ДАТЧИК ПОТОКА ТЕХНИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ С РЕБРИСТЫМ КОПЛАНАРНЫМ ФЛАНЦЕМ
SERVICE FLUID FLOW SENSOR WITH RIBBED COPLANAR FLANGE

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0001] Для контроля и управления процессами производства используются системы контроля и управления процессом. Производственные процессы используются при изготовлении различных продуктов, таких как очищенная нефть, лекарственные средства, бумага, продукты питания и т.д. В крупномасштабных сферах применения должны осуществляться контроль и управление такими процессами, чтобы обеспечить работу в пределах требуемых параметрах.
[0002] «Датчик» стал термином, использующимся для описания устройств, которые подключаются к технологическому оборудованию и определяют параметр процесса. Типичные параметры процесса включают давление, температуру, поток и др. Зачастую датчик находится на удаленном участке (т.е. «на месте») и передает измеряемую переменную процесса обратно на центральную диспетчерскую. Для передачи переменной процесса используются различные технологии, в том числе проводная и беспроводная связь. В одной стандартной технологии проводной связи используется то, что известно как двухпроводной контур управления процессом, в котором одна пара проводов применяется для передачи информации и подачи питания на датчик. Одной из хорошо известных технологий передачи данных является контроль уровня тока через контур управления процессом между 4 мА и 20 мА. Величина тока в диапазоне 4-20 мА может быть преобразована в соответствующие величины переменной процесса.
[0003] Одним из типов датчиков является датчик давления. В целом, датчиком давления может быть любой датчик, который измеряет давление технической жидкости (термин «жидкость» в этом случае включает газ, пар и жидкости и их сочетание). Датчики давления могут использоваться для непосредственного измерения давления, в том числе дифференциальное, абсолютное или манометрическое давление. К тому же, благодаря использованию известных технологий, датчики давления можно применять для измерения потоков технической жидкости на основании перепада давления технической жидкости между двумя участками.
[0004] Как правило, датчик давления включает в себя сенсор давления, который подает техническую жидкость под давлением через изолированную систему. Например, изолированная система может включать изоляционную диафрагму, которая находится в физическом контакте с технической жидкостью, и изоляционную заполняющую жидкость, которая расширяется между изоляционной диафрагмой и сенсором давления. Заполняющая жидкость предпочтительно содержит несжимаемую жидкость, такую как масло. По мере того, как техническая жидкость оказывает давление на изоляционную диафрагму, изменения во внешнем давлении передаются по диафрагме через изоляционную жидкость на сенсор давления. Такие изолированные системы предотвращают непосредственное воздействие технической жидкости на чувствительные компоненты сенсора давления.
[0005] В некоторых технологических средах, техническая жидкость может находиться на относительно высоких температурах. Однако, максимальная рабочая температура датчиков обычно составляет 185-250°F. Даже в тех случаях, когда датчик выдерживает высокую температуру, предельные значения температуры все равно могут привести к погрешностям измерений давления. В процессах, где превышается максимальная рабочая температура датчика давления, датчик должен находиться на удалении от технической жидкости и контактировать с ней через длинную капиллярную трубу. Капиллярная труба может быть длиной несколько футов и переносить изоляционную жидкость. Один конец трубы соединен с потоком посредством изоляционной диафрагмы, а другой - с датчиком давления. Эта длинная капиллярная труба и изоляционная диафрагма обычно называется «выносной диафрагмой» или «водяными петлями» в измерениях потока пара.
[0006] Поскольку система выносной диафрагмы все же не обеспечивает эффективное измерение, существуют некоторые компромиссные решения. Когда «водяные петли» используются и устанавливаются некорректно, в фактических измерениях давления могут появиться погрешности. Кроме того, водяные петли требуют наличия дополнительных антиобледенителей в определенном климате. Таким образом, система измерения давления технической жидкости с непосредственным монтажом, которая может применяться при высоких температурах, была бы предпочтительной для пользователей, не желающих использовать систему выносной диафрагмы в области высоких температур.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0007] В настоящем изобретении предусмотрена система измерения давления технической жидкости. Данная система включает в себя датчик давления жидкости с двумя отверстиями для технической жидкости, расположенными копланарно друг к другу на его нижней поверхности. Датчик давления технической жидкости предназначен для измерения дифференциального давления между двумя отверстиями для технической жидкости и индикации измеренного дифференциального давления по контуру связи с процессом. Ребристый фланец имеет первую поверхность для монтажа датчика давления технической жидкости на нижнюю часть и вторую поверхность напротив первой, а также как минимум одну боковую стенку, находящуюся между первой и второй поверхностью. Возле боковой поверхности находится множество ребер.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0008] На РИС. 1 показано схематическое изображение системы измерения давления технической жидкости с непосредственным монтажом, которая устанавливается на трубу технической жидкости согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
[0009] На РИС. 2 показано схематическое изображение системы измерения давления технической жидкости с непосредственным монтажом согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
[0010] На РИС. 3 показано схематическое перспективное изображение ребристого копланарного фланца согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
[0011] На РИС. 4 показано схематическое изображение в разобранном виде системы измерения давления технической жидкости с непосредственным монтажом согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПОЯСНИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0012] Датчики давления технической жидкости зачастую устанавливаются непосредственно на элемент расходомера технической жидкости, такой как измерительная диафрагма или усредняющая напорная трубка, например, первичный элемент Annubar, доступный в Emerson Process Management (Эмерсон Процесс Менеджмент), Шанхассен, шт. Миннесота. Первичный элемент располагается в потоке технической жидкости, такой как пар. В сферах применения с высокими температурами техническая жидкость может перегревать заполняющую жидкость датчика давления технической жидкости и приводить к повреждению его сенсора(ов). Это может произойти, когда температура технической жидкости составляет 185-250°F и выше. Такая проблема усугубляется в случаях, когда возле датчика давления технической жидкости недостаточно или нет циркуляции воздуха, или на участках, где температура окружающей среды возле датчика давления технической жидкости зачастую высокая, например, возле потолка. Хотя датчик давления технической жидкости можно непосредственно установить ниже элемента расходомера технической жидкости, есть ряд причин, по которым такое расположение не рекомендуется. Так, на дне технологического трубопровода часто оседает конденсат, другие нежелательные жидкости, частицы или другие загрязнители. Такие жидкости или загрязнители попадают в импульсные линии системы измерения давления технической жидкости. В зависимости от давления и/или температуры, эта жидкость может замерзать и повреждать систему, либо загрязнители могут накапливаться и засорять сенсор(ы) давления, приводя к неточностям или выходу из строя. Кроме того, непосредственный монтаж ниже элемента расходомера технической жидкости может привести к проблемам с зазором с поверхностью или полом. Таким образом, важно предусмотреть систему измерения давления технической жидкости, которую можно бы было непосредственно устанавливать над элементом расходомера технической жидкости или трубой либо которая могла бы функционировать на более высоких температурах, чем ранее.
[0013] РИС. 1 - это схематическое изображение системы измерения давления технической жидкости с непосредственным монтажом, которая устанавливается на трубу технической жидкости согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Система 10 включает датчик давления технической жидкости 12, соединенный с трубой технической жидкости 14 посредством двух импульсных линий 16 и ребристого копланарного фланца 18. Датчик 12 включает секцию электроники 20 и модуль сенсора давления 22. Модуль сенсора давления 22 включает сенсор дифференциального давления, который имеет электрическую характеристику, такую как емкость, изменяющуюся в зависимости от создаваемого дифференциального давления на двух изоляционных диафрагмах на его нижней поверхности 23 (показано на РИС. 2). Модуль сенсора давления 22 также включает схему для измерения электрической характеристики и выводит измерение на электронику датчика в секции 20. Электроника датчика принимает данные об измерении от модуля сенсора давления 22 и генерирует данные о переменной процесса, указывающие на переменную процесса для передачи по контуру управления процессом. Передача данных о переменной процесса может происходить через проводной, беспроводной контур управления процессом или через оба контура. В одном варианте осуществления настоящего изобретения датчик 12 может быть коммерчески доступным датчиком давления, который продается под торговым обозначением Модель 30501SFC в Emerson Process Management. В некоторых вариантах осуществления изобретения, датчик 12 оснащен схемой в модуле сенсора давления 22 или секцией электроники 20, которая может приспосабливаться под максимальную рабочую температуру 185-250°F. Эта же схема также может контролировать фактическую температуру в модуле сенсора давления 22.
[0014] Труба технической жидкости 14 переносит техническую жидкость, такую как перегретый пар, при температуре, которая может быть равна или выше максимальной рабочей температуры датчика давления технической жидкости 12. Часто для определения скорости потока или другой величины, связанной с потоком технической жидкости в трубе 14, элемент расходомера технической жидкости устанавливается посреди потока. Например, первичный элемент усредняющей напорной трубки можно вставить в трубу 14, обеспечивая два давления технической жидкости в потоке. В случае первичного элемента усредняющей напорной трубки, первичное давление технической жидкости может быть давлением потока, а вторичное давление может быть статическим давлением в трубе 14. Затем, можно рассчитать поток жидкости, используя принцип Бернулли и диаметр трубы. Как вариант, в трубу 14 можно вставить измерительную диафрагму, которая создает локальное ограничение потока. В этом варианте осуществления изобретения, первичное давление технической жидкости относится к давлению жидкости на входе, а вторичное давление технической жидкости относится к давлению на выходе после измерительной диафрагмы. Используя известные уравнения, с помощью этих давлений можно рассчитать поток технической жидкости.
[0015] В вышеописанных вариантах осуществления настоящего изобретения, техническая жидкость под двумя разными давлениями подается из трубы на датчик давления технической жидкости. Также, как установлено выше, техническая жидкость может находиться на уровне или выше максимальной рабочей температуры датчика давления технической жидкости. Хотя в предыдущих работах датчик давления с непосредственным монтажом был физически отделен от процесса (см. патент США 7,497,123, выданный Стивену М. Бему, переданный Патентообладателю настоящего изобретения), все еще остается необходимость разработать решение по измерению рабочего давление с непосредственным монтажом, где датчик давления находился бы в непосредственной близости к потоку. Это особенно необходимо в сферах применения, где расстояние до датчика давления технической жидкости ограничено.
[0016] Как показано на РИС. 1, датчик давления технической жидкости 12 соединен с трубой технической жидкости 14 через ребристый копланарный фланец 18. В частности, модуль сенсора давления 22 датчика 12 привинчен к поверхности 36 ребристого фланца 18 четырьмя болтами по углам модуля 22. Две изоляционных диафрагмы возле нижней поверхности модуля сенсора давления 22 пневматически уплотняют два напорных отверстия технической жидкости в ребристом фланце 10, предпочтительно с помощью уплотняющих колец. В дополнение к этому, импульсные линии 16 соединены с нижней поверхностью 34 ребристого фланца 18 путем любых подходящих методов соединения. Поверхности 34 и 36 обычно параллельны и противоположны друг другу. Как минимум одна боковая стенка 37 находится между поверхностями 34 и 36. В варианте осуществления изобретения, показанном на РИС. 1, фланец 18 включает четыре боковые стенки, однако в других вариантах может присутствовать только одна боковая стенка. Например, в вариантах осуществления изобретения, где ребристый фланец круглый, необходима только одна боковая стенка.
[0017] Клапанный манифольд может быть соединен с поверхностью 34 фланца 18 для обеспечения множества фланцев 24, 26 и 28, выполняющих функции манифольда. Например, клапаны 24 и 26 могут быть запорными клапанами, которые закрываются для изолирования модуля сенсора давления 22 от потока в целях его замены. Кроме того, клапан 8 может быть клапаном выравнивания, обеспечивающим подачу жидкости между двумя отверстиями для технической жидкости.
[0018] Чтобы снизить нагрев поверхности 23 модуля сенсора давления 22 из-за технической жидкости, ребристый фланец 18 включает множество ребер 32. Ребра 32 обычно проходят перпендикулярно поверхности 23 модуля сенсора давления 22 и предпочтительно проходят полное расстояние между поверхностями 34, 36 манифольда ребристого фланца 18. Кроме того, ребра 32 предпочтительно должны находиться на всех четырех боковых стенках ребристого фланца 18. Однако варианты осуществления настоящего изобретения могут выполняться с различными вариациями. Например, одна или несколько сторон фланца 18 не обязательно должны иметь ребра 32; количество ребер на конкретной стороне может варьировать; длина и/или ширина ребер может варьировать и т.д. Ребра 32 обеспечивают дополнительную площадь поверхности, где тепло, переданное от технической жидкости, может быть выпущено в окружающую среду путем конвекции или излучения, вместо передачи на изоляционные диафрагмы модуля сенсора давления 22. Учитывая то, что техническая жидкость может достигать температуры 400°F или выше, а окружающая среда может иметь комнатную температуру либо немного выше, характеристики теплопередачи ребристого фланца 18 существенны.
[0019] На РИС. 2 показано схематическое изображение части системы измерения давления технической жидкости с непосредственным монтажом согласно варианту осуществления настоящего изобретения. На РИС. 2 показан датчик давления технической жидкости 12 и ребристый копланарный фланец 18 в более детальном виде. Например, на РИС. 2 представлено несколько ребер 32 с множеством вырезов 35 для увеличения свойств теплопередачи каждого ребра 32. Как показано, каждое ребро 32 предпочтительно находится между поверхностями 34 и 36 фланца 18. В дополнение к этому, смежные ребра предпочтительно соединены с ребристым копланарным фланцем 18 посредством шва или криволинейной части 37, которая дает дополнительную прочность ребрам 32.
[0020] На РИС. 3 показано схематическое перспективное изображение ребристого копланарного фланца согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Ребристый копланарный фланец 18 включает два отверстия для технической жидкости 40, 42, соединенных с датчиком давления технической жидкости с двумя копланарными изоляционными диафрагмами. Кроме того, фланец 18 включает множество крепежных отверстий для установки крепежных болтов (не показаны). Как показано на РИС. 3, вырезы 35 обычно проходят поперек ребер 32, позволяя воздуху проходить по ним. Более того, в некоторых вариантах осуществления изобретения, вырезы 35 могут совпадать друг с другом, чтобы упростить их изготовление. В заключение, отделка поверхности ребер 32 может быть выполнена для увеличения теплопередачи, например, выполняя отделку поверхности ребер 32 более грубой, чем у поверхности 46, на которой устанавливается датчик давления технической жидкости 12.
[0021] На РИС. 4 показано схематическое изображение в разобранном виде системы измерения давления технической жидкости с непосредственным монтажом согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения. Датчик давления технической жидкости 12 соединен с ребристым копланарным фланцем 100, который может быть любым подходящим ребристым копланарным фланцем, включая ребристый копланарный фланец, как описано выше в РИС. 1-3. Фланец 100 предпочтительно включает спускные отверстия для слива и/или отвода технической жидкости. Ребристый копланарный фланец 100 предпочтительно соединен с многоклапанным манифольдом 102, который выполнен как соединение датчика с непосредственным монтажом для ребристого фланца 100 и датчика давления технической жидкости 12. Манифольд 102 соединен с двумя впускными патрубками для нагнетания технической жидкости от первичного элемента 104 через элемент 106. Элемент 106 проходит от манифольда 102 до первичного элемента 104 и переносит техническую жидкость из каждого отверстия в первичном элементе 104 к манифольду 102. Элемент 106 также соединен с днищем 108, которое является элементом «поддержания давления/конструкции». У днища 108 есть два конца 110, 112, каждый из который оснащен соответствующим креплением для приводного стержня 114, 116. Приводные стержни 114, 116 входят в контакт с объединенными приводами в узле 118, чтобы первичный элемент 104 и датчик давления технической жидкости можно было поднять и извлечь из узла 118. Согласно варианту осуществления настоящего изобретения днище 108 включает ряд вертикальных ребер 120, которые передают тепло от технической жидкости в элементе 106 в окружающую среду. Таким образом, как минимум некоторое количество тепла от технической жидкости не передается на датчик давления технической жидкости 12, таким образом, снижая температуру, воздействию которой подвергаются электроника датчика давления технической жидкости и изоляционная жидкость. Кроме того, варианты осуществления настоящего изобретения могут предусматривать наличие ребер в днище 108 и ребристом фланце 100, чтобы еще больше увеличить отвод тепла от датчика давления технической жидкости в сферах применения с высокими температурами.
[0022] Хотя в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения ребра составляют одно целое с манифольдом, предполагается, что ребра могут быть частью узла теплообмена, который закреплен на фланце или днище. Такой узел теплообмена может быть привинчен, зафиксирован или иным образом закреплен на манифольде для обеспечения дополнительной теплопередачи. Таким образом, как минимум некоторые из вариантов осуществления настоящего изобретения могут предусматриваться соединением ребристого копланарного фланца с ребристым узлом теплообмена для работы на более высокой температуре.
Хотя настоящее изобретение описано с учетом предпочтительных вариантов осуществления, специалисты в данной области признают, что в форму и содержание можно вносить изменения без отступления от существа и объема настоящего изобретения.