壓力傳感器模塊的預先組裝的制作方法

專利名稱：壓力傳感器模塊的預先組裝的制作方法
技術領域：
本發明涉及工業過程系統；更具體地說，涉及工業過程系統中所用的壓力變送器。
但在模塊組裝到一起前，傳感器模塊中暴露的電子部件可能因人體接觸、泄露出的或環境中的腐蝕性化學品、或其它環境條件而受到污染和損害。在一些應用場所-例如應用在化學過程系統中時，上述使部件受到損害的條件是經常存在的。因此，壓力變送器通常是預先組裝的，即在安裝到過程系統之前使其先組裝起來。這意味著，變換器模塊在傳感器模塊安裝到過程管道之前應組裝完畢。現已發現在許多情況下，希望在變換器的設計選定前和整個系統安裝完畢前將壓力傳感器模塊安裝到過程管道中并進行檢壓。也就是說，希望壓力傳感器模塊在變換器模塊安裝前能對電子部件提供保護。
隔離器用于接受過程流體并使壓力傳感器能對過程流體進行傳感，構成壓力變換模塊中的轉換機構。壓力傳感器模塊中的電路與壓力傳感器相連，并可為供能、控制和壓力的數字表達提供了一個數據和信號總線。連線結構具有可與所述總線中各線相連接的接點或觸針，其周圍用絕緣壁進行電隔離。
外殼與隔離器及連線結構之間最好進行密封，以防止使用通常工具便可接觸到其中的壓力傳感器和電路。這樣，即使在操作條件不夠嚴格、存在化學品泄露和蒸汽的情況下，壓力傳感器模塊在變換器模塊未裝前也可在過程系統的安裝環境中進行安全操作、安裝和保存，使得傳感器模塊中的電子部件不會暴露于環境之中。
圖2為本發明帶螺紋過程流體入口第一實施例的剖視圖。
圖3為本發明帶螺紋過程流體入口第一實施例的端面視圖。
圖4為本發明帶螺紋過程流體入口第二實施例的剖視圖。
圖5為本發明帶螺紋過程流體入口第二實施例的端面視圖。
圖6為壓力變換器的接地回路圖。
圖7為本發明電絕緣層第一實施例的結構圖。
圖7A為圖7所示電絕緣層的等值電路圖。
圖8為本發明電絕緣層第二實施例的結構圖。
圖9為本發明電絕緣層第三實施例的剖視圖。


圖10為本發明壓力傳感器模塊第二實施例的部分剖視圖。
圖11為帶有一個過程流體入口的壓力傳感器模塊第三實施例的結構圖。
圖12A-12C分別為其中包含毛細管的絕緣連線結構的剖視圖、端面和側面視圖。
如圖1所示，改進的壓力傳感器模塊外殼具有整體形成的帶螺紋的過程流體入口和整體形成的帶螺紋的用于支撐連線結構的軸套或支撐殼套。所述軸套也對變換器模塊提供支撐。在所述壓力傳感器模塊中，外殼密封包圍著傳感器及電子部件，使其可在現場獨立進行安裝，無須先裝上變換器模塊，且可保證壓力傳感器的電子部件不暴露到惡劣的現場空氣之中。即使在變換器模塊還不存在的情況下，也可在過程系統建造的早期階段將過程流體管道同改進的壓力傳感器模塊連接起來和進行壓力檢驗。在過程系統建造中，改進的壓力傳感器模塊可在戶外或現場環境中存放較長時間，而不會使傳感器或壓力傳感器模塊中的電子部件受到損害。在過程系統建造的后期，再選擇和安裝上變換器模塊以構成完整的壓力變送器。
圖1為本發明自成一體封裝的壓力傳感器模塊50的剖視圖。模塊50包括一個密封的外殼或密封的外支撐結構72，所述外殼72具有密封的內腔71，壓力隔離器54位于所述內腔的一端并對其進行封閉。壓力隔離器54包括一個與外殼72的外壁連接并密封的底壁55。隔離器壁55具有一個上面蓋著隔離膜片78的較小截面通道80，隔離膜片78沿其周邊同隔離器壁55密封，使流體作用在膜片78上的壓力可通過所述通道或管道80傳遞到壓力傳感器58。壓力傳感器58安裝在密封的內腔71中。壓力傳感器58和隔離器54構成一個圖中虛線所示的變送器52。外殼72的一端具有帶內螺紋74的過程流體入口56，可與過程流體管道或過程壓力管線相連接。在入口的流體壓力使膜片78產生變形，壓力傳感器58對此壓力進行傳感。
壓力傳感器58與一根導線62相連，從而可將壓力信號傳送到安裝在內腔71另一端的電路60。內腔71與入口56相對的另一端具有一個圓筒形的帶螺紋的支撐軸套76，其內壁由一個絕緣板70密封，在絕緣板上有一些密封的用于進行電連接的接點或觸針68從中穿出。圓筒形軸套76包圍在觸針68和密封絕緣板70的周圍。絕緣板70可用具有一定厚度的密封玻璃制造，使其處于適當位置并與軸套內相接的帶有壓花或溝槽的金屬件密切配合以形成防爆密封。
軸套76的外螺紋用于接受和支撐變換器模塊79，變換器模塊79中包括D/A轉換器等電路部件，它們通過接點或觸針68和總線64與電路60相連。總線64中包含與相應觸針68相連的各條導線。
支撐觸針68的絕緣密封板70構成連線結構66，用于對電路60進行內外的電信號傳遞，例如傳遞供能、控制和壓力數字表達等所需的電信號。電路60最好僅向壓力傳感器58供給有限的能量，以使壓力傳感器58安全工作和防止隔離膜片78破裂時引起過程流體的點火燃燒。
軸套76外螺紋除了可用于連接變換器模塊外還可作為保留接頭，用于連接其它連接結構。安裝在軸套76上的電轉換器模塊或其它連接模塊應具有相應的接點或插孔，以便與接點或觸針68建立電連接。
包含傳感器和電路的模塊50是預先裝配好的。隔離器壁51與外殼外壁86之間經過密封，同時密封板70使內腔71密封，從而可使內腔中的傳感器50、電路60和其它部件免受有害蒸氣和液體的影響，也可使構成電路60的電子部件在操作中免受損害。
模塊50的結構使得難于使用一般手工工具將其打開，當將其預先安裝到過程管道中或將其螺紋結構與流體入口56的螺紋74連結起來時，即使在沒有變換器模塊或連接模塊安裝在軸套76之上時，它也可保護傳感器58和電路60免受惡劣過程環境的影響。在需要時，軸套76可用柱塞帽等結構蓋住以保護連接觸針68的連接接點，例如可采用紐約BuffaloProtective Closures Co.公司生產的的CAPLUG蓋帽或柱塞。即使在沒有其它任何部件安裝在外殼之上時，包括隔離膜片78的隔離器54也可對與入口56相連的過程流體管道起到密封作用，使得在流體過程系統建造或拆裝的初期階段就可對過程管道和容器進行加壓和撿漏。在此，在檢壓前不需要選定將要安裝到壓力傳感器模塊上的變換器模塊和確定整個控制系統。
密封的外殼或支撐結構72可用金屬材料制造以提供一個密封的內腔71，對接縫或連接點可采用焊接工藝焊接，從而使模塊50不能因不留心等原因而開啟。
通道或管道80最好為細長形結構，以滿足現行有害場所安全標準所規定的防火或滅火要求。膜片78為已知的隔離膜片，它通過充滿防火通道80和膜片下區域的不可壓縮流體與傳感器58相連。如果隔離器中的流體流失，通道80可在過程流體和壓力傳感器58的內腔之間保持防火隔離。外殼72中的防火通道80可通過電火花機床進行加工，使起形成毛細管型。
雙向箭頭82所示的外殼72的長度根據需要的熱絕緣距離84進行選擇，使電路60與點畫線52所示的包括壓力傳感器58和隔離器54的變換器模塊適當間隔配置，使得在需要時可在熱絕緣間隔內充填絕熱材料。這樣，電路60的工作環境溫度可以不同于傳感器58的環境溫度。絕熱材料可以是空氣、干燥的氮氣、纖維或泡沫絕緣材料、以及其它已知的絕熱材料。外殼72在入口56和軸套76之間具有大體為圓筒形的截面，這里圓筒形指的是其外表面的形狀，即其是由一條線段圍繞一條固定的直線平行旋轉所形成的，這包括直角圓筒形表面和更廣義的圓筒形表面。圓筒形截面對軸套76提供支撐，并將作用在軸套上的負荷傳遞到入口56的螺紋74。
帶螺紋的入口56要有足夠強度，以對壓力傳感器模塊50以及與其連結和由軸套76支撐的變換器模塊79提供機械支撐。
圖2和圖3表明一個包括差動壓力輸入90的隔離器變型，它包括兩個配置在螺栓孔94內的隔離膜片92。入口90與一個安裝在過程管道的共面過程流體法蘭相連。過程流體共面法蘭可以是Rosemount公司在其3051型壓力變送器中所應用的標準共面法蘭，也可以是具有較小尺寸的共面法蘭，取決于隔離器所用膜片92的尺寸。根據需要，壓力歧管、排液閥和熱檢測部件等可包括在與過程管道相連的共面法蘭之中，也可包括在入口90之中。為滿足環保的工業標準，也可采用雙入口的結構。還可考慮采用通過螺栓螺帽與壓力法蘭配合連接的帶螺紋入口。
圖4和圖5表示一個壓力入口100，這種結構可用于檢測絕對壓力或表示壓力。入口100包括一個隔離器膜片102，它被一個內螺紋配合件104所環繞，在需要時可選用標準的環保配合件。入口100通過螺紋與過程流體管道相連，過程管道可以是Rosemount公司在其2088型壓力變送器中所用的標準管道尺寸也可以采用較小尺寸的管道，取決于所用隔離器膜片102的尺寸。
圖6為電接地壓力傳感器模塊112的電路圖。模塊112在壓力入口116處與地相連。電路通道118貫穿隔離器120、傳感器122和電路124直到連線結構126的接點或觸針。外電路128通過接點130接地，它一般位于距離模塊許多米之外的控制室中的電源設備中。外電路128一般包括一個轉換器模塊、一個4-20毫安的電流電路和回路控制器等部分并通過插頭與連線結構126相連，使得電流通道118貫穿模塊112并在其兩端分別接地。兩個接地點114和130在物理距離上彼此分離，在電氣上沿132線通過大地、金屬管道及其支撐結構和地總線等彼此相連。在這種接地系統中，雜散電壓可能會出現在物理上間隔的接地點之間。導線118和132構成接地回路，直流和60赫茲的雜散電流可能沿導線118流動，從而對模塊112中電路124的工作產生干擾。
圖7所示模塊132可中斷來自不同接地電勢的雜散直流和60赫茲的交流電流。一個雙平板電容壓力傳感器136與電路134相連，其中心電容器板138通過過程管道在接地點140接地。傳感器136具有一個電隔離的第一電容器板142和一個電隔離的第二電容器板144。電容器板142和144之間以及與接地的中心電容器板138之間的電容量要遠小于接地回路的阻抗，從而可有效防止直流和60赫茲的雜散電流由接地點140通過電容器板142和144流到電路134。一個較小的固定電容146串聯在接地中心板138和電路134之間，其數值選擇應足夠小于接地回路的阻抗，以有效中斷直流和60赫茲的交流電流。
在圖7A所示簡化電路中，電容器板142與144、固定電容146和中心板138的結構配置表示得更為清晰。電容器板142與144和固定電容器146的小電容構成了電的屏障。這一屏障在圖7中被表示為152，它可以中斷支撐外殼或密封結構72A與總線之間的直流電流流動。屏障152沿流過電路和變送器的電流通路配置。
圖8表明另一種電流屏障的配置情況。傳感器160配置在一個密封的外殼或支撐結構162之中。隔離器163包括一個與傳感器160相連的管子164和一個通過隔離膜片(未畫出)與隔離器腔室相連的管子166。管子166相對隔離器膜片和過程壓力入口接地。包圍管子164和166并與管子間具有絕緣間隙170的密封絕緣管形成電流屏障。諸如硅油等電絕緣隔離器流體可通過屏障168中的通道172在隔離器膜片和傳感器160之間傳遞壓力。
在圖9中，傳感器180具有被蓋頭184環繞的電容性或電阻性應變片182。蓋頭184包括金屬性基體186和金屬蓋帽188，它們在190處焊在一起。金屬基體186環繞一個密封著隔離器管194的電絕緣插入件192，隔離器管194又通過隔離膜片(未畫出)與隔離器腔室相連。金屬蓋帽188環繞著包括引線198等多條引線和充油密封管200的電絕緣連線結構196。連線結構196具有一個用于安裝傳感器應變片182的絕緣安裝面204。蓋頭184中充滿硅油等隔離器流體202，并在電氣上使接地的隔離器管194與傳感器182及其引線198相互絕緣。
電流屏障也可采用圖1所示的電路60。這種電路式屏障包括變壓器或光隔離器等電隔離電路，其具體配置取決于圖6所示模塊110中所選用的電路形式。
圖10表明差動壓力傳感器模塊220的另一個實施例。壓力變送器222包括隔離器膜片224(在圖10中未畫出，但在圖2和圖3中有清楚表示)、差動壓力傳感器226和線壓力傳感器228。管道230和232使隔離器膜片224與壓力傳感器226和228相連，管道中充滿硅油等不可壓縮流體。采用兩條管道234(畫出了其中的一條)來使變送器222充油并使其在充油后密封。電路236配置在圓形的電路板上并具有通到連線結構240(圖中不可見)的總線238。類似以上所述實施例，整體焊接形成的密封外殼或支撐結構242密封和支撐著模塊220。
圖11簡要表明壓力傳感器模塊的另一個實施例250。隔離器膜片252配置在帶螺紋的過程流體入口254中。應變式壓力傳感器256配置在如上所述的蓋頭中。應變式壓力傳感器256具有一個排放大氣壓力的出口258。電路260和連線結構262按其它實施例所述配置。外殼或密封的外支撐結構264沿線266焊接成整體以密封其內部的腔室。
圖12A、12B和12C表明用于壓力傳感器模塊的連線結構300，包括接點或觸針301和由密封絕緣壁304中伸出的毛細管302。毛細管302具有一個經過淬火的內管306和對內管306進行密封的封頭308。在這種結構安排下，即使在封頭308沒有裝好的裝配過程中，也可保證要檢驗的壓力傳感器模塊的密封和防火。無須對封頭308的防火性能進行檢驗就可將其安裝在毛細管302上，因為毛細管本身就是防火的。在壓力傳感器模塊的裝配過程中，毛細管是開口的-即沒有密封。因此，毛細管可與外部的加壓或減壓設備相連以檢驗壓力傳感器模塊內腔的密封或防火性能。在檢驗結束后，用封頭使毛細管密封，完成裝配過程。
連線結構300和帶螺紋的支撐軸套312具有超過密封外殼或外支撐結構(圖1所示72處)的超壓強度。隔離器304通過支撐軸套312用于同隔離器304配合的非均勻環310配置在軸套312中，因而可保證其抗壓能力。這種結構安排可防止過壓出現時使過程流體進入同連線結構300相連的導線管。
上述各實施例僅是本發明壓力傳感器模塊的部分可能形式，本發明模塊具有密封的外殼或密封的外支撐結構，可將敏感的壓力傳感器和電路部件封閉保護起來，使其免受惡劣環境的影響和機械損壞。所述壓力傳感器模塊可作為獨立的單元先行組裝并可對其內部的組件提供較長時間的保護。
雖然為說明起見公開了本發明的最佳實施例，但熟悉本門技術的人們都會了解，在不超出本發明所申明的權利要求的范圍和要義下，在形式和細節上對本發明作出增添、減少和修改是可能的。
權利要求
1.一種壓力傳感器模塊，包括一個由適于接受過程流體的隔離器和一個與所述隔離器相連的壓力傳感器所組成的變送器；一個與所述壓力傳感器相連并具有總線的電路，所述總線可用于進行通能、控制和壓力的數字輸出等；一個用于連接其它外部選用模塊的連線結構，所述外部模塊具有可與所述總線連接的、并由絕緣結構包圍的接點或觸針；以及一個制成整體的用于封閉和保護所述壓力傳感器和電路的外殼，所述外殼具有面向所述隔離器的帶有螺紋的過程流體入口及適于支撐所述連線結構和選用模塊的帶螺紋軸套。
2.如權利要求1所述壓力傳感器模塊，其中所述外殼與所述隔離器和連線結構之間進行密封，從而形成一個預先組裝好的腔室。
3.如權利要求1所述壓力傳感器模塊，其中所述外殼由金屬材料制成并具有防爆能力。
4.如權利要求1所述壓力傳感器模塊，其中所述外殼為由所述變送器沿一軸向所述連線結構延伸的長筒形結構，其中所述電路沿所述軸向與所述變送器間隔配置，在所述變送器與電路之間充滿熱絕緣材料。
5.如權利要求1所述壓力傳感器模塊，其中所述外殼在所述帶螺紋的過程流體入口和帶螺紋的軸套之間具有適于支撐所述軸套的大體為圓筒形的截面，可將作用在所述軸套上的外力轉移到帶螺紋的過程流體入口。
6.如權利要求1所述壓力傳感器模塊，進一步包括一個可阻止在所述外殼與總線之間產生直流電流的電流屏障，所述屏障沿所述電路到變送器的通道配置。
7.如權利要求1所述壓力傳感器模塊，其中所述電流屏障至少包括一個配置在所述壓力傳感器與電路之間的電容器。
8.如權利要求7所述壓力傳感器模塊，其中所述電流屏障包括一個具有絕緣安裝面的蓋頭，所述壓力傳感器就安裝在所述的絕緣安裝面上。
9.如權利要求7所述壓力傳感器模塊，其中所述電流屏障包括一個位于所述隔離器和壓力傳感器之間的絕緣管耦合器。
10.如權利要求7所述壓力傳感器模塊，其中所述電流屏障配置在所述電路內并進一步包括一個隔離變壓器或光隔離器等這一類隔離電路。
11.如權利要求1所述壓力傳感器模塊，其中所述連線結構進一步包括一個由所述絕緣材料中伸出的毛細管，所述毛細管具有防火的內部通道及其密封結構。
12.如權利要求1所述壓力傳感器模塊，其中所述壓力傳感器通過在所述防火通道中的不可壓縮流體與所述隔離器相連，所述通道的內徑具有防火性能。
13.如權利要求12所述壓力傳感器模塊，其中所述防火通道用電火花機床進行加工。
14.如權利要求12所述壓力傳感器模塊，其中所述防火通道為毛細管形。
15.如權利要求1所述壓力傳感器模塊，其中所述連線結構和帶螺紋軸套的抗壓強度大于所述外殼的抗壓強度。
16.如權利要求15所述壓力傳感器模塊，通過所述支撐軸套與所述絕緣結構配合的非均勻環狀結構可保證軸套中絕緣結構的抗超壓能力。
17.如權利要求1所述壓力傳感器模塊，其中所述電路僅將有限的電能供給所述壓力傳感器以確保其正常工作。
18.如權利要求1所述壓力傳感器模塊，其中所述選用的外部模塊包括變換器模塊。
19.一種壓力傳感器模塊，包括一個由適于接受過程流體的隔離器和一個與所述隔離器相連的壓力傳感器所組成的變送器；一個與所述壓力傳感器相連并具有總線的電路，所述總線用于進行通能、控制和壓力的數字表示等；一個用于連接其它外部選用模塊的連線結構，所述外部模塊具有可與所述總線連接的、并由絕緣結構包圍的接點或觸針；以及一個用于密封保護所述壓力傳感器和電路的結構手段，所述結構手段包括一個整體形成的面向所述隔離器的過程流體入口和一個整體形成的用于支撐所述連線結構的帶螺紋軸套，所述帶螺紋軸套也適于支撐變換器模塊。
20.一種壓力傳感器模塊的制造方法，包括將一個適于接受過程流體的隔離器與一個壓力傳感器相連以構成一個變送器；將一個電路同所述壓力傳感器連接起來，所述電路可提供一條用于通能、控制和壓力數字表示的總線；將適于同轉換器模塊連接的絕緣連線結構的接點或觸針與所述總線連接起來；以及將所述壓力傳感器和電路用一個密封的外部支撐結構保護起來，使所述外部支撐結構整體形成一個面向所述隔離器的帶螺紋過程流體入口和一個用于支撐所述連線結構的帶螺紋軸套，所述軸套也適于支撐變換器模塊。
全文摘要
一種在沒有變換器的情況下預先組裝的壓力傳感器模塊(50)及其組裝方法。在沒有變換器模塊的情況下,被密封保護的壓力傳感器模塊(50)可在安裝環境中免受損害。變換器模塊可在以后安裝到壓力傳感器模塊(50)上。壓力傳感器模塊(50)包括:隔離器(54)、壓力傳感器(58)和可提供供能、控制和壓力數字輸出總線的電路(60)。一個整體形成的密封的外部支撐結構對壓力傳感器(58)和電路(60)起封閉和保護作用。所述密封的外部支撐結構具有面向隔離器(54)的帶螺紋過程流體入口(74)和用于支撐連線結構的帶螺紋支撐軸套(76)。
文檔編號H01R29/00GK1376260SQ00813487
公開日2002年10月23日 申請日期2000年9月22日 優先權日1999年9月28日
發明者史蒂文·M·貝恩, 理查德·L·尼爾森, 羅伯特·黑特克, 羅格·弗瑞克, 斯科特·D·尼爾森, 馬克·范德賴, 西奧多·H·施納瑞, 布瑞·L·韋斯特費爾德, 馬克·S·舒馬克, 韋斯頓·羅佩爾 申請人:羅斯蒙德公司