专利名称：具有防漏传感器壳体的压力变送器模块的制作方法
背景技术：
共面压力变送器典型地连接至单独的压力法兰或阀组(valvemanifold)，以完成连接至过程流体系统中的螺纹管。压力法兰或阀组的使用提高了成本，降低了性能，并且给系统增加了泄漏点。
共面压力变送器具有典型地直接焊接至模块壳体的压力法兰的隔离器隔膜(isolator diaphragm)，所述模块壳体使用装配螺栓连接至压力法兰。当所述模块壳体经受来自上紧的装配螺栓的机械应力时，机械应力可使所述模块壳体和隔离器隔膜变形，造成测量误差。
因此需要一种改进共面压力变送器的能力的方法和设备。本发明的实施例提供了这样的改进，并且提供了相对于现有技术的其它优点。
发明内容
本发明披露了一种包括传感器组件的压力模块。所述传感器组件包括压力传感器、流体隔离器部件和管。所述管从压力传感器延伸到流体隔离器部件。
压力模块也包括模块壳体。所述模块壳体形成其中容纳压力传感器的空腔(cavity)。所述模块壳体包括支承件，所述支承件结合到流体隔离器部件，以提供防止过程流体漏入空腔的屏障。
所述压力模块也包括安置在模块壳体的底部外侧表面上的螺纹过程入口。所述螺纹过程入口使过程流体通过模块壳体中的过程通道连接到流体隔离器部件。
在阅读以下详细描述和相关附图后，表现本发明的实施例的特征的其它特性和益处将变得显然。
图1-2示出典型的现有技术压力变送器的正视图和侧视图。
图3为现有技术，示出图1-2中所示的模块壳体的部分、压力法兰、和螺栓的部件分解图。
图4为现有技术，示出模块壳体的倾斜剖面图。
图5示出压力模块的第一实施例的倾斜剖面图。
图6示出压力模块的第二实施例的倾斜剖面图。
图7示出流体隔离器部件和模块壳体的第一典型实施例的放大的截面图。
图8示出流体隔离器部件和模块壳体的第二典型实施例的放大的截面图。
图9示出压力模块的第三实施例的俯视图。
图10示出通常沿图9中的线10-10’的压力模块的截面图。
图11示出图9中所示的压力模块的右侧视图。
图12示出通常沿图11中的线12-12’的图9中所示的压力模块的截面图。
图13示出图9中所示的压力模块的底视图。
具体实施例方式
在图5-13中所示的实施例中，隔离器隔膜包含在与模块壳体分离的流体隔离器部件中。以让隔离器隔膜从模块壳体中通过上紧装配螺栓或螺纹连接件产生的应力(法兰效果(flanging effect))隔离的方式，所述流体隔离器部件通过接头(joint)结合至模块壳体。所述接头优选被焊接，以提供防漏密封。如本申请中所用的，术语“焊接接头(weld joint)”和“焊缝(weld)”是指通过加热部分之间的接头接合金属或者陶瓷部分，这样所述部分结合，以形成不依靠机械挤压密封件的流体密封件。焊接包括各种公知的通过加热连接各部分的方法。焊接举例来说包括利用或不利用填充材料的连接，且包括激光、电气、和气体焊接以及用软焊料或钎焊材料的焊接。
这种结构包括入口，所述入口直接螺纹连接到模块壳体中，并不需要单独的压力法兰或阀组，从而通过消除经受化学侵蚀和泄漏的机械压缩密封件提高了安全和可靠性。
在一优选的布置中，所述压力模块保留现有传送器中相同的螺栓和平面过程入口图案(planar process inlet pattern)，从而根据需要，所述布置可与现有过程流体安装向后兼容。通过消除压力法兰和简化机械加工操作，所述设计大体上减少了重量和成本。通过简化机械加工操作和用于制造隔离器部件和模块壳体的材料，实现额外的成本节省。流体隔离器部件的使用优选允许绕与隔离器支承块(isolator support block)共有的中心线加工隔离器卷绕图案(convolution pattern)。所述支承块和模块壳体设计使得两个部分能从工业标准棒料(bar stock)机加工而成。隔离器块的尺寸减少和几何形状简化允许该部分由陶瓷材料制成。在一些高温应用中，由于陶瓷是绝热的，并且能限制热从过程流体流动到传感器204，所以陶瓷是优选的，从而提高了传感器204的性能。
图1-2示出典型的现有技术压力变送器100的正视图和侧视图。压力变送器100包括围住电子电路的电子设备壳体101；及容纳隔离器隔膜、压力传感器、和相关传感器电路的模块壳体102。所述模块壳体102通过螺栓105螺栓固定至压力法兰104。螺栓105也通过法兰适配器接头(union)118。所述法兰适配器接头118具有可连接至螺纹过程管(未示出)的螺纹入口。压力法兰104提供一个或多个过程流体压力106给变送器100进行压力测量。压力变送器100连接至过程环(process loop)103，所述过程环赋能给压力传感器100，并且提供用在过程控制系统中的双向通信。下面将结合图3更详细地描述模块壳体102至压力法兰104和螺栓105的连接。
图3为现有技术，示出图1-2中所示的模块壳体102的下部、压力法兰104、法兰适配器接头118、和螺栓105的分解图。
模块壳体102包括直接焊接到模块壳体102的隔离器隔膜110。模块壳体102也包括具有绕隔离器隔膜110的标准图案内的螺纹螺栓孔112。垫圈114是绕隔离器隔膜110将压力法兰104密封至模块壳体102的机械压缩密封件。螺钉116在装运期间和进行现场过程连接之前临时将压力法兰104和垫圈114保持在原位。压力法兰104与排水阀/排气阀124配合。
法兰适配器接头118螺纹拧在过程流体管(未示出)上，接着通过垫圈120密封到压力法兰104。作为使用法兰适配器接头118的可选物，可将过程管直接螺纹拧进压力法兰104中的螺纹孔122中。螺栓105经过法兰适配器接头118(在使用时)、压力法兰104，并且被螺纹拧进螺纹螺栓孔112中。当螺栓105被拧紧时，垫圈114和120被压缩，以提供用于包含过程流体的机械压缩密封。垫圈114、120提供了为过程流体的潜在泄漏点的机械压缩密封。在下面示出的实施例中，示出通过使用垫圈114的机械压缩密封减少呈现的泄漏可能而提高安全性和可靠性的结构。在下面示出的实施例中，过程管可被直接螺纹拧进模块壳体上的螺纹过程入口，从而消除了垫圈114、120的需要。
图4的现有技术示出模块壳体92的倾斜剖面图。位于模块壳体92内部的压力传感器140通过管142、144连接至隔离器隔膜110。隔离器隔膜110直接焊接到模块壳体92。电路板146提供了与来自传感器142的处理电信号关联的电路。扁平电缆卷轴148容纳扁平电缆，所述扁平电缆提供从电路板146到电子设备壳体(例如，图1-2中所示的壳体101)中的电路的电连接。当螺栓(例如，图1-3中所示的螺栓105)在螺纹螺栓孔112中被拧紧时，随着过程法兰(例如，图1中所示的过程法兰104)和衬垫(例如图2中所示的垫圈114)逐渐收紧在模块壳体92上，模块壳体102可能变形。模块壳体92的可能的变形可使隔离器隔膜110扭曲，造成测量误差。
然而，在下面所示的实施例中，隔离器隔膜包括在从模块壳体分离的流体隔离器部件中。这种隔离防止不想要的机械应力被传递到隔离器隔膜。并且，在下面所示的实施例中，过程管可直接螺纹连接到模块壳体中，消除了对过程法兰、衬垫、和螺栓的需要。
图5示出压力模块200的第一实施例的倾斜剖面图。
压力模块200包括传感器组件202。传感器组件202包括压力传感器204、流体隔离器部件206、208、及从压力传感器204延伸到流体隔离器部件206、208的管210、212。模块壳体214形成其中包含压力传感器204的空腔。所述模块壳体214包括支承件或座壁(socket wall)218、220，所述支承件或座壁218、220支承流体隔离器部件206、208，同时提供模块壳体214和流体隔离器部件206、208之间的机械应力隔离。下面将结合图7-8中所示的实例更详细地描述流体隔离器部件206、208和壁218、220的布置。在优选布置中，模块壳体214包括从标准矩形棒料机加工的基部214A、从标准筒形管料(pipe stock)机加工的螺纹毂214B。基部214A和毂214B在筒形焊接接头214C处焊接在一起。
螺纹过程入口230、232布置在模块壳体214的底部外侧表面234上。螺纹过程入口230、232使过程流体通过模块壳体214中的过程通道236、238连接至流体隔离器部件206、208。螺纹过程入口230、232优选用锥形管螺纹螺纹连接，所述锥形管螺纹可与市场上可买到的PTFE密封剂(例如，TeflonTM密封剂)一起使用，以对具有锥形螺纹的过程管提供高可靠性的密封。
在可选实施例中，平面过程入口240、242包括柱形凹槽，每个柱形凹槽都围绕各螺纹过程入口230、232。垫圈密封表面244、246围绕平面过程入口240、242的每个。这些平面过程入口240、242和垫圈密封表面244、246允许模块壳体214就连接至例如图3中所示的系统等老式连接系统的能力而言向后兼容。密封表面244、246典型地包括槽，然而，密封表面244、246在槽设置在压力法兰的匹配面上的应用中可以是扁平的。
在本实施例中，优选为焊接接头的接头250、252将流体隔离器部件206、208连接至支承件218、220，使得接头250、252形成防止过程流体漏入空腔216的屏障。接头250、252优选为在绕流体隔离器部件206、208的每个的连续圆中的激光焊接接头。过程通道236、238没有例如垫圈等机械压缩流体密封件。存在从螺纹过程入口230、232通过实心模块壳体214至流体隔离器部件206、208的直接连接。过程流体在模块壳体中遇到的唯一密封件是接头250、252，所述接头250、252是高度可靠和防漏的，并且不依赖压缩密封。应理解，隔离器部件可以多种不同结构连接至模块壳体，以形成气密密封。例如，隔离器部件可由陶瓷材料制成，并且钎焊到壳体。
在图5中所示的实例中示出四个带螺纹螺栓孔254的其中之一。在使用螺纹过程入口230、232安装变送器时，未使用螺栓孔254。然而，在使用图3中所示的较老式连接系统进行向后兼容的安装的优选布置中，螺栓孔254是可用的。
图6示出压力模块300的实施例的倾斜剖面图。压力模块300类似于图5中的压力模块200，并且图6中使用的参考标号与图5中使用的参考标号相同，用于表示相同或相似特性。所述压力模块包括螺纹排水/排气(drain/vent)入口302、304和在支承件壁218、220(或可选地，其中支承流体隔离器部件206、208的座的另一部分)和排水/排气阀入口302、304之间延伸的排水/排气通道306、308。排水/排气阀(例如图3中所示的排水/排气阀124)被螺纹连接到排水/排气入口302、304。在过程流体安装中压力模块300的试运行(commissioning)期间，可用扳手临时打开排水/排气阀，以放出过程气体中不想要的液体，或排出过程液体中不想要的气体，从而不想要的气体或液体不会干涉压力模块300的操作。在其它方面中，压力模块300类似于压力模块200。
图7示出模块壳体402中的流体隔离器部件400的第一实施例的放大截面图。
模块壳体402包括支承件，所述支承件呈柱形座壁430的形式，所述柱形座壁成形为隔离支承边缘，以提供螺纹装配孔434(仅有一个在图7中可见)和流体隔离器部件400之间的机械应力隔离。绕座壁430切割柱形密封表面432，以使所述座壁与模块壳体402的主体分离。所述座壁430是高而细的，容易弯曲。座壁430的弯曲可防止机械应力从模块壳体402的主体传递到流体隔离器部件400。流体隔离器部件400大体上没有来自其被密封的安装件(mounting)的机械应力。
螺纹过程入口434可直接连接至螺纹过程管(图7中未示出)，以沿过程流体通道436传送过程压力到隔离器部件414，用于压力传感器的压力传感。过程流体室438绕隔离器隔膜414形成，以允许用于隔离器隔膜414的空间随着压力和温度的改变而偏斜(deflect)。
流体隔离器部件400包括隔离器支承块404，所述隔离器支承块由优选为焊接接头的接头406连接至包括支承件的模块壳体402的一部分。隔离器支承块404包括连接至管410的支承块入口408。管410是连接至压力传感器(图7中未示出)的压力传感器的两个管的其中之一。管410优选通过钎焊接头412密封到支承块入口408。
隔离器隔膜414优选通过周向焊接接头416连接至隔离器支承块404。
隔离流体420填充隔离器隔膜414和隔离器支承块404之间的空间。隔离流体420也填充管410，以将来自隔离器隔膜414的压力耦合到传感器。隔离流体420优选为硅油(silicone oil)。
作为将螺纹管连接至螺纹过程入口434的可选方案，可通过将模块壳体402连接至压力法兰(例如，图1-3中所示的压力法兰104)施加过程流体压力。在该优选布置中，所述压力法兰施加过程流体给平面过程入口440。所述平面过程入口440包括围绕螺纹入口434的凹槽。垫圈密封表面442围绕平面过程入口440。四个螺栓穿过所述压力法兰，并且螺纹连接到四个螺纹螺栓孔434，以在垫圈密封表面442中压缩和密封所述垫圈。
图8示出模块壳体402中的流体隔离器部件50的第二实施例的放大截面图。图8中使用的参考标号与图7中使用的参考标号相同，用于表示相同或相似特性。
在图8中，模块壳体402适于容纳大体上柱形的插入件502，其中支承块404在接头504处连接至所述插入件，所述接头504优选地是焊接接头。在这样的布置中，插入件502有效地变成模块壳体402的部分，但是所述插入件502可由与壳体402不同的材料制成。图8中所示的布置允许流体隔离器部件从模块壳体402的底面以及顶面插入，这允许制造具有灵活性。块和壳体狭槽(未示出)的其它布置也可用于允许流体隔离器部件从模块壳体402的侧面插入。插入件502、支承块404、和隔离器隔膜414的材料可以与模块壳体402的材料不同，以提供改进的抗蚀水平。可选的材料包括工业标准镍基合金，例如HastelloyTM和MonelTM。流体隔离器部件500的使用允许灵活的模块化制造。可在选择的过程润湿材料(例如，不锈钢、Hastelloy、或Monel)和选择的管螺纹(例如，1/8″NPT和1/4″NPT和公制尺寸)的有用组合中保持流体隔离器部件500的商品目录(inventory)。当客户订购压力变送器时，通过从商品目录或者先前完成的流体隔离器部件选择具有所需的过程润湿材料和管螺纹的流体隔离器部件，可将所述变送器快速装配成客户的规格。可以靠近如所示出的外表面放置接头504，或可选地，可靠近另一表面放置接头504，这依赖于应用需要。
图9-13示出压力模块600的实施例的不同的视图。压力模块600类似于图6中所示的压力模块300。图9-13中使用的参考标号与图6中使用的参考标号相同，用于表示相同或相似特征。图9示出压力模块600的顶视图，其中为了简洁起见，省略传感器204及其连接管210、212。图10示出大体沿图9中的线10-10’的压力模块600的截面图。图11示出压力模块600的右侧视图。图12示出大体沿图11中的线12-12’的压力模块600的截面图。图13示出压力模块600的仰视图。
压力模块600包括模块壳体602，所述模块壳体适于包括螺纹阀入口604、606(图10、12中所示)和螺纹阀入口608(图9、11、12中所示)。阀610、612、614被螺纹连接到螺纹阀入口604、606、608。阀610、612、614具有传统设计，并且可被人工致动到打开或关闭位置，以控制压力通过模块壳体602中的过程通道的传送。如图10中最佳所示，截流阀610控制压力通过过程通道620的传送，所述过程通道620在螺纹入口230和流体隔离器部件206之间连接过程流体。如图10中最佳所示，截流阀612控制压力通过连接螺纹入口232和流体隔离器部件208之间的过程流体的过程通道622的传送。如图9和11中最佳所示，均衡阀612控制压力通过连接流体隔离器部件206和流体隔离器部件208之间的过程流体的过程通道624、628的传送。阀610、612、614可结合排水/排气阀640、642使用，以选择压力来施加给压力模块600进行原位校准(in-situ calibration)。锥形螺纹和密封剂优选被用于确保可靠密封。
在其它方面中，压力模块600类似于图6中所示的压力模块300。可将螺纹入口230、232的中心线和螺纹入口230、232的具体管尺寸之间的间距650(图10)选择为匹配过程控制工业中使用的各种标准尺寸和间距。
尽管已经参看优选实施例描述了本发明，但本领域的技术人员将认识到，在不偏离本发明的范围的情况下，可对形式和细节进行改变。
权利要求
1.一种压力模块，包括传感器组件，包括压力传感器、流体隔离器部件、和管，其中所述管从所述压力传感器延伸到所述流体隔离器部件；模块壳体，形成其中包含所述压力传感器的空腔，所述模块壳体包括支承件，所述支承件通过接头连接至所述流体隔离器部件，以提供防止过程流体漏入所述空腔的屏障；以及螺纹过程入口，安置在所述模块壳体的底部外侧表面上，所述螺纹过程入口使所述过程流体通过所述模块壳体中的过程通道连接到所述流体隔离器部件。
2.根据权利要求1所述的压力模块，其中所述接头包括焊接接头。
3.根据权利要求2所述的压力模块，其中所述焊接接头包括软焊料接头。
4.根据权利要求2所述的压力模块，其中所述焊接接头包括激光焊接接头。
5.根据权利要求2所述的压力模块，其中所述焊接接头包括钎焊接头。
6.根据权利要求1所述的压力模块，进一步包括平面过程入口，每个平面过程入口都包括围绕所述螺纹过程入口中的一个的凹槽和围绕所述凹槽的每个的垫圈密封表面。
7.根据权利要求6所述的压力模块，其中所述模块壳体进一步包括围绕所述垫圈密封表面的螺纹装配孔的布置。
8.根据权利要求7所述的压力模块，其中所述支承件形成为隔离支承边缘，以提供所述装配孔和所述流体隔离器部件之间的机械应力隔离。
9.根据权利要求1所述的压力模块，其中所述模块壳体包括座，所述座包括所述支承件，并且所述座容纳所述过程流体。
10.根据权利要求9所述的压力模块，进一步包括所述模块壳体的外侧表面上的螺纹排水/排气入口，每个螺纹排水/排气入口都通过排水/排气通道连接至所述座中的一个。
11.根据权利要求10所述的压力模块，其中所述排水/排气通道包括所述模块壳体中的孔。
12.根据权利要求1所述的压力模块，其中所述流体隔离器部件的每个都包括隔离器支承块，通过所述接头的其中之一连接至所述支承件的其中之一，所述隔离器支承块包括连接至所述管的其中之一的支承块入口；隔离器隔膜，通过周向焊接接头连接至所述隔离器支承块；以及隔离流体，填充所述隔离器隔膜和所述隔离器支承块之间的空间。
13.根据权利要求12所述的压力模块，其中每个隔离器支承块都进一步包括使来自所述支承块入口的隔离流体连接至所述空间的隔离流体通道。
14.根据权利要求12所述的压力模块，其中所述模块壳体包括通常为柱形的插入件，其中所述隔离器支承块在所述接头处连接至所述插入件。
15.根据权利要求1所述的压力模块，其中所述底部外侧表面包括具有四个螺栓孔的密封表面。
16.一种压力模块，包括传感器组件，包括压力传感器、流体隔离器部件、和管，其中所述管从所述压力传感器延伸到所述流体隔离器部件；模块壳体，形成其中容纳所述压力传感器的空腔，所述模块壳体包括支承件，所述支承件通过接头连接至所述流体隔离器部件，以提供防止过程流体漏入所述空腔的屏障；以及螺纹过程入口，布置在所述模块壳体的底部外侧表面上，所述螺纹过程入口使所述过程流体通过所述模块壳体中的过程通道连接到所述流体隔离器部件；截流阀，安装在所述模块壳体上，所述截流阀的每个都控制在所述螺纹过程入口的其中之一和所述隔离器部件的其中之一之间流动的过程流体；以及联接器(coupling)，允许过程流体在所述流体隔离容器(capsule)之间流动。
17.根据权利要求16所述的压力模块，其中所述联接器包括均衡阀，安装在所述模块壳体上，用于控制在所述流体隔离器部件之间流动的过程流体。
18.根据权利要求16所述的压力模块，其中所述接头包括焊接接头。
19.根据权利要求16所述的压力模块，进一步包括平面过程入口，每个平面过程入口包括围绕所述螺纹过程入口的其中之一的凹槽和围绕所述凹槽的每个的垫圈密封表面。
20.根据权利要求18所述的压力模块，其中所述接头从包括焊接接头、激光焊接接头、和钎焊接头的组选择。
21.根据权利要求18所述的压力模块，其中所述模块壳体包括座，所述座包括所述支承件，并且容纳所述过程流体。
22.根据权利要求21所述的压力模块，进一步包括所述模块壳体的外侧表面上的螺纹排水/排气入口，每个螺纹排水/排气入口通过排水/排气通道连接至所述座的一个。
23.根据权利要求22所述的压力模块，其中所述排水/排气通道包括所述模块壳体中的孔。
24.根据权利要求19所述的压力模块，其中所述支承件形成为隔离支承边缘，以提供所述装配孔和所述流体隔离器部件之间的机械应力隔离。
25.根据权利要求16所述的压力模块，其中所述流体隔离器部件的每个包括隔离器支承块，通过所述接头的其中之一连接至所述支承件的其中之一，所述隔离器支承块包括连接至所述管的一个的支承块入口；隔离器隔膜，通过周向焊接接头连接至所述隔离器支承块；以及隔离流体，填充所述隔离器隔膜和所述隔离器支承块之间的空间。
26.根据权利要求25所述的压力模块，其中每个隔离器支承块进一步包括使来自所述支承块入口的隔离流体连接至所述空间的隔离流体通道。
27.根据权利要求25所述的压力模块，其中所述模块壳体包括通常为柱形的插入件，其中所述隔离器支承块在所述接头处连接至所述插入件。
28.根据权利要求17所述的压力模块，其中所述底部外侧表面包括具有四个螺栓孔的密封表面。
全文摘要
一种压力模块(200)包括传感器组件(202)，所述传感器组件具有从压力传感器(204)延伸到流体隔离器部件(206，208)的管(210，212)。压力传感器容纳在模块壳体(214)内的空腔(216)中。所述模块壳体包括支承件(218，220)，所述支承件通过接头接合至流体隔离器部件，以提供防止过程流体漏入所述空腔的屏障。所述模块壳体的底部外侧表面上的螺纹过程入口(230，232)使过程流体通过模块壳体中的过程通道(236，238)连接至流体隔离器部件。
文档编号G01L9/00GK1864055SQ200480028762
公开日2006年11月15日 申请日期2004年9月29日 优先权日2003年10月2日
发明者马克·C·范德赖 申请人:罗斯蒙德公司