капсула датчика давления

Формула изобретения

1. Капсула, присоединяемая к жидкостному изолятору, содержащая

стенку капсулы, имеющую жидкостное впускное отверстие, присоединяемое к жидкостному изолятору, выводное окно и внутреннюю поверхность уплотнения, окружающую выводное окно,

жидкость изолятора, удерживаемую стенкой капсулы и передающую давление из жидкостного изолятора,

датчик давления в пределах стенки капсулы, который включает в себя чувствительный элемент, электрические контакты, размещенные на чувствительном элементе и печатные проводники схемы, присоединенные между электрическими контактами и чувствительным элементом, и

элемент изоляции напряжений, имеющий выводное отверстие, перекрывающее электрические контакты, и имеющий первую поверхность элемента, прикрепленную к датчику давления, и вторую поверхность элемента, прикрепленную к поверхности уплотнения.

2. Капсула по п.1, в которой датчик давления выполнен из хрупкого материала, стенка капсулы выполнена из металла, а элемент изоляции напряжений выполнен из материала изоляции напряжений с температурным коэффициентом расширения, который, по существу, такой же, как температурный коэффициент расширения датчика давления.

3. Капсула по п.2, в которой материал изоляции напряжений содержит керамический материал на основе нитрида кремния.

4. Капсула по п.2, в которой материал изоляции напряжений содержит электрически-изолирующий материал.

5. Капсула по п.1, в которой датчик давления содержит чувствительный материал, а элемент изоляции напряжений содержит материал изоляции напряжений, имеющий температурный коэффициент расширения, который является промежуточным между температурными коэффициентами расширения материала датчика и материала стенки капсулы.

6. Капсула по п.1, дополнительно содержащая стеклокерамический припой, прикрепляющий первую поверхность элемента к датчику давления.

7. Капсула по п.1, дополнительно содержащая легкосплавный припой, прикрепляющий первую поверхность элемента к датчику давления.

8. Капсула по п.1, дополнительно содержащая легкосплавный припой, прикрепляющий вторую поверхность элемента к стенке капсулы.

9. Капсула по п.1, дополнительно содержащая материал твердосплавного припоя, прикрепляющий первую поверхность элемента к датчику давления.

10. Капсула по п.1, дополнительно содержащая материал твердосплавного припоя, прикрепляющий вторую поверхность элемента к стенке капсулы.

11. Капсула по п.1, дополнительно содержащая сварной шов, прикрепляющий вторую поверхность элемента к стенке капсулы.

12. Капсула по п.1, в которой стенка капсулы содержит крышку, прикрепленную к крышке сварным швом.

13. Капсула по п.12, в которой крышка содержит тонкий элемент, который является прогибаемым, чтобы обеспечивать защиту от избыточного давления для датчика давления.

14. Капсула по п.1, в которой жидкостный изолятор соединен с жидкостным впускным отверстием трубкой.

15. Капсула по п.1, в которой жидкостный изолятор смонтирован на стенке капсулы.

16. Капсула по п.1, в которой стенка капсулы содержит герметизируемое окно для приема изоляторной жидкости.

17. Капсула по п.1, в которой изоляторная жидкость содержит кремнийорганическое масло.

18. Капсула по п.1, в которой датчик давления включает в себя первую и вторую прокладки, скрепленные вместе, первая и вторая прокладки являются сформированными в виде диафрагмы, покрывающей полость датчика, находящуюся внутри датчика давления.

19. Капсула по п.18, в которой диафрагма включает в себя ограничители чрезмерного давления, выступающие в полость датчика, которые подпирают диафрагму при условиях чрезмерного давления.

20. Капсула по п.18, в которой стенка капсулы включает в себя дренажное

отверстие, элемент изоляции напряжений включает в себя дренажную перемычку, а датчик давления включает в себя дренажный перепускной канал, проходящий из полости датчика в дренажную перемычку.

21. Капсула по п.18, в которой элемент изоляции напряжений образует единственную компактную зону монтажа между датчиком давления и оборудованием его монтажа.

22. Капсула по п.18, в которой части датчика давления, которые лежат снаружи элемента изоляции напряжений, подвешены в жидкости и не подвергаются приложению какого бы то ни было воздействия монтажной арматуры.

23. Капсула по п.18, в которой элемент изоляции напряжений является удлиненным.

24. Капсула по п.1, в которой чувствительный элемент расположен с промежутком от соединения датчика давления с элементом изоляции напряжений.

25. Капсула по п.24, в которой элемент изоляции напряжений имеет коэффициент теплового расширения вблизи датчика давления, который соответствует коэффициенту теплового расширения датчика давления, и коэффициент теплового расширения, вблизи поверхности уплотнения, который соответствует коэффициенту теплового расширения поверхности уплотнения.

26. Капсула по п.25, в которой элемент изоляции напряжений содержит набор металлических шайб с переменными коэффициентами теплового расширения.

27. Капсула по п.18, в которой элемент изоляции напряжений имеет фасонную форму, которая улучшает изоляцию напряжений.

28. Капсула по п.27, в которой фасонная форма выбрана из группы: придающего жесткость ребра, канавки, конусной стенки, которая сходит на конус от более толстой зоны, прилегающей к датчику давления, к более тонкой зоне, прилегающей к поверхности уплотнения, и конусной стенки, которая сходит на конус от более тонкой зоны, прилегающей к датчику давления, к более толстой зоне, прилегающей к поверхности уплотнения.

29. Капсула датчика давления, содержащая

стенку капсулы, имеющую жидкостное впускное отверстие, выводное окно и внутреннюю поверхность уплотнения, окружающую выводное окно,

элемент впускного отверстия, передающий давление в жидкостное впускное отверстие,

датчик давления в пределах стенки капсулы, включающий в себя чувствительный элемент, электрические контакты, размещенные на чувствительном элементе и печатные проводники схемы, присоединенные между электрическими контактами и чувствительным элементом, и

элемент изоляции напряжений, имеющий выводное отверстие, перекрывающее электрические контакты, и имеющий первую поверхность элемента, прикрепленную к датчику давления, и вторую поверхность элемента, прикрепленную к поверхности уплотнения,

при этом элемент изоляции напряжений соединен с датчиком напряжений в единственной зоне сопряжения так, что остальная часть датчика подвешена в пределах капсулы.

30. Капсула датчика давления по п.29, в которой датчик давления выполнен из чувствительного материала, а элемент изоляции напряжений выполнен из материала изоляции напряжений с температурным коэффициентом расширения, который по существу такой же, как температурный коэффициент расширения материала датчика.

31. Капсула по п.30, в которой материал изоляции напряжений содержит керамический материал на основе нитрида кремния.

32. Капсула по п.29, в которой стенка капсулы содержит крышку, прикрепленную к крышке сварным швом.

33. Капсула по п.29, в которой элемент изоляции напряжений образует единственную компактную область монтажа между датчиком давления и оборудованием его монтажа.

34. Капсула по п.29, в которой части датчика давления, которые лежат снаружи элемента изоляции напряжений, подвешены в жидкости и не подвергаются приложению какого бы то ни было воздействия монтажной арматуры.

Описание изобретения к патенту

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Преобразователи давления и другие инструментальные средства измерения давления включают в себя датчик, который измеряет давление в технологической текучей среде. Датчик давления передает электрический выходной сигнал по выводам в электрическую схему, которая вырабатывает выходной сигнал преобразователя давления (или измерителя давления) в стандартизованном электрическом формате.

Есть потребность получать электрический выходной сигнал датчика давления по существу свободным от погрешностей, обусловленных влиянием среды, окружающей датчик давления. На практике, однако, изоляция датчика давления от его окружающей среды затруднена и имеет результатом значительные и дорогостоящие конструкции монтажной арматуры для датчиков давления.

Погрешности могут быть внесены воздействиями напряжений на датчик со стороны монтажной арматуры, со стороны электрических выводов, и со стороны высокотемпературных технологических текучих сред, которые передают температурные градиенты. Погрешности также могут быть внесены коррозией или загрязнением датчика и его проводников химикатами в технологических текучих средах. Погрешности также могут быть внесены из-за паразитных электрических токов, протекающих из электрических выводов в окружающую среду. Датчик включает в себя изоляционные структуры для восприятия давления, присоединения к электрическим выводам и для монтажной арматуры для обеспечения механического крепления датчика.

Требуется недорогой способ монтажа и изоляции датчика давления, а именно совместимый с высокими температурами, коррозионными и загрязняющими технологическими текучими средами и требованиями электрической изоляции, и который уменьшает стоимость и сложность многочисленных изоляционных структур.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Раскрыта капсула, включающая в себя подводящую трубку для приема и восприятия давления. Капсула включает в себя стенку капсулы с жидкостным впускным отверстием, соединенным с подводящей трубкой. Стенка капсулы включает в себя выводное окно и внутреннюю поверхность уплотнения, окружающую выводное окно.

Датчик давления смонтирован в пределах стенки капсулы. Датчик давления включает в себя чувствительный элемент, электрические контакты на внешней поверхности датчика давления и печатные проводники схемы, присоединенные между электрическими контактами и чувствительным элементом.

Капсула включает в себя элемент изоляции напряжений с выводным отверстием. Элемент изоляции напряжений имеет первую поверхность элемента, прикрепленную к датчику давления, и вторую поверхность элемента, прикрепленную к поверхности уплотнения. Выводное отверстие покрывает электрические контакты.

Другие признаки и преимущества, которые отличают варианты осуществления настоящего изобретения, будут очевидны по прочтении последующего подробного описания и обзора приложенных чертежей.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 иллюстрирует вид в плане первого варианта осуществления капсулы для измерения давления.

Фиг.2 - поперечное сечение капсулы вдоль линии 2-2 по фиг.1.

Фиг.3 - поперечное сечение капсулы вдоль линии 3-3 по фиг.1.

Фиг.4 - альтернативные варианты осуществления элементов изоляции напряжений.

Фиг.5 - поперечное сечение второго варианта осуществления капсулы, которая не требует изоляционной жидкости.

Фиг.6 - поперечное сечение третьего варианта осуществления капсулы, которая не требует изоляционной жидкости.

ПРОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

В настоящем изобретении датчик давления смонтирован в пределах окружающей стенки капсулы. Стенка капсулы служит, чтобы отделять датчик давления от окружающей среды и чтобы защищать датчик от повреждения. Датчик прикреплен к элементу изоляции напряжений, а элемент изоляции напряжений вмонтирован в стенку капсулы. Элемент изоляции напряжений изолирует датчик давления от воздействия напряжений монтажной арматуры. Элемент изоляции напряжений имеет выводное отверстие, которое выровнено с выводным окном в стенке капсулы. Датчик имеет электрические контакты, которые выровнены с выводным отверстием. Компоновка элемента изоляции напряжений обеспечивает механический монтаж и электрический вывод в единственной зоне сопрягаемой поверхности, таким образом уменьшая количество сопряжений между датчиком и его окружающей средой только до единственной зоны сопряжения. Капсула обеспечивает недорогой способ монтажа и изоляции датчика давления, который совместим с высокой температурой, коррозионной или загрязняющей технологической текучей средой. Устранено использование дорогостоящих промышленных электрических выводов с металлостеклянным уплотнением. Монтажная арматура может обеспечивать гальваническую изоляцию датчика давления, которая необходима для взрывобезопасности. Гибкий шлейф или подпружиненные выводы могут легко обеспечивать подключение непосредственно к электрическим контактам на датчике давления, без каких бы то ни было дополнительных аппаратных средств. Благодаря только единственной монтажной зоне сопряжения, остальная часть датчика подвешена и нет никакой опасности механического воздействия, обусловленного перемещением одной зоны монтажа относительно другой зоны монтажа.

Фиг.1-3 иллюстрирует первый вариант осуществления капсулы 20, которая присоединена к жидкостному изолятору 22. Далее, со ссылкой на фиг.2, жидкость 24 изолятора, предпочтительно кремнийорганическое масло, передает давление P от технологической текучей среды 26 датчику 28 давлений в капсуле 20. Компоновка дает возможность технологическому давлению P быть воспринятым датчиком 28 давления и, одновременно, дает возможность датчику 28 давления быть защищенным от разрушающего химического контакта с технологической текучей средой 26. Изолятор 22 включает в себя легко прогибающуюся диафрагму 30 изолятора, которая предпочтительно выполнена из циркулярно гофрированной металлической фольги. Диафрагма 30 изолятора предпочтительно приварена или припаяна по наружной кромке и гидростатически профилирована вместо того, чтобы точно подгонять рифления 31 по ее посадочной поверхности. В одном из предпочтительных вариантов осуществления изолятор 22 является нераздельной частью капсулы 20, что обеспечивает преимущество компактности и низкой стоимости. В еще одном предпочтительном варианте осуществления изолятор 22 расположен с промежутком от капсулы 20, а жидкость 24 изолятора включена между изолятором 22 и капсулой 20 посредством капиллярной трубки 32. Компоновка с капиллярной трубкой 32 обладает преимуществом обеспечения улучшенной термической изоляцией между технологической текучей средой 26 и датчиком 28 давления.

Капсула 20 включает в себя стенку 34 капсулы, которая вмещает датчик 28 давления в полость 36 капсулы, которая заполнена жидкостью 24 изолятора. Стенка 34 капсулы включает в себя жидкостное впускное отверстие 38, которое пригодно для соединения с жидкостным изолятором 22. Стенка 34 капсулы также включает в себя выводное окно 40 и внутреннюю поверхность 42 уплотнения, окружающую выводное окно 40.

Жидкость 24 изолятора удерживается стенкой 34 капсулы и связывает давление от жидкостного изолятора 22 с датчиком 28 давления для измерения. Датчик 28 давления размещен в пределах стенки 34 капсулы. Датчик 28 давления включает в себя чувствительный элемент 44, электрические контакты 46, расположенные с промежутком от чувствительного элемента 44, а печатные проводники 49 схемы присоединены между электрическими контактами 46 и чувствительным элементом 44. Чувствительный элемент предпочтительно является тонкопленочным элементом тензодатчика, нанесенным на внешнюю поверхность датчика 28 давления, а печатные проводники 49 схемы предпочтительно из того же самого тонкопленочного материала, как и тензодатчик. Также могут быть использованы диффузные тензодатчики и другие типы тензодатчиков. Чувствительный элемент 44 также может быть емкостным чувствительным элементом, находящимся внутри датчика 28.

Элемент 48 изоляции напряжений включает в себя выводное отверстие 50. Элемент 48 изоляции напряжений имеет первую поверхность 52 элемента, прикрепленную к датчику 28 давления, и вторую поверхность 54 элемента, прикрепленную к поверхности 42 уплотнения. Выводное отверстие 50 перекрывает электрические контакты 46. В предпочтительном варианте осуществления поверхность 42 уплотнения является слегка углубленной, как проиллюстрировано, чтобы предусмотреть точное позиционирование элемента 48 изоляции напряжений перед сваркой, легкосплавной пайкой или твердосплавной пайкой.

Датчик 28 давления смонтирован только на элементе 48 изоляции напряжений, а оставшаяся часть датчика 28 давления свободно подвешена в изоляционной жидкости 24. Предпочтительно, чувствительный элемент 44 размещен с промежутком от элемента 48 изоляции напряжений и контактов 46, с тем чтобы было трудно передать механическое воздействие от монтажной арматуры или проводников чувствительному элементу 44. Погрешность в выходном сигнале датчика давления на выводах 51 уменьшена.

В предпочтительном варианте осуществления датчик 28 давления выполнен из материала с низким механическим гистерезисом. Кремний, который может быть легко вытравлен до желаемой формы, является предпочтительным в отношении материала с низким механическим гистерезисом. Также могут быть использованы другие материалы с низким механическим гистерезисом, такие как сапфир, кварц, кварцевое стекло и керамика. Стенка 34 капсулы предпочтительно выполнена из металла, такого как нержавеющая сталь.

В одной из предпочтительной компоновок элемент 48 изоляции напряжений выполнен из материала с температурным коэффициентом расширения, который, по существу, такой же, как температурный коэффициент расширения у материала датчика.

В одном из вариантов осуществления элемент 48 изоляции напряжений выполнен из материала с температурным коэффициентом расширения, который является промежуточным между температурным коэффициентом материала датчика и поверхности 42 уплотнения.

В еще одной предпочтительной компоновке элемент 48 изоляции напряжений выполнен из материала, который обладает более низким модулем упругости, чем материал датчика. Изоляционный материал с более низким модулем сгибается и деформируется, чтобы уменьшить передачу воздействия от поверхности 42 уплотнения датчику 28, когда поверхность 42 уплотнения расширяется из-за повышения температуры.

В еще одной другой предпочтительной компоновке элемент 48 изоляции напряжений выполнен из материала, выбранного обладающим как температурным коэффициентом, который приведен в соответствие материалу датчика, так и низким модулем упругости по отношению к материалу датчика. Каждый из этих признаков материалов содействует уменьшению изменения в механическом напряжении, передаваемом датчику, из-за изменения температуры. В одной из предпочтительных компоновок материал изоляции напряжений содержит керамический материал на основе нитрида кремния, который составлен, чтобы обеспечить соответствие коэффициенту расширения материала датчика.

Материал изоляции напряжений предпочтительно содержит электрически изолирующий материал, чтобы избежать шунтирования печатных проводников 49 схемы, а также, чтобы гальванически изолировать датчик 28 давления от стенки 34 капсулы.

Элемент 48 изоляции напряжений образует компактную зону монтажа между датчиком 28 давления и оборудованием его монтажа. Части датчика 28 давления, которые лежат снаружи элемента изоляции напряжений, подвешены в жидкости и не подвергаются приложению какого бы то ни было механического воздействия монтажной арматуры. Механическое воздействие монтажной арматуры на датчик 28 давления может быть, таким образом, эффективно сдерживаться посредством использования элемента 48 изоляции напряжений.

Когда элемент 48 изоляции напряжений выполнен из металлического сплава, он предпочтительно является удлиненным и, по выбору, подвергнут тепловой обработке или отожжен, чтобы обладать низким модулем жесткости по отношению к материалу датчика 28. Элемент 48 изоляции напряжений может быть выполнен из набора металлических шайб и элементов, спаянных вместе твердым сплавом, с переменным модулем жесткости и/или коэффициентом теплового расширения.

Фиг.4 (A)-(D) иллюстрируют различные варианты осуществления элемента изоляции напряжений. Как проиллюстрировано на фиг.4 (А), элемент 100 изоляции напряжений может быть удлиненным, чтобы уменьшить передачу воздействия монтажной арматуры на датчик 28 давления. Как проиллюстрировано на фиг.4(B), элемент 102 изоляции напряжений может быть снабжен придающим жесткость ребром 104, чтобы уменьшить передачу внешних напряжений на датчик 28 давления. Как проиллюстрировано на фиг.4(C), элемент 106 изоляции напряжений может иметь стенку 108, которая сходит на конус от более толстого участка 110, прилегающего к датчику 28 давления к более тонкому участку 112, прилегающему к поверхности 42 уплотнения. Как проиллюстрировано на фиг.4(D), элемент 114 изоляции напряжений может содержать первый слой 116, выполненный из материала с низким модулем жесткости, или материала с коэффициентом теплового расширения, приведенным в соответствие материалу датчика 28, независимо от модуля жесткости. Первый слой 116 присоединен ко второму слою 118, прилегающему к поверхности 42 уплотнения, которая выполнена из материала с коэффициентом теплового расширения, который является промежуточным между коэффициентом теплового расширения первого слоя 116 и поверхности 42 уплотнения на стенке капсулы. Варианты, проиллюстрированные на фиг.4(A)-4(D) являются иллюстрирующими многочисленные формы, которые может принимать элемент изоляции напряжений. Конус может быть в направлении, противоположном показанному на фиг.4(C), а вместо ребра могут быть использованы канавки. Специалистам в данной области техники будут очевидны другие разновидности формы элемента изоляции напряжений. Материал может быть выбран, чтобы обладать желаемыми модулями жесткости или температурными коэффициентами расширений в сочетаниях, которые уменьшают передачу внешних напряжений датчику давления. В одной из предпочтительных компоновок датчик 28 давления может быть прикреплен к элементу 48 изоляции напряжений стеклокерамическим припоем. В еще одной предпочтительной компоновке, печатные проводники 49 схемы проведены внутри датчика 28 давления, а датчик 28 давления прикреплен к элементу 48 изоляции напряжений легкосплавным припоем.

Элемент 48 изоляции напряжений предпочтительно прикреплен к стенке 34 капсулы либо твердосплавным, либо легкосплавным материалом или сваркой. Стенка капсулы предпочтительно содержит круглую крышку 56, прикрепленную к круглой крышке 58 сварным швом 60. В предпочтительной компоновке, крышка 58 содержит тонкий элемент, который является прогибаемым, чтобы обеспечивать защиту от чрезмерного давления для датчика 28 давления, посредством предоставления диафрагме 30 изолятора возможности садиться на рифления 31.

В еще одной предпочтительной компоновке, показанной на фиг.3, стенка 34 капсулы включает в себя герметизируемое окно 62 для приема жидкости 24 изолятора. Герметизируемое окно 62 может быть герметизировано загрузочной трубкой 64 или запрессовкой стального шарика в герметизируемое окно 62 после заполнения жидкостью 24 изолятора. Герметизируемое окно 62 является необязательным, и плотно перекрываемый проход, в качестве альтернативы, может быть включен в жидкостный изолятор 22.

Датчик давления предпочтительно включает в себя первую и вторую прокладки 70, 72 (лучше всего показанные на фиг.3), скрепленные вместе и выполненные из кремния. Профиль прокладки 72 формирует диафрагму 74, покрывающую полость 76 датчика внутри кремниевого датчика 28 давления. Диафрагма 74 предпочтительно включает в себя ограничители 78 избыточного давления, выступающие вовнутрь полости 76 датчика, которые подпирают диафрагму в условиях избыточного давления.

В другой предпочтительной компоновке стенка 34 капсулы включает в себя необязательное вентиляционное отверстие 80 (фиг.3), элемент 48 изоляции напряжений включает в себя вентиляционную перемычку 82, а датчик 28 давления включает в себя необязательный вентиляционный перепускной канал 84 из полости 76 датчика в вентиляционную перемычку 82, как проиллюстрировано на фиг.3. Компоновка с необязательным вентиляционным отверстием 80 дает возможность измерения манометрического давления вместо абсолютного давления.

Капсула 20 компактна, экономична и предоставляет высококачественный изолятор для датчика давления от его окружающей среды, в том числе воздействия монтажной арматуры, воздействия проводников, химического загрязнения и паразитных электрических токов.

Фиг.5 иллюстрирует поперечное сечение второго варианта осуществления капсулы, которая не требует изоляционной жидкости. Капсула 130, проиллюстрированная на фиг.5, подобна капсуле 20, проиллюстрированной на фиг.1-2. Ссылочные номера, используемые на фиг.5, которые одинаковы со ссылочными номерами, используемыми на фиг.1-2, идентифицируют те же самые или подобные элементы. На фиг.5 впускная трубка 32 проходит через стенку 132, чтобы измерять давление P в удаленном расположении. В одном из предпочтительных вариантов осуществления давление P измеряется в вентиляционном канале, а стенка 132 является стенкой вентиляционного канала.

Фиг.6 иллюстрирует поперечное сечение третьего варианта осуществления капсулы, которая не требует изоляционной жидкости. Капсула 140, проиллюстрированная на фиг.6, подобна капсуле 130, проиллюстрированной на фиг.5. Ссылочные номера, используемые на фиг.6, которые одинаковы со ссылочными номерами, используемыми на фиг.5, идентифицируют те же самые или подобные элементы. На фиг.6 датчик 142 давления является инвертированным относительно датчика 28 давления по фиг.5. На фиг.6 элемент 48 изоляции напряжений находится на первой прокладке 70, а электрические контакты 46 - на второй прокладке 72, как проиллюстрировано. Компоновка по фиг.6 предоставляет очень компактные, недорогие датчик давления и капсулу.

Несмотря на то, что настоящее изобретение было описано со ссылкой на предпочтительные варианты осуществления, специалисты в данной области техники будут осознавать, что изменения могут быть сделаны по форме и содержанию, не выходя за пределы сущности и объема изобретения.