專利名稱：高壓防漏防爆電容探頭的制作方法
技術領域：
本發明涉及用來測量所需參數例如電容的探頭和探頭本體。更具體地說，本發明涉及一種這種類型的探頭和探頭本體，它被用來測量電容以便檢測壓力容器中液體的高度，再更具體地說，涉及一種防漏的探頭，在一個實施例中該探頭是防爆的。
在工業計量中，電容通常被用來確定容器中液體平面的高度，尤其是在密閉的容器中。測量電容的一個方法是使用高軸型平板電容器。同軸型平板電容器利用一傳導探頭作為同軸電容的中心板。這種傳導探頭通常是一絕緣的圓柱金屬棒(中心或探頭棒)，用來測量導電液體的平面高度，容器壁作為電容器的第二個極板，而被測液體作為電介質。同軸型平板電容器的電容由下式給出C=2×π×E×Lln(IoI1)]]>此外，C＝電容;
ε＝介質常數(對空氣為1.000590);
L＝被探頭棒同心浸入的長度;
γ0＝容器外壁內側的半徑;以及γ1＝金屬探頭棒的半徑。
在容器中物質的存在在形成一用液體作電介質的同軸型平板電容器。因此，如果知道容器中物質的介質電常數，通過測量電容C，就能確定容量中物質的水平高度。探頭通過合適的電連接連接到電容測量電路上。在測量電容時，電容探頭本身的較低的內在電容是希望的，以便更精確地測量出由液體平面的變化引起的整個電容的變化。
通常的電容探頭使用金屬固定密封蓋把探頭棒固定在容器以及電子設備的殼體上。固定蓋的內部部分包括(1)壓力密封系統;以及(2)探頭棒保持系統。探頭本身通常是一個包裹在聚四氟乙烯(PTFE)或其它合適的聚合物中的金屬桿。探頭桿必須穿過金屬固定蓋而不以金屬接觸。
參見
圖1，一種現有的電容探頭包括一個旋進固定蓋12中的密封蓋10。中心桿或探針桿14從電子設備殼體(未示出)通過金屬密封蓋10和固定蓋12延伸進入容器(未示出)。中心桿14包括一個旋進下桿15的上桿13。因為固定蓋12是電氣連接到容器壁的，中心桿14必須與固定蓋12絕緣，以便獲得精確的電容讀數。因此，下部包層16包圍下桿15，上部包層17包圍上桿13，包層16、17一般由PTFE構成，雖然其它聚合物也可使用。一個固定體PTFE蓋或塞19隔離下桿15的端部，并與下包層16呈熱連接。
在固定蓋12的內部有一密封錠料18、它壓緊下包層16以便形成壓力密封。密封錠料18包括上部20和下部22。在密封蓋10和固定蓋12上攻有螺紋使得密封蓋10通過PTFE墊圈26和金屬墊圈28對著錠料擰緊。當密封蓋10被擰緊時，密封錠料18的下部22對下包層16施加壓力，形成徑向壓力密封。
然而，PTFE和其它聚合物在壓力下發生冷流，因此，下包層16可以冷流進入與密封錠料18下部22接合的區域，這種冷流(Coldflow)減少了壓力密封因而形成泄漏。在下包層16和上包層17內的上下金屬墊圈24也發生變形。
這些變形就要求定期地擰緊密封蓋10以便保持壓力。隨著重復地擰緊，下包層16就流向分離點而使密封破壞。
電容探頭碰到的第二個困難是中心桿14在流體壓力下的保持，為解決這個問題，現有的電容探頭包括一個或多個置于槽內的金屬墊片24，它位于固定蓋12內的中心桿14上有螺紋的結合處。錠料18作成兩個分開的部分而不是一個，以便增強金屬墊片24的壓縮。流體靜壓力朝向上方向作用于金屬墊片24，使其壓緊錠料18的上部20。雖然中心桿14由于金屬墊片24的外徑大于密封蓋10的內徑而被保持住，上部20的冷流仍可發生。因此，希望有一種能夠減少或消除電容探頭的PTFE冷流的電容探針。
此外，需要有一種符合國家防火協會在國家電氣規則手冊中規定的標準的電容探頭和探頭本體。
最后，希望有一種具有低的內部電容的探頭和固定蓋裝置，因為補償大的內部電容是困難的。
按照本發明，提供了一種電容探頭和探頭體。按照本發明的另一方法，提供了一種防爆的電容和探頭和探頭體。
按照本發明的一個實施例，所提供的電容探頭包括一個固定蓋，其上有一個延伸貫通的縱向鏜孔。縱向鏜孔具有一標稱直徑和一擴大的部分，擴大的部分限定了一填料函和一個填料函底。金屬中心桿通過固定蓋鏡孔延伸，并有一個絕緣包層包圍中心桿的下部并伸進填料函。在中心桿和固定蓋之間提供一個用來密封填料函的結構并用來使中心桿與固定蓋電氣上絕緣。還提供了一種用來防止中心桿相對于固定管沿縱向移動的結構。
用來密封填料函的結構可以包括幾個由合適材料例如PTFE制成的壓縮變形的V形密封環，它裝于與鏜孔同軸的填料函內并包圍桿的縱向部分。提供一種對著填料函底壓縮V形密封環的結構，例如可用螺紋把固定蓋固定在密封蓋上，并伸進填料函中。
用于阻止縱向運動的結構包括一個在中心桿內的圓周槽，設在中心桿在填料函的安置處，以及一個置于圓周槽內的保持墊片，它具有比鏜孔的公稱直徑大的外徑。
按照本發明的另一個實施例，提供了一種防爆電容探頭。它包括有一貫穿的縱向鏜孔的固定蓋，固定蓋有一和鏜孔同軸的空腔，在固定蓋的另一端有一和鏜孔同軸的填料函，它在縱向上用固定蓋中心肋板和空腔分開。提供防爆密封結構用來使空腔密封，從而在空腔內提供一火焰通路(flame path)密封。金屬中心桿伸過鏜孔。在中心桿下部有絕緣包層。提供一種用來密封中心桿和固定蓋之間的填料函的結構，并用于中心桿和固定蓋之間的電氣絕緣。
還提供了一種用于阻止中心桿相對于固定蓋作縱向運動的結構。
在一個實施例中，用來密封填料函的結構包括幾個可壓縮變形的V形密封環，它們位于填料函內，并且和鏜孔同心，包圍著桿的縱向部分，提供一種用來對著固定蓋中央肋板壓縮V形密封環的結構，例如用一密封蓋，它可以用螺紋固定在固定蓋以及填料函的一端。
防爆密封結構包括一個剛性非導電的聚合物火焰通路密封物質，形成一個從固定蓋中心肋板向固定蓋的空腔端延伸的塞子。最好是使這個塞子基本上填滿空腔。防爆密封結構還包括一防松螺帽，置于火焰通路密封材料中，確保金屬中心桿和空腔和至少一個壁上的凸起部分機械地與火焰通路密封材料接合。
在一個實施例中用來防止防爆電容探頭作縱向運動的結構是前述的防爆密封結構。
上述的探頭和探頭體減少或消除了包圍導電探頭桿的絕緣包層的冷流。此外，絕緣材料(通常為PTFE)的冷流按照本發明被減少或消除了。在一個實施例中，裝在固定蓋內的PTFE包層的端部有一90°的彎邊，它是通過在固定在固定蓋內時把彎邊的包層彎折90°制成的，以便與填料函的內部接合。填料函含有嵌套的V形密封環和V形迭層端環;它們擠在一起發生變形，形成填料函空腔并在聚合物和金屬之間形成由壓力導致的密封。
本發明的探頭能經受高壓而不需定期擰緊。
在本發是有的另一個實施例中，火焰通路密封與蓋體作成一個整體，從而使電容探頭應用于防爆場合。
本發明的兩個實施例的內部電容都比現有的探頭低。這種低的內部電容容易在所述電路中補償。
圖1是先有技術電容探頭的剖面圖;
圖2是本發明的一個實施例的剖面圖;
圖3是圖2實施例的分解剖面圖;
圖4是本發明第二實施例的剖面圖;
圖5是圖4的實施例的分解的剖面圖;
圖6是用在本發明實施例中的V形密封環的頂剖透視圖;以及圖7是用在本發明實施例中的V形密封環的底部透視圖。
現在參見圖2和圖3，那里說明了本發明的一種高壓防漏電容探頭11。電容探頭11包括探頭體21和導電探頭桿或中心桿40。探頭體21限定了一個貫通的鏜孔，其中裝著探頭桿40。探頭體21包括固定蓋30。密封蓋60和下述的其它元件。除非另有說明，探頭11的所有元件對于其縱向中心線是軸向對稱的。圓柱形的固定蓋30有外下方螺紋32，外上方螺紋34和內上方螺紋35。下螺紋35用來在容器(未示出)內固定電容探頭。蓋30有一六角形的縱向外表面以便利于在容器上固定。上螺紋34用來在電子設備殼體(未示出)上固定電容探頭。由上螺紋35與密封蓋60的螺紋35′配合。貫通的鏜孔36通過固定蓋30的長度。蓋30限定了一個圓柱形填料函38，它和鏜孔36有一公共軸線并且其半徑比鏜孔36的半徑大，通過固定蓋30的上部。
用導電金屬制成的中心桿40被用作同軸電容器的中心極板，中心桿40包括一圓周槽41，它圍繞中心桿40的整個圓周延伸，如圖所示。中心桿40與固定蓋30是電絕緣的，如下所述。下部包層42使中心桿40和固定密封蓋30絕緣開來。下部包層42由合適的絕緣聚合物制成，例如PTFE。固體PTFE帽或塞子43絕緣中心桿40的端部并合適地與下部包層42相連，例如通過熱連接相連。下部包層42有一彎邊端44，與下包層42的長度垂直。當被放進固定蓋30內時，包層42的彎邊端44與填料函38的底38a相接。
PTFE彎邊端44是由PTFE管在一個夾具中熱成形制成的，從而形成具有大約75°彎邊的PTFE管。由PTFE管制成和下包層42的其余部分精確地成90°角的彎邊端是困難的。因此，彎邊端44不是逐漸彎成90°角，而是先制成一初始角，例如76°(即在下包層42和彎邊端44之間成105°角)。當電容探頭裝配時，借助在固定密封蓋30內擰緊密封蓋60來在彎邊端44上施加壓力，從而實現90°角的彎邊。當彎邊端44與下包層42之間成90°角時，彎邊端44的外徑緊密地配合在填料函38的內徑內。此外，也可使用預先制成的具有90°彎邊的PTFE管。
中心桿40被放進下包層42內然后通過固定蓋30的鏜孔36。用PTFE做的V形密封環46圍繞澡心桿40放置并用來提供可靠的密封，這是因為它們的幾何形狀使得它們在壓力下變形。V形密封環46是通常用于閥門密封的那種類型的。V形迭層端環48、50提供了一個接合端部44和位于V形迭層端環50上方的壓力墊圈52的平面端面。
參見圖6和圖7，本發明所用的V形密封環46被說明。V形密封環46包括一個頂端118和底端120。頂端118是向上的錐形。底端120也是朝向上方的錐形。頂端118和底端120的形狀是互易的，即V形密封環46是借助于把一個V形密封環46直接放在第二個V形密封環46的頂部118的頂上而造成的。在壓縮時，頂端118和底端120趨于展平，結果，V形密封環46的內部122被朝向填料函38內的中心桿40推進。類似地，V形密封環46的外側124對著固定蓋30被向外推進。
壓縮墊圈52由密集的非導電材料制成，例如壓制纖維或G·E·Ultem1000，壓縮墊圈52位于相對于中心桿40剛好在槽41的下面。金屬保持墊圈54是一個在槽41內圍繞中心桿40的開口環。保持墊圈54的外徑大于密封蓋60的內徑和鏜孔36的直徑，以便當密封蓋跟隨墊圈58失效時保持中心桿40。其次，外墊圈56可用與壓縮墊圈52相同的材料制成，并置于保持墊圈54的周圍。密封蓋跟隨墊圈58可由和壓縮墊圈52和外墊圈56相同的材料制成，并圍繞中心桿40設置。蓋跟隨墊圈58為密封蓋60提供一個支撐面。然后繞中心桿40安置上包層62(也由PTFE制成)，用來在密封蓋60被旋進固定密封蓋30之內時提供與密封蓋60的電絕緣。
最后，密封蓋60被置于中心桿40和上包層62的上方。然后把密封蓋60旋進填料函38的上部。隨著密封蓋60被擰緊，它向下推蓋跟隨墊片58。蓋跟隨墊片58接著向下推保持墊睡54和外墊片56。因為保持墊片54位于槽41內，它就向下推中心桿40。保持墊片54和外墊片56也向下推壓縮墊片52使其進入上端V形密封環50內。因此V形密封環46擴展，從而產生有效的密封。下包層42的端面44保持靠緊填料函38的下部。用這種方式，電容探頭在中心桿40和固定蓋30之間被密封并與固定蓋30電絕緣。
因為沒有PTFE可以進入的空腔，探頭的PTFE的冷流被減小、或消除了、而且唯一受壓的PTFE部分是下包層42的彎邊端44。然而，流體靜端力(hydrostatic end forces)趨于釋放這一壓縮，從而減少PTFE冷流的任何可能性。在先有技術的電容探頭中，流體靜端力在某些區域內增加PTFE的壓力，因而增加了冷流的可能性。
除去提供有效的密封之外，電容探頭11有效地保持了中心桿40不得相對于探頭體21沿縱向運動。中心桿40被保持定位是因為保持墊圈54約束著中心桿40的槽41。因此，中心桿40只能垂直移動到保持墊圈54垂直移動的程度。因為保持墊圈54約束著蓋跟隨墊圈58，并且蓋跟隨墊圈58由有螺紋的密封蓋60定位，中心桿40就不能相對探頭體21垂直向上移動。端部44約束在填料函38的下部，結合消除PTFE的冷流，從而阻止中心桿40相對于探頭體21有任何向下垂直移動。
因為中心桿40和蓋30、60較短的軸向長度以及探頭11的介電部分(即中心桿40和固定蓋30之間的部分)的較大的直徑，以及在保持墊圈54和密封蓋60之間的較大的間隔(和圖1中密封蓋1和金屬墊圈24之間的間隔比較)，內在探頭電容比現存的電容探針大大減小了。因為本發明具有低的內在探頭電容，可獲得更精確更可靠的液面測量。
本發明的另一個實施例可以應用于防爆場合。圖4說明了本發明的一個防爆電容探頭66、探頭66包括一個中心桿或探頭桿68以及探頭體67。探頭體67包括一個圓柱形的固定蓋70，它有下部螺紋72和上部螺紋74，下部螺紋72用來把電容探頭固定在容器中(未示出)。上部螺紋74用來把電容探頭安裝在電子設備殼體上(未示出)。一個貫通的鏜孔76穿過固定蓋70的長度。圓柱形的填料函78限定了一個擴大的鏜孔部分76′并且和孔76有一公共軸線和比孔76較大的半徑，孔76被固定蓋70的下部限定并通過其延伸。由固定蓋70限定的填料函78有螺紋用來接收密封蓋80。
提供一圓柱形空腔82，在其壁上有凸起部分，在本實施例中為平頭螺紋83。空腔82限定一個擴大的孔部分76″并和孔76有一公共軸線并比孔76大的半徑，孔76被固定蓋70的上部限定并延伸通過固定蓋70的上部。被保留的中心肋板84把有螺紋的空腔82和填料函78分開。本實施例的中心桿68包括一個測試桿86和一個擰進測試桿86中的有螺紋的桿88。在被保留的中心肋板84內的有螺紋的桿88的部分上沒有螺紋。
雖然在此實施例中中心桿由兩桿構成，但是它也可以作成一件。分成兩件的優點在于測試桿86具有比螺紋桿88大的半徑。因為容器的半徑大于中心桿的半徑，較大的中心桿半徑會產生更精確的電容測量。如果整個中心桿都有這一較大的半徑，探頭將有一個大的內在電容，因此，螺紋桿88有一相對小的直徑而測試桿86有較大的半徑。
在填料函78內對著被保留的中心肋板84放置一高密度的非導電頂部墊圈90，它可以由例如壓縮纖維或G·E·Ultem1000構成，并且有供穿過螺紋桿88的通孔。一個金屬的內側墊圈92緊鄰頂部墊圈90放置。由和頂部墊圈90相同的材料做成的外側墊圈94包圍住內側墊圈92。由和頂墊圈90和外側墊圈94相同材料制成的底墊圈96與內側墊圈92和外側墊圈94相鄰放置。底墊圈96有一容納測試桿86的光孔。金屬的內側墊圈92被密的非導電材料保持，該材料具有高的抗剪切性并對產生的流體靜端力有優良的抗靜負荷形變特性。這種抗力被整個火焰通路密封體增強，如下所述。V形密封環98圍繞測試桿86放置，V形堆迭端環100、102也是如此。V形堆迭端環100和102提供一個分別和底墊圈96以及包層106的端部104接合的平面。
包層106使測試桿86絕緣。包層106可以用PTFE或類似的聚合物制成。固體的PTFE蓋107絕緣測試桿86的端部并且熱連結到包層106上。包層106的端部104彎成一個角度，和前述實施例中的包層42的端部44的方式相同。金屬密封蓋跟隨墊圈108約束端部104。最后，密封墊圈蓋80被擰進填料函78的下部。
螺紋桿88被旋進測試桿86，一個可用PTFE制成的包層環112然后被放置在螺紋桿88的周圍。在螺紋空腔82的大致中心處，一對防松螺母114被旋在螺紋桿88上。然后螺紋空腔82被充以可接受的火焰通路密封材料116，一般是一種剛性非導電的聚合材料。火焰通路密封材料116可以是混有Catalyst No.11的Epoxy No.2850FT-FR，它們可從Emerson＆Cuming，Dewey＆AlmyChemical Division，W.R.Grace＆Co.，Canton，Masschusetts買到，或是另外的合適的粘合劑或環氧樹脂。在螺紋空腔82內的平頭螺紋83提供火焰通路密封材料與蓋70的機械連接。放松螺母114放在材料116中阻止桿88相對于蓋70作縱向移動。材料116最好以流體的形式放入空腔82內，并且然后適當的彎曲或固體。這就確保了材料116、空腔82、桿88以及防松螺母114之間的緊密接觸與配合。
包層端部104由金屬蓋跟隨墊圈108保持為平面壓縮狀態。因此PTFE沒有可以發生冷流的空腔，而且，流體靜端力趨向釋放該點的任何PTFE壓力。V形密封環98提供緊密的密封。不需定期擰緊來補償冷流。因為密封蓋80不需要重擰，密封蓋80可以被置于現有探頭不能放置的區域內。例如，密封蓋80可以放容器內部。
導線117適當地在固定蓋70上并作為參考地。第二導線119與探頭桿88電氣相連，也與電子電路板(未示出)相連。墊圈121和螺栓123加強線119和探頭桿68的連接。
測試桿86和螺紋桿88由火焰通路密封材料116與螺紋空腔82的平頭螺紋83和防松螺母114接合，在爆炸時防止被逐出。為了更安全，被保留的中心肋板84的內徑明顯地小于防松螺母114的直徑和內墊圈92的直徑。
雖然本發明結合實施例被描述了，應該理解，對于本領域的技術人員可以提出各種改變和改型，應該注意，本發明包括落在權利要求范圍之內的這些改變和改型。
權利要求
1.一種電容探頭，包括一個具有縱向貫通鏜孔的固定蓋，所述縱向鏜孔有一標稱直徑和一擴大的部分，擴大的部分限定一個填料函和一個填料函底；一個延伸通過所述固定蓋鏜孔的金屬中心桿；一個延伸進所述填料函并包圍所述中心桿下部的絕緣包層；用來密封中心桿和固定蓋之間的填料函并使中心桿和固定蓋電氣絕緣的密封裝置；以及用來阻止所述中心桿相對于所述固定蓋縱向移動的裝置。
2.如權利要求1的探頭，其中所述密封裝置包括幾個可壓縮變形的V形密封環，它們含在所述填料函內，與所述鏜孔同軸并包圍所述桿的縱向部分;用來壓縮所述V形密封環靠緊所述填料函底的裝置。
3.如權利要求2的探頭，其中所述壓縮裝置包括一密封蓋，它與所述固定蓋相連，并且伸入所述填料函內。
4.如權利要求3的探頭，其中所述填料函有螺紋用來接收所述固定蓋。
5.如權利要求1的探頭，其中所述用來阻止縱向移動的裝置包括在所述中心桿處于所述填料函內的部分上的一個圓周槽;置于所述圓周槽內的一個保持墊圈，它有比所述鏜孔的標稱直徑大的外直徑。
6.如權利要求5的探頭，其中所述用來阻止縱向移動的裝置還包括一個密封蓋跟隨墊圈，用來約束所述保持墊圈;以及一個密封蓋，用來朝著填料函底壓縮所述密封跟隨墊圈。
7.一種防爆電容探頭，包括具有一縱向貫通鏜孔的固定蓋，所述固定密封蓋的一端有一與所述鏜孔和填料函同軸的空腔，所述固定蓋的另一端與所述鏜孔同軸并且沿縱向被一固定蓋中心肋板與所述空腔分開;用來密封所述空腔的防爆密封裝置，以便在所述空腔內提供火焰通路密封;延伸通過所述鏜孔的金屬中心桿;包圍所述中心桿下部的絕緣包層;用來密封中心桿和固定蓋之間的填料函并使中心桿和固定蓋電氣絕緣的裝置;用來阻止中心桿相對于所述固定蓋縱向移動的裝置。
8.如權利要求7的探頭，其中所述用來密封填料函的裝置包括幾個可壓縮變形的V形密封環，它們包含在所述填料函內，與所述鏜孔同軸，并包圍著所述桿的縱向部分;以及用來壓縮所述V形密封環使其靠緊所述固定蓋中心肋板的裝置。
9.如權利要求8的探頭，其中所述壓縮裝置包括一密封蓋，它與所述固定蓋相連并且伸進所述填料函內。
10.如權利要求9的探頭，其中所述填料函內有用來接收所述密封蓋的螺紋。
11.如權利要求7的探頭，其中所述防爆密封裝置包括一種剛性的非導聚合物火焰通路密封材料，它形成一個塞子，從固定蓋中心肋板向固定蓋的空腔端延伸。
12.如權利要求11的探頭，其中所述塞子充滿所述空腔。
13.如權利要求11的探頭，其中所述防爆密封裝置還包括置于火焰通路密封材料內的防松螺母，它與所述金屬中心桿相連;以及其中所述空腔至少具有一個有凸起的空腔壁，用來在機械上約束所述火焰通路密封材料。
14.如權利要求11的探頭，其中所述火焰通路密封材料是環氧樹脂。
全文摘要
一種低內在電容探頭系統，用來測量電容以便檢測壓力容器內液體平面的高度，包括一個高壓中心桿保持系統以及設在其固定蓋內的防爆火焰通路密封。該系統減少或消除了探頭內的PTFE的冷流，并不用定期緊固。
文檔編號G01N27/22GK1111346SQ9411539
公開日1995年11月8日 申請日期1994年9月16日 優先權日1993年9月17日
發明者格瑞·G·山德斯, 布瑞納·C·高格, 巴特·里若·伯斯 申請人:本伯斯公司
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