CN101454643B - 过程传感器 - Google Patents
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Abstract
一种用于检测物理或化学过程参数的传感器,包括密封配置,该密封配置包括成形密封装置以及密封支持体,该密封支持体具有环形底部和设置在底部的端面上的固定环,其中成形密封装置用于相对于介质密封在外圆周壁和内圆周壁之间的环形间隙且包括:弹性的可径向夹钳的环形密封体(3),其具有环形的径向外部密封面(32)用于接触外圆周壁(2)以及环形的径向内部密封面(31)用于接触内圆周壁(1);环形的介质侧顶面(33),其在径向外部密封面和径向内部密封面之间延伸;环形底面(34),其在背离顶面(33)的一侧上在外部密封面和内部密封面之间延伸;和至少一个在底面中的环形凹口(36),用于容纳固定环(44),其中凹口具有至少一个底切。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于检测物理或化学过程参数的具有密封配置的传感器。
背景技术
多种过程传感器包括至少分段圆柱状的同轴设置的外部元件和内部元件,在它们之间密封引导介质的空间的环形间隙或环形腔。在最简单的情况中,环形间隙可以利用在圆柱状元件之间夹钳的密封环而封闭。然而,如果环形间隙超过一定宽度,那么O形环不实用,并且例如可以将形状稳定的密封支持体设置在内部元件和外部元件之间;在这种情况中,密封支持体具有外部密封座和内部密封座,其中密封环设置在各个密封座中,用于将密封支持体相对于外部元件和内部元件密封。例如在本申请人的电导率传感器CLS16中使用这种密封配置。尽管这种密封配置基本上满足其目的,但是它具有限制,首先,必须保证在四个周边密封接缝处的密封功能;第二,必须防止沿这四个密封接缝形成间隙;第三,必须注意在介质侧低压的情况中密封环不被吸出密封座从而导致泄漏;第四,密封支持体的材料必须适合过程介质。这些限制导致复杂的构造和/或安装步骤。
发明内容
于是,本发明的目的是提供一种传感器,其包括改进的密封配置且该密封配置包括成形密封装置。
本发明的成形密封装置的思想一方面在于将用于过程侧密封环形间隙的密封面数目减至最小,另一方面在于利用成形密封装置将密封支持体与过程介质分离。最后,密封可以在特殊过程条件,例如低压,情况得到优化。由此消除了现有技术中的缺点。
本发明的用于检测物理或化学过程参数的传感器包括密封配置,该密封配置包括成形密封装置以及密封支持体,该密封支持体具有环形底部和设置在底部的端面上的固定环。其中成形密封装置用于相对于介质密封在外圆周壁和内圆周壁之间的环形间隙,且包括弹性的可径向夹钳的环形密封体,其具有:
环形的径向外部密封面,用于接触外圆周壁,
环形的径向内部密封面,用于接触内圆周壁,
环形的介质侧顶面,其在径向外部密封面和径向内部密封面之间延伸,
环形的底面,其在背离顶面的一侧上在外部密封面和内部密封面之间延伸,和
至少一个在底面中的环形凹口,用于容纳固定环,其中凹口具有至少一个底切;
其中第一传感器部件形成所述内圆周壁,同轴设置的第二传感器部件形成所述外圆周壁,并且其中这两个传感器部件通过密封配置而彼此电隔离且彼此对中。
在未安装状态中,在平衡位置,即不受外部力影响的位置,密封体的横截面优选具有近似矩形的外部轮廓。
横截面轮廓的高度例如不小于横截面轮廓的宽度的40%,优选不小于55%,进一步优选不小于60%,其中高度在环形成形密封装置的轴向上延伸,宽度在径向上延伸。
进一步,横截面轮廓的高度不大于横截面轮廓宽度的例如100%,优选不大于85%,进一步优选不大于70%。
在本发明的一个实施例中,至少一个凹口在横截面中近似与密封体对称地布置。
在横截面中凹口在径向上的最大宽度例如不大于密封体的横截面轮廓宽度的70%,优选不大于60%,进一步优选地不大于54%。
在横截面中,凹口在径向上的最大宽度例如不小于密封体横截面轮廓宽度的38%,优选不小于45%,进一步优选地不小于48%。
为了形成底切,凹口在密封体内部宽度最大的截面以及底面之间具有宽度最小的截面。
最小宽度例如不大于密封体横截面轮廓的宽度的45%,优选地不大于38%,进一步优选地不大于33%。
最小宽度例如不小于密封体横截面轮廓的宽度的20%,优选地不小于25%,进一步优选地不小于28%。
为了减小应力,特别是减小应力集中,凹口轮廓的横截面被倒圆。密封体在凹口内的凹入面的最小曲率半径例如不小于密封体横截面轮廓的宽度的5%,优选不小于8%。
密封体在凹口内的凸出面的最小曲率半径例如不小于密封体横截面轮廓的宽度的10%,优选不小于15%。
垂直于底面测得的凹口高度例如约为密封体横截面轮廓的高度的50%~80%,优选约为60%~68%。
在凹口的内部,密封体的表面具有凹入区域,其朝向底面中的开口过渡入凸出区域。在横截面中,这个过渡通过拐点或者通过具有恒定斜率的部分而实现。恒定斜率或者在拐点处的斜率例如不小于30°,优选地不小于38°,进一步优选地不小于42°。
恒定斜率或者在拐点处的斜率例如不大于60°,优选地不大于52°,进一步优选地不大于48°。
当成形密封装置安装在固定环上并且根据用途而被径向夹钳在环形间隙中时,径向外部密封面优选地平行于径向内部密封面延伸。
密封体优选由弹性体,特别是全氟弹性体(例如,EPDM或Kalrez)制成。
本发明的密封配置包括本发明的成形密封装置以及本发明的密封支持体,后者具有环形底部和设置在底部端面上的固定环。固定环的尺寸适合凹口,从而当密封体利用插口安装在固定环上并被径向夹钳时,成形密封装置实现了期望的密封作用。
固定环可以具有例如蘑菇状的横截面,由此固定环形状配合地接合于密封体的插口的底切中。
可以这样定固定环的尺寸,使得当凹口设置在固定环周围时,密封体的横截面变宽。于是,当成形密封装置根据期望用途而被径向夹钳在外壁和内壁之间时,这导致了从固定环以及内壁和外壁作用于密封体的径向压缩及形变。
径向压缩例如约为10%~25%。
为了实现对于过压和欠压应用情况的最优密封作用,例如从密封支持体底部端面测量的固定环高度可以大于凹口的高度,从而在平衡状态,密封体的底面不位于密封支持体的底部的端面上。
固定环可以具有例如蘑菇状的横截面,由此固定环形状配合地接合于密封体的插口的底切中。
密封支持体优选由形状稳定的材料(例如金属、陶瓷或塑料)制成,其有时可以由玻璃纤维加强。在期望绝缘材料的情况,当前优选的是PEEK。
为了减小或最小化在成形密封装置和内壁或外壁的邻接密封面之间的过分的相对运动,密封支持体可以固定地连接至一个壁或者这两个壁。
在本发明的一个实施例中,密封支持体在底部包括内螺纹,在成形密封装置安装在固定环上之后,在至少分段圆柱状的内部体的侧面上的外螺纹旋入该内螺纹,其中圆柱状侧面段形成要被密封的环形间隙的内壁,并且成形密封装置至少部分被内壁径向压缩。
包括安装在密封支持体上的成形密封装置以及旋入的至少分段圆柱状内部体在内的配置被引入至少分段圆柱状的外部体,其中至少一个圆柱状侧面部分形成要被密封的环形间隙的外壁。
在至少分段圆柱状的外部体中,一个壁部分是锥形的,从而当安装在组件上的成形密封装置移动通过锥形部分时,成形密封装置的径向外部压缩可以通过外壁而可控地实现。然而,最终的密封座应当优选地具有圆柱状外壁。
本发明的密封配置特别适用于过程测量技术的传感器,例如电导率传感器,其中第一金属电极形成环形腔的内壁并且同轴设置的第二电极形成环形腔的外壁。通过密封配置,两个电极彼此电绝缘并彼此对中,并且待测介质能够渗透的环形腔被限定至密封配置外部的轴向端部。
内部及径向外部密封面优选无间隙地邻接环形腔的内壁和外壁,该环形腔是在内壁和外壁之间形成的并且由成形密封装置轴向限定。顶面优选基本平面地延伸或者至少仅仅略微弯曲,以防止在边缘区域产生接触介质的死区。于是,这种密封配置能够满足对于卫生应用的需求。
附图说明
现在根据附图中描述的本发明实施例,详细解释本发明,附图中:
图1是本发明的电导率传感器的传感器头的纵截面,该传感器装备了本发明的密封配置;
图2是一系列FEM仿真结果,其显示了对于不同情况本发明的成形密封装置的径向横截面中的应力,即,
图2a是未安装的本发明的密封体,没有外部力;
图2b是安装在密封支持体上的密封体;
图2c是安装在密封支持体上并设置在环形间隙内的密封体,在室温和标准大气压下;
图2d是安装在密封支持体上并设置在环形间隙内的密封体,在室温下且介质侧为500mbar的低压;和
图2e是安装在密封支持体上并设置在环形间隙内的密封体,150℃且介质侧为10bar的高压。
具体实施方式
图1中显示的电导率传感器包括内部电极1和外部电极2,它们彼此通过成形密封装置3和密封支持体4而分离并且相对于彼此密封。内部电极的外径例如约为5mm,外部电极的其中设置成形密封装置3的第一轴向部分22的内径例如约为14.25mm。至少在接触介质的端部,这两个电极优选具有电解法抛光的不锈钢表面,其粗糙度不大于0.4mm。
成形密封装置3的密封体具有径向内部密封面31,其无间隙地邻接内部电极1,还具有径向外部密封面32,其无间隙地邻接外部电极。密封面通过基本平面的顶面33彼此连接。顶面33在轴向上限制电导率传感器的测量腔。在与顶面相对设置的底面34中,提供增宽进入密封体内部的凹口36。密封体由全氟聚合物特别是EPDM制成。
密封支持体具有基本圆柱状的底部,其由面向成形密封装置3的环形端面42约束。固定环44沿轴向从端面43延伸,固定环的横截面与凹口36互补并且与其形状配合地接合,以将成形密封装置3保持就位。
密封支持体4由形状稳定的绝缘材料,例如PEEK制成。密封支持体4在底部41在其内部侧面的轴向部分中具有螺纹,在成形密封装置3安装在密封支持体4上之后,内部电极1旋入该螺纹。外部电极2在其内壁上具有第二轴向部分24,其与第一轴向部分22相邻并且其直径在朝向第一轴向部分的方向上平稳减小,即,第二轴向部分24锥形延伸。为了组装,由内部电极1、密封支持体4和成形密封装置3构成的预安装组件被引入第二电极2的背离介质侧端部的端部,其中成形密封装置3在穿过第二电极2的第二轴向部分24时经受一定的径向压缩。
正如从图2a~e中清楚看到的,本发明的密封配置可用于非常多的条件,而无需担心故障。在图表中,增加的应力由较深的灰度表示。
图2a显示了未安装的成形密封装置,没有应力,固定环仍然与成形密封装置位置分离。
图2b显示了在固定环上的成形密封装置,其中要注意的一方面是成形密封装置的径向加宽,另一方面是在固定环最大宽度点处的中等应力峰值。
图2c~e显示了在不同压力及温度条件下,径向压在环形间隙内的成形密封装置3。可以看出,首先,没有出现不可容忍的应力峰值;其次,总是完全接触密封面;第三,成形密封装置3未被拉离固定环44。
于是,本发明的密封配置实现了提供改进的密封环的发明目的,该密封环特别适用于面临强烈压力波动的卫生应用场合。
Claims (22)
1.用于检测物理或化学过程参数的传感器,包括密封配置,该密封配置包括成形密封装置以及密封支持体(4),该密封支持体具有环形底部(41)和设置在底部的端面(43)上的固定环(44),其中所述成形密封装置用于相对于介质密封在外圆周壁和内圆周壁之间的环形间隙,该成形密封装置包括弹性的可径向夹钳的环形密封体(3),该密封体具有:
环形的径向外部密封面(32),用于接触外圆周壁(2);
环形的径向内部密封面(31),用于接触内圆周壁(1);
环形的介质侧顶面(33),其在径向外部密封面和径向内部密封面之间延伸;
环形的底面(34),其在背离顶面(33)的一侧上在外部密封面和内部密封面之间延伸;和
至少一个在底面中的环形凹口(36),用于容纳固定环(44),其中凹口具有至少一个底切;
其中第一传感器部件形成所述内圆周壁,同轴设置的第二传感器部件形成所述外圆周壁,并且其中这两个传感器部件通过密封配置而彼此电隔离且彼此对中。
2.根据权利要求1所述的传感器,其中,密封体在未安装状态中在平衡位置的横截面具有近似矩形的外部轮廓。
3.根据权利要求1或2所述的传感器,其中,所述至少一个凹口在横截面中近似与密封体对称。
4.根据权利要求1所述的传感器,其中,凹口的横截面具有被倒圆的轮廓。
5.根据权利要求4所述的传感器,其中,密封体在凹口内的凹入面的最小曲率半径不小于密封体横截面轮廓的宽度的5%。
6.根据权利要求4所述的传感器,其中,密封体在凹口内的凹入面的最小曲率半径不小于密封体横截面轮廓的宽度的8%。
7.根据权利要求1所述的传感器,其中,在凹口的内部,密封体的表面具有凹入区域,其朝向底面中的开口过渡入凸出区域,这个过渡通过拐点或者通过具有恒定斜率的部分而实现,恒定斜率或者在拐点处的斜率不小于30°。
8.根据权利要求7所述的传感器,其中,所述恒定斜率或者在拐点处的斜率不小于38°。
9.根据权利要求7所述的传感器,其中,所述恒定斜率或者在拐点处的斜率不小于42°。
10.根据权利要求1所述的传感器,其中,在凹口的内部,密封体的表面具有凹入区域,其朝向底面中的开口过渡入凸出区域,这个过渡通过拐点或者通过具有恒定斜率的部分而实现,拐点处的斜率不大于60°。
11.根据权利要求10所述的传感器,其中,所述拐点处的斜率不大于52°。
12.根据权利要求10所述的传感器,其中,所述拐点处的斜率不大于48°。
13.根据权利要求1所述的传感器,其中,密封体由弹性体制成。
14.根据权利要求13所述的传感器,其中,所述弹性体是全氟弹性体。
15.根据权利要求13所述的传感器,其中,所述弹性体是EPDM或Kalrez。
16.根据权利要求1所述的传感器,其中,固定环(44)形状配合地接合于密封体(3)的凹口(36)的底切中。
17.根据权利要求1或16所述的传感器,其中,这样测定固定环的尺寸,使得当凹口设置在固定环周围时,密封体的横截面变宽。
18.根据权利要求1或16所述的传感器,其中,当密封配置常规地设置在环形间隙中时,密封体的径向压缩为10%~25%。
19.根据权利要求1所述的传感器,其中,密封支持体(4)由形状稳定的材料制成。
20.根据权利要求19所述的传感器,其中,所述形状稳定的材料是PEEK。
21.根据权利要求1所述的传感器,其中,为了减小或最小化在成形密封装置和所述内圆周壁或所述外圆周壁的邻接密封面之间的过分的相对运动,密封支持体固定地连接至所述内圆周壁和/或所述外圆周壁。
22.根据权利要求1所述的传感器,其中所述传感器是电导率传感器,其中第一金属电极形成所述内圆周壁,同轴设置的第二电极形成所述外圆周壁,并且这两个电极通过密封配置而彼此电隔离并彼此对中。
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