CN103176487A - 热控过程接口 - Google Patents

Abstract

现场设备(36)通过至少一个过程接口元件(50，102，172，200)被联接到过程。该过程接口元件(50，102，172，200)可以是现场设备法兰、集合管或过程法兰。该过程接口元件(50，102，172，200)具有附于其上的温度传感器(106)，并适合容纳热源(104，124，156，178，206)。在一个实施例中，该热源(104，124，156，178，206)是一个或多个电加热器(104，156，206)。在另一个实施例中，该热源是通过过程接口元件(50，102，172，200)的传热流体保温加热器(tracing)(126，174)。控制器(108)被联接到温度传感器(106)，并适合基于温度传感器(106)测量的过程接口元件(50，102，172，200)的温度，控制应用于过程接口元件(50，102，172，200)的热量。

Description

热控过程接口

本申请为申请号为200580041658.6(国际申请号为PCT/US2005/041871)、国际申请日为2005年11月18日、发明名称为“热控过程接口”的专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及现场设备。更具体地说，本发明涉及现场设备和过程之间的过程接口。

背景技术

许多行业使用诸如过程变量变送器的现场设备以远程检测过程变量。这种变量通常与诸如泥浆、液体、蒸汽、气体、化学品、纸浆、石油、医药品、食品的流体和其它流体加工厂相关。过程变量可包括压力、温度、流量、浊度、浓度、密度、化学补偿和其它属性。现场设备的其它实例包括阀、致动器、加热器和控制器。

过程变量变送器用于测量并提供精确和可靠的过程测量值。一种获得准确和可靠的过程测量值的挑战是保持过程接口和过程介质本身的集成性。由于改变温度或流体本身状态的变化，过程流体通常会阻塞或固化，这导致测量误差和潜在的危险过程条件。

热控系统用于工业过程控制和测量是已知的。例如，为了提高设备精度和/或寿命，高纯度真空传感器经常具有内热控制系统，以将整个设备保持在选定温度。另外，一些现场设备使用设置在主元件附近的热控制系统，以确保元件保持在期望的温度。例如，空速管已知被加热以便：在飞行期间测量空气速度时，它们不会积聚冰。

另外，一些采用了多种外部装置和方法，以将热控制系统应用于现场设备。这些技术通常使用电热元件或蒸汽保温加热器，但很难安装，温度测量和控制较差，并且成本较高并且不易维护。这些设备是“附加”设计，其被典型地外部附于连接硬件或测量仪器本身。虽然现有方法通常致力于仪器模块和主元件本身的一些热问题，但该过程接口元件未被用于这种用途。将热控制元件附加到过程接口元件的安装要求另外的控制系统、另外的安装时间和花费。此外，由于它们被暴露于这些元件，这种系统更易出故障。因此，需要具有带有更集成的热控制系统的过程接口元件的现场设备。这种现场设备将提供过程接口的热控制更廉价和更稳定的优点。

发明内容

现场设备通过至少一个过程接口元件被联接到过程。该过程接口元件可以是现场设备法兰、集合管(或歧管)、导压管(impulse tubing)或过程法兰。该过程接口元件具有附于其上的温度传感器，并适合容纳热源。在一个实施例中，该热源是一个或多个电加热器。在另一个实施例中，该热源是通过过程接口元件的传热流体保温加热器或加热管(tracing)。控制器被联接到温度传感器，并适合基于温度传感器测量的过程接口元件的温度，控制应用于过程接口元件的热量。

附图说明

图1是过程测量系统的环境的概略图；

图2是典型过程变量变送器的分解图；

图3是根据本发明的一个实施例的过程接口热控制系统的概略图。

图4是根据本发明的另一个实施例的过程接口热控制系统的概略图。

图5是根据本发明的另一个实施例的过程接口热控制系统的概略图。

图6是根据本发明的另一个实施例的过程接口热控制系统的概略图。

图7是根据本发明的一个实施例的另一类型的过程接口元件的概略图。

图8是根据本发明的一个实施例的另一类型的过程接口元件的概略图。

具体实施方式

下述描述参照了附图。附图和描述提供了本发明如何制造或使用或“实施”的特定实例或“实施例”。本发明的范围包括这些具体实例和其它实例，并且不应局限于这里描述的实例。可以设想其它实例，只要在公开实例以后发展的，其它实例就应落入本发明的范围。在不背离由所附权利要求确定的受保护发明的范围精神的情况下，可以对描述的实施例进行改动。

图1概要地显示了过程测量系统32的环境的一个实例。图1显示了包含受压流体的过程管道系统30，其被联接到用于测量过程压力的过程测量系统32。该过程测量系统32包括连接到管道系统30的导压管道系统或测量管道系统(impulse piping)34。该导压管道系统34被连接到过程压力变送器36。在导压管道系统34的管道之间，在过程管道系统30中的某一位置处，诸如孔板、文氏管、流量喷嘴等的主元件33接触过程流体。当流体经过主元件33时，该主元件33导致流体的压力变化。

变送器36是一种过程测量设备，该过程测量设备经导压管道34接收过程压力。该变送器36检测过程压力，并将其转换为作为过程压力的函数的标准传输信号。变送器还能够检测多个过程变量，或能够被构造以提供过程控制功能。在该实例中，变送器36是差压变送器。图1显示了构造以测量流量的变送器。当然，可以设想差压测量用的变送器的其它用途。

过程回路38有利于动力信号到变送器36和双向通信，并能够根据多种过程通信协议构造。在所示实例中，该过程回路38是双线回路。如名称指示，双线回路仅使用两根线以将变送器36电连接到远程控制室40。在利用4-20mA信号的常规操作期间，该双线回路用于传输全部电力到变送器36并且传输全部通信至变送器36和从变送器36传输全部通信。因此，所示变送器36通常被称作“双线变送器”，但是已知和可以设想到诸如三线和四线变送器等的其它结构。通信可以利用4-20mA模拟信号和公开协议(open protocol)

或FOUNDATION^TMFieldbus数字协议执行。该变送器36能够被构造与其它过程协议一起使用，其中包括世界上使用的Device Bus，Sensor Bus，Profibus，Ethernet等。通过调制解调器44或其它网络接口，计算机42或其它信息处理系统被用于与变送器36通信。远程电压电源46典型地为变送器36供电。

图2显示了实例变送器36的分解图。现场设备法兰50被连接于传感器模块52，以与导压管道系统34接口。该传感器模块52包括全焊接设计的带螺纹的外壳53，以将内部部件与过程介质和现场环境隔离。过程压力施加到传感器模块52。过程传感器(未示出)被设置在模块52内，与过程介质机械、电和热隔离，接收过程压力并提供表示差压的模拟电信号。

图3是本发明一个实施例的概略图。系统100包括过程接口元件102，其具有设置在其中并被热联接到其上的电热元件104。温度检测设备106被热联接到过程接口元件102，并被电联接到控制器108。控制器108还通过控制线112被联接到电开关110。

该过程接口元件102可以是将过程设备联接或至少部分联接到过程的任何接口元件。过程接口元件包括但不局限于：集合管；过程法兰；导压管道系统或测量管道系统；辅助充填系统(fill system)(诸如远程密封，remote seal)与/或现场设备法兰。开关110通过线114被联接到电源，并且能够基于来自控制器108的控制线112的激发，选择性地将电力传送到热源104。热源104可以是能够响应激发改变温度的任何电气设备。因此，热源104可以是电加热器，或响应激发冷却的设备，诸如已知的Peltier设备。优选地，热源104是适合与过程接口元件一起使用的电加热元件结构。例如，热源104可包括设置在过程接口元件102内适当凹部中的一个或多个筒形加热器。另外，诸如蚀刻箔加热器的其它类型电加热器能够被加入过程接口元件102的设计和制造中。本领域的技术人员将认识到：能适合加热过程接口元件102的其它电加热形式。

温度传感器106可以是提供随着过程接口元件102的温度变化的电参数的任何适合的设备。因此，传感器106可以是热耦、电阻温度装置(RTD)、电热调节器或任何其它适合的设备。优选地，传感器106被设置在过程接口元件102内。在过程接口元件102内设置的传感器106的一个实例包括作为设置在过程接口元件102内的适合大小凹部内的RTD探针的传感器106。

控制器108包括逻辑与/或电路，其使用适合的控制策略，能够将在线112上提供的适合控制信号与从温度传感器106提供的温度传感器信号关联。控制器108优选地包括微处理器，以及用于接收输入信号和用于生成输出信号的适当的输入和输出电路。例如，在温度传感器106是RTD的情况中，控制器108可包括适当的电路以驱动经过RTD的小电流，并测量经过RTD产生的相关电压。在一个实施例中，控制器108可以是热控制系统100联接的现场设备的控制器。例如，在其中过程变量变送器是其中具有微处理器的压力变送器的实施例中，控制器108可由过程变量变送器内的微处理器提供。然而，在其它实施例中，控制器108和开关110均可以是另外的附加模块，用于保持对过程接口元件102的独立温度控制。在其它实施例中，这个控制器108和开关110可以与过程接口元件102集成或成整体。

图4是根据本发明的一个实施例的过程接口热控系统120的概略图。控制系统120类似控制系统100包括多个部件，并且相似部件被类似地编号。控制系统120与控制系统100的不同之外在于：控制系统120使用诸如蒸汽的传热流体，以控制过程接口元件102的温度。相应地，系统100的开关110被系统120中的阀122代替。阀122被联接到传热流体的源124。基于自控制器108的线112的激励，阀122可选择地使传热流体流经过程接口元件102中的保温加热器(或加热管)126。从过程接口元件102出来的传热流体以标号128被指示，并可用于诸如其它过程接口元件的附加部件、可被排出或可被恢复。如前所述，传感器106将过程接口元件102的温度指示提供给控制器108，控制器沿线112有选择地激励阀122以控制传热流体流，从而控制过程接口元件102的温度。根据有关过程接口的传热流体的温度，经过程接口的流体流可加热或冷却过程接口。

图5是过程接口热控制系统150的概要视图。系统150包括过程接口元件102，其在这个实施例中是其中具有多个凹部154的集合管(manifold)152，以容纳筒形加热器156。集合管152还具有容纳温度传感器106的凹部158。开关160通过线162联接到电源，并基于自控制器108的控制线112的激励，选择性地利用来自线162的电力激励筒形加热器156。开关160可以是能够基于相对较小的激励信号开关相对大量电的任何适合的设备。例如，开关160可以是继电器、半导体开关或任何其它适合的设备。集合管152包括安装孔162和压力导管164。

热控制系统150使集合管152保持在存储在控制器108中的、选定的温度设定点。相应地，如果传感器106指示集合管152的实际温度在设定点以下，控制器108将沿线112激励开关160，以使用筒状加热器156加热集合管152。可以使用包括但不局限于比例、比例-积分、比例-微分和比例-积分-微分(PID)的任何适合的控制方式。

图6是根据本发明的另一个实施例的过程接口热控制系统170的概略图。系统170的集合管172类似于集合管152，但包括其中的传热流体保温加热器或(或加热管)174。阀176被联接到传热流体的源178，并且基于来自控制器108的控制线112的激励，阀176选择性地使传热流体流经保温加热器174和流出端口180。如在其它实施例中描述的，控制器108基于温度传感器106测量的温度，生成沿线112的激励信号。如图6指示，优选地，温度传感器106被设置得相对接近传热流体保温加热器174。在图6中指示实施例中，传感器106实际被设置略高或低于传热流体保温加热器174。优选地，传热流体是蒸汽，但可以是包括诸如水、油或防冻剂的任何适合的流体。

图7是另一类型的过程接口元件102概略图。在这个实施例中，过程接口元件102是诸如过程或现场设备法兰182的法兰。法兰182包括传热流体保温加热器174和设置相对接近传热流体保温加热器174的孔184。孔184适合安装诸如温度传感器106的温度传感器。

图8是根据本发明的一个实施例的过程接口元件200的透视图。元件200是通过导管内的流体将来自过程的过程压力传送到压力检测装置的导管。一种形式的元件200包括修改的导压管或测压管202。然而，元件200还可以是诸如远程密封(remote seal)的辅助填充系统(secondary fill system)。导压管202包括用于联接到过程变量变送器的螺纹204。另外，导压管202具有热联接到其上的热源206。在所示实施例中，热源206是设置在结合或附于管202的覆盖材料内的电加热元件208。温度传感器210被设置以检测管202的温度。根据本发明的实施例，元件208和传感器210的每个包括可联接到过程设备的导线，以便过程设备提供热控制功能。例如，使用温度传感器，过程设备可确定导压管202的温度，并使用加热元件208，将选定量的能量应用到导压管202。图8仅显示了热受控导压管的一个实例。其它实施例包括由蒸汽保温加热器加热或冷却的导压管。在这些实施例中，现场设备提供了热控制功能，以便不需要另外的温度控制器。

该过程接口的热控制提供了多种优点。首先，在其中过程接口在接近过程介质的冻结温度处操作的应用中，提供的受控热源确保了从接口到压力传感器模块的通路不会冻结。此外，即使在其中温度未接近过程介质的冻结点的应用中，由于改变温度或流体本身的状态变化，加热过程接口确实减小了固化或阻塞的发生。此外，在其中过程接口受控得到冷却的实施例中，这种冷却可有助于将接口附近的过程介质的温度保持在诸如过程介质的沸点的临界温度以下。

在其中现场设备能够接收适合量的电力的实施例中，可以想到：可加入开关/阀和控制器作为现场设备的一部分。此外，在其中热控制系统的控制器是现场设备的一部分的实施例中，通过过程控制和测量回路能够传送诸如当前过程接口元件的温度和/或告警条件的热控制的状况。另外，根据期望，通过过程控制和测量回路，控制器能够接收新温度设定点，用于热控制系统。

还可以清楚地设想到：过程接口元件热控制系统可以完全独立于现场设备。因此，虽然热控制系统可以使用120伏60Hz电源，但现场设备可利用过程控制和测量回路的相对低的电力(例如4-20mA)工作。此外，在其中现场设备的处理器和热控制系统分离的实施例中，它们可被联接起来实现其间的通信。虽然已就单个过程元件描述了本发明的实施例，可以明显地想到：热控制系统可被应用于有关单一现场设备或有关多现场设备的多过程接口元件。

虽然本发明是参考优选实施进行描述的，但本领域中的技术工作人员将会意识到：在不离开本发明的精神和范围的情况下，可以做一些形式与细节的变动。

Claims (32)

1.一种用于将现场设备联接到过程的过程接口热控制系统，所述过程接口热控制系统包括：

适合将现场设备联接到过程的过程接口，所述过程接口具有至少一个凹部以容纳热源，

温度传感器，所述温度传感器被联接到过程接口，以提供过程接口温度的指示；和

控制器，所述控制器被联接到温度传感器，并被构造以基于过程接口温度指示使用热源。

2.根据权利要求1所述的系统，其中：所述过程接口元件是过程法兰。

3.根据权利要求1所述的系统，其中：所述过程接口元件是现场设备法兰。

4.根据权利要求1所述的系统，其中：所述过程接口元件是集合管。

5.根据权利要求1所述的系统，其中：所述温度传感器被安装在所述过程接口元件内。

6.根据权利要求1所述的系统，其中：所述凹部适合使传热流体经过。

7.根据权利要求6所述的系统，其中：所述凹部可操作地联接到传热流体源。

8.根据权利要求7所述的系统，其中：所述传热流体是蒸汽。

9.根据权利要求7所述的系统，其中：所述传热流体是液体。

10.根据权利要求7所述的系统，并且还包括介于传热流体源和凹部之间的阀，所述阀被联接到控制器，并且基于来自控制器的激励信号启动。

11.根据权利要求1所述的系统，其中：所述凹部在其中包含电加热器。

12.根据权利要求11所述的系统，其中：所述电加热器是筒形加热器。

13.根据权利要求11所述的系统，其中：所述电加热器被可操作地联接到能量源，所述加热器由控制器选择性地激励。

14.根据权利要求13所述的系统，并且还包括：介于加热器和能量源之间的开关，所述开关被联接到控制器，并且基于来自控制器的激励信号选择性地激励加热器。

15.根据权利要求1所述的系统，其中：所述现场设备是过程变量变送器。

16.根据权利要求1所述的系统，其中：所述热控制系统完全由现场设备提供动力。

17.根据权利要求1所述的系统，其中：所述控制器是现场设备的一部分。

18.根据权利要求1所述的系统，其中：所述现场设备包括联接到热控制系统的控制器的现场设备控制器。

19.根据权利要求18所述的系统，其中：所述热控制系统的温度设定点可基于通过过程通信回路与现场设备的通信而改变。

20.一种控制过程接口元件的温度的方法，所述方法包括：

测量过程接口元件的温度；和

基于温度测量值，控制设置在过程接口内的热源。

21.根据权利要求20所述的方法，其中所述热源是蒸汽。

22.根据权利要求20所述的方法，其中所述热源包括至少一个电加热器。

23.一种用于将现场设备联接到过程的过程接口热控制系统，所述过程接口热控制系统包括：

过程接口装置，用于将现场设备联接到过程；

用于检测过程接口装置的温度的装置；和

装置，所述装置用于基于来自用于检测过程接口装置的温度的装置的信号，控制过程接口装置内的热源。

24.一种具有热控过程接口的现场设备，所述设备包括：

适合将现场设备联接到过程的过程接口，其中：所述过程接口包括至少一个将过程流体压力从过程传送到现场设备的导管；

热源，所述热源可操作地联接到至少一个导管并受到现场设备的控制；

温度传感器，所述温度传感器电联接到现场设备并热联接到所述至少一个导管，并且其中：

所述现场设备基于温度传感器检测的导压管温度控制热源。

25.根据权利要求24所述的现场设备，其中：所述至少一个导管包括一对导管，每个导管被热联接到热源并且其中：所述温度传感器被热联接到导管中的至少一个导管。

26.根据权利要求24所述的现场设备，其中：所述热源是加热器。

27.根据权利要求24所述的现场设备，其中：所述热源包括电热源。

28.根据权利要求24所述的现场设备，其中：所述至少一个导管是导压管。

29.根据权利要求24所述的现场设备，其中：所述至少一个导管包括辅助填充系统。

30.根据权利要求29所述的现场设备，其中：所述辅助填充系统是远程密封。

31.根据权利要求1所述的系统，其中：过程接口受控得到冷却。

32.根据权利要求24所述的现场设备，其中：过程接口受控得到冷却。

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