CN102365539B - 工业过程控制压力变送器和法兰耦合 - Google Patents

工业过程控制压力变送器和法兰耦合 Download PDF

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Abstract

用于测量工业工程中的过程流体的压力的压力变送器(10)，包括压力传感器(16)，该压力传感器具有与所施加的压力有关的输出。耦合到压力传感器(16)的测量电路(18、20)被配置为提供与所感测的压力有关的变送器输出。在其中具有开口(48、52)的压力耦合面(60)，被布置为向压力传感器(16)传送所施加的压力。压力耦合法兰(13)具有邻接压力耦合面(60)的法兰面(62)，被配置为将过程流体传送到压力耦合面(60)的开口(48、50)。提供了对压力耦合面和法兰面上的加载的力的分布进行控制的特征。

Description

工业过程控制压力变送器和法兰耦合
技术领域
本发明涉及工业过程压力变送器。更具体地，本发明涉及压力变送器与工业过程的过程流体的耦合。
背景技术
使用工业过程控制系统来监视和控制被用来产生或传递流体等的工业过程。在这种系统中，典型地，测量诸如温度、压力、流速等的“过程变量”是重要的。使用过程控制变送器来测量这种过程变量并向中心位置(例如中央控制室)发送回与所测量的过程变量有关的信息。
一种类型的过程变量变送器是压力变送器，压力变送器测量过程流体的压力并提供与所测量的压力有关的输出。该输出可以是压力、流速、过程流体的等级或者其他过程变量。变送器被配置为向中央控制室发送回与所测量的压力有关的信息。该发送典型地在双线过程控制环路上进行，然而，也可以使用其他通信技术，包括无线技术。
必须通过过程耦合将压力变送器耦合到过程流体。例如，过程流体可以包括在工业过程中使用的成分，例如，天然气、石油等。这些材料中的一些可能处于极端高的压力之下。这些高压力可以导致通过“法兰”或者被用来将压力变送器耦合到过程的接头，在压力变送器和工业过程之间的泄漏。
存在着提高压力变送器和过程流体之间的耦合的持续需求。
发明内容
用于测量工业工程中的过程流体的压力的压力变送器，包括压力传感器，该压力传感器具有与所施加的压力有关的输出。耦合到压力传感器的测量电路被配置为提供与所感测的压力有关的变送器输出。布置在其中具有开口的压力耦合面来向压力传感器传递所施加的压力。压力耦合法兰具有邻接压力耦合面的法兰面，被配置为将过程流体传送到压力耦合面的开口。提供了对压力耦合面和法兰面上的加载的力的分布进行控制的特征。
附图说明
图1是根据本发明的实施例的变送器和法兰的横截面视图。
图2是图1的变送器和法兰的分解透视图。
图3是根据另一示例实施例的法兰的透视图。
图4是根据另一示例实施例的变送器的压力耦合面的底部透视图。
图5是对根据本发明的衬垫和密封进行示出的示例实施例的侧面平面视图。
图6是对具有可变区域的衬垫和密封进行示出的法兰的顶部平面视图。
图7是单片形成的衬垫和密封的顶部平面视图。
具体实施方式
如在背景技术部分所讨论的，存在着提高压力变送器和过程流体之间的耦合的持续需求。在一些条件下，压力变送器和过程流体之间的耦合对于可能导致过程流体泄漏的操作条件来说是不够的。在压力变送器中，用于将变送器耦合到流体的典型布置利用了从中具有螺纹管线的法兰。管线(piping)耦合到过程流体，例如，耦合到过程导管(pipe)。法兰提供了充分平坦的接口，在该接口上，对压力变送器进行螺栓连接。然而，已经发现，在典型的安装中，螺栓力在法兰面上以不一致的方式展开。这可能使得在特定的条件下，过程流体在法兰与压力变送器的接口之间泄漏。
本发明通过提供下述法兰和/或变送器配置来解决该过程流体的泄漏，该法兰和/或变送器配置通过以向外的方式(例如，在安装力的方向上)弯曲或者以其他方式突出(protrude)。当在法兰和变送器之间施加安装力时，该突出使得法兰/变送器接口以将安装力更均匀地展开在更宽的区域上的方式变弯。通过将安装力更均匀地展开在更宽的区域上，在法兰和过程变送器之间提供改进的密封。该改进的密封降低了在压力变送器和法兰之间泄漏的可能性。
图1示出了根据本发明的示例性的压力变送器10，压力变送器10具有变送器外壳12、耦合法兰或歧管13以及传感器主体14。虽然使用CoplanarTM法兰示出了本发明，然而可以将本发明与任何类型的法兰、歧管或者适于承受(receive)过程流体的其他耦合一起使用。传感器主体14包括压力传感器16，变送器外壳12包括变送器电路20。传感器电路18通过通信总线22耦合到变送器电路20。变送器电路20在例如双线过程控制环路23(或电路)的通信链路上发送与过程流体的压力有关的信息。可选地，控制器25可以在控制环路23上对变送器10整体供电。也可以使用其他通信技术，包括无线技术。
在变送器的本示例实施例中，压力传感器16测量法兰13的通道24中的压力P1和通道26中的压力P2之间的压力差。压力P1通过通道32耦合到传感器16。压力P2通过通道34耦合到传感器16。通道32延伸通过耦合36和管40。通道34延伸通过耦合38和管42。使用相对不可压缩的流体(例如油)来填充通道32和34。耦合36和38附着到传感器主体14，并在传感器主体内部与通道24和26中包含的过程流体之间提供长的灭火(flame-quenching)路径，传感器主体内部容纳了传感器电路18。
将通道24靠近传感器主体14中的开口28放置。将通道26靠近传感器主体14中的开口30放置。将隔膜46放置在开口28中，并与靠近通道24的传感器主体14耦合。通道32通过耦合36和传感器主体14延伸到隔膜46。隔膜50耦合到靠近通道26的传感器主体14。通道34通过耦合38和传感器主体14延伸到隔膜50。
在操作中，当将变送器10螺栓连接到法兰13时，由于图1中示出的所施加的安装力N，法兰13压到密封件48和52上。密封件48位于靠近开口24和隔膜46的传感器主体14，并防止过程流体从通道24和开口28通过法兰13泄漏到外部环境中。类似地，密封件52耦合到靠近开口26和隔膜50的传感器主体14，并防止过程流体从通道26和开口30通过法兰13泄漏到外部环境中。如以下更详细地讨论的，传感器主体14的压力耦合面60或者法兰13的法兰面62中的至少一个(参见图2-4)在安装力的方向上弯曲或者以其他方式突出。
图2示出了根据一个示例实施例的变送器10和法兰13的分解透视图。在图2的实施例中，将法兰13示出为具有二维弯曲部分，其中，法兰面62沿着法兰13的一个轴弯曲。图2示出了在“未加载”条件下的法兰13和变送器10，在“未加载”条件下，在法兰13和变送器10之间没有施加安装力。然而，当安装时，通过安装螺栓82将法兰13安装到传感器主体14，安装螺栓82延伸通过法兰13的安装孔80，并且可通过螺纹拧在传感器主体14的螺栓孔84中。这使得将图1中示出的安装力N施加到面60与62之间。虽然图2示出了四个安装螺栓，然而可以使用任何数目或配置。此外，可以使用其他附着技术将法兰13安装到传感器主体14，并由此“加载”法兰13和传感器主体14。法兰面62的几何结构将改进在法兰13的四个角处的螺栓82所施加的钳紧力(clamping force)的分布。该配置充当弹簧元件，并增加到螺栓预加载(pre-loading)。一旦施加了加载力，法兰面62和压力耦合面60将趋向于彼此一致(conform)，并形成充分连续的表面，例如，如图1中示出的。接口可以是基本平坦的，或者可以具有一些其他的轮廓(profile)。
图3是法兰13的另一示例实施例的透视图，在法兰13中，法兰面62的弯曲是三维的。在本示例中，弯曲部分具有球形形状，其在法兰面62的整个表面上展开。本配置也用于钳紧力的更加均匀的分布。然而，在本配置中，安装力沿着法兰面62的两个轴更加均匀地分布。如图3中所示出的，法兰13处于未加载状态。当将足够大的加载力(安装力)施加到传感器主体14上时，面60和62之间的接口将是充分连续的，如图1中所示。在图2中示出的配置中，还可以将压力变送器10的压力耦合面60配置为具有弯曲的轮廓。这可以是与法兰13的弯曲部分分开的，或者可以是其补充。
图4是变送器10的底部透视图，示出了压力耦合面60弯曲的这种配置。当将法兰13充分加载到面60上时，面60和62将一致，并提供例如图2中示出的连续的表面。注意到，如果仅有面60是弯曲的，在加载条件下的法兰面62的轮廓将趋向于也是弯曲的并且与面62一致。这是因为与传感器主体14相比，法兰13可以是较不坚硬的，使得面62将趋向于维持其原始的形状，而面62将趋向于变弯到面60的轮廓。
图5是本发明的示例示例实施例的侧面平视图和顶部平视图。在图5中，将有斜面的密封件放置在法兰13和传感器主体14之间。在图6中示出了有斜面的密封件100围绕开口24和26延伸。密封件24和26可以是常规的密封件，或者可以包括例如“承压衬垫”，在“承压衬垫”中，在凹槽中容纳有例如PTFE的材料。在图6中示出的还有接近法兰13的中心区域放置的附加安装孔81。通过与图6中所示的类似的方式，密封件或者衬垫100具有在开口24或26周围可变的区域。区域的变化使得可以根据需要展开加载力。在另一示例实施例中，衬垫或者密封件100是统一的(uniform)，然而，放置于其中的凹槽具有可变的深度来获得所期望的加载分布。
图7是另一示例实施例的顶部平视图，在该实施例中使用单个的衬垫或密封件102，将衬垫或密封件102布置为安装在两个开口24和26周围，并通过螺栓孔81来保持对齐。在以上的描述中，衬垫或者密封件100可以包括传统的衬垫材料或者可以包括可被用来形成“承压衬垫”的材料，例如PTFE。
虽然可以将法兰或传感器主体之一或者两者都制成为具有弯曲的轮廓，在一些配置中，可以优选地总有一个组件是弯曲的。例如，可以使用对法兰的小修改来对已存在的变送器主体进行改进。另一方面，在一些配置中，可能更容易将传感器主体14机械加工为所期望的形状。除了机械加工，还可以通过使其具有所期望的轮廓的形式，对法兰或变送器主体进行浇铸。虽然示出了柔和的弯曲轮廓，本发明可以使用任何的所期望的轮廓，并且在具体面的表面上，轮廓可以不是统一的。可以将其布置为在法兰和压力变送器之间更均匀地分布安装力。虽然将螺栓示出为施加加载(安装)力，然而可以使用任何的安装技术。此外，虽然在法兰和变送器主体的四个角上示出了四个螺栓，可以使用并根据需要来布置任何数目的螺栓或者安装装置。在一些配置中，这还可以消除对位于靠近法兰中心的附加中心线螺栓的需要，并在更均匀地分布耦合力中提供协助。如在此使用的，“法兰”指的是在将压力变送器耦合到过程流体中使用的任何组件，不限于在此示出的具体法兰配置。此外，虽然示出了两个压力耦合，可以将本发明与用于压力变送器的任何数目的压力耦合一起使用。
虽然已经参照优选实施例对本发明进行了描述，本领域的技术工人将认识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以进行形式和细节上的改变。

Claims (34)

1.一种压力变送器，用于测量工业过程中的过程流体的压力，所述压力变送器包括：
压力传感器，具有与所施加的压力有关的输出；
测量电路，耦合到所述压力传感器，被配置为提供与所施加的压力有关的变送器输出；
压力耦合面，在其中具有开口，被布置为向所述压力传感器传送所施加的压力；以及
压力耦合法兰，具有邻接所述压力耦合面的法兰面，被配置为将过程流体传送到所述压力耦合面的开口；以及
其中，所述压力耦合面和所述法兰面中的至少一个被弯曲以在朝向所述压力耦合面和所述法兰面中的另一个的方向上突出，以使得将所述压力耦合面安装到所述压力耦合法兰的安装力的施加导致所述压力耦合面和所述法兰面中的被弯曲的一个发生变形，以与所述压力耦合面和所述法兰面中的另一个的形状一致。
2.根据权利要求1所述的压力变送器，包括：附着机械装置，被配置为在压力耦合法兰和平坦的压力耦合面之间施加安装力。
3.根据权利要求2所述的压力变送器，其中，充足的安装力促使所述压力耦合面和所述法兰面中的所述至少一个与所述压力耦合面和所述法兰面中的所述至少一个的另一个相一致。
4.根据权利要求2的压力变送器，其中，弯曲的部分使得安装力在所述压力耦合面和所述法兰面之间的接口区域上充分均匀地分布。
5.根据权利要求2所述的压力变送器，其中，当以安装力来加载时，所述压力耦合面和所述法兰面中的所述至少一个是充分平坦的。
6.根据权利要求2所述的压力变送器，其中，所述弯曲是在施加到所述压力耦合面和所述法兰面中的所述至少一个上的安装力的方向上。
7.根据权利要求6所述的压力变送器，其中，接近所述压力耦合面和所述法兰面中的所述至少一个的边缘施加所述安装力。
8.根据权利要求7所述的压力变送器，其中，接近所述法兰面和所述压力耦合面的四个角中的每一个布置所述附着机械装置。
9.根据权利要求8所述的压力变送器，其中，所述附着机械装置包括四个螺栓。
10.一种耦合压力变送器的方法，所述压力变送器用于测量工业过程的过程流体的压力，所述方法包括：
在所述压力变送器中的压力传感器处接收所施加的压力；
将具有法兰面的压力耦合法兰耦合到压力变送器的压力耦合面，其中，所述法兰面邻接所述压力耦合面，所述压力耦合法兰被配置为将过程流体传送到所述压力耦合面的开口；以及
向所述压力耦合面和所述法兰面中的至少一个提供弯曲部分，所述弯曲部分在当施加安装力将所述压力耦合面安装到所述法兰面时发生变形，以与所述压力耦合面和所述法兰面中的另一个相一致。
11.根据权利要求10所述的方法，在所述压力耦合法兰和平坦的压力耦合面之间施加安装力。
12.根据权利要求11的方法，其中，所述弯曲部分使得安装力在平坦的压力耦合面和所述法兰面之间的接口区域上充分均匀地分布。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，当以安装力来加载时，所述压力耦合面和所述法兰面中的所述至少一个是充分平坦的。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述弯曲部分是在施加到所述压力耦合面和所述法兰面中的所述至少一个上的安装力的方向上。
15.根据权利要求11所述的方法，其中，接近所述压力耦合面和所述法兰面中的所述至少一个的边缘施加所述安装力。
16.一种压力耦合法兰，被配置为耦合到压力变送器的压力耦合面，所述压力变送器用于测量过程流体，所述压力耦合法兰包括：
通过所述压力耦合法兰形成的至少一个通道，被配置为将过程压力传送通过所述法兰，并且传送给所述压力变送器的所述压力耦合面；
法兰面，被配置为邻接所述压力变送器的所述压力耦合面，并围绕所述至少一个通道形成与所述压力变送器的密封；以及
所述法兰面上的弯曲部分，相对于所述压力耦合面凸起，由此在处于未加载条件时将所述法兰面的边缘与所述压力耦合面分隔开，以及当将安装力施加到所述压力变送器的所述压力耦合面上时，所述法兰面发生形变以与所述压力耦合面的形状一致。
17.根据权利要求16的压力耦合法兰，其中，所述弯曲部分使得安装力在所述压力耦合面和所述法兰面之间的接口区域上充分均匀地分布。
18.根据权利要求16所述的压力耦合法兰，包括：靠近所述法兰的边缘布置的多个螺栓孔，被配置为接收通过其向所述法兰施加安装力的多个螺栓。
19.一种压力变送器，用于测量工业过程中的过程流体的压力，所述压力变送器包括：
压力传感器，具有与所施加的压力有关的输出；
测量电路，耦合到所述压力传感器，被配置为提供与所感测的压力有关的变送器输出；
压力耦合面，在其中具有开口，被布置为向所述压力传感器传送所施加的压力；以及
压力耦合法兰，具有邻接所述压力耦合面的法兰面，被配置为将过程流体传送到所述压力耦合面的开口；以及
密封件，位于所述压力耦合面和所述法兰面之间，具有发生变形以与所述压力耦合面和所述法兰面相一致的表面，以改变施加在所述压力耦合面和所述法兰面之间的加载力的分布。
20.根据权利要求19所述的压力变送器，包括：附着机械装置，被配置为在压力耦合法兰和平坦的压力耦合面之间施加安装力。
21.根据权利要求19所述的压力变送器，其中，接近所述压力耦合面和所述法兰面中的至少一个的边缘施加安装力。
22.根据权利要求20所述的压力变送器，其中，接近所述法兰面和所述压力耦合面的四个角中的每一个布置所述附着机械装置。
23.根据权利要求19所述的压力变送器，其中，所述表面包括斜面。
24.根据权利要求19所述的压力变送器，其中，所述表面包括可变区域。
25.根据权利要求19所述的压力变送器，包括：通过所述法兰向所述压力耦合面扩展的第一和第二开口，以及其中，所述密封件围绕所述第一和第二开口扩展。
26.根据权利要求25所述的压力变送器，其中，所述密封件与所述法兰中的至少一个螺栓孔对齐。
27.根据权利要求19所述的压力变送器，其中，所述密封件包括承压衬垫。
28.一种耦合压力变送器的方法，所述压力变送器用于测量工业过程的过程流体的压力，所述方法包括：
在所述压力变送器中的压力传感器处接收所施加的压力；
将具有法兰面的压力耦合法兰耦合到压力变送器的压力耦合面，其中，所述法兰面邻接所述压力耦合面，所述压力耦合法兰被配置为将过程流体传送到所述压力耦合面的开口；以及
在所述压力耦合法兰和所述压力耦合面之间放置密封件，所述密封件具有在所施加的加载力之下变形的表面，用于当在所述压力耦合面和所述法兰面之间施加加载力时，改变施加在所述压力耦合面和所述法兰面之间的加载力的分布进行改变。
29.根据权利要求28所述的方法，包括：在压力耦合法兰和平坦的压力耦合面之间施加安装力。
30.根据权利要求28所述的方法，其中，所述表面包括斜面。
31.根据权利要求28所述的方法，其中，所述表面包括可变区域。
32.根据权利要求28所述的方法，包括：提供通过所述法兰向所述压力耦合面扩展的第一和第二开口，以及其中，所述密封件围绕所述第一和第二开口二者扩展。
33.根据权利要求32所述的方法，其中，所述密封件与所述法兰中的至少一个螺栓孔对齐。
34.根据权利要求28所述的方法，其中，所述密封件包括承压衬垫密封件。
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