專利名稱：具有熱學(xué)管理的壓力變送器的直接安裝裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在工業(yè)過(guò)程監(jiān)控和控制系統(tǒng)中使用類型的過(guò)程控制變送器。更具體 地，本發(fā)明涉及在高溫或低溫環(huán)境中對(duì)過(guò)程變量進(jìn)行測(cè)量的變送器。
背景技術(shù)：
過(guò)程監(jiān)控和控制系統(tǒng)用于監(jiān)控和控制工業(yè)過(guò)程的操作。工業(yè)過(guò)程在制造中用于生 產(chǎn)各種產(chǎn)品，例如，精制油、藥品、紙張、食品等。在大規(guī)模實(shí)現(xiàn)中，必須對(duì)這些過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控 和控制，以便于在它們期望的參數(shù)內(nèi)進(jìn)行操作?！白兯推?transmitter) ”已經(jīng)成為用于描述耦合至過(guò)程設(shè)備并用于感測(cè)過(guò)程變量 的設(shè)備的術(shù)語(yǔ)。示例過(guò)程變量包括壓力、溫度、流量等。通常，變送器位于遠(yuǎn)程位置(即，在 “現(xiàn)場(chǎng)”中)，并且向中心控制室傳送回感測(cè)的過(guò)程變量。各種技術(shù)用于傳送過(guò)程變量，包括 有線和無(wú)線通信。一種常用有線通信技術(shù)使用所謂的雙線過(guò)程控制回路，其中，單對(duì)導(dǎo)線用 于既承載信息又向變送器供電。一種沿用已久用于傳送信息的技術(shù)是將通過(guò)過(guò)程控制回 路的電流水平控制在4mA和20mA之間?？梢詫?_20mA范圍內(nèi)的電流值映射至相應(yīng)的過(guò)程 變量值。一種類型的變送器是壓力變送器。通常，壓力變送器是用于測(cè)量過(guò)程流體壓力的 任何類型變送器。(術(shù)語(yǔ)流體包括氣體和液體及其組合。)壓力變送器可以用于直接測(cè)量 壓力，包括差壓、絕對(duì)壓力以及計(jì)量(gauge)壓力。此外，使用已知技術(shù)，壓力變送器可以用 于基于兩個(gè)位置之間過(guò)程流體的壓差，來(lái)測(cè)量過(guò)程流體的流量。典型地，壓力變送器包括通過(guò)隔離系統(tǒng)耦合至過(guò)程流體的壓力的壓力傳感器。隔 離系統(tǒng)例如可以包括與過(guò)程流體物理接觸的隔離膜，以及在隔離膜和壓力傳感器之間延伸 的隔離填充流體。優(yōu)選地，填充流體包括實(shí)質(zhì)上不可壓縮的流體，例如油。因?yàn)檫^(guò)程流體在 隔離膜上施加壓力，所施加壓力中的變化被傳送跨過(guò)膜，并通過(guò)隔離流體傳送至壓力傳感 器。這種隔離系統(tǒng)防止壓力傳感器的精密部件直接暴露于過(guò)程流體中。在一些過(guò)程環(huán)境中，過(guò)程流體可以經(jīng)歷相對(duì)高的溫度。然而，變送器典型地具有 250-300° F的最大工作溫度。即使在變送器能夠經(jīng)受住高溫的情況下，溫度極限仍會(huì)在壓 力測(cè)量中引入誤差。在其溫度超過(guò)壓力變送器最大溫度的過(guò)程中，變送器自身必須位于遠(yuǎn) 離過(guò)程流體的位置，并且使用長(zhǎng)毛細(xì)管耦合至過(guò)程流體。毛細(xì)管可以延伸許多英尺，并且在 毛細(xì)管中承載隔離流體。管的一端通過(guò)隔離膜安裝至過(guò)程，并且管的另一端耦合至壓力變 送器。該長(zhǎng)毛細(xì)管和隔離膜通常被稱作“遠(yuǎn)程密封(remote seal)”。

發(fā)明內(nèi)容
—種用于將壓力變送器耦合至工業(yè)過(guò)程的過(guò)程流體的直接安裝裝置，包括變送 器耦合，被配置為耦合至壓力變送器。過(guò)程耦合被配置為耦合工業(yè)過(guò)程。毛細(xì)管在變送器 耦合和過(guò)程耦合之間延伸。提供具有相對(duì)高導(dǎo)熱率的熱傳導(dǎo)路徑，該路徑在過(guò)程耦合和變 送器耦合之間延伸。優(yōu)選地，熱開(kāi)關(guān)選擇性地?zé)徇B接過(guò)程耦合和變送器耦合之間的熱傳導(dǎo)
4路徑。


圖1是示出了壓力變送器組件的圖，其中，壓力傳感器與隔離膜組件隔開(kāi)，以提供 熱隔離。圖2A是根據(jù)本發(fā)明的包括直接安裝遠(yuǎn)程密封在內(nèi)的壓力變送器的部分剖視圖。圖2B是圖2A的直接安裝遠(yuǎn)程密封的一部分的截面圖。圖3A是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的包括直接安裝遠(yuǎn)程密封在內(nèi)的壓力變送器的部分剖視 圖。圖3B是圖3A的直接安裝遠(yuǎn)程密封的一部分的截面圖。
具體實(shí)施例方式提供高溫度過(guò)程的高精度壓力測(cè)量是困難的，尤其在熱或冷的周圍環(huán)境中。本發(fā) 明提供解決這種困難的技術(shù)。被安裝至高溫過(guò)程的壓力變送器(例如，被配置為測(cè)量絕對(duì)壓力、計(jì)量壓力或差 壓的變送器)會(huì)變得過(guò)熱以致于超過(guò)最大工作溫度，除非變送器與熱過(guò)程之間熱隔離。典 型地，可以使用遠(yuǎn)程密封來(lái)實(shí)現(xiàn)這種熱隔離，在這種遠(yuǎn)程密封中，壓力變送器與過(guò)程分離， 或以其他方式與過(guò)程熱隔離。通過(guò)毛細(xì)管向壓力變送器傳遞來(lái)自于過(guò)程流體的壓力?？梢?使用隔離膜將毛細(xì)管與過(guò)程流體之間流體隔離。隔離膜接觸過(guò)程流體，并且由于壓力施加 于隔離膜，因此隔離膜彎曲并向毛細(xì)管中的填充流體施加壓力。毛細(xì)管的另一端直接或者 通過(guò)另一隔離膜耦合至壓力傳感器。這種遠(yuǎn)程密封配置的一個(gè)問(wèn)題在于填充毛細(xì)管的隔離填充流體如果暴露于溫度 極限，就會(huì)劣化。能夠經(jīng)受相對(duì)高溫的填充流體不會(huì)在相對(duì)低溫下以足夠精度運(yùn)行。一種 類型的高溫填充流體(DC-704)在0°C以下不工作。流體變得如此粘滯，以致于不能向變送 器隔離膜傳送壓力信號(hào)。然而，許多應(yīng)用需要在冷的周圍條件下進(jìn)行高溫過(guò)程的壓力測(cè)量。 本發(fā)明提供了一種技術(shù)，用于遠(yuǎn)離過(guò)程流體放置變送器，從而將變送器與高溫相隔離，而同 時(shí)仍能夠測(cè)量超過(guò)200°C的過(guò)程溫度，即使在周圍溫度低于0°C時(shí)。該配置也能夠在熱的周 圍溫度下保護(hù)變送器。圖1是示出了壓力變送器組件的圖，其中，壓力傳感器與隔離膜組件隔開(kāi)，以提供 熱隔離。圖1是示出了根據(jù)本發(fā)明的壓力變送器組件106的工業(yè)過(guò)程設(shè)施100的簡(jiǎn)圖。過(guò) 程100包括容器102，容器102中包含過(guò)程流體104。變送器組件106包括將變送器(變送 器模塊)108安裝至容器102的變送器分支(offset)組件110。盡管變送器分支組件110示 作分離部件，但是其可以是與變送器108 —體的部件。分支組件110包括隔離膜組件120、 導(dǎo)管122、以及變送器支撐124。隔離膜組件120包括隔離膜128，隔離膜128具有面對(duì)并接 觸過(guò)程流體104的過(guò)程界面?zhèn)?。隔離腔129限定在隔離膜128之后。毛細(xì)管122耦合至該 隔離腔129，并且毛細(xì)管122填充有隔離填充流體。隔離填充流體是實(shí)質(zhì)上不可壓縮的流 體，例如油。毛細(xì)管122中與隔離膜組件120相對(duì)的一端耦合至壓力傳感器130。壓力傳感 器向變送器電路132提供輸出。所示的變送器電路132耦合至雙線過(guò)程控制回路134。備 選地，變送器可以采用各種無(wú)線技術(shù)。壓力傳感器130通過(guò)電連接138電耦合至變送器電子裝置132。在一個(gè)特定實(shí)施例中，電連接138包括柔性電路。隔離膜組件120可以是任何配置，圖1中的圖僅出于示意目的。類似地，導(dǎo)管122、 變送器108、壓力傳感器130以及變送器電子裝置132可以是任何期望的配置。導(dǎo)管122不 需要如圖1所示是直的或管狀的，在備選配置中可以采用任何數(shù)目的導(dǎo)管。變送器支撐124以分隔開(kāi)的定向，將變送器108物理安裝至隔離膜組件122。可 以使用任何期望的變送器支撐或配置。一個(gè)示例支撐124是完全包圍導(dǎo)管122以保護(hù)導(dǎo)管 122不受過(guò)程環(huán)境影響的支撐。另一示例變送器支撐對(duì)容器102和變送器108之間的空間 進(jìn)行分割，來(lái)創(chuàng)建用以減小或反射輻射的擋板。由分支組件110提供的過(guò)程容器102和變 送器108之間的間隔提供了它們之間的熱隔離。通過(guò)使用空氣隙或通過(guò)其他技術(shù)，使用具 有良好絕熱特性的材料來(lái)實(shí)現(xiàn)熱隔離。可以基于用于具體設(shè)施的期望熱隔離量，來(lái)選擇變 送器108和過(guò)程容器102之間的分離距離?？梢栽诰哂刑貏e熱的過(guò)程溫度的設(shè)施中，或者 對(duì)于包括對(duì)溫度極限特別敏感的電子裝置或其他部件的變送器，使間隔增加。此外，圖1提 供了熱開(kāi)關(guān)150的示意圖示，熱開(kāi)關(guān)150被配置為選擇性地耦合變送器108和過(guò)程104之 間的熱路徑。在一個(gè)特定配置中，熱開(kāi)關(guān)150在小于特定閾值的溫度下閉合，并且在其溫度 超過(guò)閾值時(shí)斷開(kāi)。圖2A是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的壓力變送器108和直接安裝裝置200的部分剖 視圖。圖2B是直接安裝裝置200的更詳細(xì)的截面圖。直接安裝裝置200包括過(guò)程耦合端 202和變送器耦合端204。毛細(xì)管206在端部202和204之間延伸，并可以填充有填充流 體，例如實(shí)質(zhì)上不可壓縮的油等。在一個(gè)配置中，每一端部202和204分別包括隔離膜210、 212，以隔離和保持毛細(xì)管206內(nèi)的填充流體。在另一配置中，隔離膜210僅位于過(guò)程耦合 端202處，并且填充流體接觸壓力變送器108的隔離膜(未示出)。在圖2A和2B的實(shí)施例中，熱開(kāi)關(guān)150(圖1所示)由材料的熱膨脹率之間的差異 形成，這種差異使得在更高溫度下形成間隙。該間隙引起熱路徑中熱阻的顯著增加。參照 圖2B，安裝裝置200由高熱膨脹的外殼230形成。例如，外殼230由不銹鋼316SST形成。 這種材料還具有相對(duì)低的導(dǎo)熱率。內(nèi)殼232由低熱膨脹的材料(例如，銅合金)形成，并且 提供熱傳導(dǎo)路徑。低熱膨脹材料232還應(yīng)當(dāng)具有相對(duì)高的導(dǎo)熱率。隨著安裝裝置200的溫 度增加，高熱膨脹材料230以比低熱膨脹材料232高的速率膨脹，使得形成間隙240。該間 隙240使得由材料232提供的熱路徑與工業(yè)過(guò)程實(shí)質(zhì)上熱斷開(kāi)。這提供了熱分流器，在較 高溫度下斷開(kāi)并在較低溫度下閉合。例如，在具有相對(duì)高周圍溫度的高溫過(guò)程應(yīng)用中，分流 器斷開(kāi)，并提供相對(duì)高的熱阻，從而保護(hù)變送器不會(huì)過(guò)熱。然而，在較冷周圍溫度下，分流器 閉合，從而提供具有相對(duì)低的熱阻的熱路徑。這實(shí)現(xiàn)了熱從過(guò)程流至變送器隔離區(qū)域，從而 將毛細(xì)管206中接近變送器108的區(qū)域中的填充流體的溫度保持在足夠高的溫度，以保持 功能。例如，一個(gè)模型預(yù)測(cè)，當(dāng)周圍空氣溫度為負(fù)40°C度時(shí)，假設(shè)過(guò)程溫度保持在200°C以 上，則變送器108的隔離膜212處的填充流體保持0°C以上。該配置使用直接安裝遠(yuǎn)程密封，以使得壓力變送器能夠在極冷以及極熱的周圍溫 度條件下測(cè)量極高溫度過(guò)程的壓力。此外，該配置可以起到熱“熔絲”的作用，防止變送器 在過(guò)程溫度升高到超過(guò)可接受程度的情況下過(guò)熱。在一個(gè)方面中，直接安裝裝置200的配置在熱開(kāi)關(guān)處于閉合位置時(shí)，實(shí)質(zhì)上最小 化過(guò)程和變送器隔離區(qū)域之間的熱阻，并且在熱開(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)位置時(shí)，實(shí)質(zhì)上最大化過(guò)程和變送器隔離區(qū)域之間的熱阻。殼230和232之間的空間可以是真空，或者非熱傳導(dǎo)材料， 從而使內(nèi)部熱導(dǎo)體與外部管道絕熱，并且沿著毛細(xì)管將熱引導(dǎo)至變送器隔離區(qū)域。優(yōu)選地， 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)被配置為，確保材料經(jīng)歷的最大應(yīng)力保持在針對(duì)所有工作條件的材料耐疲勞度和 蠕變極限以下。優(yōu)選的材料包括銅合金。圖3A是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的直接安裝裝置300的部分剖視圖，圖3B是根據(jù) 本發(fā)明另一實(shí)施例的直接安裝裝置300的放大剖視圖。圖3A和3B中與圖2A和2B所示的 那些項(xiàng)類似的項(xiàng)保留它們的編號(hào)。在圖3A和3B的配置中，安裝裝置300提供被動(dòng)熱優(yōu)化。 更具體地，高導(dǎo)熱材料306 (例如，銅)圍繞毛細(xì)管206延伸。真空308提供高導(dǎo)熱材料306 和外部管道310之間的熱隔離。在導(dǎo)熱材料306和過(guò)程耦合202處的接頭(fitting)316 之間提供熱連接314。例如，接頭306可以包括不銹鋼，并且與314的連接可以通過(guò)任何適 當(dāng)?shù)募夹g(shù)，例如，釬焊(braising)或焊接(bonding)。導(dǎo)熱材料306和接近變送器耦合204 的端部耦合322之間存在類似的熱連接界面320。熱絕緣器326位于變送器耦合204附近， 并位于高導(dǎo)熱材料306和外部管道310的薄壁330之間。薄壁330還在導(dǎo)熱材料306和變 送器接頭332之間提供熱隔離。在操作中，圖3A和3B所示的配置提供了被動(dòng)熱設(shè)計(jì)，使得在極冷以及極熱周圍溫 度條件下能夠進(jìn)行高溫測(cè)量。在該配置中，具有高導(dǎo)熱率的材料306在管道310中延伸，并 被配置為通過(guò)過(guò)程耦合304從過(guò)程傳熱。該導(dǎo)熱材料306在低溫期間傳導(dǎo)足夠的熱量，以 在變送器耦合204處將毛細(xì)管206內(nèi)的填充流體保持在足夠高的溫度，例如，0°C以上。然 而，熱耦合不足以使變送器在溫或熱周圍溫度條件期間過(guò)熱。該配置還提供了變送器耦合 204同變送器108、周圍環(huán)境之間的熱隔離。在外部管道310內(nèi)可以提供真空，以便于在高 導(dǎo)熱率材料306和外部管道310之間提供隔離。在一個(gè)配置中，圖2A和2B所示具有熱開(kāi) 關(guān)的本發(fā)明包括在圖3A和3B中描述的被動(dòng)熱隔離設(shè)計(jì)。在各個(gè)方面中，本發(fā)明提供了一種直接安裝裝置中的溫度致動(dòng)熱開(kāi)關(guān)，其中利用 具有不相同膨脹系數(shù)的材料。熱開(kāi)關(guān)用于選擇性地沿著毛細(xì)管從熱過(guò)程傳導(dǎo)熱量，從而在 冷周圍條件中使用時(shí)將遠(yuǎn)程密封系統(tǒng)內(nèi)的填充流體保持在其最小工作溫度以上。例如，這 種配置可以用于，在極冷周圍環(huán)境(負(fù)40°C)中，或者在熱周圍溫度(例如，40°C的炎熱晴 天)中，使直接安裝遠(yuǎn)程密封能夠測(cè)量高溫過(guò)程(即，200°C和250°C)中的壓力。在特定 示例中，熱開(kāi)關(guān)是基于溫度來(lái)致動(dòng)的。本發(fā)明提供了一種根據(jù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方式可調(diào)節(jié)的可變 熱阻。在另一方面中，被動(dòng)熱設(shè)計(jì)提供足夠熱阻以防止變送器在熱天氣期間過(guò)熱，還能夠在 冷天氣期間沿著毛細(xì)管從熱過(guò)程傳導(dǎo)足夠熱量，從而將毛細(xì)管填充流體保持在最小工作溫 度以上。這種配置在極冷周圍溫度(例如，負(fù)40°C至0°C)中，以及在熱周圍溫度(例如， 40°C的晴天)時(shí)，使直接安裝遠(yuǎn)程密封能夠測(cè)量高溫度過(guò)程(例如，200°C至250°C)中的壓 力。盡管已經(jīng)參照優(yōu)選實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，在不背 離本發(fā)明的精神和范圍的前提下可以進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的修改。
權(quán)利要求
一種用于將壓力變送器耦合至工業(yè)過(guò)程的過(guò)程流體的直接安裝裝置，包括變送器耦合，被配置為耦合至壓力變送器；過(guò)程耦合，被配置為耦合工業(yè)過(guò)程；毛細(xì)管，在變送器耦合和過(guò)程耦合之間延伸；具有相對(duì)高導(dǎo)熱率的熱傳導(dǎo)路徑，在過(guò)程耦合和變送器耦合之間延伸；以及熱開(kāi)關(guān)，被配置為選擇性地?zé)徇B接過(guò)程耦合和變送器耦合之間的熱傳導(dǎo)路徑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，熱開(kāi)關(guān)響應(yīng)于溫度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，熱開(kāi)關(guān)由兩種材料之間的間隙形成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其中，兩種材料具有不相同的膨脹系數(shù)，從而使間隙的 大小隨著溫度而變化。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，包括隔離膜，被配置為將毛細(xì)管中的填充流體與過(guò)程 流體隔離。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，包括外殼。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，毛細(xì)管填充有填充流體。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，毛細(xì)管被配置為向壓力變送器傳遞過(guò)程壓力。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，包括真空，在外殼和毛細(xì)管之間沿著毛細(xì)管形成。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，熱傳導(dǎo)路徑包括具有高導(dǎo)熱率的材料。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，熱傳導(dǎo)路徑沿著毛細(xì)管延伸。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，包括熱傳導(dǎo)路徑和工業(yè)過(guò)程之間的熱傳導(dǎo)界面。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，包括熱傳導(dǎo)路徑和壓力變送器之間的熱傳導(dǎo)界面。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，熱開(kāi)關(guān)在高溫下斷開(kāi)，在較低溫度下閉合。
15.一種將壓力變送器耦合至工業(yè)過(guò)程的過(guò)程流體的壓力的方法，包括 將毛細(xì)管耦合至過(guò)程流體的壓力；將壓力變送器耦合至毛細(xì)管； 提供沿著毛細(xì)管的熱傳導(dǎo)路徑；以及 將熱傳導(dǎo)路徑與周圍環(huán)境熱隔離。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，包括將熱傳導(dǎo)路徑選擇性地?zé)狁詈现吝^(guò)程流體。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，選擇性地?zé)狁詈匣跍囟取?br> 18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，選擇性地?zé)狁詈习ㄐ纬蓛煞N材料之間的間隙。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，兩種材料具有不相同的膨脹系數(shù)，從而使間隙 的大小隨著溫度而變化。
20.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，包括提供被配置為將毛細(xì)管中的填充流體與過(guò)程 流體相隔離的隔離膜。
21.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，毛細(xì)管填充有填充流體。
22.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，毛細(xì)管被配置為向壓力變送器傳遞過(guò)程壓力。
23.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，包括在毛細(xì)管和外殼之間提供沿著毛細(xì)管形成的 真空。
24.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，熱傳導(dǎo)路徑包括具有高導(dǎo)熱率的材料。
25.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，熱傳導(dǎo)路徑沿著毛細(xì)管延伸。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，包括提供熱傳導(dǎo)路徑和工業(yè)過(guò)程之間的熱傳導(dǎo)界
27.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，包括提供熱傳導(dǎo)路徑和壓力變送器之間的熱傳導(dǎo)界面。
28.根據(jù)權(quán)利要求25或26所述的方法，包括將熱傳導(dǎo)界面焊接至熱傳導(dǎo)路徑。
全文摘要
一種用于將壓力變送器(108)耦合至工業(yè)過(guò)程的過(guò)程流體的直接安裝裝置，包括被配置為耦合至壓力變送器(108)的變送器耦合(124)。過(guò)程耦合(120)被配置為耦合工業(yè)過(guò)程流體(104)。毛細(xì)管(122)在變送器耦合(124)和過(guò)程耦合(120)之間延伸。具有相對(duì)高導(dǎo)熱率的熱傳導(dǎo)路徑(152)在過(guò)程耦合(120)和變送器(108)之間延伸。優(yōu)選地，熱開(kāi)關(guān)(150)選擇性地?zé)徇B接過(guò)程耦合(120)和變送器(108)之間的熱傳導(dǎo)路徑(152)。
文檔編號(hào)G01L19/06GK101896804SQ200880120839
公開(kāi)日2010年11月24日 申請(qǐng)日期2008年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月18日
發(fā)明者史蒂文·M·貝姆, 威廉·B·克魯格, 杰伊·W·史密斯, 杰弗里·P·雷迪克, 杰弗里·格羅普曼, 艾倫·齊利格 申請(qǐng)人:羅斯蒙德公司