CN113916287A - 一种温度压力一体化传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种温度压力一体化传感器，包括传感器本体、第一温度传感器、隔离膜片、压力传感器、基座；所述传感器本体的前部表面设置有隔离膜片并具有间隙，隔离膜片用于传递压力信号，传感器本体的后部设置有放置压力传感器和基座的腔体，基座覆盖腔体的开口，压力传感器位于腔体内且固定在基座上，传感器本体的前部和后部之间设置有水平方向的通孔，且通孔、隔离膜片和传感器本体之间的间隙，以及传感器本体后部的腔体，构成连通的引压空间，引压空间内填充有液体，以便将隔离膜片上的压力信号传递到压力传感器；所述传感器本体设有与通孔平行的测温孔。本发明可方便实现温度和压力的同时测量和准确测量。
Description
技术领域
本发明所述的一种温度压力一体化传感器，涉及一种在管道或容器内，同时测量压力和温度的传感器领域，以及仪器仪表领域、仪器仪表行业的多参数测量领域。特别涉及在污染介质中的高精度压力和温度测量。
背景技术
压力传感器是一种用于测量介质压力的器件或装置，具有远传功能的压力传感器有时又称为压力变送器。压力传感器既可以是具有压力测量功能的芯片，也可以是经过封装后完成一定功能的压力测量模块。压力测量分为绝对压力、相对压力、差压等压力参量的测量，所以又细分为绝压传感器、表压传感器、差压传感器等。另外，压力传感器根据测量原理可分为多种类型，如：机械式、电容式、硅电阻、硅电容、压电式等，从而构成各个应用领域的压力传感器。在管道和容器的压力测量中，压力传感器按安装方式，可分为引压式和直装式。引压式一般通过引压管，将管道或容器内的压力传递给压力传感器。这种方式的优点是可以测量高温、高污染的介质，缺点是引压装置复杂，使用不方便。直装式是将压力传感器直接安装在管道或容器的壳体上，直接测量介质的压力。这种方式的优点是安装简单，缺点是使用场合有限制，不能应用于高温介质中。
硅、蓝宝石等晶体类材料制造的压力传感器，是一类应用非常广泛的压力传感器，如扩散硅压力传感器、SOI压力传感器、蓝宝石压力传感器、硅电容压力传感器、应变片等。为了便于这些传感器的使用，往往采用标准的集成电路封装工艺，将这类传感器固定在一个带有针脚的金属基座上，针脚和金属基座电绝缘，压力传感器上的信号接点，采用金属丝连接到针脚的一端，再从针脚的另一端将信号引出。使用时，将金属基座固定到所需的金属构件中，从而形成完整的压力测量装置。必要时，还会在金属构件中装上隔离膜片，并充入硅油、氟油等。
直装式压力传感器安装到管道或容器上，一般采用螺纹连接方式。压力传感器的前端布置有外螺纹，同时在管道或容器壳体上设置内螺纹安装座，将压力传感器固定在壳体上。基座所在的管道或容器壳体上开孔，使得压力传感器的前端可以和测量介质接触。前端传感器和介质之间一般有隔离膜片，防止介质和压力传感器直接接触导致的损坏。隔离膜片的材料一般根据介质的类型选择，常用的材料有不锈钢、钛合金、哈氏合金、钽等。隔离膜片可以设置在传感器的前端，也可以设置在内部。当设置在前端时，不需要设置引压孔，隔离膜片和介质直接接触，能消除介质污染的影响，但制造工艺较复杂。当设置在内部时，需要设置引压孔，当介质污染导致引压孔堵塞时，会引起传感器失效，因此这种方式只能用于介质较纯净的场合。这种隔离膜片内置的方式，具有工艺简单、成本低的优点。
温度传感器是用于测量介质温度的装置，具有远传能力的温度传感器有时又称为温度变送器。温度传感器分为接触型和非接触型，根据测量原理可分为多种类型，如：热电阻、热电偶、红外等。其中热电阻采用的材料包括：铜、铂、NTC等，从而成为常用的Cu50、Cu100、Pt100、Pt500、Pt1000、NTC1K、NTC5K、NTC10K等规格温度传感器。热电偶由不同的材料，成为K型、E型、J型、N型、B型、S型、R型、T型等各种规格温度传感器。
在管道或容器中，经常需要同时测量介质的温度和压力，一般常用的方法是分别安装一只温度传感器和一只压力传感器，这样占据较大的空间，且安装和维护量大、成本高。也有采用压力和温度一体的方式，将温度传感器设置在压力传感器的基座上，或内置在压力传感器中，由于多数使用环境下，压力传感器所处位置的温度和介质温度存在差异，因此温度测量有误差，不能用于高精度的温度测量。CN106595758A公开了一种温度压力一体变送器及其制作方法，其前端外置有温度传感器，压力传感器的隔离膜片设置在内部，前端设置有引压孔。由于温度传感器带有不锈钢套且和介质直接接触，使得介质温度可精确测量，但这种布置方式无法将压力传感器的隔离膜片设置在前端，须设置引压孔将压力传递到内部的隔离膜片上，这种布置方式在测量污染介质时，容易引起引压孔堵塞，从而导致压力信号测量失效。
在管道或容器中，进行压力和温度的测量时，由于管道或容器内介质的化学特性、或者存在杂质等，会对压力或温度传感器产生损坏，应避免压力或温度传感器直接接触介质。一般情况下，温度传感器采用不锈钢套管方式，将传感器和介质隔离，同样，压力传感器则采用隔离膜片方式，将传感器和介质隔离。对于压力传感器而言，隔离膜片和压力传感器之间还要填充惰性液体，如硅油、氟油等，用于将隔离膜片受到的压力传递到压力传感器上。
现有技术下，温度传感器和压力传感器设置在一个基座上。比如扩散硅压力传感器，在硅片制作时增加一个测量温度的二极管或三极管，或者扩散硅压力传感器的固定基座上，同时固定一个测量温度的硅电阻、二极管或三极管。由于在管道或容器的介质测量时，压力传感器和介质不直接接触，其所处位置的温度和介质温度存在偏差，导致现有技术，将温度传感器和压力传感器设置在一个基座上的方法，不能准确测量介质的温度。
现有技术下，温度传感器和压力传感器一体的装置，温度传感器前置到介质中，影响了压力传感器隔离膜片的安装，只能将隔离膜片内置，并通过引压孔将压力传递到隔离膜片。当测量管道或容器的压力时，如介质中含有杂质，容易堵塞引压孔，导致压力不能正确传递到压力传感器，导致将温度传感器前置的方法不能准确测量压力。
综上所述，现有技术的温度压力一体化传感器存在以下问题：
1) 温度传感器和压力传感器设置在一个基座上的方法，不能准确测量介质的温度；
2) 将温度传感器前置的方法，对于有杂质的介质，存在不能准确测量压力的可能。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种温度压力一体化传感器。
一种温度压力一体化传感器，包括传感器本体、第一温度传感器、隔离膜片、压力传感器、基座；所述传感器本体的前部表面设置有隔离膜片并具有间隙，隔离膜片用于传递压力信号，传感器本体的后部设置有放置压力传感器和基座的腔体，基座覆盖腔体的开口，压力传感器位于腔体内且固定在基座上，传感器本体的前部和后部之间设置有水平方向的通孔，且通孔、隔离膜片和传感器本体之间的间隙，以及传感器本体后部的腔体，构成连通的引压空间，引压空间内填充有液体，以便将隔离膜片上的压力信号传递到压力传感器；所述传感器本体设有与通孔平行的测温孔，测温孔的一端位于传感器本体的前部，且封闭，另一端位于传感器本体的后部，且开口，第一温度传感器位于测温孔内，且接近隔离膜片。
所述传感器本体内进一步设置有第二温度传感器，所述第二温度传感器和第一传感器保持距离，用于修正第一温度传感器的测量误差。
所述第二温度传感器位于测温孔内。
所述测温孔内进一步包含印刷电路板，第一温度传感器固定在印刷电路板上；所述第二温度传感器固定在印刷电路板上。
所述基座的针脚固定在印刷电路板上，所述基座焊接在传感器本体的空腔开口处，且密封。
所述液体为硅油或氟油，以便将隔离膜片受到的压力信号准确的传递到压力传感器。
所述传感器本体采用不锈钢材料，所述传感器本体进一步设置有固定螺纹。
所述隔离膜片的边缘焊接在传感器本体的前部表面且密封，所述隔离膜片采用不锈钢材料。
所述基座包含针脚，以便于将压力传感器的信号传输至外部。
所述压力传感器和基座之间采用胶水固定，所述压力传感器为硅电阻或硅电容式的压力传感器。
本发明提供了一种温度压力一体化传感器的温度传感器布置方式，可提供高精度的温度测量。本发明将温度传感器内置在传感器本体的前端，且位于隔离膜片之后，避免了对隔离膜片的影响。另外传感器本体前端整体前置，使得前端的温度更接近介质温度，有利于介质温度的测量。由于传感器本体前端存在温度分布场，第一温度传感器接近隔离膜片，使得第一温度传感器所在的位置尽可能接近介质温度，以减少测量误差。本发明还提供一种补偿第一温度传感器测量误差的办法，即距离第一温度传感器合适的位置设置第二温度传感器，由于传感器本体前端的温度分布呈一定的分布规律，可以用第二温度传感器补偿第一温度传感器的测量误差。
本发明提供了一种温度压力一体化传感器的压力传感器布置方式，可避免介质中的杂质导致压力传感器失效。本发明在传感器本体的前端设置温度传感器，同时将压力传感器的隔离膜片前置，取消了引压孔，避免介质中的杂质堵塞引压孔导致的传感器失效。
本发明提供了一种温度压力一体化传感器的压力和温度信号引线装置，将第一温度传感器、第二温度传感器和基座固定在印刷电路板上，方便引线。本发明用印刷电路板作为温度传感器的载体，即可以方便的固定温度传感器，也可以作为传感器器的引线，同时基座和印刷电路板平行放置，且通过针脚焊接在印刷电路板上，方便压力传感器信号的引出。
综上所述，与现有方法相比，本发明具有以下优点：
1）采用两只或两只以上的温度传感器，实现介质温度的精确测量；
2）无引压孔结构设计，避免引压孔堵塞问题，可防止压力测量失效；
3）温度传感器和压力传感器固定在印刷电路板上，方便了引线。
附图说明
图1是本发明的一种实施例图；
图中，传感器本体1、第一温度传感器2、第二温度传感器3、隔离膜片4、压力传感器5、基座6、焊接环７、印刷电路板8、传感器本体螺纹9、六角螺母10、散热环11、圆柱形腔体12。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的阐述。
实施例
参见图1，为本发明一种温度压力一体化传感器的一种实施方案的剖面示意图。为了描述方便，将传感器本体1沿轴线从左至右分为三个部分说明，分别为前部、中部和后部。传感器本体1的前部近似圆柱体，其端面依次覆盖隔离膜片4和焊接环7，且隔离膜片4的中部和传感器本体1前部的端面之间留有小的间隙，以便压力信号的传递。焊接环7为环形，用于改善隔离膜片4的焊接固定。传感器本体1、焊接环7和隔离膜片4为金属材质，如不锈钢，并采用氩弧焊、激光焊或等离子焊等焊接工艺固定。本实施例的隔离膜片4和传感器本体1端面为平面形状，也可以为波纹形状，该技术为压力传感器所普遍应用。
传感器本体1中部设置有外螺纹9和六角螺母10，用于传感器本体1在管道或容器外壳上的固定。一般固定前，先在管道或容器外壳上开孔，并安装配套的内螺纹底座，然后将传感器本体1旋入底座内。安装后，传感器本体1的前部通过开孔伸入管道或容器外壳内，以便准确测量介质的温度和压力。本实施例的传感器本体1的中部还设置有散热环11，用于测量高温介质时，降低传感器本体1后部的温度，该技术为压力传感器所普遍应用。
传感器本体1后部设置有垂直于水平轴线的圆柱形腔体12，圆柱体腔体12向下开口，基座6采用焊接方式固定在圆柱形腔体12的开口处，焊接方式一般为电阻焊。圆柱形腔体12的内部空间内布置有压力传感器5，压力传感器5采用胶水固定在基座6上。基座6包含有管脚，管脚和基座6采用玻璃材料绝缘且密封，压力传感器5的信号经管脚引出。压力传感器5和基座6的组合，是一种常用的硅压阻传感器结构形式，常用于压力变送器中。基座6是一种常用的半导体器件固定座，用于传感器、芯片等信号的引出。
传感器本体1在圆柱形腔体12和隔离膜片4之间设置有通孔，通孔连接传感器本体1的前部端面和圆柱形腔体12，内部充满硅油，用于将隔离膜片4处的介质压力信号传递到压力传感器5上。硅油是一种惰性液体，具有良好的化学稳定性，此外，也可以采用氟油等惰性液体。填充惰性液体为常规压力变送器所常用的压力传递方法。
传感器本体1在前部和后部之间，进一步布置有平行于水平轴线的测温孔，测温孔的一端密闭，且位于传感器本体1前部的内部，接近隔离膜片4，测温孔的另一端开口至传感器本体1的后部。测温孔内置印刷电路板8，第一温度传感器2、第二温度传感器3，基座6的管脚固定在印刷电路板8上，且第一温度传感器2接近隔离膜片4，有利于更精确的测量介质温度。由于第一温度传感器2和介质不直接接触，且传感器本体1的前部存在温度差分布，导致介质和第一温度传感器2存在温度差。为了弥补温度差所造成的介质温度测量误差，本实施例设置了第二温度传感器3，第二温度传感器3位于第一温度传感器2和传感器本体1的外螺纹之间，用于补偿第一温度传感器2的测量误差。
由于传感器本体1前部的温度呈现一定规律的梯度分布，第一温度传感器2所处位置的温度和介质温度之间存在差异，导致介质温度测量误差。本实施例采用第二温度传感器3所处位置的温度，按一定的补偿方法进行误差修正，以提高介质温度测量的精度。由于不同的安装方式、结构形式、使用环境等差异，补偿方法不尽相同，补偿所采用的温度传感器数量可以一只也可以多只，放置的位置也不尽相同。这种采用多只补偿温度传感器的方法，为本领域专业人士所熟知的技术，此类情况亦在本发明的保护范围内。
本实施例隔离膜片4采用焊接环固定方式，本领域的常规压力变送器，也有采用无焊接环直接焊接的固定方式。这种采用无焊接环的方法，同样可以在本发明中使用，为本领域专业人士所熟知的技术，此类情况亦在本发明的保护范围内。
本实施例隔离膜片4和传感器前部端面为平面形状，本领域的压力变送器，也有采用采用波纹、锯齿等形状。这种采用其他形状的方法，同样可以在本发明中使用，为本领域专业人士所熟知的技术，此类情况亦在本发明的保护范围内。
本实施例的第一温度传感器2、第二温度传感器3和基座6固定在同一块印刷电路板8上，也可以采用多块印刷电路板分别固定的方式，并不影响第一温度传感器的补偿和信号的传输，为本领域专业人士所熟知的技术，此类情况亦在本发明的保护范围内。
本实施例的第一温度传感器2和第二温度传感器3均放置在同一测温孔内，也可以设置多个测温孔，将第一温度传感器2和第二温度传感器3分别放置在不同的测温孔内，这种分别放置在多个测温孔的方法并不影响温度传感器的测温，为本领域专业人士所熟知的技术，此类情况亦在本发明的保护范围内。
将本装置镜像和/或旋转任何角度，并不影响本装置的技术特征，为本领域专业人士所熟知的技术，此类情况亦在本发明的保护范围内。
以上公开的仅为本发明的具体实施例，但本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种温度压力一体化传感器，其特征在于：包括传感器本体、第一温度传感器、隔离膜片、压力传感器、基座；所述传感器本体的前部表面设置有隔离膜片并具有间隙，隔离膜片用于传递压力信号，传感器本体的后部设置有放置压力传感器和基座的腔体，基座覆盖腔体的开口，压力传感器位于腔体内且固定在基座上，传感器本体的前部和后部之间设置有水平方向的通孔，且通孔、隔离膜片和传感器本体之间的间隙，以及传感器本体后部的腔体，构成连通的引压空间，引压空间内填充有液体，以便将隔离膜片上的压力信号传递到压力传感器；所述传感器本体设有与通孔平行的测温孔，测温孔的一端位于传感器本体的前部，且封闭，另一端位于传感器本体的后部，且开口，第一温度传感器位于测温孔内，且接近隔离膜片。
2.如权利要求1所述的一种温度压力一体化传感器，其特征在于：所述传感器本体内进一步设置有第二温度传感器，所述第二温度传感器和第一传感器保持距离，用于修正第一温度传感器的测量误差。
3.如权利要求2所述的一种温度压力一体化传感器，其特征在于：所述第二温度传感器位于测温孔内。
4.如权利要求1或者3所述的一种温度压力一体化传感器，其特征在于：所述测温孔内进一步包含印刷电路板，第一温度传感器固定在印刷电路板上；所述第二温度传感器固定在印刷电路板上。
5.如权利要求４所述的一种温度压力一体化传感器，其特征在于：所述基座的针脚固定在印刷电路板上，所述基座焊接在传感器本体的空腔开口处，且密封。
6.如权利要求1所述的一种温度压力一体化传感器，其特征在于：所述液体为硅油或氟油，以便将隔离膜片受到的压力信号准确的传递到压力传感器。
7.如权利要求1所述的一种温度压力一体化传感器，其特征在于：所述传感器本体采用不锈钢材料，所述传感器本体进一步设置有固定螺纹。
8.如权利要求1所述的一种温度压力一体化传感器，其特征在于：所述隔离膜片的边缘焊接在传感器本体的前部表面且密封，所述隔离膜片采用不锈钢材料。
9.如权利要求1所述的一种温度压力一体化传感器，其特征在于：所述基座包含针脚，以便于将压力传感器的信号传输至外部。
10.如权利要求1所述的一种温度压力一体化传感器，其特征在于：所述压力传感器和基座之间采用胶水固定，所述压力传感器为硅电阻或硅电容式的压力传感器。
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