CN1012216B - 隔膜式高温高压流动介质压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明有关高温高压隔膜式介质压力传感器，包含由压力检测部件、压力信号转换装置和传感器壳体，压力检测部件包含金属膜片和金属毛细管部件，并通过焊接形成一体，且通过毛细管部件和压力信号转换装置相连系，所述金属膜片和金属构体以及金属毛细管和金属构体的焊接部分为采用母体自熔电弧焊接工艺的结构，所述壳体为多层积木式组合结构，从而可显著提高传感器的工作寿命和方便用户经济选用。

Description

本发明涉及压力传感器，尤其涉及隔膜式高温高压流动介质压力传感器。

由于隔膜式介质压力传感器的压力信号转换装置远离压力检测部件，因而仪器的温飘系数小，故这种压力传感器在合成纤维、塑料、橡胶、石油等化工工艺制造设备上得到广泛应用。但传统的隔膜式介质压力传感器还存在如下问题，即其使用寿命不长，甚至有不到一年，或在使用期间，其测量精度下降。例如日本的一种高温用隔膜密封式压力计（长野计器CATALOG015）也存在这样的问题。产生这些问题的原因，主要在压力检测部件的结构和其制造方法上，现有的压力检测部件，具有一检测座体，其一端具有一圆柱碟状凹腔，而所述隔膜，即弹性金属膜片通过焊接密封盖住此凹腔，金属毛细管穿过检测座体和凹腔连通，并通过焊接固定，内充满测量液体，所述压力检测部件通过毛细管和压力信号转换装置相连系。所述膜片通常大体制成平板状。由于检测座体的形成凹腔一端的外围尺寸有一定限制，所述的膜片和检测座体之间的焊接一般要在检测座体的周边上进行，且检测座体和膜片相接触的环形端面通常较狭窄，因此不可能在此环形端面上形成较大的圆角，这样当传感器工作时，膜片容易在与环形端面接触边缘处产生疲劳应力集中，进而产生塑性变形或裂痕。虽然美国专利U.S.P.No.4，640，135以及No.4，546，653等提出了改进的检测部件结构，但由于所述的焊接，包括毛细管和检测座体之间的焊接通常采用纤焊焊接，其焊接强度不高，使传感器不能利于在高温高压条件下工作，均容易在焊缝处出现裂纹而引起测量液体漏泄， 从而造成仪器的测量精度下降或使用寿命降低。

因此本发明就是针对上述问题提出一种包含使所述的金属毛细管和金属构体以及金属膜片和金属构件的焊接部分结构改进的用于高温高压的隔膜压力传感器，可达到提高压力传感器工作寿命的目的，此外，本发明还针对上述压力传感器提出一种改进的壳体结构，是为方便用户选择使用。

本发明隔膜式高温高压流动介质压力传感器包括压力检测部件和压力信号转换装置，压力检测部件包含金属的检测座体，弹性金属膜片和金属毛细管部件，通过此金属毛细管部件使压力检测部件和压力信号转换装置相连接，此外，还包括容纳此压力信号转换装置的壳体。

在所述的检测座体的上端同上形成一碟体凹腔，该凹腔具有圆柱形周缘，所述的金属膜片具有与此凹腔形状类似的碟形状，但其碟形状的深度明显小于相应凹腔的深度，此外，膜片还具有与凹腔相同的圆柱形周缘，且要使膜片和凹腔分别在其周缘及其附近处下互嵌合，并在此检测座体的端面上进行膜片和极测座体间的焊接，在检测座体端面上形成密闭的容纳液体介质的腔室。

此外，金属毛细管从检测座体底端穿过检测座体和所述腔室连通，并在检测座体的上端面上进行毛细管和检测座体的焊接。

利用本发明提出的焊接方法，进行所述的金属毛细管的焊接和金属膜片的焊接。

所述的焊接方法主要特点在于利用受到一定程度冷冻的氩气使从需进行焊接的毛细管的一端通过，并从其另一端向外排出，以达到在焊接时冷却毛细管，不使其迅速熔化，用不熔化极旋转氩弧焊机，用电弧使金属构件母体熔化达到熔融状态的同时，使毛细管的相应部分逐步熔化而和金属构件母体熔成一体，从而将毛细管牢固焊接在金属检测体上，此外，在焊接过程中，需进行对各焊接零件的焊接部位 的清洗。

由此看出，采用本发明的压力检测组件的结构和焊接方法的隔膜式压力传感器，由于压力检测组件的检测座体上的凹腔和金属膜片能分别在其周边部分及其附近相吻合，能够在所述凹腔的底部边缘形成较大的圆角，可减少或缓和膜片在此处的疲劳应力集中，此外还由于膜片的焊接可以在检测座体的端面上进行，由于膜片和检测座体分别在所述部位相吻合的结构形式，可减轻焊缝的受力，此外还由于采取母体自熔接的氢弧焊接方法，使焊接强度相对纤焊焊接强度有明显提高，因此经实地考察表明本发明创造的压力传感器的工作寿命有明显的提高。

以下结合实施例和参照附图对本发明创造压力传感器结构及其制造作进一步阐述。

图1为示意表示本发明创造介质压力传感器一实施例的总体结构配置图。

图2为示意表示图1所示传感器的压力信号转负装置中的电信号发讯装置的概略线路图。

图3示意表示本实施例的压力信号转换装置的多层积木式式外壳的结构图。

图4为示意表示传统的介质压力传感器的压力检测组件的结构简图。

图5示意表示本发明创造实施例压力检测组件的结构图。

图6示意表示图5所示压力检测组件结构的又一实施例的结构图。

图7示意表示图5和图6所示结构的毛细管和检测座体间的焊接方法的图。

现参看图1和图3，由检测座体1，膜片3和毛细管4构成的隔膜式压力检测组件，通过一端具人连接螺纹的连接件2可将检测座体1密 封安装固定在被测装备上，并通过软管和连接件5将压力检测组件连接到积木式壳体18、19上（图3），并通过毛细管4使压力检测组件和压力信号转换装置发生信号连系。图1中左面的圆圈内的部分表示压力信号转换装置的机械指针式显示部分和电信号发讯装置的信号输入部件，9为压力信号连接件，其一端和毛细管4形成焊接连接，其另一端和弹性元件10的一端形成固定连接，弹性每感元件10为一端10-1封住的异型铜管，转换元件11和弹性敏感元件10的一端10-1固定连接，其一端和指针显示装置14的信号输入端14-1固定连接，其另一端和电信号发讯装置的信号输入部件铁氧体磁芯和耦合线圈12-3的信号输入端固定连接，在所述的凹腔、毛细管4及弹性敏感元件10内充满水银或仪表油，这样，当被测压力信号通过上述密闭系统内的液体介质传至弹性元件10，并通过转换元件11的机械作用，使指针显示装置和电信号转换装置同时获得反映相同被测压力值的输入信号。

参看图2，本压力信号转换装置的电信号发讯装置包含一转换电路，主要具备稳压电源电路，高频振荡电路和运算放大电路，稳压电源电路向所述振荡电路和运算放大电路提供恒流源，被测压力信号通过转换元件11转换成位移输入量，经振荡转换电路和运算放大电路，和通过在所述转换电路的输出部分串接一负载电阻，在转换电路输出端可得到与被测压力值相对应的直流电信号输出，如在所述的转换电路中稍经适当的元件调整可分别获得0-5伏、1-5伏、4-20毫安、0-10毫安的直流电信号输出，用来与当前各类二次仪表配接使用，这部分内容为该行业技术人员熟知。

参看图3，本发明的压力信号转换装置的壳体为多层积木式构造，本实施例壳体由两层圆柱形壳体构成，上层壳体18用来安装机械指针式显示装置，即通常压力表机芯，以及弹性敏感元件10，转换元件11，铁氧体磁芯及耦合线圈12、13和连接件9，底层19用来安装电信号发讯 装置的转换电路装置，上、下层通过相嵌，并用机械连接件组合成一体，是为了便于用户根据需要灵活选择使用，用户可以选用同时带机械指针显示装置和电信号发讯装置的传感器，或选用不带信号发讯装置的传感器。

参看图4，传统的压力传感器的压力检测组件的检测座和膜片3′的组合结构如该图所示，由于通常在检测座上端面上形成容纳测量液体的腔室，因此在其端面上留下的环形平面较窄，因此在此环形平面的边缘上不可能形成较大的圆角，且膜片3′和检测座体间的焊接在此情况下通常要在检测座体的周缘上进行，因此不仅存在膜片3′在靠近凹腔边缘处容易产生疲劳应力集中的问题，而且使所述的焊缝的受力条件变得比较恶劣，给压力传感器的工作寿命带来不利影响。

参看图5，膜片3具有和检测座1上端面上的碟形凹腔形状类似的碟形构造，且具有圆柱形的周缘部分3-1及其延伸的部分3-2分别与所述凹腔的相应部分吻合，因此在检测座1的凹腔底面上的所述相应部分可以形成较大的圆角，使膜片3和检测座1凹腔底部边缘相接触处产生的疲劳应力集中的问题得到缓和，引外因在此情况下，膜片3和检测座1之间的焊接将在检测座1的端面上进行，由于膜片3的周缘部分3-1和3-2的结构刚性因素的作用，可改善所述端面焊缝的受力条件。此外，毛细管4穿过检测座1，在其所述碟形凹腔的底面上与检测座1形成焊接固定连接。

图6为膜片3的另一实施例的结构，图中，其它情况如在图5中所述的情况一样，只是膜片3的底部具有多道波浪形的结构形状，用来使传感器适应在更高的压力下工作。

此外，本实施例膜片3系采用含铬、镍、钼、钛不锈钢，通过冷冲压加工制成，金属检测座1上的碟形凹腔可通过造模车削加工制成。

参看图7，在金属检测座1上通常设置两根毛细管4，其中一根毛细 管为工艺管，需要灌装好液体介质后封住，毛细管4由含铬镍钛不锈钢材料制成，本实施例的焊接方法大体按下列步序进行，即：

步序1，在检测座1上形成多根毛细管通过孔，其直径的选取应使毛细管4的外表面和检测座形成紧密接触，用化学清洗剂，例如用丙酮或无水乙醇清洗零件上的油污;步序2，使毛细管4穿过检测座1，并使毛细管高出检测座凹腔底面约0.5毫米，再用化学清洗剂清洗毛细管的高出部分;步序3，将略大于大气压，例如0.01兆巴的绝对压力和稍加冷冻，例如0℃的氩气，从需焊接毛细管4的一端通入，从其另一端排出。

步序4，采用不熔化极的旋转氩弧焊机从稍远离毛细管的焊接部位的金属检测座体上引弧，然后将电弧移至靠近毛细管，例如离开毛细管约0.2-0.5毫米，并使电弧在稍高出检测座凹腔底面，例如高出约1-1.5毫米情况下，围绕毛细管加热检测座体，使其达到熔融状态;步序5，紧接步序4，当毛细管的高出部分，因检测座体的熔融部分的热量而逐步熔融，并和检测座体熔成一体时，切断和熄灭电弧。

以上各焊接步序，通过用手工进行调整，焊接电流可调整到三十安培左右，可通过启动焊机的衰减按钮来切断或熄灭电弧。

在上述方法中，由于在毛细管中不断通过稍加冷冻的气体，使在进行焊接过程中，毛细管因受到冷却不会急剧熔化而造成毛细管堵塞。

因此，采用这种焊接方法能确保毛细管长时间在300℃以上的高温下，承受40兆巴左右的最大压力而不产生液体介质经焊缝漏泄。

此外，还对采用本实施例的焊接方法进行的毛细管的焊接，和采用传统的纤焊焊接方法进行的毛细管的焊接，分别用焊接试样对其焊接强度进行对比试验，试验结果表明前者，即采用气体冷却毛细管的母体自熔焊，试样承受0.65兆巴的拉力，致使毛细管被拉断，而焊缝完好，后者，即采用纤焊的毛细管，试样承受0.46兆巴拉力时，毛细 管被从焊缝处拉出。因此前者的焊接强度明显优于后者的焊接强度。

此外，由于本实施例的弹性金属膜片3和检测座1之间的采用母体自熔焊接方法，加上压力检测组件结构上改进因素的作用，曾分别将本实施例压力传感器和传统的压力传感器同时放在大致相同的工作条件的使用现场进行考察，传统的压力传感器只能连续工作一年左右，而对本实施例传感器来说，表明仍能继续可靠地工作。

本发明创造的压力传感器，一般在被测介质温度为300℃以上，介质绝对压力为35兆巴左右的工作条件，仪器制造精度可达1至1.5级，具有良好的零点温度漂移自动补偿作用，使用工频交流电源，产生的直流电信号可与通用的各类二次仪表配接。

此外，压力传感器在安装到被测设备之前，需在压力校验台上进行静态检查和调试，其后可将压力检测部件安装到被测设备上，安装一般需使压力检测组件的检测座端面和设备管道的内表面齐平，并通过弹性垫圈密封紧固，这样待设备升温后，无需再作调整。

此外，在上述各图中，相同的号码表示相同或同一的零部件。

Claims (2)

1、一种隔膜式高温高压流动介质压力传感器，包括压力检测部件，压力信号转换装置及容纳压力信号转换装置的壳体，所述压力检测部件包含金属制的检测座体和弹性金属膜片以及金属毛细管部件，检测座体上具有凹腔，通过焊接使弹性金属膜片密封盖住此凹腔，使金属毛细管部件穿过上述检测座体和所述凹腔连通，通过焊接实现检测座体和金属毛细管间的密封连接，在上述凹腔一毛细客的密闭腔体系统内充满测量液体介质，使金属膜片暴露在被测量介质中，所述的压力检测部件通过金属毛细管部件和压力信号转换装置相连系，其特征在于上述金属膜片和金属构体以及金属毛细管部件和金属构件的焊接部分为采用母体自熔电弧焊接工艺的结构

其焊接工艺步序如下：

让受到一定程度冷冻的氩气从需要进行焊接的毛细管的一端通过，并从其另一端向外喷出，用以在焊接开始时一边冷却毛细管，不使毛细管端迅速熔化的同时，用不熔化极旋转氩弧焊机，用电弧使金属构件母体加热达到熔融状态，从而使毛细管的相应端部分逐步熔化而和金属构件母体熔成一体，结果使毛细管牢固焊接在母体金属构件上，此外，在焊接过程中，还需预先对各焊接零件的焊接部件进行清洗。

2、根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于上述的壳体由多层积木式组合结构的构件构成，且用机械连接件将其组合成一体，分别将压力信号转换装置的各组成部分放置在上述不同的组合层内。

Images