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，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。隔離膜片將壓力傳感器與被檢測的腐蝕性過程流體隔離開。通過通道中承載的基本上不可壓縮的隔離流體將壓力從隔離膜片傳遞到具有傳感膜片的傳感器。題目為“模塊化壓力變送器”(Modular Pressure Transmitter)的美國專利No.4,833,922以及題目為“帶有應(yīng)力隔離凹陷的壓力變送器”(Pressure Transmitter With Stress Isolation Depression)的美國專利No.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構(gòu)應(yīng)當(dāng)能夠在較寬的化學(xué)環(huán)境范圍、較寬的溫度范圍以及較寬的應(yīng)力條件下進(jìn)行操作，并且應(yīng)該能夠在較寬的壓力范圍內(nèi)良好地工作。優(yōu)選的密封化合物包括Teflon和其他碳氟化合物。Hastelloy、316不銹鋼以及其他抗腐蝕材料優(yōu)選作為潤濕表面的構(gòu)造材料。盡管這些材料具有非常好的抗腐蝕性，但是它們的機械性能，諸如抗腐蝕合金的屈服強度和密封材料的抗擠壓性等最多是勉強夠用。當(dāng)經(jīng)受高溫高壓時，密封材料易于被擠出。出于這個原因，密封材料必須處理成墊片。為了利用墊片形成有效的密封件，通常需要具有在顯著的壓縮作用下具有大的表面積的密封材料。來自壓縮的應(yīng)力被機械地連接至隔離膜片，并最終連接到壓力變送器的傳感膜片。當(dāng)裝配螺栓松開或者被再次旋轉(zhuǎn)時，并且當(dāng)墊片密封材料被擠出時，隨著時間的過去應(yīng)力量會發(fā)生變化。這些變化導(dǎo)致壓力傳感器的輸出的不穩(wěn)定性。
為了最小化連接到過程隔離膜片的應(yīng)力，優(yōu)選將膜片與密封機構(gòu)分離開，以提供應(yīng)力隔離。然而，實際的考慮使得膜片的應(yīng)力隔離非常困難。工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及對現(xiàn)存產(chǎn)品的向后兼容的需要限定了螺栓的尺寸、位置和結(jié)構(gòu)以及組件的壓力孔。變送器的整個幾何形狀限制了必須被過程密封墊片和隔離膜片共享的空間。過程隔離膜片必須裝配在被螺栓結(jié)構(gòu)限定的邊界內(nèi)。用于密封的螺栓邊界內(nèi)的空間對于隔離膜片來說通常是不可利用的。減小隔離膜片的尺寸常常是不希望發(fā)生的，因為較小的隔離膜片對應(yīng)力連接更敏感，結(jié)果由此產(chǎn)生不穩(wěn)定性。
在壓力變送器設(shè)計中通常必須在以下幾個競爭性需要中進(jìn)行權(quán)衡1)需要大的依從膜片(compliant diaphragm)；2)需要與密封機構(gòu)的應(yīng)力較好地隔離開的膜片；3)需要具有足夠表面積的密封機構(gòu)；4)需要以足夠的力保持在一起以便更加可靠的密封機構(gòu)；以及5)所有結(jié)構(gòu)裝配在被螺栓結(jié)構(gòu)限定的邊界中的約束條件。
在美國專利No.5,955,675中示出和描述了解決這些問題中的一些問題的一種技術(shù)，該美國專利于1999年9月21日授予Peterson，題目為“用于過程控制變送器的自激過程密封件(Self Energizing Process Seal ForProcess Control Transmitter)”，其與本申請一起被轉(zhuǎn)讓。該參考文件描述了一種技術(shù)，其中過程壓力被用于輔助過程密封件對凸緣的密封。過程密封件具有環(huán)狀形狀，并且密封材料沿著它的內(nèi)徑連接至環(huán)。所述環(huán)適于迫使密封材料與凸緣接觸，以防止過程流體通過密封件泄漏。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種用于過程控制變送器的過程密封件。所述密封件包括外徑區(qū)域和內(nèi)徑。拱形區(qū)域定位在內(nèi)徑和外徑區(qū)域之間。在一方面中，為了將過程變送器密封到連接凸緣上，設(shè)置金屬對金屬密封件。
附圖簡述

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剖視片斷視圖；圖2是圖1中的凸緣里的一部分變送器的剖視圖，示出了密封件；
圖3是圖2所示密封件的較詳細(xì)的剖視圖；圖4A和4B是根據(jù)本發(fā)明另一實施例的密封件的剖視圖；以及圖5是根據(jù)本發(fā)明的被構(gòu)造成包括選擇性墊片的密封件的剖視圖。
具體實施例方式
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性壓力變送器10，所述壓力變送器10具有變送器主體12、連接凸緣或歧管13以及傳感器主體14。盡管本發(fā)明被示出帶有CoplanarTM凸緣，但是本發(fā)明可以使用任何類型的凸緣、歧管或其他適于容裝過程流體的連接件。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連接至變送器電路20。變送器電路20經(jīng)過諸如兩線過程控制環(huán)路23(或電路)的通信鏈路傳送與過程流體壓力相關(guān)的信息。變送器10可以通過控制環(huán)路23由控制器25整體地供以電力。
在變送器的所述一個實施例中，壓力傳感器16測量通道24中的壓力P1與凸緣13的通道26中的壓力P2之間的壓力差。壓力P1通過通道32連接至傳感器16。壓力P2通過通道34連接至傳感器16。通道32通過連接件36和管40延伸。通道34通過連接件38和管42延伸。通道32和34填充有相對不可壓縮的流體，諸如油等。連接件36和38通過螺紋連接在傳感器主體14中，并且在承載傳感器電路18的傳感器主體內(nèi)部以及容納在通道24和26中的過程流體之間提供長的火焰淬火通路。
通道24定位在傳感器主體14中的開口28附近。通道26定位在傳感器主體14中的開口30附近。膜片46定位在開口28中并且連接到通道24附近的傳感器主體14。通道32通過連接件36和傳感器主體14延伸至膜片46。膜片50連接至通道26附近的傳感器主體14。通道34通過連接件38和傳感器主體14延伸至膜片50。
在操作中，當(dāng)變送器10通過螺栓固定在凸緣13上時，凸緣13壓在密封件48和52上。密封件48安置在開口24和膜片46附近的傳感器主體14上，用于防止過程流體從通道24和開口28經(jīng)過凸緣13泄漏到外部環(huán)境。類似地，密封件52連接至開口26和膜片50附近的傳感器主體14上，用于防止過程流體從通道26和開口30經(jīng)過凸緣13泄漏到外部環(huán)境。根據(jù)本發(fā)明的密封件48和52優(yōu)選是一樣的。稍后將參考圖2-5詳細(xì)描述密封件48。
本發(fā)明提供優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)中的密封技術(shù)的以下優(yōu)點1)減小提供有效密封所需的力；2)使密封力極大地獨立于將變送器連接至過程凸緣的螺栓中的張力所提供的力；3)使用過程壓力本身提供用于以高壓密封的力；4)緩解對于將具有優(yōu)良機械性能的材料用于制造環(huán)的需要，從而能夠使用具有改進(jìn)的腐蝕特特性的材料；以及5)具有以極大的高壓，例如超過10,000psi，密封過程流體的能力。
典型的現(xiàn)有技術(shù)中的密封件設(shè)計需要非金屬材料，諸如O形環(huán)和PTS墊片。這些材料不能很好地適應(yīng)在壓力和溫度極限值下的長期使用。本發(fā)明提供一種用于過程裝置中的金屬對金屬密封件，以解決與非金屬密封件相關(guān)的問題。
圖2是示出了密封件100的凸緣13和變送器14的一部分的剖視圖。圖3是連接至變送器14的密封件100的詳細(xì)剖視圖。密封件100適于緊靠凸緣13的表面定位，用于防止過程流體通過凸緣泄漏。如圖2中插圖(inset)A所示，示出了密封件100的俯視圖，密封件100包括具有外徑103和內(nèi)徑106的環(huán)。金屬環(huán)優(yōu)選由具有適當(dāng)抗腐蝕性的彈簧材料制成，以允許暴露于過程流體。例如，可以使用以商標(biāo)名稱Inconel進(jìn)行出售的經(jīng)冷加工的不銹鋼或金屬、高強度非磁鋼。能夠使用延展材料(諸如鎳等)對密封環(huán)100進(jìn)行電鍍。另一種示例性材料是銀。這種電鍍能提供低壓下的過程流體密封。當(dāng)過程壓力增加時，環(huán)100的結(jié)構(gòu)使得附加的壓力將被施加到密封件上。這樣抵消將凸緣13和變送器14推開的壓力所引起的螺栓預(yù)載力的“卸載”。如圖3中所詳細(xì)示出的一樣，環(huán)100被構(gòu)造成當(dāng)被卸載或者被釋放(即，不連接至凸緣13)時，延伸出凸緣13的表面平面。凸緣13安裝至變送器時的彈簧力防止過程流體在低壓下泄漏，同時自激特征(self-energizing)防止高壓下過程流體泄漏。焊縫111將環(huán)100固定到主體14上。任何適當(dāng)?shù)暮附踊蚪Y(jié)合技術(shù)均能被使用。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，密封件100包括中間部分120，其定位在外徑103和內(nèi)徑106之間。中間部分120具有與密封件100的整體形狀相一致的大體為環(huán)形的形狀，并且具有示出在圖3的剖視圖中的拱形。所述拱形是沿遠(yuǎn)離凸緣13的方向彎曲的，從而當(dāng)凸緣13與密封件100接觸時，凸緣13的表面接觸由中間部分120形成的拱形的最遠(yuǎn)端部分。該接觸安裝力使中間部分120向圖3中122所示的位置偏移距離d。
用諸如鎳等延展材料涂敷密封件100的中間部分120。例如，可以使用已知技術(shù)將延展材料鍍在環(huán)100上。延展材料的厚度應(yīng)當(dāng)足以經(jīng)受在裝置的期望壽命期間的一般使用所產(chǎn)生的磨損。涂層厚度通常可以為0.001至0.005英寸。中間部分120相對于凸緣13表面的彈簧加載力使得延展材料密封在凸緣13的金屬表面上。例如，凸緣13可以包括不銹鋼或其他適當(dāng)?shù)慕饘佟?br> 在本發(fā)明的另一方面中，選擇性密封墊片材料130能圍繞環(huán)100的外凹陷132延伸。外凹陷132大體圍繞環(huán)100的外圓周延伸。密封材料102可以是任何適當(dāng)?shù)牟牧?，例如填有Teflon的玻璃、填有Teflon的石墨、Viton或其他現(xiàn)有技術(shù)中已知的用于制造O形圈或類似物的材料。
密封材料130能提供對過程流體的附加密封，這對于較低的過程壓力尤其有效。這樣，由中間部分120相對于凸緣13的表面提供的金屬對金屬密封提供高壓下的過程流體密封，同時密封材料130提供低壓下的過程流體密封。
盡管中間部分120示出為具有拱形，但是其他結(jié)構(gòu)也可以被使用，其中環(huán)100的一部分沿向著凸緣13表面的方向突起，并且被構(gòu)造成接觸凸緣13的表面。在一方面中，接觸部分具有彎曲的外形。
圖4A和4B是根據(jù)本發(fā)明另一實施例的密封件200的剖視圖。密封件200包括通過焊縫111固定至變送器主體14的環(huán)。密封件200包括柔性向內(nèi)的延伸202，所述柔性向內(nèi)的延伸202從環(huán)200的外徑沿徑向向內(nèi)突出并且是柔性材料。彎曲的接觸區(qū)域204被定位在密封件200的中間直徑處，并且被構(gòu)造成鄰接凸緣13。在圖4B的剖視圖中，密封件100已經(jīng)發(fā)生變形，從而接觸區(qū)域204由于與凸緣13的接觸而向內(nèi)移動。這樣在接觸區(qū)域和凸緣13之間提供相對較小的接觸面積，由此沿著接觸區(qū)域204集中來自過程壓力的力。環(huán)200應(yīng)當(dāng)優(yōu)選由經(jīng)回火的彈簧或彈簧材料制成，并且能夠抗腐蝕以滿足所需應(yīng)用的要求?？梢允褂媒?jīng)冷加工的不銹鋼或者Havar“超合金”。如上所述，延展材料能夠被涂敷在密封件200上，尤其是沿接觸區(qū)域204涂敷。彈簧力使得密封件200在低的過程壓力下提供流體密封。設(shè)計的自激結(jié)構(gòu)在高壓下提供附加的密封力。所述構(gòu)造不需要附加的、非金屬密封材料。該結(jié)構(gòu)提供用于接觸區(qū)域204的彈簧加載懸臂支撐。
圖5是密封件250的另一個示例性實施例的剖視圖，其中包括向內(nèi)的延伸252，所述向內(nèi)的延伸252終止于內(nèi)徑彎曲接觸區(qū)域254。該結(jié)構(gòu)與圖4A和4B中示出的結(jié)構(gòu)相類似，然而，可以使用選擇性密封材料130以在低的過程壓力下提供附加的密封。延展材料的涂層可以用在圖5的密封件250上。如果使用這種涂層，則至少應(yīng)該覆蓋區(qū)域254。
金屬密封件與凸緣的接觸區(qū)域優(yōu)選具有彎曲的外形。這樣提供較好的密封，并且減少了金屬對金屬接觸破壞凸緣13的可能性。
盡管已經(jīng)參考優(yōu)選實施例描述了本發(fā)明，然而本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，在不偏離本發(fā)明的實質(zhì)和范圍的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)形式和細(xì)節(jié)上的改變。
權(quán)利要求
1.用于連接至一過程的過程控制儀器，所述過程控制儀器可連接至具有適于填充過程流體的第一通道的金屬凸緣，所述過程控制儀器包括主體，所述主體具有鄰近第一通道的開口，用于在過程控制儀器連接至凸緣時接收來自第一通道的過程流體；以及密封件，所述密封件適于定位在凸緣上以防止過程流體通過凸緣泄漏，其中密封件包括定位在所述開口中并且連接至主體的金屬環(huán)，所述金屬環(huán)構(gòu)造成利用金屬凸緣表面提供金屬對金屬密封，以防止過程流體通過它泄漏。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的儀器，其中，所述金屬環(huán)包括在其內(nèi)徑和外徑之間的中間部分，其中，所述中間部分相對于凸緣的表面呈拱形，并且所述拱形是沿著遠(yuǎn)離凸緣表面的方向彎曲的，從而高的過程流體壓力使拱形部分沿著凸緣表面的方向變平。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的儀器，其中，所述金屬環(huán)包括接觸區(qū)域，所述接觸區(qū)域被構(gòu)造成與凸緣接觸。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的儀器，其中，所述接觸區(qū)域是彎曲的。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的儀器，其中，至少所述接觸區(qū)域被涂敷以延展材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的儀器，其中，所述延展材料包括鎳。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的儀器，其中，包括沿著被構(gòu)造用來對凸緣進(jìn)行密封的金屬環(huán)設(shè)置的墊片材料，其中，所述墊片材料從金屬對金屬密封件隔離開。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的儀器，其中，所述金屬環(huán)在其外徑附近形成通道，并且進(jìn)一步包括沿所述通道延伸的密封材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的儀器，其中，所述金屬環(huán)被焊接至主體。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的儀器，其中，所述金屬環(huán)在處于卸載狀態(tài)時延伸出所述主體的表面以外。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的儀器，其中，將凸緣連接至主體的密封力使金屬環(huán)由卸載狀態(tài)發(fā)生變形。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的儀器，其中，所述變形是沿遠(yuǎn)離凸緣表面的方向的。
13.一種變送器，用于提供指示過程流體壓力的輸出，所述變送器能夠連接至具有適于填充過程流體的第一通道的凸緣，所述變送器包括主體，所述主體具有鄰近第一通道的開口，適于在變送器連接至凸緣時接收來自第一通道的過程流體，所述主體還具有第二通道，所述第二通道填充有第一流體并且從開口附近的位置延伸到用于提供與壓力有關(guān)的輸出的傳感裝置；隔離膜片，所述隔離膜片位于主體的開口中，并且使開口和第一通道與第二通道分離開，從而適于防止過程流體進(jìn)入第一通道；以及密封件，所述密封件定位于所述開口中以防止過程流體通過凸緣從第一通道和開口處泄漏，所述密封件包括金屬環(huán)，所述金屬環(huán)構(gòu)造成對凸緣提供金屬對金屬密封，其中，將主體連接至凸緣的密封力將金屬環(huán)的接觸區(qū)域壓緊在凸緣上。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的變送器，其中，所述金屬環(huán)包括在其內(nèi)徑和外徑之間的中間部分，其中，所述中間部分相對于凸緣的表面呈拱形，并且所述拱形是沿著遠(yuǎn)離凸緣表面的方向彎曲的，從而高的過程流體壓力使拱形部分沿著凸緣表面的方向變平。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的變送器，其中，至少所述接觸區(qū)域被涂敷以延展材料。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的變送器，其中，所述延展材料包括鎳。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的變送器，其中包括沿著被構(gòu)造用來對凸緣進(jìn)行密封的金屬環(huán)設(shè)置的墊片材料，所述墊片材料從接觸區(qū)域隔離開。
18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的變送器，其中，所述接觸區(qū)域是彎曲的。
19.根據(jù)權(quán)利要求13所述的變送器，其中，所述金屬環(huán)在其外徑附近形成通道，并且進(jìn)一步包括沿所述通道延伸的密封材料。
20.根據(jù)權(quán)利要求13所述的變送器，其中，所述金屬環(huán)被焊接至主體。
21.根據(jù)權(quán)利要求13所述的變送器，其中，所述金屬環(huán)在處于卸載狀態(tài)時延伸出所述主體的表面以外。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的變送器，其中，將凸緣連接至主體的密封力使金屬環(huán)由卸載狀態(tài)發(fā)生變形。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的變送器，其中，所述變形是沿遠(yuǎn)離凸緣表面的方向的。
24.根據(jù)權(quán)利要求1所述的儀器，其中，所述密封件包括接觸區(qū)域，所述金屬環(huán)的一部分適于在過程流體壓力的作用下發(fā)生彎曲，并且將金屬環(huán)的接觸區(qū)域壓緊在凸緣上。
全文摘要
提供一種用于過程控制變送器的過程密封件。所述密封件包括接觸區(qū)域，所述接觸區(qū)域?qū)B接凸緣提供金屬對金屬密封。
文檔編號G01L7/08GK1605846SQ20041008496
公開日2005年4月13日 申請日期2004年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月6日
發(fā)明者戴維·A·布羅登, 丹尼爾·A·諾伯格 申請人:羅斯蒙德公司