專利名稱：用于過程控制變送器的過程密封件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及過程控制變送器。本發(fā)明尤其涉及用于過程控制變送器的過程密封件。
背景技術(shù)：
檢測壓力的變送器通常具有連接到至少一個隔離膜片的壓力傳感器。隔離膜片隔離壓力傳感器與被檢測的腐蝕性過程流體。壓力通過在通道中運載的基本上不可壓縮的隔離流體從隔離膜片傳遞到具有檢測隔膜的傳感器。題目為“模塊化壓力變送器”的美國專利4,833,922，以及題目為“帶有應(yīng)力隔離凹陷的壓力變送器”的美國專利5,094,109示出了這種類型的壓力變送器。
用于變送器的過程流體密封機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)可以在寬的化學(xué)環(huán)境的范圍、溫度范圍和應(yīng)力條件下工作，并且在寬范圍的壓力下良好地工作。Teflon和其它碳氟化合物屬于優(yōu)選的密封化合物之列。Hastelloy，316不銹鋼和其它耐腐蝕性材料優(yōu)選作為潤濕表面的構(gòu)成材料。盡管這些材料具有非常好的耐腐蝕性能，但是它們的機(jī)械性能，諸如耐腐蝕合金的屈服強(qiáng)度和密封材料的抗擠壓性最多也只不過是最低限度的。密封材料在經(jīng)受高壓和高溫時趨向于被擠壓。因此，密封材料必須被當(dāng)作墊圈處理。為形成有效地墊圈密封，通常必須使用在顯著的擠壓下具有大的表面積的密封材料。來自壓縮的應(yīng)力機(jī)械地耦合到隔離膜片并最終耦合到壓力變送器的檢測隔膜。應(yīng)力的量隨著安裝螺栓松動或重新施加扭矩以及隨著墊圈密封材料的擠壓而變化。這些變化導(dǎo)致壓力傳感器輸出的不穩(wěn)定。
為了最小化耦合到過程隔離膜片的應(yīng)力，優(yōu)選將隔離膜片從密封機(jī)構(gòu)分開，以提供應(yīng)力隔離。然而，實際的考慮使得隔離膜片的應(yīng)力隔離很難。工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和與現(xiàn)有產(chǎn)品向后兼容的要求規(guī)定了組件的螺栓和壓力孔的尺寸、位置和圖形。變送器的總體幾何形狀限制了必須被過程密封墊圈和隔離膜片共用的空間。過程隔離膜片必須裝配在由螺栓圖案確定的邊界內(nèi)。用于密封的螺栓邊界內(nèi)的空間對于隔離膜片一般是不可用的。它經(jīng)常不利地減小隔離膜片的尺寸，因為較小的隔離膜片對應(yīng)力耦合更敏感，因此產(chǎn)生不穩(wěn)定性。
折衷方案必須在若干壓力變送器設(shè)計的競爭需要中進(jìn)行1)對具有大的兼容性的隔離膜片的需要；2)對與密封機(jī)構(gòu)的應(yīng)力良好隔離的隔離膜片的需要；3)對具有足夠的表面積的密封機(jī)構(gòu)的需要；4)需要一種密封機(jī)構(gòu)，其用充足的力保持在一起以便具有可靠性；和5)所有的結(jié)構(gòu)裝配在螺栓圖案確定的邊界內(nèi)的約束。
在授權(quán)日為1999年9月21日、專利權(quán)人為Peterson、題目為“用于過程控制變送器的自激過程密封件”的與本申請共同轉(zhuǎn)讓的美國專利5,955,675中示出和描述了一種技術(shù)解決了上述問題中的一些問題。該對比文件描述了一種技術(shù)，其中，過程壓力用于輔助將過程密封件密封到凸緣。過程密封件具有環(huán)形形狀，密封材料沿著環(huán)的內(nèi)徑被連接到環(huán)。所述環(huán)適于迫使密封材料與凸緣接觸，以防止過程流體經(jīng)過密封件泄漏。題目為“具有帶滾動鉸鏈點的焊接環(huán)的壓力傳感器和變送器”和“具有帶滾動鉸鏈點的焊接環(huán)的壓力傳感器和變送器”、授權(quán)日分別為1999年7月13日和2000年5月2日的美國專利5,922,965和6,055,863也描述了過程密封件。

發(fā)明內(nèi)容
用于連接到過程的過程控制儀表可被連接到金屬凸緣。所述凸緣具有適于填充過程流體的第一通道。所述過程控制儀表具有主體，所述主體具有鄰近第一通道的開口，用于在過程控制儀表連接到凸緣時從第一通道接收過程流體。隔膜跨過開口設(shè)置，與過程流體流體連通。密封件可緊靠凸緣定位，以防止過程流體通過凸緣和隔膜泄漏。密封件包括位于開口中并連接到主體的環(huán)，所述環(huán)在主體未連接到凸緣(未加載)時沿著內(nèi)側(cè)環(huán)形肩部充分地與隔膜接觸。
還提供了一種將密封件連接到過程變送器的方法，所述方法包括預(yù)加載密封件，以將密封件的內(nèi)環(huán)部分推向變送器的隔離膜片。所述方法還包括在實施預(yù)加載時將密封件連接到變送器，和在連接之后除去預(yù)加載，從而密封件的環(huán)形肩部保持與隔膜接觸。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的具有過程密封件的壓力變送器的局部剖視圖；圖2是現(xiàn)有技術(shù)的密封件的剖視圖；圖3A和3B是圖2示出的現(xiàn)有技術(shù)的密封件的更詳細(xì)的剖視圖；圖4是圖中的凸緣中的一部分變送器的剖視圖，示出了密封件；圖5A和5B是根據(jù)本發(fā)明的密封件的一個實施例的剖視圖。
具體實施例方式
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的典型壓力變送器10，其具有變送器主體12、連接凸緣或集管(manifold)13以及傳感器主體14。盡管本發(fā)明示出了CoplanarTM凸緣，然而本發(fā)明可使用任何類型的凸緣、集管或其它適于接納過程流體的連接裝置。傳感器主體14包括壓力傳感器16，變送器主體12包括變送器電路20。傳感器電路18通過通信總線22連接到變送器電路20。變送器電路20通過諸如兩線過程控制環(huán)路23(或電路)等通信線路發(fā)送與過程流體壓力有關(guān)的信息。變送器10可通過控制器25經(jīng)過控制環(huán)路23被完全激勵。
在變送器的一個實施例中，壓力傳感器16測量通路24中的壓力P1和凸緣13的通路26中的壓力P2之間的壓力差。壓力P1通過通路32被耦合到傳感器16。壓力P2通過通路34被耦合到傳感器16。通路32通過連接件36和管40延伸。通路34通過連接件38和管42延伸。通路32和34填充有相對不可壓縮的流體，諸如油。連接件36和38通過螺紋連接到傳感器主體14，并在承載傳感器電路18的傳感器主體內(nèi)部與容納在通路24和26中的過程流體之間提供長火焰淬火路徑。
通路24定位在傳感器主體14的開口28附近。通路26定位在傳感器主體14的開口30附近。隔膜46定位在開口28中，并連接到鄰近通路24的傳感器主體14。通路32通過連接件36和傳感器主體14延伸到隔膜46。隔膜50連接到鄰近通路26的傳感器主體14。通路34通過連接件38和傳感器主體14延伸到隔膜50。
在操作中，當(dāng)變送器10被螺栓連接到凸緣13時，凸緣13擠壓密封件48和52。密封件48被安放在鄰近開口24和隔膜46的傳感器主體14上，并防止過程流體經(jīng)過凸緣13從通路24和開口28泄漏到外部環(huán)境。類似地，密封件52被連接到鄰近開口26和隔膜50的傳感器主體14，防止過程流體通過凸緣13從通路26和開口30泄漏到外部環(huán)境。密封件48和52根據(jù)本發(fā)明被構(gòu)造。密封件48和52將在以下參照圖4-5B進(jìn)行更詳細(xì)的討論。
圖2是示出現(xiàn)有技術(shù)的密封件100的一部分變送器14和凸緣13的剖面圖。圖3A和3B是現(xiàn)有技術(shù)的密封件100的更詳細(xì)的剖面圖。密封件100適于緊靠凸緣13的表面定位，用于防止過程流體經(jīng)過凸緣泄漏。如圖2的插圖A(其是密封件100的頂部平面圖)中所示，密封件100包括具有外徑103和內(nèi)徑106的金屬環(huán)。
在圖3A中示出的圖2的剖視圖中，密封件100被示出包括外圓周122和內(nèi)圓周124，它們之間形成空腔，所述空腔中填充有密封材料120。密封件100通過例如焊縫128連接到變送器14。
本發(fā)明的一個方面包括認(rèn)識到現(xiàn)有技術(shù)的密封件的間隙126可在制造過程中在密封件100的內(nèi)徑肩部130和隔膜46的外圓周之間形成。這導(dǎo)致施加到隔膜46的力的易變性。該間隙126由從焊縫128產(chǎn)生的焊縫變形形成。例如，如果隔膜46和密封件100被在焊接過程中施加載荷的夾具保持在適當(dāng)?shù)奈恢?，則焊縫128的收縮(例如在冷卻過程中)引起密封件100的金屬環(huán)向內(nèi)拉，從而沿著肩部130提起金屬環(huán)，使其離開隔膜46。這改變了接觸面積，引起接觸面積變得不均勻。
圖3B示出了如圖3A示出的剖視圖一樣的剖視圖，但增加了壓緊密封件100的過程凸緣。這一點可通過夾緊、螺接或其它技術(shù)來實現(xiàn)。如圖3B所示，從過程凸緣13施加的載荷引起肩部130推擠隔膜46，從而消除或至少改變間隙126的尺寸。這樣，間隙126使得隔膜和密封組件響應(yīng)于不同的螺栓和凸緣載荷對彎曲或其它變形高度敏感。這種彎曲或運動被傳遞到隔膜46，并最終在壓力測量中引入誤差。
本發(fā)明提供了一種技術(shù)，用于減小由于焊縫收縮產(chǎn)生的間隙126引起的誤差，或由于其它原因引起的誤差。焊縫收縮可能例如由焊縫的冷卻或周圍材料的冷卻引起。本發(fā)明提供了一種結(jié)構(gòu)，以保證隔膜沿著內(nèi)徑肩部的接觸大致是一致的和穩(wěn)定的，不論施加到密封件上的載荷力是多少。這是在密封件處于未加載狀態(tài)時，通過保證在內(nèi)環(huán)區(qū)域的接觸來減小或基本上消除如圖3A所示的間隙126而被實現(xiàn)的。在一些結(jié)構(gòu)中，本發(fā)明與如圖2、3A和3B所示的現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠減小由于來自凸緣的安裝力引起的誤差的50％至75％。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個典型實施例的側(cè)剖視圖，包括密封件200的插圖A。類似地，圖5A和5B是密封件200的側(cè)剖視圖。密封件200包括金屬環(huán)202，其具有內(nèi)徑或內(nèi)圓周206和外徑圓周203。金屬環(huán)優(yōu)選由具有適當(dāng)?shù)哪透g性的彈性材料形成，以允許暴露到過程流體中。例如，以商標(biāo)名Inconel銷售的冷加工不銹鋼或金屬、高強(qiáng)度非磁鋼可被使用。
圖5A和5B更清楚地示出了內(nèi)部或內(nèi)圓周224和外部或外圓周222。圖5A也示出了環(huán)狀肩部區(qū)域230。圖5A示出了連接到變送器14之前的密封件100。環(huán)狀接觸區(qū)域228通過在連接過程中施加載荷力沿著肩部230形成。設(shè)置倒錐236，其具有高度226，所述高度226大于由于焊接過程引起的焊縫變形。當(dāng)密封件200被保持在該位置時，形成焊縫(參見圖5B中的232)。焊縫232例如可利用激光焊接來形成，從而將密封件200連接到變送器14。
圖5B是跟隨焊接過程的密封件200的結(jié)構(gòu)的剖視圖。如圖5B所示，任何由于焊縫232的收縮引起的焊接變形被預(yù)載荷抵銷，從而肩部230沿著其圓周與變送器14和隔膜46的表面保持一致和穩(wěn)定的接觸。
斜面或倒錐236優(yōu)選被構(gòu)造和具有足夠的深度，從而，當(dāng)焊接期間施加預(yù)載荷力時，由倒錐236提供的間隙226的一部分被保持。然后焊縫232保持在肩部230處的接觸，并沿著由肩部230形成的內(nèi)環(huán)面提供一些殘余載荷。該殘余載荷消除或基本上減小如圖3A所示的現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)中的間隙126。這樣，由于間隙126減小，當(dāng)不同的凸緣和/或載荷或條件被施加到密封件200上時，沿著肩部230的接觸面積不會明顯地變化。通過減小由于施加到隔膜46上的任何外力引起的接觸面積的任何變化或改變，可減小測得的壓力的誤差。
在如圖6所示的替代實施例中，內(nèi)環(huán)肩部330形成為擴(kuò)大的區(qū)域，從而延伸到環(huán)的外環(huán)區(qū)域336之外。這樣，當(dāng)環(huán)被預(yù)加載時，在內(nèi)肩部330處的接觸被保證，并且該接觸在預(yù)載荷被除去之后仍然保持。
本發(fā)明還包括將密封件連接到變送器的方法，該方法減小當(dāng)密封件在載荷下被放置時施加到隔膜上的力的變化。根據(jù)該方法，密封件200在如圖5A所示的焊接過程或其它連接過程中被預(yù)加載。跟隨連接過程，預(yù)載荷被除去，環(huán)狀肩部230保持與隔膜46的充分接觸，而不管焊縫232的任何收縮。
盡管激光焊在此被具體描述，但本發(fā)明可用于任何在連接過程后會引起密封件200中的變形的連接技術(shù)。典型地，密封件200包括金屬，然而，也可根據(jù)需要使用其它材料。密封和填充材料120可以與密封件200一起使用?？墒褂萌魏芜m當(dāng)?shù)牟牧希ɡ?，玻璃填充Teflon、石墨填充Teflon、Viton或其它在現(xiàn)有技術(shù)中已知的用于生產(chǎn)O形環(huán)等的材料。
盡管已經(jīng)參照優(yōu)選實施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述，然而本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會認(rèn)識到，在不偏離本發(fā)明的實質(zhì)和范圍的情況下可以在形式和細(xì)節(jié)上進(jìn)行變化。本發(fā)明可應(yīng)用于并與其它的密封結(jié)構(gòu)一起使用，并不限于這里描述的特定結(jié)構(gòu)。其它類型的密封唇、鉸接或涂敷的凸緣可被使用，或者材料或填充物。沿著凸緣外徑的倒錐可使用包括切削加工的任何技術(shù)來獲得。在一些實施例中，倒錐由于施加預(yù)載荷力或其它技術(shù)來獲得，以獲得期望的剖面。
權(quán)利要求
1.一種用于耦合到過程的過程控制儀表，所述過程控制儀表能夠連接到金屬凸緣，所述金屬凸緣具有適于填充過程流體的第一通道，所述過程控制儀表包括主體，所述主體具有鄰近第一通道的開口，用于在過程控制儀表連接到凸緣時從第一通道接收過程流體；和隔膜，所述隔膜跨過開口設(shè)置，與過程流體流體連通；密封件，所述密封件適于緊靠凸緣定位，以防止過程流體通過凸緣和隔膜泄漏，其中密封件包括位于開口中并連接到主體的環(huán)，所述環(huán)在主體未連接到凸緣(未加載)時沿著內(nèi)側(cè)環(huán)形肩部與隔膜接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的過程控制儀表，其特征在于，密封件包括沿著外環(huán)部分的錐形部分。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的過程控制儀表，其特征在于，包括在密封件中的填充材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的過程控制儀表，其特征在于，所述密封件被焊接到主體。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的過程控制儀表，其特征在于，所述焊接包括激光焊接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的過程控制儀表，其特征在于，包括凸緣，被構(gòu)造用于對密封件加載。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的過程控制儀表，其特征在于，將凸緣連接到主體的密封力引起密封件從未加載狀態(tài)變形。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的過程控制儀表，其特征在于，所述變形沿著外環(huán)和主體之間的間隙發(fā)生。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的過程控制儀表，其特征在于，所述變形沿著離開凸緣表面的方向。
10.一種將密封件連接到過程變送器的方法，所述方法包括預(yù)加載密封件，以將密封件的內(nèi)環(huán)部分推向變送器的隔離膜片；在實施預(yù)加載時將密封件連接到變送器；和在連接之后除去預(yù)加載，從而密封件的環(huán)狀肩部保持與隔膜接觸。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，密封件包括沿著外環(huán)部分的錐形部分。
12.根據(jù)權(quán)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.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，連接密封件包括焊接。
14.根據(jù)權(quán)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.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，包括應(yīng)用凸緣，所述凸緣被構(gòu)造用于對密封件加載。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，將凸緣連接到主體的密封力引起密封件從未加載狀態(tài)變形。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，所述變形沿著外環(huán)和主體之間的間隙發(fā)生。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，所述變形沿著離開凸緣表面的方向。
19.一種過程變送器，包括根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法連接的密封件。
全文摘要
一種用于耦合到過程的過程控制儀表，所述過程控制儀表可連接到金屬凸緣，所述金屬凸緣具有適于填充過程流體的第一通道。所述過程控制儀表包括主體，所述主體具有鄰近第一通道的開口，用于在過程控制儀表連接到凸緣時從第一通道接收過程流體。隔膜跨過開口設(shè)置，與過程流體流體連通。密封件適于緊靠凸緣定位，以防止過程流體通過凸緣和隔膜泄漏。密封件包括位于開口中并連接到主體的環(huán)，所述環(huán)在主體未連接到凸緣(未加載)時沿著內(nèi)側(cè)環(huán)形肩部與隔膜接觸。
文檔編號F16J15/06GK1654938SQ200510007898
公開日2005年8月17日 申請日期2005年2月6日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月9日
發(fā)明者戴維·A·布羅登 申請人:羅斯蒙德公司