Датчик давления из спеченной керамики, форма которой близка заданной
Владельцы патента RU 2452929:
РОУЗМАУНТ, ИНК. (US)
Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и направлено на создание датчика давления с уменьшенными размерами, эффективного в эксплуатации и дешевого в изготовлении, что обеспечивается за счет того, что, согласно изобретению, в состав датчика входит корпус и отклоняемый элемент, установленный на корпусе, при этом отклоняемый элемент реагирует на измеряемый параметр, а корпус и отклоняемый элемент выполнены из спеченной керамики, в состав которой входит, по крайней мере, одно из следующих веществ: шпинель из оксинитрида алюминия и шпинель из алюмината магния. 4 н. и 6 з.п. ф-лы, 2 ил.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к датчикам давления. В частности, настоящее изобретение относится к емкостным датчикам давления с коробкой и элементами мембраны, выполненными из спеченной керамики, обожженной до формы, близкой заданной, с целью минимизации дорогой машинной обработки.
Емкостные датчики давления нашли широкое распространение в промышленных технологиях, авиационно-космических технологиях, и других контрольно-измерительных системах. Чувствительные коробки емкостного датчика давления могут использоваться для измерения абсолютного давления, избыточного давления, перепада давления, или сочетания этих давлений.
В некоторых случаях емкостные датчики давления используются для измерения давления жидкостей, которые могут вызывать коррозию металлических деталей датчика. Одним из способов решения этой проблемы является отделение датчика давления от технологической жидкости с помощью изоляционной мембраны. После заполнения маслом датчик давления присоединяется к изоляционной мембране так, что давление, приложенное к изоляционной мембране, передается через масло на мембрану емкостного датчика давления. Однако при измерении давления такой способ изоляции может вызывать ошибки.
Емкостные датчики давления изготавливались из разных материалов, включая металл, стекло, сапфир и кремний. Существует постоянная необходимость в усовершенствованиях емкостных датчиков давления (и, в частности, дифференциальных манометров) для получения датчиков меньшего размера с меньшими объемами масла, изготовление которых обойдется дешевле.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В датчиках давления применяются коробки и мембраны, выполненные из спеченной керамики, форма которой близка заданной. Для спеченной керамики характерны малые значения модуля Юнга и большие значения вязкости разрушения. Металлические детали, типа трубок под давлением и электрических разъемов, могут внедряться в детали из спеченной керамики до или после обжига.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг.1 показано сечение коробки под давлением, выполненной из двух половин коробки из спеченной керамики и центральной мембраны из спеченной керамики.
На фиг.2 показано сечение коробки под давлением, включая две половины коробки из спеченной керамики, расположенных параллельно, с отдельной мембраной из спеченной керамики для каждой половины коробки.
ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ
На фиг.1 показано сечение дифференциального манометра 10, выполненного из двух половин коробки 12 и 14 и мембраны 16. Половины коробки 12 и 14 и мембрана 16 выполнены из спеченной керамики, форма которой близка заданной.
В соответствии с примером осуществления настоящего изобретения, изображенном на фиг.1, половина коробки 12 и мембрана 16 образуют первую камеру 18, в то время как половина коробки 14 и мембрана 16 образуют вторую камеру 20. Металлическая трубка 22 проходит через половину коробки 12, чтобы подать жидкость под давлением в камеру 18. Точно так же металлическая трубка 24 проходит через половину коробки 14, чтобы подать жидкость в камеру 20. Половины коробки соединяются твердым припоем 11. Емкостная пластина 26 на стенке камеры 18 и пластина 28 на поверхности мембраны 16, обращенные к камере 18, образуют первый конденсатор С1. Пластина 30 на стенке камеры 20 и пластина 32 на поверхности мембраны 16, обращенной к камере 20, образуют второй конденсатор С2.
Металлические детали типа трубок 22 и 24 могут припаиваться к керамическим компонентам, поскольку эти компоненты обжигаются или могут добавляться после обжига. Точно так же электрические провода могут припаиваться к керамическому материалу во время или после обжига. На фиг.1 показан проводник 34, который обеспечивает соединение пластин 28 и 32 на мембране 16 и с наружной частью датчика 10. Проводник 34 может вставляться в травленый канал в половине коробки 14, и может удерживаться на месте и герметизироваться с помощью стеклоприпоя. Он также может участвовать при обжиге керамических компонентов. Проводник 36 обеспечивает соединение между пластиной 26 и внешней частью датчика 10. Проводник 38 обеспечивает соединение пластины 30 с внешней частью датчика 10.
В зависимости от разности давлений жидкости в камере 18 и в камере 20 мембрана 16 отклоняется, и при этом изменяются величины относительных емкостей первого и второго конденсаторов. Схема обработки сигнала (не показана) преобразует емкости С1 и С2 в измеренную величину, которая показывает разность давлений.
Датчик температуры 40 может крепиться к датчику давления 10. В качестве датчика температуры 40 может применяться толстопленочная термопара или подобное устройство. Проводники 42 и 44 соединяют датчик температуры 40 со схемой обработки сигнала. Как показано, датчик температуры 40 крепится с внешней стороны датчика давления 10, но может крепиться и к внутренней поверхности.
Использование спеченной керамики в качестве материала половин коробки 12 и 14 и мембраны 16 обеспечивает существенные преимущества. Сначала компоненты могут быть получены с использованием технологии изготовления формы, близкой заданной. Керамический компонент получают в сыром состоянии из прессованного, литого или формованного порошка. Затем он спекается обжигом (нагрев в печи), или с использованием микроволновой энергии. По существу, полученные из спеченной керамики компоненты имеют готовую форму и размеры конечного продукта. Поскольку применяется технология изготовления формы, близкой заданной, то для получения требуемых размеров необходима только чистовая обработка поверхности (шлифование).
Хотя показано, что половины коробки 12 и 14 соединяются пайкой, соединение сплавлением обеспечивает более строгие допуски. При соединении сплавлением половины коробки 12 и 14 прижимаются друг к другу так, что керамический материал каждого компонента сплавлялся с материалом другого компонента. Для того чтобы зона соединения сплавлением находилась под напряжением сжатия, на область соединения компонентов накладывается металлический зажим, скорость усадки которого выше скорости усадки керамического материала. Поскольку вся конструкция охлаждается до комнатной температуры, зажим удерживает соединение сплавлением под напряжением сжатия.
Одним из предпочтительных примеров спеченной керамики является шпинель из оксинитрида алюминия, обозначаемая ALON®, которая является прозрачной формой оксинитрида алюминия, производимой корпорацией Surmet, Берлингтон, шт. Массачусетс. Шпинель ALON® разработана как новая форма прозрачной брони. Этот материал описан, например, в патенте США №4520116. Другая керамика, подходящая для применения в составе датчика давления, помимо шпинели из оксинитрида алюминия включает шпинель из алюмината магния, оксид алюминия, и стабилизированный иттрием, частично стабилизированный диоксид циркония (PSZ). В соответствии с предпочтительным примером осуществления настоящего изобретения механические свойства мембран датчика давления из спеченной керамики включают вязкость разрушения, превышающую приблизительно 1,5 МПа·м-1/2 и модуль упругости ниже приблизительно 350 ГПа (50.8×10 футов на квадратный дюйм). Эту и другую оксидную керамику, используемую для получения форм, близких заданным, получают путем формования порошков, содержащих подходящие связующие, в формы с помощью прессования или отливки в изложницы или используя технологию быстрого прототипирования (rapid prototyping/solid free form manufacturing processes). После формования детали обжигаются с получением готовой, плотной формы, близкой заданной, используя обычную принятую практику обработки керамики. Для спекания необожженной формы может также использоваться изостатическое прессование. Детали могут обжигаться отдельно, и собираться с помощью пайки металлизированных стыков, или они могут металлизироваться в необожженном виде и обжигаться за один проход со всеми электрическими проводниками и емкостными электродами, заложенными перед обжигом. В некоторых случаях детали могут обрабатываться с помощью микроволновой энергии.
На фиг.2 показан дифференциальный манометр 50 с параллельным включением, в отличие от схемы со встречно-параллельным включением, как показано на фиг.1. В состав дифференциального манометра 50 входят половины коробки 52 и 54 и мембраны 56 и 58, которые образуют две параллельные, индивидуальные конденсаторные коробки датчика. Камеры 62 и 64 соединены между собой металлической трубкой 60.
Обкладка конденсатора 66 на стенке камеры 62 и обкладка конденсатора 68 на внутренней стенке мембраны 56 образуют первый конденсатор С1. Проводник 67 обеспечивает соединение обкладки конденсатора 66 с внешней частью датчика 50. Проводник 69 обеспечивает соединение обкладки конденсатора 68 с внешней частью датчика 50.
Точно так же обкладка конденсатора 70 на внутренней стенке камеры 64 и обкладка конденсатора 72 на внутренней стенке мембраны 58 образуют второй конденсатор С2. Проводник 71 обеспечивает соединение обкладки конденсатора 70 с внешней частью датчика 50. Проводник 73 обеспечивает соединение обкладки конденсатора 72 с внешней частью датчика 50.
Уплотнительные кольца 74 и 76 обеспечивают уплотнение между мембранами 56 и 58 и пластиной 78. Между пластиной 78 и каждой из мембран 56 и 58 вводится жидкость. Жидкость может выполнять роль наполнителя, который передает давление от изоляционной мембраны, или может быть технологической жидкостью.
Металлические компоненты, типа обкладок конденсатора 66, 68, 70, и 72, не соприкасаются с жидкостью при передаче давления для отклонения мембран 56 и 58. Поэтому схема с параллельным включением дифференциального манометра 50 позволяет не устанавливать изоляционную мембрану.
Уплотнительные кольца 74 и 76 установлены в канавки на внешней поверхности мембран 56 и 58. Эти канавки выполнены во время процесса формования необожженной керамики в мембраны 56 и 58.
По такой же технологии можно изготавливать и температурные датчики. Материал металлического температурного датчика может наноситься на внутренние или внешние поверхности половин коробки 12 или 14 (см. на фиг.1) или половин коробки 52 и 54 (см. фиг.2). При формовке датчика температуры на этапе металлизации дорогой разделительный элемент может быть исключен.
Схема с параллельным включением, изображенная на фиг.2, также позволяет измерять как давление в технологической линии, так и разность давлений. Это достигается при одновременном сокращении размера датчика, и с отказом от изолирующей мембраны и заполнения маслом.
Изобретение хорошо подходит для производства партиями, но при этом не требует сложной механической обработки, или экзотических установок, химикатов, и специальных требований по безопасности, связанных с производством партиями типа производства полупроводников.
Хотя настоящее изобретение было описано со ссылкой на предпочтительные примеры осуществления, специалисты понимают, что возможны изменения как по форме, так и в деталях, что, однако, не является отступлением от объема и сущности изобретения.
1. Датчик, в состав которого входит корпус и отклоняемый элемент, установленный на корпусе, при этом отклоняемый элемент реагирует на измеряемый параметр, а корпус и отклоняемый элемент выполнены из спеченной керамики, в состав которой входит, по крайней мере, одно из следующих веществ: шпинель из оксинитрида алюминия и шпинель из алюмината магния.
2. Датчик по п.1, при этом измеряемым параметром является давление, и при этом корпус датчика и отклоняемый элемент образуют, по крайней мере, одну камеру для измерения давления.
3. Датчик по п.2, отличающийся тем, что датчик представляет собой емкостный дифференциальный манометр с первой камерой и второй камерой, а отклоняемый элемент представляет собой центральную мембрану, расположенную между первой камерой и второй камерой, при этом центральная мембрана отклоняется в зависимости от давления жидкости в первой и второй камерах.
4. Датчик по п.1, при этом в состав корпуса датчика входит: первая часть с камерой и вторая часть с камерой, отличающийся тем, что первая часть входит во вторую часть и присоединена к ней, и тем, что между камерой первой части и камерой второй части установлен отклоняемый элемент.
5. Датчик по п.1, отличающийся тем, что в состав спеченной керамики входит керамический материал, модуль упругости которого ниже приблизительно 350 ГПа (50,8·106 футов на квадратный дюйм), а вязкость разрушения превышает приблизительно 1,5 МПа·м-1/2.
6. Датчик по п.1, отличающийся тем, что к поверхности корпуса датчика крепится металлический датчик температуры.
7. Датчик по п.1, при этом корпус датчика представляет собой дифференциальный манометр, который состоит из первой части и второй части, при этом вторая часть отделена от первой части и связана с ней металлической трубкой.
8. Датчик давления, в состав которого входит первая камера, первая мембрана, расположенная рядом с первой камерой, при этом первая мембрана и первая камера выполнены из керамики, форма которой близка заданной, в состав которой входит, по крайней мере, одно из следующих веществ: шпинель из оксинитрида алюминия и шпинель из алюмината магния.
9. Датчик давления, в состав которого входит корпус датчика, мембрана с опорой на корпус датчика, отклоняемая в зависимости от давления жидкости, при этом корпус датчика и мембрана изготовлены из керамики, форма которой близка заданной, в состав которой входит, по крайней мере, одно из следующих веществ: шпинель из оксинитрида алюминия и шпинель из алюмината магния; и средство формирования выходного сигнала, соответствующего давлению, измеренному на основе отклонения мембраны.
10. Способ изготовления датчика давления, включающий: формование из спеченной керамики корпуса датчика и мембраны, форма которой близка заданной, в состав которой входит, по крайней мере, одно из следующих веществ: шпинель из оксинитрида алюминия и шпинель из алюмината магния, механическую обработку корпуса датчика и мембраны до получения размеров готового изделия, и сборку корпуса датчика и мембраны с получением датчика.
