用於高壓應用的多變量過程流體變送器的製造方法

2023-10-11 17:10:19 2

用於高壓應用的多變量過程流體變送器的製造方法
【專利摘要】本發明公開一種多變量的過程流體變送器模塊，包括具有一對凹槽的基部。一對基座設置有每個基座，所述基座配置在相應的凹槽中，並且連接到相應的隔離膜片。至少一個線壓組件安裝接近基座中的一個。至少一個線壓組件將相應的隔離膜片連接到線壓傳感器。壓差傳感器具有檢測膜片，所述檢測膜片通過填充流體流體地耦合到隔離膜片。配置至少一個額外的傳感器以檢測過程流體的溫度。電路連接到線壓傳感器、壓差傳感器和至少一個額外的傳感器，以測量線壓傳感器、壓差傳感器和至少一個額外的傳感器中的每一個的電特性。電路配置成基於線壓傳感器、壓差傳感器和至少一個額外的傳感器中的每一個的測量的電特性，提供流體流量指示。
【專利說明】用於高壓應用的多變量過程流體變送器

【背景技術】
[0001] 工業過程控制系統用於監控和控制產生或轉移流體等等的工業過程。在這種系統 中，測量諸如溫度、壓力、流量以及其他類似物的"過程變量"一般是重要的。過程變量變送 器用於測量這種過程變量，並且將涉及測量的過程變量的信息傳輸回到諸如中央控制室的 中央位置。
[0002] 過程變量變送器一般包括或連接到響應過程變量的變換器或傳感器。過程變量一 般地指物質的物理或化學狀態，或能量的轉化。過程變量的例子包括壓力、溫度、流量、傳導 性、酸鹼性（pH)和其他的性質。認為壓力是基本的過程變量，可以用於測量流量、強度和甚 至溫度。
[0003] 為測量流體流量，確定許多過程變量（諸如過程流體溫度、過程流體靜態的壓力 或線壓和跨越部分障礙物（諸如孔板等等）的過程流體壓差）經常是必要的。在這種例子 中，多變量變送器通常用於測量和監控多個過程變量，以提供諸如過程流體流量的計算參 數。這種關於各種工業過程流體的計算參數是有用的，諸如水泥、流體、化學製品的水汽和 氣體、紙漿、石油、氣體、醫藥品、食物和其他的流體類型處理的植物。
[0004] 多變量的過程流體變送器一般地包括壓差傳感器和線壓傳感器和/或過程流體 溫度傳感器。壓差傳感器響應兩個過程流體輸入之間的壓力差異。線壓傳感器響應一種流 體輸入的絕對或表壓力。過程流體溫度傳感器用諸如電壓或電阻的電指示響應過程流體的 溫度，所述電指示涉及過程流體溫度。
[0005] 在包括壓差傳感器的多變量的過程流體變送器中，這種變送器一般包括一對隔離 器隔膜片，所述隔離器膜片設置在過程流體入口，並且將壓差傳感器與檢測的嚴酷的過程 流體隔離。壓力從過程流體通過大致不能壓縮的填充流體轉移到壓差傳感器，所述填充流 體在從每個隔離器膜片延伸到壓差傳感器的通道中輸送。
[0006] 高靜壓力環境可能對過程流體變送器提供重要的挑戰。在一些情況下，由於螺栓 和用在其間的可變形密封件的極限應力，過程流體凸緣和過程變量變送器基部之間的螺 栓連接在這種高壓力下一般不能密封。當密封件變形或以其他方式被破壞時，過程流體 可能從連接器漏出。現在，多變量的過程流體變送器不能夠在規定的高線壓力（諸如15， OOOpsi)的環境中操作。因此，現在的多變量裝置一般地不適合於一些過程環境（諸如海底 使用）。相應地，在這種環境中，當要求流量測量或其他相似的測量（所述測量要求多個過 程變量）時，需要多個過程流體變送器，諸如兩個並且有時三個過程流體變送器。提供這種 變送器涉及相當多的花費。因此，對於增長的高壓市場，諸如海底石油和天然氣井，提供多 變量的過程流體變送器是理想的，所述變送器適合於這種環境，並且可以使用單個設備提 供所有必要的過程變量。


【發明內容】

[0007] 多變量的過程流體變送器模塊包括具有一對凹槽的基部。一對基座設置有每個基 座，所述基座配置在相應的凹槽中，並且連接到相應的隔離膜片。至少一個線壓組件安裝接 近基座中的一個。至少一個線壓組件將相應的隔離膜片連接到線壓傳感器。壓差傳感器具 有檢測膜片，所述檢測膜片通過填充流體流體地耦合到隔離膜片。配置至少一個額外的傳 感器以檢測過程流體的溫度。電路連接到線壓傳感器、壓差傳感器和至少一個額外的傳感 器，以測量線壓傳感器、壓差傳感器和至少一個額外的傳感器中的每一個的電特性。電路配 置成基於線壓傳感器、壓差傳感器和至少一個額外的傳感器中的每一個的測量的電特性， 提供流體流量指示。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0008] 圖1是根據本發明實施例的多變量的過程流體變送器的圖解視圖。
[0009] 圖2是適合用於直接浸入在海水中的多變量的過程流體變送器的圖解視圖。
[0010] 圖3是根據本發明實施例的多變量的過程流體變送器的圖解截面圖。

【具體實施方式】
[0011] 使用跨越主要元件的壓差的高壓力流量測量現在要求至少兩個並且有時三個過 程變量變送器，以進行測量。較低的壓力環境可以使用單個的多變量過程流體變送器（諸 如從明尼蘇達州的Chanhassen的愛默生（Emerson)過程控制公司獲得的、在商業指定型號 3095或3051SMV下售賣的那些），以測量壓差、線壓和溫度，以提供完全補償的流量值。然 而，這種裝置僅規定到3626psi的MWP。當流量相關值要求用於高壓力環境（於此限定為比 3626psi大並且高達15,OOOpsi的MWP並且包括15,OOOpsiMWP)時，要求另一種方法。假 定海底環境規定的高壓，於此描述的至少一些實施例包括它們的裝置或部分，所述裝置或 部分適合於直接浸入鹽水。如於此限定的，"適合浸入鹽水"意味著材料將在可行的產品的 壽命中，在鹽水存在的條件下不腐蝕或以其他方式不允許地退化。適合浸入鹽水的材料的 例子包括合金C276,所述合金從印地安納州Kokomo的海恩斯（Haynes)國際公司獲得，在 商業名稱鎳基合金C276下；鉻鎳鐵合金625,從紐約的NewHartford的特別金屬家族公司 獲得；和從海恩斯國際公司獲得的合金C-22。特別感興趣的是合金C276,具有以下化學成 分（以 ％計量重量）：鑰 15. 0-17. 0 ;鉻 14. 5-16. 5 ;鐵 4. 0-7. 0 ;鎢 3. 0-4. 5 ;鈷，最高 2. 5 ; 猛，最 1? 1. 〇 ;1 凡，最 1? 〇? 35 ;碳，最 1? 0? 01 ;憐，最 1? 0? 04 ;硫，最 1? 0? 03 ;娃，最 1? 0? 08 ;和 剩餘的鎳。
[0012] 如圖1所述，多變量的傳感器模塊100包括連接到基部108和蓋112的側壁110。 電引線連接器114能夠連接到電子殼體102,並且包括導體，以將功率提供到傳感器模塊 100和雙向通信器。在一些實施例中，模塊100可以跨越相同的導體通信，模塊100通過所 述導體得到動力。
[0013] 圖2是適合用於直接浸入海水中的、多變量的傳感器模塊100(在圖1中說明）的 圖解視圖。具體地，模塊1〇〇的上部（接近電連接點115)用高壓軸承端蓋200覆蓋，所述 蓋200用適合直接浸入海水的材料建造。而且，與暴露給在極端深處的海水有聯繫的高壓 由端蓋200承受，當如此遭受時，所述端蓋200保持它的形狀和完整性。另外，端蓋200優 選地用與壓差傳感器模塊100的底部108相同的材料建造。例如，如果模塊100的底部108 用合金C276建造，優選地端蓋200也用合金C276建造。然而，在他們不用相同材料建造的 實施例中，端蓋200必須用適合焊接到模塊100的部分108的材料建造。這意味著兩個材 料的冶金性必須足夠相容於焊接，和/或兩個材料的融點必須足夠接近彼此。用於焊接不 同金屬的額外要求是結果焊件的冶金性（所述焊件與任一起始物料相比是不同的）必須也 是耐侵蝕的。如可以從圖2所認識，傳感器模塊100可以通過簡單地將端蓋200直接焊接 到接口 202處的下部108,相對容易地適合直接浸入海水。可以以任何合適的方式執行通過 端蓋200接近電連接點115。例如，高壓玻璃導入器可以用於通過端蓋200輸送導體，以連 接到連接點115。
[0014] 圖3是根據本發明實施例的傳感器模塊100的圖解截面圖。儘管傳感器模塊100 在圖3說明為共面的傳感器模塊，但是根據本發明的實施例，可以使用任何合適的傳感器 模塊。模塊100包括下部108,在一個實施例中，所述下部108用適合浸入鹽水中的材料 建造。儘管許多材料可以適合浸入鹽水中，一個特別合適的例子是上面詳盡地解釋的合金 C276。基部108連接到側壁110和蓋112,以在那裡限定腔206。壓差傳感器208配置在腔 206中，並且具有一對壓差傳感器輸入210、212,所述輸入將過程壓力運輸到能夠偏轉的膜 片214,所述膜片214具有隨著膜片偏轉變化的電特性（諸如電容）。電特性通過配置接近 傳感器208的電路216被測量或以其他方式轉換。電路216還調節電容測量，用於傳輸通過 電連接點115。電路216優選地包括微處理器和過程通信模塊，用於傳輸跨越過程通信迴路 或部分。這種通信的例子包括高速通道可定址遠程變換器（HART?)協議或FOUNDATION? 現場總線協議。在一些實施例中，可以跨越相同的媒體驅動模塊100,通過所述媒體所述模 塊100進行通信。
[0015] 如上詳盡地解釋，在一些實施例中，模塊100的部分可以適合用於浸入鹽水。因 此，構件必須不僅能夠在這種環境中耐侵蝕，而且他們必須也能夠承受諸如15000psi的高 壓。在一些實施例中，基部108適合用於浸入鹽水。然而，在所有的實施例中，基部配置成 承受高達和包括15,OOOpsi的高線壓。基部108包括一對凹槽217、219,每個所述凹槽具有 相應的基座218、220。隔離器膜片222連接到每個基座218、220,並且通過定位在相應通道 224、226的填充流體（諸如矽樹脂油）將相應的過程流體壓力輸送到壓差傳感器208的相 應的輸入端210、212。這樣，兩個過程流體壓力輸送到壓差傳感器208,沒有允許過程流體 接觸壓差傳感器208。
[0016] 如圖3所示，每個過程流體壓力開口 104U06優選地包括相應的一體的過程連接 器230、232,所述連接器焊接到基部108,以提供耐侵蝕的、高壓連接器。每個焊件圍繞每個 連接器的整個圓周延伸，使得焊件不僅有力地將連接器固定到基部108,也將連接器密封到 那裡。每個一體的過程連接器230、232包括過程流體壓力接收孔236,所述孔適合暴露給在 高達15,OOOpsi壓力的過程流體。另外，在過程連接器230、232焊接到部分108之前，每個 基座218、220也優選地焊接到它的相應的過程連接器230、232。這樣，臨界過程壓力保持被 保護在模塊內部的焊件免於海水暴露的腐蝕作用。
[0017] 根據本發明的實施例，基座218、220的至少一個（和優選地基座218、220兩者） 包括如在相應的參考數字302、304處說明的線壓組件。如在參考數字301、303處所示，線 壓組件302、304優選地焊接到他們的相應的基座218、220。每個線壓組件302、304流體地 耦合到相應的通道224、226。這樣，每個線壓組件將在它相應的過程連接器230、232處連接 到相應的線壓。至少一個線壓組件連接到線壓傳感器，在參考數字305處以剖視圖圖解地 指示。線壓傳感器可以是任何合適的傳感器，諸如商業上可獲得的基於電容的壓力傳感器。 然而，要求用於本發明實施例的特定的高線壓，線壓傳感器適合用於高壓操作。一個這種修 改包括利用較厚的能夠偏轉的膜片，以調整儀表因數，用於高達15,OOOpsi的操作。線壓傳 感器電連接到電路216,使得多變量的傳感器模塊可以測量線壓傳感器的電特性（諸如電 容），以獲得線壓的指示。儘管僅需要一個線壓傳感器，優選地基座218、220是相同的。而 且，優選地，甚至當使用單個的線壓傳感器時，使用線壓組件302、304二者。這減小製造模 塊1〇〇所需要的獨特構件的數量。
[0018] 在一些實施例中，諸如傳感器306的溫度傳感器可以提供，並且連接到電子器件 216以提供涉及過程流體溫度的電指示。溫度傳感器306可以是任何合適的溫度傳感器類 型，諸如電阻溫度探測器（RTD)、熱電偶、電熱調節器或任何其他合適的設備，所述設備具有 隨溫度改變的電特性或值。優選地，溫度傳感器306浸入油填充系統中的填充流體中。由 於它的浸入油填充系統和它的接近隔離器，溫度傳感器306可以和壓差傳感器信號和線壓 傳感器信號一起，用於提供完全補償的流量測量。
[0019] 在另一個實施例中，溫度傳感器可以設置在模塊100中任何其他合適的位置，並 且第二線壓傳感器可以定位在第二線壓組件處。利用第二線壓傳感器提供冗餘，使得如果 一個線壓傳感器可能失效，可以使用第二線壓傳感器。另外，兩個線壓傳感器還可以用於提 供壓差傳感器輸出的確認。可替代地，兩個線壓傳感器可以用於基於兩個線壓傳感器測量 之間的差異，提供冗餘的壓差讀數。儘管這種推導的壓差傳感器讀數會比來自壓差傳感器 的直接讀數更不精確，當壓差傳感器已經失效或否則不可獲得時，所述推導的壓差傳感器 讀數可以仍然提供有用的壓差信息。在海底應用和/或其他惡劣的或挑戰性環境中（其中 直接訪問模塊不是微不足道的嘗試），這種冗餘是特別有利的。
[0020] 仍然在另一個實施例中，第二線壓傳感器被使用並且放置在第二線壓組件處。然 而，代替連接到線壓，第二線壓傳感器密封在真空中或接近真空中。因此，第二線壓傳感器 將對非壓力相關的變量（諸如溫度和/或在傳感器模塊上的應力）以與連接到線壓的壓力 傳感器幾乎相同的方式做出反應。因此，當第二傳感器的輸出從線壓傳感器減去時，結果是 對溫度作用的補償。因此，在這種實施例中，溫度傳感器可能不是必要的。進一步，真空密 封的傳感器輸出可以用於提供溫度的直接指示。
[0021] 雖然本發明已經參照優選的實施例進行描述，在本【技術領域】熟練的技術人員將認 識到可以在形式上做出改變，而沒有違背本發明的精神和範圍。
【權利要求】
1. 一種多變量的過程流體變送器模塊，包括： 基部，所述基部具有一對凹槽， 一對基座，每個所述基座配置在相應的凹槽中，並且連接到相應的隔離膜片； 至少一個線壓組件，所述至少一個線壓組件安裝成接近基座中的一個，所述至少一個 線壓傳感器組件將相應的隔離膜片連接到線壓傳感器； 壓差傳感器，所述壓差傳感器具有檢測膜片，所述檢測膜片通過填充流體流體地耦合 到隔離膜片； 至少一個額外的傳感器，配置成用於檢測過程流體的變量； 電路，所述電路連接到線壓傳感器、壓差傳感器和所述至少一個額外的傳感器，以測量 線壓傳感器、壓差傳感器、和所述至少一個額外的傳感器中的每一個的電特性；並且 其中電路配置成用於提供相關於所述至少一個線壓傳感器、所述壓差傳感器和所述至 少一個額外的傳感器的輸出。
2. 根據權利要求1所述的多變量的過程流體變送器模塊，其中基部用適合浸沒在海水 中的材料建造。
3. 根據權利要求2所述的多變量的過程流體變送器模塊，其中所述材料是合金C276。
4. 根據權利要求1所述的多變量的過程流體變送器模塊，其中所述至少一個額外的傳 感器是溫度傳感器。
5. 根據權利要求4所述的多變量的過程流體變送器模塊，其中所述至少一個線壓組件 包括一對線壓組件，每個線壓組件安裝到相應的基座。
6. 根據權利要求5所述的多變量的過程流體變送器模塊，其中線壓組件焊接到相應的 基座。
7. 根據權利要求6所述的多變量的過程流體變送器模塊，其中所述至少一個額外的傳 感器是安裝到線壓組件中的一個的溫度傳感器。
8. 根據權利要求6所述的多變量的過程流體變送器模塊，其中所述至少一個額外的傳 感器包括連接到所述電路和安裝到線壓組件的第二線壓傳感器，其中每個線壓傳感器連接 到相應的隔離膜片。
9. 根據權利要求8所述的多變量的過程流體變送器模塊，其中第二線壓傳感器被電路 使用以提供冗餘的線壓傳感器信號。
10. 根據權利要求8所述的多變量的過程流體變送器模塊，其中所述一對線壓傳感器 被電路使用以提供冗餘的壓差傳感器信號。
11. 根據權利要求6所述的多變量的過程流體變送器模塊，其中所述至少一個額外的 傳感器包括密封在線壓組件中的一個內的第二線壓傳感器。
12. 根據權利要求11所述的多變量的過程流體變送器模塊，其中第二線壓傳感器被保 持在真空中。
13. 根據權利要求1所述的多變量的過程流體變送器模塊，進一步包括連接到基部的 高壓軸承端蓋。
14. 根據權利要求13所述的多變量的過程流體變送器，其中基部和高壓軸承端蓋用適 合浸沒在海水中的材料建造。
15. 根據權利要求14所述的多變量的過程流體變送器，其中所述材料是合金C276。
16.根據權利要求1所述的多變量的過程流體變送器，其中輸出是基於所述線壓傳感 器、所述壓差傳感器和所述至少一個額外的傳感器中的每一個的測量特性的流體流量指 /_J、i〇
【文檔編號】G01D21/02GK104515545SQ201410258969
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2014年6月11日 優先權日:2013年9月26日
【發明者】大衛·馬修·斯特瑞 申請人:羅斯蒙特公司