CN107002918A - 混合式法兰 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于确定和/或监视容纳物(2，10)中介质的至少一个物理或化学过程变量的装置，包括至少一个传感器元件(7)、至少一个壳体模块(4)和至少一个法兰(6)，其中，所述传感器元件(7)和所述法兰(6)与所述壳体模块(4)连接，位于至少部分地接触介质的所述第一部分(12)内的所述法兰(6)至少部分地由第一材料制造，所述第一材料是应用特定和/或顾客特定而选择的，并且其中，位于至少部分地接触环境的第二部分(13)内的所述法兰(6)至少部分地由合成材料制造。

Description

混合式法兰
本发明涉及一种用于确定和/或监视容纳物中介质的至少一种物理或化学过程变量的设备，并且包括一个传感器元件，至少一个壳体模块和至少一个法兰。
许多这样的现场设备由申请人制造和售卖。要确定和/或监视的过程变量例如是通过测量管的流体的流量或容器中的介质的料位。然而其还也可以是压力、密度、粘度、导电性、温度或pH值。光学传感器(例如浊度传感器或吸收传感器)也是公知的。
建立现场设备和容纳物之间的法兰连接是一种工业中用于密封和可释放连接的常用措施。相应地，通常的容纳物都具有带有对接法兰的标准化开口，其通常直接被焊接在容纳物上。类似地，法兰通常被直接焊接在现场设备上。
术语容纳物指的是包括管线以及容器(例如，罐)两者。用于测量流量的现场设备通常采用两个法兰连接的方式被插入现有的管线中。如果要确定和/或监控容纳物内的料位，那么，通常仅要求一个法兰，采用这个法兰将测量设备安装到具有相应对接法兰的容器上。例如，对接法兰可以在容纳物的管嘴内部或者管嘴上。
传感器单元和法兰通常与至少一个壳体模块相连接，采用这种方式，使得在现场设备的操作期间，传感器单元可以确定和/或监控至少一个过程变量。在壳体模块和法兰之间布置用于温度隔离的颈管。通常，当由于所应用的测量原理，传感器单元必须至少部分并且至少有时地接触介质的时候，通过法兰连接的方式安装现场设备是有意义的。相应地，至少一个法兰和传感器单元与壳体模块的布置应当保证这一点。
在料位测量设备的情况下，例如，在区域中使法兰围绕传感器单元是有利的，在该区域中，传感器单元与壳体模块相连接，并且在给定的情形下，部分向内突起到壳体内。
另外，与装置相关联的可以是电子单元，其可以与传感器元件紧邻或者与其空间上分离。因此，电子单元或者被容纳在与传感器元件相同的壳体模块中，或者被容纳在另一个分离的第二壳体模块内。
在螺栓连接两个法兰的情况下，在两个法兰之间设置密封件，法兰连接的密封状态与其间布置的密封件上的两个法兰密封表面的压缩压力有关。压缩压力通常来自于螺栓，其延伸通过法兰盘的钻孔。除了螺栓连接，还有很多其它连接两个法兰的方法。例如，两个法兰还可以被直接焊接在一起。
针对容纳物和法兰两者的特别经常应用的材料是不锈钢。然而针对特定应用还使用其它金属，例如钽、哈斯特洛合金(Hastelloy)或者复合材料(例如碳钢)。在实践中，可能发生金属法兰会贡献现场设备的高达50％的总重量，以及高达30％的总成本。在稀有和/或更昂贵材料(例如钽)的情况下，这个成本会更高。
除了金属，工业中应用的除了别的之外还有陶瓷和合成材料，例如塑料。合成材料尤其通过它们更轻的重量、它们的化学耐久性、和许多应用中它们足够的耐热性，使自身表现突出。另外，塑料部件通常比起金属会更成本有效。
一段时间以来，还有纤维增强塑料法兰较为公知。除了它们提供的重量和成本的节省之外，还可以导致增加的强度和硬度。另外，从柔性过程技术获得了通过它们各向异性属性的定向应用配置这些部件适于加载的的机会。
对于法兰连接最重要的要求包括：确保密封的和稳定的连接。另外，法兰在其面向介质的区域内不应影响过程和/或介质。
例如，当法兰和容纳物采用不同材料制造的时候会发生密封问题。由于不同的热膨胀系数，大的温度变化会导致法兰连接的结构性一体化的损坏。
类似地，介质接触区域内的容纳物和法兰的不同的材料会对相同的介质示出不同的反应。例如，由于两种材料不同的氧化还原电势，会发生电化学反应。
出于这些原因，通常为法兰选定与容纳物相同的材料。因为容纳物主要是金属，因此法兰主要由沉重并且部分更昂贵的金属制造，尽管考虑到重量和成本，塑料、纤维增强塑料或者类似的材料更有利。
本发明的目标在于提供一种成本有效的轻量法兰，其可以在任意容纳物的情况下使用。
由用于确定和/或监视容纳物中介质的至少一个物理或化学过程变量的装置获得实现该目的，包括至少一个传感器元件、至少一个壳体模块和至少一个法兰，其中传感器元件和法兰与壳体模块连接，其中处于至少部分接触介质的第一部分内的法兰至少部分由第一材料(其是应用特定和/或顾客特定选择的)制造，并且其中处于至少部分接触环境的第二部分内的法兰至少部分由合成材料制造。
由此，关心的是一种混合式法兰。在至少部分接触介质的区域内，法兰由制造容纳物的材料构成。因此，既不会发生由于法兰的至少一个边界表面与介质接触带来的不利效果，也不会发生由于法兰连接区域的不同的热膨胀系数带来的密封问题。在背向介质的区域内，反过来，可以用塑料或合成材料或者类似物。当然，第一和第二部分的热膨胀系数可以相互匹配。根据环境的特性，也可以特别为此选择合成材料。可以例如由例如化学和/或热耐久性的特征给出选择准则。如果不需要满足该准则，可以使用特别优选的聚合体，从而进一步降低价格。
本发明的法兰结构节省成本和重量两者。尽管如此，法兰可以被适配为使得其在面向介质的区域中总是由与容纳物相同的材料构成。
第一实施例中，第一部分为涂层或者镀层，其被布置在第二部分上或第二部分处。因此第一部分的材料可以自由选择，并且能够根据容纳物在第二部分上或第二部分处选择，其中装置固定在该容纳物上。该实施例的优点在于所谓的模块化设计原理，这种情况下可以根据用户要求，提供不同尺寸的法兰核心部件，可以放置其它镀层或者涂层。在这种情况下镀层或涂层的厚度应当例如至少为1毫米。
当第一部分由金属(特别是不锈钢、钽或者哈斯特洛合金)、陶瓷或耐化学腐蚀的合成材料(特别是PTFE或PFA)制造的时候特别有利。为第一部分选择的通常为制造容纳物的材料。然而在需要的情况下，还可以选择其它材料。
同样有利的是当第二部分由纤维复合材料制造，尤其是具有聚合物基体或者包含聚合物的纤维复合材料。与纯合成材料相比，纤维增强复合材料提供高得多的硬度或强度，以及给定情况下各向异性属性的定向开发。类似地，聚合物基体、合成材料可以与环境条件相匹配，并且给定情况下，可以根据例如化学和/或热耐久性的准则选定。
替选地，第二部分由金属泡沫(特别是至少部分由聚合物基体环绕的泡沫)构成。金属泡沫除了展示出相应部分增强的强度外，还可以展示出振动阻尼，这对于某些应用是有利的。然而，还可以使用其它复合材料，在这种情况下，至少一个成分是合成材料或聚合物基体。
有利的是，当至少第二部分如此实现使得其具有非均质结构，以这种方式使得法兰的暴露在增加的外部压力或增加的负载的区域存在增强。在纤维增强合成材料的情况下，这个可以例如一方面由纤维的定向定位完成，然而还可以由该部分内的纤维、泡沫或者其它材料的密度变化来完成。
在附加实施例中，第二部分的合成材料由作为良好热绝缘体的材料制造。这用于电子器件对逐渐增加的过程温度的热绝缘。法兰区域内的热绝缘越好，通常用于热绝缘的颈管或类似物更短就成为可能。
在特别优选的实施例中，法兰由非均质复合材料制造，采用这种方式使得在至少在接触介质的区域内布置第一材料，其中，在至少一个接触环境的区域内布置第二材料，并且其中，这两个区域之间布置具有一定梯度的第一和第二材料的非均匀混合物。这种生产方法实现了在第一和第二部分之间的连续过渡，并且尤其关于在第一和第二部分之间的连结技术提供了优点。
有利的是，当至少一个法兰被焊接或者粘合在至少一个壳体模块，其中，在壳体模块内布置电子单元的至少一个组件。在这种情况下，壳体模块可以由合成材料、复合材料或者金属中任一制造。也可以根据壳体模块的材料选择其它连结技术。
最后，当第一和第二部分相互之间通过压力或者形状互锁的方式连接(特别是通过粘合连接、焊接连接、螺纹连接、或者注塑模制，或者其它铸造过程)是有利的。
在优选的实施例中，容纳物为容器，且装置为现场设备，其借助至少一个法兰固定在容器上。
在替选的实施例中，容纳物为管线，且装置为现场设备，其借助至少一个法兰固定在管线上。
在这种情况下，当至少一个物理或化学过程变量为介质的流量、料位、密度、或黏度是有利的。
可以借助许多不同的方法生产本发明的法兰，例如借助注塑模制或其它铸造过程。然而，生成方法(特别是3D打印方法)还提供了其它有利的选择。
本发明及其有利实施例现在根据附图将进行更详细的说明，如下附图示出；
图1为借助法兰固定在容纳物上的现场设备。
图2为借助两个法兰插入到管线内的现场设备。
图3为具有第一部分和第二部分的本发明的法兰。
图1示出用于至少确定和/或监控容器2内的介质3的料位的现场设备1。现场设备1包括壳体模块4，其中可以集成电子单元。壳体模块4经由颈管5与法兰6连接。颈管5和法兰6环绕传感器单元7，其类似地与壳体模块4连接。
容器2装配有管嘴9，管嘴上焊接对接法兰8。现场设备1此后借助在法兰6和对接法兰8之间的法兰连接与容器2相连，采用这种方式使得传感器7穿过管嘴9向内突出至少部分到，其中传感器单元7至少有时且至少部分地与介质3接触。
图2表示具有两个法兰6、6a的现场设备1的另一示例。这种情况下，其是并入管线10的流量测量设备。这里，管线具有两个对接法兰8、8a，现场设备1经由其两个法兰6、6a被连接到这两个对接法兰8、8a。在所示的示例情况下，围绕测量管11布置至少一个壳体模块。这里没有详细画出传感器单元7。
很大百分比的情况下，由于相应的容器2、10类似地通常由金属制造，现场设备1的法兰6、6a由金属制造。特别是在更大的标称直径的情况下，这些法兰6、6a导致了相当大部分的重量和制造成本。这对于针对特定用途的新奇材料(例如钽等)尤其如此。通过使用本发明的混合式法兰，法兰的成本以及重量比重都会被降低。
图3采用二维视图示出相应的法兰6、6a。所示为具有管嘴9和对接法兰8的容器2。现场设备(没有示出)的法兰6是借助密封环14连接到容器2的法兰。法兰6包括第一部分12和第二部分13。第一部分12由与容器相同的材料制造。第一部分12例如可以是镀层或涂层。第二部分13至少部分由合成材料(例如塑料)制造，并且通过压力和形状互锁与第一部分12相连接。
用于连结技术等的用于第一部分12和第二部分13的复合以及它们各自体积分数的选项包括永无止境的多重变量，所有的都落入本发明的范围内。第二部分13例如可以由复合材料制造。在机械负载增加的区域(例如区域15)，化合物材料可以例如具有增强。另一个变体中，用于第一部分12和第二部分13的材料可以经由梯度连续过渡到另一个。该示例中，制造第一部分12的材料可以采用纤维的形式，其还可以是第二部分13的组分。另外，用于第二部分13的材料以及那些用于至少一个壳体模块4以及(在给定情况下)用于颈管5的材料可以相互匹配。面向环境的区域可以被选择为使得与环境参数最优匹配，例如，当要求材料具有较高的化学耐久性的时候。类似地，第二部分13内的材料可以与用于第一部分12的材料的热膨胀系数相匹配。
最后，可以例如借助焊接、粘合或螺栓连接产生两个部分12、13之间的压力和形状互锁。然而，注塑模制或铸造过程还提供其它选项。
参考标记：
1现场设备
2容器
3介质
4壳体模块
5颈管
6，6a法兰
7传感器单元
8，8a对接法兰
9容器上的管嘴
10管线
11测量管
12第一部分
13第二部分
14密封环
15机械负载增加的区域

Claims (13)

1.一种由用于确定和/或监视容纳物(2，10)中介质的至少一个物理或化学过程变量的装置，包括至少一个传感器元件(7)、至少一个壳体模块(4)和至少一个法兰(6)，
其中，所述传感器元件(7)和所述法兰(6)与所述壳体模块(4)连接，
其中，位于至少部分地接触介质的第一部分(12)内的所述法兰(6)至少部分由第一材料制造，所述第一材料是应用特定和/或顾客特定而选择的，并且其中，位于至少部分地接触环境的第二部分(13)内的所述法兰(6)至少部分由合成材料制造。
2.根据权利要求1所述的装置，
其中，所述第一部分(12)为涂层或者镀层，所述第一部分(12)布置在所述第二部分(13)上或所述第二部分(13)处。
3.根据权利要求1或2所述的装置，
其中，所述第一部分(12)由金属，特别是不锈钢、钽或者哈斯特洛合金，或耐化学腐蚀的合成材料，特别是PTFE或PFA，制造。
4.根据权利要求1至3中的至少一项所述的装置，
其中，所述第二部分(13)由纤维复合材料制造，尤其是由具有聚合物基体或者包含聚合物的纤维复合材料制造。
5.根据权利要求1至3中的至少一项所述的装置，
其中，所述第二部分(13)由金属泡沫制造，特别是由至少部分由聚合物基体环绕的泡沫制造。
6.根据权利要求4或5所述的装置，
其中，至少所述第二部分(13)如此实现使得其具有非均质结构，以这种方式使得在所述法兰(6)的暴露在增加的外部压力或增加的负载的区域(15)存在增强。
7.根据权利要求4至6中的至少一项所述的装置，
其中，所述第二部分(13)中的合成材料由作为良好热绝缘体的材料制造。
8.根据权利要求1所述的装置，
其中，所述法兰(6)由非均质复合材料制造，以这种方式使得至少在接触介质的区域内布置所述第一材料，其中，在至少一个接触环境的区域内布置所述第二材料，并且其中，在这两个区域之间布置具有一定梯度的所述第一和第二材料的非均匀混合物。
9.根据前述权利要求中至少一项所述的装置，
其中，所述至少一个法兰(6)与所述至少一个壳体模块(4)焊接或者粘合，并且其中，在所述壳体模块(4)内布置电子单元的至少一个组件。
10.根据前述权利要求中至少一项所述的装置，
其中，所述第一和第二部分(12，13)通过压力和形状互锁彼此连接，特别是借助粘合连接、焊接连接、螺栓连接、或者注塑模制或者其它铸造过程彼此连接。
11.根据前述权利要求中至少一项所述的装置，
其中，所述容纳物(2，10)为容器(2)，并且所述装置为现场设备(1)，所述现场设备(1)借助至少一个法兰(6)固定在所述容器上。
12.根据权利要求1至11中的至少一项所述的装置，
其中，所述容纳物(2，10)为管线(10)，并且所述装置为现场设备(1’)，所述现场设备借助至少一个法兰(6，6a)固定在所述管线(10)上。
13.根据前述权利要求中至少一项所述的装置，
其中，所述至少一个物理或化学过程变量为介质的流量、料位、密度、或黏度。
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