способ изготовления высокотемпературного пьезоэлектрического датчика давления

Формула изобретения

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ, заключающийся в том, что устанавливают пьезоэлементы на основание, образуя пакет, стягивают пьезоэлементы в тонкостенном кожухе, скрепляемом с основанием, устанавливают основание с пьезоэлементами в корпус, выполненный с мембраной, и производят герметизацию внутренней полости датчика, отличающийся тем, что перед герметизацией внутренней полости датчика корпус с установленным в нем основанием с пьезоэлементами нагревают в защитной среде до температуры, равной рабочей температуре датчика, выдерживают 20 - 30 мин, охлаждают до нормальной температуры, а затем производят герметизацию внутренней полости датчика с помощью сварки корпуса с основанием, при этом время от окончания охлаждения до окончания сварки не превышает 2 ч.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области метрологии и измерительной технике, в частности к способам изготовления высокотемпературных пьезоэлектрических датчиков (давления, вибрации, силы).

Известен способ изготовления пьезоэлектрического вибродатчика [1] путем набора пьезоэлементов и инерционного элемента между ними, последующего стягивания их в кожухе, который укрепляют на монтажном основании и накрывают экраном.

Недостатки способа: в случае негерметичного соединения экрана с основанием датчик неработоспособен в агрессивных средах и при повышенной влажности; в случае герметичного соединения экрана с основанием датчик неработоспособен при высокой температуре (в частности при 700^оС), так как в герметичной полости датчика при высокой температуре резко снижается сопротивление изоляции чувствительного элемента, что приводит к потере выходного сигнала датчика.

Наиболее близким техническим решением является способ изготовления пьезоэлектрических датчиков давления [2] путем установки пьезоэлементов с электродами в тонкостенном колпачке, стягивания стенок колпачка для поджатия пьезоэлементов с последующим привариванием стенок к основанию, установки основания в корпус, откачки внутренней полости и герметизации жестким припоем.

Однако по указанному решению датчик работоспособен только до температуры 300-400^оС, т.к. при более высокой температуре, например при 700^оС, сопротивление изоляции датчика резко снижается до 10² Ом, что приводит к потере выходного сигнала, т.е. датчик становится неработоспособным.

Согласно изобретению в способе изготовления высокотемпературного пьезоэлектрического датчика давления, заключающемся в том, что устанавливают пьезоэлементы на основание, образуя пакет, стягивают пьезоэлементы в тонкостенном кожухе, скрепляемом с основанием, устанавливают основание с пьезоэлементами в корпус, выполненный с мембраной, и производят герметизацию внутренней полости датчика. Перед герметизацией внутренней полости датчика корпус с установленным в нем основанием с пьезоэлементами нагревают в защитной среде до температуры, равной рабочей температуре датчика, выдерживают 20-30 мин, охлаждают до нормальной температуры. Затем производят герметизацию внутренней полости датчика с помощью сварки корпуса с основанием, при этом время от окончания охлаждения до окончания сварки не превышает 2 ч.

Сущность изобретения заключается в следующем. При высоких рабочих температурах происходит выпаривание влаги, выгорание частиц пыли, которые в случае герметичной полости датчика осаждаются на поверхности пьезоэлементов в виде сажи, что приводит к снижению сопротивления изоляции датчика до 10² Ом и к потере выходного сигнала. Нагревание датчика до герметизации его внутренней полости обеспечивает улетучивание выгоревших частиц пыли и влаги через зазор между свариваемыми поверхностями. После охлаждения свариваемые поверхности соединяют и производят их сварку. При этом время после окончания охлаждения до окончания сварки не превышает 2 ч (при хранении в эксикаторе), что ограничивает попадание влаги и пыли внутрь датчика.

Экспериментальные исследования показали, что наиболее оптимальным является время выдержки датчика при рабочей температуре 20-30 мин. Время выдержки более 30 мин не повышает сопротивление изоляции, однако приводит к увеличению длительности техпроцесса сборки. Времени выдержки менее 20 мин не достаточно для достижения стабильного значения сопротивления изоляции.

В результате экспериментального определения зависимости сопротивления изоляции датчика от времени после окончания охлаждения до окончания сварки установили, что время это не должно превышать 2 ч. При большей выдержке датчика с незагерметизированной внутренней полостью, происходит вновь напитывание влаги (несмотря на то, что датчик хранится в эксикаторе), что приводит к снижению сопротивления изоляции загерметизированного датчика при высокой температуре.

На чертеже представлена конструкция высокотемпературного пьезоэлектрического датчика давления, собранного по предложенному способу.

Датчик содержит пьезоэлементы 1 с электродами, основание 2 с герметично запрессованными электрическими выводами 3, кожух 4, корпус 5, силопередающий элемент 6, кабель 7.

Способ осуществляется следующим образом. Пьезоэлементы 1 с электродами устанавливают на основании 2 с герметично запрессованными электрическими выводами 3. Все детали стягивают в тонкостенном кожухе 4, который приваривают по периметру с одного торца к силопередающему элементу 6, с другого к основанию 2. Корпус 4 устанавливают на основание, оставляя зазор между свариваемыми поверхностями А и Б. После этого датчик помещают в огнеупорную печь, заполняют аргоном и повышают температуру до рабочей или близкой к рабочей, выдерживают датчик при заданных условиях 20-30 мин, затем охлаждают датчик вместе с печью до нормальной температуры. При достижении на датчике нормальной температуры соединяют свариваемые поверхности А и Б, производят герметизацию внутренней полости датчика с помощью сварки. По предложенному способу были изготовлены экспериментальные образцы датчика ДПС 007, испытания которых подтвердили возможность создания конструкции датчика, работоспособной при многократном воздействии температуры 700^оС.