用于过程控制变送器的自供能过程密封的制作方法

专利名称：用于过程控制变送器的自供能过程密封的制作方法
技术领域：
本发明的背景技术本发明涉及一种过程控制变送器，特别是一种用于过程控制变送器的过程密封。
感应压力的变送器都具有一个与至少一个隔离膜板相连的压力传感器。隔离膜板将压力传感器与被感应的腐蚀性过程流体隔离开来。压力由隔离膜板通过在管道中运行的基本上是不可压缩的隔离流体传输给具有一个感应膜片的传感器。美国专利《模数压力变送器》(专利号4,833,922)和《具有应力隔离衰减的压力变送器》(专利号5,094,109)中公开了这种类型的压力变送器。
一个变送器中的过程流体密封结构应该在大范围的化学环境中、温度范围内和应力情况下均可运行，且在大范围的压力下保持良好工作状态。Teflon和其它碳氟化合物就属于优先选用的密封化合物。Hastelloy，316不锈钢和其它抗腐蚀材料适宜作被湿润表面的制造材料。由于这些材料具有良好的抗腐蚀性能，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则勉强称得上良好。当密封材料承受高压和高温时就会趋于挤压变形。由于这个原因，密封材料必须制成衬垫。要用衬垫形成有效密封，常常需要一种强压下具有大表面面积的密封材料。压应力机械地与隔离膜板结合并最终与压力变送器的感应膜片结合。当装配螺栓变松或再被扭转时以及当衬垫密封材料挤压变形时，应力的大小则随时间发生变化。这些变化导致压力传感器输出的不稳定性。
为了减少与过程隔离膜板结合的应力，最好是将膜板与密封结构分开以提供应力隔离。然而，实际情况使得膜板的应力隔离很困难。工业标准及与现存产品的后续相适合性的要求限定了螺栓的尺寸、定位、型式和组装件的压力入口。变送器的整体几何结构限制了必须由过程密封衬垫和隔离膜板分配的空间。过程隔离膜板必须在由螺栓型式限定的界线范围之内。螺栓边界内用于密封的空间一般不能为隔离膜板所利用。常常不希望减小隔离膜板的尺寸，因为较小的隔离膜板对应力结合更敏感，从而造成不稳定的结果。
一般可对压力传感器设计中的几个对抗性需要采取折衷方案1)需要大的随动膜片；2)需要与密封机构的应力隔离良好的膜板；3)需要具有充足的表面面积的密封机构；4)需要连同充足的压力共同作用的可靠的密封机构；5)对由螺栓形状所限定的界定范围内的所用结构进行限制。
本发明概述本发明公开了一种提供关于过程流体的压力或其它参数的输出的变送器。变送器可附装于一个法兰上，该法兰具有一个通向并被用来接收过程流体的第一通路。变送器的结构上有一个与第一通路相邻用于接收来自第一通路的流体的开口。一个定位于开口处，并在密封外径处与机壳体相连接密封可防止来自第一通路和开口的过程流体在流经法兰时出现泄露。在一些最佳实施例中，密封的内径小于设置在开口内的隔离膜板的外径，这样，密封覆盖住隔离膜板且二者无实际接触。
附图简要说明

图1为一个具有本发明所涉及的过程密封的压力变送器的局部剖视图。
图2为详细展示了图1中的压力变送器上本发明涉及的过程密封的剖视图，图2中还包括过程密封的平面图的插入视图A。
图3为本发明所涉及的不具有隔离膜板的压力变送器过程密封的更详细的剖视图。
图4为一个压力变送器的局部剖视图，图中展示了本发明涉及的过程密封的另一个实施例。
图5为展示了本发明涉及的过程密封的又一个实施例的压力变送器的局部剖视图。
图6为展示本发明涉及的过程密封的又一实施例的压力变送器的局部剖视图。
最佳实施例的详细说明图1所示，压力变送器10具有变送器壳体12、法兰(或共面管道)13和传感器壳体14。尽管图示中采用了共面法兰，本发明也可采用任何一种法兰管路或其它组合形式来接收过程流体。传感器壳体14内包括压力传感器16，变送器壳体12内包括有变送器电路20。传感器电路18通过通讯总线22与变送器电路20相连。变送器电路20通过双线过程控制环路(或电路)23发射关于过程流体压力的信息，控制器25通过控制环路23供电。
压力传感器16测量法兰13上的通道24和通道26中的压力P1、P2之差。压力P1通过通道32与传感器16耦合。压力P2通过通道34与传感器16耦合。通道32延伸穿过偶联管36和管路40。通道34延伸穿过偶联管38和管路42。通道32和34中填充的是如油一类的相对不可压缩的流体。偶联管36和38被旋入传感器壳体14，并在具有传感器电路18的传感器壳体内壁与容纳在通道24和26内的过程流体之间形成一个长的火花熄灭通路。
通道24被设置为与传感器壳体14内的开口28相邻接。通道26被设置为与传感器壳体14内的开口30相邻接。膜板46被设置于开口28内并与邻接通道24的传感器壳体14相连接。通道32穿过管接头36和传感器壳体14延伸至膜板46。膜板50与邻接通道26的传感器壳体14相连接。通道34穿过偶联管38和传感器壳体14至膜板50。
在实际运行中，当将变送器用螺栓固定在法兰13上时，法兰13将压向密封48和52。密封48被固定在邻接开口24和膜板46的传感器壳体14处，并可防止过程流体从通道24和开口28经过法兰13流向外部环境过程中发生泄露。密封52被固定在邻接开口26和膜板50的传感器壳体14处，并可防止过程流体从通道26和开口30经过法兰13流向外部环境过程中发生泄露。本发明涉及的密封48和52最好是同样的。下面将参照图2-6对密封48作进一步详细描述。
本发明所说的密封48和52能够显著地减少一般由用来在法兰13和壳体14之间形成密封的密封衬垫所引起的作用在隔离膜板46和50上的机械应力。本发明较以往技术具有多个优点。1)减小提供一个有效密封所需要的压力；2)使密封压力很大程度上不再受由将变送器与过程法兰结合起来的螺栓内的张力所产生的压力的限制；3)利用过程压力本身为高压密封提供压力；4)可以使较大直径的隔离膜板被安置在限定区域内，而非其它可能性；5)为了使具有改进的腐蚀特性的材料可以被利用，而必须使用具有优良机械特性的材料来制造弹簧的要求条件可以被放宽。
图2和图3为本发明中密封48的第一实施例的剖视图。图中密封48是个环状体，但它也可以是任何一种封闭曲线形状。图2中剖示了密封48，且将局部移出显示。插入图A是更好地展示了密封100的环状的平面图。密封48配合传感器壳体14和通道24发挥作用以防止过程流体从通道24和开口28流入环境中出现泄露。图3更为详细的展示了密封48的具体特点。
密封48包括塑造或冲压成形的环100和密封衬垫材料102。塑造成形环100用焊缝104在其外经103处焊接到传感器壳体14上。这样密封48悬壁支撑住隔离膜极46。在最佳实施例中，环100由316不锈钢、Hastelloy，钽、蒙乃尔高强度良延性抗蚀合金或其它合适的材料冲压而成。一般来说，被湿润表面最好采用相同材料。所谓“被湿润表面”是指在法兰13上或在变送器10内被过程流体弄湿的表面。为了满足这一需求，环100最好来用与法兰13的被湿润表面相同的材料造成。这里环100是一个冲压成形的零件，在其它的实施例中，它也可以是切削加工或其它方式制造而成的。
密封材料102最好是一种诸如填加玻璃的聚四氟乙烯、加碘聚四氟乙烯、氟橡胶或其它本领域工艺中周知的“O”型环等材料。一般来说，更适宜采用具有较高回弹性的密封材料。在一些实施例中，焊缝104最好是对接焊。环100可以利用诸如钨极惰性气体焊、激光焊、电子光束焊和等离子气焊等速接法附设于或结合到传感器壳体14上。最好是焊缝104不需要任何填充物质，这样可以使焊缝104处的腐蚀最小。
在环100的内径106处，末端109的弯曲部分形成了通路108。通路108内填充有密封或衬垫材料102，环100具有弯头110，一般在内径103处朝向法兰13向上凸出。中部102向上形成一定角度，这样在内径106较在外径103更接近法兰13。因弯头110、中部112和端部109采取这样的形状及定位方向，当法兰13和变送器被连接后，环100将被压缩并轻微弯曲而使末端109被压向膜板46(未在图3中显示)。环100的整体形状及中部112的角度决定压缩范围或压缩距离Dc。压缩范围Dc要至少是一个足以对环100提供充足的弹簧板作用力的距离，这样，密封48在低压下可实现充分的密封，同时它亦可承受达到4500磅/英寸2的压力。换句话说，这种结构为压缩材料102充分地提供了足以在低过程压力甚至是真空(如0帕斯卡)状态下形成密封的压力。当过程压力上升时，过程流体向环100的背侧114作用一个压力(如，它将环100进一步压向法兰13)并可增加密封的压缩。如果弹簧具有足够的柔曲性，就一直能够获得超出实现密封所需的压力。密封所需的压力值多少要因不同的密封材料而变化。
环100的塑造成形要使得中部112在非常高的压力下朝向法兰13变平。这个特征可以防止环100在高压下永久地变形。环100的内外径103、106处的大曲率足以强化这些部位使它们能抵抗住高压产生的平整力。密封环100的悬臂固定结构可以使较大直径的膜片先于焊接密封环而被设置。因为密封48不利用由螺栓(图中未显示)产生的夹紧和锁紧力，环100的内直径106可以比膜板46的外直径小，这样密封48和膜板46就能重叠了。
密封环100的不平形状(如有凸纹的)增加了密封材料102被在一定范围内复位的容易度。另外，环100的在高过程压力下变平的特性增加了环100的使用寿命。环100的长度(如在内径103与外径106之间的距离)是越大越好，这样可以改善密封的性能。一个长的弹簧板(如环100)有助于适应密封材料102的形状随时间而产生的制造公差累积和变化。它还能大面积分布机械应力而使环100能维持得更久。环100的最大直径值因为压力变送器的空间和设计限制而被严格控制。环100的最大外直径值(也即密封48的)由工业标准螺栓型式确定。内直径值则由所用的螺栓的大小和被压缩的过程流体的流入的开口的大小决定，也由工业惯例来确定。
如前所述，密封环100适宜用对接焊104固定。然而图4中展示了由激光焊接或电子光束焊接形成的穿透结合116。图4中还展示了密封48的另外一种结构。在图4中所示的实施例中，环100与安没有穿透焊缝116的槽区118平行并重叠。环100与槽区118配合。另外，因图4中所示的密封48包括形成于环110内的通路108，弯头110和有角度的中部112(均在图3中显示)可以被具有较弯头110小得多的曲率的弧形部分120取代。而如同前述实施例，弧形部分120为压缩材料102提供朝向法兰13的压缩力。另外，弧形部分120还可被距离Dc在高压下压缩以增加密封48的耐久性。环100内的通路108既适宜填充一种衬垫类型材料如Teflon，也适宜填充一种弹性“O”型环材料如碳氟化合物或腈。
图5所示为一种涂或薄涂层的衬垫结构。图5中的密封48的结构包括和图3所示一样的弯头110，但不包括环100内形成的通路108。相反，在弯头110以外，环100基本上是平整的，并在内径106处朝向法兰有轻微的角度弯曲。预涂或薄涂层密封或衬垫材料122被附设于环100的内直径106处以形成相对于法兰13的一个表面的密封。
如果大挠曲度或高压设计需要较好的弹性环100可以由一种有具享受好弹性的材料涂层123和抗腐蚀性材料涂层124的包层材料制成。抗腐蚀性涂层124被附设于涂层123上，使抗腐蚀性涂层被暴露于过程流体中，如图6所示。图6中，环100具有与图3中所示相同的形状，但包括具有良好弹性但低抗腐蚀性能的材料涂层123。抗腐蚀包层材料124沿背侧114焊接在涂层123上。包层材料124在内直径106处被折叠以防止过程流体与包层内表面接触。
尽管已参照最佳实施例对本发明进行了描述，本领域的熟练专业人员将意识到可以在不脱离本发明的精神和范围条件下在形式和细节上进行变化。例如，尽管本发明中的密封一般是参照压力变送器进行描述，它也可用于任何与过程结合的过程控制仪器。其它可以使用本发明的密封的过程控制仪器包括温度传感器和变送器、压力传感器和变送器、压差传感器和Y变送器、绝对压力传感器和变送器、标准压力传感器和变送器、流量传感器和变送器、以及酸碱度传感器和变送器等，这里所列举的仅仅是很少的一部分。另外，虽然图中所示的本发明的过程密封包括一个具有用于支持密封材料或/和增加密封的耐久性的弧形部分的环圈，多种悬臂环圈形状密封可以被采纳。另外虽然本发明的密封被描述为一个环状密封结构，在其它实施例中，本发明的密封可以是一个非环状密封。还有，虽然本发明主要被描述为在其外径处与过程控制仪器的壳体相连接，在其它可能的实施例中，本发明的密封可以在其内径处与过程控制仪器相连接。
本发明相对在先技术具有多个优点。使用本发明的密封，提供一个有效密封所需的外部作用力被减小，甚至被取消。因此，密封压力很大程度上不再受将过程控制仪器同过程法兰结合起来的螺栓中张力所引起的压力的影响。另外，本发明利用过程压力本身为高压下密封提供压力。因此，当过程流体压力增加时，本发明中的密封的密封性能同时也随之增加。还有，本发明中的悬臂固定设计使较大直径隔离膜板可以被采用。另外，本发明的密封使得密封材料须具有良好机械性能的需求条件变得宽松，这样可以采用防腐蚀性能的材料。本发明并不限于此处公开的特定的法兰/壳体密封。另外，“法兰”意味着为接收过程流体而与接合物相接合的器件。
权利要求
1.一种与过程结合，可附设于一个具有用于充满过程流体的第一通道的法兰的过程控制仪器，其特征在于；它有一个邻接第一通道，从而当过程控制仪器被附设于法兰之上时可以接收来自第一通道的过程流体的开口的壳体；及一个相对法兰设置以防止过程流体流径法兰时泄露的密封，该密封包括一个设置于开口并在其外径处与壳体相连接的环；及密封材料与环在接近其内径处相接合，其中施压于密封材料使之与法兰接触以防止过程流体从第一通道和通过法兰开口发生泄露。
2.根据权利要求1所述的过程控制仪器，其特征在于在所说的环的内径处形成一个通路，在通路内放置的是密封材料。
3.根据权利要求1所述的过程控制仪器，其特征在于所说的环在通路和环外径之间具有一中间部，中间部为使高过程压力将中部朝向法兰的表面压平以防止环因高过程压力而永久变形而相对于法兰的一个表面弯曲一定角度。
4.根据权利要求1所述的过程控制仪器，其特征在于所说的环为实现法兰将其扭转形成压缩状态而被塑造成形。
5.根据权利要求4所述的过程控制仪器，其特征在于所说的环为实现环的压缩状态将密封材料充分地压向法兰而防止过程流体在基本上是0帕斯卡过程流体压力下发生泄露而被塑造成形。
6.权利要求5所述的过程控制仪器，其特征在于所说的环为实现过程流体的压力向环施加一作用力以增强密封材料对法兰的压缩从而使密封材料的压缩随着过程流体的压力增大相应增强而被塑造成形。
7.根据权利要求1所述的过程控制仪器，其特征在于所说的环包括具有所希望的弹性的第一材料涂层和具有所希望的防腐蚀性能的第二材料涂层，环为不使第一材料涂层与过程流体接触而在其内径处被塑造成形。
8.根据权利要求1所述的过程控制仪器，其特征在于所说的壳体还包括被子充以第一流体并从邻接开口处延伸至感应装置以提供有关压力的输出的第二通道；过程控制仪器还包括一个被设置在壳体开口处，将开口和第一通道与第二通道分开并能防止过程流体进入第一通道的隔离膜板。
9.根据权利要求8所述的过程控制仪器，其特征在于所说的环的内直径比隔离膜板的外直径小而使环覆盖但并不实际接触隔离膜板。
10.根据权利要求1所述的过程控制仪器，其特征在于所说的过程控制仪器是被用来提供关于过程流体的一个参数的输出的变送器，所说的参数是从压力、压差、温度、流量和酸碱度PH值中选择的。
11.一种提供过程流体的压力指示的变送器，附设在具有被用于填充过程流体的通道的法兰之上，其特征在于包括具有一个当变送器附设在法兰上时邻接第一通道并接受来自第一通道的过程流体的开口的壳体，壳体还具有被填充第一流体并由邻接开口处延伸至一感应装置以提供有关压力输出的第二通道；设置在壳体的开口处并将开口和第一通道与第二通道分开以用来防止过程流体进入第一通道的隔离膜板；一个设置于开口处并在密封外径处附接壳体的密封，被用来压向法兰以防止过程流体从第一通道和通过法兰的开口发生泄露的密封，其具有一个小于隔离膜板外直径的内直径从而使密封覆盖开口处的隔离膜板但并不发生实际上接触。
12.根据权利要求11所述的变送器，其特征在于所说的密封包括一个被设置于开口内，具有内外直径并在外径处与壳体相连接的环件，环件的内直径小于隔离膜板的外直径以使环件覆盖开口处的隔离膜板但并不实际接触；密封还包括有受环件压力作用而与法兰接触，在环件内径处与之结合的密封材料。
13.根据权利要求12所述的变送器，其特征在于所说的环件的内直径处形成了一个通路，通路中填充有密封材料。
14.根据权利要求12所述的变送器，其特征在于所说的环件具有通路和环件外径之间的中部，中部为使高过程压力将其朝向法兰的表面压平以防止环件在高过程压力下永久变形而向法兰的一个表面弯曲一定角度。
15.根据权利要求14所述的变送器，其特征在于所说的环件为使其压缩可对密封材料朝向法兰产生足够的压力以防止过程流体在基本上是0帕斯卡过程流体压力和真空过程条件下发生泄露而被塑造成形。
16.根据权利要求15所述的变送器，其特征在于所说的环件为使过程流体的压力向环件产生一作用力以增强密封材料对法兰的压缩从而使密封材料的压缩随着过程流体的压力增大相应增强而被塑造成形。
17.一种用于结合一个具有被填充过程流体的第一通道和法兰的过程控制仪器中的密封，过程控制仪器的壳体具有当该仪器被附设在法兰上时邻接第一通道的开口，其特征在于；密封包括一个设置在开口内并在其外部直径处连接壳体的环和当其设置在邻接法兰的开口内时，环施压于其使之与法兰接触的在环的内径处与环结合的密封材料。
18.根据权利要求17所述的密封，其特征在于所说的环在其内直径处形成一通路，通路内填充有密封材料。
19.根据权利要求17所述的密封，其特征在于所说的环具有通路和环外径之间的中部，中部为使高过程压力将中部朝向法兰的表面压平以防止环因高过程压力而永久变形而相对于法兰的一个表面弯曲一定角度。
20.根据权利要求17所述的密封，其特征在于所说的环为实现法兰将其扭转形成压缩状态，其在压缩态将密封材料充分地压向法兰而防止过程流体在基本上是0帕斯卡过程流体压力和真空过程状况下发生泄露而被塑造成形。
21.根据权利要求20所述的密封，其特征在于所说的环为实现过程流体的压力向环施加一作用力以增强密封材料对法兰的压缩从而使密封材料的压缩随着过程流体的压力增大相应增强而被塑造成形。
22.根据权利要求17所述的过程控制仪器，其特征在于所说的环包括具有所希望的弹性的第一材料涂层和具有所希望的防腐蚀性能的第二材料涂屋，环为不使第一材料涂层与过程流体接触而在其内径处被塑造成形。
全文摘要
本发明公开了一种提供过程流体的参数指示的过程控制仪器,附设在具有被填充过程流体的第一通道的法兰之上,该仪器的壳体具有邻接第一通道以接受来自第一通道的过程流体的开口,一密封位于开口内并在密封外直径处与壳体连接,以防止过程流体从第一通道和开口流经法兰时发生泄露。
文档编号G01L19/00GK1198813SQ97191044
公开日1998年11月11日 申请日期1997年9月23日 优先权日1996年9月30日
发明者托马斯·P·帕德森 申请人:罗斯蒙德公司