Датчик управления рабочим процессом
Изобретение относится к датчику для управления технологическим процессом, в частности оно относится к уплотнению. Устройство управления рабочим процессом выполнено с возможностью присоединения к металлическому фланцу, имеющему первый канал, приспособленный для заполнения его рабочей текучей средой. При этом датчик управления рабочим процессом содержит корпус, имеющий отверстие рядом с первым каналом, предназначенное для приема рабочей текучей среды из первого канала, когда датчик управления рабочим процессом присоединен к фланцу, и уплотнение, выполненное с возможностью его установки рядом с фланцем для предотвращения просачивания рабочей текучей среды мимо фланца. Причем уплотнение содержит металлическое кольцо, установленное в отверстии и присоединенное к корпусу, причем металлическое кольцо выполнено с конфигурацией для образования уплотнения "металл к металлу" относительно поверхности металлического фланца для предотвращения просачивания рабочей текучей среды. При этом металлическое кольцо образует канал рядом с его наружным диаметром и дополнительно включает уплотнительный материал, проходящий вдоль канала. 2 н. и 20 з.п. ф-лы, 6 ил.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к датчику для управления технологическим процессом. В частности, оно относится к уплотнению, предназначенному для датчика управления рабочим процессом.
Датчики, которые измеряют давление, как правило, имеют чувствительный элемент давления, соединенный, по меньшей мере, с одной изолирующей мембраной. Изолирующая мембрана изолирует чувствительный элемент давления от коррозионных рабочих текучих сред, для которых выполняются измерения. Давление передается от изолирующей мембраны к чувствительному элементу, имеющему измерительную мембрану, посредством по существу несжимаемой изолирующей текучей среды, перемещаемой в канале. В патенте США № 4833922 на модульный датчик давления и в патенте США № 5094109 на датчик давления в напряженном состоянии описаны датчики давления данного типа.
Устройство для изоляции рабочей текучей среды, предназначенное для датчика, должно быть выполнено с возможностью работы в широком ряде химических сред, интервалов температуры и напряженных состояний и должно хорошо работать в широком диапазоне давлений. Среди предпочтительных герметизирующих соединений следует отметить Teflon® и другие фторуглероды. Hastelloy®, нержавеющая сталь 316 и другие коррозионно-стойкие материалы предпочтительны в качестве конструкционных материалов для смачиваемых поверхностей. В то время как эти материалы имеют очень хорошие характеристики коррозионной стойкости, их механические свойства, такие как предел текучести коррозионно-стойких сплавов и стойкость к выдавливанию уплотнительных материалов, в лучшем случае являются едва достаточными. Уплотнительные материалы имеют тенденцию выдавливаться при подвергании их воздействию высоких давлений и температур. По этой причине уплотнительный материал должен подвергаться обработке, как прокладка. Для образования эффективных уплотнений с прокладками обычно необходимо иметь уплотнительный материал с большой площадью поверхности под существенным сжатием. Напряжение, вызванное сжатием, механически передается изолирующей мембране и, в конце концов, измерительной мембране датчика давления. Величина напряжения со временем может изменяться по мере ослабления или повторного регулирования затяжки монтажных болтов и по мере выдавливания уплотнительного материала прокладки. Эти изменения приводят к неустойчивости выходных сигналов чувствительного элемента.
Для минимизации напряжения, передаваемого мембране для изоляции процесса, предпочтительно отделить мембрану от уплотнительного устройства для обеспечения изоляции от напряжений. Тем не менее, практические соображения делают изоляцию мембраны от напряжений затруднительной. Промышленные стандарты и требование совместимости с предшествующими системами, то есть с существующими изделиями, определяют размер, местоположение и конфигурацию болтов и каналов нагнетания в узле. Габаритные геометрические размеры датчика ограничивают пространство, которое должно быть распределено между уплотнительными прокладками и изолирующими мембранами. Мембраны для изоляции рабочего процесса должны размещаться в пределах границ, определяемых схемой расположения болтов. Пространство в пределах границ болтов, используемых для уплотнения, как правило, недоступно для изолирующих мембран. Часто нежелательно уменьшать размер изолирующих мембран, поскольку изолирующие мембраны меньшего размера более чувствительны к передаче напряжений и, следовательно, в результате этого возникают нестабильности.
Как правило, должен быть достигнут компромисс между несколькими конкурирующими "потребностями" при проектировании датчика давления: 1) потребностью в больших упругих мембранах; 2) потребностью в мембранах, которые хорошо изолированы от напряжений в уплотнительном устройстве; 3) потребностью в уплотнительном устройстве, которое имеет достаточную площадь поверхности; 4) потребностью в уплотнительном устройстве, удерживаемом вместе с достаточным усилием для обеспечения его надежности; и 5) ограничением, заключающимся в том, что все конструкции должны размещаться в пределах границ, определяемых схемой расположения болтов.
Одно устройство, которое направлено на решение некоторых проблем, показано и описано в патенте США № 5955675 на самовозбуждаемое уплотнение для рабочего управляемого датчика, который принадлежит заявителю настоящей заявки. В этом патенте описано устройство, в котором рабочее давление используется для того, чтобы обеспечивать плотный поджим рабочего уплотнения к фланцу. Уплотнение имеет кольцеобразную форму, и уплотнительный материал соединен с кольцом вдоль его внутреннего диаметра. Кольцо приспособлено для принудительного ввода уплотнительного материала в контакт с фланцем для предотвращения утечки рабочей текучей среды мимо уплотнения.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с настоящим изобретением предложено рабочее уплотнение для датчика управления рабочим процессом. Уплотнение имеет наружную диаметральную зону и внутренний диаметр. Изогнутая в виде арки зона расположена между внутренним диаметром и наружной диаметральной зоной. В одном варианте осуществления предусмотрено уплотнение "металл к металлу" для уплотнения датчика для рабочего процесса относительно соединительного фланца.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг.1 изображено сечение датчика давления, имеющего рабочее уплотнение в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.2 изображено сечение части датчика в фланце на фиг.1, на которой показано уплотнение.
На фиг.3 изображено детальное сечение уплотнения, показанного на фиг.2.
На Фиг.4а и 4b изображены сечения уплотнения в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения.
На Фиг.5 изображено сечение уплотнения в соответствии с настоящим изобретением, которое выполнено с конфигурацией, предусматривающей включение возможной прокладки.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
На фиг.1 показан приведенный в качестве примера датчик 10 давления, имеющий корпус 12 датчика, соединительный фланец или коллектор 13 и корпус 14 чувствительного элемента в соответствии с настоящим изобретением. Несмотря на то что настоящее изобретение показано с фланцем Coplanar™, изобретение может быть использовано с фланцем, коллектором или другим соединением любого типа, приспособленным для приема рабочей текучей среды. Корпус 14 чувствительного элемента содержит чувствительный элемент 16 давления, и корпус 12 датчика содержит схему 20 датчика. Схема 18 чувствительного элемента соединена со схемой 20 датчика посредством коммуникационной шины 22. Схема 20 датчика передает информацию, относящуюся к давлению рабочей среды, по каналу связи, такому как двухпроводная цепь 23 (или схема) управления рабочим процессом. Датчик 10 может полностью приводиться в действие в цепи 23 управления с помощью управляющего устройства 25.
В данном одном варианте осуществления датчика чувствительный элемент 16 давления измеряет разность давлений между давлением Р1 в канале 24 и давлением Р2 в канале 26 фланца 13. Давление Р1 передается чувствительному элементу 16 посредством канала 32. Давление Р2 передается чувствительному элементу 16 посредством канала 34. Канал 32 проходит через соединительную втулку 36 и трубку 40. Канал 34 проходит через соединительную втулку 38 и трубку 42. Каналы 32 и 34 заполнены сравнительно не сжимаемой текучей средой, такой как масло. Соединительные втулки 36 и 38 ввинчены в корпус 14 первичного измерительного преобразователя и создают длинную пламегасящую траекторию между внутренним пространством корпуса чувствительного элемента, в котором содержится схема 18 чувствительного элемента, и рабочей текучей средой, содержащейся в каналах 24 и 26.
Канал 24 расположен рядом с отверстием 28 в корпусе 14 чувствительного элемента. Канал 26 расположен рядом с отверстием 30 в корпусе 14 чувствительного элемента. Мембрана 46 расположена в отверстии 28 и соединена с корпусом 14 чувствительного элемента рядом с каналом 24. Канал 32 проходит через соединительную втулку 36 и корпус 14 чувствительного элемента к мембране 46. Мембрана 50 соединена с корпусом 14 чувствительного элемента рядом с каналом 26. Канал 34 проходит через соединительную втулку 38 и корпус 14 чувствительного элемента к мембране 50.
В процессе работы фланец 13 поджимается к уплотнениям 48 и 52, когда датчик 10 прикреплен болтами к фланцу 13. Уплотнение 48 установлено на корпусе 14 чувствительного элемента рядом с отверстием 28 и мембраной 46 и предотвращает просачивание рабочей текучей среды из канала 24 и отверстия 28 мимо фланца 13 во внешнюю среду. Аналогичным образом уплотнение 52 присоединено к корпусу 14 чувствительного элемента рядом с отверстием 30 и мембраной 50 и предотвращает просачивание рабочей текучей среды из канала 26 и отверстия 30 мимо фланца 13 во внешнюю среду. Уплотнения 48 и 52 в соответствии с настоящим изобретением предпочтительно являются идентичными. Уплотнение 48 рассмотрено ниже более подробно со ссылкой на фиг.2-5.
Изобретение обеспечивает преимущества по сравнению с уплотнительными устройствами согласно известному уровню техники, включая: 1) уменьшение усилия, необходимого для создания эффективного уплотнения; 2) обеспечение уплотняющего усилия в значительной степени независимо от силы, создаваемой за счет напряженного состояния болтов, которые обеспечивают присоединение датчика к рабочему фланцу; 3) использование рабочего давления для создания усилия для уплотнения при высоких давлениях; 4) снижение уровня требований, заключающихся в том, что материалы, имеющие отличные механические свойства, должны использоваться при изготовлении кольца, так что могут использоваться материалы, имеющие улучшенные характеристики коррозионной стойкости; и 5) способность уплотнять рабочую текучую среду при чрезвычайно высоком давлении, например, свыше 10000 фунтов на кв. дюйм.
Типовые конструкции уплотнений согласно известному уровню техники требуют использования неметаллического материала, такого как уплотнительные кольца и прокладок из PTS. Эти материалы плохо подходят для долговременного использования при экстремальных значениях давления и температуры. В соответствии с настоящим изобретением предложено уплотнение "металл к металлу", предназначенное для использования в рабочих устройствах для решения проблем, связанных с уплотнениями из неметаллических материалов.
На фиг.2 показано сечение части датчика 10 и фланца 13, показывающее уплотнение 100. На фиг.3 показано детальное сечение уплотнения 100, соединенного с датчиком 10. Уплотнение 100 выполнено с возможностью размещения его у поверхности фланца 13 для предотвращения утечки рабочей текучей среды мимо фланца. Как показано на вставке А фиг.2, которая представляет собой вид в плане уплотнения 100, уплотнение 100 содержит кольцо, имеющее наружный диаметр 103 и внутренний диаметр 106. Металлическое кольцо предпочтительно образовано из упругого материала, имеющего соответствующую коррозионную стойкость для обеспечения возможности подвергания его воздействию рабочей текучей среды. Например, может быть использована холоднопрокатная нержавеющая сталь или металл, продаваемый под торговым наименованием Inconel, высокопрочная немагнитная сталь. На уплотнительное кольцо 100 может быть нанесено гальваническое покрытие из пластичного материала, такого как никель. Другим приведенным в качестве примера материалом является серебро. Такое нанесение гальванического покрытия может обеспечить изоляцию рабочей текучей среды при низком давлении. По мере увеличения рабочего давления конфигурация кольца 100 создает дополнительное давление, которое необходимо прилагать к уплотнению. Это противодействует "снятию нагрузки" предварительного натяга болтов, вызванному давлением, которое приводит к отжиму фланца 13 и датчика 10 друг от друга. Как показано на фиг.3 более подробно, кольцо 100 выполнено с конфигурацией, позволяющей ему проходить за плоскость поверхности фланца 13, когда оно не нагружено или ослаблено (то есть не присоединено к фланцу 13). Когда фланец 13 прикреплен к датчику, упругая сила предотвращает утечку рабочей текучей среды при низком давлении, в то время как свойство самовозбуждения, представляющее собой отличительный признак, предотвращает утечку рабочей текучей среды при высоком давлении. Сварной шов 111 обеспечивает крепление кольца 100 к корпусу 14. Может быть использована любая соответствующая технология сварки или склеивания.
В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения уплотнение 100 имеет среднюю часть 120, которая расположена в основном между наружным диаметром 103 и внутренним диаметром 106. Средняя часть 120 имеет по существу кольцеобразную форму, соответствующую общей форме уплотнения 100, и имеет изогнутую в виде арки часть, которая показана в сечении на фиг.3. Изогнутая в виде арки часть изогнута в направлении в сторону от фланца 13, так что при введении фланца 13 в контакт с уплотнением 100 торцевая сторона фланца 13 будет контактировать с самым дальним участком изогнутой в виде арки части, образованной средней частью 120. Это контактное усилие, создаваемое при монтаже, заставляет среднюю часть 120 смещаться в положение, обозначенное ссылочной позицией 122 на фиг.3, на расстояние d.
Средняя часть 120 уплотнения 100 покрыта пластичным материалом, таким как никель. Например, пластичный материал может быть нанесен в виде гальванического покрытия на кольцо 100 путем использования известных способов. Толщина пластичного материала должна быть достаточной для того, чтобы обеспечивать износостойкость при обычном использовании в течение ожидаемого срока службы устройства. Толщина покрытия, как правило, может составлять от 0,001 до 0,005 дюйма. Усилие, с которым средняя часть 120 подпружинена к торцевой поверхности фланца 13, заставляет пластичный материал поджиматься к металлической поверхности фланца 13 с образованием уплотнения. Например, фланец 13 может содержать нержавеющую сталь или другой соответствующий металл.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения возможный уплотнительный прокладочный материал 130 может проходить вокруг наружного углубления 132 кольца 100. Наружное углубление 132 проходит по существу вокруг наружной периферии кольца 100. Уплотнительный материал 102 может представлять собой любой соответствующий материал, включая, например, Teflon® со стеклонаполнителем, Teflon® с графитовым наполнителем, Viton® или другие материалы, известные в данной области техники как материалы для изготовления уплотнительных колец или т.п.
Уплотнительный материал 130 может обеспечить дополнительное уплотнение по отношению к рабочей текучей среде, которое особенно эффективно при более низких рабочих давлениях. Таким образом, уплотнение "металл к металлу", создаваемое средней частью 120 относительно торцевой поверхности фланца 13, обеспечивает уплотнение рабочей текучей среды при высоком давлении, в то время как уплотнительный материал 130 обеспечивает уплотнение рабочей текучей среды при более низком давлении.
Несмотря на то что средняя часть 120 показана как имеющая изогнутую в виде арки часть, также могут быть использованы другие конфигурации, в которых часть кольца 100 выступает в направлении торцевой поверхности фланца 13 и выполнена с конфигурацией, позволяющей ей контактировать с торцевой поверхностью фланца 13. В одном варианте осуществления контактирующая часть имеет криволинейный профиль.
На фиг.4а и 4b показаны сечения уплотнения 200 в соответствии с другим приведенным в качестве примера вариантом осуществления настоящего изобретения. Уплотнение 200 содержит кольцо, которое прикреплено к корпусу 14 датчика посредством сварного шва 111. Уплотнение 200 имеет гибкую внутреннюю выступающую часть 202, которая выступает радиально внутрь от наружного диаметра кольца 200 и выполнена из гибкого материала. Криволинейная зона 204 контакта расположена на внутреннем диаметре уплотнения 200 и выполнена с конфигурацией, позволяющей ей упираться во фланец 13. В сечении на фиг.4b видно, что уплотнение 200 было деформировано таким образом, что зона 204 контакта смещена внутрь вследствие контакта с фланцем 13. Это обеспечивает сравнительно небольшую площадь контакта между зоной контакта и фланцем 13, что приводит к концентрации усилия, создаваемого рабочим давлением, вдоль зоны контакта 204. Кольцо 200 предпочтительно должно быть изготовлено из упругого подвергнутого отпуску или упругого материала и должно иметь соответствующую коррозионную стойкость, чтобы отвечать заданным основным эксплуатационным характеристикам. Может быть использована холоднопрокатная нержавеющая сталь или "суперсплав" Havar. Как было рассмотрено выше, пластичный материал может быть нанесен в виде покрытия на уплотнение 200, в частности, вдоль зоны 204 контакта. Упругая сила заставляет уплотнение 200 создавать гидравлическое уплотнение при низких рабочих давлениях. Конфигурация конструкции, обеспечивающая "самовозбуждение", создает дополнительное уплотняющее усилие при более высоких давлениях. Конфигурация не требует дополнительного неметаллического уплотнительного материала. Эта конфигурация создает подпружиненную консольную опору для зоны 204 контакта.
На фиг.5 показано сечение другого приведенного в качестве примера варианта осуществления уплотнения 250, которое имеет внутреннюю выступающую часть 252, которая заканчивается внутренней окружной периферийной изогнутой зоной 254 контакта. Эта конфигурация аналогична конфигурации, показанной на фиг.4а и 4b, однако возможный уплотнительный материал 130 может быть использован для обеспечения дополнительного уплотнения при низких рабочих давлениях. Покрытие из пластичного материала может быть использовано на уплотнении 250 на фиг.5. Если используется такое покрытие, оно должно покрывать, по меньшей мере, зону 254.
Зона контакта металлического уплотнения с фланцем предпочтительно имеет криволинейный профиль. Это позволяет обеспечить лучшее уплотнение и уменьшить вероятность того, что контакт металла с металлом вызовет повреждение фланца 13.
Несмотря на то что настоящее изобретение было описано со ссылкой на предпочтительные варианты осуществления, для специалистов в данной области техники будет очевидно то, что могут быть выполнены изменения формы и деталей, не отходя от сущности и объема изобретения.
1. Устройство управления рабочим процессом, выполненное с возможностью присоединения к металлическому фланцу, имеющему первый канал, приспособленный для заполнения его рабочей текучей средой, при этом датчик управления рабочим процессом содержит:
корпус, имеющий отверстие рядом с первым каналом, предназначенное для приема рабочей текучей среды из первого канала, когда датчик управления рабочим процессом присоединен к фланцу, и
уплотнение, выполненное с возможностью его установки рядом с фланцем для предотвращения просачивания рабочей текучей среды мимо фланца, причем уплотнение содержит металлическое кольцо, установленное в отверстии и присоединенное к корпусу, причем металлическое кольцо выполнено с конфигурацией для образования уплотнения "металл к металлу" относительно поверхности металлического фланца для предотвращения просачивания рабочей текучей среды, при этом металлическое кольцо образует канал рядом с его наружным диаметром и дополнительно включает уплотнительный материал, проходящий вдоль канала.
2. Устройство по п.1, в котором металлическое кольцо имеет среднюю часть между его внутренним диаметром и его наружным диаметром, причем средняя часть является изогнутой в виде арки относительно поверхности фланца, и изогнутая в виде арки часть изогнута в направлении от поверхности фланца, в результате чего высокие давления рабочей текучей среды вызывают выпрямление изогнутой в виде арки части в направлении к поверхности фланца.
3. Устройство по п.1, в котором металлическое кольцо имеет зону контакта, которая выполнена с конфигурацией, позволяющей ей контактировать с фланцем.
4. Устройство по п.3, в котором зона контакта является криволинейной.
5. Устройство по п.3, в котором, по меньшей мере, зона контакта покрыта пластичным материалом.
6. Устройство по п.5, в котором пластичный материал содержит никель.
7. Устройство по п.1, включающее прокладочный материал вдоль металлического кольца, выполненного с конфигурацией, позволяющей создать уплотнение относительно фланца, причем прокладочный материал расположен на определенном расстоянии от уплотнения "металл к металлу".
8. Устройство по п.1, в котором металлическое кольцо приварено к корпусу.
9. Устройство по п.1, в котором металлическое кольцо проходит за торцевую поверхность корпуса, когда оно находится в ненагруженном состоянии.
10. Устройство по п.9, в котором уплотняющее усилие, которое обеспечивает присоединение фланца к корпусу, вызывает деформирование металлического кольца из ненагруженного состояния.
11. Устройство по п.10, в котором деформация обеспечивается в направлении в сторону от поверхности фланца.
12. Устройство по п.1, в котором уплотнение имеет зону контакта, а часть металлического кольца выполнена с возможностью изгибания под действием давления рабочей текучей среды и поджима зоны контакта металлического кольца к фланцу.
13. Датчик для получения выходного сигнала, отражающего давление рабочей текучей среды, выполненный с возможностью присоединения к фланцу, имеющему первый канал, приспособленный для заполнения его рабочей текучей средой, при этом датчик содержит:
корпус, имеющий отверстие рядом с первым каналом, предназначенное для приема рабочей текучей среды из первого канала, когда датчик присоединен к фланцу, причем корпус также имеет второй канал, заполненный первой текучей средой и проходящий от места, находящегося рядом с отверстием, до средства измерения, предназначенного для выхода сигнала, относящегося к давлению,
изолирующую мембрану, установленную в отверстии корпуса и отделяющую отверстие и первый канал от второго канала и тем самым предназначенную для предотвращения поступления рабочей текучей среды в первый канал, и
уплотнение, установленное в отверстии для предотвращения утечки рабочей текучей среды из первого канала и отверстия мимо фланца, причем уплотнение содержит металлическое кольцо, выполненное с конфигурацией для образования уплотнения "металл к металлу" относительно фланца, при этом уплотняющее усилие, которое обеспечивает присоединение корпуса к фланцу, обеспечивает поджим зоны контакта металлического кольца к фланцу, причем металлическое кольцо образует канал рядом с его наружным диаметром, и дополнительно включает уплотнительный материал, проходящий вдоль канала.
14. Датчик по п.13, в котором металлическое кольцо имеет среднюю часть между его внутренним диаметром и его наружным диаметром, причем средняя часть является изогнутой в виде арки относительно поверхности фланца, и изогнутая в виде арки часть изогнута в направлении в сторону от поверхности фланца, в результате чего высокие давления рабочей текучей среды вызывают выпрямление изогнутой в виде арки части в направлении к поверхности фланца.
15. Датчик по п.13, в котором, по меньшей мере, зона контакта покрыта пластичным материалом.
16. Датчик по п.15, в котором пластичный материал содержит никель.
17. Датчик по п.13, включающий прокладочный материал вдоль металлического кольца, выполненного с конфигурацией, позволяющей создать уплотнение относительно фланца, причем прокладочный материал расположен на определенном расстоянии от зоны контакта.
18. Датчик по п.13, в котором зона контакта является криволинейной.
19. Датчик по п.13, в котором металлическое кольцо приварено к корпусу.
20. Датчик по п.13, в котором металлическое кольцо проходит за торцевую поверхность корпуса, когда оно находится в ненагруженном состоянии.
21. Датчик по п.20, в котором уплотняющее усилие, которое обеспечивает присоединение фланца к корпусу, вызывает деформирование металлического кольца из ненагруженного состояния.
22. Датчик по п.21, в котором деформация обеспечивается в направлении в сторону от поверхности фланца.
