专利名称：具有排水槽以及改进安装rfi滤波器方法的变送器的制作方法
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本发明涉及到用于工业过程控制系统中的变送器。特别是，本发明涉及到适用于高湿度或潮湿环境运转条件下的过程变量变送器。
变送器检测过程变量有各种用途，诸如在油气精炼厂，化学品和油罐区以及化工厂。过程变量(PV)是一过程中检测到的参数或检测到的产品性质，它包括绝对压力、压差、温度、流量、材料高度、等等。变送器的一个共同的应用是利用变送器去检测一个表示过程的过程变量，并通过电缆把过程变量传送到控制器。对于一双线变送器，电缆线路是一双扭线电缆组。变送器和控制器通过电缆串联成一电流回路。变送器没有外电源，它获得的运转功率来自电流回路。典型的是，变送器调节电流回路中电流的大小作为被检测PV的一个函数。在一个标准的协定中，电流的范围在4至20mA。三线和四线变送器使用另外的电缆线路也是适合的。
变送器通常为圆柱形箱体，一隔板将箱体分成两个隔间，每一隔间有一带螺纹的盖子封顶。在此专利说明中所用的圆柱体定义为被一给定的曲面和两个平行面包围成的实心体。电子隔间装有检测与补偿PV的电子线路，线端隔间装有连接被补偿的PV与电缆的接线端口。隔板上有两个隔间之间馈通的电路。线端隔间包括一个外螺纹出入口通道，电缆通过此通道进入到变送器箱体与变送器相连。许多变送器箱体在线端隔间有两个带螺纹的出入口通道，用于连接外部空心的电线导管。空心导管形成了控制器与变送器之间的通路，并保护内部的电缆。双线变送器的电缆典型的有两根导线。出入口通道的位置随各种变送器箱体的不同而异，其范围是从箱体的顶部到底部。对于温度变送器而言，顶部是指与安装凸台相对的变送器箱体那一侧。对于压力和其他类型的变送器而言，顶部是指与过程传感器位置相对的变送器箱体那一侧。
虽然变送器通常用在各种环境很差的工业应用中，但当变送器安装在潮湿或高湿度运转环境时，各种问题还是产生了。除了气密封接的变送器之外，线端隔间中水份的聚集是变送器设计中遇到的共同问题。气密封接的变送器成本很高，且很难装配和修理，因为气密封接通常是焊接密封的。在非气密封接的变送器中，如不定期排水，箱体内湿气的凝聚有时会充满箱体。这种湿气聚集引起线端隔间中接线端之间电气短路、串扰或者有机物或树枝状金属物的生长，这些情况都使变送器的性能降低。树枝状生长是由液体把金属离子传输到绝缘表面而形成的金属细丝，这细丝在直流偏压的影响下生长。如果细丝跨接在导线之间，就能生成低阻抗漏电路。与凝聚相关的问题是水份侵入到变送器。如果经受了诸如高压冲洗或倾盆大雨的定向水汽，一个不密封或气密封接不当的变送器就会在内部聚集水份。聚集水份的有害效果与凝聚水份是一样的。在现有技术的
图1中，一般用50表示的变送器有一线端隔间52，从此隔间中排去聚集的水份是很困难的。一对出入口通道的开孔54位于变送器50的顶部56，使得进入到出入口通道54的任何水份都落到线端隔间52的底部并收集在那里。即使旋转变送器50并以90 °取向安装，线端隔间52仍然部分地注满到水线58，因为出入口通道没有完全地排去聚集的水份。因为变送器箱体内的壁构造60是从隔间52的内表面突出，即使变送器50侧向安装时，水份必然聚集到水线58的高度才排出。
湿气也能降低变送器中射频干涉(RFI)滤波器或馈线的效果。为了最大限度地减少加工环境电噪声的影响，PV电子线路通常屏蔽在法拉第笼内，此法拉第笼是由变送器内电子隔间、入口盖子和电信号接头上的RFI滤波器构成的。如果法拉第笼的任何一个部分受损，所需的绝缘变得无效并降低了变送器的性能。典型的RFI滤波器包括一个带外螺纹的金属盒，可以把RFI滤波器拧进隔板。当湿气在导线与RFI滤波器盒之间聚集时，湿气使RFI滤波器出现问题。在RFI滤波器盒与导线间形成一低阻抗漏电路，所以损害了导线的电绝缘性。RFI滤波器的另一个问题是由保持隔板不透水而引起的。把RFI滤波器拧进隔板，而使导线暴露在隔板的两侧，产生一个封口问题。然而，把带螺纹的RFI滤波器拧入时所需的封口插入力或力矩不必要地使RFI滤波器承受了应力。一个承受应力的RFI滤波器不能提供所需的电绝缘性，有时会降低变送器的性能，若在组装时进行测试，就会在制造过程中需要大量返工。
所以，就需要有一种能从变送器内促使排去积水的变送器。变送器所需的另一个特点是有可靠的馈通电路，该电路不会在组装过程中给元件施加应力，便能组装成。
通过导线传输一个被检测的过程变量的变送器包括一圆柱形箱体，此箱体有一被隔板分开的线端隔间和电子隔间。用于导线连接的线端隔间易遭水份积聚。出入口通道整个与线端隔间的内表面相交，使得在一定装置取向范围内，出入口通道能从线端隔间排出水份。变送器包括一个电子隔间内的电路，此电路补偿过程变量，并使此补偿的过程变量通过隔板上的馈通电路传送到线端隔间的接线端，用于耦合到连接外部控制器的导线上，在某一实例中，此馈通电路包括一个封装的射频干涉滤波器。
图1是以前技术变送器线端隔间的视图；图2是本发明变送器线端隔间的端视图；图3是本发明变送器分解的零件透视图；图4A和4B是本发明的直立和侧向安装的剖视图，示出线端隔间内排水潜力和电缆接口；图4C是图4B中变送器的详细视图，示出具有增加排水潜力的另一个实例；图5是图4A中所示变送器的透视图；以及图6是本发明变送器的部分剖面，示出装配成的馈通电路。
在图2和图3中，变送器100包括箱体102。箱体102有被隔板106分开的两个隔间；一个电子隔间108和一个线端隔间110。箱体102有一顶部112、底部114、带螺纹的线端端面116和带螺纹的电子端面118。箱体102的底部114有一机械加工装入箱体102中适用的安装凸台区126。箱体102为圆柱形，圆柱形的中心轴通过连接圆形电子端面118中心点与圆形线端端面116中心点。线端隔间110是由盖子128盖在线端端面116上构成的。电子隔间108是由盖子130盖在电子端面118上构成的。线端隔间110与电子隔间108合用一个构成每个隔间108，110后部的隔板106。线端隔间的隔板106表面上有一护墙120；护墙120整体地附着在线端隔间110的内表面。电子隔间108内的隔板106表面上有一馈通安装凸台124。馈通电路开孔141是穿通隔板106形成的，便于隔间108，110之间电信号的联络。箱体102最好用压铸方法制成，然后经机械加工使安装凸台126，124和组件区108，110达到所需的公差和光洁度。盖子128，130最好包括外螺纹组129A，131A，和与之相配的在隔间108，110内缘的内螺纹组129B，131B。盖子128，130的特殊螺纹接口比别的螺纹接口有更强的火焰阻挡通路。在未必发生的变送器内爆炸事件中，过压迫使螺纹129A-B，131A-B互相啮合而不是被强行分开。
在图4A-B中，线端隔间110包含一接线盒装置132，用于把一对导线1345A-B的电缆134连接到控制器(未表示出)。整体护墙120将线端隔间110分成元件安装区138和集水区140。一对出入口通道136，137在变送器100底部114穿过线端隔间110的壁进入箱体102。在安装时，导管158是通过NPT接头160或类似的接头拧入到出入口通道136，137中的一个通道，而导线134A-B分别与接线盒装置132上的接线端子132A-B相连。在护墙120下面的区域是集水区140，它包含出入口通道136，137的内部开孔和电缆导管156。
在图3中，电子隔间108包含一个适当设计的过程变量(PV)电子线路104。电子线路104接收来自温度传感器(未表示出)检测的温度信号。电子线路104对已知重复性误差的检测温度信号加以补偿，并输出代表此检测温度的电流信号到接线盒132。电子线路104与连在接线盒132上的导线134A-B由通过隔板106的馈通电路组合142在电路上相连接，此馈通电路组合包含八个RFI滤波器144和一块安装板166。所有连接到电子线路104的电信号通过信号引线连接到RFI滤波器144上。电子隔间108用入口盖子130从外面加以保护。馈通电路组合142和馈通电路开孔141用密封剂154填充或封装，使隔板106和电子隔间110密封。当使用适当的电子线路104时，变送器100能成为提供代表其他检测过程变量的输出，诸如绝对温度、温差、压力差、绝对压力即表压、流量、pH值或其他。
图4A-B表示一对标准的安装配置，变送器100安装在托架162上，托架固定在安装凸台126上。托架162固定在支柱164或类似的支撑物上。在任一种安装的方向，出入口通道136，137之一与导管158相连，并起排水的作用。在如图4A所示的直立安装方向，出入口通道136或137起排水作用的功能是相同的。当变送器100从直立方向沿顺时针(或反时针)方向偏转后安装时，出入口通道136，137中较低的一个通道排水。图4A-B二者都指出了最低点149，该点是变送器100内从隔间110排水之前水份到达的点。当变送器100沿各种安装方向固定时，最低点149随之改变位置。
隔间110的排水结构包括护墙120、集水区140和出入口通道136，137。隔间110的全部内表面磨得很光滑，成为一连续的铸造面，使水份集中到集水区140。隔间110内部所有的连接面为了同样的目的都修平。光滑的表面和修平的连接处限制了水滴可以附着的区域，在重力的作用下，促使形成的水滴流向集水区140。
出入口通道136，137与线端隔间110内表面的交叉处与隔间110的内表面齐平。隔间110内部没有如以前技术中图1所示60的那种其他结构，这种结构阻碍了水份从通道136，137中排出。可取的是，从箱体102延伸出的通道136，137那些部分向下倾斜，以增强排水能力。在图4A中，变送器100在120 °安装范围内(即从直立位置向任一方向偏转60°)可以完全排出水份，如虚线147所指出的范围。在同一图中，当转过整整180°安装时，变送器100允许有少量水份在隔间110中聚集，但不足以接触到电子线路或接线端。
图4C中所示的是本发明的一个优选实例，该图放大了图4B中出入口通道136，137与隔间110交叉处附近的区域。特别是，在图4C中145指出的区域，各个角都被拉平并增大开口面积，最终形成的光滑面可以在转过整整180 °安装方向上(即从直立位置向任一方向偏转90°)排水。出入口通道136，137与隔间110内壁内部交叉处的上部已扩口，使水线143(如图4B中所示)的高度降低到水线151的高度。接线盒132和导线132A-G永远高于水线151，所以不能被聚集的水份弄湿。接线盒132与导线134A-B之间所有电路连接都放在出入口通道136，137之上，保持电路连接干燥。扩口区136A和137A(未表示出)是在铸造时或此后机械加工时形成的，但不是靠添加材料到箱体102上，而是在现有的壁结构中形成。扩口区136A，137A可以是在隔间110内壁上形成的窄通道，此窄通道是从出入口通道136，137延伸到最低点149，或者是如图4C所示的加宽排水系统。在所有情况下，扩口区136A，137A与集水区140的内表面混成一体，以减少尖锐边缘利于排去水份。
电缆导管156把插入的双扭导线134A-B偏向接线盒装置132。电缆布线134的改向使导线134A-B容易分布并避免了导线缠绕。出入口通道136，137最好位于线端隔间110底部上相对的两侧，使得一个电缆导管156用于两个通道136，137的电缆布线。电缆导管156是铸造或安装在出入口通道136与137之间的隔间110的内表面上，且倾斜成水份可以从电缆导管156流出到出入口通道136，137。导线134A-B张开后分别连接到接线盒132。导线134A-B通常具有相同长度，差不多等于到接线盒132的最长连接路线，所以每根导线都有多余长度，接线盒罩131是用非导电的塑料制成，且具有马蹄弯曲形状，可使导线围绕中心分布。导线134A-B的多余长度存放在隔间110内。去除集水区140内不重要的结构，接线盒装置132的形状可以使隔间110内有更多的空间存放导线的多余长度，合上盖时避免了夹紧导线引起的短路。
在图3和图6中，接口电路板152固定在隔间108内元件安装区138，然后塑料罩131复盖在电路板152上，而螺丝接线端132伸出塑料罩131外。塑料罩131使各个接线端绝缘并且把它们分隔开，同时也保护了接口电路板152上的电子元件。八个RFI滤波器144中每个滤波器的外壳都焊接到导电安装板166，从而形成一个完整的馈通电路装置142。装置142插入隔板106的开孔141，并用金属螺丝固定在整体安装的凸台124上。安装板166也把RFI滤波器144定位以便封装。固定电路装置142到隔板106上的螺丝把滤波器144的外壳电路上接地到箱体102。接口电路板152为螺丝接线端132提供了机械装配孔，并在电路上把滤波器144的信号引线连接到螺丝接线端，其中一些信号引线表示补偿过的过程变量。把隔板106的线端隔间110一侧的密封剂154引入到电路装置142周围，以便把一隔间与另一隔间之间完全封闭。密封剂154最好是环氧封装化合物，但也可以用任何可固化的封装化合物制成。元件安装区138内充满足够多的密封剂154，使之升到护墙120的高度。一旦填充好密封剂，元件安装区138内就没有沟槽或孔隙，也就没有地方可以聚集水份并造成漏电。任何在安装区138内可能生成的水份会在重力的作用下被迫流向集水区140，并从出入口通道136，137中排出。除了密封剂能增强排水特性外，密封剂154使RFI滤波器的外壳与信号引线之间实际上形成了无限大阻抗，所以基本上限制了信号与电接地之间的漏电流。在增强隔间之间环境绝缘和信号与地之间电绝缘的同时，本发明永久地安装了RFI滤波器144而不存在潜在的破坏力矩作用。一旦密封剂154固化，线端隔间上滤波器144的信号引线便连接到电子线路104上的信号接点。
RFI滤波器144通常是由电路上π，L或C型滤波器组成以抑制高频噪声。商品化的RFI滤波器144的配置通常包括一个空圆柱形的陶瓷电容器。在圆柱内侧面和外侧面上的导电材料构成此电容器。圆柱的外表面接地到外壳。圆柱的内表面电路上连接到一导线(即信号引线)，此导线就是滤波器的长度。其他形式的RFI滤波器144可能包括一个电感器与电容器的组合、一个电流分路器、一个串联电感阻抗或其他类型的电噪声滤波电路。
本发明提供了一种对抗因集水导至电故障的变送器设计，它能在很宽范围的安装方向内排出积水。本发明的变送器可以在很广的安装位置范围内排水而不需附加外部硬件或特殊的导管排水。底部114处相对放置的出入口通道136，137也使电缆导线定向进入变送器100，便于导线与接线端的连接。密封剂154提供改进了的电绝缘与环境绝缘，而永久地使RFI滤波器144定位，且避免了安装过程中的扭转应力。此外，用密封剂把元件安装区138填充到与护墙120相一致的高度，这保证了引导水份到集水区140并最终从出入口通道排出。
此处公开的本发明方法和内容是参照一优选实例加以描述的。熟知这种技术的工作者认识到，在不偏离此发明的精神和范围条件下可以在形式和细节上作些变动。
权利要求
1.通过电缆传输过程变量的变送器包括一个有过程装置的圆柱形箱体，此过程装置安置在箱体基底上，箱体有第一隔间和第二隔间，合用一隔板，第二隔间有助于接收水份，所以有盖子盖上；一个安置在箱体上的第一出入口通道，靠近第二隔间中的过程装置，出入口通道形成的交叉面基本上与第二隔间的内表面齐平，出入口通道可以连接到含有电缆的电气导管外段；在第一隔间中补偿过程变量的电路，此电路把补偿的过程变量提供给隔板中的馈通电路；以及在第二隔间中连接馈通电路和电缆中一对导线的一对接线端，变送器在装置的范围内从第二隔间通过通道排出水份。
2.根据权利要求1的变送器，其中第一隔间包括一条连接到传感器的通路，此传感器传感过程变量，通路和传感器均安置在变送器的箱体中。
3.根据权利要求1的变送器，其中第二隔间内隔板的表面上有一整块的墙，为的是把隔板分成元件安装区和集水区；元件安装区用于固定接线端，而集水区把水份汇集到出入口通道。
4.根据权利要求3的变送器，其中出入口通道与集水区内第二隔间的内表面完全混成一体，使得当变送器安装成出入口通道向下取向时，出入口通道基本上收集来自集水区的全部水份。
5.根据权利要求3的变送器，其中隔板上有一开孔，且变送器还包括至少有一个RFI滤波器安排在上面的安装板上；和填充元件安装区直到整块墙顶部的密封剂。
6.根据权利要示3的变送器，其中第二隔间内一对连接表面是修圆的。
7.根据权利要求3的变送器，其中集水区有光滑的表面，利于排出水份。
8.根据权利要求1的变送器，其中第二出入口通道整个与第二隔间的内表面相交，第二出入口通道基本上在与第一出入口通道相对的位置上。
9.根据权利要求8的变送器，其中第二隔间内隔板的表面上有一整块的墙，为的是把隔板分成元件安装区和集水区；元件安装区用于固定接线端，而集水区把水份汇集到出入口通道之一。
10.变送器的箱体包括把箱体分成线端隔间和电子隔间的内部隔板，隔板上有一开孔，并在线端隔间有一护墙，此护墙把隔板分成元件安装区和集水区；用于固定一组射频干涉(RFI)滤波器的安装板，每个RFI滤波器有一外壳和一根沿着滤波器长度布置的导线，安装板连接到每个RFI滤波器外壳，安装板固定在隔板的开孔内；以及填充元件安装区基本上到达护墙顶部的密封剂，为的是使隔间之间互相密封分开。
11.组装变送器箱体的方法，包括把一个RFI滤波器安排在安装板上，滤波器有一外壳和一根沿着滤波器长度布置的导线，滤波器外壳连接到安装板；把安装板固定在箱体内隔板的开孔上，该隔板将变送器分成两个隔间，隔板上有一护墙，为的是把其中一个隔间分成元件安装区和集水区；安装板上导线的一端在一个隔间内，而导线的另一端在另一隔间内；以及用密封剂填充元件安装区，为的是密封地把一个隔间与另一隔间分开。
12.根据权利要求11的方法，其中密封剂基本上阻止了一隔间内的水份迁移到另一隔间中去。
13.通过导线传输过程变量的变送器包括一个有过程装置的箱体，此过程装置安置在箱体的底部，箱体有第一隔间和第二隔间，合用一个内隔板，第二隔间有助于接收水份，该隔板上有一开孔，并有一护墙；一个在箱体上安置的出入口通道，靠近过程装置和有一进入第二隔间的开孔，出入口通道形成的交叉面基本上与第二隔间的内表面齐平，出入口通道能连接到含有导线的电气导管外段；第一隔间内有提供表示补偿了的过程变量的信号的电子线路；安排在开孔上的馈通电路，此电路包括一个RFI滤波器，此滤波器有一外壳和沿着滤波器长度安置的信号引线，该导线的一端在第一隔间中且与信号相连；基本上把元件区填充到护墙顶部的密封剂；以及第二隔间内连接导线另一端和信号引线的接线端，在装置的范围内变送器通过通道排出水份。
全文摘要
通过导线(134A，134B)传输一个被检测的过程变量的变送器(100)包括一圆柱形箱体(102)，此箱体有一被隔板(106)分开的线端隔间(110)和电子隔间(108)。用于导线连接的线端隔间(110)易遭到水份积聚。出入口通道(136)整个与线端隔间(110)的内表面相交，使得在一定安装取向的范围内，出入口通道(136)能从线端隔间(110)排出水份。变送器(100)包括一个在电子隔间(108)内的电路(104)，此电路用于补偿过程变量，并使此补偿了的过程变量通过隔板(106)上的馈通电路装置(142)传送到线端隔间(110)的接线端(132A，132B)，用于耦合到与外部控制器相连接的导线(134A，134B)上，在某一实例中，此馈通电路装置包括一个封装好的射频干涉滤波器(144)。
文档编号H05K5/02GK1155329SQ95194577
公开日1997年7月23日 申请日期1995年8月1日 优先权日1995年8月1日
发明者约翰·D·约翰森, 威廉姆·R·柯克帕特里克 申请人:罗斯蒙德公司