ВЫСОКОИНТЕГРИРОВАННЫЙ ЗОНД ДАВЛЕНИЯ РАБОЧЕЙ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ Российский патент 2017 года по МПК G01L19/00 G01L19/06 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Для слежения за промышленными процессами, используемыми для производства, перемещения и т.п. текучих сред и управления ими, используются системы управления промышленными процессами. В таких системах, как правило, бывает важно измерять "переменные процесса", такие как температуры, давления, скорости потока и другие. Передающие датчики управления процессом измеряют такие переменные процесса и передают информацию, относящуюся к измеренным переменным процесса, назад в центральную станцию, такую как центральный пункт управления.

Одним из типов передатчика переменных процесса является передатчик давления, который измеряет рабочее давление текучей среды и обеспечивает "выход" (выходной сигнал), связанный с измеренным давлением. Этим выходом может быть давление, скорость потока, уровень текучей среды или другая переменная процесса, которая может быть получена из измеренного давления. Передатчик давления сконфигурирован с возможностью передачи информации, относящейся к измеренному давлению, назад, в центральный пункт управления. Передача обычно осуществляется по двухпроводному контуру управления процесса, однако иногда используются другие типы связи.

Обычно давление связано с передатчиком переменных процесса посредством некоего типа передаточного соединения процесса. Во многих примерах датчик давления передатчика связан по текучей среде с рабочей текучей средой либо через изолирующую текучую среду, либо посредством прямого контакта с рабочей текучей средой. Давление рабочей текучей среды вызывает физическую деформацию датчика давления, что создает соответствующее "электрическое изменение" в датчике давления, такое как изменение емкости или сопротивления.

Барьер давления представляет собой механическую структуру, которая содержит давление рабочей текучей среды. Наличие барьеров давления как таковых является ключевым требованием для системы измерения давления рабочей текучей среды. Для того чтобы обеспечить безопасную и надежную систему, некоторые производители обеспечивают избыточные барьеры давления. Так что, если первичный барьер выходит из строя, рабочая текучая среда еще сдерживается вторичным барьером.

Одними из особенно неблагоприятных окружений для измерения давления являются приложения, в которых имеется очень высокое давление. Одним из таких приложений является морское подводное окружение. В таких приложениях статическое давление, которому подвергается оборудование рабочего процесса, может быть довольно высоким. Кроме того, рабочая текучая среда может оказывать корродирующее воздействие на многие известные металлы. Например, в настоящее время рассматриваются некоторые морские подводные задачи, в которые имеет место максимальное рабочее давление в 20000 фунтов на кв. дюйм (1,406 кг/см²). При наличии максимального рабочего давления в 20000 фунтов на кв. дюйм утвержденные производственные стандарты обычно требуют, чтобы барьеры давления датчиков давления в таких условиях могли выдерживать в 2,5 большее рабочее давление. Таким образом, надо чтобы барьер давления в таком приложении мог выдерживать рабочее давление в 50.000 фунтов на кв. дюйм (3,515 кг/см²). Важным аспектом конструктивного критерия для барьеров давления является обеспечение ими целостности процесса. Более конкретно, если барьер давления (или барьеры давления) выходит из строя, рабочая текучая среда может попасть в окружающую среду. Это в высокой степени нежелательно, потому что рабочая текучая среда может быть воспламеняющейся или даже взрывоопасной или же, вообще, может вызывать загрязнение окружающей среды. Таким образом, для морских подводных приложений между рабочей текучей средой и морской водой или же между рабочей текучей средой и отсеком электронного оборудования желательно обеспечить два барьера давления.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Зонд для измерения давления рабочей текучей среды содержит датчик давления, образованный из монокристаллического материала, прикрепленный к первому металлическому барьеру рабочей текучей среды и предназначенный для прямого контакта с рабочей текучей средой. Датчик давления имеет электрическую характеристику, которая изменяется в зависимости от давления рабочей текучей среды. Образованный из монокристаллического материала проходной элемент имеет множество проводников, продолжающихся от первого конца ко второму концу. Этот проходной элемент прикреплен ко второму металлическому барьеру рабочей текучей среды и разнесен от датчика давления, но является электрически соединенным с ним. Датчик давления и проходной элемент установлены таким образом, что вторичный металлический барьер рабочей текучей среды изолирован от рабочей текучей среды посредством первого металлического барьера рабочей текучей среды.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг. 1 представляет собой схематичный вид в перспективе монокристаллического датчика давления, при использовании которого настоящее изобретение является особенно полезным.

Фиг. 2 представляет собой схематичный вид монокристаллического датчика давления, используемого в конфигурации с парой барьеров давления.

Фиг. 3 представляет собой схематичный вид высокоинтегрированного датчика высокого давления рабочей текучей среды в соответствии с одним вариантом исполнения настоящего изобретения.

Фиг. 4 представляет собой схематичный вид монокристаллического проходного элемента, действующего в качестве вторичного барьера давления в соответствии с вариантом исполнения настоящего изобретения.

Фиг. 5 представляет собой схематичный вид поперечного сечения высокоинтегрированного монокристаллического датчика высокого давления рабочей текучей среды, связанного с передатчиком давления в соответствии с вариантом исполнения настоящего изобретения.

Фиг. 6 представляет собой схематичный поэлементный вид высокоинтегрированного датчика высокого давления рабочей текучей среды в соответствии с вариантом исполнения настоящего изобретения.

Фиг. 7 представляет собой схематичный вид поперечного сечения высокоинтегрированного датчика высокого давления рабочей текучей среды в соответствии с вариантом исполнения настоящего изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЛЛЮСТРАТИВНЫХ ВАРИАНТОВ ИСПОЛНЕНИЯ

Барьеры давления могут выполняться в различных видах. Например, в качестве первичного барьера давления, как правило, хорошо работает изолирующая диафрагма процесса. Кроме того, эффективными вторичными барьерами могут служить удаленные герметичные капиллярные системы. Стеклянные или керамические головки позволяют выполнять эффективные электрические соединения при одновременном обеспечении необходимого барьера давления. Наконец, датчики давления сами по себе могут быть сконструированы так, чтобы находились под давлением и, таким образом, служили в качестве барьера давления.

Как упоминалось выше, барьеры давления являются чрезвычайно важными в процессе измерения давления, поскольку они обеспечивают целостность рабочей текучей среды. Однако барьеры давления создают ряд заглушек. Такие заглушки включают в себя стоимости, сложность, размеры, надежность и совместимость.

Для того чтобы эффективно нейтрализовать подводное морское окружение, должно быть принято во внимание несколько конструктивных критериев. Надежность, безопасность, размеры и стоимость - все это представляет собой важные конструктивные параметры.

Надежность очень важна, потому что расчетный срок службы рабочей текучей среды может доходить до порядка 30 лет. Кроме того, вышедшие из строя устройства зачастую не могут быть сразу же заменены или отремонтированы. Далее, обеспечение устройств, которые могут быть заменены, может очень сильно повысить стоимость таких конструкций, а сам процесс замены может стоить более миллиона долларов.

Безопасность важна, потому что критически важно, чтобы давление и рабочая текучая среда были заключены в определенной области. Подводные морские системы измерения давления рабочей текучей среды, как правило, требуют наличия между рабочей текучей средой и морской водой двух барьеров давления.

Размер является другим важным конструктивным параметром. Обычно наиболее благоприятными являются компоненты и системы меньших размеров, поскольку в них легче поддерживать давление. Кроме того, при меньших размерах конструкций остается больше места для других инструментов и устройств. Более того, при использовании в подводных морских приложениях относительно экзотических материалов для борьбы с коррозией меньшие конструкции способствуют уменьшению стоимостей.

Таким образом, варианты исполнения настоящего изобретения, как правило, обеспечивают передатчик высокого давления, с чрезвычайно высокой целостностью, который может быть более дешевым, более безопасным и более надежным, чем предыдущие устройства. Варианты исполнения настоящего изобретения обычно используют небольшой монокристаллический датчик давления, который пригоден для прямого контакта с самой рабочей текучей средой. Такие датчики давления известны. Например, компанией "Emerson Process Management" из города Шанхассен (Chanhassen), Миннесота, США, использовались датчики давления, построенные на сапфире. Эти датчики могут противостоять высоким давлениям и высоким температурам. Кроме того, сапфировые датчики давления могут быть предназначены для прямого контакта с рабочей текучей средой. Сапфировые датчики давления обычно позволяют создавать уникальную архитектуру, которая может быть интегрирована в рабочий резервуар (такой как труба или элемент потока). Преимущество этой архитектуры заключается в том, что внутри резервуара давление процесса удерживается лучше. Несмотря на то, что варианты исполнения настоящего изобретения обычно будут описаны применительно к датчику давления, построенному на монокристаллическом материале, на практике варианты исполнения настоящего изобретения могут быть осуществлены с использованием установленного на подложке любого датчика давления, как описано ниже.

Фиг. 1 представляет собой схематичный вид в перспективе датчика давления, построенного на монокристаллическом материале, с которым варианты исполнения настоящего изобретения являются особенно полезными. Показанный на фиг. 1 датчик 10 давления известен. Например, такой датчик раскрывает патент США № 6520020. С правой стороны фиг. 1 показано рабочее давление условно, проиллюстрированное ссылочной позицией 12. Давление рабочей текучей среды действует в направлениях, показанных стрелками 14, сжимая подложку 16, которая в одном варианте исполнения образована из сапфира. Это сжатие сапфировой подложки 16 вызывает изменения в расстоянии между слоями 16, 17 сапфировой подложки. На внутренних поверхностях датчика давления расположены проводники 19, 21 таким образом, что отклонение сапфировой подложки 16, 17 вызывает изменение в емкости между этими проводниками 19, 21. Это изменение в емкости определяется соответствующей цепью, подсоединенной к электрическим выводам 18. В середине фиг. 1 показан барьер 20 давления. Это может быть трубка или стенка резервуара, но, как правило, - это структура, которая содержит рабочую текучую среду 12. Датчик 10 давления проходит через отверстие в барьере 20 давления и после этого припаян к ней, как показано ссылочными позициями 22 и 24. С левой стороны на фиг. 1 имеется номинальное атмосферное давление, что показано ссылочной позицией 25, где обеспечено электрическое подключение 18. Дополнительно в некоторых вариантах исполнения датчик 10 давления может включать в себя температурный датчик, такой как резистивный температурный детектор, который обеспечивает электрическую индикацию, такую как сопротивление, которая изменяется с температурой рабочей текучей среды.

В одной имеющейся на рынке реализации датчика 10 давления, продаваемого под наименованием «Model 4600» от компании "Emerson Process Management", первичным барьером давления является диафрагма процесса, которая отделяет рабочую текучую среду от наполненного нефтью контейнера. Нефть в наполненном нефтью контейнере контактирует с сапфировыми подложками 16, 17. В этом случае диафрагма процесса представляет собой первичный барьер давления, а припаянный проходной элемент является вторичным барьером давления. Оба барьера могут противостоять чрезвычайно высоким давлениям. Соответственно, представляется, что барьер на основе припаянного сапфира является эффективным барьером давления отчасти потому, что он является проверенным, дешевым и небольшим. Однако в тех вариантах исполнения изобретения, в которых изоляция или диафрагма процесса не используется, или просто является слишком большой, или связана со слишком большими затратами, возможность для датчика 10 давления рабочей текучей среды вступать в непосредственный контакт с рабочей средой обусловила бы положение, при котором припаянный проходной элемент стал первичным барьером давления. В окружениях с высокоинтегрированным измерением рабочего давления, тем не менее, необходимо иметь вторичный барьер давления.

Фиг. 2 иллюстрирует монокристаллический сапфировый датчик давления, используемый в измерительной конфигурации с парой барьеров давления. Как показано на фиг. 2, чувствительный участок датчика давления является по существу таким же самым, что и тот, что показан на фиг. 1. Более того, стенка 20 контейнера припаянного перехода через рабочую текучую среду также является похожей. Однако обеспечена и вторичная стенка 30, через которую датчик давления также проходит. Кроме того, обеспечено и паяное соединение с этим барьером. В то время как эта конфигурация представляет собой высокоинтегрированную двойную барьерную систему, она не лишена некоторых недостатков. Первый недостаток заключается в том, что осевые напряжения, вызванные температурными изменениями между паяными металлическими барьерами и монокристаллическим материалом, вполне вероятно, могут привести к катастрофическому повреждению. Второй недостаток заключается в том, что сами барьеры не могут удерживать давление при наличии общих неисправностей, характерных для сапфировых датчиков, таких как утечки между верхней и нижней половинками датчика.

Фиг. 3 представляет собой схематичный вид высокоинтегрированного датчика высокого давления рабочей текучей среды в соответствии с одним вариантом исполнения настоящего изобретения. Как показано на фиг. 3, проблемы вариантов исполнения двойных барьеров давления, описанные выше применительно к фиг. 2, решены посредством введения зазора 41 между двумя этими барьерами давления. В этом варианте исполнения рабочая текучая среда 12 воздействует непосредственно на подложку 40 и на внутреннюю часть рабочего резервуара 42. Датчик 40 проходит через отверстие резервуара 42 рабочей текучей среды и припаян к нему в месте соединения 44. Вторая структура удержания процесса схематично показана со ссылочной позицией 46, и имеется проходной элемент 48 из монокристаллического материала, который продолжается через отверстие в стенке 46. Этот проходной элемент 48 припаян к стенке 46 почти таким же самым образом, что и датчик 40, припаянный к стенке 42 рабочего резервуара. Между структурой 48 и датчиком 40 обеспечены электрические соединения. Таким образом, второй барьер давления 48 может быть выполнен на простой, меньшей конструкции с соответствующим количеством соединений. Одна подходящая конфигурация для конструкции 48 проиллюстрирована на фиг. 4. Проходной элемент 50 включает в себя монокристаллическую подложку, которая проходит через отверстие во вторичном барьере давления 46. Подложка 50 включает в себя множество электропроводящих площадок 52, которые сконфигурированы с возможностью подсоединения пайкой или каким-либо иным способом к проводникам 50 (показанным на фиг. 3). Печатные проводники или другие подходящие структуры 51 на подложке 50 соединяют площадки 52 с соответствующими площадками 54. которые сконфигурированы с возможностью соединения со множеством проводников, которые, в конечном счете, соединены с передатчиком рабочего давления (показанным на фиг. 5). Подложка 50 герметично соединена с барьером 46 на отверстии через барьер 46 любым подходящим способом, таким как пайка.

Однако вернемся назад к фиг. 3, вторая конструкция 48, в отличие от проходного элемента 50, может включать в себя также датчик для определения неисправности первого барьера. Подходящие датчики для конструкции 48 включают в себя датчик давления или поверхностный датчик сопротивления. Соответственно, если рабочая текучая среда будет проходить через датчик 40 или просачиваться через паяное соединение 44, то давление между стенками 42 и 46 увеличится. Вторичный датчик, соответственно среагирует на такое давление и (или) на присутствие рабочей текучей среды.

Фиг. 5 представляет собой схематичный вид поперечного сечения высокоинтегрированного монокристаллического сенсорного зонда давления в соответствии с вариантом исполнения настоящего изобретения. Зонд 100 соединен с передатчиком 90 и установлен на рабочем барьере 102, каковым может быть труба или стенка резервуара, и продолжается через него. В варианте исполнения, показанном на фиг. 5, передатчик 90 подсоединен к единственному зонду, однако этот передатчик 90 может быть подсоединен к любому подходящему количеству высокоинтегрированных зондов высокого давления в соответствии с вариантами исполнения настоящего изобретения. Например, использование пары таких зондов позволяет передатчику 90 обеспечить указание разностного давления или избыточное указание абсолютного или относительного ("приборного") давления. Использование трех таких зондов обеспечивает по меньшей мере некоторую избыточность, а также возможность обеспечения измерения разностного давления. Передатчик 90 может быть передатчиком любого подходящего типа, еще неизвестного или который будет разработан позже. Зонд 100 внутри передатчика 90 соединен с соответствующими электронными устройствами. Эти электронные устройства выполнены с возможностью измерения изменяющихся электрических характеристик сенсорного элемента давления зонда 100, чтобы определять давление рабочей текучей среды. Более того, эти электронные устройства предпочтительно включают в себя электронные средства контроллера для передачи или доставки иным образом цифровой информации, представляющей давление по рабочему контуру связи процесса, такому как контур «магистрального адресуемого дистанционного преобразователя» (HART^®) или сегмент системы связи на полевых шинах FOUNDATION™ Fieldbus. В некоторых вариантах исполнения передатчик 90 может иметь питание "от контура" и поэтому может полностью запитываться через те же самые проводники, через которые он передает информацию.

Зонд 100 включает в себя внешнюю трубку 104, соединенную с припеваемым кольцом 106 на ближнем конце и с технологическим граничным экраном 108 на дальнем конце. Технологический граничный экран 108 расположен и предназначен для прямого контакта с рабочей текучей средой 110, но защищает монокристаллический датчик 112 давления от повреждений, обусловленных движением частиц и (или) твердых включений внутри потока рабочей текучей среды. Внутри внешней трубки 104 расположена внутренняя трубка 114 и продолжается до вторичного барьера 116. Этот вторичный барьер 116 образован приваркой металлического диска 118 к концу 120 внутренней трубки 114. Через диск 120 проходит и припаян к нему монокристаллический соединительный элемент 122, предпочтительно выполненный из сапфира. Этот соединительный элемент 122 обеспечивает электрическое соединение между проводниками 124 и проводниками 126 при прохождении через высокоинтегрированный барьер высокого давления. Аналогично узел 128 датчика давления включает в себя диск 130, который приварен к трубчатому элементу, который сам приварен к диску 118. Диск 130, далее, включает в себя отверстие, через которое проходит датчик 112 давления. Датчик 112 давления припаян внутри отверстия, тем самым создавая другой барьер давления. Дополнительно, как показано на фиг. 5, между монокристаллическим соединительным элементом 122 и датчиком 112 нет жесткого взаимного соединения.

Фиг. 6 представляет собой схематичный поэлементный вид высокоинтегрированного зонда высокого давления рабочей текучей среды в соответствии с вариантом исполнения настоящего изобретения. Процесс сборки зонда включает в себя процесс сборки сенсорного узла 128. Этот сенсорный узел 128 сформирован из трех отдельных компонентов. Сначала обеспечивают диск 130, имеющий проходящее через него отверстие. Затем через отверстие сквозь диск 130 пропускают датчик 112 давления, и этот датчик 112 давления припаивают к диску 130. Далее для завершения сборки узла 128 датчика давления трубку 132 сенсорного узла приваривают к диску в точке 129²⁾. Трубка 132 сенсорного узла в одном варианте исполнения имеет внешний диаметр, который - такой же, что и диаметр внутренней трубки 114. Технологический граничный экран 108 приварен к сенсорному узлу 128, как это указано ссылочной поз. 140 (показано на фиг. 5). Затем посредством припайки монокристаллического соединительного элемента 122 к металлическому диску 120 формируют вторичный барьер 116. После этого сенсорный узел 128 приваривают к вторичному барьеру 116 в точке сварки 142 (показано на фиг. 5). Затем вторичный барьер 116 под ссылочной поз. 144 (показано на фиг. 5) приваривают к концу внутренней трубки 114. Далее внешнюю трубку 104 через точку сварки 146 (показано на фиг. 5) на ее дальнем конце 131 прикрепляют к сенсорному узлу 128. Затем ближний конец 133 внешней трубки 104 в точке 148 (показано на фиг. 5) приваривают к приварочному кольцу 106. Это приварочное кольцо 106 также приваривают к внутренней трубке 114 в точке сварки. После этого внешний диаметр трубки 104 приваривают к приварочному кольцу 106, как показано в точке сварки 150 (показано на фиг. 5). Затем внутренний диаметр внутренней трубки 114 приваривают к приварочному кольцу 106 в точке сварки 152 (показанной на фиг. 5).

Как показано на фиг. 6, внутренняя трубка 114 рабочей текучей среды не касается и поэтому может быть выполнена из любого подходящего материала, такого как нержавеющая сталь 316. Внешняя трубка 104 во время рабочего процесса смачивается и, таким образом, выполнена из более дорогого, "экзотического" материала, такого как инконель или «сплав С276». «Сплав С276» представляет собой пример материала, пригодного для использования с коррозионными текучими средами. «Сплав С276» имеется на рынке от компании "Haynes International Inc." из Кокомо, шт. Индиана, США под торговым наименованием "Hastelloy C276". «Сплав С276» имеет следующий химический состав (в весовых процентах): молибден 15,0-17,0; хром 14,5-16,5; железо 4,0-4,7; вольфрам 3,0-4,5; кобальт - максимум 2,5; марганец - максимум 1,0; ванадий - максимум 0,35; углерод - максимум 0,01; фосфор - максимум 0,04; сера - максимум 0,03; кремний - максимум 0,08; остальное – никель. «Сплав С276» имеет превосходную коррозионную стойкость в коррозионно-агрессивных приложениях и очень высокую прочность. Внешняя трубка 104 может быть выполнена с меньшим диаметром и из более тонкого материала, поскольку датчик 112 является маленьким и поскольку внутренняя трубка 114 способствует удержанию нагрузки давления. Кроме того, ее обработка менее дорогостоящая, потому что эти части можно обрабатывать на токарном станке.

После того как сборка зонда 100 закончена, этот зонд 100 может быть установлен в трубку или в другой подходящий патрубок. Для того чтобы сделать это, к патрубку рабочей текучей среды в точке сварки 154 (показано на фиг. 5) приваривают приварочное кольцо 106. В результате получается высокоинтегрированный зонд давления с двойным барьером давления для измерения рабочего процесса в условиях высокого давления. Рабочий интерфейс предпочтительно представляет собой экран или ему подобное построенное устройство.

Варианты исполнения настоящего изобретения могут включать в себя использование нефтенаполненных систем (таких, как показанная на фиг. 7) или систем, в которых рабочая текучая среда непосредственно контактирует с датчиком давления (таких, как показанная на фиг. 5). Для нефтенаполненных систем первичный барьер давления состоит из рабочей диафрагмы и точек сварки 140, 146 и 150. Вторичный барьер давления состоит из точек пайки и сварки 142, 144, 148, 152 и 154. Для "не нефтяных " систем паяное соединение узла датчика становится частью первичного барьера давления, а паяное соединение монокристаллического материала - частью вторичного барьера давления. Важным аспектом вариантов исполнения настоящего изобретения является использование комбинации "внутренняя трубка / внешняя трубка". Это обуславливает значительно меньшую стоимость, небольшой размер и наличие избыточных барьеров давления. Эти трубки легко приспосабливаются к конкретному приложению по длине и допускают установку в резервуары различных размеров. Более того, приварочное кольцо 106 позволяет приваривать сборку непосредственно в резервуар без каких-либо затрат и места, необходимого для блока с фланцевым креплением. Однако если конечному пользователю нужно фланцевое устройство, это приварочное кольцо может быть заменено фланцем.

Фиг. 7 представляет собой схематичный вид поперечного сечения высокоинтегрированного зонда высокого давления в соответствии с вариантом исполнения настоящего изобретения. Зонд 200 включает в себя технологический граничный экран 202, имеющий множество проходящих через него отверстий 204. Внутри области 206 рабочая текучая среда контактирует с изолятором 208 из фольги. Рабочая текучая среда плотно "прилегает" к диафрагме 208 изолятора и создает давление в заполняющей текучей среды 210 в области 212. Эта область 212 связана по текучей среде - через проходы 214, 216 - с областью 218, прилегающей к монокристаллическому датчику 220 давления. Таким образом, воздействующее на диафрагму 208 из фольги давление рабочей текучей среды оказывает соответствующее давление на датчик 220.

В точке 223 сварки экран 202 изолятора приварен к изолирующей заглушке 222. Изолирующая заглушка 222 приварена соответственно к обоим - внутреннему и внешнему патрубкам (таким как трубки) 224, 226. Дополнительно изолирующая заглушка 222 приварена также (поз. 228) к сужающемуся модулю 230 датчика давления. Этот сужающийся модуль 230 датчика давления включает в себя отверстие, через которое вставлен датчик 220 давления. Затем диск, к которому припаян датчик 220 давления, приварен к сужающемуся модулю 230, образуя загерметизированную камеру, внутри которой датчик 220 давления будет воспринимать давление рабочей текучей среды. Электрические вводы для датчика 220 давления могут быть подведены любым приемлемым способом, включая использование керамического гнездового удлинителя или любые другие электрические проводники. Каждый из внутреннего патрубка 224 и внешнего патрубка 226 приварен также к фланцу 232, который может быть включен в рабочий процесс любым подходящим способом.

В одном варианте исполнения к внутренней поверхности внутреннего патрубка 224 подсоединена соответствующая чувствительная конструкция, такая как обозначенный на пунктирном изображении ссылочной поз. 240 тензометр. Таким образом, если точка 227 сварки повредится и рабочая текучая среды войдет в область между внешним патрубком 226 и внутренним патрубком 224, то давление рабочей текучей среды вызовет напряжение внутреннего патрубка 224. Это напряжение будет определено тензометром 240, и, таким образом, прежде чем выйдет из строя и вторичный барьер давления, можно будет предпринять соответствующие предупредительные меры.

Хотя настоящее изобретение было описано со ссылками на предпочтительные варианты исполнения, специалисты в данной области поймут, что по форме изобретения и в частностях в него могут быть введены изменения, не выходящие за рамки сущности и объема изобретения.

Изобретение относится к высокоинтегрированным зондам давления рабочей текучей среды. Зонд (100) для измерения давления рабочей текучей среды содержит датчик (112) давления, образованный из монокристаллического материала и прикрепленный к первому металлическому барьеру (130) рабочей текучей среды, предназначенный для прямого контакта с рабочей текучей средой. Датчик (112) давления имеет электрическую характеристику, которая изменяется в зависимости от давления рабочей текучей среды. Проходной элемент (122) образован из монокристаллического материала и имеет множество проводников, продолжающихся от первого конца ко второму концу. Проходной элемент (122) прикреплен ко вторичному металлическому барьеру (116) рабочей текучей среды и разнесен от датчика (112) давления, но является электрически соединенным с ним. Датчик (112) давления и проходной элемент (122) установлены таким образом, что вторичный металлический барьер (116) рабочей текучей среды изолирован от рабочей текучей среды посредством первого металлического барьера (116) рабочей текучей среды. Технический результат – повышение надежности и безопасности. 4 н. и 20 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Зонд для измерения давления рабочей текучей среды, содержащий

- датчик давления, образованный из монокристаллического материала и прикрепленный к первому металлическому барьеру рабочей текучей среды и расположенный для прямого контакта с рабочей текучей средой, при этом датчик давления имеет электрическую характеристику, которая изменяется в зависимости от давления рабочей текучей среды;

- проходной элемент, образованный из монокристаллического материала и имеющий множество проводников, проходящих от первого конца ко второму концу, причем этот проходной элемент прикреплен ко второму металлическому барьеру рабочей текучей среды и является разнесенным от датчика давления, но электрически соединенным с ним,

причем датчик давления и проходной элемент установлены таким образом, что вторичный металлический барьер рабочей текучей среды изолирован от рабочей текучей среды посредством первого металлического барьера рабочей текучей среды.

2. Зонд для измерения давления рабочей текучей среды по п. 1, в котором датчик давления припаян к первому металлическому барьеру рабочей текучей среды.

3. Зонд для измерения давления рабочей текучей среды по п. 1, в котором монокристаллический материал является сапфиром.

4. Зонд для измерения давления рабочей текучей среды по п. 1, в котором электрической характеристикой является электрическая емкость.

5. Зонд для измерения давления рабочей текучей среды по п. 1, в котором проходной элемент припаян ко второму металлическому барьеру рабочей текучей среды.

6. Зонд для измерения давления рабочей текучей среды по п. 1, в котором проходной элемент включает в себя второй датчик, выполненный с возможностью определения повреждения первого металлического барьера давления рабочей текучей среды.

7. Зонд для измерения давления рабочей текучей среды по п. 6, в котором второй датчик является датчиком давления.

8. Зонд для измерения давления рабочей текучей среды по п. 1, в котором первый металлический барьер давления рабочей текучей среды приварен к внешнему металлическому патрубку, который имеет размеры, допускающие прохождение через отверстие в трубопроводе рабочей текучей среды.

9. Зонд для измерения давления рабочей текучей среды по п. 8, в котором второй металлический барьер рабочей текучей среды приварен к внутреннему металлическому патрубку, имеющему размеры для посадки внутрь внешнего металлического патрубка.

10. Зонд для измерения давления рабочей текучей среды по п. 9, дополнительно содержащий приварочное кольцо, приваренное к внутреннему металлическому патрубку и к внешнему металлическому патрубку.

11. Зонд для измерения давления рабочей текучей среды по п. 10, в котором внутренний металлический патрубок выполнен из металла, отличного от металла внешнего металлического патрубка.

12. Зонд для измерения давления рабочей текучей среды по п. 9, дополнительно содержащий трубку узла датчика, приваренную к первому рабочему барьеру и ко второму рабочему барьеру.

13. Зонд для измерения давления рабочей текучей среды по п. 12, дополнительно содержащий технологический граничный экран, приваренный к первому металлическому рабочему барьеру текучей среды.

14. Система для измерения давления рабочей текучей среды, содержащая:

- передатчик рабочего давления, выполненный с возможностью измерения электрической характеристики по меньшей мере одного датчика давления и обеспечения выходного сигнала рабочего давления по технологическому контуру связи, относящегося к по меньшей мере одному измерению;

- зонд для измерения давления рабочей текучей среды, соединенный с передатчиком рабочего давления, включающим в себя

- датчик давления, выполненный из монокристаллического материала, прикрепленный к первому металлическому барьеру рабочей текучей среды и расположенный для прямого контакта с рабочей текучей средой, при этом датчик давления имеет электрическую характеристику, которая изменяется в зависимости от давления рабочей текучей среды;

- проходной элемент, образованный из монокристаллического материала и имеющий множество проводников, проходящих от первого конца ко второму концу, причем этот проходной элемент прикреплен ко второму металлическому барьеру рабочей текучей среды и является разнесенным от датчика давления, но электрически соединенным с ним,

причем датчик давления и проходной элемент установлены таким образом, что вторичный металлический барьер рабочей текучей среды изолирован от рабочей текучей среды посредством первого металлического барьера рабочей текучей среды.

15. Система для измерения давления рабочей текучей среды по п. 14, дополнительно содержащая второй зонд для измерения давления рабочей текучей среды, подсоединенный к передатчику давления рабочей текучей среды, при этом второй зонд для измерения давления рабочей текучей среды включает в себя

- датчик давления, образованный из монокристаллического материала и прикрепленный к первому металлическому барьеру рабочей текучей среды, расположенный для прямого контакта с рабочей текучей средой, при этом датчик давления имеет электрическую характеристику, которая изменяется в зависимости от давления рабочей текучей среды;

- проходной элемент, образованный из монокристаллического материала и имеющий множество проводников, проходящих от первого конца ко второму концу, причем этот проходной элемент прикреплен ко второму металлическому барьеру рабочей текучей среды и является разнесенным от датчика давления, но электрически соединенным с ним,

причем датчик давления и проходной элемент второго зонда для измерения давления рабочей текучей среды установлены таким образом, что вторичный металлический барьер рабочей текучей среды изолирован от рабочей текучей среды посредством первого металлического барьера рабочей текучей среды.

16. Система для измерения давления рабочей текучей среды по п. 15, в которой датчик давления включает в себя также температурный чувствительный элемент, который обеспечивает передатчику давления рабочей текучей среды указание температуры рабочей текучей среды.

17. Зонд для измерения давления рабочей текучей среды, содержащий

- фланец, прикрепляемый к трубопроводу рабочей текучей среды и имеющий сквозное отверстие,

- внутренний патрубок, имеющий пару концов, причем первый конец приварен к фланцу;

- внешний патрубок, имеющий пару концов, причем первый конец приварен к фланцу;

- изолирующую заглушку, приваренную ко второму концу внутреннего патрубка и ко второму концу внешнего патрубка, при этом изолирующая заглушка имеет проходящий через нее проход;

- изолирующую диафрагму, приваренную к изолирующей заглушке, причем изолирующая диафрагма выполнена с возможностью подвергаться воздействию рабочей текучей среды;

- модуль датчика давления, приваренный к изолирующей заглушке, при этом модуль датчика давления определяет в себе камеру и имеет трубу, находящуюся в сообщении по текучей среды со проходом изолирующей заглушки,

- датчик давления, установленный внутри камеры, при этом датчик давления имеет электрическую характеристику, которая изменяется в зависимости от давления рабочей текучей среды;

- заполняющую текучую среду, окружающую датчик давления внутри камеры, данная заполняющая текучая среда сообщает давление от изолирующей диафрагмы датчику давления;

- множество выводов, подсоединенных к датчику давления, проходящих от него через отверстие фланца и являющихся подсоединяемыми к передатчику рабочего давления.

18. Зонд для измерения давления рабочей текучей среды по п. 17, дополнительно содержащий технологический граничный экран, прикрепленный к изолирующей заглушке и окружающий изолирующую диафрагму.

19. Зонд для измерения давления рабочей текучей среды по п. 17, дополнительно содержащий тензометр, установленный на внутренней поверхности внутреннего патрубка.

20. Зонд для измерения давления рабочей текучей среды по п. 17, в котором датчик давления включает в себя температурный датчик.

21. Зонд для измерения давления рабочей текучей среды по п. 17, дополнительно содержащий передатчик давления рабочей текучей среды, подсоединенный к датчику давления и сконфигурированный для передачи по контуру управления процесса сигнала с указанием давления рабочей текучей среды.

22. Зонд для измерения давления рабочей текучей среды, содержащий

- датчик давления, прикрепленный к первому металлическому барьеру рабочей текучей среды и имеющий электрическую характеристику, которая изменяется в зависимости от давления рабочей текучей среды;

- проходной элемент, образованный из монокристаллического материала и имеющий множество проводников, проходящих от первого конца ко второму концу, причем, этот проходной элемент прикреплен ко второму металлическому барьеру рабочей текучей среды и является разнесенным от датчика давления, но электрически соединенным с ним,

причем датчик давления и проходной элемент установлены таким образом, что вторичный металлический барьер рабочей текучей среды изолирован от рабочей текучей среды посредством первого металлического барьера рабочей текучей среды.

23. Зонд для измерения давления рабочей текучей среды по п. 22, в котором датчик давления образован из монокристаллического материала.

24. Зонд для измерения давления рабочей текучей среды по п. 22, в котором датчик давления выполнен с возможностью прямого контакта с рабочей текучей средой.