一种小孔径电容式测量导管的制作方法

本实用新型涉及电磁流量传感器技术领域，尤其涉及一种小孔径电容式测量导管。

背景技术：

电磁流量传感器采用法拉第电磁原理(法拉第电磁定律公式E＝kBLV)，液体流过磁场，相当于将液体视为导体，切割磁力线，产生感应电动势E，其中，感应电动势E只与管径L、磁场强度B、流速V成正比，由于管径等参数在设计时已经固定为常数，其感应电动势E的变化只与流速V有关，通过测量感应电动势E的大小，从而计算出流速V，进一步可以推导流体瞬时的体积流量，可以计算累计流量等参数，可以用于液体流速、体积等计量领域。

常规的电磁流量传感器采用接触电极，与液体直接接触，通过测量电极间的电压的方法进行测量，简称电极式电磁流量传感器，此类电极式电磁流量传感器广泛用于大孔径(L>100mm)液体流量测量中，电极式电磁流量传感器在小孔径(L为5-100mm)流量检测时，需要选择贵金属(Pt、Pd)作为检测电极，在小孔径流量检测中，由于电极与液体接触，在电极与液体间会存在电化学反应，产生电势差E0，这种电化学电动势与信号幅度相比，不能够忽略，并且不同材质的电极与不同化学含量的液体产生的电化学电动势均不同，限制了电极式电磁流量传感器在小孔径(L为5-100mm)流量的应用，并且电极在长时间使用过程中会不断损耗，精度及寿命会受到影响。电极式电磁流量传感器广泛用于水等导电流体流速的测量，采用惰性金属电极直接与液体接触，测量在磁场内，导电液体切割磁力线所产生的内部的感应电动势，电极材料采用铂、钯、不锈钢等材质，通过信号放大、滤波、标定等工艺测量液体流速。

电容式电磁流量传感器原理是通过构建电容结构，在电极与液体间构建感应电容，将法拉第电磁感应所产生的信号电压通过电容耦合到信号采集端，其大小信号与流量成正比，由于电容式结构，与液体接触为不导电介质，不会存在电化学电动势，可以克服电极式电磁流量传感器计量不准的现象，可以更加准确地测量流量。

电容式电磁流量传感器，其核心在于传感器的测量导管的设计，感应电容值越大，信号衰减越小，信噪比SNR越好，所以感应电容的结构、材料选择、工艺选择最为关键。其中，测量导管一般由无磁不锈钢管和氟塑料衬里构成，励磁线圈与测量电极安装于测量导管上。根据电容器公式C＝ε*ε0*S/d，电容C的大小与电容极板面积，介电常数成正比，与距离成反比，为提高感应电容的值，必须选用介电常数ε较大材料，减少接触距离d，从而提高电容 C的值，而且在实际应用中，电容不应受到震动，温度等参数的影响，并且对噪声的屏蔽要好，信号才能稳定而可靠，从而更加实用化和商业化。常规电容式电极的做法是在陶瓷或其他高介电常数材质上喷涂电极，通过外加粘贴金属屏蔽层方法进行屏蔽，可靠性不高，一致性差，与液体间的厚度大于 1mm以上，喷涂电极的厚度，致密性难以保证，可焊性差，生产一致性无法解决，屏蔽层采用网状金属进行屏蔽，需要人工粘接，可靠性差。

目前，世界上在小孔径电容式流量传感器实现商业化的只有日本基恩士等极少数公司，测量导管的材料采用特殊的工程塑料实现，属于技术机密，国内在此领域属于空白。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种小孔径电容式测量导管及其制备方法。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：根据本实用新型的一方面，提供一种小孔径电容式测量导管，由内到外依次包括：第一陶瓷层、电极层、屏蔽层和第三陶瓷层、与电极层连接的电极线、以及与屏蔽层连接的屏蔽线。

优选的，所述电极层为2个对称设置的C型的第一电容板和第二电容板；所述电极线包括与第一电容板相连的第一电极线、以及与第二电容板相连的第二电极线。

优选的，所述第一电极线穿过第三陶瓷层、屏蔽层及第二陶瓷层与第一电容板相连；第二电极线穿过第三陶瓷层、屏蔽层及第二陶瓷层与第二电容板相连。

优选的，屏蔽线包括均与屏蔽层相连的第一屏蔽线和第二屏蔽线；第一屏蔽线和第二屏蔽线穿过第三陶瓷层均与屏蔽层相连。

优选的，所述第一陶瓷层、第二陶瓷层和第三陶瓷层的介电常数ε为8-25。

优选的，所述测量导管的孔径为5～20mm。

实施本实用新型小孔径电容式测量导管的技术方案，具有如下优点或有益效果：本实用新型小孔径电容式测量导管为电容式结构，创造性地将高温共烧多层陶瓷技术应用在小孔径的测量导管上，屏蔽层与电极层之间电容值稳定、可靠，可以大幅度提升感应电容值，相对与常规粘结电极的电容式测量导管，其尺寸精度更高，电容一致性好，耐高温、耐震动、耐腐蚀。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，附图中：

图1是本实用新型小孔径电容式测量导管的制备方法实施例的流程示意图；

图2是本实用新型小孔径电容式测量导管实施例的立体图；

图3是本实用新型小孔径电容式测量导管实施例的俯视图；

图4是本实用新型小孔径电容式测量导管实施例的正视图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下文将要描述的各种实施例将要参考相应的附图，这些附图构成了实施例的一部分，其中描述了实现本实用新型可能采用的各种实施例。应明白，还可使用其他的实施例，或者对本文列举的实施例进行结构和功能上的修改，而不会脱离本实用新型的范围和实质。

如图1所示，本实用新型提供一种小孔径电容式测量导管的制备方法实施例，具体包括以下步骤：

S10、配料：将陶瓷原料、溶剂、粘合剂按质量比例高速均匀混合形成流延浆料；具体的，陶瓷原料包括Al2O3和ZrO3(优选为粉料状态)，按质量比例加入溶剂和粘合剂，投入到高速分散设备(如球磨机等)中球磨混合均匀，形成具有预定触变性和高粘度的流延浆料。更为具体的，所述Al2O3、 ZrO3、溶剂和粘合剂按质量比例为80％-90％、7％-15％、2％-6％、2％-5％。

S20、流延：将流延浆料放入流延机流延形成多个厚度不同的生瓷片；生瓷片的厚度优选为50uM以下；具体的，将球磨后的流延浆料注入流延机(优选为钢带流延机)浆料槽中，流延浆料通过刮刀流到基带上，基带传送流延浆料通过烘干箱形成厚度致密、均匀且具有预定强度和柔韧性的生瓷片。

S30、打孔：根据测量导管的通孔设计要求，在相应的生瓷片的预设位置处进行打孔形成通孔。具体的，对生瓷片打孔技术非常关键，孔径大小、位置精度均将直接影响其质量。生瓷片打孔主要由3种方法：数控钻床钻孔、数控冲床冲孔和激光打孔，其中，激光打孔在打孔过程中对生瓷片的影响小，其最小孔径可达50μm，并且打孔效率高，是一种理想的打孔方法。优选的，测量导管由内到外依次包括第一生瓷片(第一陶瓷层)、电极层、第二生瓷片 (第二陶瓷层)、屏蔽层和第三生瓷片(第三陶瓷层)，因此，在打孔时，对第二生瓷片(第二陶瓷层)在预设位置处打2个通孔，对第三生瓷片(第三陶瓷层)在预设位置处打4个通孔，具体的，第二生瓷片的2个通孔用于穿设连接电极层的电极线，而第三生瓷片的4个通孔分别用于穿设连接电极层的电极线、以及连接屏蔽层的屏蔽线。

S40、填孔：用金属化浆料将生瓷片的每个通孔进行填充；具体的，金属化浆料为导电材料。通孔填充的方法一般有2种：丝网印刷和导体生片填孔。使用最多的是丝网印刷法，丝网印刷时采用负压抽吸的方法，可使通孔的周围均匀印有金属化浆料。导体生片填孔法是将比生瓷片略厚的导体生片冲进通孔内，已达到通孔金属化的目的，进而实现垂直方向上的电气互连。

S50、印刷：将电极材料通过丝网印刷在2个生瓷片上分别形成电极层和屏蔽层；具体的，电极层为包含2个电容板的电容，而屏蔽层可以为一个电容板，也可以为其他形式的金属化图形。更为具体的，电极材料为包含钨、镍、钼和/或锰等高熔点金属的导电材料，同时，金属化浆料也可以为该导电材料。

S60、叠片和层压：将经过填孔和印刷的多个生瓷片，按照设计顺序叠放，叠压形成一个致密、有预定强度的多层陶瓷坯体；具体的，多个生瓷片通过专用设备在一定的温度和压力下叠压形成多层陶瓷坯体。具体的，设计顺序为生瓷片(第三陶瓷层)、屏蔽层、生瓷片(第二陶瓷层)、电极层、生瓷片 (第一陶瓷层)。

S70、等静压：将多层陶瓷坯体卷曲放入模具并在等静压设备中进行高压成型为静压导管；具体的，本工艺尺寸及结构设计需要考虑陶瓷材料的膨胀系数与烧结后的收缩率。更为具体的，将多层陶瓷坯体在等静压设备的高压容器中利用液体介质不可压缩的特性和均匀传导压力的性质，从各个方向对多层陶瓷坯体进行均匀加压，当液体介质通过压力泵注入高压容器时，其压强不变且均匀传递到各个方向，使多层陶瓷坯体在各个方向收到均匀的压力。等静压工艺可有效的减少或消除气孔，特别是大尺寸的气孔，为多层陶瓷坯体的致密化提供了良好的解决方法。

S80、高温共烧：将静压导管在烧结炉中通过氮气(N2)的保护下进行高温烧结；具体的，高温烧结的温度在1400℃以上；通过烧结工艺对静压导管进行排胶，烧结的目的是完善固相反应，使粉状物料转变成致密体。

将静压导管放入炉中，按照既定的烧结曲线加热烧制。将其中的有机粘合剂汽化或烧除，称为排胶。排胶的升温曲线随着粘合剂成份的不同而不同。排胶的过程不能过快，应根据严格的排胶升温曲线进行，否则会因有机成分的快速挥发造成开裂或排胶不充分；若排胶过量，又可能使静压导管碎裂，因此，烧结时升温速率按照既定的烧结曲线设置来保证静压导管的致密度、平整度和收缩率。

S90、电极连接及测试：将电极线与电极层连接、屏蔽线与屏蔽层连接形成测量导管；并测试测量导管的感应电容及等效阻抗，烧结后测量导管必须进行测试，验证电极层和屏蔽层的布线的连接性。测试用的仪器主要是探测试仪、美国组装系统公司的自动晶片探针仪等。

本实用新型小孔径电容式测量导管的制备方法实施例制备的小孔径电容式测量导管产品具体如后文所述。

本实用新型制备方法将高介电常数的陶瓷材料通过溶剂混合制成浆料，通过流延法制成生瓷片，在生瓷片上丝印电极材料，并通过打孔、卷曲、等静压等工艺制成同心孔状丝印膜片，并在高温下共烧排胶，制成具有电极层和屏蔽层双层结构的测量导管，其与液体的间距d可以控制在0.2mm以内，介电常数ε可以在8-25之间，采用本技术可以大幅度提升感应电容值，相对与常规粘结电极的电容式传感器，其尺寸精度更高，电容一致性好，耐高温、耐震动、耐腐蚀，由于其屏蔽层采取同时共烧的技术(常规屏蔽层采用外部喷涂或粘接的方法)，屏蔽层与电极层之间电容值稳定，可靠，对于后续电路处理，提供了稳定的信号处理手段，可以极大地提升产品的稳定性。

如图2-4所示，本实用新型还提供一种小孔径电容式测量导管实施例，测量导管由内到外依次包括：第一陶瓷层11、电极层12、第二陶瓷层13、屏蔽层14和第三陶瓷层15、与电极层12连接的电极线16、以及与屏蔽层14连接的屏蔽线17。具体的，所述第一陶瓷层11、第二陶瓷层13和第三陶瓷层 15的介电常数ε为8-25。更为具体的，测量导管与液体的间距d可以控制在 0.2mm以内，该测量导管的孔径为5～20mm。

本实用新型小孔径电容式测量导管为电容式结构，创造性地将高温共烧陶瓷多层技术(HTCC)应用在小孔径的测量导管上，具体制备方法详见方法实施例。由于采取多层高温陶瓷共烧技术(常规测量导管采用外部喷涂或粘接的方法)，电极层与屏蔽层之间电容值稳定、可靠，对于后续电路处理，提供了稳定的信号处理手段，可以极大地提升测量导管的稳定性。采用本技术可以大幅度提升感应电容值，相对与常规粘结电极的电容式测量导管，其尺寸精度更高，电容一致性好，耐高温、耐震动、耐腐蚀。从工艺方面提高了测量的准确性与稳定性，并大幅度提升测量导管的使用寿命，可以根据测量结构强度要求，选择不同介电常数的陶瓷材料，进一步提高测量导管的适用性及竞争力。

在本实施例中，所述电极层12包括2个对称设置的C型的第一电容板 12a和第二电容板12b，第一电容板12a和第二电容板12b形成一个电容；电极线16包括与第一电容板12a相连的第一电极线16a、以及与第二电容板12b 相连的第二电极线16b。具体的，所述第一电极线16a穿过第三陶瓷层15、屏蔽层14及第二陶瓷层13与第一电容板12a相连；第二电极线16b穿过第三陶瓷层15、屏蔽层14及第二陶瓷层13与第二电容板12b相连。更为具体的，电极层12和屏蔽层14均为高温的电极材料，电极材料为包含钨、镍、钼和/或锰等高熔点金属的导电材料，同时，金属化浆料也可以为该导电材料。

在本实施例中，所述屏蔽线17包括均与屏蔽层14相连的第一屏蔽线17a 和第二屏蔽线17b；其中，第一屏蔽线17a和第二屏蔽线17b穿过第三陶瓷层 15均与屏蔽层14相连。

具体的，所述第三陶瓷层15、屏蔽层14及第二陶瓷层13的一预设位置处均设置有2个供第一电极线16a和第二电极线16b穿设的第一通孔(图未标号)。所述第三陶瓷层15的另一预设位置处还设置有2个供第一屏蔽线17a 和第二屏蔽线17b穿设的第二通孔(图未标号)。所述第一通孔和第二通孔通过金属化浆料进行填孔。

本实用新型采用高温陶瓷共烧技术将电极层、屏蔽层和陶瓷层共烧的工艺，并金属化过孔连线进行制作，可靠性好，电容量大幅度提升(相同管径约为粘接式4-5倍以上)，屏蔽层稳定可靠、耐腐蚀、耐高温、耐震动，可用于无人机、化工、石油、农业等领域，本工艺属于世界首创。可用于小孔径植保无人机农药喷洒流量计量，可耐农药腐蚀，无人机高频震动，以及大电磁干扰环境下流量的监测等等。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，本领域技术人员知悉，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等同替换。另外，在本实用新型的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本实用新型的精神和范围。因此，本实用新型不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本实用新型的保护范围。