测量元件及包括该测量元件的测量装置

技术领域

本公开涉及一种测量元件和包括此种测量元件的测量装置。

背景技术

本部分的内容仅提供了与本公开相关的背景信息，其可能并不构成现有技术。

在煤化工、造纸、水泥等行业的工业生产过程中，当待测量介质(或称为过程介质)为粘稠、高温、强腐蚀性等其他苛刻条件下的物质时，通常采用远传式测量装置来进行测量。远传式测量装置通过远程测量元件使例如腐蚀性的待测量介质与变送器隔离开。远程测量元件可以包括隔片和基体，其中，隔片与基体之间形成填充有工作流体的密封腔。在测量过程中，待测量介质接触隔片，从而例如可以通过隔片两侧上的流体压力变化来进行待测量介质的压力测量或监测。

然而，一方面，由于待测量介质通常具有强腐蚀性，长时间暴露于这种强腐蚀性介质的隔片容易发生损坏而使用寿命缩短。另一方面，由于很多待测量介质为富氢介质，待测量介质中的氢会穿过隔片进入密封腔内并聚集造成压力偏差，从而导致测量装置的测量精度不准确，严重者会出现隔片鼓胀甚至破裂的情况。

因此，急需提供一种改进的测量元件和测量装置。

发明内容

本公开的目的在于提供一种改进的测量元件和测量装置，以实现下述目的中的至少一者：提高测量精度，延长使用寿命，简化安装过程，节约生产成本、扩展应用范围。

根据本公开的一个方面，提供了一种测量元件，包括基体以及隔片，隔片固定地连接至基体，并且隔片与基体之间限定有密封腔，隔片在其背向密封腔的外侧表面上设置有抗腐蚀层并且隔片在其面向密封腔的内侧表面设置有防氢渗透层。

根据本公开的一个方面，所述基体具有围绕所述隔片的外周形成的凸缘，所述凸缘在其内侧限定所述测量元件与待测量介质接触的区域。

根据本公开的一个方面，所述隔片通过电阻缝焊固定地连接至所述基体。

根据本公开的一个方面，所述抗腐蚀层为涂覆在所述凸缘的外侧表面、所述隔片的外侧表面以及所述凸缘与所述隔片之间的接缝区域的外侧表面上的全氟烷氧基烷烃(PFA)涂层。

根据本公开的一个方面，所述防氢渗透层为镀在所述隔片的内侧表面上的镀金层，所述镀金层连续延伸超过所述隔片与所述基体的连接区域。

根据本公开的一个方面，所述镀金层的厚度可以小于等于10微米。

根据本公开的一个方面，所述凸缘上设置有转接件，所述转接件在位于其径向内侧的第一位置固定地连接至所述隔片，并且所述转接件在位于其径向外侧的第二位置固定地连接至所述基体的凸缘。

根据本公开的一个方面，所述抗腐蚀层为涂覆在所述转接件的外侧表面以及所述隔片的外侧表面上的全氟烷氧基烷烃(PFA)涂层。

根据本公开的一个方面，所述防氢渗透层为涂覆在所述隔片的内侧表面上的类金刚石(DLC)涂层或氧化物涂层，所述防氢渗透层连续延伸超过所述隔片与所述转接件的连接区域。

根据本公开的一个方面，所述类金刚石(DLC)涂层的涂覆厚度可以小于等于2微米，所述镀金层的涂覆厚度可以小于等于10微米，所述氧化物涂层的涂覆厚度可以小于等于200纳米。

根据本公开的一个方面，所述凸缘在所述防氢渗透层的径向外端部与所述第二位置之间设置有气凝胶。

根据本公开的另一个方面，提供了一种测量装置，所述测量装置包括上述的测量元件。

根据本公开，提供了具有改进的防氢渗透和抗腐蚀结构的解决方案，在测量元件的隔片的内侧表面和外侧表面分别设置有防氢渗透层和抗腐蚀层，从而在防止隔片被腐蚀损坏的同时阻断穿过隔片的渗透路径。由于抗腐蚀层和防氢渗透层紧贴于隔片并且厚度较薄，因此可以显著提高测量的精确性。此外，由于抗腐蚀层和防氢渗透层分别设置于隔片内外侧表面并且与之形成一体，因此无需在现场进行组装。进一步地，根据本公开的测量元件能够适用于包括真空测量以及小量程测量等各种应用中。

附图说明

通过以下参照附图的描述，本公开的一个或几个实施方式的特征和优点将变得更加容易理解，在附图中：

图1是根据本公开的测量装置的立体示意图；

图2是根据本公开的第一实施方式的测量元件的立体示意图；

图3是根据本公开的第一实施方式的测量元件的横截面示意图；

图4是根据本公开的第一实施方式的测量元件的局部剖视图；

图5是示意性地示出了根据本公开的第一实施方式的测量元件的加工过程的流程图；

图6是根据本公开的第二实施方式的测量元件的横截面示意图；

图7是根据本公开的第二实施方式的测量元件的局部剖视图；以及

图8是示意性地示出了根据本公开的第二实施方式的测量元件的加工过程的流程图。

具体实施方式

下面对优选实施方式的描述仅仅是示例性的，而绝不是对本公开及其应用或用法的限制。在各个附图中，采用相同的附图标记来表示相同或相应的部件，因此相同部件的构造将不做重复描述。

在本文的描述中，为描述的便利，以测量待测量介质的压力/压差的远传式测量装置为例对根据本公开的测量元件和测量装置进行描述。然而，可以理解的是，本公开不以下面的优选实施方式所描述的结构和应用为限，其可以应用于任何可行的结构或应用中，例如，用于测量粘稠度、液位等。同样地，本公开也不以远传式测量装置为限，其也可以应用于任何可行的装置或器件中。此外，应当理解的是，在本申请中，当元件被称为“在……上”或“连接到”另一元件时，它可以直接地位于其他元件上或直接地连接到其他元件，也可以存在中间元件并且间接地位于其他元件上或者通过中间元件间接地连接到其他元件。

图1示出了根据本公开的一个实施方式的测量装置的结构示意图。如图1所示，远传式测量装置1主要包括远程测量元件10、变送器20、及毛细管30。远程测量元件10安装在容纳待测量介质的一侧以用于感受待测量介质的压力并且通过毛细管30将压力传送给安装在远离测量介质的变送器20，从而将测量元件10测量的物理量转换为实际所需的数字量并由变送器20显示出来。由此，远传式测量装置1利用远程测量元件10使例如粘稠、高温、强腐蚀性等苛刻条件下的待测量介质与变送器20隔离开，从而起到保护变送器的作用。

图2示出了根据本公开的第一实施方式的测量元件的立体示意图。如图2所示，根据本公开的测量元件10可以包括基体12和隔片14。在安装状态下，隔片14与待测量介质直接接触。基体12可以具有围绕隔片14的外周延伸的凸缘16。凸缘16可以防止待测量介质向外流动到远离隔片14的区域，由此在凸缘16的径向内侧限定测量元件10与待测量介质接触的区域(以下简称为接液区域)。

隔片14可以通过焊接、烧结等适当的方式固定地连接到基体12。并且隔片14可以具有一个或更多个环形折皱部，使得隔片14可以进行适当的变形或进行局部移位。可替代地，在具有足够厚度的情况下，隔片14上可以设置一个或更多个凹陷部。在本实施方式中，隔片14为大致圆形的片状件并且具有环形的折皱部，然而本领域技术人员应当理解的是，本公开不限于此，隔片及其折皱部或凹陷部可以具有任何适当的形状。

如图2所示，基体12可以具有法兰部122，该法兰部122上可以设置用于连接构件(如连接螺栓)穿过的通孔124。并且，如图3所示，基体12可以在对应于隔片14的部分设置有凹入部126，以便于通过所述隔片14与基体12形成密封腔13。此外，基体12还可以设置有与密封腔13流体连通的通道128。在应用测量元件之前，可以通过流体通道128向密封腔13内注入工作流体，并在注入完成后封闭该流体通道128。密封腔13中可以容置有例如硅酮、油、甘油、丙二醇或任何其它适当的工作流体。在使用中，隔片14在其背向密封腔13的外侧表面接触待测量介质，并且隔片14在面向密封腔13的内侧表面接触工作流体。由此隔片14的外侧表面受到待测量介质的压力并且产生位移，通过密封腔13内的工作流体将此位移量传递给变送器20，从而可以提供过程控制所需的压力参数。

然而，一方面，由于隔片14通常比较薄，待测量介质中的部分元素或成分(例如氢)容易穿过隔片14渗透到密封腔13中，进而可能溶入工作流体中并且形成氢分子H

因此，在本领域中急需一种能够同时解决氢渗和腐蚀作用的方案。现有的一种解决方案是在由蒙乃尔合金400制成的金属隔片上镀金，并且在金属隔片上配置由耐腐蚀材料制成的盖。盖可以由例如全氟烷氧基树脂(PFA)等聚合物制成。盖用以保护金属隔片免于被待测量介质腐蚀。然而，盖可能降低隔片对于由过程流体施加的压力的灵敏度，这可能导致不准确的测量。并且，这种构造也无法适用于真空测量。此外，这种构造需要在现场组装盖和隔片，并且组装操作涉及通过例如油等流体将隔片与盖之间的空气排出，这使得现场操作复杂且容易导致测量误差。

为此，本公开提出了具有改进的防氢渗透和抗腐蚀结构的测量元件。代替使用金属隔片与隔片盖，在根据本公开的实施方式中采用了一体式的防氢渗透和抗腐蚀结构。具体地，隔片14的内侧表面和外侧表面分别设置防氢渗透层和抗腐蚀层，从而在防止隔片被腐蚀损坏的同时阻断穿过隔片的渗透路径。由于抗腐蚀层和防氢渗透层紧贴于隔片并且厚度较薄，因此可以显著提高测量的精确性。并且，抗腐蚀层和防氢渗透层分别设置于隔片内外侧表面并且与之形成一体，因此无需在现场进行组装。进一步地，这种一体式的防氢渗透和抗腐蚀结构能够适用于包括真空测量以及小量程测量等更多种类的应用中。下面将对这种一体式的防氢渗透和抗腐蚀结构具体描述。

在本公开的防氢渗透和抗腐蚀结构中，示例性地采用全氟烷氧基烷烃(PFA)涂层作为抗腐蚀层全氟烷氧基烷烃(PFA)涂层为多层复合涂层，其包括提供附着力的打底层、含有填充物的抗渗透中间层、以及施加到最外层表面并且提供化学侵蚀防护的面漆层。这种多层复合涂层的厚度较厚，具有良好的耐磨性。并且由于全氟烷氧基烷烃(PFA)涂层对绝大部分化学介质是惰性的，能耐受高达260℃长期高温，具有优异的耐化学腐蚀性、卓越的抗渗透性以及出色的热稳定性，因此其能够防止强腐蚀性介质的侵蚀并且甚至能够在高温条件下长期使用。并且，示例性地以镀金层作为防氢渗透层来进行描述。然而，本领域的技术人员可以理解的是，本公开的抗腐蚀层和防氢渗透层不限于全氟烷氧基烷烃(PFA)涂层和镀金层，而是可以根据实际应用而采用例如FEP、PFA、ETFE、PCTFE、ETCFE等氟聚合物涂层或者其它适当的抗腐蚀材料以及不同于金的其他适当的防氢渗透材料来实现抗腐蚀和防氢渗透的目的。

本发明人发现，由于隔片14通常比较薄且镀金层质软，镀金层很容易受待测量介质中的固体颗粒(例如纸浆、碎石块、煤渣等)刮擦而被磨损，因此如果将例如镀金层的防氢渗透层设置在隔片14的外侧表面上，镀金层很容易磨损而失去其预期的效用，从而导致测量元件(乃至测量装置)的抗磨损能力和使用寿命的降低以及测量精度的降低。此外，这种方式需要在隔片14的整个外侧面以及隔片14与基体12之间的区域都镀上金层，这不仅增加了成本，也增加了制造流程，并且不利于后续的运输和保存。

鉴于上述情形，如图3及图4所示，在本公开的实施方式中，将例如全氟烷氧基烷烃(PFA)涂层的抗腐蚀层144设置在隔片14的外侧表面上，并且将将例如镀金层的防氢渗透层142设置在隔片14的内侧表面上。由此，外侧的全氟烷氧基烷烃(PFA)涂层能够经受待测量介质的固体颗粒的磨损而保持其自身性能，同时内侧的镀金层不与固体颗粒接触，不会受到待测量介质中的固体颗粒的影响，从而可以同时提供耐久稳定的抗腐蚀和防氢渗性能。

优选地，全氟烷氧基烷烃(PFA)涂层可以连续延伸覆盖隔片14的外侧表面、凸缘16的外侧表面以及位于凸缘14与隔片14之间的接缝区域的外侧表面。以此方式，可以防止强腐蚀性的待测量介质从隔片的外侧表面以及隔片的径向周缘渗入腐蚀隔片14，并且还可以防止强腐蚀性介质对通常为金属材质的凸缘16造成腐蚀，从而防止凸缘16被损坏而导致待测量介质从凸缘16限定的接液区域向外流动。

防氢渗透层142可以连续延伸超过隔片14与基体12的连接区域(换句话说，防氢渗透层的外径应至少等于或大于隔片14与基体12的连接区域的外径)，以防止在隔片14与基体12之间的连接区域中形成氢渗透路径。可选地，防氢渗透层142可以全面覆盖隔片14的整个内侧面。

下面将结合图5来说明根据本公开的第一实施方式的测量元件的加工过程。如图5所示，首先，在步骤S100中，提供隔片14以及具有凸缘16、凹部126以及流体通道128的基体12。接下来，在步骤S200中，通过电镀工艺或真空镀等常用工艺方式在隔片14的外侧表面上形成例如镀金层的防氢渗透层142。镀金层的厚度可以小于等于10微米，例如镀金层的厚度可以为5微米。然后，在步骤S300中，通过电阻缝焊的方式(或者其它不会导致隔片与基体之间的连接区域中的镀金层损坏的方式)将隔片14的周缘固定地连接至基体12。最后，在步骤S400中，在隔片的外侧表面上形成例如全氟烷氧基烷烃(PFA)涂层的抗腐蚀层144。

根据本公开的测量元件，与在蒙乃尔合金400制成的金属隔片上镀金并且进一步在金属隔片上配置由耐腐蚀盖的方案相比，隔片可以采用例如316L不锈钢等普通金属材质作为基底材料，而无需使用昂贵的蒙乃尔合金400，从而节省了生产成本。进一步地，根据本公开的测量元件通过利用一体式的防氢渗透和抗腐蚀结构可以显著提高测量的精确性、简化安装过程、并且广泛地适用于包括真空测量、小量程测量等各种应用中。

下面参照图6至图8，对根据本公开的第二实施方式的测量元件进行描述。

根据本公开的第二实施方式的测量元件与本公开的第一实施方式的测量元件的结构基本相同，其不同之处在于基体12的凸缘16上设置有转接件18，隔片14通过转接件18固定地连接至基体12。

具体地，转接件18可以在位于其径向内侧的第一位置P1处固定地连接至隔片14，并且转接件18在位于其径向外侧的第二位置P2处固定地连接至基体12的凸缘16。以此方式，通过转接件18将隔片14固定地连接至基体12。优选地，转接件18可以延伸至凸缘16的径向外端部，从而完全覆盖凸缘16，并且优选地，转接件18与凸缘16的连接点(即，第二位置P2)可以位于凸缘16的径向外端部，由此便于进行例如焊接等连接操作。

根据本公开的第二实施方式的隔片14可以在其外侧表面上形成抗腐蚀层144A并且在其内侧表面上形成防氢渗透层142A。

防氢渗透层142A可以包括例如氧化物涂层、镀金涂层或类金刚石(DLC)涂层等具有抗渗透功能的涂层。并且，防氢渗透层142A可以连续延伸超过隔片14与基体12的连接区域，也就是说，延伸超过隔片14与转接件18的连接点(即第一位置P1)，从而使得隔片14与转接件18的连接区域内完全覆盖防氢渗透层，以防止在隔片14与基体12之间的连接区域中形成氢渗透路径。可选地，防氢渗透层142A可以全面覆盖隔片14的整个内侧面。

抗腐蚀层144A可以连续延伸覆盖隔片14的外侧表面以及转接件18的外侧表面，从而可以防止强腐蚀性的待测量介质对通常为金属材质的隔片以及转接件造成腐蚀损坏。

此外，本公开的发明人还发现，尽管大部分的氢会被防氢渗透层142A阻挡，但是仍可能存在极少量的氢会穿过防氢渗透层142A进入密封腔13。为此，可以在第二位置P2与防氢渗透层的径向外端部之间设置气凝胶。气凝胶可以用于吸附和存储氢气，从而进一步提高测量元件及测量装置的使用寿命。

下面将结合图8来说明根据本公开的第二实施方式的测量元件的加工过程。首先，在步骤S100A中，提供隔片14以及具有凸缘16、凹部126以及流体通道128的基体12。接下来，在步骤S200A中，通过例如电阻缝焊、TIG焊等适当的方式将转接件18在位于其径向内侧的第一位置P1处固定地连接至隔片14。然后，在步骤S300A中，在连接至转接件18的隔片14的内侧表面上形成例如氧化物涂层、镀金涂层或者DLC涂层等具有抗渗透功能的涂层。接着，在步骤S400A中，将转接件18在位于其径向外侧的第二位置P2处通过例如焊接等方式固定地连接至基体12的凸缘16。最后，在步骤S500A中，在转接件18和隔片14的外侧表面上施加抗腐蚀涂层。

在根据本公开第二实施方式的测量元件中，隔片14通过转接件18而非直接地连接至基体12，从而使得设置在隔片14内侧表面上的防氢渗透层能够被更完好地保持，由此可以进一步提高测量的精确性。并且，即使对于例如DLC涂层或氧化物涂层等非常容易因焊接受损的涂层而言，也能够适用于根据本公开第二实施方式的测量元件。由于氧化物涂层可以仅具有纳米尺寸的厚度，例如200nm左右的厚度，并且DLC涂层也可以仅具有2um左右的厚度，因此在隔片14的防氢渗透涂层由氧化物涂层或DLC涂层形成的情况下，可以进一步减小隔片14的厚度并且由此进一步提高测量的精确度。当然，本领域技术人员应当理解的是，氧化物涂层和DLC涂层的厚度不限于上述数值，而是可以根据实际应用而改变。

通过上面的分析可以理解的是，根据本公开的测量元件和测量装置能够提高测量精度、延长使用寿命、简化安装过程、节约生产成本并且扩展应用范围。

在此应当指出的是，在本公开中示例性的描述了测量元件用作测量装置的远程测量元件，但是本领域技术人员应当理解的是，本公开不限于此，测量元件可以根据实际情况为不同于远程测量元件的其他测量元件，例如测量装置内部的测量元件。

尽管在此已详细描述了本公开的各种实施方式，但是应该理解，本公开并不局限于这里详细描述和示出的具体实施方式，在不偏离本公开的实质精神和范围的情况下可由本领域的技术人员实现其它的变型和改型。所有这些变型和改型均落入本公开的范围内。