CN102692240A - 用于高温环境的传感器及其装配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明名称为“用于高温环境的传感器及其装配方法”。传感器组件(200)包括外壳(20)和定位于外壳内的至少一个高阻抗感测设备(204)。传感器组件还包括具有定位于外壳内的至少一个宽带隙半导体器件(252/256)的缓冲电路(250)。缓冲电路操作地耦合到该至少一个高阻抗感测设备。

Description

用于高温环境的传感器及其装配方法
技术领域
一般地说，本文描述的主题涉及传感器，并且更具体来说，涉及用于高温环境的传感器及其装配方法。 
背景技术
至少一些已知的高阻抗传感组件包括制造用于达到和超过大约225摄氏度(℃)(437华氏度(°F))的高温环境的感测元件。但是，与这些已知的感测元件通信耦合的已知的电子设备可能不能在温度高于大约225℃(437°F)的环境中连贯和可靠地操作。许多工业应用包括温度从约-55℃(-67°F)到约600℃(1112°F)基本连续变动的环境，即，对于超过某延长的时间周期(例如，超过大约5,000小时)的曝光时间。因此，已知的高温高阻抗传感组件需要专门适应的设备以促进在达到和超过大约225℃(437°F)的严峻的高温环境中具有耐受性和期望的信噪比(SNR)地操作。 
这种专门适应的设备可包括辅助冷却设备的使用以促进在达到和/或高于大约225℃(437°F)的高温环境中操作传感器组件中的电子设备。这种辅助冷却设备可包括热交换设备，例如耦合到流体冷却剂系统的冷却旋管。但是，这些辅助冷却设备增加了装配传感器组件的成本，并且增加了这种组件失效的另一个潜在点。此外，辅助冷却设备的大小和/或重量常常过高。 
并且，这种专门适应的设备可能包括矿物绝缘(MI)线缆，其促进与接收从感测元件传送的信号的设备的操作连接性。但是，虽然这种MI线缆比标准屏蔽线缆更坚固和结实(robust)，并且因此有时称为“硬线线缆”，但购买MI线缆比标准屏蔽线缆更昂贵。并且，由于线缆的 坚固性，MI线缆难于弯曲并且难于路由通过工业设施，因此要求专门的工具作业，从而进一步增加了安装成本。此外，对于大约225℃(437°F)或更高的高温环境，电子设备与感测元件分离。在这种情况中，电子设备可能定位在距感测元件有显著距离的位置，从而进一步增加安装成本，并且可能由于未预见到的线缆失效而不利地影响操作可靠性，以及增加对其中的噪声的敏感性。 
发明内容
在一方面中，提供了一种传感器组件。该传感器组件包括外壳和定位在外壳内的至少一个高阻抗感测设备。该传感器组件还包括具有定位在外壳内的至少一个宽带隙半导体器件的缓冲电路。该缓冲电路操作地耦合到该至少一个高阻抗感测设备。 
在另一方面中，提供了一种用于装配传感器组件的方法。该方法包括在壳体内定位至少一个高阻抗感测设备。该方法还包括组装缓冲电路，其包括提供宽带隙半导体衬底并且在其上定义至少一个宽带隙半导体器件。该方法还包括在壳体内定位缓冲电路。该方法进一步包括操作地耦合缓冲电路到至少一个高阻抗感测设备。 
在又一方面中，提供了一种数据采集系统(DAS)。该DAS包括至少一个DAS机箱和与至少一个DAS机箱通信耦合的至少一个输入/输出(I/O)接线板。该DAS还包括多个传感器组件。多个传感器组件的每个传感器组件包括外壳和定位在外壳内的至少一个高阻抗感测设备。多个传感器组件的每个传感器组件还包括具有定位在外壳内的至少一个宽带隙半导体器件的缓冲电路。该缓冲电路操作地耦合到至少一个高阻抗感测设备。 
附图说明
参照下面的描述连同附图，可更好地理解本文描述的实施例。 
图1是现有技术的传感器组件的示意图； 
图2是示范传感器组件的示意图； 
图3是可与图2所示传感器组件一起使用的电子封装的示意图； 
图4是可使用图2所示传感器组件的示范数据采集系统(DAS)的示意图；以及 
图5是装配图2所示传感器组件的示范方法的流程图。 
具体实施方式
图1是现有技术的传感器组件100的示意图。传感器组件100包括传感器部分102。传感器部分102包括定位在外壳106内的传感器104。传感器组件100还包括电子子组件(subassembly)110。电子子组件110包括电子分段112和连接器分段114。电子分段112包括在壳体118内的电子设备116。电子设备116调节从传感器104接收的信号用于进一步通过连接器分段114传输到其他设备(未示出)。传感器组件100进一步包括耦合外壳106到电子子组件110的矿物绝缘(MI)线缆120。MI线缆120具有促进定位电子设备116在非高温环境中的任何长度，非高温环境即是具有的温度低于大约225℃(437°F)的环境。 
现有技术的传感器组件100的一些实施例可包括定位在外壳106内的电子设备126(以阴影示出)。在这些实施例中，传感器组件100可不包括电子分段112和MI线缆120，并且连接器分段114直接耦合到外壳106。此外，对于包括定位(包括电子设备126的)外壳106在包括温度大约达到或高于大约225℃(437°F)的环境中的这些情况，排热系统130(以阴影示出)耦合到外壳106。排热系统130包括排热流体进口管道132、传热设备134(例如，冷却旋管)和排热流体出口管道136。传热设备134定位在电子设备126附近，以促进维持设备126在低于大约225℃(437°F)，即维持在大约125℃(257°F)的温度。 
在操作中，外壳106耦合到或紧密接近地定位到测量的变量。这种变量可包括压力、温度和/或流量。传感器104生成代表这些测量的变量的信号并通过MI线缆120将它们传送到电子设备116。电子设备 116调节从传感器104接收的信号，并且将经过调节的信号传送到连接器分段114用于进一步传输到其他设备或系统(均未示出)。在一些实施例中，传感器104传送信号到电子设备126。在这些实施例中，排热流体(未示出)通过流体进口管道132、传热设备134和流体出口管道136传导，以使得将电子设备126的温度维持在低于大约225℃(437°F)。 
图2是示范传感器组件200的示意图。在该示范实施例中，传感器组件200包括定位于外壳206内的感测设备或传感器204。并且，在该示范实施例中，传感器204是包括但不限于压电器件和/或光电二极管的高阻抗设备。外壳206耦合到或紧密接近地定位到具有测量的变量的装置。在该示范实施例中，外壳206配置成用于耦合到可包括但不限于燃气轮机、蒸汽轮机、气化设施、热回收蒸汽发生器和热交换器(均未示出)的装置。这种测量的变量可包括但不限于选定部件的位移、速度、和加速度，选定部件例如使用接近度传感器、速度传感器、加速计(均未示出)中任意一个的涡轮轴。或者，这种装置或测量的变量可包括但不限于用于深油井的探井的速度和加速度(均未示出)。传感器组件200还包括操作地耦合到传感器204的电子设备216，其中设备216和传感器204都定位在壳体206内。传感器组件200还包括操作地耦合到电子设备216和其他设备和系统(图2中未示出)的连接器分段220。传感器组件200还包括在电子设备216和传感器204周围延伸的屏蔽230。屏蔽230提供了抗电磁干扰(EMI)，并且促进相对于通过电子设备216从传感器204传送到连接器分段220的信号获得期望的信噪比(SNR)。屏蔽230电接地并且可参考传感器204和电子设备216。此外，基本消除了MI线缆的使用。 
图3是可与传感器组件200一起使用的电子设备216的示意图。电子设备216包括操作地耦合到传感器204的调节或缓冲电路250。缓冲电路250调节从传感器204接收的信号用于进一步通过连接器分段220传输到其他设备(图3中未示出)。在该示范实施例中，缓冲电 路250包括能使传感器组件200按本文描述来操作的任何设备，包括但不限于NPO型陶瓷介质电容器252和基于膜的电阻器254。并且，在该示范实施例中，缓冲电路250包括至少一个运算放大器256，其中运算放大器256是宽带隙半导体器件。本文使用的术语宽带隙半导体描述了电子带隙超过大约1到2电子伏特(eV)的半导体材料。此外，在该示范实施例中，碳化硅(SiC)是形成运算放大器256的衬底258的宽带隙半导体材料。或者，可使用任何宽带隙半导体材料来形成衬底258，包括但不限于氧化铝、氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)、氮化铟(InN)和它们的其它合金。 
此外，在该示范实施例中，将缓冲电路250定义在由AlN形成的衬底260上。或者，可使用任何宽带隙半导体材料来形成衬底260，包括但不限于GaN、SiC、InN和它们的其它合金。并且，在该示范实施例中，缓冲电路250是电压模式放大器电路和电荷模式放大器电路的其中之一。或者，使用能使缓冲电路250和传感器组件200按本文所述来操作的任何电路配置。此外，在该示范实施例中，缓冲电路250包括鲁棒电路架构，其能使传感器组件200操作在从大约-55℃(-67°F)到大约600℃(1112°F)基本连续变动的环境条件中，即对于超过某延长的时间周期(例如，超过大约5,000小时)的曝光时间。在该示范实施例中，可生成该种高温环境的高温装置的示例包括但不限于燃气轮机、蒸汽轮机、气化设施、热回收蒸汽发生器和热交换器(均未示出)。或者，该种装置包括但不限于深油井勘探的工具和装置。 
图4是可使用多个传感器组件200的示范数据采集系统(DAS)300的示意图。在该示范实施例中，DAS 300是单机数据存储和显示系统。在一些实施例中，DAS 300是大系统(例如但不限于监控与数据采集(SCADA)系统)的一部分。并且，在该示范实施例中，DAS 300包括数据线缆302，数据线缆302是比MI线缆120(如图1所示)更便宜并更易弯曲的标准线缆。因此，基本消除了MI线缆的使用。数据线缆302耦合到传感器组件200的连接器分段220。此外，在该示范实施例中， DAS 300包括通过数据线缆302操作地耦合到传感器组件200的每个的至少一个输入/输出(I/O)接线板304(图3只示出一个)。此外，在该示范实施例中，DAS 300包括操作地耦合到每个I/O接线板304的至少一个DAS机箱306。DAS机箱306包括充足的处理和信息显示特征(未示出)，以如本文描述的那样实现DAS 300。并且，在该示范实施例中，DAS 300包括操作地耦合到DAS机箱306的操作员站308。 
图5是装配传感器组件200(图2所示)的示范方法400的流程图。在该示范实施例中，至少一个高阻抗感测设备或传感器204(图2所示)定位402在外壳206(图2所示)内。组装404缓冲电路250，该组装404包括提供宽带隙半导体衬底206(图3所示)并且在其上定义至少一个宽带隙半导体器件(例如，运算放大器256)。并且，在该示范实施例中，缓冲电路250定位406在外壳206内。此外，在该示范实施例中，缓冲电路250操作地耦合408到传感器204。 
本文描述的是相对已知的传感器组件促进了改进工业和商业操作的传感器组件的示范实施例。上述的方法和装置促进传感器组件在达到和超过大约225℃(437°F)的严峻的高温环境中的操作。特别地，对比于只能在不超过大约125℃(257°F)的温度中使用的已知传感器组件，本文描述的传感器组件的耐受性和适合操作延伸至达到并且包括大约600℃(1112°F)的温度。此外，本文描述的传感器组件的关联的曝光周期可基本持续延伸超过5,000小时。该种方法和装置还促进消除MI线缆和辅助冷却系统，从而降低了传感器组件的制造、装配、和安装的成本。此外，对比于已知的传感器组件，本文描述的传感器组件的增加的鲁棒性促进传感器设备安装在以前因为严酷高温环境和已知的传感器组件的限制而达不到的区域中。此外，对比于已知的传感器组件，本文描述的传感器组件促进在具有期望的信噪比(SNR)的情况下操作。特别地，相对于与已知传感器组件关联的SNR，高阻抗传感器设备的使用、定位这类传感器设备在调节电子设备附近、以及将传感器和电子设备封闭在EMI屏蔽中改进了SNR。 
本文描述的方法和系统不限于本文描述的特定实施例。例如，可与本文描述的其它部件和/或步骤无关且分离地使用和/或实践每个系统的部件和/或每个方法的步骤。另外，也可与其它组件和方法一起使用和/或实践每个部件和/或步骤。 
虽然已经从多种特定实施例的角度描述本发明，但本领域技术人员将认识到可以权利要求的精神和范围内的改变来实践本发明。 
配件表 
100现有技术传感器组件 
102传感器部分 
104传感器 
106外壳 
110电子子组件 
112电子分段 
114连接器分段 
116电子设备 
118壳体 
120矿物绝缘(MI)线缆 
126电子设备 
130排热系统 
132排热流体进口管道 
134传热设备 
136排热流体出口管道 
200示范传感器组件 
204传感器 
206外壳 
216电子设备 
220连接器分段 
230屏蔽 
250缓冲(调节)电路 
252NPO型陶瓷介质电容器 
254基于膜的电阻器 
256运算放大器 
258运算放大器的衬底 
260缓冲电路的衬底 
300数据采集系统(DAS) 
302数据线缆 
304输入/输出(I/O)接线板 
306DAS机箱 
308操作者站 
400方法 
402定位至少一个高阻抗感测设备... 
404组装缓冲电路包括... 
406定位缓冲电路在壳体内 
408操作地耦合缓冲电路到。 

Claims (10)

1.传感器组件(200)，包括：
外壳(206)；
定位于所述外壳内的至少一个高阻抗感测设备(204)；以及
缓冲电路(250)，其包括定位于所述外壳内的至少一个宽带隙半导体器件(252/256)，所述缓冲电路操作地耦合到所述至少一个高阻抗感测设备。
2.如权利要求1所述的传感器组件(200)，其中：
所述传感器组件还包括在所述至少一个高阻抗感测设备(204)和所述缓冲电路(250)的至少一部分周围延伸的电磁干扰(EMI)屏蔽(230)；以及
所述传感器组件不包括矿物绝缘(MI)线缆。
3.如权利要求1所述的传感器组件(200)，其中，所述至少一个宽带隙半导体器件(252/256)是运算放大器(256)。
4.如权利要求1所述的传感器组件(200)，其中，所述至少一个宽带隙半导体器件(252/256)包括含有碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)、氮化铟(InN)中至少之一的衬底(258)。
5.如权利要求1所述的传感器组件(200)，其中，所述缓冲电路(250)还包括宽带隙半导体衬底(260)。
6.如权利要求1所述的传感器组件(200)，其中，所述传感器组件可对于延长的周期、在温度范围大约-55摄氏度(℃)到大约600℃的环境中操作。
7.如权利要求1所述的传感器组件(200)，其中，所述至少一个高阻抗感测设备(204)是压电器件和光电二极管器件之一。
8.数据采集系统(DAS)(300)，包括：
至少一个DAS机箱(306)；
通信耦合到所述至少一个DAS机箱的至少一个输入/输出(I/O)接线板(304)；
多个传感器组件(200)，所述多个传感器组件的每个所述传感器组件包括：
外壳(206)；
定位于所述外壳内的至少一个高阻抗感测设备(204)；以及
缓冲电路(250)，其包括定位于所述外壳内的至少一个宽带隙半导体器件(252/256)，所述缓冲电路操作地耦合到所述至少一个高阻抗感测设备。
9.如权利要求8所述的DAS(300)，其中：
所述传感器组件(200)还包括在所述至少一个高阻抗感测设备(204)和所述缓冲电路(250)的至少一部分周围延伸的电磁干扰(EMI)屏蔽(230)；以及
所述传感器组件不包括矿物绝缘(MI)线缆。
10.如权利要求8所述的DAS(300)，其中，所述至少一个宽带隙半导体器件(252/256)是运算放大器(256)。
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