CN110954651B - 用于危险场所的自包含传感器模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种传感器模块，包括：传感器模块主体；传感器模块主体内、感测环境特性的感测元件；传感器模块主体内、允许感测元件访问环境的呼吸元件；传感器模块主体内、耦合到感测元件的电子器件，并且其中传感器模块主体形成火焰路径的壁。本发明还公开一种防爆分析传感器系统。

Description

用于危险场所的自包含传感器模块

技术领域

本公开涉及传感器模块和防爆分析传感器系统。

背景技术

过程工业通常采用气体传感器以检测特定气体的存在，通常作为安全系统的一部分。这很重要，因为许多气体可能对人类健康和/或环境有害。工业气体传感器通常安装在工厂或控制室的处理区域或要保护的区域附近。通常，工业气体传感器安装在固定位置并与监控系统通信。

发明内容

传感器模块包括：传感器模块主体；传感器模块主体内、感测环境特性的感测元件；传感器模块主体内、允许感测元件访问环境的呼吸元件；传感器模块主体内、耦合到感测元件的电子器件，并且其中传感器模块主体形成火焰路径的壁。

附图说明

图1是示出传感器模块的一个示例的局部剖视图。

图2是示出传感器模块安装设施的一个示例的局部剖视图。

图3是传感器模块安装设施的一部分的更详细视图，示出了包括火焰路径的传感器模块安装设施的一个示例。

图4是示出包括键控特征部的传感器模块的一个示例的透视图。

图5是传感器模块的底部的透视图，示出了包括冲击防护特征部的传感器模块的一个示例。

图6A是示出传感器模块壳体和传感器模块盖的一部分的一个示例的局部剖视图。

图6B是示出传感器模块壳体和传感器模块盖的一部分的一个示例的局部剖视图。

图7是示出传感器模块的一个示例的框图。

具体实施方式

气体检测器通常部署在工业环境中。这些气体检测器可以配置成检测环境中可燃、有毒、易燃气体的存在和/或氧气耗竭。有时这些环境可能是危险的。例如，它们可能含有易燃气体和液体。这要求气体探测器符合某些安全和合规标准。例如，这种检测器可能需要包含在防爆壳体中，该防爆壳体通常包括火焰路径。这种方法特别设计用于由于易燃流体而可能存在爆炸性环境的系统，并且基于基本不可能防止流体渗透外壳(如防爆壳体)的原则而建立。因此，如果易燃流体渗透外壳并且产生触发(例如电气元件之间产生火花)，则会发生爆炸，但是它仍然会被限制在外壳内，并且不会使火焰蔓延到周围环境中。

必须构造具有机械强度的外壳来包容来自爆炸的压力并允许爆炸性气体的受控逸出而不点燃周围环境。这是火焰路径的功能，火焰路径是外壳的两个部分(例如传感器模块壁和传感器外壳壁)之间的界面。它允许气体在通过期间离开外壳并冷却，使得它们不再能够触发周围环境中的爆炸。因此，火焰通道必须足够长并且空隙足够窄以冷却气体。

通常在气体检测器内采用的传感器随时间降级并且需要维护或更换。传感器应可现场更换，并应保持危险环境的完整性。对危险环境的严格标准使得难以检修和维护传感器，并且使得制造能够满足标准的设备(如传感器和围绕它们的外壳)变得更加昂贵并且难以制造。

当前的气体传感器系统和设计使得检修和更换对于客户来说昂贵且困难。通常，检修和更换操作本身可能使系统的部件由于其设计方式而易于损坏。例如，当接近传感器时，螺纹火焰路径接头可能受到损害，这反过来损害了危险环境的安全性。由于需要严格的公差，移除设备可能具有挑战性。在试图移除设备时，火焰路径可能会被刮擦或以其他方式损坏，从而危及火焰路径。

另外，当前的系统和设计通常将呼吸元件作为单独的组件。这不仅会影响传感器的性能，还会使检修或移除更加耗时且昂贵。呼吸元件和感测元件之间的距离直接影响性能。它可能通过不反映真实浓度而影响读数的准确性。另外，呼吸元件和感测元件之间的距离也可能影响气体检测器的响应时间。例如，在有毒烟雾中，一旦它们在过程流中发生，就希望立即感测它们。在呼吸元件和感测元件之间具有非理想的距离可能导致感测有毒烟雾的延迟，从而损害环境的安全性。而且，将呼吸元件作为单独的组件，需要额外的时间和成本来移除以进行维修，并且例如在检修期间使火焰路径更容易损坏。此外，因为呼吸元件是单独组件的一部分，所以当移除感测元件时，它可能在检修时不会更新。例如，呼吸元件可能变得堵塞或磨损，因此如果它们没有与更换感测元件一起被移除，则它们可能保持在故障状态。

此外，用于实现危险场所的火焰路径标准的传统方法是使用螺纹或滑动接头。两种方法都有缺点。螺纹接头需要多个全螺纹，以符合危险环境标准，这使得客户检修或更换传感器变得麻烦。它还为设计增加了更多易受磨损和损坏的特征。滑动接头需要配合部件之间的紧密配合以保持控制，这意味着部件的生产成本更高。此外，由于紧密配合，制造和客户可能会损坏火焰路径。这种损坏使该部件无用，因为它不再符合危险环境的严格标准。

需要一种气体检测器，其将减少与传感器维护相关的负担和费用，同时仍然符合危险环境的苛刻标准。这里提供的一种这样的系统包括自包含传感器模块。传感器模块包括作为一个整体的感测元件、呼吸元件、电路板和其他电气元件。通过这样做，特征在于，感测元件和呼吸元件在一起，这产生更准确的测量。在当前的设计中，呼吸元件被重复使用并且不是感测元件所独有的。随着时间的推移，呼吸元件会被污染，这会降低产品的性能。这里提供的自包含模块通过控制感测元件和呼吸元件之间的距离来确保产品符合规格，这直接影响性能，并且当感测元件更换时确保更换呼吸元件。这种设计降低了污染的风险，并确保每个呼吸元件对于每个感测元件是独有的。

此外，自包含模块允许更大的公差，同时仍满足危险环境标准。这是通过设计火焰路径以利用多级联合来实现的。自包含模块在部件之间的松散配合减少了模块在安装或检修期间被制造或客户损坏的可能性，同时仍然符合在危险环境中使用的标准。与传统的火焰路径接头不同，该模块是火焰路径的一部分。这确保了在更换模块时更新火焰路径并且允许模块盖设计需要较少的螺纹接合，这减少了打开外壳的转数，并因此减少了从壳体移除盖所需的时间。

所有这些设计特征允许更便宜的制造和更便宜的检修和更换，以及减轻客户的负担，即，自包含传感器模块以一体的形式容纳传感器和传感器模块的所有元件，以一体的形式可拆卸和可安装，包括火焰路径的一部分。另外，传感器模块可以通过增材制造来生产。传感器模块可以通过3D打印，其中包括呼吸元件，这允许工程师除了减少组件中的部件数量之外还控制工业环境流体到感测元件的流动。该设计将通过用于每个传感器模块的感测元件与呼吸元件的特征来改善性能，从而减少呼吸元件从传感器模块到传感器模块的变化。

图1是示出传感器模块的一个示例的局部剖视图。传感器模块100包括感测元件101，呼吸元件102和电子器件103。传感器模块100还包括O形环104、垫片105和紧固件106。感测元件101可以是在过程环境中使用的任何数量的过程分析传感器。传感器模块100是可扩展的，使得它可以与多种传感技术一起使用。作为单个自包含单元，传感器模块100允许一致地控制感测元件101和呼吸元件102之间的距离。该距离直接影响模块100的性能。呼吸元件102允许感测元件101接触或以其他方式暴露于周围环境，使得感测元件101可以感测周围环境中的气体。感测元件101和呼吸元件102优选地由垫片105分开。感测元件101电子耦合到电子器件103。电子器件103通过紧固件106(在此描绘为螺钉)耦合到模块100。可以想到，紧固件106可以是能够将电子器件103耦合到传感器模块100的任何数量的各种紧固件。

电子器件103可包含任何数量的部件，包括但不限于处理器，测量电路，通信电路和/或控制器。例如，在一个实施例中，传感器模块100可以包含电子器件103，电子器件103包括被配置为从感测元件101接收信号的测量电路，被配置为计算传感器相关输出的处理器，被配置为生成指示传感器相关的输出的信号并经由变送器无线通信到或通过有线环路通信到显示面板或用户界面(例如控制室中的计算机)的通信逻辑。电子器件103可以包括控制器，该控制器被配置为生成控制信号以使传感器模块100基于传感器相关输出执行功能或者使过程控制系统的一些其他方面基于传感器相关输出执行功能，如，输出警报或通知，或调整阀门，例如。

传感器模块100还包括O形环104。O形环104配置成在传感器模块100和传感器模块壳体(下面讨论)之间形成密封，防止流体，灰尘，湿气和其他不希望的物质在传感器模块100和传感器模块壳体之间流动。传感器模块100可以由任何数量的合适材料制成，但特别是那些适合于符合危险场所标准的材料。特别是，但不限于，具有高导热性的有色金属(如铜-铝合金，不锈钢，银，铝和镀锌钢)，例如，或非金属，无火花的材料(如塑料，木材，和热塑性聚合物)。这些材料是已知的并且通常用于制造无火花和防爆设备。

图2是示出传感器模块安装设施的一个示例的局部剖视图。传感器模块安装设施200包括传感器模块壳体201，传感器模块盖202，入口保护(IP)过滤器203和传感器模块100。传感器模块盖202和传感器模块壳体201在传感器模块100上方和周围装配在一起，从而在防爆壳体组件中包含传感器模块100，适用于危险环境。虽然防爆壳体在图2中示例性地示出，但是可以预期可以使用任何类型的壳体。IP过滤器203通常是疏水过滤器，其设计用于保护传感器免于飞溅和喷射液体以及免于可能抑制传感器性能的灰尘和其他碎屑。

传感器模块壳体201，传感器模块盖202和IP过滤器203可由任何数量的合适材料制成，但特别是适合于符合危险场所标准的材料。这些材料可包括但不限于具有高导热性的有色金属(如铜-铝合金，不锈钢，银，铝和镀锌钢)，例如，或非金属，无火花的材料(如塑料，热塑性聚合物、橡胶)，或任何其他合适的材料。

图3是传感器模块安装设施的一部分的更详细视图，示出了包括火焰路径的传感器模块安装设施的一个示例。传感器模块安装设施200包括传感器模块壳体201，传感器模块盖202，传感器模块100和火焰路径301(由三个箭头表示)。与传统的火焰路径接头不同，火焰路径301至少部分地由传感器模块100形成。这确保了每当更换传感器模块100时火焰路径都被更新，这有助于确保火焰路径保持有效并且符合危险环境标准。

如图3所示，火焰路径301是由传感器模块100的外壁和传感器模块壳体201的内壁形成的整合(1everaging)多级联合火焰路径设计。多级联合火焰路径包括不少于3个相邻的分段，其中路径改变方向不少于于两次90度。火焰路径301的设计的分段长度，方向的改变和整合允许减小公差并且不要求传感器模块100具有符合危险环境标准的螺纹，因为该设计可以在没有螺纹的情况下包容爆炸压力并允许气体冷却。在传感器模块100上不需要螺纹的情况下，客户可以通过沿一方向简单地拉动来卸载传感器模块100。客户可以使用新的传感器模块并将其安装到传感器模块安装设施中。易于检修和移除降低了客户的成本，并减少在检修或更换操作期间客户必须暴露于危险环境的时间量。另外，因为该设计有利地允许传感器模块安装设施200内的部件之间的公差减小，所以降低了在检修或更换操作期间损坏安装设施200的风险。由于设计的性质，减小的公差允许在制造期间使用较便宜的材料，特别是壳体201和盖202。

图4是示出包括键控特征部的传感器模块的一个示例的透视图。传感器模块100包括电子器件103和键控特征部400。为了确保传感器模块100正确地安装到壳体201中，将键控特征部400添加到设计中以仅允许一种方式来安装传感器模块100。使用键控特征部400确保客户在安装传感器模块100时确认安装正确完成。类似地，通过使用类似的键控特征部将电子器件安装在一个方位上，传感器模块100的制造具有优势。传感器模块100和传感器模块安装设施200的设计消除了对任何焊接或灌封(potting)的需要，从而降低了安装、检修和移除期间的成本并提高了效率。

还可以预期，可以使用其他合适的技术代替键控特征部来帮助客户引导和确认传感器模块100的放置。例如，使用磁铁来帮助引导、对准和紧固传感器模块的设计可以被使用。磁铁的使用将消除在模块上具有键控特征部的需要，磁铁尺寸更小以在制造中控制并已经由批准机构批准。其他这样的特征部可以是张紧销，夹子，闭锁突片，插入特征部，或用于在安装期间引导和紧固的任何其他合适的技术。

图5是传感器模块的底部的透视图，示出了包括冲击防护特征部的传感器模块的一个示例。传感器模块100包括冲击防护特征部500。冲击防护特征部500被设计到传感器模块100中，作为整体的一部分。冲击防护特征部500有助于防止呼吸元件102和感测元件101被损坏。然而，冲击防护特征部500被穿孔，从而允许感测元件101访问并感测它所暴露的任何过程流的特性。冲击防护特征部500是传感器模块100的一部分，从而降低了制造成本，并且确保在维修和移除时，每次安装新的传感器模块，都能更新冲击防护特征部500。该设计进一步降低了冲击防护特征部500的累积和阻塞的敏感性。

图6A是示出传感器模块壳体和传感器模块盖的一部分的一个示例的局部剖视图。传感器模块壳体和传感器模块盖600包括盖601，壳体602和火焰路径603(由箭头表示)。多级联合火焰路径设计可以用在客户需要移除以安装设备(例如传感器模块100)的盖601上。多级联合火焰路径的设计的分段长度和方向变化允许减少螺纹量以满足危险场所标准，因为该设计能够在减少螺纹的情况下包容爆炸压力并冷却气体。另外，多级联合火焰路径设计允许在壳体602和盖601上使用多头螺纹。多头螺纹具有比单螺纹头更大的周径(lead)和更浅的径向深度要求，因此更快地拧紧和拧松。它们还需要较小的力来拧紧和拧松。然而，由于由每个单独的螺纹形状不均匀地分担负载并且在紧固时摩擦损失，较大的周径会降低保持力。但是当与多级联合火焰路径结合使用时，保持能力的潜在降低不太受关注，因为多级联合火焰路径能够承受爆炸压力并冷却气体，同时需要较少的螺纹以符合危险环境标准。这种设计对于客户而言具有许多益处，例如成本和效率。特别地，该设计不需要在盖601和壳体602上具有其他火焰路径设计所需的多个全螺纹(有时为8个或更多)，从而降低制造成本并且更快的拧紧和拧松时间减少了在危险场所维修或更换传感器模块所花费的时间。

图6B是示出传感器模块壳体和传感器模块盖的一部分的一个示例的局部剖视图。传感器模块壳体和传感器模块盖650包括盖601，壳体602和螺纹651。利用这种多级联合火焰路径设计，可以减少满足危险场所标准所需的螺纹量，从而节省制造成本，并且增加安装和检修效率从而降低了客户的成本。

图7是示出传感器模块的一个示例的框图。传感器模块700包括电子器件702，感测元件704，模拟/数字转换器706，测量电路708，处理器710，控制器712，显示器714，通信电路716，电力和通信电缆718，电力720，呼吸元件722，引导特征部724，火焰路径726，冲击防护装置728和其他730。

感测元件704感测过程流或环境特性，并产生指示过程流或环境特性的传感器信号。电子器件702耦合到感测元件704。电子器件702从感测元件704接收传感器信号。模拟/数字转换器706将传感器信号从模拟转换为数字。测量电路708从转换器706接收转换后的信号，并基于传感器信号产生指示过程流特性的测量信号。为了说明性示例，来自感测元件704的传感器信号可以是原始毫伏信号，其将由转换器706转换，然后通过测量电路708转换成指示气体浓度的信号。处理器710接收测量信号并基于测量信号生成传感器相关输出。处理器710可以在生成传感器相关输出时运行多个诊断/分析。例如，处理器710可以接收气体浓度测量值并产生传感器相关输出，如检测到的气体浓度的源值(derivative)。为了校准、确定准确度、确定是否需要对过程流的输入或输出进行调整等，处理器710可进一步比较传感器相关输出与预设阈值。

控制器712从处理器710接收传感器相关输出，并基于传感器相关输出发出控制信号。控制信号可以是在显示器714或某些其他用户界面(例如控制室中的计算机)上显示感测的、测量的和确定的数据。控制信号还可以是通过通信电路716产生警报或调整过程控制系统的另一元件。例如，如果基于所需阈值的气体浓度测量值高或低，则控制器可以减少或增加过程部件的输入来通过例如打开或关闭阀门来调节过程环境中检测到的气体浓度。类似地，如果从源值(derivative)的确定和与阈值的比较表明需要校准，则控制器712可以产生警报，该警报可以通过通信电路716发送到用户界面或听觉或可视警报特征部。

通信电路716从控制器716接收控制信号并将其传送到用户界面，例如控制室中的计算机，远程设备，手持设备或显示器。通信电路可以通过电力和通信电缆718发送信号，或者它可以经由变送器无线通信。电力720向电子器件702的部件提供电力。电力720可以耦合到电力和通信电缆718并从电力和通信电缆718汲取电力，如所示，或者电力720可以是自供电电源，例如但不限于，电池。

呼吸元件722配置成允许感测元件704接触过程流或样品溶液。呼吸元件722实现来自过程流或样品溶液的流体的通道，使得感测元件704可以感测过程流或样品溶液或环境的特性。引导特征部724配置成将传感器模块700引导到传感器模块壳体中，使得用户将知道传感器模块700正确地安装到传感器模块壳体中。引导特征部724可以是如上所述的键控特征部或磁体，或任何其他足够形式的引导特征部，以将传感器模块700引导到传感器模块壳体中，使得用户将知道它被正确安装。

火焰路径726被配置成在爆炸的情况下产生火焰和流体行进的路径，该路径被配置为冷却火焰和流体，使得在爆炸的情况下，点燃外部环境的风险将得到缓解。该路径必须足够长和/或改变方向足以在火焰或流体接触路径的侧面时有效地冷却火焰或流体。适当的火焰通道必须允许流体在逸出外壳之前进入、通过并冷却，它们通常是长而窄的，并且延长了流体的逸出。在一个实施例中，火焰路径726是多级联合火焰路径，如上所述，其具有许多优点。火焰路径726也可以是任何数量的足够的火焰路径以满足危险环境的标准，包括但不限于：螺纹接头(如圆柱形接头或锥形接头)；非螺纹接头(如套管接头，锥形接头，带部分圆柱面的接头，法兰接头或锯齿接头)。在一个实施例中，传感器模块包括火焰路径的一部分，而传感器模块壳体包括火焰路径的另一部分。如上所述，这确保了在自包含传感器模块中，无论何时更换传感器模块，火焰路径都将被更新。

冲击防护装置728配置成保护传感器模块700的部件免受损坏。冲击防护装置728是传感器模块700的主体的一部分。它保护传感器模块700的部件免受可能由于例如传感器模块的下降或过压引起的冲击损坏。冲击防护装置728配置成提供足够的保护，同时仍允许感测元件704防问过程流或样品溶液。如上所述，冲击防护装置728可以是穿孔设计，或者任何其他设计，该设计足以允许冲击防护装置保护传感器模块700的部件同时仍然允许感测元件704访问过程流或样品溶液，使得感测元件704可以感知过程流或样品溶液的特性。

其他730是传感器模块700的任何其他特征部，其可能是必要的或有利的。例如，其他730可以是紧固件(如紧固件106)，O形环(如O形环104)，或垫片(如垫片105)。其他730可以是变送器、显示器(例如但不限于LCD显示器)以及其他各种电子器件。

尽管已经参考优选实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将认识到，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上进行改变。此外，虽然已经关于气体检测器一般地描述了本发明的实施例，但是实施例对于任何过程分析传感器都是可行的。

Claims (21)

1.一种传感器模块，包括：

传感器模块壳体；

所述传感器模块壳体内的感测元件，所述感测元件感测环境特性；

呼吸元件，所述呼吸元件固定地设置在所述传感器模块壳体内与所述感测元件隔开受控距离，并且允许所述感测元件访问环境；

所述传感器模块壳体内的电子器件，所述电子器件耦合到所述感测元件；并且

其中所述传感器模块壳体形成火焰路径的壁。

2.根据权利要求1所述的传感器模块，其中，所述火焰路径包括多级联合火焰路径。

3.根据权利要求1所述的传感器模块，其中，所述传感器模块包括将所述传感器模块定位到正确的安装配置的引导件。

4.根据权利要求3所述的传感器模块，其中，所述引导件包括键控特征部。

5.根据权利要求3所述的传感器模块，其中，所述引导件包括磁体。

6.根据权利要求1所述的传感器模块，其中，所述传感器模块包括保护所述感测元件和所述呼吸元件免受损坏的防护装置。

7.根据权利要求1所述的传感器模块，其中，所述壁包括所述传感器模块的外表面。

8.根据权利要求1所述的传感器模块，其中，所述传感器模块适于与传感器模块壳体接合，并且其中壳体壁形成所述火焰路径的壁。

9.一种传感器模块，包括：

传感器模块壳体；

所述传感器模块壳体内的感测元件，所述感测元件感测环境特性并产生指示所述特性的传感器信号；

呼吸元件，所述呼吸元件与所述感测元件隔开受控距离、固定地设置在所述传感器模块壳体内、允许所述感测元件访问环境；和

所述传感器模块壳体内的电子器件，所述电子器件耦合到所述感测元件并配置成接收所述传感器信号并基于所述传感器信号产生输出。

10.根据权利要求9所述的传感器模块，其中，所述传感器模块包括火焰路径的一半。

11.根据权利要求10所述的传感器模块，其中，所述火焰路径是多级联合火焰路径。

12.根据权利要求10所述的传感器模块，其中，所述传感器模块适于与模块壳体接合，其中所述模块壳体包括所述火焰路径的一部分。

13.根据权利要求9所述的传感器模块，其中，所述传感器模块包括保护所述感测元件和所述呼吸元件免受损坏的防护装置。

14.根据权利要求9所述的传感器模块，其中，所述传感器模块包括将所述传感器模块定位到正确的安装配置的引导件。

15.根据权利要求14所述的传感器模块，其中，所述引导件包括键控特征部。

16.根据权利要求14所述的传感器模块，其中，所述引导件包括磁体。

17.一种防爆分析传感器系统，该防爆分析传感器系统包括：

传感器模块，所述传感器模块包括：

感测元件，所述感测元件感测环境特性并产生指示环境特性的信号；

呼吸元件，所述呼吸元件与所述感测元件隔开受控距离、允许所述感测元件访问环境；

火焰路径的第一壁；和

耦合到所述感测元件的电子器件，所述电子器件接收指示环境特性的信号并基于指示环境特性的信号产生传感器相关输出；

传感器模块壳体，所述传感器模块壳体配置成容纳所述传感器模块并包括所述火焰路径的第二壁和多头螺纹；和

传感器模块盖，所述传感器模块盖配置成耦合到所述传感器模块壳体并包括多头螺纹。

18.根据权利要求17所述的防爆分析传感器系统，其中，所述传感器模块包括引导特征部，所述引导特征部配置成将所述传感器模块引导至所述传感器模块壳体中。

19.根据权利要求17所述的防爆分析传感器系统，还包括控制器，所述控制器配置成接收所述传感器相关输出并产生控制信号。

20.根据权利要求19所述的防爆分析传感器系统，其中，所述控制器还配置成产生警报信号。

21.根据权利要求17所述的防爆分析传感器系统，其中，所述传感器模块还包括冲击防护装置，所述冲击防护装置配置成保护所述感测元件和所述呼吸元件。

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