УЗЕЛ, ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ К ДАВЛЕНИЮ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ, ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДАВЛЕНИЯ, ПОДВЕРГАЮЩИХСЯ ВЫСОКОМУ РАБОЧЕМУ ДАВЛЕНИЮ
BLOCK, SENSITIVE TO PROCESS FLUID PRESSURE, FOR PRESSURE TRANSMITTERS UNDER HIGH WORKING PRESSURE

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Системы управления промышленными процессами используются для мониторинга и управления промышленных процессов, используемых для производства или перекачки текучих сред и тому подобное. В таких системах обычно важно измерение технологических параметров, таких как температура, давление, расход потока, уровень и прочие. Преобразователи контроля процессов измеряют такие технологические параметры и передают информацию, относящуюся к измеренному технологическому параметру, обратно к центральному местоположению, такому как центральной комнате управления.
Одним типом преобразователя технологических параметров является преобразователь давления, который измеряет давление технологической текучей среды и обеспечивает выход, относящийся к измеренному давлению. Этот выход может представлять собой давление, расход потока, уровень технологической текучей среды или другой технологический параметр, который может быть получен при измерении давления. Преобразователь давления выполнен с возможностью передачи информации, связанной с измеренным давлением, обратно в центральный пункт управления. Обычно передача осуществляется посредством двухпроводного контура управления процессом, однако иногда используются иные коммуникационные технологии.
Одно наиболее неблагоприятное условие окружающей среды для измерения давления связано с применениями, которые имеют очень высокое рабочее давление. Одно такое применение имеет место в подводных условиях. В таких применениях, статическое давление, действию которого подвергается технологическое оборудование, может быть очень высоким. Кроме того, технологическая текучая среда может корродировать многие известные металлы.

Например, сейчас предусматриваются некоторые применения в подводных условиях, которые требуют максимальное рабочее давление 20,000 фунтов на квадратный дюйм (MWP). Такие расчеты обычно требуют специфические дорогостоящие экзотические материалы с высокими эксплуатационными характеристиками. Примеры таких дорогостоящих коррозионно-стойких сплавов с высокими эксплуатационными характеристиками включают Hastelloy C-276, поставляемый Haynes International, Inc. Кокомо, Индиана или Inconel 625, поставляемый Special Metals Corporation Нью-Хартфорд, Нью-Йорк. Хотя выбор таких экзотических сплавов может позволить передачу технологических параметров оператору в таких неблагоприятных условиях окружающей среды, обычно они повышают стоимость всей конструкции.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Предложен узел для изменения давления. Узел включает опору датчика давления, имеющую отверстие в ней. Датчик давления проходит через и установлен в отверстии. Датчик давления имеет электрическую характеристику, которая изменяется при приложенном давлении. Изоляторная вставка выполнена с возможностью подвергания воздействию технологической текучей среды текучей средой. Изоляторная вставка имеет изоляционную диафрагму, расположенную для контакта с технологической текучей средой. Канал присоединен по текучей среде к изоляционной диафрагме для передачи давления технологической текучей среды от изоляционной диафрагмы к датчику посредством несжимаемой текучей среды. Опора датчика давления присоединена к изоляторной вставке и имеет некруглую форму, если смотреть вдоль оси отверстия.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 представляет собой схематичный вид в перспективе подводного преобразователя PT (давления/температуры), посредством которого могут быть осуществлены на практике варианты осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 2 представляет собой схематичный вид в вертикальной проекции модуля датчика давления, который обычно используется в измерителе давления, изображенном на фиг. 1.
Фиг. 3 представляет собой вид в плане сверху опоры датчика для установки датчика давления с монокристаллическим материалом в соответствии с предшествующим уровнем техники.
Фиг. 4 представляет собой вид в разрезе в вертикальной проекции опоры датчика, показанного на фиг. 3.
Фиг. 5 представляет собой вид в плане сверху некруглой опоры датчика в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 6 представляет собой схематичный вид в разрезе опоры датчика, изображенной на фиг. 5.
Фиг. 7 представляет собой вид в плане сверху изоляторной вставки, имеющей некруглую опору детектора в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 8 представляет собой схематичный вид в разрезе участка узла, чувствительного к давлению, измерителя давления для измерения давления в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 9 представляет собой схематичный вид в перспективе узла, изображенного на фиг. 8.
Фиг. 10 представляет собой вид в плане сверху чувствительного к давлению узла, имеющего некруглые опоры датчиков в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 11 представляет собой схематичный вид в разрезе, выполненный по линиям А-А, показанным на фиг. 10.
Фиг. 12 представляет собой вид в плане сверху чувствительного к давлению узла, показанного на фиг. 10, но повернутого на 90 градусов.
Фиг. 13 представляет собой вид в разрезе чувствительного к давлению узла, показанного на фиг. 12, выполненного по линиям С-С, указанным на фиг. 12.
Фиг. 14 представляет собой схематичный вид в перспективе чувствительного к давлению узла, изображенного на фиг. 11 и 13, показанный с удаленным защитным экраном.
Фиг. 15 представляет собой схематичный вид в перспективе чувствительного к давлению узла, показанного на фиг. 11 и 13 с защитным экраном, приваренным к нему.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЛЛЮСТРАТИВНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Фиг. 1 представляет собой схематичный вид в перспективе примерного подводного преобразователя PT (давления/температуры). Преобразователь 10 включает корпус 12 для электроники, API (Американский нефтяной институт) фланец 14 трубы и измеритель 16 давления для измерения давления/температуры. Измеритель 16 давления вводится в отверстие через стенку трубы и устанавливается или на одной или двух изоляторных диафрагмах давления/температуры внутри трубы. Обычно эти диафрагмы расположены на внутреннем диаметре трубы, где измеряется технологическое давление. С учетом имеющихся известных подводных преобразователей обычные датчики варьируются по диаметру от 36,5 мм до 46,5 мм и обычно выполнены из дорогостоящих коррозионно-стойких сплавов с высокими эксплуатационными характеристиками, таких как Hastelloy C-276 или Inconel 625. Эти сплавы пригодны для подводных условий, но обычно добавляют расходы на общую сборку. При наличии высоких давлений, имеющих место во многих применениях, размер фланца 14 трубы, а также корпуса 12 для электроники обычно задается внешним диаметром измерителя 16 давления. Основным компонентом узла 16 датчика является капсула давления внутри датчика 16. Обычно капсула давления содержит датчик давления, изоляторную диафрагму технологической текучей среды, которая контактирует с технологической текучей средой и передает давление технологической текучей среды на датчик давления без позволения контакта технологической текучей среды с датчиком давления. В дополнение к датчику давления капсула может включать датчик температуры. Обычно капсула также включает технологический интерфейс, такой как защитный экран, и гидравлическую систему (такую как заполняющая текучая среда) для передачи технологического давления на датчик давления. Как показано на фиг. 1, API фланец 14 трубы включает 8 болтовых отверстий, выполненных по размеру для возможности прохождения болтов, которые зацепляют фланец трубы для того, чтобы прикрепить преобразователь 10 к трубе. С учетом давлений, размер и толщина фланца 14 не являются малосущественными.
Фиг. 2 представляет собой схематичный вид в вертикальной проекции модуля датчика давления, который обычно используется в измерителе 16 давления (показанном на фиг. 1). Модуль 20 датчика включает защитный экран 22, который выполнен с возможностью нахождения под воздействием технологической текучей среды и который защищает внутренний компонент модуля 20 датчика, такой как изоляционная диафрагма 64, показанная на фиг. 8, от частиц и других твердых материалов в технологической текучей среде. Изоляторная вставка 24 выполнена с возможностью нахождения под непосредственным воздействием технологической текучей среды и физической изоляции датчика 26 давления от технологической текучей среды, хотя все еще передающая давление технологической текучей среды на датчик 26 давления. Обычно изоляторная вставка 24 приварена к корпусу 28 датчика около сварного шва 30. Способ, при котором изоляторная вставка передает давление технологической текучей среды на датчик 26 давления без обеспечения физического контакта между технологической текучей средой и датчиком давления, осуществляется с использованием гидравлической заполняющей текучей среды (т.е. несжимаемой текучей среды), такой как силиконовое масло. Гидравлическая заполняющая текучая среда введена в замкнутую систему посредством наполнительной трубки 32, которая затем уплотнена. После этого технологическая текучая среда давит на одну сторону изоляторной диафрагмы, хотя другая сторона прилегает к гидравлической заполняющей текучей среде. В таком случае, заполняющая текучая среда передает давление на датчик 26 давления. Таким образом, датчик 26 давления контактирует только с гидравлической заполняющей текучей средой и не контактирует с потенциально коррозийной, горячей или проблемной технологической текучей средой. В ряде случаев датчик 26 давления представляет собой небольшой датчик давления с монокристаллом, который выполнен с возможностью выдерживания высокого давления и температур. В некоторых случаях этот датчик давления с монокристаллом выполнен из сапфира. Эти датчики давления с монокристаллом являются известными. Например, патент США No. 6,520,020 раскрывает такой датчик. Сжатие монокристаллической подложки вызывает изменение расстояния между двумя или несколькими слоями монокристаллического материала датчик давления. Таким образом, проводники, расположенные на внутренних поверхностях датчика давления, перемещаются или друг к другу или друг от друга, тем самым изменяя емкость между такими проводниками. Такое изменение емкости детектируется соответствующей схемой в корпусе 12 электроники и сопоставляется с давлением. Во многих случаях датчик давления с монокристаллом также будет содержать чувствительную к температуре конструкцию, такую как резистивный температурный детектор. Таким образом, этот небольшой элемент, чувствительный к давлению/температуре, может образовывать небольшую, высоконадежную детектирующую систему, пригодную для сравнительно неблагоприятных условий окружающей среды.
Фиг. 3 представляет собой вид в плане сверху опоры датчика для установки датчика давления с монокристаллическим материалом в соответствии с предшествующим уровнем техники. Опора 34 датчика является круглой и обычно имеет диаметр 0,279’’. Центрированный в пределах опоры 34 детектора паз 36 выполнен по размеру с возможностью вмещения датчика давления с монокристаллом, имеющего прямоугольное сечение. Когда датчик давления установлен таким образом внутри паза 36, операция пайки тугоплавким или легкоплавким припоем выполняется с возможностью механической фиксации или иного прикрепления датчика 26 давления к опоре 34 датчика.
Фиг. 4 представляет собой вид в разрезе в вертикальной проекции опоры 34 датчика. На фиг. 4 высота опоры 34 датчика показана, как равная примерно 0,170’’. Кроме того, паз 36 показан полностью продолжающимся через опору 34 датчика.
В соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, форма опоры детектора модифицирована в некруглую конфигурацию, которая позволяет более компактное установочное устройство для детектора, хотя все еще обеспечивая исключительно надежную опору детектора.
Фиг. 5 представляет собой схематичный вид в плане сверху опоры датчика в соответствии с некруглой опорой датчика, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Опора 40 датчика все еще включает паз или отверстие 36, которое выполнена по размеру с возможностью вмещения и установки датчика давления с монокристаллом, такого который используется в настоящее время или который может быть усовершенствован впоследствии. Однако опора 40 датчика имеет некруглую форму, если смотреть вдоль оси отверстия 36 (т.е., как показано на фиг. 5, если смотреть сверху вниз через отверстие 36). В одном варианте осуществления, опора 40 датчика включает пару криволинейных концов 42, 44, которые отделены друг от друга удлиненным участком 46. Таким образом, вид в плане сверху опоры 40 датчика напоминает овал или «беговую дорожку». В одном варианте осуществления, ширина овала составляет около 0,170’’ и длина овала является около 0.279’’. Хотя вариант осуществления, показанный в отношении фиг. 5, изображает удлиненный участок 46, имеющий прямые линии между криволинейными концами 42, 44, допускается некоторое незначительное искривление на удлиненном участке 46, поскольку общая форма является некруглой. За счет отклонения от круглой формы предусматривается дополнительное пространство для других компонентов, таких как наполнительная трубка, которая будет описана более подробно в отношении фиг. 7 и 8.
Фиг. 6 показывает опору 40 датчика, которая подобно опоре 34 датчика имеет паз 36, продолжающийся полностью через нее и предпочтительно имеет ту же самую высоту 0,170 дюймов, в одном варианте осуществления, как и датчик 34 детектора.
Фиг. 7 представляет собой вид в плане сверху изоляторной вставки 50, имеющей некруглую опору 40 датчика давления, приваренную или иным способом фиксированную к ней в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Опора 40 датчика имеет датчик 52 давления, установленный в ней. Датчик 52 давления предпочтительно сконструирован из монокристаллического материала, такого как сапфир. Датчик 52 давления прикреплен к опоре 40 датчика посредством пайки твердым или мягким припоем. При установке таким образом опора 40 датчика размещает датчик 52 давления внутри камеры 54, чувствительной к давлению (показано на фиг. 8). Давление технологической текучей среды передается посредством изоляционной текучей среды от изоляционной диафрагмы 64 на датчик 52 давления таким образом, чтобы датчик 52 давления мог воспринимать давление технологической текучей среды. Предпочтительно, что датчик 52 давления также включает по меньшей мере один термочувствительный элемент, тем самым также обеспечивая индикацию температуры технологической текучей среды. Заполняющая текучая среда введена в пространство между изоляционной диафрагмой и камерой 54, чувствительной к давлению, посредством маслозаливной трубки 56. Маслозаливная трубка 56, в одном варианте осуществления, продолжается от изоляторной вставки 50 в направлении (т.е. вертикально), которое по существу параллельно оси отверстия, через которое установлен датчик 52 давления. Это предусматривает очень компактную конструкцию для узла, чувствительного к давлению. После заполнения системы маслом маслозаливная трубка 56 уплотняется таким образом, чтобы обеспечивался замкнутый объем.
Фиг. 8 представляет собой схематичный вид в разрезе чувствительного к давлению узла, измерителя давления в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Узел 60 включает защитный экран 62 или другую подходящую конструкцию, которая расположена проксимально к изоляционной диафрагме 64 таким образом, чтобы частицы или твердые вещества, перемещающиеся в технологической текучей среде, физически не контактировали с изоляционной диафрагмой. Однако защитный экран 62 имеет множество отверстий, которые позволяют доступ технологической текучей среды к изоляционной диафрагме 64. Поскольку технологическая текучая среда оказывает давление на изоляционную диафрагму 64, заполняющая текучая среда внутри замкнутой системы передает давление технологической текучей среды посредством масляного канала 66 на камеру 54, чувствительную к давлению. В некоторых вариантах осуществления камера 54, чувствительная к давлению, включает одну или более масляных объемных вставных элементов 68, которые по существу являются несжимаемыми и уменьшают количество масляного объема, требуемого в камере 54, чувствительной к давлению. Поскольку заполняющая текучая среда находится под давлением технологической текучей среды, противоположные слои датчика 52 давления прижимаются друг к другу в результате действия давления. Смещение противоположных слоев датчика 52 давления вызывает изменение расстояния между слоями. Металлизации или проводящие слои, расположенные на внутренних поверхностях таких слоев, образуют емкостные пластины таким образом, чтобы образовывался конденсатор, имеющий емкость, которая изменяется при приложенном давлении.
Как показано на фиг. 8, датчик 52 давления прикреплен к опоре 40 датчика, которая предпочтительно припаяна к изоляторной вставке 50. Таким образом, конструктивные особенности опоры датчика и изоляторной вставки комбинированы в цельной изоляторной вставке. За счет комбинирования конструктивных особенностей, избегается необходимая сварка с глубоким проплавлением между корпусом 28 датчика и изоляторной вставкой 24, и уменьшается общая высота и диаметр узла 60. Существующие процессы и материалы могут быть использованы для припаивания тугоплавким или легкоплавким припоем опоры 40 детектора, датчика 52 давления и маслозаливной трубки 56 к изоляторной вставке 50.
Вновь со ссылкой на фиг. 7, за счет использования некруглой опоры 50 датчика в сочетании с вертикальной маслозаливной трубкой 56, обе конструкции могут находиться в пределах периметра кольца 70. Это позволяет уменьшение полного диаметра узла, тем самым сводя к минимуму общую конструкцию, что также уменьшает количество дорогостоящих сплавов с высокими эксплуатационными характеристиками при изготовлении измерителя давления.
Фиг. 9 представляет собой схематичный вид в перспективе чувствительной к давлению системы 60, показывающий как датчик 52 давления, так и масляную трубку 56, размещаемую в пределах периметра кольца 70. В качестве дополнения, показан защитный экран 62, приваренный к изоляторной вставке 50 на сварном шве 72.
Фиг. 10 представляет собой вид в плане сверху чувствительного к давлению узла 80, в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения. Чувствительный к давлению узел 80 обладает некоторым сходством с чувствительным к давлению узлом 50 (изображенным на фиг. 7), и подобные компоненты пронумерованы подобным образом. Как показано на фиг. 10, узел 80 включает пару некруглых опор 40 датчиков давления, при этом каждая имеет отверстие для установки в ней соответствующего датчика 52 давления (опоры 40 имеют некруглую форму, если смотреть вдоль оси отверстия опор датчиков, такую как на виде, показанном на фиг. 10). Кроме того, датчики 52 давления обычно разнесены друг от друга, но иным образом выровнены с возможностью параллельного расположения  относительно друг друга. Кроме того, чувствительный к давлению узел 80 включает пару маслозаливных трубок 56 для введения несжимаемой заполняющей текучей среды во множество отдельных замкнутых объемов для текучей среды внутри чувствительного к давлению узла 80.
Фиг. 11 представляет собой схематичный вид в разрезе чувствительного к давлению узла 80, выполненный по линиям А-А, показанным на фиг. 10. Как показано, чувствительный к давлению узел 80 включает изоляторную вставку 82, которая приварена к защитному экрану 84 на сварном шве 86. Дистальный конец 88 изоляторной вставки 82 имеет пару изоляционных диафрагм 90, 92, которые, в общем, выровнены друг с другом, но разнесены друг от друга в направлении, трансверсальном относительно их соответствующих плоскостей. Каждая изоляционная диафрагма 90, 92 присоединена к соответствующей масляной трубке 94, 96, которая передает давление технологической текучей среды на датчик 52 давления. В некоторых вариантах осуществления, каждый датчик 52 давления также включает термочувствительный элемент. В качестве дополнения, в варианте осуществления, показанном на фиг. 11, имеет место значительный зазор между каждой диафрагмой 90, 92 и защитным экраном 84 для сведения к минимуму или уменьшению потенциала для гидратов (твердых веществ) с возможностью порождения и воздействия на перемещение изоляционных диафрагм 90, 92.
Каждая опора 40 датчика давления предпочтительно припаяна тугоплавким припоем к изоляторной вставке 82. Кроме того, каждый датчик 52 давления предпочтительно припаян легкоплавким припоем или иным способом фиксирован к его соответствующей опоре датчика. Когда весь чувствительный к давлению узел 80 завершен, он может быть прикреплен или иным образом зафиксирован к измерителю давления предпочтительно посредством приваривания на интерфейсе или поверхности 98.
Фиг. 12 представляет собой вид в плане сверху чувствительного к давлению узла 80, показанного на фиг. 10, но повернутого на 90 градусов.
Фиг. 13 представляет собой вид в разрезе чувствительного к давлению узла, показанного на фиг. 12, выполненного по линиям С-С, указанным на фиг. 12. Конкретно, вид в разрезе, показанный на фиг. 13, выполнен по линиям С-С на фиг. 12, который повернут на 90° от линий А-А на фиг. 10. Фиг. 13 изображает каждую маслозаливную трубку 56, прикрепленную к изоляторной вставке 82, и подающую масло через масляные каналы 100 для наполнения каждой отдельной маслозаливной системы. После того как такие системы наполнены, каждая из маслозаливных трубок 56 закрывается или иным способом уплотняется так, чтобы технологическая текучая среда оказывающая давление на соответствующие изоляционные диафрагмы, перемещалась к соответствующим датчикам давления. Множество вариантов осуществления измерений давления/температуры, показанных в отношении фиг. 10-13, позволяют проведение изменения избыточного давления. Однако в некоторых вариантах осуществления перепад давления может быть измерен на основе разности между давлениями, измеренными посредством многих датчиков давления/температуры.
Фиг. 14 представляет собой схематичный вид в перспективе чувствительного к давлению узла 80, изображенного с удаленным защитным экраном 84. Как может быть видно на фиг. 14, изоляционная диафрагма 92 является круглой и включает ряд кольцевых складок. Предпочтительно, что другая изоляционная диафрагма является по существу такой же, как изоляционная диафрагма 92. Фиг. 14 также показывает пару датчиков 51 давления, установленных внутри соответствующих опор 40 детекторов. Кроме того, пара маслозаливных трубок 56 также предусмотрена, и все такие компоненты могут быть расположены в пределах периметра кольца 70.
Фиг. 15 представляет собой схематичный вид в перспективе чувствительного к давлению узла 80 с защитным экраном, приваренным к нему на сварном шве 86. Полный диаметр чувствительного к давлению узла 80, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, может быть в пределах 0,98’’, исходя из максимального рабочего давления 20,000 фунтов на квадратный дюйм и подходящего материала изоляторной вставки. Фиг. 15 также изображает множество отверстий 88, просверленных или иным способом обеспеченных через защитный экран 84 около сварного шва 86. Отверстия 88 обеспечивают просачивание газа и устраняют любой «тупик», который может оказывать влияние на измерения давления.
Как отмечено выше, варианты осуществления настоящего изобретения, в целом, обеспечивают небольшой диаметр капсулы давления, которая является пригодной для использования подводного преобразователя посредством уникальной опоры датчика и геометрии изоляторной вставки. Секция измерителя давления может варьироваться в зависимости от применения и, в общем, выполнена из дорогостоящих материалов с высокими эксплуатационными характеристиками. Капсула давления является ключевым компонентом измерительного узла и, таким образом, обуславливает полный диаметр. Уменьшение размера и диаметра капсулы давления и измерителя давления является предпочтительным при уменьшении общего размера и стоимости преобразователя давления. Возможности уменьшения диаметра измерителя давления будут снижать стоимость преобразователя давления за счет уменьшения количества материала дорогостоящих коррозионно-стойких сплавов (CRA), необходимого для изготовления устройства. Кроме того, общий вес устройства также будет уменьшен. Наконец, варианты осуществления настоящего изобретения будут позволять другие технологические соединения свыше пределов стандартного API фланца трубы с диаметром 2 1/16’’, которые должны учитываться для некоторых продуктов и/или применений.
Хотя настоящее изобретение описано со ссылкой на предпочтительные варианты осуществления, специалистам в данной области техники следует понимать, что могут быть выполнены изменения в форме и в деталях, не выходя за рамки сущности и объема изобретения. Например, посредством относительно небольших модификаций изоляторной вставки защитный экран может быть заменен стандартным технологическим соединением и использован в дополнительных применениях или условиях работы. В качестве дополнения, посредством измерителя давления относительно небольшого диаметра, обеспечиваемого вариантами осуществления, измеритель давления может использоваться в подводном преобразователе давления для применений в условиях подземных и сточных вод. Кроме того, хотя варианты осуществления настоящего изобретения обеспечивают пару двухплоскостных изоляционных диафрагм (показанных на фиг. 11), варианты осуществления настоящего изобретения могут быть осуществлены на практике, в которых изоляционные диафрагмы являются копланарными.