用于过程控制变送器的过程密封件的制作方法

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，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。隔离膜片将压力传感器与被检测的腐蚀性过程流体隔离开。通过通道中承载的基本上不可压缩的隔离流体将压力从隔离膜片传递到具有传感膜片的传感器。题目为“模块化压力变送器”(Modular Pressure Transmitter)的美国专利No.4,833,922以及题目为“带有应力隔离凹陷的压力变送器”(Pressure Transmitter With Stress Isolation Depression)的美国专利No.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能够在较宽的化学环境范围、较宽的温度范围以及较宽的应力条件下进行操作，并且应该能够在较宽的压力范围内良好地工作。优选的密封化合物包括Teflon和其他碳氟化合物。Hastelloy、316不锈钢以及其他抗腐蚀材料优选作为润湿表面的构造材料。尽管这些材料具有非常好的抗腐蚀性，但是它们的机械性能，诸如抗腐蚀合金的屈服强度和密封材料的抗挤压性等最多是勉强够用。当经受高温高压时，密封材料易于被挤出。出于这个原因，密封材料必须处理成垫片。为了利用垫片形成有效的密封件，通常需要具有在显著的压缩作用下具有大的表面积的密封材料。来自压缩的应力被机械地连接至隔离膜片，并最终连接到压力变送器的传感膜片。当装配螺栓松开或者被再次旋转时，并且当垫片密封材料被挤出时，随着时间的过去应力量会发生变化。这些变化导致压力传感器的输出的不稳定性。
为了最小化连接到过程隔离膜片的应力，优选将膜片与密封机构分离开，以提供应力隔离。然而，实际的考虑使得膜片的应力隔离非常困难。工业标准以及对现存产品的向后兼容的需要限定了螺栓的尺寸、位置和结构以及组件的压力孔。变送器的整个几何形状限制了必须被过程密封垫片和隔离膜片共享的空间。过程隔离膜片必须装配在被螺栓结构限定的边界内。用于密封的螺栓边界内的空间对于隔离膜片来说通常是不可利用的。减小隔离膜片的尺寸常常是不希望发生的，因为较小的隔离膜片对应力连接更敏感，结果由此产生不稳定性。
在压力变送器设计中通常必须在以下几个竞争性需要中进行权衡1)需要大的依从膜片(compliant diaphragm)；2)需要与密封机构的应力较好地隔离开的膜片；3)需要具有足够表面积的密封机构；4)需要以足够的力保持在一起以便更加可靠的密封机构；以及5)所有结构装配在被螺栓结构限定的边界中的约束条件。
在美国专利No.5,955,675中示出和描述了解决这些问题中的一些问题的一种技术，该美国专利于1999年9月21日授予Peterson，题目为“用于过程控制变送器的自激过程密封件(Self Energizing Process Seal ForProcess Control Transmitter)”，其与本申请一起被转让。该参考文件描述了一种技术，其中过程压力被用于辅助过程密封件对凸缘的密封。过程密封件具有环状形状，并且密封材料沿着它的内径连接至环。所述环适于迫使密封材料与凸缘接触，以防止过程流体通过密封件泄漏。

发明内容
本发明提供一种用于过程控制变送器的过程密封件。所述密封件包括外径区域和内径。拱形区域定位在内径和外径区域之间。在一方面中，为了将过程变送器密封到连接凸缘上，设置金属对金属密封件。
附图简述

图1是根据本发明的具有过程密封件的压力变送器的剖视片断视图；图2是图1中的凸缘里的一部分变送器的剖视图，示出了密封件；
图3是图2所示密封件的较详细的剖视图；图4A和4B是根据本发明另一实施例的密封件的剖视图；以及图5是根据本发明的被构造成包括选择性垫片的密封件的剖视图。
具体实施例方式
图1示出了根据本发明的示例性压力变送器10，所述压力变送器10具有变送器主体12、连接凸缘或歧管13以及传感器主体14。尽管本发明被示出带有CoplanarTM凸缘，但是本发明可以使用任何类型的凸缘、歧管或其他适于容装过程流体的连接件。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连接至变送器电路20。变送器电路20经过诸如两线过程控制环路23(或电路)的通信链路传送与过程流体压力相关的信息。变送器10可以通过控制环路23由控制器25整体地供以电力。
在变送器的所述一个实施例中，压力传感器16测量通道24中的压力P1与凸缘13的通道26中的压力P2之间的压力差。压力P1通过通道32连接至传感器16。压力P2通过通道34连接至传感器16。通道32通过连接件36和管40延伸。通道34通过连接件38和管42延伸。通道32和34填充有相对不可压缩的流体，诸如油等。连接件36和38通过螺纹连接在传感器主体14中，并且在承载传感器电路18的传感器主体内部以及容纳在通道24和26中的过程流体之间提供长的火焰淬火通路。
通道24定位在传感器主体14中的开口28附近。通道26定位在传感器主体14中的开口30附近。膜片46定位在开口28中并且连接到通道24附近的传感器主体14。通道32通过连接件36和传感器主体14延伸至膜片46。膜片50连接至通道26附近的传感器主体14。通道34通过连接件38和传感器主体14延伸至膜片50。
在操作中，当变送器10通过螺栓固定在凸缘13上时，凸缘13压在密封件48和52上。密封件48安置在开口24和膜片46附近的传感器主体14上，用于防止过程流体从通道24和开口28经过凸缘13泄漏到外部环境。类似地，密封件52连接至开口26和膜片50附近的传感器主体14上，用于防止过程流体从通道26和开口30经过凸缘13泄漏到外部环境。根据本发明的密封件48和52优选是一样的。稍后将参考图2-5详细描述密封件48。
本发明提供优于现有技术中的密封技术的以下优点1)减小提供有效密封所需的力；2)使密封力极大地独立于将变送器连接至过程凸缘的螺栓中的张力所提供的力；3)使用过程压力本身提供用于以高压密封的力；4)缓解对于将具有优良机械性能的材料用于制造环的需要，从而能够使用具有改进的腐蚀特特性的材料；以及5)具有以极大的高压，例如超过10,000psi，密封过程流体的能力。
典型的现有技术中的密封件设计需要非金属材料，诸如O形环和PTS垫片。这些材料不能很好地适应在压力和温度极限值下的长期使用。本发明提供一种用于过程装置中的金属对金属密封件，以解决与非金属密封件相关的问题。
图2是示出了密封件100的凸缘13和变送器14的一部分的剖视图。图3是连接至变送器14的密封件100的详细剖视图。密封件100适于紧靠凸缘13的表面定位，用于防止过程流体通过凸缘泄漏。如图2中插图(inset)A所示，示出了密封件100的俯视图，密封件100包括具有外径103和内径106的环。金属环优选由具有适当抗腐蚀性的弹簧材料制成，以允许暴露于过程流体。例如，可以使用以商标名称Inconel进行出售的经冷加工的不锈钢或金属、高强度非磁钢。能够使用延展材料(诸如镍等)对密封环100进行电镀。另一种示例性材料是银。这种电镀能提供低压下的过程流体密封。当过程压力增加时，环100的结构使得附加的压力将被施加到密封件上。这样抵消将凸缘13和变送器14推开的压力所引起的螺栓预载力的“卸载”。如图3中所详细示出的一样，环100被构造成当被卸载或者被释放(即，不连接至凸缘13)时，延伸出凸缘13的表面平面。凸缘13安装至变送器时的弹簧力防止过程流体在低压下泄漏，同时自激特征(self-energizing)防止高压下过程流体泄漏。焊缝111将环100固定到主体14上。任何适当的焊接或结合技术均能被使用。
根据本发明的一方面，密封件100包括中间部分120，其定位在外径103和内径106之间。中间部分120具有与密封件100的整体形状相一致的大体为环形的形状，并且具有示出在图3的剖视图中的拱形。所述拱形是沿远离凸缘13的方向弯曲的，从而当凸缘13与密封件100接触时，凸缘13的表面接触由中间部分120形成的拱形的最远端部分。该接触安装力使中间部分120向图3中122所示的位置偏移距离d。
用诸如镍等延展材料涂敷密封件100的中间部分120。例如，可以使用已知技术将延展材料镀在环100上。延展材料的厚度应当足以经受在装置的期望寿命期间的一般使用所产生的磨损。涂层厚度通常可以为0.001至0.005英寸。中间部分120相对于凸缘13表面的弹簧加载力使得延展材料密封在凸缘13的金属表面上。例如，凸缘13可以包括不锈钢或其他适当的金属。
在本发明的另一方面中，选择性密封垫片材料130能围绕环100的外凹陷132延伸。外凹陷132大体围绕环100的外圆周延伸。密封材料102可以是任何适当的材料，例如填有Teflon的玻璃、填有Teflon的石墨、Viton或其他现有技术中已知的用于制造O形圈或类似物的材料。
密封材料130能提供对过程流体的附加密封，这对于较低的过程压力尤其有效。这样，由中间部分120相对于凸缘13的表面提供的金属对金属密封提供高压下的过程流体密封，同时密封材料130提供低压下的过程流体密封。
尽管中间部分120示出为具有拱形，但是其他结构也可以被使用，其中环100的一部分沿向着凸缘13表面的方向突起，并且被构造成接触凸缘13的表面。在一方面中，接触部分具有弯曲的外形。
图4A和4B是根据本发明另一实施例的密封件200的剖视图。密封件200包括通过焊缝111固定至变送器主体14的环。密封件200包括柔性向内的延伸202，所述柔性向内的延伸202从环200的外径沿径向向内突出并且是柔性材料。弯曲的接触区域204被定位在密封件200的中间直径处，并且被构造成邻接凸缘13。在图4B的剖视图中，密封件100已经发生变形，从而接触区域204由于与凸缘13的接触而向内移动。这样在接触区域和凸缘13之间提供相对较小的接触面积，由此沿着接触区域204集中来自过程压力的力。环200应当优选由经回火的弹簧或弹簧材料制成，并且能够抗腐蚀以满足所需应用的要求。可以使用经冷加工的不锈钢或者Havar“超合金”。如上所述，延展材料能够被涂敷在密封件200上，尤其是沿接触区域204涂敷。弹簧力使得密封件200在低的过程压力下提供流体密封。设计的自激结构在高压下提供附加的密封力。所述构造不需要附加的、非金属密封材料。该结构提供用于接触区域204的弹簧加载悬臂支撑。
图5是密封件250的另一个示例性实施例的剖视图，其中包括向内的延伸252，所述向内的延伸252终止于内径弯曲接触区域254。该结构与图4A和4B中示出的结构相类似，然而，可以使用选择性密封材料130以在低的过程压力下提供附加的密封。延展材料的涂层可以用在图5的密封件250上。如果使用这种涂层，则至少应该覆盖区域254。
金属密封件与凸缘的接触区域优选具有弯曲的外形。这样提供较好的密封，并且减少了金属对金属接触破坏凸缘13的可能性。
尽管已经参考优选实施例描述了本发明，然而本领域技术人员将理解，在不偏离本发明的实质和范围的情况下，能够实现形式和细节上的改变。
权利要求
1.用于连接至一过程的过程控制仪器，所述过程控制仪器可连接至具有适于填充过程流体的第一通道的金属凸缘，所述过程控制仪器包括主体，所述主体具有邻近第一通道的开口，用于在过程控制仪器连接至凸缘时接收来自第一通道的过程流体；以及密封件，所述密封件适于定位在凸缘上以防止过程流体通过凸缘泄漏，其中密封件包括定位在所述开口中并且连接至主体的金属环，所述金属环构造成利用金属凸缘表面提供金属对金属密封，以防止过程流体通过它泄漏。
2.根据权利要求1所述的仪器，其中，所述金属环包括在其内径和外径之间的中间部分，其中，所述中间部分相对于凸缘的表面呈拱形，并且所述拱形是沿着远离凸缘表面的方向弯曲的，从而高的过程流体压力使拱形部分沿着凸缘表面的方向变平。
3.根据权利要求1所述的仪器，其中，所述金属环包括接触区域，所述接触区域被构造成与凸缘接触。
4.根据权利要求3所述的仪器，其中，所述接触区域是弯曲的。
5.根据权利要求3所述的仪器，其中，至少所述接触区域被涂敷以延展材料。
6.根据权利要求5所述的仪器，其中，所述延展材料包括镍。
7.根据权利要求1所述的仪器，其中，包括沿着被构造用来对凸缘进行密封的金属环设置的垫片材料，其中，所述垫片材料从金属对金属密封件隔离开。
8.根据权利要求1所述的仪器，其中，所述金属环在其外径附近形成通道，并且进一步包括沿所述通道延伸的密封材料。
9.根据权利要求1所述的仪器，其中，所述金属环被焊接至主体。
10.根据权利要求1所述的仪器，其中，所述金属环在处于卸载状态时延伸出所述主体的表面以外。
11.根据权利要求10所述的仪器，其中，将凸缘连接至主体的密封力使金属环由卸载状态发生变形。
12.根据权利要求11所述的仪器，其中，所述变形是沿远离凸缘表面的方向的。
13.一种变送器，用于提供指示过程流体压力的输出，所述变送器能够连接至具有适于填充过程流体的第一通道的凸缘，所述变送器包括主体，所述主体具有邻近第一通道的开口，适于在变送器连接至凸缘时接收来自第一通道的过程流体，所述主体还具有第二通道，所述第二通道填充有第一流体并且从开口附近的位置延伸到用于提供与压力有关的输出的传感装置；隔离膜片，所述隔离膜片位于主体的开口中，并且使开口和第一通道与第二通道分离开，从而适于防止过程流体进入第一通道；以及密封件，所述密封件定位于所述开口中以防止过程流体通过凸缘从第一通道和开口处泄漏，所述密封件包括金属环，所述金属环构造成对凸缘提供金属对金属密封，其中，将主体连接至凸缘的密封力将金属环的接触区域压紧在凸缘上。
14.根据权利要求13所述的变送器，其中，所述金属环包括在其内径和外径之间的中间部分，其中，所述中间部分相对于凸缘的表面呈拱形，并且所述拱形是沿着远离凸缘表面的方向弯曲的，从而高的过程流体压力使拱形部分沿着凸缘表面的方向变平。
15.根据权利要求13所述的变送器，其中，至少所述接触区域被涂敷以延展材料。
16.根据权利要求15所述的变送器，其中，所述延展材料包括镍。
17.根据权利要求13所述的变送器，其中包括沿着被构造用来对凸缘进行密封的金属环设置的垫片材料，所述垫片材料从接触区域隔离开。
18.根据权利要求13所述的变送器，其中，所述接触区域是弯曲的。
19.根据权利要求13所述的变送器，其中，所述金属环在其外径附近形成通道，并且进一步包括沿所述通道延伸的密封材料。
20.根据权利要求13所述的变送器，其中，所述金属环被焊接至主体。
21.根据权利要求13所述的变送器，其中，所述金属环在处于卸载状态时延伸出所述主体的表面以外。
22.根据权利要求21所述的变送器，其中，将凸缘连接至主体的密封力使金属环由卸载状态发生变形。
23.根据权利要求22所述的变送器，其中，所述变形是沿远离凸缘表面的方向的。
24.根据权利要求1所述的仪器，其中，所述密封件包括接触区域，所述金属环的一部分适于在过程流体压力的作用下发生弯曲，并且将金属环的接触区域压紧在凸缘上。
全文摘要
提供一种用于过程控制变送器的过程密封件。所述密封件包括接触区域，所述接触区域对连接凸缘提供金属对金属密封。
文档编号G01L7/08GK1605846SQ20041008496
公开日2005年4月13日 申请日期2004年10月8日 优先权日2003年10月6日
发明者戴维·A·布罗登, 丹尼尔·A·诺伯格 申请人:罗斯蒙德公司