用于高壓應(yīng)用的多變量過(guò)程流體變送器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種多變量的過(guò)程流體變送器模塊，包括具有一對(duì)凹槽的基部。一對(duì)基座設(shè)置有每個(gè)基座，所述基座配置在相應(yīng)的凹槽中，并且連接到相應(yīng)的隔離膜片。至少一個(gè)線壓組件安裝接近基座中的一個(gè)。至少一個(gè)線壓組件將相應(yīng)的隔離膜片連接到線壓傳感器。壓差傳感器具有檢測(cè)膜片，所述檢測(cè)膜片通過(guò)填充流體流體地耦合到隔離膜片。配置至少一個(gè)額外的傳感器以檢測(cè)過(guò)程流體的溫度。電路連接到線壓傳感器、壓差傳感器和至少一個(gè)額外的傳感器，以測(cè)量線壓傳感器、壓差傳感器和至少一個(gè)額外的傳感器中的每一個(gè)的電特性。電路配置成基于線壓傳感器、壓差傳感器和至少一個(gè)額外的傳感器中的每一個(gè)的測(cè)量的電特性，提供流體流量指示。
【專利說(shuō)明】用于高壓應(yīng)用的多變量過(guò)程流體變送器

【背景技術(shù)】
[0001] 工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)用于監(jiān)控和控制產(chǎn)生或轉(zhuǎn)移流體等等的工業(yè)過(guò)程。在這種系統(tǒng) 中，測(cè)量諸如溫度、壓力、流量以及其他類似物的"過(guò)程變量"一般是重要的。過(guò)程變量變送 器用于測(cè)量這種過(guò)程變量，并且將涉及測(cè)量的過(guò)程變量的信息傳輸回到諸如中央控制室的 中央位置。
[0002] 過(guò)程變量變送器一般包括或連接到響應(yīng)過(guò)程變量的變換器或傳感器。過(guò)程變量一 般地指物質(zhì)的物理或化學(xué)狀態(tài)，或能量的轉(zhuǎn)化。過(guò)程變量的例子包括壓力、溫度、流量、傳導(dǎo) 性、酸堿性（pH)和其他的性質(zhì)。認(rèn)為壓力是基本的過(guò)程變量，可以用于測(cè)量流量、強(qiáng)度和甚 至溫度。
[0003] 為測(cè)量流體流量，確定許多過(guò)程變量（諸如過(guò)程流體溫度、過(guò)程流體靜態(tài)的壓力 或線壓和跨越部分障礙物（諸如孔板等等）的過(guò)程流體壓差）經(jīng)常是必要的。在這種例子 中，多變量變送器通常用于測(cè)量和監(jiān)控多個(gè)過(guò)程變量，以提供諸如過(guò)程流體流量的計(jì)算參 數(shù)。這種關(guān)于各種工業(yè)過(guò)程流體的計(jì)算參數(shù)是有用的，諸如水泥、流體、化學(xué)制品的水汽和 氣體、紙漿、石油、氣體、醫(yī)藥品、食物和其他的流體類型處理的植物。
[0004] 多變量的過(guò)程流體變送器一般地包括壓差傳感器和線壓傳感器和/或過(guò)程流體 溫度傳感器。壓差傳感器響應(yīng)兩個(gè)過(guò)程流體輸入之間的壓力差異。線壓傳感器響應(yīng)一種流 體輸入的絕對(duì)或表壓力。過(guò)程流體溫度傳感器用諸如電壓或電阻的電指示響應(yīng)過(guò)程流體的 溫度，所述電指示涉及過(guò)程流體溫度。
[0005] 在包括壓差傳感器的多變量的過(guò)程流體變送器中，這種變送器一般包括一對(duì)隔離 器隔膜片，所述隔離器膜片設(shè)置在過(guò)程流體入口，并且將壓差傳感器與檢測(cè)的嚴(yán)酷的過(guò)程 流體隔離。壓力從過(guò)程流體通過(guò)大致不能壓縮的填充流體轉(zhuǎn)移到壓差傳感器，所述填充流 體在從每個(gè)隔離器膜片延伸到壓差傳感器的通道中輸送。
[0006] 高靜壓力環(huán)境可能對(duì)過(guò)程流體變送器提供重要的挑戰(zhàn)。在一些情況下，由于螺栓 和用在其間的可變形密封件的極限應(yīng)力，過(guò)程流體凸緣和過(guò)程變量變送器基部之間的螺 栓連接在這種高壓力下一般不能密封。當(dāng)密封件變形或以其他方式被破壞時(shí)，過(guò)程流體 可能從連接器漏出。現(xiàn)在，多變量的過(guò)程流體變送器不能夠在規(guī)定的高線壓力（諸如15， OOOpsi)的環(huán)境中操作。因此，現(xiàn)在的多變量裝置一般地不適合于一些過(guò)程環(huán)境（諸如海底 使用）。相應(yīng)地，在這種環(huán)境中，當(dāng)要求流量測(cè)量或其他相似的測(cè)量（所述測(cè)量要求多個(gè)過(guò) 程變量）時(shí)，需要多個(gè)過(guò)程流體變送器，諸如兩個(gè)并且有時(shí)三個(gè)過(guò)程流體變送器。提供這種 變送器涉及相當(dāng)多的花費(fèi)。因此，對(duì)于增長(zhǎng)的高壓市場(chǎng)，諸如海底石油和天然氣井，提供多 變量的過(guò)程流體變送器是理想的，所述變送器適合于這種環(huán)境，并且可以使用單個(gè)設(shè)備提 供所有必要的過(guò)程變量。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 多變量的過(guò)程流體變送器模塊包括具有一對(duì)凹槽的基部。一對(duì)基座設(shè)置有每個(gè)基 座，所述基座配置在相應(yīng)的凹槽中，并且連接到相應(yīng)的隔離膜片。至少一個(gè)線壓組件安裝接 近基座中的一個(gè)。至少一個(gè)線壓組件將相應(yīng)的隔離膜片連接到線壓傳感器。壓差傳感器具 有檢測(cè)膜片，所述檢測(cè)膜片通過(guò)填充流體流體地耦合到隔離膜片。配置至少一個(gè)額外的傳 感器以檢測(cè)過(guò)程流體的溫度。電路連接到線壓傳感器、壓差傳感器和至少一個(gè)額外的傳感 器，以測(cè)量線壓傳感器、壓差傳感器和至少一個(gè)額外的傳感器中的每一個(gè)的電特性。電路配 置成基于線壓傳感器、壓差傳感器和至少一個(gè)額外的傳感器中的每一個(gè)的測(cè)量的電特性， 提供流體流量指示。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0008] 圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的多變量的過(guò)程流體變送器的圖解視圖。
[0009] 圖2是適合用于直接浸入在海水中的多變量的過(guò)程流體變送器的圖解視圖。
[0010] 圖3是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的多變量的過(guò)程流體變送器的圖解截面圖。

【具體實(shí)施方式】
[0011] 使用跨越主要元件的壓差的高壓力流量測(cè)量現(xiàn)在要求至少兩個(gè)并且有時(shí)三個(gè)過(guò) 程變量變送器，以進(jìn)行測(cè)量。較低的壓力環(huán)境可以使用單個(gè)的多變量過(guò)程流體變送器（諸 如從明尼蘇達(dá)州的Chanhassen的愛(ài)默生（Emerson)過(guò)程控制公司獲得的、在商業(yè)指定型號(hào) 3095或3051SMV下售賣的那些），以測(cè)量壓差、線壓和溫度，以提供完全補(bǔ)償?shù)牧髁恐怠Ｈ?而，這種裝置僅規(guī)定到3626psi的MWP。當(dāng)流量相關(guān)值要求用于高壓力環(huán)境（于此限定為比 3626psi大并且高達(dá)15,OOOpsi的MWP并且包括15,OOOpsiMWP)時(shí)，要求另一種方法。假 定海底環(huán)境規(guī)定的高壓，于此描述的至少一些實(shí)施例包括它們的裝置或部分，所述裝置或 部分適合于直接浸入鹽水。如于此限定的，"適合浸入鹽水"意味著材料將在可行的產(chǎn)品的 壽命中，在鹽水存在的條件下不腐蝕或以其他方式不允許地退化。適合浸入鹽水的材料的 例子包括合金C276,所述合金從印地安納州Kokomo的海恩斯（Haynes)國(guó)際公司獲得，在 商業(yè)名稱鎳基合金C276下；鉻鎳鐵合金625,從紐約的NewHartford的特別金屬家族公司 獲得；和從海恩斯國(guó)際公司獲得的合金C-22。特別感興趣的是合金C276,具有以下化學(xué)成 分（以 ％計(jì)量重量）：鑰 15. 0-17. 0 ;鉻 14. 5-16. 5 ;鐵 4. 0-7. 0 ;鎢 3. 0-4. 5 ;鈷，最高 2. 5 ; 猛，最 1? 1. 〇 ;1 凡，最 1? 〇? 35 ;碳，最 1? 0? 01 ;憐，最 1? 0? 04 ;硫，最 1? 0? 03 ;娃，最 1? 0? 08 ;和 剩余的鎳。
[0012] 如圖1所述，多變量的傳感器模塊100包括連接到基部108和蓋112的側(cè)壁110。 電引線連接器114能夠連接到電子殼體102,并且包括導(dǎo)體，以將功率提供到傳感器模塊 100和雙向通信器。在一些實(shí)施例中，模塊100可以跨越相同的導(dǎo)體通信，模塊100通過(guò)所 述導(dǎo)體得到動(dòng)力。
[0013] 圖2是適合用于直接浸入海水中的、多變量的傳感器模塊100(在圖1中說(shuō)明）的 圖解視圖。具體地，模塊1〇〇的上部（接近電連接點(diǎn)115)用高壓軸承端蓋200覆蓋，所述 蓋200用適合直接浸入海水的材料建造。而且，與暴露給在極端深處的海水有聯(lián)系的高壓 由端蓋200承受，當(dāng)如此遭受時(shí)，所述端蓋200保持它的形狀和完整性。另外，端蓋200優(yōu) 選地用與壓差傳感器模塊100的底部108相同的材料建造。例如，如果模塊100的底部108 用合金C276建造，優(yōu)選地端蓋200也用合金C276建造。然而，在他們不用相同材料建造的 實(shí)施例中，端蓋200必須用適合焊接到模塊100的部分108的材料建造。這意味著兩個(gè)材 料的冶金性必須足夠相容于焊接，和/或兩個(gè)材料的融點(diǎn)必須足夠接近彼此。用于焊接不 同金屬的額外要求是結(jié)果焊件的冶金性（所述焊件與任一起始物料相比是不同的）必須也 是耐侵蝕的。如可以從圖2所認(rèn)識(shí)，傳感器模塊100可以通過(guò)簡(jiǎn)單地將端蓋200直接焊接 到接口 202處的下部108,相對(duì)容易地適合直接浸入海水?？梢砸匀魏魏线m的方式執(zhí)行通過(guò) 端蓋200接近電連接點(diǎn)115。例如，高壓玻璃導(dǎo)入器可以用于通過(guò)端蓋200輸送導(dǎo)體，以連 接到連接點(diǎn)115。
[0014] 圖3是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的傳感器模塊100的圖解截面圖。盡管傳感器模塊100 在圖3說(shuō)明為共面的傳感器模塊，但是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，可以使用任何合適的傳感器 模塊。模塊100包括下部108,在一個(gè)實(shí)施例中，所述下部108用適合浸入鹽水中的材料 建造。盡管許多材料可以適合浸入鹽水中，一個(gè)特別合適的例子是上面詳盡地解釋的合金 C276?；?08連接到側(cè)壁110和蓋112,以在那里限定腔206。壓差傳感器208配置在腔 206中，并且具有一對(duì)壓差傳感器輸入210、212,所述輸入將過(guò)程壓力運(yùn)輸?shù)侥軌蚱D(zhuǎn)的膜 片214,所述膜片214具有隨著膜片偏轉(zhuǎn)變化的電特性（諸如電容）。電特性通過(guò)配置接近 傳感器208的電路216被測(cè)量或以其他方式轉(zhuǎn)換。電路216還調(diào)節(jié)電容測(cè)量，用于傳輸通過(guò) 電連接點(diǎn)115。電路216優(yōu)選地包括微處理器和過(guò)程通信模塊，用于傳輸跨越過(guò)程通信回路 或部分。這種通信的例子包括高速通道可定址遠(yuǎn)程變換器（HART?)協(xié)議或FOUNDATION? 現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議。在一些實(shí)施例中，可以跨越相同的媒體驅(qū)動(dòng)模塊100,通過(guò)所述媒體所述模 塊100進(jìn)行通信。
[0015] 如上詳盡地解釋，在一些實(shí)施例中，模塊100的部分可以適合用于浸入鹽水。因 此，構(gòu)件必須不僅能夠在這種環(huán)境中耐侵蝕，而且他們必須也能夠承受諸如15000psi的高 壓。在一些實(shí)施例中，基部108適合用于浸入鹽水。然而，在所有的實(shí)施例中，基部配置成 承受高達(dá)和包括15,OOOpsi的高線壓?；?08包括一對(duì)凹槽217、219,每個(gè)所述凹槽具有 相應(yīng)的基座218、220。隔離器膜片222連接到每個(gè)基座218、220,并且通過(guò)定位在相應(yīng)通道 224、226的填充流體（諸如硅樹(shù)脂油）將相應(yīng)的過(guò)程流體壓力輸送到壓差傳感器208的相 應(yīng)的輸入端210、212。這樣，兩個(gè)過(guò)程流體壓力輸送到壓差傳感器208,沒(méi)有允許過(guò)程流體 接觸壓差傳感器208。
[0016] 如圖3所示，每個(gè)過(guò)程流體壓力開(kāi)口 104U06優(yōu)選地包括相應(yīng)的一體的過(guò)程連接 器230、232,所述連接器焊接到基部108,以提供耐侵蝕的、高壓連接器。每個(gè)焊件圍繞每個(gè) 連接器的整個(gè)圓周延伸，使得焊件不僅有力地將連接器固定到基部108,也將連接器密封到 那里。每個(gè)一體的過(guò)程連接器230、232包括過(guò)程流體壓力接收孔236,所述孔適合暴露給在 高達(dá)15,OOOpsi壓力的過(guò)程流體。另外，在過(guò)程連接器230、232焊接到部分108之前，每個(gè) 基座218、220也優(yōu)選地焊接到它的相應(yīng)的過(guò)程連接器230、232。這樣，臨界過(guò)程壓力保持被 保護(hù)在模塊內(nèi)部的焊件免于海水暴露的腐蝕作用。
[0017] 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，基座218、220的至少一個(gè)（和優(yōu)選地基座218、220兩者） 包括如在相應(yīng)的參考數(shù)字302、304處說(shuō)明的線壓組件。如在參考數(shù)字301、303處所示，線 壓組件302、304優(yōu)選地焊接到他們的相應(yīng)的基座218、220。每個(gè)線壓組件302、304流體地 耦合到相應(yīng)的通道224、226。這樣，每個(gè)線壓組件將在它相應(yīng)的過(guò)程連接器230、232處連接 到相應(yīng)的線壓。至少一個(gè)線壓組件連接到線壓傳感器，在參考數(shù)字305處以剖視圖圖解地 指示。線壓傳感器可以是任何合適的傳感器，諸如商業(yè)上可獲得的基于電容的壓力傳感器。 然而，要求用于本發(fā)明實(shí)施例的特定的高線壓，線壓傳感器適合用于高壓操作。一個(gè)這種修 改包括利用較厚的能夠偏轉(zhuǎn)的膜片，以調(diào)整儀表因數(shù)，用于高達(dá)15,OOOpsi的操作。線壓傳 感器電連接到電路216,使得多變量的傳感器模塊可以測(cè)量線壓傳感器的電特性（諸如電 容），以獲得線壓的指示。盡管僅需要一個(gè)線壓傳感器，優(yōu)選地基座218、220是相同的。而 且，優(yōu)選地，甚至當(dāng)使用單個(gè)的線壓傳感器時(shí)，使用線壓組件302、304二者。這減小制造模 塊1〇〇所需要的獨(dú)特構(gòu)件的數(shù)量。
[0018] 在一些實(shí)施例中，諸如傳感器306的溫度傳感器可以提供，并且連接到電子器件 216以提供涉及過(guò)程流體溫度的電指示。溫度傳感器306可以是任何合適的溫度傳感器類 型，諸如電阻溫度探測(cè)器（RTD)、熱電偶、電熱調(diào)節(jié)器或任何其他合適的設(shè)備，所述設(shè)備具有 隨溫度改變的電特性或值。優(yōu)選地，溫度傳感器306浸入油填充系統(tǒng)中的填充流體中。由 于它的浸入油填充系統(tǒng)和它的接近隔離器，溫度傳感器306可以和壓差傳感器信號(hào)和線壓 傳感器信號(hào)一起，用于提供完全補(bǔ)償?shù)牧髁繙y(cè)量。
[0019] 在另一個(gè)實(shí)施例中，溫度傳感器可以設(shè)置在模塊100中任何其他合適的位置，并 且第二線壓傳感器可以定位在第二線壓組件處。利用第二線壓傳感器提供冗余，使得如果 一個(gè)線壓傳感器可能失效，可以使用第二線壓傳感器。另外，兩個(gè)線壓傳感器還可以用于提 供壓差傳感器輸出的確認(rèn)。可替代地，兩個(gè)線壓傳感器可以用于基于兩個(gè)線壓傳感器測(cè)量 之間的差異，提供冗余的壓差讀數(shù)。盡管這種推導(dǎo)的壓差傳感器讀數(shù)會(huì)比來(lái)自壓差傳感器 的直接讀數(shù)更不精確，當(dāng)壓差傳感器已經(jīng)失效或否則不可獲得時(shí)，所述推導(dǎo)的壓差傳感器 讀數(shù)可以仍然提供有用的壓差信息。在海底應(yīng)用和/或其他惡劣的或挑戰(zhàn)性環(huán)境中（其中 直接訪問(wèn)模塊不是微不足道的嘗試），這種冗余是特別有利的。
[0020] 仍然在另一個(gè)實(shí)施例中，第二線壓傳感器被使用并且放置在第二線壓組件處。然 而，代替連接到線壓，第二線壓傳感器密封在真空中或接近真空中。因此，第二線壓傳感器 將對(duì)非壓力相關(guān)的變量（諸如溫度和/或在傳感器模塊上的應(yīng)力）以與連接到線壓的壓力 傳感器幾乎相同的方式做出反應(yīng)。因此，當(dāng)?shù)诙鞲衅鞯妮敵鰪木€壓傳感器減去時(shí)，結(jié)果是 對(duì)溫度作用的補(bǔ)償。因此，在這種實(shí)施例中，溫度傳感器可能不是必要的。進(jìn)一步，真空密 封的傳感器輸出可以用于提供溫度的直接指示。
[0021] 雖然本發(fā)明已經(jīng)參照優(yōu)選的實(shí)施例進(jìn)行描述，在本【技術(shù)領(lǐng)域】熟練的技術(shù)人員將認(rèn) 識(shí)到可以在形式上做出改變，而沒(méi)有違背本發(fā)明的精神和范圍。
【權(quán)利要求】
1. 一種多變量的過(guò)程流體變送器模塊，包括： 基部，所述基部具有一對(duì)凹槽， 一對(duì)基座，每個(gè)所述基座配置在相應(yīng)的凹槽中，并且連接到相應(yīng)的隔離膜片； 至少一個(gè)線壓組件，所述至少一個(gè)線壓組件安裝成接近基座中的一個(gè)，所述至少一個(gè) 線壓傳感器組件將相應(yīng)的隔離膜片連接到線壓傳感器； 壓差傳感器，所述壓差傳感器具有檢測(cè)膜片，所述檢測(cè)膜片通過(guò)填充流體流體地耦合 到隔離膜片； 至少一個(gè)額外的傳感器，配置成用于檢測(cè)過(guò)程流體的變量； 電路，所述電路連接到線壓傳感器、壓差傳感器和所述至少一個(gè)額外的傳感器，以測(cè)量 線壓傳感器、壓差傳感器、和所述至少一個(gè)額外的傳感器中的每一個(gè)的電特性；并且 其中電路配置成用于提供相關(guān)于所述至少一個(gè)線壓傳感器、所述壓差傳感器和所述至 少一個(gè)額外的傳感器的輸出。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多變量的過(guò)程流體變送器模塊，其中基部用適合浸沒(méi)在海水 中的材料建造。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的多變量的過(guò)程流體變送器模塊，其中所述材料是合金C276。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多變量的過(guò)程流體變送器模塊，其中所述至少一個(gè)額外的傳 感器是溫度傳感器。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的多變量的過(guò)程流體變送器模塊，其中所述至少一個(gè)線壓組件 包括一對(duì)線壓組件，每個(gè)線壓組件安裝到相應(yīng)的基座。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的多變量的過(guò)程流體變送器模塊，其中線壓組件焊接到相應(yīng)的 基座。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的多變量的過(guò)程流體變送器模塊，其中所述至少一個(gè)額外的傳 感器是安裝到線壓組件中的一個(gè)的溫度傳感器。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的多變量的過(guò)程流體變送器模塊，其中所述至少一個(gè)額外的傳 感器包括連接到所述電路和安裝到線壓組件的第二線壓傳感器，其中每個(gè)線壓傳感器連接 到相應(yīng)的隔離膜片。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的多變量的過(guò)程流體變送器模塊，其中第二線壓傳感器被電路 使用以提供冗余的線壓傳感器信號(hào)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的多變量的過(guò)程流體變送器模塊，其中所述一對(duì)線壓傳感器 被電路使用以提供冗余的壓差傳感器信號(hào)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的多變量的過(guò)程流體變送器模塊，其中所述至少一個(gè)額外的 傳感器包括密封在線壓組件中的一個(gè)內(nèi)的第二線壓傳感器。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的多變量的過(guò)程流體變送器模塊，其中第二線壓傳感器被保 持在真空中。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多變量的過(guò)程流體變送器模塊，進(jìn)一步包括連接到基部的 高壓軸承端蓋。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的多變量的過(guò)程流體變送器，其中基部和高壓軸承端蓋用適 合浸沒(méi)在海水中的材料建造。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的多變量的過(guò)程流體變送器，其中所述材料是合金C276。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多變量的過(guò)程流體變送器，其中輸出是基于所述線壓傳感 器、所述壓差傳感器和所述至少一個(gè)額外的傳感器中的每一個(gè)的測(cè)量特性的流體流量指 /_J、i〇
【文檔編號(hào)】G01D21/02GK104515545SQ201410258969
【公開(kāi)日】2015年4月15日 申請(qǐng)日期:2014年6月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月26日
【發(fā)明者】大衛(wèi)·馬修·斯特瑞 申請(qǐng)人:羅斯蒙特公司