阅读说明：本技术 现场装置界面密封和电绝缘 (Field device interface sealing and electrical insulation ) 是由 安德鲁·约翰·瓦格纳 特雷弗·托马斯·施特罗特 莎拉·艾伦·拉克鲁瓦 于 2018-09-27 设计创作，主要内容包括：现场装置组件包括工业过程现场装置、法兰以及密封电绝缘系统。现场装置包括压力传感器和包含有源部件的壳体。壳体包括具有基部界面的基部,基部界面包括第一基部过程开口。法兰附接到壳体的基部上,并包括具有第一法兰过程开口的共面界面。密封电绝缘系统包括垫圈,垫圈包括介电材料。垫圈中的第一过程开口与第一基部过程开口和第一法兰过程开口对准。垫圈的第一表面与基部界面接合,并且垫圈的与第一表面相反的第二表面与共面界面接合。垫圈使现场装置的壳体与法兰电绝缘。(The field device assembly includes an industrial process field device, a flange, and a sealed electrical isolation system. The field device includes a pressure sensor and a housing containing active components. The housing includes a base having a base interface including a first base process opening. The flange is attached to the base of the housing and includes a coplanar interface with a first flange process opening. The sealed electrical insulation system includes a gasket comprising a dielectric material. The first process opening in the gasket is aligned with the first base process opening and the first flange process opening. A first surface of the gasket interfaces with the base, and a second surface of the gasket opposite the first surface interfaces with the coplanar surface. The gasket electrically insulates the housing of the field device from the flange.)

现场装置界面密封和电绝缘

技术领域

本公开的实施例涉及用于工业设备的工业过程控制系统。更具体地，本公开的实施例涉及密封和电绝缘现场装置的界面，例如现场装置和歧管之间的界面。

背景技术

在工业环境中，控制系统用于监控和控制工业和化学过程的库存等。通常，控制系统使用工业过程现场装置来执行这些功能，工业过程现场装置分布在工业过程中的关键位置并通过过程控制回路联接到控制系统中的控制电路。术语“现场装置”是指在分布式控制或过程监控系统中执行功能的任何装置，包括当前已知或尚未知道的用于工业过程的测量、控制和/或监控的所有装置。

典型的现场装置包括使现场装置能够执行传统的现场装置任务的装置电路，例如使用一个或多个传感器的过程参数监控和测量，和/或使用一个或多个控制装置的过程控制操作。示例性传感器包括压力传感器、液位传感器、温度传感器和工业过程中使用的其他传感器。示例性控制装置包括致动器、螺线管、阀和其他控制装置。

现场装置的装置电路还可以包括控制器，例如，该控制器用于控制传感器和/或控制装置，并且通过过程控制回路(例如4-20mA过程控制回路)与过程控制系统或其他电路通信。在一些设备中，过程控制回路用于向现场装置输送经调节的电流和/或电压，以便为现场装置供电。过程控制回路还可以携带数据，例如对应于感测的过程参数的过程参数值。该数据可以作为模拟信号或数字信号通过过程控制回路传送。

阴极保护是在许多工业应用中用于保护金属结构(例如管道和槽)免受腐蚀的技术。例如，大型管道结构可以使用外加电流阴极保护系统。这种类型的阴极保护需要连接到管道的任何电气仪器与某种类型的介电材料电绝缘。

发明内容

本公开的实施例涉及包括密封电绝缘系统的现场装置组件，以及使用该系统密封和电绝缘工业过程现场装置的方法。现场装置组件的一些实施例包括工业过程现场装置、法兰以及密封电绝缘系统。现场装置包括压力传感器和包含有源部件的壳体。壳体包括具有基部界面的基部，基部界面包括第一基部过程开口。法兰附接到壳体的基部上，并包括具有第一法兰过程开口的共面界面。密封电绝缘系统包括垫圈，垫圈包括介电材料。垫圈中的第一过程开口与第一基部过程开口和第一法兰过程开口对准。垫圈的第一表面与基部界面接合，并且垫圈的与第一表面相反的第二表面与共面界面接合。垫圈使现场装置的壳体与法兰电绝缘。

在该方法的一些实施例中，围绕第一法兰过程开口的共面界面与第一环形突起接合。O形环与基部界面接合以围绕第一基部过程开口。现场装置使用垫圈与法兰电绝缘。形成第一密封通道包括在基部界面和法兰界面之间压缩O形环以及垫圈，第一密封通道在共面界面和基部界面之间并通过第一法兰过程开口、第一垫圈过程开口、O形环和第一基部过程开口。

本发明内容被提供以简化形式介绍在下文的

具体实施方式

中被进一步描述的概念的选择。该发明内容不旨在识别要求保护的主题的关键特征或本质特征，也不旨在用作确定要求保护的主题的范围的辅助手段。要求保护的主题不受限于解决在背景技术中指出的任何缺点或所有缺点的实现方式。

附图说明

图1A-C分别示出了根据现有技术的示例性工业过程控制系统的简化图、从过程界面分解的现场装置组件的等距视图、以及安装到过程界面的现场装置组件的等距视图。

图2是根据本公开的实施例的用于工业过程的示例性现场装置组件的侧视图。

图3是图2的根据本公开的实施例的现场装置组件的分解等距视图。

图4示出了图2的现场装置组件和图1A-C的现有技术现场装置组件的并排平面图。

图5是根据本公开的实施例的现场装置组件的一部分的简化剖视图，示出了示例性密封电绝缘系统。

图6是根据本公开的实施例的压力变送器形式的示例性现场装置的简化方框图。

图7是根据本公开的实施例的图3的组件的一部分的总体上沿着线7-7截取的简化剖视图。

图8是根据本公开的实施例的图4的现场装置组件的密封电绝缘系统的在圆圈5内的部分的放大视图。

图9是根据本公开的实施例的示例性垫圈的仰视图。

图10是图9的垫圈的大致沿线10-10截取的侧视剖视图。

图11是图7的垫圈的在圆圈11内的一部分的放大视图。

图12是根据本公开的实施例的示例性歧管和垫圈的等距视图。

图13是使用根据本文描述的一个或多个实施例形成的密封电绝缘系统以密封歧管的歧管界面和用于工业过程的现场装置的基部界面之间的流体通道，并且将现场装置与歧管电绝缘的示例性方法的流程图。

具体实施方式

在下文中参照附图更全面地描述本公开的实施例。使用相同或类似附图标记被识别的元件指相同或类似的元件。如本文所用，术语“约”或“基本上”是指值、角度等的±10％，并且除非另有说明，否则该术语表示具有至多10％的公差的相等性。词语“示例性”在本文中用于表示“用作示例、实例或说明”。然而，本公开的各种实施例可以以许多不同的形式来体现，并且不应该被解释为限于在此阐述的实施例。相反，提供这些实施例是为了使本公开透彻和完整，并且将本公开的范围充分地传达给本领域技术人员。

图1A是根据现有技术的示例性工业过程测量或控制系统100的简化图。系统100用于过程材料以将材料从较低价值的状态转换成更有价值和有用的产品，例如石油、化学品、纸张、食品等。例如，炼油厂执行可以将原油加工成汽油、燃料油和其他石化产品的工业过程。

系统100包括工业过程现场装置102、变送器法兰或适配器103、歧管104和/或将歧管104和现场装置102连接到工业过程108的过程界面106。在一些实施方案中，过程108涉及通过过程容器110(例如管道、槽或另一过程容器)容纳或输送的过程材料，例如流体(即，液体或气体)。

现场装置102安装到适配器103，适配器103安装到歧管104以形成现场装置组件111。适配器103通常使现场装置102的流体路径适应歧管104的流体路径。使用传统技术将组件111密封在现场装置102和适配器103之间的结合部处、适配器103和歧管104之间的结合部处以及歧管104和过程界面106之间的结合部处。

阴极保护系统112可用于为管道110或现场装置102所附接的其他结构(例如，槽)提供腐蚀保护。阴极保护系统112可以采用任何合适的形式，例如外加电流阴极保护系统或电偶阴极保护系统。

现有技术的现场装置组件111可以包括在适配器103和歧管104之间，或者在歧管104和过程界面106之间的传统介电垫圈113。这种传统的垫圈包括介电材料，介电材料电隔离现场装置102的电子器件与由系统112实现的阴极保护方案，如图1B所示，图1B是根据现有技术的从过程界面106分解的现场装置组件111的等距视图。另外，这些垫圈113配置成用于歧管104，歧管104具有2.126英寸的工业标准过程连接间隔。由诸如聚醚酮(PEEK)的介电材料形成的螺栓套管115也可以用在现场装置组件111中，以将用于将组件111的构件附接在一起的螺栓电绝缘。

图1C是根据现有技术的安装到过程界面106的现场装置组件111的等距视图。如图1A和1C所示，组装系统中通常有四个泄漏路径。两个泄漏路径对应于过程界面106和过程之间的界面(图1C中的箭头1)，以及过程界面106和歧管104之间的界面(图1C中的箭头2)。现场装置组件11增加另外两个泄漏路径；适配器103和歧管104之间的泄漏路径(图1C中的箭头3)，以及适配器103和现场装置102之间的泄漏路径(图1C中的箭头4)。

本公开的实施例总体上涉及现场装置组件114，其中已经移除了现有技术组件111的适配器103。图2是用于工业过程的现场装置组件114的示例的侧视图，图3是根据本公开的实施例的组件114的分解等距视图。图2还示意性地示出了现场装置组件114与示例性过程界面106和过程108的附接，示例性过程界面106和过程108以虚线示出。现场装置组件114包括在现场装置102和歧管104之间的界面116处的单个泄漏路径。界面116处的密封电绝缘系统118(以虚线示出)保护现场装置102的电子器件免受阴极保护方案，例如由系统112产生的阴极保护方案。因此，本公开的现场装置组件114通过消除适配器103减少了关于现有技术系统的潜在泄漏路径的数量。

另外，现场装置组件114相对于现有技术的现场装置组件111提供了更紧凑的解决方案。这一般在图4中示出，其中并排示出了现场装置组件114和现有技术的现场装置组件114的侧视图。现场装置组件114比现有技术的现场装置组件111短约适配器103的高度。这可能导致现场装置组件114的高度比现有技术的现场装置111短约3.6英寸。缩短的组件114允许在安装组件时具有更大的灵活性。

图5是根据本公开的实施例的现场装置组件114的一部分的简化剖视图，示出了示例性密封电绝缘系统118。如下面更详细地讨论的，系统118通常包括位于歧管104和现场装置102之间的界面116处的垫圈119。垫圈119也在图3中示出，垫圈119用于使现场装置102与用于歧管104的阴极保护方案电绝缘，例如由阴极保护系统112(图1A)实现的阴极保护方案。另外，垫圈119在现场装置102和歧管104之间形成密封。在一些实施例中，系统118还包括O形环120，O形环120在现场装置102和垫圈119之间形成密封。

在详细描述本公开的现场装置组件114的实施例之前，将参考图1和图6描述现场装置102的各种实施例，图6是根据本公开的实施例的压力变送器形式的示例性现场装置102的简化方框图。

现场装置102可以与计算机化控制单元121通信，计算机化控制单元121可以被配置为控制现场装置102。控制单元121可以远离现场装置102定位，例如在系统100的控制室中，如图1所示。控制单元121可以通过合适的物理通信链路通信地联接到现场装置102，物理通信链路例如为双线控制回路122或无线通信链路。

可以根据传统的模拟和/或数字通信协议在控制回路122上执行控制单元121和现场装置102之间的通信。在一些实施例中，过程控制回路122包括4-20毫安过程控制回路，其中过程变量可以由流过过程控制回路122的回路电流I(图2)的强度表示。示例性数字通信协议包括例如根据

通信标准的、数字信号到双线过程控制回路122的模拟电流强度上的调制。也可以采用其他纯数字技术，包括FieldBus和Profibus通信协议。也可以采用诸如IEC62591的无线协议。

在一些实施例中，现场装置102采用压力变送器的形式，压力变送器配置成感测过程108的单个压力或压差。现场装置包括控制器124、一个或多个压力传感器126、测量电路128、数模转换器(DAC)130、通信电路132和/或接线盒134，如图6所示。

控制器124可以表示一个或多个处理器(即，微处理器、中央处理单元等)，一个或多个处理器控制现场装置102的部件以响应于指令的执行来执行本文描述的一个或多个功能，指令可以本地存储在装置102的非暂时性计算机可读介质或存储器136中。在一些实施例中，控制器124的处理器是一个或多个基于计算机的系统的部件。控制器124可以包括一个或多个控制电路、基于微处理器的引擎控制系统、一个或多个可编程硬件部件，例如现场可编程门阵列(FPGA)，一个或多个可编程硬件部件用于控制装置102的部件以执行这里描述的一个或多个功能。控制器124还可以表示其他传统的现场装置电路。

根据传统的歧管104，例如通过过程界面106，可调节歧管104的阀调125以使现场装置102暴露于过程108。这允许现场装置102使用图6中的方框126表示的一个或多个压力传感器感测或测量过程108的压力或压差。

测量电路128表示与传感器126相互作用的电路。例如，电路128可以包括转换来自传感器126的输出以供现场装置102的控制器124使用的电路。

控制器124可以使用DAC 130将数字信号转换为模拟信号，模拟信号使用通信电路132传送到控制单元121，例如通过调整回路电流I在双线过程控制回路122上传送到控制单元121，以指示由传感器126感测的过程参数的值。控制器124还可以使用传统技术通过通信电路132从控制单元121接收通信。

如上所述，密封电绝缘系统118密封现场装置102和歧管104之间的界面116，并且将现场装置102与歧管104电隔离，以保护现场装置102的电子器件免于阴极保护方案，例如由系统112(图1A)提供的阴极保护方案。将参考图7描述系统118和现场装置102的实施例的细节，图7是当组装组件114时(图2)大致沿着图3的线7-7截取的组件114的一部分的简化剖视图。

现场装置102包括壳体144，壳体144封闭并保护现场装置102的电子器件免受环境条件的影响。壳体144包括基部146，基部146可使用螺栓148安装到歧管104，螺栓148使用螺栓套管115与基部146和歧管104隔离，如图2和3所示。在一些实施例中，界面116形成在基部146的基部界面150和歧管104的共面界面152之间。

共面界面152包括一个或多个歧管过程开口154，例如歧管过程开口154A和154B，每个歧管过程开口154在歧管104的法兰155的平面中对准。尽管共面界面152被示为形成在歧管104的法兰155上，可以理解的是，现场装置组件114的实施例可以利用具有共面界面152的任何合适的法兰来代替所描绘的歧管104，例如传统的法兰、共面法兰、德国标准化研究所(DIN)法兰或其他法兰。因此，现场装置组件114的实施例包括例如现场装置102、具有共面界面152和一个或多个开口154的法兰155、以及在法兰155的共面界面152和现场装置102的基部146之间的界面116处的密封电绝缘系统118的组合。

在一些实施例中，开口154A和154B通向歧管104(即，法兰155)的相应流体通道156，例如流体通道156A和156B，如图7所示。流体通道156A和156B可以通过合适的过程界面106联接到过程108，如图2所示。歧管界面152可以基本上是平的。

基部界面150包括一个或多个基部过程开口158，例如基部过程开口158A和158B，一个或多个基部过程开口158被配置成与对应的歧管过程开口154A和154B对准。基部过程开口158允许现场装置102的一个传感器或多个传感器126暴露于由歧管104通过通道156提供的过程。基部界面150可以是基本上平坦的。

一个或多个歧管过程开口154和基部过程开口158可用于将传感器126暴露于过程参数。例如，示例性现场装置102采用压差变送器的形式，压差变送器包括膜片160A和160B，膜片160A和160B分别通过歧管过程开口J54A和154B和基部过程开口158A和158B暴露于歧管104的通道156A和156B中的压力P1和P2，如图7所示。膜片160A和160B响应于压力P1和P2而弯曲。弯曲膜片160A和160B通过管线162A和162B将感测到的压力传递给压力传感器126，管线162A和162B可以填充有液压流体。测量电路128可以从传感器126接收一个或多个信号，并产生压差信号，其由箭头164指示。控制器124可以使用任何合适的技术，例如通过在双线过程控制回路122上调节电流I，如上面参考图6所讨论的，将由信号164指示的压差测量值传送到控制单元121。

密封电绝缘系统118在歧管过程开口154A和154B与基部过程开口158A和158B之间的界面116处形成密封通道165A和165B，以防止过程流体在界面116处泄漏，并且确保可以进行适当的过程测量(例如，压力测量)。另外，系统118将传感器126、测量电路128、控制器124和/或额外的现场装置电路与阴极保护方案电隔离，阴极保护方案可以通过歧管104用于现场装置102的壳体144。即，由于系统118，在歧管104和现场装置102之间不存在导电路径，该导电路径可以将现场装置102的电子器件暴露于由系统112(图1A)实现的阴极保护方案。

尽管图2和图7的示例性现场装置102成压差变送器的形式，但是应该理解，本公开的实施例不限于压差变送器。因此，系统118的实施例可以与其他类型的现场装置102一起使用，其中系统118可以用于形成密封通道165和/或提供电隔离，现场装置102例如为，测量压力、温度、流速、和/或测量另一个过程参数或控制过程的现场装置。

在一些实施例中，密封电绝缘系统118包括垫圈166，垫圈166先前由图3和5中的垫圈119表示。在一些实施例中，系统118还包括一个或多个O形环168，如先前由O形环120表示的那样。每个O形环168可以与垫圈166分开。也就是说，在一些实施例中，O形环168不一体地形成或固定在相应垫圈166的凹部内。

图8是系统118的界面116处的在图7的圆圈8内的部分的放大视图。图9是根据本公开的实施例形成的示例性垫圈166的仰视图。图10是图9的垫圈166的大致沿线10-10截取的侧视剖视图，且图11是垫圈166的在图7的圆圈11内的一部分的放大视图。

垫圈166包括介电材料或基本上由介电材料形成，以为现场装置102提供所需的电绝缘，介电材料例如为聚甲醛(POM)。在一些实施例中，垫圈166由基本上同质的材料形成。在一些实施例中，垫圈没有金属板。垫圈166基本上或完全覆盖基部界面150并使基部界面150从歧管界面152移位，如图7和8所示。这种布置防止现场装置102的壳体144与歧管104之间的直接接触，并将现场装置102与歧管104电隔离。

垫圈166包括一个或多个垫圈过程开口170，一个或多个垫圈过程开口170对应于基部过程开口158和歧管过程开口154。例如，垫圈166可包括垫圈过程开口170A和170B，垫圈过程开口170A和170B分别与对应的基部过程开口158A和158B以及歧管过程开口154A和154B对准。垫圈166还可包括螺栓开口171，螺栓148可通过螺栓开口171延伸以将歧管104附接到基部146。

在一些实施例中，歧管过程开口154、基部过程开口158和垫圈过程开口170具有基本相同的尺寸和形状。在一些实施例中，垫圈过程开口170是圆形的并且具有大约1.0英寸的直径。在一些实施例中，分隔垫圈过程开口170A和170B的距离188(图11)可以是大约0.30英寸。另外，在一些实施例中，垫圈过程开口170的中心由距离189(图9)分开，该距离小于2.126英寸，例如大约1.30英寸的标准距离。

垫圈166包括顶表面172和底表面174，如图10所示。顶表面172配置成与基部界面150接合，如图7和8所示。底表面174配置成与歧管界面152接合，如图7、图8和图12所示，图12是示例性歧管104的等距视图，示出了垫圈开口170与歧管开口154的对准。在一些实施例中，垫圈166包括环形突起176，例如环形突起176A和176B，环形突起176从底表面174延伸且围绕每个垫圈过程开口170，如图9所示。突起176配置成接合围绕相应的歧管过程开口154的歧管界面152，如图12所示。

在一些实施例中，除了在突起176处，垫圈166具有均匀的厚度180，在突起176处，垫圈166具有更大的厚度182，如图11所示。在垫圈166压靠歧管界面152(图8)的过程中，增大的密封压力通过突起176施加到围绕开口154的歧管界面152上。这增强了在歧管过程开口154周围通过垫圈166形成的密封。

在一些实施例中，垫圈的厚度180在0.050-0.070英寸的范围内，例如0.060英寸。在一些实施例中，垫圈166在突起176处的厚度182比垫圈166的其余部分的厚度180厚大约10％-22％。因此，厚度182可以在例如0.066英寸-0.085英寸的范围内。在一些实施例中，厚度182比厚度180厚约0.005英寸-0.015英寸，例如比厚度180厚0.010英寸。

垫圈166的尺寸通常与基部界面150的表面区域相匹配，以使现场装置102与歧管104电绝缘。在一些实施例中，垫圈166的宽度184约为2.40英寸，并且长度186约为2.90英寸，如图9所示。

每个O形环168可采用任何合适的形式。在一些实施例中，一个或多个O形环168各自是由聚四氟乙烯或其他合适材料形成的热压O形环。每个O形环168与垫圈166的表面172接合以围绕垫圈过程开口170，以在它们之间形成密封，如图7和8所示。因此，O形环168A接合垫圈166的表面172以围绕垫圈过程开口170A以形成围绕开口170A的密封，并且垫圈168B接合垫圈166的表面172以围绕垫圈过程开口170B以在开口170B周围形成密封。

每个O形环168还围绕相应的基部过程开口158形成抵靠基部界面150的密封，如图7和8所示。在一些实施例中，基部界面150包括一个或多个焊接环190，例如焊接环190A和190B，一个或多个焊接环190分别围绕基部过程开口158A和158B。在一些实施例中，每个O形环168接合相应的焊接环190，以在O形环190和基部界面150之间围绕相应的基部过程开口158形成密封。

因此，系统118操作以在歧管界面152处围绕歧管过程开口154和垫圈过程开口170中的每个形成密封，在垫圈166和O形环168之间的界面处围绕每个垫圈过程开口154形成密封，以及在O形环168和基部界面150之间的界面处围绕每个基部过程开口158形成密封。因此，系统118在界面116处形成密封通道165，密封通道165在相应的歧管过程开口154和基部过程开口158之间延伸。

系统118还操作以使用垫圈166将现场装置102与歧管104电隔离，并因此与由系统112(图1A)实现的任何阴极保护方案电隔离。即，系统消除现场装置的壳体144和歧管104之间的导电路径。在一些实施例中，系统118还可以包括用于将现场装置102的基部146连接到歧管104的螺栓148(图2和3)的电绝缘螺栓套管115(图1B)，以消除基部146和歧管104之间的通过螺栓148的导电路径。

一些实施例涉及一种方法，该方法使用根据本文所述的一个或多个实施例形成的密封电绝缘系统118密封法兰155的共面界面152(例如歧管104的共面界面)与用于工业过程的现场装置102的基部界面150之间的流体通道，并电绝缘现场装置102与法兰155。虽然以下示例性方法具体使用歧管104的法兰，但应理解，该方法的实施例包括使用具有共面界面152的任何合适的法兰。

图13是示出该方法的示例性实施例的流程图，其中系统118包括垫圈166和O形环168，垫圈166包括介电材料。垫圈166包括垫圈过程开口170(例如，开口170A或170B)、顶表面172、与顶表面172相反的底表面174、以及从底表面174延伸并围绕垫圈过程开口170的环形突起176(例如，环形突起176A或176B)，如图9-11所示。O形环168接合垫圈166的顶表面172以围绕垫圈过程开口170。

在该方法的190处，突起176接合围绕歧管或法兰过程开口154(例如，歧管或法兰过程开口154A或154B)的共面界面152。在192处，O形环168与基部界面150接合以围绕基部过程开口。在194处，现场装置102使用垫圈166与歧管104的法兰155电绝缘。在196处，通过在共面歧管界面152和基部界面150之间压缩O型环168和垫圈166，密封通道165形成在共面歧管界面152和基部界面150之间并且通过歧管过程开口154、垫圈过程开口170、O形环168和基部过程开口158。因此，密封电绝缘系统118密封界面116并使现场装置102与歧管104(即，法兰155)和阴极保护方案电绝缘，例如阴极保护方案可以在过程容器上实施，过程容器例如为包含过程材料的管道110(图1A)或槽。

尽管已经参考优选实施例描述了本公开的实施例，但是本领域技术人员将认识到，可以在形式和细节上进行改变而不脱离本公开的精神和范围。