CN103575357A - 使用遥控密封件的过程流体的液面测量 - Google Patents

使用遥控密封件的过程流体的液面测量 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于测量容器中的过程流体的液面的设备。所述设备包括遥控密封件，所述遥控密封件被构造成通过开口***容器中并被构造成接收与容器中的过程流体的液面有关的压力。填充有填充流体的毛细管从遥控密封件延伸到开口并被构造成在所述遥控密封件与所述开口之间传送压力。连接到所述毛细管的压力传感器感测来自所述毛细管的压力并响应地确定容器中的过程流体的液面。遥控密封件包括波纹管部分，所述波纹管部分被布置成使过程流体与毛细管中的填充流体隔离开，并在过程流体和填充流体之间传送压力。

Description

使用遥控密封件的过程流体的液面测量
技术领域
本发明涉及对容器中的过程流体的液面的测量。更具体地，本发明涉及基于压力对过程流体的液面的测量。
背景技术
许多工业过程需要监测与过程流体有关的各种过程变量。被监测的一个示例性过程变量是容器内的过程流体的液面。该信息可以用于保持过程流体的库存，或者可以用于控制过程的操作。
已知各种技术用于测量容器中的过程流体的液面。用于测量过程流体液面的技术基于压力，例如差压。在一个示例性结构中，侧部入口孔靠近容器的底部设置。使用压力传感器测量过程流体在此位置处的压力。例如，隔离隔板可以连接到侧部入口孔并用于将过程压力传送到压力传感器。该隔离隔板隔离传感器与过程流体。传感压力与容器中的流体的液面有关，并且连接到传感器的测量电路可以提供与该液面有关的输出。
用于容纳过程流体的一些容器不具有上述用于连接到压力传感器的侧部入口孔。在这种结构中，唯一可获得的入口孔可以位于容器的顶部处，并且必须通过该开口执行任意液面测量。
发明内容
提供一种用于测量容器开口中的过程流体的液面的设备。所述设备包括遥控密封件，所述遥控密封件被构造成通过开口***容器中并被构造成接收与容器中的过程流体的液面相关的压力。填充有流体的毛细管从遥控密封件延伸到开口并被构造成在所述遥控密封件与所述开口之间传送压力。连接到毛细管的压力传感器感测来自毛细管的压力并相应地确定容器中的过程流体的液面。遥控密封件包括波纹管部，所述波纹管部被布置成使过程流体与毛细管中的填充流体隔离开并在所述过程流体和所述填充流体之间传送压力。
附图说明
图1是本发明的容器和过程流体液面测量设备的横截面图；
图2A是侧部横截面图，而图2B是权利要求1的液面测量***所使用的隔离器波纹管组件的分解立体图；
图3是图2A和2B中所示的两种波纹管型装置以及传统的隔板式过程流体隔离器的压力与体积的曲线图；以及
图4是过程流体液面测量设备的简化方框图。
具体实施方式
本发明提供一种用于基于容器(或“罐”)内的压力测量容器中的过程流体的液面的设备和方法。在本发明中，“遥控密封件”被构造成放置在容器中的过程流体中。该遥控密封件通过填充有填充流体的细长毛细管将容器中的压力传送到压力传感器。压力传感器连接到测量电路，所述测量电路使用感测到的压力确定过程流体液面。填充流体通过波纹管装置与过程流体隔离。压力测量的精度与隔离器的表面面积有关。与具有相同直径的环形隔板相比较，该波纹管结构增加隔离器的表面面积，压力通过该隔离器被传送到填充流体。通过隔板装置，如果容器的顶部处的开口相对较小，则压力测量的精度可能会受到限制，从而仅允许相对较小的直径隔板穿过。相反，借助于波纹管装置，相同直径的开口提供到具有更大表面面积的隔离器的方位，并因此提供改善的精度。
图1是其中可以实施液面测量***的环境100的示例性视图。在图1中，容器104的侧部横截面图被示出，其中基于压力的液面测量装置102被构造成测量容器104中的过程流体106的液面。在图1中，遥控密封件110紧邻容器104的底部定位。遥控密封件110接收该位置处的压力，所述压力被传送到支承在测量装置102的壳体114中的压力传感器(图1中未示出)，所述测量装置102定位在容器104的顶部处。要注意的是压力传感器通常位于容器的流体容纳部分外(在容器的顶部的外侧)。该压力通过在毛细管112中携带的填充流体被传送，其中所述毛细管在遥控密封件110与过程连接器120之间延伸。遥控密封件110操作以使过程流体106与毛细管112中携带的填充流体隔离开，同时仍然在所述过程流体填充流体之间传递所施加的压力。基于测量到的压力，液面测量装置102提供与容器104中的过程流体106的液面有关的输出。例如，该输出可以提供给双线过程控制回路122。回路122可以根据诸如4-20mA电流回路的公知技术操作，其中在所述4-20mA电流回路中，4mA表示感测到的过程变量的低值，而20mA信号表示高值。相同的两个双线可以用于将功率提供给液面测量装置102。双线过程控制回路的另一个示例基于其中数字信号还可以被调制到回路122上的
Figure BDA00002433908400031
通信标准。回路122的另一个可选的实施例是其中例如使用诸如IEC 62591
Figure BDA00002433908400032
中规定的射频信号对信号进行无线通信的无线过程控制回路。
图2A是遥控密封件110的一个实施例的侧部横截面图，而图2B是遥控密封件110的分解立体图。如上所述，遥控密封件110的一个实施例包括波纹管部150，所述波纹管部150被构造成将从过程流体106施加的压力传递给携带在毛细管延伸部154中的填充流体152。毛细管延伸部154通过配件158连接到图1所示的毛细管112。在该实施例中，波纹管部150在结合部160处结合到支承毛细管延伸部154的密封主体156。配件158被设置成容纳延伸到壳体114的细长毛细管112。结合部160可以包括例如电阻滚焊缝等。携带在毛细管延伸部154中的填充流体152还填充在波纹管部150与密封主体156之间的间隔中所提供的空隙区域。填充流体152优选地是具有基本上不会基于压力而改变的体积的不可压缩流体。例如，可以使用油等。波纹管部150的端部被端盖164密封。外壳170包围并保护波纹管部150。外壳170优选地被壳体盖172密封。盖开口174设置在壳体盖172中以允许过程流体106进入壳体空腔176中，并从而将压力施加给波纹管部150。正如壳体端盖172可以焊接到壳体170，端盖164也可以被焊接(例如电阻滚焊)到波纹管部150的端部。盖开口174优选地具有螺纹，并且还可以用于连接到用于在校准装置102中所使用的压力源。
在操作期间，当过程流体106将压力施加到波纹管部分150时，波纹管部分150将相对于密封主体156移动。这使得波纹管部分150将所施加的压力传递给携带在波纹管部分150与密封主体156之间的容积中的填充流体152。密封主体156用作体积填充段塞以减少填充流体152的总体积。这降低了通过毛细管延伸部154传递的压力的温度效应并提高了压力测量的精度。在该结构中，波纹管部分150和端盖164提供使填充流体152与过程流体106隔离开的隔离器组件。该隔离器组件的表面面积大于具有相同直径的圆形隔板的表面面积。与仅使用具有相同直径的圆形隔板的绝缘组件相比较，这增加了对遥控密封件110所施加的压力的总灵敏度并提供了改善的压力测量精度。因此，与具有相同直径的基于隔离器组件的圆形隔板相比较，本发明提供一种能够通过小壳体开口/过程连接器120装配在容器104中的隔离器组件。
图3是显示本发明的具有波纹管部分150的遥控密封件110与基于具有大于波纹管的直径的直径的遥控密封件的传统的隔板之间的比较的压力与体积的图表。如图3所示，对于基于遥控密封件的波纹管来说所施加的压力的灵敏度(称为“线性弹簧比率值”)仅大约小于传统的隔板设计的百分之12(12％)。然而，对于基于本发明的设计的波纹管来说，压力与体积之间的关系更接近直线。这使得装置的特征化更加容易并允许更加精确地补偿温度变化，从而产生更加准确的压力测量。
图4是通过过程连接器120连接到容器104(在图4中未示出)的液面测量装置102的简化方框图。装置102包括被构造成感测差压的压力传感器200。传感器202是参考大气压的校准压力传感器(gauge pressure sensor)。在图4所示的结构中，压力传感器200的一侧连接到压力PC，所述压力PC是通过毛细管112从容器104的底部被传送的容器压力。压力传感器200的另一侧连接到大气压力PA。在图4的结构中，压力PC和PA分别通过隔离隔板202和204以及毛细管206和208连接到压力传感器200。因此，在压力PT的情况下，压力通过毛细管112中的填充流体152横过隔离隔板202被传送到携带在毛细管206中的第二填充流体，并因此被施加到压力传感器200。要注意的是隔离器和填充管两者不是必须的，而是可以使用任意适当的结构。压力传感器200将输出210提供给模-数转换器212，所述模-数转换器212表示由图1所示的遥控密封件110接收到压力与大气压力之间的压力差。压力传感器200可以根据任意适当的技术操作，例如，可以基于电容变化感测可偏转隔板的偏转。来自传感器200的输出210表示携带在容器104中的过程流体106的液面。模-数转换器212将指示该感测到的压力的数字输出提供给微处理器216。微处理器216基于存储在存储器218中的指令以由时钟220确定的速率操作。例如，存储器218可以存储微处理器216所使用的信息以将来自模-数转换器212的输出转换成指示图1所示的容器104中的过程流体106的液面的值。这种转换可以基于过程流体106的类型、温度、和感测到的压差。当基于温度对输出进行补偿时，可以包括另外的温度传感器(未示出)。微处理器216可以使用输入/输出电路224与远距离位置通信。例如，数据可以被传送到诸如过程控制室或监测站的另一个位置。数据在过程控制回路122上被通信。在一个结构中，过程控制回路包括4-20mA过程控制回路，在4-20mA过程控制回路中，回路上的电流电平被控制以提供感测到的液面的表示。在另一个结构中，数字信息可以被调制到过程控制回路122上以提供另外的信息，传送指令或命令等。这可以例如基于
Figure BDA00002433908400051
通信协议。过程控制回路122还可以用于将功率提供给液面测量装置102。因此，相同的双线可以用于信息传送以及给装置102提供功率。回路122不局限于上述示例。在另一个示例中，回路122提供无线通信。例如，回路122可以根据IEC62591标准基于
Figure BDA00002433908400052
通信协议操作。
虽然已经参照优选的实施例描述了本发明，但是本领域的技术人员将认识到可以在不背离本发明的精神和保护范围的情况下在形式和细节上进行改变。虽然以上描述显示了单个差压传感器，但是在另一个示例性实施例中，采用两个独立的压力传感器，并且所述两个独立的压力传感器的输出之间的差值用于确定过程流体的液面。毛细管112可以被支承在柔性或刚性套中。如果使用柔性套，则管112可以成螺旋状以进行储存或运输。一旦毛细管112被组装在过程连接器120与遥控密封件110之间，则毛细管112可以填充有填充流体158。例如，可以将真空施加到填充管112以从管排出空气，然后使管112填充有填充流体152。一旦完成此，可以密封用于该过程的任意端口。如这里所使用的，“波纹管”是指在其内限定可变容积的柔性组件，这与不能限定(或包括)容积的隔板形成反差。这里公开的具体实施例显示了管状波纹管，然而，本发明不局限于这种结构。优选地，波纹管部分150的横截面面积小到足以通过开口120装配在容器104中。可以适当地选择毛细管112中的填充流体152。示例包括硅油、丙二醇和水、甘油和水、石蜡油等。与具有相同直径的隔板相比较，本发明的波纹管结构可以用于减小隔离器刚度。端盖164可以被构造成延伸超过波纹管部分150的直径并因此用于使波纹管部分150对准和稳定在壳体170内。过程连接器120可以包括装配到诸如1.5英寸NPT过程连接装置的标准化NPT连接器中的连接器。通过本发明，波纹管提供一种对所施加的压力进行响应的大于通过遥控密封件的垂直横截面面积的表面面积。进一步地，波纹管的压力响应表面面积可以大于由罐的顶部处的开口所提供的面积，其中遥控密封件通过所述开口被引入到所述罐中。

Claims (17)

1.一种用于测量容器中的过程流体的液面的设备，所述容器具有开口，所述设备包括：
遥控密封件，所述遥控密封件被构造成通过所述开口***所述容器中并被构造成接收来自所述过程流体的压力，所述压力与所述容器中的过程流体的液面有关；
毛细管，所述毛细管填充有填充流体，所述毛细管在所述容器中从所述遥控密封件延伸到所述开口，并被构造成在所述遥控密封件与所述开口之间传送压力；和
压力传感器，所述压力传感器连接到所述毛细管，所述压力传感器被构造成感测来自所述毛细管的压力并响应地确定所述容器中的过程流体的液面；
其中所述遥控密封件包括波纹管部分，所述波纹管部分被布置成使所述过程流体与所述毛细管中的填充流体隔离开并在所述过程流体和所述填充流体之间传送压力。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述遥控密封件包括密封主体，所述密封主体至少部分地容纳在所述波纹管部分内并被构造成减小携带在所述波纹管部分中的填充流体的体积。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述遥控密封件包括端盖，所述端盖被构造成密封所述波纹管部分的端部。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述遥控密封件包括保护壳体，所述保护壳体内容纳所述波纹管部分，所述保护壳体包括开口，因而将所述波纹管部分暴露到所述过程流体。
5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述开口被进一步地构造成在通过所述压力传感器表征压力测量中使用。
6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述波纹管部分包括不锈钢。
7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述压力传感器在位于所述容器的顶部处的过程连接器处连接到所述毛细管。
8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述过程连接器包括NPT连接器。
9.根据权利要求1所述的设备，其中，所述毛细管在所述容器的底部位置处的所述遥控密封件与邻近所述容器的顶部的位置处的所述压力传感器之间垂直延伸。
10.根据权利要求1所述的设备，所述设备包括隔离隔板，所述隔离隔板使所述毛细管中的填充流体与位于所述隔离隔板和所述压力传感器之间的第二填充流体隔离开。
11.根据权利要求1所述的设备，其中，所述压力传感器包括参考大气压的校准压力传感器。
12.根据权利要求1所述的设备，其中，所述波纹管部分的表面面积响应于从所述过程流体施加的压力，并且大于通过所述遥控密封件的垂直横截面面积。
13.一种用于确定容器中的过程流体的液面的方法，所述方法包括以下步骤：
将遥控密封件放置在所述容器中的下部位置处；
将压力施加到所述遥控密封件的波纹管部分；
通过毛细管将所述压力传递给邻近所述容器的上部位置的区域；
在邻近所述容器的上部位置的区域处感测所述压力；
将感测到的所述压力转换成压力的数字表示；以及
基于所述数字表示计算所述容器中的过程流体的液面。
14.根据权利要求13所述的方法，包括以下步骤：提供密封主体，所述密封主体至少部分地容纳在所述波纹管部分内并被构造成减小携带在所述波纹管部分中的过程流体的体积。
15.根据权利要求13所述的方法，包括以下步骤：通过容纳所述波纹管部分的壳体中的开口表征压力测量。
16.根据权利要求13所述的方法，其中，所述压力传感器包括参考大气压的校准压力传感器。
17.根据权利要求13所述的方法，包括以下步骤：提供隔离隔板，所述隔离隔板使所述毛细管中的填充流体与位于所述隔离隔板和所述压力传感器之间的第二填充流体隔离开。
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