МАЛОГАБАРИТНЫЙ ТЕРМОСТОЙКИЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ
SMALL-SIZE HEAT-RESISTANT PRESSURE SENSOR

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области технологий измерения давления и, в частности к малогабаритному термостойкому датчику давления.
Предшествующий уровень техники
Термостойкие преобразователи/датчики давления широко используются в нефтяной, химической области, металлургии, резиновой промышленности, инженерном оборудовании, аэрокосмической области и других областях. В последнее время в мире преобразователи давления быстро развиваются. Было разработано множество высокоэффективных преобразователей давления, таких как высокоэффективный тонкопленочный преобразователь давления, разработанный в Соединенных Штатах Америки. Преобразователь давления может работать при температуре, равной 177°C, в диапазоне измерений, составляющем 140 МПа. В последнее время в Японии разрабатывают высокоэффективный тонкопленочный преобразователь давления, обладающий высокой комплексной точностью и чувствительностью, широким температурным диапазоном, малым размером, хорошей долгосрочной стабильностью и низким потреблением электроэнергии. Преобразователи давления широко используются при разведке нефти, в аэрокосмических и других системах. В других странах, таких как Великобритания и Франция, также проводятся исследования с высокоэффективными тонкопленочными преобразователями давления.
В настоящее время, несмотря на огромный рынок преобразователей (в том числе, рынок вспомогательных приборов) в Китае, большинство высокоточных преобразователей собирают с использованием основных элементов, изготовленных за пределами Китая. Существует большой разрыв между общим уровнем индустрии преобразователей в Китае и высоким уровнем за пределами Китая. Многие термостойкие датчики давления, соответствующие предшествующему уровню техники, спроектированы на рассеивающей тепло структуре, что приводит к сложной структуре и большим размерам. Следовательно, разработка малогабаритного, встроенного, устойчивого к высокой температуре датчика давления облегчит глобальное обновление датчиков давления, которые используются в аэрокосмической, нефтехимической промышленности, инженерном оборудовании и при других условиях измерения давления при высокой температуре. Кроме того, указанное благоприятно для общего улучшения технологий малогабаритных, встроенных, термостойких датчиков давления.
Раскрытие изобретения
Изобретение направлено на создание малогабаритного термостойкого датчика давления, в котором решена проблема большого и нестабильного преобразователя/датчика давления в условиях высокой температуры. Таким образом, преобразователь/датчик давления может работать стабильным и надежным образом в условиях высокой температуры.
Для достижения указанной задачи согласно изобретению предложены следующие технические решения.
Раскрыт малогабаритный термостойкий датчик давления, содержащий: покрытый никелем медный корпус, металлическое сопло создания давления, выполненное с возможностью отвода и расположенное на нижнем конце покрытого никелем медного корпуса, металлический установочный столбик, встроенный на верхнем конце канала отвода в металлическом сопле создания давления, теплоизоляционное керамическое основание, расположенное между металлическим установочным столбиком и металлическим соплом создания давления, термостойкий сердечник, расположенный на верхнем конце металлического установочного столбика, керамическую печатную плату, расположенную на верхнем конце термостойкого сердечника, и опору из модифицированного ПП, расположенную между термостойким сердечником и керамической печатной платой.
Внутри термостойкого сердечника находится камера для жидкости. На верхнем конце камеры для жидкости расположено гибкое тело. Камера для жидкости соединена с каналом отвода в металлическом сопле создания давления посредством отверстия отвода, находящегося в середине металлического установочного столбика. Гибкое тело электрически соединено с керамической печатной платой. Выходной конец керамической печатной платы соединен с выводным проводом. Наверху покрытого никелем медного корпуса расположен фиксирующий соединитель. Выводной провод выступает из гнезда, расположенного на фиксирующем соединителе.
Кроме того, исходные материалы теплоизоляционного керамического основания содержат диоксид кремния, а коэффициент теплопроводности теплоизоляционного керамического основания не превышает 7,6 Вт/(м·K).
Кроме того, коэффициент теплопроводности опоры из модифицированного ПП не превышает 0,24 Вт/(м·K).
Кроме того, коэффициент теплопроводности покрытого никелем медного корпуса не меньше 400 Вт/(м·K).
Кроме того, внутри канала отвода в металлическом сопле создания давления расположена ступенчатая поверхность. Нижняя поверхность металлического установочного столбика соответствует ступенчатой поверхности канала отвода в металлическом сопле создания давления. Между нижней поверхностью металлического установочного столбика и ступенчатой поверхностью канала отвода в металлическом сопле создания давления расположено термостойкое уплотнительное кольцо.
Кроме того, верхний конец металлического сопла создания давления проходит в покрытый никелем медный корпус. Внутри покрытого никелем медного корпуса расположено выступающее кольцеобразное тело. Снаружи верхнего конца металлического сопла создания давления находится канавка для размещения выступающего кольцеобразного тела. Металлическое сопло создания давления с защелкиванием соединено с покрытым никелем медным корпусом.
Кроме того, верхняя поверхность металлического установочного столбика расположена выше металлического сопла создания давления. Термостойкий сердечник закреплен на верхней поверхности металлического установочного столбика.
Кроме того, диаметр покрытого никелем медного корпуса и диаметр металлического сопла создания давления меньше 20 мм, а длина всего узла из покрытого никелем медного корпуса и металлического сопла создания давления менее 40 мм.
Кроме того, на нижнем конце металлического сопла создания давления, который открыт наружу относительно покрытого никелем медного корпуса, выполнена внешняя резьба.
Изобретение обеспечивает следующие полезные эффекты:
1. В изобретении между металлическим соплом создания давления и металлическим установочным столбиком добавлено теплоизоляционное керамическое основание. Теплоизоляционное керамическое основание может не только выдерживать высокую температуру, но также предотвращает передачу тепла на термостойкий сердечник. Опора из модифицированного ПП поддерживает керамическую печатную плату. Тепло на гибком теле почти никогда не будет передано на керамическую печатную плату. В этой конструкции, хотя средняя температура достигает 225°C или 250°C, температура термостойкого сердечника не превышает 120°C, а температура керамической печатной платы и ее компонентов не превышает 80°C. Указанное эффективно обеспечивает нормальную работу устройства передачи и его КМОП (CMOS) цепи.
2. Покрытый никелем медный корпус используют для расположения верхней части всего датчика. В случае, когда коэффициент теплопроводности равен 400 Вт/(м·K), покрытый никелем медный корпус обладает способностью сильного рассеивания тепла. Тепло, накопленное вокруг термостойкого сердечника и керамической печатной платы, своевременно отводится в воздух, таким образом тепло эффективно рассеивается.
3. Используют технологию теплоизоляции с помощью керамики, опору из ПП, медный корпус с высокой теплопроводностью и так далее, и рабочая температура КМОП цепи обработки сигнала находится в диапазоне от –20°C до 80°C. Следовательно, цепи не нужно много конструкций для применения при высоких и низких температурах. Указанное позволяет всему термостойкому датчику давления быть малым, простым, компактным и легким в изготовлении.
Краткое описание чертежей
На чертеже схематично показана конструкция малогабаритного термостойкого датчика давления согласно изобретению.
На чертеже: 1 – покрытый никелем медный корпус, 2 – опора из модифицированного ПП, 3 – выводной провод, 4 – фиксирующий соединитель, 5 – керамическая печатная плата, 6 – термостойкий сердечник, 7 – металлический установочный столбик, 8 – теплоизоляционное керамическое основание, 9 – металлическое сопло создания давления, 10 – термостойкое уплотнительное кольцо, и 11 – упругое тело.
Варианты осуществления изобретения
Далее со ссылками на чертежи приведено ясное и полное описание технических решений в вариантах осуществления изобретения. Ясно, что описанные варианты осуществления изобретения являются просто частью, а не всеми вариантами осуществления изобретения.
Как показано на чертеже, малогабаритный термостойкий датчик давления содержит покрытый никелем медный корпус 1 и металлическое сопло 9 создания давления, которое выполнено с возможностью отвода и которое расположено на нижнем конце покрытого никелем медного корпуса 1. Верхний конец металлического сопла 9 создания давления проходит в покрытый никелем медный корпус 1. Внутри покрытого никелем медного корпуса 1 расположено выступающее кольцеобразное тело. Канавка для размещения выступающего кольцеобразного тела находится снаружи верхнего конца металлического сопла 9 создания давления. Металлическое сопло 9 создания давления соединено с защелкиванием с покрытым никелем медным корпусом 1. Внешняя резьба для соединения с носителем измеряемой жидкости, обладающей высокой температурой, расположена на нижнем конце металлического сопла 9 создания давления, который открыт наружу покрытого никелем медного корпуса 1.
Кроме того, канал для отвода жидкости, имеющей высокую температуру, расположен внутри металлического сопла 9 создания давления. Металлический установочный столбик 7 встроен на верхнем конце канала отвода в металлическом сопле 9 создания давления. Ступенчатая поверхность расположена внутри канала отвода в металлическом сопле 9 создания давления. Нижняя поверхность металлического установочного столбика 7 соответствует ступенчатой поверхности канала отвода в металлическом сопле 9 создания давления. Термостойкое уплотнительное кольцо 10 расположено между нижней поверхностью металлического установочного столбика 7 и ступенчатой поверхностью канала отвода в металлическом сопле 9 создания давления для предотвращения попадания веществ, имеющих высокую температуру, в соединительный зазор между металлическим установочным столбиком 7 и металлическим соплом 9 создания давления.
Кроме того, теплоизоляционное керамическое основание 8 расположено между металлическим установочным столбиком 7 и металлическим соплом 9 создания давления. Теплоизоляционное керамическое основание 8, в основном, выполнено из диоксида кремния, и его коэффициент теплопроводности составляет 7,6 Вт/(м·K). Оно не только может выдерживать высокую температуру, но также уменьшает количество теплоты, переданной от металлического сопла 9 создания давления на металлический установочный столбик 7. Это предотвращает передачу тепла на термостойкий сердечник 6, таким образом, обеспечивая чувствительность и стабильность гибкого тела 11 на верхнем конце термостойкого сердечника 6.
Кроме того, термостойкий сердечник 6 расположен на верхнем конце металлического установочного столбика 7. Камера для жидкости находится внутри термостойкого сердечника 6. Гибкое тело 11 расположено на верхнем конце камеры для жидкости. Гибкое тело 11 выполнено с возможностью измерения давления жидкости, находящейся при высокой температуре. Камера для жидкости соединена с каналом отвода в металлическом сопле 9 создания давления посредством отверстия отвода, находящегося в середине металлического установочного столбика 7. Подлежащее измерению вещество, имеющее высокую температуру, поступает в камеру для жидкости, находящуюся в термостойком сердечнике 6, через металлическое сопло 9 создания давления и давит на гибкое тело 11.
Кроме того, керамическая печатная плата 5 расположена на верхнем конце термостойкого сердечника 6. Гибкое тело 11 электрически соединено с керамической печатной платой 5. На керамической печатной плате 5 расположена комбинация формирующих элементов. Комбинация формирующих элементов является комбинацией соответствующих предшествующему уровню техники элементов, которая выполнена с возможностью формирования характеризующего давление сигнала преобразователя давления в стандартный сигнал. Выходной конец керамической печатной платы 5 соединен с выводным проводом 3. Выводной провод 3 передает электрический сигнал, выводимый преобразователем.
Опора 2 из модифицированного ПП расположена между термостойким сердечником 6 и керамической печатной платой 5. Опора 2 из модифицированного ПП выполнена с возможностью поддержки керамической печатной платы 5. Опора 2 из модифицированного ПП выполнена из полипропилена. Коэффициент теплопроводности полипропилена составляет 0,24 Вт/(м·K). Следовательно, тепло на гибком теле 11 почти никогда не будет передано на керамическую печатную плату 5. В этой конструкции, хотя средняя температура металлического сопла 9 создания давления достигает 225°C или 250°C, температура термостойкого сердечника 6 не превышает 120°C, а температура керамической печатной платы 5 и ее компонентов не превышает 80°C. Указанное эффективно обеспечивает нормальную работу устройства передачи и его КМОП цепи.
Фиксирующий соединитель 4 расположен наверху покрытого никелем медного корпуса 1. Выводной провод 3 выступает из гнезда, расположенного на фиксирующем соединителе 4.
Кроме того, в случае, когда коэффициент теплопроводности равен 400 Вт/(м·K), покрытый никелем медный корпус 1 обладает способностью сильного рассеивания тепла. Верхняя поверхность металлического установочного столбика 7 находится выше верхней поверхности металлического сопла 9 создания давления. Термостойкий сердечник 6 закреплен на верхней поверхности металлического установочного столбика 7. Покрытый никелем медный корпус 1 своевременно отводит в воздух тепло, накопленное вокруг термостойкого сердечника 6 и керамической печатной платы 5, таким образом эффективно рассеивает тепло.
Следует отметить, что диаметр покрытого никелем медного корпуса 1 и диаметр металлического сопла 9 создания давления меньше 20 мм, а длина всего узла из покрытого никелем медного корпуса 1 и металлического сопла 9 создания давления менее 40 мм, что обеспечивает небольшой размер. Используют технологию теплоизоляции с помощью керамики, опору из ПП, медный корпус с высокой теплопроводностью и так далее, и рабочая температура КМОП цепи обработки сигнала находится в диапазоне от –20°C до 80°C. Следовательно, цепь не требует большого количества конструкций для применения при высоких и низких температурах. Указанное позволяет всему термостойкому датчику давления быть малым, простым, компактным и легким в изготовлении.
Далее описан способ использования и принцип работы. Металлическое сопло 9 создания давления прикреплено к носителю для жидкости, которая имеет высокую температуру и для которой проводят измерения. Под действием высокого давления жидкость, имеющая высокую температуру, попадает в камеру для жидкости в термостойком сердечнике 6 через металлическое сопло 9 создания давления и отверстие отвода, которое находится в середине металлического установочного столбика 7, и давит на гибкое тело 11. Цепь формирования на керамической печатной плате 5 преобразует электрический сигнал, выработанный благодаря деформации гибкого тела 11, в стандартный сигнал и передает этот сигнал по выводному проводу 3 с целью реализации функции передачи давления. В этом процессе теплоизоляционное керамическое основание 8 может не только выдерживать высокую температуру, но также предотвращает передачу тепла на термостойкий сердечник. Опора 2 из модифицированного ПП поддерживает керамическую печатную плату 5. Тепло на гибком теле 11 почти никогда не будет передано на керамическую печатную плату 5. В этой конструкции, хотя средняя температура достигает 225°C или 250°C, температура термостойкого сердечника 6 не превышает 120°C, а температура керамической печатной платы 5 и ее компонентов не превышает 80°C. Указанное может эффективно обеспечить нормальную работу устройства передачи и его CMOS цепи. Покрытый никелем медный корпус 1 используют для расположения верхней части всего датчика. В случае, когда коэффициент теплопроводности равен 400 Вт/(м·K), покрытый никелем медный корпус 1 обладает способностью сильного рассеивания тепла. Тепло, накопленное вокруг термостойкого сердечника 6 и керамической печатной платы 5, своевременно отводится в воздух, таким образом тепло эффективно рассеивается.
Диапазон измерения давления датчиком давления согласно изобретению составляет от 0 до 100 МПа. Средняя рабочая температура находится в диапазоне от –55°C до 250°C. Выходной сигнал находится в диапазоне от 0,5 В до 4,5 В или является другим стандартным сигналом. Точность меньше или равна 0,2% всего диапазона.
Приведенное выше описание представляет собой только предпочтительные варианты осуществления изобретения, и они не ограничивают объем защиты изобретения. Специалисты в рассматриваемой области могут предложить эквивалентные замены или изменения в соответствии с техническим решением и идеей изобретения, не выходя за пределы технического объема изобретения. Все эти замены или изменения находятся в пределах объема изобретения.