CN1111346A - 高压防漏防爆电容探头 - Google Patents

Abstract

一种低内在电容探头系统，用来测量电容以便检 测压力容器内液体平面的高度，包括一个高压中心杆 保持系统以及设在其固定盖内的防爆火焰通路密 封。该系统减少或消除了探头内的PTFE的冷流， 并不用定期紧固。

Description

本发明涉及用来测量所需参数例如电容的探头和探头本体。更具体地说，本发明涉及一种这种类型的探头和探头本体，它被用来测量电容以便检测压力容器中液体的高度，再更具体地说，涉及一种防漏的探头，在一个实施例中该探头是防爆的。

在工业计量中，电容通常被用来确定容器中液体平面的高度，尤其是在密闭的容器中。测量电容的一个方法是使用高轴型平板电容器。同轴型平板电容器利用一传导探头作为同轴电容的中心板。这种传导探头通常是一绝缘的圆柱金属棒（中心或探头棒），用来测量导电液体的平面高度，容器壁作为电容器的第二个极板，而被测液体作为电介质。同轴型平板电容器的电容由下式给出：

$C=\frac{2\×\mathrm{\π}\×E\×L}{\ln \left(\frac{\mathrm{Io}}{I_1}\right)}$

此外，C＝电容;

ε＝介质常数（对空气为1.000590）;

L＝被探头棒同心浸入的长度;

γ₀＝容器外壁内侧的半径;以及

γ₁＝金属探头棒的半径。

在容器中物质的存在在形成一用液体作电介质的同轴型平板电容器。因此，如果知道容器中物质的介质电常数，通过测量电容C，就能确定容量中物质的水平高度。探头通过合适的电连接连接到电容测量电路上。在测量电容时，电容探头本身的较低的内在电容是希望的，以便更精确地测量出由液体平面的变化引起的整个电容的变化。

通常的电容探头使用金属固定密封盖把探头棒固定在容器以及电子设备的壳体上。固定盖的内部部分包括：（1）压力密封系统;以及（2）探头棒保持系统。探头本身通常是一个包裹在聚四氟乙烯（PTFE）或其它合适的聚合物中的金属杆。探头杆必须穿过金属固定盖而不以金属接触。

参见图1，一种现有的电容探头包括一个旋进固定盖12中的密封盖10。中心杆或探针杆14从电子设备壳体（未示出）通过金属密封盖10和固定盖12延伸进入容器（未示出）。中心杆14包括一个旋进下杆15的上杆13。因为固定盖12是电气连接到容器壁的，中心杆14必须与固定盖12绝缘，以便获得精确的电容读数。因此，下部包层16包围下杆15，上部包层17包围上杆13，包层16、17一般由PTFE构成，虽然其它聚合物也可使用。一个固定体PTFE盖或塞19隔离下杆15的端部，并与下包层16呈热连接。

在固定盖12的内部有一密封锭料18、它压紧下包层16以便形成压力密封。密封锭料18包括上部20和下部22。在密封盖10和固定盖12上攻有螺纹使得密封盖10通过PTFE垫圈26和金属垫圈28对着锭料拧紧。当密封盖10被拧紧时，密封锭料18的下部22对下包层16施加压力，形成径向压力密封。

然而，PTFE和其它聚合物在压力下发生冷流，因此，下包层16可以冷流进入与密封锭料18下部22接合的区域，这种冷流（Coldflow）减少了压力密封因而形成泄漏。在下包层16和上包层17内的上下金属垫圈24也发生变形。

这些变形就要求定期地拧紧密封盖10以便保持压力。随着重复地拧紧，下包层16就流向分离点而使密封破坏。

电容探头碰到的第二个困难是中心杆14在流体压力下的保持，为解决这个问题，现有的电容探头包括一个或多个置于槽内的金属垫片24，它位于固定盖12内的中心杆14上有螺纹的结合处。锭料18作成两个分开的部分而不是一个，以便增强金属垫片24的压缩。流体静压力朝向上方向作用于金属垫片24，使其压紧锭料18的上部20。虽然中心杆14由于金属垫片24的外径大于密封盖10的内径而被保持住，上部20的冷流仍可发生。因此，希望有一种能够减少或消除电容探头的PTFE冷流的电容探针。

此外，需要有一种符合国家防火协会在国家电气规则手册中规定的标准的电容探头和探头本体。

最后，希望有一种具有低的内部电容的探头和固定盖装置，因为补偿大的内部电容是困难的。

按照本发明，提供了一种电容探头和探头体。按照本发明的另一方法，提供了一种防爆的电容和探头和探头体。

按照本发明的一个实施例，所提供的电容探头包括一个固定盖，其上有一个延伸贯通的纵向镗孔。纵向镗孔具有一标称直径和一扩大的部分，扩大的部分限定了一填料函和一个填料函底。金属中心杆通过固定盖镜孔延伸，并有一个绝缘包层包围中心杆的下部并伸进填料函。在中心杆和固定盖之间提供一个用来密封填料函的结构并用来使中心杆与固定盖电气上绝缘。还提供了一种用来防止中心杆相对于固定管沿纵向移动的结构。

用来密封填料函的结构可以包括几个由合适材料例如PTFE制成的压缩变形的V形密封环，它装于与镗孔同轴的填料函内并包围杆的纵向部分。提供一种对着填料函底压缩V形密封环的结构，例如可用螺纹把固定盖固定在密封盖上，并伸进填料函中。

用于阻止纵向运动的结构包括一个在中心杆内的圆周槽，设在中心杆在填料函的安置处，以及一个置于圆周槽内的保持垫片，它具有比镗孔的公称直径大的外径。

按照本发明的另一个实施例，提供了一种防爆电容探头。它包括有一贯穿的纵向镗孔的固定盖，固定盖有一和镗孔同轴的空腔，在固定盖的另一端有一和镗孔同轴的填料函，它在纵向上用固定盖中心肋板和空腔分开。提供防爆密封结构用来使空腔密封，从而在空腔内提供一火焰通路（flame path）密封。金属中心杆伸过镗孔。在中心杆下部有绝缘包层。提供一种用来密封中心杆和固定盖之间的填料函的结构，并用于中心杆和固定盖之间的电气绝缘。

还提供了一种用于阻止中心杆相对于固定盖作纵向运动的结构。

在一个实施例中，用来密封填料函的结构包括几个可压缩变形的V形密封环，它们位于填料函内，并且和镗孔同心，包围着杆的纵向部分，提供一种用来对着固定盖中央肋板压缩V形密封环的结构，例如用一密封盖，它可以用螺纹固定在固定盖以及填料函的一端。

防爆密封结构包括一个刚性非导电的聚合物火焰通路密封物质，形成一个从固定盖中心肋板向固定盖的空腔端延伸的塞子。最好是使这个塞子基本上填满空腔。防爆密封结构还包括一防松螺帽，置于火焰通路密封材料中，确保金属中心杆和空腔和至少一个壁上的凸起部分机械地与火焰通路密封材料接合。

在一个实施例中用来防止防爆电容探头作纵向运动的结构是前述的防爆密封结构。

上述的探头和探头体减少或消除了包围导电探头杆的绝缘包层的冷流。此外，绝缘材料（通常为PTFE）的冷流按照本发明被减少或消除了。在一个实施例中，装在固定盖内的PTFE包层的端部有一90°的弯边，它是通过在固定在固定盖内时把弯边的包层弯折90°制成的，以便与填料函的内部接合。填料函含有嵌套的V形密封环和V形迭层端环;它们挤在一起发生变形，形成填料函空腔并在聚合物和金属之间形成由压力导致的密封。

本发明的探头能经受高压而不需定期拧紧。

在本发是有的另一个实施例中，火焰通路密封与盖体作成一个整体，从而使电容探头应用于防爆场合。

本发明的两个实施例的内部电容都比现有的探头低。这种低的内部电容容易在所述电路中补偿。

图1是先有技术电容探头的剖面图;

图2是本发明的一个实施例的剖面图;

图3是图2实施例的分解剖面图;

图4是本发明第二实施例的剖面图;

图5是图4的实施例的分解的剖面图;

图6是用在本发明实施例中的V形密封环的顶剖透视图;以及

图7是用在本发明实施例中的V形密封环的底部透视图。

现在参见图2和图3，那里说明了本发明的一种高压防漏电容探头11。电容探头11包括探头体21和导电探头杆或中心杆40。探头体21限定了一个贯通的镗孔，其中装着探头杆40。探头体21包括固定盖30。密封盖60和下述的其它元件。除非另有说明，探头11的所有元件对于其纵向中心线是轴向对称的。圆柱形的固定盖30有外下方螺纹32，外上方螺纹34和内上方螺纹35。下螺纹35用来在容器（未示出）内固定电容探头。盖30有一六角形的纵向外表面以便利于在容器上固定。上螺纹34用来在电子设备壳体（未示出）上固定电容探头。由上螺纹35与密封盖60的螺纹35′配合。贯通的镗孔36通过固定盖30的长度。盖30限定了一个圆柱形填料函38，它和镗孔36有一公共轴线并且其半径比镗孔36的半径大，通过固定盖30的上部。

用导电金属制成的中心杆40被用作同轴电容器的中心极板，中心杆40包括一圆周槽41，它围绕中心杆40的整个圆周延伸，如图所示。中心杆40与固定盖30是电绝缘的，如下所述。下部包层42使中心杆40和固定密封盖30绝缘开来。下部包层42由合适的绝缘聚合物制成，例如PTFE。固体PTFE帽或塞子43绝缘中心杆40的端部并合适地与下部包层42相连，例如通过热连接相连。下部包层42有一弯边端44，与下包层42的长度垂直。当被放进固定盖30内时，包层42的弯边端44与填料函38的底38a相接。

PTFE弯边端44是由PTFE管在一个夹具中热成形制成的，从而形成具有大约75°弯边的PTFE管。由PTFE管制成和下包层42的其余部分精确地成90°角的弯边端是困难的。因此，弯边端44不是逐渐弯成90°角，而是先制成一初始角，例如76°（即在下包层42和弯边端44之间成105°角）。当电容探头装配时，借助在固定密封盖30内拧紧密封盖60来在弯边端44上施加压力，从而实现90°角的弯边。当弯边端44与下包层42之间成90°角时，弯边端44的外径紧密地配合在填料函38的内径内。此外，也可使用预先制成的具有90°弯边的PTFE管。

中心杆40被放进下包层42内然后通过固定盖30的镗孔36。用PTFE做的V形密封环46围绕澡心杆40放置并用来提供可靠的密封，这是因为它们的几何形状使得它们在压力下变形。V形密封环46是通常用于阀门密封的那种类型的。V形迭层端环48、50提供了一个接合端部44和位于V形迭层端环50上方的压力垫圈52的平面端面。

参见图6和图7，本发明所用的V形密封环46被说明。V形密封环46包括一个顶端118和底端120。顶端118是向上的锥形。底端120也是朝向上方的锥形。顶端118和底端120的形状是互易的，即V形密封环46是借助于把一个V形密封环46直接放在第二个V形密封环46的顶部118的顶上而造成的。在压缩时，顶端118和底端120趋于展平，结果，V形密封环46的内部122被朝向填料函38内的中心杆40推进。类似地，V形密封环46的外侧124对着固定盖30被向外推进。

压缩垫圈52由密集的非导电材料制成，例如压制纤维或G·E·Ultem1000，压缩垫圈52位于相对于中心杆40刚好在槽41的下面。金属保持垫圈54是一个在槽41内围绕中心杆40的开口环。保持垫圈54的外径大于密封盖60的内径和镗孔36的直径，以便当密封盖跟随垫圈58失效时保持中心杆40。其次，外垫圈56可用与压缩垫圈52相同的材料制成，并置于保持垫圈54的周围。密封盖跟随垫圈58可由和压缩垫圈52和外垫圈56相同的材料制成，并围绕中心杆40设置。盖跟随垫圈58为密封盖60提供一个支撑面。然后绕中心杆40安置上包层62（也由PTFE制成），用来在密封盖60被旋进固定密封盖30之内时提供与密封盖60的电绝缘。

最后，密封盖60被置于中心杆40和上包层62的上方。然后把密封盖60旋进填料函38的上部。随着密封盖60被拧紧，它向下推盖跟随垫片58。盖跟随垫片58接着向下推保持垫睡54和外垫片56。因为保持垫片54位于槽41内，它就向下推中心杆40。保持垫片54和外垫片56也向下推压缩垫片52使其进入上端V形密封环50内。因此V形密封环46扩展，从而产生有效的密封。下包层42的端面44保持靠紧填料函38的下部。用这种方式，电容探头在中心杆40和固定盖30之间被密封并与固定盖30电绝缘。

因为没有PTFE可以进入的空腔，探头的PTFE的冷流被减小、或消除了、而且唯一受压的PTFE部分是下包层42的弯边端44。然而，流体静端力（hydrostatic end forces）趋于释放这一压缩，从而减少PTFE冷流的任何可能性。在先有技术的电容探头中，流体静端力在某些区域内增加PTFE的压力，因而增加了冷流的可能性。

除去提供有效的密封之外，电容探头11有效地保持了中心杆40不得相对于探头体21沿纵向运动。中心杆40被保持定位是因为保持垫圈54约束着中心杆40的槽41。因此，中心杆40只能垂直移动到保持垫圈54垂直移动的程度。因为保持垫圈54约束着盖跟随垫圈58，并且盖跟随垫圈58由有螺纹的密封盖60定位，中心杆40就不能相对探头体21垂直向上移动。端部44约束在填料函38的下部，结合消除PTFE的冷流，从而阻止中心杆40相对于探头体21有任何向下垂直移动。

因为中心杆40和盖30、60较短的轴向长度以及探头11的介电部分（即中心杆40和固定盖30之间的部分）的较大的直径，以及在保持垫圈54和密封盖60之间的较大的间隔（和图1中密封盖1和金属垫圈24之间的间隔比较），内在探头电容比现存的电容探针大大减小了。因为本发明具有低的内在探头电容，可获得更精确更可靠的液面测量。

本发明的另一个实施例可以应用于防爆场合。图4说明了本发明的一个防爆电容探头66、探头66包括一个中心杆或探头杆68以及探头体67。探头体67包括一个圆柱形的固定盖70，它有下部螺纹72和上部螺纹74，下部螺纹72用来把电容探头固定在容器中（未示出）。上部螺纹74用来把电容探头安装在电子设备壳体上（未示出）。一个贯通的镗孔76穿过固定盖70的长度。圆柱形的填料函78限定了一个扩大的镗孔部分76′并且和孔76有一公共轴线和比孔76较大的半径，孔76被固定盖70的下部限定并通过其延伸。由固定盖70限定的填料函78有螺纹用来接收密封盖80。

提供一圆柱形空腔82，在其壁上有凸起部分，在本实施例中为平头螺纹83。空腔82限定一个扩大的孔部分76″并和孔76有一公共轴线并比孔76大的半径，孔76被固定盖70的上部限定并延伸通过固定盖70的上部。被保留的中心肋板84把有螺纹的空腔82和填料函78分开。本实施例的中心杆68包括一个测试杆86和一个拧进测试杆86中的有螺纹的杆88。在被保留的中心肋板84内的有螺纹的杆88的部分上没有螺纹。

虽然在此实施例中中心杆由两杆构成，但是它也可以作成一件。分成两件的优点在于测试杆86具有比螺纹杆88大的半径。因为容器的半径大于中心杆的半径，较大的中心杆半径会产生更精确的电容测量。如果整个中心杆都有这一较大的半径，探头将有一个大的内在电容，因此，螺纹杆88有一相对小的直径而测试杆86有较大的半径。

在填料函78内对着被保留的中心肋板84放置一高密度的非导电顶部垫圈90，它可以由例如压缩纤维或G·E·Ultem1000构成，并且有供穿过螺纹杆88的通孔。一个金属的内侧垫圈92紧邻顶部垫圈90放置。由和顶部垫圈90相同的材料做成的外侧垫圈94包围住内侧垫圈92。由和顶垫圈90和外侧垫圈94相同材料制成的底垫圈96与内侧垫圈92和外侧垫圈94相邻放置。底垫圈96有一容纳测试杆86的光孔。金属的内侧垫圈92被密的非导电材料保持，该材料具有高的抗剪切性并对产生的流体静端力有优良的抗静负荷形变特性。这种抗力被整个火焰通路密封体增强，如下所述。V形密封环98围绕测试杆86放置，V形堆迭端环100、102也是如此。V形堆迭端环100和102提供一个分别和底垫圈96以及包层106的端部104接合的平面。

包层106使测试杆86绝缘。包层106可以用PTFE或类似的聚合物制成。固体的PTFE盖107绝缘测试杆86的端部并且热连结到包层106上。包层106的端部104弯成一个角度，和前述实施例中的包层42的端部44的方式相同。金属密封盖跟随垫圈108约束端部104。最后，密封垫圈盖80被拧进填料函78的下部。

螺纹杆88被旋进测试杆86，一个可用PTFE制成的包层环112然后被放置在螺纹杆88的周围。在螺纹空腔82的大致中心处，一对防松螺母114被旋在螺纹杆88上。然后螺纹空腔82被充以可接受的火焰通路密封材料116，一般是一种刚性非导电的聚合材料。火焰通路密封材料116可以是混有Catalyst No.11的Epoxy No.2850FT-FR，它们可从Emerson＆Cuming，Dewey＆AlmyChemical Division，W.R.Grace＆Co.，Canton，Masschusetts买到，或是另外的合适的粘合剂或环氧树脂。在螺纹空腔82内的平头螺纹83提供火焰通路密封材料与盖70的机械连接。放松螺母114放在材料116中阻止杆88相对于盖70作纵向移动。材料116最好以流体的形式放入空腔82内，并且然后适当的弯曲或固体。这就确保了材料116、空腔82、杆88以及防松螺母114之间的紧密接触与配合。

包层端部104由金属盖跟随垫圈108保持为平面压缩状态。因此PTFE没有可以发生冷流的空腔，而且，流体静端力趋向释放该点的任何PTFE压力。V形密封环98提供紧密的密封。不需定期拧紧来补偿冷流。因为密封盖80不需要重拧，密封盖80可以被置于现有探头不能放置的区域内。例如，密封盖80可以放容器内部。

导线117适当地在固定盖70上并作为参考地。第二导线119与探头杆88电气相连，也与电子电路板（未示出）相连。垫圈121和螺栓123加强线119和探头杆68的连接。

测试杆86和螺纹杆88由火焰通路密封材料116与螺纹空腔82的平头螺纹83和防松螺母114接合，在爆炸时防止被逐出。为了更安全，被保留的中心肋板84的内径明显地小于防松螺母114的直径和内垫圈92的直径。

虽然本发明结合实施例被描述了，应该理解，对于本领域的技术人员可以提出各种改变和改型，应该注意，本发明包括落在权利要求范围之内的这些改变和改型。

Claims (14)

1、一种电容探头，包括：

一个具有纵向贯通镗孔的固定盖，所述纵向镗孔有一标称直径和一扩大的部分，扩大的部分限定一个填料函和一个填料函底；

一个延伸通过所述固定盖镗孔的金属中心杆；

一个延伸进所述填料函并包围所述中心杆下部的绝缘包层；

用来密封中心杆和固定盖之间的填料函并使中心杆和固定盖电气绝缘的密封装置；以及

用来阻止所述中心杆相对于所述固定盖纵向移动的装置。

2、如权利要求1的探头，其中所述密封装置包括几个可压缩变形的V形密封环，它们含在所述填料函内，与所述镗孔同轴并包围所述杆的纵向部分;

用来压缩所述V形密封环靠紧所述填料函底的装置。

3、如权利要求2的探头，其中所述压缩装置包括一密封盖，它与所述固定盖相连，并且伸入所述填料函内。

4、如权利要求3的探头，其中所述填料函有螺纹用来接收所述固定盖。

5、如权利要求1的探头，其中所述用来阻止纵向移动的装置包括：

在所述中心杆处于所述填料函内的部分上的一个圆周槽;

置于所述圆周槽内的一个保持垫圈，它有比所述镗孔的标称直径大的外直径。

6、如权利要求5的探头，其中所述用来阻止纵向移动的装置还包括：

一个密封盖跟随垫圈，用来约束所述保持垫圈;以及

一个密封盖，用来朝着填料函底压缩所述密封跟随垫圈。

7、一种防爆电容探头，包括：

具有一纵向贯通镗孔的固定盖，所述固定密封盖的一端有一与所述镗孔和填料函同轴的空腔，所述固定盖的另一端与所述镗孔同轴并且沿纵向被一固定盖中心肋板与所述空腔分开;

用来密封所述空腔的防爆密封装置，以便在所述空腔内提供火焰通路密封;

延伸通过所述镗孔的金属中心杆;

包围所述中心杆下部的绝缘包层;

用来密封中心杆和固定盖之间的填料函并使中心杆和固定盖电气绝缘的装置;

用来阻止中心杆相对于所述固定盖纵向移动的装置。

8、如权利要求7的探头，其中所述用来密封填料函的装置包括几个可压缩变形的V形密封环，它们包含在所述填料函内，与所述镗孔同轴，并包围着所述杆的纵向部分;以及

用来压缩所述V形密封环使其靠紧所述固定盖中心肋板的装置。

9、如权利要求8的探头，其中所述压缩装置包括一密封盖，它与所述固定盖相连并且伸进所述填料函内。

10、如权利要求9的探头，其中所述填料函内有用来接收所述密封盖的螺纹。

11、如权利要求7的探头，其中所述防爆密封装置包括一种刚性的非导聚合物火焰通路密封材料，它形成一个塞子，从固定盖中心肋板向固定盖的空腔端延伸。

12、如权利要求11的探头，其中所述塞子充满所述空腔。

13、如权利要求11的探头，其中所述防爆密封装置还包括：

置于火焰通路密封材料内的防松螺母，它与所述金属中心杆相连;以及

其中所述空腔至少具有一个有凸起的空腔壁，用来在机械上约束所述火焰通路密封材料。

14、如权利要求11的探头，其中所述火焰通路密封材料是环氧树脂。

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