专利名称：用于过程变送器的阻火器的制作方法
技术领域：
本实用新型主要涉及用在工业过程控制系统中的工业过程变送器。更特别地，本实用新型涉及用于工业过程变送器的阻火器。
背景技术：
过程设备用来监测工业过程中使用的过程流体的过程参数，如压力、温度、流量和液位。例如，过程变送器通常用在工业制造设施中的多个位置，监测沿着多种生产线的多种过程参数。过程变送器包括响应于过程参数的物理变化产生电输出的传感器。例如，压力·变送器包括产生作为如供水管线、化学容器中的过程流体的压力的函数的电输出的压力传感器。每个过程变送器还包括变送器电子元件，其用于接收和处理传感器的电输出，以便可以本地或远程监测变送器和过程参数。本地监测的变送器包括在过程变送器位置处显示电输出的显示器，如IXD屏。远程监测的变送器包括在控制回路或网络上将电输出传递至诸如控制室之类的中央监控位置的电子元件。通过如此配置，通过在过程控制系统和控制回路中包括自动开关、阀、泵或其它类似部件，可以从控制室调整过程参数。变送器中的传感器响应于正被监测的过程流体中的物理变化。例如，压力变送器中使用的压力传感器包括柔性传感器元，如膜片或电容器极板。传感器元件通常通过简单的液压系统连接至过程流体，该液压系统将过程流体压力传递至传感器。液压系统包括密封通道，其中传感器元件定位在第一端处，柔性隔离膜片定位在第二端处以接合过程流体。密封通道填充有精确量的液压流体，液压流体在过程流体影响隔离膜片时调整传感器元件的位置。当过程流体的压力改变时，传感器元件的位置改变，导致压力检测信号成比例地变化。工业过程变送器通常用在具有其中存在具有点燃可能性的多种气体或化学物的环境的设施中运行。例如，变送器通常在其中使用氢气的天然气处理工厂或设施中。可替换地，工业过程变送器可以用来监测本身易燃的过程流体。为了确保整个设施的安全操作，确保工业过程变送器是防爆或防火的，以防止火焰能穿过变送器。例如，变送器内的电子元件可能引起火花，这种火花具有引燃设施环境中的气体或液压通道破裂的情况中的过程流体的可能性。因此，希望确保将变送器的内部连接至外部环境的所有通道都被配置为熄灭或扑灭通过通道传播的火焰。用于防火密封液压通道的常规配置，如在授权给Walish等并转让给明尼苏达州(MN) Eden Prairie的Rosemount公司的美国专利No. 4, 970, 898中描述的，包括机械加工出穿过诸如法兰或管塞之类的变送器部件的长且窄的圆筒形通路。法兰或管塞通常包括不锈钢板，其具有与提供防火通路所要求的合适长度相称的厚度。防火通路通常为该通路的长度与直径径之比(L/D)以及该通道的周长与面积之比(P/A)的函数。然而，适当的L/D比通常使法兰或管塞的厚度变厚到超过为结构目的通常所要求的厚度。而且，为了机械加工出穿过这种厚板的小直径通路，通常使用电火花加工(EDM)。然而，EDM操作产生熔渣层，熔渣层包括填充孔的一层材料，由板的再铸造材料组成。熔渣脏且难以清理。熔渣还藏匿湿气，这会例如通过改变传感器的电介质干扰压力变送器和液压系统的操作。EDM工艺相对于常规机械加工工艺，如钻孔操作，也是昂贵的。因此，存在对工业过程变送器中的改进的防火通路(特别是较便宜、较小且不贵的防火通路)的需求。
实用新型内容本实用新型涉及用于检测过程控制系统中的过程变量的变送器。过程变送器包括变送器壳体、传感器、变送器电路、通道和阻火器。变送器壳体具有内部空间。传感器设置在所述内部空间内，检测工业过程的过程变量并产生检测信号。变送器电路设置在所述内部空间内并连接至传感器。通道与传感器连通并延伸穿过变送器壳体的内部空间。该通道具有第一横截面轮廓。阻火器定位在该通道中。该阻火器具有不同于第一横截面轮廓的第二横截面轮廓。阻火器在所述通道的内部空间形成具有小于所述通道的第一横截面轮廓的横截面面积的横截面面积的通路。
图I示出了过程控制系统的示意图，包括控制室、过程流体源和其中使用本实用新型的阻火器的管线式过程变送器。图2示出了图I的过程变送器的局部剖视图，该过程变送器具有隔离管塞，该管塞具有本实用新型的用在液压隔离通路中的阻火器。图3A示出了图2的隔离管塞和隔离膜片的如在标注A处截取的局部放大图。图3B示出了其中插入六边形阻火器的隔离通路的如在图2的截面3B-3B处截取的端视图。图4示出了图3B的隔离通路和六边形阻火器的如在标注B处截取的局部放大图。图5示出了其中插入沟槽式阻火器的隔离通路局部放大端视图。图6示出了其中插入叶状螺旋形阻火器的隔离通路的侧面横截面。图7示出了图6的隔离通路和螺旋形阻火器的端部剖视图。
具体实施方式
图I示出了过程控制系统10，其包括过程变送器12、控制室14和过程管道16。过程变送器12通过控制回路18连接至控制室14，并通过支架20连接至过程管道16。诸如管道16内的流体的过程流体的压力通过过程连接件22流体地连接至变送器12。控制室14通过控制回路18将电力从电源24供给至变送器12。控制回路18还使得通信系统26能够将数据从控制室14传送至变送器12，并接收来自变送器12的数据。在多种实施方式中，控制回路18和通信系统26通过诸如FOUNDATION 现场总线之类的数字网络协议或诸如4-20mA HART 系统之类的模拟网络协议运行。在其它实施方式中，变送器12和控制室14通过诸如无线HART 之类的无线网络通信。在另外其它实施方式中，变送器12的输出能够由通过有线或无线与压力变送器12连接的手持询问装置读取，或者由设置在变送器12的壳体内的本地显示器读取。过程变送器12包括表压力传感器，其检测过程流体的过程压力P1和大气的压力Pa之间的压力差，并且随后通过控制回路18将电信号传送至控制室14。压力变送器12包括变送器电路28、传感器30、参考通路32、隔离通路34、隔离膜片36、壳体38、柔性传感器元件40和阻火器42。变送器电路28采用本领域已知的任何合适的装置电连接至控制回路18和传感器30。变送器电路28包括用于通过控制回路18将表示由压力传感器30检测到的压力的电信号传递至控制室14或本地显示器(如设置在壳体38内的LCD屏)或二者的部件和电子元件。电路28还将传感器30的输出转换成与控制回路18兼容的格式。基于从传感器30和变送器12接收到的数据，控制室14能够通过控制回路18或另外的控制回路调整过程参数。例如，控制室14可以通过调整合适的主动受控阀而调整管道16内的过程流体的流量。压力传感器30连接至从壳体38的内部延伸的通道。参考通路32将传感器30连接至壳体38的外部，以允许大气压力Pa接合柔性传感器元件40。隔离通路34将传感器30 连接至壳体38的外部，以允许过程压力P1通过液压填充流体接合柔性传感器元件40。阻火器42定位在壳体38内部空间内的通道内，以防止火焰传播进入或溢出壳体38。在示出的实施方式中，阻火器42定位在隔离通路34中。在其它实施方式中，阻火器42定位在参考通路32中或变送器12中的某个其它通道中。传感器30包括具有柔性传感器元件40的压力传感器。在一个实施方式中，柔性传感器元件40包括如本领域已知的电容式压力传感器。例如，在授权给Frick等人的、转让给明尼苏达州(MN)Eden Prairie的Rosemount公司的美国专利No. 6, 295, 875中描述了基于电容的压力传感器单元。在另一个实施方式中，柔性传感器元件40包括本领域已知的应变仪传感器。例如，在授权给Moser等人的、转让给明尼苏达州(MN)Eden Prairie的Rosemount公司的美国专利No. 5，709, 337中描述了应变仪压力传感器单元。柔性传感器元件40响应于通过参考通路32提供至传感器30的大气压力Pa而移动。柔性传感器元件40还响应于通过隔离通路34和连接件22提供至传感器40的过程压力P1而移动。在一种实施方式中，连接件22包括用于通过过程歧管连接到过程管道的脉冲管道。在另一种实施方式中，连接件22包括用于连接至远程密封组件的毛细管。隔离通路34包括通道，该通道在第一端处流体地连接至传感器30，在第二端处流体地连接至隔离膜片36。隔离膜片36安装至管塞，管塞靠近管接头44连接至壳体38。管接头44的外部连接至支架20，使得变送器12由管道16支撑。管接头44的内部与连接至连接件22的管接头连接，以将过程流体流体地连接至隔离膜片36。隔离通路34设置有传感器填充流体，以形成液压通道。填充流体基本上不可压缩，以将压力P1从隔离膜片36传递至传感器30。填充流体典型地包括硅油液压流体，如从密歇根州(MI)Midland市的DowCorning Corporation 可买到的 DC 200 、DC 704 或 Syltherm XLT 娃油。然而，也采用其它流体。填充流体使传感器30内的柔性传感器元件40的位置移位，这改变由传感器30产生的压力电信号，因此指示过程压力P1的变化。参考通路32将壳体38的外部连接至传感器30内的柔性传感器元件40。参考通路32将来自变送器12外部的大气压力Pa输送至柔性传感器元件40。同样，大气压力Pa作用在连接至隔离通路34的压力源上，使得环境压力的变化均匀地作用在传感器元件40的两侧。传感器30检测过程流体和大气压力之间的压力差，产生表压力读数。因此，隔离通路34和参考通路32将过程流体和大气压力与传感器30液压地连接，其中P1通常称为高压侧，Pa通常称为低压侧。隔离通路34提供至变送器12的防火特征。阻火器42改善了变送器12的防火特征的可制造性和性能。阻火器42的使用允许采用不贵的常规机械加工技术进行隔离通路34的制造，同时还避免使用较少清洁操作。阻火器42可以由诸如棒料或电线之类的标准材料制成。如参照图2-7描述的那样，与常规灭火通路相比，阻火器42的形状可以形成为增加隔离通路34的横截面面积和表面积，同时还产生穿过隔离通路34的一个或多个较小的通道，而不会抑制隔离通路34内的液压流体的性能或损害变送器12的防火性能。
·[0022]图2示出了具有隔离管塞46的过程变送器12的局部剖视图，阻火器42用在液压隔离通路34中。压力传感器30包括柔性传感器元件40、顶部48、填充管50、电引线52和盖54。变送器壳体38包括导管连接器56A和56B，控制回路18的电线延伸进入导管连接器56A和56B以连接至变送器电子元件28 (图I)。管塞46包括隔离通路34、通风孔58和进口 60。隔离通路34在端面46A和46B之间纵向地延伸穿过管塞46的长度L。因此，端面46A和端面46B之间的距离包括管塞46的长度L。在一种实施方式中，长度L约为I英寸( 2. 54cm)。隔离通路34在第一端处开口到传感器元件40，在第二端处开口到隔离膜片36。通风孔58延伸到管塞46中，并在第一端处开口到传感器30中的参考通路32，在第二端处通向进口 60。管接头62焊接至管塞46，连接件22 (图I)拧进管接头62。管塞46包括材料板，其成形以用作变送器12的变送器部件。在所描述的实施方式中，该材料的板成形为用在与壳体38和管接头62连接在一起的管线式压力传感器中的管塞。在其它实施方式中，该材料板成形为用在压差变送器中的隔离法兰。例如，本实用新型还可以包括在具有多个火焰通路的过程变送器中，如包括具有两个液压通道的共面法兰的压差变送器。在另外的实施方式中，本实用新型可以用在远程密封组件中。板由耐用和耐腐蚀材料形成。在多种实施方式中，管塞46由不锈钢或Hastelloy 构成。柔性传感器元件40安装在管塞46上并由焊接至端面46A的顶部48覆盖。管塞46拧进连接器44以将传感器30定位在壳体38内。电引线52从传感器30延伸到壳体38中以连接至变送器电子元件28。填充管50从传感器30延伸以允许将液压流体引入隔离通路34。盖54 (如环氧灌注混合物)在端面46A处将传感器30密封在壳体38内。管接头62在端面46B附近焊接到管塞46。大气压力Pa通过连接器44和管塞46之间的间隙进入变送器12。大气压力Pa穿过进口 60、通风孔58和参考通路32，以作用在柔性传感器元件40上。连接器44、进口 60、通风孔58和参考通路32形成防止污染物和其它碎片进入传感器30的蛇形通路。通风孔58用作灭火通道。在示出的实施方式中，通风孔58具有基于顶部48和进口 60之间的距离的直径尺寸。例如，如本领域已知的那样，约7或更大的长径比(L/D)提供了足够的灭火特性。因此，在火焰源自变送器壳体38的内部或外部时，防止火焰转移通过通风孔58。来自从管接头62引入的过程流体的过程压力P1作用在隔离膜片36上。过程压力P1坚持在膜片36上施加压力，膜片36随后通过隔离通路34内的液压填充流体将该压力传送至柔性传感器元件40。隔离通路34和阻火器42形成灭火通道。在示出的实施方式中，隔离通路34设置为大尺寸孔，不同形状的阻火器42插入该大尺寸孔中，以形成小尺寸灭火通路。阻火器42占据隔离通路34内的空间，以减小隔离通路34的整体横截面面积。阻火器42具有不同于隔离通路34的横截面轮廓的横截面轮廓，这允许将阻火器42保持在隔离通路34内的合适位置，同时还允许液压流体不受阻碍地通过。图3A示出了如在图2的标注A处示出的管塞46和隔离膜片36的局部放大图。图3B示出了如在图2的截面3B-3B处截取的、具有插入隔离通路34中的六边形阻火器42的端面46B的端视图。在图3B 中去除隔离膜片36以示出隔离表面66。同时讨论图3A和3B。隔离表面66包括相对于端面46B凹入管塞46的表面，以为隔离膜片36弯曲提供空间。隔离表面66包括盘旋结构68和隔离边缘70。如本领域已知的那样，盘旋结构68包括成形并支撑隔离膜片36的波纹。然而，在其它实施方式中可以省略盘旋结构68。隔离边缘70包括凸缘，凸缘围绕隔离膜片36焊接或以其它方式连接到的隔离表面66的边缘延伸。隔离通路34延伸进入隔离表面66，并完全延伸穿过管塞46的长度L(图2)。阻火器42插入隔离通路34中，以基本上延伸穿过长度L。如图4较佳地示出的那样，阻火器42容纳在隔离通路34中，以限定形成较小灭火通路的多个液压流体通道。图4示出了如在图3B的标注B处截取的隔离通路34和六边形阻火器42的局部放大图。隔离通路34包括直径Dl和内壁72。阻火器42包括外壁74，外壁74包括面板76A-76F和边缘78A-78F。面板76A-76F确定具有直径D2的圆圈的界限。阻火器42装配到隔离通路34中以在内壁72和外壁74之间形成通道80A-80F。隔离通路34和阻火器42的横截面轮廓不同，以形成这种通路。在示出的实施方式中，隔离通路34具有圆形横截面轮廓，阻火器42具有六边形横截面轮廓。隔离通路34均匀地且线性地延伸穿过管塞46。阻火器42线性地且均匀地延伸穿过隔离通路34。阻火器42在隔离通路34内同轴地延伸。照这样，对于示出的实施方式，隔离通路34、阻火器42和通道80A-80F在长度L(图2)范围是均匀的。采用常规机械加工技术，如钻孔，形成隔离通路34。在钻孔之后，采用任何常规方法清洗隔离通路34，以去除机械加工操作期间留下的润滑剂或碎片。隔离通路34被清洗以防止污染随后引入隔离通路34中的液压流体，这种污染会影响传感器30的操作(图2)。在一种实施方式中，阻火器42由标准、商业上可买到的材料形成。对于所描述的实施方式，阻火器42包括具有约O. 125英寸( 3. 175mm)的较小宽度(D2)的303不锈钢六边形管塞。根据所采用的插入工艺，在需要时可以对六边形管塞进行退火或冷加工。采用任何合适的方法将阻火器42插入隔离通路34中，以便将阻火器42保持或限制为相对于隔离通路34成固定关系。在一种实施方式中，阻火器42压配合进入隔离通路34，这可以以至少两种方式实现。第一，可以以从隔离通路34突出的长度将阻火器42压配合到隔离通路34中，使得阻火器42和端面46B可以一起成形以形成盘旋结构68。在机械加工之后，例如采用热能量方法或研磨剂流动机械加工或加压冲洗工艺对盘旋结构68去除毛刺。第二，可以在盘旋结构68被机械加工之后将阻火器42压配合到隔离通路34中，以缩回端面46B。在这种示例中，采用具有约O. 136英寸( 3. 45mm)的直径的#29钻头钻出隔尚通路34。在另一种实施方式中，阻火器42被型锻至隔离通路34内的合适位置。例如，在阻火器42定位在隔离通路34内的情况中，排除铆接的不紧密性/支持铆接技术用来将阻火器42保持在合适的位置，同时气动铆接或液压技术用来驱动阻火器42。在这种示例中，采用具有约O. 1405英寸( 3. 569mm)的直径的#28钻头钻出隔离通路34。在压配合和型锻插入技术二者中，使阻火器42在隔离通路34内被压缩，使得阻火器42被摩擦地保持在合适的位置，不需要诸如螺纹之类的其它特征的辅助。然而，在另外的实施方式中，如参照图6和7讨论的那样，阻火器42可以拧进隔离通路34。在其它实施方式中，可以采用常规技术将阻火器42热装配到隔离通路34中。例如，隔离通路34可以在插入阻火器42之前被加热并膨胀，从而允许内壁72围绕外壁74收缩。在任何实施方式中，边缘78A-78F接合内壁72以将阻火器42固定在隔离通路34内。这些接合将隔离通路34分成数个小的通路。如在图4中可以看到的那样，阻火器42的横截面面积占据隔离通路34的横截面面积的大部分，从而减小隔离通路34内可用于液压流体的整个流动通路。所述较小通路中的每一个具有灭火特性。例如，基于隔离通路34的长度L(图2)，通道80A-80F中的每一个将熄灭穿过隔离通路34的火焰。如在图4中可以看到的那样，内壁72和外壁74之间的距离在垂直于隔离通路34的单个平面内的每个通道80A-80F内变化，以提供同时将阻火器42保持在合适的位置并允许液压流体流动的变化的间隙距离。阻火器42和隔离通路34对用在变送器管塞和法兰中的常规灭火通路提供了改进。例如，具有I英寸( 2. 54cm)长度L的常规管塞46通常将采用具有约O. 20英寸( 5.08mm)的孔径的圆形灭火通路。这产生了具有约O. 00031平方英寸( O. 2mm2)的横截面面积和约O. 063英寸( I. 6mm)的周长。这产生了约200in/in2的周长与面积(P/A)之t匕，如在表I中汇总的那样。米用插入O. 14英寸( 3. 56mm)孔[D1]中的O. 125英寸( 3. 18mm) [D2]的六边形管塞，所描述的实施方式产生了具有约O. 00266平方英寸( I. 72mm2)的横截面面积和约O. 860英寸( 21. 84mm)的周长。这产生了约322. 8in/in2的周长与面积(P/A)之t匕，如在表2中汇总的那样。表I-常规灭火通路
孔尺寸O. 020in(0. 5O8Inm)
最小间隙O. 020in(0. 508mm)
—面积公式 —πΓ2—
半径__r = O. 010in(0. 254mm)
总流路面积 —O. 00031 in2 (O. 2mm2)
周长公式__2^r_
总流路周长O. 063in(I. 6mm)
周长与面积之比 200in/in2 (8mm/nnn2)表2-本实用新型的阻火器
孔尺寸O. 140in (3. 56mm)
最小间隙_ O. 009in(0. 229mm)
面积公式^ π r2-2. 598R2
半径_ R = O. 070in(l. 778mm)
总流路面积_ O. 00266in2(l. 72mm2)
周长公式—^^R+6R一
总流路周长_ O. 860in(21. 84mm)
周长与面积之比 322. 8in/in2(I. 8mn/mn2)如从表I和2可以看出，本实用新型的周长与面积之比相对常规灭火通路增加了超过60%。如在下文表3中可以看出，阻火器42和隔离通路34同时增加了流路的周长和横截面面积。因此，即使在过程变送器板中加工较大的孔(这可以便宜且干净地进行)，也能产生改善的流路几何形状。表3-本实用新型与常规火焰通路相比的周长与面积之比
权利要求1.一种用于检测过程变量的过程变送器，该过程变送器包括 具有内部空间的变送器壳体； 设置在所述内部空间内的传感器，用于检测工业过程的过程变量并产生检测信号； 变送器电路，设置在所述内部空间内并连接至传感器； 通道，与传感器连通并延伸穿过变送器壳体的内部空间，该通道具有第一横截面轮廓；和 定位在该通道中的阻火器，该阻火器具有不同于第一横截面轮廓的第二横截面轮廓；其中阻火器在所述通道的内部形成通路，所述通路的横截面面积小于所述通道的第一横截面轮廓的横截面面积。
2.根据权利要求I所述的过程变送器，其中所述通道和阻火器之间的距离在横向地延伸穿过所述通道的单个平面中是变化的。
3.根据权利要求I所述的过程变送器，其中 第一横截面轮廓沿着所述通道的第一长度均匀且线性地延伸；并且 第二横截面轮廓沿着阻火器的第二长度均匀且线性地延伸； 其中第一长度和第二长度是同轴的。
4.根据权利要求I所述的过程变送器，其中阻火器包括沿着阻火器的长度延伸的多个纵向边缘，所述多个纵向边缘接合所述通道。
5.根据权利要求I所述的过程变送器，其中阻火器将所述通道的内部空间分成多个通路，每个通路的横截面面积小于所述通道的第一横截面轮廓的横截面面积。
6.根据权利要求5所述的过程变送器，其中所述多个通路的总表面积和周长大于所述通道的第一横截面轮廓的表面积和周长。
7.根据权利要求I所述的过程变送器，其中第一横截面轮廓包括圆形形状，且第二横截面轮廓包括非圆形形状。
8.根据权利要求7所述的过程变送器，其中第二横截面轮廓为多边形形状。
9.根据权利要求7所述的过程变送器，其中第二横截面轮廓包括沟槽形状。
10.根据权利要求7所述的过程变送器，其中第二横截面轮廓包括叶状形状。
11.根据权利要求I所述的过程变送器，其中阻火器包括螺旋形主体。
12.根据权利要求I所述的过程变送器，其中所述通道从传感器延伸到变送器壳体的外部以形成通风通路。
13.根据权利要求I所述的过程变送器，其中所述通道从传感器延伸到连接至变送器壳体的隔离膜片，以形成隔离通路，该隔离通路进一步填充有液压流体。
14.根据权利要求I所述的过程变送器，其中阻火器被挤压到所述通道内，以被摩擦地保持在合适的位置，而不采用螺纹。
15.一种用于检测过程流体的压力的压力变送器，该压力变送器包括 传感器模块，包括用于检测工业过程的过程变量并产生检测信号的传感器； 连接至传感器的变送器电路，用于处理检测信号； 液压中继传送系统，在过程流体和压力传感器之间提供连通通路，该液压中继传送系统包括 通道，延伸到传感器模块中并具有内壁；阻火器，定位在所述通道内并具有外壁，该外壁与所述通道的内壁一起限定流路空间，该阻火器接合所述内壁以在所述内壁和外壁之间限定变化的间隙距离； 在流路空间中的液压流体； 定位在所述通道的一端处的隔离膜片。
16.根据权利要求15所述的压力变送器，其中阻火器的外壁包括 围绕所述外壁隔开的多个多边形面；和 插入所述多个多边形面之间的多个边缘； 其中所述多个边缘接触所述内壁，使得所述多个多边形面将所述通道分成多个通路。
17.根据权利要求16所述的压力变送器，其中所述通道的长度与所述多个通路中的每一个的横截面面积之比足以提供灭火通路。
专利摘要本实用新型公开了一种用于检测过程变量的过程变送器和检测过程流体的压力的压力变送器，包括变送器壳体、传感器、变送器电路、通道和阻火器。变送器壳体具有内部空间。传感器设置在所述内部空间内，检测工业过程的过程变量并产生检测信号。变送器电路设置在所述内部空间内并连接至传感器。通道与传感器连通并延伸穿过变送器壳体的内部空间。该通道具有第一横截面轮廓。阻火器定位在该通道中。该阻火器具有不同于第一横截面轮廓的第二横截面轮廓。阻火器在所述通道的内部空间形成具有小于所述通道的第一横截面轮廓的横截面面积的横截面面积的通路。
文档编号A62C4/02GK202748188SQ20122002751
公开日2013年2月20日 申请日期2012年1月20日 优先权日2011年3月14日
发明者埃里克·保罗·彼得森 申请人:罗斯蒙德公司