具体实施方式

图1是本发明的实施例特别有用的直列式过程流体压力变送器的图解透视图。压力变送器100包括过程流体连接器102，该过程流体连接器被配置成联接到过程流体的源104。在连接器102处引入的过程流体承靠于隔离隔膜上，该隔离隔膜将过程流体与压力传感器物理地隔离即以实体方式隔离，但是以其他方式将过程流体压力传送到安置于传感器主体106内的压力传感器。压力传感器(在图2中图解地示出)具有电气特性(诸如电容或电阻)，该电气特性由电子设备外壳108中的测量电路测量，并且由控制器使用合适的计算来转换成过程流体压力。过程流体压力可以经由穿过导管110而联接的线在过程通信回路上传送和/或经由显示器112而本地显示。进一步，在一些实施方式中，过程流体压力可以无线传送。

图2是本发明的实施例特别适用的直列式过程压力变送器100的图解视图。变送器电子设备被安置于电子设备外壳108内，并且包括通信电路114、电力电路118、控制器122、显示器112和测量电路124。

通信电路114安置于电子外壳108内，并且可以经由有线或无线连接而被联接到过程通信回路。通过联接到过程通信回路，通信电路114允许直列式过程压力变送器100根据工业标准过程通信协议进行通信。而且，在一些实施例中，变送器100可以经由其与过程通信回路的联接来接收用于操作的所有必需电力。因此，压力变送器100包括电力模块118，在一些实施例中，该电力模块联接到过程通信回路，以便向变送器100的所有部件供应合适的操作电力，如标记为“到全部”的附图标记120处所指示的那样。合适的过程通信协议的示例包括可寻址远程传感器高速通道协议、FOUNDATION^TM现场总线协议等。此外，本发明的实施例包括无线过程通信，诸如根据IEC 62591(无线HART)进行的无线过程通信。

控制器122联接到通信电路114以及测量电路124，并且被配置成使测量电路124提供源自压力传感器126的数字指示或测量。这个数字指示被处理或以其他方式操作，以产生过程压力值，控制器122经由通信电路114将该过程压力值通信传送给其他合适的设备。在一些实施例中，控制器122可以是微处理器。本地显示器(诸如显示器112)也可以显示所述过程流体压力或其他合适的量。

本发明的实施例总体上源于对用于高压应用的现有技术的详细分析和深入理解。在描述所标识的问题的各种解决方案中的一些之前，首先描述目前的结构和对其进行改进的机会将是有用的。

图3是根据现有技术的直列式过程流体压力变送器的一部分的图解视图。图3示出了具有过程连接器202的过程部分200，该过程连接器被配置成安装到或者以其他方式联接到经由过程流体入口204进入的过程流体的源。过程流体承靠于隔离隔膜206上，并且过程流体的压力引起隔离隔膜的移动，并且因而引起隔离流体在通路208内的移动。通路208与腔室210以流体方式联接，压力传感器212位于该腔室内。因此，在过程流体承靠于隔离隔膜206上时，这种压力通过填充流体被传送到压力传感器212，该压力在所述压力传感器处被感测。如可见的，隔离体塞214被配置成经由外螺纹216以螺纹方式接合在过程连接器202内。

压力传感器212被安装到集管箱218上。集管箱218经由收缩配合过程而被安装在隔离体塞214中，以将压力传感器212封闭在腔室210内。最后，焊接部220被施加在集管箱218的端部周围，以便将集管箱218结合并且密封到隔离体塞214的上部区域215。如下文将更详细地阐述的，可以改进现有技术的构造。更具体地，据信本文中所提供的实施例将便利于提供高压封壳和集管箱设计，该高压封壳和集管箱设计不仅提供较高的工作压力范围，而且这样做同时还易于制造并具有较高的内部品质。据信这些改进能够解决焊接疲劳和/或玻璃密封压缩，如将在下面更详细描述的。

关于图3所示的现有技术设计在其涉及到可清洁性时可能是一个挑战，部分是由于较深的销阱。当玻璃装配即玻化组件破裂时，这种破裂的玻璃使得较难以从组件中充分清除污染物。用于产生焊接部220(图3中示出)的过程期间出现的高的热应力、结合源自热收缩配合的残余应力，引起了在集管箱体材料中形成表面裂纹。这种裂纹的潜在产生通常要求在封壳制造结束时对所有零件进行100％的目视检查，以防止任何严重开裂的单元进一步进入生产而不被返工或丢弃。焊接过程期间可能出现的另一困难是，对端口实施密封的钎焊料(例如图3中示出的填充管222)由于其靠近于焊接部而被加热到钎焊料大量回流的温度。这是不期望的，并且也不被认为是用于钎焊接头的最佳实践。

在理解先前的设计和由这种设计带来的挑战的情况下，本发明的实施例不仅移除了热收缩配合操作，而且将集管箱/隔离体塞焊接部移动到不太可能有害地影响集管箱玻璃装配(或玻化组装)和/或钎焊的位置。

图4是根据本发明的实施例的用于直列式过程流体压力变送器的高压封壳和集管箱设计的图解视图。系统300与系统200有一些相似性，并且对相似的部件相似地进行编号。如图所示，系统300包括具有过程流体入口204和隔离隔膜206的过程连接器202。另外，隔离体塞314具有靠近隔离隔膜206的第一端315和与第一端315间隔开的第二端317。填充流体通路319将第一端315以流体方式联接到第二端317。隔离体塞314被配置成以与隔离体塞214(图3中示出)接合过程连接器202大致相同的方式来以螺纹方式接合过程连接器202。然而，集管箱318联接到隔离体塞314的方式显著地不同于图3中示出的设计。特别地，集管箱318在靠近于隔离体塞314的第二端317的集管箱焊接部320处焊接到隔离体塞314。在一个实施例中，焊接部320是激光焊接部。在另一实施例中，焊接部320可以是凸焊焊接部。在又一实施例中，焊接部320是激光焊接部和凸焊焊接部的组合。优选地，焊接部320是全熔透焊接部。然而，本文描述的实施例可以在焊接部320是部分熔透焊接部的情况下实现。

焊接部320环绕集管箱318并且将集管箱318密封到隔离体塞314上。因此，集管箱焊接部320是完全地包围即外接于介于集管箱318与隔离体塞314之间的界面的连续焊接部。在双轴支撑环322放置在组件上之前，产生焊接部320。

集管箱318被配置成承载或以其他方式安装压力传感器，从而使得压力传感器能够操作地联接到过程流体压力。集管箱318还包括利用玻璃或另一合适的高压材料加以密封的一个或更多个高压电馈通件。此外，集管箱318还包括填充流体通路，该填充流体通路被配置成允许填充流体在过程流体压力变送器的组装期间被引入到通路319中。

一旦集管箱焊接部320产生，双轴支撑环322在由箭头326指示的方向上滑过集管箱318的外径324，然后向下按压在集管箱318上，直到该双轴支撑环322接触塞314。另外，如由放大的角度328所示，介于集管箱318的外径与双轴支撑环322的内径之间的界面被配置成产生锥形干涉配合并且提供自锁锥角。在一个实施例中，这种自锁锥角是沿轴向上每英尺为在径向方向上约1/4英寸。当双轴支撑环322放置在集管箱318上时，支撑环322在靠近焊接部320并且与集管箱318的上表面间隔开的环状焊接部330处被焊接到隔离体塞314。

图5是集管箱焊接部320的横截面的图解放大视图。箭头350指示焊接部320上的应力集中的部分。另外，箭头352指示大多数焊接缺陷的位置。集管箱径向焊接到封壳塞上，并且被设计成使焊接部完全穿透所述集管箱并且进入所述封壳塞中。通过实现这一点，通过将焊接部的根部(在该处，存在由于焊接部熔透和缺陷导致的较高变化)置于压缩状态来显著地改善焊接部的疲劳寿命。这也通过为关于图3所示出的设计提供较大范围(相比于+/-0.010”为+/-0.020”)的可接受焊接部熔透而有益于制造。此外，该设计通过促成焊接部熔透验证来改进制造，因为视觉检查可以容易地确定焊接部是否熔透到塞特征中。

为了减轻在焊接过程期间的温度暴露，焊接部320的放置和模凹穴D1的深度被设计成使得热载荷与系统的关键部件(诸如传感器、钎焊料和玻璃-金属密封件)充分地隔离。考虑到由D1模凹穴提供的可制造性改进，则在焊接过程期间温度实际上可以相当大地变化。

图6是根据本发明的实施例的作为凹穴深度的函数的温度的图表。期望的是将玻璃温度保持在310摄氏度以下。如可见的，这通常意味着至少0.14”的凹穴深度将达到期望的最高玻璃温度。

图7是根据本发明的实施例的、示出了相对于集管箱焊接部而产生的有益力矩的集管箱焊接部区域的放大图解视图。对于封壳塞设计，几何形状被改进为容纳所述集管箱和所述环，以及通过在介于隔离体塞与集管箱之间的空腔的中心中放置所述集管箱塞焊接部来改善疲劳寿命。在压力加载过程期间，将组装焊接部放置在所述空腔的中部会在焊接部的根部处产生压缩载荷，由此产生一种设计，使得即使在焊接部的根部处具有不完全的焊接部熔透或空隙或其他非理想情况，该设计也能工作。通过优化或改进孔直径和深度，引起了有益的力矩,如图7所示。有益的力矩由箭头370指示，其将焊接部的根部置于压缩状态。据信这将在高压的情况下降低在位置350(如图5所示)处的所述焊接部的应力，且进一步改善疲劳寿命。

图8是根据本发明的实施例的预测故障周期与封壳塞凹部深度的关系的图表。图8示出了集管箱焊接部的疲劳寿命(以预测疲劳周期的形式)与封壳塞凹部深度的关系。通过调整封壳塞凹部深度，则可以显著地改善焊接接头(通常是最薄弱的环节)的疲劳寿命。另外，可以在组装前检查机械加工部件中是否存在可能降低机械加工部件的疲劳寿命的缺陷。

图9是示出根据本发明的实施例的双轴支撑环的特征的横截面图。本发明的实施例的重要元素之一是利用双轴支撑环322。如图所示，双轴支撑环322经由界面327处的锥形压配合而被组装到集管箱318上，这确保了在双轴支撑环322与集管箱318之间的密切接触。如箭头329处所指示的，这种类型的配合为玻璃密封增加了额外的压缩，并且防止受压区域弯曲，两者能够实现较高的爆裂压力和较长的疲劳寿命。所示出的实施例使用1/4英寸/英尺的锥角，该锥角是标准锥角并且提供固有的自锁。自锁接头是表面之间的摩擦系数大于分离所需的回缩力的结果。为了实现这种情况，小于7度的任何角度被认为是“自锁”的。为了最终安装到壳体中，环322在其外径处包含螺纹331，这些螺纹用于将封壳组件安装到变送器壳体中。另外，图9示出了双轴焊接环322，该双轴焊接环具有呈半径形式的边缘断裂部或折边333，该边缘断裂部或折边被配置成在组装期间防止材料犁翻。此外，焊接环322也包括释放部分335，该释放部分具有比集管箱318的外径更大的内径。源自锥形压配合的干涉引起向内的压缩应力，该压缩应力用于通过抵消所述结构的经加压腔室并且为玻璃-金属密封件提供额外的支撑来实现高压能力，由此允许实现较高的压力。为了防止玻璃装配应力或玻化组装应力过大，则环干涉被设计成用于将玻璃的拉伸应力保持在最大可允许拉伸极限以下。由于该锥度，双轴支撑环322还可以承载集管箱318的在轴向方向上的载荷，进一步减小焊接部320上的应力。轴向载荷由箭头323指示。

图10是根据本发明的实施例的FEA最大主应力与环干涉的关系的图表。如图所示，范围从预应力到0.0024的所有环干涉值导致小于最大可允许玻璃装配应力/最大可允许玻化组装应力的FEA最大主应力。因此，据信可以在不会损坏或以其他方式影响玻璃的情况下实现有用的干涉配合。应当注意的是，本文描述的一些实施例是关于特定尺寸而加以描述的。提供这样的描述只是为了示出真实世界的示例和部件的相对大小。本领域技术人员将认识到，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以在各种尺寸和形状方面进行改变。

除了为玻璃-金属密封件提供支撑，双轴环还通过针对内部压力抵消集管箱的弯曲来使得疲劳性能受益。这降低了在集管箱318和集管箱焊接部320两者中的交变应力。为了获得额外的益处，该锥度还允许外部环状焊接部与内部集管箱焊接部之间较为有效的轴向载荷分担，从而进一步提供如上所描述的疲劳寿命。

图11是根据本发明的实施例的FEA预测疲劳寿命与环干涉的关系的图表。如可见的，在0.0024的环干涉的情况下，焊接部的预测疲劳周期超过800000个周期。因此，据信本文所阐述的本发明的实施例将不仅提供较高的工作压力，而且还提供具有改进的功能寿命的更稳健/鲁棒的结构。

图12是示出根据本发明的实施例的源自环状焊接部收缩的压缩预载荷的图解视图。如上所阐述的那样，本文描述的实施例通常提供被焊接到隔离体塞的双轴环。除了保护集管箱焊接部的轴向应变免受内部压力的影响，焊接双轴环还能够实现集管箱和集管箱焊接部在焊接过程之后的冷却期间由于焊接部330的热收缩而被以压缩的方式预加载。焊接部320上的这种压缩预载荷为疲劳和高压保持提供了多得多的额外益处。图12图示了由焊接部330的冷却期间的收缩引起的焊接部330上的拉伸载荷400。这导致焊接部320上的压缩载荷401。

因为双轴环不是过程润湿部件，所以它不受NACE要求的影响。如此，这个部件可以由高强度材料制成，诸如17-4PH或Inconel 718。如果将要使用17-4PH，则推荐进行H1150热处理以提供最高等级的抗腐蚀性、抗应力腐蚀开裂性和可焊性。除了能够承受由干涉配合引起的环向应力的能力，两个配合的表面之间的这种不同的硬度使得压配合免于磨损或脱落。为了进一步降低安装期间材料脱落的风险，将边缘断裂部或折边333(图9中示出)(诸如半径或边缘锥度)机械加工到双轴环322中。据信，由两种软材料(316L-316)构成的压配合会受到严重磨损的影响，从而导致减小和受损的干涉配合。因此，如果锥角稍微不匹配，则这种不同的硬度是有益的，因为较软的材料将弹性地适形于较硬表面的轮廓。

图13是根据本发明的实施例的示出了作为接头干涉的指示物的支座高度的示意性横截面图。本发明实施例的另一益处是，通过测量锥形接合处的支座高度，可以容易地推断出接头的干涉。优选地，使用塞规，可以确定在锥形接合处介于双轴支撑环和隔离体塞之间的支座高度(间隙)。图13是测量在双轴环322与隔离体塞314之间的支座高度的图解视图。在1/4英寸/英尺标准锥度的情况下，环的每0.100”的行程等于0.002”直径干涉。这允许先前知道有效干涉以提供设计的重要度量，该度量可以用于在安装所述组件之前确定干涉是否在期望的范围内。

图14是示出根据本发明的实施例的针对范围从0.0014”到0.0028”的干涉的KSI方面的各种爆裂范围的表格。测试本发明的实施例以相对于干涉的差异来确定爆裂压力。如可见的，即使对于最小干涉，爆裂范围也超过50KSI。

图15是根据本发明的实施例的制造高压封壳和集管箱的方法的流程图。方法500开始于框502处，其中隔离体塞(诸如隔离体塞314(图4中示出))与集管箱(诸如集管箱318(图4中示出))被放置在一起。接下来，在框504处，将隔离体塞和集管箱焊接在一起。这种焊接不仅将隔离体塞和集管箱机械地紧固在一起，还密封了它们之间的界面。一旦集管箱和隔离体塞被焊接在一起，方法500继续进行到框506，其中双轴支撑环(诸如环322(图4中示出))滑过集管箱的外径。如上所阐述的，这个界面是锥形的，以便自锁。在一个实施例中，锥形界面具有每12英寸轴向变化的0.25英寸径向变化。然而，本领域技术人员将认识到，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对锥角作出变化。此外，双轴支撑环和集管箱可以被制成(经由材料选择和/或热处理)具有彼此不同的硬度。接下来，在框507处，安装所述支座以确保必需的干涉量。然后将焊接环按压在集管箱上，直到所述支座高度降至零。

接下来，在框508处，双轴焊接环被焊接到隔离体塞。

尽管已经参照优选的实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将认识到，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上进行改变。如上所阐述，已经针对特定尺寸描述了一些实施例。提供这样的描述只是为了例示真实世界的示例和部件的相对大小。本领域技术人员将认识到，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以在各种尺寸和形状上进行改变。