ЗАПОЛНЕННЫЙ ТЕКУЧЕЙ СУБСТАНЦИЕЙ УДЛИНЕННЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ Российский патент 2019 года по МПК G01L9/00 G01L19/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Настоящее изобретение относится к датчикам давления такого типа, который используется для восприятия давления рабочей текучей среды в промышленных процессах. Более конкретно, - настоящее изобретение относится к датчикам давления, которые заполнены заполняющей текучей субстанцией.

[0002] Некоторые промышленные процессы связаны с производством и распределением текучих сред процесса и т.п. В таких промышленных процессах известно измерение различных "переменных процесса" данного процесса, для того чтобы контролировать работу процесса и (или) управлять им. Такие переменные процесса среди других включают в себя давление, температуру и скорость потока. Эти переменные процесса измеряются с помощью датчиков переменных процесса, которые могут быть реализованы в устройстве, которое называется "полевым устройством" или "передатчиком переменной процесса". Передатчик переменной процесса измеряет переменную процесса с помощью датчика переменной процесса и передает информацию, связанную с измеренной переменной процесса, в удаленный пункт, такой как центральная диспетчерская.

[0003] Известны различные техники измерения давления текучей среды процесса. Эти техники включают в себя конфигурации, в которых датчик давления подвергается непосредственному воздействию текучей среды процесса, а также конфигурации, в которых датчик давления изолирован от текучей среды процесса. Однако существует постоянная потребность в улучшенных устройствах измерения давления, включая те, которые способны противостоять высоким давлениям, и которые устойчивы к сильным ударам или вибрациям.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0004] Датчик давления включает в себя удлиненный корпус, имеющий образованную в нем полость, который деформируется в ответ на приложенное давление. Изолирующая диафрагма герметизирует полость относительно текучей среды процесса и выполнена с возможностью отклонения в ответ на давление процесса, приложенное посредством текучей среды процесса. Находящаяся в полости изолирующая заполняющая текучая субстанция в ответ на отклонение изолирующей диафрагмы прикладывает давление к удлиненному корпусу, тем самым вызывая отклонение удлиненного корпуса. К удлиненному корпусу подсоединен датчик деформации, и в ответ на деформацию удлиненного корпуса он обеспечивает выход датчика, который является показателем давления процесса.

[0005] Данный раздел "Сущность изобретения" и реферат приведены для представления в упрощенном виде выбора концепций, которые дополнительно описаны ниже в разделе "Подробное описание…". Изложение сущности изобретения и реферат не предназначены для определения ключевых признаков или существенных признаков заявленного предмета изобретения, не предназначены они также и для использования в качестве ссылки при определении объема заявленного предмета изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0006] Фиг. 1А представляет собой вид в перспективе удлиненного датчика давления предшествующего уровня техники.

[0007] Фиг. 1B представляет собой вид продольного сечения удлиненного датчика давления предшествующего уровня техники по фиг. 1 A.

[0008] Фиг. 2 представляет собой вид продольного сечения удлиненного датчика давления в соответствии с одним примерным вариантом осуществления.

[0009] Фиг. 3 - принципиальная схема, иллюстрирующая датчик деформации и опорный датчик, расположенные относительно датчика давления по фиг. 2.

[0010] Фиг. 4 - упрощенная блок-схема, иллюстрирующая передатчик переменной процесса, использующий конфигурацию датчика давления по фиг. 2.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЛЛЮСТРАТИВНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

[0011] Обеспечена конфигурация датчика давления, в которой давление процесса какого-либо промышленного процесса подано во внутреннюю полость удлиненного корпуса. Приложенное давление вызывает изменение удлиненного корпуса. К удлиненному корпусу подсоединен датчик деформации, который выполнен с возможностью обеспечения выходного сигнала на основе изменения удлиненного корпуса. Изолирующая заполняющая текучая субстанция изолирует удлиненный корпус от текучей среды процесса, в то же время, передавая давление текучей среды процесса в удлиненный корпус. Эта конфигурация может использоваться для того, чтобы обеспечить жесткую конструкцию предотвращая в то же время выход текучей среды процесса из промышленного процесса.

[0012] В данной области техники известны различные типы датчиков давления. Они включают в себя датчики давления, которые непосредственно связаны с текучей среды процесса, а также датчики давления, которые изолированы от текучей среды процесса. Один тип датчика давления, который хорошо подходит для жесткого окружения, в котором этот датчик будет подвергаться воздействию высоких давлений, а также сильных вибраций и ударов, производится компанией Paine Electronics of East Wenatchee, шт. Вашингтон, США. Одна конфигурация датчика давления компании Paine представляет собой показанную на фиг. 1А удлиненную трубку 100. Фиг. 1B представляет собой вид продольного сечения удлиненного датчика давления Paine. Как показано на фиг. 1B, текучая среда процесса подается непосредственно во внутреннюю полость 102 датчика 100 давления. Текучая среда процесса подает давление на датчик 100 давления через внутреннюю полость 102, вызывая изменение корпуса 108 датчика 100 давления. На фиг. 1B это изменение показано стрелками. К внешней поверхности 106 датчика 100 подсоединены один или более резистивных элементов 104. Резистивные элементы 104 имеют характеристику, в соответствии с которой их сопротивление изменяется в зависимости от изменения корпуса 108 датчика. Например, резистор 104 может быть включен в мост Уитстона, и тогда схемой обработки могут быть обнаружены небольшие отклонения стенки корпуса 108. Эти отклонения обусловлены давлением, приложенным текучей средой процесса. Как показано на фиг. 1 датчик 100 давления включает в себя подсоединительный конец 101 процесса, который является нарезным и выполнен с возможностью установки на сосуд процесса, такой как трубка. Подсоединительный конец 101 процесса включает в себя технологическое отверстие 103, которое выполнено с возможностью приема в себя текучей среды процесса, и которое соединяет полость 102 прямо с текучей средой процесса. Напротив подсоединительного конца 104 процесса расположен конец 105 электрического разъема, который используется для электрического подсоединения к датчику 100 давления. Кроме того, фиг. 1А показывает также кожух 107 датчика, который является круговым и закрывает резистивные элементы 104, 106, а также показанный на фиг. 1В корпус 108 датчика.

[0013] Показанное на фиг. 1A и 1B устройство датчика обеспечивает ряд преимуществ. Корпус 108 датчика давления может быть изготовлен как единое целое и обладает чрезвычайно высокой ударной и вибрационной стойкостью. Далее, датчик 100 может подвергаться воздействию высоких температур и давления без выхода из строя. Кроме того конфигурация датчика может быть реализована в виде небольшого модуля. Однако эта конфигурация имеет некоторые ограничения, включающие в себя требование, что компоненты, соединение процесса и материалы для датчика 100 должны быть встроены в первоначальную конструкцию датчика. Это увеличивает производственную сложность, что может привести к увеличению времени освоения производства и (или) к высоким инвентаризационным требованиям. Кроме того, данная конфигурация позволяет текучей среде процесса поступать в полость 102 внутри корпуса 108 датчика, что в некоторых приложениях может привести к осложнениям.

[0014] В одном объекте обеспечен датчик давления, в котором для заполнения внутренней полости удлиненного корпуса используется изолирующая текучая субстанция. Такая конфигурация дает ряд преимуществ. Например, при этом связанные с процессом соединения и используемые в конструкции материалы могут быть отделены от самого процесса. Это позволяет в процессе производства использовать датчик давления, выполненный в большей степени в виде обобщенного продукта, и тем самым - упростить производственные этапы и обеспечить в большей степени модульную конструкцию. Материал датчика может быть оптимизирован относительно свойств, которые он обеспечивает для датчика, а не относительно совместимости с процессом. Требования к изготовлению могут ограничиваться конфигурацией физического размера датчика и диапазоном давлений.

[0015] Фиг. 2 представляет собой упрощенное продольное сечение датчика 200 давления в соответствии с одним примерным вариантом осуществления. Датчик 200 давления включает в себя удлиненный корпус 202, имеющий выполненную в нем полость 204. Удлиненный корпус 202 показан в виде трубки, имеющей круглое поперечное сечение. Однако могут быть также использованы другие конфигурации. Удлиненный корпус 202, предпочтительно, соединен с соединительным переходником 206 процесса сварным швом 208. Соединительный переходник 206 процесса включает в себя разъем 210 процесса, который содержит нарезку для резьбового соединения с сосудом процесса, таким как трубка или что-нибудь подобное. Полость 204 через капиллярную трубку 216 связана сообщением по текучей субстанции с изолирующей диафрагмой 214. Полость 204 и капиллярную трубку 216 заполняет изолирующая заполняющая текучая субстанция. Эта изолирующая заполняющая текучая субстанция может содержать, например, по существу несжимаемую текучую субстанцию, такую как масло. Капилляр 216 и полость 204 могут быть заполнены этой заполняющей текучей субстанцией через отверстие 220 заполняющей текучей субстанции. По завершении заполнения это отверстие может быть загерметизировано. Как вариант, в полости 204 помещена термокомпенсационная вставка 224, которая имеет тепловую характеристику, которая компенсирует тепловое расширение или сжатие других компонентов в датчике 200. Например, можно использовать керамический материал, который при повышении температуры сжимается, чтобы компенсировать расширение удлиненного корпуса 202. В другой конфигурации вставка 224 имеет коэффициент температурного расширения, который меньше, чем температурный коэффициент корпуса 202 датчика. Это также обеспечивает температурную компенсацию. В дополнение к тепловой компенсации вставка 224 работает также на уменьшение объема полости 204 и тем самым уменьшает количество заполняющей текучей субстанции, необходимой для того, чтобы заполнить полость 204. Это также повышает точность измерений давления.

[0016] Как показано на фиг. 2, датчик 200 давления имеет также соединительный конец 230 процесса и конец 232 электрического соединения. Соединительный конец 230 процесса содержит резьбу и выполнен с возможностью его резьбового приема сосудом процесса, таким как трубопровод процесса или что-либо подобное. Удлиненный корпус 202 может быть покрыт кожухом, таким как показанный на фиг. 1А кожух 107.

[0017] Во время работы к изолирующей диафрагме 214 посредством текучей среды процесса приложено давление P. Изолирующая диафрагма давит на находящуюся в капилляре 216 и в полости 204 изолирующую заполняющую текучую субстанцию, тем самым вызывая приложение давления к удлиненному корпусу 232. Это приложенное давление вызывает деформацию удлиненного корпуса 232 вблизи полости 204. Датчик деформации 240 содержит тензодатчик, который имеет электрическое сопротивление, которое изменяется в зависимости от приложенного механического напряжения. Поэтому при деформации корпуса 232 электрическое сопротивление датчика 240 в ответ на это изменяется. Это изменение является показателем приложенного давления Р процесса. В этом варианте осуществления, кроме того, показан опорный датчик 242, который подсоединен к одному из участков удлиненного корпуса 202, который в ответ на приложенное давление не деформируется. Датчики 240, 242 могут использоваться в схеме моста Уитстона, как это описано ниже.

[0018] По сравнению с конфигурацией, показанной на фиг. 1В, показанная на фиг. 2 конфигурация, в котором используется заполняющая текучая субстанция, обеспечивает ряд преимуществ. В датчике, который заполнен заполняющей текучей субстанцией, соединение процесса и материалы конструкции датчика не зависят от характеристик текучей среды процесса. Это позволяет в процессе производства изготавливать датчик в большей степени в виде обобщенного продукта, тем самым обуславливая упрощение производственного процесса. Кроме того, это позволяет используемые в конструкции датчика материалы оптимизировать относительно характеристик датчика, а не относительно совместимости с процессом, чтобы быть уверенным в том, что эти материалы могут использоваться, будучи подвержены воздействию конкретной текучей среды процесса. Данная конфигурация разрешает вносить производственные изменения, ограниченные физическим размером датчика и диапазоном давления. Однако заметим, что заполняющая текучая субстанция, предпочтительно, выбирается таким образом, чтобы она была совместима с ожидаемым температурным рабочим диапазоном данного устройства.

[0019] В показанной на фиг. 2 конфигурации изолирующая диафрагма 214 обеспечивает первичное уплотнение процесса. Вторичное уплотнение процесса обеспечивается самим корпусом 202 датчика. Такая конфигурация обеспечивает избыточное уплотнение и исключает необходимость наличия дополнительного патрубка или разъема для удержания давления процесса. Это также упрощает его изготовление.

[0020] Диафрагма 214 должна перекрывать только капиллярную трубку 216, и при этом не требуется, чтобы она продолжалась по всей поверхности корпуса 202, как это показано на фиг. 2. Вставка 224 может содержать керамический материал для компенсации изменений объема заполняющей текучей субстанции в зависимости от температуры. Эта вставка 224 может содержать стержень, который размещен в центре полости 204. Как говорилось ранее, вставка 224 также уменьшает объем заполняющей текучей субстанции, тем самым увеличивая точность измерения. Конфигурация по фиг. 2 обеспечивает преимущества использования заполняющей текучей субстанции для изоляции датчика давления, в то же время сохраняя бóльшую часть преимуществ показанной на фиг. 1В "сухой" конфигурации.

[0021] Фиг. 3 представляет собой принципиальную схему мостика 250 Уитстона, образованного посредством показанных на фиг. 2 датчиков 240, 242. Датчик 240 содержит два отдельных тензодатчика, которые представляют собой электрические резисторы, которые имеют сопротивление, изменяющееся в зависимости от приложенного механического напряжения. На чертеже по фиг. 2 тензодатчики 240 содержат проволоки, которые обмотаны вокруг корпуса 202 датчика 200. Опорный датчик 242 содержит аналогичные тензодатчики, подсоединенные к корпусу 202 в области, которая не реагирует на приложенное давление. Как показано на фиг. 3, сопротивления тензодатчиков включены по схеме 250 моста Уитстона, поэтому, когда на мост Уитстона подается ток, со второй диагонали моста снимается результирующее напряжение. В такой конфигурации небольшое изменение электрического сопротивления может быть легко обнаружено с помощью измерительной схемы.

[0022] Фиг. 4 представляет собой упрощенную схему передатчика 260 давления в соответствии с одним вариантом осуществления, включающего в себя датчик 200 давления по фиг. 2. На фиг. 4 в диагональ моста 250 Уитстона включен усилитель 262. Для подачи на мост 250 индикаторного тока используется источник 264 тока. Воспринимаемое усилителем 262 результирующее напряжение усиливается и подается на аналого-цифровой преобразователь 266, который обеспечивает цифровой выход на микропроцессор 268. Микропроцессор 268 работает в соответствии с хранящимися в памяти 270 программными инструкциями. Память 270 может также использоваться для хранения информации о характеристиках или информации о параметрах компенсации, таких как коэффициенты, используемые для подбора аппроксимирующей многочленной кривой, сохраненные или регистрируемые данные или же другой информации, включая дополнительную конфигурационную информацию. Такая информация может использоваться для компенсации полученных от датчика 200 результатов измерения давления. Микропроцессор 268 подсоединен к схеме 272 входа/выхода, которая позволяет обеспечить выход для измеряемого давления. Выход может быть обеспечен в проводном или в беспроводном формате. Проводные форматы включают в себя связь по двухпроводному контуру 274 управления процессом. В такой конфигурации микропроцессор 268 может управлять протекающим в контуре 274 током, тем самым обеспечивая представление измеренного давления. Один и тот же контур 274 может использоваться для подачи питания на блок 276 питания с целью полного обеспечения питанием передатчика 260. Такие протоколы проводной связи включают протокол HART^®, в котором цифровой сигнал в контуре 274 может также и модулироваться, а также протоколы, которые являются полностью цифровыми. Кроме того, контур 274 может содержать беспроводный контур. Один такой беспроводный контур управления процессом соответствует стандарту связи WirelessHART^®, в том виде как он определен стандартом IEC 62591 Международной электротехнической комиссии. Однако для передачи информации о воспринятом давлении могут использоваться и другие методы.

[0023] Хотя настоящее изобретение было описано со ссылкой на предпочтительные варианты осуществления, специалисты в данной области техники поймут, что в него могут быть внесены изменения, как по форме, так и в деталях, не выходя за рамки сущности и объема изобретения. Данная конфигурация обеспечивает датчик типа датчика с трубкой, заполненной изолирующей заполняющей текучей субстанцией. Такая изоляция может представлять собой масло или другую текучую субстанцию и, предпочтительно, является несжимаемой. Материал датчика может быть оптимизирован относительно свойств, которые он обеспечивает для датчика, а не для совместимости с процессом. Как проиллюстрировано здесь, признак соединения приварен к базовой трубке датчика. Это позволяет оптимизировать технологическое соединение для конкретного процесса при использовании стандартизованной трубки датчика. Для заполнения датчика изолирующей заполняющей текучей субстанцией обеспечено отверстие заполняющей текучей субстанции. Для того чтобы компенсировать объем масла, что улучшает температурные характеристики, обеспечена керамическая вставка. Обеспечена также система электрического разъема, которая может использоваться для сопряжения обмоток провода датчиков с внешним разъемом, таким как показанный на фиг. 2 разъем 244. Кроме того, это можно использовать также для обеспечения стандартизованного электрического соединения. Предусмотрена система избыточной герметизации, в которой изолирующая диафрагма обеспечивает первичное уплотнение, а удлиненный корпус обеспечивает вторичное уплотнение. Хотя на фиг. 2 диафрагма показана как являющаяся ближайшей к удлиненной трубке, в других конфигурациях диафрагма может быть удаленной от удлиненной трубки и соединенной сообщением по текучей субстанции с трубкой посредством системы капиллярной трубки, заполненной заполняющей текучей субстанцией. Хотя здесь специально проиллюстрированы и описаны тензодатчики, датчик деформации может быть датчиком деформации любого типа, и он не ограничивается тензодатчиком, имеющим сопротивление, которое изменяется в ответ на приложенное механическое напряжение. Материал, используемый для изготовления технологического разъема 206, может быть выбран на основе его совместимости с текучей средой процесса, в то время как материал, используемый для изготовления удлиненного корпуса 202, может быть выбран, исходя из его характеристик как датчика давления.

Настоящее изобретение относится к датчикам давления такого типа, который используется для восприятия давления рабочей текучей среды в промышленных процессах, более конкретно настоящее изобретение относится к датчикам давления, которые заполнены заполняющей текучей субстанцией. Датчик (100) давления включает в себя удлиненный корпус (202), имеющий образованную в нем полость (204), который деформируется в ответ на приложенное давление. Изолирующая диафрагма (214) герметизирует полость относительно текучей среды процесса и выполнена с возможностью отклонения в ответ на приложенное посредством текучей среды процесса давление. Изолирующая заполняющая текучая субстанция в полости (204) прикладывает давление к удлиненному корпусу (214) в ответ на отклонение изолирующей диафрагмы (214), тем самым вызывая отклонение удлиненного корпуса (202). К удлиненному корпусу (202) подсоединен датчик (240) деформации и в ответ на деформацию удлиненного корпуса (202) он обеспечивает выходной сигнал датчика, который является индикатором давления процесса. Технический результат - улучшение устройства измерения давления, обеспечение возможности противостоять высоким давлениям, сильным ударам или вибрациям. 2 н. и 20 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Датчик давления, содержащий

- удлиненный корпус который изменяется в ответ на приложенное давление и имеет образованную в нем полость,

- изолирующую диафрагму, герметизирующую эту полость от рабочей текучей среды и выполненную с возможностью деформации в ответ на приложенное посредством рабочей текучей среды рабочее давление,

- находящуюся в полости изолирующую заполняющую текучую субстанцию, которая прилагает давление к удлиненному корпусу в ответ на отклонение изолирующей диафрагмы, тем самым вызывающей деформацию удлиненного корпуса, и

- датчик деформации, подсоединенный к удлиненному корпусу, имеющий выходной сигнал датчика в ответ на деформацию удлиненного корпуса, который является показателем рабочего давления.

2. Датчик давления по п. 1, в котором датчик деформации содержит тензометр.

3. Датчик давления по п. 2, в котором тензометр сконфигурирован по схеме моста Уитстона.

4. Датчик давления по п. 1, включающий в себя подсоединенный к удлиненному корпусу опорный датчик.

5. Датчик давления по п. 4, в котором опорный датчик и датчик деформации включены по схеме моста Уитстона.

6. Датчик давления по п. 1, включающий в себя резьбовой соединительный переходник, проксимальный к изолирующей диафрагме, выполненный с возможностью соединения удлиненного корпуса с рабочей текучей средой.

7. Датчик давления по п. 1, в котором удлиненный корпус соединен с соединительным переходником.

8. Датчик давления по п.7, в котором удлиненный корпус приварен к соединительному переходнику.

9. Датчик давления по п. 7, в котором изолирующая диафрагма установлена в соединительном переходнике.

10. Датчик давления по п. 7, в котором соединительный переходник включает в себя в себя капилляр, несущий внутри себя заполняющую текучую субстанцию.

11. Датчик давления по п. 10, в котором соединительный переходник включает в себя отверстие заполняющей текучей субстанции, выполненное с возможностью приема изолирующей заполняющей текучей субстанции.

12. Датчик давления по п. 7, в котором соединительный переходник является резьбовым.

13. Датчик давления по п. 1, в котором полость включает в себя компенсационную вставку.

14. Датчик давления по п. 13, в котором компенсационная вставка имеет тепловые свойства для компенсации температурных изменений.

15. Датчик давления по п. 13, в котором компенсационный элемент уменьшает объем полости.

16. Датчик давления по п. 1, включающий в себя электрический разъем, подсоединенный к датчику деформации.

17. Передатчик технологического параметра для восприятия давления рабочей текучей среды, содержащий

- датчик давления по п. 1,

- электрическую схему, выполненную с возможностью обеспечения выходного сигнала, связанного с давлением, воспринятым датчиком давления.

18. Передатчик технологического параметра по п. 17, в котором датчик деформации датчика давления включен по схеме моста Уитстона.

19. Передатчик технологического параметра по п. 18, включающий в себя источник тока, выполненный с возможностью подачи тока в мост Уитстона, и усилитель, выполненный с возможностью восприятия результирующего напряжения в мосту Уитстона.

20. Передатчик технологического параметра по п. 17, включающий в себя память, выполненную с возможностью хранения относящейся к датчику давления компенсационной информации.

21. Датчик давления по п. 1, в котором изолирующая диафрагма обеспечивает первое уплотнение, которое уплотняет рабочую текучую среду, а удлиненный корпус обеспечивает второе уплотнение, которое уплотняет рабочую текучую среду.

22. Датчик давления по п. 13, в котором компенсационная вставка содержит керамику.