专利名称：用于过程控制变送器的过程密封件的制作方法
技术领域：
本发明涉及过程控制变送器。本发明尤其涉及用于过程控制变送器的过程密封件。
背景技术：
检测压力的变送器通常具有连接到至少一个隔离膜片的压力传感器。隔离膜片隔离压力传感器与被检测的腐蚀性过程流体。压力通过在通道中运载的基本上不可压缩的隔离流体从隔离膜片传递到具有检测隔膜的传感器。题目为“模块化压力变送器”的美国专利4,833,922，以及题目为“带有应力隔离凹陷的压力变送器”的美国专利5,094,109示出了这种类型的压力变送器。
用于变送器的过程流体密封机构应当可以在宽的化学环境的范围、温度范围和应力条件下工作，并且在宽范围的压力下良好地工作。Teflon和其它碳氟化合物属于优选的密封化合物之列。Hastelloy，316不锈钢和其它耐腐蚀性材料优选作为润湿表面的构成材料。尽管这些材料具有非常好的耐腐蚀性能，但是它们的机械性能，诸如耐腐蚀合金的屈服强度和密封材料的抗挤压性最多也只不过是最低限度的。密封材料在经受高压和高温时趋向于被挤压。因此，密封材料必须被当作垫圈处理。为形成有效地垫圈密封，通常必须使用在显著的挤压下具有大的表面积的密封材料。来自压缩的应力机械地耦合到隔离膜片并最终耦合到压力变送器的检测隔膜。应力的量随着安装螺栓松动或重新施加扭矩以及随着垫圈密封材料的挤压而变化。这些变化导致压力传感器输出的不稳定。
为了最小化耦合到过程隔离膜片的应力，优选将隔离膜片从密封机构分开，以提供应力隔离。然而，实际的考虑使得隔离膜片的应力隔离很难。工业标准和与现有产品向后兼容的要求规定了组件的螺栓和压力孔的尺寸、位置和图形。变送器的总体几何形状限制了必须被过程密封垫圈和隔离膜片共用的空间。过程隔离膜片必须装配在由螺栓图案确定的边界内。用于密封的螺栓边界内的空间对于隔离膜片一般是不可用的。它经常不利地减小隔离膜片的尺寸，因为较小的隔离膜片对应力耦合更敏感，因此产生不稳定性。
折衷方案必须在若干压力变送器设计的竞争需要中进行1)对具有大的兼容性的隔离膜片的需要；2)对与密封机构的应力良好隔离的隔离膜片的需要；3)对具有足够的表面积的密封机构的需要；4)需要一种密封机构，其用充足的力保持在一起以便具有可靠性；和5)所有的结构装配在螺栓图案确定的边界内的约束。
在授权日为1999年9月21日、专利权人为Peterson、题目为“用于过程控制变送器的自激过程密封件”的与本申请共同转让的美国专利5,955,675中示出和描述了一种技术解决了上述问题中的一些问题。该对比文件描述了一种技术，其中，过程压力用于辅助将过程密封件密封到凸缘。过程密封件具有环形形状，密封材料沿着环的内径被连接到环。所述环适于迫使密封材料与凸缘接触，以防止过程流体经过密封件泄漏。题目为“具有带滚动铰链点的焊接环的压力传感器和变送器”和“具有带滚动铰链点的焊接环的压力传感器和变送器”、授权日分别为1999年7月13日和2000年5月2日的美国专利5,922,965和6,055,863也描述了过程密封件。
发明内容
用于连接到过程的过程控制仪表可被连接到金属凸缘。所述凸缘具有适于填充过程流体的第一通道。所述过程控制仪表具有主体，所述主体具有邻近第一通道的开口，用于在过程控制仪表连接到凸缘时从第一通道接收过程流体。隔膜跨过开口设置，与过程流体流体连通。密封件可紧靠凸缘定位，以防止过程流体通过凸缘和隔膜泄漏。密封件包括位于开口中并连接到主体的环，所述环在主体未连接到凸缘(未加载)时沿着内侧环形肩部充分地与隔膜接触。
还提供了一种将密封件连接到过程变送器的方法，所述方法包括预加载密封件，以将密封件的内环部分推向变送器的隔离膜片。所述方法还包括在实施预加载时将密封件连接到变送器，和在连接之后除去预加载，从而密封件的环形肩部保持与隔膜接触。
图1是根据本发明的具有过程密封件的压力变送器的局部剖视图；图2是现有技术的密封件的剖视图；图3A和3B是图2示出的现有技术的密封件的更详细的剖视图；图4是图中的凸缘中的一部分变送器的剖视图，示出了密封件；图5A和5B是根据本发明的密封件的一个实施例的剖视图。
具体实施例方式
图1示出了根据本发明的典型压力变送器10，其具有变送器主体12、连接凸缘或集管(manifold)13以及传感器主体14。尽管本发明示出了CoplanarTM凸缘，然而本发明可使用任何类型的凸缘、集管或其它适于接纳过程流体的连接装置。传感器主体14包括压力传感器16，变送器主体12包括变送器电路20。传感器电路18通过通信总线22连接到变送器电路20。变送器电路20通过诸如两线过程控制环路23(或电路)等通信线路发送与过程流体压力有关的信息。变送器10可通过控制器25经过控制环路23被完全激励。
在变送器的一个实施例中，压力传感器16测量通路24中的压力P1和凸缘13的通路26中的压力P2之间的压力差。压力P1通过通路32被耦合到传感器16。压力P2通过通路34被耦合到传感器16。通路32通过连接件36和管40延伸。通路34通过连接件38和管42延伸。通路32和34填充有相对不可压缩的流体，诸如油。连接件36和38通过螺纹连接到传感器主体14，并在承载传感器电路18的传感器主体内部与容纳在通路24和26中的过程流体之间提供长火焰淬火路径。
通路24定位在传感器主体14的开口28附近。通路26定位在传感器主体14的开口30附近。隔膜46定位在开口28中，并连接到邻近通路24的传感器主体14。通路32通过连接件36和传感器主体14延伸到隔膜46。隔膜50连接到邻近通路26的传感器主体14。通路34通过连接件38和传感器主体14延伸到隔膜50。
在操作中，当变送器10被螺栓连接到凸缘13时，凸缘13挤压密封件48和52。密封件48被安放在邻近开口24和隔膜46的传感器主体14上，并防止过程流体经过凸缘13从通路24和开口28泄漏到外部环境。类似地，密封件52被连接到邻近开口26和隔膜50的传感器主体14，防止过程流体通过凸缘13从通路26和开口30泄漏到外部环境。密封件48和52根据本发明被构造。密封件48和52将在以下参照图4-5B进行更详细的讨论。
图2是示出现有技术的密封件100的一部分变送器14和凸缘13的剖面图。图3A和3B是现有技术的密封件100的更详细的剖面图。密封件100适于紧靠凸缘13的表面定位，用于防止过程流体经过凸缘泄漏。如图2的插图A(其是密封件100的顶部平面图)中所示，密封件100包括具有外径103和内径106的金属环。
在图3A中示出的图2的剖视图中，密封件100被示出包括外圆周122和内圆周124，它们之间形成空腔，所述空腔中填充有密封材料120。密封件100通过例如焊缝128连接到变送器14。
本发明的一个方面包括认识到现有技术的密封件的间隙126可在制造过程中在密封件100的内径肩部130和隔膜46的外圆周之间形成。这导致施加到隔膜46的力的易变性。该间隙126由从焊缝128产生的焊缝变形形成。例如，如果隔膜46和密封件100被在焊接过程中施加载荷的夹具保持在适当的位置，则焊缝128的收缩(例如在冷却过程中)引起密封件100的金属环向内拉，从而沿着肩部130提起金属环，使其离开隔膜46。这改变了接触面积，引起接触面积变得不均匀。
图3B示出了如图3A示出的剖视图一样的剖视图，但增加了压紧密封件100的过程凸缘。这一点可通过夹紧、螺接或其它技术来实现。如图3B所示，从过程凸缘13施加的载荷引起肩部130推挤隔膜46，从而消除或至少改变间隙126的尺寸。这样，间隙126使得隔膜和密封组件响应于不同的螺栓和凸缘载荷对弯曲或其它变形高度敏感。这种弯曲或运动被传递到隔膜46，并最终在压力测量中引入误差。
本发明提供了一种技术，用于减小由于焊缝收缩产生的间隙126引起的误差，或由于其它原因引起的误差。焊缝收缩可能例如由焊缝的冷却或周围材料的冷却引起。本发明提供了一种结构，以保证隔膜沿着内径肩部的接触大致是一致的和稳定的，不论施加到密封件上的载荷力是多少。这是在密封件处于未加载状态时，通过保证在内环区域的接触来减小或基本上消除如图3A所示的间隙126而被实现的。在一些结构中，本发明与如图2、3A和3B所示的现有技术相比，能够减小由于来自凸缘的安装力引起的误差的50％至75％。
图4是根据本发明的一个典型实施例的侧剖视图，包括密封件200的插图A。类似地，图5A和5B是密封件200的侧剖视图。密封件200包括金属环202，其具有内径或内圆周206和外径圆周203。金属环优选由具有适当的耐腐蚀性的弹性材料形成，以允许暴露到过程流体中。例如，以商标名Inconel销售的冷加工不锈钢或金属、高强度非磁钢可被使用。
图5A和5B更清楚地示出了内部或内圆周224和外部或外圆周222。图5A也示出了环状肩部区域230。图5A示出了连接到变送器14之前的密封件100。环状接触区域228通过在连接过程中施加载荷力沿着肩部230形成。设置倒锥236，其具有高度226，所述高度226大于由于焊接过程引起的焊缝变形。当密封件200被保持在该位置时，形成焊缝(参见图5B中的232)。焊缝232例如可利用激光焊接来形成，从而将密封件200连接到变送器14。
图5B是跟随焊接过程的密封件200的结构的剖视图。如图5B所示，任何由于焊缝232的收缩引起的焊接变形被预载荷抵销，从而肩部230沿着其圆周与变送器14和隔膜46的表面保持一致和稳定的接触。
斜面或倒锥236优选被构造和具有足够的深度，从而，当焊接期间施加预载荷力时，由倒锥236提供的间隙226的一部分被保持。然后焊缝232保持在肩部230处的接触，并沿着由肩部230形成的内环面提供一些残余载荷。该残余载荷消除或基本上减小如图3A所示的现有技术的结构中的间隙126。这样，由于间隙126减小，当不同的凸缘和/或载荷或条件被施加到密封件200上时，沿着肩部230的接触面积不会明显地变化。通过减小由于施加到隔膜46上的任何外力引起的接触面积的任何变化或改变，可减小测得的压力的误差。
在如图6所示的替代实施例中，内环肩部330形成为扩大的区域，从而延伸到环的外环区域336之外。这样，当环被预加载时，在内肩部330处的接触被保证，并且该接触在预载荷被除去之后仍然保持。
本发明还包括将密封件连接到变送器的方法，该方法减小当密封件在载荷下被放置时施加到隔膜上的力的变化。根据该方法，密封件200在如图5A所示的焊接过程或其它连接过程中被预加载。跟随连接过程，预载荷被除去，环状肩部230保持与隔膜46的充分接触，而不管焊缝232的任何收缩。
尽管激光焊在此被具体描述，但本发明可用于任何在连接过程后会引起密封件200中的变形的连接技术。典型地，密封件200包括金属，然而，也可根据需要使用其它材料。密封和填充材料120可以与密封件200一起使用。可使用任何适当的材料，包括例如，玻璃填充Teflon、石墨填充Teflon、Viton或其它在现有技术中已知的用于生产O形环等的材料。
尽管已经参照优选实施例对本发明进行了描述，然而本领域的技术人员将会认识到，在不偏离本发明的实质和范围的情况下可以在形式和细节上进行变化。本发明可应用于并与其它的密封结构一起使用，并不限于这里描述的特定结构。其它类型的密封唇、铰接或涂敷的凸缘可被使用，或者材料或填充物。沿着凸缘外径的倒锥可使用包括切削加工的任何技术来获得。在一些实施例中，倒锥由于施加预载荷力或其它技术来获得，以获得期望的剖面。
权利要求
1.一种用于耦合到过程的过程控制仪表，所述过程控制仪表能够连接到金属凸缘，所述金属凸缘具有适于填充过程流体的第一通道，所述过程控制仪表包括主体，所述主体具有邻近第一通道的开口，用于在过程控制仪表连接到凸缘时从第一通道接收过程流体；和隔膜，所述隔膜跨过开口设置，与过程流体流体连通；密封件，所述密封件适于紧靠凸缘定位，以防止过程流体通过凸缘和隔膜泄漏，其中密封件包括位于开口中并连接到主体的环，所述环在主体未连接到凸缘(未加载)时沿着内侧环形肩部与隔膜接触。
2.根据权利要求1所述的过程控制仪表，其特征在于，密封件包括沿着外环部分的锥形部分。
3.根据权利要求1所述的过程控制仪表，其特征在于，包括在密封件中的填充材料。
4.根据权利要求1所述的过程控制仪表，其特征在于，所述密封件被焊接到主体。
5.根据权利要求4所述的过程控制仪表，其特征在于，所述焊接包括激光焊接。
6.根据权利要求1所述的过程控制仪表，其特征在于，包括凸缘，被构造用于对密封件加载。
7.根据权利要求6所述的过程控制仪表，其特征在于，将凸缘连接到主体的密封力引起密封件从未加载状态变形。
8.根据权利要求7所述的过程控制仪表，其特征在于，所述变形沿着外环和主体之间的间隙发生。
9.根据权利要求8所述的过程控制仪表，其特征在于，所述变形沿着离开凸缘表面的方向。
10.一种将密封件连接到过程变送器的方法，所述方法包括预加载密封件，以将密封件的内环部分推向变送器的隔离膜片；在实施预加载时将密封件连接到变送器；和在连接之后除去预加载，从而密封件的环状肩部保持与隔膜接触。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，密封件包括沿着外环部分的锥形部分。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，包括在密封件中放置填充材料。
13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，连接密封件包括焊接。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述焊接包括激光焊接。
15.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，包括应用凸缘，所述凸缘被构造用于对密封件加载。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，将凸缘连接到主体的密封力引起密封件从未加载状态变形。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述变形沿着外环和主体之间的间隙发生。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述变形沿着离开凸缘表面的方向。
19.一种过程变送器，包括根据权利要求11所述的方法连接的密封件。
全文摘要
一种用于耦合到过程的过程控制仪表，所述过程控制仪表可连接到金属凸缘，所述金属凸缘具有适于填充过程流体的第一通道。所述过程控制仪表包括主体，所述主体具有邻近第一通道的开口，用于在过程控制仪表连接到凸缘时从第一通道接收过程流体。隔膜跨过开口设置，与过程流体流体连通。密封件适于紧靠凸缘定位，以防止过程流体通过凸缘和隔膜泄漏。密封件包括位于开口中并连接到主体的环，所述环在主体未连接到凸缘(未加载)时沿着内侧环形肩部与隔膜接触。
文档编号F16J15/06GK1654938SQ200510007898
公开日2005年8月17日 申请日期2005年2月6日 优先权日2004年2月9日
发明者戴维·A·布罗登 申请人:罗斯蒙德公司