CN108603798A - 具有聚合物密封件的过程压力变送器 - Google Patents

Abstract

过程压力变送器系统包括过程压力变送器壳体(14)和在过程压力变送器壳体(14)中的过程压力传感器(28)。金属凸缘(17)被构造成安装到携带过程流体(16)的过程容器(10)。隔离膜片(25)附接到金属凸缘(17)并且通过过程容器(10)中的开口暴露给过程流体(16)。隔离膜片(25)包括接合到金属凸缘(17)的金属面的聚合物膜片。毛细管通路携带来自隔离膜片的填充流体从而将过程压力传输到压力传感器(28)。

Description

具有聚合物密封件的过程压力变送器

技术领域

本发明涉及过程控制工业。更具体地，本发明涉及用于将过程控制仪器连接到工业过程的类型的隔离膜片或密封件。

背景技术

一些类型的过程控制仪器，诸如压力变送器，具有通过填充流体流体地连接到隔离膜片的压力传感器。隔离膜片包括称为″远程密封件″或″膜片密封件″的子组件的部件并且使压力传感器与被感测的腐蚀性过程流体隔离。压力通过填充流体从隔离膜片传送到传感器，填充流体基本不能压缩并且填充两侧的腔和毛细管(或在密封件直接地安装到仪器的情况下的通孔)。对于远程密封件，管通常地是挠性的并且可以延伸数米。过程介质接触远程隔离膜片，远程隔离膜片将施加的压力传送到设置在变送器壳体中的压力传感器。

通常地，隔离膜片和远程密封件的任何过程润湿部分由耐腐蚀材料制成，使得过程介质不损坏膜片。在本领域还已知的是在隔离膜片上提供涂层以保护隔离膜片免于由于与过程流体的接触而导致的腐蚀。然而，具有改进隔离膜片保护的持续需要。

发明内容

过程压力变送器系统包括过程压力变送器壳体和在过程压力变送器壳体中的过程压力传感器。金属凸缘被构造成安装到携带过程流体的过程容器。隔离膜片附接到金属凸缘并且通过过程容器中的开口暴露给过程流体。隔离膜片包括接合到金属凸缘的金属面的聚合物膜片。毛细管通路携带来自隔离膜片的填充流体从而将过程压力传输到压力传感器。

本发明内容和摘要被提供以简化形式介绍对在下文的具体实施方式中进一步描述的概念的选择。本发明内容和摘要不旨在识别被要求保护的主题的关键特征或本质特征，它们也不旨在被用作确定被要求保护的主题的范围的辅助手段。

附图说明

图1是根据本发明的示出具有远程密封件的变送器的简化示意图。

图2是示出包括连接到远程密封件的压力变送器的压力变送器系统的简化示意图。

图3A是现有技术远程密封件的沿着在图3B中的标记2A-2A的线采集的侧视剖视图。

图3B是在图3A中的现有技术远程密封件的底部平面图。

图3C是图3A的现有技术远程密封件的俯视图。

图4A和4B是示出接合到金属凸缘的聚合物膜片的侧面剖视图。

图5是示出使用激光束使金属凸缘构造的侧视剖视图。

图6是连结到金属凸缘的聚合物膜片的侧视剖视图。

图7是包括聚合物防护件的延伸凸缘密封件(EFW)的侧视剖视图。

具体实施方式

本发明包括用于将压力变送器连接到过程流体的聚合物膜片。在特定构造中，聚合物膜片接合到金属凸缘，金属凸缘连接到诸如槽的过程容器、过程管道或包括过程流体的其它过程构件。

图1示出过程变量变送器11的远程密封件12。远程密封件12连接到壳体14中的变送器膜片。远程密封件12包括壳体(金属凸缘)17并且被构造成通过过程容器中的开口连接到过程流体。

依据一个实施例，变送器11测量过程介质16的压力。远程密封件12包括接触过程介质16的较薄挠性膜片18。密封件12还包括背板19，背板19连同膜片18限定腔20。毛细管22将腔20连接至设置在变送器壳体14中的压力传感器28，该连接经由变送器壳体膜片25形成并且密封流体系统连接膜片25与传感器28。密封流体系统以及腔20和毛细管22填充有适当的流体以用于向传感器28传输过程压力。流体可以包括硅酮、油、甘油和水、丙二醇和水，或优选地大致地不能压缩的任何其它适当的流体。

当从过程介质16施加过程压力时，膜片18移动流体，从而通过板19中的通路并且通过管22将测量压力从远程密封件12传输至压力传感器28。所产生的压力应用于压力传感器28，压力传感器28可以基于包括基于电容的压敏元件的任何压力感测技术。对于基于电容的传感器，施加压力导致该电容根据介质16处的压力而改变。传感器28还可以以其它已知的感测原理操作，诸如应变仪技术，等。在本实施例中，变送器壳体14中的电路将电容电子地转换成涉及过程压力的在导线对30上的线性4mA-20mA变送器输出信号。可以使用任何适当的通信协议，包括其中数字信息被调节成4mA-20mA电流的通信协议、基金会现场总线或过程现场总线通信协议等。还可以使用无线通信技术实现过程控制回路30。无线通信技术的一个示例是根据1EC62591的通信协议。

图2是示出压力变送器系统10的简化方框图，其中过程压力传感器28定位在过程压力变送器壳体14中。如图2所示，隔离膜片25被携载在壳体14的凸缘面80上。第一毛细管通路82携带隔离填充流体并且从膜片25延伸到压力传感器28。过程膜片密封件18连接到过程流体并且第二毛细管通路22携带第二填充流体并且从过程密封膜片18延伸至隔离膜片25。随着压力应用于膜片18，膜片18挠曲。这导致压力通过第二填充流体传输至隔离膜片25。隔离膜片25又挠曲并且导致压力传输至毛细管通路82中的填充流体。这可以根据已知的技术通过压力传感器28感测到。变送器电子线路88用于感测施加压力并且向另一位置通信涉及施加压力的信息。

图3A是远程密封件12的侧视剖视图，图3B是远程密封件12的底部平面图并且图3C是远程密封件12的俯视图。远程密封件12称为″凸缘式平齐设计″并且包括密封壳体(金属凸缘)17。远程密封件12还包括液压流体(填充流体)填充端口54、仪器连接件56和由下文更详细地所述的结合件60结合的挠性膜片18。环状形状的并且围绕膜片18延伸的表面62被提供。螺栓孔64用于将壳体17连接到例如填充过程流体的槽或一些其它的过程容器。

通常地，壳体17由不锈钢构成并且具有约1英寸的厚度。壳体17以一定方式被机加工成结合到圆形聚合物膜片18。衬垫表面62也被机加工在壳体17上。

如在背景技术中所述，某些过程流体可以损坏诸如膜片18的隔离膜片。例如，氢氟酸(HF)和氢氧化钠(NaOH)可以导致通常地用于远程密封应用中的金属膜片的腐蚀。该膜片通常地由金属板材制造，金属板材通过TIG焊接、RSEW(电阻缝焊)或烧结连结到金属主体(或凸缘)。具有许多不同类型的可获得的金属，可以基于特定的过程介质选择所述金属。然而，强耐腐蚀的许多金属也显示减少的性能并且经过一段时间仍然腐蚀。例如，合金400(约67％Ni和23％Cu的合金)是耐氢氟酸的更廉价的金属。然而，甚至合金400将在延伸腐蚀之后特别在更高温度下腐蚀。其它的更昂贵的供选方案包括金和铂。

处理该腐蚀的一个现有技术是使用聚合物膜片组件。聚合物膜片被夹在两个金属凸缘之间并且被两个O形环密封。螺栓然后用于将凸缘安装至一起并且加强O型环密封。在膜片后方的区域然后填充油。然而，系统不能拆卸，并且机械紧固和密封结构比与金属膜片一起使用的焊接技术更不可靠。

另一现有技术是使用由放置在金属膜片上方的耐腐蚀材料制成的膜片盖。盖可以由氟聚合物制成，诸如PFA(全氟烷氧基烷烃)或FEP(氟化乙丙烯)。盖可以例如使用油脂黏附结合到金属膜片。盖作用以保护金属膜片免于被过程流体腐蚀。然而，盖减少膜片对于由过程流体施加的压力的灵敏度，这可能导致不准确的测量。进一步地，构造不适合于真空测量。

在一个示例性构造中，本发明通过使用直接地结合至密封件的金属凸缘的聚合物膜片而解决了上述现有技术的缺点。聚合物膜片可以使用任何适当的技术而连结至金属壳体。

图4A和4B是图示用于将聚合物膜片18结合至金属凸缘17的一个示例性技术的剖视图。因为聚合物具有比常见金属更低的融点，所以常规的焊接技术不能用于将聚合物连结至金属。焊接温度导致聚合物材料的热分解。然而，可以执行激光连结方法。图4A图示了激光传输方法，其中激光束100被引导通过聚合物膜片18并且朝向金属凸缘17。在该构造中，聚合物膜片必须对于施加的激光束100的波长是足够光学透明的，使得金属凸缘17从激光束100吸收大量能量。激光束100从而穿过聚合物膜片并且加热金属凸缘17。聚合物膜片18因而被加热和融化在引导激光束100而导致形成焊接或结合件102的区域中。图4B图示了激光束100应用于金属凸缘17的相关构造。这提供激光束100加热金属凸缘17的后侧的热传导连结。借助于导致结合件102形成的热传导，聚合物膜片18被加热和融化。该连结方法适用于对于激光束100不透明的聚合物膜片18。另外地，凸缘17应该足够薄以允许凸缘17和膜片18之间的接口的更精确的加热(加热的“聚焦”)。

为便于聚合物膜片18结合至金属凸缘17，金属凸缘17的表面可以经受表面构造。研究已经显示，金属表面的适当微型构造可以导致当将金属表面连结至聚合物材料时改进的切变强度。进一步地，在没有任何表面处理的情况下，聚合物至金属的重叠连结通常地是不可能的。激光可以用于在金属表面上产生微观结构。

图5是被应用于其表面108的激光束106重构的金属凸缘17的侧视剖视图。施加的激光束106导致表面108的升华和融化，导致材料移除，从而导致孔110形成在表面108中。在表面108上的结合区域中重复该过程。该重构允许结合件形成有在用于形成膜片18的聚合物材料的强度范围中的结合强度。在金属凸缘17的表面108上进行该构造的情况下，聚合物膜片18可以借助于诸如上述的激光连结而被连结。其它的连结技术也可以被使用，诸如基于超声波的连结和基于感应的连结技术。例如可以使用可从CT的Farmington的Trumph公司获得的TruMicro7050或7240执行该重构。

图6是示出在聚合物膜片18和金属凸缘17之间的结合的远程密封件12的侧视剖视图。如图6所示，聚合物膜片18在金属凸缘17上延伸并且形成衬垫表面区域120。激光构造和连接区域122形成在金属凸缘17的表面上。在该区域上，聚合物膜片18结合到金属凸缘17。

可以使用任何成形技术，包括真空成形和注入成型，形成聚合物膜片18。这相对于金属膜片而言，金属膜片可以要求复杂的成形染料和应用机械成形压力。这可以导致应力集中并且可以使金属膜片破裂。另外地，在一个构造中，聚合物膜片18具有在其直径中变化的厚度，例如膜片18可以被构造成在中央区域是较薄的，从而增加对于施加压力的灵敏度，并且在衬垫表面区域120中是较厚的以提供额外的强度。难以使用用于形成金属膜片的技术制造该构造。

在一个构造中，膜片18由多个层形成。该层可以用于减少腐蚀并且防止过程流体渗入膜片中或提供其它需要性质。示例性阻挡聚合物包括EVOH(乙烯醇)、LCP(液晶聚合物)、PET(聚对苯二甲酸乙二酯)、PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)、PVDC(聚偏二氯乙烯)等。这些材料可以被层压到原料聚合物/塑料材料使得膜片18具有多层复合物。

在另一示例性构造中，膜片18包括结合至聚合物层的下方金属层。例如，下方金属层可以包括金或其它金属并且可以用于减少通过膜片的氢渗透。任何适当的结合技术可以用于该构造中，包括例如，金属层可以溅射在聚合物层上。

本发明还适用于其它的密封构造。例如，图7示出具有携带延伸部分154的凸缘152的延伸凸缘密封件(EFS)150。膜片156定位在延伸部分的远端部处，并且通过在毛细管158中携带的填充流体传输施加压力。这可以应用于如上所述的压力传感器。在该构造中，聚合物防护件160可以结合到形成延伸凸缘密封件150的金属。该结合可以发生在沿着延伸部分154和凸缘152的内表面的任何地方。在一个构造中，使用如上所述的聚合物膜片156。在另一示例性构造中，使用具有结合在其上的聚合物涂层的金属膜片156。

虽然已经参照优选的实施例描述了本发明，但是本领域的技术人员将认识到可以在没有脱离本发明的精神和范围的情况下对形式和细节进行改变。远程密封件可以是除了本文中图示的那些具体构造的构造。示例包括凸缘式密封类型，诸如平齐凸缘密封件、延伸凸缘式密封件或饼状密封件。其它的构造包括螺纹密封件(RTW)、管子接头密封件、化学制品T字形密封件、螺纹管道安装密封件、鞍和溢流密封件等。毛细管通路22可以是延长的，诸如图1所示，或在另一示例性构造中，可以是相对较短的，借此变送器直接地安装到密封件。聚合物膜片改进密封件的耐腐蚀性。在一个构造中，具有在其上焊接的聚合物膜片的远程密封件可以安装为单个构件，使得不需要内部机械紧固和密封结构。该构造还改善对于施加的压力信号的灵敏度并且可以用于真空测量。在一个构造中，金属凸缘由不锈钢形成。聚合物膜片可以在一个或两个其侧面上包括涂层。根据需要的特性，诸如提供用于过程流体的阻挡或额外防护，涂层可以在任一侧。涂层可以是金属的或非金属的。在一个构造中，类金刚石(DLC)涂层设置在聚合物膜片上。本文中讨论的膜片构造可以用于远程密封构造中或可以用于在压力变送器上提供隔离膜片。

Claims (25)

1.一种过程压力变送器系统，包括：

过程压力变送器壳体；

在过程压力变送器壳体中的过程压力传感器；

金属凸缘，所述金属凸缘被构造成安装到携带过程流体的过程容器上；和

隔离膜片，所述隔离膜片附接到金属凸缘上并且通过过程容器中的开口暴露给过程流体，隔离膜片包括结合到金属凸缘的金属面上的聚合物膜片；

毛细管通路，所述毛细管通路携带来自隔离膜片的填充流体以便由此将过程压力传输到压力传感器。

2.根据权利要求1所述的过程压力变送器系统，其中：

金属凸缘包括远程密封件。

3.根据权利要求1所述的过程压力变送器系统，其中：

聚合物膜片焊接到金属凸缘的面上。

4.根据权利要求1所述的过程压力变送器系统，其中：

聚合物膜片使用激光结合而结合到金属面上。

5.根据权利要求4所述的过程压力变送器系统，其中：

激光结合包括激光传输结合。

6.根据权利要求4所述的过程压力变送器系统，其中：

激光结合包括激光热传导结合。

7.根据权利要求1所述的过程压力变送器系统，其中：

聚合物膜片通过超声波结合而结合到金属凸缘的金属面上。

8.根据权利要求1所述的过程压力变送器系统，其中：

聚合物膜片通过感应结合而结合到金属凸缘的金属面上。

9.根据权利要求1所述的过程压力变送器系统，其中：

金属凸缘的金属面包括被构造成促进聚合物膜片和金属面之间的结合的构造区域。

10.根据权利要求9所述的过程压力变送器系统，其中：

构造区域通过微观结构处理而制成。

11.根据权利要求10所述的过程压力变送器系统，其中：

微观结构处理包括激光处理。

12.根据权利要求9所述的过程压力变送器系统，其中：

构造区域包括激光构造区域。

13.根据权利要求12所述的过程压力变送器系统，其中：

激光结构包括微观结构。

14.根据权利要求1所述的过程压力变送器系统，其中：

聚合物膜片包括衬垫表面区域。

15.根据权利要求1所述的过程压力变送器系统，其中：

聚合物膜片具有变化的厚度。

16.根据权利要求15所述的过程压力变送器系统，其中：

聚合物膜片的厚度在聚合物膜片的中央区域附近是较薄的，并且在聚合物膜片的边缘区域附近是较厚的。

17.根据权利要求16所述的过程压力变送器系统，其中：

聚合物膜片包括层压聚合物膜片。

18.根据权利要求17所述的过程压力变送器系统，其中：

聚合物膜片包括多层复合物膜片。

19.根据权利要求1所述的过程压力变送器系统，其中：

聚合物膜片涂覆有金属膜。

20.根据权利要求1所述的过程压力变送器系统，其中：

金属膜被涂覆到聚合物膜片的至少一侧上。

21.根据权利要求19所述的过程压力变送器系统，其中：

金属膜包括溅射层。

22.根据权利要求19所述的过程压力变送器系统，其中：

金属膜包括金。

23.根据权利要求1所述的过程压力变送器系统，其中：

聚合物膜片包括阻挡层。

24.根据权利要求1所述的过程压力变送器系统，其中：

填充流体通过第二填充流体向连接到压力传感器的第二膜片传送过程压力。

25.一种将过程压力变送器连接至工业过程流体的压力的方法，包括：

获得被构造成连接到过程容器上的金属凸缘；

获得聚合物膜片；

将聚合物膜片连接到金属凸缘上；

将在过程容器中携带的过程流体的压力施加到聚合物膜片上；

使用毛细管通路将施加到聚合物膜片上的压力连接到压力传感器；以及

使用压力传感器测量过程压力。