CN106679834A - 具有二级密封件的过程变量测量系统 - Google Patents

Abstract

用于传感过程变量的设备，包括外壳和具有随过程变量改变的电特性的过程变量传感器。第一密封部被构造为暴露于过程流体。过程变量传感器相对于第一密封部安装。第二密封部将第一密封部连接至外壳。第二密封部具有流体地隔离外壳与第一密封部的至少一个密封件。

Description

具有二级密封件的过程变量测量系统

背景技术

工业过程控制系统用来监测和控制生产或传递流体等的工业过程。在这样的系统中，测量例如温度、压力、流速、液位等“过程变量”通常是重要的。过程控制传感器和变送器测量过程变量和与被测量的过程变量相关的信息并且将所述过程变量和与被测量的过程变量相关的信息传送回例如中央控制室的中央位置。此外，一些过程变量变送器也可将信息传送给其他过程装置。

过程变量测量的示例包括过程流体压力测量、过程流体流量测量、过程流体温度测量、过程流体液位测量等。这些装置的传感器通常暴露于过程流体(液体或气体)中以使得相关的参数可被测量和传送至监测和/或控制系统而产生过程控制。提供对过程变量的准确和精密的测量对有效的过程控制是重要的，同时更基础的要求是过程流体本身必须不能泄露。因此，过程变量测量点不应该在过程设备中产生任何泄漏。此外，当被分配维护这些过程装置任务的维修人员执行他们的维护活动时不暴露在危险中也是重要的。

在许多工业过程测量应用中，需要密封件以阻止过程流体泄漏。密封件或压力屏障为容纳过程流体以确保工厂员工的安全的机械结构。这样，初级密封件或压力屏障对过程流体测量系统是非常重要的。为了提供安全和强健的系统，一些应用要求冗余的密封件或压力屏障以在初级密封失效的情况下确保工厂员工的安全。因此，如果初级密封(例如热电偶套管)失效，那么过程流体将仍然被二级密封件或压力屏障容纳。

发明内容

一种用于传感过程变量的设备，包括外壳和具有随着过程变量而改变的电特性的过程变量传感器。第一密封部被构造为暴露于过程流体。过程变量传感器相对于第一密封部安装。第二密封部将第一密封部连接至外壳。第二密封部具有流体地隔离外壳与第一密封部的至少一个密封件。

附图说明

图1为特别适用于本发明的实施例的过程温度测量点100、热电偶套管102、温度传感器(在热电偶套管102内部)、变送器外壳104和温度变送器电子元件108的示意图。

图2为示出当热电偶套管已破裂或以其他方式允许其中的过程流体压力时从热电偶套管102上移除温度传感器模块110的结果的示意图。

图3A为采用根据本发明的实施例的至少一个第二密封件的过程流体温度传感系统的示意图。

图3B为当热电偶套管和矿物绝缘(MI)电缆均破裂时图3A所示的装置的一部分的放大图。

图3C为根据本发明的一个实施例的连接至附件端口的一些不同类型的压力探测、指示和/或释放附件的示意图。

图3D为根据本发明的另一个实施例的过程流体测量系统的示意图。

图4A为根据本发明的另一个实施例的具有双密封件的过程变量测量系统的示意图。

图4B为示出了根据本发明的实施例的可操作地连接至热电偶套管194的图4A所示的过程变量温度测量系统的示意图。

图5为根据本发明的实施例的“两片式(Van Stone)”类型的热电偶套管的剖视示意图。

图6为根据本发明的实施例的过程温度测量组件的示意图。

具体实施方式

为了为过程工厂增加安全性，提供附加的密封部正变得越来越重要。如前所述，如果初级密封件失效，那么可能潜在地制造不安全的环境，在该不安全的环境中维护技术人员可能不知不觉地直接暴露在加压的过程流体中。根据本文所描述的实施例，设置附加的二级密封件/压力屏障以容纳过程流体压力并且潜在地警告用户或维护技术人员初级密封的破裂。尽管本文所描述的实施例一般聚集于过程变量测量组件(过程流体温度测量组件)的特定类型，但是可明显想到的是本发明的实施例可使用感测任何合适的过程变量的任何合适类型的过程变量传感器实施。因此，本领域技术技术人员应该理解本发明的实施例可使用过程流体压力测量、过程流体流量测量、过程流体液位测量和其他实施。

图1为本发明的实施例特别应用的过程流体温度测量点的示意图。过程流体温度测量组件100一般包括热电偶套管102，该热电偶套管102连接至可容纳合适的电子变送器的壳体104，以通过导管接头106将过程流体温度信息传送给另一个装置或控制室。此外，外壳104还可包括例如显示器108的本地显示器以提供指示过程流体温度的信息。热电偶套管102一般容纳至少一个温度传感器，例如具有随温度改变的电学参数(电阻)的电阻温度装置(RTD)。电阻由外壳104内的电路测量并且被例如微处理器的电子元件操作，以提供过程变量输出，该过程变量输出可以通过本地显示器108传输或通过导管接头106传输至其他装置。

热电偶套管102一般被构造为直接接触过程流体。这样，热电偶套管102将由于接触过程流体而经历腐蚀或疲劳。在腐蚀或疲劳破坏热电偶套管102的情况下，过程流体将穿过传感器110、124进入热电偶套管102中，从而给外壳104加压并甚至潜在地对连接至导管接头106的导管加压。加压流体甚至可能回溯到接线板(marshalling panel)并可能回溯到控制室而对整个管道系统加压。这是非常不期望的。

图2为示出了当热电偶套管102已破裂或以其他方式允许其中的过程流体压力时技术人员从热电偶套管102中移除温度传感器模块110的结果的示意图。如前所述，这可能由热电偶套管102的腐蚀或由热电偶套管102的破裂(可能由于疲劳)或其他的机械挑战引起。不管怎样，当热电偶套管102破裂时，假设温度传感器模块110的MI线缆能够维持压力，那么过程流体可流入热电偶套管中并对温度传感器模块110加压。如果矿物绝缘线缆不能容纳该压力，那么压力将流入外壳中，例如外壳104(如图1所示)中，这是不期望的。如果MI线缆保持该过程压力，那么该过程压力将作用在温度传感器模块110上直到维护技术人员开始从热电偶套管102上分离温度传感器模块110。随着螺纹被分离，易燃的、有毒的或非常热的过程流体可能泄漏并且猛烈的分离可能发生，其中沿箭头114方向的显著的力可能将温度传感器模块110射出并且过程流体压力可能从热电偶套管102中公开地流出。这样会对维护技术人员或工厂内的其他员工造成安全隐患和环境破坏。因此，安全且有效地处理初级压力密封件/屏障是重要的。

图3A为采用根据本发明的实施例的至少一个二级密封件的过程流体温度传感系统的示意图。温度传感器组件120包括可容纳接线盒121的外壳122、安装温度电子元件模块或任何适合的电子元件组件的头部。在图3A所示的实施例中，外壳122具有安装其中的接线盒121，其允许与设置于探针124中的一个或多个温度传感器电互连。探针124可容纳任何合适数量的温度传感器。此外，温度传感器的类型可变化，并且包括但不局限于热电偶、RTDs、热敏电阻或其他合适的装置。探针124一般安装在直接耦合于过程流体的热电偶套管(未在图3A中示出)中。在一个实施例中，温度传感器探针124安装至主体126上并且被弹簧加载，以使得温度传感器探针124能够沿箭头128的方向移动。探针124的移动帮助确保温度传感器探针124直接抵靠热电偶套管的内端，从而确保与热电偶套管之间有效的热接触。主体126一般由通过联接部134结合在一起的一对压缩接头130、132形成。压缩接头130、132和联接部134一般被设计为承受最大的过程流体压力。这是因为在热电偶套管的密封失效的情况下过程流体压力将在压缩接头130、132和134中运动。在一个实施例中，接头130和132为由不锈钢形成并且被设计为承受高达270bar压力的压缩接头。在压缩接头132中，可以设置接线盒或其他合适的电互连部件以便与探针124中的温度传感器的引线互连。在安装后，压缩接头132可被放松并且根据需要重新拧紧，以允许传感器引线从内部接线盒上脱离，以便在正常维护期间更换。

在至少一些情况下，希望过程变量测量组件感测和/或潜在地指示初级密封件/压力屏障的破裂何时发生。根据一个实施例，压缩接头132结合至具有一个或多个端口138、140的歧管136上。在图3A所示的实施例中，端口138、140中的每一个都被塞住。然而，端口138、140允许其他装置结合至过程流体传感器组件120的内部容积，以使得当初级密封件失效时情况可被感测到和/或可以采取补救措施。将在下面被更详细地描述的这样的装置的示例包括阀、压力开关、过程流体压力测量系统、或在过程流体温度测量组件被加压时能感测或以其他方式指示压力或可控地允许压力安全地排放或以其他方式被移除的任何其它装置。

在本实施例中，歧管136具有内螺纹部142，联接器144螺纹连接在内螺纹部142中。联接器144还连接至二级压碎陶瓷粉末密封件146。在一个实施例中，密封件146为采用压碎陶瓷粉末密封方法的1/4英寸NPT接头。穿过压碎陶瓷粉末密封件146的电线一般是裸露的，其中其自身的导体与压碎陶瓷粉直接接合。在一个实施例中，每个导体由固体镍形成并且具有大约0.5mm的直径。然后压碎陶瓷粉末密封件146连接至附接在外壳122上的1/2NPT接头148。在一个实施例中，1/2英寸NPT接头148也被主要设计用于电线上的应变消除的Stycast灌封胶(可向Henkel Corporation，of Rocky Hill，Connecticut购买)填充。

图3B为当热电偶套管和MI线缆已破裂时图3A所示的装置的一部分的放大图。当破裂发生时，过程流体通过开孔150进入组件。可能被加压的过程流体穿过压缩接头130和132。因此，如图3B所示，过程流体压力穿过接头132并进入歧管136。如前所述，合适的压力探测、指示和/或释放附件可以附接至端口138、140。如在图3B中可见，在加压流体出现在歧管136中的情况下，加压流体将流入端口138、140中并流入附接至其上的各种附件。过程流体一直流至其中它被容纳的陶瓷粉末密封接头146。在一些实施例中，陶瓷粉末密封接头146被设计为提供高达680bar的密封。在一个示例中，接头146由303不锈钢形成，然而也可以采用其他合适的材料。如图3B所示，当破裂的过程流体压力已被安全容纳时，它仍然可能危害具有修理或更换装置的任务的技术人员。因此，压力探测、指示和/或释放附件对于允许技术人员与过程变量测量组件120安全地交互是特别重要的。

在一些情况下，通过电子传感或其他合适的技术产生初级过程密封件破裂的通告可能是有益的或甚至是必要的。如前所述，本发明的一些实施例包括设置歧管136，该歧管136允许将各种装置结合至系统上以提供压力通告和/或补救措施。此外，通告的方式和补救的类型可根据终端用户的需求改变。因此，歧管136和多个端口的设置是特别重要的。一些用户可能认为例如压力开关是不可靠的，因为它们一般不能被无损地测试。在其他的情况下，由于电子通告可能不能被传输(即，特定的过程设备可能没有采用该装置支持的电子通信的类型)或特定的工作指令可能需要等待下一个计划的停机，所以终端用户可能需要在仪器上的本地视觉指示。当其发生时，现场的维护技术人员可能不能在工作指令中得到信息。仍然在其他的例子中，为了技术人员的安全服务，用户可能需要给装置减压的出口，并且因此提供减压阀可能是有用的。为了提供变化的模块性，歧管136提供连接端口138、140，管道和/或额外的仪器仪表，例如压力表盘指示器、压力测量系统、压力开关、减压阀或其他合适的装置可根据终端用户的需求在端口138、140处结合至系统上。此外，各种压力探测/通告/补救附件可根据其需求提供给终端用户。

图3C为根据本发明的实施例的可结合至附件端口138、140的一些不同类型的压力探测、指示和/或释放附件的示意图。图3C示出了结合至附件端口138以使得技术人员可操作阀152以手动释放过程流体压力的减压阀152。此外，大量装置被示出结合至附件端口140。具体地，压力开关154以及压力表盘指示器156和压力变送器158结合至附件端口140。在图3C所示的构造中，压力表盘指示器156和压力变送器158被示出与压力开关154串联。然而，可清楚地预期任何合适数量的压力传感装置可以根据需要被串联、或并联或以两者组合的方式结合至附件端口140。当压力达到规定的阈值时，压力开关154一般将提供信号。该信号一般为打开或者关闭的触点的形式(取决于压力开关的类型)，然后该状态能够被相对简单的电路探测。在一个实施例中，其可被外壳122内的电路探测，以使得温度测量系统能够不仅通过过程通信回路传输过程流体温度(过程变量)，还能够在本地提供初级密封件破裂的指示，或者两者。

压力表盘指示器156将显示它暴露在其中的压力。因此，在正常情况下当初级压力密封未破裂时，压力表盘指示器156将显示0压力。当破裂发生时，压力表盘指示器156上的非零显示将指示加压的过程装置。类似地，压力测量系统158根据已知的技术被构造为测量过程流体压力并且提供其电指示。该电指示可通过过程控制回路提供，该过程控制回路甚至可能与过程流体温度测量系统所结合的过程控制回路相同。此外，压力测量系统158可以被构造为例如根据IEC 62591无线地传输。不管怎样，压力测量系统158可以传感过程流体压力测量系统中的压力并且可以将与被传感的压力相关的信息传送至控制室或其他合适的装置。

图3D为根据本发明的另一个实施例的过程流体测量系统的示意图。系统170与系统120(图3A所示)有很多相似处并且相似的部件的标记相似。如图3D所示，系统170包括温度传感探针124，温度传感探针124通过多个接头可操作地结合至外壳122中的接线盒。具体地，系统170还包括陶瓷粉末填充的密封件146，陶瓷粉末填充的密封件146在裸电线穿过密封件146时采用围绕裸电线的压缩粉末陶瓷。在图3D所示的实施例中，这些电线为镍线，每一个具有大约0.5mm的直径。图3D所示的实施例和图3A所示的实施例之间的区别在于系统170不包括具有压力附接端口的接头/歧管136。因此，图3D示出了本发明的实施例可在不具有歧管136的情况下实施。

图4A为根据本发明的另一个实施例的具有双重密封件的过程变量测量组件的示意图。在图4A所示的实施例中，系统180包括顶部外壳122，包括具有用于方便与过程变量传感器的导体进行电互连的合适的连接器的接线盒。在一些实施例中，接线盒182可由顶部安装的电子元件代替，例如结合至过程变量传感器的导体并且计算或以其他方式确定过程变量并根据已知技术通过过程通信回路或段传送过程变量的顶部安装的温度变送器模块。

与上述的温度测量系统相似，系统180包括至少一个温度传感器探针124，该温度传感器探针124可以由设置在例如不锈钢管的金属管中的一个或多个单独的例如RTD、热电偶、热敏电阻等的温度传感器组成。在图4A所示的实施例中，传感器探针124的导体结合至玻璃纤维线缆184。在一些实施例中，玻璃纤维线缆提供高达600摄氏度的工作温度范围。如图4A所示，玻璃纤维线缆184和接头186之间的过渡由铜焊部188提供。铜焊部188可由合适的伸缩软管(例如聚四氟乙烯软管)绝缘。接头186连接至可包括粉末陶瓷裸电线压力密封件(例如针对密封件146的描述)的二级接头190。在另一端，接头186结合至图4B所示的热电偶套管。迫使锥体在一起以形成压力密封。与之前的实施例不同，穿过密封件190的导体一般采用直径约0.5mm的铜线，并且在一些实施例中可由聚酰亚胺(例如从E.I.du Pont de Nemours and Company，of Wilmington，Delaware购买的Kapton)来绝缘。如图4A所示，接头192可由合适的填充材料填充，例如Stycast。进一步地，穿过接头192的导体与结合至端接在接线盒182中的悬空引线的导体之间的相互电连接可通过铜焊或其他合适的技术实现。系统180的又一变化可包括用于系统120中的歧管136(如图3A所示)。

图4B示出了可结合至根据本发明的实施例的热电偶套管的图4A所示的过程变量温度测量系统的示意图。传感器探针124被构造为设置在热电偶套管194的孔196中，并且连接器186的1 1/8-12 UNF外螺纹被构造为接合热电偶套管194对应的内螺纹198。热电偶套管194还示出了根据本发明的实施例的附加特征。具体地，热电偶套管194包括泻出孔200，当热电偶套管194的初级密封件破裂时该泻出孔200将泄漏或以其他方式排放过程流体。这样，压力将在其可能给外壳122和/或连接至导管连接端口202的附加结构之前被排放。因此图4B所示的实施例提供了初级密封件破裂的视觉指示(通过离开泻出孔200的过程流体)。

图4B示出了阴影区域，当热电偶套管194的密封件破裂并且排放孔200被堵塞和/或不能以其他方式足够快速地排放流体压力时该阴影区域被加压。阴影区域指示出过程流体将流过接头186、流过接头190并且最后容纳在接头192中，接头192一般包括具有由Stycast灌封胶204围绕的聚酰亚胺箔绝热层的铜线。

图5为根据本发明的实施例的“双片式(Van Stone)”类型的热电偶套管的剖视示意图。热电偶套管210包括过程流体接合部212、安装部214和过程仪器连接部216。在图5所示的实施例中，过程流体接合部212具有轻微的锥形。此外，热电偶套管210包括探针开孔218，其尺寸适于接受温度探针，例如传感器探针124。开孔218中的探针与过程流体隔离，但由于过程流体流过过程流体接合部212的金属壁，所以开孔218中的探针一般将具有与过程流体几乎相同的温度。一般地，过程流体接合部212具有圆柱形状，然而也可采用其他合适的形状。安装部214可焊接至ASME、API或DIN法兰220上、被压在两个法兰之间或以其他方式固定在法兰上。在一个实施例中，安装部214和配合的法兰220之间的垫圈的压缩产生适合于高达并且包括15000psi的过程流体压力的密封。ASME、API或DIN法兰220包括用于安装该过程的一个或更多个安装孔222。仪器接合部216一般具有内螺纹孔224，该内螺纹孔224被构造为接收过程仪器的接头，例如接头186(如图4B所示)。此外，根据一个实施例，仪器接合部216包括多个辅助的压力端口238和240。这些压力端口允许任何合适的压力指示和/或补救装置的结合，例如压力开关154、压力表盘指示器156和/或压力变送器158(如图3C所示)。因此，采用结合有仪器180(如图4B所示)的热电偶套管212仍然提供相同指示和/或释放压力(如图3A-3C所示的实施例)的能力。进一步地，仪器结合部216上的端口238和240的设置可以允许更紧凑的设计。

可明确想到的是，本发明的至少一些实施例可作为对已存在的过程设备的改进实施。图6为根据本发明的实施例的过程变量测量组件的示意图。过程变量测量组件500包括容纳控制器504、通信电路506、测量电路508和功率模块510的外壳502。在一个实施例中，通信电路506可通过导管连接部512结合至有线过程控制回路或段。

控制器504可为能基于来自该控制器所连接的测量电路508的信号产生过程变量信息的任何合适的电子装置或构造。因此，控制器504可以是微处理器、微控制器、可编程的门阵列等。在一个实施例中，控制器504从测量电路508接收指示过程变量传感器514的测量的数字信息。该数字信息可被控制器504处理以产生过程变量信息(例如过程流体温度)并且然后传送至通信电路506以传输至远程装置。

通信线路506允许过程变量测量组件500根据过程工业标准协议通信。这样的通信可通过有线的媒介(通过导管连接端口512物理连接至通信电路506的导体)、无线地(例如采用射频通信)或两者进行。合适的有线过程通信协议的示例包括但不局限于可寻址远程传感器数据巩留协议、FOUNDATIONTM现场总线协议、Profibus DP和其他协议。无线过程通信协议的示例包括IEC 62591。

在一个实施例中，功率模块510连接至过程控制回路或段的线路并且给过程变量测量组件500的部件适当地提供经调整的功率，如文中箭头标示的“至全部”。在这样的实施例中，过程变量测量组件500可完全通过过程控制回路或段提供功率。在实施例中，在过程变量测量组件500无线通信的情况下，功率模块510可包括合适的电池和调整电路以给过程变量变送器500的其他部件提供功率。

测量电路508包括能够实现过程变量传感器514的电特性的测量的任何合适的电路。测量电路508可包括模数转换器、放大电路、切换电路或用于从过程变量传感器514中获取测量的任何电路或逻辑。例如，如果过程变量传感器具有随过程温度变化的电阻，那么，例如，测量电路508可包括用于使已知数量的电流流过传感器并测量传感器两端的电压(其指示传感器的电阻)的电路。

过程变量传感器514可为用于测量感兴趣的过程变量的任何合适类型的传感器。过程变量传感器514可操作地结合至过程516，但是在初级密封容积518中与其分隔开。初级密封容积518的示例为热电偶套管。二级密封容积520将初级密封容积518结合至外壳502。在过程流体使初级密封容积518破裂的情况下，过程流体将进入二级密封容积520中。在图6所示的实施例中，压力开关流体地结合至二级密封容积520并电连接至控制器504。在二级密封容积中的过程流体达到开启或以其他方式致动压力开关522的水平的情况下，控制器504将检测状态的变化并执行逻辑或程序步骤以指示初级密封容积518的破裂。例如，控制器504可使本地操作员界面(未在图6中示出)提供指示破裂的输出。此外或可替代地，控制器504可采用通信电路506产生合适的通信以报警出破裂的一个或多个远程装置或部分。

尽管已经参照优选实施例描述了本发明，但本领域技术人员应认识到在不背离本发明的精神和范围的情况下可在形式和细节上做出改变。

Claims (16)

1.一种用于传感过程变量的设备，该设备包括：

外壳；

具有随过程变量变化的电特性的过程变量传感器；

被构造为暴露于过程流体的第一密封部，并且其中过程变量传感器相对于第一密封部安装；

将第一密封部连接至外壳的第二密封部，该第二密封部具有流体地隔离外壳与第一密封部的至少一个密封件。

2.根据权利要求1所述的设备，还包括设置在外壳内的接线盒，该接线盒具有连接至过程变量传感器的多个端子。

3.根据权利要求2所述的设备，其中过程变量传感器通过玻璃纤维线缆至少部分地连接至接线盒。

4.根据权利要求1所述的设备，其中第一密封部包括热电偶套管。

5.根据权利要求1所述的设备，其中第二密封部包括连接至第二密封部的内部的压力端口。

6.根据权利要求5所述的设备，还包括连接至压力端口的压力开关。

7.根据权利要求5所述的设备，还包括连接至压力端口的阀。

8.根据权利要求5所述的设备，还包括连接至压力端口的压力指示装置。

9.根据权利要求1所述的设备，其中第二密封部包括粉末陶瓷密封件，粉末陶瓷密封件具有从其中穿过的电导体。

10.根据权利要求9所述的设备，其中电导体是裸露的。

11.根据权利要求10所述的设备，其中电导体由镍形成。

12.根据权利要求10所述的设备，其中电导体由铜形成。

13.根据权利要求1所述的设备，还包括设置在外壳内且连接至过程变量传感器的过程变量测量电子元件，该过程变量测量电子元件被构造为测量过程变量传感器的电特性，基于被测量的电特性确定过程变量输出，并且传输过程变量输出。

14.根据权利要求13所述的设备，其中过程变量测量电子元件连接至结合至第二密封容积的压力开关，并且其中过程变量测量电子元件被构造为提供过程变量输出以及第一密封部破裂的指示。

15.一种热电偶套管，包括：

过程接合部，该过程接合部在其中具有用于接收温度传感器探针的孔；

被构造为安装至法兰的安装部；和

被构造为连接至过程流体温度仪器的过程仪器接合部，该过程仪器接合部具有流体地连接至过程仪器接合部的内部的至少一个辅助压力端口。

16.根据权利要求15所述的热电偶套管，还包括焊接至安装部上的API法兰。