CN111044119A - 旨在密封地安装在罐的喷嘴上的计量仪器 - Google Patents

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CN111044119A CN201811503004.6A CN201811503004A CN111044119A CN 111044119 A CN111044119 A CN 111044119A CN 201811503004 A CN201811503004 A CN 201811503004A CN 111044119 A CN111044119 A CN 111044119A
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Abstract

一种旨在密封地安装在罐的喷嘴上的计量仪器，该计量仪器包括：附接套圈(112)，其旨在与所述喷嘴配合以便面向罐中的产品；具有径向延伸的套圈部分(128)的介电填充构件(120)，该套圈部分邻接所述附接套圈的外边缘(114)；以及被布置在外边缘(114)与径向延伸的套圈部分(128)之间的环形弹簧元件(130)。一个或数个紧固元件(101)被配置成将附接套圈固定到喷嘴并且与喷嘴呈配合关系，使得径向延伸的套圈部分(128)夹在喷嘴与附接套圈的外边缘之间，并且环形弹簧元件(128)在套圈部分上对喷嘴施加接触压力，从而确保过程密封。

Description

旨在密封地安装在罐的喷嘴上的计量仪器
技术领域
本发明涉及一种旨在密封地安装在罐的喷嘴上的计量仪器，其用于确定与所述罐中的产品有关的过程变量。
背景技术
各种计量仪器被用于需要提供对上面安装有仪器的罐或容器的令人满意的密封的应用中。这种密封通常称为“过程密封”。
在一些应用中，过程密封由环形密封元件(有时称为垫圈)提供，环形密封元件夹在仪器的环形开口与上面安装有仪器的环形开口(例如罐法兰)之间。
一种特定类型的计量仪器是雷达料位计(RLG)，该雷达料位计适合用于对罐中包含的诸如过程流体、颗粒化合物和其他材料的产品的填充料位(filling level)进行测量。雷达料位计被用于各种应用中，包括卫生应用，在卫生应用中对过程密封的要求特别高。
这种雷达料位计的示例可以包括：收发器电路，用于发射和接收微波；定向天线，被布置成朝向表面引导微波并且将由表面反射的微波返回到收发器；以及处理电路，其适于基于由收发器发送与接收的微波之间的关系确定填充料位。天线可以适于特定频段。当前最常用的频段具有大约6GHz或24GHz的中心频率，然而也可以考虑更高的频段。介电填充构件可以被布置在天线和/或波导的腔中，以便保护波导/天线免受来自罐气氛(atmosphere)的热影响和化学影响。
这种介电填充构件应该能使微波透过，耐化学腐蚀，优选地疏水(排斥水)，并且还需要承受罐内存在的温度和压力。被称为高压、高温(HPHT)应用的一些应用呈现特别具有挑战性的条件。通常用于这种填充构件的一种材料是PTFE，也称为
Figure BDA0001898679990000011
在一些示例中，介电填充构件包括径向延伸的套圈(collar)，该套圈可以用作环形密封元件，并且被夹在计量器的开口(例如，也限定天线的罐连接件的外开口)与罐喷嘴的边缘之间。
环形过程密封件或垫圈存在几个挑战。最重要的是，合适的材料例如PTFE通常会“蠕变”，即由于压力和温度而变形。如果发生这种情况，垫圈的密封功能可能恶化，并且可能形成允许内容物逸出或被污染的间隙。
在通过诸如三夹钳(tri-clamp)的环形夹具确保仪器的安装的情况下，密封垫圈的材料蠕变尤其是有问题的，这可能更难以正确地调节。
发明内容
本发明的目的是提供具有改进的过程密封的计量仪器。
根据本发明的第一方面，该目的和其他目的通过一种旨在密封地安装在罐的喷嘴上的计量仪器来实现，该计量仪器用于确定与罐中的产品有关的过程变量，该计量仪器包括：附接套圈，旨在与喷嘴配合以便面向罐中的产品；介电填充构件，被布置在附接套圈中并且具有径向延伸的套圈部分，套圈部分邻接附接套圈的外边缘，介电填充构件使产品和任何其他罐内容物基本上不能渗透；环形弹簧元件，被布置在径向延伸的套圈部分与附接套圈的外边缘之间；以及一个或数个紧固元件，被配置成将附接套圈固定到喷嘴并且与喷嘴呈配合关系，使得当附接套圈固定到喷嘴时，径向延伸的套圈部分被夹在喷嘴与附接套圈的外边缘之间，并且环形弹簧元件在套圈部分上对喷嘴施加接触压力，从而确保过程密封。
通过这种设计，环形弹簧元件确保用作密封垫圈的径向延伸的套圈部分以明确限定的接触压力压靠罐喷嘴以便密封罐。该压力可以抵消套圈部分的任何变形(有时称为“蠕变”)，尤其是在不能以令人满意的精度容易地调节一个或更多个紧固元件的情况下。
重要的是要注意，环形弹簧元件本身对罐密封没有贡献，因为它位于套圈部分的外侧(即，不面向罐内部)。相反，环形弹簧元件的功能是被弹性压缩的，从而确保套圈部分上对罐喷嘴的压力令人满意。
本发明特别有利的一种类型的仪器是雷达料位计，其被布置成确定罐中的产品的填充料位。RLG通常包括：收发器，被配置成生成和发射电磁信号；天线，被布置成朝向产品的表面引导由收发器发射的电磁发射信号，并且将由电磁发射信号在表面处的反射产生的电磁表面反射信号返回到收发器；以及处理电路，其连接到收发器，用于基于电磁表面反射信号确定填充料位。在这种情况下，介电填充构件被布置在天线中，其形成附接套圈。因此，填充构件必须能够使电磁信号透过。
当借助于通过一个或数个切向螺钉保持在一起的环形夹具例如三夹钳安装计量仪器时，本发明是特别有利的。这种夹具使得难以精确地调节套圈部分上的压力以防止泄漏。利用本发明，弹簧元件将提供对套圈部分上的压力的更好的控制。
弹簧元件可以是O形环、C形环、螺旋弹簧、盘形弹簧、贝尔维尔垫圈或可以弹性压缩的任何其他环形元件。
附接套圈可以包括用于容纳环形弹簧元件的槽。这种槽可以将弹簧元件固定在其位置，从而有助于明确限定的接触压力。
可替选地，环形弹簧元件容纳在径向延伸的套圈部分中的轴向台阶与附接套圈的边缘之间形成的空间中。同样，这确保了弹簧元件的固定以确保弹簧元件的功能。
介电填充构件的旨在面向罐内部的部分优选地由聚合物材料制成，例如PTFE。
附图说明
将参照附图更详细地描述本发明，附图示出了本发明的当前优选实施方式。
图1a是根据本发明的实施方式的安装在罐上的雷达料位计的示意图。
图1b是图1a中的雷达料位计的一些部分的示意性框图。
图2是可以如何使用夹紧装置将仪器的罐连接件固定到罐喷嘴的分解透视图。
图3a至图3c是在夹紧装置中应用的本发明的三个示例的更详细的横截面视图。
具体实施方式
本文中将参照雷达料位计描述本发明的实施方式。然而，将理解的是，本发明将同样也适用于其中附接套圈被密封地安装在罐喷嘴上的其他计量仪器。
在图1a和图1b中示意性地示出了根据本发明的实施方式的雷达料位计(RLG)1。RLG 1被安装在罐2上，并且被布置成对诸如罐2中两种材料之间的界面的料位L的过程变量进行测量。通常，第一材料是罐中储存的产品4，例如诸如汽油的液体或诸如颗粒化合物的固体，第二材料是罐内的空气或其他气氛5，而界面是产品4的表面3。在一些应用中，罐是非常大的金属罐(直径处于十米的量级)。
雷达料位计1包括在图1中非常示意性地示出的收发器电路6、处理电路7和接口8。RLG电路(即，收发器电路6、处理电路7和信号/功率电路8)被布置在测量单元(MU)10中，测量单元10被安装到由金属材料(通常为钢)制成的环形附接套圈(也称为罐连接件12)，罐连接件12适于牢固地装配(例如栓接或焊接)到罐喷嘴13。罐连接件12适于提供用于使电磁信号通过罐的壁的通道(优选地为压力密封的)，该通道将收发器电路6与信号传播装置连接，此处信号传播装置是由罐连接件12形成的呈天线喇叭形式的定向天线11。天线11被布置成充当适配器，将自由传播的电磁波发射到罐2中以被界面反射，此处该界面为罐2中的产品4的表面3。具有定向天线的RLG通常被称为非接触式雷达(NCR)料位计。
天线11包括波导部15和喇叭部16。诸如探头(未示出)的耦合装置被布置成将来自收发器的发射信号耦合到波导部中。然后，发射信号将被允许传播到喇叭部并且接着被发射到罐中。相反，返回信号将由天线喇叭部接收，并且被允许传播通过波导部并且通过耦合装置被耦合回到收发器。
收发器电路6被配置成生成并且发射电磁(微波)发射信号ST以及接收电磁(微波)返回信号SR。发射信号ST通过信号传播装置(在该情况下是天线11)朝向产品4的表面3传播。电磁返回信号SR由在表面3处的反射引起，并且通过信号传播装置(天线11)返回并且被馈送回到收发器6。收发器电路6可以是能够发射和接收电磁信号的一个功能单元，或者可以是包括分离的发射器和接收器单元的系统。收发器电路6的元件通常以硬件来实现，并且形成通常称为微波单元的集成单元的一部分。为了简单起见，在以下的描述中将收发器电路称为“收发器”。
处理电路7可以包括以硬件实现的模拟处理和通过存储在存储器中并且由嵌入式处理器执行的软件模块实现的数字处理的组合。本发明不限于该特定实现，并且可以设想被发现适合于实现本文描述的功能的任何实现方式。
处理电路7被配置成通过分析发射信号ST和返回信号SR来确定表面3与在罐的顶部处的参考位置(例如，罐的外部与内部之间的通道)之间的距离。该处理通常包括生成罐信号或“回波曲线”，包括表示来自所述罐的内部的回波的多个峰。峰之一表示来自表面3的回波。基于所确定的到表面3的距离(通常被称为空距(ullage))和罐5的已知尺寸，可以推导出诸如罐的填充料位L的过程变量。
接口8被配置成允许将测量值传送到RLG外部，并且可选地用于RLG的供电。例如，接口8可以是双线控制回路9，诸如4mA至20mA回路。接口8还可以包括串行数据总线，从而允许使用数字通信协议进行通信。可用数字协议的示例包括HART、Modbus、Profibus和基金会现场总线(Foundation Fieldbus)。接口8也可以是采用例如无线HART的无线接口，在这种情况下，RLG设置有某种内部能量存储装置，诸如电池17，其可能由太阳能供电。
此处，发射信号是具有大于1GHz的操作频率范围的高频信号。通常，操作频率范围以大约6GHz或26GHz为中心，具有1GHz或几GHz的带宽。
根据一种测量原理，发射信号是具有变化的频率的连续信号(调频连续波，FMCW)。基于FMCW的RLG将发射具有逐渐变化的频率的雷达扫描，并且将所接收到的信号与原始信号混合(零差混合(homodyne mixing))以形成频域罐信号。
根据另一测量原理，发射信号是持续时间以ns为量级并且重复频率(repletionfrequency)以MHz为量级的不同脉冲的队列。在被称为时域反射法(TDR)的处理中，在采样与保持电路中利用原始脉冲队列对返回信号进行采样，从而形成时域罐信号。当在NCR料位计中使用时域反射法时，需要对脉冲进行频率调制以允许使用定向天线来进行发射。
发射信号也可以是FMCW和脉冲信号的某种组合。例如，已经提出了称为多频脉冲波(MFPW)的原理。
微波透射式介电填充构件20至少部分地布置在由波导部15和喇叭部16形成的腔19内。填充构件20用于保护天线喇叭不受罐气氛5的热和化学影响。填充构件20优选地由耐化学腐蚀并且防水的材料制成，例如含氟聚合物。在本示例中，聚合物材料是由于其耐温性而被选择的PTFE
Figure BDA0001898679990000051
这里的填充构件20具有：适于装配在波导部16中的圆柱形部分22；以及适于装配在喇叭部17中的圆锥形部分23。圆锥形部分的基部24(即，面向罐内部的表面)可以具有凸起的形状，以便以有益的方式使出射波的雷达波束成形。
填充构件20可以设置有围绕圆锥形部分22的外围延伸的槽26。槽适于容纳环形元件27例如O形环，其可以用于将填充构件20机械地固定在腔19中。
为了提供罐密封，即为了防止罐内容物溢出，填充构件20还设置有环形套圈部分28，在这种情况下环形套圈部分28从凸起基部24与圆锥形部分23相交的位置突出。套圈部分28(也称为垫圈)被夹在罐连接件12与罐喷嘴13之间，从而密封罐2。
在面对垫圈28的区域中，罐连接件12在此设置有槽29，环形弹簧元件30布置在槽29中。弹簧元件30将确保在垫圈28上施加明确限定的接触压力，从而确保罐的可靠密封。弹簧元件30在此示出为可弹性压缩的O形环，但是可替选地可以是例如盘形弹簧(discspring)或贝尔维尔垫圈(Belleville washer)。
形成天线喇叭11的罐连接件12借助于螺栓31安装到罐喷嘴13，使得弹簧元件被压缩，并且因此在垫圈28上对喷嘴13的边缘施加接触压力。
图2和图3a至图3c示意性地示出了诸如雷达料位计的仪器的附接套圈112可以如何替代地借助于环形夹具101(这里是所谓的三夹钳)安装到罐喷嘴113。这种安装通常在受保护的环境中更常见，诸如用于工业过程仪器等。应注意的是，附接套圈112可以属于在设计和操作上与图1中公开的并且上面所述的雷达料位计类似的雷达料位计。然而，附接套圈112比图1中的罐连接件12更纤薄。如果仪器是雷达料位计，则附接套圈112可以仅仅是雷达料位计的天线喇叭。
参照图2，环形夹具101在此具有两个基本上半圆形的元件102a、102b，其通过沿切线方向作用的两个螺栓103保持在一起。在其他示例中，环形夹具被分成两个以上的部分，例如，一起形成环形环的三个部分。而且，所述部分中的一个或更多个可以通过铰链而不是螺栓接合。例如，在图示的示例中，螺栓103中的一个可以由铰链代替。
元件102a和102b中的锥形槽104分别与附接套圈112的外边缘114和罐喷嘴的外边缘115接合。当通过拧紧螺栓103来固定夹具101时，环形夹具101确保附接套圈112的环形开口相对于罐喷嘴113的环形开口的固定位置。密封垫圈128(这里是介电填充构件120的环形套圈)被夹在附接套圈112的边缘114与喷嘴113的边缘115之间。
环形弹簧元件130(这里是O形环)被布置在附接套圈112的边缘114与密封垫圈128之间。类似于图1中的弹簧元件30，弹簧元件130将确保：当夹具101被固定时，明确限定的接触压力被施加在垫圈128上。
转到图3a至图3c，夹具101被示出为处于其固定状态，并且垫圈128和弹簧元件130的细节已被放大。
在图3a中的示例中，垫圈128(即介电填充构件120的环形套圈)设置有向下延伸的环形突起129，该环形突起129由罐喷嘴113的边缘115中的相应的槽116容纳。径向延伸的垫圈128设置有轴向台阶128a，轴向台阶128a位于边缘114中的对应的台阶114a径向内侧一定距离处。在台阶128a与114a之间形成环形空间117，弹簧元件130布置在空间117中。空间117在此大致位于罐喷嘴113的侧壁113a上方，使得由弹簧元件130在其压缩状态下施加的压力将由壁113a接收。
在图3b中的示例中，垫圈128'同样具有容纳在槽116中的向下延伸的环形突起129。并且同样，垫圈128'设置有轴向台阶128a'。然而，这里，轴向台阶128a'被定位成径向更靠近边缘114'的外沿。这里，在台阶128a'与边缘114'的外沿之间形成环形空间117'，弹簧元件130布置在空间117'中。
在图3c中的示例中，最后，垫圈128类似于图3a中的垫圈128，而附接套圈112的边缘114'类似于图3b中的边缘。作为结果，在台阶128a与边缘114'的外沿之间形成在径向方向上较宽的空间117”。在该较宽的空间117”中布置有呈盘形弹簧或贝尔维尔垫圈130”形式的弹簧元件130”。
本领域技术人员会认识到，本发明决不限于上述优选实施方式。相反，在所附权利要求的范围内可以进行许多修改和变型。例如，介电填充构件的形状和比例可以根据天线腔的形状和比例而不同。特别地，喇叭部可以更小，从而形成相对较长的波导部，这影响填充构件的形状。此外，如上所述，本发明还可以在没有任何天线喇叭但是具有一些其他类型的环形附接套圈的仪器中实现。例如，压力计和超声波计量器可以具有环形附接套圈。

Claims (10)

1.一种旨在密封地安装在罐的喷嘴上的计量仪器，所述计量仪器用于确定与所述罐中的产品有关的过程变量，所述计量仪器包括：
附接套圈(12，112)，其旨在与所述喷嘴配合以便面向所述罐中的产品；
介电填充构件(20，120)，其布置在所述附接套圈中，并且具有径向延伸的套圈部分(28，128，128')，所述套圈部分(28，128，128')邻接所述附接套圈(12，112)的外边缘(114)，所述介电填充构件使所述产品和任何其他的罐内容物基本上不能渗透；
环形弹簧元件(30，130)，其布置在所述径向延伸的套圈部分(28，128，128')与所述附接套圈(12，112)的外边缘(114)之间；
一个或数个紧固元件(101)，其被配置成将所述附接套圈固定到所述喷嘴并且与所述喷嘴呈配合关系，使得当所述附接套圈被固定到所述喷嘴时，所述径向延伸的套圈部分被夹在所述喷嘴与所述附接套圈的外边缘之间，并且所述环形弹簧元件(28，128，128')在所述套圈部分上对所述喷嘴施加接触压力，从而确保过程密封。
2.根据权利要求1所述的计量仪器，其中，所述计量仪器是雷达料位计，所述雷达料位计被布置成确定所述罐中的产品的填充料位，所述雷达料位计包括：
收发器(6)，其被配置成生成和发射电磁信号；
天线(11)，其被布置成朝向所述产品的表面引导由所述收发器发射的电磁发射信号，并且将由所述电磁发射信号在所述表面处的反射产生的电磁表面反射信号返回到所述收发器；以及
处理电路(7)，其连接到所述收发器，用于基于所述电磁表面反射信号确定所述填充料位；
其中，所述附接套圈(12)由所述天线(11)的开口形成，并且
其中，所述介电填充构件(20)能够使所述电磁信号透过。
3.根据权利要求1所述的计量仪器，其中，所述紧固构件包括环形夹具(101)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的计量仪器，其中，所述附接套圈(12)包括用于容纳所述环形弹簧元件的槽(29)。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的计量仪器，其中，所述环形弹簧元件(130)容纳在所述径向延伸的套圈部分中的轴向台阶(128a，128a')与所述附接套圈(112)的边缘(114)之间形成的空间(117，117'，117”)中。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的计量仪器，其中，所述环形弹簧元件是O形环、C形环或螺旋弹簧。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的计量仪器，其中，所述介电填充构件的、旨在面向所述罐的内部的部分由聚合物材料制成。
8.根据权利要求7所述的计量仪器，其中，所述聚合物材料是含氟聚合物。
9.根据权利要求8所述的计量仪器，其中，所述含氟聚合物是PTFE。
10.根据权利要求1至3中任一项所述的计量仪器，其中，所述计量仪器是压力计或超声波计量器。
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