专利名称：具有增强的介电填充流体的工业压力传感器的制作方法
技术领域：
本发明大致涉及用在工业过程控制系统中的过程仪器。尤其是，本发明涉及用在 压力变送器中的电容压力传感器。
背景技术：
过程仪器被用于监控在工业过程中使用的过程流体的过程参数，例如压力、温度、 流量和水平。例如，过程传感器一般使用在工业制造设施中在多个地点处以便监控沿不同 生产线的多种过程参数。过程变送器包括传感器，传感器响应于过程参数的物理变化而产 生电输出。例如，压力变送器包括电容压力传感器，其产生电输出作为例如过程流体的压力 的函数，例如水位线、化学槽等。每个过程变送器还包括变送器电子装置，用于接收和处理 传感器的输出，从而可以本地或远程地监控变送器和过程参数。本地监控的变送器包括显 示器，例如IXD屏，其示出在过程变送器位置的电输出。远程监控的变送器包括电子装置， 所述电子装置在控制环或网络上发送电输出到中央监控场所，例如控制室。构造成这样，则 通过包括自动开关、阀、泵和在控制环中的其他类似部件，能从控制室调整过程参数。典型的用在压力变送器中的电容压力传感器包括固定的电极板和典型地包括柔 性感测膜的可调节的电极板。感测膜通过简单的液力系统连接到过程流体，该系统将过程 流体压力传递到传感器。该液力系统包括密封的通道，在该通道中感测膜位于第一端，而柔 性隔离膜位于第二端以接合过程流体。密封的通道被精确数量的液压流体填充，当过程流 体影响隔离膜时，这些流体调节感测膜的位置。当过程流体的压力变化时，感测膜的位置改 变，导致压力传感器的电容改变。压力传感器的电输出与电容有关，因而随着过程流体压力 的变化而成比例地改变。压力传感器的电容受到三个主要因素的控制电极板的表面面积、电极板之间的 距离，以及电极板之间的物质(一般为填充流体)的介电常数的幅度。通常期望的是制造 尽可能小的压力传感器，从而这些压力传感器可以用在许多应用中。为了能正常工作，电极 之间间隔的下限受到电容器的能力的限制。板的表面面积的下限由压力传感器产生信号的 需要来表示，所述信号具有与变送器电子装置相容的最小强度。在板之间的物质的介电常 数受到填充流体的种类的限制，该填充流体需要和液压系统相容。基于这些设计约束条件， 典型的用在电容压力传感器中的电极板的最小直径一般限制到约0.4英寸( 1厘米)或 更大，导致压力传感器具有约1.25英寸( 3. 175厘米)的直径。此外，过去的制造过程 无法制造更小的电容压力传感器，其需要极小的容差来达到期望的精度。因此，需要更小的 具有改进的电容的电容压力传感器。

发明内容
本发明关注的是用在工业过程变送器中的电容压力传感器。该压力传感器包括壳 体、感测膜、电极和填充流体。该壳体包括设置在壳体内的内部腔以及从壳体的外部延伸到 该内部腔的通路。感测膜设置在内部腔内。电极设置在内部腔内以与感测膜相对。填充流
5体占据内部腔从而来自通路的压力被传递到感测膜上以调节电极和感测膜之间的电容。填 充流体具有高于约3. 5的介电常数。在另一实施例中，压力传感器具有小于大约3. 175厘 米( 1.25英寸)的直径，电极的直径小于大约1厘米( 0.4英寸)。在另一实施例中， 压力传感器具有大约5到大约10皮法的电容。在又一实施例中，填充流体由具有液体添加 剂的液压流体构成，所述液体添加剂例如是异丙醇、丙酮、乙烯乙二醇以及丙三醇。


图1示出包括压力变送器的过程控制系统，该压力变送器具有本发明的电容压力 传感器；图2示出图1的压力变送器的示意性侧视图，包括构造为用于差动压力测量的电 容压力传感器；图3示出用在图2的压力变送器中的差动压力模块的透视图。
具体实施例方式图1示出过程控制系统10，其包括压力变送器12、控制室14、远程密封系统15和 过程容器16。压力变送器12通过远程密封系统15感测包含在过程容器16中的过程流体 18的压力水平，然后将压力信号通过控制环22中继到控制室14。控制室14也通过控制环 22从电源24向变送器12供电。控制环22还使通讯系统26能够从控制室14传送数据到 变送器12，以及从变送器12接收数据，从而过程流体18的过程参数能被监控和调整。在 各种实施例中，控制环22和通讯系统26在数字网络协议(例如FOUNDATION Fieldbus协 议)上运行，或者在模拟网络协议(例如4-20mA HART 系统)上运行。压力变送器12包 括变送器电路28和传感器30。变送器电路28包括通过控制环22用于将压力传感器30产 生的电信号发送到控制室14或本地显示器例如LCD屏或这两者上的部件。基于从传感器 30和变送器12收到的数据，控制室14能够或者通过控制环22或者通过另一控制环而调 节过程参数。例如，控制室14可通过调节适当的阀而能够调节过程流体18到容器16的流 动。通过远程密封系统15，传感器30与过程流体18液压连接；该系统包括远程密封 隔离膜32A和32B、毛细管34A和34B以及远程密封36A和36B ；以及液压隔离管38a he 38B。隔离管38A和38B包括通道，这些通道在它们的第一端与变送器12中的隔离膜连接， 在它们的第二端与传感器30连接。液压隔离管38A和38B被提供第一填充流体。毛细管 34A和34B从变送器隔离膜延伸到容器16处的远程密封36A和36B的膜32A和32B，在那 里，膜32A和32B接触过程流体18。毛细管34A和34B填充有第二填充流体。第二液压流 体将过程流体18的压力从容器16传递到变送器12，而第一液压流体将过程流体18的压力 从变送器12通过隔离管38A和38B传递到传感器30。第一填充流体的成分也影响压力传 感器30的性能。具体地说，传感器30包括电容压力传感器，第一填充流体流入该电容压力 传感器以构成包含该传感器的电容器的介电材料。根据本发明，第一填充流体由具有下述 介电常数的材料组成，使得与具有典型的、工业标准液压填充流体的压力传感器相比，所述 介电常数的材料能够增大压力传感器的电容和减小压力传感器的尺寸。图2示出包括本发明一个实施例的压力变送器12，其中，电容压力传感器30包括
6差动压力传感器，其具有介电常数基本大于2. 2的填充流体。过程变送器12包括变送器电 路28、传感器30、液压隔离管38A和38B、壳体40、模块42、基部44和LCD45。传感器30通 过液压隔离管38A和38B的填充流体A和远程密封系统15的毛细管34A和34B的填充流 体34B来感测过程流体18(图1)的压力的物理变化。传感器30通过电缆46与变送器电 路28处于电通信状态。电路28调控(condition)传感器30的输出到与控制环22相容的 格式，由此该输出被中继用于在连接到电子装置28的LCD处的本地监控，或者通过控制环 22中继到控制室14(图1)。在其他实施例中，变送器电路28在无线网络上通讯。在另外 的实施例中，传感器30的受调控的输出可被手持设备读取，该手持设备通过有线或无线链 接到压力变送器12上。隔离管38A和38B通过过程凸缘47连接到毛细管34A和34B。过程凸缘47 — 般被螺栓固定或以其他方式固定到变送器12的基部44。在一个实施例中，凸缘47包括 C0PLANAR 过程凸缘。凸缘47包括通路50A和50B，它们分别和远程密封系统15的毛细 管34A和34B连接。毛细管34A和34B通过连接器48A和48B与凸缘47连接，上述连接器 可包括任何连接系统，例如螺纹连接器。过程凸缘47便于毛细管34A和34B分别和隔离管 38A和38B连接。远程密封系统15的毛细管34A和34B允许隔离管38A和38B延伸到变送 器12的界限之外。隔离管38A和38B允许压力传感器30与变送器12的外部相接触。传感器30是变送器，其响应于通过隔离管38A和38B的第一填充流体A所表现的 过程流体18的压力中的变化而产生电信号。传感器30包括差动的、基于电容的压敏元件， 其包括感测膜58、第一电极板60A和第二电极板60B。传感器30通过隔离管38A和38B内 的填充流体A而与基部44的膜52A和52B处于流体连通状态下，隔离管38A和38B位于模 块42内。隔离膜52A和52B通过在凸缘47的通路50A和50B以及远程密封系统15的毛 细管34A和34B内的填充流体B而与过程流体18(图1)处于流体连通状态下。过程流体 18具有相关的压力P1，其施加力在较靠近容器16的顶部的远程密封36A(图1)的隔离膜 32A上。过程流体18还具有更靠近容器16的底部的相关的压力P2，其施加力在远程密封 36B (图1)的隔离膜32B上。Pl通过毛细管34A的第二填充流体B从隔离膜32A传递到变 送器12的隔离膜52A上，从而在毛细管34A中的压力等于压力Pl。同样地，P2通过毛细管 34B的第二填充流体B从隔离膜32B传递到变送器12的隔离膜52B，从而在毛细管34B中 的压力等于压力P2。与Pl和P2有关的力被第一填充流体A从隔离膜52A和52B传递到感 测膜58，从而在隔离管38A和38B中的压力分别等于压力Pl和P2。这样通过填充流体A， 在传感器30的感测膜58两端出现了压力差P1-P2。填充流体A占据传感器30以围绕感测 膜58并占据感测膜58与电极板60A和60B之间的空间。因而，压力传感器30的电容与填 充流体A的介电常数直接相关。填充流体A包括液体，该液体具有比之前用在与工业过程 控制系统兼容的电容压力传感器中的液体更高的介电常数。具体地说，填充流体A具有高 于大于2. 2的介电常数，使得传感器30的尺寸能够减小，传感器30的电容能增大，以及带 来其他一些好处。感测膜58典型地由圆形的、设置在电极板60A和60B之间的不锈钢盘组成，所述 电极板包括圆形的沉积在传感器30的内侧曲面以与膜58相对的金属镀层。感测膜58被夹 在所述曲面的周界之间，从而它能够在电极板60A和60B之间弯曲。这样，传感器30包括布 置成串联的两个电容器的三个电绝缘金属板，形成宽度和直径的大致圆柱形的传感器。在膜58和第一电极板60A之间的电容和在膜58和第二电极板60B之间的电容随着膜58的 曲率的改变(由于压力Pl和P2的变化，其通过填充流体A和B而表现出来)而改变。在 膜58和电极板60A和60B中的一个之间的电容会增大，而和另一个之间的电容则减小。由 于压力改变导致的在每个电容器的电容上的改变被变送器电路28测量，作为压力Pl和P2 之间的压差的幅度的变化的指示。一般地说，电容器的电容指示的是储存在组成电容器的电极板上的能量的数量。 电容C与电极板的面积A以及电极板之间的材料的介电常数ε成正比，与电极板之间的距 离X成反比，如方程式(1)所示。
ρλC = ^方程式⑴对于电容压力传感器，由压力传感器产生的信号的输出强度由储存在电容器上的 电荷决定。在传感器30中，第一电容由感测膜58和第二电极板60Α形成，第二电容由感测 膜58和第二电极板60Β形成。必须有足够的电荷储存在第一和第二电容器上，从而传感器 30能够产生足够强的信号以便被变送器电路28和控制环22使用。典型地，电容压力传感 器必须具有约5 μ F到约10 μ F的电容，以便让变送器电路28产生与控制环(例如4-20mA 模拟控制环)相容的输出。类似地，介电材料的介电常数ε由所选择的填充流体确定。还 期望减小第一和第二电容器的尺寸，从而能够减小传感器30的宽度和直径。因而，历史上 压力传感器设计和尺寸受限于控制环和填充流体要求，以及制造技术的限制。典型地，由于填充流体所需要的机械性能要求，填充流体的介电常数ε已经被限 制到小的数值。例如，填充流体必须是基本不可压缩的，从而填充流体能有效地和精确地传 递压力。例如在传感器30中，填充流体A必须能够将膜52Α的非常小的挠曲传递到感测 膜58，且不能让所述挠曲被填充流体A的压缩完全吸收。填充流体还必须是基本惰性的， 以便防止和其他传感器部件反应。例如，在传感器30中，填充流体A —定不能和感测膜58 和电极板60Α反应。满足上述要求的填充流体典型地由硅油液压流体构成，例如DC200 、 DC704 或者Syltherm XLT ‘ 硅油，其可从美国密歇根州米德兰市德Dow Corning公司买 到。然而，也可以使用其他类似流体。这些液压流体具有在约2. 2-2. 4范围内的介电常数， 因而限制了典型的介电压力传感器的能被减至的尺寸。任何压力传感器的宽度都受限于在不能妨碍电容器的性能的情况下减小相邻电 容器板之间的距离X的能力。由于场效应，对于电极板可以放置到彼此多接近有实际的限 制，因为要避免板之间的介电材料被击穿和电子能在板间跳跃由此破坏电容器的电容。例 如，压力传感器30的宽度与感测膜58和第一电极板60A及第二电极板60B之间的间隔有 关。因而，电极板60A和60B典型地被放置成与感测膜58实际允许情况下尽可能地近，并 且不能妨碍电容器的性能。在大多数电容压力传感器中，包括压力传感器30，距离X典型地 可被减小到约0. 001英寸( 0. 00254厘米)，这是避免填充流体的电容被击穿或变得不稳 定的上压力范围。由于距离X被电容器设计限制所确定，以及典型地介电常数ε基于填充流体要求 而被确定的，电极板的面积必须足够大以产生5 μ F到约10 μ F的电容。基于方程式(1)，典 型地需要电极板的直径为约0.4英寸( 1厘米)或更大，以达到所需的电容，导致传感器 具有约1.25英寸( 3. 175厘米)或更大的直径。然而，期望在不增大电极板的直径的情
8况下减小压力传感器的尺寸和增大电容。本发明在直径小于1.25英寸( 3. 175厘米)的 传感器中实现具有有效电容的电容压力传感器，手段是通过使用介电常数基本高于2. 2的 填充流体，所述填充流体能从典型的液压流体得到。在一个实施例中，压力传感器30具有 大约0. 5英寸( 1. 27厘米)的直径。压力传感器30的较小尺寸是通过使用现代制造过 程而实现的，所述现代制造过程允许精确的、低容差的生产传感器30及其部件。图3示出用在图2的压差变送器12内的压力传感器30和模块42的一个实施例。 压力传感器30安置在变送器12的模块42内的基部44上。压力传感器30包括隔离管38A、 隔离管38B、感测膜58、第一电极板60A、第二电极板60B、第一元件(cell)半62A、第二元 件半62B、第一绝缘件64A、第二绝缘件64B、第一引线66A和第二引线66B。电缆46将压力 传感器30的引线66A和66B与变送器12的壳体40 (图2)内的变送器电路28相连。基部 44将传感器30的隔离管38A和38B与凸缘47 (图2)和远程密封系统15 (图1)相连。模块42和基部44典型地被浇铸和加工成一个整体件，而模块42主要包括用于保 持传感器30的中空腔。模块42和基部44 一起提供框架，该框架允许膜52A和52B通过隔 离管38A和38B与传感器30相通。基部44包括钻孔68，从而变送器12能被连接到凸缘 47或一些其他过程连接上。模块42包括螺纹70，用于和变送器12的壳体40连接。基部 44还包括沉孔，所述沉孔与隔离膜52A和52B —起，分别形成隔离室72A和72B。分别通过 设置在基部44中的钻孔74A和74B，隔离室72A和72B与隔离管38a和38B连接。隔离管 38A和38B典型地包括焊接到基部44的不锈钢管的节段，以及元件半62A和62B。隔离管 38A和38B分别和绝缘件64A和64B分别连接，所述绝缘件分别设置在钻孔76A和76B中， 在传感器元件半62A和62B内。绝缘件64A和64B包括电极60A和60B分别安置于其上的 杯形平台。当元件半62A和62B被组装以在传感器30内形成内部腔78时，所述杯形平台 配合。绝缘件64A和64B可由任何适当的绝缘材料构成，例如玻璃或陶瓷。绝缘件64A和 64B包括延伸通过到内部腔78的钻孔，从而隔离管38A和38B将隔离室72A和72B与内部 腔78相连。感测膜58设置在内部腔78内在元件半62A和62B之间，从而膜58与电极60A 和60B相对。典型地，膜58和电极板60A及60B由抗腐蚀材料构成。电极60A和60B分别 连接到引线66A和66B，所述引线分别延伸穿过绝缘件64A和64B并在开口 80A和80B处离 开元件半62A和62B。引线66A和66B被连接到电路板82，该电路板包括各种传感器电子 器件84。通过带状电缆46，电路板82连接到壳体40内的变送器电子器件28。构造成这样，感测膜58和电极60A和60B包括在传感器30内的第一和第二电容 器。当压力Pl和P2作用在感测膜58上时，每个电容器产生电信号。因而压力传感器30 产生双重电容信号，这些信号帮助减小由传感器30产生的误差。典型地，如上所述，基于硅 油填充流体的使用，这样的传感器需要具有直径约0.4英寸( 1厘米)的电极。这样，当 电容器电极需要有足够的尺寸以产生足够大的电容以便与变送器电子装置信号处理能力 相容时，典型地无法实现较小传感器模块的生产。幸运地，历史上可行的制造方法典型地无 法以足够精确的公差来生产传感器元件(cell)、绝缘件和电极以生产更小的传感器。例如， 基于可获得的研磨技术，内部腔78的深度(在绝缘件64A的边缘和绝缘件64A的槽之间的 距离)被限制到约0. 0035英寸( 0. 00889厘米)。类似地，基于可获得的沉积技术，电极 的厚度被限制到约2000埃( 0. 0002毫米)。因此，定下来的传感器技术使得典型的传感 器具有上述尺寸，而更小的传感器是不可能做到的。本发明结合当前制造技术的能力以及
9高介电的填充流体的使用来实现传感器，这样实现的传感器具有更高的介电能力以及直径 小于约0.04英寸( 0.1厘米)的电极，从而传感器的直径小于大约1.25英寸( 3. 175 厘米)。在本发明的一个实施例中，传感器30具有大约0.5英寸( 1.27厘米)的直径， 包括直径约0. 1英寸( 0. 254厘米)的电极板60A和60B。在一个实施例中，填充流体A包括异丙醇，其具有约18. 3的介电常数。在另一个 实施例中，填充流体A包括丙酮，其具有约20. 7的介电常数。在又一实施例中，填充流体A 包括丙三醇，其具有约47的介电常数。在另一实施例中，填充流体A包括乙烯乙二醇，其具 有约37的介电常数。这些液体添加剂具有明显高于从典型硅油液压流体上获得的2. 2的 介电常数。具体地说，与从市场上能得到的液压流体相比，这些高介电常数的液体添加剂具 有大约9倍或更高的介电常数。填充流体A可以由可高达100%的这些高介电常数液体构 成。在本发明的其他实施例中可以使用未具体指明的其他高介电常数的液体。在其他实施例中，填充流体A由高介电常数液体添加剂和典型的市售液压流体 的溶液构成。可适于混合的液压流体包括上面提到的能够从Dow Corning公司获得的 DC200 、DC704 或者Syltherm XLT 硅油，但是也可以使用其他液压流体。上面提到的液 体添加剂和应用流体可以混合到溶液中，该溶液由0到100百分比的每种液体组成以更好 地获得每种流体的优点。例如可能期望保留一些DC200 的惰性，同时加入液体添加剂例如 异丙醇的电容。在另一实施例中，填充流体A包括直至20 %的柠檬酸，而柠檬酸具有约200 的介电常数。液体添加剂和液压流体的溶液会彼此混合而形成均勻的混溶混合物。因而，液 体添加剂将为整个填充流体溶液的特性作出贡献，该贡献在数量上与液压流体和液体添加 剂的体积的体积分配成比例。例如，具有体积比50%的液体添加剂和体积比50%的应用流 体的填充流体将具有这样的电学和机械特性(例如介电常数和粘性)其为液压流体和液 体添加剂的电学和机械特性的平均值。这相对于其他固体填充流体添加剂，例如纳米颗粒， 是有利的，因为固体添加剂在大约25%的浓度水平下饱和并且倾向于在大约1到5%的浓 度水平上仅保持悬浮状态。纳米颗粒具有在大约3. 5到7.0范围内的介电常数。例如，矾 土陶瓷纳米颗粒具有大约4. 5的介电常数；氧化铝纳米颗粒具有大约7. 0的介电常数7. 0 而碳基纳米颗粒具有大约3. 5的介电常数。然而，液体添加剂会保留在溶液中，不会随着时 间的流逝而分开。此外，固体微粒添加剂不能如液体添加剂那样影响填充流体的许多物理 特性。例如，固体添加剂不能影响作为基础的液压流体的粘性，但液体添加剂能够影响。上面所确认的高介电常数材料，以及其他材料，具有可相容地用在本发明的液压 系统中的特性。具体地说，液体添加剂具有足够的惰性、粘性和压缩性，其在隔离管38A和 38B中提供充足的性能。液体添加剂是适度惰性的，从而它们不会和隔离管38A和38B、感 测膜58、电极板60A和60B以及绝缘件64A和64B反应。这些材料由高度耐腐蚀的材料构 成，例如不锈钢或玻璃，从而它们能够经得住与填充流体A和液体添加剂的接触。液体添加 剂还是适度可压缩的，从而它们能够将压力从隔离膜52A和52B传递到感测膜58。典型的 压力传感器和压力变送器在工业过程控制系统中工作，该系统包括压力高达几千PSI的过 程流体。这样巨大的压力对典型的填充流体(例如硅油应用流体)产生小的，但程度上可 接收的压缩。此压缩被过程变送器和压力传感器的填充流体管线的真空密封所缓和，该密 封帮助防止空气和水与填充流体混合。本发明的液体添加剂经受与典型填充流体类似的压 缩水平。因而，液体添加剂不会压缩到导致隔离膜52A的挠曲被填充流体A吸收(这会阻
10止感测膜58记录挠曲)的程度。因而，在正确校准传感器30和变送器电路28以后，本发 明的液体添加剂的压缩性提供合适的液压流体。液体添加剂还具有足够的粘性，而和隔离 管38A和38B以及感测膜58—起使用。液体添加剂具有比硅油液压流体更低的粘性。然 而，该粘性足够高到让填充流体A提供所需的振动阻尼到膜58上，以消除来自传感器30的 噪音。如下面更详细描述的那样，更小的粘性确实会缩短传感器30的反应时间。可以使用 液体添加剂来影响填充流体A的其他物理特性，例如提高上下温度限制(即，凝固点和沸 点)。应该注意到，一些确认的液体添加剂已经用作远程密封系统的应用流体，例如远程密 封系统15。然而，在远程密封系统中，填充流体不与压力传感器或感测膜接触，因而不会以 本发明所达到的方式来影响压力变送器和压力传感器的性能。因而，从设计的角度看，形成传感器30的电极板60A和60B的尺寸能够被减小，同 时保持压力传感器30的电容和输出信号强度，而不减小填充流体A和压力传感器30的性 能特征。当由上面描述的介电被提高的流体构成时，填充流体A提高传感器30的电容到超 过典型的约5-10 μ F电容水平。因此，高介电常数液体可以和标准的1. 25英寸直径的压力 传感器使用而产生更大的输出信号。然而，由于一般仅需要产生约5-10 μ F电容的传感器 信号，使用当前的制造技术可以减小传感器30的尺寸和直径。例如，当前的掩模技术允许 绝缘件64Α和64Β具有远小于0. 0035英寸( 0. 00889厘米)的深度。同样地，当前的沉 积技术允许电极60Α和60Β精确地以小于2000埃(0. 0002毫米)的层沉积在绝缘件64Α 和64Β上。能够以液体添加剂完全取代应用流体或者以任意浓度混合液体添加剂和液压流 体的灵活性，使得压力传感器30具有除了尺寸减小之外的其他优点。减小传感器30的直径和元件半62Α和62Β的直径使得能够增大压力传感器30和 变送器12的管线压力。在接头86处，元件半62Α和62Β典型地被沿它们的边缘焊接在一 起，从而在它们之间形成内部腔78。内部腔78容纳填充流体Α，其基于分别在隔离膜52Α 和52Β处收到的压力Pl和Ρ2而受到压力。因而，内部腔78受到压力而引起在元件半62Α 和62Β上以及接头86处向外的力。由压力施加的力F由压力P乘以其所作用的面积A所 得到的幅度确定，如方程式(2)所示。F = PA方程式(2)因而，作用在元件半62Α和62Β上的力由压力Pl和Ρ2的大小及元件半62Α和62Β 的面积决定。例如，作用在元件半62Α上的力等于压力Pl所作用的元件半62Α的面积乘以 压力Ρ1。压力Pl由隔离膜52所连接的管线压力决定，该压力例如最终由容器16 (图1)内 的压力Pl决定。接头86能承受的最大力F取决于该焊接接头的强度。因而，对于给定焊 接，具有较小直径的元件半能够承受较大的管线压力。常规1. 25英寸直径压力传感器典型 地具有大约12000PSI ( 82.8Mpa)的最大管线压力。根据本发明，压力传感器能够连接到 高于12000psi的管线压力，由于在液压流体中包含了高介电常数的液体添加剂以及与之 相关的在传感器直径上的减小。可以想象管线压力可以增大到该限制的大约3倍。相对于之前的电容压力传感器，本发明的传感器30还实现较快的反应时间。由于 本发明的介电提高的填充流体允许压力传感器30的直径减小，在内部腔78中的填充流体 A的体积成比例地减小。因而，例如在隔离膜52A和感测膜58之间的填充流体A的总体积 也减小。因此，响应于压力Pl的变化，隔离膜52A和感测膜58需要移位更少的填充流体A。 因此，压力Pl的变化被更快地从隔离膜52A传递到感测膜58。
与传感器30需要的填充流体A的体积减少有关的另一个优点是，不仅感测膜58 的尺寸减小，而且隔离膜52A和52B的尺寸也减小。传感器30和内部腔78的尺寸的减小会 从根本上减小电极板60A和60B以及感测膜58的尺寸，因而如上所述，会减少需要被移位 的填充流体A的量。因为需要移位的填充流体A更少，感测膜58和隔离膜60A和60B的移 位填充流体A的能力也被改变。具体地说，并不依赖传感器40的性能的隔离膜60A和60B 的直径，能够被减小。典型地，隔离膜的直径需要比感测膜更大一些，因为隔离膜需要不那 么僵硬。例如，如上所述，内部腔78延伸到每个元件半62A和62B中的深度大约是0. 0035 英寸( 0.00889厘米)。因而，例如，在电极板60A和感测膜58之间的间隔小了很多。因 此，感测膜58仅需要移位很小数量的填充流体A。隔离膜52A需要移位更远以引起感测膜 58中需要的挠曲。然而，因为感测膜58和传感器30的规模减小，隔离膜52A和52B的规模 也减小。传感器30的部件尺寸减小对其是有利的。例如，传感器30的直径相对于标准的 1. 25英寸直径传感器可以减小到约40%，约0. 5英寸。尺寸减小在传感器30和变送器12 的成本的降低上有相应的效果。例如，电极板60A和60B尺寸的减小导致元件半62A和62B、 感测膜58、绝缘件64A和64B以及隔离膜52A和52B的尺寸的减小。模块42、基部44以及 隔离管38A和38B的尺寸也能被相应地减小。因而，生产传感器30和变送器12所需要的 材料更少。传感器30和变送器12典型地由高级的具有高强度和耐腐蚀性的材料制成。满 足上述特性的材料，例如哈司特镍合金或蒙乃尔铜-镍合金，价格都比较昂贵。因而，任何 在变送器12、传感器30以及它们的部件的尺寸的减小都获得明显的成本上的节约。减小传感器30及其相关部件的好处还包括允许变送器12的设计有更大的灵活 性。如上面提到的，作为传感器30减小的结果，模块42和基部44的尺寸可以减小。传感 器30的尺寸减小更易于允许在单个变送器壳体内包括多个传感器。具体地说，模块42和 基部44的尺寸可以保持在与典型的1. 25英寸直径传感器一起使用所需要的标准尺寸上， 而节省的空间可用于在模块42内附接额外的传感器30。例如，在一个实施例中，变送器12 可以包括仅仅两个隔离膜，例如隔离膜52A和52B，但具有相连的隔离室72A和72B，每个有 和不同压力传感器连接的两个隔离管。一个传感器可以被构造成感测低压，而另一个传感 器可被构造成感测高压，因而增大变送器所用使用的总的压力范围。尽管已经参照优选实施例描述了本发明，本领域技术人员应该认识到可以不偏离 本发明的精神和范围在形式和细节上作出改变。
权利要求
一种基于电容的压力传感器，包括壳体，包括在所述壳体内的内部腔；及从壳体的外部延伸到所述内部腔的通路；设置在所述内部腔内的感测膜；设置在所述内部腔内与所述感测膜相对的电极；及占据所述内部腔的填充流体，从而来自通路的压力被传递到感测膜以调整电极和感测膜之间的电容；其中，填充流体具有大于约3.5的介电常数。
2.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，电极的直径大约小于1厘米( 0.4英 寸)。
3.根据权利要求2所述的压力传感器，其中，电极的直径大约是0.254厘米( 0. 1英 寸)。
4.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，在感测膜和电极之间的电容的电容量是 大约5到大约10皮法。
5.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，所述填充流体从由异丙醇、丙酮、乙烯乙 二醇以及丙三醇组成的组中选出。
6.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，所述填充流体包括液压流体和液体添加 剂的混合。
7.根据权利要求6所述的压力传感器，其中，所述液体添加剂包括约10%到约20%的柠檬酸。
8.根据权利要求6所述的压力传感器，其中，所述液体添加剂从由异丙醇、丙酮、乙烯 乙二醇以及丙三醇组成的组中选出。
9.根据权利要求8所述的压力传感器，其中，所述液压流体和液体添加剂至少是部分 混溶的。
10.根据权利要求9所述的压力传感器，其中，液体添加剂包括高达约50%的填充流体。
11.根据权利要求8所述的压力传感器，其中，液压流体和液体添加剂包括均勻的混合物。
12.根据权利要求11所述的压力传感器，其中，应用流体包括硅基的油。
13.根据权利要求6所述的压力传感器，其中，液体添加剂减小填充流体的粘性。
14.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，填充流体具有大约18或更高的介电常数。
15.一种压力传感器，包括 元件主体，包括内部腔；感测膜，其设置在内部腔内以将所述内部腔分隔成第一和第二室； 在所述第一室内的面对感测膜的第一内表面； 在所述第二室内的面对感测膜的第二内表面；第一电极，其设置在第一内表面上以与感测膜形成第一电容器； 第二电极，其设置在第二内表面上以与感测膜形成第二电容器； 设置在第一和第二室内的填充流体，所述填充流体适于接受压力以调节感测膜的位置 和改变第一和第二电容器的电容；和其中，所述填充流体具有大于约3. 5的介电常数。
16.根据权利要求15所述的压力传感器，还包括 第一引线，从第一电极延伸到所述元件主体的外部； 第二引线，从所述第二电极延伸到所述元件主体的外部； 第一绝缘件，位于第一室内以包括所述第一内表面； 第二绝缘件，位于第二室内以包括第二内表面；及第一隔离管，具有连接到第一室的第一端和开放到所述元件主体的外部的第二端；及 第二隔离管，具有连接到第二室的第一端和开放到所述元件主体的外部的第二端； 其中，所述填充流体设置在第一隔离管和第二隔离管中。
17.根据权利要求15所述的压力传感器，其中，填充流体从由异丙醇、丙酮、乙烯乙二 醇以及丙三醇组成的组中选出。
18.根据权利要求15所述的压力传感器，其中，所述填充流体包括液压流体和液体添 加剂的溶液，所述溶液至少部分混溶。
19.根据权利要求18所述的压力传感器，其中所述液体添加剂从由异丙醇、丙酮、乙烯乙二醇以及丙三醇组成的组中选出；及 所述液压流体包括硅油。
20.根据权利要求15所述的压力传感器，其中，所述液体添加剂减小填充流体的粘性。
21.根据权利要求15所述的压力传感器，其中，第一和第二电极的直径大约小于1厘米 ( 0. 4英寸)，第一和第二电容器的电容大约为5到10皮法。
22.一种用于测量过程流体的压力的压力变送器，该压力变送器包括 变送器壳体；基于电容的压力传感器，用于感测过程流体的压力，其中，该压力传感器 被设置在所述壳体内；包括元件主体，所述元件主体的直径大约小于3. 175厘米( 1. 25英寸)；及具有在大约5到10皮法范围内的电容；液压中继系统，包括位于变送器壳体的外部的隔离膜；及从所述压力传感器延伸到所述隔离膜的隔离管；压力传感器填充流体，其位于所述液压中继系统内并包括高介电常数液体流体，所述 高介电常数液体流体从由异丙醇、丙酮、乙烯乙二醇以及丙三醇组成的组中选出；及位于所述壳体内的变送器电子装置，该变送器电子装置构造成接受和调控来自压力传 感器的压力信号。
23.根据权利要求22所述的压力变送器，其中，压力传感器的管线能力大约是 12，OOOpsi ( 82. 7Mpa)。
24.根据权利要求22所述的压力变送器，其中，填充流体具有大于约3.5的介电常数。
25.根据权利要求22所述的压力变送器，其中，填充流体还包括用于将过程流体的压 力的变化传递到传感器上的液压流体。
26.根据权利要求25所述的压力变送器，其中，所述液体流体具有高于所述液压流体 的介电常数。
27.根据权利要求22所述的压力变送器，其中，所述元件主体具有大约1.27厘米( 0.5英寸)的直径。
全文摘要
一种用于工业过程变送器(12)的电容压力传感器(30)，包括壳体(62A和62B)、感测膜(58)、电极(60A或60B)和填充流体。该壳体(62A和62B)包括内部腔(78)以及从壳体(62A和62B)的外部延伸到该腔(78)的通路。感测膜(58)设置在内部腔(78)内与电极(60A或60B)相对。填充流体占据内部腔(78)从而来自通路的压力被传递到感测膜(58)上以调节电极(60A或60B)和感测膜(58)之间的电容。填充流体具有高于约3.5的介电常数。在其他实施例中，压力传感器(30)具有小于大约3.175厘米(～1.25英寸)的直径，电极(60A或60B)具有小于大约1厘米(～0.4英寸)的直径，传感器(30)在大约5到大约10皮法范围内的电容，填充流体包括具有液体添加剂的液压流体。
文档编号G01L9/12GK101981425SQ200980111505
公开日2011年2月23日 申请日期2009年4月2日 优先权日2008年4月3日
发明者大卫·A·布罗登 申请人:罗斯蒙德公司