用于在工業(yè)過(guò)程中使用的壓力變送器的密封件的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種用于測(cè)量工業(yè)過(guò)程中的過(guò)程流體的壓力的壓力變送系統(tǒng)，所述壓力變送系統(tǒng)包括具有壓力傳感器的壓力變送器。具有圓形開(kāi)口的過(guò)程流體通道被構(gòu)造為將所述過(guò)程流體的壓力耦合到所述壓力傳感器。同心密封支撐結(jié)構(gòu)繞圓形開(kāi)口延伸并包括環(huán)形凹部。環(huán)形應(yīng)力集中部被定位成從所述環(huán)形凹部徑向向內(nèi)。密封材料填充所述環(huán)形凹部并接觸所述環(huán)形應(yīng)力集中部的至少一部分。
【專(zhuān)利說(shuō)明】用于在工業(yè)過(guò)程中使用的壓力變送器的密封件

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種過(guò)程控制儀器。具體地，本發(fā)明涉及耦合到過(guò)程壓力的壓力變送 器。

【背景技術(shù)】
[0002] 感測(cè)壓力的變送器具有壓力傳感器，該壓力傳感器典型地聯(lián)接到至少一個(gè)隔離膜 片（isolationdiaphragm)。變送器典型地連接到法蘭且包括一開(kāi)口，該開(kāi)口被對(duì)準(zhǔn)以接收 來(lái)自法蘭中的通道的過(guò)程流體。隔離膜片定位在所述開(kāi)口中，并將壓力傳感器與正被感測(cè) 的腐蝕性過(guò)程流體隔離開(kāi)。壓力經(jīng)由在通道中被輸送的大致不可壓縮隔離流體從隔離膜片 被傳遞到具有感測(cè)隔膜的傳感器。題目為"MODULARPRESSURETRANSMITTER"的U.S.專(zhuān)利 No. 4, 833922 和題目為"PRESSURETRANSMITTERWITHSTRESSISOLATIONDEPRESSION" 的 U.S?專(zhuān)利No. 5, 094, 109示出了此類(lèi)型的壓力變送器。
[0003] 壓力變送器通常包括定位在包圍隔離膜片的開(kāi)口中的焊接環(huán)。焊接環(huán)能夠被焊 接到變送器主體并焊接到隔離膜片，從而將隔離膜片固定到變送器主體。焊接環(huán)還能夠 用于支撐諸如〇形環(huán)的密封件。當(dāng)變送器通過(guò)諸如由螺栓提供的連接力而連接到工業(yè) 過(guò)程法蘭時(shí)，密封件和焊接環(huán)被壓靠在法蘭上以防止過(guò)程流體通過(guò)開(kāi)口泄露。在如下的 專(zhuān)利中示出了這種焊接環(huán)的示例：1999年7月13日授予Behm等人的題目為"PRESSURE SENSOR AND TRANSMITTER HAVING A WELD RING WITH A ROLLING HINGE POINT"的美國(guó) 專(zhuān)利No. 5, 992, 965和2000年5月2日授予的Behm等人的題目為"PRESSURE SENSOR AND TRANSMITTER HAVING A WELD RING WITH A ROLLING HINGE POINT"的美國(guó)專(zhuān)利 No. 6, 055, 863,這兩個(gè)專(zhuān)利都轉(zhuǎn)讓給了Rosemount Inc.。
[0004] 用于與焊接環(huán)一起使用的一些類(lèi)型的密封件尤其難于保持。例如，包括聚四氟乙 烯（PTFE)的密封件能夠用作密封件。然而，PTFE具有"冷變形"的趨勢(shì)且隨著時(shí)間流逝而 改變其形狀。這可能會(huì)減小施加到密封件的預(yù)加載力并由此降低密封件的效能。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] -種用于測(cè)量工業(yè)過(guò)程中的過(guò)程流體的壓力的壓力變送系統(tǒng)，所述壓力變送系統(tǒng) 包括具有壓力傳感器的壓力變送器。具有圓形開(kāi)口的過(guò)程流體通道被構(gòu)造為將所述過(guò)程流 體的壓力耦合到所述壓力傳感器。同心密封支撐結(jié)構(gòu)繞圓形開(kāi)口延伸并包括環(huán)形凹部。環(huán) 形應(yīng)力集中部（annularstressriser)被定位成從所述環(huán)形凹部徑向向內(nèi)。密封材料填 充所述環(huán)形凹部并接觸所述環(huán)形應(yīng)力集中部的至少一部分。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0006] 圖1是根據(jù)本發(fā)明的具有焊接環(huán)和支撐表面的壓力變送器的局部剖面圖；
[0007] 圖2是根據(jù)一個(gè)示例性構(gòu)造的包括應(yīng)力集中部的密封支撐結(jié)構(gòu)的局部剖視圖；
[0008] 圖3是由脊部形成的應(yīng)力集中部的另一示例性實(shí)施例的剖面圖；
[0009] 圖4是示出了具有形成在兩個(gè)凹部之間的應(yīng)力集中部的密封支撐結(jié)構(gòu)的一個(gè)示 例性實(shí)施例；
[0010] 圖5是其中形成有密封支撐結(jié)構(gòu)的過(guò)程部件的表面的立體圖；
[0011] 圖6是圖5的密封支撐結(jié)構(gòu)的一部分的剖視圖；以及
[0012] 圖7是其中形成有鋸齒部的密封支撐結(jié)構(gòu)的另一示例性實(shí)施例的剖面圖。

【具體實(shí)施方式】
[0013] 本發(fā)明提供了一種用于與工業(yè)過(guò)程控制壓力變送器一起使用的密封件，該壓力變 送器使用同心密封支撐結(jié)構(gòu)。該密封支撐結(jié)構(gòu)構(gòu)造為繞圓形開(kāi)口延伸并為該開(kāi)口提供密 封。支撐結(jié)構(gòu)包括凹部區(qū)域和應(yīng)力集中部。密封材料被構(gòu)造為位于凹部區(qū)域中，而應(yīng)力集 中部被構(gòu)造為將密封材料推靠在過(guò)程表面上，由此相對(duì)于過(guò)程表面密封圓形開(kāi)口。
[0014] 圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的壓力變送器10,其具有變送器主體12、法蘭（或共面歧 管）13和傳感器主體14。雖然本發(fā)明示出了共面法蘭，但是本發(fā)明可使用任何類(lèi)型的法蘭、 歧管或適于接收過(guò)程流體的其他聯(lián)接器。傳感器主體14包括壓力傳感器16,變送器主體 12包括變送器線路20。傳感器線路18經(jīng)由通信總線22聯(lián)接到變送器線路20。變送器線 路20經(jīng)由雙線4-20毫安過(guò)程控制回路23發(fā)送與過(guò)程流體的壓力相關(guān)的信息。變送器10 將與過(guò)程流體壓力相關(guān)的信息傳送到控制室60,或傳送到聯(lián)接到過(guò)程控制回路23的其他 裝置（未示出）。過(guò)程控制室60被模制為電源62和電阻器64。變送器10能夠完全經(jīng)由 回路23所接收到的電力被供電。過(guò)程控制回路23能夠是任意類(lèi)型的過(guò)程控制回路，包括 傳輸諸如根據(jù)HART?協(xié)議的數(shù)字信息以及采用諸如HART?協(xié)議的無(wú)線通信技術(shù)的控 制回路。然而，本發(fā)明不限于這些通信技術(shù)。
[0015] 壓力傳感器16能夠是絕對(duì)壓力傳感器或差壓傳感器。在壓力傳感器16是差壓傳 感器的一些實(shí)施例中，傳感器I6測(cè)量在法蘭13的通道24中的壓力Pl和法蘭13的通道26 中的壓力P2之間的壓差。在該具體實(shí)施例中，壓力Pl經(jīng)由通道32耦合到傳感器16。壓力 P2經(jīng)由通道34耦合到傳感器16。通道32延伸通過(guò)聯(lián)接器36和管40。通道34延伸通過(guò) 聯(lián)接器38和管42。通道32和34填充有諸如油的相對(duì)不可壓縮流體。聯(lián)接器36和38螺 紋連接到傳感器主體14,且在承載傳感器線路18的傳感器主體的內(nèi)部和容納在通道24和 26中的過(guò)程流體之間提供較長(zhǎng)的火焰淬火路徑。
[0016] 通道24定位成鄰近傳感器主體14中的開(kāi)口 28。通道26定位成鄰近傳感器主體 14中的開(kāi)口 30。隔膜46定位在開(kāi)口 28中且鄰近通道24耦合到傳感器主體14。通道32 延伸通過(guò)聯(lián)接器36和傳感器主體14而到達(dá)隔膜46。隔膜50鄰近通道26耦合到傳感器主 體14。通道34延伸通過(guò)聯(lián)接器38和傳感器主體14而到達(dá)隔膜50。
[0017]焊接環(huán)48定位在開(kāi)口28中并被焊接到傳感器主體14的支撐表面49。焊接環(huán)52定位在開(kāi)口30中并被焊接到傳感器主體14的支撐表面53。焊接環(huán)48和52典型地大致相 同且優(yōu)選地是環(huán)形形狀并定位在包圍隔離膜片46和50的開(kāi)口28和30中。在一些優(yōu)選的 實(shí)施例中，用于將焊接環(huán)連接到傳感器主體14的焊接還將各自的隔離膜片連接到傳感器 主體。焊接環(huán)48和52還能夠用于支撐用于密封開(kāi)口28和30以防止來(lái)自通道24和26的 過(guò)程流體發(fā)生泄露的密封件。如所示，焊接環(huán)48和52分別支撐密封件54和56。
[0018] 在操作中，當(dāng)變送器10被栓接到法蘭13時(shí)，法蘭13的表面58壓靠在焊接環(huán)48和 52上并壓靠在密封件54和56上。施加在焊接環(huán)和密封件上的栓接力或連接力壓縮密封 件，從而防止過(guò)程流體通過(guò)通道24和26以及開(kāi)口 28和30泄露。連接力還造成了焊接環(huán) 48和52的變形。隔離膜片46和50部分地定位在各自的焊接環(huán)48和52與表面49和53 之間，或者在沒(méi)有定位在焊接環(huán)與傳感器錐支撐表面之間的情況下被定位成緊鄰焊接環(huán)。
[0019] 如上所述，諸如變送器10的一些壓力變送器相對(duì)于可移除法蘭13進(jìn)行密封。現(xiàn)有 技術(shù)中已經(jīng)使用了 0形環(huán)式密封件。近年來(lái)，已經(jīng)開(kāi)始使用聚四氟乙烯（PTFE)基密封件。 這種密封件通常為"受限制密封件"的形式，其中一些類(lèi)型的結(jié)構(gòu)的試圖保持PTFE密封件 的形狀。密封材料被迫填充溝槽或其他凹部。然后使用螺栓等將預(yù)加載力施加到密封件， 從而迫使密封表面更加緊靠在一起并使密封材料被擠壓（冷變形）到凹部中。栓接力產(chǎn)生 被緊密保持的密封表面并在溫度和壓力范圍內(nèi)形成良好的密封。然而，PTFE(或玻璃填充 PTFE)具有冷變形的趨勢(shì)。PTFE的此種冷變形使密封件隨著時(shí)間而改變形狀，并從而降低 密封件的效能。多種限制方法用于防止這種冷變形和擠出，由此試圖保持在密封表面上的 初始加載力。典型的設(shè)計(jì)方針需要加載力是具體接合點(diǎn)處的期望卸載力的兩倍。因此，密封 件上的初始負(fù)載以及該密封件保持該負(fù)載的能力是確定這種密封件的性能的關(guān)鍵因素。這 些限制通常以諸如最大工作壓力、過(guò)程溫度操作極值以及周期性溫度和壓力變化期間的密 封可靠性的性能參數(shù)來(lái)表示。此外，密封區(qū)域、螺栓尺寸、表面以及與密封件一起使用的部 件的其他方面被標(biāo)準(zhǔn)化，并因此使得重新設(shè)計(jì)密封表面以提高密封性能的可能性很小。因 此，在一些構(gòu)造中，PTFE的冷變形使得安裝力由于溫度周期性變化損失其初始預(yù)加載力的 30%。在一些情況中，由于部件不一致的膨脹和收縮，可能會(huì)造成甚至更加大的損失。
[0020] 圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例的焊接環(huán)52的一部分的剖面圖。焊接環(huán) 52使用焊接100而被聯(lián)接到傳感器主體14。然而，可采用任何連接技術(shù)。焊接環(huán)52包括由 外環(huán)壁106中的反轉(zhuǎn)角（reversalangle) 104所限定的應(yīng)力集中部102。應(yīng)力集中部102 被限定在焊接環(huán)52的外周延伸部110處，該外周延伸部110面向通道26并與過(guò)程流體接 觸。在如圖2所示的構(gòu)造中，焊接環(huán)52提供包括環(huán)形主凹部120的同心密封件支撐件。應(yīng) 力集中部102提供一環(huán)形應(yīng)力集中部，該環(huán)形應(yīng)力集中部與外周壁106 -起限定環(huán)形內(nèi)凹 部122。在凹部120、應(yīng)力集中部102、內(nèi)凹部122和傳感器主體14之間的區(qū)域中，設(shè)置有諸 如PTFE的密封材料（密封材料如圖1中的54、56所示）。該應(yīng)力集中部102提供了載荷集 中區(qū)，當(dāng)從過(guò)程流體和從安裝螺栓施加壓力時(shí)，該載荷集中區(qū)域?qū)⒚芊獠牧贤瓶吭诜ㄌm13 上并容納該密封材料以減少或防止冷變形。更具體地，容納在凹部122中的密封材料通過(guò) 所施加的過(guò)程壓力被推靠在應(yīng)力集中部102上。應(yīng)力集中部102確保施加到密封材料的載 荷被集中以從而保持密封件。
[0021] 圖3是焊接環(huán)52的另一個(gè)示例性實(shí)施例的放大剖視圖，該焊接環(huán)52包括應(yīng)力集 中部102,所述應(yīng)力集中部被構(gòu)造為提供限定內(nèi)部環(huán)形凹部104的凹口。與圖2類(lèi)似，在圖 3中，應(yīng)力集中部102將內(nèi)部環(huán)形凹部104與主環(huán)形凹部120分離。在如圖3所示的構(gòu)造 中，密封材料132填充凹部104、120,以及應(yīng)力集中部102和法蘭3之間的區(qū)域。應(yīng)力集中 部102能夠由諸如機(jī)加工的材料去除處理而形成。
[0022] 圖4示出了另一示例性實(shí)施例，在該示例性實(shí)施例中，應(yīng)力集中部102限定凹部區(qū) 域140和凹部區(qū)域104。注意到可使用如下的任何期望的技術(shù)來(lái)形成應(yīng)力集中部102 :例 如，材料去除處理、材料添加處理、提供斜面的制造技術(shù)等。在圖4中，應(yīng)力集中部102形成 為繞焊接環(huán)52的內(nèi)周的環(huán)形脊部。
[0023] 在上述的說(shuō)明中，應(yīng)力集中部102被限定在焊接環(huán)中。然而，本發(fā)明不限于此構(gòu) 造。在一些實(shí)施例中，應(yīng)力集中部102被限定在過(guò)程部件的密封表面上。例如，圖5示出了 根據(jù)本發(fā)明的具有密封表面的162的過(guò)程聯(lián)接件160,該密封表面162提供同心密封支撐結(jié) 構(gòu)164。圖6是過(guò)程聯(lián)接件160和法蘭體190的剖面圖，其示出了密封支撐結(jié)構(gòu)164,該密 封支撐結(jié)構(gòu)分別提供徑向內(nèi)部應(yīng)力集中部170A和外部應(yīng)力集中部170B，應(yīng)力集中部170A 和170B限定在內(nèi)部環(huán)形唇部172和外部環(huán)形唇部174之間。密封材料180構(gòu)造為被容納 在由支撐結(jié)構(gòu)164提供的內(nèi)部環(huán)形凹部182和主環(huán)形凹部184中。以與上述描述的方式類(lèi) 似的方式，應(yīng)力集中部170接收來(lái)自過(guò)程流體的壓力和加載壓力，并被構(gòu)造為有助于捕獲 密封材料180并將密封材料推靠在過(guò)程部件的表面上。圖7示出了類(lèi)似的構(gòu)造，其中環(huán)形 鋸齒部190和192設(shè)置成局部化密封材料中的應(yīng)力并減小冷變形的量。鋸齒部190和192 是各自?xún)?nèi)部徑向內(nèi)部應(yīng)力集中不和外部應(yīng)力集中部的另一示例。
[0024] 上述的構(gòu)造提供了用于密封兩個(gè)平坦表面的方法和設(shè)備。該密封件具有環(huán)形結(jié) 構(gòu)，并且該應(yīng)力集中部被設(shè)置成容納密封材料并將密封材料推靠在過(guò)程表面上。密封材料 可以是任何適當(dāng)?shù)牟牧?。示例性密封材料包括PTFE和石墨。使用可構(gòu)造為焊接環(huán)或直接 構(gòu)造在工業(yè)過(guò)程界面的表面中的密封支撐結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)施本發(fā)明。支撐機(jī)構(gòu)的制造可以基于模 制技術(shù)、材料添加或去除技術(shù)或其他理想的方法。該應(yīng)力集中部允許加載力被集中在較小 的區(qū)域中，由此提高密封材料和過(guò)程表面之間的密封。
[0025] 雖然已經(jīng)參考優(yōu)選的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了說(shuō)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可認(rèn)識(shí) 到在不背離本發(fā)明的精神和保護(hù)范圍的情況下可在形式和細(xì)節(jié)上進(jìn)行修改。本發(fā)明的應(yīng)力 集中部被構(gòu)造為增加由密封材料施加到過(guò)程部件的表面上每單位面積的力。這里使用的術(shù) 語(yǔ)"焊接環(huán)"包括使用除了焊接之外的技術(shù)聯(lián)接到壓力變送器或其他過(guò)程部件的環(huán)。
【權(quán)利要求】
1. 一種用于測(cè)量工業(yè)過(guò)程中的過(guò)程流體的壓力的壓力變送系統(tǒng)，所述壓力變送系統(tǒng)包 括： 壓力變送器，其具有壓力傳感器； 過(guò)程流體通道，其具有被構(gòu)造為將所述過(guò)程流體的壓力耦合到所述壓力傳感器的圓形 開(kāi)口； 同心密封支撐結(jié)構(gòu)，其圍繞圓形開(kāi)口延伸并包括： 環(huán)形凹部； 環(huán)形應(yīng)力集中部，其從所述環(huán)形凹部徑向向內(nèi)定位；以及 密封材料，其填充所述環(huán)形凹部并接觸所述環(huán)形應(yīng)力集中部的至少一部分。
2. 如權(quán)利要求1所述的壓力變送系統(tǒng)，其中，所述同心密封支撐結(jié)構(gòu)包括環(huán)形內(nèi)凹部， 所述環(huán)形內(nèi)凹部定位成從所述環(huán)形應(yīng)力集中部徑向向內(nèi)，并且其中所述密封材料填充所述 環(huán)形內(nèi)凹部的至少一部分。
3. 如權(quán)利要求1所述的壓力變送系統(tǒng)，其中，所述應(yīng)力集中部將預(yù)加載力施加到所述 圓形開(kāi)口。
4. 如權(quán)利要求1所述的壓力變送系統(tǒng)，其中，所述應(yīng)力集中部通過(guò)從所述同心密封支 撐結(jié)構(gòu)去除材料被制造而成。
5. 如權(quán)利要求1所述的壓力變送系統(tǒng)，其中，所述環(huán)形應(yīng)力集中部由所述同心密封支 撐結(jié)構(gòu)中的斜面形成。
6. 如權(quán)利要求1所述的壓力變送系統(tǒng)，其中，所述密封材料包括聚四氟乙烯（PTFE)。
7. 如權(quán)利要求1所述的壓力變送系統(tǒng)，其中，所述密封材料包括石墨。
8. 如權(quán)利要求1所述的壓力變送系統(tǒng)，其中，所述同心密封支撐結(jié)構(gòu)形成在焊接環(huán)中， 所述焊接環(huán)安裝到所述壓力變送器的一表面。
9. 如權(quán)利要求1所述的壓力變送系統(tǒng)，其中，所述同心密封支撐結(jié)構(gòu)形成在過(guò)程部件 的一表面內(nèi)。
10. 如權(quán)利要求9所述的壓力變送系統(tǒng)，其中，所述過(guò)程部件包括用于將所述壓力變送 器聯(lián)接到所述過(guò)程流體聯(lián)接器。
11. 如權(quán)利要求1所述的壓力變送系統(tǒng)，其中，所述密封支撐結(jié)構(gòu)被構(gòu)造為減小所述密 封材料的冷變形。
12. 如權(quán)利要求1所述的壓力變送系統(tǒng)，其中，所述環(huán)形應(yīng)力集中部被構(gòu)造為增加施加 到所述密封材料的每單位面積的力。
13. 如權(quán)利要求1所述的壓力變送系統(tǒng)，其中，所述同心密封支撐結(jié)構(gòu)被焊接到所述壓 力變送器的主體。
14. 如權(quán)利要求1所述的壓力變送系統(tǒng)，其中，所述環(huán)形應(yīng)力集中部包括被構(gòu)造為減小 所述密封材料的冷變形的鋸齒部。
15. 如權(quán)利要求1所述的壓力變送系統(tǒng)，包括外部環(huán)形應(yīng)力集中部，其被定位成從所述 環(huán)形凹部徑向向外。
16. 如權(quán)利要求15所述的壓力變送系統(tǒng)，其中，所述外部環(huán)形應(yīng)力集中部包括被構(gòu)造 為減小所述密封材料的冷變形的鍋齒部。
17. -種用于相對(duì)于過(guò)程流體密封具有壓力傳感器的過(guò)程變量變送器的方法，所述方 法包括以下步驟： 提供繞過(guò)程聯(lián)接器延伸的環(huán)形應(yīng)力集中部； 繞所述應(yīng)力集中部提供環(huán)形凹部，所述環(huán)形凹部從所述環(huán)形應(yīng)力集中部徑向向外定 位； 將密封材料放置在所述環(huán)形凹部中和所述應(yīng)力集中部與一過(guò)程表面之間；以及 施加預(yù)加載力，所述預(yù)加載力將所述密封材料推靠在所述過(guò)程表面上。
18. 如權(quán)利要求17所述的方法，還包括以下步驟： 使用材料去除處理來(lái)制造所述環(huán)形應(yīng)力集中部。
19. 如權(quán)利要求17所述的方法，還包括以下步驟： 使用斜面形成處理來(lái)形成所述環(huán)形應(yīng)力集中部。
【文檔編號(hào)】G01L19/00GK104515644SQ201410502958
【公開(kāi)日】2015年4月15日 申請(qǐng)日期:2014年9月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月27日
【發(fā)明者】大衛(wèi)·安德魯·布羅登, 丹尼爾·羅納德·施瓦茨, 喬納森·戈登·科勒 申請(qǐng)人:羅斯蒙特公司