DE69215523T2

DE69215523T2 - Korrosionsbeständiger isolator

Info

Publication number: DE69215523T2
Application number: DE69215523T
Authority: DE
Inventors: Gerald Cucci; Steven Lemire
Original assignee: Rosemount Inc
Current assignee: Rosemount Inc
Priority date: 1991-07-12
Filing date: 1992-07-01
Publication date: 1997-05-22
Anticipated expiration: 2012-07-02
Also published as: WO1993001480A1; EP0594778A4; EP0594778A1; US5184514A; EP0594778B1; DE69215523D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Isoliermembranen aus Materialien, die an einem Isoliergehäuse befestigt sein müssen, das aus anderen Materialien besteht, die nicht durch direktes Schweißen mit der Isoliermembran verbunden werden können. Zum Beispiel eine Tantalmembran weist einen sehr hohen Schmelzpunkt auf, während ein Edelstahl-Isoliergehäuse einen niedrigeren Schmelzpunkt aufweist, und es ist nicht praktikabel, die beiden Teile direkt miteinander zu verschweißen.
Isoliermembranen werden in Druck-Meßwertgebern verwendet, um Druck von Prozeßfluida außerhalb des Meßwertgebers zu einem innerhalb des Meßwertgebers abgedichteten Isolierfluid zu leiten. Das Isolierfluid wiederum leitet den Druck zu einem Drucksensor. Prozeßfluida, die stark korrodierend sein können, werden somit vom Drucksensor isoliert gehalten, um eine Korrosion oder Beschädigung des Drucksensors zu vermeiden.
Es werden verschiedene korrosionsbeständige, teure Metalle für die Membranen verwendet. Tantal ist ein Material, das sehr korrosionsbeständig ist, aber es weist einen beträchtlich höheren Schmelzpunkt als andere Materialien auf, die herkömmlicherweise für Isoliermembranen verwendet werden, wie z.B. 316 L Edelstahl, Hastalloy C und Monel. Das Isoliergehäuse, das die Isoliermembran lagert, kann aus verschiedenen Edelstahllegierungen, die einen viel niedrigeren Schmelzpunkt als Tantal aufweisen, hergestellt sein.
Eine Schweißverbindung um den Rand der Isoliermembran ist bevorzugt, das direkte Anschweißen einer Tantal-Isoliermembran an das Isoliergehäuse ist jedoch nicht praktikabel, da das Isoliergehäuse bei einer viel niedrigeren Temperatur schmilzt als die Tantal-Isoliervorrichtung. Der Begriff "Schweißen" bedeutet Verbinden von zwei Metallteilen durch Aufbringen von Wärme, um beide Metallteile nahe zusammenpassender Oberflächen zu schmelzen. Schweißen unterscheidet sich somit signifikant vom Hartlöten, bei dem zumindest eines der Teile, die verbunden werden, nicht schmilzt, und es wird ein Füllmetall mit einer niedrigeren Schmelztemperatur in die Lötverbindung eingebracht.
Eine Isoliermembran kann auch aus dem Grunde nicht durch direktes Schweißen mit einem Isoliergehäuse aus einem anderen Material verbunden werden, da die Schweißnaht die Isoliermembran mit dem anderen Material des Gehäuses verunreinigt. Ungleiche Matelle in der Isoliermembran kommen dann mit dem Fluid in Kontakt, und die Korrosionsbeständigkeit der Isoliermembran wird verringert.
Frühere Systeme zum Anlöten von Stützringen an Tantal-Isoliervorrichtungen sind bekannt. Aber es ist schwierig, die Lötverbindungen vollständig von einem Kontakt mit dem Prozeßfluid oder dessen Dämpfen abzudichten. Die Lötverbindung ist aufgrund des Vorhandenseins von ungleichen Metallen in der Lötverbindung typischerweise anfälliger für Korrosion als es eine Schweißverbindung wäre. Selbst geringe Korrosionen können zu einer Undichtigkeit führen, da die Isoliermembran relativ dünn gehalten werden muß, um einen Druckabfall zu verringern, wenn sie ausgelenkt wird.
Es besteht somit Bedarf an einer Anordnung, die eine Schweißnaht schafft, um eine Isoliermembran, die aus einem korrosionsbeständigen Metall, wie z.B. Tantal, ausgebildet ist, mit einem Isoliergehäuse zu verbinden, das aus einem anderen Metall ausgebildet ist, das nicht durch Schweißen mit dem Isoliermembranmetall verbunden werden kann.
Die US-A-4,136,603 offenbart eine Isoliervorrichtung für einen Drucksensor, die eine Tantal-Isoliermembran mit einem Stützring aufweist, der aus zwei verschiedenen Metallen hergestellt ist, von denen das eine Tantal und das andere ein Stahlring ist, der an den Körper der Isoliervorrichtung angeschweißt ist. Der Tantal-Stützring und der Stahl-Stützring sind molekular miteinander verbunden, zum Beispiel durch Explosionsschweißen. Die Tantalmembran ist unter Verwendung eines flachen Tantal-Schweißrings über die Umfangskante der Membran und indem man eine durchgehende Schweißnaht durch den Tantal-Schweißring durch die Membran und in den Tantal- Schweißring verlaufen läßt, an den Tantalabschnitt des Stützrings angeschweißt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Anbringung und Verwendung einer Isoliermembran aus einem korrosionsbeständigen Material, wie z.B. Tantal, auf einem Isolierkörper aus einem Material, das nicht durch direktes Schweißen mit dem Isoliermembranmaterial verbunden werden kann, während eine vollständige Abdichtung geschaffen wird, um jegliches Versickern von korrodierendem Material auf einen Sensorkörper zu verhindern. Zum Erreichen der Abdichtung dichtet eine durchgehende Schweißnaht den Umfang der Isoliermembran ab. Zum Schweißen von Tantal oder eines ähnlichen Materials ist eine sehr hohe Temperatur nötig. Somit kann Tantal nur mit Tantal oder einem Material, das einen ähnlichen Schmelzpunkt aufweist, erfolgreich verschweißt werden. Die vorliegende Erfindung weist ein Verfahren zur Befestigung eines relativ schweren Stützrings aus korrosionsbeständigem Metall, wie z.B. Tantal, an dem Isolierkörper auf, vorzugsweise durch Hartlöten, indem der für die Isoliermembran verwendeten Hohlraum umgeben und dann der Stützring, falls nötig, wieder auf die richtigen Abmessungen spanend bearbeitet wird. Das Hartlöten befestigt den Stützring angemessen an dem für den Isolierkörper verwendeten Material, und dann wird der Stützring als eine Basis zum Anschweißen der korrosionsbeständigen Membran und eines äußeren Schweißrings am Stützring verwendet. Der Schweißring, die Membran und der Stützring sind alle mit einer durchgehenden, ringförmigen, lecksicheren Schweißnaht miteinander verschmolzen, ohne daß Tantal direkt an die Gehäusematerialien angeschweißt werden muß oder andere Verfahren verwendet werden müssen, die andere, weniger korrosionsbeständige Materialien in die Schweißnaht einbringen können.
Der Schweißring ist zur Abstützung einer komprimierbaren Abdichtung; gegen die eine ein genormtes Kupplungsflansch-Element angebracht werden kann, ausgebildet, um das Prozeßf luid zur Isoliermembran zu führen. Die Isoliermembran überträgt den Druck durch eine nicht komprimierbare Fluidfüllung auf den Sensor.
Den Isoliermembranen wird durch hydraulisches Drücken der Membran gegen eine gerippte Verstärkungsoberfläche, entweder bevor oder nachdem die Membran auf dem Meßwertgeberkörper angebracht wird, eine gerippte Form verliehen.
Das Verfahren schafft eine lecksichere, korrosionsbeständige Membran, die unter Verwendung eines äußeren Schweißrings mit einer lecksicheren Schweißnaht das Anschweißen der Isoliermembran an einen Stützring, der aus demselben Material wie die am Isoliergehäuse montierte Isoliermembran ausgebildet ist, ermöglicht.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Es zeigen:
Fig. 1 eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht eines Isoliergehäusemoduls für einen typischen Druck-Meßwertgeber, die die Bauteile zeigt, die zur Lagerung einer Isoliermembran mit einem hohen Schmelzpunkt in diesem verwendet werden;
Fig. 2 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Isoliermembran mit einem hohen Schmelzpunkt, die in einem typischen Isolierkörper gelagert ist; und
Fig. 3 eine Fig. 2 ähnliche vergroßerte bruchstückhafte Schnittansicht, die die Schweiß- und Anbringungsanordnung für die Membran mit hohem Schmelzpunkt detailliert zeigt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird eine Isolier- und Drucksensoranordnung für einen Druck-Meßwertwandler oder Sensor, der im allgemeinen bei 10 gezeigt ist, so hergestellt, daß sie durch geeignete Gewindeverbindungen 11 an einem (nicht gezeigten) Elektronikgehäuse eines Druck-Meßwertgebers befestigbar ist. Die Isolieranordnung 10 weist einen Hauptkörper 12 auf, und auf der Innenseite des Körpers sind Durchtrittsausnehmungen, wie diejenigen, die bei 13 (Fig. 1 & 2) gezeigt sind, vorhanden, die zu einem oder mehreren Drucksensoren innerhalb der Anordnung 10 führen. Wie es in Fig. 1 gezeigt ist, sind zwei getrennte Isoliermembranen 14 vorhanden, von denen eine auf jedem von einem Paar Hohlräume 15 liegt. Die Hohlräume 15 weisen gerippte oder unregelmäßig geformte untere Oberflächen 16 auf, die in Verbindung mit einer Isoliermembran 14 eine Isolierkammer 18 festlegen. Jede Isolierkammer ist mit einer geeigneten nicht korrodierenden oder inerten Flüssigkeit, wie z.B. Silikonöl, gefüllt.
Geeignete Bolzenlöcher 20 werden zur Schaffung von Verbindungen für einen genormten Kupplungsflansch oder andere Ubergangsstücke, die verwendet werden, um Druck von einer Prozeßfluidquelle zur Isoliermembran zu leiten, verwendet, um Druck auf die nach außen gerichtete Oberfläche der jeweiligen Membran aufzubringen. Die Isoliermembranen sind dünn und flexibel und können als spannungslose Membranen bezeichnet werden. Im allgemeinen sind sie gewellt oder gerippt, so daß sie sich leicht biegen und einen geringen Druckabfall bieten, wenn sie durch den aufgebrachten Druck ausgelenkt werden.
Wenn stark korrodierende und Hochtemperatur-Fluida verwendet werden, können Tantal und ähnliche korrosionsbeständige Materialen mit hohem Schmelzpunkt für solche Membranen ausgewählt werden. Tantal weist einen wesentlich höheren Schmelzpunkt auf als das Material, aus dem der Körper 12 hergestellt ist, das zum Beispiel Edelstahl Typ 316L sein kann. Wie es in Fig. 2 gezeigt ist, ist der Körper 12 im allgemeinen eine Gußkörper, der feinbearbeitet ist, und, wie es gezeigt ist, ist um jede der Kammern 18 herum eine ringförmige Nut 22 ausgebildet. Diese ringförmige Nut ist so hergestellt, daß sie einen Basis- Stützring 24 aus Tantal oder einem anderen Material mit einem hohen Schmelzpunkt, das mit dem Membranmaterial verbunden werden kann, aufnimmt. Es ist ersichtlich, daß der Basis-Stützring 24 eine obere Oberfläche aufweist, die sich oberhalb der bei 26 gezeigten Kanten der Kammer 18 erstreckt. Dieser Basis- Stützring 24 kann mit einer geeigneten Verlötung, die bei 28 (Fig. 2 & 3) gezeigt ist und die die Nut 22 vollständig abdichtet und den Basis-Stützring 24 sicher in der Nut und auf dem Material des Körpers 12 befestigt, ortsfest angelötet werden.
Der Basis-Stützring 24 kann dann spanend bearbeitet werden, so daß er frei ist von überschüssigem Lötmaterial und seine obere Oberfläche 30 sich an einer gewünschten ebenen Position befindet und relativ zur Lageroberfläche, die bei 32 (Fig. 1) gezeigt ist und auf der Flansch-übergangsstücke angebracht sind, um das Prozeßfluid zu den Isoliermembranen zu leiten, richtig ausgerichtet ist.
Der Basis-Stützring 24 ist befestigt, um die Kammer 18 zu umgeben. Alternativ kann der Basis-Stützring ortsfest gegossen sein, da der Stützring aus einem Material mit im wesentlichen höheren Schmelzpunkt besteht als der Körper 12. Der Körper 12 wird mit dem Basis-Stützring 24 ortsfest gegossen und dann zur gleichen Zeit wie die Bolzenlöcher und andere Oberflächen, die eine spanende Bearbeitung benotigen, spanend bearbeitet. Das bei 28 gezeigte Hartlöten ist eine bevorzugte Ausführungsform, aber zur Befestigung des Basisrings 24 an seiner richtigen Position kann auch ortsfestes Gießen verwendet werden.
Sobald der Basisring 24 im Körper 12 befestigt und so angeordnet ist, daß er den Hohlraum 15 umgibt, wird eine Tantalmembran 14 (die gerippt sein kann) auf der oberen Oberfläche 30 angeordnet und dann gewünschtenfalls mit einem Tantal-Schweißring 34 abgedeckt. Wie es gezeigt ist, weist der Tantal- Schweißring 34 eine ringförmige Ausnehmung oder Tasche 36 auf, in der eine geeignete zusammendrückbare Dichtung oder ein O- Ring zur Abdichtung gegen einen Flansch oder eine Kupplung, die auf der äußeren Oberfläche 32 angebracht und verschraubt ist, um das Prozeßfluid zur äußeren Oberfläche der Tantal- Isoliermembran 14 zu leiten, angeordnet und gelagert werden kann.
In Fig. 3 kann die Anordnung des Basisrings 24, eine Umfangskante 14A der Membran 14, die auf der Oberfläche 30 abgestützt ist, und der Schweißring 34, der oben auf dem Flansch 14A angeordnet ist, mit einer Schweißnaht 38 unter Verwendung eines Schweißverfahrens, das für Tantal oder andere Metalle mit einem hohen Schmelzpunkt geeignet ist, verschweißt werden, da die Metalle, die verbunden werden, alle dieselbe oder ähnliche Schmelztemperaturen aufweisen. Die Schweißnaht 38 ist eine ringartige ringförmige Schweißnaht, die eine durchgehende fluiddichte Abdichtung zwischen dem Basis-Stützring 24 und dem Membran-Flanschabschnitt 14A sowie gegenüber dem daraufliegenden Schweißring 34 schafft. Dies hindert jegliches Prozeßfluid, das in die bei 44 gezeigte Prozeßfluidkammer eintritt, die durch den Schweißring 34 und die äußere Oberfläche der Membran 14 ausgebildet wird, daran, an der Membrandichtung vorbei und auf den Körper 12 zu sickern, was dazu beiträgt, das Material des Körpers 12 zu korrodieren. Die Schweißnaht 38 zum relativ dünnen Membranrand 14A ist dem Prozeßfluid in der Prozeßfluidkammer 44 ausgesetzt, die Schweißnaht und die Teile, die sie verbindet, können jedoch alle aus demselben Hochtemperaturmetall, wie z.B. Tantal, ausgebildet sein, so daß eine Galvanisierung oder Korrosion aufgrund ungleicher Metalle vermieden wird. Die Lötverbindung 28 ist mit dem Prozeßf luid in der Kammer 44 nicht in direktem Kontakt, was Korrosion vermeidet. Der Ring 24 und der Körper 12, die durch die Lötverbindung 28 verbunden sind, sind relativ dick, so daß die Verbindung eine relativ lange Lebensdauer aufweist, bis eine Korrosion oder galvanische Wirkung eine Undichtigkeit verursachen können. Der Ring 24 kann so groß sein, daß er genug thermisch wirksame Masse aufweist&sub1; um ein erneutes Schmelzen der Lötstelle während des Schweißvorgangs zu vermeiden. Der Schweißvorgang wird herkömmlicherweise unter Verwendung von zum Beispiel Laser- oder Elektronenstrahlschweißen ausgeführt, und zur Vermeidung einer Verunreinigung während des Schweißvorgangs können inerte Abdeckgase oder ein Vakuum verwendet werden. Die Lötverbindung 28 erstreckt sich vorzugsweise über die Basis und die inneren und äußeren Durchmesser des Rings 24, um für einen langen Zeitraum Sicherheit vor Korrosion zu schaffen.
Auf diese Weise können Tantal- und andere Isoliermembranen mit hohem Schmelzpunkt sicher in einem Körper einer Isoliervorrichtung, der aus anderen Materialien mit niedrigerem Schmelzpunkt hergestellt ist, angebracht werden, und können doch auf eine Weise geschweißt werden, die für eine lecksichere, korrosionsbeständige, durchgehende Schweißnaht am Umfang der Isoliermembran sorgt. Die Erfindung kann verwendet werden, wenn es Kompatibilitätsprobleme zwischen dem Material der Isoliermembran und dem Material des Isolierkörpers gibt. Das Kompatibilitätsproblem kann, wie es gezeigt ist, ein unterschiedlicher Schmelzpunkt sein. Die Erfindung kann auch eingesetzt werden, wenn andere Unterschiede zwischen dem Metall der Membran und dem Metall des Isolierkörpers ein direktes Schweißen unpraktisch machen, z.B. wenn eine Verunreinigung der Isoliermembran mit Schweißmetall aus dem Isolierkörper die Isoliermembran verunreinigen und ihre Korrosionsbeständigkeit mindern würde.

Claims

1. Eine Druck-Isoliervorrichtung (10), die einen Körper (12) aus einem ersten metallischen Material, eine dünne flexible Membran (14) aus einem zweiten metallischen Material, das nicht durch direktes Verschweißen mit dem ersten metallischen Material verbunden werden kann, einen Stützring (24) aus demselben Material wie die Membran (14), der auf dem Körper (12) gelagert ist, der eine Isolieröffnung umgibt, einen ringförmigen Schweißring (34), der aus demselben Material wie die Membran hergestellt ist und auf einer Umfangskante der Membran (14) und des Stutzrings (24) liegt, und eine ringförmige Umfangsschweißnaht (38) aufweist, die durch den Schweißring (34), die Membran (14) und in den Stutzring (24) verläuft, um den Stützring (24), die Membran (14) und den Schweißring (34) um den Umfang der Membran (14) abzudichten und minteinander zu verbinden, um relativ zum Körper (12) und zur Isolieröffnung einen abgedichteten Hohlraum zu schaffen, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißring (34) einen ringförmigen Hohlraum bildet, der auf der Membran (14) liegt, und daß der Schweißring (34) eine Basiswand, durch die die Schweißnaht (38) verläuft, und Wände aufweist, die sich von der Basiswand aus erstrecken, die eine ringförmige Ausnehmung (36) festlegt, um eine ringformige zusammendrückbare Abdichtung für eine Prozeßfluidverbindung aufzunehmen.

2. Druck-Isoliervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stützfläche auf dem Körper (12) eine ringförmige Ausnehmung (22) aufweist, und daß der Stützring (24) innerhalb der Ausnehmung (22) angebracht und an den Körper (12) angelötet ist.

3. Druck-Isoliervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützring (24), die Membran (14) und der Schweißring (34) aus Tantal hergestellt sind.

4. Verfahren zur Anbringung einer Membran (14) mit hohem Schmelzpunkt auf einem Körper (12) aus einem Material mit einem im wesentlichen niedrigeren Schmelzpunkt, das die folgenden Schritte aufweist:

Schaffen eines Isolierbereichs (15) auf dem Körper (12);

Befestigen eines Stützrings (24) aus demselben Material wie die Membran (14) ortsfest auf dem Körper (12), der den Isolierbereich (15) umgibt;

gekennzeichnet durch das Schaffen eines Schweißrings (34), der eine Ausnehmung (36) festlegt, um eine ringförmige zusammendruckbare Fluidabdichtung aufzunehmen, die auf der Membran (14) und dem Stützring (24) liegt, wobei die Ausnehmung in eine Richtung geöffnet ist, die von der Membran weg gerichtet ist; und

Anschweißen einer Basiswand des Schweißrings (34) und der Membran (14) an den Stützring (24) mit einer durchlaufenden ringformigen fluiddichten Schweißnaht (38).

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß es den Schritt der Ausbildung einer ringförmigen Nut (22) im Körper (12), der eine Vertiefung umgibt, die den Isolierbereich (15) festlegt, aufweist, und daß der Befestigungsschritt das Hartlöten des Stützrings (24) in die Nut vor dem Anschweißen der Membran (14) und des Schweißrings (34) an den Stützring (24) aufweist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß es den Schritt der Auswahl der Membran (14), des Stützrings (24) und des Schweißrings (34), die aus Tantal sein sollen, aufweist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Befestigungsschritt das ortsfeste Gießen des Stutzrings (24) auf dem Körper (12) und das spanende Bearbeiten des Stützrings (24) nach dem ortsfesten Gießen des Stützrings (24) aufweist.