冗余机械和电子遥控密封系统的制作方法

专利名称：冗余机械和电子遥控密封系统的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及一种用于工业过程控制系统的过程仪器，更具体 地，本发明涉及一种具有冗余机械和电子遥控密封系统的压力发送器。
背景技术：
压力发送器可以用于遥控监测过程流体的压力。压力发送器包括调节 用于压力传感器的信号并将输出传送到遥控位置的电路，在此遥控位置 处，其可被监测作为表示压力的数值。遥控密封或遥控隔膜部件经常用于 从危险测量环境远距离传送到压力发送器、或用于使压力发送器与不方便 定位的过程流体连接。例如，遥控密封经常与例如在化工厂或石油精炼厂 中的腐蚀和高温过程流体一起使用。
典型地，在这些情况下，具有隔膜组件和毛细管的机械遥控密封可被 用于在压力变换器位于安全距离以外的同时，将压力变换器连接到过程流 体。这些液压遥控密封系统通过用于将过程流体与用于毛细管中的填充流 体隔离的薄的、柔性的隔膜与过程流体连通。当隔膜弯曲时，不可压縮的 填充流体通过毛细管将压力变化传送到位于压力变动器中的隔膜。压力变 动器隔膜的偏转通过另一填充流体传送到产生涉及过程流体的压力的信 号的压力传感器。
毛细管可以压伸达到25米，以便将压力发送器与过程流体连接，其将 造成机械的毛细管遥控密封的几个缺陷。例如，过长的毛细管产生缓慢的 响应时间，且多个连接点具有导致不精确的感应的潜在填充流体的泄漏。 另外，对于压差的阅读，需要使用或是平衡或是转动结构的两个遥控密封。 对于压差感应，两个遥控密封将两个压力传送到变动器中的压差传感器。 在平衡结构中，使用两个相等长度的毛细管，以便使反馈的压力相等，毛 细管之一典型地比需要应用的毛细管长。这不但很贵而且可以产生压力阅 读的附加不确定性。在转动结构中，发送器校准为使在不相等长度的毛细管中产生的反馈压力相一致，在工作环境中的温度变化可能造成校准的漂 移，也增加了压力阅读的不确定性。
己经提出了其中遥控密封与过程变换器电子通讯的电子遥控密封系 统。采用这些结构，计量压力传感器位于遥控密封上，且传感器输出信号 可以通过有线或无线电子通讯系统传递到过程发送器。然后，对于压差的 阅读，将遥控密封计量压力与在压力发送器或另一遥控密封处检测的另一 计量压力比较。然后，压力发送器电路计算压差。因此，电子遥控密封消 除了与毛细管相关的缺陷。然而，也具有由两个计量压力计算压差的缺陷， 而不是用不同的传感器直接感应压差。在不同的压力传感器中，因为每个 压力都在中心感应，所以，显著消除了例如温度效应或管线压力误差的共 态误差。当比较两个计量压力时，失去了参考的共同点，且每个压力阅读 都传入其自身的误差。

发明内容
本发明的目的是用于测量过程流体的压力的冗余过程发送器。过程发 送器包括发送器壳体、发送器电路、遥控密封组件，所述遥控密封组件包 括第一压力传感器以及位于发送器壳体中的第二压力传感器。遥控密封组 件还包括遥控密封凸缘、通讯系统以及毛细管。遥控密封凸缘连接到过程 流体，而第一压力传感器感应遥控密封壳体处的过程流体的压力。通讯系 统将第一压力传感器的输出传递到发送器电路，而毛细管通过填充的流体 将过程流体的压力连通到发送器壳体，其中第二压力传感器通过填充的流 体感应过程流体的压力。


图l是使用本发明的冗余过程发送器的过程控制系统的视图； 图2A是本发明的冗余遥控密封的过程流体界面侧的视图； 图2B是本发明的冗余遥控密封的部件侧的视图； 图2C是显示具有连接的遥控检测部件的冗余遥控密封的图2A和图2B
的横截面2-2的视图；以及
图3显示构成用于压差测量的本发明的冗余过程发送器的视图。
具体实施例方式
图1显示了过程控制系统10，其包括遥控密封12、过程发送器14、控 制室16、容器凸缘17、容器18以及过程流体20。遥控密封12包括过程凸缘 22、第一遥控压力变动器26、过程端口28、隔离膜片30、毛细管32、毛细 管联接器35以及通信连接装置34。过程发送器14包括壳体36、第一传感器 38、发送器电路40、毛细管联接器42、发送器隔膜43、通道44和接线管道 46。控制室16包括操纵回路48、电源50和通讯系统52。过程发送器14显示 在用于感应过程流体20的计量压力的计量压力结构中。在其它实施例中， 如图3所示，过程发送器14配置有第二遥控密封系统，使得可以感应压差。 过程控制系统10提供了冗余压力感应系统，其中过程流体20的压力通过单 独的电子和机械装置远遥控确定；利用变动器电子装置40比较感应的压 力，然后，在控制室16检测和诊断。
遥控密封12的过程凸缘22典型地用四个螺钉54和螺母56安装到容器 凸缘17。过程流体20通过过程端口28和隔膜30增压遥控密封12。过程端口 28和隔离膜片30提供用于用两个单独的感应系统感应过程流体20的压力 的两个出口。第一出口即过程端口28使用有压力发送器26，以检测在容器 18的位置处的过程流体20的压力。第二出口即隔膜30用于与毛细管32连 接，以将过程流体20的压力传递到发送器14的第一传感器38。
根据隔膜30的偏转，第一传感器38产生表示过程流体20的压力的第一 压力信号。过程流体20的压力利用液压遥控密封系统机械传递到第一传感 器38。隔膜30在过程流体20的压力下偏转，而毛细管32通过第一填充流体 将压力传递到发送器14。毛细管32典型地包括不锈钢管。毛细管32利用毛 细管联接器35与遥控密封12连接，并利用联接器42与发送器14连接。在联 接器42处，毛细管32与第一传感器38接触的通道44连接。通道44用发送器 隔膜43与毛细管32隔离，并填充有第二填充流体。在过程流体20的压力下 的隔膜30的偏转通过存在于毛细管32和通道44中的第一和第二填充流体 连通到第一传感器38。因此，包括第一传感器38的机械遥控密封子系统检 测容器18中的过程流体20的压力，并产生输送到发送器电路40的第一压力 信号。压力发送器26产生表示过程流体20的压力的第二压力信号。第二压力 信号通过通信连接装置34电传送到发送器14的发送器电路40。通信连接装 置34通过也用于将发送器电路40与操纵回路48连接的接线管道46与发送 器电路40连接。通信连接装置34可以为任何适合的通讯装置，例如，HART、 Fieldbus或CAN的有线协议或无线系统。在有线系统中，通信连接装置34 还包括从过程发送器14到压力变动器26的电力输送装置。在无线系统中， 电力通过例如电池等的独立电源输送到感应设备26。因此，包括压力变动 器26的电子遥控密封子系统检测容器18中的过程流体20的压力，并产生输 送到发送器电路40的第二压力信号。
过程发送器i4的发送器电路40分别从第一传感器38和通信连接装置 34接收第一和第二压力信号。控制室16利用电源50将电力供给到过程发送 器14，并利用通讯系统52通过操纵回路48与发送器电路40通讯。因此，发 送器14可以进行第一和第二压力信号的各种分析，并将结果输送到控制室 16，用于过程流体20的压力的遥控监控。例如，过程操纵回路48可以为 4-20mA控制系统、有线数字通讯网络、无线网络或任何其它适合的通讯 系统。在其它实施例中，发送器电路40将第一和第二压力信号传输到分析 可以交替或另外进行的控制室16。在其它实施例中，过程发送器14包括用 于当地监测压力的装置，例如，通过LCD显示器或手持阅读器装置。在仍 然其它的实施例中，过程发送器14不包括操纵回路48。
图2A显示了冗余遥控密封的过程流体界面侧的视图，其包括凸缘22、 过程端口28、隔离膜片30、以及安装孔60A-60D。凸缘22利用安装孔 60A-60D固定到容器18的容器凸缘17，例如，螺钉54的螺纹紧固器。然而， 在图2A和图2B中只显示了四个安装孔，但也可以使用任何适合数量的安 装孔。凸缘22由不锈钢或其它适合的材料组成。遥控密封12可以以任何要 求的方位安装到容器18。在一个实施例中，遥控密封12以水平结构安装有 过程端口28和隔膜30，使得其检测容器81中的相等的压力。
过程端口28和隔膜30提供具有过程流体20的界面。过程隔膜30将过程 流体20与毛细管32中的填充流体隔离。过程隔膜30以本领域公知的结构构 成，并典型地由不锈钢或其它耐腐蚀材料构成，并焊接到凸缘22。压力口 28提供用于遥控传输部件例如压力发送器26的连接点。
9图2C是显示具有连接的遥控检测部件的冗余遥控密封12的图2A和图 2B的横截面2-2的视图。遥控密封12包括凸缘22、过程端口28、隔膜30、 第一通道66和第二通道68。遥控密封12配置有遥控输送部件压力发送器 26、毛细管32、联结器35以及其它的相关部件。压力发送器26包括第二传 感器62和传感器电子装置64。
凸缘22提供过程端口28和隔膜30以及遥控输送部件之间的连接。过程 端口28通过第一通道66与第二传感器62连接。传感器62用例如通路孔28 中的螺纹连接固定到第一通道66。第二通道68用例如用于联结器35的焊接 或螺纹连接与毛细管32连接。第二通道68填充有第一填充流体，并将隔膜 30的偏转传输到发送器隔膜43。
第二传感器62优选包括计量压力传感器，并产生正比于过程流体20 中感应的压力的输出信号。例如，第二传感器62以及第一传感器38可以为 基于电容的压力单元，其中传感器的电容作为过程流体20的压力的函数改 变、或可以以其它公知的感应原理操作，例如，以压阻应变计量技术操作。 传感器电子装置64优选包括温度传感器，并接收和调节第二传感器62的输 出信号。传感器电子装置64通过通信连接装置34将作为第二压力信号的输 出传送到发送器电路40。在一个实施例中，通信连接装置34包括有线通讯 电缆。共同地，传感器电子装置64和通信连接装置34包括电子通讯系统。
过程流体20的压力还偏转隔膜30，其促使通道68的第一填充流体和毛 细管32相对过程发送器14的发送器隔膜43。发送器隔膜43相对第一传感器 38顺序推动通道44的第二填充流体，因此，产生输送到发送器电路40的第 一压力信号。然后，可以分析、诊断、比较或估算用于质量控制和评价测 量的第一压力信号和第二压力信号。
发送器电路40可以优选例如单独和共同进行第一和第二压力信号的 各种分析。发送器电路40确定两个压力信号是否都在彼此的可接收误差带 内，如果两个信号都在误差带内，则发送器14可以根据精确的信息进行操 作，而不需要操作者采取进一步的步骤。如果信号在误差波段的范围外， 则发送器14可以通过操纵回路48传输到控制室16中或当地的LCD屏幕处
的操作者，其具有需要采取数据和校准步骤的问题。误差波段的宽度可以 根据规定的应用范围或需要对过程流体20的控制量编程。发送器电路40还可以监控两个信号的图案。例如，如果信号分开，则发送器14可以早期 给操作者发出警告，使得可以采取预防措施。
发送器电路40还可以进行两个信号的时间响应比较。典型地，由电子
遥控密封子系统，即，来自通信连接装置34的第二信号产生的信号传递到 发送器14比来自机械遥控密封子系统的信号，即，来自传感器38的第一信 号快。因此，如果发送器电路40检测到在接收第一信号与当其接收第二信 号时比较增长滞后，则其表明毛细管32中的填充流体泄漏。同样地，如果 发送器电路40检测到来自第二信号的增长滞后，则其表明压力口28变为堵 塞。然后，发送器14可以通过控制室16或当地显示器传输需要的任何校正 活动。
发送器电路40还优选进行用于电子和机械的遥控密封作用的过滤和 调节作用，例如温度补偿和转动校准作用。发送器电路40和发送器26包括 用于根据周围和当地温度的变化的补偿传感器38和传感器62。这些温度传 感器还可以用于补偿机械遥控密封系统。在遥控密封12和压力变动器14 之间的温度差影响毛细管32中的填充流体传输压力的能力。例如，填充流 体的密度或容积的变化将影响传输到传感器38的压力。发送器电路40可以 使用传感器38和传感器62的温度数据，以补偿传感器38通过毛细管32传输 的压力的任何变化。
另外，发送器电路40可以根据最佳的性能条件在第一压力信号和第二 压力信号之间选择。例如，当过程流体20的温度和水平面稳定时，机械遥 控密封子系统和第一信号将更精确。当温度快速改变或当遥控密封和压力 发送器14之间的温度差较大时，电子遥控密封子系统和第二信号将更准 确。因此，发送器电路40可以监控快速改变条件，并选择哪一个系统将给
出更精确的结果，并将此信号发送给操作者。
图3显示了其中发送器71为平衡压差测量结构的过程控制系统70。过 程控制系统70包括用在图1的过程控制系统10中的部件，并在应用条件下 使用共同的编号。过程控制系统70包括遥控密封12、控制室16、容器18、 过程流体部分20A、过程流体部分20B、过程发送器71和第二遥控密封72。 遥控密封72包括凸缘76、第二遥控压力发送器78、过程端口80、隔离膜片 82、毛细管84和通信连接装置86。毛细管84利用联结器88与遥控密封72连接，并利用联结器90与发送器71连接。第二遥控密封72根据遥控密封12 的结构构成。遥控密封12和遥控密封72可以利用例如具有螺钉54和螺母56 的螺纹紧固件分别与过程凸缘17和过程凸缘98连接。
发送器71包括通道92、压差传感器94和变动器电路96。第一遥控密封 12和第二遥控密封72沿容器18定位，以感应过程流体20的两个不同部分 处部分20A和20B处的压力。在一个实施例中，部分20A和20B为容纳在 压力容器中的过程流体的垂直部分，使得压差可以在容器的不同高度处感 应。在另一实施例中，部分20A和20B为在过程流体管线中的流动限制装 置的任一侧上的过程流体的部分，使得可以计算流动测量。
与上述相同，过程端口80使用有第一压力发送器26，以感应第一过程 流体部分20A的压力，然后，通过通信连接装置34传输到电路96。另外， 隔离膜片30使用有毛细管32，以将过程流体20A的压力机械传输到发送器 71。
与以上的说明相似，过程端口80使用有第二遥控压力发送器78，以感 应第二过程流体部分20B的压力。压力发送器78包括通过通信连接装置86 将电子压力信号传输到发送器电路96的电路。隔离膜片82使用有毛细管 84,以通过另一填充流体将过程流体部分20B的压力传输到发送器71。压 力传输到通道92，并到达压差传感器94。因此，压力传感器94感应通过遥 控密封12的毛细管32和遥控密封72的毛细管84传输的压力之间的压力差， 以产生表示过程流体部分20A和20B之间的压力差的不同的压力值。将此 不同的压力输送到电路96。电路96还接收由第一压力发送器26和第二压力 发送器78产生的第一和第二计量压力信号，其中第二压差值可以由两个计 量压力信号获得。因此，发送器电路96可以比较和分析压差信号，以有助 于确定故障的传感器和电子装置、以及在遥控密封系统中的泄漏。具体地， 发送器电路96可以起作用，并与上述发送器电路40—样进行分析。例如， 发送器电路96确定生成的压差和感应的压差是否在彼此的误差波段内，并 可以进行温度补偿、确定哪一个信号更精确、或诊断当前和潜在的部件故 障。
在过程控制系统70的另一实施例中，过程发送器71可以直接定位在遥 控密封72的位置处的容器18上、或为另一转动的结构。在此结构中，发送
12器壳体36与容器18连接，以便获得用于不同传感器94的第二机械感应压
力，并取消需要的第二遥控密封。
虽然已经参照优选实施例说明了本发明，但本领域的普通技术人员应 该认识到，可以在此基础上对形式和细节做出改变而不脱离本发明的主题 精神和范围。
权利要求
1.一种用于测量过程流体的压力的过程发送器，所述过程发送器包括发送器壳体；发送器电路，所述发送器电路位于发送器壳体内；遥控密封组件，所述遥控密封组件包括遥控密封凸缘，所述遥控密封凸缘与过程流体连通；第一压力传感器，所述第一压力传感器连接到遥控密封凸缘，用于感应过程流体的压力；通讯系统，所述通讯系统用于将第一压力传感器的输出传输到发送器电路；以及毛细管，所述毛细管用于将过程流体的压力通过填充流体传输到发送器壳体；以及第二压力传感器，所述第二压力传感器位于发送器壳体中，用于通过毛细管的填充流体感应过程流体的压力。
2. 根据权利要求l所述的过程发送器，其中所述遥控密封凸缘包括过 程端口，用以安装第一压力传感器。
3. 根据权利要求l所述的过程发送器，其中所述遥控密封凸缘包括位 于过程流体和毛细管之间的隔离膜片。
4. 根据权利要求3所述的过程发送器，进一步包括位于隔离膜片和第 二压力传感器之间的毛细管中的填充流体。
5. 根据权利要求l所述的过程发送器，其中所述通讯系统包括电路和 通讯电缆。
6. 根据权利要求l所述的过程发送器，其中所述通讯系统包括无线通 讯连接。
7. 根据权利要求l所述的过程发送器，其中所述第一压力传感器产生 第一压力信号，而第二压力传感器产生第二压力信号，而发送器电路接收第一和第二压力信号。
8. 根据权利要求7所述的过程发送器，其中所述发送器电路进行第一 和第二压力信号的时间响应分析。
9. 根据权利要求7所述的过程发送器，其中所述发送器电路对第一和 第二压力信号进行温度补偿分析。
10. 根据权利要求7所述的过程发送器，其中所述发送器电路确定第 一和第二压力信号是否在彼此的误差带内。
11. 根据权利要求7所述的过程发送器，其中所述发送器电路将第一 和第二压力信号通过操纵回路传输到控制室。
12. 根据权利要求l所述的过程发送器，其中所述过程发送器进一步 包括第二遥控密封组件，所述第二遥控密封组件包括与过程流体连通的附加遥控密封壳体；连接到附加遥控密封壳体、用于感应过程流体的附加压力的第三压力 传感器；用于将第三压力传感器的输出传输到发送器电路的附加通讯系统；以及用于将过程流体的附加压力通过附加的填充流体传输到发送器壳体 的第二传感器的附加毛细管。
13. 根据权利要求12所述的过程发送器，其中所述第二压力传感器为 压差传感器，并通过毛细管的填充流体和附加毛细管的附加填充流体感应 过程流体的压差。
14. 根据权利要求13所述的过程发送器，其中所述第一压力传感器和 第三压力传感器产生由发送器电路接收的输出信号，而发送器电路由输出 信号生成压差。
15. 根据权利要求14所述的过程发送器，其中所述第二压力传感器感应的压差和发送器电路生成的压差由发送器电路接收。
16. 根据权利要求15所述的过程发送器，其中所述发送器电路确定感应的压差和生成的压差是否在彼此的误差带内。
17. 根据权利要求15所述的过程发送器，其中所述发送器电路对感应 的压差和生成的压差进行温度补偿分析。
18. 根据权利要求15所述的过程发送器，其中所述发送器电路对感应的压差和生成的压差进行时间响应分析。
19. 根据权利要求15所述的过程发送器，其中所述发送器电路将感应 的压差和生成的压差通过操纵回路传输到控制室。
20. —种用于冗余测量过程流体的第一压力的压力测量系统，所述压力测量系统包括过程发送器，所述过程发送器包括发送器电路； 第一遥控密封组件，所述第一遥控密封组件包括第一感应装置，所述第一感应装置用于感应过程流体的第一压力；第一电子装置，所述第一电子装置用于与发送器电路通讯；以及 第一机械装置，所述第一机械装置用于将过程流体的第一压力传输到过程发送器；以及第二感应装置，所述第二感应装置位于过程发送器中，用于利用机械装置感应过程流体的第一压力。
21. 根据权利要求20所述的压力测量系统，其中所述第一和第二感应 装置包括计量压力传感器。
22. 根据权利要求20所述的压力测量系统，其中所述电子装置包括电 路和通讯电缆。
23. 根据权利要求20所述的压力测量系统，其中所述机械装置包括液 压遥控密封系统。
24. 根据权利要求20所述的压力测量系统，其中发送器电路接收由第 一和第二感应装置感应的第一压力，并对接收的感应的第一压力进行分 析。
25. 根据权利要求20所述的压力测量系统，进一步包括第二遥控密封 组件，所述第二遥控密封组件包括用于感应过程流体的第二压力的第三感应装置； 用于与发送器电路通讯的第二电子装置；以及用于将过程流体的第二压力传输到过程发送器的第二感应装置的第 二机械装置。
26. 根据权利要求25所述的压力测量系统，其中所述第二感应装置为 压差传感器，并通过第一机械装置和第二机械装置感应过程流体的压差。
27. 根据权利要求26所述的压力测量系统，其中所述第一感应装置和 第三感应装置产生由发送器电路接收的输出信号，而发送器电路由输出信 号生成压差。
28. 根据权利要求27所述的压力测量系统，其中所述第二感应装置感应的压差和发送器电路生成的压差通过发送器电路进行比较。
29. 根据权利要求28所述的压力测量系统，其中所述发送器电路确定 感应的压差和生成的压差是否在彼此的误差带内。
30. 根据权利要求28所述的压力测量系统，其中所述发送器电路对感 应的压差和生成的压差进行温度补偿分析。
31. 根据权利要求28所述的压力测量系统，其中所述发送器电路对感 应的压差和生成的压差进行时间响应分析。
32. 根据权利要求28所述的压力测量系统，其中所述发送器电路将感 应的压差和生成的压差通过操纵回路输送到控制室。
33. —种使用过程流体发送器的冗余遥控密封，所述冗余遥控密封包括隔离膜片，所述隔离膜片用于与过程流体通过界面连接； 计量压力传感器，所述计量压力传感器用于通过过程端口感应过程流 体的压力；通讯系统，所述通讯系统用于从计量压力传感器接收压力信号并与过 程发送器通讯；以及毛细管，所述毛细管将隔离膜片与过程发送器连接。
全文摘要
一种用于冗余测量过程流体的冗余压力发送器，所述冗余压力发送器包括发送器壳体、发送器电路、遥控密封组件，所述遥控密封组件包括第一压力传感器以及位于发送器壳体中的第二压力传感器。遥控密封组件还包括遥控密封凸缘、通讯系统以及毛细管。遥控密封凸缘与过程流体连通，而第一压力传感器感应遥控密封凸缘处的过程流体的压力。通讯系统将第一压力传感器的输出传输到发送器电路，而毛细管通过填充的流体将过程流体的压力连通到发送器壳体，其中第二压力传感器通过填充的流体感应过程流体的压力。
文档编号G01L7/08GK101495846SQ200780018604
公开日2009年7月29日 申请日期2007年3月12日 优先权日2006年3月23日
发明者罗伯特·海德克 申请人:罗斯蒙德公司