CN106574877B - 隔膜密封和具有隔膜密封的压力传感器 - Google Patents

隔膜密封和具有隔膜密封的压力传感器 Download PDF

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Abstract

一种用于传送介质压力的隔膜密封(1)，包括：‑具有介质侧表面(3)的隔膜载体(2)和分离隔膜(4)，所述分离隔膜(4)以压力密封的形式沿着至少一个外围连接到隔膜载体(2)，在所述过程中在分离隔膜(4)和隔膜载体(2)之间形成压力腔(5)，以及‑具有通道(9)的温度隔离体(6)，其可以用传动流体(10)填充以便附连到第一末端侧的隔膜载体(2)的压力腔(5)连接到可以附连到第二末端侧(8)的压力变送器(11)，使得在分离隔膜(4)处主要的介质压力被传送到压力变送器(11)，其中所述温度隔离体(6)在它的上侧形成用于散热的多个连续的、特别是波纹的冷却肋片(13)，且其中在所述冷却肋片(13)之间的所述温度隔离体(6)的沿着截面(12)一个接着一个的最小横截面直径(14)从第一末端侧(7)到第二末端侧(8)减小。

Description

隔膜密封和具有隔膜密封的压力传感器
本发明涉及一种用于传送介质压力的隔膜密封以及具有此类隔膜密封的压力传感器。
用于传送介质压力的隔膜密封通常包括隔膜密封体以及具有介质侧表面和分离隔膜的隔膜载体，其以压力密封的方式沿着至少一个外围连接到隔膜密封体，在过程中在分离隔膜和隔膜密封体之间形成压力腔，其中通道从压力腔开始延伸穿过隔膜密封体，且压力腔和通道用传动流体填充以便将在分离隔膜处主要的介质压力传送到压力变送器。压力变送器例如可以是安装在两个过程连接法兰之间的压力测量单元、另外一个分离隔膜、或者连接到通道的毛细管。
此类隔膜密封通常使用在极热和极冷应用中以便将压力变送器与过程环境热隔离。隔膜密封通过采用填充传动流体的和安装在冷却部分的毛细系统将压力变送器与过程介质隔离实现这个功能。
为了这个目的，隔膜密封的结构包括多个从现有技术已知的组件。这些组件是毛细管、基体、以及两个毛细管适配器。该长曲线状毛细管的第一末端借助第一毛细管适配器连接到隔膜载体，且它的第二末端借助第二毛细管适配器连接到压力变送器。因为毛细管的外径仅仅几个毫米且因此机械方面不是非常稳定，所以所述结构借助基体(通常，为U形钢支架)机械固定，其第一末端焊接到隔膜载体且其第二末端侧向焊接到过程连接法兰。在该结构中，毛细管是弯曲的，使得它通常具有S形和从第一末端开始的第一弯曲半径和从第二末端开始的第二弯曲半径，其中所述毛细管在U形钢支架中两个弯曲半径之间的区域(即，U形钢支架的法兰之间)基本线性地延伸且由此得到保护。所述U形钢支架用于机械稳定性且其前侧被手动或人工地焊接到隔膜载体，以及在相对端，U形钢支架沿着U形轮廓的两个法兰也手动或人工地侧向焊接到过程连接法兰，以由此以此种方式在焊接区域获得增强的机械稳定性。
此类隔膜密封由此需要极为复杂的机械结构，因为所述隔膜密封由四个独立元件制成，以及进一步的，所述U形钢支架必然是由手动或人工费力地焊接到隔膜载体和过程连接法兰。手动或人工的焊接额外招致焊接连接具有小间隙或孔洞的风险，因为在焊接到隔膜载体和/或压力变送器的过程中仅能困难地进入U形钢支架的内部。采用这种方法在焊接连接中产生的所述间隙和孔洞后续在压力变送器(部分在极端外部天气条件下)的持久运转中构成了潜在的腐蚀起始点。
在这种结构中还不利的是安装在两个过程连接表面之间的整个系统的(即，具有隔膜载体和压力测量元件的隔膜密封的)振动轴位于离整个系统的重心相对较远的距离。这导致相对高的不稳定性，其导致有害的振动和增大的磨损和撕裂。
从现有技术中已知的隔膜密封进一步具有只能很困难地被清理的缺陷，因为由于U形钢支架的结果导致其内部区域不容易进入。然而，特别地在生物科技和化学领域中此类压力变送器的使用中，容易清理往往具有非常重要的意义。
因此本发明的目的是提供一种克服了现有技术描述的缺陷的隔膜密封。
这项任务通过隔膜密封和具有此类隔膜密封的压力传感器解决的。
关于所述隔膜密封，根据本发明通过用于传送介质压力的隔膜密封达成这个目的，包括：
-具有介质侧表面的金属隔膜载体和分离隔膜，其以压力密封的形式沿着至少一个外围连接到隔膜载体，在过程中在分离隔膜和隔膜载体之间形成压力腔，以及
-具有第一前侧和背对第一前侧的第二前侧金属的且特别地轴向对称的温度隔离体，以及在第一和第二前侧之间延伸的通道，该通道是或者可以填充传动流体以为了附连到第一前侧的隔膜载体的压力腔连接到可以连接到第二前侧的压力变送器，使得在分离隔膜处主要的介质压力能够被传送到压力变送器，其中在温度隔离体的部分、在它的上侧或上表面形成多个连续的以及特别是波纹的用于散热的冷却肋片，且其中进一步地，冷却肋片之间的温度隔离体的在该截面中一个接着一个的最小横截面直径从第一前侧到第二前侧减小。
-
根据本发明，因此提出一种隔膜密封，其中温度隔离体能够由单片制成且其在一个截面内包括多个冷却肋片，其中，在所述截面内，最小横截面直径至少在来自第一前侧和第二前侧的两个连续的冷却肋片之间减小，第一前侧面对隔膜载体，且第二前侧与压力变送器关联。通常，所述最小横截面直径沿着从第一前侧到第二前侧的径向对称轴均匀减小。在这里，最小横截面直径是指在两个冷却肋片之间最深的收缩或凹陷处的直径，其中朝向第一前侧的第一冷却肋片之前的直径和朝向第二前侧的最后一个冷却肋片之后的直径也包括在内。借助这个“枞树形轮廓”，能够实现抗振动结构，因为一个更大的横截面直径且因此提供负载松弛的更大的横截面积存在于最大机械负载区域中。
因为温度隔离体能够由单片制成，也有利地产生更短的和/或更容易的制造次数和更低的相关成本。通过根据本发明的设计、和特别地所述轴向对称的温度隔离体，所述温度隔离体可以在自动焊接过程中被焊接到隔膜载体和压力变送器两者。作为自动焊接过程的结果，能够防止在焊接连接中的小间隙和/或孔洞，且因此能够避免上文提及的多个缺点。
根据本发明的隔膜密封的另一个优点是易于清洁，因为所述隔膜密封不再具有任何只能困难地进入的区域。
一个有利的实施例提供了在第一前面上是一个具有第一直径的第一肩部且在第二前面上是一个具有第二直径的第二肩部，其中第一和第二直径是不同的。
另一个有利的实施例提供了所述通道具有在0.5mm到2.5mm范围内的、且优选地在1mm到2mm的范围内的直径。
另一个有利的实施例提供了温度隔离体在每个冷却肋片的尖峰处的最大横截面直径对每个肋片来说是相同的。
另一个有利的实施例提供了所述通道的长度与所述通道的直径之间的比至少为50∶1，优选地100∶1，且特别优选地200∶1。
另一个有利的实施例提供了所述温度隔离体的长度和所述温度隔离体的最大横截面直径之间的比至少为2∶1，优选地3∶1，且特别优选地5∶1。
关于所述压力传感器，根据本发明通过压力传感器达到所述目标，所述压力传感器包括至少如下：
-如在前述实施例之一中描述的隔膜密封；
-两个大致为矩形的过程连接法兰；以及
-位于所述两个过程连接法兰之间的至少一个压力测量元件，其中压力测量元件连接到隔膜密封使得经由隔膜密封的通道提供的传动流体经由位于两个过程连接法兰之一中的入口通道和一个入口腔被提供或能够被提供给压力测量单元，以由此使用所传送的介质压力生成基于压力的信号。
所述压力传感器的一个有利的实施例提供了所述隔膜密封大致被焊接在所述过程连接法兰表面之一的中心。
所述压力传感器的另一个有利的实施例提供了所述隔膜密封经由所述过程连接法兰连接到压力测量单元，所述过程连接法兰至少在所述隔膜密封被焊接到所述过程连接法兰所在的区域具有增加的壁厚。
所述压力传感器的另一个有利的实施例提供了所述压力测量单元是绝对压力测量单元、相对压力测量单元、或差压测量单元。
所述压力传感器的另一个有利的实施例提供了位于所述过程连接法兰中的入口通道被专门提供用于连接所述隔膜密封。
本发明基于如下的附图更详细地进行说明。图示的是：
附图1：根据本发明的隔膜密封的纵视图，
附图2a：根据本发明的压力传感器的第一实施例的第一侧视图，
附图2b：根据本发明的压力传感器的第一实施例的第二侧视图，
附图3：根据本发明的压力传感器的第一实施例的部件分解图，
附图4a：根据本发明的压力传感器的第二实施例的第一侧视图，
附图4b：根据本发明的压力传感器的第二实施例的第二侧视图，以及
附图5：根据本发明的压力传感器的第二实施例的部件分解图。
附图1中所示的根据本发明的隔膜密封1包括金属隔膜载体2和温度隔离体6，其作为车床部件是由一片不锈钢制成的且是大致轴对称的。所述金属隔膜载体2具有介质侧表面3和分离隔膜4，其以压力密封的形式沿着至少一个外围连接到隔膜载体2，在该过程中在分离隔膜4和隔膜载体2之间形成压力腔5。
金属温度隔离体6具有第一前侧7和背对第一前侧7的第二前侧8。在第一前侧7，温度隔离体6包括具有第一直径16的第一肩部15。借助这个肩部15，温度隔离体6与具有对应于第一肩部15的第一直径16的凹陷的隔膜载体2啮合。在第二前侧8，温度隔离体6也包括具有第二直径18的第二肩部17。在这种情况下制成肩部15、17两者使得它们具有不同的直径，且由此防止所述温度隔离体6与隔膜载体2和压力变送器相关的的安装方向的意外变化，所述压力变送器设置在第二前侧8上。
温度隔离体6进一步包括通道9，其在第一前侧7和第二前侧8之间延伸且通常通过钻孔或熔蚀制造。通道9通常具有1mm的直径，因为由于传动流体的小的体积，隔膜密封1在通道9的这样一个直径情况下具有增强的测量性能。
然而，还可能调整通道9的直径使得它在0.5mm到2.5mm范围内。通道9填充有传动流体且因此将隔膜载体2的压力腔5连接到压力变送器以由此采用这种方法将在分离隔膜4处主要的介质压力传送到压力变送器。
根据本发明，温度隔离体6包括多个冷却肋片13，经由其至少部分温度隔离发生在介质的高温和压力变送器的温度之间。在附图1中所示的实施例具有五个冷却肋片13。然而冷却肋片的数量可以可变地适应于相应的应用且因此能偏离所示的五个冷却肋片13。在这种情况下，制造温度隔离体6使得第一最小横截面直径D1沿着从第一到第二前侧延伸的对称轴在第一收缩处达到最大，且最小横截面直径朝向第二前侧减小使得得到如下的关系：
D1＞D2＞D3＞D4
冷却肋片13螺纹拧进大致轴向对称的温度隔离体6，使得在冷却肋片13的区域中产生上表面的波纹设计。在附图1中所示的构造中，冷却肋片13具有56°的开口角，使得它们可在任意位置无难度地进入且允许更容易的清洁。
冷却肋片13进一步在冷却肋片13的尖峰处具有最大横截面直径Dmax，该直径对于每个冷却肋片是大致相同的。
温度隔离体6具有沿轴向(即从第一前侧7朝向第二前侧8大约100mm的长度)。相应地，通道9也具有大约100mm的长度。通道9的直径大约是2mm。对应于温度隔离体6的外径的最大横截面直径Dmax大约是30mm。自然地，其他尺寸也是可以想到的。
附图2a示出了根据本发明的压力传感器26的第一实施例的第一侧视图，以及附图2b示出了根据本发明的压力传感器26的这个实施例的第二侧视图。在这种情况下，压力传感器26包括根据本发明的隔膜密封1、压力测量单元21、和两个过程连接法兰20(其基本是矩形的且根据2002年的DIN EN 61518标准设计)。压力测量单元21(其例如可以是绝对压力测量单元、相对压力测量单元、或差压测量单元)安装在两个过程连接法兰20之间。
在这种情况下，隔膜密封1焊接到两个过程连接法兰20之一，其中该过程连接法兰20被制备使得它在焊接点相比于标准过程连接法兰包括额外的材料22，使得过程连接法兰20的该侧面具有基本砧形特征22。隔膜密封1大致焊接在具有砧形特征22的侧面的中心。过程连接法兰20包括专用入口通道24和入口腔25(两者都未在附图2a和附图2b中示出)，经由其传动流体被提供给压力测量单元21。采用这种方法，介质压力被传送且生成取决于压力的信号。如同在附图2a中能够充分看到的那样，根据2002年的DIN EN 61518标准设计的过程连接法兰20包括多个有效压力线连接件23。
然而，根据本发明，隔膜密封1连接到压力测量单元21，不是经由这些有效压力线连接件23之一，而是经由专用入口通道24，其额外地位于过程连接法兰20中，因为经由有效压力线连接件23之一的连接会产生过大的死体积，且压力传感器26的测量性能将会因此降低。
附图3示出了根据本发明压力传感器26的第一实施例的部件分解图。在这种情况下，压力传感器26仍然包括压力测量单元21(其安装在两个过程连接法兰20之间)、和隔膜密封1(其焊接到过程连接法兰20之一)。该设计由此对应于在附图2a和附图2b的附图说明中的解释。
如同已经提到过的，两个过程连接法兰20根据2002年的DIN EN 61518标准设计。
过程连接法兰20两者由此均具有有效压力线连接件23和相应的一个入口腔25。
在附图3中，不能看到隔膜密封1所焊接到过程连接法兰20的入口腔25，因为它被隐藏了。
然而，隔膜密封1所焊接到过程连接法兰20的入口腔25与过程连接法兰20(隔膜密封未焊接到的)的入口腔25(可以在附图3中看到)类似地设计。隔膜密封1焊接到的过程连接法兰20额外地具有专用入口通道24。经由该专用入口通道24，传动流体被供给到入口腔25，且由此到压力测量单元21。所述专用入口通道24因而不对应标准化的有效压力线连接件23，而是对应一个分离的或独立的连接件，其用于隔膜密封1的液体连接。
附图4a和附图4b示出了根据本发明的压力单元21的第二实施例的第一和第二侧视图。在这种情况下，隔膜密封1所焊接到的位置不同了。在前述的第一实施例中，隔膜密封1焊接到过程连接法兰20的一个侧面，但是在第二实施例中隔膜密封1焊接到过程连接法兰20的主表面。在这个方面中，两个表面中具有最大表面积的一个可以被认为是大致为矩形的过程连接法兰20的主表面(如果过程连接法兰20被认为是矩形的话)。因而，四个剩余的表面中的其表面积少于或小于主表面的表面积的一个可以被认为是侧面。
隔膜密封1到过程连接法兰20的主表面的焊接具有导致压力单元21的重心与压力单元21的振动轴之间甚至更好的关联的优点。另外，它还有利地导致相比于第一实施例(和自然而然地，现有技术)需要更小的传动流体体积。这反过来导致压力传感器26的增强的测量性能。
附图5示出了根据本发明的压力传感器26的第二实施例部件分解图，包括隔膜密封1、压力测量单元21(其可以安装在两个过程连接法兰20之间)。
参考编号列表：
1隔膜密封
2隔膜载体
3介质侧表面
4分离隔膜
5压力腔
6温度隔离体
7第一前侧
8第二前侧
9通道
10传动流体
11压力变送器
12截面
13冷却肋片——特别地，连续的冷却肋片
14最小横截面直径
15第一肩部
16第一直径
17第二肩部
18第二直径
19冷却肋片的尖峰
20过程连接法兰
21压力测量单元
22额外材料或砧形特征
23有效压力线连接件
24入口通道
25入口腔
26压力传感器
D1第一最小横截面直径
D2第二最小横截面直径
D3第三最小横截面直径
D4第四最小横截面直径
Dmax最大横截面直径

Claims (18)

1.一种用于传送介质压力的隔膜密封(1)，包括：
-具有介质侧表面(3)的金属隔膜载体(2)和分离隔膜(4)，所述分离隔膜(4)以压力密封的形式沿着至少一个外围连接到所述隔膜载体(2)，在前述过程中在所述分离隔膜(4)和所述隔膜载体(2)之间形成压力腔(5)，以及
-金属的温度隔离体(6)，所述温度隔离体(6)具有第一前侧(7)和背对所述第一前侧(7)的第二前侧(8)以及在所述第一和所述第二前侧之间延伸的通道(9)，所述通道填充或者能够填充传动流体(10)以便附连到所述第一前侧的所述隔膜载体(2)的所述压力腔(5)被连接到能够连接到所述第二前侧(8)的压力变送器(11)，使得在所述分离隔膜(4)处主要的介质压力能够被传送到所述压力变送器(11)，其中，在所述温度隔离体(6)的截面(12)内，在其上侧或上表面，形成用于散热的多个连续的冷却肋片(13)，其特征在于在所述冷却肋片(13)之间的所述温度隔离体(6)的在所述截面(12)内一个接着一个的最小横截面直径(14)从所述第一前侧(7)到所述第二前侧(8)减小。
2.根据权利要求1所述的隔膜密封，其中，所述温度隔离体(6)是轴向对称的。
3.根据权利要求1所述的隔膜密封，其中，所述冷却肋片(13)是波纹的。
4.根据权利要求1所述的隔膜密封，其中，具有第一直径(16)的第一肩部(15)在所述第一前侧(7)上，和具有第二直径(18)的第二肩部(17)在所述第二前侧(8)上，其中所述第一直径和所述第二直径是不同的。
5.根据权利要求1所述的隔膜密封，其中所述通道(9)的直径在0.5mm到2.5mm范围内。
6.根据权利要求5所述的隔膜密封，其中所述通道(9)的直径在1mm到2mm的范围内。
7.根据权利要求1所述的隔膜密封，其中，在每个冷却肋片的尖峰(19)处的所述温度隔离体的最大横截面直径对每个肋片来说是相同的。
8.根据权利要求1所述的隔膜密封，其中，所述通道(9)的长度与所述通道(9)的所述直径之间的比至少为50:1。
9.根据权利要求8所述的隔膜密封，其中，所述通道(9)的长度与所述通道(9)的所述直径之间的比至少为100:1。
10.根据权利要求9所述的隔膜密封，其中，所述通道(9)的长度与所述通道(9)的所述直径之间的比至少为200:1。
11.根据权利要求1所述的隔膜密封，其中，所述温度隔离体(6)的长度和所述温度隔离体(6)的最大横截面直径之间的比至少为2:1。
12.根据权利要求11所述的隔膜密封，其中，所述温度隔离体(6)的长度和所述温度隔离体(6)的最大横截面直径之间的比至少为3:1。
13.根据权利要求12所述的隔膜密封，其中，所述温度隔离体(6)的长度和所述温度隔离体(6)的最大横截面直径之间的比至少为5:1。
14.一种压力传感器，包括至少：
-根据权利要求1至13的一项所述的隔膜密封(1)；
-两个大致为矩形的过程连接法兰(20)；以及
-至少一个压力测量单元(21)，所述压力测量单元(21)位于所述两个过程连接法兰(20)之间，其中，所述压力测量单元(21)连接到所述隔膜密封(1)使得经由所述隔膜密封(1)的所述通道(9)提供的所述传动流体(10)经由位于所述两个过程连接法兰(20)之一中的入口通道(24)和一个入口腔(25)被提供或能够被提供给所述压力测量单元(21)，以使用所传送的介质压力生成取决于压力的信号。
15.根据权利要求14所述的压力传感器，其中，所述隔膜密封(1)被焊接在所述过程连接法兰表面(20)之一的大致中心。
16.根据权利要求14所述的压力传感器，其中，所述隔膜密封(1)经由所述过程连接法兰(20)连接到所述压力测量单元(21)，所述过程连接法兰(20)至少在所述隔膜密封(1)被焊接到所述过程连接法兰(20)的区域具有增加的壁厚。
17.根据权利要求14所述的压力传感器，其中，所述压力测量单元(21)是绝对压力测量单元、相对所述压力测量单元、或差压测量单元。
18.根据权利要求14所述的压力传感器，其中，提供位于所述过程连接法兰(20)中的所述入口通道专门用于连接所述隔膜密封(1)。
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