KR100800035B1 - 방사상으로 인장된 금속 격막을 갖는 압력 센서 - Google Patents

방사상으로 인장된 금속 격막을 갖는 압력 센서

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KR100800035B1
KR100800035B1 KR1020020082322A KR20020082322A KR100800035B1 KR 100800035 B1 KR100800035 B1 KR 100800035B1 KR 1020020082322 A KR1020020082322 A KR 1020020082322A KR 20020082322 A KR20020082322 A KR 20020082322A KR 100800035 B1 KR100800035 B1 KR 100800035B1
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Abstract

본 발명은 유체 압력을 측정하는 방사상으로 인장된 격막을 갖는 압력 센서에 관한 것이다. 압력 센서는 일반적으로 오목한 제1 금속 몸체부와 일반적으로 오목한 제2 금속 몸체부, 및 이들 부재 사이에 배치되며 센서의 가열에 의하여 인장되는 방사상으로 인장된 가요성 금속 격막을 포함한다. 제1 및 제2 몸체부는 열팽창계수가 대략 0.0000056 인치/인치/℉ 내지 0.0000064 인치/인치/℉ 범위의 금속으로 형성된다. 격벽은 열팽창계수가 대략 0.0000060 인치/인치/℉인 침전 경화형 금속 소재로 형성된다. 제1 몸체부 및 제2 몸체부는 상기 제1 및 제2 몸체부가 격막을 움직이게 할 수 있는 자계로부터 상기 격막을 차폐시키도록 강자성 금속 소재로 형성된다.

Description

방사상으로 인장된 금속 격막을 갖는 압력 센서 {PRESSURE SENSOR WITH A RADIALLY TENSIONED METAL DIAPHRAGM}
본 발명은 유체 압력을 측정하는 압력 센서에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 제1 몸체부와 제2 몸체부, 및 상기 제1 몸체부와 제2 몸체부 사이에 배치된 방사상으로 인장된 가요성 격막을 포함하고, 상기 제1 및 제2 몸체부를 형성하는 소재는 소재의 열팽창계수가 서로 조화가능하도록 상기 격막을 형성하는 소재와 일치되는 압력 센서에 관한 것이다.
종래, 압력 센서는 몸체부 및 이들 몸체부 사이에 끼워진 금속 격막을 포함하고 있다. 금속 격막은 미합중국특허 제6,019,002호에 개시된 바와 같이 격막의 직경을 방사상으로 팽창시킴으로써 방사상으로 인장되었다. 또한, 금속 격막은 격막을 침전 경화형 금속으로 형성하고, 어닐링 상태의 상기 침전 경화형 금속을 섭씨 약 500도 내지 600도의 고온으로 한 시간 동안 에이징 처리함으로써 미합중국특허 제4,158,311호에 개시된 바와 같이 침전 경화형 소재가 수축되어 격막을 방사상으로 팽창시킨다.
센서의 몸체부를 형성하는 금속 소재의 열팽창계수(Tc)가 격막을 형성하는 금속 소재의 열팽창계수와 충분히 근접하여 일치되지 않는 경우, 격막은 가열 처리 도중에 몸체부를 형성하는 소재의 항복 응력을 초과할 수 있는 레이디얼 고장력 응력을 받을 수 있다는 점을 알았다. 따라서, 몸체부는 항복하고 가열 처리 공정에 의하여 형성된 격막의 레이디얼 인장력을 릴리스하게 되어, 주위 온도에서 격막의 네트 레이디얼 인장력이 제로로 된다. 또한, 사용 도중에, 몸체부를 형성하는 소재 및 격막을 형성하는 소재의 열팽창계수 간의 충분한 불일치로 인하여 센서의 온도가 변하면서 격막 레이디얼 인장 응력이 변하게 되어, 스팬(현척(現尺) 압력)의 압력 판독에 직접 변화 또는 오차를 야기한다. 금속 격막은, 압력 변화에 대항하는 바와 같이, 자계에 의하여 또한 이동할 수 있으므로 압력을 부정확하게 판독한다. 본 발명은 종래 기술에서의 이러한 문제점을 극복하는 것이다.
본 발명은 유체 압력을 측정하는 압력 센서에 관한 것이다. 압력 센서는 제1의 일반적으로 오목한 금속 몸체부 및 제2의 일반적으로 오목한 금속 몸체부를 갖는 하우징을 포함한다. 제1의 몸체부와 제2의 몸체부 사이에 방사상으로 인장된 가요성 금속 격막이 배치된다. 제1의 몸체부 및 격막은 제1 유체 쳄버를 형성하고, 제2의 몸체부 및 격막은 제2 유체 쳄버를 형성한다. 제1 및 제2의 몸체부는 제1 열팽창계수를 갖는 제1 금속으로 형성되고, 격막은 제2 열팽창계수를 갖는 제2 금속으로 형성된다. 몸체부 금속의 제1 열팽창계수는 제2 열팽창계수보다 대략 0.0000015 인치/인치/℉ 이하 만큼 더 크다. 격막을 형성하는 제2 소재의 제2 열팽창계수는 대략 0.0000060 인치/인치/℉가 바람직하다. 몸체부를 형성하는 제1 소재의 제1 열팽창계수는 대략 0.0000056 인치/인치/℉ 내지 0.0000064 인치/인치/℉ 범위가 바람직하다. 제1 몸체부 및 제2 몸체부는 강자성 소재로 형성되어, 압력의 부정확한 측정을 유발하는 격막의 움직임을 일으키는 자계로부터 격막을 차폐시킨다.
도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 압력 센서(20)의 일 실시예의 도면이다. 압력 센서(20)는 중앙축(21) 및 하우징(22)을 포함한다. 하우징(22)은 일반적으로 오목한 제1 몸체부(24) 및 일반적으로 오목한 제2 몸체부(26)를 포함한다. 제1 및 제2 몸체부(24, 26)는 실질적으로 서로 동일하게 형성된다. 몸체부(24, 26)는 동일 유형의 금속으로 형성되고 금속판이 최종 형태로 스탬핑된다. 제1 몸체부(24)는 일반적으로 원형인 외주 에지(30)를 포함하는 일반적으로 환형인 플랜지(28)를 포함한다. 제1 몸체부(24)는 원형인 중앙 애퍼춰(34)를 갖는, 편평하고 일반적으로 원형인 중앙 디스크(32)를 또한 포함한다. 제1 몸체부(24)는 벽부(36)를 관통하는 포트(38)를 포함한다. 환형 플랜지(28), 중앙 디스크(32),및 벽부(36)는 서로 일반적으로 평행인 각각의 평면에 위치된다.
제2 몸체부(26)는 일반적으로 원형인 외주 에지(50)를 갖는 일반적으로 환형인 플랜지(48)를 포함한다. 제2 몸체부(26)는 일반적으로 원형인 중앙 애퍼춰(54)를 갖는 일반적으로 원형이며 편평한 중앙 디스크(52)를 또한 포함한다. 제2 몸체부(26)는 중앙 디스크(52)를 중심으로 일반적으로 동심으로 연장되고, 중앙 디스크(52)와 환형 플랜지(48) 사이에 연장되는 일반적으로 편평한 벽부(56)를 또한 포함한다. 제2 몸체부(26)는 벽부(56)를 관통하는 포트(58)를 포함한다.
압력 센서(20)는 일반적으로 원형인 외주 에지(66)를 포함하는 일반적으로 편평하고 가요성을 가진 얇은 금속 격막(64)을 포함한다. 격막(64)은 제1 몸체부(24)의 환형 플랜지(28)가 격막(64)의 제1 측면과 결합되고 제2 몸체부(26)의 환형 플랜지(48)가 격막(64)의 제2 측면과 결합되도록 제1 몸체부(24)와 제2 몸체부(26) 사이에 배치된다. 격막(64)의 외주 에지(66)는 환형 플랜지(28)의 외주 에지(30) 및 격막(64)의 전체 외주 둘레의 환형 플랜지(48)의 외주 에지(50)에 인접하여 위치된다. 격막(64)의 외주 에지(66)는 환형 플랜지(28, 48)와 격막(64) 사이에 유체 침투 방지 시일이 형성되도록 용접 등에 의하여 격막(64)의 외주 둘레의 몸체부(24, 26)의 환형 플랜지(28, 48)에 부착된다. 압력 센서(20)는 제1 몸체부(24)와 격막(64) 사이에 위치된 제1 쳄버(70)를 포함한다. 제1 쳄버(70)는 포트(38)와 유체 연통한다. 압력 센서(20)는 제2 몸체부(26)와 격막(64) 사이에 위치된 제2 쳄버(72)를 또한 포함한다. 제2 쳄버(72)는 포트(58)와 유체 연통한다.
압력 센서(20)는 제1 쳄버(70) 내에 위치된 금속 피복된 제1 세라믹 전극(78)을 포함한다. 제1 전극(78)은 장착 기구(80)에 의하여 제1 몸체부(24)에 부착된다. 전극(78)의 일반적으로 편평한 제1 면은 제1 몸체부(24)의 중앙 디스크(32)와 결합되고, 제1 전극(78)의 일반적으로 편평한 제2 면은 격막(64)으로부터 짧은 거리로 떨어져서 격막과 일반적으로 평행으로 이격된다. 장착 기구(80)는 제1 전극(78)을 결합시키는데 적합한 헤드부를 일단에, 그리고 나사부를 타단에 갖는 볼트와 같은 장착 스터드(82)를 포함한다. 장착 스터드(82)는 제1 전극(78) , 및 제1 몸체부(24)의 중앙 애퍼춰(34)를 관통한다. 세라믹 부싱(84)이 제1 몸체부(24)의 중앙 디스크(32) 외면에 인접하여 위치된다. 세라믹 부싱(84)은 스터드(82)가 관통하는 중앙 애퍼춰를 포함한다. 스프링 와셔(86)는 스터드(82)가 관통하는 중앙 애퍼춰를 포함한다. 스프링 와셔(86)는 세라믹 부싱(84)의 외면에 인접하여 위치된다. 너트와 같은 나사산을 가진 파스너(88)가 장착 스터드(82)의 나사산을 가진 단부에 나사로 조여져 부착된다. 너트(88)는 스프링 와셔(86)를 압착하고, 제1 전극(78) 및 세라믹 부싱(84)을 제1 몸체부(24)의 중앙 디스크(32)에 맞대어 압착한다. 장착 스터드(82)는 제1 전극(78)과 전기적으로 도통한다.
압력 센서(20)는 금속 피복된 제2 세라믹 전극(98)을 또한 포함한다. 제2 전극(98)은 전극(98)의 일반적으로 편평한 제1 면은 중앙 디스크(52)에 인접하여 위치되고, 전극(98)의 일반적으로 편평한 제2 면은 격막(64)으로부터 짧은 거리로 떨어져서 격막과 일반적으로 평행으로 이격되도록 제2 쳄버(72) 내에 위치된다. 이로써 격막(64)은 제1 전극(78)과 제2 전극(98) 사이에 위치된다. 제2 전극(98)은 장착 기구(80)와 동일한 장착 기구(100)에 의하여 제2 몸체부(26)에 부착된다. 장착 기구(100)는 장착 스터드(102), 세라믹 부싱(104), 스프링 와셔(106) 및 파스너(108)를 포함한다. 장착 기구(100)는 장착 기구(80)가 제1 전극(78)을 제1 몸체부(24)에 부착되는 바와 동일한 방식으로 제2 전극(98)을 제2 몸체부(26)에 부착한다. 장착 스터드(102)는 제2 전극(98)과 전기적으로 도통한다.
포트(38)는 제1 유체 흐름과 유체 연통 상태가 되도록 적절하게 위치되고 포트(58)는 제2 유체 흐름과 유체 연통 상태가 되도록 적절하게 위치된다. 전극(78, 98)은 제1 쳄버(70) 내의 가스 등의 제1 유체 압력과 제2 쳄버(72) 내의 가스 등의 제2 유체 압력 사이의 압력차를 나타내는, 축(21)과 일반적으로 평행인 방향으로의 격막(64)의 움직임을 감지하는데 적합하다.
격막(64)은 17-4 침전 경화형 스텐인리스강(precipitation hardening stainless steel: PHSS) 금속 소재로 제조될 수 있다. 17-4 PHSS 소재는 소재를 화씨 900°로 한 시간 동안 가열한 다음 상기 소재를 공기 냉각시켜 어닐링 상태(A)로부터 H900 상태로 전환될 때 대략 0.00006 인치/인치 수축된다. 센서(20)를 열처리한 후 격막(64)의 잔류 레이디얼 응력은 17-4 PHSS 소재에 대하여 영 탄성계수(Young's Modulus of Elasticity)(E)(E = 28.5x106 파운드/평방인치)를 곱한 인장 변형(H900 상태에 대한 0.0006 인치)과 동일하다. 따라서, 격막(64)의 얻어진 레이디얼 응력은 센서(20)를 900℉까지 가열한 후 평방인치당(psi) 17,100 파운드가 된다.
몸체부(24, 26)를 형성하는 금속 소재가 격막 소재의 열팽창계수(Tc)와 근접하여 일치되는 열팽창계수를 갖지 않은 경우, 몸체부(24, 26)는 900℉의 열처리 온도에서 지나치게 팽창할 수 있으므로 격막(64)은 몸체부(24, 26) 소재의 항복 응력을 초과할 수 있는 높은 레이디얼 인장 응력을 받을 수 있다. 몸체부(24, 26)의 릴리스 또는 항복으로 인하여 센서(20)가 주위 온도에 있을 때 격막(64)에 제로 네트 레이디알 인장이 야기된다. 900℉에서 17-4 PHSS의 Tc는 6.6x10-6(0.0000066)인치/인치/℉이다. 900℉에서 어닐링된 상태의 304 스테인리스강(SS)의 Tc는 10.2x10-6인치/인치/℉이다. 304 SS의 항복 응력은 45,000psi이다. 센서(20)를 900℉까지 가열할 때, 격막 응력은 82,440psi로 되며, 이 수치는 몸체부(24, 26)의 304 SS 소재의 항복 응력의 거의 두배이다.
격막(64)이 17-4 PHSS 소재로 제조되었을 때, 격막 소재의 열팽창계수와 몸체부의 열팽창계수 간의 최대 허용가능한 차이는, 센서(20)가 900℉까지 가열되는 경우, 900℉에서 대략 1.5x10-6 인치/인치/℉이다. 따라서, 센서 몸체부(24, 26)를 형성하는 소재의 최대 열팽창계수는 900℉에서 대략 8.1x10-6 인치/인치/℉이다. 따라서, 침전 경화형 금속 소재로 제조된 격막의 열처리 인장은 적절하게 일치되는 열팽창계수를 갖는 몸체부(24, 26)를 형성하는데 사용되는 한정된 범위의 소재 내에서만 효과적으로 작용한다.
몸체부(24, 26)를 형성하는 금속 소재의 Tc와 격막(64)을 형성하는 금속 소재의 Tc간의 불일치로 스팬(정압에서의 출력) 압력 측정 판독에 오차가 또한 생긴다. 격막의 레이디얼 인장 응력은, 몸체부(24, 26) 및 격막(64)을 포함하여 센서(20)의 온도 증가 때문에, 격막이 17-4 PHSS 소재로 제조되고 몸체부가 430 SS 소재로 제조될 때 센서의 온도 100℉ 증가마다 대략 3.3%씩 감소한다. 또한, 탄성계수의 변화로 인하여 100℉ 온도 증가마다 격막 레이디얼 강성이 1.5% 감소되고, 이로써 총 스팬 변화율은 센서의 100℉ 온도 증가마다 대략 4.8%이다. 센서(20)가 냉각되었을 때, 격막 레이디얼 응력 및 레이디얼 강성은 대략 동일 크기만큼 증가한다. 전기 신호 제어 회로는 일반적으로 100℉마다 8% 이하 범위인 센서의 온도 변화로 인한 압력 판독 출력 오차를 오프셋 또는 정정할 수 있다. 따라서, 몸체부 소재와 격막 소재 간의 0.2x10-6 인치/인치/℉ 내지 0.4x10-6 인치/인치/℉(100℉마다 5-8%)의 열팽창 계수의 불일치는, 불충분한 열적 과도 성능의 위험없이 종래의 트랜스듀서 전자 제품에 의하여 보정될 수 있는 열팽창 계수의 불일치의 대략 실질적인 최대값이다.
몸체부(24, 26)를 형성하는 소재는 저비용으로 스탬핑 및 기계가공 가능한 소재가 바람직하다. 또한, 상기 소재는 압력을 오판독 할 수 있는 외부 자계로부터 자석인 격막을 차폐시키는 강자성 소재가 바람직하다. 강자성 소재는 자계에 강하게 반응하고 고 도자율(magnetic permeability)을 갖는다. 상기 소재는 또한 텅스텐 불활성 가스(TIG) 또는 레이저 방법을 사용하여 용이하게 용접가능해야 하고, 부식이나 산화되지 않으면서 열처리 온도에 견딜 수 있어야 한다. 또한, 상기 소재는 열처리 온도에 노출될 때 경화되거나 또는 금속 상태가 변하지 않아야 한다. 몸체부(24, 26)를 형성하는 금속 소재는 32°내지 200℉의 온도에서 5.6x10-6 ~ 6.4x10-6 인치/인치/℉의 열팽창계수를 갖는 것이 바람직하다. 몸체부(24, 26)는 405 SS, 430 SS, 17-7 PHSS, 또는 Hastelloy C(니켈 합금) 금속 소재로 제조될 수 있다. 몸체부(24, 26)는 물론 격막(64)은 17-4 PHSS가 일반적으로는 스탬핑 가능하지 않지만 17-4 PHSS 소재로 제조될 수 있다.
405 SS 금속 소재는 약 0.08 중량%의 탄소(C), 약 1.00 중량%의 망간(Mn), 약 0.04 중량%의 인(P), 약 0.03 중량%의 황(S), 약 1.00 중량%의 실리콘(Si), 11.50-14.50 중량%의 크롬(Cr), 0.10-0.30 중량%의 알루미늄(Al), 및 나머지 중량%의 철(Fe)을 포함한다. 405 SS 소재는 32°- 212℉에서 대략 6.0x10-6 인치/인치/℉의 열팽창계수를 갖는다. 405 SS 소재는 강자성 소재이다.
430 SS 소재는 약 0.12 중량%의 탄소(C), 약 1.00 중량%의 망간(Mn), 약 0.040 중량%의 인(P), 약 0.030 중량%의 황(S), 약 1.00 중량%의 실리콘(Si), 16.0-18.0 중량%의 크롬(Cr), 약 0.50 중량%의 니켈(Ni), 나머지 중량%의 철(Fe)을 포함한다. 430 SS 소재는 32°- 212℉에서 대략 5.8x10-6 인치/인치/℉의 열팽창계수를 갖는다. 430 SS 소재는 강자성 소재이다.
17-4 PHSS 소재는 약 0.07 중량%의 탄소(C), 약 1.00 중량%의 망간(Mn), 약 0.040 중량%의 인(P), 약 0.030 중량%의 황(S), 약 1.00 중량%의 실리콘(Si), 15.00-17.50 중량%의 크롬(Cr), 3.00-5.00 중량%의 니켈(Ni), 3.00-5.00 중량%의 구리(Cu), 0.15-0.45 중량%의 니오븀(Nb)과 탄탈(Ta), 및 나머지 중량%의 철(Fe)을 포함한다. 17-4 PHSS 소재의 열팽창계수는 H900 열처리된 상태에 대하여 70°- 200℉에서 대략 6.0x10-6 인치/인치/℉이다. 17-4 PHSS 소재는 강자성 소재이다.
17-7 PHSS 소재는 약 0.09 중량%의 탄소(C), 약 1.00 중량%의 망간(Mn), 약 0.040 중량%의 인(P), 약 0.030 중량%의 황(S), 약 1.00 중량%의 실리콘(Si), 16.00-18.00 중량%의 크롬(Cr), 6.50-7.75 중량%의 니켈(Ni), 0.75-1.50 중량%의 알루미늄(Al), 및 나머지 중량%의 철(Fe)을 포함한다. 17-7 PHSS 소재의 열팽창계수는 TH 1050 상태에 대하여 70°- 200℉에서 대략 5.6x10-6 인치/인치/℉이며, RH 950 상태에 대하여 70°- 200℉에서 대략 5.7x10-6 인치/인치/℉이다. 17-7 PHSS 소재는 강자성 소재이다.
Hastelloy C 소재는 16 중량%의 몰리브덴(Mo), 16 중량%의 크롬(Cr), 5 중량%의 철(Fe), 4 중량%의 텅스텐(W), 및 나머지 중량%의 니켈(Ni)을 포함한다. Hastelloy C 소재의 열팽창계수는 32°- 212℉에서 6.3x10-6 인치/인치/℉이다. Hastelloy C 소재는 강자성 소재는 아니지만, 양호하게 일치되는 열팽창계수를 제공한다.
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 압력 센서(120)의 다른 실시예의 도면이다. 압력 센서(120)는 중앙축(121) 및 하우징(122)을 포함한다. 하우징(122)은 제1 몸체부(124) 및 제2 몸체부(126)를 포함한다. 제1 몸체부(124)는 압력 센서(20)의 제1 몸체부(24)와 동일한 방식으로 구성된다. 제1 몸체부(124)는 일반적으로 원형인 외주 에지(130)를 갖는 환형인 플랜지(128)를 포함한다. 또한, 제1 몸체부(124)는 중앙 애퍼춰(132), 및 제1 몸체부(124)를 관통하는 포트(134)를 포함한다.
제2 몸체부(126)는 일반적으로 원형인 외주 에지(142)를 갖는 일반적으로 환형인 플랜지(140)를 포함한다. 또한, 제2 몸체부(126)는 플랜지(140) 내에 일반적으로 동심으로 위치된 일반적으로 원형인 벽(144)을 포함한다. 벽(144)은 제2 몸체부(126)가 관통하는 포트(146)를 포함한다. 벽(144)은 일반적으로 편평하며, 플랜지(140)를 포함하는 평면으로부터 떨어져서 일반적으로 평행으로 이격된 평면에 위치된다. 제1 및 제2 몸체부(124, 126)는 양자 모두 동일 유형의 소재로 형성되며 금속 시트를 최종 제품으로 스탬핑하여 제조되는 것이다.
압력 센서(120)는 일반적으로 원형인 외주 에지(152)를 갖는 가요성을 가지며 일반적으로 편평한 얇은 금속 격막(150)을 포함한다. 격막(150)은 제1 몸체부(124)의 플랜지(128)와 제2 몸체부(126)의 플랜지(140) 사이에 배치된다. 격막(150)은 용접 등에 의하여 플랜지(128, 140)에 유체 침투 방지 시일 상태로 연결된다. 압력 센서(120)는 제1 몸체부(124)와 포트(134)와 유체 연통하는 격막(150) 사이에 위치된 제1 쳄버(156), 및 제2 몸체부(126)와 포트(146)와 유체 연통하는 격막(150) 사이에 위치된 제2 쳄버(158)를 포함한다.
압력 센서(120)는 장착 기구(164)에 의하여 제1 몸체부(124)에 부착된 제1 쳄버(156) 내에 위치된 전극(162)을 포함한다. 장착 기구(164)는 장착 기구(80)와 동일한 방식으로 구성되며, 전극(162)을 제1 몸체부(124)에 유사한 방식으로 부착시킨다. 전극(162)은 격막(150)으로부터 짧은 거리로 떨어져서 일반적으로 평행으로 이격되는 일반적으로 편평한 면을 포함한다. 전극(162)은 격막(150)이 쳄버(156, 158) 사이의 유체 압력 차이에 응답하여 일반적으로 축(121)과 평행인 방향으로 움직이는 것을 당해 기술 분야에 잘 알려진 전기 용량 측정법에 의하여 감지한다. 센서(120)의 몸체부(124, 126), 격막(150)은 열처리되고, 조립되고, 센서(20)와 동일한 소재로 제조된다.
도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 압력 센서(170)의 다른 실시예의 도면이다. 압력 센서(170)는 중앙축(171) 및 하우징(172)을 포함한다. 하우징(172)은 제1 몸체부(174) 및 제2 몸체부(176)를 포함한다. 제1 몸체부(174)는 일반적으로 원형인 외주 에지(180)를 갖는 일반적으로 환형인 플랜지(178)를 포함한다. 제1 몸체부(174)는 중앙 애퍼춰(184)를 갖는 중앙 디스크(182)를 또한 포함한다. 중앙 디스크(182) 및 중앙 애퍼춰(184)는 축(171)을 중심으로 동심으로 위치된다. 제1 몸체부(174)는 중앙 애퍼춰(184) 둘레에 동심으로 연장되고 중앙 애퍼춰(184)로부터 플랜지(178)로 연장되는 일반적으로 환형인 벽 부분(186)을 또한 포함한다. 제1 몸체부(174)는 포트(188)를 포함한다. 하우징(172)은 포트(188)와 유체 연통하는 제1 단부 및 가스 등의 유체 흐름과 유체 연통하도록 부착되는데 적합한 제2 단부를 갖는 일반적으로 튜브형인 노즐(190)을 또한 포함한다.
제2 몸체부(176)는 일반적으로 원형인 외주 에지(200)를 갖는 환형인 플랜지(198)를 포함한다. 제2 몸체부(176)는 제1 몸체부(174)와 동일한 방식으로 구성된다. 제2 몸체부(176)는 중앙 애퍼춰(204)를 갖는 중앙 디스크(202)를 또한 포함한다. 제2 몸체부(176)는 중앙 애퍼춰(204) 둘레에 동심으로 연장되고 중앙 애퍼춰(204)로부터 환형 플랜지(198)까지 연장되는 일반적으로 편평한 벽 부분(206)을 또한 포함한다. 제2 몸체부(176)는 포트(208), 및 포트(208)와 유체 연통하는 제1 단부 및 가스 등의 제2 유체 흐름과 유체 연통하도록 위치되는데 적합한 제2 단부를 갖는 일반적으로 튜브형인 노즐(210)을 포함한다.
압력 센서(170)는 일반적으로 원형인 외주 에지(216)를 갖는 일반적으로 편평하고 가요성을 가진 얇은 금속 격막을 포함한다. 격막은 17-4 PHSS 금속 소재로 제조된다. 격막(214)은 제1 및 제2 몸체부(174, 176)의 플랜지(178, 198) 사이에 배치되고, 외주 에지(216)를 따라 플랜지(178, 198)에 부착되어 용접 등에 의하여 이들 플랜지 사이에 유체 침투 방지 시일을 형성한다. 압력 센서(170)는 제1 몸체부(174)와 격막(214) 사이에 위치된 제1 쳄버(220), 및 제2 몸체부(176)와 격막(214) 사이에 위치된 제2 쳄버(222)를 포함한다. 제1 및 제2 몸체부(174, 176)는 스탬핑이나 형성이 용이하지 않은 17-4 침전 경화형 스테인리스강(PHSS)으로 제조되는 것이 바람직하다. 따라서, 몸체부(174, 176)는 17-4 PHSS 금속 소재로 된 디스크 또는 바를 몸체부로 가공하여 제조된다.
압력 센서(170)는 제1 쳄버(220) 내에 위치된 제1 전극(228)을 포함한다. 제1 전극(228)은 장착 기구(80)와 동일한 방식으로 구성되고 동작하는 장착 기구(230)에 의하여 제1 몸체부(174)에 부착된다. O-링과 같은 탄성 일래스토머 개스켓(232)이 장착 기구(230)의 장착 스터드 둘레에 연장되고, 제1 몸체부(174)의 애퍼춰(184) 내에 위치되어 장착 스터드와 제1 몸체부(174) 사이에 유체 침투 방지 시일을 형성한다. 장착 기구(230)가 전극(228)을 제1 몸체부(174)의 중앙 디스크(182)에 부착함으로써 전극(228)의 일반적으로 편평한 면이 격막(214)으로부터 짧은 거리로 떨어져서 일반적으로 평행으로 이격된다.
압력 센서(170)는 제2 몸체부(222) 내에 위치된 제2 전극(238)을 포함한다. 제2 전극(238)은 장착 기구(230)와 동일한 방식으로 구성되고 동작하는 장착 기구(240)에 의하여 제2 몸체부(176)에 부착된다. O-링과 같은 탄성 일래스토머 개스켓(242)이 장착 기구(240)의 장착 스터드 둘레에 연장되고, 제2 몸체부(176)의 애퍼춰(204) 내에 위치되어 이들 사이에 유체 침투 방지 시일을 형성한다. 제2 전극(238)은 제2 몸체부(176)의 중앙 디스크(202)에 맞대어 장착되므로 전극(238)의 일반적으로 펀평한 면이 격막(214)로부터 짧은 거리로 떨어져서 일반적으로 평행으로 이격된다. 이로써 격막(214)은 제1 및 제2 전극(228, 238) 사이에 위치된다. 전극(228, 238)은 제1 쳄버(220) 내의 유체 압력과 제2 쳄버(222) 내의 유체 압력 간의 압력차를 나타내는 격막(214)의 축과 일반적으로 평행인 방향으로의 움직임을 감지한다.
17-7 PHSS 소재는 스탬핑가능하고, 이로써 도 1 내지 도 4의 실시예에 도시된 바와 같은 몸체부를 스탬핑하는데 사용될 수 있다. 그러나, 17-4 PHSS 소재는 일반적으로 스탬핑 가능하지 않고 반드시 기계가공되어야 한다. 또한, 17-4 PHSS 소재로 제조된 센서 몸체부는 기계가공 전에 H1150 상태, 또는 1150℉, 바람직하기로는 H1000 상태, 또는 1000℉로 사전 열처리되거나, 또는 사전 수축되어야 센서(170)가 900℉의 격막 열처리 온도까지 열처리될 때 수축되지 않는다. 몸체부(174, 176) 및 격막(214)이 어닐링 상태의 17-4 PHSS 소재로 모두 제조되는 경우, 이들은 열처리 도중에 동일한 양이 수축되어 격막 레이디얼 인장이 일어나지 않는다. 따라서, 센서 몸체부(174, 176)는 H1150 상태로 대략 1150℉까지 사전 열처리 되고, H1000 상태로 대략 1000℉까지 대략 네 시간 동안 사전 열처리되는 것이 바람직하다. 다음에, 사전 열처리, 또는 사전 에이징된 몸체부는 어닐링된 17-4 PHSS 소재로 제조된 격막(214)에 부착된다. 다음에, 조립된 센서(170)는 대략 900℉까지 한 시간 동안 열처리 되어 격막(214)이 몸체부(174, 176)에 대하여 수축되므로 격막이 반경방향으로 인장된다.
몸체부(174) 및 격막(176)이 17-4 PHSS 소재로 제조되었을 때, 스팬 열 오차의 보정 또는 제로화는 17-4 PHSS 소재의 열팽창계수가 에이징 또는 열처리 온도와 함께 증가하기 때문에 격막 열처리 수축 온도보다 약간 높은 온도로 몸체부(174, 176)를 열처리함으로써 달성된다. 모두 70°- 200℉에서, H900 상태에서 17-4 PHSS의 열팽창계수는 대략 6.0x10-6 인치/인치/℉, H1000 상태에서 열팽창계수는 6.2x10-6 인치/인치/℉, H1050 상태에서 열팽창계수는 대략 6.6x10-6 인치/인치/℉이다. 센서 몸체부가 고온 환경에서 격막에 비하여 100℉마다 대략 2% 더 팽창하는 경우, 격막 레이디얼 인장 응력은 탄성계수의 변화로 인해 야기되는 레이디얼 강성의 감소량만큼 증가되므로, 스팬 열 오차가 제로로 된다. 따라서, 인장 격막 센서의 스팬 온도 효율은 열처리 공정을 변화시킴으로써 조정될 수 있다.
도 7 및 도 8은 본 발명에 따른 압력 센서의 또 다른 실시예(250)의 도면이다. 압력 센서(250)는 중앙축(251) 및 하우징(252)을 포함한다. 하우징(252)은 제1 몸체부(254) 및 제2 몸체부(256)를 포함한다. 제1 몸체부(254)는 도 5의 제1 몸체부(174)와 동일한 방식으로 구성된다. 제1 몸체부(254)는 일반적으로 원형인 외주 에지(260)를 갖는 일반적으로 환형인 플랜지(258)를 포함한다. 제1 몸체부(254)는 중앙 애퍼춰(262), 및 제1 몸체부(254)를 관통하는 포트(264)를 포함한다. 제1 몸체부(254)는 포트(264)와 유체 연통하는 제1 단부 및 가스 등의 제1 유체 흐름과 유체 연통하도록 부착되는데 적합한 제2 단부를 갖는 튜브형 노즐(266)을 포함한다.
제2 몸체부(256)는 일반적으로 원형인 외주 에지(272)를 갖는 일반적으로 환형인 플랜지(270)를 포함한다. 제2 몸체부(256)는 축(251)과 일반적으로 동심으로 위치된 일반적으로 편평한 벽 부분(274)을 또한 포함한다. 벽 부분(274)은 축(251) 상에 위치된 포트(276)를 포함한다. 제1 몸체부(254) 및 제2 몸체부(256)는 양자 모두 17-4 PHSS 금속으로 형성되는 것이 바람직하다.
압력 센서(250)는 일반적으로 원형인 외주 에지(282)를 갖는 가요성을 가지며 일반적으로 편평한 얇은 금속 격막(280)을 포함한다. 격막(280)은 17-4 PHSS 금속으로 형성되는 것이 바람직하다. 격막(280)은 제1 몸체부(254)의 플랜지(258)와 제2 몸체부(256)의 플랜지(270) 사이에 배치되고, 용접 등에 의하여 외주 에지(282)를 따라 플랜지(258, 270)에 연결되어 유체 침투 방지 시일을 형성한다. 압력 센서(250)는 제1 몸체부(254)와 격막(280) 사이에 위치된 제1 쳄버(286), 및 제2 몸체부(256)와 격막(280) 사이에 위치된 제2 쳄버(288)를 포함한다.
압력 센서(250)는 제1 쳄버(286) 내에 위치된 전극(292)을 포함한다. 전극(292)은 장착 기구(294)에 의하여 제1 몸체부(254)의 중앙 디스크에 부착된다. 장착 기구(294)는 도 5의 장착 기구(230)와 동일한 방식으로 구성되고 동작한다. 전극(292)은 격막(280)으로부터 짧은 거리로 떨어져 일반적으로 평행으로 이격된 일반적으로 편평한 면을 포함한다. 전극(292)은 압력 센서(250)의 축(251)과 일반적으로 평행인 방향으로 격막(280)의 움직임을 감지하는데 적합하다. 센서(250)의 몸체부(254, 256) 및 격막(280)은 열처리되고 조립되며, 센서(170)외 동일한 소재로 제조된다.
본 발명의 여러 가지 특징을 본 발명의 예시된 실시예를 들어 도시하고 설명하였지만, 이들 특정의 배열은 단지 예시적인 것으로서 본 발명은 특허청구범위의 용어 내에 모든 의미가 포함되어 있는 것이다.
상기 상세한 설명 참조.
도 1은 두 개의 전극을 포함하는 본 발명에 따른 압력 센서의 단면도이다.
도 2는 도 1의 압력 센서의 평면도이다.
도 3은 한 개의 전극을 포함하는 본 발명에 따른 압력 센서의 다른 실시예의 단면도이다.
도 4는 도 3의 압력 센서의 저면도이다.
도 5는 두 개의 전극을 포함하는 본 발명에 따른 압력 센서의 다른 실시예의 단면도이다.
도 6은 도 5의 압력 센서의 평면도이다.
도 7은 한 개의 전극을 포함하는 본 발명에 따른 압력 센서의 다른 실시예의 단면도이다.
도 8은 도 7의 압력 센서의 저면도이다.

Claims (30)

  1. 유체 압력을 측정하는 압력 센서에 있어서,
    제1 몸체부;
    제2 몸체부; 및
    상기 제1 몸체부와 상기 제2 몸체부 사이에 배치되는 방사상으로 인장된 가요성 격막;을 포함하고,
    상기 제1 몸체부 및 상기 격막은 제1 유체 쳄버를 형성하고, 상기 제2 몸체부 및 상기 격막은 제2 유체 쳄버를 형성하며,
    상기 제1 몸체부는 제1 열팽창계수를 갖는 제1 소재로 형성되고, 상기 격막은 제2 열팽창계수를 갖는 제2 소재로 형성되며,
    상기 제1 열팽창계수는 상기 제2 열팽창계수보다 0.0000015 인치/인치/℉ 이하만큼 더 큰 것을 특징으로 하는 압력 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 격막을 형성하는 상기 제2 소재의 상기 제2 열팽창계수는 0.0000060 인치/인치/℉인 것을 특징으로 하는 압력 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 격막을 형성하는 상기 제2 소재는 침전 경화형 소재를 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 침전 경화형 소재는 약 0.07 중량%의 탄소, 약 1.00 중량%의 망간, 약 0.040 중량%의 인, 약 0.030 중량%의 황, 약 1.00 중량%의 실리콘, 15.00-17.50 중량%의 크롬, 3.00-5.00 중량%의 니켈, 3.00-5.00 중량%의 구리, 0.15-0.45 중량%의 니오븀과 탄탈, 및 나머지 중량%의 철을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 몸체부를 형성하는 상기 제1 소재의 상기 제1 열팽창계수는 0.0000056 인치/인치/℉ 내지 0.0000064 인치/인치/℉인 것을 특징으로 하는 압력 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 몸체부를 형성하는 상기 제1 소재는 침전 경화형 소재인 것을 특징으로 하는 압력 센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 몸체부를 형성하는 상기 제1 소재는 약 0.08 중량%의 탄소, 약 1.00 중량%의 망간, 약 0.04 중량%의 인, 약 0.03 중량%의 황, 약 1.00 중량%의 실리콘, 11.50-14.50 중량%의 크롬, 0.10-0.30 중량%의 알루미늄, 및 나머지 중량%의 철을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 몸체부를 형성하는 상기 제1 소재는 약 0.12 중량%의 탄소, 약 1.00 중량%의 망간, 약 0.040 중량%의 인, 약 0.030 중량%의 황, 약 1.00 중량%의 실리콘, 16.0-18.0 중량%의 크롬, 약 0.50 중량%의 니켈, 및 나머지 중량%의 철을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 몸체부를 형성하는 상기 제1 소재는 약 0.09 중량%의 탄소, 약 1.00 중량%의 망간, 약 0.040 중량%의 인, 약 0.030 중량%의 황, 약 1.00 중량%의 실리콘, 16.00-18.00 중량%의 크롬, 6.50-7.75 중량%의 니켈, 0.75-1.50 중량%의 알루미늄, 및 나머지 중량%의 철을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 몸체부를 형성하는 상기 제1 소재는 약 0.07 중량%의 탄소, 약 1.00 중량%의 망간, 약 0.040 중량%의 인, 약 0.030 중량%의 황, 약 1.00 중량%의 실리콘, 15.00-17.50 중량%의 크롬, 3.00-5.00 중량%의 니켈, 3.00-5.00 중량%의 구리, 0.15-0.45 중량%의 니오븀과 탄탈, 및 나머지 중량%의 철을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 몸체부를 형성하는 상기 제1 소재는 16 중량%의 몰리브덴, 16 중량%의 크롬, 5 중량%의 철, 4 중량%의 텅스텐, 및 나머지 중량%의 니켈을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 소재의 상기 제1 열팽창계수는 상기 제2 소재의 상기 제2 열팽창계수보다 0.0000004 인치/인치/℉ 이하만큼 더 큰 것을 특징으로 하는 압력 센서.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1 소재의 상기 제1 열팽창계수는 상기 제2 소재의 상기 제2 열팽창계수보다 0.0000002 인치/인치/℉ 이하만큼 더 큰 것을 특징으로 하는 압력 센서.
  14. 유체 압력을 측정하는 압력 센서에 있어서,
    제1 몸체부;
    제2 몸체부; 및
    상기 제1 몸체부와 상기 제2 몸체부 사이에 배치된 방사상으로 인장된 가요성 격막;을 포함하고,
    상기 제1 몸체부 및 상기 격막은 제1 유체 쳄버를 형성하고, 상기 제2 몸체부 및 상기 격막은 제2 유체 쳄버를 형성하며,
    상기 제1 몸체부 및 상기 제2 몸체부는 강자성 소재로 형성되어, 상기 격막에 작용하는 압력의 부정확한 측정을 유발하는 상기 격막의 움직임을 일으키는 자계로부터 상기 격막을 차폐시키는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 강자성 소재는 약 0.08 중량%의 탄소, 약 1.00 중량%의 망간, 약 0.04 중량%의 인, 약 0.03 중량%의 황, 약 1.00 중량%의 실리콘, 11.50-14.50 중량%의 크롬, 0.10-0.30 중량%의 알루미늄, 및 나머지 중량%의 철을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 강자성 소재는 약 0.12 중량%의 탄소, 약 1.00 중량%의 망간, 약 0.040 중량%의 인, 약 0.030 중량%의 황, 약 1.00 중량%의 실리콘, 16.0-18.0 중량%의 크롬, 약 0.50 중량%의 니켈, 및 나머지 중량%의 철을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 강자성 소재는 약 0.09 중량%의 탄소, 약 1.00 중량%의 망간, 약 0.040 중량%의 인, 약 0.030 중량%의 황, 약 1.00 중량%의 실리콘, 16.00-18.00 중량%의 크롬, 6.50-7.75 중량%의 니켈, 0.75-1.50 중량%의 알루미늄, 및 나머지 중량%의 철을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 강자성 소재는 약 0.07 중량%의 탄소, 약 1.00 중량%의 망간, 약 0.040 중량%의 인, 약 0.030 중량%의 황, 약 1.00 중량%의 실리콘, 15.00-17.50 중량%의 크롬, 3.00-5.00 중량%의 니켈, 3.00-5.00 중량%의 구리, 0.15-0.45 중량%의 니오븀과 탄탈, 및 나머지 중량%의 철을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
  19. 압력 센서를 형성하는 방법에 있어서,
    제1 몸체부 및 제2 몸체부를 준비하는 단계;
    상기 제1 몸체부 및 상기 제2 몸체부를 예열 처리하는 단계;
    상기 예열 처리 단계 이후에 상기 제1 및 제2 몸체부 사이에 어닐링된 침전 경화형 소재로 형성된 가요성 격막을 배치하는 단계;
    제1 유체 쳄버가 상기 제1 몸체부와 상기 격막 사이에 형성되고 제2 유체 쳄버가 상기 제2 몸체부와 상기 격막 사이에 형성되도록 상기 몸체부를 상기 격막에 부착하는 단계; 및
    상기 격막을 인장시키도록 상기 제1 및 제2 몸체부 및 상기 격막을 열처리하는 단계;를 포함하는 압력 센서 형성 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 몸체부는 상기 예열 처리 단계 도중에 900℉ 이상까지 가열되는 것을 특징으로 하는 압력 센서 형성 방법.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 몸체부는 상기 예열 처리 단계 도중에 1000℉까지 가열되는 것을 특징으로 하는 압력 센서 형성 방법.
  22. 제19항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 몸체부와 상기 격막은 상기 가열 처리 단계 도중에 900℉까지 가열되는 것을 특징으로 하는 압력 센서 형성 방법.
  23. 제19항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 몸체부는 침전 경화형 소재로 형성되는 것을 특징으로 하는 압력 센서 형성 방법.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 몸체부를 형성하는 상기 침전 경화형 소재는 0.07 중량%의 탄소, 약 1.00 중량%의 망간, 약 0.040 중량%의 인, 약 0.030 중량%의 황, 약 1.00 중량%의 실리콘, 15.00-17.50 중량%의 크롬, 3.00-5.00 중량%의 니켈, 3.00-5.00 중량%의 구리, 0.15-0.45 중량%의 니오븀과 탄탈, 및 나머지 중량%의 철을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 센서 형성 방법.
  25. 제23항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 몸체부를 형성하는 상기 침전 경화형 소재는 0.09 중량%의 탄소, 약 1.00 중량%의 망간, 약 0.040 중량%의 인, 약 0.030 중량%의 황, 약 1.00 중량%의 실리콘, 16.00-18.00 중량%의 크롬, 6.50-7.75 중량%의 니켈, 0.75-1.50 중량%의 알루미늄, 및 나머지 중량%의 철을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 센서 형성 방법.
  26. 제19항에 있어서,
    상기 격막을 형성하는 상기 침전 경화형 소재는 0.07 중량%의 탄소, 약 1.00 중량%의 망간, 약 0.040 중량%의 인, 약 0.030 중량%의 황, 약 1.00 중량%의 실리콘, 15.00-17.50 중량%의 크롬, 3.00-5.00 중량%의 니켈, 3.00-5.00 중량%의 구리, 0.15-0.45 중량%의 니오븀과 탄탈, 및 나머지 중량%의 철을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 센서 형성 방법.
  27. 제19항에 따른 방법에 의해 제조된 압력 센서로서,
    상기 압력 센서는, 상기 제1 몸체부 및 상기 제2 몸체부를 상기 격막의 열처리 수축 온도보다 높은 온도로 열처리함으로써 스팬 열 오차가 보정되는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
  28. 유체 압력을 측정하는 압력 센서에 있어서,
    900℉ 이상까지 열처리된, 제1 금속 몸체부 및 제2 금속 몸체부; 및
    상기 제1 금속 몸체부와 상기 제2 금속 몸체부 사이에 배치된 가요성 금속 격막;을 포함하고,
    상기 격막은 어닐링된 상태에 있으며 침전 경화형 소재로 형성되고,
    상기 제1 금속 몸체부 및 상기 격막은 제1 유체 쳄버를 형성하고, 상기 제2 금속 몸체부 및 상기 격막은 제2 유체 쳄버를 형성하는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
  29. 삭제
  30. 제28항에 있어서,
    상기 격막이 상기 제1 금속 몸체부와 상기 제2 금속 몸체부 사이에 배치된 이후에, 상기 격막이 900℉까지 열처리되는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
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