专利名称：带应力隔离凹槽的压力变送器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种压力变送器，它有一个座罩，设计成用来减小从座罩传递到其中的压力换能器的轴向和径向夹紧力。夹紧力是由推动压迫座罩的法兰盘产生的，由于法兰盘、螺栓和座罩之间的热膨胀不相同，这种夹紧力可以是不均匀和滞后的。
由于要求减小使设置在压力变送器座罩内的压力换能器变形的夹紧力，导致压力变送器座罩和将液压耦合到压力换能器的方法的改进。将液压密封地耦全到压力换能器上的法兰盘通常将很大的夹紧力外加到压力换能器座罩上，这被称为外加预载，这种夹紧力可能使压力换能器严重变形，造成测量误差。
通常，将法兰盘推向变送器座罩的螺栓产生很大的夹紧力。这些螺栓通常被旋紧，产生大于3000磅的夹紧力，从而将法兰盘预先加载到压力变送器座罩上，保证当耦合高的液压时法兰盘仍然被密封地耦合到隔离膜片上。
其次，变关器座罩、法兰盘和螺栓通常由热膨胀系数不同的不同材料制成，由于在一定的温度范围内法兰盘、座罩和螺栓的膨胀和收缩不相同，这些不同的材料造成变化的和分布不均匀的夹紧力的轴向和径向分力。
再次，法兰盘和座罩的邻接表面之间的滑动能够由于摩擦而产生夹紧力的径向分力。由于法兰盘横切座罩滑动，径向分力相对于温度来说是滞后的。
人们希望有这样一种压力变送器座罩，这种座罩能大大减小从座罩传递到安置在座罩中的压力换能器的大而分布不均匀的轴向和径向夹紧力。其次，人们希望有这样一种变送器座罩，这种座罩能减小由于法兰盘、座罩和螺栓的温度变化而产生的座罩和法兰盘邻接表面之间的摩擦所引起的滞后的径向夹紧力的传递。
本发明涉及一种弯曲机构，它被安置在变送器座罩的外缘和内缘之间，使得外缘可以围绕弯曲机构偏移，以便减小由法兰盘外加在外缘上的滞后径向和轴向夹紧力从外缘向安置在座罩内的传感压力用的机构的传递。
本发明包括一个测量从压力源来的液压用的压力变送器，它有一个座罩，座罩有一个包围座罩内缘的座罩外缘，座罩内缘限定一个座罩开孔。位于座罩内的传感压力用的机构提供传感器输出，并具有一个耦合到座罩开孔上的压力传感器。将液压耦合到压力传感器上用的法兰盘机构具有一个紧靠相应的座罩外缘的法兰盘外缘，在那里法兰盘机构同时有一个法兰盘内缘，它面对相应的座罩内缘并限定其间的一个凹口。法兰盘机构有一个通道，它将液压从限定于法兰盘机构内的第一法兰盘开孔连通到由法兰盘内缘限定的第二法兰盘开孔上，在那里第二法兰盘开孔将液压耦合到传感压力用的机构上。密封机构安置在凹口内，用于将座罩内缘密封在法兰盘内缘上。紧固机构被连接在法兰盘机构上，用于将法兰盘外缘和座罩外缘紧固在一起，使得座罩外缘从法兰盘外缘接受一个紧固力，而座罩内缘通过密封机构从法兰盘内缘接受一个密封力。由至少一个凹陷处限定的弯曲机构安置在座罩内的座罩内缘和座罩外缘之间，用于减小从座罩外缘传递到传感压力用的机构上的紧固力。
在本发明的一个优先实施例中，座罩外缘可以围绕弯曲机构偏移，以减小传感压力用的机构的变形。在本发明的另一个实施例中，弯曲机构由邻近座罩外缘的一个沟槽或切口限定。
诸如差示式、绝对式和量规式的压力变送器都适用于本发明，以减小对安置于其中的压力换能器的变形。可以使用若干种类型的压力换能器，包括应变量规、光学和传导板电容式元件。
图1A、1B和1C表示按照本发明所述的压力变送器的部分截面图。
图2表示压力变送器一部分的部件分解截面图。
图3是图2所示变送器一部分的装配截面图。
图4是图2所示变送器一部分的透视图。
图5是按照本发明所述的压力变送器第二实施例的分解截面图。
图6是图5所示变送器一部分的放大截面图。
图7是第二实施例一部分的部件分解透视图。
图1A、1B和1C表示压力变送器10的一部分的几个实施例，每个实施例包括一个位于变送器座罩14内的传感换能器12。如下面将更详细地说明的，传感换能器12将法兰盘16接受的液压转变为代表该压力的电量输出。座罩14中设置了环形凹槽20，例如槽沟或切口，它们确定弯曲区22和外缘24。螺栓26推动法兰盘16压迫外缘24，使法兰盘16预先加载，在外缘24中产生一个很大的轴向夹紧力F1。法兰盘16和座罩14由热膨胀系数不同的材料构成，在一定的温度范围内各不相同地膨胀和收缩。这种有差异的膨胀和收缩导致夹紧力F1的轴向和径向分力发生变化，并在该温度范围内在座罩14上分布不均匀。这种差异的膨胀和收缩由于法兰盘16在座罩14上滑动的邻接表面之间的摩擦而产生夹紧力F1的滞后径向分力，这一点在下面将要更详细地说明。外缘24围绕弯曲区22向外偏移，从而减小夹紧力F1的轴向和径向分力从外缘24向传感换能器12的传递，使得传感换能器的电量输出更能代表真实的差压。
图2表示差压变送器10的一部分，它包括一个位于变送器座罩14中的传感换能器12，例如美国专利3，618，390中提到的那种换能器，此处作为参考包括在内。传感换能器12将分别从横切可偏移隔离膜片18和30的法兰盘16和28来的外加差异液压转变为代表差压的电量输出。位于变送器座罩14中的印刷电路板32上的电路，将传感换能器12的电量输出耦合到变送器内电路(未图示)上，变送器内电路是密封的，与可能的爆炸性环境隔绝，并提供代表传感的差压P1-P2的电压输出，例如4-20mA直流电流、数字信号或1-5伏直流电压。
传感换能器12位于限定在变送器座罩14内的开孔34中。内缘36和38分别包围具有凹口44和46的座罩环40和42。座罩环40在由开孔34限定的区域48处被焊接到变送器座罩14上。座罩环42在区域52处被焊接到盖子50上。盖子50在区域56处也被焊接到内缘54上。
法兰盘16和28通过分别从开孔62和64延伸到开孔66和68的通道(未图示)分别耦合液压P1和P2。分别限定开孔66和68的内缘70和72分别面对相应的凹口44和46，以限定它们之间的相应的间隙。相应的间隙内安置了密封环74和76，分别将液压P1和P2从开孔66和68密封地耦合到相应的隔离膜片18和30上。诸如O形环之类的密封环74和76一般由弹性材料构成，其弹性模量显著地低于外缘24和78，这一点将在下面讨论。
如图所示，包括穿过法兰盘16和28的周边安置的螺栓26和80及螺母82和84在内的四个紧固螺栓和四个螺母，分别推动限定在法兰盘外缘90和92内的凹口86和88，压迫相应的外缘24和78，对外缘24和78产生大的夹紧力F1。紧固螺栓26和80与螺母82和84一起通常被旋紧，以产生大于3000磅的夹紧力F1(它被称为外加预载)，以便当高的线性压力或差压被外加到开孔62和64上时保证法兰盘16和28仍然连接到变送器座罩14上。法兰盘内缘70和72以密封力F2压缩密封环74和76。因为密封环74和76是弹性的，密封力F2比起夹紧力F1来要小得多而且比较容易预测，并可以通过校准从压力测量中除去。
环形沟槽20和94分别限定变送器座罩14中的弯曲区22和96，后者分别包围内缘36和38，各自紧接限定狭窄的薄板状外缘24和78的径向边缘。外缘24和78最好分别延伸超过由座罩内缘36和38限定的平面。弯曲区22和96分别具有比外缘24和78小的截面区域。沟槽20和94的深度足够深，使得外缘24和78可以分别围绕弯曲区22和96偏移，从而以机械的方式显著地使外缘24和78内的应力与内缘36和38隔离，同时也隔离包括隔离膜片18和30的传感换能器12的敏感部分。可以使用多重沟槽来增强隔离效果，例如包围隔离膜片的同心沟槽或一组首尾相接的沟槽。
显然换能器12或分别紧接座罩环40和42的座罩内缘36和38都不会由于夹紧力F1而发生变形，座罩环40和42分别连接在隔离膜片18和30上。在换能器12的压力测量中由夹紧力F1产生的误差大大减小了，使得传感换能器12的电压输出更能代表真实的液压差P1-P2。因此，狭窄的弯曲区22和96与外缘24和78显著地将传感换能器12与夹紧力F1隔离开。
变送器座罩14、法兰盘16和28以及螺栓26和80通常由热膨胀系数不同的不同材料制成。这些热膨胀系数的差异导致包括26和80在内的四个螺栓的紧固力由于法兰盘16和18、座罩14及螺栓26和80的温度变化而发生变化。变化的紧固力导致夹紧力F1发生变化并且在外缘24和78上分布不均匀。其次，热膨胀系数不同的法兰盘16和28与座罩14随温度而变化尺寸，在外缘24和78中产生夹紧力F1的径向分力。由于法兰盘16和28与座罩14的接触表面滑动期间的摩擦，这种径向分力通常是滞后的。
如上所述，由大而不均匀并滞后的轴向和径向夹紧力F1造成的传感换能器12的变形，由于配置了围绕弯曲区22和96偏移的外缘24和78而大大地减小了。虽然密封力F2可能随温度而稍许变化，但是密封力F2非常小，基本上对换能器12的测量没有影响。因此，传感换能器12由于法兰盘16和28、座罩14与螺栓26和80的不同热膨胀而产生的压力测量误差基本上被消除了。
图3表示压力变送器第一实施例的装配截面图。如前所述，法兰盘16和18推动压迫外缘24和78并使它们从传感换能器12向外偏移。作为例示，图3夸大地表示外缘24和78的偏移。如图所示，随温度而变化的夹紧力F1的大的轴向分力和滞后的径向分力基本上与传感换能器12隔离，从而提供显著地更为精确的压力测量。
图4表示差压变送器10的一部分的透视图。变送器座罩14通常为圆筒形，外缘24、沟槽20、弯曲区22、内缘36、凹口44和隔离膜片18每个通常都与变送器座罩14同心。
图5表示差压变送器100的第二最佳实施例。与第一最佳实施例中说明的传感换能器12相似，传感换能器102被安置在变送器座罩104中，分别通过可偏离的隔离膜片106和108传感差压P1-P2。被密封而与可能的爆炸性气氛隔绝的变送器电路110耦合到传感换能器102上，产生一个代表由传感换能器102传感的差压P1-P2的变送器输出。形成换能器102一部分的隔离膜片106和108，密封地延伸跨越由内缘116和117限定的开孔112和114并且基本上是共平面的。通道118和120分别将压力P1和P2耦合到传感换能器102上。
法兰盘122通过通道124和126将液压P1和P2分别从开孔128和130耦合到分别对应于隔离膜片106和108的开孔132和134上。包括螺栓136和138的四个紧固螺栓穿过法兰盘122的周缘伸出，推动法兰盘外缘140压迫相应的座罩外缘142，并外加夹紧力F1到外缘142上。如在此作为参考的美国专利4，792，089中所述，由诸如PTFE之类材料制成的弹性的或塑性的密封环144和146位于限定在法兰盘内缘148和149之间的间隙中，并分别焊接环150和151，后者分别焊接到相应凹口152和154上，分别包围隔离膜片106和108。法兰盘内缘148和149也提供一个压缩密封环144和146的密封力F2，以便将开口132和134分别密封地耦合到开口112和114上。
座罩104中的分开的沟槽156和158分别限定座罩外缘142与内缘116和117之间的弯曲区160和162，内缘116和117分别邻接隔离膜片106和108。沟槽156和158也可以是相交的，形成一条包围内缘116和117的连续沟槽，或者包括多重平行的沟槽，以增强偏移效果。沟槽156和158的深度足够深，使得夹紧力F1能够让外缘142围绕弯曲区160和162偏移。与图1的说明相似，夹紧力F1的大而分布不均匀的轴向分力和径向分力从外缘142向分别邻接隔离膜片106和108的内缘116和117的传递大大减小了，使得隔离膜片106和108的变形基本上消除了。
其次，座罩104和法兰盘122可以由热膨胀系数不同的不同材料制成。当温度变化时，由于座罩104和法兰盘122的膨胀和收缩不相同，法兰盘122横切座罩104滑动。由于法兰盘122和座罩104的邻接表面之间存在摩擦，这种滑动运动是滞后的，在座罩104的外缘142中产生夹紧力F1的滞后径向分力。与本发明的第一实施例相似，这种滞后的径向力由于配置了围绕弯曲区160和162偏移的外缘142而大大地减小了，从而大大减小了隔离膜片106和108的变形。
密封力F2可以挺大，特别当使用PTFE密封环144和146时，这分别造成隔离膜片106和108的某些变形。但是，通过校准可以消除由于这种变形而产生的压力测量的误差，因为内缘116和117与密封环144和146的表面面积比外缘142要小得多，也因为PTFE具有润滑效果，使由于法兰盘122横切密封环144和146与内缘116和117的滑动而产生的滞后径向力非常小。
图6是图5中所示的区域164的放大截面图。
图7表示压力变送器100的透视图。沟槽156和158被分别限定在外缘142与内缘116和117之间，这两个内缘分别包围隔离膜片106和108。沟槽156和158的深度足够深，使得外缘142可以围绕弯曲区160和162(未图示)偏移，从而大大地减小由于法兰盘122外加在外缘142上的夹紧力F1的大而不均匀的轴向分力和滞后径向分力而对内缘116和117与隔离膜片106和108产生的变形。沟槽156和158的深度最好在图7所示“A”宽度的1/4和1/2之间，尽可能包围隔离膜片106和108。
虽然本发明是参考最佳实施例来说明的，但是本领域的工作人员将会认识到，可以在形式和细节方面作出变化而不偏离本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种用于测量从压力源来的液压的压力变送器，它包括一个座罩，具有一个包围座罩内缘的座罩外缘，该座罩内缘限定一个座罩开孔；传感压力用的机构，设置在座罩内，提供传感器输出并被耦合到座罩开孔上；法兰盘机构，用于将液压耦合到传感压力用的机构上，具有一个紧靠相应的座罩外缘的法兰盘外缘，该法兰盘机构具有一个法兰盘内缘，该内缘面对相应的座罩内缘并限定其间的一个凹口，该法兰盘机构具有一个通道，该通道将液压从限定于法兰盘机构中的第一法兰盘开孔连通到由法兰盘内缘限定的第二法兰盘开孔上，该第二法兰盘开孔将液压耦合到传感压力用的机构上；密封机构，设置在凹口中，用于将座罩内缘密封在法兰盘内缘上；紧固机构，连接在法兰盘机构上，用于将法兰盘外缘和座罩外缘紧固在一起，使得座罩外缘从法兰盘外缘接受一个紧固力，而座罩内缘通过密封机构从法兰盘内缘接受一个密封力；以及弯曲机构，由座罩内位于座罩内缘和座罩外缘之间的至少一个凹槽限定，用于减小紧固力从座罩外缘到传感压力用机构的传递。
2.如权利要求1所述的变送器，其特征在于凹陷的深度足够深，使得座罩外缘可以围绕弯曲机构偏移。
3.如权利要求2所述的变送器，其特征在于凹槽紧邻座罩外缘。
4.如上述权利要求之一所述的变送器，其特征在于凹槽是由至少一个包围座罩内缘的沟槽限定的。
5.如权利要求3所述的变送器，其特征在于凹槽是由至少一个包围座罩内缘的切口限定的。
6.如权利要求4所述的变送器，其特征在于密封机构是弹性的，紧固力大于密封力并且足够大，使得当法兰盘机构将液压耦合到传感液压用的机构上时，法兰盘内缘仍然密封在座罩内缘上。
7.如权利要求6所述的变送器，其特征在于法兰盘外缘包围承接座罩外缘的法兰盘凹口。
8.一种测量在各自具有第一和第二液压的第一和第二压力源之间的液压差用的压力变送器，它包括一个座罩，具有一个包围第一和第二座罩内缘的座罩外缘，该第一和第二座罩内缘分别限定第一和第二座罩开孔;第一和第二隔离膜片，分别横切第一和第二座罩开孔而密封地设置;传感压力用的机构，设置在座罩内，提供传感器输出并被耦合到第一和第二隔离膜片上;法兰盘机构，用于分别将第一和第二液压耦合到第一和第二隔离膜片上，具有一个紧靠相应的座罩外缘的法兰盘外缘，该法兰盘机构具有第一和第二法兰盘内缘，它们分别面对相应的第一和第二座罩内缘并限定其间的第一和第二凹口，该法兰盘机构具有第一和第二通道，它们将第一和第二液压分别从限定于法兰盘机构中的第一和第二法兰盘开孔耦合到分别由第一和第二法兰盘内缘限定的第三和第四法兰盘开孔上，该第三和第四法兰盘开孔分别将第一和第二液压耦合到第一和第二隔离膜片上;密封机构，分别设置在第一和第二凹口中，用于分别将第一和第二座罩内缘密封在第一和第二法兰盘内缘上;紧固机构，连接在法兰盘机构上，用于将法兰盘外缘和座罩外缘紧固在一起，使得座罩外缘从法兰盘外缘接受一个紧固力，而第一和第二座罩内缘通过密封机构分别从第一和第二法兰盘内缘接受第一和第二密封力;以及弯曲机构，由座罩内位于第一座罩开孔和座罩外缘之间的至少一个凹槽限定，用于减小紧固力从座罩外缘到第一隔离膜片的传递。
9.如权利要求8所述的变送器，其特征在于弯曲机构还由座罩中包围第一和第二隔离膜片机构的至少一个凹槽限定。
10.如权利要求9所述的变送器，其特征在于座罩外缘的表面积大于第一座罩内缘的表面积。
11.一种测量从压力源来的液压用的压力变送器，它包括一个座罩，具有一个限定座罩开孔的周边内缘;传感压力用的机构，设置在座罩内座罩内缘的周边中，提供传感器输出并被耦合到座罩开孔上;法兰盘机构，用于将液压耦合到传感压力用的机构上，具有一个法兰盘外周缘和一个面对相应的座罩内缘的法兰盘内缘，该法兰盘机构具有一个通道，该通道将液压从限定于法兰盘机构中的第一法兰盘开孔连通到由法兰盘内缘限定的第二法兰盘开孔上，该第二法兰盘开孔将液压耦合到传感压力用的机构上;密封机构，用于当法兰盘被紧固到座罩上时将座罩内缘密封在法兰盘内缘上;紧固机构，用于利用沿第一方向作用的紧固力将法兰盘和座罩紧固在一起;以及弯曲机构，包括一个形成狭窄周缘的座罩外缘，所述的周缘由座罩中的至少一个凹槽与座罩内缘隔离，法兰盘外周缘接触座罩外缘，使座罩外缘作用由紧固机构沿第一方向施加的紧固力，凹槽的作用是减小紧固力从座罩外缘到传感压力用的机构的传递。
12.如上述权利要求中任何一项所述的变送器，其特征在于传感压力用的机构包括一个电容式元件的压力换能器。
全文摘要
一种压力变送器，其座罩中有一个压力换能器。座罩有一个限定弯曲区的沟槽，紧邻座罩外缘。外缘从法兰盘承受很大的夹紧力并可围绕弯曲区偏移，以减小从座罩外缘传给换能器的夹紧力的轴向和径向分力，该力原会使换能器变形。由法兰盘、螺栓和座罩的不同热膨胀产生的分布不均匀的夹紧力与换能器隔离，从而减小测量误差。法兰盘在座罩上滑动摩擦产生的对换能器的滞后径向力也减小。换能器采用电容式元件等类型，其电压输出指示线性差压。
文档编号G01L9/12GK1062208SQ9111143
公开日1992年6月24日 申请日期1991年12月5日 优先权日1990年12月6日
发明者米切尔·杰·丹, 李·安·马蒂森, 特伦斯·福·克劳斯 申请人:罗斯蒙德公司