CN106153240B - 用于过程变量变送器中压力传感器的电气互连 - Google Patents
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Abstract
一种包括用于测量过程流体压力的压力传感器的压力传感器组件。所述组件包括由绝缘材料制成的压力传感器主体。所述压力传感器包括多个电接触焊盘，这些电接触焊盘耦合到所述压力传感器主体的压力传感器元件上。互连体，被配置为安装在所述压力传感器主体的一端。所述互连体中的多个电连接器与所述多个电接触焊盘电连接。一电子线束连接到所述互连体，并且包括与所述多个电连接器电连接的多条电线。
Description
背景技术
工业过程控制系统可以用于监控用于生产或输送的流体或类似物的类型的工业过程。对于这样的系统而言，典型地，测量如温度、压力、流速以及其他的“过程变量”是必要的。过程控制变送器用于测量上述过程变量并将所述测量的与过程变量相关的信息传回中央单元，例如中央控制室。
其中一类过程变量变送器为用于测量过程流体(工艺流体)压力并提供与所测量的压力相关的输出信息的压力变送器。所述输出信息可以为压力、流速、过程流体的液位或其他可以根据所述测量的压力得到的过程变量。所述压力变送器被配置为将与所测量的压力相关的信息传回所述中央控制室或其他室。典型地，通过二线式过程控制回路进行信息传输，无论如何，可以使用包括无线通信在内的其他通信技术。
通常，所述过程压力通过某些过程耦合(process coupling)被耦合到所述过程变量变送器。在许多情况下，所述变送器的压力传感器可以通过隔离液与所述过程流体液力耦合或直接与所述过程流体耦合。所述过程流体的压力对所述压力传感器造成物理变形，从而致使所述压力传感器的相应的电相关值诸如电容或电阻发生改变。
对于压力测量而言，在作业压力非常高的环境下作业是特别有挑战性的。而其中一个这样的作业环境是海底。在这样的环境下作业时，施加到暴露在外的所述过程设备上的静压是相当高的。进一步地，所述过程变量变送器可以暴露在非常宽的温度范围的环境下。在这样的环境下，不同的工业标准形式参数用于配置所述过程变量变送器。一个典型的配置包括位于探头末端的压力传感器。变送器电子设备(Transmitter electronics)被置于与所述探头隔离的电子柜中。电连接器从所述电子柜中伸出并耦合到位于所述探头中的压力传感器。在许多情况下，很难可靠地与位于所述探头末端的过程变量传感器进行电连接。这种连接难以完成也容易失败。进一步地，在这种配置下，尺寸限制也造成了挑战。
发明内容
一种过程流体压力传感器组件包括用于测量过程流体的压力的压力传感器。所述组件包括由绝缘材料制成的压力传感器主体。所述压力传感器包括耦合到所述压力传感器主体上的压力传感器元件的多个电接触焊盘。互连体，被配置为位于所述压力传感器主体的一端。位于所述互连体中的多个电连接器与所述多个电接触焊盘电连接。连接到所述互连体上的电子线束，包括与所述多个电连接器电连接的多条电线。
本发明内容和摘要简要地对一系列概念进行了介绍，这些内容将进一步在下文的具体实施例中进行描述。所述发明内容和摘要的目的不在于说明本要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不是在于限定本要求保护的主题的范围。
附图说明
图1为一种应用于海底油类或气体的过程变量变送器的侧视图；
图2为图1所示的变送器的简化图；
图3示出了现有技术中一个过程变量传感器的电气连接的透视图；
图4示出了一个电互连体耦合到一个过程变量传感器的透视图；
图5为图4所示的所述电互连体的透视图；
图6示出了两个过程变量传感器分别耦合到两个相应的电互连体的透视截面图；
图7为另一个示例的电互连体的透视图；
图8为图7所示的一个电互连体放大后的透视图；
图9为图8所示的电互连体顶部的平面图；以及
图10为图8所示的电互连体底部的平面图。
具体实施例
图1为一种标准配置的应用于海底环境的过程变量变送器10的局部剖面图。变送器10可以用于测量过程变量并将所测量的与过程变量相关的信息传送到其他地方。可以测量和传送的过程变量包括诸如压力和温度。变送器10包括一个延长的探头12和一个电子柜16。一个管道法兰14，用于将所述变送器10装配到一个过程容器，例如过程管。所述探头12插入在管壁上的一个开口上，并用于放置一个过程变量传感器30(图1未示出)使其接近所述过程容器中的过程流体。所述过程变量传感器30安装在一个传感器组件20中并与所述过程流体直接耦合或通过隔板间接耦合。互连电线32从所述过程变量传感器30延伸至所述电子柜16中的变送器电子设备18。典型地，所述探头12的长度可以从0英寸至大于13英寸之间变化，这取决于具体应用的环境。为了提供更精确的测量数据，典型地，所述过程变量传感器30位于所述探头12的末端。这减少了所需隔离液的量并提高了所测量的过程变量的精确度。进一步地，为了延长所述变送器电子设备18的寿命并提高其精确度，典型地，变送器电子设备18以一定距离间隔于所述管道法兰14，从而使所述变送器电子设备18可以通过所述电子柜16的海水冷却而使其温度保持在低于或等于85℃。这可以在所述过程变量传感器30中的电连接与所述变送器电子设备18之间产生一个大于15英寸的间距。
除可以适应所述过程变量传感器30和所述变送器18之间的间隔变化外，与所述传感器30相连的所述电气互连32也可以在一个宽范围的温度下作业，例如-46℃至204℃。由于与所述过程变量传感器30电气连接的位置在所述探头12的末端，因而所述电气连接会经历所述过程流体的整个温度变化范围。进一步地，可以要求与所述过程变量传感器30电气连接的区域很小。例如，所述探头12的末端的直径可以小于1.25英寸。另外，位于所述变送器18和所述过程变量30之间的电气连接的电气噪音或寄生电容应最小化，以获得精确的过程变量测量值。
图2示出了包括一个过程变量传感器30的过程变量变送器10的简图。电气互连电子线束32包括多条在所述过程变量传感器30和所述变送器电子设备18之间延伸的电线。在图2中，所示的过程变量传感器30为压力和温度传感器。传感器30通过隔板26和毛细管28与所述过程流体耦合。流动在由毛细管28和隔板26所形成的空间中的所填充的隔离流体将由所述过程流体产生的作用压力传递给所述过程变量传感器30。
如图2所示，变送器电子设备18包括与传感器30相连的测量电路19。例如，电路19可以用于将一个温度传感器的输出以及一个压力传感器的输出转换为数字化值并将其提供给一个微处理器21。微处理器21根据存储在存储器23中的指令进行操作并通过输入/输出(I/O)电路25传递数据。I/O电路可以通过任何包括二线式过程控制回路27在内的合适的通信媒介传递数据。在某些配置中，I/O电路25也可以用于将从回路27获取的电力提供给变送器电子设备18。还可以采用无线通信方式。
图3示出了现有技术中一个过程变量传感器30的电气连接的局部透视图。在图3中，传感器组件20包括具有引线框延伸体34的传感器引线框主体36。传感器30的一个近端上载有电接触焊盘40。丝焊44用于将所述电接触焊盘40电连接到延伸体34上的延长电路走线42。延长电路走线42与延长线52相连。电线可以与延长线52相连并用于将所述过程变量传感器30连接到变送器电子设备18。
图4和5示出了根据一个示例性实施方式的互联体50和线束32的透视图。在图4中，传感器30的一个近端52通过一个开口54(见图5)插入到一个互连体中。电连接器60与电子线束32中的各独立电线电连接，并与图3所示的位于传感器30的所述近端52的电接触焊盘40耦合。传感器30的所述近端52可以通过摩擦配合或其他粘结技术固定在开口54中，例如，可以使用粘合剂或其他类似物。可以通过诸如由Delo工业粘合剂有限责任公司生产的AD223的高温粘合剂来实现粘结到所述传感器30。
图6示出了两个位于传感器容器70的过程变量传感器30A和30B的剖面透视图。在图6中，承压传感器底座72A和72B分别用于承载传感器30A和30B。连接器50A和50B将电子线束32A和32B分别电连接到传感器30A和30B的近端52A和52B。如示出的连接器50B，导体60B包括附属引脚80B。引脚80B用于连接图3所示的传感器30B的所述接触焊盘40。该连接可以通过所述引脚80B上的一个弹簧压力实现，也可以通过包括诸如电气连接中的锡焊、接触焊等来实现。
根据图4-6示出的结构，所述互连体50和电气连接可以在所述传感器30安装于所述传感器容器70后耦合到所述传感器30。进一步地，所述电子线束中的各独立电线被配置为将同轴导体作为电气屏蔽体的同轴线。这减少了未被屏蔽的电线的数量，从而降低了传感器信号中的电噪声源和寄生电容产生的干扰。进一步地，去除图3所示的所述丝焊44。当六根电线以两列交错排列的方式连接时，所述连接器的尺寸可以减小。
图7、图8、图9和图10示出了互连体50的另一种结构示例。在这个结构中，所述互连体50包括用于容纳图9和图10所示的传感器30的传感器开口54。互连体50包括装配(或布置)突出部90，用于将互连体放置于传感器30的所述近端52上。突出部90也可以连接到图6所示的传感器容器70。
在图9和图10所示的一种结构中，电路走线96，焊盘98和通孔100通过诸如激光直接成型(LDS)的淀积工艺直接形成于互连体50上。但是，也可以应用其他淀积工艺。例如，成型互连体可以包括一个可选的具有电路走线96的互连电路板94。走线96包括焊盘98，该焊盘98通过电子线束97与传感器30的焊盘40进行电路接合。走线96从焊盘98延伸至通孔100，所述通孔100连接到图10所示的所述电路板94的底部。电子线束32的外部导体102作为外护罩，不用与互连体50进行电连接。在另一个示例的结构中，可选的电路板94可以包括一个接地层或类似物，通过接地层或类似物，电子线束32的电连接器102(实现)电接地。电子线束32的第二电连接器104可以连接到连接焊盘105上，并通过走线96以及与接触焊盘40的连接从而电连接到传感器30末端处的一个传感器元件上。电子线束32的各独立电缆108可以配置为具有内导体和同轴屏蔽外套的同轴电缆。
所述传感器30基于传感器底座72固定在所述传感器容器70中。在一种配置中，所述传感器30固定在传感器底座72中。所述互连体50固定在所述传感器容器70内，从而在所述互连体50和所述传感器30之间，除了用于耦合到所述传感器30的电气互连以外基本没有任何接触。这确保了施加到所述传感器30上的压力最小。互连体50的一个末端唇缘110可以为所述传感器容器70提供摩擦配合(friction fit)。在另一个示例性实施例中，一种粘合剂或其他粘合材料，或摩擦配合件，用于将互连体50固定到所述传感器30。如图7所示，近端连接器114用于将电缆108电连接到变送器电子设备18。例如，连接器114可以包括微型的同轴RF连接器。电子线束32可以由具有所需长度的带状电缆构成。所述长度可以为从所述传感器30连接到所述变送器电子设备18的最大长度。所述电路走线96可以通过包括激光直接成型(LDS)在内的任何合适的工艺来形成。所述突出部90可以配置为不锈钢或其他材料并用于将所述互连体50焊接到或以其他方式连接到图6所示的传感器容器70。所述互连体50可以通过例如注模的方式由塑料或类似物形成。这里的激光直接成型(LDS)用于在塑料连接体上直接形成电路走线。所述互连体50可以由包括液晶高分子(LCP)或其他高温塑料在内的任何合适的材料制成。所述互连体50也为所述电子线束32减少了应力。优选地，所述安装的同轴电缆可以耐高温并且由诸如可溶性聚四氟乙烯(PFA)和镀镍铜制成。所述粘合技术可以用于线路的电连接，包括卷曲、锡焊或电焊等。所述连接器50可以含有填充材料以减小所述电子线束32上的应力。
所述传感器30可以根据任何所需的传感技术来实现。在一种特定的配置中，所述传感器30由包含绝缘材料的主体形成，并且内置有压力传感器和温度传感器。在一种特定的配置中，传感器30的主体根据美国专利号为6,089,097，于2000年7月18日授权给弗里克等人，发明名称为“用于变送器的延长的压力传感器”的专利中提及的传感器技术由单晶材料制成，通过全文引用包含于此。在这种配置中，所述传感器主体中腔的尺寸作为外加压力的函数而变化。电容板提供压力传感元件并相对于所述腔予以安装，而且其电容作为腔的尺寸的函数而变化。所述电容值可以通过测量得到并与所施加的压力相关。尽管上文中已明确地阐述了六条同轴电缆，所述连接也可以由未屏蔽的电线实现。进一步地，所述连接可以为任何有屏蔽的和未屏蔽的电线的结合来实现。例如，未屏蔽的电线可以连接到用于测量电阻的温度传感器，而同轴电缆可以连接到其电容根据施加的压力来变化的压力传感器。金属承载突出部90可以包含于所述连接器50中以锡焊或电焊到所述传感器30。所述互连体50可以包含封胶以减小电子线束32上的应力。
尽管已经参考优选实施例对本发明进行了描述，然而本领域的技术人员可以了解，在不脱离本发明的原理和范围的情况下可以就形式和细节做出改变。
Claims (20)
1.一种用于海底作业的压力变送器，包括：
变送器电子设备；以及
压力传感器，用于测量过程流体压力，其包括压力传感器主体以及耦合到所述压力传感器的压力传感器元件上的多个电接触焊盘；
互连体，其安装在所述压力传感器主体的一端；
多个电连接器，位于与所述多个电接触焊盘电耦合的所述互连体中，并且所述互连体与所述多个电接触焊盘直接电连接；以及
连接到所述互连体的电子线束，包括电连接到所述多个电连接器的多条电线。
2.根据权利要求1所述的压力变送器，其中所述电子线束的所述多条电线至少之一包括同轴电缆。
3.根据权利要求1所述的压力变送器，其中所述互连体包括用于容纳所述压力传感器的近端的开口。
4.根据权利要求1所述的压力变送器，其中所述多个电连接器包括被配置为与所述压力传感器中的所述电接触焊盘电连接的引脚。
5.根据权利要求4所述的压力变送器，其中所述引脚焊接到所述电接触焊盘。
6.根据权利要求1所述的压力变送器，其中所述多个电连接器通过丝焊与所述多个电接触焊盘电连接。
7.根据权利要求1所述的压力变送器，其中所述压力传感器包括电连接到所述多个电接触焊盘的热敏元件。
8.根据权利要求1所述的压力变送器，其中所述压力传感器包括由单晶材料制成的延长体。
9.根据权利要求1所述的压力变送器，其中所述互连体包括耦合到容纳所述压力传感器的所述互连体的末端唇缘。
10.根据权利要求1所述的压力变送器，其中所述互连体包括用于减小所述电子线束应力的封胶。
11.根据权利要求1所述的压力变送器，其中所述互连体包括被配置为连接到用于载有所述压力传感器的传感器容器的至少突出部。
12.根据权利要求1所述的压力变送器，其中所述多个电连接器包括沉积在所述互连体上的电路走线。
13.根据权利要求12所述的压力变送器，其中所述互连体包括用于连接到所述多条电路走线的多个通孔。
14.根据权利要求1所述的压力变送器，其中所述多个电连接器包括所述互连体的电路板上的电路走线。
15.根据权利要求14所述的压力变送器，其中所述电路板包括用于连接所述多条电路走线的多个通孔。
16.根据权利要求1所述的压力变送器，其中所述互连体由塑料制成。
17.根据权利要求1所述的压力变送器，其中所述变送器电子设备与所述电子线束的多条线路电连接。
18.根据权利要求1所述的压力变送器，其中所述变送器电子设备耦合到过程控制回路。
19.根据权利要求1所述的压力变送器，包括通过第二互连体连接到第二电子线束的第二压力传感器。
20.根据权利要求19所述的压力变送器，其中所述压力传感器和所述第二压力传感器被安装在传感器容器中。
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