные для приложения первого и второго давлений. Диафрагма в полости отделяет первое отверстие от второго отверстия и сконфигурирована с возможностью изгибаться в ответ на перепад давления между первым давлением и вторым давлением. Обеспечивается емкостный датчик деформации, сконфигурированный с возможностью определять величину деформации корпуса датчика в ответ на давление в линии, приложенное к корпусу датчика. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Датчик давления в сборе для измерения давления технологической текучей среды, содержащий:
корпус датчика, имеющий сформированную в нем полость и первое и второе отверстия к полости, сконфигурированные для приложения первого и второго давлений;
диафрагму в полости, отделяющую первое отверстие от второго отверстия, чувствительную к дифференциальному давлению;
первый электрод, смонтированный наружно к корпусу датчика, выполненный с возможностью формировать первую емкость с корпусом датчика, причем первая емкость меняется в ответ на давление в линии технологической текучей среды вследствие деформации корпуса датчика; и
измерительную схему, связанную с электродом, выполненную с возможностью измерять давление в линии на основе первой емкости.

2. Датчик по п.1, включающий в себя второй электрод, смонтированный наружно к корпусу датчика, и при этом вторая емкость формируется между вторым смонтированным электродом и корпусом датчика.

3. Датчик по п.1, включающий в себя второй электрод, смонтированный наружно к корпусу датчика, и при этом измерительная схема имеет выход, относящийся к давлению в линии, на основании первой емкости, измеренной с использованием первого электрода, и второй емкости, использующей второй электрод.

4. Датчик по п.1, включающий в себя изоляционную пластину, сконфигурированную для несения электрода.

5. Датчик по п.4, в котором изоляционная пластина монтируется к корпусу датчика.

6. Датчик по п.5, в котором изоляционная пластина монтируется к держателю, который монтируется к корпусу датчика.

7. Датчик по п.4, в котором изоляционная пластина монтируется к капиллярной трубке, связанной с корпусом датчика.

8. Датчик по п.1, включающий в себя датчик дифференциального давления, связанный с диафрагмой, имеющей выход, относящийся к дифференциальному давлению, на основании перемещения диафрагмы внутри полости.

9. Датчик по п.8, в котором выход основывается на переменной емкости, которую образует диафрагма.

10. Датчик по п.1, в котором измерение давления в линии является компенсированным на основе температуры.

11. Передатчик параметров процесса для измерения давления технологической текучей среды, включающий в себя датчик давления по п.1.

12. Способ для измерения дифференциального давления и давления в линии технологической текучей среды, содержащий:
монтаж изгибаемой диафрагмы в полости в корпусе датчика;
приложение первого давления технологической текучей среды к одной стороне изгибаемой диафрагмы в полости;
приложение второго давления технологической текучей среды к другой стороне изгибаемой диафрагмы в полости;
определение дифференциального давления на основании прогиба изгибаемой диафрагмы;
формирование первой емкости с помощью первого электрода, позиционированного наружно к корпусу датчика, первая емкость образуется между электродом и корпусом датчика и имеет емкость, которая изменяется на основании деформации корпуса датчика вследствие давления в линии технологической текучей среды; и
определение давления в линии технологической текучей среды на основании изменений емкости.

13. Способ по п.12, включающий в себя обеспечение второго электрода, смонтированного наружно к корпусу датчика, и при этом давление в линии определяется на основании первой емкости, измеренной с использованием первого электрода, и второй емкости, использующей второй электрод.

14. Способ по п.12, включающий в себя определение дифференциального давления путем измерения на основе перемещения диафрагмы внутри полости на основании емкости диафрагмы.

15. Способ по п.12, включающий в себя компенсирование измерения давления в линии на основании температуры.