DE102004060647B4

DE102004060647B4 - Fernprozessdichtung mit verbesserter Stabilität in anspruchsvollen Anwendungen

Info

Publication number: DE102004060647B4
Application number: DE102004060647A
Authority: DE
Inventors: Robert C. Young America Hedtke
Original assignee: Rosemount Inc
Current assignee: Rosemount Inc
Priority date: 2003-12-16
Filing date: 2004-12-16
Publication date: 2009-03-19
Anticipated expiration: 2024-12-17
Also published as: JP2005181317A; DE102004060647A1; CN100359186C; CN1654831A; US20050126296A1; US7290452B2; JP4879481B2

Abstract

Fernprozeßdichtungssystem, das aufweist:
einen Prozeßdruckgeber mit mindestens einem Druckeinlaß;
eine Fernprozeßdichtungseinheit in Fluidverbindung mit dem mindestens einen Druckeinlaß des Prozeßdruckgebers, wobei die Fernprozeßdichtungseinheit so angepaßt ist, daß sie einen Prozeßfluiddruck durch ein Füllfluid zu dem mindestens einen Druckeinlaß überträgt und dabei das Prozeßfluid von dem mindestens einen Druckeinlaß isoliert; und
einen Getter, der so angeordnet ist, daß er mit dem Füllfluid innerhalb des Systems in Kontakt kommt.

Description

Die Erfindung betrifft die Prozeßsteuerungs- und -meßtechnik. Genauer gesagt, die vorliegende Erfindung betrifft eine verbesserte Fernprozeßdichtung.
Die Prozeßsteuerungs- und -meßtechnik verwendet Pro zeßgrößengeber zur Fernüberwachung von Prozeßgrößen, die mit Substanzen wie z. B. Feststoffen, Schlämmen, Flüssigkeiten, Dämpfen und Gasen in Chemikalien-, Brei-, Erdöl-, Pharmazeutika-, Lebensmittel- und anderen Nahrungsmittelverarbeitungsanlagen verbunden sind. Prozeßgrößen sind unter anderem Druck, Temperatur, Strömung, Füllstand, Trübung, Dichte, Konzentration, chemische Zusammensetzung und andere Eigenschaften. Ein Prozeßgrößengeber kann ein Ausgangssignal, das mit einer erfaßten Prozeßgröße in Beziehung steht, über eine Prozeßsteuerschleife zu einer Steuerwarte übermitteln, so daß der Prozeß überwacht und gesteuert werden kann.
Die Prozeßsteuerschleife kann eine Zweileiter-Prozeßsteuerschleife für 4–20 mA sein. Bei einer derartigen Prozeßsteuerschleife sind die Aktivierungsniveaus niedrig genug, so daß auch unter Defektbedingungen die Schleife im allgemeinen nicht genügend elektrische Energie enthält, um einen Funken zu erzeugen. Dies ist besonders vorteilhaft in entflammbaren Milieus. Prozeßgrößengeber können manchmal bei so niedrigen Energieniveaus arbeiten, daß sie die gesamte elektrische Leistung von der 4–20 mA-Schleife empfangen können. Die Prozeßsteuerschleife kann manchmal gemäß einem Standardprotokoll der Prozeßindustrie, wie z. B. dem HART^®-Digitalprotokoll, Digitalsignale aufweisen, die der Zweileiterschleife überlagert sind.
Prozeßdruckgeber werden in einer Vielzahl von Anwendungen zur Erfassung des Drucks (Absolutdruck, Überdruck oder Differenzdruck) innerhalb eines Prozeßmilieus eingesetzt. Außerdem kann ein Prozeßdruckgeber zur Erfassung eines Diffe renzdrucks von zwei verschiedenen Punkten benutzt werden, wie z. B. in verschiedenen Höhen an einem Tank, und eine Anzeige des Flüssigkeitsspiegels im Tank liefern. Die Messung von Drücken an zwei verschiedenen, voneinander beabstandeten Stellen in einer Prozeßanlage erfordert manchmal die Verwendung einer oder mehrerer Ferndichtungen. Ferner ist bei bestimmten Anwendungen die Prozeßtemperatur so hoch, daß die körperliche Montage des Druckgebers in der Nähe des Prozesses den Druckgeber zerstören würde. Daher werden bei Anwendungen, wo entweder die Punkte, in denen der Druck gemessen wird, voneinander beabstandet sind, oder wo Temperatur der Prozesses selbst zu hoch ist, hauptsächlich Ferndichtungen eingesetzt.
Ein "Ferndichtungssystem", wie es hier benutzt wird, weist einen Druckgeber, mindestens eine Fernprozeßdichtungseinheit, eine Fluidkupplung zwischen der Fernprozeßdichtungseinheit und dem Druckgeber und ein Füllfluid in der Fluidkupplung an. Beispielsweise wird in der EP 695 418 eine Druckisolator für Sanitärverabeitung beschrieben. Während des Betriebs trennen eine dünne, flexible Membran und das Füllfluid das druckempfindliche Element des Druckgebers von dem Prozeßfluid. Die Kupplung, typischerweise eine Kapillare, verbindet die Fernprozeßdichtungseinheit mit dem Druckgeber. Bei Anlegen des Prozeßdrucks wird die Membran innerhalb der Fernprozeßdichtungseinheit verschoben und überträgt den gemessenen Druck durch das Füllsystem mittels der Kupplung zum Druckgeberelement. Dieser übertragene Druck verschiebt eine Meßmembran in dem druckempfindlichen Element des Druckgebers. Diese Verschiebung ist proportional zum Prozeßdruck und wird elektronisch in ein entsprechendes Strom-, Spannungs- oder Digitalausgangssignal umgewandelt, wie z. B. beim HART^®-Protokoll (Highway Addressable Remote Transducer = Sammelleitungsadressierbarer Fernmeßwandler).
Um sicherzustellen, daß der innerhalb des Druckgebers erfaßte Druck eine genaue Darstellung des Prozeßdrucks ist, ist es äußerst wichtig, daß das Füllfluid inkompressibel ist. Dies mag zwar als ein relativ einfaches Konstruktionskriterium erscheinen, aber es ist bekannt, daß gewisse Ölarten mit der Zeit ausgasen oder sich Blasen darin entwickeln. Außerdem können die Metalle, welche die Fernprozeßdichtungseinheit und/oder die Kupplung bilden, in gewissem Grade ausgasen. Ge genwärtig geht man diese Probleme an, indem sehr hochwertige Füllfluide gewählt werden, das Füllfluid vorverarbeitet wird, um den mit der Zeit möglicherweise auftretenden Ausgasungsgrad zu verringern; und indem die Metalle verarbeitet werden, welche die Fernprozeßdichtungseinheit und/oder die Kapillarröhre bilden, um auch ihren Ausgasungsgrad zu verringern. Die Anwendung aller dieser Verfahren verbessert die Langzeitstabilität des Fernprozeßdichtungssystems.
Einige Anwendungen (besonders diejenigen, bei denen die Fernprozeßdichtungseinheit einer hohen Temperatur, beispielsweise über 200°C, und/oder einem Hochvakuum ausgesetzt wird) können zu Instabilitäten und/oder Ungenauigkeiten im Fernprozeßdichtungssystem führen. Zum Beispiel kann bei der oben erwähnten anspruchsvollen Anwendung ein gemäß allen oben angegebenen Fertigungsverfahren hergestelltes Fernprozeßdichtungssystem nach einem Betrieb über einen Zeitraum von sechs Monaten oder mehr dennoch allmählich zunehmende Ungenauigkeiten oder Instabilitäten erfahren. Diese Nutzlebensdauer ist zwar angesichts einer so harten Anwendung akzeptierbar gewesen, aber es wäre viel besser, ein Fernprozeßdichtungssystem bereitzustellen, das so anspruchsvollen Anwendungen während einer erheblich längeren Zeit standhalten könnte. Darüberhinaus würde die Bereitstellung eines Fernprozeßdichtungssystems, das nicht nur längere Zeit so anspruchsvollen Anwendungen standhalten könnte, sondern auch die zusätzlichen Verarbeitungsschritte nicht erfordern würde, die gegenwärtig bereitgestellt werden, um das Ausgasen des Füllfluids und/oder des Metalls zu vermindern oder zu minimieren, eine wesentliche Verbesserung an Fernprozeßdichtungssystemen darstellen.
Es wird ein Fernprozeßdichtungssystem bereitgestellt. Das Dichtungssystem weist mindestens eine Fernprozeßdichtungseinheit auf, die über eine mit einem inkompressiblen Fluid gefüllte Kupplung mit einem Prozeßdruckgeber gekoppelt ist. Das inkompressible Fluid wird mit mindestens einem Fangstoff bzw. Getter in Kontakt gebracht, um Instabilitäten zu vermindern, die durch Wasserstoffgas verursacht werden, das sich mit der Zeit ansammelt. Nach einem Aspekt wird eine Gettermateri alschicht innerhalb des Druckgeberteils der Fernprozeßdichtungseinheit abgeschieden oder eingebracht.
Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden in den Patentansprüchen dargestellt und in den Figuren veranschaulicht.
1 zeigt eine schematische Ansicht eines Fernprozeßdichtungssystems, mit dem Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung besonders gut verwendbar sind.
2 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Fernprozeßdichtungseinheit nach dem Stand der Technik.
3 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Fernprozeßdichtungseinheit gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Fernprozeßdichtungseinheit gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Früher entwickelten nach den strengsten Normen hergestellte Fernprozeßdichtungssysteme mit der Zeit dennoch Instabilitäten und/oder Ungenauigkeiten. Es wurde angenommen, daß diese Ungenauigkeit tatsächlich auf eine allmähliche Akkumulation von Wasserstoffgas im Füllfluid zurückzuführen wäre. Man dachte, daß der Wasserstoff aus den Metallstrukturen selbst in dem Fernprozeßdichtungssystem austräte, wenn dieses System in anspruchsvollen Anwendungen betrieben wurde. Der Begriff "anspruchsvolle Anwendung" wie er hier gebraucht wird, soll einen Betriebszustand bedeuten, in dem die Temperatur über etwa 200°C oder das Vakuum unter etwa 3447 PA liegt, oder beides. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Wasserstoffgettermaterial innerhalb des Füllfluidsystems der Fernprozeßdichtungseinheit eingebracht. Das Ergebnis ist ein robusteres System für anspruchsvolle Anwendungen.
1 zeigt eine schematische Ansicht eines Fernprozeßdichtungssystems, mit dem Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung besonders gut verwendbar sind. Das System 10 weist ein Paar Fernprozeßdichtungseinheiten 12, 14 auf, die über entsprechende Kapillaren 16, 18 mit einem Druckgeber 20 gekoppelt sind. Die besondere Konfiguration der dargestellten Fernprozeßdichtungseinheiten 12 und 14 dient lediglich zur Er läuterung, da bei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung jede Fernprozeßdichtungseinheit verwendet werden kann, gleichgültig ob sie gegenwärtig bekannt ist oder in Zukunft entwickelt wird. Die Fernprozeßdichtungseinheiten 12 und 14 weisen je einen Flansch 22 bzw. 24 auf, der vorzugsweise eine Bolzenanordnung aufweist, die für die Montage der Fernprozeßdichtungseinheit in einer Prozeßanlage geeignet ist. Innerhalb jedes Montageflansches ist ein Druckgeberabschnitt 26, 28 angeordnet. Der Druckgeberabschnitt 26, 28 ist so angeordnet, daß er mit einem Prozeßfluid in Kontakt kommt und den Druck des Prozeßfluids durch die entsprechenden Kapillaren 16, 18 zum Prozeßdruckgeber 20 überträgt.
2 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Fernprozeßdichtungseinheit entlang den Schnittlinien A-A von 1. 2 veranschaulicht eine Fernprozeßdichtungseinheit 12 nach dem Stand der Technik. Die Fernprozeßdichtungseinheit 12 weist einen Montageflansch 30 auf, der eine Durchgangsbohrung 32 zur Durchführung des Schafts 34 des Druckgeberabschnitts 26 aufweist. In der Montageplatte 30 sind eine Anzahl Montagelöcher 36 zur Montage eines geeigneten Prozeßanschlusses angebracht. Der Druckgeberbereich 26 ist an dem Schaft 34 fest angebracht und so angeordnet, daß er mit einem Prozeßfluid in Kontakt kommt. Dieser Bereich 26 weist eine Trennmembran 38 auf, die an den Stellen 42 und 44 an ein Plattenelement 40 angeschweißt ist. Die Membran 38 kann je nach der Anwendung aus verschiedenen Materialien geformt werden. Zu diesen Materialien gehören 316er Edelstahl, 304er Edelstahl, Tantal, Zirconium und alle geeigneten Legierungen, wie z. B. Hastelloy^® (eingetragenes Warenzeichen von Haynes International, Incorporated), Inconnel^® 600 (eingetragenes Warenzeichen von Huntington Alloys Corporation), Monel^® 400 (eingetragenes Warenzeichen von Inco Alloys International, Incorporated) oder etwaige weitere geeignete Materialien. Typischerweise ist die dem Inneren der Membran 38 zugewandte Oberfläche des Plattenelements 40 gefaltet, wie beim Bezugszeichen 46 dargestellt. Das Plattenelement 40 wird im allgemeinen aus gleichartigen Materialien geformt, kann aber auch zusätzliche Materialien aufweisen, wie z. B. Kohlenstoffstahl. Das Volumen zwischen der ge falteten Oberfläche des Plattenelements 40 und der Innenfläche der Membran 38 definiert eine Kammer, die mit einem inkompressiblen Füllfluid gefüllt ist, wie z. B. mit Siliconöl. Es können jedoch eine Vielzahl anderer Füllfluide verwendet werden, und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind mit jedem geeigneten Füllfluid anwendbar. Das Füllfluid ist innerhalb des Durchgangs 48 und die ganze Kupplung 16 hinauf bis zum Druckgeber 20 (in 2 nicht dargestellt) vorhanden.
Die 3 und 4 zeigen eine Schnittansicht bzw. eine perspektivische Ansicht einer Fernprozeßdichtungseinheit gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 3 veranschaulicht eine Fernprozeßdichtungseinheit 50, die der in 2 dargestellten Fernprozeßdichtungseinheit 12 ähnlich ist, und ähnliche Strukturen werden gleich numeriert. Konkret kann für die Fernprozeßdichtungseinheit 50 der gleiche Montageflansch 30 wie der in 2 dargestellte verwendet werden. Der Hauptunterschied zwischen der verbesserten Fernprozeßdichtungseinheit 50 und der Fernprozeßdichtungseinheit 12 ist, daß die Einheit 50 eine zusätzliche Aussparung 52 innerhalb der fluidgefüllten Kammer aufweist. Diese Aussparung wird vorzugsweise vorgesehen, um einen bereitgestellten Fangstoff bzw. Getter 54 und ein Sieb 56 aufzunehmen. 3 zeigt einen Getter 54 mit einem Loch 58, um den Durchgang von Füllfluid zu ermöglichen. Ein auf dem Getter 58 angeordnetes Sieb 56 ist vorzugsweise ein eingeschweißtes Metallsieb. In Ausführungsformen, wo der Getter kein Loch 58 aufweist, kann durch zusätzliche spanende Bearbeitung eine Nut oder zusätzliche Vertiefung bereitgestellt werden, um Füllfluid unter dem Getter durchfließen zu lassen. Der Begriff "Getter", wie er hier gebraucht wird, soll irgendeine Struktur oder Substanz bedeuten, welche die Fähigkeit hat, gasförmigen Wasserstoff zu immobilisieren, absorbieren oder auf andere Weise aus der gefüllten Kammer zu entfernen.
4 zeigt eine perspektivische Ansicht der verbesserten Fernprozeßdichtungseinheit 50 einschließlich des Flanschs 30. Zu Erläuterungszwecken ist die durchbiegungsfähige Trennmembran von der Einheit 50 entfernt worden, um nicht nur die darunter liegenden Faltungen, sondern auch einen Re liefkanal 60 freizulegen, der unter dem Sieb und dem Getter hindurchgeht. Das Sieb 56 ist in 4 als Kreuzschraffur im Mittelabschnitt der Dichtungseinheit direkt sichtbar.
Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung schließen zwar die Bereitstellung irgendeines Getterstoffs innerhalb der Füllfluidbereiche eines Fernprozeßdichtungssystems ein, aber vorzugsweise hat der Getter die Form eines blattförmigen Materialabschnitts, der in den Druckgeberabschnitt der Fernprozeßdichtungseinheit eingebracht werden kann. Der Grund dafür ist, daß die Konfiguration des Getters als blattförmiges Material eine vergrößerte Oberfläche liefert, um die Getterwirkung zu erleichtern. Außerdem erstrecken sich Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zwar auf jeden Gettermaterialtyp innerhalb des gefüllten Volumens eines Fernprozeßdichtungssystems, aber Getter, die zusammen mit Ölen funktionieren können, wie z. B. mit Siliconöl, werden bevorzugt. Daher schließen zwar Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die Bereitstellung von Gettern wie z. B. Platin und/oder Palladium ein, aber dies sind nicht die bevorzugten Materialien. Der Grund für die Ablehnung herkömmlicher Getterstoffe wie z. B. Platin oder Palladium ist, daß diese Materialien getestet wurden und festgestellt wurde, daß sie durch Füllfluid (typischerweise Öl) vergiftet werden. Statt dessen werden Polymergetter bevorzugt. Beispiele bekannter Polymergetter werden in US-A-5 837 158 und US-A-6 063 307 offenbart. Zudem werden in DE 29 01 636 und US-A-5,257,542 Getter im Zusammenhang mit Druckmeßgeräten offenbart.
Die Verwendung von Gettern in der Vergangenheit zur Aufrechterhaltung von Hochvakua ist zwar bekannt, aber solche Materialien sind bisher nicht zur Aufrechterhaltung der ursprünglichen Bedingungen innerhalb eines ölgefüllten Nichtvakuum-Fernprozeßdichtungssystems eingesetzt worden. Man wird erkennen, daß durch Verwendung eines Wasserstoffgetters in einem Fernprozeßdichtungssystem wahrscheinlich die Nutzlebensdauer derartiger Systeme verlängert wird, wenn diese mit anspruchsvollen Anwendungen konfrontiert werden.
Die vorliegende Erfindung ist zwar unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben worden, aber der Fachmann wird erkennen, daß Änderungen in Form und Detail vorgenommen werden können, ohne vom Grundgedanken und vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel wurde der Getter 54 zwar unter Bezugnahme auf 3 als Materialschicht beschrieben, die innerhalb einer Aussparung des Prozeßdruckmeßabschnitts der Fernprozeßdichtung aufgebracht wird, aber es wird ausdrücklich in Betracht gezogen, daß die Bereitstellung eines Getters innerhalb der Füllfluidkammer jedes geeignete Verfahren und/oder jeden geeigneten Getter einschließen kann. Zum Beispiel kann geeignetes Gettermaterial aufgedampft oder auf andere Weise auf die gefaltete Oberfläche abgeschieden oder in dem Füllfluid in Suspension gehalten werden. In Ausführungsformen, wo der Getter zumindest ein wenig elektrisch leitfähig ist und wo sich die Leitfähigkeit des Getters in Abhängigkeit von der Wasserstoffbeladung ändert, wird ferner ausdrücklich in Betracht gezogen, die Leitfähigkeit des Getters zu messen, um eine Anzeige der Getterbeladung und dementsprechend der Lebensdauer der Dichtung bereitzustellen. Außerdem können entsprechende Getter-Ausführungsformen auf jedes Füllfluidsystem angewandt werden, um die Leistung zu verbessern. Zum Beispiel ein Druckgeber im Allgemeinen ein Füllfluidsystem auf, und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung könnten möglicherweise ähnliche Vorteile bieten, um die Geberleistung zu verbessern oder aufrechtzuerhalten.

Claims

Fernprozeßdichtungssystem, das aufweist: einen Prozeßdruckgeber mit mindestens einem Druckeinlaß; eine Fernprozeßdichtungseinheit in Fluidverbindung mit dem mindestens einen Druckeinlaß des Prozeßdruckgebers, wobei die Fernprozeßdichtungseinheit so angepaßt ist, daß sie einen Prozeßfluiddruck durch ein Füllfluid zu dem mindestens einen Druckeinlaß überträgt und dabei das Prozeßfluid von dem mindestens einen Druckeinlaß isoliert; und einen Getter, der so angeordnet ist, daß er mit dem Füllfluid innerhalb des Systems in Kontakt kommt.
System nach Anspruch 1, wobei der Getter in der Fernprozeßdichtungseinheit angeordnet ist.
System nach Anspruch 2, wobei der Getter in der Nähe eines Druckgeberabschnitts der Fernprozeßdichtungseinheit angeordnet ist.
System nach Anspruch 2, wobei der Getter innerhalb einer Aussparung in der Fernprozeßdichtungseinheit angeordnet ist.
System nach Anspruch 4, das ferner ein über dem Getter montiertes Sieb aufweist.
System nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Getter ein auf eine Oberfläche der Fernprozeßdichtungseinheit aufgedampftes Material ist.
System nach Anspruch 5, wobei das Sieb metallisch ist.
System nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Getter ein Polymergetter ist.
System nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Füllfluid Siliconöl ist.
System nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Ferndichtungseinheit aus Edelstahl aufgebaut ist.
System nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Leitfähigkeit des Getters gemessen wird und eine diagnostische Anzeige der Produktlebensdauer der Ferndichtungseinheit liefert.
Fernprozeßdichtungseinheit, die aufweist: eine Trennmembran, die an ein Plattenelement angeschweißt wird, um darin eine Kammer zu bilden; und einen Getter, der innerhalb der Kammer angeordnet und so angepaßt ist, daß er mit einem inkompressiblen Füllfluid in Kontakt kommt, wenn dieses Fluid in die Fernprozeßdichtungseinheit eingebracht wird.
Einheit nach Anspruch 12, wobei der Getter innerhalb einer Aussparung in der Kammer angeordnet ist.
Einheit nach Anspruch 12 oder 13, wobei das Plattenelement Faltungen aufweist, die einer Innenfläche der Trennmembran gegenüberliegen.
Einheit nach einem der Ansprüche 12 bis 14, die ferner ein zwischen dem Getter und der Trennmembran angeordnetes Sieb aufweist.
Einheit nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei das Plattenelement einen unter dem Getter verlaufenden Kanal aufweist.
Verfahren zum Halten eines Füllfluids in einem Prozeßsystem, wobei das Verfahren aufweist: Inkontaktbringen des inkompressiblen Füllfluids mit einem Getter, um in das inkompressible Füllfluid freigesetzten Wasserstoff zu absorbieren.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das inkompressible Füllfluid Öl ist.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Öl ein Siliconöl ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei das Füllfluid innerhalb eines Fernprozeßdichtungssystems angeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, wobei das Füllfluid innerhalb eines Druckgebers angeordnet ist.