阅读说明：本技术 压力传感器的传感器主体单元 (Sensor body unit of pressure sensor ) 是由 查尔斯·雷·威尔科克斯 詹尼弗·安·布洛杰特 大卫·安德鲁·布罗登 布莱恩·迈克尔·阿菲尔斯 于 2019-06-18 设计创作，主要内容包括：一种用于压力传感器的传感器主体单元,包括金属壳体和绝缘单元。金属壳体具有包括第一圆锥形内表面的第一腔。第一圆锥形内表面的一部分是凹形的。绝缘单元包括第一密封部分,第一密封部分在第一腔内并与第一圆锥形内表面形成密封。(A sensor body unit for a pressure sensor includes a metal case and an insulating unit. The metal shell has a first cavity including a first conical inner surface. A portion of the first conical inner surface is concave. The insulating unit includes a first sealing portion within the first cavity and forming a seal with the first conical inner surface.)

压力传感器的传感器主体单元

技术领域

本公开的实施例涉及用于工业过程测量和控制系统的压力传感器，并且更具体地，涉及用于差压传感器的传感器主体单元。

背景技术

本公开的实施例涉及用于工业过程测量和控制系统中的这种类型的压力变送器，并且更具体地，涉及用于压力变送器的压力传感器。

压力变送器用于工业过程控制系统中以使用压力传感器来监测过程流体的压力，该压力传感器响应于过程流体压力而提供输出。压力传感器通常通过隔离装置联接到过程流体，以防止压力传感器暴露于过程流体。隔离装置通常包括一个或更多个隔离膜片，每个隔离膜片暴露于过程流体；以及一个或更多个隔离流体管线，每个隔离流体管线包含隔离流体以将压力传感器联接到隔离膜片。一种众所周知类型的压力变送器是可从明尼苏达州沙科皮的罗斯蒙特公司购得的3051型变送器。压力变送器也在美国专利No.5,094,109中示出，例如。

一些压力变送器包括差压传感器，其检测两个压力之间的差。例如，由差压传感器检测的压差可用于确定过程流体的流速和其他参数。

差压传感器通常包括一对传感器主体单元。传感器主体单元限定内腔，膜片支撑在该内腔中。膜片将腔分成两个半部，每个半部通过隔离流体管线之一联接到与过程流体相关的不同压力输入。可以使用传感器主体单元的电容器电极来检测膜片响应于腔半部之间的压差的偏转。然后，检测到的膜片的偏转被用于产生压差输出，该压差输出指示腔半部之间的压差。

传感器主体单元每个包括金属壳体和包含在金属壳体的腔内的玻璃金属密封或玻璃绝缘单元。绝缘单元用于在金属壳体与从隔离流体管线之一到腔半部之一的流体通路之间提供密封。另外，绝缘单元可以在金属壳体与耦合到电容器电极的引线之间提供密封。最后，玻璃在电极与单元主体之间提供电绝缘。

传感器主体单元通过玻璃化操作(glassing operation)制造，在玻璃化操作期间，用于形成绝缘单元的玻璃或陶瓷被熔合在金属壳体的腔内并允许冷却。在冷却阶段期间，绝缘单元承受由绝缘单元与金属壳体之间的热膨胀率的差异引起的张应力。这些张应力可导致绝缘单元破裂并增加制造成本。

发明内容

本公开的实施例一般涉及用于压力传感器的传感器主体单元，以及包括传感器主体单元的差压传感器。在一些实施例中，传感器主体单元包括金属壳体和绝缘单元。金属壳体具有第一腔，第一腔具有第一圆锥形内表面。第一圆锥形内表面的一部分是凹形的。绝缘单元包括第一密封部分，第一密封部分在第一腔内并与第一圆锥形内表面形成密封。

差压传感器的一些实施例包括第一传感器主体单元和第二传感器主体单元以及支撑内腔内的膜片，所述内腔形成在第一传感器主体单元与第二传感器主体单元之间。每个传感器主体单元包括金属壳体和绝缘单元。金属壳体具有第一腔，第一腔具有第一圆锥形内表面。第一圆锥形内表面的一部分是凹形的。绝缘单元包括第一密封部分，第一密封部分在第一腔内并与第一圆锥形内表面形成密封。

提供本发明内容是为了以简化的形式介绍一些概念，这些概念将在下面的

具体实施方式

中进一步描述。本发明内容不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。所要求保护的主题不限于解决背景技术中提到的任何或所有缺点的实施方式。

附图说明

图1是根据本公开的实施例的包括差压变送器的示例性工业过程测量或控制系统的简化图。

图2是根据本公开的实施例的图1的变送器的一部分的简化横截面图。

图3是根据本公开的实施例的差压传感器的简化侧视横截面图。

图4是根据现有技术的差压传感器的简化侧视横截面图。

图5A和图5B分别是常规传感器主体单元在玻璃化操作的热和冷却阶段期间的简化侧视横截面图。

图6A和图6B分别是根据本公开的实施例的传感器主体单元在玻璃化操作的热和冷却阶段期间的简化侧视横截面图。

具体实施方式

以下参考附图更充分地描述本公开的实施例。使用相同或相似的附图标记标识的元件指的是相同或相似的元件。然而，本公开的各种实施例可以以许多不同的形式实施，并且不应该被解释为限于这里阐述的实施例。相反，提供这些实施例是为了使本公开彻底和完整，并且将本公开的范围完全传达给本领域技术人员。

图1是根据本公开的实施例的示例性工业过程测量或控制系统100的简化图。系统100可以用于处理材料以将材料从较低价值的状态转换成更有价值和更有用的产品，例如石油，化学品，纸张，食品等。例如，炼油厂执行工业过程，可以将原油加工成汽油、燃料油和其他石化产品。

系统100包括利用压力传感器的变送器102，该压力传感器根据本公开的实施例形成，以测量或感测与过程104相关的压力(例如，压差)。在一些实施例中，过程104涉及过程材料，例如流体(即，液体或气体)，其通过过程容器106(例如管道，罐或其他过程容器)被容纳或运输。例如，变送器102可以通过适配器108、歧管110和过程接口112联接到工业过程104。

变送器102可以与计算机化控制单元114通信过程信息，计算机化控制单元114可以远离变送器102定位，例如在系统100的控制室116中，如图1所示。过程信息可包括例如压差或相关的过程参数(例如基于压差的流过容器的流体的流速)。

控制单元114可以通过合适的物理通信链路(例如双线控制环路118或无线通信链路)通信地联接到变送器102。可以根据常规的模拟和/或数字通信协议在控制回路118上执行控制单元114与变送器102之间的通信。在一些实施例中，控制回路118包括4-20毫安控制回路，其中过程变量可以由流过控制回路118的回路电流I的水平表示。示例性数字通信协议包括将数字信号调制到双线控制回路118的模拟电流水平上，例如，根据通信标准。也可以采用其他纯数字技术，包括FieldBus和Profibus通信协议。

变送器或变送器102还可以被配置为使用常规的无线通信协议与控制单元114无线通信。例如，变送器102可以被配置为实现无线网状网络协议，例如

(IEC 62591)或ISA 100.11a(IEC 62734)，或其他无线通信协议，例如WiFi，LoRa，Sigfox，BLE，或任何其他合适的协议。

可以从任何合适的电源向变送器102供电。例如，变送器102可以完全由流过控制回路118的电流I供电。也可以利用一个或更多个电源为变送器102供电，例如内部或外部电池。电力发电机(例如，太阳能电池板，风力发电机等)也可用于为变送器102供电，或者为变送器102使用的电源充电。

图2是根据本公开的实施例的图1的变送器102和适配器108的一部分的简化剖视图。变送器102可包括壳体120，壳体120封闭并保护变送器102的电子器件免受包括差压传感器122的环境条件的影响。壳体120包括基部123，基部123可包括一个或更多个过程开口124，例如过程开口124A和124B。过程开口可以通过合适的连接件(例如通过(图2中附接到基部123的)适配器108、歧管110和/或过程接口112，如图1所示)联接到过程104。

示例性变送器102可包括膜片130A和130B，膜片130A和130B分别暴露于过程104的压力P1和P2，压力P1和P2分别呈现给过程开口124A和124B，如图2所示。膜片130A和130B响应于压力P1和P2而挠曲。挠曲膜片130A和130B通过管线132A和132B将感测到的压力传递给压力传感器122，管线132A和132B可以填充有不可压缩流体(例如，液压流体)。

差压传感器122响应于感测到的压力P1和P2之间的差异而产生一个或更多个输出信号(例如，电容信号)。输出信号可以通过引线140A和140B或其他合适的连接传递到测量电路138，并且测量电路138可以用于处理输出信号并产生压差信号142。变送器102可以使用任何合适的技术(例如，通过调节双线控制回路118上的电流I)将由信号142指示的压差测量传递给控制单元114，如上面参考图1所讨论的。

图3是根据本公开的实施例的差压传感器122的简化侧视横截面图。传感器122包括一对传感器主体单元144A和144B，其通常可称为单元144。每个单元144包括杯状金属壳体146，陶瓷或玻璃(下文中称为“玻璃”)被熔融到金属壳体146以形成玻璃金属密封或玻璃绝缘单元150(下文中称为“绝缘单元”)，例如绝缘单元150A和150B。

单元150包括限定内腔154的凹形壁152。每个传感器主体单元144的流体通路156延伸穿过金属壳体146的开口157，并穿过单元150延伸到壁152中的开口158，并且将管线132连接到内腔154，内腔154也填充有不可压缩的流体。感测膜片160将腔154分成两个大致相等且相对的腔半部154A和154B。膜片160响应于过程压力P1和P2而偏转，过程压力P1和P2分别通过管线132A和132B与流体通路156传递到内腔半部154A和154B。偏转膜片160的位移与压力P1和P2的差异成比例。

使用每个传感器主体单元144的附接到壁152的一个或多个电容器电极162来检测膜片160相对于壁152的位置。电容器电极162形成具有变化的电容的电容器，该电容响应于膜片160由于施加的压力P1和P2引起的相对于壁152的位移或偏转而变化。引线140A和140B延伸穿过金属壳体146中的开口164，并将一个或更多个电容器电极162电连接到测量电路138。测量电路138可将检测到的电极162的电容转换成压差输出信号142，例如，可以将压差输出信号142传送到控制单元114(图1)或另一计算设备。

每个绝缘单元150包括位于金属壳体146的腔172内的玻璃密封部分170和位于金属壳体146的腔176内的密封部分174，玻璃密封部分170在金属壳体146与流体通路156之间提供密封，密封部分174在金属壳体146与引线140或包含引线140的通路之间提供密封。传感器主体单元144的绝缘单元150的制造涉及玻璃化操作，在玻璃化操作期间，每个金属壳体146的腔172和176填充有熔融玻璃(热阶段)，然后允许冷却(冷却阶段)。因此，金属壳体146的腔172和176的形状确定了密封部分170和174的形状。

在一些实施例中，密封部分170包括对应于壳体146的圆锥形内表面179并且与轴线180大致同心的圆锥形外表面178。类似地，密封部分174的实施例包括对应于壳体146的圆锥形内表面183并且与轴线184大致同心的圆锥形外表面182，如图3所示。本公开的实施例涉及密封部分170和174的圆锥形表面178和182的形状相对于常规传感器主体单元的改进。

图4是根据现有技术的差压传感器422的简化侧视横截面图。图4中具有与图3中所示元件相同或相似附图标记的元件通常涉及相同或相似的元件。差压传感器422包括一对传感器主体单元444A和444B。单元444每个具有包含玻璃金属密封或绝缘单元450A和450B的金属壳体446。绝缘单元450每个包括容纳在壳体446的腔472中的密封部分470以及容纳在腔476中的密封部分474，其与上述密封部分170和174类似地操作。

密封部分470包括对应于壳体446的表面479并且与轴线480大致同心的圆锥形表面478，并且密封部分474包括对应于壳体446的表面483并且与轴线484大致同心的圆锥形表面482，如图4所示。当在沿着延伸通过轴线480并且平行于轴线480延伸的平面而截取的横截面中观察时，密封部分470的圆锥形表面478是平坦的，并且当在沿着延伸通过轴线484并且平行于轴线484延伸的平面而截取的横截面中观察时，密封部分474的圆锥形表面482是平坦的，如图4所示。平坦的圆锥形表面478和482可能不利地影响传感器主体单元444的制造并且具有其他缺点。

图5A和图5B是常规传感器主体单元444的绝缘单元450以及金属壳体446分别在玻璃操作的热和冷却阶段期间的简化侧视横截面图，绝缘单元450包括密封部分486，其可代表密封部分478或密封部分482(图4)。流体通路、引线和电容器电极未示出以简化图示。另外，图5A和图5B之间图示的形状变化的程度被夸大以更好地示出现有技术的差压传感器422的单元444的冷却阶段问题。

在玻璃化操作的热阶段期间，熔融玻璃密封部分486与其被包含于其中的金属壳体446的腔488一致，如图5A所示。接收熔融玻璃的金属壳体446的腔488具有圆锥形表面492，当在沿着延伸通过与圆锥形表面492同心的轴线494并且平行于轴线494延伸的平面而截取的横截面中观察时，该圆锥形表面492是平坦的，如图5A。因此，密封部分486包括对应于圆锥形表面492的圆锥形表面496，当在沿着延伸通过轴线494并且平行于轴线494延伸的平面而截取的横截面中观察时，该圆锥形表面492是平坦的。

当金属壳体446和玻璃密封部分486冷却时，由于玻璃密封部分486相对于金属壳体446的热膨胀较低，绝缘单元444向外弓形弯曲(bow)，如图5B所示。这在密封部分486内产生应力，这导致先前平坦的圆锥形表面496(图5A)向内弯曲(bend)成凹形，当在沿着延伸通过轴线494并且平行于轴线494延伸的平面而截取的横截面中观察时，如图5B所示。圆锥形表面496的这种向内压曲(buckling)可导致密封部分486中的大的张应力，这可导致密封部分486的破裂。另外，圆锥形表面496的压曲可导致密封部分486脱离金属壳体446的腔488的壁，这可导致传感器422中的压力泄漏。

因此，在玻璃化操作的热阶段期间具有包括平坦圆锥形表面478和482的密封部分470和474的常规单元444由于密封部分470或474在玻璃化操作的冷却阶段期间的破裂而制造成本高。

图3中所示的根据本公开的实施例形成的传感器主体单元144包括绝缘单元150，该绝缘单元150在玻璃化操作的冷却阶段期间相对于常规传感器422中使用的绝缘单元444经受减小的张应力。在一些实施例中，当在沿着延伸通过相应轴线180或184并且大致平行于相应轴线180或184延伸的平面而截取的横截面中观察时，绝缘单元150的密封部分170和174的圆锥形表面178和182具有凸形形状，如图3所示。凸形圆锥形表面178和182由于它们在玻璃化操作的热阶段期间与金属壳体146的相应的圆锥形内表面179和183一致而形成。金属壳体146的圆锥形内表面179和183是凹形的或至少包括凹形的部分。凸形外圆锥形表面178和182用于在玻璃化操作的冷却阶段期间相对于常规的单元444减小单元144的密封部分170和174中的张应力。结果，绝缘单元150不太可能在玻璃化操作的冷却阶段期间破裂，从而提高制造效率并降低制造成本。

在图6A和图6B中例示传感器主体单元144的密封部分170和174的这个特征，图6A和图6B分别是根据本公开的实施例的传感器主体单元144在玻璃化操作的热和冷却阶段期间的简化侧视横截面图，传感器主体单元144包括具有密封部分206的示例性绝缘单元204。密封部分206包括与轴线210大致同心的凸形圆锥形表面208。密封部分206可代表图3的单元144的密封部分170和174。因此，凸形圆锥形表面208可以代表图3的密封部分170和174的凸形圆锥形表面178和182。流体通路156、引线140和电容器电极162未示出以简化图示。另外，图6A和图6B之间图示的形状变化的程度被夸大以更好地示出在玻璃化操作的冷却阶段期间单元144的形状变化。

在玻璃化操作的热阶段期间，熔融密封部分206与其被包含于其中的金属壳体146的腔212的内圆锥形表面一致，形成凸形圆锥形表面208，如图6A所示。当金属壳体146和密封部分206冷却时，由于玻璃密封部分206相对于金属壳体146的热膨胀较低，传感器主体单元144向外弓形弯曲，如图6B所示。这在密封部分206内产生应力，这导致凸形圆锥形外表面208向内弓形弯曲，如图6B所示。然而，凸形圆锥形表面208不会以常规密封部分486的方式压曲而变成凹形，如图5B所示。相反，当在沿着延伸通过轴线210并且大致平行于轴线210延伸的平面而截取的横截面中观察时，凸形圆锥形表面208保持其凸形形状，导致密封部分206中的张应力相对于常规的密封部分486、470、474中产生张应力更低。因此，减少了密封部分206在玻璃化操作的冷却阶段期间破裂的可能性。

另外，在使用具有高管线压力P1和P2的传感器主体单元144期间，密封部分170中的张应力可以基本上反转为压缩力，这是绝缘单元150可容许的。因此，利用具有包括具有凸形圆锥形表面178或182的密封部分170或174的绝缘单元150的传感器主体单元144的压差传感器122可以提供低于常规差压传感器422的制造和使用成本。

在一些实施例中，密封部分170和174的凸形圆锥形表面178和182可以大致为球面的一个区段的形状。因此，圆锥形表面178和182中的一个或两个的凸形形状可以是一段圆弧。例如，密封部分170的圆锥形表面178的凸形形状可以是半径约为0.5英寸的一段圆弧，并且密封部分174的圆锥形表面182的凸形形状可以是半径约为0.125英寸的一段圆弧。替代地，圆锥形表面178和182中的一个或两个的凸形形状可以是一段抛物线，或另一曲线。

除了上述弯曲表面之外，密封部分170和/或174的一些实施例包括具有平坦外表面的分段。例如，在一些实施例中，密封部分170包括可以与轴线180大致同轴的圆柱形分段212并且当在沿着延伸通过轴线180并且大致平行于轴线180延伸的平面而截取的横截面中观察时包括平坦的外表面214，如图3所示。密封部分170还可以包括延伸到凹形壁152的圆柱形区段216，并且具有平坦的外表面218，例如当在沿着延伸通过轴线180并且大致平行于轴线180延伸的平面而截取的横截面中观察时。表面214和218可以平行于轴线180，如图3所示。

同样，密封部分174可包括平坦表面。例如，密封部分174可以包括圆柱形区段220，当在沿着延伸通过轴线184并且大致平行于轴线184延伸的平面而截取的横截面中观察时，该圆柱形区段220具有平坦的外表面222，如图3所示。

本公开的另外的实施例涉及差压传感器122，其具有根据本文描述的一个或多个实施例形成的一对传感器主体单元144A和144B，如图3所示。因此，差压传感器122包括绝缘单元150A和150B，每个绝缘单元具有根据上述一个或多个实施例形成的密封部分170和/或密封部分174。本公开的实施例还包括具有差压传感器122的现场设备或变送器102，以及包括现场设备或变送器102的过程控制或测量系统100。

尽管已经参考优选实施例描述了本公开的实施例，但是本领域技术人员将认识到，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上进行改变。除非另有说明，否则本文所用术语“约”，“大致”或“基本上”是指具有至多10％的公差的相等性。本文使用的词语“示例性”意味着“用作示例，实例或说明”。被描述为“示例性”的任何实施例不必被解释为比其他实施例优选或有利和/或排除将特征与其他实施例结合。