CN108225686B - 防爆压电超声波检测器 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种防爆压电超声波检测器。实施例总体上涉及防爆超声波检测器。该防爆超声波检测器包括：金属外壳，其被配置成面向超声压力波；感应元件，其中该感应元件经由焊料附接到金属外壳；压缩元件，其被配置成与感应元件接触；以及印刷电路板，其被配置成对压缩元件进行压缩并且电连接到感应元件。

Description

防爆压电超声波检测器
相关申请的交叉引用
本申请要求Michael Grant等人于2016年12月21日提交的并且题为“ExplosionProof Piezoelectric Ultrasonic Detector”的美国临时专利申请序列号62/437,382的优先权，其通过引用如同被整体复制一样地并入本文。
关于联邦政府赞助的研究或开发的声明
不适用。
对缩微胶片附录的引用
不适用。
背景技术
防爆装置可以用于危险环境中，诸如气体管道、碳氢化合物井场、气体管道压缩站、化学精炼厂和可能经受爆炸影响的其它环境。例如，当例如由于意外地用金属设备撞击管而使得坏的管接头泄漏或管被损坏时，可能会无意中发生加压气体泄漏。火花或其它事件可能触发泄漏气体的点火。视情况而定，泄漏气体的点火可能伴随有产生非常高瞬时压力的初始爆炸。
发明内容
在实施例中，公开了一种防爆超声波检测器。该防爆超声波检测器包括：金属外壳，其被配置成面向超声压力波；感测元件，其中该感测元件经由焊料（solder）附接到金属外壳；压缩元件，其被配置成与感测元件接触；以及印刷电路板，其被配置成对压缩元件进行压缩并且电连接到感测元件。
在实施例中，公开了一种用于组装防爆超声波检测器的方法。该方法包括：将感测元件的第一表面焊接到金属外壳的内表面；向感测元件的第二表面施加压缩，其中第二表面与第一表面相对；经由压缩元件维持对感测元件的第二表面的压缩；以及将印刷电路板附接到金属外壳，其中印刷电路板与压缩元件接触。
附图说明
为了更完整地理解本公开，现在结合附图和详细描述，参考下面的简要描述，其中相同的附图标记代表相同的部件。
图1是根据本公开的实施例的防爆超声波检测器的图示。
图2是根据本公开的实施例的防爆超声波检测器的一些部件的分解视图。
图3是根据本公开的实施例的另一防爆超声波检测器的图示。
图4是根据本公开的实施例的又一防爆超声波检测器的图示。
具体实施方式
开始应该理解的是，尽管下面说明了一个或多个实施例的说明性实现方式，但是可以使用任何数量的技术来实现所公开的系统和方法，无论该技术目前是已知还是尚未存在。本公开应该决不限于下面说明的说明性实现方式、附图和技术，而是可以在所附权利要求的范围连同其等同物的全部范围内进行修改。
以下术语的简要定义将适用于整个申请：
术语“包括”意味着包含但不限于，并且应该以其在专利上下文中通常使用的方式来解释；
短语“在一个实施例中”、“根据一个实施例”等通常意味着在该短语之后的特定特征、结构或特性可以被包含在本发明的至少一个实施例中，并且可以被包含在本发明的多于一个的实施例中（重要的是，这样的短语不一定指代相同的实施例）；
如果说明书将某些内容描述为“示例性”或“示例”，则应当理解其指代非排他性示例；
当与数字一起使用时，术语“大约”或“近似”等可以意味着具体数字，或者替代地，接近具体数字的范围，如本领域技术人员所理解的那样；以及
如果说明书声明组件或特征“可以”、“可”、“可能”、“应该”、“会”、“优选地”、“有可能”、“典型地”、“可选地”、“例如”、“经常”或“也许”（或其它这样的语言）被包含或具有特性，则该特定的组件或特征并不必需被包含或并不必需具有该特性。这样的组件或特征可以可选地被包含在一些实施例中，或者可以被排除。
本公开的实施例包含用于提供防爆压电传感器的方法和系统。由于泄漏气体可能对环境有危险或可能导致严重的产品损失，所以需要尽可能快地检测可能由故障的管接头或管断裂引起的来自加压装置的气体的意外泄漏。一旦检测到泄漏，则可以将其指示给监视器或监督人，如此可以遏制泄漏或以其它方式减轻泄露。由于气体泄漏的性质，检测仪器可能需要是防爆的，以便即使在仪器附近发生爆炸，检测也可以继续，以及/或者使得仪器内发起的爆炸不传播到外部环境。
来自加压源的气体泄漏可能产生声音，该声音典型地具有可听和超声波范围内的频率。超声波检测器可以被配置成检测由气体泄漏产生的超声频率，并且因此检测气体泄漏。超声波检测器可以用信号通知检测到的超声的水平，并且可以被配置成在检测到的超声水平在某一阈值以上的情况下激活警报。
本公开的实施例涉及防爆超声波检测器，其可以包括封装在金属外壳中的一个或多个压电元件，其中压电元件可以将声波的压力从机械能转换成电信号。
图1图示了防爆超声波检测器100，其中，这里箭头1图示来自环境的超声压力波。防爆超声波检测器100可以包括面向超声压力波的金属外壳2，这里金属外壳2可以起到感测元件4（其可以是压电感测元件，或者也可以被称为压力式感测元件）的一个电极的作用。感测元件4可以经由焊料3附接到金属外壳2。感测元件4还可以包括一个或多个电极，其可以是银电极。附加地，感测元件4可以与导电压缩元件5和印刷电路板（PCB）6接触。PCB 6可以被配置成对导电压缩元件5进行压缩并且电连接到感测元件4的电极。防爆超声波检测器100还可以包括仪器外壳8，仪器外壳8可以经由密封材料7的层密封到金属外壳2。
如图1所示，感测元件4可以直接焊接到金属外壳2，并且金属外壳2可以经由螺钉9直接附接到PCB 6。金属外壳2可以通过直接与PCB 6接触并且将感测元件4连接到PCB 6而起到电极的作用。导电压缩元件5可以向感测元件4以及可能向防爆超声波检测器100的其它元件提供爆炸保护。导电压缩元件5可以进一步在制造的部件的容差限度内的尺寸变化的背景下提供部件的安装适配。当组装防爆超声波检测器100时，感测元件4可以经由导电压缩元件5处于金属外壳2（和焊料3）和PCB 6之间的压缩下。这种压缩可以降低感测元件4和电极和/或PCB 6之间可能由于强烈的机械冲击、振动、热冲击和/或过度的压电谐振而发生的分开的风险。感测元件4与PCB 6之间的导电压缩元件5的使用允许在大的温度范围内维持感测元件4的压缩而不损坏防爆超声波检测器100组件，其中导电压缩元件5的弹性可以被配置成均匀地分配压缩力。焊料3可以抵抗非常宽的温度范围和热循环，并且可能能够承受冲击和碰撞而不会使焊料3接合失败。焊料3还可以经由金属外壳2在感测元件4和PCB6之间提供可靠的电接触。
附接到感测元件4的金属外壳2的表面可以起到膜的作用，以将超声波压力波1从外部环境传递到感测元件4，同时还保护感测元件4免受爆炸冲击波的力的伤害。密封材料7可以提供与金属外壳2的防水密封，保护感测元件4、导电压缩元件5和PCB 6。密封材料7可以提供金属外壳2和仪器外壳8之间的电隔离。密封材料7还可以提供隔离（即，声绝缘）以防止超声波信号从仪器外壳8传播到感测元件4和/或金属外壳2中。由于碰撞或振动超声波信号可以源自仪器外壳8。在实施例中，密封材料7可以包括硅树脂。在实施例中，密封材料7可以被提供为预先模制的部件，例如预先模制的硅树脂部件。在实施例中，密封材料7可以具有约15.9 mm的长度或高度。在实施例中，密封材料7可以具有足以抵抗高达预定最大强度的爆炸的长度或高度。
感测元件4可以在经由金属外壳2和PCB 6而被金属表面包围的法拉第笼中操作。换种方式说，金属外壳2和PCB 6可以形成围住感测元件4的法拉第笼。在实施例中，由金属外壳2和PCB 6形成的法拉第笼可以进一步围住安装在PCB 6上的一些电子器件。PCB 6可以包括可以与防爆超声波检测器100的金属外壳2接触的连续的金属层。这种配置可以使电磁干扰（EMI）的影响最小化，提供电磁兼容性，并且可以允许防爆超声波检测器100实现高的信噪比（SNR）性能。
金属外壳2的面向进入的超声压力波1的前面可以包括涂层13，该涂层13可以包括诸如聚四氟乙烯（PTFE）的聚合物、另一类似材料或塑料标签。涂层13可以起到金属外壳2的防护罩的作用，以抵抗许多侵蚀性化学品，可以在宽的温度范围内起作用，并且可以不损害金属外壳2的声学性质，从而允许超声波通过。在实施例中，涂层13可以改进从超声压力波1到金属外壳2和/或感测元件4的能量的声学传递。
在图1中描述的防爆超声波检测器1可以包括非常少的组件，其促进为制造而优化的简单组装。典型的超声检测产品可以不包括防爆元件。防爆、高度可靠的超声波感测元件（其可以包括麦克风）可以优选用于通过空气传播的超声压力波来检测气体泄漏，尤其在可能存在诸如H2S的有害物质的环境中。
图2图示了防爆超声波检测器100的分解视图，其包括用于组装的金属外壳2、一个或多个压电感测元件4、导电压缩元件5、PCB 6和螺钉9。在实施例中，导电压缩元件5可以包括橡胶材料。注意，图2没有描绘焊料3的存在，在防爆超声波检测器100的最终组装或制造之前可以不提供焊料3。换句话说，可以认为焊料3与用于组装和制造防爆超声波检测器100的成套用具的部件分开，并且可以在制造过程期间提供为可供消耗的工具或可供消耗的材料。
图3图示了附接到示例性仪器300的防爆超声波检测器100。作为示例，示例性仪器300可能需要在从外部朝向仪器和/或从仪器内部朝向环境的至少600 psi的压强下继续使用。替代地，示例性仪器300和防爆超声波检测器100可能需要在其它预定压强下继续使用。安装在仪器300中的防爆超声波检测器100可以通过锁定环10或其它类似的机械元件从仪器300的内部固定。在一些实施例中，防爆超声波检测器100可以诸如经由密封剂12的层与仪器300的内部分开。密封剂12可以包括硅树脂。来自PCB 6的一个或多个引线11可以通过锁定环10和/或密封剂12延伸到仪器300的内部。
感测元件4到金属外壳2的焊接可以利用具有低于感测元件4的材料的居里温度的低熔化温度的焊料3来完成，由此防止感测元件4的任何灵敏性损失。作为示例，感测元件4的居里温度可以为近似300℃。金属外壳2上的涂层13（其可以包括PTFE）可以防止超声波传感器的金属外壳2和仪器外壳8之间的双金属腐蚀，因为这些外壳可能由不同的金属制成。
本公开的实施例可以包含组装防爆超声波检测器100的方法。感测元件4可以直接焊接到金属外壳2。可以经由导电压缩元件5向感测元件4施加压缩，其中向焊料3材料施加一致的压力，从而改进该连接的可靠性。 PCB 6然后可以经由螺钉9附接到金属外壳2，其中PCB 6可以接触导电压缩元件5并且维持来自导电压缩元件5的压缩。
金属外壳2可以经由密封材料7密封到仪器外壳8。附加地，可以向金属外壳2的前面施加涂层13，其中涂层13可以减小由于暴露于有害化学品而引起的腐蚀并且可以改进通过金属外壳2的超声传输。
在一些实施例中，可以将锁定环10附接到金属外壳以进一步将金属外壳保持在仪器外壳内。在一些实施例中，可以在金属外壳2之上施加密封剂12的层，以将金属外壳和其它元件与仪器外壳8的内部分开。
图4图示了附接到示例性仪器300的防爆超声波检测器100。附接到示例性仪器300的防爆超声波检测器100在所有方面类似于上面关于图1至图3描述的实施例，不同之处如下：在图4所图示的实施例中，仪器外壳8已经延伸，因此在金属外壳2的面向左的表面与锁定环10的面向右的表面之间存在偏移，密封材料7已经延伸以与锁定环10的边缘接触并且密封材料7在金属外壳2和锁定环10之间（即，在金属外壳2的面向左的表面和锁定环10的面向右的表面之间）延伸。金属外壳2和锁定环10之间的密封材料7的延伸可以提供防爆超声波检测器100与仪器外壳8的附加的电绝缘和/或隔离、防爆超声波检测器100在爆炸的情况下的附加机械缓冲、以及防爆超声波检测器100与仪器外壳8的附加声绝缘和/或隔离。在实施例中，密封材料7可以具有约15.9 mm的长度或高度。在实施例中，密封材料7可以具有足以抵抗高达预定最大强度的爆炸的长度或高度。
本公开的实施例可以包括用于保护超声波检测器免受爆炸的伤害的方法。可以经由压缩元件向超声波检测器的感测元件施加压缩。影响超声波检测器的冲击、振动和其它机械力可以被压缩元件吸收。
在第一实施例中，防爆超声检测器可以包括：金属外壳，其被配置成面向超声压力波；感测元件，其中，该感测元件经由焊料附接到金属外壳；压缩元件，其被配置成与感测元件接触；以及PCB，其被配置成对压缩元件进行压缩并且电连接到感测元件。
第二实施例可以包含第一实施例的防爆超声波检测器，其中，感测元件包括一个或多个电极。
第三实施例可以包含第二实施例的防爆超声波检测器，其中，金属外壳起到感测元件的电极的作用。
第四实施例可以包含第二或第三实施例的防爆超声波检测器，其中，金属外壳经由螺钉直接附接到PCB，由此将感测元件连接到PCB的电子电路。
第五实施例可以包含第一至第四实施例中的任何的防爆超声波检测器，其中，感测元件包括压电感测元件。
第六实施例可以包含第一至第五实施例中的任何的防爆超声波检测器，其中，压缩元件向感测元件和检测器的其它元件提供爆炸保护。
第七实施例可以包含第一至第六实施例中的任何的防爆超声波检测器，其中，当组装检测器时，感测元件经由压缩元件处于金属外壳（和焊料）与PCB之间的压缩下。
第八实施例可以包含第七实施例的防爆超声波检测器，其中，压缩降低了感测元件和电极之间可能由于强烈的机械冲击、振动、热冲击和/或过度的压电谐振而发生分开的风险。
第九实施例可以包含第一至第八实施例中的任何的防爆超声波检测器，其中，金属外壳的附接到感测元件的表面起到膜的作用，以将声压力波从外部环境传递到感测元件。
第十实施例可以包含第一至第九实施例中的任何的防爆超声波检测器，还包括密封到金属外壳的仪器外壳。
第十一实施例可以包含第十实施例的防爆超声波检测器，还包括在金属外壳和仪器外壳之间的密封材料，其中，密封材料提供仪器外壳和金属外壳之间的隔离，由此保护感测元件、压缩元件和PCB。
第十二实施例可以包含第十或第十一实施例的防爆超声波检测器，还包括锁定环，该锁定环被配置成将金属外壳保持在仪器外壳的内部内。
第十三实施例可以包含第十至第十二实施例中的任何的防爆超声波检测器，其中，金属外壳经由密封剂层与仪器外壳的内部分开。
第十四实施例可以包含第一至第十三实施例中的任何的防爆超声波检测器，其中，感测元件在经由金属外壳和PCB 而被金属表面包围的法拉第笼中操作。
第十五实施例可以包含第一至第十四实施例中的任何的防爆超声波检测器，其中，PCB包括与金属外壳接触的连续金属层。
第十六实施例可以包含第一至第十五实施例中的任何的防爆超声波检测器，还包括位于金属外壳的面向外的表面上的涂层，其中，该涂层被配置成允许超声波通过金属外壳。
第十七实施例可以包含第一至第十六实施例中的任何的防爆超声波检测器，其中，检测器被配置成在从外部朝向检测器和/或从仪器内部朝向检测器的至少600 psi的压强下继续使用。
第十八实施例可以包含第一至第十七实施例中的任何的防爆超声波检测器，其中，该焊料包括低于感测元件的材料的居里温度的熔化温度。
在第十九实施例中，一种用于组装防爆超声波检测器的方法可以包括：将感测元件的第一表面焊接到金属外壳的内表面；向感测元件的第二表面施加压缩，其中，第二表面与第一表面相对；经由压缩元件维持对感测元件的第二表面的压缩；以及将印刷电路板附接到金属外壳，其中，印刷电路板与压缩元件接触。
第二十实施例可以包含第十九实施例的方法，还包括向金属外壳的外表面的至少一部分施加涂层。
第二十一实施例可以包含第十九或第二十实施例的方法，还包括将金属外壳的外表面的至少一部分密封到仪器外壳。
第二十二实施例可以包含第二十一实施例的方法，还包括将被配置成将金属外壳保持在仪器外壳内的锁定环附接到印刷电路板和/或金属外壳。
第二十三实施例可以包含第二十二实施例的方法，还包括将被配置成将金属外壳保持在仪器外壳内的锁定环附接到印刷电路板和/或金属外壳。
尽管上面已经示出和描述了根据本文公开的原理的各种实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本公开的精神和教导的情况下对其进行修改。本文描述的实施例仅是代表性的，而非意图限制。许多变化、组合和修改是可能的并且在本公开的范围内。从组合、集成和/或省略（一个或多个）实施例的特征而得到的替代实施例也在本公开的范围内。因此，保护范围不受上面阐述的描述的限制，而是由随后的权利要求限定，该范围包含权利要求的主题的所有等同物。每一个权利要求均作为进一步的公开并入说明书中，并且权利要求是（一个或多个）本发明的（一个或多个）实施例。此外，上面描述的任何优点和特征可以涉及具体实施例，但是不应该将这样的发布的权利要求的应用限制为实现上面的优点中的任何或全部或者具有上面的特征中的任何或全部的过程和结构。
附加地，本文使用的章节标题是为了与根据37 C.F.R 1.77的建议一致或以其它方式提供组织线索而提供的。这些标题不应该限制或表征可以从本公开发布的任何权利要求中阐述的（一个或多个）发明。具体地且通过示例的方式，尽管标题可能涉及“领域”，但是权利要求不应该受在该标题下选择的用于描述所谓的领域的语言限制。此外，“背景技术”中对技术的描述不应该被解释为承认某一技术是本公开中的任何（一个或多个）发明的现有技术。“发明内容”也不被认为是对发布的权利要求中阐述的（一个或多个）发明的限制性表征。此外，在本公开中以单数形式对“发明”的任何提及不应该被用来主张本公开中仅存在单个新颖性点。可以根据从本公开发布的多个权利要求的限制来阐述多个发明，并且因此这样的权利要求限定了由此受到保护的（一个或多个）发明和其等同物。在所有情况下，根据本公开，权利要求的范围应该根据其自身的优点来考虑，而不应该受本文所阐述的标题限制。
诸如“包括”、“包含”和“具有”之类的较宽泛的术语的使用应该被理解为提供对诸如“由...组成”、“基本上由...组成”和“基本上由...构成”的较窄术语的支持。针对实施例的任何元件的术语“可选地”、“可以”、“可能”、“有可能”等的使用意味着元件不是必需的，或者替代地，元件是必需的，两个选择均在该（一个或多个）实施例的范围内。而且，提供对示例的提及仅仅为了说明的目的，而非旨在是排他性的。
尽管在本公开中已经提供了若干实施例，但是应该理解的是，在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可以以许多其它具体形式来体现所公开的系统和方法。本示例要被认为是说明性的而非限制性的，并且意图不限于本文给出的细节。例如，各种元件或组件可以被组合或集成在另一系统中，或者某些特征可以被省略或者不被实现。
而且，在不脱离本公开的范围的情况下，在各种实施例中被描述和图示为离散或分开的技术、系统、子系统和方法可以与其它系统、模块、技术或方法组合或集成。被示出或讨论为彼此直接耦合或通信的其它项目可以通过一些接口、装置或中间组件间接耦合或通信，无论以电的方式、机械方式或者以其它方式。本领域技术人员可以确定改变、替换和变更的其它示例，并且可以在不脱离本文公开的精神和范围的情况下做出所述改变、替换和变更其它示例。

Claims (15)

1.一种防爆超声波检测器（100），包括：
金属外壳（2），被配置成面向超声压力波；
感测元件（4），其中，所述感测元件（4）经由焊料（3）附接到所述金属外壳（2）；
压缩元件（5），其中，该压缩元件（5）是导电的；以及
印刷电路板（PCB）（6），
其中，该金属外壳（2）直接附接到PCB（6），从而经由所述压缩元件（5）来压缩所述感测元件（4）以提供爆炸保护。
2.根据权利要求1所述的防爆超声波检测器（100），其中，所述感测元件（4）包括一个或多个电极，所述金属外壳（2）起到所述感测元件（4）的电极的作用，并且所述金属外壳（2）经由螺钉（9）直接附接到所述PCB（6），由此将所述感测元件（4）连接到所述印刷电路板的电子电路。
3.根据权利要求1所述的防爆超声波检测器（100），其中，所述感测元件（4）包括压电感测元件。
4.根据权利要求1所述的防爆超声波检测器（100），其中，当组装该检测器时，该感测元件（4）经由压缩元件（5）在金属外壳（2）和焊料（3）和PCB（6）之间受到压缩。
5.根据权利要求1所述的防爆超声波检测器（100），还包括密封到所述金属外壳（2）的仪器外壳（8）以及所述金属外壳（2）和所述仪器外壳（8）之间的密封材料（7），其中，所述密封材料（7）提供所述仪器外壳（8）和所述金属外壳（2）之间的隔离，由此保护所述感测元件（4）、所述压缩元件（5）和所述PCB（6）。
6.根据权利要求5所述的防爆超声波检测器（100），还包括被配置成将所述金属外壳（2）保持在所述仪器外壳（8）的内部内的锁定环（10）。
7.根据权利要求1所述的防爆超声波检测器（100），其中，所述PCB（6）包括与所述金属外壳（2）接触的连续金属层。
8.根据权利要求1所述的防爆超声波检测器（100），还包括位于所述金属外壳（2）的面向外的表面上的涂层（13），其中，所述涂层（13）被配置成允许超声波通过到达所述金属外壳（2）。
9.根据权利要求1所述的防爆超声波检测器（100），其中该检测器被配置成在从外部朝向检测器和/或从超声波检测器（100）内部朝外的至少600 psi的压强下继续使用。
10.根据权利要求1所述的防爆超声波检测器（100），其中，该焊料（3）具有低于该感测元件（4）的材料的居里温度的融化温度。
11.一种用于组装防爆超声波检测器（100）的方法，所述方法包括：
将感测元件（4）的第一表面焊接到金属外壳（2）的内表面；
向所述感测元件（4）的第二表面施加压缩，其中，所述第二表面与所述第一表面相对；
经由导电压缩元件（5）维持对所述感测元件（4）的第二表面的压缩；以及
将印刷电路板（PCB）（6）直接附接到所述金属外壳（2），其中，所述PCB（6）与所述压缩元件（5）接触，从而经由所述压缩元件（5）来压缩所述感测元件（4）以提供爆炸保护。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括将涂层（13）应用于所述金属外壳（2）的外表面的至少一部分。
13.根据权利要求11所述的方法，还包括将所述金属外壳（2）的外表面的至少一部分密封到仪器外壳（8）。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括将锁定环（10）附接到所述PCB（6）和/或所述金属外壳（2），其被配置成将所述金属外壳（2）保持在所述仪器外壳（8）内。
15.根据权利要求11所述的方法，其中所述焊接将所述感测元件（4）加热到低于感测元件（4）的材料的居里温度的温度。
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