专利名称:宽温压电涡街流量计及半自由埋装工艺的制作方法
本发明是一种宽温压电涡街流量计及制造这种新颖流量计的工艺，后者是一种半自由埋装工艺，也可用来制造各种宽温压电测力传感器。压电涡街流量计用于测量常温、高温流体的流速或流量。采用本发明所述的压电元件的半自由埋装工艺可制成温度范围更宽的宽温压电式涡街流量计，进一步改进工艺成为温度自补偿半自由埋装工艺，则温度特性可进一步提高。本发明所述的宽温压电涡街流量计特别适用于测量温度变化剧烈的流体的流速或流量，如各种高温液体、气体和蒸汽等。本发明所述的工艺还适用于各种敏感元件、特别是各向异性敏感元件的装固，制成各种内装敏感元件的传感器。
上述领域涉及的公知技术可见于专利US4248098、GB2008752及其引证的专利。所谓涡街流量计是一类利用卡曼(Karman)涡街原理测量流体流速或流量的计量装置。当流体中垂直插入一根非流线型的柱状阻力体时，流经阻力体两侧的流体交替地产生两列旋涡，称为卡曼涡街。产生旋涡的柱状阻力体称为旋涡发生体，旋涡频率f与流体流速V成正比f＝St· (V)/(d) ……(1)式中St为史特劳哈尔系数，在一定雷诺数范围内是常数，d为旋涡发生体的特征宽度。卡曼涡街对旋涡发生体产生交替的旋涡升力，这一交替升力可称为卡曼涡街交变力，若由压电元件转换为频率与流速成正比的交变电信号，即构成压电涡街流量计。压电元件灵敏度高、反应快、信号强、响应范围宽且不易疲劳，可以装在旋涡发生体内部与流体隔离而又不影响测力，加上涡街流量计本身的优点(没有运动部件，输出频率对压力、温度、粘度等不敏感，频率计量不易干扰等)，使得压电涡街流量计成为精度高、量程宽、稳定、可靠的流量计量装置。已有技术中压电元件的安装是采用玻璃封灌或环氧树脂封灌，即用玻璃或环氧树脂等绝缘材料(16)将压电元件定位並封灌在旋涡发生体体内根部轴心处。专利US4248098列举了这种工艺的种种好处，其中最主要的是具有非常好的力传递特性，即能使旋涡发生体所产生並接收的卡曼涡街交变力精确而且灵敏地传递给压电元件，此外还指出这种工艺具有一定的高温耐受力。
但是实际生产和使用过程表明，现有工艺所制出来的压电涡街流量计的温度上限並不高，易损坏，不能适应温度的稍快的变化，绝对不能用于温度变化剧烈的场合;即使就制造过程来讲，这种工艺也是极难掌握的，废次品率较高。环氧树脂封灌的压电涡街流量计的温度上限只有80℃。使用玻璃封灌，尽管玻璃的软化点高，但是高温封灌会带来一系列麻烦。不仅压电元件的定位会受影响，冷却过程最容易形成废次品。实际选用的玻璃封料的熔点常为500℃，软化点约在300℃或更低。即使300℃以下，由于旋涡发生体、压电元件、玻璃封料之间的膨胀系数很难一致，加上压电元件的各向异性，温度变化引起的膨胀应力足以损坏压电元件或使封料产生裂纹，最终将严重影响压电效应，使流量计性能降低或失灵。以上这些缺陷是封灌工艺所固有的。
本发明的任务是提供一种温度特性良好的宽温压电涡街流量计，不仅具有高得多的温度上限，而且能耐受温度的剧烈变化。为此，本发明提供一种新的工艺，即压电元件的半自由埋装工艺。半自由埋装工艺保留並发展了玻璃封灌工艺的主要优点，具有相当、甚至更好的力传递特性，同时克服了玻璃封灌的种种缺点。
本发明的技术要点，在于压电元件安装过程中避开各向异性，仅在一个方向承力，而让其余方向自由不受力。
本发明所提供的产品保留了已有技术的大部份技术特征。如图1、图2所示，宽温压电涡街流量计也具有一个两端带法兰盘的管状表体(1)，使用中借助法兰盘接装在被测流体的管路中。旋涡发生体(2)为具有对称横截面的柱状阻力体，其横截面可以是T形、梯形或其他公知形状。旋涡发生体垂直插入表体管中，过管心且延伸横贯全管。插口开于表体管的中段，插口处的表体部有一向外的安装座(4)。旋涡发生体根部有一朝径向突出的安装盘(3)，在表体管外与安装座(4)紧装並用密封压板(12)密封。旋涡发生体伸入表体管内的一端呈自由态，或由插口对面的管壁上的支架支承，支架处有密封件(13)。在旋涡发生体位于表体管外的端面中心处，沿旋涡发生体纵轴方向作有一个与表体管内流体不相通的孔穴(5)，其中装有压电元件(6)。压电元件的作用是将旋涡发生体产生並接收的卡曼涡街交变力转换为交变频率与流速成正比的交变电信号。交变电信号由引线(14)引出，经端子盒(15)送至分装的电子线路。电子线路由信号转换、放大、滤波、整形、指示积算等电路组成，均可运用公知技术。
本发明所说的压电元件(6)在孔穴中采用半自由埋装工艺安装，压电元件(6)仅由两个互相平行的承压接触平面承受垂直于此承压接触平面的力。所谓承压接触平面当然是压力敏感面，所受的力包括被测的交变正应力，如图3所示，以及附加力，附加力包括膨胀应力及埋装予应力。压电元件的其余界面与孔穴(5)的内壁之间留有自由空隙，故而不受力，玻璃封灌工艺所遇到的压电元件的各向异性问题在这里迎刃而解。
为了对比说明半自由埋装工艺，图4画出玻璃封灌的旋涡发生体，图5表示了新工艺即半自由埋装工艺的旋涡发生体。本发明所述的孔穴(5)是一个直壁平底埋装孔，其内壁是直壁並且平行于旋涡发生体的纵轴。所说孔穴包括圆形的(圆孔)或方形、矩形(槽穴)的孔穴，当然以圆孔为最简单。孔底应是一个平面，並且与孔壁直交。要求平底与压电元件及下面将提到的埋装件能贴紧，因此孔底应研磨，平整光洁。为加工简单起见，也可在孔底贴上具有研磨平面的平片状垫片(7)。总之，孔穴(5)应当具有一个与旋涡发生体纵轴直交的足够平整光洁的埋装平底(8)。垫片可以用与旋涡发生体相同或不同的材料制成。
埋装件包括压电元件(6)、隔离片(9)、补偿片(10)及其各种可能的组合，例如可以有二个以上的隔离片和压电元件。所有埋装件均为片状，都具有两个互相平行而且光洁的承压接触平面，埋装件用其承压接触平面互相紧贴成叠层，自下而上叠压在埋装平底(8)上。埋装件及压电元件的平面尺寸都小于埋装平底的尺寸，因此与孔穴(5)内壁之间留有自由空隙，于是所有的埋装件包括压电元件在内都只在承压接触平面承受与承压接触平面垂直的力，包括被测的交变正应力及附加的膨胀应力和埋装予应力。最上面一个埋装件上紧压着一块柱状质量块(11)，柱状质量块上予留必要的引线孔，柱状质量块与埋装件接触的端平面也应是光洁的。柱状质量块与旋涡发生体固装並对埋装件施加埋装予应力。
柱状质量块(11)与旋涡发生体的制作材料相同，它的柱面与孔穴(5)的直壁形内壁用粘接胶成套式粘接，固化时要施加轴予紧力，即埋装予应力。为了达到好的粘接效果，间隙要合适，一般小于0.2mm;粘接段要长，例如大于10mm。温度特性与粘接胶有很大关系。例如，应选用胶体粘接层(18)固化后膨胀系数尽量接近旋涡发生体制作材料的高温无机粘接胶配方。采取这些措施后，由于粘接胶的强度接近或超过旋涡发生体的制作材料，致使柱状质量块与旋涡发生体之间构成整体固装，等同于一块整体材料，其力传递性能比玻璃封装还要优越。另外，柱状质量块、旋涡发生体及胶体固化后膨胀系数的一致，使这种整体固装具有很宽的温度耐受力。
本发明所述的压电元件可在包括压电陶瓷、石英钽酸锂、铌酸锂等压电材料中任选，以铌酸锂为最佳。在压电元件的承压接触平面上蒸或电镀以中性轴为对称分割的光洁的电极(17)，电极上焊装信号引线，图6为压电元件电极示意图。埋装时压电元件的中性轴必须与旋涡发生体交变正应力的中心重合，这一定位要求已成为公知。本发明提供的埋装工艺比玻璃封灌工艺更有利于压电元件的准确定位。为了保证电极间的绝缘性不致被金属埋装件破坏，埋装件中应包含用高强度绝缘材料制成的隔离片(9)，紧挨着压电元件(6)。
本发明的进一步改进是在埋装件中采用了起温度补偿作用的补偿片(10)。由于压电元件、隔离片与旋涡发生体制作材料不一致，埋装后必然使埋装件及压电元件承受轴向膨胀应力，膨胀应力正比于温度，最终会影响温度特性，限制温度上限的进一步提高。适当选择补偿片材料及其厚度，使埋装件及垫片、压电元件的轴向总膨胀量正好等于厚度与这组叠片总厚一样的旋涡发生体制作材料的膨胀量，从而使轴向膨胀应力为零，构成温度自补偿的半自由埋装工艺。假设补偿片材料膨胀系数为βx厚度为hx;叠片中除补偿片以外，包括垫片、压电元件、隔离片的材料膨胀系数及厚度依次为β1、h1;β2、h2;……βn、hn;又设旋涡发生体材料膨胀系数为β0，则当公式β1h1+β2h2+……+βnhn+βxhx＝＝(h1+h2+……+hn+hx)β0……(2)
成立时轴向膨胀应力为零。解公式(2)得到补偿片片厚计算公式为hxΣi=1nhi·(β0- βi)βx-β0]]>(3)计算中忽略了压电元件的电极厚度，因为电极很薄。补偿片作为埋装件之一，其两个平行端面也应当平整光洁。
本发明所提供的温度自补偿半自由埋装工艺不仅可用来制成本发明所说的宽温压电涡街流量计及类似于旋涡发生体那样的内装压电元件的力传感器，还可广泛适用于制作各种内装敏感元件的传感器。其实施办法是在传感器予定的装固敏感元件的部位按设计方向作一平底直壁埋装孔穴。穴底平整光洁或贴有研磨过的平片状垫片构成平整光洁的埋装平面。包括敏感元件在内的埋装件均为平片状，各具两个互相平行的光洁的承压接触平面。埋装件及敏感元件用其承压接触平面互相接触成叠层状紧贴在埋装平面上，其平面尺寸均小于埋装平面而与埋装孔穴的侧壁间留有自由空隙，因此敏感元件上只在承压接触平面承受垂直于承压接触平面方向的力。孔穴内埋装件叠层中离穴口最近的一片埋装件上用柱状质量块塞紧，並用高温粘接胶将柱状质量块柱面与孔穴内壁成套式粘接，柱状质量块用与传感器相同材料作成，其上留有必要的引线孔。选用固化胶层膨胀系数与传感器材料相同或尽量接近的高温粘接胶配方，使粘接后的柱状质量块与传感器的整体固装等同于一体。埋装件中包含有起温度补偿作用的使轴向膨胀应力为零的补偿片，补偿片的厚度按公式(3)精确算得。
同已有技术相比，本发明提供的埋装工艺在力传递特性方面比封灌工艺更好，不需要高温工艺过程，工艺质量易于保证，成功地克服了各向异性带来的困难，並具有温度自补偿功能，使承力方向的膨胀应力为零，从而大大改善了温度特性，不仅提高了适用温度的上限，而且耐受温度冲击。采用这种新工艺制造出来的压电涡街流量计比用原生产工艺制造的同类产品具有高得多的温度上限，並能耐受温度较大变化的冲击。其适用温度上限，在理论上讲仅受压电元件的居里点、高温粘接胶的软化点及补偿片材料所限制。铌酸锂压电晶体居里点高达1200℃，市场上有多种耐温1500℃的高温粘接胶可供选用，可见本发明所说的宽温压电涡街流量计在实用中可获得很高的温度上限，根本毋须考虑使用什么散热片或水冷管。
在本发明的上述说明中，值得指出的是本发明主要在埋装孔及埋装技术上作了更改，相对于原有的压电涡街流量计的整个生产过程来说，涉及的工艺改造成本极小，有利于推广更新。
如下图1为宽温压电涡街流量计总体结构示意图，除旋涡发生体内部结构(图中未示出)不同外，保留了已有技术的绝大部份技术特征。
图2为压电涡街流量计剖面图，主要突出旋涡发生体受力情况，图中压电元件的安装为封灌定位。
图3为旋涡发生体中压电元件受力示意图。
图4为采用玻璃封灌的旋涡发生体剖面图。
图5为采用温度自补偿半自由埋装工艺的旋涡发生体剖面图。
图6为压电元件电极示意图。
本发明的一个实施例为LUYZ型宽温压电涡街流量计，其结构如图1所示，与原LUYY型环氧封灌压电涡街流量计结构尺寸大致相同，其主要尺寸及性能如下(以LUYZ-050为例)1、表体管径φ50mm。
2、阻力体特征宽度13.5mm，截面形状T型。
旋涡发生体材料1Cr18Ni9Ti。
3、埋装孔尺寸直径φ16mm，深度35mm。
4、垫片材料1Cr18Ni9Ti，直径φ16mm，厚度2mm。
5、压电元件材料钛酸铅，直径φ15mm，厚度2mm。
6、隔离片材料陶瓷，直径φ15mm，厚度1mm。
7、补偿片材料铝，直径φ15mm，厚度由公式(3)算出。
8、质量块材料1Cr18Ni9Ti，直径φ16mm，厚度15mm。
9、粘接材料高温无机粘接胶。
埋装予应力10～30Kgf/Cm2。
10、埋装叠层次序见图5。
11、电气部份转换-放大-滤波-整形-显示，(同原型、略)12、结构形式采用分装式。(作为高温使用，电器部份工作温度低，故分装。)13、性能技术指标(以φ50mm口径为例)量程130～1500Kg/h，精度1.5%适用温度上限不低于200℃。
14、测试设备蒸汽流量标准装置。
本发明的另一实施例是用铌酸锂晶体作为压电元件，隔离片采用陶瓷材料制作，厚1mm，补偿片采用铝或铜制作，厚度按公式(3)计算，采用耐温1500℃的高温无机粘接胶。
第一个实施例已经过内部考核，並将于86年3月23日在重庆进行部级鑑定。第二个实施例予计有更好的温度特性，正在试验中。
权利要求
1.宽温压电涡街流量计，用于测量常温、高温流体的流速或流量，特别适用于测量温度变化剧烈的流体(如高温气体、液体及蒸汽等)的流速或流量，具有一个两端带法兰盘可接装在被测流体管路中的管状表体(1)，在表体中段垂直于表体管子轴向的表体管内插装一根过管心並延伸横贯全管的称之为旋涡发生体(2)的具有对称横截面的柱状阻力体，旋涡发生体根部有一朝径向突出的安装圆盘(3)在表体管外与表体插口处的安装座(4)紧装密封，旋涡发生体位于表体管外的端面中心处沿旋涡发生体纵轴方向作有一个与表体管内流体不相通的孔穴(5)，孔穴(5)中装有压电元件(6)，将卡曼(Karman)涡待交变力转换为频率与流速成正比的交变电信号，其特征在于压电元件(6)在孔穴(5)中采用半自由埋装工艺，压电元件(6)仅由两个互相平行的对压力敏感的承压接触平面承受与承压接触平面垂直的力，包括被测的交变正应力及附加的膨胀应力和埋装予应力，压电元件(6)的其余界面与孔穴(5)的内壁之间留有自由空隙而不受力。
2.按权利要求
1所述的宽温压电涡街流量计，其特征在于孔穴(5)为直壁平底埋装孔，内壁面为直壁並与旋涡发生体的纵轴平行，底部为一与直壁直交的平面並经研磨，或在底面平面贴有具有研磨平面的平片状垫片(7)，使埋装的孔穴(5)具有一个与旋涡发生体纵轴直交的足够平整光洁的埋装平底(8)。
3.按权利要求
2所述的宽温压电涡街流量计，其特征在于埋装平底(8)上叠压着包括压电元件(6)在内的一组平片状埋装件(9、10、6)，每个埋装件均为平片状並具有两个平行而且光洁的承压接触平面，相邻的埋装件通过承压接触平面互相贴紧，自埋装平底(8)逐个向上叠压成层状，最后一个埋装件上紧压一块具有光洁接触端平面的柱状质量块(11)，柱状质量块(11)与旋涡发生体固装並对埋装件施加与埋装件承压接触端面垂直的压力，形成附加的埋装予应力，埋装件及压电元件的平面尺寸均小于埋装底面尺寸，埋装件同压电元件一样只由其承压接触平面承受与承压接触平面垂直的力，其余界面与孔穴(5)内壁间留有自由空隙而不受力。
4.按权利要求
3所述的宽温压电涡街流量计，其特征在于柱状质量块(11)的制作材料与旋涡发生体相同，质量块的柱面与孔穴(5)的直壁形内壁用粘接胶成套式粘接，固化过程施加轴向予紧力，选用适当配方的高温粘接胶，使胶体固化后膨胀系数与旋涡发生体制作材料的膨胀系数尽可能一致，从而在柱状质量块及旋涡发生体之间构成力传递性能好、又具有很宽温度耐受力的整体固装。
5.按权利要求
3所述的宽温涡街压电流量计，其特征在于埋装件中有用高强度绝缘材料制成的适应压电元件电极绝缘要求的隔离片(9)。
6.按权利要求
3所述的宽温涡街压电流量计，其特征在于埋装件中有用来作温度补偿用的补偿片(10)，适当地选用补偿片(10)的制作材料及厚度，使埋装孔穴(5)内不同材料制成的垫片、压电元件及埋装件的轴向总膨胀量与厚度等于这组叠片总厚度的旋涡发生体制作材料的膨胀量相等，从而构成轴向膨胀应力为零的温度自补偿的半自由埋装工艺。
7.半自由埋装工艺，适用于制作各种内装敏感元件的传感器，特别适用于制作像旋涡发生体那样的内装压电元件的力传感器，具有一个在传感器予定部位按设计方向作成的平底直壁埋装孔穴，用来装固敏感元件，其特征在于孔穴内的包括敏感元件在内的埋装件均为平片状，各具两个互相平行的光洁的承压接触平面，用承压接触平面互相接触成叠层状紧贴在孔底埋装平面上，离孔穴口最近的埋装件上用由同传感器相同材料作成並与孔穴内壁成套式粘接的柱状质量块塞紧並与传感器整体固装，埋装件的平面尺寸小于埋装孔穴的埋装平面，埋装件及敏感元件只在承压接触平面上承受垂直于承压接触平面方向的力，埋装件及敏感元件与埋装孔穴的侧壁间留有自由空隙。
8.按权利要求
7所述的半自由埋装工艺，其特征在于埋装件中包含有起温度补偿作用的使垂直于承压接触平面方向的膨胀应力为零的补偿片。
专利摘要
宽温压电涡街流量计及半自由埋装工艺，指卡曼涡街型流量计及一种压电元件埋装工艺。新工艺无高温封灌所固有的缺陷，不受各向异性的影响。特征是压电元件仅受轴向力并有温度自补偿能力，力传递特性良好，使产品有很高的温度上限并能耐受较强的温度冲击。本工艺还可广泛适用于制造各种内装敏感元件的传感器。
文档编号G01F3/32GK86101855SQ86101855
公开日1987年10月7日 申请日期1986年3月19日
发明者姜仲霞, 张兴仁, 朱庆恩, 储利荣 申请人:重庆工业自动化仪表研究所导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan