CN1182481A - 压力变送器组装件 - Google Patents

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Abstract

一种将压力传感器(30)装入压力变送器(10)中的组装件(21),包括一朝第一表面(103)敞开,并由内端壁(164)和内侧壁(130)限定的腔穴(32)的头部(58)以支撑端(150)与腔穴中的内端壁(164)相连的支撑(120)。用第一管套端(102A)支撑压力传感器(30),并用第二管套端(102B)与第二支撑端(136)相连的一管套(102)、将第二管套端(102B)对准第二支撑端(136)以增加组装部件(21)体积从而减少传感器腔穴(32)所需充填液总量的对准机构(132)。

Description

压力变送器组装件
发明的背景
本发明涉及压力变送器，本发明尤其是涉及一种在传感器腔中的改进的支撑传感器的组装部件。
在电子压力变送器中，有一顺应压力的膜片接受被测压力源的管线压力并形成密闭传感器腔穴的外墙，一压敏传感器位于传感器腔穴中。该腔穴充满液体，此后即称其为“充填液”，如硅油。该充填液即将管线压力由膜片传递给压力传感器。
通常，压力传感器是由脆性材料，如硅制成，而支撑该压力传感器的支撑面则由抗腐蚀金属所制成。而当今设计这类压力变送器的关键问题是怎样将硅传感器安装到抗蚀金属上去。硅传感器和变送器的抗蚀金属的热膨胀系数不同，只要金属外壳对压力传感器支撑得不适当，必将使应力提升而导致以温度为函数的测量误差，而且还希望尽量减少传感器腔穴中充填液的总量，使得充填液受温度影响的膨胀或收缩不致被压力传感器所感受而当作管线压力的变化。
发明要点
本发明涉及在压力变送器中的压力传感器的安装部件。该安装部件包括一头部，该头部具有一个朝着第一表面敞开的腔穴。该腔穴是由一内端壁和一内侧壁所限定。有一支撑联接在腔穴中内端壁的第一支撑端上。基底的第一座面支承压力传感器，第二座面与第二支撑端相联接。对准机构使第二座面端与第二支撑端对准以便使安装部件的体积增加，从而使传感器腔穴中所需的充填液总量减少。
此处所说的“对准机构”是指过渡支撑或基座的延伸部，该延伸部分别适配在基座或过渡支撑的孔中。延伸部的宽度小于延伸出该延伸部的本体的宽。
附图的图面说明
图1是以部分剖面和部分方块的形式示出具有本发明压力传感器的组装部件的压力变送器视图；
图2是一隔离体组装部件的剖面视图；
图3是图2中局部放大剖面视图；
图4是绘示图3组装部件在早期阶段的铜焊预制件结构的剖面视图。
最佳实施例的详细描述
具有本发明压力传感器组装部件12(见图2)的变送器10表示在图1中。变送器10包括一外壳14，该外壳14具有一与放大的本体18相连的基体16，基体16包括一个孔20，该孔20上装有一个隔离体组装部件21，在没有隔离体组装部件21和后述变送器10的其他组件的情况下，孔20经基体16通达放大本体18内部所形成的内腔22。隔离体组装部件21将工作流体(此处由箭头24代表)与内腔22隔离开。通常，运送管道(图中未表示)将工作流体24带入而与顺应压力的隔离膜片26相接触。工作液体24对隔离膜片26施压。有一定量的基本上不可压缩的充填液(如硅油)被置于导管28中。导管28中的充填液将工作流体的压力传递到传感器腔穴32中的压力传感器30上，而传感器腔穴32中也被充填液所充满。
导线36将压力传感器30联接到预处理电路板38，再由导线40将该预处理电路板38与变送电路42相联接。与常规技术一样，外接直流电源44通过双股绞线46经变送器10的通孔48送入，接到变送电路42上。双股绞线46接到端子板50上，再通过导线52与变送电路42联接。罩子54A和54B上有口可使端子板50和变送电路42分别进出其中。
在图2的实施例中，压力传感器30中有已知的半导体型应变计(图中未表示)，该应变计响应于传感腔穴32中的压力。在本发明中，采用液体耦合隔离膜片的其他类型的已知压力传感器，例如电容的或光学的压力传感器，也可达到本发明的相同目的。
压力传感器30响应于传感器腔穴32中充填液的压力(该压力代表工作流体24的压力)，而输出一个输出信号，该输出信号是通过预处理电路板38而送达变送电路42中。安装预处理电路板38是用合适的封装材料16A安装在基体16中。变送电路42将工作流体的压力转变成在4到20毫安的范围内调节的直流电流，并通过双股绞线传输出去。变送电路42也可以用适当的控制电路以数字信号的方式按已知的数字规约如HART规约，通过双股绞线时输出去。
隔离体组装部件21包括一个联接件51，其直径可以与孔口20和头部58相配合。联接件51中有一内通道，用53表示。该内通道53的尺寸可以接纳隔离体的塞头55。参见图2，头部58是用适当的圈焊在62处与塞头55的端面60相连接。头部58是圆柱体，并装进基体16的孔口20。“O”型密封圈64裹在头部58的周围将内腔22密封住不与孔口20相通。在头部58面向隔离体塞头55的端面上有一个合适的凹部66，形成传感器腔穴32。
在端面68的后面还有一个凹孔70，而且通向另一小口径孔道72，然后径向联通到头部58的外周和基体16的内壁76之间的空隙74中，如图1所示。空隙74是与基体16上接纳联接件51的螺纹80相联通的。
传感腔穴32，导管28和位于膜片26背面与导管28相联的腔穴90中部通过充填管92充满了实质上不可压缩的充填液，如硅油。要求尽量减少充填液的总量，以便使充填液的热和重力效应不被压力传感器30所感受而以为是工作液体24的压力变化。放在传感腔穴32中的圆柱套筒94就是为了减少所需充填液的总量。
为了进一步减少充填液的总量，包含组装部件12在内组件是互相对准的，组装部件12支撑着传感器腔穴32中的压力传感器30。如图3所示，传感器腔穴32最好包括一个与表面103相通的一个直径有所缩减(用箭头101表示)的穴部100。组装部件12就是用头部58支撑后放在穴部100之中。
组装部件12包括一放在穴部100之中的管套102。该管套102是和此处作为差分压力传感器的传感器30相连接的。差分压力传感器30最好包括一硅片104，这上面装有压敏膜片。硅片104是装在硅支座106上，支座106再装在管套102的端面102A上。管套102的膨胀系数最好和硅支座106的一样。在本实施例中，管套102是由Pyrex(硼硅酸玻璃)制成。或者，管套102可以含有适当的陶瓷材料，例如，氮化硅。用一种阳极键合法将玻璃管套102的端面102A和硅支座106的下表面连接起来。阳极键合可将管套102中的通道108和支座106中的孔110密闭封接，于是使大气压力从头部58中的通道72传递到硅片104的膜片上。从实施例中可以看到，大气压力是通过空隙74而经过通道72达到凹孔70中去的。
在玻璃管套102的第二端102B上，玻璃管套102与一过滤支撑件120最好用以Kovar(柯伐)商标出售的铁镍合金材料连接起来。这样，也就和头部58连接在一起了。过渡支撑件120上有一通孔122，将凹孔70与管套中的通道108连通起来。玻璃与柯伐的封接最好在玻璃管套102表面上有三层金属，它包括沉积锆的第一薄层。锆可以沉积在玻璃上、并且永久性地和玻璃键合在一起。然后用已有技术在锆上沉积一层镍，以提供一层可用湿性钎焊料的焊接层。这一层镍锆界面层也是一种永久性键合层。然后再在该镍层上镀一层金以防止镍的氧化。
过渡支撑120上也先制有三层金属层，然后再将该镀有金属的过渡支撑120和玻璃管套102焊接在一起。这三层金属层可以先是将一层钛沉积在过渡支撑120的表面，然后再在上面制作镍层和金层。也可以把镍层放在金层之后镀在头部58和过渡支撑120的最外表面。
为了减少传感器腔穴32中穴部100中的基本不可压缩充填液的体积或总量，很希望穴部100形成的内壁130是对应于玻璃管套102的外表面102C和过渡支撑120的外表面120C的。在本实施例中可见穴部100的直径101的大小就正好足以保证当玻璃管套102和过渡支撑120膨胀时，这两个零件不致与内壁130相接触。组装部件12包括对准机构131，该机构实际就如过渡支撑120上的一对准凸台132，其外径134正好可以安装在玻璃管套102内的通道108之中，而且该对准凸台的外径134是比凸台132的底座即过渡支撑120的外径138为小。装配时对准凸台132将玻璃管套102对准在过渡支撑120的支撑表面136上，以保证组装部件12的圆柱形状而与圆柱形的穴部100相适配。当然，最好如图所示使过渡支撑120的外径138就等于玻璃管套102的孔径140。这样，所需充填液的总量就可减少。
应该理解到，虽然所描述的管套102，过渡支撑120，对准凸台132和通道108都是圆柱形的，而且装在一个圆柱形的穴部100之中，但这只是为减少组装后剩余穴部100体积的此类零件外形中的一种而已。也可以采用诸如矩形之类的形状作零件和通道的外形。就玻璃管套102和过渡支撑120而言，这两类零件可以用各种各样的平面或弧面的外表面。当然为了减少穴部100中所需充填液的总量，玻璃管套102和过渡支撑120的外表面的轮廓最好应和内壁130的轮廓相一致，例如，要是玻璃管套102或过渡支撑120的外表面上有一凸部，则内壁130部位上也应有一相应的凹部，以保持该两相对应的表面之间有一适当的间隙。
为了减少充填液的总量，组装部件12应该占有穴部100中至少70％体积；但又不应大于98％，以允许玻璃管套102和过渡支撑120有热膨胀的余量。组装部件在穴部100中的最佳体积占有量至少是80％，最大是98％。
此外，还应理解：在另一实施例(并未图示)中，对准机构131也可以包括一个从管套的端面处伸出的对准凸台，它与过渡支撑相匹配，此时过渡支撑在其配合面上有一适当的孔以便接纳管套上的对准凸台。所以，此处所指的“对准机构”是定义为在过渡支撑上或是在管套上伸展的部分，它们分别适配于管套上或是过渡支撑上的相应孔中。伸展部分的宽度小于其基底。
图3和图4又绘示了一种将过渡支撑120联接到头部58的铜焊技术。如图所示，过渡支撑120包括一个延伸部150，该延伸部150位于凹部70上的相应的孔152中。凹部70通向孔152。将延伸部150放入孔152中提供了一种在穴部100中使过渡支撑120对准头部58的方法。
参见图4，延伸部150是通过铜焊盘片158上的孔156而放入孔152中的。在铜焊过程中盘片158熔化而受毛细管作用拉入间隙160中，该间隙最好是处在延伸部150和头部58的孔152之间的圆柱体。如图所示，盘片158的厚度是小于过渡支撑120的下表面162和托置盘片158的传感器腔穴32的端面16之间的间隙161。盘片158最好有一伸出于间隙160上方的部分，这里绘示为内圆边，一旦熔融，铜焊盘片158就流入间隙160之中。于是，铜焊盘片158流入间隙160，基本上就不会留在两个表面162和164之间的空隙中。过渡支撑120和头部58的连接仅仅是在其延伸部150处，即使过渡支撑120可随温度变化而自由膨胀，收缩，从而减少对玻璃管套102的应力。
铜焊盘片158最好是一个厚度约0.002-0.004英寸的薄垫片。该盘片158减少了两表面162和164之间的距离，从而又减少了传感器腔穴32中基本不可压缩的充填液总量。铜焊盘片158具有足够的面积用以向间隙160之中提供合适的铜焊材料用量，如图3所示，铜焊盘片158最好是在真空的或是含有惰性气体的合适的加热炉中熔化的。在需要的时候，铜焊材料选用其熔点接近于能够焊接玻璃管套102和过渡支撑120的焊接材料的熔点。于是，玻璃管套102与过渡支撑120的连接以及过渡支撑120与头部58的连接就在一个制造工艺步骤中完成。应该注意到玻璃管套102和柯伐合金过渡支撑120只是在传感器腔穴32中支持压力传感器的一种组合而已，只要愿意，本发明还可采用别的适当材料诸如陶瓷作管套102，用其它适用的合金作过渡支撑120。
虽然已参考最佳实施例描述了本发明，但本领域的普通技术人员应当认识到即使形式和细节上有所改变，也仍未脱离本发明的精神和范畴。

Claims (14)

1.一种用于将压力传感器装入压力变送器的组装部件，其特征在于，它包括：
一头部，具有朝着第一表面敞开的腔穴，该腔穴由一内端壁和一内侧壁所限定；
一支撑，具有第一支撑端和第二支撑端，其第一支撑端是与腔穴的内端壁相连；
一管套，具有一支撑压力传感器的第一管套端和与第二支撑端相连的第二管套端；和
对准机构，用于将第二管套对准第二支撑端。
2.一种如权利要求1的组装部件，其特征在于，其中对准机构包括一从第二支撑端上伸出的对准凸台和一制作在管套上、开在第二管套端上用以接纳对准凸台的孔。
3.一种如权利要求2的组装部件，其特征在于，其中的孔包括一从第一管套端通向第二管套端的管套通道，并且其中的对准凸台包括一开在第一支撑端上，并和管套中的通道可用流体相通的孔。
4.一种如权利要求3的组装部件，其特征在于，其中的传感器腔穴是圆柱形，和其中的第二管套端和第二支撑端都是圆的。
5.一种如权利要求4的组装部件，其特征在于，其中第二管套端的直径是等于第二支撑端的直径。
6.一种如权利要求2的组装部件，其特征在于，其中第二支撑端包括一延伸部，而头部则包括一开在端壁上用以接纳延伸部的凹部。
7.一种如权利要求6的组装部件，其特征在于，其中用一种连接材料将延伸部的侧壁和凹部的侧壁连结起来。
8.一种如权利要求1的组装部件，其特征在于，其中支撑的外表面是和腔穴上面向支撑外表面的内侧壁相对应部分相一致的。
9.一种如权利要求8的组装部件，其特征在于，其中管套的外表面是和腔穴上面向管套外表面的内侧壁相对应部分相一致的。
10.一种用于将压力传感器装入压力变送器的组装部件，其特征在于，它包括：
一头部具有一朝着第一表面敞开的腔穴，该腔穴由一内端壁和一内侧壁所限定；
一支撑，具有一第一支撑端和一第二支撑端，其第一支撑端是与腔穴中的内端壁相连并具有一外表面，该外表面是与腔穴上面向支撑外表面的内侧壁相对应部分相一致的；和
一管套，具有一支撑压力传感器的第一管套端和与第二支撑端相连接的第二管套端。
11.一种如权利要求10的组装部件，其特征在于，其中管套的外表面是和腔穴上面向管套外表面的内侧壁相对应部5相一致的。
12.一种如权利要求10的组装部件，其特征在于，它还包括将第二管套端与第二支撑端相对准的对准机构。
13.一种将压力变送器中的压力传感器支撑在传感器腔穴中的支撑连接到压力变送器的支撑面上去的方法，而该支撑具有一延伸部，和该支撑面上具有其尺寸可接纳延伸部的孔，其特征在于，所述方法包括：
将一可熔盘片置入支撑面及其相对的支撑的表面之间，该盘片的厚度小于支撑面和其相对表面之间的间距；和
加热该盘片使之熔化而致使其所熔融的盘片流入孔中。
14.一种如权利要求13的组装部件，其特征在于，其中的支撑是用可熔材料将远离支撑面的端面与管套相连接，和其中的加热步骤包括当熔融可熔盘片时，也同时将该可熔材料熔化。
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PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication