JP4739406B2

JP4739406B2 - 導波レーダーレベル測定用タンクシール

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Publication number: JP4739406B2
Application number: JP2008505375A
Authority: JP
Inventors: グラベル，ジェイムス，エル．; ファンドレイ，マーク，シー．
Original assignee: ローズマウントインコーポレイテッド
Priority date: 2005-04-07
Filing date: 2006-03-29
Publication date: 2011-08-03
Anticipated expiration: 2026-03-29
Also published as: US7255002B2; EP1869418A2; CN101194149A; CN100526815C; EP1869418B1; CA2603855A1; US20060225499A1; WO2006110329A2; WO2006110329B1; JP2008536122A; WO2006110329A3

Description

本発明は、タンクのレベルセンサで使用される熱障壁を有するマイクロ波レベルゲージアダプタに関する。

レベルゲージは一般的にプロセス制御工業においてタンク内に収納された原料のレベルを測定するために使用される。ここで使用される、「タンク」という用語は、コンテナ、貯蔵所、容器や、気体、液体または固形物を保持するための他の装置を意味する。レーダーレベルゲージは、良性の材料から非常に腐食性または摩耗性のある混合物にまで及ぶプロセス原料であるタンク内のプロセス流体またはプロセス固形物のレベルを測定するためによく使用される。

タンク内の原料レベルを測定するためのレベルゲージの一つのタイプはマイクロ波レベルゲージと呼ばれている。マイクロ波は高周波で短波長の電磁波である。マイクロ波はその短波長ゆえに直進性である。この特性のために、マイクロ波の反射によって目標物を検出するレーダーに応用されている。

通常、マイクロ波つまりレーダーレベルゲージはタンク内に収納されている原料中に電磁パルスを送信し、その反射パルスを使ってプロセス原料のレベルを測定する。ここで使用されいる、「マイクロ波」という用語は高周波数の電磁波を意味する。「マイクロ波パルス」という用語はマイクロ波アンテナつまり導体上に伝送される短期間のマイクロ波信号を意味する。ここで使用されいる、「マイクロ波アンテナ」および「マイクロ波導体」という用語は、高周波数の電磁エネルギに結合される（または電磁エネルギを放出する）ように特に設計された導電性構造を意味する。一般的に、マイクロ波アンテナまたはマイクロ波導体はいずれも電磁エネルギを伝送しかつ受信することができる。

誘導導波管組立体では、アンテナは一般的に送信機組立体からプロセス原料中に延びている。例えば、マイクロ波パルスはアンテナに沿って搬送され、このパルスは誘電率が異なる原料に突き当たったときに反射される。通常、パルスはタンク内のプロセス原料の表面の誘電率の変化に影響される。反射されたマイクロ波パルスを分析するために種々の手法を使用することができる（例えば、時間領域反射測定法(time domain reflectometry）。

タンク内のプロセス原料は腐食性であることが多く、しばしば圧力下で貯蔵されるので、センサと潜在的に活動的なタンク内の原料との間にはプロセスシールが置かれる。従来は、送信機ハウジングやセンサ電子機器をプロセス流体から隔離するために、オー（Ｏ）リングまたはテフロンシールが使われていた。プロセス流体から電子機器を隔離するのに加えて、これらのシールは、一般的にマイクロ波の反射をもたらさないように選択された材料で構成されていた。

このようなシールは一般的にマイクロ波伝送の必要条件を満足しているとはいえ、特に高圧、高温用途にはうまく適合していない。

タンク内のプロセス流体のレベルを測定するためのマイクロ波レベルゲージが開示される。このゲージはタンクに対して開放されている下部分からタンク外の送信機台まで延びている中空アダプタボディを含んでいる。

このゲージは、前記下部分から延びていてタンク内のアンテナに接続可能なコネクタロッドをさらに含んでいる。前記下部分内の主シールは、セラミックシールボディの外面にろう付けされ、かつ、前記コネクタロッドに溶接されている下部支持バンドを含んでいる。主シールは、シールボディの外面にろう付けされ、かつアダプタボディに密封接合されている上部支持バンドをさらに含んでいる。主シールはタンクからキャビティを密封する。アンテナから送信機にマイクロ波を接続できるように、追加的な導体が、コネクタロッドと送信機台との間を接続する。

図１はタンクレベル監視システム１０の図である。このシステム１０はプロセス原料１４で満たされた断面で示すプロセスタンク１２を含んでいる。マイクロ波レベルゲージ組立体１６がタンク１２に装着されている。通常、プロセスタンク１２はプロセス原料で満たされており、その高さつまりレベル３０はマイクロ波レベルゲージ組立体１６で測定される。

マイクロ波レベルゲージ組立体１６はねじ付きのカプラナット２１によってアダプタボディ２０に取り付けられた送信機ハウジング１８を含んでいる。ねじ付きカプラナット２１は送信機ハウジング１８を点検のために都合良く取り外せるように分離ジョイントの一部分として機能する。ねじ付きナットカプラ２１は、送信機ハウジング１８へ電線導管を接続するのに都合のよいいかなる回転位置においても送信機ハウジング１８をアダプタボディ２０に組み付けることができるように、ユニオンジョイントの一部分としても機能する。アダプタボディ２０はフランジ２２を介してタンク１２に結合される。この実施例では組立体１６はタンク１２の頂部であるタンク入口フランジ２４でタンク１２に装着される。フランジ２２はボルト２３でタンク入口フランジ２４に固定され、適当なガスケット（図示しない）で密封される。

また、組立体１６は、タンク入口フランジ２４に代えてタンク１２の頂部に固定されることができる垂直なスタンドオフパイプ（図示しない）に装着することができる。スタンドオフパイプはフランジを付けるか、またはねじ付きアダプタボディのねじ付き端部と合致するようにねじを形成することができる。

組立体１６はさらにマイクロ波アンテナ２６を含んでいる。通常、マイクロ波パルス２８はアンテナ２６（通常、タンク１２のほぼ最深部に延びている）に沿って下方に向けて送信される。タンク１２内の空気の誘電率はプロセス原料１４の誘電率と異なっている。マイクロ波パルス２８がプロセス原料１４の表面３０に到達した時、パルス２８は、アンテナ２６周囲の誘電率の不連続に遭遇し、マイクロ波エネルギの一部分を反射させて、反射されたマイクロ波パルス３２を形成する。反射されたマイクロ波パルス３２は送信機ハウジング１８内の電子機器で受信されて、タンク１２内の原料１４のレベルを測定するために使用される。

送信機ハウジング１８はマイクロ波パルス２８を送信して反射されたマイクロ波パルス３２を受信するための、図２〜６に関して詳細に説明する電子回路を収納している。送信機ハウジング１８は通信リンク３６を介して制御システム３４に送られる標準化信号中に感知されたマイクロ波パルス３２を調合するように構成された回路を含んでもよい。標準化信号はタンク１２内のプロセス原料１４のレベル３０を表している。送信機ハウジング１８は、放射された信号（タンク１２内の原料１４のレベル３０を表す信号を含む）を、光またはＲＦ通信媒体からなることができる通信リンクを経由して制御システム３４に送信し、かつ受信するように構成された回路をさらに含んでもよい。

通信リンク３６は有線、光ファイバ、または無線ＲＦであることができる。通信リンク３６が無線である場合、回路は無線信号を送信および受信するように構成された無線トランシーバを含んでもよい。制御システム３４は通信リンク３６に接続され、標準化信号を受信して典型的にはタンク１２内の原料１４のレベルを制御する。

送信機ハウジング１８内の電子機器は、プロセス原料１４から離れており、熱的に、かつ静水的にプロセス原料１４から隔離されている。電子機器が熱もしくは圧力、またはタンク１２内に収納された腐食性気体にさらされた場合、レベル測定値は信頼性を無くするか、電子機器は腐食性気体にさらされることによって損傷を被る。

図２〜６は図１のマイクロ波レベルゲージ組立体１６の第１の実施例のいくつかの部分を示す。

図２は、図１に示したアダプタボディ２０、ねじ付きカプラナット２１およびフランジ２２の組立体４８の拡大図を示す。アダプタボディ２０は、連続する円周溶接部５０、５２によってフランジ２２に溶接され、漏れ保証シールを提供している。アダプタボディ２０はフランジ２２内の溝５６に係合する突出円周リップ５４を含んでいる。タンク（図１）に圧力が掛かった場合、溝５６を有するリップ５４の係合部はアダプタボディ２０上の軸方向の力をフランジ２２に伝達してシールに対する圧力効果を増大させる。

送信機ハウジング１８（図１）の一部分であるハウジングアダプタ５８は、ねじ付きカプラナット２１によってアダプタボディ２０に回転自在に取り付けられている。図２の組立体４８を、図３に関して以下により詳細に説明する。

図３は図２の断面線３−３に沿って切られた組立体４８の内部構造の断面を示す。図示のように、組立体４８は、図４に関連してより詳細に以下に説明するインピーダンス整合されたハーメチックシール組立体６０と、図６に関連して以下により詳細に説明するインピーダンス整合されたシール組立体６２とを含んでいる。

シール組立体６０はアダプタボディ２０内に配置された主シールを提供する。主シール組立体６０はアダプタボディ２０の内部空洞６４とタンク１２（図１）内の気体６６との間のハーメチックシールを提供する。シール組立体６２はアダプタボディ２０内に配置された副次的シールを提供する。副次的シール組立体６２は内部空洞６４と送信機ハウジング１８内の内部空間６８との間のハーメチックシールを提供する。図６に関して以下に詳細に説明するように、シール組立体６０は、該主シール組立体６０に漏れが生じたときにタンク１２の外側の気体７０に内部空洞６４を開口するという特徴をさらに含んでいる。

アダプタボディ２０は上部アダプタボディ７２と下部アダプタボディ７４とからなる。上部アダプタボディ７２はねじ付きカップリングによって下部アダプタボディ７４に取り付けられ、図４に関して以下に詳細に説明するように確実な機械的接続を保証する。上部アダプタボディ７２は連続する周囲溶接部７６によって下部アダプタボディ７４に封着され、ねじ付きカップリングによって機械的分離から保護されるシールを提供する。

任意の保護シース７８がアンテナ２６（図１）を取り囲んでいる。アンテナ２６の動きを低減させるために任意のアンテナ支持部材８０をさらに設けることもできる。ばね荷重ピン８２は、送信機ハウジング１８から外部へ送信されたマイクロ波および内部へ受信したマイクロ波を接続するために中心同軸導体として供される。図４〜６の拡大図により組立体４８の種々の特徴をより詳細に以下に説明する。

図４は主シール組立体６０を含む組立体４８の一部分の拡大図である。

主シール組立体６０は主シールサブ組立体８４を備える。主シールサブ組立体８４は電気絶縁された環状セラミックシールボディ８６、環状下部支持バンド８８、および環状上部支持バンド９０、並びに導電性ロッド９２からなる。セラミックシールボディ８６は、ハーメチックシール部を形成し、かつアンテナ２６（図１）を吊している機械的負荷を伝達するため、上部および下部支持バンド８８、９０にろう付けされた外面９４を有している。機械的負荷はセラミックシールボディ８６の破損低減に資するように、主として外面９４に沿って伝達される。

完成した主シールサブ組立体８４は下部アダプタボディ７４内に配置され、それから、下部アダプタボディ７４に対して主シールサブ組立体８４をシールするために、下部アダプタボディ７４と上部支持バンド９０との間に連続環状溶接部９６が設けられる。環状の応力解放溝９８は、上部支持バンド９０の主要部を歪ませる溶接部９６からの加熱を防止する。付加的な応力解放溝９９もまた溶接部９６からの応力を解放する。応力解放溝９８もまた溶接部９６上の軸方向の力を低減する。

ねじ付き導電性金属ロッド１００はセラミックシールボディ８６内のすきま孔を通過して、導電性ロッド９２内の有底ねじ付き孔１０２内にねじ込まれる。一つまたはそれ以上の圧縮ワッシャ（皿座金：ベルビルワッシャ）１０４がセラミックシールボディ８６の上に積み重ねられる。ナット１０６は金属ロッド１００の上にねじ込まれて締め付けられ、圧縮ワッシャ１０４を部分的に圧縮する。圧縮された圧縮ワッシャ１０４によって提供される力は、温度変化による部品の拡張および収縮時に比較的一定であるセラミックシールボディ８６に対して軸方向の圧縮を提供する。軸方向の圧縮力はアンテナ重量の懸架による軸方向のテンションを少なくとも部分的に解放し、セラミック内の正味の軸方向テンションを低減して破損を低減させる。金属ロッド１００の頂部面１０８は副次的シール組立体６２の一部分であるばね荷重ピン（スプリングピン：ポゴピン）１１０に接触するように成形される。金属ロッド１００は、中央のマイクロ波導体に供されるとともに、セラミックシールボディ８６を軸方向に圧縮する手段に供される。

主シールサブ組立体８４の密封性がその外側面に沿って完全なものとなるように主シールサブ組立体８４を構成することにより、かつ応力をマイクロ波導体（金属ロッド）１００から遠ざけることにより、マイクロ波導体１００上にかかる応力およびその他の幾何学的構造の分析をすることなく、サブ組立体８４のサイズは種々の寸法の用途に適合するように容易に調節できる。より具体的には、支持バンドは、セラミックシールボディ８６上に半径方向の圧縮負荷を供給する金／ニッケルろうによってろう付けされたステンレス鋼であることができる。一般に、サブ組立体８４は、新たな用途のために形状の分析や調節を要することなく、異なった用途のために寸法を大きくしたり小さくしたりすることができる。主シール構造の幾何的形状を変えることなく、寸法を調節することによって種々の取り付け構造に適応させることができる。

セラミックシールボディ８６は下部アダプタボディ７４の中央凹所に設けられ、下部アダプタボディ７４によって取り囲まれている。取り囲んでいる下部アダプタボディ７４の熱容量は、セラミックシールボディ８６の温度変化速度を制限して、緩やかな温度変化を提供する。したがって、セラミックシールボディ８６の熱応力クラックの可能性が低減される。

外部ねじを有する金属カプラ１１２は下部アダプタボディ７４内にねじ込まれる。そして、盲孔１１４、１１６に、工具（例えば、図示しないピンスパナレンチ）が挿入され、金属カプラ１１２が、上部支持バンド９０の内部縁１１８に着座するまで締め付けるために使用される。タンクの加圧によって主シールサブ組立体８４上にかかる上方向への正味の力(net upward force)は縁１１８に伝達されて溶接部９６をたわみから保護する。

上部アダプタボディ７２はねじ付き金属カプラ１１２上にねじ込まれ、下部アダプタボディ７４上に着座するまで締め付けられる。締め付け後、下部アダプタボディ７４に対して上部アダプタボディ７２を密封するために、連続円形溶接接合部７６が用いられる。溶接接合部７６はシールを提供するが、アダプタボディ７２、７４上にかかる力は、ねじ付き金属カプラ１１２によって負担され、溶接部７６上への応力は低減される。

空気や窒素などの誘電ガスで満たされた空洞６４は金属カプラ１１２内の中央孔を通過して下方に延びており、セラミックシールボディ８６内の中央孔を通っている。この空洞は下部支持バンド８８においてろう接合部によって密封されており、かつ、円形溶接部９６、７６によって密封されている。

導電性ロッド９２は導電性ロッド９２から吊り下がっているアンテナ２６（図１）を支持している。導電性ロッド９２は図５によってより詳細に記載されている。導電性ロッド９２および下部アダプタボディ７４は、大きい直径の下部支持バンド８８から小さい外径（図５）の導電性ロッド９２への反射の移行が低くなるように対面する折曲円錐状(frustoconical)のテーパ部分１１８、１２０を有している。

図５は組立体４８の下端部の拡大図である。送信されたマイクロ波パルス用の送信線にインピーダンス不連続部を提供するため、符号１２６で示した部位において、下部アダプタボディ７４の、小さい内径１２２は急に大きい内径１２４に移行する。この不連続部は導電性ロッド９２の小さい直径と同心である。この不連続部はテストつまりマーカパルスを送信機に向けて反射させる。マーカパルスは、導電性ロッドが存在し、かつセラミックシールボディ８６（図４）が割れていないという肯定的指示を提供する。アンテナ２６はピンまたはその他の取り付け方法で導電性ロッド９２に取り付けられる。シース７８は内側にねじを有するナット１２８に溶接されるか、ねじ込まれる。ナット１２８は下部アダプタボディ７４のねじ付き下端部にねじ込まれる。好ましい実施例では、ナット１２８が下部アダプタボディ７４に対して回転するのを防止するため一つもしくはそれ以上の止めねじが使用される。

図６は予備的な（圧力解放）シール組立体６２を含む組立体４８の上部分を示している。副次的シール６１は送信機ハウジング１８内の内部空間から空洞６４を密封する。タンクの気体で空洞６４が加圧されることによって主シール組立体に漏れが生じた場合、予備的シール組立体６２はねじ付きカプラナット２１を通じてタンクの気体を周囲の大気へ排出する。タンクの気体はねじ１４４を通じて、あるいはカプラナット２１内の排出孔（図示しない）を通じて排出することができる。

予備的なシール組立体６２において、ばね荷重ピン１１０はオーリング１４０と共に全体に円筒形である栓１３４内に挿入されている。全体に円筒形である第２の栓１３２は、ばね負荷ピンに重ねられて組み付けられている。オーリング１３８は栓１３４の外面上の溝内に配置されている。栓１３２、１３４、オーリング１３８、１４０、およびピン１１０の組立体は、上部アダプタボディ７２上の頂部開口内に挿入されている。オーリング１３８は軽く圧縮されるだけの寸法であるので、故障状態下では、（図７Ｂ〜７Ｃに関して以下に詳細に説明するように）加圧された気体を空洞６４から排出する。

全体に円筒形の栓１３６は、オーリング１４２と共に設けられ、ハウジングアダプタ５８の、突き出した中央下部上に摺接している。栓１３６、オーリング１４２およびハウジングアダプタ５８の組立体は上部アダプタボディ７２の頂部開口内に挿入される。カプラナット２１が上部アダプタボディ上のねじにねじ込まれて、栓１３６、１３４、１３２を押圧するように締め付けられる。

ばね荷重ピン８２、１１０、金属ロッド１００、および導電性ロッド９２（図４、５）は、送信機とアンテナとの間に延びている中央マイクロ波導体としての役目を果たす。上部および下部アダプタボディ７２、７４、上部支持バンド９０、およびねじ付きアダプタ１１２は前記中央マイクロ波導体と同軸の外側マイクロ波導体としての役目を果たす。絶縁栓１３２、１３４、１３６、セラミックシールボディ８６および空洞６４は中央マイクロ波導体を外側マイクロ波導体から分離する環状の絶縁空間を提供する。マイクロ波導体の配置と環状の絶縁空間は送信機とアンテナとの間でのマイクロ波通信のための同軸導波管を形成する。導波管の構成部分の直径は導波管に沿った不連続部を全体に減少させるように設定されるが、単一の不連続部１２６がテスト目的で含まれている。

好ましい実施例では、上部および下部アダプタボディは、耐腐食のため、二重のフェライト−オーステナイト合金からなる。好ましい実施例では、絶縁栓１３２、１３４、１３６はテフロンつまりＰＴＦＥからなる。好ましい実施例では、導電性ロッド９２は耐腐食および高温特性のために３１６ステンレス鋼からなる。好ましい実施例では、シールボディ８６は耐腐食性および引張り強度を提供するために焼結アルミナセラミックからなる。好ましい実施例では、シールボディ８６と上部および下部のステンレス鋼支持バンド８８、９０との間のろう接合部は金／ニッケルろう接合金からなる。

図１〜６に示した実施例の変形例は図７〜１１に示したその他の実施例に関して以下に説明する。図７〜１１で使用されている参照符号と、図１〜６で使用された参照符号とは同様または同等の特徴を意味する。

図７Ａは図１に示した実施例と同様のマイクロ波レベルゲージ組立体１７の断面拡大を示す。組立体１７は、ねじ付きカプラナット２１によってアダプタボディ２０に結合される送信機ハウジング１８（断面および部分的に外形線で示す）を含んでいる。アダプタボディ２０はフランジ２２およびボルト２３を介してタンク入口フランジ２４に結合される。主シール組立体２１０はタンクの気体から密封圧力を隔離するためにタンク入口フランジ２４に重ねて配置される。主シール組立体２１０はアダプタボディ２０内の内部空洞２１２とタンク気体との間のハーメチックシールを提供する。送信機ハウジング１８内の内部空洞２１３はさらに副次的シール２１６によって内部空洞２１２から密封される。送信機ハウジング１８はタンク１２内のプロセス原料、熱、圧力および気体から隔離される。主シール組立体２１０は図７Ｄに関してさらに詳細に記述する。

いくつかの実施例では、アダプタボディ２０はフランジ２２内の対応する凹所に合致するように寸法が設定された突出リップ２４２を備えることができる。突出リップ２４２は溶接中にフランジ２２に対してアダプタボディ２０を一列に並べ易くし、また溶接接合部の圧力効果を改善する。

アダプタボディ２０は主シール組立体２１０からハウジングアダプタ２１４（ハウジング１８の部分）まで延びる内部空洞２１２の外側壁２５を規定する。内部空洞２１２はまたハウジングアダプタ２１４内の副次的シール２１６まで延びている。中央マイクロ波導体２１８は空洞２１３内の回路２０３から副次的シール２１６を通って空洞２１２内に延びている。コネクタ２２０は、主シール組立体２１０を通ってタンク内まで延びている主導体２２２にマイクロ波導体２１８を接続する。アダプタ２１４はアダプタボディ２０の頂端部の所定位置で滑らかに接続されるので、コネクタ２２０は、ハウジングマイクロ波導体２１８と主導体２２２との間の電気的接続が動作領域をこえて連続するようにしている。この動作領域は摺動ピンおよびソケット構造、または、ポゴピン（pogo pin）接触として広く知られている可動、ばね負荷接触ピンによってコネクタ２２０内に収容されることができる。適当な機械的動作領域を有するその他の形式の取り付け機構を使用されることができる。一般的に、コネクタ２２０は、二つの導電要素を接続するため、取り付け機構がマイクロ波反射をもたらすインピーダンス不整合を生じさせる形状を有しない限り、かつコネクタ２２０がマイクロ波導体２１８と主導体２２２とを突き合す際に機械的構成部公差を十分に許容する機械的係合領域を有する限りいかなる形式の電気接続機構であってもよい。最後に、アンテナアダプタ２２４は主導体２２２をタンク内のマイクロ波アンテナ２６に結合する。

一般に、ハウジングアダプタ２１４は副次的シール２１６の膨張温度係数よりも高い膨張温度係数を有している。導体２１８は副次的シール２１６の膨張温度係数より低い膨張温度係数を有する。導体２１８の表面は、ガラスの副次的シール２１６を貫通する部分にはガラスとの密封性を改善するために溝を付けたり粗くしたりすることができる。組み立て工程の最中、副次的シール２１６はハウジングアダプタ２１４内の所定位置に形成される。好ましい実施例では、副次的シール２１６はシリカガラスから密封された電気的貫通接続を形成するのに使用されるガラス対金属形式のシールである。ガラスの組成は、該ガラスがハウジングアダプタ２１４より低い膨張係数を有するように調節され、したがって、成形後、冷却されると圧縮負荷の状態になる。したがって、高い圧縮負荷は導体２１８および副次的シール２１６をハウジングアダプタ２１４内の所定位置に固定する。

副次的シール２１６はハウジングアダプタ２１４に対して密封する。ハウジングアダプタ２１４はアダプタボディ２０と適合するように寸法が決定され、ねじ付きナット２１を使ってアダプタボディ２０に対して解放可能な状態で留められるように構成されている。ハウジングアダプタ２１４、ねじ付きカプラナット２１およびアダプタボディ２０の構成は図７Ｂに関して以下により詳細に説明される。

図７Ｂはハウジングアダプタ２１４、ねじ付きカプラナット２１およびアダプタボディ２０が一緒になって互いに接触している領域（図７Ａに円で示している）の拡大断面を示す。ねじ付きカプラナット２１は押しつけながら捻られ、ハウジングアダプタ２１４の下面２５０がアダプタボディ２０の上面に当接する。面２５０、２５２の当接は、オーリングのシール面２５４を、アダプタボディ２０の溝付きオーリング取り付け面２５６から距離「Ｘ」の間隔だけあけるように正確に位置決めするための良好な止め部を提供する。溝２６０内のオーリング２５８は面２５４、２５６の間で軽く圧縮されて低圧シールを形成している。ねじ付きカプラナット２１はまたアダプタボディ２０に対してハウジングアダプタ２１４を解放可能な状態で留める留め手段を提供し、組立体１７全体を取り外すことなく送信機のメンテナンスを行えるように、主シール組立体２１０と副次的シール２１６との間に機械的に分離された接合部を提供している。ハウジングアダプタ２１４およびアダプタボディ２０は、特別な設置構成の要求を満すように異なる回転位置でハウジング１８がアダプタボディ２０上に取り付けられるようにほぼ円形または円筒形の面に沿って互いに整合している。

図７Ｃに示すように、オーリング２５８（またはその代わりのガスケット）は、主シール組立体２１０の故障の際の告知機構（大気への排気）としてだけでなく低圧環境シールを提供する。主シール組立体２１０および副次的シール２１６は、図７Ｃに示されるような圧力シーリング領域２７０および２７２を有し、これらは、図７Ｃに示されるオーリングシール２５８の比較的低い圧力シーリング領域２７４と比べて比較的高い。このため、タンク１２（図１）が高い圧力になって主シール組立体２１０が故障して漏れが生じた時、内部空洞２１２も加圧されることになり、タンク１２内の圧力気体は図７Ｂに矢印２７６で示したようにオーリングシールを通り過ぎて外に漏れる。

ハウジングアダプタ２１４およびアダプタボディ２０は、加圧された気体が外へ漏れることができるように、半径方向に間隔をあけた一つまたはそれ以上の溝２７８、２８０を備えている。漏洩気体はねじ付きカプラナット２１のねじの周りの間隔２８２を通って外へ漏れることができる。また、漏洩気体はねじ付きカプラナット２１内の任意の半径方向孔２８４を通って排気できる。漏洩気体は可聴性の音または芳香性の臭いを発生し、主シール組立体の破損を予告する。タンク１２からの気体の低減は、タンク圧力の低下を感知することによってタンク圧力感知装置（図示しない）によっても予告される。軽く圧縮されたオーリングシール２５８によってもたらされる圧力解放は、さもなければ副次的シールを破損させ、タンクからの気体が空洞２１３を通ってリード線３６（図１）を保持する電気配線導管に流れるのを許容して制御システム３４（図１）に被害を生じさせることがある内部空洞２１２内の圧力増大を防止する。

主シール組立体２１０（図７Ａ）の拡大図を図７Ｄに示す。主シール組立体２１０はタンク１２（図１）内の気体と直接接触している。主シール組立体２１０は一般にセラミックシール２３６がその中にろう付けされるステンレス鋼のボディ２３４を含んでいる。ろう材料は一般的に華氏１７４０度付近の融点を有する金−ニッケル合金であるのが望ましい。ろう材料はろうペーストおよびろう予成形等周知のろう材料適用方法を使って使用することができる。

主導体２２２は外側ジャケット２２３の中に配置される。熱膨張係数の大きい違いによって、固体の３１６ステンレス鋼導体をシール２３６等のシール内に直接接合するのは困難である。しかしながら、導体をシール２３６内に取り付けてハーメチックに密封する必要がある。ここで使用される「ハーメチック」という用語は、大気中の汚染物質（湿気、ほこり、その他等）またはプロセス汚染物質（プロセス流体、腐食性もしくは摩耗性のプロセス原料、その他等）の進入に対して密封する装置を意味する。例えば、一つの好ましい実施例では、シールは、１秒あたりヘリウム約１×１０^−７標準立方センチメートルと同じかそれ以下の漏れ速度を有する。好ましい別の実施例では、低圧または低腐食性プロセス原料での使用等では、漏れ速度は１秒あたりヘリウム１×１０^−７標準立方センチメートルより高くできるが、少なくとも従来のＰＴＦＥまたはグラファイトのプロセスシールよりも小さい。

主シール組立体２１０を通っているマイクロ波貫通接続（主導体２２２および外側ジャケット２２３）は、いずれも能率的にマイクロ波信号を伝導し、高圧かつ高温の腐食性気体を安全にかつ高い信頼性をもって密封しなければならない。貫通接続は、シール２３６と貫通接続との改善された熱整合を提供するため、異なる膨張係数および異なる耐食特性を有する材料の多同心円層からなり、また、耐食性であってシール２３６の材料に対して良好にろう付けする外側層２２３を提供する。

図７Ｄにおいて、主導体２２２は、薄壁型３１６ステンレス鋼管２２３内の低膨張合金（コバール「Ｋｏｖａｒ（登録商標）」または合金５２）から成形される。したがって、主導体２２２および管２２３は耐食性または機械的強度を落とすことなく、シール２３６との改善された熱膨張整合を提供する複合貫通接続を形成する。複合導体２２２、２２３はセラミックシール２３６にろう付けされ、これによって、ハウジング１８内の回路２０３（図７Ａ）をタンク１２（図１）内のプロセス原料から効果的に隔離するハーメチックシールを確立する。

セラミックシール２３６をステンレス鋼ボディ２３４にろう付けすることによって、主シール組立体２１０は、上昇した温度および圧力のもとで耐食性を落とすことなく効果的に作用することができる。しかしながら、種々の材料間での熱膨張係数の違いは、溝２３８によって応力が解放されない場合、ろう付け部および溶接接合部で応力破壊を生じる。

ろう付け工程または他の原因によって引き起こされる応力を吸収するために、応力隔離溝２３８がステンレス鋼ボディ２３４内に配置される。例えば、ろう付け工程の後、主シール組立体２１０が冷却されたとき、主シール組立体２１０（セラミックシール２３６とステンレス鋼ボディ２３４）の不均一な冷却によって引き起こされる応力を応力隔離溝２３８が吸収する。

好ましい実施例では、セラミックシール２３６は、一般的に硬くて耐摩耗性セラミックである焼結アルミナセラミックで作られる。さらに、好ましい実施例では、副次的シール２１６はガラス対金属シール構成である。副次的シール２１６は２次プロセス障壁、環境障壁および炎通路内の炎拡大に対する障壁として機能する。副次的シール２１６は通常はプロセスと接触しないので、設計では、セラミック−金属シール設計も使用されるが、経済的なガラス対金属設計手法および材料を使用してもよい。

主シール組立体２１０および副次的シール２１６は、マイクロ波信号の擬似反射が低減されるようにインピーダンスが整合されるのが好ましい。主シールおよび副次的シールがインピーダンス整合していないものである場合、インピーダンス不整合は、レベルゲージの精度に影響することがある反射伝送波を生じることがある。インピーダンス整合工程は、導体２１８、２２２を取り囲んでいる空気又はシール材料の誘電率を考慮に入れた同軸中央導体２１８、２２２の調節からなる。マイクロ波がアダプタボディ２０を通過する時に、擬似反射するのを回避するために、比較的一定した特性ラインインピーダンスＺ_０が維持される。

ある実施例では、マイクロ波アンテナ２６を保護するために、保護シース２４０（図７Ａ）または同軸管（別のアンテナ設計）を備えるのが望ましい。タンク内でのプロセス原料の動きがアンテナ２６を破壊させるので、（特にアダプタ２２４の近くまたは主複合導体２２２に沿って）、特にマイクロ波アンテナ２６は、１０メートルまたはそれ以上の長さにでき、かつ細くすることができる。シース２４０はプロセス材料の動きによってアンテナが曲げモーメントを生ずるのを保護する。

図７Ｅは図７Ａに示されたシール２１６の代わりとして使用することができる副次的シール組立体２８１の実施例を示す。副次的シール組立体２８１は、その中で所定位置にガラスシール２８５が形成される金属管２８３を備える。ガラスシール２８５もまた中央マイクロ波導体２８７に対してシールされる。金属管２８３、ガラスシール２８５および中央マイクロ波導体２８７は分離した組立体として生産性良く製造される。金属管２８３はハウジングアダプタ２８９内に挿入されて円形溶接部２９１において溶接される。図７Ｅに示された構成は、ハウジングアダプタ２８９がガラス対金属シールの形成に適合しない金属で形成されることを許容している。金属管２８３はシール２８５によるガラス対金属シールの形成に適合する材料で形成されることができる。

図８は主セラミックシール３１６の下部面３１５上にろう接合部が作られたマイクロ波レベルゲージ取り付け組立体３００の拡大断面図である。図８で使用された参照番号であって、図７Ａ、７Ｂ、７Ｄで使用されている参照番号と同じものは図７Ａ、７Ｂ、７Ｄに関して説明したものと同じまたは同様の特徴を意味し、簡潔のために図８に関してさらに説明はしない。

組立体３００において、ろう接合部はハーメチックシールを完全なものとし、下部面３１５の外側でアンテナの重量又は機械的負荷を支えている。したがって、主導体２２２とセラミックシール３１６との間には、密封されているか、または負荷を受ける接合部を必要としない。主導体２２２には耐食性も必要としない。主導体２２２はセラミックシール３１６内の間隙孔３２７を通過する。他の点では、取り付け組立体３００は図７Ａ、７Ｂ、７Ｄ内に示した取り付け組立体と同様である。

主シール組立体３１２はタンク内のプロセス流体から内部空洞２１２を隔離する。主シール組立体３１２はステンレス鋼ボディ２３４およびセラミックシール３１６を含んでいる。セラミックシール３１６は好ましくはろう接合部３１８によってステンレス鋼ボディ２３４に取り付けられる。溶接接合部３２０は好ましくはステンレス鋼ボディ２３４をアダプタボディ２０に取り付ける。ろう付け工程で引き起こされる熱誘導応力を隔離するため、ステンレス鋼ボディ２３４内に応力隔離溝２３８が設けられるので、不均一な冷却および熱膨張係数の違いは、ろう接合部３１８及び／又は溶接接合部３２０を損なわない。

主導体２２２は主シール３１６内に設けられた開口３２７を通って空洞２１２から延びている。隔離アダプタ３２８は開口３２７を覆い、かつ主導体２２２の周りに位置している。隔離アダプタ３２８は、主シール３１６および隔離アダプタ３２８の両方にろう付けされている支持バンド３３２によって主シール３１６に取り付けられている。支持バンドは好ましくはステンレス鋼からなる。アンテナ２６は絶縁アダプタ３２８に接続されてタンク内のプロセス原料まで延びている。

一般に、隔離アダプタ３２８および支持バンド３３２は主導体３２４に対してハーメチックシールを維持する。また、隔離アダプタ３２８および支持バンド３３２は、アンテナ３３０からの曲げモーメントおよびその他の応力を導体３２２から遠くへ向けさせるのに役立つ。特に、隔離アダプタ３２８および支持バンド３３２は主シール３１６とともにハーメチックシールを形成し、外側面上のいかなる負荷をも導体３２４から遠くへ伝える。

一般に、隔離アダプタ３２８は耐食性および耐熱性材料で形成される。一つの実施例では、隔離アダプタ３２８は３１６Ｌステンレス鋼で形成される。また、別の実施例では、隔離アダプタ３２８は、インディアナ州ココモのヘインズインタナショナルインコーポレーティドに登録されているハステロイ（登録商標）合金を使って形成される。隔離アダプタ３２８はタンク内のプロセス原料から主導体２２２および空洞２１２を機械的にかつ静水的に隔離するように機能する一方、さらに導電通路を提供している。支持バンド３３２は、隔離アダプタ３２８にろう付けされた大きい環状面領域とシール３１６にろう付けされた大きな平坦面領域とで、強力で永続性のある取り付け部を提供する。結果としての構造は高温および高圧において耐食性を損なわずに効果的に作動させることができる。

図９は、主シール設計の実施例の拡大図を示す。レベルゲージ組立体４００はステンレス鋼ボディ４０２（図８のステンレス鋼ボディ２３４に相当）および円筒形金属ボディ４０４を含んでいる。円筒形金属ボディ４０４およびステンレス鋼ボディ４０２は溶接接合部４０６で取り付けられる。円筒形金属ボディ４０４は円筒形金属ボディ４０４を通って延長される導電性ロッド４１０を受け入れることができるように寸法設定された空気間隙４０８を規定している。

タンク内では、セラミックシール４１２が空気間隙４０８をまたいで導電性ロッド４１０を囲んで延びている。セラミックシール４１２はセラミックシール４１２の外側周囲にろう付けされた上部支持バンド４１６によって円筒形金属ボディ４０４に取り付けられ、ろう付けまたは溶接によって円筒形金属ボディ４０４に取り付けて上部支持バンド４１６でシールを完全にしている。また、セラミックシール４１２は、セラミックシール４１２と導電性ロッド４１４の外側周囲にろう付けされた下部支持バンド４１８によってシールを形成するために導電性ロッド４１４にシールされている。好ましい実施例では、同軸管４２０（つまり保護シース）が、導電性ロッド４１４を保護するために支持バンド４２２を介して円筒形金属ボディ４０４に取り付けられる。同軸管４２０は好ましくは支持バンド４２２に溶接されている。

一つの実施例では、導電性ロッド４１４は流体が満たされたタンク内へ延びる１２メートルの長さのアンテナに導電性ロッド４１４を接続する。流動動作はアンテナに伝達されて導電性ロッド４１４の上に剪断応力および曲げモーメントを負わせる。同軸管４２０はアンテナの周りの流動動作を低減させるために保護層を提供し、導電性ロッド４１４上の曲げモーメントを低減させる。より重要なのは、セラミックシール４１２、導電性ロッド４１４、並びに支持バンド４１６および４１８がこれら外部応力から導電性ロッド４１０を隔離することである。プロセス原料から空気間隙をシールするのに加えて、支持バンド４１６、４１８はセラミックシール４１２の外側表面に沿って応力を円筒形金属ボディ４０４に伝達する。したがって、応力および曲げモーメントはセラミックシール４１２の外側に向けられ、導電性ロッド４１０から遠ざけられる。

図９に示した実施例では、セラミックシール４１２は、上部支持バンド４１６と円筒形金属ボディ４０４との間の溶接接合部によってだけでなく、上部支持バンド４１６とセラミックシール４１２との間のろう接合部により、導電性ロッド４１０を覆ってシールしている。導電性ロッド４１４は、下部支持バンド４１８と導電性ロッド４１４との間の溶接接合部によってだけでなく、下部支持バンド４１８とセラミックシール４１２との間のろう接合部によって導電性ロッド４１０の先端を覆ってシールしている。支持バンド４１６、４１８上のろう接合部および溶接接合部はセラミックシール４１２および導電性ロッド４１４と一緒に、ハーメチックシールを効果的に維持し、導電性ロッド４１０および関連の電子機器のためのプロセス隔離を提供する。

一般に、ろう付け材料は耐食性であって金属およびセラミックに接合できるいかなる材料であってもよい。好ましい実施例では、ろう付けされた上部および下部支持バンド４１６および４１８がステンレス鋼で形成され、金−ニッケルろう合金（８２％／１８％）でろう付けされる。

また、円筒形金属ボディ４０４は、ステンレス鋼、３１６Ｌステンレス鋼、ハステロイ（登録商標）、複合（フェライト−オーステナイト合金）材料または同様の特性を有するその他のいかなる材料を含む耐食かつ耐熱タイプのいかなる材料から形成されていてもよい。

図１０は本発明の実施例に従った主シール組立体の拡大図を示す。組立体５００は、ろう接合部５０６で結合される主シール５０２およびステンレス鋼ボディ５０４を含んでいる。一方、ステンレス鋼ボディ５０４は溶接接合部５１０によってフランジ５０８に結合される。

導体５１２は主シール５０２内に配置された空気間隙５１４を通って延びている。アンテナコネクタ５１６は空気間隙５１４とのシールを断って導体５１２と接触する。アンテナコネクタ５１６は主シール５０２の湿気を帯びた面内に配置された凹所５２０内に部分的に位置し、該凹所５２０内のろう付け接合部５１８を介して主シール５０２に接続されている。ここで使用されているように、「湿気を帯びた」または「湿気を帯びた面」という用語はプロセス原料にさらされた面を意味する。導体５１２はアンテナコネクタ５１６に電気的に接続され、マイクロ波信号用の信号通路を維持する。アンテナ（図示しない）はアンテナコネクタ５１６に接続でき、タンク内のプロセス原料中に延長できる。

ろう接合部５１８は主シール５０２に対してアンテナアダプタ５１６を接続して密封し、プロセス原料から導体５１２を隔離するハーメチックシールを完全なものにする。また、ろう接合部５１８は、曲げモーメントおよび剪断応力を導体５１２から離してシール５０２および関連する構造に伝達するのを補助し、割れを起こさせることなく応力をよりよく放散するように構成されている。

図１１は本発明のその他の実施例の拡大図を示す。図示のように、組立体６００はろう接合部６０６によってステンレス鋼ボディ６０４に結合された主セラミックシール６０２を含んでいる。ステンレス鋼ボディ６０４はまた溶接接合部６１０を介してフランジ６０８に結合される。導体６１２は主シール６０２を通って空気間隙６１３内に延び、さらにアンテナアダプタ６１４内に延びている。アンテナアダプタ６１４は主シール６０２の湿気を帯びた面内に形成された凹所６１６内に部分的に位置している。

アンテナアダプタ６１４は、所定位置に保持され、アンテナアダプタ６１４の周囲全体の周りに延びて主シール６０２とアンテナアダプタ６１４の双方にろう付けされている支持バンド６２０によって主シール６０２に取り付けられる。ろう付けされた支持バンド６２０は主シール６０２の端部、およびアンテナアダプタ６１４の周囲端部にろう付けされ、これによって、導体６１２をプロセス流体から密封する。

この実施例では、ろう付けされた環状の支持バンド６２０はハーメチックシールを完全なものにしてアンテナアダプタ６１４を取り付ける。また、ろう付けされた支持バンド６２０はアンテナアダプタ６１４の基部に対する構造的支持部を提供し、本質的に曲げおよび剪断モーメントを導体６１２から遠ざける。一般的に、ろう付けされた支持バンド６２０は、アンテナアダプタ６１４に適合するように形成されることができる耐食性および耐熱性のいかなる材料でも形成できる。好ましい実施例では、ろう付けされた支持バンド６２０はステンレス鋼で形成され、８２％／１８％の組成を有する金／ニッケルろう材でろう付けされる。

一般に、本発明は、タンクへの取り付け用のフランジ内に溶接されたステンレス鋼ボディ内にろう付けされたセラミックシールに関して記述した。好ましい実施例では、組立体のステンレス鋼要素間の溶接接合部を形成するために使用される溶接材料は、複合（フェライト／オーステナイト）２２０５ステンレス鋼、３１６Ｌステンレス鋼、またはハステロイ溶接材料である。同様の耐食および耐熱特性を有する材料等の、その他の材料も使用できる。

本発明の主シールおよび副次的シールはハーメチックシールとインピーダンス整合されているのが好ましい。ろう付けバンドをセラミック主シールにろう付けし、ろう付けバンドをステンレス鋼ボディ内に溶接することにより、組立体は２０００ｐｓｉおよび華氏７５０度より高い圧力および温度で腐食性気体を効果的に密封することができる。

一般的に、主シールは電子機器およびアダプタチャンバをプロセス原料およびタンク内の原料の熱と圧力から隔離する。副次的シールは主シールとインピーダンス整合されていて、福次的プロセス障壁、炎通路障壁、および環境障壁を提供する。副次的シールは従来のガラス−金属設計、エポキシ等のポッティング材料またはセラミック対金属シール設計（主シールと共に使用されるもの等）で形成できる。

本発明は好ましい実施例を参照して説明したが、当業者は本発明の精神および範囲から離れることなく形状や詳細を変形できることは明らかである。

マイクロ波レベルゲージが設置された第１の実施例におけるタンクの断面図である。マイクロ波レベルゲージの第１の実施例の一部分の状態を示す。マイクロ波レベルゲージの第１の実施例の一部分の他の状態を示す。マイクロ波レベルゲージの第１の実施例の一部分の他の状態を示す。マイクロ波レベルゲージの第１の実施例の一部分の他の状態を示す。マイクロ波レベルゲージの第１の実施例の一部分の他の状態を示す。マイクロ波レベルゲージの第２の実施例の詳細を示す。マイクロ波レベルゲージの第２の実施例の詳細を示す。マイクロ波レベルゲージの第２の実施例の詳細を示す。マイクロ波レベルゲージの第２の実施例の詳細を示す。マイクロ波レベルゲージの第２の実施例の詳細を示す。マイクロ波レベルゲージ装着組立体の断面図である。主シールおよびアンテナアタッチメントの実施例を示す断面図である。主シールおよびアンテナアタッチメントの実施例を示す拡大断面図である。主シールおよびアンテナアタッチメントの実施例を示す拡大断面図である。

符号の説明

１２…プロセスタンク、１４…原料、１６…マイクロ波レベルゲージ組立体、１８…送信機ハウジング、２０…アダプタボディ、２２… フランジ、２６…アンテナ、２８…マイクロ波パルス、３０…レベル、３２…反射パルス、３４…制御システム、３６…リンク、６０…主シールシール組立体、６２…副次的シール組立体、８４…主シールサブ組立体、９２…伝導性ロッド、１００…金属ロッド。

Claims

タンク内のプロセス流体レベル測定用マイクロ波レベルゲージにおいて、
タンクに向かって開口している下部部分からタンクの外側のハウジングアダプタ（５８）まで延びている、下部アダプタボディ（７４）と上部アダプタボディ（７２）とからなる中空のアダプタボディ（２０）と、
前記下部部分からタンクに向かって延びており、かつタンク内のアンテナ（２６）に接続可能な導電性ロッド（９２）と、
前記下部アダプタボディ（７４）の中空部分に配置されたセラミックシールボディ（８６）と、
前記導電性ロッド（９２）を前記セラミックシールボディ（８６）から吊り下げるように、前記セラミックシールボディ（８６）の下端部の外側面にろう付けされた下部支持バンド（８８）と、該セラミックシールボディ（８６）の上端部の外側面と前記下部アダプタボディ（７４）とにシール状態で接合された上部支持バンド（９０）とを含み、前記下部アダプタボディ（７４）の中空部分であって前記セラミックシールボディの上方に形成されている空洞（６４）がタンクからシールされるようにする主シールと、
マイクロ波が前記アンテナから送信機へ接続可能となるように前記導電性ロッド（９２）に接続され、前記セラミックシールボディ（８６）および上部アダプタボディ（７２）内を延びる導体（１００，１１０，８２）とからなり、
前記導電性ロッド（９２）からの応力が前記セラミックシールボディ（８６）に向けられ、前記導体から遠ざけられているマイクロ波レベルゲージ。
前記導体が、
前記導電性ロッドに留められ、前記セラミックボディ内の中央通路を通って上方のねじ端部まで延長されているねじ付きロッド（１００）と、
前記上方のねじ端部に取り付けられて前記セラミックシールボディに対して軸方向の圧縮力をかけている圧縮ワッシャ（１０４）とを含む請求項１記載のマイクロ波レベルゲージ。
前記空洞（６４）とハウジングアダプタ（５８）との間にさらに副次的シール（６２）を備え、該副次的シールが、前記空洞とタンク外側の大気との間に通気シールを含んでおり、該通気シールが、故障状態下で前記空洞を大気へ通気する請求項２記載のマイクロ波レベルゲージ。
前記導体が、
前記ねじ付きロッド（１００）に接触し、前記副次的シールを通って延びているばね荷重されたピン（１１０）を備えている請求項３記載のマイクロ波レベルゲージ。
前記上部および下部支持バンドと前記セラミックシールボディとの間のろう接合部が、前記セラミックシールボディに対して半径方向の圧縮を与えるように収縮適合されている請求項１記載のマイクロ波レベルゲージ。
前記アダプタボディ（２０）が、
ねじ付き上端部を有する下部アダプタボディ（７４）と、
ねじ付き下端部を有する上部アダプタボディ（７２）とからなり、
前記上部および下部アダプタボディは、前記ねじ付き上端部および下端部にねじ込まれる金属カプラ（１１２）により機械的に接合され、
前記上部および下部アダプタボディが、前記上部および下部アダプタボディの接合部外面に配された周囲溶接部（７６）により互いにシールされる請求項１に記載のマイクロ波レベルゲージ。
前記下部アダプタボディが、大きい内径部から小さい内径部への移行部を備えており、該移行部がマイクロ波を部分的に反射してテストパルスを生じさせる請求項６記載のマイクロ波レベルゲージ。
送信機が前記アダプタボディ（２０）に対して任意の回転位置で取り付けられるように前記アダプタボディにねじ込まれるねじ付きカプラナット（２１）をさらに備えている請求項１記載のマイクロ波レベルゲージ。
前記アンテナの周りに設けられた保護シース（７８）をさらに備え、該保護シースが前記下部分に取り付けられている請求項１記載のマイクロ波レベルゲージ。
前記下部分に取り付けられ、タンク開口に対してシール可能なフランジ面を有するフランジ（２２）をさらに備えている請求項１記載のマイクロ波レベルゲージ。