Результат интеллектуальной деятельности: ПЕРЕДАЮЩИЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ С ОТДЕЛЬНЫМ ДАТЧИКОМ И ЭЛЕКТРОНИКОЙ ДАТЧИКА

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0001] Системы контроля и мониторинга технологических процессов используются для того, чтобы отслеживать и управлять работой производственных процессов. Промышленные процессы используются в производстве, чтобы производить различные продукты, такие как очищенную нефть, фармацевтические препараты, бумагу, продукты питания и т.д. В крупномасштабных реализациях эти процессы должны наблюдаться и управляться для того, чтобы работать в пределах желаемых параметров.

[0002] Слово "передающий датчик" стало термином, который используется для того, чтобы описывать устройства, которые подключены к технологическому оборудованию и используются для того, чтобы измерять технологические параметры. Примеры технологических параметров включают в себя давление, температуры, скорость потока и другие. Зачастую передающий датчик размещен в удаленном размещении (т.е. "на месте") и передает измеренный технологический параметр обратно в размещенную централизованно диспетчерскую. Различные методики используются для передачи технологических параметров, в том числе средства проводной и беспроводной связи. Одна распространенная методика проводной связи использует то, что называется двухпроводным контуром управления технологическим процессом, в котором одна пара проводов используется для того, чтобы передавать информацию, а также предоставлять электроэнергию передающему датчику. Одна установившаяся методика передачи информации заключается в контроле уровня тока в контуре управления технологическим процессом между 4 мА и 20 мА. Значение тока в рамках диапазона 4-20 мА может быть сопоставлено соответствующим значениям технологических параметров. Другие протоколы связи включают в себя протокол связи HART®, в котором цифровой сигнал модулируется поверх 4-20 мА аналогового сигнала тока связи, протокол FOUNDATION™ Fieldbus, в котором вся связь выполняется цифровым образом, беспроводные протоколы, такие как WirelessHART (IEC 62591), и т.д.

[0003] Одним типом передающего датчика является передающий датчик давления. В общем, передающий датчик давления - это любой тип передающего датчика, который измеряет давление текучей среды технологического процесса. (Термин текучая среда включает в себя газ и жидкость, а также их сочетание). Передающий датчик давления может использоваться, чтобы измерять давления непосредственно, включая дифференциальное, абсолютное или избыточное давления. Дополнительно, используя известные методики, передающие датчики давления также могут быть использованы для того, чтобы измерять потоки технологической текучей среды на основе перепада давлений в технологической текучей среде между двумя размещениями.

[0004] Типично, передающий датчик давления включает в себя чувствительный к давлению элемент, который связан с давлением технологической текучей среды посредством системы изоляции. Система изоляции может содержать, например, изолирующую мембрану, которая находится в физическом контакте с технологической текучей средой, и изолирующую заполняющую текучую среду, которая находится между изолирующей мембраной и чувствительным к давлению элементом. Заполняющая текучая среда, как правило, содержит в значительной степени несжимаемую жидкость, такую как масло. По мере того, как технологическая текучая среда оказывает давление на изолирующую мембрану, изменения применяемого давления передаются по мембране через изолирующую технологическую среду и в чувствительный к давлению элемент. Такие системы изоляции не допускают непосредственного контакта чувствительных компонентов чувствительного к давлению элемента с технологической текучей средой.

[0005] Множество коммерчески доступных передающих датчиков давления технологической текучей среды могут быть использованы эффективно, чтобы измерять давление технологической текучей среды. Эти устройства, как правило, предоставляют давление передающему датчику посредством системы изоляции или длины трубки, заполненной технологической текучей средой. Примеры таких архитектур показаны на фиг.1A-1D.

[0006] Фиг.1A показывает типовую установку для измерения расхода пара. Передающий датчик 10 давления технологической текучей среды устанавливается далеко от процесса 12 вследствие высоких температур. Пара импульсных линий 14, 16 давления используется с множеством соединений и клапанов, чтобы предоставлять давление процесса передающему датчику 10.

[0007] Фиг.1B иллюстрирует высокотемпературный передающий датчик давления. Передающий датчик 20 давления устанавливается далеко от процесса вследствие высоких температур посредством использования вспомогательной заполненной маслом системы для передачи давления.

[0008] Фиг.1C - это типичная система 30 выносной диафрагмы. В этом случае давление передается обратно передающему датчику 32 через заполненную маслом вспомогательную систему 34.

[0009] Фиг.1D является графическим представлением расходомера 40, где измерительный элемент 42 создает дифференциальное давление. Дифференциальное давление передается посредством двух импульсных линий внутри трубы 44 вплоть до копланарного интерфейса 46 передающего датчика.

[0010] Архитектуры, иллюстрированные относительно Фиг.1A-1D, были успешны и предлагают множество преимуществ. Модульная конструкция передающего датчика предоставляет возможность крупносерийного производства и хорошо управляемого процесса, чтобы улучшать производительность. Стандартный копланарный интерфейс предоставляет эффективности распределений и точку отделения для калибровки и замены. Однако архитектуры имеют некоторые ограничения. Например, предоставление давления передающему датчику является дорогостоящим, поскольку это требует значительного количества металла и вспомогательных герметичных систем. Архитектура может быть подвержена потенциальным местам утечки, засорению линий и другим проблемам импульсной линии. Кроме того, эти архитектуры могут также быть чувствительны к механической вибрации.

[0011] Было бы шагом вперед для уровня техники измерения давления технологической текучей среды и управления предоставление архитектуры, которая может измерять давление в своем источнике без необходимости передавать это давление за пределы нормальных границ давления процесса.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0012] Передающий датчик давления технологической текучей среды имеет удаленный датчик давления. Передающий датчик включает в себя корпус под электронику и коммуникатор контура, расположенный в корпусе под электронику и конфигурируемый, чтобы передавать данные в соответствии с протоколом связи процесса. Контроллер располагается в корпусе под электронику и соединяется с коммуникатором контура. Измерительная схема датчика располагается в корпусе под электронику и соединяется с контроллером. Корпус удаленного датчика давления конфигурируется, чтобы соединяться непосредственно с процессом, и располагается на расстоянии от корпуса под электронику. Датчик давления располагается в корпусе удаленного датчика давления. Датчик давления формирует по меньшей мере один электрический компонент, имеющий электрическую характеристику, которая изменяется с давлением технологической текучей среды. Фрагменты электрического компонента соединяются непосредственно с многожильным кабелем, который функционально соединяет датчик давления с измерительной схемой датчика.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0013] Фиг.1A-1D иллюстрируют примерные архитектуры, в которых варианты осуществления настоящего изобретения особенно полезны.

[0014] Фиг.2 и 3 являются графическими представлениями удаленно установленной системы датчика давления в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.

[0015] Фиг.4 является графическим представлением множества удаленных датчиков давления, соединенных с одним корпусом под электронику в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

[0016] Фиг.5 является графическим представлением удаленного датчика, соединенного с или осуществленного в выносной диафрагме в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

[0017] Фиг.6 является графическим представлением поперечного сечения емкостного датчика дифференциального давления с гибкой диафрагмой, используемого с вариантами осуществления настоящего изобретения.

[0018] Фиг.7 является блок-схемой системы для удаленной системы измерения давления в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЛЛЮСТРАТИВНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

[0019] Варианты осуществления настоящего изобретения, в целом, происходят из физического отделения самого датчика давления от электроники датчика. Соответственно, только электрический компонент, близкий к процессу, является датчиком давления. Тогда как в прошлом делались попытки отделить датчик давления от измерительной электроники, эти попытки, как правило, требовали, по меньшей мере, чтобы некоторая электрическая схема, такая как диоды, была соединена с и установлена близко с датчиком давления. Соответственно, в прикладных задачах, где температура технологической текучей среды является чрезвычайно высокой, такие способы были бы ограничены диапазоном рабочих температур электронных компонентов. См., например, патент США 4250490 для Dahlke. В соответствии с различными вариантами осуществления настоящего изобретения только электрический компонент, ближайший к процессу, является самим датчиком давления. В некоторых вариантах осуществления чувствительный к температуре элемент может быть предусмотрен либо как часть датчика давления, либо как дискретный датчик. Соответственно, тепловыми ограничениями на варианты осуществления настоящего изобретения являются только те, которые вызваны конструкцией датчика давления и/или необязательным датчиком температуры.

[0020] Отделение датчика давления от электроники датчика противоречит здравому смыслу в высокопроизводительной системе. Как правило, датчики являются устройствами с относительно высоким импедансом и слабым сигналом. Разделение увеличивает возможность добавления ошибки к сигналу. Для того чтобы приспосабливаться к такому физическому разделению, варианты осуществления настоящего изобретения, как правило, включают в себя электронику датчика, которая помогает уменьшать ошибки, при этом предоставляя преимущества удаленной системы датчика.

[0021] Фиг.2 и 3 являются графическими представлениями удаленно установленной системы датчика давления. Фиг.2 иллюстрирует удаленный корпус 100, присоединенный к измерительному элементу 102. Удаленный корпус 100 включает в себя как датчик 204 дифференциального давления (показанный на Фиг.6), так и температурный датчик (не показан) для компенсации. Каждый относящийся к давлению элемент датчика 204, такой как каждая емкостная пластина, соединяется непосредственно с соответствующим индивидуальным проводником в многожильном кабеле 106. В отличие от попыток предшествующего уровня техники, электрические компоненты (такие как диоды) не вставляются между емкостными пластинами и каждым проводником кабеля 106 в корпусе 100. Кабель 106 соединяет корпус 104 под электронику с удаленным датчиком 100 предпочтительно с помощью экранированного кабеля. Противопоставляя Фиг.2 с Фиг.1D, очевидны преимущества, которые включают в себя экономию затрат и меньше потенциальных путей утечки. Предпочтительно, удаленный корпус 100 полностью интегрируется с измерительным элементом 102. В другом варианте осуществления может быть применена модульная конструкция, которая скрепляла бы удаленный корпус 100 с измерительным элементом 102. Также могут быть применены другие варианты, включающие в себя продувочные/дренажные клапаны и использование коллекторов. Кроме того, архитектура также может приспосабливаться к многопараметрическим прикладным задачам. В одном варианте осуществления удаленный корпус 102 присоединяется к корпусу 104 под электронику посредством жесткой установки, которая помогает защищать электрическое межсоединение в ней.

[0022] Фиг.3 является графическим представлением удаленного датчика 100, соединенного с трубопроводом 108 для технологической текучей среды. Посредством своего непосредственного соединения датчик давления в корпусе 100 непосредственно измеряет давление технологической текучей среды, текущей или иначе присутствующей в трубопроводе 108, и предоставляет электрическую характеристику, такую как напряжение, сопротивление, емкостное сопротивление, индуктивность и т.д., которая относится к давлению технологической текучей среды. Схема датчика в корпусе 104 измеряет электрическую характеристику и предоставляет цифровое указание характеристики схеме процессора в корпусе 104.

[0023] Были найдены варианты осуществления настоящего изобретения, обеспечивающие удовлетворительную удаленную эффективность с физическим разделением между датчиком давления и электроникой датчика порядка двух метров с использованием емкостных датчиков давления. Соответственно, кабель 106 может быть по меньшей мере два метра длиной и все еще обеспечивать удовлетворительную эффективность. Ошибки сигнала и проблемы относительно физического разделения включают в себя ухудшение разрешения, температурные воздействия, стабильность, воздействия установки, шумозащищенность и взаимозаменяемость электроники. В то время как дополнительная минимальная электроника рядом с датчиком, такая как диодный мост, могла бы значительно увеличивать расстояние разделения, такие компоненты ограничивали бы максимальную рабочую температуру рабочим диапазоном таких электронных компонентов. Если чувствительный к температуре элемент включается в удаленный датчик, он должен иметь возможность выдерживать чрезвычайно высокую температуру для таких прикладных задач. В предпочтительном варианте осуществления датчик давления сам обеспечивает измерение температуры датчика, так что отдельный температурный датчик, способный выдерживать высокие температуры, не нужен.

[0024] Оптимизация эффективности достигается с помощью экранированного провода датчика и гармонизации деталей схемы в схеме датчика, чтобы соответствовать новым динамическим характеристикам схемы. Например, добавление более длинного кабеля датчика к емкостному датчику увеличит емкостное сопротивление. Существующая электроника может функционировать плохо вследствие недостаточных токов смещения и времен стабилизации. Оптимизация или, по меньшей мере, регулирование, токов смещения и времени стабилизации, как предполагается, должны разрешить такие проблемы функционирования.

[0025] В соответствии с различными вариантами осуществления настоящего изобретения множество удаленных датчиков могут быть соединены с одним комплектом удаленной электроники, таким как устройство выносной диафрагмы процесса. Фиг.4 является графическим представлением множества удаленных датчиков 100, 120 давления, соединенных с одним корпусом 104 под электронику через многожильные кабели 106, 122 соответственно. Это размещение может предложить уникальные преимущества в минимизации эффектов задержки в системе с множеством датчиков. Дополнительным вариантом является предоставление множества измерительных схем в одном корпусе 104.

[0026] Варианты осуществления настоящего изобретения могут создавать некоторые уникальные проблемы подтверждения безопасности. Одним решением таких проблем является установка удаленного датчика 100 во взрывоустойчивом корпусе и управление кабельным соединением между корпусом удаленного датчика 100 и электроникой 104. Хотя этот подход может достигать предпосылок к необходимым подтверждениям безопасности, он добавляет затраты и снижает гибкость установки. Вместо этого, предпочтительно, чтобы барьер искробезопасности был добавлен к электронике 104 аналогично тому, что делается в настоящее время с коммерчески доступными вихревыми расходомерами. Удаленный датчик 100 теперь становится искробезопасной системой, которая предоставляет возможность значительной гибкости в выборе и конструкции кабеля 106. Дополнительно, удаленный датчик 100 не должен быть помещен во взрывоустойчивый корпус, что снижает стоимость корпуса и сложность, включающую в себя необходимость использования отверстий электроразрядного устройства (EDM).

[0027] Фиг.5 является графическим представлением удаленного датчика 100, соединенного с или осуществленного в выносной диафрагме 110. Как и с предыдущими вариантами осуществления, датчик 100 соединяется с корпусом 104 под электронику через многожильный экранированный кабель 106. Соответственно, в отличие от устройства, иллюстрированного относительно Фиг.1C с увеличенной длиной капиллярной трубки 34, выносная диафрагма 110 соединяется со своим корпусом 104 под электронику посредством электронного кабеля 106.

[0028] Варианты осуществления настоящего изобретения в целом уменьшают число жидкостных соединений, необходимых, чтобы эффективно измерять давление технологической текучей среды. Более того, наполненные текучей средой трубопроводы, такие как импульсные линии и капилляры, по существу устраняются с помощью вариантов осуществления настоящего изобретения. Дополнительным преимуществом вариантов осуществления настоящего изобретения является то, что использование или необходимость подогрева трубопровода может быть уменьшена. Для прикладных задач, таких как изображенная на Фиг.1A, импульсный трубопровод заполняется газом или жидкостью, которая может замерзнуть, или иначе создает материал в твердой фазе, который может засорять трубу и ухудшать измерение давления процесса. Конечные пользователи типично устанавливают подогрев трубопровода вокруг импульсной трубы, чтобы предотвращать это. Таким образом, варианты осуществления настоящего изобретения могут устранять импульсную трубу вообще, и, таким образом, необходимость в подогреве трубопровода также устраняется.

[0029] В то время как варианты осуществления настоящего изобретения в целом описываются относительно датчика дифференциального давления, варианты осуществления могут быть применены на практике относительно любого типа датчика давления, включающего в себя датчики абсолютного и избыточного давления. Дополнительно, в то время как варианты осуществления настоящего изобретения в целом описываются относительно емкостного датчика давления с гибкой диафрагмой, варианты осуществления настоящего изобретения могут быть применены на практике с любой структурой, которая реагирует на давление, изменяя электрическую характеристику. Таким образом, варианты осуществления настоящего изобретения включают в себя резистивные тензометрические датчики, пьезоэлектрические датчики давления, пьезорезистивные датчики давления, электромагнитные датчики давления, резонансные датчики и т.д.

[0030] Варианты осуществления, показанные на Фиг.2-6, используют гибкий кабель между датчиком и электроникой. Необязательный вариант осуществления использует жестко установленное соединение. Например, датчик и электроника могут быть физически соединены посредством трубы или кронштейна. Это сделает установку более легкой и защитит кабель от электрического шума и физического повреждения.

[0031] Фиг.6 является графическим представлением поперечного сечения емкостного датчика 204 дифференциального давления с гибкой диафрагмой, который используется с вариантами осуществления настоящего изобретения. В то время как фактическая конструкция датчика 204 давления может принимать любую подходящую форму, один конкретный вариант осуществления настоящего изобретения использует заполняющую жидкость, например, как проиллюстрировано на Фиг.6. Дополнительные подробности относительно датчика 204 дифференциального давления могут быть найдены в патенте США 6901803, назначенном правопреемником настоящего изобретения. Модуль 200 датчика давления включает в себя датчик 204 давления и элементы 206, 208 жидкостного изолятора и трубки 210, 212, протягивающиеся от датчика 204 давления к элементу 206, 208 жидкостного изолятора. Технологическая текучая среда входит в одну или обе трубки 213, 214 и давит на элементы 206, 208 изолятора соответственно. Каждый из элементов 206, 208 изолятора включает в себя изолирующую диафрагму, которая физически отделяет технологическую текучую среду от заполняющей жидкости в трубках 210, 212. Соответственно, хотя не допускается физического контакта технологической текучей среды с датчиком 204 давления, давление технологической текучей среды передается от трубок 213, 214 через трубки 210, 212 соответственно датчику 204. В одном варианте осуществления каждая из трубок 213, 214 непосредственно соединяется с соответствующими сторонами высокого и низкого давления измерительного элемента, такого как иллюстрированный на Фиг.2.

[0032] Для типичных прикладных задач удаленный датчик давления предоставляет множество преимуществ, включающих в себя экономию затрат, экономию по установке, улучшенную безопасность и надежность. Для этих прикладных задач датчик может эффективно использовать существующие проектные решения. В одном варианте осуществления датчик 204 предпочтительно заполняется маслом с помощью стандартного силиконового масла и изолируется в корпусе с помощью подходящего герметизирующего материала. Если удаленный датчик был модульным, копланарный интерфейс может использовать стандартные политетрафторэтиленовые кольца или подходящие металлические кольца.

[0033] Фиг.7 является блок-схемой системы для удаленной системы измерения давления в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Удаленный модуль 104 электроники функционально соединяется с удаленным датчиком 100 давления через кабель 106. Удаленный датчик 100 давления может включать в себя любой подходящий датчик давления и функционально соединяется с источником давления технологической текучей среды. Электроника 104 датчика включает в себя модуль 300 коммуникатора контура, функционально соединенный с множеством клемм 302 для соединения электроники 104 с соответствующим контуром связи процесса. Примеры контуров связи процесса включают в себя известный 4-20 мА аналоговый сигнальный контур, HART® сигнализацию, технологии FOUNDATION™ Fieldbus, также как и другие подходящие контуры связи процесса или фрагменты. Коммуникатор 300 контура функционально соединяется с контроллером 304, который, в одном варианте осуществления, предпочтительно является микропроцессором. Контроллер 304, в свою очередь, соединяется с измерительной схемой 306, которая функционально соединяется с датчиком 100 давления через кабель 106. В некоторых вариантах осуществления барьер 308 искробезопасности электрически вставляется между измерительной схемой 306 и датчиком 100 давления. В то время как Фиг.7 иллюстрирует измерительную схему 306, реализованную как один блок, она может, в действительности, включать в себя множество таких модулей для того, чтобы соединяться с множеством удаленных датчиков давления. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления переключатель или подходящий мультиплексор может быть использован, чтобы по существу последовательно или выборочно соединять множество датчиков давления с одним модулем 306 измерительной схемы.

[0034] Варианты осуществления настоящего изобретения предоставляют множество преимуществ по сравнению с существующими способами измерения давления технологической текучей среды. Удаленный датчик предоставляет возможность использования в прикладных задачах в крайне тяжелых условиях, таких как высокие температуры. Когда температуры процесса растут, ограничения неметаллических материалов должны быть учтены. Требования изменяются, когда температура и давление процесса растет. Далее следуют примеры иллюстративного применения пара, для которого варианты осуществления настоящего изобретения особенно полезны. Высокотемпературные датчики давления не ограничиваются паровыми применениями, но другие применения маловероятно превысят 400°F.

[0035] Текущие коммерчески доступные системы измерения давления технологической текучей среды, использующие копланарное измерение давления, типично ограничиваются температурой 250°F. Предполагается, что варианты осуществления настоящего изобретения могут быть полезными для высокого давления, высоких температур и могут работать вплоть до 400°F, в том числе в некоторых подводных применениях. В одном варианте осуществления датчик давления может быть емкостным датчиком давления, таким как иллюстрированный относительно Фиг.6, где заполняющее масло является однокомпонентной силиконовой жидкостью для диффузионных насосов, такой как силиконовая жидкость марки Xiameter, доступная от корпорации Dow Corning из Midland MI. Кроме того, предпочтительно, чтобы датчик 204 был установлен в герметизирующем материале, и чтобы кольца не использовались вследствие высоких давлений. Предел в 400°F также предоставляет множество преимуществ для приборов измерения дифференциального давления потока. Приборы с более низкими давлениями могли бы использовать модульную конструкцию, в которой датчик давления мог бы быть прикреплен к измерительному элементу. В таких приборах с низким давлением кольца могли бы быть металлическими или политетрафторэтиленовыми, которые, как заявляется, имеют рабочую температуру вплоть до 400°F. Многие из клапанов потока и уплотнительных конструкций используют политетрафторэтилен, таким образом, теперь датчик будет способен работать с той же температурой, с которой работает политетрафторэтилен.

[0036] Большинство паровых применений, измеряемых в настоящее время, находятся на или ниже рейтинга 900# ANSI давления. Максимальное давление для этого рейтинга изменяется с температурой. Максимальное давление для 100°F равно 3350 пси, для 400°F максимальное давление равно 1900 пси, для 750°F максимальное давление равно 1510 пси.

[0037] Варианты конструкции герметизации процесса включают в себя использование стандартных политетрафторэтиленовых колец как для более низких температур (менее 400°F), так и для давлений менее приблизительно 6000 пси. Для более требовательных прикладных задач могут быть использованы металлические кольца, предоставляющие возможность работы с более высокими температурами и давлениями. Также может быть предусмотрено устранение уплотнителей процесса вообще за счет цельносварной системы. Варианты конструкции с наполнением маслом включают в себя замену силиконового масла маслом, которое может выдерживать более высокие температуры. Может быть возможным повысить предел до 500°F или 600°F, используя подходящее масло.

[0038] Одним предпочтительным вариантом осуществления для очень высоких температур и для компактных конструкций является использование безмаслянных датчиков без изолирующих диафрагм. В такой системе технологическая жидкость или среда приводится непосредственно в соприкосновение с изгибаемой диафрагмой. Эти применения требуют, чтобы технологическая текучая среда была совместима с материалом датчика. В этих применениях другие типы датчиков давления могут быть более полезны. Один примерный датчик давления для таких прикладных задач изложен в патенте США 6508129, назначенном правопреемником настоящего изобретения.

[0039] Интегрирование датчика дифференциального давления в выносную уплотнительную диафрагму дает в результате аналогичные преимущества. Наполненная маслом капиллярная система устраняется, что уменьшает число жидкостных соединений, снижает потенциал для утечки заполняющей жидкости, а также помогает уменьшать или устранять любые тепловые воздействия, обеспечиваемые заполняющей жидкостью в капиллярах выносной диафрагмы.

[0040] В то время как вышеописанное было описанием, перечисляющим множество преимуществ относительно вариантов осуществления настоящего изобретения. Специалисты в области техники признают, что также предоставляется множество дополнительных преимуществ.

[0041] Хотя настоящее изобретение описано со ссылками на предпочтительные варианты осуществления, специалисты в данной области техники должны понимать, что изменения могут быть сделаны в форме и деталях без отступления от духа и области применения изобретения.