ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МЕЖСОЕДИНЕНИЯ ДЛЯ ДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ В ПЕРЕДАТЧИКЕ ПЕРЕМЕННЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА Российский патент 2018 года по МПК G01L19/00 G01L9/00 

Уровень техники

[0001] Системы управления технологическими процессами используются для осуществления контроля и управления технологическими процессами вида, используемого для производства или перемещения текучих сред или тому подобного. В таких системах обычно важно измерять «переменные параметры процесса», такие как температура, давление, расход и другие. Передатчики систем управления технологическими процессами измеряют такие переменные параметры процесса и передают информацию, относящуюся к измеряемым переменным параметром процесса, обратно в центральный пункт, такой как центральный диспетчерский пункт.

[0002] Одним типом передатчика переменных параметров процесса является передатчик давления, который измеряет давление технологической текучей среды и выдает выходной сигнал, относящийся к измеряемому давлению. Данный сигнал может представлять давление, расход, уровень технологической текучей среды или другой переменный параметр процесса, который может быть получен из измеренного давления. Передатчик давления выполнен с возможностью передачи информации, относящейся к измеряемому давлению, обратно в центральный диспетчерский пункт или другой пункт. Передача обычно осуществляется через двухпроводный контур управления процессом, однако могут быть использованы другие технологии связи, включая беспроводную передачу.

[0003] Технологическое давление обычно связано с передатчиком переменных параметров процесса посредством технологического соединения некоторого типа. Во многих случаях, датчик давления упомянутого передатчика соединен по текучей среде с технологической текучей средой либо через изолирующую текучую среду, либо посредством прямого контакта с технологической текучей средой. Давление технологической текучей среды вызывает физическую деформацию в датчике давления, которая вызывает соответствующее электрической характеристики в датчике давления, такой как емкость или сопротивление.

[0004] Одну особенно неблагоприятную среду для измерения давления представляют применения, которые имеют очень высокие рабочие давления. Одним таким применением является подводная среда. В таких применениях статическое давление, под действием которого находится технологическое оборудование, может быть довольно высоким. Кроме того, датчик переменных параметров процесса может находиться под воздействием очень широкого диапазона температур. В таких применениях, для компоновки передатчика переменных параметров процесса используют различные форм-факторы промышленных стандартов. Одна типовая конфигурация включает в себя датчик давления, расположенный в дистальном конце зонда. Электроника передатчика размещается в корпусе для электроники, который расположен на расстоянии от зонда. Электрические соединители проходят из корпуса для электроники и соединяются с датчиком давления, расположенным в зонде. Во многих случаях трудно обеспечить надежное электрическое соединение с датчиком переменных параметров процесса, расположенным в дистальном конце зонда. Такие соединения могут быть сложными для осуществления и могут быть также склонными к повреждению. Кроме того, в таких конфигурациях могут также представлять сложность ограничения по размерам.

Раскрытие изобретения

[0005] Узел датчика давления технологической текучей среды включает в себя датчик давления, выполненный с возможностью измерения давления технологической текучей среды. Упомянутый узел включает в себя корпус датчика давления, выполненный из изоляционного материала. Датчик давления включает в себя множество электрических контактных площадок, которые соединены с элементом измерения давления корпуса датчика давления. Корпус для межсоединений выполнен с возможностью размещения на конце корпуса датчика давления. Множество электрических соединителей, расположенных в упомянутом корпусе для межсоединений, находятся в электрическом контакте с упомянутым множеством электрических контактных площадок. Жгут проводов прикреплён к корпусу для межсоединений и включает в себя множество проводов, которые электрически соединены с упомянутым множеством электрических соединителей.

[0006] Настоящее раскрытие изобретения и реферат предусмотрены для представления в упрощенной форме набора понятий, которые затем описаны в подробном описании. Раскрытие изобретения и реферат не предназначены для определения ключевых признаков или существенных признаков заявляемого объекта изобретения и не предназначены для использования в качестве вспомогательного средства для определения объема заявляемого объекта изобретения.

Краткое описание чертежей

[0007] Фиг.1 представляет собой вид сбоку передатчика переменных параметров процесса, подходящего для использования в подводных нефтяных и газовых применениях.

[0008] Фиг.2 представляет собой упрощенную схему передатчика, показанного на фиг.1.

[0009] Фиг.3 представляет собой вид в перспективе, показывающий известную технологию электрического соединения двух датчиков переменных параметров процесса.

[0010] Фиг.4 представляет собой вид в перспективе, показывающий корпус для электрических межсоединений, соединенный с датчиком переменных параметров процесса.

[0011] Фиг.5 представляет собой вид в перспективе корпуса для электрических межсоединений, показанного на фиг.4.

[0012] Фиг.6 представляет собой вид в перспективе в разрезе, показывающий два датчика переменных параметров процесса, соединенных с двумя соответствующими корпусами для электрических межсоединений.

[0013] Фиг.7 представляет собой вид в перспективе других примерных электрических межсоединений.

[0014] Фиг.8 представляет собой увеличенный вид в перспективе корпуса для электрических межсоединений, показанного на фиг.7.

[0015] Фиг.9 представляет собой вид сверху корпуса для электрических межсоединений, показанного на фиг.8.

[0016] Фиг.10 представляет собой вид снизу корпуса для электрических межсоединений, показанного на фиг.8.

Осуществление изобретения

[0017] Фиг.1 представляет собой вид в перспективе в разрезе одной стандартной конфигурации передатчика 10 переменных параметров процесса для использования в подводной среде. Передатчик 10 может быть использован для измерения переменных параметров процесса и передачи информации, связанной с измеряемым переменным параметром процесса, в другой пункт. Примерные переменные параметры процесса, которые могут быть измерены и переданы, включают в себя давление и температуру. Передатчик 10 включает в себя удлиненный зонд 12 и корпус 16 для электроники. Фланец 14 трубы выполнен с возможностью установки передатчика 10 в технологической камере, такой как технологическая труба. Зонд 12 вставлен в отверстие в стенке трубы и используется для размещения датчика 30 переменных параметров процесса (не показанного на фиг.1) рядом с технологической текучей средой в технологической камере. Датчик 30 переменных параметров процесса расположен в узле 20 датчика и может соединяться с технологической текучей средой непосредственно или через изолирующую мембрану. Провода 32 разводки проходят из датчика 30 переменных параметров процесса в узле 20 датчика в электронику 18 передатчика, расположенную в корпусе 16 для электроники. Зонд 12 обычно может варьироваться по длине от 0 до более 13 дюйм в зависимости от конкретного применения. Для обеспечения точного измерения, датчик 30 переменных параметров процесса обычно размещают в дистальном конце зонда 12. Это уменьшает количество требующейся изолирующей текучей среды и повышает точность измеряемого переменного параметра процесса. Кроме того, для увеличения срока службы и точности электроники 18 передатчика, электронику 18 обычно размещают на расстоянии от фланца 14 трубы, так что электроника 18 может поддерживаться при температуре меньше или равной 85°С, посредством охлаждения корпуса 16 морской водой. Это может создавать интервал более 15 дюймов между электрическими соединениями датчика 30 переменных параметров процесса и электроникой 18 передатчика.

[0018] Помимо возможности приспосабливания к изменениям расстояния между датчиком 30 переменных параметров процесса и электроникой 18 передатчика, электрические межсоединения 32 с датчиком 30 также должны быть способны работать в широком диапазоне температур, например от -46°С до 204°С. Поскольку электрическое соединение с датчиком 30 переменных параметров процесса находится на удаленном дистальном конце зонда 12, данное электрическое соединение подвергается действию полного температурного диапазона технологической текучей среды. Кроме того, электрическое соединение с датчиком 30 переменных параметров процесса может быть необходимо размещать в очень ограниченном участке. Например, дистальный конец зонда 12 может иметь диаметр менее 1,25 дюйм. Кроме того, для того чтобы обеспечить точные измерения переменных параметров процесса, необходимо минимизировать электрический шум или паразитную емкость в электрическом соединении между электроникой 18 передатчика и датчиком 30 переменных параметров процесса.

[0019] Фиг.2 представляет собой упрощенную схему, показывающую передатчик 10 переменных параметров процесса, включающий в себя датчик 30 переменных параметров процесса. Жгут 32 электрических соединительных проводов включает в себя множество проводов и проходит между датчиком 30 переменных параметров процесса и электроникой 18 передатчика. На фиг.2 датчик 30 переменных параметров процесса показан в виде датчика давления и температуры. Датчик 30 соединяется с технологической текучей средой через изолирующую мембрану 26 и капиллярную трубку 28. В пространстве, образуемом капиллярной трубкой 28 и изолирующей мембраной 26, расположена изолирующая заполняющая текучая среда, чтобы передавать давление, оказываемое технологической текучей среды, на датчик 30 переменных параметров процесса.

[0020] Как показано на фиг.2, электроника 18 передатчика включает в себя измерительную схему 19, связанную с датчиком 30. Например, схема 19 может быть выполнена с возможностью преобразования выходного сигнала из датчика температуры и выходного сигнала из датчика давления в цифровые величины, которые передаются в микропроцессор 21. Микропроцессор 21 действует в соответствии с инструкциями, хранящимися в памяти 23, и осуществляет связь используя схему 25 ввода-вывода. Схема ввода-вывода способна осуществлять связь через любую соответствующую среду связи, включающую в себя двухпроводный контур 27 управления процессом. В некоторых конфигурациях схема 25 ввода-вывода используется также для подачи электроэнергии в электронику 18 передатчика используя электроэнергию, полученную из контура 27. Может быть также использована беспроводная связь.

[0021] Фиг.3 представляет собой частичный вид в перспективе, показывающий электрическое соединение с датчиком 30 переменных параметров процесса и использованием известной технологии. На фиг.3 узел 20 датчика включает в себя корпус 36 для выводной рамки датчика, содержащий выступающую часть 34 корпуса для выводной рамки. Проксимальный конец датчика 30 содержит контактные площадки 40. Соединения 44 проволочных выводов используются для электрического соединения площадок 40 с линиями 42, расположенными на выступающей части 34. Линии 42 выступающей части соединяются с выводами 52 выступающей части. Электрические провода могут быть соединены с выводами 52 выступающей части и использованы для соединения датчика 30 переменных параметров процесса с электроникой 18 передатчика.

[0022] Фиг.4 и 5 представляют собой виды в перспективе, показывающие корпус 50 для межсоединений и жгут 32 проводов в соответствии с одним примерным вариантом осуществления. На фиг.4 проксимальный конец 52 датчика 30 вставлен в корпус для межсоединений через отверстие 54 (см. фиг.5). Электрические соединители 60 электрически соединены с отдельными проводами в жгуте 32 проводов и контактными площадками 40 на проксимальном конце 52 датчика 30, которые показаны на фиг.3. Проксимальный конец 52 корпуса датчика 30 может быть закреплен в отверстии 54 посредством фрикционной посадки или другого способа закрепления. Например, может быть использован адгезив или что-то подобное. Припаивание к датчику 30 может быть осуществлено с использованием высокотемпературного адгезива, такого как Delomonopox®AD223, выпускаемый компанией Delo Industrial Adhesives, LLC.

[0023] Фиг.6 представляет собой вид в перспективе в разрезе, показывающий два датчика 30А и 30В переменных параметров процесса, расположенных в капсуле 70 для датчиков. На фиг.6, для закрепления соответствующих датчиков 30А и 30В используются устойчивые к давлению опоры 72А и 72В датчиков. Межсоединения 50А и 50В электрически соединяют жгуты 32А, 32В проводов с соответствующими проксимальными концами 52А, 52В датчиков 30А, 30В. Как показано относительно межсоединения 50В, электрические проводники 60В включают в себя крепежные ножки 80В. Ножки 80В выполнены с возможностью контакта с площадками 40, показанными на фиг.3, датчика 30В. Соединение может быть осуществлено посредством подпружинивания ножек 80В и может также включать в себя пайку электрического соединения, например посредством пайки, контактной электросварки и др.

[0024] В конфигурации, показанной на фиг.4-6, корпус 50 для межсоединений и электрические соединения могут быть соединены с датчиком 30 после того, как датчик 30 установлен в капсуле 70 для датчиков. Кроме того, отдельные провода в жгуте проводов выполнены в виде коаксиальных проводов с использованием коаксиальных кабелей в качестве электрического щита. Это уменьшает количество электрических проводов, которые являются незащищенными, и тем самым уменьшает помеху от источников электрического шума, а также паразитной емкости в сигнале датчика. Кроме того, устранены соединения 44 проволочных выводов, показанные на фиг.3. Размер соединителя может быть уменьшен, поскольку шесть проводов закрепляют в двухрядной шахматной схеме.

[0025] Фиг.7, 8, 9 и 10 показывают другую примерную конфигурацию корпуса 50 для межсоединений. В данной конфигурации корпус 50 для межсоединений включает в себя отверстие 54 для датчика, выполненное с возможностью приема датчика 30, как показано на фиг.9 и 10. Корпус 50 для межсоединений включает в себя монтажные (или установочные) выступы 90 для использования при размещении корпуса для межсоединений на проксимальном конце 52 датчика 30. Выступы 90 могут быть также припаяны к капсуле 70 для датчиков, показанной на фиг.6.

[0026] В одной конфигурации, как показано на фиг.9 и 10, электрические линии 96, контактные площадки 98 и перемычки 100 образованы непосредственно на корпусе 50 для межсоединений посредством технологии осаждения, такой как прямое лазерное структурирование (LDS). Однако могут быть также реализованы другие технологии осаждения. Например, структурирование корпуса для межсоединений может включать в себя факультативную плату 94 для межсоединений, которая содержит электрические линии 96. Линии 96 включают в себя контактные площадки 98, которые используются для припаивания проводов к контактным площадкам 40 датчика 30 посредством соединений 97 проволочных выводов. Линии 96 проходят от площадок 98 до перемычек 100, которые соединяются с нижней стороной платы 94, как показано на фиг.10. Наружные электрические кабели 102 жгута 32 проводов предусматривают наружный экран и не обязательно должны быть электрически соединены с корпусом 50 для межсоединений. В другой примерной конфигурации, факультативная плата 94 может включать в себя заземляющую плоскость или тому подобное, посредством которой электрические кабели 102 жгута 32 проводов соединяются с электрическим заземлением. Второй электрический кабель 104 жгута 32 проводов может быть припаян к контактным площадкам 105 и электрически соединён с чувствительным элементом в дистальном конце датчика 30 через линии 96 и соединение с контактными площадками 40. Отдельные кабели 108 жгута 32 могут быть выполнены в виде коаксиальных кабелей, содержащих внутренний проводник и коаксиальный наружный защитный экран.

[0027] Датчик 30 прочно удерживается внутри капсулы 70 для датчиков посредством опоры 72 датчика. В одной конфигурации датчик 30 прочно удерживается в опоре 72 датчика. Корпус 50 для межсоединений прикреплен к капсуле 70 для датчика, в результате чего по существу отсутствует другой контакт между корпусом 50 для межсоединений и датчиком, помимо электрического межсоединения, используемого для соединения с датчиком 30. Это гарантирует оказание минимального напряжения на датчик 50. Дистальный выступ 110 корпуса 50 способен обеспечить фрикционную посадку в капсуле 70 для датчика. В другом примерном варианте осуществления, для прикрепления корпуса 50 для межсоединений к датчику 30 используется адгезив или другой связующий материал, или фрикционная посадка. Как показано на фиг.7, проксимальные соединители 114 используются для электрического соединения кабелей 108 с электроникой 18. Например, соединители 114 могут содержать миниатюрные коаксиальные радиочастотные соединители. Жгут 32 проводов может быть образован из резинового кабеля, имеющего требуемую длину. Данная длина может представлять собой максимальную длину, которая может быть необходима для соединения датчика 30 с электроникой 18 передатчика. Электрические линии 96 могут быть образованы с использованием любой пригодной технологии, включая прямое лазерное структурирование (LDS). Выступы 90 могут быть выполнены из нержавеющей стали или другого материала и использованы для сваривания или иного припаивания корпуса 50 для межсоединений к капсуле 70 для датчиков, показанной на фиг.6. Корпус 50 может быть выполнен с использованием пластмассы или подобного материала, например, посредством литья под давлением. Прямое лазерное структурирование (LDS) используется для размещения электрических линий непосредственно на пластмассовом корпусе соединителя. Корпус 50 для межсоединений может быть выполнен из любого пригодного материала, включая жидкокристаллический полимер (LCP) или другую жаропрочную пластмассу. Корпус 50 также оказывает разгрузку натяжения на жгут 32 проводов. Предпочтительно коаксиальные кабели выполнены с возможностью выдерживать высокую температуру и изготовлены из соответствующих материалов, таких как фторопласт (PFA) и никелированная медь. Для электрического соединения проводов может быть использована технология закрепления, такая как обжатие, пайка или сварка. Соединитель 50 может содержать пропиточный материал для оказания разгрузки натяжения на жгут 32 проводов.

[0028] Датчик 30 может быть выполнен в соответствии с любой требуемой технологией датчиков. В одной конкретной конфигурации датчик 30 образован корпусом, содержащим изоляционный материал, и содержит в себе датчик давления и датчик температуры. В конкретной конфигурации корпус датчика 30 выполнен из однокристального материала и в соответствии с технологией датчиков, описанной в патенте США № 6,089,097 Frick и др., выданном 18 июля 2000 г., названным “ ELONGATED PRESSURE SENSOR FOR TRANSMITTER”, принадлежащим заявителю настоящей заявки, который включен в данный документ в полном объеме путём ссылки. В такой конфигурации полость внутри корпуса датчика изменяет размер в зависимости от приложенного давления. Конденсаторные пластины обеспечивают элемент измерения давления и закреплены относительно упомянутой полости и имеют электрическую емкость, которая изменяется в зависимости от размера полости. Емкость может быть измерена и коррелирована с приложенным давлением. Хотя выше было конкретно указано шесть коаксиальных кабелей, соединения могут быть также выполнены с использованием неэкранированных проводов. Кроме того, соединения могут представлять собой любую комбинацию экранированных и неэкранированных проводов. Например, неэкранированные электрические провода могут быть использованы для соединения с датчиком температуры для использования в измерении сопротивления, а коаксиальные кабели могут быть использованы для соединения с датчиком давления, который имеет электрическую емкость, которая изменяется в ответ на приложенное давление. Металлический монтажный выступ 90 может быть включен в соединитель 50 для припаивания или приваривания к датчику 30. Корпус 50 может включать в себя заливочный компаунд для оказания разгрузки натяжения на жгут 32 проводов.

[0029] Хотя настоящее изобретение описано с обращением к предпочтительным вариантам осуществления, специалистам в данной области техники будет понятно, что могут быть выполнены изменения в форме и подробностях, не выходящие за рамки сущности и объема изобретения.

Узел (20) датчика давления технологической текучей среды включает в себя датчик (30) давления, выполненный с возможностью измерения давления технологической текучей среды. Узел (20) включает в себя корпус датчика (30) давления, выполненный из изоляционного материала. Датчик (30) давления включает в себя множество электрических контактных площадок (40), которые соединены с элементом измерения давления корпуса датчика (30) давления. Корпус (50) для межсоединений выполнен с возможностью размещения на конце корпуса датчика (30) давления. Множество электрических соединителей (60), расположенных в корпусе (50) для межсоединений, находятся в электрическом контакте с множеством электрических контактных площадок (40). Жгут (32) проводов прикреплён к корпусу (50) для межсоединений и включает в себя множество проводов, которые электрически соединены с множеством электрических соединителей (60), причём электроника передатчика электрически соединена с упомянутым множеством проводов упомянутого жгута проводов. Технический результат – обеспечение надежного электрического соединения с датчиком переменных параметров процесса, расположенным на дистальном конце зонда. 19 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Передатчик давления, выполненный с возможностью работы под водой, содержащий:

электронику передатчика; и

узел датчика давления технологической текучей среды, содержащий:

датчик давления, выполненный с возможностью измерения давления технологической текучей среды, содержащий корпус датчика давления, причем упомянутый датчик давления включает в себя множество электрических контактных площадок, которые соединены с элементом измерения давления, упомянутого датчика давления;

корпус для межсоединений, который установлен на конце корпуса датчика давления;

множество электрических соединителей, расположенных в корпусе для межсоединений, которые находятся в электрическом контакте с упомянутым множеством электрических контактных площадок; и

жгут проводов, прикрепленный к корпусу для межсоединений, содержащий множество проводов, которые электрически соединены с упомянутым множеством электрических соединителей, причём электроника передатчика электрически соединена с упомянутым множеством проводов упомянутого жгута проводов.

2. Передатчик давления по п.1, в котором по меньшей мере один из множества проводов упомянутого жгута проводов содержит коаксиальный кабель.

3. Передатчик давления по п.1, в котором упомянутый корпус для межсоединений включает в себя отверстие, выполненное с возможностью приема проксимального конца датчика давления.

4. Передатчик давления по п.1, в котором множество электрических соединителей включает в себя ножки, которые выполнены с возможностью электрического контакта с электрическими контактными площадками, расположенными на датчике давления.

5. Передатчик давления по п.4, в котором упомянутые ножки припаяны к упомянутым электрическим контактным площадкам.

6. Передатчик давления по п.1, в котором упомянутое множество электрических соединителей электрически соединены с упомянутым множеством электрических контактных площадок посредством соединений проволочных выводов.

7. Передатчик давления по п.1, в котором упомянутый датчик давления включает в себя элемент, чувствительный к температуре, электрически соединенный с упомянутым множеством электрических контактных площадок.

8. Передатчик давления по п.1, в котором упомянутый датчик давления содержит удлиненный корпус, выполненный из однокристального материала.

9. Передатчик давления по п.1, в котором проксимальный конец упомянутого жгута проводов включает в себя множество радиочастотных соединителей, выполненных с возможностью соединения упомянутого множества электрических проводов с электроникой передатчика.

10. Передатчик давления по п.1, в котором упомянутый корпус для межсоединений включает в себя дистальный выступ, выполненный с возможностью соединения с упомянутым датчиком давления.

11. Передатчик давления по п.1, в котором упомянутый корпус для межсоединений включает в себя заливочный компаунд, выполненный с возможностью оказания разгрузки натяжения на жгут проводов.

12. Передатчик давления по п.1, в котором упомянутый корпус для межсоединений включает в себя по меньшей мере один выступ, выполненный с возможностью припаивания к капсуле датчика, которая содержит датчик давления.

13. Передатчик давления по п.1, в котором упомянутое множество электрических соединителей содержит линии, которые нанесены на упомянутый корпус для межсоединений.

14. Передатчик давления по п.13, в котором упомянутый корпус для межсоединений включает в себя множество перемычек для соединения с упомянутым множеством линий.

15. Передатчик давления по п.1, в котором упомянутое множество электрических соединителей содержит линии на плате корпуса для межсоединений.

16. Передатчик давления по п.15, в котором упомянутая плата включает в себя множество перемычек для соединения с упомянутым множеством линий.

17. Передатчик давления по п.1, в котором упомянутый корпус для межсоединений выполнен из пластмассы.

18. Передатчик давления по п.1, в котором электроника передатчика соединена с контуром управления технологическим процессом.

19. Передатчик давления по п.1, включающий в себя второй датчик давления, соединенный со вторым жгутом проводов посредством второго корпуса для межсоединений.

20. Передатчик давления по п.19, в котором датчик давления и второй датчик давления расположены в капсуле для датчиков.