CN104515644A - 用于在工业过程中使用的压力变送器的密封件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于测量工业过程中的过程流体的压力的压力变送系统，所述压力变送系统包括具有压力传感器的压力变送器。具有圆形开口的过程流体通道被构造为将所述过程流体的压力耦合到所述压力传感器。同心密封支撑结构绕圆形开口延伸并包括环形凹部。环形应力集中部被定位成从所述环形凹部径向向内。密封材料填充所述环形凹部并接触所述环形应力集中部的至少一部分。

Description

用于在工业过程中使用的压力变送器的密封件
技术领域
本发明涉及一种过程控制仪器。具体地，本发明涉及耦合到过程压力的压力变送器。
背景技术
感测压力的变送器具有压力传感器，该压力传感器典型地联接到至少一个隔离膜片(isolation diaphragm)。变送器典型地连接到法兰且包括一开口，该开口被对准以接收来自法兰中的通道的过程流体。隔离膜片定位在所述开口中，并将压力传感器与正被感测的腐蚀性过程流体隔离开。压力经由在通道中被输送的大致不可压缩隔离流体从隔离膜片被传递到具有感测隔膜的传感器。题目为“MODULAR PRESSURETRANSMITTER”的U.S.专利No.4,833922和题目为“PRESSURETRANSMITTER WITH STRESS ISOLATION DEPRESSION”的U.S.专利No.5,094,109示出了此类型的压力变送器。
压力变送器通常包括定位在包围隔离膜片的开口中的焊接环。焊接环能够被焊接到变送器主体并焊接到隔离膜片，从而将隔离膜片固定到变送器主体。焊接环还能够用于支撑诸如O形环的密封件。当变送器通过诸如由螺栓提供的连接力而连接到工业过程法兰时，密封件和焊接环被压靠在法兰上以防止过程流体通过开口泄露。在如下的专利中示出了这种焊接环的示例：1999年7月13日授予Behm等人的题目为“PRESSURE SENSOR AND TRANSMITTER HAVING A WELD RINGWITH A ROLLING HINGE POINT”的美国专利No.5,992,965和2000年5月2日授予的Behm等人的题目为“PRESSURE SENSOR ANDTRANSMITTER HAVING A WELD RING WITH A ROLLING HINGEPOINT”的美国专利No.6,055,863，这两个专利都转让给了RosemountInc.。
用于与焊接环一起使用的一些类型的密封件尤其难于保持。例如，包括聚四氟乙烯(PTFE)的密封件能够用作密封件。然而，PTFE具有“冷变形”的趋势且随着时间流逝而改变其形状。这可能会减小施加到密封件的预加载力并由此降低密封件的效能。
发明内容
一种用于测量工业过程中的过程流体的压力的压力变送系统，所述压力变送系统包括具有压力传感器的压力变送器。具有圆形开口的过程流体通道被构造为将所述过程流体的压力耦合到所述压力传感器。同心密封支撑结构绕圆形开口延伸并包括环形凹部。环形应力集中部(annularstress riser)被定位成从所述环形凹部径向向内。密封材料填充所述环形凹部并接触所述环形应力集中部的至少一部分。
附图说明
图1是根据本发明的具有焊接环和支撑表面的压力变送器的局部剖面图；
图2是根据一个示例性构造的包括应力集中部的密封支撑结构的局部剖视图；
图3是由脊部形成的应力集中部的另一示例性实施例的剖面图；
图4是示出了具有形成在两个凹部之间的应力集中部的密封支撑结构的一个示例性实施例；
图5是其中形成有密封支撑结构的过程部件的表面的立体图；
图6是图5的密封支撑结构的一部分的剖视图；以及
图7是其中形成有锯齿部的密封支撑结构的另一示例性实施例的剖面图。
具体实施方式
本发明提供了一种用于与工业过程控制压力变送器一起使用的密封件，该压力变送器使用同心密封支撑结构。该密封支撑结构构造为绕圆形开口延伸并为该开口提供密封。支撑结构包括凹部区域和应力集中部。密封材料被构造为位于凹部区域中，而应力集中部被构造为将密封材料推靠在过程表面上，由此相对于过程表面密封圆形开口。
图1示出了根据本发明的压力变送器10，其具有变送器主体12、法兰(或共面歧管)13和传感器主体14。虽然本发明示出了共面法兰，但是本发明可使用任何类型的法兰、歧管或适于接收过程流体的其他联接器。传感器主体14包括压力传感器16，变送器主体12包括变送器线路20。传感器线路18经由通信总线22联接到变送器线路20。变送器线路20经由双线4-20毫安过程控制回路23发送与过程流体的压力相关的信息。变送器10将与过程流体压力相关的信息传送到控制室60，或传送到联接到过程控制回路23的其他装置(未示出)。过程控制室60被模制为电源62和电阻器64。变送器10能够完全经由回路23所接收到的电力被供电。过程控制回路23能够是任意类型的过程控制回路，包括传输诸如根据协议的数字信息以及采用诸如协议的无线通信技术的控制回路。然而，本发明不限于这些通信技术。
压力传感器16能够是绝对压力传感器或差压传感器。在压力传感器16是差压传感器的一些实施例中，传感器16测量在法兰13的通道24中的压力P1和法兰13的通道26中的压力P2之间的压差。在该具体实施例中，压力P1经由通道32耦合到传感器16。压力P2经由通道34耦合到传感器16。通道32延伸通过联接器36和管40。通道34延伸通过联接器38和管42。通道32和34填充有诸如油的相对不可压缩流体。联接器36和38螺纹连接到传感器主体14，且在承载传感器线路18的传感器主体的内部和容纳在通道24和26中的过程流体之间提供较长的火焰淬火路径。
通道24定位成邻近传感器主体14中的开口28。通道26定位成邻近传感器主体14中的开口30。隔膜46定位在开口28中且邻近通道24耦合到传感器主体14。通道32延伸通过联接器36和传感器主体14而到达隔膜46。隔膜50邻近通道26耦合到传感器主体14。通道34延伸通过联接器38和传感器主体14而到达隔膜50。
焊接环48定位在开口28中并被焊接到传感器主体14的支撑表面49。焊接环52定位在开口30中并被焊接到传感器主体14的支撑表面53。焊接环48和52典型地大致相同且优选地是环形形状并定位在包围隔离膜片46和50的开口28和30中。在一些优选的实施例中，用于将焊接环连接到传感器主体14的焊接还将各自的隔离膜片连接到传感器主体。焊接环48和52还能够用于支撑用于密封开口28和30以防止来自通道24和26的过程流体发生泄露的密封件。如所示，焊接环48和52分别支撑密封件54和56。
在操作中，当变送器10被栓接到法兰13时，法兰13的表面58压靠在焊接环48和52上并压靠在密封件54和56上。施加在焊接环和密封件上的栓接力或连接力压缩密封件，从而防止过程流体通过通道24和26以及开口28和30泄露。连接力还造成了焊接环48和52的变形。隔离膜片46和50部分地定位在各自的焊接环48和52与表面49和53之间，或者在没有定位在焊接环与传感器锥支撑表面之间的情况下被定位成紧邻焊接环。
如上所述，诸如变送器10的一些压力变送器相对于可移除法兰13进行密封。现有技术中已经使用了O形环式密封件。近年来，已经开始使用聚四氟乙烯(PTFE)基密封件。这种密封件通常为“受限制密封件”的形式，其中一些类型的结构的试图保持PTFE密封件的形状。密封材料被迫填充沟槽或其他凹部。然后使用螺栓等将预加载力施加到密封件，从而迫使密封表面更加紧靠在一起并使密封材料被挤压(冷变形)到凹部中。栓接力产生被紧密保持的密封表面并在温度和压力范围内形成良好的密封。然而，PTFE(或玻璃填充PTFE)具有冷变形的趋势。PTFE的此种冷变形使密封件随着时间而改变形状，并从而降低密封件的效能。多种限制方法用于防止这种冷变形和挤出，由此试图保持在密封表面上的初始加载力。典型的设计方针需要加载力是具体接合点处的期望卸载力的两倍。因此，密封件上的初始负载以及该密封件保持该负载的能力是确定这种密封件的性能的关键因素。这些限制通常以诸如最大工作压力、过程温度操作极值以及周期性温度和压力变化期间的密封可靠性的性能参数来表示。此外，密封区域、螺栓尺寸、表面以及与密封件一起使用的部件的其他方面被标准化，并因此使得重新设计密封表面以提高密封性能的可能性很小。因此，在一些构造中，PTFE的冷变形使得安装力由于温度周期性变化损失其初始预加载力的30％。在一些情况中，由于部件不一致的膨胀和收缩，可能会造成甚至更加大的损失。
图2是根据本发明的一个示例性实施例的焊接环52的一部分的剖面图。焊接环52使用焊接100而被联接到传感器主体14。然而，可采用任何连接技术。焊接环52包括由外环壁106中的反转角(reversal angle)104所限定的应力集中部102。应力集中部102被限定在焊接环52的外周延伸部110处，该外周延伸部110面向通道26并与过程流体接触。在如图2所示的构造中，焊接环52提供包括环形主凹部120的同心密封件支撑件。应力集中部102提供一环形应力集中部，该环形应力集中部与外周壁106一起限定环形内凹部122。在凹部120、应力集中部102、内凹部122和传感器主体14之间的区域中，设置有诸如PTFE的密封材料(密封材料如图1中的54、56所示)。该应力集中部102提供了载荷集中区，当从过程流体和从安装螺栓施加压力时，该载荷集中区域将密封材料推靠在法兰13上并容纳该密封材料以减少或防止冷变形。更具体地，容纳在凹部122中的密封材料通过所施加的过程压力被推靠在应力集中部102上。应力集中部102确保施加到密封材料的载荷被集中以从而保持密封件。
图3是焊接环52的另一个示例性实施例的放大剖视图，该焊接环52包括应力集中部102，所述应力集中部被构造为提供限定内部环形凹部104的凹口。与图2类似，在图3中，应力集中部102将内部环形凹部104与主环形凹部120分离。在如图3所示的构造中，密封材料132填充凹部104、120，以及应力集中部102和法兰3之间的区域。应力集中部102能够由诸如机加工的材料去除处理而形成。
图4示出了另一示例性实施例，在该示例性实施例中，应力集中部102限定凹部区域140和凹部区域104。注意到可使用如下的任何期望的技术来形成应力集中部102：例如，材料去除处理、材料添加处理、提供斜面的制造技术等。在图4中，应力集中部102形成为绕焊接环52的内周的环形脊部。
在上述的说明中，应力集中部102被限定在焊接环中。然而，本发明不限于此构造。在一些实施例中，应力集中部102被限定在过程部件的密封表面上。例如，图5示出了根据本发明的具有密封表面的162的过程联接件160，该密封表面162提供同心密封支撑结构164。图6是过程联接件160和法兰体190的剖面图，其示出了密封支撑结构164，该密封支撑结构分别提供径向内部应力集中部170A和外部应力集中部170B，应力集中部170A和170B限定在内部环形唇部172和外部环形唇部174之间。密封材料180构造为被容纳在由支撑结构164提供的内部环形凹部182和主环形凹部184中。以与上述描述的方式类似的方式，应力集中部170接收来自过程流体的压力和加载压力，并被构造为有助于捕获密封材料180并将密封材料推靠在过程部件的表面上。图7示出了类似的构造，其中环形锯齿部190和192设置成局部化密封材料中的应力并减小冷变形的量。锯齿部190和192是各自内部径向内部应力集中不和外部应力集中部的另一示例。
上述的构造提供了用于密封两个平坦表面的方法和设备。该密封件具有环形结构，并且该应力集中部被设置成容纳密封材料并将密封材料推靠在过程表面上。密封材料可以是任何适当的材料。示例性密封材料包括PTFE和石墨。使用可构造为焊接环或直接构造在工业过程界面的表面中的密封支撑结构来实施本发明。支撑机构的制造可以基于模制技术、材料添加或去除技术或其他理想的方法。该应力集中部允许加载力被集中在较小的区域中，由此提高密封材料和过程表面之间的密封。
虽然已经参考优选的实施例对本发明进行了说明，但是本领域的技术人员可认识到在不背离本发明的精神和保护范围的情况下可在形式和细节上进行修改。本发明的应力集中部被构造为增加由密封材料施加到过程部件的表面上每单位面积的力。这里使用的术语“焊接环”包括使用除了焊接之外的技术联接到压力变送器或其他过程部件的环。

Claims (19)

1.一种用于测量工业过程中的过程流体的压力的压力变送系统，所述压力变送系统包括：
压力变送器，其具有压力传感器；
过程流体通道，其具有被构造为将所述过程流体的压力耦合到所述压力传感器的圆形开口；
同心密封支撑结构，其围绕圆形开口延伸并包括：
环形凹部；
环形应力集中部，其从所述环形凹部径向向内定位；以及
密封材料，其填充所述环形凹部并接触所述环形应力集中部的至少一部分。
2.如权利要求1所述的压力变送系统，其中，所述同心密封支撑结构包括环形内凹部，所述环形内凹部定位成从所述环形应力集中部径向向内，并且其中所述密封材料填充所述环形内凹部的至少一部分。
3.如权利要求1所述的压力变送系统，其中，所述应力集中部将预加载力施加到所述圆形开口。
4.如权利要求1所述的压力变送系统，其中，所述应力集中部通过从所述同心密封支撑结构去除材料被制造而成。
5.如权利要求1所述的压力变送系统，其中，所述环形应力集中部由所述同心密封支撑结构中的斜面形成。
6.如权利要求1所述的压力变送系统，其中，所述密封材料包括聚四氟乙烯(PTFE)。
7.如权利要求1所述的压力变送系统，其中，所述密封材料包括石墨。
8.如权利要求1所述的压力变送系统，其中，所述同心密封支撑结构形成在焊接环中，所述焊接环安装到所述压力变送器的一表面。
9.如权利要求1所述的压力变送系统，其中，所述同心密封支撑结构形成在过程部件的一表面内。
10.如权利要求9所述的压力变送系统，其中，所述过程部件包括用于将所述压力变送器联接到所述过程流体联接器。
11.如权利要求1所述的压力变送系统，其中，所述密封支撑结构被构造为减小所述密封材料的冷变形。
12.如权利要求1所述的压力变送系统，其中，所述环形应力集中部被构造为增加施加到所述密封材料的每单位面积的力。
13.如权利要求1所述的压力变送系统，其中，所述同心密封支撑结构被焊接到所述压力变送器的主体。
14.如权利要求1所述的压力变送系统，其中，所述环形应力集中部包括被构造为减小所述密封材料的冷变形的锯齿部。
15.如权利要求1所述的压力变送系统，包括外部环形应力集中部，其被定位成从所述环形凹部径向向外。
16.如权利要求15所述的压力变送系统，其中，所述外部环形应力集中部包括被构造为减小所述密封材料的冷变形的锯齿部。
17.一种用于相对于过程流体密封具有压力传感器的过程变量变送器的方法，所述方法包括以下步骤：
提供绕过程联接器延伸的环形应力集中部；
绕所述应力集中部提供环形凹部，所述环形凹部从所述环形应力集中部径向向外定位；
将密封材料放置在所述环形凹部中和所述应力集中部与一过程表面之间；以及
施加预加载力，所述预加载力将所述密封材料推靠在所述过程表面上。
18.如权利要求17所述的方法，还包括以下步骤：
使用材料去除处理来制造所述环形应力集中部。
19.如权利要求17所述的方法，还包括以下步骤：
使用斜面形成处理来形成所述环形应力集中部。
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