УЗЕЛ ДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ
PRESSURE SENSOR ASSEMBLY

Предпосылки
[0001] Настоящее изобретение относится к измерению технологического параметра промышленного процесса. Более конкретно, настоящее изобретение относится к измерению давления технологической текучей среды, применяемой в таком промышленном процессе.
[0002] Для измерения давления применяются датчики давления. Одним из способов измерения давления является применение отклоняемой диафрагмы. Давление подается на одну сторону диафрагмы и заставляет диафрагму отклониться. Отклонение диафрагмы пропорционально приложенному давлению. Отклонение диафрагмы можно измерить путем конфигурирования диафрагмы так, чтобы она действовала как пластина конденсатора. Емкость узла диафрагмы изменяется на основе положения диафрагмы. Поэтому емкость можно соотнести с положением диафрагмы, которое, в свою очередь представляет давление, приложенное к диафрагме.
[0003] Датчики давления часто работают в жестких средах. Такие среды могут привести к повреждению высокоточных датчиков давления, которые обычно бывают весьма хрупкими. В одной такой технологии используется изолирующая диафрагма, и в этом случае с одной стороны изолирующей диафрагмы находится технологическая текучая среда, а с другой стороны изолирующей диафрагмы находится изолирующая (или "заполняющая") текучая среда. Изолирующая текучая среда контактирует с диафрагмой датчика давления. Когда давление технологической текучей среды изменяется, изолирующая диафрагма в ответ на это отклоняется, что приводит к изменению давления, передаваемого через изолирующую текучую среду на диафрагму датчика. Однако изолирующая текучая среда может привносить ошибки измерения давления и может меняться со временем или в результате воздействия теплоты или других внешних влияний. Далее, текучая среда может со временем утекать, что может привести к изменению объема текучей среды или к загрязнению изолирующей текучей среды технологической текучей средой. И утечка, и загрязнение приводят к ошибкам измерения. В другом примере технологии измерения давления применяется удлиненный датчик давления из хрупкого материала, покрытый защитным элементом, например, как описано в патенте США № 6,848,316, под названием УЗЕЛ ДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ, выданном Rosemount Inc.
Сущность изобретения
[0004] Предложен узел датчика давления для измерения давления технологической текучей среды в высокотемпературной среде, который содержит удлиненный корпус датчика, выполненный с возможностью его контакта с технологической текучей средой и имеющий выполненную в нем полость. Датчик давления расположен в полости удлиненного корпуса датчика. Датчик давления имеет по меньшей мере одну диафрагму, которая отклоняется в ответ на приложенное давление, и содержит электрический компонент, обладающий электрическим свойством, которое изменяется как функция отклонения по меньшей мере одной диафрагмы, что является индикатором приложенного давления. Гибкая мембрана, контактирующая с по меньшей мере одной диафрагмой расположена так, чтобы уплотнять по меньшей мере часть полости корпуса датчика от технологической текучей среды и изгибается в ответ на давление, прилагаемое технологической текучей средой, чтобы отклонить по меньшей мере одну диафрагму.
[0005] Настоящее описание предназначено для представления ряда концепций в упрощенной форме, которые далее будут подробно описаны в разделе "Подробное описание". Настоящее краткое описание не предназначено для идентификации ключевых или существенных признаков заявленного изобретения и не предназначено для использования в качестве средства определения объема заявленного изобретения. Заявленное изобретение не ограничивается вариантами, которые устраняют один или все из недостатков, отмеченных в разделе "Предпосылки"
Краткое описание чертежей
[0006] Фиг. 1 - вид в изометрии одной конфигурации узла датчика давления.
[0007] Фиг. 2 - вид сбоку узла датчика давления по фиг. 1.
[0008] Фиг. 3 - вид в изометрии удлиненного корпуса датчика, установленного в узле датчика давления по фиг. 1.
[0009] Фиг. 4 - вид сбоку в сечении узла датчика давления по фиг. 1.
[0010] Фиг. 5 - упрощенная схема узла датчика давления по фиг. 1, подключенного к датчику давления.
[0011] Фиг. 6А - вид сбоку в сечении датчика давления.
[0012] Фиг. 6В - вид с торца в сечении датчика давления по фиг. 6А.
Подробное описание иллюстративных вариантов
[0013] Как описано в разделе "Предпосылки", датчики давления применяются для измерения давлений технологических текучих сред. В некоторых конфигурациях датчик давления и узел датчика давления, который используется для поддержки датчика давления, должны быть выполнены так, чтобы выдерживать жесткие условия, включая высокие температуры и щелочные среды. Одна технология, применяемая в таких средах, заключается в том, чтобы изолировать датчик давления от технологической текучей среды, используя по существу несжимаемую изолирующую заполняющую текучую среду. Изолирующая заполняющая текучая среда отделена от технологической текучей среды отклоняемой диафрагмой или узлом сильфона. Это изолирует датчик давления от жестких условий процесса, которые могут включать агрессивные текучие среды, абразивные частицы, проводящую среду и т.д. В таких конфигурациях типично применяют изолирующую текучую среду, которая гидравлически передает давление, приложенное к диафрагме или сильфону на элемент, измеряющий давление. Свойства заполняющей текучей среды определяют точность системы относительно изменений давления и температуры под влиянием факторов, таких как давление пара, тепловое расширение, сжимаемость, разложение и способность устройства удерживать изолирующую текучую среду. Далее, такие способы требуют, чтобы датчик находился в среде, удерживающей давление, чтобы любые электрические соединения с датчиком можно было пропустить сквозь сжимаемые уплотнения достаточной прочности, чтобы удерживать давление процесса. Это приводит к дополнительному усложнению устройства. Далее, при наличии многих систем температурные изменения между датчиком давления и эталонным компонентом, используемым для нормализации выхода, могут привести к большим тепловым неповторяющимся ошибкам.
[0014] Большинство датчиков давления измеряют разницу между процессом (интересующее давление) и эталоном. Для манометрического давления эталоном является атмосферное давление. Для абсолютного давления эталоном является откачанная полость (0 давление). Большинство датчиков давления также чувствительны к изменениям температуры (что является нежелательным эффектом). Если температура датчика давления и эталона одинаковы температурный эффект, влияющий на измерения давления, обычно невелик. Однако тепловые переходные процессы могут привести к разнице температур между датчиком давления и эталоном, что ошибочно интерпретируется как изменение давления.
[0015] На такие системы с изолирующей диафрагмой действуют и другое ограничение, заключающееся в том, что максимальное напряжение, как функция отклонения диафрагмы, связано с обратной величиной квадрата радиуса диафрагмы. Такое увеличенное напряжение требует применения относительно большого количества материала, компенсирующего текучую среду или других мер, связанных с процессом конструирования, производственными допусками и требованиями к свойствам заполняющей текучей среды (масла), которые могут быть недопустимы при для диафрагм меньших диаметров. Изолирующие системы на основе сильфона, с другой стороны, требуют больше масла и увеличенной длины. Однако, такие конфигурации подвержены загрязнению, закупорке, повреждениям или другим неисправностям, вызванным ударами и т.п.
[0016] Конфигурации, описанные ниже, не требуют изолирующей заполняющей текучей среды и, поэтому, устраняют некоторые из проблем, связанных с конструкциями прототипов, как например, описанных выше. В такой конфигурации изолирующая система непосредственно соединена с датчиком давления. Это устраняет необходимость в изолирующей текучей среде, что упрощает изготовление, снижает механизмы отказов и повышает устойчивость устройства к температуре. Устойчивость к температуре ограничена только применяемым материалом, а не точкой кипения, температурой разложения или точкой плавления изолирующей заполняющей текучей среды.
[0017] На фиг. 1 приведен вид в изометрии одного иллюстративного варианта узла 100 датчика давления. Узел 100 датчика давления содержит корпус 102, имеющий дистальный конец 104 подключения к процессу. Конец 104 подключения к процессу имеет резьбу так, чтобы его можно было ввинчивать в технологический трубопровод или в другой технологический сосуд по мере необходимости. Корпус 102 далее содержит проксимальный конец 108, в котором установлен датчик 110 давления. Датчик 110 давления содержит поверхность 112 для электрического соединения, имеющую множество установленных на ней контактных площадок 114. На фиг. 2 приведен вид сбоку узла 100 датчика давления 100. Следует отметить, что на конце 104 подключения к процессу имеется отверстие, которое позволяет подавать давление процесса во внутреннюю полость корпуса 102.
[0018] На фиг. 3 приведен вид в изометрии удлиненного корпуса 120 датчика, который установлен в корпусе 102. Корпус 120 датчика имеет проксимальный конец 108 (также показанный на фиг. 1), который крепится к корпусу 102. Дистальный конец корпуса 120 датчика предпочтительно уплотнен пробкой 122. Далее, датчик 110 давления вставлен в полость 124 корпуса 120 датчика. Поперек полости или отверстия 124 проходят поддерживающие перемычки 126, который усиливают структуру так, чтобы она могла выдерживать среды высокого давления.
[0019] На фиг. 4 приведен вид сбоку узла 100 датчика давления, где показан удлиненный корпус 120 датчика, вставленный в корпус 102. На фиг. 4 видно, что датчик 110 давления сформирован как удлиненная структура, расположенная внутри корпуса 120 датчика и соединенная дистальным концом с крепежом 130 корпуса 120. Давление Р процесса подается через дистальный конец 104 узла 100 по каналу 140 давления. Канал 140 давления открывается во внутреннюю полость 142 корпуса 102. Далее, полость 142 охватывает полость 124, благодаря чему приложенное давление Р принимается датчиком 110 давления. К корпусу 120 датчика может быть приклеена или приварена концевая крышка 122. Аналогично, проксимальный конец 108 этого корпуса датчика может быть приварен или иным образом связан с корпусом 102. На фиг. 4 также показана канавка 109 для сварки.
[0020] Как показано на фиг. 4, корпус 120 датчика содержит гибкие мембраны 150, расположенные на противоположных сторонах датчика 110 давления. Эти гибкие мембраны 150 контактируют с поверхностью датчика 110 давления, благодаря чему датчик 110 давления изолирован от технологической текучей среды, но реагирует на давление, прилагаемое технологической текучей средой через гибкие мембраны 150. Мембраны 150 могут быть сформированы из любого подходящего материала, который достаточно гибок для передачи сигнала давления, достаточно прочен для удержания давления и хорошо сопротивляется коррозии, вызываемой процессом. Мембраны 150 могут изготавливаться как интегральный компонент корпуса 120 датчика или как отдельный компонент.
[0021] Показанная конфигурация хорошо подходит для высокотемпературных сред. Внешний корпус 102 работает как адаптер процесса и может иметь конфигурацию, необходимую для соединения удлиненного корпуса датчика к фитингам процесса разных типов. Пробка 122 применяется при необходимости, однако пробка 122 позволяет обрабатывать корпус 120 датчика без использования электроэрозионной обработки и служит для удержания давления. Использование пробки 122 позволяет применять обычные способы обработки при изготовлении корпуса датчика. Перемычки 126 поддерживают структуру и предотвращают смятие корпуса в направлении датчика 110. Перемычки 126, предотвращая смятие корпуса в направлении датчика 110, перпендикулярно диафрагмам датчика, также служат для повышения коэффициента усиления датчика. Хотя на чертеже показаны две гибкие мембраны 150, можно использовать и единственную мембрану. В этой конфигурации датчика 110 на приложенное давление реагируют две противоположные стороны датчика 110. Гибкие мембраны могут быть соединены с датчиком 110 связующим материалом или технологией твердотельного связывания. К примерам связующего материала относятся припой или твердый припой, керамик или стекло. Технологии твердотельного связывания включают связывание взрывом и диффузионное связывание. К примерам диффузионного связывания относится слой хрома, нанесенный на датчик 110 давления, и слой алюминия, напыленный на мембрану 150. Другим примером является слой хрома на датчике 110 и слой никеля, напыленный или осажденный на гибкую мембрану 150. Также могут использоваться слой алюминия, напыленный на датчик 110 давления, и слой никеля, напыленный или осажденный на мембрану 150. Другим примером является слой хрома, напыленный на датчик 110 давления и гибкая мембрана 150 из фольги Inconel. Для крепления датчика 110 в корпусе 120 также можно применять набивочный материал. Например, можно использовать керамический порошок или спеченные наночастицы серебра. Внутреннее пространство корпуса 120 также можно формировать в вакууме. Например, мембране 150 можно придать требуемую форму и вставить в корпус 120. Для герметичного крепления мембраны 150 к корпусу можно использовать лазерную сварку. Для герметизации можно применять любую подходящую технологию, например, роликовый сварной шов или сварку электросопротивлением. Гибкая мембрана 150 также может содержать заранее сформированную металлическую фольгу и может крепиться к корпусу 120 датчика сваркой, уплотнением металл-металл или приклеиваться к корпусу датчика. На внутреннюю поверхность гибких мембран 150 может быть нанесен мягкий металл осаждением или другими способами, чтобы обеспечить более плотное соединение с датчиком 110 давления. Например, на внутренней поверхности металлической фольги на внутренних поверхностях гибких мембран можно использовать осажденный слой золота.
[0022] На фиг. 5 приведена упрощенная блок-схема, иллюстрирующая передатчик 200 давления, содержащий датчик 11- давления. В этом варианте передатчик 200 давления содержит измерительную схему 202, выполненную с возможностью принимать выходной сигнал от датчика 110 давления и подавать сигнал измерения на микропроцессор 204. Измерительная схема 202 может содержать аналого-цифровой преобразователь и, помимо прочего, компенсирующие схемы, фильтрующие схемы. Питание подается источником 208 питания. Микропроцессор 204 работает в соответствии с командами, хранящимися в запоминающем устройстве 212. Типично, передатчик переменной процесса выполнен так, что все электронные компоненты передатчика 200 заключены в герметично уплотненный корпус. Микропроцессор может соединяться с универсальным асинхронным приемопередатчиком 210, который работает по коммуникационному стандарту RS-485 или RS-232 с функцией кондиционирования входного питания. Можно также использовать микроконтроллеры так, чтобы запоминающее устройство 212 и универсальный асинхронный приемопередатчик 210 находились внутри блока микроконтроллера. С универсальным асинхронным приемопередатчиком может быть соединен приемопередатчик RS-485. Можно реализовать два микроконтроллера, в которых один интерпретирует сигнал от измерительной схемы, а другой принимает данные от первого микроконтроллера и поддерживает связь с внешним миром.
[0023] Конкретный датчик давления может иметь любую требуемую конфигурацию. Известны разные конструкции датчиков давления. Датчик давления одного типа сформирован из удлиненного по существу хрупкого материала. Сам датчик может быть изготовлен из материала, стойкого к коррозии, например, сапфира. На фиг. 6А показан вид сбоку в сечении, а на фиг. 6В - вид с торца в сечении датчика 110 давления. Как показано на фиг. 6А и 6В, удлиненные элементы 202 и 204 образуют противоположные диафрагмы, изготовленные так, чтобы в них была сформирована полость 205. Металлические слои 210, 212, 214, 216, 218 и 220 нанесены на внутренние поверхности диафрагм 202 и 204 и полости 205. Когда на диафрагмы 202 и 204 действует давление, расстояние между пластинами 210-220 изменяется, изменяя объем полости 205. Изменение этого расстояния приводит к изменению электрической емкости, которое можно измерить соответствующей измерительной схемой, например, измерительной схемой 202, показанной на фиг. 5. Металлические слои 210-220 также могут создавать электрическое сопротивление, которое изменяется как функция температуры, благодаря чему температуру можно измерять. Соединение со слоями 210-220 можно выполнять через соединительную поверхность 112.
[0024] Примеры датчиков давления, соответствующих показанному на фиг. 6А и 6В, показаны и описаны в патенте США № 5,637,802, выданном 10 июня 1997, в патенте США № 6,079,276, выданном 27 июня 2000, в патенте США № 6,082,199, выданном 4 июля 2000, в патенте США № 6,089,097, выданном 18 июля 2000, в патенте США № 6,505,516, выданном 14 января 2003, в патенте США № 6,520,020, выданном 18 февраля 2003, в патенте США № 6,508,129, выданном 21 января 2003, в патенте США № 6,484,585, выданном 26 ноября 2002, в патенте США № 6,516,671, выданном 11 февраля 2003, в патенте США № 6,561,038, выданном в мае 2003 и в патенте США № 6,484,316, выданном 1 февраля 2005, которые полностью включены в настоящее описание путем отсылки.
[0025] Хотя настоящее изобретение было описано со ссылками на предпочтительные варианты, специалистам понятно, что в его форму и детали могут быть внесены изменения, не выходящие за пределы изобретательской идеи и объема изобретения. В одной иллюстративной конфигурации вокруг диафрагмы датчика давления имеется удерживающий давление корпус с диафрагмами из фольги на каждой стороне для передачи приложенного давления на диафрагмы датчика давления. В другой иллюстративной конфигурации датчик установлен в корпусе и закреплен на гибком элементе с помощью набивного материала, твердотельного соединения или какими-либо другими средствами. Например, можно применять датчики давления с одной или двумя диафрагмами. Корпус также может иметь такую конфигурацию, чтобы на каждую сторону датчика действовало разное давление. Можно также использовать акселерометр или другой датчик вибрации. Такая система хорошо подходит для реализации в качестве дублирующего датчика. Такая конфигурация хорошо подходит не только для сред высокого давления, но и для агрессивных и высокотемпературных сред. Для соединения гибких мембран с корпусом можно использовать любые подходящие технологии. Например, для крепления гибких мембран 150 к корпусу 120 для герметизации внутреннего пространства корпуса од технологической текучей среды можно использовать лазерную сварку. Можно использовать и другие виды сварки, такие как сварка вольфрамовым электродом в среде инертного газа, герметизация швов или многоточечная сварка сопротивлением.