高温电容式传感器的制作方法

背景技术：

1、电容式传感器可用于通过使用电容测量值确定机械间隙、距离、或物体的经过时间。电容式传感器包括主体和通过介电或陶瓷元件与主体电绝缘的电极。电极和电绝缘元件形成测量头部。

2、要确定其距离或距离变化的导电物体和传感器的电极形成电容器，该电容器的电容被测量。由该电容测量值得出距离或距离变化。

3、这样的传感器可例如旨在用于实施反应器或涡轮机中的测量或控制。可由此获得机器的叶片相对于机架的位置、这些叶片的经过时间，或关于其振动状态的信息。电容式传感器必须能够在具有高温和高压条件(例如高于800℃或1000℃，并具有数十bar)、有大的机械振动，并存在腐蚀性气体的特别严峻的环境中运作。

4、高温直接影响传感器的材料的机械和电气特性以及它们的界面，尤其是：

5、-热膨胀和/或弹性系数差在材料中产生可能会损害传感器性能、其可靠性和其使用寿命的机械应力；并且

6、-材料的电气特性(例如介电常数和电导率)可能会被改变和降低。

7、因此必须找到具有与其强制使用条件兼容的电气、机械和物理化学特性的导电和绝缘材料。

8、用于组装电容式传感器的技术必须允许在所选择的材料之间，为了其高温性能而实现耐久且高质量的连接。而且，在热膨胀系数和延展性方面，所组装的材料必须尽可能兼容。

9、用于组装形成电容式传感器的不同部分的连接还预计有特殊要求。在除了难以找到合适的组装方法，尽管腐蚀性运作场所和高温所强加的要求，所实施的连接还必须可靠并能够保证长时间使用。

10、电容式传感器的头部(由被电绝缘体围绕的电极形成)一般布置在形成传感器的主体的金属结构的中心处。该主体允许将传感器安装在固定支撑件、尤其是机器的机架上。对于相同类型的测量头部，可根据应用需求，使用不同几何形状的主体。由于其尺寸比电容式传感器头部的尺寸更大，主体一般由成本更低的导电材料形成。材料差异伴随有热膨胀系数差的增大。必须专门为组装传感器的测量头部和主体，开发组装技术。

11、最后，传感器必须设计并制造为使得形成电容式传感器的元件之间的连接的不期望的断裂不会造成零件之一凸出或脱离，然后落入涡轮机的室中。

技术实现思路

1、本发明的一个目的在于弥补这些缺陷。

2、本发明的一个目的在于提出与在严峻的温度和压强并存在腐蚀性气体的条件下长时间使用兼容的一种电容式传感器。

3、本发明的目的还在于提出一种电容式传感器，该电容式传感器以防止形成它的零件脱离的可靠的方式组装。

4、通过旨在实施在转动机器上的一种电容式传感器，达到这些目的中的至少一个，该电容式传感器包括：

5、-测量头部，其包括形成测量电极并具有旨在布置为面向待测量或待检测物体的称作检测表面的表面的导电零件，和由介电材料形成的围绕所述测量电极的第一介电元件；

6、-主体，其由导电或金属材料形成，并围绕测量头部布置，所述主体具有布置为与检测表面相对的称作第一后部面的后部面；

7、该传感器还包括由金属材料制成的中间零件，该中间零件布置在测量头部与主体之间，并具有布置为与检测表面相对的称作第二后部面的后部面，所述中间零件和所述主体通过从第一后部面和/或第二后部面沿着包括在主体与中间零件之间的称作接口区域的区域延伸的至少一个焊接部连接。

8、本发明的电容式传感器适于用于测量具有高温并包含腐蚀性气体的室内的运动物体的用途。具体地，它适于或旨在测量机器中的转动叶片的位置，尤其是在温度超过600℃、甚至超过800℃、甚至超过1000℃，或甚至超过1500℃的温度的环境中。

9、绝非限制性地，这样的机器可以是涡轮机，例如一般性的燃烧涡轮机，或具体地说，燃气轮机，例如涡轮泵或涡轮增压器的发电机，涡轮喷气发动机，涡轮螺旋桨发动机或涡轮轴发动机。

10、中间零件允许在一侧连接到测量头部，并在另一侧连接到传感器的主体。该零件选择为能够通过焊接部与主体组装。在本发明的设置中，这在传感器后部，即在传感器最远离燃烧室的高温区域并最不暴露于气体的部分实现。在该配置中，由于更不暴露于电容式传感器面对的环境所造成的损坏，焊接部因此更加可靠，

11、根据一些实施例，焊接部可以围绕中间零件连续地延伸。

12、连续焊接部由此允许密封传感器的主体与测量头部之间的空间。在转动机器的室内流通的气体由此不能够传播到传感器后部并损坏布置在传感器后部的元件。这些元件可以是具有其护套的传输线缆、钎焊部，或形成传感器的其它零件。

13、焊接部可以通过激光或电子束实现。

14、焊接部可以在中间零件与主体之间延伸大于0.1mm的深度。

15、更优选地，焊接部可以延伸大于0.3mm的深度。进一步更优选地，焊接部可以延伸大于0.5mm的深度。

16、根据一些实施例，接口区域可包括在第一后部面下方或在第二后部面下方延伸的称作支承区域的区域。

17、接口区域可以设置为使得在与朝着测量表面的方向相反的方向上中间零件由主体保持。

18、传感器的主体和中间零件可设置为使得主体保持中间零件以防止其朝着检测表面方向，和可能地在转动机器中下落或凸出。主体要么直接，要么通过其它零件，固定在机器上(机架上)。由于这些元件不直接干预电容式传感器的电气性能，更容易选择构成它们的材料和它们的固定装置。

19、由此固定在机架上的主体可代表用于形成电容式传感器的其它零件，尤其是中间零件的支撑件。由此，它可被加工成能够由主体的会已经根据互补形状加工了的一部分保持。主体可由此形成台阶部或肩部，其形成支承区域，中间零件可支承在该支承区域上。该支承区域允许防止中间零件下落或其向转动机器的室凸出。

20、根据一些实施方式，焊接部可在第一后部面和/或第二后部面与支承区域之间的接口区域延伸。

21、除了防止中间零件下落或凸出之外，支承区域还允许控制焊接部的范围和质量。支承区域为自后部面中的至少一个竖直地延伸的焊接部强加停止点。焊接部的长度由此部分地通过主体和中间零件的形状和尺寸控制，而不是仅通过焊接部的制造方法控制。还可更好地控制焊接部沿着待连接的零件之间的界面的均匀性。还可以获得形成工作区域的材料更高的构成均匀性，这允许保证连接更好的可靠性。

22、根据一些实施方式，测量电极可以是铂或主要包括铂的合金的实心零件。

23、测量电极也可以是包括以下成分之一的实心零件：铑(rh)、铱(ir)、铝(al)或(au)。

24、根据一些实施例，第一介电元件可以是氧化铝类型的陶瓷的实心零件。

25、根据一些实施例，中间零件可以由与测量电极相同的材料形成。

26、可为了其抗高温强度和其兼容的热膨胀系数而选择形成电极和第一介电元件的材料。这些零件优选地通过钎焊工艺组装。使用由与电极相同的材料形成的中间零件允许维持热膨胀系数兼容性，并维持用于测量电极与第一介电元件之间的连接的焊接的相同质量。

27、根据一些实施例，主体可以由基于镍的合金形成。这些合金具有良好的抗氧化和抗腐蚀的强度，并适于反应器或能源涡轮机中所涉及的条件。尤其可以使用镍铝成形的合金或基于镍和铬的合金。

28、有利地，根据本发明的电容式传感器可以还包括称作附接零件的零件，所述零件在与检测表面相对的一侧固定在测量电极上并且面向所述电容式传感器的围绕测量电极的至少一个零件延伸。

29、附接零件可以特别地直接围绕测量电极固定。它可以例如固定在测量电极的在与检测表面相对的一侧，延伸到传感器的其它零件以外的部分上。

30、附接零件允许防止测量电极相对于传感器的其余部分脱离。它可因此代表测量电极在传感器上的固定点，并可形成在测量电极的第一组装装置会损坏并失效的情况下的安全装置。该第一组装装置可例如是在测量电极与围绕它的介电元件之间实现的钎焊部。该钎焊部在机器运作期间，由于在高温下暴露于腐蚀性气体，可能会是脆弱的，然后由于存在高振动，可能会失效。

31、因此设置附接零件保持与测量电极连成一体，并将其保持止动地抵着电容式传感器的其它元件中的一个的后部面之一。

32、附接零件可以是金属的，或可由镍铝成形的合金或基于镍和铬的合金形成。

33、根据一些实施例，附接零件可通过焊接固定到测量电极。

34、根据其它实施例，附接零件可以通过螺纹固定到测量电极。它可以特别地拧紧在所述螺纹上。该方式可由此由附接零件与电极之间的焊接部来补充，以形成用于使得组装可靠的停止点。

35、根据一些实施例，附接零件可以通过卡口组装固定到测量电极。

36、在该情况下，组装零件可以包括设置为沿着测量电极的纵向槽滑动并插入所述测量电极的凹口或横向槽的凸销。

37、还可以在附接零件与电极之间形成焊接部，以形成停止点并使得组装可靠。

38、根据一些实施例，附接零件可具有小于或等于围绕测量电极的介电元件的侧向延伸尺寸的侧向延伸尺寸。

39、介电元件由此具有足够大以能够保持整个附接零件的后表面。它尤其良好地适于附接元件是金属的并防止测量电极与电容式传感器的其它导电零件之间通过附接零件电接触的情况。

40、根据一些实施例，附接零件可以与形成电容式传感器的测量头部以外的其它元件中的至少一个接触。

41、根据一些实施例，测量头部可以还包括：

42、-形成保护电极并围绕第一介电元件的导电零件，和

43、-围绕所述保护电极的第二介电元件。

44、本发明的该实施例适于制造称为三轴传感器的传感器。在该配置中，导电零件可以极化为与测量电极的相同的电势。这允许尤其是减小测量电极与环境之间的泄露电流，同时最小化寄生电容的影响。

45、根据本发明的另一方面，提出包括根据本发明的电容式传感器和电容式检测电子装置的一种电容式检测系统。

46、电容式传感器可以通过优选地同轴或三轴的传输线缆，连接到电容式检测电子装置。检测电子装置可以配置为使得测量电极极化为不同于机器在工作频率下的接地电势(m)的称作工作交流电势的交流电势，并检测在存在例如叶片的物体的情况下的由测量电极观察的与称作电极-物体电容的电容(ceo)相关的信号(vs)。

47、为此，检测电子装置可以例如包括允许检测在测量电极处在工作频率下生成的电流的电子电路，例如互阻抗或电荷放大器。

48、检测电子装置还可以包括提供工作电势的振荡器。

49、根据本发明的另一方面，提出一种转动机器，其包括本发明的电容式检测系统，以及布置为测量所述转动机器的叶片的至少一个电容式传感器。

50、这样的转动机器可以是或包括发电机(例如涡轮泵或涡轮增压器)、涡轮机(例如燃气轮机)或反应器(例如涡轮喷气发动机)。所述电容式检测系统可允许获得叶片相对于传感器的距离或机械间隙的信息。它还可以允许获得关于叶片在传感器前方的经过时间的信息，特别是关于它们的速度和/或它们各自的振动状态的信息。