專利名稱:用于測量工業(yè)過程中的過程流體的壓力的壓力變送系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種用于測量工業(yè)過程中的過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。具有圓形開口的過程流體通道被構(gòu)造為將所述過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)繞圓形開口延伸并包括環(huán)形凹部。環(huán)形應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)形應力集中部的至少一部分。在本實用新型的壓力變送系統(tǒng)中，應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程表面之間的密封。
【專利說明】用于測量工業(yè)過程中的過程流體的壓力的壓力變送系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型涉及一種過程控制儀器。具體地，本實用新型涉及耦合到過程壓力的 壓力變送器。

【背景技術(shù)】
[0002] 感測壓力的變送器具有壓力傳感器，該壓力傳感器典型地聯(lián)接到至少一個隔離膜 片（isolation diaphragm)。變送器典型地連接到法蘭且包括一開口，該開口被對準以接收 來自法蘭中的通道的過程流體。隔離膜片定位在所述開口中，并將壓力傳感器與正被感測 的腐蝕性過程流體隔離開。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 被傳遞到具有感測隔膜的傳感器。題目為"MODULAR PRESSURE TRANSMITTER"的U.S.專利 No. 4, 833922 和題目為 "PRESSURE TRANSMITTER WITH STRESS ISOLATION DEPRESSION" 的 U. S?專利No. 5, 094, 109示出了此類型的壓力變送器。
[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0形環(huán)的密封件。當變送器通過諸如由螺栓提供的連接力而連接到工業(yè) 過程法蘭時，密封件和焊接環(huán)被壓靠在法蘭上以防止過程流體通過開口泄露。在如下的 專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 專利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" 的美國專利 1^〇.6,055,863，這兩個專利都轉(zhuǎn)讓給了1?〇861]1〇11111:111(3.。
[0004] 用于與焊接環(huán)一起使用的一些類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"的趨勢且隨著時間流逝而 改變其形狀。這可能會減小施加到密封件的預加載力并由此降低密封件的效能。 實用新型內(nèi)容
[0005] 一種用于測量工業(yè)過程中的過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。具有圓形開口的過程流體通道被構(gòu)造為將所述過程流 體的壓力耦合到所述壓力傳感器。同心密封支撐結(jié)構(gòu)繞圓形開口延伸并包括環(huán)形凹部。環(huán) 形應力集中部（annular stress riser)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)形應力集中部的至少一部分。
[0006] 在本實用新型的一個示例性實施例中，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。
[0007] 在本實用新型的一個示例性實施例中，所述應力集中部將預加載力施加到所述圓 形開口。
[0008] 在本實用新型的一個示例性實施例中，所述應力集中部通過從所述同心密封支撐 結(jié)構(gòu)去除材料被制造而成。
[0009] 在本實用新型的一個示例性實施例中，所述環(huán)形應力集中部由所述同心密封支撐 結(jié)構(gòu)中的斜面形成。
[0010] 在本實用新型的一個示例性實施例中，所述密封材料包括聚四氟乙烯（PTFE)。
[0011] 在本實用新型的一個示例性實施例中，所述密封材料包括石墨。
[0012] 在本實用新型的一個示例性實施例中，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。
[0013] 在本實用新型的一個示例性實施例中，所述同心密封支撐結(jié)構(gòu)形成在過程部件的 一表面內(nèi)。
[0014] 在本實用新型的一個示例性實施例中，所述過程部件包括用于將所述壓力變送器 聯(lián)接到所述過程流體聯(lián)接器。
[0015] 在本實用新型的一個示例性實施例中，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。
[0016] 在本實用新型的一個示例性實施例中，所述環(huán)形應力集中部被構(gòu)造為增加施加到 所述密封材料的每單位面積的力。
[0017] 在本實用新型的一個示例性實施例中，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。
[0018] 在本實用新型的一個示例性實施例中，所述環(huán)形應力集中部包括被構(gòu)造為減小所 述密封材料的冷變形的鋸齒部。
[0019] 在本實用新型的一個示例性實施例中，所述壓力變送系統(tǒng)包括外部環(huán)形應力集中 部，其被定位成從所述環(huán)形凹部徑向向外。
[0020] 在本實用新型的一個示例性實施例中，所述外部環(huán)形應力集中部包括被構(gòu)造為減 小所述密封材料的冷變形的鋸齒部。
[0021] 在本實用新型的壓力變送系統(tǒng)中，應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程表面之間的密封。

【附圖說明】

[0022] 圖1是根據(jù)本實用新型的具有焊接環(huán)和支撐表面的壓力變送器的局部剖面圖；
[0023] 圖2是根據(jù)一個示例性構(gòu)造的包括應力集中部的密封支撐結(jié)構(gòu)的局部剖視圖；
[0024] 圖3是由脊部形成的應力集中部的另一示例性實施例的剖面圖；
[0025] 圖4是示出了具有形成在兩個凹部之間的應力集中部的密封支撐結(jié)構(gòu)的一個示 例性實施例；
[0026] 圖5是其中形成有密封支撐結(jié)構(gòu)的過程部件的表面的立體圖；
[0027] 圖6是圖5的密封支撐結(jié)構(gòu)的一部分的剖視圖；以及
[0028] 圖7是其中形成有鋸齒部的密封支撐結(jié)構(gòu)的另一示例性實施例的剖面圖。

【具體實施方式】
[0029] 本實用新型提供了一種用于與工業(yè)過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)造為繞圓形開口延伸并為該開口提 供密封。支撐結(jié)構(gòu)包括凹部區(qū)域和應力集中部。密封材料被構(gòu)造為位于凹部區(qū)域中，而應 力集中部被構(gòu)造為將密封材料推靠在過程表面上，由此相對于過程表面密封圓形開口。
[0030] 圖1示出了根據(jù)本實用新型的壓力變送器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。雖然本實用新型示出了共面法蘭，但是本實用新型可使用任 何類型的法蘭、歧管或適于接收過程流體的其他聯(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毫安過程控制回路23發(fā)送與過程流體的壓力相關(guān)的 信息。變送器10將與過程流體壓力相關(guān)的信息傳送到控制室60,或傳送到聯(lián)接到過程控制 回路23的其他裝置（未示出）。過程控制室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。過程控制回路23能夠是任意類型的過程控 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)議的無線 通信技術(shù)的控制回路。然而，本實用新型不限于這些通信技術(shù)。
[0031] 壓力傳感器16能夠是絕對壓力傳感器或差壓傳感器。在壓力傳感器16是差壓傳 感器的一些實施例中，傳感器16測量在法蘭13的通道24中的壓力P1和法蘭13的通道26 中的壓力P2之間的壓差。在該具體實施例中，壓力P1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延伸通過聯(lián)接器36和管40。通道34延伸通過 聯(lián)接器38和管42。通道32和34填充有諸如油的相對不可壓縮流體。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中的過程流體之間提供較長的火焰淬火路徑。
[0032] 通道24定位成鄰近傳感器主體14中的開口 28。通道26定位成鄰近傳感器主體 14中的開口 30。隔膜46定位在開口 28中且鄰近通道24耦合到傳感器主體14。通道32 延伸通過聯(lián)接器36和傳感器主體14而到達隔膜46。隔膜50鄰近通道26耦合到傳感器主 體14。通道34延伸通過聯(lián)接器38和傳感器主體14而到達隔膜50。
[0033] 焊接環(huán)48定位在開口 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的開口 28和30中。在一些優(yōu)選 的實施例中，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口 28和30以防止來自通道24和26 的過程流體發(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。
[0034] 在操作中，當變送器10被栓接到法蘭13時，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，從而防止過程流體通過通道24和26以及開口 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)。
[0035] 如上所述，諸如變送器10的一些壓力變送器相對于可移除法蘭13進行密封?，F(xiàn)有 技術(shù)中已經(jīng)使用了 0形環(huán)式密封件。近年來，已經(jīng)開始使用聚四氟乙烯（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。PTFE的此種冷變形使密封件隨著時間而改變形狀，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)計方針需要加載力是具體接合點處的期望卸載力的兩倍。因此，密封 件上的初始負載以及該密封件保持該負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 件的其他方面被標準化，并因此使得重新設(shè)計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，可能會造成甚至更加大的損失。
[0036] 圖2是根據(jù)本實用新型的一個示例性實施例的焊接環(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（reversal angle) 104所限定的應力集中部102。應力集中 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。應力集中部102提供一環(huán)形應力集中部，該環(huán)形應力集中部與外周壁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）。該應力集中部102提供了 載荷集中區(qū)，當從過程流體和從安裝螺栓施加壓力時，該載荷集中區(qū)域?qū)⒚芊獠牧贤瓶吭?法蘭13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 料通過所施加的過程壓力被推靠在應力集中部102上。應力集中部102確保施加到密封材 料的載荷被集中以從而保持密封件。
[0037] 圖3是焊接環(huán)52的另一個示例性實施例的放大剖視圖，該焊接環(huán)52包括應力集 中部102,所述應力集中部被構(gòu)造為提供限定內(nèi)部環(huán)形凹部104的凹口。與圖2類似，在圖 3中，應力集中部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,以及應力集中部102和法蘭3之間的區(qū)域。應力集中 部102能夠由諸如機加工的材料去除處理而形成。
[0038] 圖4示出了另一示例性實施例，在該示例性實施例中，應力集中部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)來形成應力集中部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，應力集中部102形成 為繞焊接環(huán)52的內(nèi)周的環(huán)形脊部。
[0039] 在上述的說明中，應力集中部102被限定在焊接環(huán)中。然而，本實用新型不限于此 構(gòu)造。在一些實施例中，應力集中部102被限定在過程部件的密封表面上。例如，圖5示出 了根據(jù)本實用新型的具有密封表面的162的過程聯(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)部應力集中部170A和外部應力集中部170B，應力集中部 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 式類似的方式，應力集中部170接收來自過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程部件的表面上。圖7示出了類似的構(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力并減小冷變形的量。鋸齒部190和 192是各自內(nèi)部徑向內(nèi)部應力集中不和外部應力集中部的另一示例。
[0040] 上述的構(gòu)造提供了用于密封兩個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程表面上。密封材料 可以是任何適當?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)過程界面的表面中的密封支撐結(jié)構(gòu)來實施本實用新型。支撐結(jié)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程表面之間的密封。
[0041] 雖然已經(jīng)參考優(yōu)選的實施例對本實用新型進行了說明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可 認識到在不背離本實用新型的精神和保護范圍的情況下可在形式和細節(jié)上進行修改。本實 用新型的應力集中部被構(gòu)造為增加由密封材料施加到過程部件的表面上每單位面積的力。 這里使用的術(shù)語"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程部 件的環(huán)。
【權(quán)利要求】
1. 一種用于測量工業(yè)過程中的過程流體的壓力的壓力變送系統(tǒng)，其特征在于，所述壓 力變送系統(tǒng)包括： 壓力變送器，其具有壓力傳感器； 過程流體通道，其具有被構(gòu)造為將所述過程流體的壓力耦合到所述壓力傳感器的圓形 開口； 同心密封支撐結(jié)構(gòu)，其圍繞圓形開口延伸并包括： 環(huán)形凹部； 環(huán)形應力集中部，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)，其特征在于，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)，其特征在于，所述應力集中部將預加載力施加 到所述圓形開口。4. 如權(quán)利要求1所述的壓力變送系統(tǒng)，其特征在于，所述應力集中部通過從所述同心 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)，其特征在于，所述環(huán)形應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)，其特征在于，所述密封材料包括聚四氟乙烯 (PTFE)〇7. 如權(quán)利要求1所述的壓力變送系統(tǒng)，其特征在于，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)，其特征在于，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)，其特征在于，所述同心密封支撐結(jié)構(gòu)形成在過 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)，其特征在于，所述過程部件包括用于將所述壓 力變送器聯(lián)接到所述過程流體聯(lián)接器。11. 如權(quán)利要求1所述的壓力變送系統(tǒng)，其特征在于，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)，其特征在于，所述環(huán)形應力集中部被構(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)，其特征在于，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)，其特征在于，所述環(huán)形應力集中部包括被構(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)，其特征在于，所述外部環(huán)形應力集中部包括 被構(gòu)造為減小所述密封材料的冷變形的鋸齒部。
【文檔編號】G01L19-00GK204301917SQ201420560128
【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 [申請人]羅斯蒙特公司