ИНТЕРФЕЙС С РЕГУЛИРОВАНИЕМ ТЕМПЕРАТУРЫ ДЛЯ СОПРЯЖЕНИЯ С ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ УСТАНОВКОЙ
INTERFACE WITH TEMPERATURE REGULATION FOR INTERFACING WITH PROCESSING INSTALLATION

Предпосылки изобретения
Настоящее изобретение относится к полевым устройствам. Более конкретно настоящее изобретение относится к интерфейсам для сопряжения полевого устройства и технологической установки.
Полевые устройства, такие как датчики технологических параметров, используют во многих отраслях промышленности для дистанционного определения технологических параметров. Такие параметры обычно связаны с текучими средами, такими как шламы, жидкости, пары, газы, химикаты, пульпа, нефть, фармацевтические средства, пищевые продукты и другие перерабатываемые жидкости. Технологические параметры могут включать в себя давление, температуру, текучесть, мутность, плотность, концентрацию, химическую компенсацию и другие характеристики. Другие примеры полевых устройств включают в себя клапаны, приводы, нагреватели и контроллеры.
Датчики технологических параметров используют для измерения и выдачи точных и надежных технологических параметров. Одной из проблем при осуществлении точных и надежных измерений технологических параметров является поддержание целостности интерфейса сопряжения с технологической установкой и самой технологической среды. Для технологической текучей среды характерны закупорка или затвердевание вследствие изменения температур или изменений состояния самой текучей среды, что приводит к ошибочным результатам измерений и потенциально опасным условиям обработки.
В промышленности известно использование систем регулирования температуры для управления технологическим процессом и измерений. Например, вакуумные датчики высокой чистоты часто имеют встроенную систему регулирования температуры для поддержания всего устройства при избранной температуре для повышения точности и/или долговечности устройства. Кроме того, в некоторых полевых устройствах используют тепловую систему управления, расположенную вблизи основного элемента, для обеспечения того, что элемент поддерживается при необходимой температуре. Например, известно, что трубки Пито нагревают таким образом, чтобы они не накапливали лед при измерении скорости воздуха в полете.
Кроме того, в некоторых случаях используют ряд внешних средств и способов применения систем регулирования температуры для полевых устройств. Эти технологии обычно предусматривают использование электрических нагревательных элементов или паровых линий, но их трудно монтировать, они не обеспечивают надлежащего измерения и регулирования температуры, они дорогостоящи и трудоемки в обслуживании. Эти устройства имеют "навесные" конструкции, и их обычно монтируют снаружи по отношению к соединительным аппаратным средствам или самому измерительному инструменту. Хотя подходы известного уровня техники большей частью направлены на тепловые проблемы модулей инструмента и самих основных элементов, интерфейсный элемент сопряжения с технологической установкой для таких целей не использовался. Конфигурации с элементами регулирования температуры, добавленными внешне к интерфейсному элементу сопряжения с технологической установкой, требуют дополнительных систем управления, дополнительного времени монтажа и затрат. Кроме того, такие системы больше подвержены отказам, поскольку они открыты относительно элементов. Таким образом, существует необходимость в получении полевых устройств, имеющих интерфейсные элементы сопряжения с технологической установкой с более интегрированными системами регулирования температуры. Такие полевые устройства могут обеспечивать преимущества регулирования температуры интерфейсом сопряжения с технологической установкой с меньшими затратами и большей надежностью.
Сущность изобретения
Полевое устройство сопрягается с технологической установкой при помощи, по меньшей мере, одного интерфейсного элемента сопряжения с технологической установкой. Интерфейсный элемент сопряжения с технологической установкой может представлять собой фланец полевого устройства, коллектор, импульсный трубопровод или фланец технологической установки. Интерфейсный элемент сопряжения с технологической установкой имеет установленный на нем датчик температуры и выполнен с возможностью приема источника тепла. В одном варианте осуществления изобретения этим источником является один или более электрических нагревателей. В другом варианте осуществления изобретения источником тепла является теплопередающая текучая среда, проходящая через интерфейсный элемент сопряжения с технологической установкой. С датчиком температуры соединен контроллер, выполненный с возможностью регулирования тепла, прилагаемого к интерфейсному элементу сопряжения с технологической установкой, на основе температуры интерфейсного элемента сопряжения с технологической установкой, измеренной датчиком температуры.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - схематический вид измерительной системы для технологической установки.
Фиг.2 - вид с пространственным разделением деталей типичного датчика измерения технологического параметра.
Фиг.3 - схематический вид системы регулирования температуры интерфейса сопряжения с технологической установкой, соответствующего варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.4 - схематический вид системы регулирования температуры интерфейса сопряжения с технологической установкой, соответствующего другому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.5 - схематический вид системы регулирования температуры интерфейса сопряжения с технологической установкой, соответствующего другому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.6 - схематический вид системы регулирования температуры интерфейса сопряжения с технологической установкой, соответствующего другому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.7 - схематический вид интерфейсного элемента сопряжения с технологической установкой другого типа, соответствующего варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.8 - схематический вид интерфейсного элемента сопряжения с технологической установкой другого типа, соответствующего варианту осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
В нижеследующем описании сделаны ссылки на прилагаемые чертежи. Чертежи и описание раскрывают типичные примеры или "варианты" того, как изобретение может быть осуществлено, или использовано, или "воплощено практически". Объем изобретения включает в себя эти типичные примеры и другие примеры, и его не следует ограничивать описанными здесь примерами. Предполагаются другие примеры, и они входят в объем изобретения, даже если они разработаны после описанных примеров. В описанные варианты осуществления изобретения могут быть внесены изменения без отхода от сущности объема охраняемого изобретения, который определен прилагаемой формулой изобретения.
На фиг.1 показан в целом один пример оборудования измерительной системы 32 для технологической установки. На фиг.1 показана система 30 трубопровода, содержащего текучую среду под давлением, соединенного с измерительной системой 32 технологической установки для измерения рабочего давления. Измерительная система 32 технологической установки включает в себя импульсный трубопровод 34, соединенный с трубопроводом 30. Импульсный трубопровод 34 соединен с датчиком 36 давления технологической установки. Основной элемент 33, такой как измерительная диафрагма, трубка Вентури, измерительное сопло и т.д., входит в контакт с технологической текучей средой в трубопроводе 30 между трубами импульсного трубопровода 34. Основной элемент 33 вызывает изменение давления текучей среды, когда она проходит за основной элемент 33.
Датчик 36 представляет собой технологическое измерительное устройство, которое принимает рабочие давления по импульсному трубопроводу 34. Датчик 36 определяет рабочие давления и преобразует их значения в стандартизированный сигнал передачи, который является функцией рабочего давления. Датчики могут также определять различные технологические параметры или могут быть выполнены с возможностью выполнения функций управления технологическим процессом. В показанном примере датчик 36 представляет собой дифференциальный манометр. На фиг.1 показан датчик, выполненный с возможностью измерения расхода. Конечно, предусматриваются другие варианты использования датчика для измерения перепада давления.
Технологический контур 38 обеспечивает и прохождение электрического сигнала к датчикам 36, и двустороннюю связь, и может быть выполнен в соответствии с рядом технологических протоколов связи. В показанном примере технологический контур 38 представляет собой контур с двухпроводной линией. В контуре с двухпроводной линией, как предусматривает это название, используются только два провода для электрического соединения датчика 36 с дистанционным пунктом 40 управления. Контур с двухпроводной линией используют для передачи всей энергии к датчику 36 и всех сигналов связи к нему и от него при нормальной работе с использованием сигналов 4-20 мА. Соответственно показанный датчик 36 часто называют "двухпроводным датчиком", хотя известны и предполагаются другие конфигурации, такие как трехпроводные и четырехпроводные датчики и т.д. Связь может осуществляться при помощи аналогового сигнала 4-20 мА и открытого протокола HART или цифрового протокола FOUNDATION™ Fieldbus. Датчик 36 может быть выполнен с возможностью использования с другими протоколами обработки, в том числе Device Bus, Sensor Bus, Profibus, Ethernet и другие, используемые во всем мире. Для связи с датчиком 36 используют компьютер 42 или другую систему обработки информации через модем 44 или другой сетевой интерфейс. В типичном случае питание для датчика 36 подает удаленный источник 46 напряжения.
На фиг.2 показан вид с пространственным разделением деталей типичного датчика 36. Фланец 50 полевого устройства прикреплен к сенсорному модулю 52, образуя интерфейс с импульсным трубопроводом 34. Сенсорный модуль 52 включает в себя корпус 53 с резьбой, который представляет собой цельносварную конструкцию для изоляции внутренних компонентов от технологической среды и окружающей среды. На сенсорный модуль 52 воздействует рабочее давление. Датчик давления (не показан), расположенный внутри модуля 52 и изолированный механически, электрически и термически от технологической среды, принимает значения рабочих давлений и вырабатывает аналоговый электрический сигнал, представляющий перепады давлений.
На фиг.3 показан схематический вид одного варианта осуществления настоящего изобретения. Система 100 включает в себя интерфейсный элемент 102 сопряжения с технологической установкой, имеющий расположенный в нем и термически соединенный с ним электрический нагревательный элемент 104. Термочувствительное устройство 106 термически соединено с интерфейсным элементом 102 сопряжения с технологической установкой и электрически соединено с контроллером 108. Контроллер 108 также соединен с электрическим переключателем 110 линией 112 управления.
Интерфейсный элемент 102 сопряжения с технологической установкой может представлять собой любой интерфейсный элемент, который соединяет, по меньшей мере частично, полевое устройство с технологической установкой. Интерфейсные элементы сопряжения с технологической установкой включают в себя, но не ограничиваются перечисленным, коллектор, фланец технологической установки, импульсный трубопровод, вторичную уплотнительную систему (такую как удаленный уплотнитель) и/или фланец полевого устройства. Переключатель 110 соединен с источником электроэнергии линиями 114 и может избирательно передавать энергию источнику 104 тепла на основе подачи питания в линию 112 управления от контроллера 108. Источник 104 тепла может представлять собой любое электрическое устройство, которое может изменять температуру, реагируя на подачу энергии. Таким образом, источник 104 может представлять собой электрический нагреватель или устройство, которое охлаждает, реагируя на подачу энергии, такое как известный термоэлектрический охладитель. Предпочтительно источник 104 представляет собой конфигурацию электрического нагревательного элемента, которая пригодна для использования с интерфейсным элементом сопряжения с технологической установкой. Например, источник 104 может включать в себя один или более патронных нагревательных элементов, расположенных в пригодных выемках внутри интерфейсного элемента 102 сопряжения с технологической установкой. Кроме того, в конструкцию интерфейсного элемента 102 сопряжения с технологической установкой при его изготовлении могут быть включены электрические нагреватели других типов, такие как нагреватели из травленой фольги. Специалисты в данной области техники определят другие формы электрического нагрева, которые могут быть пригодными для интерфейсного элемента 102 сопряжения с технологической установкой.
Датчик 106 температуры может представлять собой любое пригодное устройство, которое выдает электрический параметр, который изменяется с температурой интерфейсного элемента 102 сопряжения с технологической установкой. Соответственно датчик 106 может представлять собой термопару, резистивный датчик температуры, терморезистор или любое другое пригодное устройство. Предпочтительно датчик 106 располагают внутри интерфейсного элемента 102 сопряжения с технологической установкой. Один пример датчика 106, располагаемого внутри интерфейсного элемента 102 сопряжения с технологической установкой, включает в себя датчик 106, представляющий собой зонд резистивного датчика температуры, расположенный внутри имеющей пригодные размеры выемки в интерфейсном элементе 102 сопряжения с технологической установкой.
Контроллер 108 включает в себя логику и/или схемы, которые могут соотносить пригодный сигнал управления, поступающий по линии 112, с сигналом датчика температуры, поступающим от датчика 106 температуры, с использованием пригодной стратегии управления. Контроллер предпочтительно включает в себя микропроцессор, а также пригодные входную и выходную схемы для приема входного сигнала и для генерирования выходного сигнала. Например, когда датчиком 106 температуры является резистивный датчик температуры, контроллер 108 может включать в себя пригодные схемы для пропускания слабого тока через резистивный датчик температуры и измерения связанного с ним напряжения в резистивном датчике температуры. В одном варианте осуществления изобретения контроллер 108 может быть контроллером полевого устройства, с которым соединена система 100 регулирования температуры. Например, в вариантах осуществления изобретения, где датчиком технологического параметра является датчик давления, имеющий микропроцессор, контроллером 108 может быть микропроцессор в датчике технологического параметра. Однако в других вариантах осуществления изобретения и контроллер 108, и переключатель 110 могут быть отдельным навесным модулем для поддержания независимого регулирования температуры интерфейсного элемента 102 сопряжения с технологической установкой. В других вариантах осуществления изобретения этот контроллер 108 и переключатель могут быть объединены с интерфейсным элементом 102 сопряжения с технологической установкой.
На фиг.4 показан схематический вид системы 120 регулирования температуры интерфейса сопряжения с технологической установкой, соответствующей варианту осуществления настоящего изобретения. Система 120 управления включает в себя ряд компонентов, подобных компонентам системы 100 управления, и подобные компоненты пронумерованы одинаково. Система 120 управления отличается от системы 100 управления тем, что в системе 120 управления используется теплопередающая текучая среда, такая как пар, для регулирования температуры интерфейсного элемента 102 сопряжения с технологической установкой. Соответственно переключатель 110 системы 100 заменен клапаном 122 в системе 120. Клапан 122 соединен с источником 124 теплопередающей текучей среды. Клапан 122 избирательно пропускает теплопередающую текучую среду по линии 126 в интерфейсном элементе 102 сопряжения с технологической установкой на основе подачи питания в линию 112 от контроллера 108. Теплопередающая текучая среда, выходящая из интерфейсного элемента 102 сопряжения с технологической установкой, обозначена ссылочной позицией 128 и может использоваться для дополнительных компонентов, таких как другие элементы интерфейса сопряжения с технологической установкой, может выпускаться или может регенерироваться. Как и в предыдущем случае, датчик 106 выдает данные о температуре интерфейсного элемента 102 сопряжения с технологической установкой в контроллер 108, который избирательно подает энергию в клапан 122 по линии 112 для управления потоком теплопередающей текучей среды и регулирования температуры интерфейсного элемента 102 сопряжения с технологической установкой. В зависимости от температуры теплопередающей текучей среды относительно интерфейса сопряжения с технологической установкой поток текучей среды через интерфейс сопряжения с технологической установкой может нагревать или охлаждать интерфейс сопряжения с технологической установкой.
На фиг.5 показан схематический вид системы 150 регулирования температуры интерфейса сопряжения с технологической установкой. Система 150 включает в себя интерфейсный элемент 102 сопряжения с технологической установкой, который в этом варианте осуществления изобретения представляет собой коллектор 152, имеющий множество выемок 154 для приема патронных нагревательных элементов 156. Коллектор 152 также имеет выемку 158, которая принимает датчик 106 температуры. Переключатель 160 соединен с источником энергии линиями 162 и избирательно подает питание в патронные нагревательные элементы 156 по линиям 162 на основе подачи питания в линии 112 управления контроллером 108. Переключатель 160 может быть любым пригодным устройством, способным переключать относительно большое количество энергии на основе относительно слабого сигнала подачи энергии. Например, переключатель 160 может представлять собой реле, полупроводниковый переключатель или любое другое пригодное устройство. Коллектор 152 включает в себя установочные отверстия 162 и напорные трубопроводы 164.
Система 150 регулирования температуры позволяет поддерживать коллектор 152 при избранной температуре, заданной и сохраненной в контроллере 108. Соответственно, если датчик 106 показывает, что фактическая температура коллектора 152 ниже заданной, контроллер 108 будет подавать энергию в переключатель по линиям 112 для нагрева коллектора 152 с использованием патронных нагревательных элементов 156. Может использоваться любой пригодный режим управления, включающий в себя, но не ограниченный перечисленным, пропорциональное, пропорционально-интегральное, пропорционально-дифференциальное и пропорционально-интегрально-дифференциальное регулирование.
На фиг.6 показан схематический вид системы 170 регулирования температуры интерфейса сопряжения с технологической установкой, соответствующей другому варианту осуществления настоящего изобретения. Коллектор 172 системы 170 подобен коллектору 152, но он включает в себя проходящую в нем линию 174 для теплопередающей текучей среды. Клапан 176 соединен с источником 178 теплопередающей текучей среды и избирательно пропускает теплопередающую текучую среду по линии 174 и к выпускному отверстию 180 на основе подачи питания в линию (линии) 112 управления контроллером 108. Как описано согласно другим вариантам осуществления изобретения, контроллер 108 генерирует сигнал подачи питания в линии 112 на основе значения температуры, измеренной датчиком 106 температуры. Как показано на фиг.6, датчик 106 температуры предпочтительно расположен относительно близко к линии 174 для теплопередающей текучей среды. В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.6, датчик 106 фактически расположен немного выше или ниже линии 174 для теплопередающей текучей среды. Предпочтительно теплопередающая текучая среда представляет собой пар, но ей может быть любая пригодная текучая среда, в том числе жидкости, такие как вода, масло или антифриз.
На фиг.7 показан схематический вид интерфейсного элемента 102 сопряжения с технологической установкой другого типа. В этом варианте осуществления изобретения интерфейсный элемент 102 сопряжения с технологической установкой представляет собой фланец, такой как фланец 182 технологической установки или полевого устройства. Фланец 182 включает в себя линию 174 для теплопередающей текучей среды и отверстие 184, расположенное относительно близко к линии 174 для теплопередающей текучей среды. Отверстие 184 пригодно для установки датчика температуры, такого как датчик 106 температуры.
На фиг.8 показан вид в перспективе интерфейсного элемента 200 сопряжения с технологической установкой, соответствующего варианту осуществления настоящего изобретения. Элемент 200 представляет собой трубу, которая передает рабочее давление от технологической установки при помощи текучей среды в трубе к устройству определения давления. Одна форма элемента 200 включает в себя модифицированную импульсную трубу 202. Однако элемент 200 также может представлять собой систему вторичного уплотнения, такую как удаленный уплотнитель. Импульсная труба 202 включает в себя резьбу 204 для соединения с датчиком технологического параметра. Кроме того, импульсная труба 202 имеет источник 206 тепла, термически соединенный с ней. В показанном варианте осуществления изобретения источник 206 тепла представляет собой электрический нагревательный элемент 208, расположенный внутри укрывающего материала, который связующим веществом или другим способом прикреплен к трубе 202. Датчик 210 температуры расположен таким образом, что он может определять температуру трубы 202. И элемент 208, и датчик 210 включают в себя электрические выводы, которые могут соединяться с обрабатывающим устройством, соответствующим вариантам осуществления настоящего изобретения, таким образом, что обрабатывающее устройство выполняет функцию регулирования температуры. Например, обрабатывающее устройство может определять температуру импульсной трубы 202 с использованием датчика температуры и прилагать избранное количество энергии к импульсной трубе 202 с использованием нагревательного элемента 208. На фиг.8 показан лишь один пример выполнения импульсной трубы с регулированием температуры. Другие варианты осуществления изобретения включают в себя импульсный трубопровод, нагреваемый или охлаждаемый паровой линией. В этих вариантах осуществления изобретения полевое устройство обеспечивает выполнение функции регулирования температуры таким образом, что дополнительный терморегулятор не требуется.
Регулирование температуры интерфейса сопряжения с технологической установкой дает ряд преимуществ. Во-первых, в вариантах применения, где интерфейс сопряжения с технологической установкой работает при температурах, близких к температурам замерзания технологической среды, применение управляемого источника тепла обеспечивает то, что проходы от интерфейса к модулю датчика температуры не замерзают. Кроме того, даже в вариантах применения, где температура не близка к температуре замерзания технологической среды, представляется, что нагревание интерфейса сопряжения с технологической установкой уменьшает вероятность возникновения затвердевания или образования пробки вследствие изменения температур или изменений состояния самой текучей среды. Кроме того, в вариантах осуществления изобретения, где интерфейс сопряжения с технологической установкой охлаждается контролируемым образом, такое охлаждение может содействовать поддержанию температуры технологической среды вблизи интерфейса ниже критических температур, таких как температура кипения технологической среды.
В вариантах осуществления изобретения, где полевое устройство способно принимать пригодное количество электрической энергии, предполагается, что и переключатель/клапан, и контроллер могут быть включены как часть полевого устройства. Кроме того, в вариантах осуществления изобретения, где контроллер системы регулирования температуры представляет собой часть полевого устройства, аспекты регулирования температуры, такой как текущая температура интерфейса сопряжения с технологической установкой, и/или условия тревоги, могут передаваться по контуру управления технологическим процессом и измерения. Кроме того, контроллер может принимать новую установку температуры для системы регулирования температуры через контур управления технологическим процессом и измерения, как необходимо.
Также определенно предусматривается, что система регулирования температуры интерфейсного элемента сопряжения с технологической установкой может быть полностью независимой от полевого устройства. Таким образом, полевое устройство может работать с относительно небольшой энергией в контуре управления технологическим процессом и измерения (например, 4-20 мА), притом что система регулирования температуры может работать с энергией 120 В и 60 Гц. Кроме того, в вариантах осуществления изобретения, где процессоры полевого устройства и системы регулирования температуры выполнены отдельно, они могут быть соединены друг с другом для обеспечения сообщения между ними. Хотя варианты осуществления настоящего изобретения были описаны относительно одного интерфейсного элемента сопряжения с технологической установкой, определенно предусматривается, что система регулирования температуры может применяться с несколькими интерфейсными элементами сопряжения с технологической установкой, относящимися к одному полевому устройству или относящимися к нескольким полевым устройствам.
Хотя настоящее изобретение было описано со ссылками на предпочтительные варианты осуществления изобретения, специалистам в данной области техники будет понятно, что в него могут быть внесены изменения без отхода от сущности и объема изобретения.