JP6417473B2 - 金属プロセスシールのためのプロセス分離ダイヤフラムアセンブリ - Google Patents

Description

プロセス装置、たとえばプロセス流体圧力トランスミッタは、一般的には、少なくとも１つの分離ダイヤフラムに結合された圧力センサを用いて圧力を検知する。分離ダイヤフラムは、検知されているプロセス流体から圧力センサを分離する。プロセス流体は、高腐食性である可能性があるため、圧力センサの腐食またはその破損を回避するために、圧力センサから分離されて維持される。圧力は、分離ダイヤフラムを圧力センサの検知ダイヤフラムに流体結合させる通路内の、実質的に非圧縮性の分離流体を用いて、分離ダイヤフラムから圧力センサに伝えられる。検知ダイヤフラムは、加えられた圧力に応じてたわみ、たわみは、検知ダイヤフラムに取り付けられるかまたはそれに連結された構造体の電気パラメータ、たとえば静電容量の変化を生じさせる。

プロセス流体圧力トランスミッタは、一般的には、マニホールドまたは他の好適な構造体を用いて、プロセスに結合される。プロセス流体圧力トランスミッタは、マニホールドにシールされて、プロセス流体が漏れないことを確実にする。通常のプロセス流体圧力トランスミッタでは、プロセス流体圧力トランスミッタのシール面は、非金属シールまたは他の好適な構造体に接触する。分離ダイヤフラムを取り付けるための溶接は、往々にしてシールが設置されるのと同じ面に位置する。しかし、非金属シールは、溶接の表面変化を許容し、溶接面を依然として効果的にシールするために十分に適合している。

いくつかの非金属シールは、６０００ｐｓｉを超える圧力を保持することができる。しかし、通常作用圧力が６０００ｐｓｉを超えるようなより高温の用途に対しては、金属シールは、いくつかの利点を提供することができる。金属シールを用いる場合、高圧用途に対しては、分離ダイヤフラムを取り付けるための溶接は、通常は金属シール特有の表面仕上げ要件に起因して、シール面上に位置させることができない。

金属シールの利点のすべてを保持し、欠点がより少ないプロセス分離ダイヤフラムアセンブリを設けることは、高圧プロセス流体用途のためのプロセス分離ダイヤフラムアセンブリに対する改善を呈するであろう。

プロセス流体圧力トランスミッタは、圧力センサと、圧力センサに結合され、圧力センサから圧力の表示を得る電子機器とを含むセンサ本体を含む。少なくとも１つのプロセス流体分離アセンブリが、圧力センサに流体結合され、プロセス流体を受けるように構成される。プロセス流体分離アセンブリは、溶接リングに溶接された分離ダイヤフラムを含む。溶接リングは、第１の側に、金属シーリングリングと接触するように適応されたシール面と、第２の側に、センサ本体に溶接された溶接部とを有する。シール面及び溶接は、互いに実質的に整列する。

本発明の実施形態が特に有用である、プロセス流体差圧トランスミッタの図である。 周知のプロセス分離ダイヤフラムアセンブリと併用された非金属シールの図である。 金属シールを利用するプロセス分離ダイヤフラムアセンブリの図である。 本発明の実施形態による金属シールを利用するプロセス分離ダイヤフラムアセンブリの図である。 本発明の実施形態によるプロセス流体圧力トランスミッタアセンブリを組み立てる方法のフロー図である。

図１は、本発明の当該実施形態が特に有用である、代表的なプロセス流体圧力トランスミッタ１０を示す。トランスミッタ１０は、フランジまたはマニホールド１３及びセンサ本体１４に結合するトランスミッタ本体１２を含む。本発明の実施形態は、同一平面のフランジに対して記載されているが、本発明の実施形態は、任意の種類のフランジ、マニホールド、またはプロセス流体を受ける他の結合アダプタで実施されてもよい。

センサ本体１４は、圧力センサ１６を含み、トランスミッタ本体１２は、トランスミッタ回路機構２０を含む。センサ回路機構１８は、通信バス２２を通してトランスミッタ回路機構２０に結合される。トランスミッタ回路機構２０は、プロセス通信リンク、たとえば２線式プロセス制御ループ（または回路）を経由して、プロセス流体の圧力に関連する情報を送信する。

いくつかの状況では、圧力センサ１６は、フランジ１３の通路２４内の圧力Ｐ１と通路２６内の圧力Ｐ２との間の圧力の差を測定することができる。圧力Ｐ１は、通路３２を通してセンサ１６に結合される。圧力Ｐ２は、通路３４を通してセンサ１６に結合される。通路３２は、継手３６及び管４０を通して延びる。通路３４は、継手３８及び管４２を通して延びる。通路３２及び３４は、比較的非圧縮性の流体たとえばシリコーンオイルで充填される。

通路２４は、センサ本体１４内の開口２８近傍に位置付けられ、通路２６は、センサ本体１４内の開口３０近傍に位置付けられる。ダイヤフラム４６は、開口２８内に位置付けられて、通路２４近傍のセンサ本体１４に結合される。通路３２は、継手３６及びセンサ本体１４を通して、ダイヤフラム４６に延びる。ダイヤフラム５０は、通路２６近傍のセンサ本体１４に結合される。通路３４は、継手３８及びセンサ本体１４を通して、ダイヤフラム５０に延びる。

動作において、フランジ１３は、トランスミッタ１０がフランジ１３にボルト締めされると、シール４８及び５２を押圧する。シール４８は、開口２４及びダイヤフラム４６近傍のセンサ本体１４上に設置されて、通路２４及び開口２８からフランジ１３を通過したプロセス流体の外部環境への漏れを防止する。同様に、シール５２は、センサ本体１４近傍の開口２６及びダイヤフラム５０に結合され、通路２６及び開口３０からフランジ１３を通過したプロセス流体の外部環境への漏れを防止する。

図２は、周知のプロセス分離ダイヤフラムアセンブリと併用される非金属シールの図である。分離ダイヤフラム５８は、その周囲で溶接リング６０に溶接される。そして、溶接リング６０は、モジュール溶接部６２を介してセンサ本体１４に溶接される。いったん溶接リング６０がセンサ本体１４に溶接されると、システム内に、通路３２を通過してチャンバ６４を充填する充填流体が導入され得る。このように、プロセス流体が分離ダイヤフラム５８に作用するため、分離ダイヤフラム５８の動きが、通路３２内の充填流体の動きを発生させ、この動きが、差圧センサ１６に圧力を伝達する。圧力トランスミッタがフランジ１３に搭載されることになる場合、非金属シール６６等のシールが用いられ、これは溶接リング６０の溝６８を係合する。非金属シールは、低〜中程度のプロセス流体圧力を備える用途に加えて、低〜中程度のプロセス流体温度での用途について非常に良好に機能する。図２に示されるように、プロセス分離ダイヤフラム５８は、溶接によって、それらの間に挟まれたダイヤフラム５８を備える二次支持片（溶接リング６０）を通して、センサ本体１４に取り付けられる。溶接は、非金属シール６６をシールするためにもさらに用いられる溝６８の底に位置する。非金属シール６６は、モジュール溶接部６２の表面上をシールすることが可能であるが、およそ６０００ｐｓｉまでシールすることが可能であるように制限され、そのシール能力は、過度な高温及び／又は低温に曝されることで低下する。

金属シールは、それらがシールし得る表面に対して、非常に特定的な要件を有する。溶接リングを経た溶接の露出面は、そのような表面要件を満たさない。

この表面要件を克服するための１つの方法は、シール面を溶接のすぐ上または近傍から、たとえば図３に示されるオフセットされた距離まで動かすことである。図３は、フランジ１３と溶接リング７０との間の金属シール（Ｃリング７２）結合を図示する。溶接リング７０とセンサ本体１４との間の溶接は、金属シール７２からオフセットされて示される。図３に示された構成は、金属シール７２に対する表面要件が達成されることができることを確実にするが、金属シールは、溶接リング７０内部のモーメントまたはトルクを与える、溶接リング７０の一部に対して作用していることが明らかである。このように、図３に示された設計は、６０００ｐｓｉを上回るプロセス圧力に対するその疲労寿命を減少させるという課題を受け入れることができる。加えて、金属シール７２とモジュール溶接部７４との間の径方向オフセットは、当該アセンブリを、金属シール７２によって引き起こされる、トランスミッタ性能に負の影響を与える可能性がある予圧に対して感度を良好にすることができる。

図４は、本発明の実施形態による、金属プロセスシールのためのプロセス分離ダイヤフラムアセンブリの断面図の図示である。分離ダイヤフラム５８は、溶接８２で溶接リング８０に溶接される。加えて、ダイヤフラム５８の溶接８２からは反対側に、ダイヤフラムスペーサ８４が据え付けられるかまたは搭載される。スペーサ８４は、分離ダイヤフラム５８の溶接リング８０へのより高信頼な溶接を可能にするように機能する。図４に示されるように、シール７２は、溶接リング８０のいずれの溝内にも設置されない。代わりに、溶接リング８０は、断面が実質的に中実の矩形である。さらに、その上に金属シール７２が当接する溶接リング８０の一部は、慎重に制御された面を有し、金属シール７２の表面要件が達成されることを確実にすることができる。金属シール７２は、任意の好適な金属または合金で形成された任意の好適な金属シールであることができる。しかし、いくつかの実施形態では、金属シール７２は、自励式の金属シール、たとえばＣリングである。そのようなシールによって、プロセス流体圧力が増大すると、それに従ってシール７２のシール能力が増大する。

いったん分離ダイヤフラム５８が溶接リング８０に取り付けられ、ダイヤフラムスペーサ８４がダイヤフラム５８の上部に取り付けられると、アセンブリは、プロジェクション溶接８８においてセンサ本体１４に溶接される。プロジェクション溶接８８は、溶接リング８０からセンサ本体１４内に突出する。本発明の実施形態によれば、プロジェクション溶接８８、またはセンサ本体１４と当接する溶接リング８０の任意の他の好適な構造は、望ましくはそのように金属シール７２に一直線上になる。このように、金属シール７２を通して伝えられた力は、溶接リング８０及びプロジェクション溶接８８を通して実質的に直線で伝達される。こうして、モーメントまたはトルクは、プロセス流体圧力とともに創出されない。このように、図４に示された構造は、疲労に起因する問題の影響を受けにくくすると考えられる。

通常は、分離ダイヤフラム５８は、サブアセンブリ作業として溶接リング８０に溶接される。これは、周知の技術によるレーザ溶接によって行われることができる。サブアセンブリ溶接は、ダイヤフラム５８を溶接リング８０に取り付けるためのみのものであり、金属シールに直接影響しない。そして、サブアセンブリ（溶接リング及びダイヤフラム）は、プロジェクション溶接８８を介して、センサ本体１４に溶接される。プロジェクション溶接は、金属シール７２のシール面と一直線に位置し、突出部分が溶接リング８０内部に機械加工される。このことが可能であるのは、プロジェクション溶接を行うプロセスが、金属シール７２が設置される溶接リングの表面仕上げに影響しないためである。プロジェクション溶接８８と一直線に設置された金属シール７２を有することによって、溶接リング８０上での加圧域より均等なバランスが達成され、結果として、６０００ｐｓｉを上回るプロセス流体圧力を受けたときの疲労寿命が増大する。加えて、通常は標準的な溶接技法のために用いられる溝を取り除くことによって、溶接リングが実際により堅固になり、必要であれば、高圧疲労寿命をさらに増大させる構造支持的な二次溶接８６を使用することができる。図４に関連して図示された別の利益は、溶接リングプロジェクション溶接８８を直接載せることによって、高いプロセス圧力及び高いフランジ負荷下でも、プロセス分離ダイヤフラムアセンブリの安定したヒンジ点が維持されることである。二次サポート溶接８６は、溶接リング８０の周辺近傍に位置して、第２の場所で溶接リング８０をセンサ本体１４に結合することができる。二次サポート溶接８６を付加することによって、分離ダイヤフラム５８のヒンジ点のさらなる改善及び整合性が提供される。さらに、より大きなシーリング負荷を含む代替の金属シールを、ダイヤフラムヒンジ点に影響することなく用いることもでき、これらはトランスミッタ性能に負の影響を与えない。

図５は、本発明の実施形態による、プロセス流体圧力トランスミッタアセンブリを組み立てる方法のフロー図である。方法１００は、ブロック１０２で開始し、ここでサブアセンブリ作業として、分離ダイヤフラムが溶接リングに溶接される。この溶接は、レーザ溶接を含む任意の好適な技術に従って行われることができる。次に、ブロック１０４において、プロジェクション溶接を用いて、プロセス流体圧力トランスミッタのセンサ本体にサブアセンブリが溶接される。プロジェクション溶接の場所は、金属シールに当接する溶接リングの一部と整列させるように選択される。留意すべきは、ブロック１０２及び１０４は、プロセス流体圧力トランスミッタの分離サブアセンブリごとに行われることである。こうして、プロセス流体圧力トランスミッタが異なるプロセス流体圧力トランスミッタである場合、ブロック１０２及び１０４はその後２回行われる。

いったん分離サブアセンブリまたはサブアセンブリがセンサ本体に溶接されると、ブロック１０６において示されるように、充填流体を付加することができる。プロセス流体圧力トランスミッタがプロセスに搭載されることになると、フランジまたはマニホールドを用いて、プロセスをトランスミッタに結合する。ブロック１０８において、プロセス流体圧力トランスミッタは、プロジェクション溶接に実質的に整列させた金属シールを用いて、マニホールドに搭載される。

Claims (21)

1. プロセス流体圧力トランスミッタであって、
   センサ本体であって、圧力センサと、前記圧力センサに結合され、前記圧力センサから圧力の表示を得るように構成された電子機器と、を含むセンサ本体と、
   前記圧力センサに流体結合され、プロセス流体を受けるように構成された、少なくとも１つのプロセス流体分離アセンブリであって、前記少なくとも１つのプロセス流体分離アセンブリが、溶接リングに溶接された分離ダイヤフラムを含み、前記溶接リングが、第１の側に、金属シーリングリングと接触するように適応されたシール面と、第２の側に、前記センサ本体に溶接された溶接部とを有し、前記シール面及び前記溶接部が互いに対して実質的に整列するように、少なくとも１つの前記溶接部が前記シール面の上方の直線上に配設される、プロセス流体分離アセンブリと、
   を含む、プロセス流体圧力トランスミッタ。
2. 前記溶接部が、前記センサ本体に溶接されたプロジェクション溶接部である、請求項１に記載のプロセス流体圧力トランスミッタ。
3. 前記少なくとも１つのプロセス流体分離アセンブリが、複数のプロセス流体分離アセンブリを含み、各々が、前記圧力センサに流体結合され、それによって前記圧力センサが差圧の表示を提供するアセンブリである、請求項２に記載のプロセス流体圧力トランスミッタ。
4. 前記分離ダイヤフラムと前記センサ本体との間に介在させたスペーサをさらに含む、請求項２に記載のプロセス流体圧力トランスミッタ。
5. 前記溶接リングを前記センサ本体に結合するサポート溶接をさらに含む、請求項２に記載のプロセス流体圧力トランスミッタ。
6. 前記サポート溶接が、前記溶接リングの周辺近傍に配設される、請求項５に記載のプロセス流体圧力トランスミッタ。
7. 前記少なくとも１つのプロセス流体分離アセンブリに結合されるマニホールドをさらに含み、前記マニホールドが、金属シールによって前記分離アセンブリにシールされる、請求項２に記載のプロセス流体圧力トランスミッタ。
8. 前記金属シールが、自励式のシールである、請求項７に記載のプロセス流体圧力トランスミッタ。
9. 前記自励式のシールが、Ｃリングである、請求項８に記載のプロセス流体圧力トランスミッタ。
10. 前記金属シールが、前記シール面及び前記プロジェクション溶接と実質的に整列する、請求項７に記載のプロセス流体圧力トランスミッタ。
11. 前記溶接リングが、断面において実質的に矩形である、請求項２に記載のプロセス流体圧力トランスミッタ。
12. 前記分離ダイヤフラムが、実質的に非圧縮性の液体によって、前記圧力センサに流体結合される、請求項２に記載のプロセス流体圧力トランスミッタ。
13. 前記電子機器が、前記圧力センサに結合されるセンサ回路機構と、前記センサ回路機構に結合され、プロセス通信リンクを経由して別の装置にプロセス流体圧力情報を伝達するように構成されたトランスミッタ回路機構とを含む、請求項２に記載のプロセス流体圧力トランスミッタ。
14. プロセス流体圧力トランスミッタのための分離ダイヤフラムサブアセンブリであって、前記サブアセンブリが、第１の側及び第２の側を有する円形溶接リングであって、前記第１の側が、金属シーリングリングに接触するように適応されたシーリング部を有し、前記第２の側が、センサ本体に溶接されるように構成された溶接部を有する、円形溶接リングと、前記溶接リングの前記第２の側に溶接された分離ダイヤフラムと、を含み、
    前記シーリング部及び前記溶接部が互いに実質的に整列するように、少なくとも１つの前記溶接部が前記シーリング部の上方の直線上に配設される、分離ダイヤフラムサブアセンブリ。
15. 前記溶接部が、前記センサ本体にプロジェクション溶接されるように構成されたプロジェクション溶接部である、請求項１４に記載の分離ダイヤフラムサブアセンブリ。
16. 前記ダイヤフラムに近接して配設されたスペーサと、前記センサ本体にプロジェクション溶接されるように構成された前記第２の側の一部とをさらに含む、請求項１５に記載の分離ダイヤフラムサブアセンブリ。
17. 前記円形溶接リングが、断面において実質的に矩形である、請求項１５に記載の分離ダイヤフラムサブアセンブリ。
18. プロセス流体圧力トランスミッタアセンブリを形成するための方法であって、
    前記方法が、
    溶接可能面と、前記溶接可能面の反対のシール面を有する少なくとも１つの溶接リングを設けることであって、前記シール面が、金属シーリングリングを係合するように構成されることと、
    分離ダイヤフラムを前記溶接リングに溶接することと、
    前記溶接可能面を、プロセス流体圧力トランスミッタのセンサ本体に溶接することと、
    前記シール面、金属シール、及び、溶接可能面の溶接部が、実質的に互いに整列し、少なくとも１つの前記溶接部が前記シール面の上方の直線上に配設されるように、前記シール面とマニホールドとの間に配設された金属シールを用いて、前記プロセス流体圧力トランスミッタをマニホールドに結合することと、を含む方法。
19. 前記溶接可能面が、プロジェクション溶接可能面である、請求項１８院記載の方法。
20. 前記分離ダイヤフラムと、前記プロジェクション溶接可能面に近接した前記センサ本体との間にスペーサを介在させることをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
21. 前記溶接リングと前記センサ本体との間に二次溶接を設けることをさらに含む、請求項１９に記載の方法。

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