УСТРОЙСТВО РАСХОДА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ С ПЕРЕМЕННЫМ ПРОХОДНЫМ ОТВЕРСТИЕМ
DEVICE FOR DISCHARGING PROCESS FLUID MEDIA USING PASSAGE OPENING

Область техники
Настоящее изобретение относится к устройствам контроля и измерения технологических процессов. Более конкретно, настоящее изобретение связано с интегрированным устройством, которое регулирует расход текучей среды.
Уровень техники
Эксплуатационные устройства, такие как датчики технологических процессов, используются в ряде отраслей для того, чтобы измерять или управлять технологическими параметрами дистанционно. Эти параметры, в общем, связаны с текучими средами, такими как суспензии, жидкости, пары, газы, химикаты, гидропульпа, нефть, лекарственные средства, продукты питания, и другими системами обработки текучих сред. Технологические параметры могут включать в себя давление, температуру, расход, мутность, плотность, концентрацию, химическую концентрацию и другие свойства. Другими примерами технологических устройств являются клапаны, приводные механизмы, нагреватели и контроллеры.
В прошлом система регулирования расхода текучей среды в технологических процессах, как правило, требовала нескольких компонентов. Например, первое эксплуатационное устройство, такое как датчик расхода технологической текучей среды, должно иметь устройство, препятствующее продвижению текучей среды, например, расходомерную диафрагму, размещенную в потоке текучей среды. Датчик расхода в таком случае должен измерять перепад давления в устройстве расхода текучей среды и вычислять массовый расход текучей среды, проходящей через него. Затем датчик расхода должен передавать информацию расхода текучей среды технологическому контроллеру, которым может быть вычислительная машина, расположенная в диспетчерской, или даже еще одно эксплуатационное устройство, установленное рядом с технологической установкой. Далее контроллер должен применить управляющий алгоритм к информации измерения расхода, принятой от датчика расхода технологической текучей среды, и известной уставки расхода, предоставленной или иным образом известной контроллеру. После этого контроллер формирует сигнал расхода текучей среды, который передается еще одному эксплуатационному устройству, как правило, клапану, чтобы изменить расход текучей среды через систему на основе примененного управляющего алгоритма. Эта система регулирования расхода текучей среды с замкнутым контуром известна в данной области техники.
В последнее время регулирующие клапаны с ирисовой диафрагмой использовались при измерении расхода, чтобы сформировать системы, которые могут регулировать расход текучей среды. Регулирующие клапаны с ирисовой диафрагмой по своей идее аналогичны оптическому затвору камеры. Ирисовая диафрагма, в общем, состоит из трех или более лепестков, которые входят в проходное отверстие и препятствуют расходу текучей среды через проходное отверстие. Один подобный регулирующий клапан с ирисовой диафрагмой реализуется компаниями Emile Eggar и Ciesa Pump и Machine Manufacturers из Швейцарии. Хотя проведена определенная работа, чтобы организовать системы регулирования расхода текучей среды с замкнутым контуром, использующие регулирующие клапаны с ирисовой диафрагмой, имеется значительная потребность в усовершенствовании. Например, каждое дополнительное устройство в системе регулирования расхода приводит к дополнительным затратам, а также дополнительным препятствиям для технологической текучей среды, которые могут повреждаться. Дополнительно, каждое технологическое устройство, используемое в системе регулирования расхода, также требует дополнительного времени, затрачиваемого техническим персоналом на установку и/или обслуживание.
Сущность изобретения
Предлагается технологическое устройство для регулирования расхода текучей среды. Устройство содержит запирающий механизм, размещенный в трубопроводе, по которому протекает технологическая среда. Запирающий механизм, которым предпочтительно является ирисовая диафрагма, имеет переменный внутренний диаметр. Устройство включает в себя датчик разности давлений для измерения перепада давления на противоположных сторонах диафрагмы. Контроллер принимает индикацию перепада давлений и формирует управляющий сигнал исполнительному механизму, который приводит в действие запирающий механизм. Запирающий механизм, датчик разности давлений и контроллер образуют контроллер расхода с замкнутым контуром в одном технологическом устройстве.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
фиг.1 изображает общий вид устройства расхода технологической текучей среды в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения;
фиг.2А - вид спереди устройства регулирования расхода технологический текучей среды в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;
фиг.2В - вид спереди устройства регулирования расхода технологический текучей среды в соответствии с другими вариантами осуществления настоящего изобретения;
фиг.3 - блок-схему устройства регулирования расхода технологической текучей среды в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
Устройство 10 (фиг.1, 2А) является полностью интегрированной системой регулирования расхода технологической текучей среды и содержит исполнительный механизм для изменения расхода текучей среды, датчик для измерения расхода текучей среды и контроллер для формирования сигнала исполнительного механизма на основе сигнала измеренного расхода и управляющего алгоритма. Чтобы упростить вычисления расхода текучей среды, предпочтительно, чтобы механизмом регулирования текучей среды был клапан расхода с ирисовой диафрагмой. По мере того, как число лепестков, используемых в ирисовой диафрагме, увеличивается, внутренняя форма отверстия становится все более и более круглой. Таким образом, когда используется достаточное число лепестков, например, шесть, характеристики расхода устройства начинают в достаточной степени аппроксимировать расходомерную диафрагму. Расход текучей среды через расходомерную диафрагму хорошо известен, и характеристики расхода, связанные с расходомерными диафрагмами, хорошо известны и описаны. Тем не менее, варианты осуществления настоящего изобретения могут быть использованы на практике с другими типами клапанов, таким как откидной затвор. Клапан 12 расхода с ирисовой диафрагмой содержит ряд (в описываемом варианте шесть) лепестков или лопастей 14, которые входят в трубу 16 расхода. Степень, до которой лепестки 14 входят в трубу 16, регулирует объем текучей среды, которая может протекать через нее. Устройство 10 также содержит отсек 18 для электронного оборудования и датчики разности давления 20, 22, размещенные на противоположных сторонах клапана 12.
Отсек 18 для электронного оборудования включает в себя соответствующие электронные схемы, чтобы соединяться и передавать данные по контуру 24 технологической связи в соответствии со стандартным протоколом технологической связи. Примеры этих протоколов включают в себя протокол HART™, а также полностью цифровой протокол FOUNDATION™ Fieldbus. Тем не менее, любые другие стандартные протоколы технологической связи могут быть использованы в связи с вариантами осуществления настоящего изобретения. Предпочтительно, технологический стандартный протокол - это протокол, который может предоставлять мощность устройству 10. Таким образом, устройство 10 может принимать всю свою электроэнергию по тем же проводникам, которые оно использует для связи.
Предпочтительно, механизм 12 регулирования расхода текучей среды - это клапан с ирисовой диафрагмой, который, в общем, имеет переменное проходное отверстие, практически коаксиальное с трубой 16. Коаксиальное проходное отверстие позволяет устройству 10 иметь характеристики расхода, которые аппроксимируют расходомерную диафрагму. Описания различных расходомерных диафрагм и сопловых пластин, а также расчеты и уравнения, связанные с ними, описаны в Liptak, Beto, Instrument Engineer's Handbook: Process Measurement and Analysis, Third Edition, Chilton Book Company (1995) и Miller, Richard, Flow Measurement Engineering Handbook, Third Edition, McGraw-Hill, Inc. (1996).
На фиг.2A показан вид спереди устройства 10 регулирования расхода технологический текучей среды в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Шесть лепестков 14 выдвигаются во внутренний перепускной канал 16 устройства 10. Каждый из лепестков 14 имеет практически прямой край 26. Лепестки 14 могут быть изготовлены из любого подходящего материала, в том числе из металлов, полимеров, пластика и любого их сочетания. Например, для относительно чистых вариантов применения с низким расходом, например, HVAC или в автомобилях лепестки 14 могут быть изготовлены из политетрафторэтилена (PTFE), который является как инертным, так и потенциально самоуплотняющимся. Если механические требования к механизму 12 клапана возрастают, лепестки 14 могут быть изготовлены даже из металла с покрытием PTFE, такого как нержавеющая сталь, или других подходящих упрочненных конструкций. По мере того как лепестки 14 дополнительно выдвигаются в проходное отверстие 16 устройства 10, это отверстие, задаваемое прямыми краями 26 лепестков 14, становится все меньше и меньше. В итоге, когда лепестки 14 перемещаются в максимально закрытую позицию, устройство полностью закрывается, как клапан. Диаметр диафрагмы может изменяться в рамках заранее выбранных уровней закрытия, например, с приращениями по 5 процентов, или он может быть постоянным. В варианте осуществления, где заранее выбираются уровни закрытия, точное бета-отношение (бета-отношения подробнее описаны ниже) для каждого заранее выбранного уровня закрытия может быть измерено или вычислено и сохранено. Это должно обеспечить возможность высокоточных вычислений расхода по заданным уровням закрытия. Предпочтительно, лепестки могут быть смещены таким образом, чтобы предусматривался выбранный пользователем характер отказов. Например, лепестки могут быть смещены внутрь, так что если устройство выходит из строя, лепестки препятствуют расходу текучей среды.
Чтобы аппроксимировать расход через устройство 10, измеряется перепад давлений в механизме 12 регулирования расхода. Расходомерные диафрагмы характеризуются своим бета-отношением, которое является функцией (помимо прочего) внутреннего диаметра расходомерной диафрагмы. Следовательно, варианты осуществления настоящего изобретения, которые отличаются переменным проходным отверстием, имеют изменяющиеся бета-отношения. Бета-отношение требуется для определения скорости расхода через устройство 10 на основе перепада давлений. Следовательно, некоторые варианты осуществления настоящего изобретения включают в себя характеристику или тарирование устройства с известным расходом текучей среды (измеренным из устройства, внешнего для устройства 10) при изменяющемся внутреннем диаметре. При каждом внутреннем диаметре известный расход может быть использован в сочетании с известным диаметром для вычисления бета-отношения для этого диаметра. Множество пар "диаметр/бета-отношение" затем может быть сохранено в таблице соответствия для использования в ходе работы. Дополнительно, если функция внутреннего диаметра и бета-отношений может быть аппроксимирована посредством уравнения, само уравнение может быть использовано вместо таблицы соответствия. Чтобы лучше согласовать изменяющиеся бета-отношения с изменяющимся внутренним диаметром механизма 12, предложены варианты осуществления настоящего изобретения, которые также включают в себя внесение изменений в конфигурацию краев 26, чтобы бета-отношение было проще точно оценивать. Тарирование также может включать предоставление устройству индикации того, что расход нулевой, что обеспечивает возможность обнуления устройства. Кроме того, устройство может проверять свой диапазон посредством варьирования размера диафрагмы при постоянном расходе. Дополнительно устройство периодически или по запросу может выполнять диагностику системы. Например, наличие возможности влиять на расход и измерять расход позволяет устройству выполнять проверку посредством мгновенного изменения уровня закрытия и отслеживания связанного изменения в перепаде давления. Если ожидаемое изменение не наблюдается, может быть предусмотрено оповещение или соответствующая индикация.
На фиг.2В представлен вид спереди устройства 30 регулирования расхода технологический текучей среды в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. Устройство 30 аналогично устройству 10 в том, что оно использует изменение перепада давления в запирающем механизме 32, чтобы вычислять расход текучей среды через устройство. Тем не менее, в отличие от устройства 10, устройство 30 содержит определенное число лепестков 36, каждый из которых имеет криволинейную поверхность 34. Комбинация восьми лепестков 36 с помощью их криволинейных поверхностей 34 обеспечивает практически круглый внутренний диаметр 38. Посредством повышения характера округления внутреннего диаметра 38 устройство 30 более точно аппроксимирует характеристики расхода расходомерной диафрагмы. Следовательно, уравнения и вычисления, связанные с расходомерными диафрагмами, являются более точными в отношении устройства 30, чем устройства 10. Как изложено выше относительно фиг.2А, каждый из лепестков 36 может быть изготовлен из любого подходящего материала, например, PTFE или металлов с покрытием PTFE.
На фиг.3 представлена блок-схема устройства регулирования расхода технологической текучей среды в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. Устройство 100 содержит часть 102 прохождения потока, имеющую внутренний перепускной канал 104. Необязательный отсечной клапан 103 высокого давления предусмотрен, чтобы обеспечить возможность перекрытия перепускного канала 104 при высоком давлении. Клапан 103 может приводиться в действие вручную или может приводиться в действие от исполнительного механизма 108. Хотя отсечной клапан 103 проиллюстрирован как часть устройства 100, клапан 103 необязательно может быть размещен удаленно относительно устройства 100. Находящаяся рядом с внутренним перепускным каналом 104 запирающая часть 106 размещена так, чтобы выборочно управлять объемом технологической текучей среды, которая проходит через часть 104. Запирающий механизм 106 соединен с приводом 108 исполнительного механизма посредством одного или более соединений 110. Предпочтительно, запирающим механизмом 106 является ирисовая диафрагма, но может быть любой подходящий запирающий элемент. Исполнительный механизм 108 на основе управляющего сигнала, принимаемого от контроллера 112 посредством линии 114, вызывает физическое смещение относительно запирающего механизма 106, чтобы запирающий механизм 106 обеспечил достаточную величину закрытия трубы.
Исполнительный механизм 108 может включать в себя любой подходящий тип приводного механизма, в том числе, но не только, электродвигатели, подходящие передаточные механизмы, пневматические исполнительные механизмы, а также другие подходящие устройства, допускающие преобразование потенциальной энергии источника, такой как электричество или сжатый воздух, в физическое смещение для приведения в действие запирающего механизма 106.
Устройство 100 также содержит датчик разности давлений для измерения перепада давления технологической текучей среды в запирающем механизме 106. Датчик разности давлений может быть сформирован из пары импульсных линий, размещенных на противоположных сторонах запирающего механизма и соединенных с ячейкой перепада давления. Тем не менее, в одном варианте осуществления датчик разности давлений сформирован посредством двух отдельных датчиков 120, 122 давления, которые размещены с различных сторон механизма 106.
Предпочтительно, датчики 120, 122 давления выполнены из полупроводникового материала. Эти типы датчиков давления раскрыты в патенте US 5637802. Такие полупроводниковые датчики давления, как правило, предоставляют собой емкость, которая изменяется при отклонении части полупроводникового датчика. Отклонение осуществляется в ответ на прикладываемое давление. Использование полупроводников, и в частности, сапфира, предоставляет ряд преимуществ. Сапфир является примером монокристаллического материала, который, когда надлежащим образом соединен оплавлением, не имеет контактной поверхности между двумя соединенными частями. Таким образом, результирующая структура является исключительно надежной. Кроме того, полупроводниковые датчики имеют очень хороший гистерезис, а также очень высокую частотную характеристику. Дополнительная информация, связанная с полупроводниковыми датчиками давления, раскрыта в патентах US 6079276, 6082199, 6089907, 6485585 и 6520020. Использование сапфирового датчика давления особенно выгодно в вариантах осуществления, которые проиллюстрированы на фиг.3, где датчик давления открыт для технологической текучей среды. Сапфир является очень коррозионн-остойким материалом.
Схема 124 измерений соединена с каждым из датчиков 120, 122 давления и предназначена для возбуждения сигнала посредством датчиков 120, 122 давления, чтобы осуществлять измерение электрических сигналов ответного переменного давления. Например, когда датчики 120, 122 давления являются емкостными датчиками давления, схема 124 измерений может возбуждать надлежащий сигнал посредством датчиков 120, 122 давления для измерения относительной емкости датчиков 120, 122 давления. Схема 124 измерений соединена с контроллером 112 и обеспечивает индикацию измеренного давления контроллеру 112 по линии 126. Предпочтительно, схема 124 измерений предоставляет измеренные данные давления в цифровой форме, но может быть использована любая удобная форма.
Контроллером 112 предпочтительно является микропроцессор, и он может выполнять алгоритм управления, чтобы связывать выходной сигнал 114 питания, поданный в исполнительный механизм 108, с перепадом давления, измеренным в запирающем механизме 106. Алгоритмом управления может быть пропорциональный, производный, интегральный управляющий алгоритм или любое их сочетание.
Модуль 130 контурной связи соединяет контроллер 112 с терминалами 132, 134 контурной связи. Модуль 130 контурной связи предназначен для обмена данными по контуру технологической связи посредством терминалов 132, 134 в соответствии с технологическим стандартным протоколом связи. Эта связь позволяет устройству 100 принимать уставку расхода технологической текучей среды из контура технологической связи. Дополнительно, связь, которая, в общем, является двунаправленной, позволяет устройству 100 передавать информацию, связанную с его работой или любыми его подкомпонентами. Устройство 100 также содержит модуль 140 питания для питания устройства 100 энергией, полученной через терминалы 132, 134. Следовательно, устройство 100 может питаться посредством тех же проводников, по которым оно обменивается данными. Тем не менее, в некоторых вариантах осуществления модуль 140 питания может принимать питание из одного или более источников, которые не являются средствами связи. Таким образом, модуль 140 питания может просто подключаться к питанию на 110 В 60 Гц или любому другому подходящему источнику питания.
В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения устройство 100 преимущественно может использовать вторичную индикацию перепада давлений технологической среды, проходящей через него. Например, если запирающим механизмом 106 является клапан с ирисовой диафрагмой, давление, прилагаемое к поверхности диафрагмы посредством перепада давления текучей среды, может заставлять лепестки диафрагмы немного заедать. Степень заедания может быть связана с перепадом давления. Следовательно, величина энергии, требуемой для того, чтобы активировать запирающий механизм 106 посредством исполнительного механизма 108, может предоставлять вторичную индикацию перепада давлений. Таким образом, измерение противоэлектродвижущей силы механизма электрического исполнительного механизма или перепада давления в пневмодвигателе предоставляет вторичную индикацию перепада давлений технологической текучей среды. Хотя и не обязательно настолько точно, как при использовании датчиков 120, 122, вторичная индикация перепада давлений может обеспечить дополнительный элемент резервирования и/или возможности обеспечения улучшенной диагностики устройства.
В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения устройство может выступать в качестве расходометра перепада давления при переменном проходном отверстии. Таким образом, вместо регулирования расхода текучей среды изменения проходного отверстия могут быть использованы для того, чтобы более оптимально измерять расход. Например, устройство может работать на первом уровне закрытия и измерять расход текучей среды через него. По мере того как измеряемая скорость расхода текучей среды падает до нижнего порога, где точность измерений может быть снижена, устройство может увеличивать уровень закрытия, тем самым увеличивая обнаруживаемый перепад давлений и общую точность измерений расхода. Это автоматическое регулирование диапазона может осуществляться на выбранных нижних и верхних порогах. Например, когда показания находятся в рамках 10% от нижнего или верхнего порога измерений перепада давлений, уровень закрытия диафрагмы может быть увеличен или уменьшен соответственно.
Хотя настоящее изобретение описано со ссылками на предпочтительные варианты осуществления, специалисты в данной области техники должны понимать, что изменения могут быть сделаны в форме и деталях без отступления от духа и области применения изобретения.