專利名稱：熱控過程接口的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及現(xiàn)場設備。更具體地說，本發(fā)明涉及現(xiàn)場設備和過程之間的過程接口。
背景技術(shù)：
許多行業(yè)使用諸如過程變量變送器的現(xiàn)場設備以遠程檢測過程變量。這種變量通常與諸如泥漿、液體、蒸汽、氣體、化學品、紙漿、石油、醫(yī)藥品、食品的流體和其它流體加工廠相關。過程變量可包括壓力、溫度、流量、濁度、濃度、密度、化學補償和其它屬性?，F(xiàn)場設備的其它實例包括閥、致動器、加熱器和控制器。
過程變量變送器用于測量并提供精確和可靠的過程測量值。一種獲得準確和可靠的過程測量值的挑戰(zhàn)是保持過程接口和過程介質(zhì)本身的集成性。由于改變溫度或流體本身狀態(tài)的變化，過程流體通常會阻塞或固化，這導致測量誤差和潛在的危險過程條件。
熱控系統(tǒng)用于工業(yè)過程控制和測量是已知的。例如，為了提高設備精度和/或壽命，高純度真空傳感器經(jīng)常具有內(nèi)熱控制系統(tǒng)，以將整個設備保持在選定溫度。另外，一些現(xiàn)場設備使用設置在主元件附近的熱控制系統(tǒng)，以確保元件保持在期望的溫度。例如，空速管已知被加熱以便在飛行期間測量空氣速度時，它們不會積聚冰。
另外，一些采用了多種外部裝置和方法，以將熱控制系統(tǒng)應用于現(xiàn)場設備。這些技術(shù)通常使用電熱元件或蒸汽保溫加熱器，但很難安裝，溫度測量和控制較差，并且成本較高并且不易維護。這些設備是“附加”設計，其被典型地外部附于連接硬件或測量儀器本身。雖然現(xiàn)有方法通常致力于儀器模塊和主元件本身的一些熱問題，但該過程接口元件未被用于這種用途。將熱控制元件附加到過程接口元件的安裝要求另外的控制系統(tǒng)、另外的安裝時間和花費。此外，由于它們被暴露于這些元件，這種系統(tǒng)更易出故障。因此，需要具有帶有更集成的熱控制系統(tǒng)的過程接口元件的現(xiàn)場設備。這種現(xiàn)場設備將提供過程接口的熱控制更廉價和更穩(wěn)定的優(yōu)點。

發(fā)明內(nèi)容
現(xiàn)場設備通過至少一個過程接口元件被聯(lián)接到過程。該過程接口元件可以是現(xiàn)場設備法蘭、集合管(或歧管)、導壓管(impulse tubing)或過程法蘭。該過程接口元件具有附于其上的溫度傳感器，并適合容納熱源。在一個實施例中，該熱源是一個或多個電加熱器。在另一個實施例中，該熱源是通過過程接口元件的傳熱流體保溫加熱器或加熱管(tracing)。控制器被聯(lián)接到溫度傳感器，并適合基于溫度傳感器測量的過程接口元件的溫度，控制應用于過程接口元件的熱量。


圖1是過程測量系統(tǒng)的環(huán)境的概略圖；圖2是典型過程變量變送器的分解圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的過程接口熱控制系統(tǒng)的概略圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的過程接口熱控制系統(tǒng)的概略圖。
圖5是根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的過程接口熱控制系統(tǒng)的概略圖。
圖6是根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的過程接口熱控制系統(tǒng)的概略圖。
圖7是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的另一類型的過程接口元件的概略圖。
圖8是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的另一類型的過程接口元件的概略圖。
具體實施例方式
下述描述參照了附圖。附圖和描述提供了本發(fā)明如何制造或使用或“實施”的特定實例或“實施例”。本發(fā)明的范圍包括這些具體實例和其它實例，并且不應局限于這里描述的實例。可以設想其它實例，只要在公開實例以后發(fā)展的，其它實例就應落入本發(fā)明的范圍。在不背離由所附權(quán)利要求確定的受保護發(fā)明的范圍精神的情況下，可以對描述的實施例進行改動。
圖1概要地顯示了過程測量系統(tǒng)32的環(huán)境的一個實例。圖1顯示了包含受壓流體的過程管道系統(tǒng)30，其被聯(lián)接到用于測量過程壓力的過程測量系統(tǒng)32。該過程測量系統(tǒng)32包括連接到管道系統(tǒng)30的導壓管道系統(tǒng)或測量管道系統(tǒng)(impulse piping)34。該導壓管道系統(tǒng)34被連接到過程壓力變送器36。在導壓管道系統(tǒng)34的管道之間，在過程管道系統(tǒng)30中的某一位置處，諸如孔板、文氏管、流量噴嘴等的主元件33接觸過程流體。當流體經(jīng)過主元件33時，該主元件33導致流體的壓力變化。
變送器36是一種過程測量設備，該過程測量設備經(jīng)導壓管道34接收過程壓力。該變送器36檢測過程壓力，并將其轉(zhuǎn)換為作為過程壓力的函數(shù)的標準傳輸信號。變送器還能夠檢測多個過程變量，或能夠被構(gòu)造以提供過程控制功能。在該實例中，變送器36是差壓變送器。圖1顯示了構(gòu)造以測量流量的變送器。當然，可以設想差壓測量用的變送器的其它用途。
過程回路38有利于動力信號到變送器36和雙向通信，并能夠根據(jù)多種過程通信協(xié)議構(gòu)造。在所示實例中，該過程回路38是雙線回路。如名稱指示，雙線回路僅使用兩根線以將變送器36電連接到遠程控制室40。在利用4-20mA信號的常規(guī)操作期間，該雙線回路用于傳輸全部電力到變送器36并且傳輸全部通信至變送器36和從變送器36傳輸全部通信。因此，所示變送器36通常被稱作“雙線變送器”，但是已知和可以設想到諸如三線和四線變送器等的其它結(jié)構(gòu)。通信可以利用4-20mA模擬信號和公開協(xié)議(open protocol)HART或FOUNDATIONTMFieldbus數(shù)字協(xié)議執(zhí)行。該變送器36能夠被構(gòu)造與其它過程協(xié)議一起使用，其中包括世界上使用的Device Bus，Sensor Bus，Profibus，Ethernet等。通過調(diào)制解調(diào)器44或其它網(wǎng)絡接口，計算機42或其它信息處理系統(tǒng)被用于與變送器36通信。遠程電壓電源46典型地為變送器36供電。
圖2顯示了實例變送器36的分解圖。現(xiàn)場設備法蘭50被連接于傳感器模塊52，以與導壓管道系統(tǒng)34接口。該傳感器模塊52包括全焊接設計的帶螺紋的外殼53，以將內(nèi)部部件與過程介質(zhì)和現(xiàn)場環(huán)境隔離。過程壓力施加到傳感器模塊52。過程傳感器(未示出)被設置在模塊52內(nèi)，與過程介質(zhì)機械、電和熱隔離，接收過程壓力并提供表示差壓的模擬電信號。
圖3是本發(fā)明一個實施例的概略圖。系統(tǒng)100包括過程接口元件102，其具有設置在其中并被熱聯(lián)接到其上的電熱元件104。溫度檢測設備106被熱聯(lián)接到過程接口元件102，并被電聯(lián)接到控制器108。控制器108還通過控制線112被聯(lián)接到電開關110。
該過程接口元件102可以是將過程設備聯(lián)接或至少部分聯(lián)接到過程的任何接口元件。過程接口元件包括但不局限于集合管；過程法蘭；導壓管道系統(tǒng)或測量管道系統(tǒng)；輔助充填系統(tǒng)(fill system) (諸如遠程密封，remote seal)與/或現(xiàn)場設備法蘭。開關1 10通過線1 14被聯(lián)接到電源，并且能夠基于來自控制器108的控制線112的激發(fā)，選擇性地將電力傳送到熱源104。熱源104可以是能夠響應激發(fā)改變溫度的任何電氣設備。因此，熱源104可以是電加熱器，或響應激發(fā)冷卻的設備，諸如已知的Peltier設備。優(yōu)選地，熱源104是適合與過程接口元件一起使用的電加熱元件結(jié)構(gòu)。例如，熱源104可包括設置在過程接口元件102內(nèi)適當凹部中的一個或多個筒形加熱器。另外，諸如蝕刻箔加熱器的其它類型電加熱器能夠被加入過程接口元件102的設計和制造中。本領域的技術(shù)人員將認識到能適合加熱過程接口元件102的其它電加熱形式。
溫度傳感器106可以是提供隨著過程接口元件102的溫度變化的電參數(shù)的任何適合的設備。因此，傳感器106可以是熱耦、電阻溫度裝置(RTD)、電熱調(diào)節(jié)器或任何其它適合的設備。優(yōu)選地，傳感器106被設置在過程接口元件102內(nèi)。在過程接口元件102內(nèi)設置的傳感器106的一個實例包括作為設置在過程接口元件102內(nèi)的適合大小凹部內(nèi)的RTD探針的傳感器106。
控制器108包括邏輯與/或電路，其使用適合的控制策略，能夠?qū)⒃诰€112上提供的適合控制信號與從溫度傳感器106提供的溫度傳感器信號關聯(lián)?？刂破?08優(yōu)選地包括微處理器，以及用于接收輸入信號和用于生成輸出信號的適當?shù)妮斎牒洼敵鲭娐?。例如，在溫度傳感?06是RTD的情況中，控制器108可包括適當?shù)碾娐芬则?qū)動經(jīng)過RTD的小電流，并測量經(jīng)過RTD產(chǎn)生的相關電壓。在一個實施例中，控制器108可以是熱控制系統(tǒng)100聯(lián)接的現(xiàn)場設備的控制器。例如，在其中過程變量變送器是其中具有微處理器的壓力變送器的實施例中，控制器108可由過程變量變送器內(nèi)的微處理器提供。然而，在其它實施例中，控制器108和開關110均可以是另外的附加模塊，用于保持對過程接口元件102的獨立溫度控制。在其它實施例中，這個控制器108和開關110可以與過程接口元件102集成或成整體。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的過程接口熱控系統(tǒng)120的概略圖。控制系統(tǒng)120類似控制系統(tǒng)100包括多個部件，并且相似部件被類似地編號?？刂葡到y(tǒng)120與控制系統(tǒng)100的不同之外在于控制系統(tǒng)120使用諸如蒸汽的傳熱流體，以控制過程接口元件102的溫度。相應地，系統(tǒng)100的開關110被系統(tǒng)120中的閥122代替。閥122被聯(lián)接到傳熱流體的源124?；谧钥刂破?08的線112的激勵，閥122可選擇地使傳熱流體流經(jīng)過程接口元件102中的保溫加熱器(或加熱管)126。從過程接口元件102出來的傳熱流體以標號128被指示，并可用于諸如其它過程接口元件的附加部件、可被排出或可被恢復。如前所述，傳感器106將過程接口元件102的溫度指示提供給控制器108，控制器沿線112有選擇地激勵閥122以控制傳熱流體流，從而控制過程接口元件102的溫度。根據(jù)有關過程接口的傳熱流體的溫度，經(jīng)過程接口的流體流可加熱或冷卻過程接口。
圖5是過程接口熱控制系統(tǒng)150的概要視圖。系統(tǒng)150包括過程接口元件102，其在這個實施例中是其中具有多個凹部154的集合管(manifold)152，以容納筒形加熱器156。集合管152還具有容納溫度傳感器106的凹部158。開關160通過線162聯(lián)接到電源，并基于自控制器108的控制線112的激勵，選擇性地利用來自線162的電力激勵筒形加熱器156。開關160可以是能夠基于相對較小的激勵信號開關相對大量電的任何適合的設備。例如，開關160可以是繼電器、半導體開關或任何其它適合的設備。集合管152包括安裝孔162和壓力導管164。
熱控制系統(tǒng)150使集合管152保持在存儲在控制器108中的、選定的溫度設定點。相應地，如果傳感器106指示集合管152的實際溫度在設定點以下，控制器108將沿線112激勵開關160，以使用筒狀加熱器156加熱集合管152?？梢允褂冒ǖ痪窒抻诒壤?、比例-積分、比例-微分和比例-積分-微分(PID)的任何適合的控制方式。
圖6是根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的過程接口熱控制系統(tǒng)170的概略圖。系統(tǒng)170的集合管172類似于集合管152，但包括其中的傳熱流體保溫加熱器或(或加熱管)174。閥176被聯(lián)接到傳熱流體的源178，并且基于來自控制器108的控制線112的激勵，閥176選擇性地使傳熱流體流經(jīng)保溫加熱器174和流出端口180。如在其它實施例中描述的，控制器108基于溫度傳感器106測量的溫度，生成沿線112的激勵信號。如圖6指示，優(yōu)選地，溫度傳感器106被設置得相對接近傳熱流體保溫加熱器174。在圖6中指示實施例中，傳感器106實際被設置略高或低于傳熱流體保溫加熱器174。優(yōu)選地，傳熱流體是蒸汽，但可以是包括諸如水、油或防凍劑的任何適合的流體。
圖7是另一類型的過程接口元件102概略圖。在這個實施例中，過程接口元件102是諸如過程或現(xiàn)場設備法蘭182的法蘭。法蘭182包括傳熱流體保溫加熱器174和設置相對接近傳熱流體保溫加熱器174的孔184。孔184適合安裝諸如溫度傳感器106的溫度傳感器。
圖8是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的過程接口元件200的透視圖。元件200是通過導管內(nèi)的流體將來自過程的過程壓力傳送到壓力檢測裝置的導管。一種形式的元件200包括修改的導壓管或測壓管202。然而，元件200還可以是諸如遠程密封(remote seal)的輔助填充系統(tǒng)(secondary fill system)。導壓管202包括用于聯(lián)接到過程變量變送器的螺紋204。另外，導壓管202具有熱聯(lián)接到其上的熱源206。在所示實施例中，熱源206是設置在結(jié)合或附于管202的覆蓋材料內(nèi)的電加熱元件208。溫度傳感器210被設置以檢測管202的溫度。根據(jù)本發(fā)明的實施例，元件208和傳感器210的每個包括可聯(lián)接到過程設備的導線，以便過程設備提供熱控制功能。例如，使用溫度傳感器，過程設備可確定導壓管202的溫度，并使用加熱元件208，將選定量的能量應用到導壓管202。圖8僅顯示了熱受控導壓管的一個實例。其它實施例包括由蒸汽保溫加熱器加熱或冷卻的導壓管。在這些實施例中，現(xiàn)場設備提供了熱控制功能，以便不需要另外的溫度控制器。
該過程接口的熱控制提供了多種優(yōu)點。首先，在其中過程接口在接近過程介質(zhì)的凍結(jié)溫度處操作的應用中，提供的受控熱源確保了從接口到壓力傳感器模塊的通路不會凍結(jié)。此外，即使在其中溫度未接近過程介質(zhì)的凍結(jié)點的應用中，由于改變溫度或流體本身的狀態(tài)變化，加熱過程接口確實減小了固化或阻塞的發(fā)生。此外，在其中過程接口受控得到冷卻的實施例中，這種冷卻可有助于將接口附近的過程介質(zhì)的溫度保持在諸如過程介質(zhì)的沸點的臨界溫度以下。
在其中現(xiàn)場設備能夠接收適合量的電力的實施例中，可以想到可加入開關/閥和控制器作為現(xiàn)場設備的一部分。此外，在其中熱控制系統(tǒng)的控制器是現(xiàn)場設備的一部分的實施例中，通過過程控制和測量回路能夠傳送諸如當前過程接口元件的溫度和/或告警條件的熱控制的狀況。另外，根據(jù)期望，通過過程控制和測量回路，控制器能夠接收新溫度設定點，用于熱控制系統(tǒng)。
還可以清楚地設想到過程接口元件熱控制系統(tǒng)可以完全獨立于現(xiàn)場設備。因此，雖然熱控制系統(tǒng)可以使用120伏60Hz電源，但現(xiàn)場設備可利用過程控制和測量回路的相對低的電力(例如4-20mA)工作。此外，在其中現(xiàn)場設備的處理器和熱控制系統(tǒng)分離的實施例中，它們可被聯(lián)接起來實現(xiàn)其間的通信。雖然已就單個過程元件描述了本發(fā)明的實施例，可以明顯地想到熱控制系統(tǒng)可被應用于有關單一現(xiàn)場設備或有關多現(xiàn)場設備的多過程接口元件。
雖然本發(fā)明是參考優(yōu)選實施進行描述的，但本領域中的技術(shù)工作人員將會意識到在不離開本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以做一些形式與細節(jié)的變動。
權(quán)利要求
1.一種用于將現(xiàn)場設備聯(lián)接到過程的過程接口熱控制系統(tǒng)，所述過程接口熱控制系統(tǒng)包括適合將現(xiàn)場設備聯(lián)接到過程的過程接口，所述過程接口具有至少一個凹部以容納熱源，溫度傳感器，所述溫度傳感器被聯(lián)接到過程接口，以提供過程接口溫度的指示；和控制器，所述控制器被聯(lián)接到溫度傳感器，并被構(gòu)造以基于過程接口溫度指示使用熱源。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述過程接口元件是過程法蘭。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述過程接口元件是現(xiàn)場設備法蘭。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述過程接口元件是集合管。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述溫度傳感器被安裝在所述過程接口元件內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述凹部適合使傳熱流體經(jīng)過。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中所述凹部可操作地聯(lián)接到傳熱流體源。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述傳熱流體是蒸汽。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述傳熱流體是液體。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，并且還包括介于傳熱流體源和凹部之間的閥，所述閥被聯(lián)接到控制器，并且基于來自控制器的激勵信號啟動。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述凹部在其中包含電加熱器。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述電加熱器是筒形加熱器。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述電加熱器被可操作地聯(lián)接到能量源，所述加熱器由控制器選擇性地激勵。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，并且還包括介于加熱器和能量源之間的開關，所述開關被聯(lián)接到控制器，并且基于來自控制器的激勵信號選擇性地激勵加熱器。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述現(xiàn)場設備是過程變量變送器。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述熱控制系統(tǒng)完全由現(xiàn)場設備提供動力。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述控制器是現(xiàn)場設備的一部分。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述現(xiàn)場設備包括聯(lián)接到熱控制系統(tǒng)的控制器的現(xiàn)場設備控制器。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中所述熱控制系統(tǒng)的溫度設定點可基于通過過程通信回路與現(xiàn)場設備的通信而改變。
20.一種控制過程接口元件的溫度的方法，所述方法包括測量過程接口元件的溫度；和基于溫度測量值，控制設置在過程接口內(nèi)的熱源。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中所述熱源是蒸汽。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中所述熱源包括至少一個電加熱器。
23.一種用于將現(xiàn)場設備聯(lián)接到過程的過程接口熱控制系統(tǒng)，所述過程接口熱控制系統(tǒng)包括過程接口裝置，用于將現(xiàn)場設備聯(lián)接到過程；用于檢測過程接口裝置的溫度的裝置；和裝置，所述裝置用于基于來自用于檢測過程接口裝置的溫度的裝置的信號，控制過程接口裝置內(nèi)的熱源。
24.一種具有熱控過程接口的現(xiàn)場設備，所述設備包括適合將現(xiàn)場設備聯(lián)接到過程的過程接口，其中所述過程接口包括至少一個將過程流體壓力從過程傳送到現(xiàn)場設備的導管；熱源，所述熱源可操作地聯(lián)接到至少一個導管并受到現(xiàn)場設備的控制；溫度傳感器，所述溫度傳感器電聯(lián)接到現(xiàn)場設備并熱聯(lián)接到所述至少一個導管，并且其中所述現(xiàn)場設備基于溫度傳感器檢測的導壓管溫度控制熱源。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的現(xiàn)場設備，其中所述至少一個導管包括一對導管，每個導管被熱聯(lián)接到熱源并且其中所述溫度傳感器被熱聯(lián)接到導管中的至少一個導管。
26.根據(jù)權(quán)利要求24所述的現(xiàn)場設備，其中所述熱源是加熱器
27.根據(jù)權(quán)利要求24所述的現(xiàn)場設備，其中所述熱源包括電熱源。
28.根據(jù)權(quán)利要求24所述的現(xiàn)場設備，其中所述至少一個導管是導壓管。
29.根據(jù)權(quán)利要求24所述的現(xiàn)場設備，其中所述至少一個導管包括輔助填充系統(tǒng)。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的現(xiàn)場設備，其中所述輔助填充系統(tǒng)是遠程密封。
全文摘要
現(xiàn)場設備(36)通過至少一個過程接口元件(50，102，172，200)被聯(lián)接到過程。該過程接口元件(50，102，172，200)可以是現(xiàn)場設備法蘭、集合管或過程法蘭。該過程接口元件(50，102，172，200)具有附于其上的溫度傳感器(106)，并適合容納熱源(104，124，156，178，206)。在一個實施例中，該熱源(104，124，156，178，206)是一個或多個電加熱器(104，156，206)。在另一個實施例中，該熱源是通過過程接口元件(50，102，172，200)的傳熱流體保溫加熱器(tracing)(126，174)?？刂破?108)被聯(lián)接到溫度傳感器(106)，并適合基于溫度傳感器(106)測量的過程接口元件(50，102，172，200)的溫度，控制應用于過程接口元件(50，102，172，200)的熱量。
文檔編號G01L19/04GK101072988SQ200580041658
公開日2007年11月14日 申請日期2005年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月8日
發(fā)明者馬克·C·范德雷, 斯克特·D·耐爾森, 米歇爾·A·范德雷 申請人:羅斯蒙德公司