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專利名稱：基于內(nèi)嵌式環(huán)形密封的壓力裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于測量流體流動的壓力或壓差的壓力傳感器。更具體地，本發(fā)明涉及一種測量流體流動的壓力或方向與流率(flow rate)的壓力傳感器。
背景技術(shù)：
壓力和流體流動傳感器可使用在許多不同應(yīng)用中。在工業(yè)過程控制環(huán)境中，例如，壓力傳感器可用于測量表壓(gauge pressure)、絕對壓力等。另外，流體流動傳感器，例如可用于測量過程流體(process fluid)的流率并為流量指示器、控制和流動體積測定提供流動信號。
壓差流動傳感器通過測量橫跨管內(nèi)突躍(discontinuity)的壓降而測量管內(nèi)、容器(vessel)內(nèi)或管道內(nèi)的流體流率。形成突躍的一種方式是將流動限制部件或基本元件放入管中以產(chǎn)生所需要的壓降。一種這樣的流動限制部件為孔板，孔板限制流體流動并產(chǎn)生測量的壓降。
典型的流率測量系統(tǒng)旋塞于包含在流動限制部件的任一側(cè)的流體流動的管，測量每一旋塞處的壓力，并使用外部壓力傳感器以獲取壓降。注有流體的脈沖或計量管將每一旋塞處的壓力傳遞至外部壓力傳感器。
由于需要將外部傳感器連接于管道，所以這樣的系統(tǒng)具有相對高的安裝成本。另外，在這樣的系統(tǒng)中必須在管道被旋塞的位置設(shè)置附加的防泄漏裝置，在安裝時間和材料成本方面增加量安裝成本。
在一些例子中，正由壓力傳感器檢測的過程流體或氣體需要高度潔凈或超潔凈環(huán)境。一種解決這樣的安裝要求的技術(shù)是使用隔膜將壓力傳感器與過程流體隔離。典型地，油充填(oil fill)將壓力傳感器連接于隔膜以便施加于隔膜的壓力被施加于壓力傳感器。然而，此隔離技術(shù)會引起壓力測量的誤差。另外，在高度潔凈的過程環(huán)境中，如果隔膜被損壞或密封被破壞(通過腐蝕或通過與流體流動內(nèi)特殊物質(zhì)的碰撞)，整體過程會被油充填所污染。在硅晶片制作的情況下，流量計必須是干燥的，即沒有傳遞壓力信號的充填流體。

發(fā)明內(nèi)容
一種用于測量管道內(nèi)過程流體的壓力的壓力傳感器，具有電極和隔膜。電極與管道的內(nèi)壁整體構(gòu)成。隔膜至少部分地在電極之上延伸并被配置為響應(yīng)于過程流體的壓力相對電極移動。電極和隔膜之間的電容涉及過程流體的壓力。


圖1是簡化框圖，顯示了與流體成一支線地連接于加工廠中的管道的壓力傳感器；圖2是圖1的壓力傳感器的拆卸的和放大的視圖；圖3是在原處的本發(fā)明的內(nèi)嵌式電容壓差流量傳感器的簡化的橫截面描述；圖4是電容元件的簡化放大視圖；圖5是原處的電容傳感器的縱向橫截面視圖；圖6圖示說明了沿圖1中的線6-6截取的電容壓力傳感器的橫截面視圖；圖7是本發(fā)明的電容壓力傳感器的選擇性實施例的側(cè)視圖；圖8是從圖7中的虛線方框(S)示出區(qū)域取出的電容壓力傳感器的切掉部分的放大視圖；圖9是本發(fā)明的選擇性實施例，其中隔膜被加工以與傳感器的內(nèi)表面齊平，并且絕緣器與電容電極從表面凹進。
圖10和圖11是根據(jù)本發(fā)明的各種實施例用于執(zhí)行流率計算的電路的簡化框圖。
具體實施例方式
壓力傳感器用于工業(yè)過程以監(jiān)視和/或靈敏地控制過程。各種工業(yè)過程對于所有濕的材料(即，暴露于過程流體的材料)要求超高潔凈度。例如，在半導(dǎo)體工業(yè)中所使用的加工步驟對于過程流體要求超高潔凈處理程序。半導(dǎo)體工業(yè)遵循由SEMI(Semiconductor Equipment and MaterialsInstitute，Inc)制定的超高潔凈材料處理的規(guī)范。這些準則說明了對于那些與過程媒介直接接觸的元件的可接受的材料和表面條件。還有其它要求超高潔凈準則的標準和產(chǎn)業(yè)，例如制藥產(chǎn)業(yè)。
那些需要用于處理過程流體的超高潔凈準則的產(chǎn)業(yè)傾向于抵制新的材料或表面引入過程中。典型地，新材料的使用需要長時間的證明和測試過程。證明之后，該產(chǎn)業(yè)必須發(fā)展新材料或表面不向過程增加不潔的信任級。
通常，目前用于測量超高潔凈度過程中的壓力的壓力傳送器在它們的壓力測量中具有一些誤差級。誤差的一個來源是壓力傳感器必須遵照超高潔凈度準則的要求。這需要引入將壓力傳感器與過程流體物理地隔開的隔膜。誤差的另一來源簡單地來自壓力傳感器的配置和特性。本發(fā)明提供一種使用優(yōu)選地用于超高潔凈度過程的高精度細長的壓力傳感器的技術(shù)。
本發(fā)明是一種內(nèi)嵌式(in-line)壓力電容傳感器。在一個實施例中，傳感器測量壓差以確定流率。該說明性系統(tǒng)利用第一電容傳感器獲取的上游測量值和第二電容傳感器獲取的下游測量值。然后兩個測量值相減以得到與流體的流率成比例的壓差。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，薄隔膜被形成并在具有固定電容偏板的絕緣體之上焊接于管道的內(nèi)表面上。隔膜以環(huán)狀定位并圍繞管道的內(nèi)部半徑的整個圓周被連接。當(dāng)管道中的壓力改變時，隔膜相對于形成在絕緣體上的固定電容偏板運動。絕緣體可由玻璃或任何其它電絕緣材料制成。同心隔膜的運動表現(xiàn)為由隔膜和固定的電容偏板之間的距離改變而直接引起的電容的改變。
圖1描述了過程設(shè)備的實例并圖示說明了可使用本發(fā)明的電容差式流量傳感器10的環(huán)境。流動傳感器(flow sensor)10與管道12成一直線地安裝。流體以箭頭(A)所示方向流過管道12。流動傳感器10檢測流體壓降，所述流動壓降可用于確定穿過管道12的流體流動的流率。此處所使用的術(shù)語“流體”和“流體流動”既指液體也指氣體。因而流體流動可以是液體或氣體的流體流動。
流動傳感器10經(jīng)由導(dǎo)線(lead)14電線地連接于控制系統(tǒng)16或其它處理電子裝置。這樣的電氣連接可產(chǎn)生于兩線式控制回路(未顯示)、無線通信連接或經(jīng)由任意通信裝置?？刂葡到y(tǒng)16典型地遙控地位于加工廠的控制室18中?？蛇x擇地，控制系統(tǒng)16被分布以便控制系統(tǒng)16存在于多于一個的位置中(虛線所示的控制室18)。
控制系統(tǒng)16可被配置以監(jiān)視從傳感器10接收的與流動相關(guān)的信息和/或經(jīng)由通信連接控制流動傳感器10。
由流動傳感器10產(chǎn)生的流率信號指示流體流動的流率以及它的方向。例如，如果流率信號是模擬信號(4-20mA)，流體流動的流率和方向可由信號的量指示。例如，零流率可由12mA的電流量指示。在負方向移動的流體流動或負向流體流動可由電流量小于12mA“零流率”量的流率信號所顯示。正流體流動可由電流量大于12mA“零流率”量的流率信號顯示。流率信號的量和零流率量之間的差別可用于確定正流體流動流率或負流體流動流率。例如，流率信號的量和零流率量之間的差別的增加指示正流體流動流率或負流體流動流率的增加。
雖然難以看見圖1中所示實施例的細節(jié)，但是傳感元件10包括兩個環(huán)形電容傳感器環(huán)，經(jīng)由法蘭22被流動限制部分(流量限制部分)20(壓降元件)連接于管道12。使用緊固件26將管道12和流動限制部分20的法蘭22連接。緊固件26可以是諸如鉚釘、螺栓、螺釘和螺母等任意緊固裝置。在優(yōu)選的實施例中，緊固件26穿過限制部分20的法蘭22上的開口并穿過設(shè)置在管道部分12的法蘭22上的對應(yīng)的開口被螺紋地連接，例如使用螺栓和螺母。
如圖2中所示，傳感器元件10具有由流動限制部分20隔開的兩個電容壓力傳感器28。如圖所示，在此實施例中，管道12設(shè)置有法蘭24，所述法蘭24與管道12整體地形成并且具有與對應(yīng)的管道部分12直徑相同的開口30。因此，管道12的兩部分以開口30終止于法蘭24處。
管道法蘭24和法蘭22分別設(shè)置有緊固件開口32和34。每一緊固件開口32、34完全地穿過法蘭24、22延伸并且使每一緊固件開口32、34的尺寸適合容納緊固件36。緊固件可穿過管道法蘭24上的開口32、穿過電容壓力傳感器28上的開口38并穿過設(shè)置在流動限制元件20的法蘭22上的對應(yīng)的開口34而延伸。螺紋緊固件36然后可使用鎖緊螺母40固定于適當(dāng)位置，所述鎖緊螺母40可被擰緊于螺紋緊固件上。可以理解，包括焊接的其它緊固方法也可被使用。
在此實例中，電容壓力傳感器28為具有外殼42和法蘭組件44的圈環(huán)，所述外殼42和法蘭組件44限定開口46，所述開口46被設(shè)計以與流體流動(A)成一直線地定位并且使所述開口46的尺寸適合與管道12的開口30匹配。法蘭組件44具有開口34，使所述開口34的尺寸適合容納螺紋緊固件36(如前所述)。柔性圓筒或隔膜48延伸圈環(huán)狀傳感器28的內(nèi)壁的整個圓周。電容元件50設(shè)置在絕緣襯底(如圖3中所示)內(nèi)，所述絕緣襯底位于隔膜和圈環(huán)狀壓力傳感器28的內(nèi)壁之間。
當(dāng)過程流體流過裝配件時，壓力引起隔膜移動，其表現(xiàn)為電容的改變。壓力通過360°的隔膜被有效傳遞。電容的改變?nèi)缓罂山?jīng)由導(dǎo)線14上的電信號被傳遞。
由于電容隔膜圍繞傳感器28的內(nèi)部延伸360°并且由于開口46的尺寸適合配合管道部分12的開口30，所以沒有聚集固體的位置并沒有堵塞的開口。流動過程連續(xù)地清洗隔膜48，確保可靠并精確的壓力讀數(shù)。
在壓差流量計的實施例中，流動限制部分20可設(shè)置有流動限制元件(圖3中所示)，所述流動限制元件有效地使流體流動的流動通道變窄，引起壓力穿過限制元件下降。兩個傳感器28然后測量限制元件的任一側(cè)的壓力，并且它們的測量值可被相減以確定壓差。
圖3簡要地顯示了管道12內(nèi)流動傳感器10的一個實施例。流動傳感器10大體包括夾在兩個電容壓力傳感器28之間的流動限制部分20。壓力傳感器28和流動限制部分20與流體流動(A)成一直線地定位。
如圖所示，來自管道部分12的法蘭24經(jīng)由螺紋緊固件36，用兩端的帶螺母40，可拆卸地連接于來自流動限制部分20的法蘭22。電容壓力傳感器28被定位于管道12和流動限制部分20之間，更具體地，在法蘭24和法蘭22之間。傳感器28的開口46分別地與法蘭24和22的開口30、31配合。因此，管道12、傳感器28和流動限制部分20之間的連接被機械加工以幾乎精確地配合。
柔性隔膜48連接于傳感器28的內(nèi)壁，并離開內(nèi)壁延伸入流體流動中。假設(shè)密封形成和焊接技術(shù)滿足超潔凈過程的要求，隔膜28可通過焊接或其它已知連接方法被連接。焊接點被放大以便可看見它們并且焊接點由附圖標記52示出。通常，焊接點52將優(yōu)選為非常小。
在優(yōu)選的實施例中，隔膜48使用電阻掃描(resistance scan)焊接技術(shù)連接于管道12。在另一優(yōu)選實施例中，隔膜48使用激光焊接技術(shù)連接于管道12。附加的電拋光處理可用于精加工表面，這取決于處理規(guī)范所要求的光潔度。通常，可使用能夠產(chǎn)生密封連接并能夠在流體壓力下保持密封的任意連接技術(shù)。
絕緣體54被設(shè)置在傳感器28的內(nèi)壁內(nèi)，并且電容導(dǎo)線(capacitivelead)50被定位在絕緣體54上。電氣導(dǎo)線14從電容導(dǎo)線50延伸并穿過絕緣體54延伸出傳感器28。由流體流動的壓力引起的隔膜48的偏轉(zhuǎn)將作為來自導(dǎo)線14的電信號被讀取。
通過在傳感器28的法蘭組件44上設(shè)置開口，管道法蘭24和流動限制部分法蘭22的開口30和31與傳感器28的開口46配合或匹配，而無須現(xiàn)場工人進行位置調(diào)整。
最后，應(yīng)當(dāng)注意到，流動限制部分20具有流動限制元件21，所述流動限制元件21使流體流動路徑變窄。據(jù)體而言，流體流動(A)朝咽喉部分(throat portion)23前進，穿過狹窄通道27朝向咽喉部分25前進。狹窄通道27在對稱的咽喉部分23、25之間延伸。可以理解，流動限制元件可以是現(xiàn)有技術(shù)中已知許多如此類型中的一種，包括孔板、文丘里管或?qū)恿髟?br> 在流動限制元件21的上游側(cè)壓力增加，并且在元件21的下游側(cè)壓力減小。因而流動限制元件可被視為“壓降元件”，并且電容傳感器28被定位以測量上游壓力和下游壓力從而確定壓降元件的壓差。
圖4圖示說明了傳感器28的電容元件的放大視圖。如圖所示，電容導(dǎo)線50被形成在絕緣體54的表面上。絕緣體54可由玻璃、陶瓷或任何其它電絕緣材料形成。
隔膜48優(yōu)選地由導(dǎo)電材料形成，并且被電接地于傳感器28的表面并間接地接地于管道12。以此方式，電容基于以距離(d)隔開的電容導(dǎo)線50和隔膜48的相對地(relative ground)之間的勢差被測量。得出的電容根據(jù)以下公式計算C=ϵ0Ad=ϵ02πRWd‾,]]>其中R是開口46的內(nèi)徑，W是電容電極50在流體流動(A)的方向上的寬度，而d是隔膜相對于電容電極50的平均位移。因而，電容的改變圍繞傳感器28的內(nèi)部的整個360°被測量。
最后，導(dǎo)線14被示為電導(dǎo)線14A和溫度傳感器導(dǎo)線14B?；诰唧w的實施例，導(dǎo)線14A和14B可能需要被屏蔽以防止雜散電容(straycapacitance)。具體而言，如果電子設(shè)備獨立于傳感器，電線需要被屏蔽并且必須有驅(qū)動電路以平衡電容。如果電子設(shè)備包括于傳感器中，那么導(dǎo)線14A和14B可不需要被屏蔽(至少在傳感器外殼中)。
如圖所示，為了對與溫度相關(guān)的誤差進行控制，溫度傳感器56被設(shè)置以檢測感應(yīng)元件的溫度。溫度傳感器56可以是電阻式溫度傳感器或熱敏電阻器。溫度傳感器56可被嵌于絕緣材料54中或可緊密連接于管道的外部(如圖7中所示)。
應(yīng)當(dāng)注意到，需要干式傳感器(dry sensor)使用于超潔凈過程中。換言之，不像現(xiàn)有技術(shù)的內(nèi)嵌式傳感器，沒有流體或氣體被設(shè)置為隔膜48和電容電極50之間的電介質(zhì)(dielectric)。優(yōu)選地，隔膜48將電容電極50和絕緣體54與流體流動密封，并且隔膜48足夠牢固以保持真空。因而，如果隔膜48的密封將腐蝕或如果隔膜變得破損，沒有污染物質(zhì)或致污物會泄漏入過程流動中。
在所示的實施例中，由于隔膜48圍繞管道12的整個內(nèi)圓周延伸，因此隔膜48上的壓力被均勻地分布，使得可使用更薄的隔膜。另外，由于不考慮破壞隔膜的微粒(由于本發(fā)明旨在使用在超潔凈過程中)，因此可使用相對薄的隔膜48。更薄的隔膜48通常對于壓力變化更敏感，容許改進的精度。因而，隔膜48的厚度(τ)部分地依賴于隔膜上的壓力(力)的平衡。
如果隔膜48以環(huán)狀結(jié)構(gòu)圍繞管道12的內(nèi)部延伸，那么薄隔膜48將起作用。然而，如果隔膜圍繞管道的內(nèi)部的一部分路徑延伸，那么需要較厚的隔膜48。另外，為了獲得合理精確的測量值，必須將第二電容傳感器與第一傳感器相對地放置。最后，為了獲得圍繞整個內(nèi)徑的多個壓力讀數(shù)，可圍繞管道12的內(nèi)部放置多個環(huán)狀結(jié)構(gòu)的電容器。
圖5是透視橫截面，圖示說明了傳感器28的隔膜48優(yōu)選地圍繞電容傳感器28的內(nèi)表面延伸360°。絕緣體54設(shè)置有電容電極50。絕緣體54和電極50，如隔膜48，圍繞傳感器28的整個內(nèi)表面延伸以提供360°的電容傳感器。在此實施例中，溫度傳感器56被定位于絕緣體54中以提供傳感器主體的溫度。
圖6顯示了本發(fā)明的一個實施例的傳感器主體42的橫截面視圖。如圖所示，絕緣元件54圍繞外殼的整個內(nèi)表面延伸。電容電極50被布置在絕緣元件的頂部上(僅為圖示說明目的)。在實際中，電容電極50將被嵌入或凹入絕緣元件54的表面中。隔膜48圍繞外殼42的內(nèi)部延伸360度并且與電容元件50分開距離(d)。
在此實施例中，溫度感應(yīng)元件56被定位于絕緣元件54內(nèi)。電導(dǎo)線14A將電容電極連接于更大的網(wǎng)絡(luò)，并且溫度導(dǎo)線14B將溫度傳感器56連接于更大的網(wǎng)絡(luò)。
如這里所述，術(shù)語“導(dǎo)線”可包括多于一根電線，例如導(dǎo)線14A和14B每一根可為兩個線路回路(wire loop)?？梢岳斫?，圖1-圖6提供本發(fā)明的圖示說明，但不必按比例作圖。為了更容易看清，一些元件被放大。另外，例如，參照圖5，為了簡明僅顯示傳感器28的一部分?？梢赃M一步理解，雖然顯示了一個使用兩傳感器以測量壓差的實施例，但是也可使用一個傳感器測量絕對壓力對或表壓。
圖7展示了流動傳感器10的選擇性實施例，其中電容傳感器28形成有作為單獨單元的流動限制部分20。在此實例中，與管道12的連接可以是焊接連接58以代替法蘭。另外，流動傳感器10的組裝需要附加的焊接。
例如，圖8圖示說明了從對應(yīng)于框S的圖7的流動傳感器10切下的部分。如圖所示，焊縫60在流動方向縱向地延伸。對應(yīng)的焊縫存在于傳感器28的另一側(cè)。在此實施例中，隔膜48、電容電極50和絕緣體54的每一個需要作為兩個元件被組裝，在對半部分被焊接在一起之前連接于外殼42的每一縱向?qū)Π氩糠?。隔?8到傳感器外殼42的內(nèi)壁的連接部分的焊縫52被放大。
圖9是本發(fā)明的另一實施例。如圖所示，隔膜48被形成為與傳感器28的內(nèi)部的表面相連續(xù)。在此實施例中，絕緣體54遠離流動路徑凹入并且電容電極50被嵌入絕緣體的表面中并與絕緣體的表面齊平。以此方式，電容電極50與隔膜48分開距離(d)，并且隔膜的偏轉(zhuǎn)再次改變電容。特別是接地的隔膜48的偏轉(zhuǎn)改變隔膜48和電容電極50之間的距離，產(chǎn)生代表流體流動的壓力的信號。
在現(xiàn)有技術(shù)中，這樣的凹入腔將被注入用于將壓力傳遞至壓力傳感器的充填流體。由于此發(fā)明旨在用于超潔凈過程環(huán)境中，因此這樣的充填流體意味著潛在的污染物。相反，隔膜48和電容電極50之間的電介質(zhì)優(yōu)選為真空。
溫度傳感器56穿過絕緣材料延伸到隔膜上，用于感應(yīng)流體流動溫度。作為選擇，溫度傳感器可布置于傳感器內(nèi)的其它位置。
與前述實施例一樣，圖9的實施例圍繞傳感器元件28的整個內(nèi)表面延伸360°，提供流體流動壓力的360°電容測量。
通常，可以理解，流動限制部分20是雙向的，在流體流動內(nèi)形成突躍，所述突躍當(dāng)流體流過障礙物(流動限制元件21)時在流體流動內(nèi)產(chǎn)生壓降。壓降的產(chǎn)生從第一傳感器到越過流動限制元件21的第二傳感器被測量。當(dāng)?shù)谝粋鞲衅?8處的壓力大于第二傳感器28處的壓力時，正壓降被測量。正壓降指正流體流動或從左移動到右的流體流動或從第一傳感器28移動至第二傳感器28的流體流動。當(dāng)?shù)谝粋鞲衅?8處的壓力小于第二傳感器28處的壓力時，負壓降發(fā)生。負壓降指負流體流動或從右移動到左的流體流動或從第二傳感器移動至第一傳感器的流體流動。壓降的量越大，流體流動的流率越快。結(jié)果是，壓降既指示了流體流動的方向又指示了流體流動的流率。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解，許多不同形式的流動限制部分20可用于產(chǎn)生所需要的壓降。這些包括，例如，具有同心孔和偏心孔的孔板、無孔的板、由形成頂點的兩個不平行的面構(gòu)成的楔形元件、或其它通用的流動限制部件。
因而，在壓差實施例中，流動傳感器10將電容壓力傳感器28與流動限制部分20結(jié)合在一起以形成可與流體流動成一直線定位的單個單元。
再次參照圖1，壓差傳感器10通過將電容壓力傳感器28連接于流動限制元件21的兩側(cè)的壓力以測量流動限制部件20的壓降。通常，壓差傳感器10產(chǎn)生壓力信號，所述壓力信號表示限制元件21的壓降并且所述壓力信號被提供至處理電子設(shè)備以計算流體流動的流率。
由于本發(fā)明的傳感器10不使用脈沖管道(impulse line)或充填液體，所以傳感器10對于位置不敏感。作為結(jié)果，壓差傳感器10的該實施例可被移動而不必重新校準。
本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將理解，本發(fā)明的電容壓力傳感器也可被配置以測量絕對壓力、計示壓力等。相似地，由于傳感器不利用脈沖管道或充填流體，因此電容傳感器對位置不敏感。因此，電容壓力傳感器可被移走而不需要重新校準。
圖10是處理電路或處理電子裝置62的一個實施例的簡化方框圖，本發(fā)明使用所述處理電路62以產(chǎn)生指示流體流動的方向和流率的流率信號。此處，電容壓力傳感器28向處理電路62提供壓力信號，所述壓力信號指示流動限制部分20的壓降。處理電路62大體包括模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器64，微處理器66和輸入/輸出(I/O)端口68。A/D轉(zhuǎn)換器64將從壓差傳感器28接收的壓力信號數(shù)字化并將數(shù)字化的壓力信號提供至微處理器66。微處理器66被配置以利用壓力信號的符號(sign)確定流體流動的方向；正向或反向。微處理器66進一步被配置以作為數(shù)字化壓力信號的絕對值的函數(shù)計算流體流動的流率。例如，微處理器66可利用以下公式計算質(zhì)量流率(Qm)和體積流率(Qv)Qm=NCdYd21-β4ρh]]>Qv=NCdYd21-β4hρ]]>其中Qm＝質(zhì)量流率(mass flow rate)Qv＝體積流率(volumetric flow rate)N＝單位轉(zhuǎn)換系數(shù)(units conversion factor)(常數(shù))Cd＝基本原件流出系數(shù)(primary element discharge coefficient)(與咽喉部分的幾何尺寸有關(guān))Y＝氣體膨脹系數(shù)(對于液體Y＝1.0)d＝基本元件咽喉部分直徑β＝基本元件比壓(beta ratio)(咽喉部分與管道部分的比例)ρ＝流體密度
h＝由壓差傳感器22所測量的壓差的絕對值。
微處理器66被進一步配置以通過I/O端口68產(chǎn)生流率信號，所述流率信號指示流體流動的方向和流率。如前述，流率信號可被發(fā)送至控制系統(tǒng)16(圖1)。
在本發(fā)明的一方面中，由電容壓力傳感器28產(chǎn)生的壓差信號作為輸出被提供，所述輸出被用于校正諸如那些由測量中的尖峰信號引起的誤差。當(dāng)使用本發(fā)明作為液壓流體的流動的函數(shù)測量液壓系統(tǒng)中的活塞位置時，這樣的尖峰信號是成問題的。
如圖11中所示，流動傳感器10的另一實施例包括溫度傳感器56，所述溫度傳感器56可被用于測量流體流動的溫度和/或電容壓力傳感器28的操作溫度。溫度傳感器56可以是，例如電阻式溫度檢測器(RTD)或其它合適的溫度感應(yīng)裝置。溫度傳感器56被配置以產(chǎn)生指示所感應(yīng)溫度的溫度信號，所述溫度信號在A/D轉(zhuǎn)換器64處被提供至處理電子設(shè)備62。A/D轉(zhuǎn)換器64數(shù)字化溫度信號并且將數(shù)字化的溫度信號提供至微處理器66。微處理器66可被配置以利用數(shù)字化的溫度信號以執(zhí)行諸如粘度和密度計算的各種流體參數(shù)計算，計算結(jié)果被微處理器66所利用以計算流體流動的流率。另外，微處理器66可利用溫度信號對接收自電容壓力傳感器28的壓力信號提供溫度補償。微處理器66可產(chǎn)生指示作為壓差信號和溫度信號的函數(shù)的流體流動的流率的流率信號，所述流率信號通過I/O端口68被饋送至其它處理電路，例如至控制系統(tǒng)16等。
盡管已說明的本發(fā)明大部分關(guān)于圍繞管道的內(nèi)周延伸的單個電容傳感器，但是其它電容傳感器和電容器的布置也是被預(yù)期的。例如，電容傳感器可由多個彼此對齊并圍繞管道的內(nèi)圓周延伸的電容器形成。可選擇地，電容器可僅圍繞管道的內(nèi)圓周的一部分延伸。在另一實施例中，電容器可被布置在管道的相對側(cè)，等等。
盡管以與電容壓力傳感器分開的流動限制元件說明了本發(fā)明，但可使電容壓力傳感器的隔膜用作流動限制元件。在此實施例中，電容傳感器可具有不同的流出系數(shù)(discharge coefficient)和不同的對應(yīng)流動特性。
在一個實施例中，壓差計未設(shè)置流動限制元件。隔膜48從管道的壁延伸入流體流動中。在此實施例中，隔膜需要沿著隔膜的一部分被加固從而擔(dān)當(dāng)流動限制元件并從而保持流動限制。在加固部分的任一側(cè)的隔膜的一部分可響應(yīng)于流體壓力而偏轉(zhuǎn)。此實施例也會需要不同于前述實施例的流動特性和流出系數(shù)。
雖然參照優(yōu)選的實施例已說明本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將認識到，在不背離本發(fā)明的精神和范圍下，可對于形式和細節(jié)做出改變。例如，可使用任意類型的內(nèi)嵌式配置的電容傳感器。另外，本發(fā)明既可應(yīng)用于壓力(絕對壓力、計示壓力等)也可應(yīng)用于壓差(流動)裝置。
權(quán)利要求
1.一種用于測量過程流體的壓力的壓力傳感器，包括容器或管道，所述容器或管道用于容納過程流體；電極，所述電極與所述管道的內(nèi)壁成整體；和隔膜，所述隔膜至少部分地在所述電極之上延伸，并且所述隔膜被配置以響應(yīng)過程流體的壓力而相對于所述電極運動；其中所述電極和所述隔膜之間的電容與過程流體的壓力相關(guān)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力傳感器，其中所述電極部分地圍繞所述管道的內(nèi)壁延伸。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓力傳感器，其中所述隔膜部分地圍繞所述管道的內(nèi)壁延伸。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力傳感器，進一步包括溫度傳感器，所述溫度傳感器與內(nèi)壁成整體以測量流體溫度并產(chǎn)生指示流體溫度的溫度信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的壓力傳感器，進一步包括處理電子裝置，所述處理電子裝置適合于產(chǎn)生作為溫度信號的函數(shù)的壓力信號。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力傳感器，其中所述電極完全地圍繞所述管道的內(nèi)壁延伸。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的壓力傳感器，其中所述隔膜完全地圍繞所述管道的內(nèi)壁延伸。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力傳感器，進一步包括測量電路，所述測量電路適合于產(chǎn)生基于電容的壓力信號。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力傳感器，進一步包括無線收發(fā)器，所述無線收發(fā)器安裝于外殼并電氣地連接于環(huán)形電容器以用于將壓力信號無線地傳遞至控制和/或監(jiān)視系統(tǒng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力傳感器，其中所述電極和所述隔膜形成第一電容器，并且所述壓力傳感器進一步包括流動限制元件，所述流動限制元件從所述管道的內(nèi)壁延伸入過程流體中；第二電容器，所述第二電容器具有與內(nèi)壁成整體的第二電極和第二隔膜，所述第二隔膜至少部分地在所述電極之上延伸并且所述第二隔膜被配置以響應(yīng)過程流體的壓力而相對于所述電極運動；其中所述流體限制元件被定位于所述第一電容器和所述第二電容器之間以測量第一電容和第二電容以便第一電容和第二電容之間的差是代表過程流體的壓差的電容差。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力傳感器，其中所述隔膜延伸離開內(nèi)壁而延伸入過程液體中。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力傳感器，其中所述隔膜與流體流動管道的內(nèi)壁齊平并且所述電極凹入所述內(nèi)壁中。
13.一種用于測量管道中的過程流體的壓差的壓差傳感器，包括流動限制元件，所述流動限制元件與所述管道的內(nèi)壁成整體并且當(dāng)所述流動限制元件與流體流動成一直線地放置時所述流動限制元件適合于產(chǎn)生壓降；第一電容器，所述第一電容器與所述管道的內(nèi)壁成整體并被定位于所述流動限制元件的上游并與過程流體成一直線地定位；和第二電容器，所述第二電容器與所述管道的內(nèi)壁成整體并被定位于所述流動限制元件的下游并與過程流體成一直線地定位；其中第一電容和第二電容與過程流體的壓力有關(guān)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的壓差傳感器，進一步包括處理電子裝置，所述處理電子裝置適合于產(chǎn)生指示作為所述第一電容和所述第二電容的函數(shù)的過程流體的方向和流率的流率信號。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的壓差傳感器，其中所述第一電容器和所述第二電容器的每一個都包括電極，所述電極與所述管道的內(nèi)壁成整體；和隔膜，所述隔膜至少部分地在所述電極之上延伸并且所述隔膜被配置以響應(yīng)過程流體的壓力而相對于所述電極運動；其中所述電極和所述隔膜之間的電容與過程流體的壓力有關(guān)。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的壓差傳感器，其中所述流動限制元件具有狹窄流體流動通道，所述狹窄流體流動通道在對稱的第一咽喉部分和第二咽喉部分之間延伸。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的壓差傳感器，進一步包括溫度傳感器，所述溫度傳感器適合于感應(yīng)流體流溫度和壓力傳感器的操作溫度中的至少一個溫度，并且所述溫度傳感器適合于產(chǎn)生指示所感應(yīng)溫度的溫度信號。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的壓差傳感器，其中所述流率信號還是所述溫度信號的函數(shù)。
19.根據(jù)權(quán)利要求13所述的壓差傳感器，其中所述第一電容器和所述第二電容器中的每一個都至少部分地圍繞所述管道的內(nèi)壁延伸。
20.根據(jù)權(quán)利要求13所述的壓差傳感器，其中所述第一電容器和所述第二電容器中的內(nèi)每一個完全地圍繞所述管道的內(nèi)壁延伸。
21.適合于測量管道內(nèi)的過程流體的壓力和流動方向的流量計，包括第一電容壓力傳感器，所述第一電容壓力傳感器適合于產(chǎn)生第一電容信號；第二電容壓力傳感器，所述第二電容壓力傳感器適合于產(chǎn)生第二電容信號；和流動限制元件，所述流動限制元件被定位于所述管道中并在所述第一和第二電容壓力傳感器之間，并且所述流動限制元件適合于在所述管道內(nèi)產(chǎn)生壓降；其中所述第一和第二電容信號表示過程流體的第一壓力和第二壓力以便所述第一和第二電容信號相減以計算表示壓差的電容差。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的流量計，其中每一個所述電容壓力傳感器包括電極，所述電極與所述管道的內(nèi)壁成整體；和隔膜，所述隔膜至少部分地在所述電極之上延伸并且所述隔膜被配置以響應(yīng)過程流體的壓力相對于所述電極運動；其中在所述電極和所述隔膜之間的電容與過程流體的壓力有關(guān)。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的流量計，其中所述隔膜與所述流體流管道的內(nèi)壁齊平并且所述電極凹入內(nèi)壁中。
24.根據(jù)權(quán)利要求22所述的流量計，其中所述隔膜延伸入過程流體中并且所述電極與所述管道的內(nèi)壁齊平。
25.根據(jù)權(quán)利要求22所述的流量計，其中所述電極部分地圍繞所述管道的內(nèi)壁延伸。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的流量計，其中所述隔膜部分地圍繞所述管道的內(nèi)壁延伸。
27.根據(jù)權(quán)利要求21所述的流量計，進一步包括溫度傳感器，所述溫度傳感器與內(nèi)壁成整體以測量流體溫度并產(chǎn)生表示流體溫度的溫度信號。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的流量計，進一步包括處理電子裝置，所述電子裝置適合于產(chǎn)生壓力信號，所述壓力信號是所述溫度信號的函數(shù)。
29.根據(jù)權(quán)利要求22所述的流量計，其中所述電極完全地圍繞所述管道的內(nèi)壁延伸。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的流量計，其中所述隔膜完全地圍繞所述管道的內(nèi)壁延伸。
31.根據(jù)權(quán)利要求22所述的流量計，進一步包括測量電路，所述測量電路適合于產(chǎn)生基于電容的壓力信號。
32.根據(jù)權(quán)利要求21所述的流量計，進一步包括無線收發(fā)器，所述無線收發(fā)器安裝于所述管道并電氣地連接于所述第一和第二電容壓力傳感器以將壓差無線地傳遞至控制和/或監(jiān)視系統(tǒng)。
33.根據(jù)權(quán)利要求21所述的流量計，進一步包括溫度傳感器，所述溫度傳感器嵌入所述第一電容壓力傳感器的絕緣體中以測量裝置溫度并產(chǎn)生表示所述裝置溫度的溫度信號。
全文摘要
一種用于測量過程流體的壓力傳感器(10)，包括管道(28)、電極(50)和隔膜(48)。管道(28)容納過程流體。電極(50)整合于管道(28)的內(nèi)壁。隔膜(48)至少部分地延伸過電極(50)并被配置以響應(yīng)過程流體的壓力而相對于(50)運動。電極(50)和隔膜(48)之間的電容與過程流體的壓力有關(guān)。
文檔編號G01L19/00GK1934424SQ200580008512
公開日2007年3月21日 申請日期2005年2月23日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月18日
發(fā)明者馬克·S·熊瑪切 申請人:羅斯蒙德公司