CN104515545A - 用于高压应用的多变量过程流体变送器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种多变量的过程流体变送器模块，包括具有一对凹槽的基部。一对基座设置有每个基座，所述基座配置在相应的凹槽中，并且连接到相应的隔离膜片。至少一个线压组件安装接近基座中的一个。至少一个线压组件将相应的隔离膜片连接到线压传感器。压差传感器具有检测膜片，所述检测膜片通过填充流体流体地耦合到隔离膜片。配置至少一个额外的传感器以检测过程流体的温度。电路连接到线压传感器、压差传感器和至少一个额外的传感器，以测量线压传感器、压差传感器和至少一个额外的传感器中的每一个的电特性。电路配置成基于线压传感器、压差传感器和至少一个额外的传感器中的每一个的测量的电特性，提供流体流量指示。

Description

用于高压应用的多变量过程流体变送器
背景技术
工业过程控制系统用于监控和控制产生或转移流体等等的工业过程。在这种系统中，测量诸如温度、压力、流量以及其他类似物的“过程变量”一般是重要的。过程变量变送器用于测量这种过程变量，并且将涉及测量的过程变量的信息传输回到诸如中央控制室的中央位置。
过程变量变送器一般包括或连接到响应过程变量的变换器或传感器。过程变量一般地指物质的物理或化学状态，或能量的转化。过程变量的例子包括压力、温度、流量、传导性、酸碱性(pH)和其他的性质。认为压力是基本的过程变量，可以用于测量流量、强度和甚至温度。
为测量流体流量，确定许多过程变量(诸如过程流体温度、过程流体静态的压力或线压和跨越部分障碍物(诸如孔板等等)的过程流体压差)经常是必要的。在这种例子中，多变量变送器通常用于测量和监控多个过程变量，以提供诸如过程流体流量的计算参数。这种关于各种工业过程流体的计算参数是有用的，诸如水泥、流体、化学制品的水汽和气体、纸浆、石油、气体、医药品、食物和其他的流体类型处理的植物。
多变量的过程流体变送器一般地包括压差传感器和线压传感器和/或过程流体温度传感器。压差传感器响应两个过程流体输入之间的压力差异。线压传感器响应一种流体输入的绝对或表压力。过程流体温度传感器用诸如电压或电阻的电指示响应过程流体的温度，所述电指示涉及过程流体温度。
在包括压差传感器的多变量的过程流体变送器中，这种变送器一般包括一对隔离器隔膜片，所述隔离器膜片设置在过程流体入口，并且将压差传感器与检测的严酷的过程流体隔离。压力从过程流体通过大致不能压缩的填充流体转移到压差传感器，所述填充流体在从每个隔离器膜片延伸到压差传感器的通道中输送。
高静压力环境可能对过程流体变送器提供重要的挑战。在一些情况下，由于螺栓和用在其间的可变形密封件的极限应力，过程流体凸缘和过程变量变送器基部之间的螺栓连接在这种高压力下一般不能密封。当密封件变形或以其他方式被破坏时，过程流体可能从连接器漏出。现在，多变量的过程流体变送器不能够在规定的高线压力(诸如15，000psi)的环境中操作。因此，现在的多变量装置一般地不适合于一些过程环境(诸如海底使用)。相应地，在这种环境中，当要求流量测量或其他相似的测量(所述测量要求多个过程变量)时，需要多个过程流体变送器，诸如两个并且有时三个过程流体变送器。提供这种变送器涉及相当多的花费。因此，对于增长的高压市场，诸如海底石油和天然气井，提供多变量的过程流体变送器是理想的，所述变送器适合于这种环境，并且可以使用单个设备提供所有必要的过程变量。
发明内容
多变量的过程流体变送器模块包括具有一对凹槽的基部。一对基座设置有每个基座，所述基座配置在相应的凹槽中，并且连接到相应的隔离膜片。至少一个线压组件安装接近基座中的一个。至少一个线压组件将相应的隔离膜片连接到线压传感器。压差传感器具有检测膜片，所述检测膜片通过填充流体流体地耦合到隔离膜片。配置至少一个额外的传感器以检测过程流体的温度。电路连接到线压传感器、压差传感器和至少一个额外的传感器，以测量线压传感器、压差传感器和至少一个额外的传感器中的每一个的电特性。电路配置成基于线压传感器、压差传感器和至少一个额外的传感器中的每一个的测量的电特性，提供流体流量指示。
附图说明
图1是根据本发明实施例的多变量的过程流体变送器的图解视图。
图2是适合用于直接浸入在海水中的多变量的过程流体变送器的图解视图。
图3是根据本发明实施例的多变量的过程流体变送器的图解截面图。
具体实施方式
使用跨越主要元件的压差的高压力流量测量现在要求至少两个并且有时三个过程变量变送器，以进行测量。较低的压力环境可以使用单个的多变量过程流体变送器(诸如从明尼苏达州的Chanhassen的爱默生(Emerson)过程控制公司获得的、在商业指定型号3095或3051SMV下售卖的那些)，以测量压差、线压和温度，以提供完全补偿的流量值。然而，这种装置仅规定到3626psi的MWP。当流量相关值要求用于高压力环境(于此限定为比3626psi大并且高达15,000psi的MWP并且包括15,000psi MWP)时，要求另一种方法。假定海底环境规定的高压，于此描述的至少一些实施例包括它们的装置或部分，所述装置或部分适合于直接浸入盐水。如于此限定的，“适合浸入盐水”意味着材料将在可行的产品的寿命中，在盐水存在的条件下不腐蚀或以其他方式不允许地退化。适合浸入盐水的材料的例子包括合金C276，所述合金从印地安纳州Kokomo的海恩斯(Haynes)国际公司获得，在商业名称镍基合金C276下；铬镍铁合金625，从纽约的NewHartford的特别金属家族公司获得；和从海恩斯国际公司获得的合金C-22。特别感兴趣的是合金C276，具有以下化学成分(以％计量重量)：钼15.0-17.0；铬14.5-16.5；铁4.0-7.0；钨3.0-4.5；钴，最高2.5；锰，最高1.0；钒，最高0.35；碳，最高0.01；磷，最高0.04；硫，最高0.03；硅，最高0.08；和剩余的镍。
如图1所述，多变量的传感器模块100包括连接到基部108和盖112的侧壁110。电引线连接器114能够连接到电子壳体102，并且包括导体，以将功率提供到传感器模块100和双向通信器。在一些实施例中，模块100可以跨越相同的导体通信，模块100通过所述导体得到动力。
图2是适合用于直接浸入海水中的、多变量的传感器模块100(在图1中说明)的图解视图。具体地，模块100的上部(接近电连接点115)用高压轴承端盖200覆盖，所述盖200用适合直接浸入海水的材料建造。而且，与暴露给在极端深处的海水有联系的高压由端盖200承受，当如此遭受时，所述端盖200保持它的形状和完整性。另外，端盖200优选地用与压差传感器模块100的底部108相同的材料建造。例如，如果模块100的底部108用合金C276建造，优选地端盖200也用合金C276建造。然而，在他们不用相同材料建造的实施例中，端盖200必须用适合焊接到模块100的部分108的材料建造。这意味着两个材料的冶金性必须足够相容于焊接，和/或两个材料的融点必须足够接近彼此。用于焊接不同金属的额外要求是结果焊件的冶金性(所述焊件与任一起始物料相比是不同的)必须也是耐侵蚀的。如可以从图2所认识，传感器模块100可以通过简单地将端盖200直接焊接到接口202处的下部108，相对容易地适合直接浸入海水。可以以任何合适的方式执行通过端盖200接近电连接点115。例如，高压玻璃导入器可以用于通过端盖200输送导体，以连接到连接点115。
图3是根据本发明实施例的传感器模块100的图解截面图。尽管传感器模块100在图3说明为共面的传感器模块，但是根据本发明的实施例，可以使用任何合适的传感器模块。模块100包括下部108，在一个实施例中，所述下部108用适合浸入盐水中的材料建造。尽管许多材料可以适合浸入盐水中，一个特别合适的例子是上面详尽地解释的合金C276。基部108连接到侧壁110和盖112，以在那里限定腔206。压差传感器208配置在腔206中，并且具有一对压差传感器输入210、212，所述输入将过程压力运输到能够偏转的膜片214，所述膜片214具有随着膜片偏转变化的电特性(诸如电容)。电特性通过配置接近传感器208的电路216被测量或以其他方式转换。电路216还调节电容测量，用于传输通过电连接点115。电路216优选地包括微处理器和过程通信模块，用于传输跨越过程通信回路或部分。这种通信的例子包括高速通道可定址远程变换器协议或FOUNDATIONTM现场总线协议。在一些实施例中，可以跨越相同的媒体驱动模块100，通过所述媒体所述模块100进行通信。
如上详尽地解释，在一些实施例中，模块100的部分可以适合用于浸入盐水。因此，构件必须不仅能够在这种环境中耐侵蚀，而且他们必须也能够承受诸如15000psi的高压。在一些实施例中，基部108适合用于浸入盐水。然而，在所有的实施例中，基部配置成承受高达和包括15,000psi的高线压。基部108包括一对凹槽217、219，每个所述凹槽具有相应的基座218、220。隔离器膜片222连接到每个基座218、220，并且通过定位在相应通道224、226的填充流体(诸如硅树脂油)将相应的过程流体压力输送到压差传感器208的相应的输入端210、212。这样，两个过程流体压力输送到压差传感器208，没有允许过程流体接触压差传感器208。
如图3所示，每个过程流体压力开口104、106优选地包括相应的一体的过程连接器230、232，所述连接器焊接到基部108，以提供耐侵蚀的、高压连接器。每个焊件围绕每个连接器的整个圆周延伸，使得焊件不仅有力地将连接器固定到基部108，也将连接器密封到那里。每个一体的过程连接器230、232包括过程流体压力接收孔236，所述孔适合暴露给在高达15,000psi压力的过程流体。另外，在过程连接器230、232焊接到部分108之前，每个基座218、220也优选地焊接到它的相应的过程连接器230、232。这样，临界过程压力保持被保护在模块内部的焊件免于海水暴露的腐蚀作用。
根据本发明的实施例，基座218、220的至少一个(和优选地基座218、220两者)包括如在相应的参考数字302、304处说明的线压组件。如在参考数字301、303处所示，线压组件302、304优选地焊接到他们的相应的基座218、220。每个线压组件302、304流体地耦合到相应的通道224、226。这样，每个线压组件将在它相应的过程连接器230、232处连接到相应的线压。至少一个线压组件连接到线压传感器，在参考数字305处以剖视图图解地指示。线压传感器可以是任何合适的传感器，诸如商业上可获得的基于电容的压力传感器。然而，要求用于本发明实施例的特定的高线压，线压传感器适合用于高压操作。一个这种修改包括利用较厚的能够偏转的膜片，以调整仪表因数，用于高达15,000psi的操作。线压传感器电连接到电路216，使得多变量的传感器模块可以测量线压传感器的电特性(诸如电容)，以获得线压的指示。尽管仅需要一个线压传感器，优选地基座218、220是相同的。而且，优选地，甚至当使用单个的线压传感器时，使用线压组件302、304二者。这减小制造模块100所需要的独特构件的数量。
在一些实施例中，诸如传感器306的温度传感器可以提供，并且连接到电子器件216以提供涉及过程流体温度的电指示。温度传感器306可以是任何合适的温度传感器类型，诸如电阻温度探测器(RTD)、热电偶、电热调节器或任何其他合适的设备，所述设备具有随温度改变的电特性或值。优选地，温度传感器306浸入油填充系统中的填充流体中。由于它的浸入油填充系统和它的接近隔离器，温度传感器306可以和压差传感器信号和线压传感器信号一起，用于提供完全补偿的流量测量。
在另一个实施例中，温度传感器可以设置在模块100中任何其他合适的位置，并且第二线压传感器可以定位在第二线压组件处。利用第二线压传感器提供冗余，使得如果一个线压传感器可能失效，可以使用第二线压传感器。另外，两个线压传感器还可以用于提供压差传感器输出的确认。可替代地，两个线压传感器可以用于基于两个线压传感器测量之间的差异，提供冗余的压差读数。尽管这种推导的压差传感器读数会比来自压差传感器的直接读数更不精确，当压差传感器已经失效或否则不可获得时，所述推导的压差传感器读数可以仍然提供有用的压差信息。在海底应用和/或其他恶劣的或挑战性环境中(其中直接访问模块不是微不足道的尝试)，这种冗余是特别有利的。
仍然在另一个实施例中，第二线压传感器被使用并且放置在第二线压组件处。然而，代替连接到线压，第二线压传感器密封在真空中或接近真空中。因此，第二线压传感器将对非压力相关的变量(诸如温度和/或在传感器模块上的应力)以与连接到线压的压力传感器几乎相同的方式做出反应。因此，当第二传感器的输出从线压传感器减去时，结果是对温度作用的补偿。因此，在这种实施例中，温度传感器可能不是必要的。进一步，真空密封的传感器输出可以用于提供温度的直接指示。
虽然本发明已经参照优选的实施例进行描述，在本技术领域熟练的技术人员将认识到可以在形式上做出改变，而没有违背本发明的精神和范围。

Claims (16)

1.一种多变量的过程流体变送器模块，包括：
基部，所述基部具有一对凹槽，
一对基座，每个所述基座配置在相应的凹槽中，并且连接到相应的隔离膜片；
至少一个线压组件，所述至少一个线压组件安装成接近基座中的一个，所述至少一个线压传感器组件将相应的隔离膜片连接到线压传感器；
压差传感器，所述压差传感器具有检测膜片，所述检测膜片通过填充流体流体地耦合到隔离膜片；
至少一个额外的传感器，配置成用于检测过程流体的变量；
电路，所述电路连接到线压传感器、压差传感器和所述至少一个额外的传感器，以测量线压传感器、压差传感器、和所述至少一个额外的传感器中的每一个的电特性；并且
其中电路配置成用于提供相关于所述至少一个线压传感器、所述压差传感器和所述至少一个额外的传感器的输出。
2.根据权利要求1所述的多变量的过程流体变送器模块，其中基部用适合浸没在海水中的材料建造。
3.根据权利要求2所述的多变量的过程流体变送器模块，其中所述材料是合金C276。
4.根据权利要求1所述的多变量的过程流体变送器模块，其中所述至少一个额外的传感器是温度传感器。
5.根据权利要求4所述的多变量的过程流体变送器模块，其中所述至少一个线压组件包括一对线压组件，每个线压组件安装到相应的基座。
6.根据权利要求5所述的多变量的过程流体变送器模块，其中线压组件焊接到相应的基座。
7.根据权利要求6所述的多变量的过程流体变送器模块，其中所述至少一个额外的传感器是安装到线压组件中的一个的温度传感器。
8.根据权利要求6所述的多变量的过程流体变送器模块，其中所述至少一个额外的传感器包括连接到所述电路和安装到线压组件的第二线压传感器，其中每个线压传感器连接到相应的隔离膜片。
9.根据权利要求8所述的多变量的过程流体变送器模块，其中第二线压传感器被电路使用以提供冗余的线压传感器信号。
10.根据权利要求8所述的多变量的过程流体变送器模块，其中所述一对线压传感器被电路使用以提供冗余的压差传感器信号。
11.根据权利要求6所述的多变量的过程流体变送器模块，其中所述至少一个额外的传感器包括密封在线压组件中的一个内的第二线压传感器。
12.根据权利要求11所述的多变量的过程流体变送器模块，其中第二线压传感器被保持在真空中。
13.根据权利要求1所述的多变量的过程流体变送器模块，进一步包括连接到基部的高压轴承端盖。
14.根据权利要求13所述的多变量的过程流体变送器，其中基部和高压轴承端盖用适合浸没在海水中的材料建造。
15.根据权利要求14所述的多变量的过程流体变送器，其中所述材料是合金C276。
16.根据权利要求1所述的多变量的过程流体变送器，其中输出是基于所述线压传感器、所述压差传感器和所述至少一个额外的传感器中的每一个的测量特性的流体流量指示。
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