工業(yè)過程流體壓力變送器被用于測量工業(yè)過程流體的壓力，例如化學(xué)、紙漿、汽油、制藥、食品和/或其他流體處理工廠中的漿料、液體、蒸汽或氣體。經(jīng)常在過程流體附近或者在現(xiàn)場應(yīng)用中放置工業(yè)過程流體壓力變送器。這些現(xiàn)場應(yīng)用經(jīng)常經(jīng)受惡劣和變動的環(huán)境條件，這對這種變送器的設(shè)計者提出了挑戰(zhàn)。

許多過程流體壓力變送器中的感測單元經(jīng)常是基于電容的或基于電阻的傳感器。隔離膜片一般用于分離過程流體與電有源感測單元，由此防止有時可能粗糙的、腐蝕性的、不潔的、受污染的或具有極高溫度的過程流體與壓力變送器的電組件交互。

過程流體一般對隔離膜片產(chǎn)生作用，生成隔離膜片的偏轉(zhuǎn)，該偏轉(zhuǎn)移動或以其他方式使得膜片后面的填充流體發(fā)生位移，這生成了壓力傳感器的感測膜片的關(guān)聯(lián)移動。壓力傳感器具有電特性，例如隨施加的壓力變化的電容或電阻。使用過程流體壓力變送器內(nèi)的測量電路來測量該電特性，以提供與過程流體壓力相關(guān)的輸出信號。還可以根據(jù)已知的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議對輸出信號進(jìn)行格式化，并將輸出信號通過過程通信環(huán)路向其它現(xiàn)場設(shè)備或控制器發(fā)送。

管道內(nèi)(inline)過程流體壓力變送器一般具有能夠與過程流體壓力源耦合并提供對過程流體壓力的指示的單個過程流體壓力入口。該指示可以相對于大氣(例如表指示(gage indication))，或相對于真空(例如絕對壓力測量)。經(jīng)受高最大工作壓力(MWP)的管道內(nèi)壓力變送器提出了特定的設(shè)計挑戰(zhàn)。僅僅提供能夠經(jīng)受最大工作壓力的單個應(yīng)用的結(jié)構(gòu)可能不夠魯棒以在反復(fù)地移動到并超出最大工作壓力的情況下避免疲勞。因此，對于日益增長的高壓市場，例如海底油氣井，還需要提供適用于在這種環(huán)境中擴(kuò)展使用的管道內(nèi)過程流體壓力變送器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

提供了管道內(nèi)過程流體壓力變送器。該變送器包括被配置為與過程流體源耦合的過程流體連接器。插頭與過程流體連接器耦合并具有被配置為向插頭的遠(yuǎn)端傳送流體的通道。壓力傳感器子套件在焊縫處與所述插頭耦合。壓力傳感器子套件具有與通道的遠(yuǎn)端可操作耦合的壓力傳感器，使得壓力傳感器對過程流體壓力做出反應(yīng)。插頭包括環(huán)繞所述焊縫的側(cè)壁。變送器電子器件與所述壓力傳感器耦合，并被配置為測量壓力傳感器的電特性并基于所測量的電特性來提供過程流體壓力值。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的實(shí)施例尤其適用的管道內(nèi)過程流體壓力變送器的概略透視圖。

圖2是本發(fā)明的實(shí)施例尤其適用的管道內(nèi)過程壓力變送器100的概略圖。

圖3是市售的高壓管道內(nèi)壓力傳感器套件的概略圖。

圖4是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的高壓管道內(nèi)壓力傳感器子套件的概略圖。

圖5是根據(jù)本發(fā)明的另一個實(shí)施例的高壓管道內(nèi)壓力傳感器子套件的概略圖。

圖6是根據(jù)本發(fā)明的另一個實(shí)施例的高壓管道內(nèi)壓力傳感器子套件的概略圖。

圖7是根據(jù)本發(fā)明的另一個實(shí)施例應(yīng)用于壓力傳感器子套件的附加支撐環(huán)的概略圖。

具體實(shí)施方式

圖1是本發(fā)明的實(shí)施例尤其適用的管道內(nèi)過程流體壓力變送器的概略透視圖。壓力變送器100包括過程流體連接器102，過程流體連接器102被配置為與過程流體源104耦合。在連接器102處引入的過 程流體向隔離膜片擠壓，隔離膜片將過程流體壓力傳送給在傳感器主體106內(nèi)布置的壓力傳感器。壓力傳感器(圖2中概略示出)具有電特性(例如電容或電阻)，電特性由電子裝置外殼108中的測量電路來測量并由控制器使用合適的計算方式來變換為過程流體壓力。過程流體壓力可以經(jīng)由通過導(dǎo)管110耦合的電線110在過程通信環(huán)路上傳送，和/或經(jīng)由顯示器112本地顯示。此外，在一些實(shí)現(xiàn)中，可以無線傳送過程流體壓力。

圖2是本發(fā)明的實(shí)施例尤其適用的管道內(nèi)過程壓力變送器100的概略圖。壓力變送器100包括與傳感器主體106耦合的電子裝置外殼108。在電子裝置外殼108內(nèi)布置變送器電子裝置，并且變送器電子裝置包括通信電路114、電源電路118、控制器122、顯示器112和測量電路124。

通信電路114在電子裝置外殼108內(nèi)布置，并且可以經(jīng)由導(dǎo)體116與過程通信環(huán)路耦合。憑借與過程通信環(huán)路116耦合，通信電路114允許管道內(nèi)過程壓力變送器100根據(jù)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)過程通信協(xié)議來進(jìn)行通信。此外，在一些實(shí)施例中，變送器100可以經(jīng)由其與過程通信環(huán)路的耦合來接收操作所必需的所有電功率。相應(yīng)地，壓力變送器100包括電源模塊118，在一些實(shí)施例中，如在被標(biāo)記為“通往所有”的附圖標(biāo)記120處指示的，電源模塊118與過程通信環(huán)路耦合，以便向變送器100的所有組件提供合適的操作功率。合適的過程通信協(xié)議的示例包括：高速可尋址遠(yuǎn)程換能器()協(xié)議、FOUNDATION^TM現(xiàn)場總線協(xié)議及其他過程通信協(xié)議。此外，本發(fā)明的實(shí)施例包括無線過程通信，例如根據(jù)IEC 62591(無線HART)的無線過程通信。

控制器122與通信電路114以及測量電路124耦合，并被配置為使測量電路124提供來自壓力傳感器126的數(shù)字指示或測量。對該數(shù)字指示進(jìn)行處理或者以其他方式操作，以便生成控制器122經(jīng)由通信電路114向其它合適的設(shè)備傳送的過程壓力值。在一些實(shí)施例中，控制器122可以是微處理器。本地顯示器(例如顯示器112)還可以顯示過程流體壓力或其他合適的量。

本發(fā)明的方案一般包括對壓力傳感器倉設(shè)計的結(jié)構(gòu)修改，其可以 被用于增加管道內(nèi)類型壓力變送器的最大工作壓力(MWP)。在一些實(shí)施例中，MWP可以通過使用相對廉價和可容易工作的316L不銹鋼以及激光焊接套件而增長到大約20,000PSI。本文所提供的各種實(shí)施例一般關(guān)注于增加在高壓疲勞負(fù)載下的壓力變送器的使用壽命。

在焊縫的根部的應(yīng)力集中是在設(shè)置傳感器套件的最大工作壓力中的常見限制因素。這些應(yīng)力集中通常限制設(shè)計的疲勞壽命，即便套件針對最大工作壓力的單一壓力應(yīng)用可以具有大于2.5的安全因子。此外，對壓力傳感器套件設(shè)計的其他約束增加了滿足疲勞壽命要求的挑戰(zhàn)。為了增加強(qiáng)度而增加的壁厚也增加了大小，并且在裝配期間較厚的壁一般更難于焊接在一起。焊接的套件一般需要防止加壓流體的損失。然而，在焊接過程期間焊接一般需要熱輸入，其必須被最小化以避免損壞傳感器。該熱輸入一般限制焊接的大小和強(qiáng)度。

壓力傳感器子套件的構(gòu)建材料可能是限制因素。該材料優(yōu)選的是廉價的、抗腐蝕的并且易于焊接的。300系列不銹鋼是滿足這些要求的常見選擇。然而，這種廉價材料(300系列不銹鋼)的代價是它們的強(qiáng)度。300系列不銹鋼與類似的廉價的碳鋼相比具有低得多的強(qiáng)度，并且300系列不銹鋼與更強(qiáng)的、抗腐蝕的鎳基合金相比(例如C-276和鎳鉻鐵合金625)更廉價。合金C-276可以從印第安納州，科科莫的海恩斯國際公司獲得，商品名為哈氏合金(Hastelloy)C276；鉻鎳鐵合金625可以從紐約，新哈特福德的特種金屬家族公司獲得。合金C276具有以下化學(xué)組成(按照重量％)：鉬15.0～17.0、鉻14.5～16.5、鐵4.0～7.0、鎢3.0～4.5、鈷最大2.5、錳最大1.0、釩最大0.35、碳最大0.01、磷最大0.04、硫最大0.03、硅最大0.08以及其余的鎳。在同一套件中使用不同的構(gòu)造材料可以允許在成本和強(qiáng)度之間進(jìn)行優(yōu)化。然而，這種不同的材料會引入其他挑戰(zhàn)，例如如何將不同材料相接合。

圖3是市售的高壓管道內(nèi)壓力傳感器套件的概略圖。在所示的示例中，傳感器套件通?？捎糜诖蠹s10,000PSI MWP。在傳感器套件150中，向過程連接器102施加壓力152。該壓力向隔離膜片154擠壓，并且通過隔離插頭156通信，以便在壓力傳感器子套件158處應(yīng)用。在所示的示例中，隔離插頭156是圓柱形的，具有大約1.125英寸的 直徑。壓力傳感器子套件158一般在隔離插頭156內(nèi)的凹陷中駐留，并且包括壓力傳感器159，壓力傳感器159對于過程流體壓力的應(yīng)用變形或以其他方式加以反應(yīng)，并且壓力傳感器子套件158包括具有響應(yīng)于物理反應(yīng)而改變的電特性的電結(jié)構(gòu)。在一個示例中，壓力傳感器是基于電容的壓力傳感器。在所示的示例中，壓力傳感器子套件158具有大約0.6英寸的直徑。然而，本發(fā)明的實(shí)施例適用于任意合適的壓力傳感器。壓力傳感器子套件158在焊縫160處與隔離插頭156焊接。附加地，子套件158還與焊接環(huán)162焊接，但是從焊接環(huán)162接收相對較少的支撐。即使該設(shè)計對滿足較高壓力的單個應(yīng)用來說足夠強(qiáng)，其也可能不足以經(jīng)受針對較高M(jìn)WP的大的疲勞要求。據(jù)信設(shè)計的限制方面在于焊縫160的根部處的應(yīng)力集中(凹角曲線(re-entrant curve))。在壓力高于10,000PSI的重復(fù)的壓力循環(huán)期間，焊縫160對于防止在應(yīng)力集中處形成大的應(yīng)變來說可能不夠強(qiáng)，由此縮短了疲勞壽命。整個傳感器套件主要由抗腐蝕、易于焊接和相對廉價的316L不銹鋼制成。

本發(fā)明的實(shí)施例一般通過修改隔離插頭與傳感器子套件的耦合來增加管道內(nèi)壓力變送器的疲勞壽命。本文描述的實(shí)施例包括對在高壓力傳感器套件中焊縫周圍的應(yīng)力集中問題進(jìn)行處理的不同設(shè)計。這些設(shè)計通常關(guān)注于通過以下方式來增加高壓傳感器套件的疲勞壽命的方法：通過增加應(yīng)力集中周圍的套件的強(qiáng)度來降低應(yīng)力集中內(nèi)的應(yīng)力，和/或通過增加套件中的平均應(yīng)力來降低交替應(yīng)變(其導(dǎo)致疲勞故障)。

對于無限的疲勞壽命，壓力傳感器套件的主體中的應(yīng)力需要保持遠(yuǎn)低于制成套件的材料的彈性限制。在壓力傳感器套件的一些區(qū)域中，在設(shè)備的最大工作壓力的單個應(yīng)用期間，峰值應(yīng)力可能超過材料的彈性限制，并且可能甚至超過材料的抗張強(qiáng)度。如果應(yīng)力集中周圍的區(qū)域可以防止應(yīng)力集中中的材料被拉伸到裂縫形成的點(diǎn)(意味著應(yīng)力集中的區(qū)域中的應(yīng)力保持在故障應(yīng)變以下)，則將不會發(fā)生故障。對于設(shè)備的從0到MWP的壓力的多個循環(huán)(疲勞載荷)，類似的理論適用。如果在應(yīng)力集中周圍的材料防止在應(yīng)力集中中的交替應(yīng)變超過臨界值，則即便應(yīng)力集中中的峰值應(yīng)力在壓力的單個應(yīng)用期間超過彈性限制， 也可以達(dá)到疲勞負(fù)載下的期望壽命。這被稱為疲勞設(shè)計的本地應(yīng)變模型。

圖4是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的與隔離插頭耦合的壓力傳感器子套件的概略圖。圖4中所示的傳感器子套件180使用與圖3中所示的套件不同的隔離插頭和焊縫。圖4中沒有示出隔離膜片，然而示出了從隔離膜片向遠(yuǎn)端部分183傳送填充流體的填充流體通道181。為了清楚，圖4～7中沒有指示過程連接器和隔離膜片。盡管一般參照隔離膜片的使用和從隔離膜片向壓力傳感器傳送過程流體壓力的填充流體來描述本發(fā)明，實(shí)施例也適用于任意高壓感測布置。因此，在一些實(shí)施例中，可以直接向壓力傳感器子套件傳送高壓過程流體。壓力傳感器子套件182與隔離插頭190耦合，使得遠(yuǎn)端部分183接近壓力傳感器185。

盡管圖4中所示的設(shè)計在耦合傳感器子套件和隔離插頭的焊縫183的根部184處具有應(yīng)力集中，它具有環(huán)繞焊縫187的更厚的壁186。焊縫187的根部處的應(yīng)力可以超過316L不銹鋼的抗屈強(qiáng)度，然而環(huán)繞應(yīng)力集中的厚壁186可以保持應(yīng)變相對低。套件180的另一個重要特征是隔離插頭190的相對高的壁188。該高壁188延伸到傳感器子套件182以上，并且當(dāng)加壓時幫助防止傳感器子套件182彎曲。此外，高壁188還幫助防止焊縫187的根部184處的后續(xù)彎折應(yīng)力。此外，被加工到焊縫根部184處的隔離插頭中的壓力釋放修改彎折幾何形狀，使得焊縫的較大部分經(jīng)歷壓縮應(yīng)變，其對于疲勞壽命是有利的。據(jù)信圖4中所示的本發(fā)明的實(shí)施例可以用于在高達(dá)15,000PSI的最大工作壓力的壓力應(yīng)用。盡管圖4中所示的設(shè)計在將傳感器子套件182與隔離插頭190加以接合的焊縫187的根部184處仍然具有顯著的應(yīng)力集中，隔離插頭190的更厚的壁186環(huán)繞焊縫187。此外，在附圖標(biāo)記188處概略示出的壁186延伸到傳感器子套件182之上，結(jié)合焊縫的根部184處的應(yīng)力釋放，創(chuàng)建了對該設(shè)計的可接受的疲勞壽命的充分支持。以下提供了相對于該設(shè)計的討論結(jié)果。圖4中所示的設(shè)計的一種具體優(yōu)點(diǎn)在于：它可以使用當(dāng)前在市售產(chǎn)品中使用的同一傳感器子套件。然而，如以下所闡述的，包括對傳感器子套件自身的改變在內(nèi)的實(shí)施例可以實(shí)現(xiàn)更高的最大工作壓力。

圖5是根據(jù)本發(fā)明的另一個實(shí)施例的與隔離插頭耦合的傳感器子套件的概略圖。套件200包括在焊縫206處與隔離插頭204焊接的傳感器子套件202。同樣，圖5中未示出過程連接器。圖5中所示的套件包括與圖4中所示的設(shè)計相比具有減小的直徑的傳感器子套件202。直徑的減小(從例如0.6英寸到0.5英寸)降低了壓力負(fù)載面積。附加地，在圖5中所示的實(shí)施例中，在傳感器子套件202的外徑周圍收縮裝配(shrink fit)隔離插頭204。通過生成隔離插頭204和傳感器子套件202之間的熱差來實(shí)現(xiàn)該收縮裝配。在一個示例中，這可以通過將隔離插頭204加熱到充分高的溫度來實(shí)現(xiàn)，以便可以將傳感器子套件202插入隔離插頭204中的膛208中(在比隔離插頭204更低的溫度的同時)。在另一個示例中，這可以通過冷卻傳感器子套件202來實(shí)現(xiàn)。在又一個示例中，可以加熱隔離插頭204，同時冷卻傳感器子套件202。壓力傳感器子套件202和隔離插頭204之間的余隙是基于它們的熱膨脹系數(shù)和溫差由膨脹的隔離插頭204和/或收縮的傳感器子套件202引起的。當(dāng)壓力傳感器子套件202和隔離插頭204溫度相等時，產(chǎn)生較大的箍應(yīng)力(hoop stress)，箍應(yīng)力將隔離插頭204壓縮在傳感器子套件202周圍。在一些實(shí)施例中，還可以例如通過簡單地將傳感器子套件202按壓裝配到隔離插頭204中，而不加熱隔離插頭204來實(shí)現(xiàn)收縮裝配。任意一種裝配方法可以在隔離插頭204和傳感器子套件202之間創(chuàng)建大的壓縮力。本發(fā)明的實(shí)施例還包括對隔離插頭204加熱的應(yīng)用，以及使用壓力來將傳感器子套件202嚙合到加熱的隔離插頭204中。

隔離插頭204和壓力傳感器子套件202之間的壓縮力具有多種目的。壓縮力通過使區(qū)域受壓，來減小將隔離插頭和傳感器子套件加以接合的焊縫的根部處的應(yīng)力集中。附加地，壓縮對玻璃密封(例如對通向傳感器子套件的電連接加以密封的玻璃密封210)施加附加的壓縮，由此實(shí)現(xiàn)更高的最大工作壓力。最終，壓縮力導(dǎo)致了整個套件中的較高平均應(yīng)變和較低交替應(yīng)變。較低的交替應(yīng)變導(dǎo)致了疲勞負(fù)載期間的較長壽命，然而平均應(yīng)變不足夠高以導(dǎo)致它們不可接受地降低套件的破裂壓力。

對圖3～5中所示的各種套件執(zhí)行壓力疲勞測試。針對15,000PSI最大工作壓力，使用0～18,000PSI的循環(huán)壓力來執(zhí)行初始測試。對于圖3中所示的設(shè)計(市售設(shè)計)，直到故障為止的平均循環(huán)數(shù)是10,000。對于圖4所示的設(shè)計，循環(huán)壓力的同一應(yīng)用在該設(shè)計故障之前的平均循環(huán)是40,000。最后，參照圖5中的設(shè)計，在同一循環(huán)壓力的100,000循環(huán)處沒有出現(xiàn)故障。當(dāng)壓力從0～24,000PSI循環(huán)時，圖5中所示的設(shè)計額外幸存了100,000循環(huán)，由此表明設(shè)計將可能滿足高達(dá)20,000PSI MWP。

至此，本發(fā)明的實(shí)施例一般使用的是由相同材料形成的各種組件。這種材料的示例包括300系列不銹鋼、雙相不銹鋼、和超奧式體不銹鋼。然而，可以想到的是：可以適應(yīng)材料中的一些變化，并且仍允許壓力傳感器子套件和隔離插頭之間的有效的焊接。例如，可以由300系列不銹鋼形成一個組件(壓力傳感器子套件)并且可以用依然與第一組件可焊接(still weldable)的不同材料來形成另一個組件(隔離插頭)。這種組合的示例包括：300系列不銹鋼/22％Cr雙相不銹鋼、300系列不銹鋼/25％Cr雙相不銹鋼、300系列不銹鋼/超奧氏體不銹鋼。這些材料具有良好的抗腐蝕性，并且可以易于焊接在一起。然而，當(dāng)與碳鋼或沉淀硬化鋼(例如17-4PH不銹鋼)相比時，316L不銹鋼強(qiáng)度相對低。當(dāng)使用這種較高強(qiáng)度的材料時，與316不銹鋼子套件組件焊接是主要的挑戰(zhàn)。對于將不泄漏的套件來說，需要焊接。

圖6是根據(jù)本發(fā)明的另一個實(shí)施例的高壓傳感器子套件的概略圖。高壓傳感器子套件220使用較高強(qiáng)度的合金，以便提高套件的疲勞壽命。圖6示出了包括在焊縫226處與隔離插頭224焊接的傳感器子套件222在內(nèi)的子套件220。除傳感器子套件222包括延伸超出焊縫226以外的凸緣230之外，傳感器子套件222與傳感器子套件202類似。此外，在附加有由高強(qiáng)度合金(例如沉淀硬化不銹鋼)形成的支撐環(huán)228的情況下，高壓傳感器子套件220與套件200(圖5中所示)不同。在隔離插頭224的壁223周圍應(yīng)用環(huán)228。在一個實(shí)施例中，在隔離插頭224上按壓裝配支撐環(huán)228，以便在隔離插頭224和傳感器子套件222內(nèi)產(chǎn)生徑向壓縮，而保持支撐環(huán)228中的拉伸箍應(yīng)力。在按壓 裝配期間，支撐環(huán)228被軸向地壓到隔離插頭224上，直至支撐環(huán)228接觸傳感器子套件222的凸緣230。在接觸時，進(jìn)一步按壓支撐環(huán)228，由此在隔離插頭224和傳感器子套件222上產(chǎn)生軸向壓縮。當(dāng)釋放按壓的力時，利用支撐環(huán)228和隔離插頭224的壁223之間的摩擦力來保持軸向壓縮。該軸向壓縮釋放了通過來自徑向壓縮的泊松比值引入的一些軸向張力，并使用外部壓縮源來移除勢能(potential)以減輕在焊接過程中的壓縮力。

圖7是根據(jù)本發(fā)明的另一個實(shí)施例應(yīng)用于傳感器子套件/隔離插頭的附加支撐環(huán)的概略圖。套件250包括在焊縫256處與隔離插頭254焊接的壓力傳感器子套件252。在焊縫256的區(qū)域中在隔離插頭254周圍應(yīng)用由高強(qiáng)度的合金(例如沉淀硬化不銹鋼)形成的支撐環(huán)258。相應(yīng)地，套件250的設(shè)計除了它不在傳感器子套件252的頂部上提供軸向壓縮之外與圖6中所示的類似。

盡管已經(jīng)參照優(yōu)選實(shí)施例描述了本發(fā)明，本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到：可以在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，在形式和細(xì)節(jié)方面進(jìn)行改變。