CN101896804B - 具有热学管理的压力变送器的直接安装装置 - Google Patents

具有热学管理的压力变送器的直接安装装置 Download PDF

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Abstract

一种用于将压力变送器(108)耦合至工业过程的过程流体的直接安装装置，包括被配置为耦合至压力变送器(108)的变送器耦合(124)。过程耦合(120)被配置为耦合工业过程流体(104)。毛细管(122)在变送器耦合(124)和过程耦合(120)之间延伸。具有相对高导热率的热传导路径(152)在过程耦合(120)和变送器(108)之间延伸。优选地，热开关(150)选择性地热连接过程耦合(120)和变送器(108)之间的热传导路径(152)。

Description

具有热学管理的压力变送器的直接安装装置
技术领域
本发明涉及在工业过程监控和控制系统中使用类型的过程控制变送器。更具体地，本发明涉及在高温或低温环境中对过程变量进行测量的变送器。
背景技术
过程监控和控制系统用于监控和控制工业过程的操作。工业过程在制造中用于生产各种产品，例如，精制油、药品、纸张、食品等。在大规模实现中，必须对这些过程进行监控和控制，以便于在它们期望的参数内进行操作。
“变送器(transmitter)”已经成为用于描述耦合至过程设备并用于感测过程变量的设备的术语。示例过程变量包括压力、温度、流量等。通常，变送器位于远程位置(即，在“现场”中)，并且向中心控制室传送回感测的过程变量。各种技术用于传送过程变量，包括有线和无线通信。一种常用有线通信技术使用所谓的双线过程控制回路，其中，单对导线用于既承载信息又向变送器供电。一种沿用已久用于传送信息的技术是：将通过过程控制回路的电流水平控制在4mA和20mA之间。可以将4-20mA范围内的电流值映射至相应的过程变量值。
一种类型的变送器是压力变送器。通常，压力变送器是用于测量过程流体压力的任何类型变送器。(术语流体包括气体和液体及其组合。)压力变送器可以用于直接测量压力，包括差压、绝对压力以及计量(gauge)压力。此外，使用已知技术，压力变送器可以用于基于两个位置之间过程流体的压差，来测量过程流体的流量。
典型地，压力变送器包括通过隔离系统耦合至过程流体的压力的压力传感器。隔离系统例如可以包括与过程流体物理接触的隔离膜，以及在隔离膜和压力传感器之间延伸的隔离填充流体。优选地，填充流体包括实质上不可压缩的流体，例如油。因为过程流体在隔离膜上施加压力，所施加压力中的变化被传送跨过膜，并通过隔离流体传送至压力传感器。这种隔离系统防止压力传感器的精密部件直接暴露于过程流体中。
在一些过程环境中，过程流体可以经历相对高的温度。然而，变送器典型地具有250-300°F的最大工作温度。即使在变送器能够经受住高温的情况下，温度极限仍会在压力测量中引入误差。在其温度超过压力变送器最大温度的过程中，变送器自身必须位于远离过程流体的位置，并且使用长毛细管耦合至过程流体。毛细管可以延伸许多英尺，并且在毛细管中承载隔离流体。管的一端通过隔离膜安装至过程，并且管的另一端耦合至压力变送器。该长毛细管和隔离膜通常被称作“远程密封(remote seal)”。
发明内容
一种用于将压力变送器耦合至工业过程的过程流体的直接安装装置，包括：变送器耦合，被配置为耦合至压力变送器。过程耦合被配置为耦合工业过程。毛细管在变送器耦合和过程耦合之间延伸。提供具有相对高导热率的热传导路径，该路径在过程耦合和变送器耦合之间延伸。优选地，热开关选择性地热连接过程耦合和变送器耦合之间的热传导路径。
附图说明
图1是示出了压力变送器组件的图，其中，压力传感器与隔离膜组件隔开，以提供热隔离。
图2A是根据本发明的包括直接安装远程密封在内的压力变送器的部分剖视图。
图2B是图2A的直接安装远程密封的一部分的截面图。
图3A是根据一个实施例的包括直接安装远程密封在内的压力变送器的部分剖视图。
图3B是图3A的直接安装远程密封的一部分的截面图。
具体实施方式
提供高温度过程的高精度压力测量是困难的，尤其在热或冷的周围环境中。本发明提供解决这种困难的技术。
被安装至高温过程的压力变送器(例如，被配置为测量绝对压力、计量压力或差压的变送器)会变得过热以致于超过最大工作温度，除非变送器与热过程之间热隔离。典型地，可以使用远程密封来实现这种热隔离，在这种远程密封中，压力变送器与过程分离，或以其他方式与过程热隔离。通过毛细管向压力变送器传递来自于过程流体的压力。可以使用隔离膜将毛细管与过程流体之间流体隔离。隔离膜接触过程流体，并且由于压力施加于隔离膜，因此隔离膜弯曲并向毛细管中的填充流体施加压力。毛细管的另一端直接或者通过另一隔离膜耦合至压力传感器。
这种远程密封配置的一个问题在于：填充毛细管的隔离填充流体如果暴露于温度极限，就会劣化。能够经受相对高温的填充流体不会在相对低温下以足够精度运行。一种类型的高温填充流体(DC-704)在0℃以下不工作。流体变得如此粘滞，以致于不能向变送器隔离膜传送压力信号。然而，许多应用需要在冷的周围条件下进行高温过程的压力测量。本发明提供了一种技术，用于远离过程流体放置变送器，从而将变送器与高温相隔离，而同时仍能够测量超过200℃的过程温度，即使在周围温度低于0℃时。该配置也能够在热的周围温度下保护变送器。
图1是示出了压力变送器组件的图，其中，压力传感器与隔离膜组件隔开，以提供热隔离。图1是示出了根据本发明的压力变送器组件106的工业过程设施100的简图。过程100包括容器102，容器102中包含过程流体104。变送器组件106包括将变送器(变送器模块)108安装至容器102的变送器分支(offset)组件110。尽管变送器分支组件110示作分离部件，但是其可以是与变送器108一体的部件。分支组件110包括隔离膜组件120、导管122、以及变送器支撑124。隔离膜组件120包括隔离膜128，隔离膜128具有面对并接触过程流体104的过程界面侧。隔离腔129限定在隔离膜128之后。毛细管122耦合至该隔离腔129，并且毛细管122填充有隔离填充流体。隔离填充流体是实质上不可压缩的流体，例如油。毛细管122中与隔离膜组件120相对的一端耦合至压力传感器130。压力传感器向变送器电路132提供输出。所示的变送器电路132耦合至双线过程控制回路134。备选地，变送器可以采用各种无线技术。压力传感器130通过电连接138电耦合至变送器电子装置132。在一个特定实施例中，电连接138包括柔性电路。
隔离膜组件120可以是任何配置，图1中的图仅出于示意目的。类似地，导管122、变送器108、压力传感器130以及变送器电子装置132可以是任何期望的配置。导管122不需要如图1所示是直的或管状的，在备选配置中可以采用任何数目的导管。
变送器支撑124以分隔开的定向，将变送器108物理安装至隔离膜组件122。可以使用任何期望的变送器支撑或配置。一个示例支撑124是完全包围导管122以保护导管122不受过程环境影响的支撑。另一示例变送器支撑对容器102和变送器108之间的空间进行分割，来创建用以减小或反射辐射的挡板。由分支组件110提供的过程容器102和变送器108之间的间隔提供了它们之间的热隔离。通过使用空气隙或通过其他技术，使用具有良好绝热特性的材料来实现热隔离。可以基于用于具体设施的期望热隔离量，来选择变送器108和过程容器102之间的分离距离。可以在具有特别热的过程温度的设施中，或者对于包括对温度极限特别敏感的电子装置或其他部件的变送器，使间隔增加。此外，图1提供了热开关150的示意图示，热开关150被配置为选择性地耦合变送器108和过程104之间的热路径。在一个特定配置中，热开关150在小于特定阈值的温度下闭合，并且在其温度超过阈值时断开。
图2A是根据本发明一个实施例的压力变送器108和直接安装装置200的部分剖视图。图2B是直接安装装置200的更详细的截面图。直接安装装置200包括过程耦合端202和变送器耦合端204。毛细管206在端部202和204之间延伸，并可以填充有填充流体，例如实质上不可压缩的油等。在一个配置中，每一端部202和204分别包括隔离膜210、212，以隔离和保持毛细管206内的填充流体。在另一配置中，隔离膜210仅位于过程耦合端202处，并且填充流体接触压力变送器108的隔离膜(未示出)。
在图2A和2B的实施例中，热开关150(图1所示)由材料的热膨胀率之间的差异形成，这种差异使得在更高温度下形成间隙。该间隙引起热路径中热阻的显著增加。参照图2B，安装装置200由高热膨胀的外壳230形成。例如，外壳230由不锈钢316SST形成。这种材料还具有相对低的导热率。内壳232由低热膨胀的材料(例如，铜合金)形成，并且提供热传导路径。低热膨胀材料232还应当具有相对高的导热率。随着安装装置200的温度增加，高热膨胀材料230以比低热膨胀材料232高的速率膨胀，使得形成间隙240。该间隙240使得由材料232提供的热路径与工业过程实质上热断开。这提供了热分流器，在较高温度下断开并在较低温度下闭合。例如，在具有相对高周围温度的高温过程应用中，分流器断开，并提供相对高的热阻，从而保护变送器不会过热。然而，在较冷周围温度下，分流器闭合，从而提供具有相对低的热阻的热路径。这实现了热从过程流至变送器隔离区域，从而将毛细管206中接近变送器108的区域中的填充流体的温度保持在足够高的温度，以保持功能。例如，一个模型预测，当周围空气温度为负40℃度时，假设过程温度保持在200℃以上，则变送器108的隔离膜212处的填充流体保持0℃以上。
该配置使用直接安装远程密封，以使得压力变送器能够在极冷以及极热的周围温度条件下测量极高温度过程的压力。此外，该配置可以起到热“熔丝”的作用，防止变送器在过程温度升高到超过可接受程度的情况下过热。
在一个方面中，直接安装装置200的配置在热开关处于闭合位置时，实质上最小化过程和变送器隔离区域之间的热阻，并且在热开关处于断开位置时，实质上最大化过程和变送器隔离区域之间的热阻。壳230和232之间的空间可以是真空，或者非热传导材料，从而使内部热导体与外部管道绝热，并且沿着毛细管将热引导至变送器隔离区域。优选地，结构设计被配置为，确保材料经历的最大应力保持在针对所有工作条件的材料耐疲劳度和蠕变极限以下。优选的材料包括铜合金。
图3A是根据本发明另一实施例的直接安装装置300的部分剖视图，图3B是根据本发明另一实施例的直接安装装置300的放大剖视图。图3A和3B中与图2A和2B所示的那些项类似的项保留它们的编号。在图3A和3B的配置中，安装装置300提供被动热优化。更具体地，高导热材料306(例如，铜)围绕毛细管206延伸。真空308提供高导热材料306和外部管道310之间的热隔离。在导热材料306和过程耦合202处的接头(fitting)316之间提供热连接314。例如，接头306可以包括不锈钢，并且与314的连接可以通过任何适当的技术，例如，钎焊(braising)或焊接(bonding)。导热材料306和接近变送器耦合204的端部耦合322之间存在类似的热连接界面320。热绝缘器326位于变送器耦合204附近，并位于高导热材料306和外部管道310的薄壁330之间。薄壁330还在导热材料306和变送器接头332之间提供热隔离。
在操作中，图3A和3B所示的配置提供了被动热设计，使得在极冷以及极热周围温度条件下能够进行高温测量。在该配置中，具有高导热率的材料306在管道310中延伸，并被配置为通过过程耦合304从过程传热。该导热材料306在低温期间传导足够的热量，以在变送器耦合204处将毛细管206内的填充流体保持在足够高的温度，例如，0℃以上。然而，热耦合不足以使变送器在温或热周围温度条件期间过热。该配置还提供了变送器耦合204同变送器108、周围环境之间的热隔离。在外部管道310内可以提供真空，以便于在高导热率材料306和外部管道310之间提供隔离。在一个配置中，图2A和2B所示具有热开关的本发明包括在图3A和3B中描述的被动热隔离设计。
在各个方面中，本发明提供了一种直接安装装置中的温度致动热开关，其中利用具有不相同膨胀系数的材料。热开关用于选择性地沿着毛细管从热过程传导热量，从而在冷周围条件中使用时将远程密封系统内的填充流体保持在其最小工作温度以上。例如，这种配置可以用于，在极冷周围环境(负40℃)中，或者在热周围温度(例如，40℃的炎热晴天)中，使直接安装远程密封能够测量高温过程(即，200℃和250℃)中的压力。在特定示例中，热开关是基于温度来致动的。本发明提供了一种根据设计实现方式可调节的可变热阻。在另一方面中，被动热设计提供足够热阻以防止变送器在热天气期间过热，还能够在冷天气期间沿着毛细管从热过程传导足够热量，从而将毛细管填充流体保持在最小工作温度以上。这种配置在极冷周围温度(例如，负40℃至0℃)中，以及在热周围温度(例如，40℃的晴天)时，使直接安装远程密封能够测量高温度过程(例如，200℃至250℃)中的压力。
尽管已经参照优选实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将认识到，在不背离本发明的精神和范围的前提下可以进行形式和细节上的修改。

Claims (25)

1.一种用于将压力变送器耦合至工业过程的过程流体的直接安装装置，包括：
变送器耦合端，被配置为耦合至压力变送器；
过程耦合端，被配置为耦合工业过程；
毛细管，在变送器耦合端和过程耦合端之间延伸；
具有相对高导热率的热传导路径，在过程耦合端和变送器耦合端之间延伸；以及
热开关，被配置为选择性地热连接过程耦合端和变送器耦合端之间的热传导路径。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，热开关响应于温度。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，热开关由两种材料之间的间隙形成。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，两种材料具有不相同的膨胀系数，从而使间隙的大小随着温度而变化。
5.根据权利要求1所述的装置，包括：隔离膜，被配置为将毛细管中的填充流体与过程流体隔离。
6.根据权利要求1所述的装置，包括：外壳。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，毛细管填充有填充流体。
8.根据权利要求1所述的装置，其中，毛细管被配置为向压力变送器传递过程压力。
9.根据权利要求6所述的装置，包括：真空，在外壳和毛细管之间沿着毛细管形成。
10.根据权利要求1所述的装置，其中，热传导路径包括具有高导热率的材料。
11.根据权利要求1所述的装置，其中，热传导路径沿着毛细管延伸。
12.根据权利要求11所述的装置，包括热传导路径和过程流体之间的热传导界面。
13.根据权利要求1所述的装置，包括：热传导路径和压力变送器之间的热传导界面。
14.根据权利要求1所述的装置，其中，热开关在高温下断开，在较低温度下闭合。
15.一种将压力变送器耦合至工业过程的过程流体的压力的方法，包括：
将毛细管耦合至过程流体的压力；
将压力变送器耦合至毛细管；
提供沿着毛细管的热传导路径；
将热传导路径与周围环境热隔离；以及
将热传导路径选择性地热耦合至过程流体，
其中，选择性地热耦合包括形成两种材料之间的间隙，
其中，两种材料具有不相同的膨胀系数，从而使间隙的大小随着温度而变化。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，选择性地热耦合基于温度。
17.根据权利要求15所述的方法，包括：提供被配置为将毛细管中的填充流体与过程流体相隔离的隔离膜。
18.根据权利要求15所述的方法，其中，毛细管填充有填充流体。
19.根据权利要求15所述的方法，其中，毛细管被配置为向压力变送器传递过程压力。
20.根据权利要求15所述的方法，包括：在毛细管和外壳之间提供沿着毛细管形成的真空。
21.根据权利要求15所述的方法，其中，热传导路径包括具有高导热率的材料。
22.根据权利要求15所述的方法，其中，热传导路径沿着毛细管延伸。
23.根据权利要求22所述的方法，包括：提供热传导路径和过程流体之间的热传导界面。
24.根据权利要求15所述的方法，包括：提供热传导路径和压力变送器之间的热传导界面。
25.根据权利要求22或23所述的方法，包括：将热传导界面焊接至热传导路径。
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