卫生级容器密封件
阅读说明：本技术 卫生级容器密封件 (Sanitary container closure ) 是由 哈坎·弗雷德里克松 比约恩·林德布拉德 米卡埃尔·埃里克松 于 2019-04-23 设计创作，主要内容包括：一种适于安装在容器的管嘴上的导波雷达物位计,包括：带有开口的附接套环,其被配置成与管嘴对准并通过环形夹持装置固定；以及传输线探头,其附接至探头连接器的外端部。GWR物位计还包括：环形密封衬垫,其被装配在套环开口中,该环形密封衬垫具有中心探头连接器延伸穿过的中心开口；以及定距套筒,其围绕探头连接器的外端部布置并且具有径向突出的套环部分,其中处理电路被配置成检测由已经穿过密封衬垫的中心开口并收集在紧邻地围绕径向突出的套环部分的环形空间中的容器内容物或冷凝物引起的阻抗变化。(A guided wave radar level gauge adapted to be mounted on a nozzle of a tank, comprising: an attachment collar with an opening configured to align with the nozzle and be secured by an annular clamping device; and a transmission line probe attached to an outer end of the probe connector. The GWR level gauge further comprises: an annular sealing gasket fitted in the collar opening, the annular sealing gasket having a central opening through which the central probe connector extends; and a distance sleeve disposed about an outer end of the probe connector and having a radially projecting collar portion, wherein the processing circuitry is configured to detect a change in impedance caused by container contents or condensate that has passed through the central opening of the seal gasket and collected in an annular space immediately surrounding the radially projecting collar portion.)
技术领域
本发明涉及通过卫生级容器密封件安装至容器管嘴的导波雷达(GWR)物位计。容器密封件可以包括卡箍(tri-clamp)(也称为tri-clover)。
背景技术
雷达物位计(RLG)适用于测量物品的填充物位，所述物品例如容纳在容器(例如，过程容器)中的过程流体、颗粒化合物及其他材料。在一些应用中，需要为其上安装有RLG的容器提供令人满意的密封。这样的密封通常被称为“过程密封”。过程密封可以通过夹在仪器与其上安装该仪器的环形开口例如容器管嘴之间的环形密封元件提供，该环形密封元件有时被称为衬垫。
在一些情况下，通过环形联接装置例如卡箍(tri-clamp)将RLG安装至容器管嘴。美国专利6,658,932公开了一种用卡箍安装的非接触式(自由传播)雷达物位计，其中PTFE过程密封件被装配在容器开口与物位计壳体之间。PTFE过程密封件可以透射雷达信号。
尽管不是商业上可获得的，但是还是希望提供可以以类似的方式安装和密封的导波雷达物位计。导波雷达(GWR)物位计包括从物位计延伸至容器的底部的传输线探头。在使用中，电磁信号沿着探头被引导并被由物品表面引起的阻抗转变所反射。
在GWR物位计的情况下，上面提及的密封衬垫需要是环形的、具有物位计的传输线探头可以穿过的中心开口。
在一些应用中，例如在食品行业中，任何与过程接触的装备都需要符合健康法规，例如EHEDG(European Hygienic Engineering&Design Group(欧洲卫生工程与设计集团))。一个要求是：任何经过容器密封件的泄漏都必须在外部可见以使得能够检测和更换衬垫。一直在努力寻找用于这样的泄漏检测的改进解决方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于导波雷达物位计的卫生级过程密封件，其具有改进的泄漏检测。
这个目的和其他目的通过用于确定容器中的物品的填充物位的导波雷达物位计来实现，该物位计适于安装在容器的管嘴上，该物位计包括：收发器电路，其被配置成生成和发射电磁发射信号ST以及接收来自容器的电磁返回信号SR，该电磁返回信号由来自物品的表面的反射引起；传输线探头，其电连接至收发器电路，该探头在使用中从物位计延伸至容器的底部并且适于使得微波发射信号能够沿探头朝向该物品传播以及返回电磁返回信号；处理电路，其被配置成基于发射信号与返回信号之间的关系来确定参考位置与物品的表面之间的距离；具有开口的附接套环，其被构造成与管嘴对准并通过环形夹持装置固定；以及同轴探头连接件，其包括悬挂在机械地固定在附接套环中的介电套管中的中心探头连接器，该中心探头连接器具有在介电套管外部延伸超过套环开口的外端部，其中探头被附接至探头连接器的外端部。GWR物位计还包括：装配在套环开口中的环形密封衬垫，该环形密封衬垫具有被构造成夹在附接套环与管嘴的凸缘之间的外周以及中心探头连接器延伸穿过的中心开口；以及围绕探头连接器的外端部布置的定距套筒，该定距套筒具有在介电套筒与密封衬垫之间的径向突出的套环部分，使得在探头被附接至探头连接器时，密封衬垫的内周将被夹在该轴向突出的套环部分与探头的端部之间，其中，处理电路被配置成检测由已经穿过密封衬垫的中心开口并被收集在紧邻地围绕径向突出的套环部分的环形空间中的容器内容物或冷凝物引起的阻抗变化。
本发明基于这样的认识，即在以卫生的方式(例如，通过卡箍)将GWR物位计安装至容器管嘴时会产生额外的(沿探头的)潜在泄漏点。如果检测到潜在泄漏点，则沿探头的“内部”泄漏可以用作“早期警告”，即过程密封件可能需要更换的指示。不幸的是，该“内部”泄漏点不容易从外部可得。然而，任何导电流体例如液体容器内容物或冷凝物的存在都将导致阻抗减小，阻抗减小可以通过对接收到的雷达信号进行分析来检测。因此可以可靠地检测通过衬垫的中心开口的任何泄漏。
通过检测微波信号的干扰来检测沿GWR物位计的探头的泄漏的一般原理本身是已知的，例如参见US 9,217,659。然而，US 9,217,659中的物位计在设计上有很大的不同，并且泄漏检测的目的与本发明完全不同。具体地，在US 9,217,659中没有暗示将所提出的泄漏检测用作对卫生级密封件的有缺陷密封衬垫的早期警告。
环形夹具可以是卡箍，但是可替选地可以是一些其他类型的被构造成将附接套环固定至管嘴凸缘的环形夹持装置。
在一个实施方式中，附接套环包括环形密封表面、在径向上位于密封表面外侧并被构造成抵接容器管嘴的外周的环形抵接表面以及在径向上位于抵接表面外侧的脊。通过这种设计，在计量仪器被安装在容器管嘴的卡箍凸缘上时，脊围绕卡箍凸缘的外周，从而确保径向对准，环形抵接表面抵接容器管嘴的周边以确保精确限定的轴向关系并且密封衬垫被夹在密封表面与卡箍凸缘之间。
通过这种设计，无需环即可完成对准和密封，从而实现更具成本效益的安装。此外，与常规的环相比，这样的设计使轴向方向上的公差链得以改进，这是因为轴向位置仅由密封表面与抵接表面之间的轴向距离确定。
管嘴凸缘可以设置有背向容器的环形凹槽，并且密封衬垫可以包括被构造成容纳在该凹槽中的环形突起。这样的凹槽通常形成卡箍式连接的一部分。通过突出到凹槽中，衬垫可以提供改进的密封性能。
密封衬垫优选由具有足够卫生特性的软密封材料制成，所述软密封材料例如橡胶或诸如PTFE的软化塑料。这样的材料通常具有比金属大的热膨胀。出于这个原因，可以在密封衬垫的外侧(在衬垫与附接套环的周壁之间)在径向上形成间隙，以允许衬垫的热膨胀而不会有损于密封功能。
附图说明
将参照附图更详细地描述本发明，附图示出了本发明的当前优选实施方式。
图1是根据本发明的第二实施方式的导波雷达物位计的示意图。
图2是雷达物位计的卡箍安装的立体图。
图3是图1中的RLG的卡箍安装的横截面图。
具体实施方式
在此将参照雷达物位计描述本发明的实施方式。然而，应当理解，本发明将同样适用于通过夹持装置将附接套环密封地安装在容器管嘴上的其他计量仪器。例如，本发明可以在压力计和超声波计中实施。
图1中示意性地示出了根据本发明的实施方式的雷达物位计(RLG)1。此处，RLG 1被安装在卫生级容器2上，并且被布置成对过程变量例如容器2中的两种材料之间的分界面的物位L进行测量。通常，第一材料是容器中储存的物品4，例如诸如牛奶的液体或诸如颗粒化合物的固体，第二材料是容器中的空气或其他气氛5，而分界面是物品4的表面3。在一些应用中，容器是非常大的金属容器(直径处于十米的量级)。
RLG 1电路包括收发器电路6、处理电路7和接口8。
收发器电路6被配置成生成和发射电磁(微波)发射信号ST以及接收电磁(微波)返回信号SR。发射信号ST通过信号传播装置向物品4的表面3传播；此处信号传播装置为导波探头31(参见下面的更多细节)。电磁返回信号SR由表面3中的反射引起，并且通过信号传播装置返回并被馈送回收发器6。收发器电路6可以是能够发射和接收电磁信号的一个功能单元，或者可以是包括单独的发射器单元和接收器单元的系统。收发器电路6的元件通常以硬件来实现，并且形成通常被称为微波单元的集成单元的一部分。为了简单起见，在以下的描述中将收发器电路称为“收发器”。
处理电路7可以包括以硬件实现的模拟处理和以存储在存储器中并由嵌入式处理器执行的软件模块实现的数字处理的组合。本发明不限于该特定实现方式，并且可以预期被发现适于实现本文描述的功能的任何实现方式。
处理电路7被配置成通过对发射信号ST和返回信号SR进行处理来确定在容器的顶部的参考位置(例如，容器的外部与内部之间的通道)与表面3之间的距离。该处理通常包括生成容器信号或“回波曲线”，所述容器信号或“回波曲线”包括表示来自所述容器的内部的回波的多个峰。这些峰中的一个峰表示来自表面3的回波。基于所确定的到表面3的距离(通常被称为空距(ullage))和容器2的已知尺寸，可以确定过程变量，例如容器的填充物位L。
接口8被构造成使得能够将测量值传送至RLG外部并且可选地用于RLG的电力供应。例如，接口8可以是两线制控制回路9，例如4mA至20mA回路。接口8还可以包括串行数据总线，从而使得能够使用数字通信协议进行通信。可用的数字协议的示例包括HART、Modbus、Profibus和基金会现场总线(Foundation Fieldbus)。接口8也可以是采用例如无线HART的无线接口，在这种情况下，RLG设置有某种内部能量存储装置，例如电池，其可能是太阳能供电的。
根据一种测量原理，发射信号是具有变化的频率的连续信号(调频连续波，FMCW)。基于FMCW的RLG将发出具有逐渐变化的频率的雷达扫描，并将接收到的信号与原始信号混合(零差混合(homodyne mixing))以形成频域容器信号。通常，FMCW雷达的工作频率范围以6Ghz或26Ghz为中心，带宽为1GHz或数GHz。
根据另一测量原理，发射信号是持续时间为ns量级并且重复频率(repletionfrequency)为MHz量级的一系列不同的脉冲。在被称为时域反射法(TDR)的处理中，在采样与保持电路中利用原始脉冲序列对返回信号进行采样，从而形成时域容器信号。
发射信号也可以是FMCW和脉冲信号的某种组合。例如，已经提出了被称为多频脉冲波(MFPW)的原理。
电路6、7、8被容纳在有时被称为测量单元(MU)10的壳体中。测量单元(MU)10被安装在容器连接件上，此处容器连接件是由金属材料(通常是钢)制成的环形附接套环12，其适于通过环形夹持装置15(此处为卡箍)牢固地装配至容器2的管嘴13。附接套环12适于为电磁信号提供通过容器的顶部的(优选地，压力密封的)通道，该通道将收发器电路6与信号传播装置连接。
在图1中，RLG 1是导波雷达(GWR)，并且信号传播装置是从RLG1延伸至容器2的底部的探头31。探头31可以是例如同轴线探头、双线探头或者单线探头(也被称为表面波导)。沿探头31传输的电磁波将被容器中的材料之间的任何分界面3反射，并且该反射将被传输回收发器6。
探头31附接至同轴探头连接件，该同轴探头连接件包括通过布置在壳体10的颈部中的介电套筒33悬挂的中心探头连接器32。
图2以立体图更详细地示出了环形夹具15如何将RLG 1固定至容器管嘴13，此处容器管嘴13具有卡箍式凸缘14。
此处，环形夹具15具有两个基本半圆形的元件15a、15b，元件15a、15b通过沿切线方向作用的两个螺栓16保持在一起。在其他示例中，环形夹具被分成多于两个的区段，例如，一起形成环形环的三个区段。另外，所述区段中的一个或更多个区段可以通过铰接件而不是螺栓接合。例如，在所示示例中，螺栓16中的一个可以由铰接件代替。
夹具元件15a和15b中的锥形槽17与附接套环12的外缘18和容器管嘴13的外缘19接合。当通过拧紧螺栓16来固定夹具15时，环形夹具15确保附接套环12的环形开口的相对于容器管嘴13的环形开口的固定位置。密封衬垫(图2中未示出)被夹在附接套环12的边缘18与管嘴13的边缘19之间。衬垫由经批准用于卫生应用的材料制成，例如橡胶或诸如PTFE的软化塑料。
图3更详细地示出了根据本发明的实施方式的图1中的非接触式RLG的附接。
RLG壳体的附接套环12形成有环形密封表面61，环形密封表面61被环形抵接表面62包围。密封表面61和抵接表面62两者基本上在垂直于轴向方向A的平面中延伸。抵接表面62朝向管嘴13轴向移位，即，抵接表面62相对于壳体10在轴向上远离地定位。在附接套环12被安装在管嘴13上时，抵接表面62将因此与凸缘14接触并被搁置在凸缘14上。这确保了凸缘表面14a与密封表面61之间的预定轴向距离d。
在抵接表面62的径向外侧并围绕它的是朝向管嘴13轴向延伸的脊63。脊63可以是连续的，但是可替选地也可以由离散部分形成。当管嘴12抵接抵接表面62时，凸缘14被容纳在脊63内，使得脊63将包围凸缘14并将其固定在径向位置中。
橡胶衬垫64的外周64a被夹在凸缘14的表面14a与密封表面61之间。衬垫64的外周64a具有一定的厚度以确保在它被压缩到预定距离d时具有令人满意的密封。衬垫64还具有环形突起65，环形突起65形成为被卡箍式凸缘14中的环形凹槽14b容纳。
在常温下，衬垫64的直径小于由附接套环12的内表面12a限定的区域，在图3中通过间隙68示出。这使得衬垫64能够在升高的温度下热膨胀，而不会有损于密封。
橡胶衬垫64呈环形形状并且设置有允许中心探头连接器32延伸通过的中心开口66。金属套筒67在衬垫64的RLG侧围绕中心连接器32布置。套筒67具有与探头连接件的套筒接触的径向突出的套环部分67a形式的基部和沿中心连接器32在轴向上延伸的颈部部分67b。当(通常通过螺纹连接)将探头31附接至中心连接器32时，衬垫64的内周64b被夹在套筒的套环部分67a与探头31的上(面向RLG的)表面31a之间。颈部部分67b确保表面31a与基部67a之间的预定义距离d'。衬垫64的内周64b具有一定的厚度以确保在它被压缩到预定距离d'时具有令人满意的密封。
由于套环部分67a的厚度，因此衬垫64无法与介电套筒33的紧邻套环部分67a的下表面接触。而是，围绕套环部分67a将形成环形空间70。从容器内部经过衬垫64的中心开口66的物品或冷凝物的任何泄漏都将收集在该空间70中。
在使用中，空间70中收集的任何导电液体将引起阻抗减小，并且沿中心导体32传播通过开口66的电磁信号将受到这样的阻抗变化的影响。根据本发明，处理电路7被配置成检测任何这样的阻抗变化。本领域技术人员可以理解这样的确定的细节。
本领域技术人员认识到，本发明绝不限于上述优选实施方式。而是，可以在所附权利要求的范围内进行许多修改和变化，其通常涉及具有卫生级过程密封件的GWR与基于雷达信号干扰的早期警告泄漏检测的组合。例如，物位检测的细节可以不同于上面讨论的那些细节。此外，物理设计可以是与GWR物位计兼容的任何类型。
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