ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ НАГРЕВ, ОХЛАЖДЕНИЕ И ГЕНЕРИРОВАНИЕ ЭНЕРГИИ ДЛЯ СИСТЕМ С ВЫНОСНОЙ МЕМБРАНОЙ С НЕПОСРЕДСТВЕННОЙ УСТАНОВКОЙ И СДВОЕННЫМ ОТСЕКОМ ДЛЯ ЗАПОЛНЯЮЩЕЙ ЖИДКОСТИ Российский патент 2019 года по МПК G01L19/06 

Область изобретения

[0001] Настоящее изобретение относится к передатчикам управления процессом, относящимся к типу, применяемому в системах мониторинга и управления промышленными процессами. Более конкретно, изобретение относится к передатчикам, которые измеряют переменную процесса и среде высокой или низкой температуры.

[0002] Системы мониторинга и управления процессом используются для операций мониторинга и управления промышленными процессами. Промышленные процессы применяются для изготовления различных изделий, таких как рафинированное масло, медикаменты, бумага, пищевые продукты и пр. В крупномасштабных вариантах в таких процессах необходимо осуществлять мониторинг и управление, чтобы они работали в пределах требуемых параметров.

[0003] "Передатчик" стал термином, который используется для описания устройств, которые соединяют оборудование процесса и используются для измерения переменной процесса. Часто передатчик находится в удаленном положении (т.е. "в поле") и передает измеренную переменную процесса на расположенный центрально пульт управления. Однако "поле" может также содержать устройства, расположенные локально. Для передачи переменной процесса применяются разные способы, включая проводную и беспроводную связь. В одном из широко применяемых способов проводной связи используется так называемый двухпроводной контур управления, в котором одна пара проводов используется и для передачи информации, и для подачи питания на передатчик. Одним хорошо зарекомендовавшим себя способом передачи информации является управление уровнем тока, текущего в контуре управления процессом, в пределах от 4 до 20 мА. Величина тока в диапазоне 4-20 мА может быть привязана к соответствующим величинам переменной процесса.

[0004] Одним типом передатчика является передатчик давления. По существу, передатчик давления является передатчиком любого типа, который измеряет давление текучей среды в процессе. (Термин "текучая среда" включает газы и жидкости и их комбинации.) Передатчики давления можно использовать для непосредственного измерения давления, включая дифференциальное, абсолютное и манометрическое давление. Далее, используя известные способы, передатчики давления можно использовать для измерения потока или уровня текучей среды процесса на основе перепада давления текучей среды процесса между двумя положениями.

[0005] Типично передатчик давления содержит датчик давления, который соединен с давлением текучей среды процесса через изолирующую систему. Эта изолирующая система может содержать, например, изолирующую мембрану, которая находится в физическом контакте с текучей средой процесса, и изолирующую заполняющую текучую среду, расположенную между изолирующей мембраной и датчиком давления. Заполняющая текучая среда предпочтительно содержит несжимаемую текучую среду, например, масло. Когда текучая среда процесса прилагает давление к изолирующей мембране, изменения приложенного давления передаются через мембрану, через изолирующую текучую среды на датчик давления. Такая изолирующая система позволяет предотвратить непосредственный контакт деликатных компонентов датчика давления с текучей средой процесса.

[0006] В некоторых технологических средах текучая среда процесса может иметь относительно высокую температуру. Однако передатчики могут иметь максимальную рабочую температуру 185°F (85°С). Некоторые передатчики, рассчитанные на высокую температуру, могут работать при температуре 250°F-300°F (прибл. 121°C-149°С). Экстремальные температуры могут привести к ошибкам в измерении давления. В процессах, в которых температура превышает максимально допустимую температуру для передатчика давления, сам передатчик должен быть расположен удаленно относительно текучей среды процесса и соединен с текучей средой процесса капиллярной трубкой. Капиллярная трубка может иметь длину много футов, и в трубке расположена изолирующая текучая среда. Один конец такой трубки соединен с процессом через изолирующую мембрану, а другой конец соединен с передатчиком давления. Такая капиллярная трубка и изолирующая мембрана обычно именуются "выносной мембраной".

[0007] В некоторых случаях применения выносной мембраны может быть полезно применять заполняющие текучие среды, которые могут дополнительно расширить диапазон температур процесса, при которых может работать передатчик. Чтобы выдерживать более высокие температуры процесса, можно применять заполняющие текучие среды, способные работать при более высоких температурах. Однако, некоторые из таких текучих сред при холодной температуре, а в некоторых случаях и при комнатной температуре, могут становиться либо твердыми, либо чрезвычайно вязкими.

[0008] Желательно, чтобы передатчик имел возможность калибровки при комнатной температуре и/или мог передавать и измерять давление в разумный период времени в условиях холодной окружающей среды до того, как горячий процесс будет полностью выведен на заданную температуру. Если заполняющие текучие среды при комнатной температуре остаются твердыми или слишком вязкими, такая калибровка может стать невозможной. Можно использовать нагревательное устройство для подогрева передатчика или удаленной мембраны до температуры, при которой высокотемпературные заполняющие текучие среды имеют достаточно низкую вязкость, но некоторые компоненты передатчика или удаленной мембраны при таких высоких температурах могут быть повреждены. Например, даже при использовании высокотемпературной заполняющей текучей среды, типично будет использоваться промежуточная заполняющая текучая среда с более низким температурным пределом, чтобы передавать давления процесса между высокотемпературной заполняющей текучей средой и датчиком давления. Такая промежуточная заполняющая текучая среда может оказаться неспособной выдерживать нагрев.

[0009] Краткое описание изобретения

[0010] Узел передатчика давления для измерения давления в промышленном процессе содержит датчик давления, выполненный с возможностью измерять давление процесса. Соединительная муфта соединяет датчик давления с промышленным процессом. В одной иллюстративной конфигурации, изменяющий фазу материал, находящийся в соединительной муфте, выполнен с возможностью уменьшать теплоперенос от промышленного процесса к датчику переменной процесса путем изменения фазы в ответ на теплоту от промышленного процесса. В другой иллюстративной конфигурации с соединительной муфтой соединен термоэлектрический охлаждающий элемент, выполненный с возможностью отводить теплоту от соединительного элемента в ответ на приложенный электрический ток.

[0011] Узел передатчика давления для измерения давления в промышленном процессе содержит датчик давления, выполненный с возможностью измерять давление процесса. Соединительная муфта соединяет датчик давления с промышленным процессом с помощью удлиненного корпуса с капиллярной трубкой для заполняющей текучей среды. В одной иллюстративной конфигурации в удлиненном корпусе расположен по меньшей мере один термоэлектрический элемент для приложения теплоты к или отвода теплоты от соединительной муфты в ответ на приложенный электрический ток или сигнал, позволяя предварительно подогревать заполняющую текучую среду для холодного пуска или калибровки и охлаждать соединительную муфту во время работы при высокой температуре.

[0012] Это краткое описание и реферат в упрощенной форме представляют концепции настоящего изобретения, которые более подробно раскрыты в подробном описании. Краткое описание и реферат не предназначены для идентификации ключевых или существенных признаков заявленного предмета изобретения и не предназначены для использования в качестве ориентира для определения объема заявленного предмета изобретения.

Краткое описание чертежей

[0013] Фиг. 1 - вид сбоку узла передатчика переменной процесса, соединенного с промышленным процессом.

[0014] Фиг. 2 - вид в перспективе в увеличенном масштабе узла передатчика переменной процесса по фиг. 1.

[0015] Фиг. 3А - вид сбоку в перспективе и в сечении узла передатчика переменной процесса по фиг. 1.

[0016] Фиг. 3В - вид сбоку узла передатчика переменной процесса по фиг. 1.

[0017] Фиг. 3С - вид сбоку в перспективе и в сечении, иллюстрирующий радиатор, изменяющий фазу материал и термоэлектрические охлаждающие элементы.

[0018] Фиг. 4 - упрощенная блок-схема узла передатчика переменной процесса по фиг. 1.

[0019] Фиг. 5 - вид в перспективе другого варианта соединительной муфты узла передатчика переменной процесса.

[0020] Фиг. 6 - схематический вид с торца, иллюстрирующий компоненты, расположенные внутри удлиненного корпуса соединительной муфты, показанной на фиг. 5.

[0021] Фиг. 7 - упрощенная блок-схема варианта передатчика переменной процесса, содержащего соединительную муфту по фиг. 5

Подробное описание иллюстративных вариантов

[0022] Настоящее изобретение относится к промышленным передатчикам, применяемым для измерения переменной процесса в текучей среде процесса, в котором текучая среда процесса и/или среда процесса могут иметь относительно высокую температуру. Предлагаются конфигурации для уменьшения количества теплоты, переносимой из промышленного процесса на датчик переменной процесса и электронику передатчика. В одной иллюстративной конфигурации для уменьшения теплопереноса применяется изменяющий фазу материал. В другой иллюстративной конфигурации для уменьшения теплопереноса применяется электрический нагревательный элемент или термоэлектрический охлаждающий элемент. Эти конфигурации могут быть реализованы независимо друг от друга или в комбинации друг с другом. Эти конфигурации не требуют технологии выносной мембраны, описанной выше. В этих и/или других конфигурациях теплота может прилагаться одним или более электрическим нагревательным элементом или устройством для предварительного подогрева высокотемпературной заполняющей текучей среды в капиллярной трубке соединительной муфты, чтобы обеспечить возможность холодного пуска или калибровки. Конфигурации с подачей теплоты можно реализовать независимо или в комбинации с конфигурациями, в которых количество теплоты уменьшается.

[0023] К электронным промышленным передатчикам давления, которые применяются в процессах таких отраслей, как фармацевтическая, биотехнологическая, пищевая, в производстве напитков и в других отраслях, часто предъявляются особые требования. Например, часто требуется измерять давления текучей среды процесса при очень высокой температуре. Они должны выдерживать очень высокие температуры в процессе очистки между партиями продукции. Эти процессы очистки часто требуют очистки на месте и стерилизации на месте. В таких процессах температура интерфейсов часто поднимается выше 200°С. Далее, желательно, чтобы передатчик, измеряющий давление, не только выдерживал процесс очистки, но и давал минимальные ошибки во время и после процесса очистки. Это позволяет начать обработку следующей партии с минимальными задержками. Если во время процесса очистки имеются ошибки, тогда желательно быстро вернуть измерительное устройство к его калибровочным параметрам без сдвига выхода после процесса очистки.

[0024] Обычные промышленные передатчики давления способны выдерживать температуры до 185°F (85°С) и работать с номинальными характеристиками. Некоторые специально сконструированные передатчики, предназначенные для работы при высокой температуре, могут работать при температуре 250°F-300°F (прибл. 121°C-149°С). Однако при температурах, превышающих эти пределы, могут возникать существенные ошибки или происходить отказы устройства, например, из-за перегрева электронных компонентов. Как было описано выше, можно применять выносные мембраны (системы вторичного заполнения, также именуемые "разделительные мембраны"), чтобы соответствовать условиям сред высокотемпературных процессов. Эти мембраны часто могут выдерживать температуры выше 400°F (прибл. 204°С). Однако такие конфигурации имеют ряд недостатков. Например, с повышенной температурой процесса могут быть связаны существенные ошибки измерений, достигающие 15%. Далее, такая конфигурация может привести к недопустимому поведению неустановившихся колебаний температур, т.е. к большим ошибкам и медленному восстановлению. Такая конфигурация также привносит дрейф и невоспроизводимые ошибки при возврате от высокотемпературной очистки к базовой рабочей температуре. Кроме того, во время процесса очистки они могут быть не способны правильно измерять давление.

[0025] Промышленный передатчик давления по настоящему изобретению имеет улучшенные характеристики в высокотемпературных процессах, и в процессах, где прерывисто возникают высокие температуры, например, во время очистки и стерилизации бака. В некоторых вариантах улучшения включают способность выдерживать более высокую температуру процесса и повышенную надежность, уменьшение ошибок во время измерений при высокой температуре процесса, уменьшение ошибок при возврате к от высокой температуры к нормальной работе, и увеличенную скорость возврата из переходной температуры.

[0026] На фиг. 1 приведен вид сбоку, а на фиг. 2 частичный вид в перспективе узла 100 передатчика давления, который содержит передатчик 102 давления, соединенный с текучей средой 104 промышленного процесса через соединительную муфту 106. В некоторых вариантах муфта 106 может содержать фланец 108 для соединения с процессом, выполненный с возможностью крепления к сосуду, такому как контейнер, труба и пр. Однако вместо фланца можно использовать и другие типу крепежных компонентов, включая, например, соединительные детали зажимного или резьбового типа. Хотя приводимые варианты описываются со ссылками на соединительный фланец, специалистам понятно, что вместо него можно применять другие типы соединений и описываемые варианты включают применение таких других типов соединений.

[0027] Давление текучей среды 104 процесса передается через фланец 108, капиллярную трубку 302 (показанную на фиг. 3), расположенную в удлиненном корпусе 110, на фланец 112 передатчика 102 переменной процесса. Датчик давления (на фиг. 1 и 2 не показан) в передатчике 102 переменной процесса воспринимает приложенное давление процесса. Информация, относящаяся к воспринятому приложенному давлению процесса, передается в другое место. Например, на фиг. 1 показан двухпроводной контур 114 управления процессом, который может работать по любому подходящему протоколу, включая коммуникационный протокол HART®, согласно которому цифровая информация модулируется током 4-20 мА, коммуникационные протоколы Foundation Fieldbus или Profibus и т.д., или по беспроводному коммуникационному протоколу, такому как Wireless HART® согласно IEC 62591.

[0028] На фиг. 1 и 2 также показан радиатор 120 муфты 106. Радиатор 120 содержит множество ребер и термически соединен с удлиненным корпусом 110. В одном варианте с радиатором 120 термически соединены термоэлектрические охлаждающие элементы 122. Термоэлектрические охлаждающие элементы 122 электрически соединены со схемами (не показаны на фиг. 1) внутри передатчика 102 электрическим соединением 104.

[0029] На фиг. 3А приведен вид в перспективе в сечении, на фиг. 3В - вид сбоку, а на фиг. 3С - вид в перспективе с вырезом, более подробно иллюстрирующие муфту 106. Как показано на фиг. 3А, соединительный фланец 108 содержит изолирующую мембрану 300, выполненную с возможностью принимать давление Р текучей среды 104 процесса. На противоположной стороне изолирующей мембраны 300 находится удлиненная капиллярная трубка 302 проходящая сквозь удлиненный корпус 110. В капиллярной трубке 302 находится изолирующая текучая среда, которая предпочтительно является несжимаемой, например, масло. Капиллярная трубка 302 проходит до второй изолирующей мембраны 304, которая контактирует с изолирующей текучей средой, которая проходит до датчика давления (не показан) в передатчике 102, который не показан на фиг. 3А. Когда к мембране 300 приложено давление, это давление передается на изолирующую текучую среду в капиллярной трубке 302 и на изолирующую диафрагму 304.

[0030] На фиг. 3А и 3В также показаны трубки 310 с закрытым изменяющим фазу материалом. В трубках 310 находится изменяющий фазу материал 312. Теплота от текучей среды 104 процесса, проходящая через фланец 108, показана стрелками 320. Эта теплота приводит к нагреву изменяющего фазу материала 312 в трубках 310. Нагрев заставляет изменяющий фазу материал 312 изменить состояние, например, из жидкого в газообразное. Изменение фазы требует отбора от фланца 108 дополнительной энергии, известной как "теплота парообразования". После того как изменяющий фазу материал 312 изменит состояние, он течет от конца 322 трубок 310 на стороне процесса к концу 324 на стороне передатчика. Например, в газообразном состоянии изменяющий фазу материал 312 может весить меньше, чем в твердом состоянии. Если муфта 106 ориентирована так, что концы 324 трубок 310 на стороне передатчика расположены выше концов 322 этих трубок 310 на стороне процесса, газообразный изменяющий форму материал 312 будет стремиться течь от фланца 108 к концам 324 на стороне передатчика. Это приводит к отводу теплоты текучей среды 104 процесса от фланца 108 к радиатору 120, как показано стрелками 330. Трубки 310 с изменяющим фазу материалом могут проходить в осевом направлении вокруг удлиненного корпуса 110 для эффективного использования при горизонтальной или вертикальной установке, например, как показано в иллюстративной реализации по фиг. 3В. Когда воздух обтекает ребра радиатора 120, от радиатора 120 отводится теплота, как показано стрелками 332. Этот процесс позволяет изменяющему фазу материалу 312 охладиться и изменить состояние. Например, материал может изменить состояние с газообразного на жидкое, или из жидкого состояния в твердое. В этом процессе изменяющий фазу материал 312 возвращается к концам 322 трубок 310 на стороне процесса, в результате чего цикл охлаждения может повторяться. Изменяющий фазу материал можно выбрать по желанию. Иллюстративные предпочтительные материалы включают воду, ароматические углеводороды (DEB), силикатный эфир (Coolanol 25R), алифатические углеводороды (PAO), силикон (Syltherm XLT), фторуглерод (FC-77), этиленгликоль/вода (50:50 по объему), пропиленгликоль/вода (50:50 по объему), метанол/вода (40:60 по весу), Этанол/вода (44:56 по весу), и муравьинокислый калий/вода (40:60 по весу). Когда изменяющий фазу материал меняет состояние с жидкого на газообразное (или с твердого на жидкое), этот фазовый переход требует отбора из процесса большего количества теплоты. Это явление известно как "теплота плавления" материала. Аналогично, когда изменяющий фазу материал переходит из газообразного состояния в жидкое (или из жидкого в твердое), он отдает большое количество тепловой энергии из-за большого количества теплоты плавления. Материал следует выбирать не только по критерию большого количества теплоты плавления, но и по критерию фазового перехода при требуемой температуре, на основе температуры промышленного процесса и требуемого диапазона рабочих температур передатчика 112 переменной процесса.

[0031] Предпочтительно, трубки 310 расположены так, что изменяющий фазу материал течет в направлении к радиатору 120. Этот поток может быть вызван, например, воздействием гравитации на систему. Например, в газовой фазе изменяющий фазу материал может течь вверх, а в жидкой фазе изменяющий фазу материал может иметь тенденцию стабилизироваться в физически более низкой точке системы. Поэтому, как показано на фиг. 3А, радиатор 120 может быть ориентирован в более высоком положении, чем фланец 108. На фиг. 3В показана другая иллюстративная конфигурация, в которой эта система расположена горизонтально. В такой конфигурации трубки 310 с изменяющим фазу материалом могут быть направлены вверх по мере их прохождения от фланца 108 к радиатору 120. Однако возможны и другие конфигурации.

[0032] На фиг. 3А и 3С также показаны термоэлектрические охлаждающие элементы 122, соединенные с радиатором 120. Они могут управляться схемами, находящимися внутри передатчика 102. Термоэлектрические охлаждающие элементы 122 работают известными способами. Когда ток проходит через элементы 122, теплота переносится в направлении, определяемом направлением приложенного тока. Поэтому, термоэлектрические охлаждающие элементы 122 можно использовать для отбора дополнительной теплоты от радиатора 120 и тем самым ускорять процесс охлаждения изменяющего фазу материала 312. Элементы 122 можно использовать независимо и, при необходимости, можно обойтись без изменяющего фазу материала или радиатора. Вокруг муфты можно разместить любое количество термоэлектрических охлаждающих элементов. Такие элементы, по существу, работают на эффекте Зеебека, согласно которому ЭДС, возникающая на стыке двух разнородных металлов, приводит к переносу теплоты через этот стык. Известны также подобные электрических охладителей на эффекте Пельтье, создающие тепловой поток между двумя разнородными материалами. Например, полупроводниковые материалы n-типа и p-типа можно поместить вместе и использовать для создания термоэлектрического охлаждающего элемента. Величина теплопереноса связана с приложенным напряжением. Когда на такой элемент подают напряжение, через стык течет постоянны ток, приводящий к перепаду температуры.

[0033] На фиг. 4 приведена упрощенная блок-схема, иллюстрирующая компоненты передатчика 102 переменной процесса. На фиг. 4 показан датчик 500 переменной процесса, который, как описано выше. может быть датчиком давления. Датчик 500 соединен с процессом 104 через удлиненный корпус 110, как описано выше. Выход датчика переменной процесса подается на измерительные схемы 502. Такие схемы могут содержать, например, аналого-цифровой преобразователь, фильтрующие схемы и т.д. Оцифрованный выход подается на контроллер 504 измерительных схем 502. Контроллер 504 может содержать, например, микропроцессор и т.п., который работает в соответствии с запрограммированными командами, хранящимися в запоминающем устройстве 506. Контроллер 504 создает выход на основе полученной переменной процесса, используя схемы 508 ввода/вывода. На фиг. 4 схемы 508 ввода/вывода показаны соединенными с контуром 114 управления процессом. Однако, настоящее изобретение не ограничивается такой конфигурацией. В одном примере схема 508 ввода/вывода также подает на выходе питание для электрических компонентов передатчика 102 переменной процесса. Например, такое питание может отбираться из контура 114 управления процессом.

[0034] Передатчик 102 переменной процесса также содержит задающую схему 510, которая соединена с термоэлектрическим охлаждающим элементом 512. Задающая схема может содержать, например, схему, которая подает электрический ток на элемент 512. Такой ток может быть, например, постоянным током, имеющим полярность, которая заставляет элемент 512 отводить теплоту от удлиненного корпуса 110.

[0035] На фиг. 4 также показан применяемый при необходимости датчик 516 температуры. В конфигурации, показанной на фиг. 4, выход датчика 516 температуры подается на измерительную схему 502 для использования контроллером 504. Датчик 516 температуры позволяет создать механизм управления с обратной связью, используемый для управления работой термоэлектрического охлаждающего элемента 512. Например, если температура проводника 512 находится ниже требуемого максимального порога, контроллер 504 может выключить элемент 512, используя задающую схему 510. Аналогично, степень охлаждения, создаваемого термоэлектрическим элементом 512, можно регулировать, управляя электрическим током, подаваемым задающей схемой 510. Это позволяет контроллеру 504 управлять количеством теплоты, отводимой от проводника 112. Таким образом, если проводник 112 имеет особо высокую температуру, на элемент 512 можно подать больший ток, тем самым увеличивая скорость отвода теплоты. Также, если температура проводника 112 находится около нижнего порога, можно подать небольшой ток. Такие конфигурации могут быть полезными для снижения потребления энергии. В одном иллюстративном варианте в передатчике 102 имеется аккумулятор или другой накопитель энергии для запитывания термоэлектрических охлаждающих элементов 512.

[0036] Как было описано выше, в некоторых выносных мембранах или других устройствах передатчика давления может быть полезно использовать высокотемпературные капиллярные заполняющие текучие среды, которые могут дополнительно расширить диапазон температур процесса, в котором может работать передатчик. Однако, поскольку некоторые такие заполняющие текучие среды при комнатной температуре являются чрезвычайно вязкими или даже твердыми, холодный пуск таких передатчиков и их калибровка могут быть затруднены.

[0037] На фиг. 5 показан частичный вид в перспективе муфты 606 для соединения с процессом узла передатчика переменной процесса, аналогичного узлу 100 передатчика давления по фиг. 1. На фиг. 6 представлен схематический вид с торца, иллюстрирующий компоненты, находящиеся внутри удлиненного корпуса 610 муфты, показанной на фиг. 5. Соединительная муфта, показанная на фиг. 5 и 6, может содержать некоторые или все из вышеописанных признаков, не требует наличия этих признаков во всех вариантах. Передатчик или узел 702 передатчика, содержащий муфту в конфигурации, показанной на фиг. 5 и 6, показан в формате блок-схемы на фиг. 7. Другие компоненты передатчика или узла 70 2 передатчика показаны и описаны со ссылками на фиг. 1-4.

[0038] В иллюстративном варианте муфта 606 для соединения с процессом содержит фланец 608, выполненный с возможностью установки на сосуде процесса, таком как контейнер, труба и пр. Давление текучей среды 104 процесса передается через фланец 608, по капиллярной трубке 602 (показанной на фиг. 6), расположенной в удлиненном корпуса 610 на фланец передатчика (в целом обозначенный позицией 612) или другую муфту датчика давления передатчика переменной процесса. Датчик давление (на фиг. 5 и 6 не показан) в передатчике 702 переменной процесса воспринимает приложенное давление процесса. Информация, относящаяся к воспринятому давлению процесса, передается в другое место, например, на удаленный пульт управления процессом по двухпроводному контуру 114 управления процессом, как описано выше со ссылками на фиг. 1.

[0039] В некоторых вариантах капиллярная трубка 602 содержит высокотемпературную заполняющую текучую среду, которая позволяет использовать передатчик со средами процесса, имеющими высокую температуру. Однако, как было описано выше, некоторые их таких высокотемпературных заполняющих текучих сред являются очень вязкими при более низкой или даже комнатной температуре, что затрудняет холодный пуск. Для облегчения использования высокотемпературной заполняющей текучей среды в таких случаях в удлиненный корпус 610 может быть включен механизм 605 управления температурой заполняющей текучей среды. Механизм 605 управления температурой в иллюстративном варианте содержит один или более термоэлектрических элементов или устройств, расположенных внутри удлиненного корпуса 610 и выполненных с возможностью генерировать тепловую энергию для повышения или поддержания температуры заполняющей текучей среды. Те же термоэлектрические элементы можно использовать для отвода теплоты от соединительной муфты для понижения или поддержания температуры заполняющей текучей среды.

[0040] Как показано на фиг. 6, в иллюстративном варианте механизм 605 управления температурой содержит по меньшей мере один (типично - множество) термоэлектрический элемент 620, расположенный внутри удлиненного корпуса 610. В одном иллюстративном варианте рядом с капиллярной трубкой 602 установлено четыре термоэлектрических элемента 620. Эти термоэлектрические элементы 620 могут быть расположены так, чтобы они по существу окружали капиллярную трубку 602 и каждый из них расположен напротив другого, хотя этот признак не является обязательным для всех вариантов. В корпусе 61- могут быть установлены держатели 630 термоэлектрических элементов для крепления и позиционирования термоэлектрических элементов. Электрические соединения 724 (показанные на фиг. 7) для термоэлектрических элементов могут быть проложены сквозь держатели 630, в пространствах меду элементами 620 и корпусом 610 или в других местах.

[0041] В иллюстративных вариантах механизм 6-5 управления температурой также содержит центральный радиатор 625, расположенный внутри корпуса 610 между термоэлектрическими элементами 620 и капиллярной трубкой 602, способствуя переносу тепловой энергии между термоэлектрическими элементами и капиллярной трубкой. Материал радиатора в идеале имеет высокую теплопроводность, обеспечивая эффективный теплоперенос между элементами 620 и заполняющей текучей средой внутри капиллярной трубки 602 обеспечивая теплоперенос для поддержания повышенной температуры заполняющей текучей среды, чтобы улучшить время реакции системы и защитить чувствительные к нагреву элементы или промежуточные текучие среды. Радиатор 625 может находиться в непосредственном контакте с термоэлектрическими элементами 6230 и капиллярной трубкой 602. Альтернативно, радиатор 625 может быть соединен с термоэлектрическими элементами 620 и капиллярной трубкой 602 через другие теплопроводные материалы, например, термопасту и пр. Радиатор 625 может окружать капиллярную трубку 502 на части ее длины или на всей длине капиллярной трубки. В вариантах, где радиатор 625 проходит только по части длины капиллярной трубки 602, радиатор 625 и термоэлектрические элементы могут располагаться ближе к тому концу удлиненного корпуса 610, который расположен ближе к процессу, чем к передатчику или датчику давления, чтобы предотвратить чрезмерный теплоперенос на передатчик.

[0042] Для нагревания капиллярной трубки 602 на термоэлектрический элемент 620 подается команда на генерирование теплоты в ответ на электрический ток или сигналы, и тепловая энергия передается через радиатор 625 на капиллярную трубку 602 и содержащуюся в ней заполняющую текучую среду. Для охлаждения капиллярной трубки 602 и заполняющей текучей среды термоэлектрическими элементами 620 управляют так, чтобы они поглощали теплоту в ответ на электрический ток или сигналы, и тепловая энергия через радиатор 625 отбирается из капиллярной трубки 602.

[0043] На фиг. 7 приведена упрощенная блок-схема, аналогичная блок-схеме, показанной на фиг. 4, и показывающая компоненты передатчика 702 переменной процесса, который может быть вариантом передатчика 102. Одинаковые компоненты на фиг. 7 обозначены теми же позициями, что и на фиг. 4, и описание этих компонентов приведено выше. На фиг. 7 показан датчик 500 переменной процесса, который, как описано выше, может быть датчиком давления. Датчик 500 соединен с процессом 104 через удлиненный корпус 610, как описано выше. Выход датчика переменной процесса подается на измерительную схему 502. Оцифрованный выход подается на контроллер 704 для измерительной схемы 502. Контроллер 704 может содержать, например, микропроцессор и т.п., который работает в соответствии с запрограммированными командами, хранящимися в запоминающем устройстве 506. Контроллер 704 создает выход на основе воспринятой переменной процесса с помощью схемы 508 ввода/вывода. На фиг. 4 схема 508 ввода/вывода показана соединенной с контуром 114 управления процессом. Однако изобретение не ограничено такой конфигурацией. В одном примере схема 508 ввода/вывода также подает имеет силовой выход, который подает питание на электрические компоненты передатчика 72 переменной процесса. Например, такое питание может отбираться из контура 114 управления процессом.

[0044] Передатчик 702 переменной процесса также содержит задающую схему 710, которая соединена с одним или более термоэлектрическим элементом 620. Задающая схема 710 может содержать, например, схему, которая подает электрический ток на элементы 620 в ответ на команды от контроллера 704. Этот ток может быть, например, постоянным током, полярность которого заставляет элементы 620 подавать теплоту через радиатор 625 на капиллярную трубку 602 или отбирать теплоту от удлиненного корпуса 610.

[0045] На фиг. 7 также показан применяемый при необходимости датчик 516 температуры. В конфигурации, показанной на фиг. 7, выход датчика 516 температуры подается на измерительную схему 502 для использования контроллером 704. Датчик 516 температуры позволяет создать механизм управления с обратной связью для управления работой термоэлектрическими элементами 620. Например, если температура внутри корпуса 610 ниже минимального требуемого порога для высокотемпературной заполняющей текучей среды в капиллярной трубке 602, контроллер 704 может с помощью задающей схемы 710 заставить термоэлектрические элементы 620 подавать тепловую энергию. Альтернативно, если температура в корпусе 610 находится выше желаемого максимального порога, контроллер 704 с помощью задающей схемы 710 может заставить термоэлектрические элементы 620 поглощать тепловую энергию. Кроме того, в некоторых вариантах контроллер 704 может управлять степенью нагрева или охлаждения термоэлектрическими элементами 620 на основе того, как близко измеренная температура подходит к пороговой температуре, и при необходимости подает на элементы 620 увеличенный ток для увеличения скорости теплопереноса.

[0046] На фиг. 7 также показан применяемый при необходимости термоэлектрический элемент или элементы 750, к которым могут относиться некоторые или все термоэлектрические элементы 620, или которые могут быть другим термоэлектрическим элементом или набором термоэлектрических элементов. Термоэлектрические элементы 750 используют другую температуру между температурой процесса и второй температурой, например, температурой окружающей среды для выработки электроэнергии. Также при необходимости можно использовать схему 755 повышения напряжения, соединенную с термоэлектрическими элементами 750, чтобы повышать выходное напряжение термоэлектрических элементов 750 и подавать это повышенное напряжение на аккумулятор 760 для зарядки аккумулятора. Аккумулятор 760 соединен с другими схемами передатчика 702, например, со схемой 508 ввода/вывода или другими схемами для подачи питания, чтобы обеспечивать функционирование передатчика, включая некоторые или все функции беспроводной связи в некоторых иллюстративных вариантах. Кроме того, в некоторых вариантах энергия, выработанная термоэлектрическими элементами 750, применяется для нагревания и/или охлаждения с помощью термоэлектрических элементов 620.

[0047] В описанных вариантах применяются термоэлектрические элементы или устройства и для нагревания, и для охлаждения передатчиков давления и устройств выносной мембраны. Как было описано выше, эти термоэлектрические элементы или устройства можно использовать для нагрева небольшого количества высокотемпературной заполняющей текучей среды в капиллярной трубке до идеального рабочего диапазона, чтобы обеспечить пуск при комнатной температуре или холодной температуре и калибровку. Это требует небольшого количества энергии, которое можно хранить в аккумуляторе или получить из контура управления процессом. Другой функцией, однако, является охлаждение удлиненного корпус устройства выносной мембраны при работе в условиях высокой температуры. При необходимости большее количество энергии для этого можно получить почти полностью из большого теплового градиента между температурой горячего процесса и требуемой более низкой окружающей температурой, которая требуется для работы передатчика. Также при необходимости электроэнергию, полученную с использованием такого теплового градиента, можно использовать для зарядки аккумулятора для беспроводной связи передатчика давления.

[0048] Хотя настоящее изобретение было описано со ссылками на предпочтительные варианты, специалистам понятно, что в форму и детали изобретения можно внести изменения, не выходя ха пределы изобретательской идеи и объема изобретения. Как было описано выше, термоэлектрические охлаждающие элементы и/или изменяющий фазу материал можно реализовать в комбинации или независимо друг от друга. Хотя эти компоненты показаны расположенными вокруг трубки, могут существовать и другие конфигурации. В некоторых случаях может быть желательно нагревать трубку. В таких ситуациях можно использовать термоэлектрический охлаждающий элемент, поменяв полярность напряжения, подаваемого задающей схемой 510. Далее, в одной конфигурации в термоэлектрический охлаждающий элемент 512 включен датчик 516 температуры. Аналогично, в элемент 512 может быть включена схема обратной связи как источник питания. В такой конфигурации можно использовать термоэлектрический охлаждающий элемент 512, не соединяя его с полевым устройством 102. Хотя охлаждение было описано в общем виде, термоэлектрический охлаждающий элемент также может работать в обратной конфигурации, при которой трубка нагревается. Далее, в показанных конфигурациях закрытые трубки с изменяющим фазу материалом проходят от фланца 108 до передатчика 102, возможны и другие конфигурации. Трубки 310 с изменяющим фазу материалом не обязательно должны проходить по всей длине удлиненного корпуса 110. Далее, хотя показаны трубки, могут существовать и другие конфигурации. В нагретом состоянии предпочтительно изменяющий фазу материал движется к концу трубки, расположенному рядом с передатчиком. В охлажденном состоянии, которое имеет температуру ниже, чем в нагретом состоянии, изменяющий фазу материал движется к концу трубки, расположенному ближе к процессу. В одной иллюстративной конфигурации трубки с изменяющим фазу материалом ориентированы вверх и проходят от соединительной муфты к охлаждающему элементу, такому как радиатор и/или термоэлектрический охлаждающий элемент. Термоэлектрический охлаждающий элемент может реагировать на любой подходящий электрический сигнал.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении давления промышленного процесса в среде высокой или низкой температуры с использованием передатчика. Сущность: узел (702) передатчика давления для измерения давления в промышленном процессе содержит датчик (500) давления, выполненный с возможностью воспринимать давление процесса. Соединительная муфта (606) соединяет датчик давления с промышленным процессом с помощью удлиненного корпуса (610) с капиллярной трубкой (602) с заполняющей текучей средой. В удлиненном корпусе находится по меньшей мере один термоэлектрический элемент (620), расположенный рядом с капиллярной трубкой для подачи теплоты в муфту или отвода теплоты от нее в ответ на поданный электрический сигнал. Это позволяет подогревать заполняющую текучую среду для облегчения холодного пуска или калибровки и для охлаждения соединительной муфты во время высокотемпературной операции. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Соединительная муфта для соединения передатчика переменной процесса с текучей средой промышленного процесса, содержащая:

удлиненный корпус, имеющий элемент крепления со стороны процесса, выполненный с возможностью соединения с текучей средой процесса, и противоположный элемент соединения со стороны передатчика, выполненный с возможностью соединения с передатчиком переменной процесса;

капиллярную трубку в удлиненном корпусе, которая передает давление процесса на элементе крепления со стороны процесса на элемент соединения со стороны передатчика;

по меньшей мере один термоэлектрический элемент, расположенный внутри удлиненного корпуса рядом с капиллярной трубкой и выполненный с возможностью подводить теплоту к соединительной муфте или отводить от нее теплоту в ответ на приложенный электрический сигнал.

2. Муфта по п. 1, дополнительно содержащая радиатор, расположенный внутри удлиненного корпуса между по меньшей мере одним термоэлектрическим элементом и капиллярной трубкой, при этом радиатор выполнен с возможностью проводить тепловую энергию между капиллярной трубкой и по меньшей мере одним термоэлектрическим элементом для подвода теплоты к заполняющей текучей среде в капиллярной трубке или отвода теплоты от нее.

3. Муфта по п. 2, в которой радиатор окружает капиллярную трубку по длине капиллярной трубки.

4. Муфта по п. 2, в которой радиатор находится в контакте по меньшей мере с одним термоэлектрическим элементом и с капиллярной трубкой.

5. Муфта по п. 2, в которой по меньшей мере один термоэлектрический элемент содержит множество термоэлектрических элементов, расположенных внутри удлиненного корпуса.

6. Узел передатчика давления для измерения давления промышленного процесса, содержащий:

датчик давления, выполненный с возможностью воспринимать давление процесса; и

соединительную муфту, выполненную с возможностью соединения датчика давления с промышленным процессом, содержащую

удлиненный корпус, имеющий элемент крепления со стороны процесса, выполненный с возможностью соединения с текучей средой промышленного процесса, и противоположный элемент соединения, выполненный с возможностью соединения с датчиком давления;

капиллярную трубку в удлиненном корпусе, проходящую от конца со стороны процесса рядом с элементом крепления со стороны процесса к концу со стороны давления рядом с противоположным элементом соединения, причем в капиллярной трубке содержится заполняющая текучая среда, которая передает давление процесса на элементе крепления со стороны процесса на противоположный элемент соединения;

по меньшей мере один термоэлектрический элемент, расположенный внутри удлиненного корпуса рядом с капиллярной трубкой и выполненный с возможностью подводить теплоту к соединительной муфте или отводить от нее теплоту в ответ на приложенный электрический сигнал.

7. Узел по п. 6, дополнительно содержащий радиатор, расположенный в удлиненном корпусе между по меньшей мере одним термоэлектрическим элементом и капиллярной трубкой, при этом радиатор выполнен с возможностью проводить тепловую энергию между капиллярной трубкой и по меньшей мере одним термоэлектрическим элементом для подвода теплоты к заполняющей текучей среде в капиллярной трубке или отвода теплоты от нее.

8. Узел по п. 7, в котором радиатор окружает капиллярную трубку по меньшей мере на части ее длины.

9. Узел по п. 7, в котором радиатор находится в контакте по меньшей мере с одним термоэлектрическим элементом и капиллярной трубкой.

10. Узел по п. 7, в котором по меньшей мере один термоэлектрический элемент содержит множество термоэлектрических элементов, каждый из которых расположен внутри удлиненного корпуса.

11. Узел по п. 10, в котором множество термоэлектрических элементов расположены на противоположных сторонах капиллярной трубки.

12. Узел по п. 7, в котором радиатор и по меньшей мере один термоэлектрический элемент расположены внутри удлиненного корпуса ближе к концу со стороны процесса, чем к концу со стороны давления так, что теплота воздействует на заполняющую текучую среду в капиллярной трубке рядом с концом со стороны процесса.

13. Узел по п. 7, в котором соединительная муфта содержит изолирующую мембрану, соединенную с капиллярной трубкой для передачи давления процесса, воздействующего на изолирующую диафрагму, на датчик давления.

14. Узел по п. 6, содержащий задающую схему, выполненную с возможностью подавать питание по меньшей мере на один термоэлектрический элемент.

15. Узел по п. 14, содержащий датчик температуры, расположенный рядом с соединительной муфтой.

16. Узел по п. 15, в котором задающая схема выполнена с возможностью подавать ток на термоэлектрический элемент в ответ на температуру, измеренную датчиком температуры.

17. Узел по п. 16, в котором задающая схема выполнена с возможностью подавать ток на термоэлектрический элемент для подачи теплоты на заполняющую текучую среду в капиллярной трубке.

18. Узел по п. 6, дополнительно содержащий аккумулятор, соединенный с одним или более из по меньшей мере одного термоэлектрического элемента и выполненный с возможностью хранения электроэнергии, полученной из перепада температуры процесса, для использования для подачи питания для работы передатчика давления.