專利名稱：壓力傳感器的隔離膜片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及壓力傳感器，尤其涉及壓力傳感器中的隔離膜片。
壓力傳感器具有與隔離膜片相連的壓力敏感元件。隔離膜片將壓力敏感元件與被測(cè)腐蝕性工作流體隔離開(kāi)來(lái)。借助于一通道中具有顯著不可縮性的隔離液，壓力從隔離膜片傳至敏感元件。美國(guó)專利“組合式壓力傳感器”(專利號(hào)4,833,922)和“隔離降應(yīng)力式壓力傳感器”(專利號(hào)5,094,109)描述了這類壓力傳感器。
由于隔離膜片暴露在工作流體中，它接觸的腐蝕性介質(zhì)可能損壞它的結(jié)構(gòu)。蘭寶石和陶瓷的強(qiáng)度和抗腐蝕性都很好，因此它們很適合作隔離膜片材料。然而，既使采用這些材料，膜片的密封應(yīng)力仍會(huì)改變膜片的剛度和形狀并導(dǎo)致誤差的出現(xiàn)。此外，由這些材料制成的膜片并不具有為獲得精確的壓力測(cè)量結(jié)果而要求的足夠流體排量。現(xiàn)有密封結(jié)構(gòu)的抗腐蝕性仍很差。
本發(fā)明是一種指示工作液體壓力輸出值傳感器。該傳感器中有兩條通道，一條通道充入隔離液，并從第一端口延伸至敏感裝置，另一條通道容納工作液體，并具有第二端口。隔離膜片將第一和第二端口隔離開(kāi)，也將隔離液與工作流體隔離開(kāi)。貼近膜片的密封件將膜片與工作液體的壓力聯(lián)系起來(lái)。該密封件由防腐蝕的平面彈簧支撐。此外，裝有膜片的膜片組件安裝在應(yīng)力隔離底座上。


圖1是本發(fā)明所述壓力傳感器的局部剖面圖。
圖2是圖1所示膜片的剖面圖。
圖3是密封件的剖面圖。
圖1是本發(fā)明的壓力傳感器10的方案，它由傳輸部分12，法蘭13和敏感部分14組成。敏感部分14含有壓力敏感元件16，傳輸部分12含有傳輸電路20。敏感電路18與傳輸電路20通過(guò)通訊總線22聯(lián)連。傳輸電路20通過(guò)一個(gè)雙線通訊電路傳送工作流體的壓力信息。
本發(fā)明的敏感部分14含有隔離組件24和26。組件24在圖2中得到更詳細(xì)的描述。壓力敏感元件16將法蘭13中的通道28內(nèi)的壓力P1和通道30內(nèi)的壓力P2間的壓力差測(cè)出。壓力P1經(jīng)由通道32和隔離組件24作用在敏感元件16上。壓力P2經(jīng)由通道34和隔離組件26作用在敏感元件16上。通道32沿管接頭36和管路42延伸。通道34沿管接頭38和管路42延伸。通道32和34內(nèi)充有具顯著不可壓縮性的液體(例如油)。管接頭36和38與敏感部分14間以螺紋連接，從而使載有敏感電路18的敏感部分的內(nèi)部與通道28和30內(nèi)所含的工作流體之間形成了一個(gè)較長(zhǎng)的熄火路徑(flame—quenching Path)。
隔離組件24含有支座44，該支座最好熔焊在隔離膜片46上(詳見(jiàn)圖2)。支座44和膜片的材料在一個(gè)實(shí)施例中為蘭寶石，在另一個(gè)實(shí)施例中則為陶瓷。通道32經(jīng)過(guò)支座44延伸到膜片46。聚四氟乙烯(PTFE)密封件48置于膜片46和法蘭13之間。陶瓷彈簧50和52安置在聚四氟乙烯密封件48的內(nèi)部并由墊片54隔離開(kāi)。墊片54上開(kāi)有橫向通道，借此使流體與彈簧50和52的兩面都連通。通道55在通道28與陶瓷膜片46之間延伸。支座44與敏感部分14之間由襯墊56和硅橡膠58隔開(kāi)。
隔離組件26含有支座60，該支座最好熔焊在隔離膜片62上，聚四氟乙烯密封件64將膜片62與法蘭13隔開(kāi)。陶瓷彈簧66和68含在聚四氟乙烯密封件64內(nèi)部并由墊片70隔開(kāi)，墊片70一般由陶瓷制成。通道71穿過(guò)墊片70和陶瓷彈簧66、68，并由此使流體在膜片62和通道30之間連通。襯墊72和硅橡膠74將支座60與敏感部分14的殼體隔開(kāi)。
使用陶瓷或蘭寶石膜片是必要的，因?yàn)樗鼈儾粫?huì)同工作流體發(fā)生反應(yīng)。此外，這類材料的脆性有助于減小滯后，從而改善精度。然而，這種方案的一個(gè)主要問(wèn)題在于如何提供合適的應(yīng)力隔離措施以避免螺紋應(yīng)力和密封應(yīng)力改變膜片的剛度和形狀以及由此帶來(lái)的誤差。本發(fā)明從以下兩方面解決該問(wèn)題一是用彈簧加載的聚四氟乙密封件來(lái)降低加在隔離膜片上的密封接觸力，進(jìn)而降低密封應(yīng)力。二是利用對(duì)應(yīng)于管道壓力(最高可達(dá)6000磅/英寸2)的螺紋力來(lái)形成應(yīng)力隔離。為優(yōu)化抗腐蝕性能，本發(fā)明采用抗腐蝕彈簧。
脆性隔離元件具有較大的厚度/直徑比和比先前工藝所采用的金屬膜片更高的彈性模量。這將使之具有比金屬膜片更強(qiáng)的剛性。一種解決辦法是采用波紋面的膜片，但這對(duì)于用目前技術(shù)加工的脆性膜片來(lái)說(shuō)是不可能的。脆性隔離元件應(yīng)采用現(xiàn)有技術(shù)所沒(méi)的方法來(lái)形成應(yīng)力隔離。
隔離組件24和26與敏感組件14間的應(yīng)力隔離是由硅橡膠58和74實(shí)現(xiàn)的。這會(huì)降低組件24和26上的應(yīng)力，因?yàn)橹挥泄芙宇^36、38和襯墊56、72與組件14的連接是固定的。此外，組件24、26與法蘭13之間由密封件48、50隔開(kāi)。在一個(gè)實(shí)施例中，這些密封件采用具有良好密封性能和抗腐蝕性能的聚四氟乙烯材料。
聚四氟乙烯具有“冷變形”特性。在壓力作用下，它會(huì)隨時(shí)間的推移而改變形狀。一種解決辦法是在聚四氟乙烯密封件48和64中設(shè)置具有抗腐蝕性的金屬盤簧。圖3是設(shè)有盤簧80的密封件48的剖面圖。另一個(gè)辦法是用具有更好抗腐蝕性的陶瓷材料制做彈簧。彈簧應(yīng)該能產(chǎn)生足夠大的變位以容納工件的誤差和補(bǔ)償聚四氟乙烯隨時(shí)間變化而出現(xiàn)的蠕變。
本發(fā)明提供了在密封件(該密封件由象聚四氟乙烯這樣具有良好彈性和抗腐蝕性的材料制成)中設(shè)置彈簧的技術(shù)。陶瓷彈簧50和52可以限制聚四氟乙烯密封件48的變形。(盡管此處討論的是膜片組件24，但也適合于膜片組件26)。穿過(guò)彈簧52、50和墊片54的通道55使工作流體得以觸動(dòng)膜片46，該通道還將壓力P1從通道28傳至通道32并被壓力敏感元件1b和敏感電路18檢出。陶瓷彈簧50和52可產(chǎn)生足夠大的變形以容納被密封工件的誤差和補(bǔ)償聚四氟乙烯隨時(shí)間變化出現(xiàn)的蠕變。彈簧也可對(duì)聚四氟乙烯施加足夠的力使之填入被密封表面的缺陷中。
彈簧所能儲(chǔ)存的能量由下式表示Espring∝σmax2EV]]>其中，Espring是彈簧儲(chǔ)存的能量，σmax是材料的最大工作應(yīng)力，E是材料的彈性模量，V是材料的體積。與金屬相比，陶瓷及其它脆性材料具有較低的σmax和較高的E。這使得脆性材料的σmax/E比金屬材料小10至50倍。為補(bǔ)償這一差距，本發(fā)明所使用彈簧的體積比相應(yīng)的金屬?gòu)椈纱?0至50倍，這需要將彈簧延伸到聚四氟乙烯密封件的邊緣以外。除了能量?jī)?chǔ)存能力的問(wèn)題，另一個(gè)難點(diǎn)在于由陶瓷及其它脆性材料制成小型線圈?？梢詫⒍鄠€(gè)陶瓷彈簧疊加以產(chǎn)生所需的彈性常數(shù)。彈簧上的孔可以使工作流體傳到隔離膜片。如果用陶瓷材料制做膜片46和62，工作流體在隔離組件24和26中將不接觸任何腐蝕性材料。
脆性隔離組件往往剛度較大。剛度的任何變化都會(huì)導(dǎo)致壓力測(cè)量的誤差。為減小剛度變化，在本發(fā)明中隔離組件被工作流體的壓力全方位作用。為此采用了彈性支座(硅橡膠)以產(chǎn)生與工作流體壓力相等的流體靜壓力。彈性支座應(yīng)足夠薄以免因溫度變化而過(guò)度擠壓和膨脹，從而超出彈簧的彈性限度。
本發(fā)明還采用熔化焊而不是釬焊材料來(lái)連接膜片。熔焊連接不易受腐蝕和蠕變的影響。
本發(fā)明中的膜片可優(yōu)先使用于那些容量較小和要求隔離液排量較小的壓力敏感元件，這樣有利于減小壓力測(cè)量過(guò)程中液體的總膨脹。作為參考，此外引入一項(xiàng)名為“膜片懸浮式壓力傳感器”的專利申請(qǐng)(流水號(hào)為08/123,729，1993年9月20日發(fā)稿，申請(qǐng)人Roger L.Frick)，該申請(qǐng)所描述的壓力敏感元件具有縮減隔離液排量的功能。
盡管以上對(duì)本發(fā)明的描述所基于的是優(yōu)選實(shí)施例，但此領(lǐng)域的普通技術(shù)人員會(huì)認(rèn)識(shí)到一些對(duì)形式和細(xì)節(jié)可能做出的修改并不超出本發(fā)明的思想和范圍。例如，所用的彈簧材料可以是包括蘭寶石在內(nèi)的其它物質(zhì)。
權(quán)利要求
1.一種指示工作流體壓力輸出量的傳感器，它包括一個(gè)具有兩條通道的部分，一條通道充有隔離液，并從第一端口延伸至用來(lái)檢測(cè)壓力輸出量的敏感裝置，另一通道內(nèi)充有工作流體；一個(gè)將第一和第二通道隔離開(kāi)并阻止工作流體進(jìn)入第一通道的隔離膜片；用來(lái)密封膜片并將工作流體的壓力傳至膜片的密封裝置；且上述隔離膜片由脆性抗腐蝕材料構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的傳感器，其密封裝置包括聚四氟乙烯(PTEF)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的傳感器，其中貼近密封裝置的彈簧包括陶瓷。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的傳感器，其中貼近密封裝置的彈簧包括蘭寶石。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的傳感器含有貼近第一根彈簧的第二根彈簧，該彈簧與第一根彈簧聯(lián)合起作用。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的傳感器中含有墊片，該墊片位于第一和第二根彈簧之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的傳感器，其特征在于隔離膜片位于膜片組件中，且該組件與基體之間實(shí)現(xiàn)充分的應(yīng)力隔離。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的傳感器，其特征在于隔離膜片位于膜片組件中，且該組件事實(shí)上承受工作流體的壓力。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的傳感器，包括貼近密封裝置的盤簧。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的傳感器，其特征在于隔離膜片包括陶瓷。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的傳感器，其特征在于隔離膜片包括蘭寶石。
12.一種指示工作流體壓力輸出量的傳感器，含有一個(gè)具有兩條通道的部分，一條通道充有隔離液，并從第一端口延伸至用來(lái)檢測(cè)壓力輸出量的敏感裝置，另一條傳感器通道內(nèi)載有工作流體；一套將第一、第二通道隔離開(kāi)并阻止工作流體進(jìn)入第一通道的隔離組件；用來(lái)密封膜片并將工作流體的壓力傳至膜片的密封裝置；和一套將隔離組件與基體相連的應(yīng)隔離裝置。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的傳感器，其特征在于第一條延伸的彈簧貼近密封裝置并使密封裝置與膜片撐開(kāi)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的傳感器，其特征在于彈簧包括陶瓷。
15.根據(jù)權(quán)利要求13的傳感器，其特征在于彈簧包括蘭寶石。
16.根據(jù)權(quán)利要求14的傳感器，其中有第二根延伸的彈簧貼近第一根延伸的彈簧，且二者聯(lián)合起作用。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的傳感器，在其中的第一和第二根彈簧之間含有墊片。
18.根據(jù)權(quán)利要求12的傳感器，其特征在于應(yīng)力隔離裝置的膜片組件與基體之間含有一層彈性體。
19.根據(jù)權(quán)利要求12的傳感器，其特征在于隔離組件中包括陶瓷隔離膜片。
20.根據(jù)權(quán)利要求12的傳感器，其特征在于隔離組件中包括蘭寶石隔離膜片。
全文摘要
本發(fā)明傳感器(12)指示出工作液體壓力輸出值。該傳感器(10)具有一第一主體(14)，該敏感元件具有一充滿隔離液的、從第一端口延伸到敏感元件(16)的第一通道。第二主體具有一個(gè)用于裝載工作液(28)的入口(1)和一個(gè)第二端口。位于第一端口和第二端口之間的隔離膜將工作液和隔離液分開(kāi)。和密封(48)相鄰接的膜片(46)密封住膜片(46)并將膜片(46)連接到第二主體(13)。彈簧(66，68)將密封(48)和膜片(46)撐開(kāi)。
文檔編號(hào)G01L7/08GK1131462SQ94193474
公開(kāi)日1996年9月18日 申請(qǐng)日期1994年8月12日 優(yōu)先權(quán)日1993年9月24日
發(fā)明者羅格·L·弗里克, 羅伯特·K·斯奈德 申請(qǐng)人:羅斯蒙德公司