DE69008245T2

DE69008245T2 - Fertigung einer O-Ring/Staudichtung für Hochdruckwandler.

Info

Publication number: DE69008245T2
Application number: DE69008245T
Authority: DE
Inventors: Robert P Bishop; Herman Purut
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Sensata Technologies Inc
Priority date: 1989-06-13
Filing date: 1990-06-13
Publication date: 1994-08-25
Anticipated expiration: 2010-06-14
Also published as: DE69008245D1; EP0403256A3; EP0403256A2; JPH0367141A; US4903164A; EP0403256B1; JP2840390B2

Description

Hintergrund der Erfindung

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von Druckwandlern und insbesondere auf ein Verkapseln und ein Hochdruck-Abdichten solcher Drucksensoren.

Kurze Beschreibung des Standes der Technik

Druckwandler enthaltende Drucksensoren sind gut bekannt, typische Systeme sind in den US-Patentschriften Nr. 4 726 492 und Nr. 4 774 626 beschrieben.
Druckwandler nach dem Stand der Technik wurden im allgemeinen dadurch hergestellt, daß ein Drucksensormodul vorgesehen wurde, das eine elektronische Schaltung mit einem auf Fluiddruck reagierenden, variablen Kondensator enthielt. Die elektronische Schaltung erfaßte die Kapazität des Kondensators und stellte über ein elektrisches Verbindungselement aus Kunststoff ein den erfaßten Druck angebendes Ausgangssignal bereit. Die Wandlerelemente waren so angeordnet, daß eine Metallbecher-Anordnung, die zum Aufnehmen des unter dem zu messenden Druck stehenden Fluids eine Öffnung oder einen Fluiddruckeingang an einem ihrer Enden aufwies, in sich auch das Drucksensormodul enthielt. Das Drucksensormodul war vom Einlaß durch eine Dichtung oder einen O-Ring beabstandet, wobei im Metallbecher auch die elektronische Schaltung und das Verbindungselement enthalten waren. Die Bauteile wurden innerhalb des Metallbechers dadurch zusammengehalten, daß der Metallbecher über das Kunststoff-Verbindungselement umgebördelt war, wobei letzteres als Trägerelement verwendet wurde.
Der oben beschriebene Druckwandler wies sehr zufriedenstellende Ergebnisse auf, wenn er in Bereichen geringen bis mittleren Druckes bis zu 3,5 bis 4,2 MPa (500 bis 600 psi) verwendet wurde. Wenn er allerdings Drücken am Druckeingang im Bereich von ungefähr 21 bis 35 MPa (3000 bis 5000 psi) und höher ausgesetzt wurde, neigte der oben beschriebene Druckwandler zum Ausfallen. Es gab mehrere Ausfallgründe; Hauptausfallursache ist die Unfähigkeit des Kunststoff- Verbindungselementes, die hohen Drücke aufzunehmen, denen es ausgesetzt wurde. Insbesondere war die Umbördelung des Metallbechers nicht in der Lage, das unter der Umbördelung liegende elektrische Verbindungselement zurückzuhalten, was dazu führte, daß das Verbindungselement aus dem Becher herausbewegt wurde und ein Versagen des Wandlers bewirkte. Eine weitere Ausfallursache war das Kunststoff-Verbindungselement selbst, das dazu neigte, abzuscheren oder sich zusammenzudrücken, wodurch bei hohem Druck die Dichtung oder der O- Ring freigegeben wurde, was das unter Druck stehendes Gas aus dem Inneren des Druckwandlers freisetzte. Es ist daher offensichtlich, daß die Druckwandler nach dem Stand der Technik des hier beschriebenen Typs nicht in der Lage waren, einen zuverlässigen Betrieb im Bereich hoher Drücke zu gewährleisten.
Das oben beschriebene Problem im Stand der Technik wurde wesentlich mit den Verkapselungstechniken vermindert, die in der europäischen Offenlegungsschrift Nr. 0 372 988, veröffentlicht am 13.6.1990, und in der US-A-4 888 662, veröffentlicht am 19.12.1989, beschrieben sind, bei denen das Drucksensorelement vom Verbindungselement dadurch isoliert ist, daß es in einem vollständig von Metall umgebenen Hohlraum angeordnet ist, wodurch das Kunststoff-Verbindungselement vom Druckwandlerelement getrennt ist und nicht die vom Hochdruckfluid erzeugten Belastungen trägt. Dies wird durch ein Metallelement erreicht, das zwischen dem Drucksensorelement und dem Kunststoff-Verbindungselement angeordnet ist, wodurch die am Druckwandler anliegenden hohen Drücke nie an das Kunststoff-Verbindungselement angelegt werden.
Ein bei den Ausführungen der oben beschriebenen Anmeldung mit nur einer Dichtung oder einem O-Ring auftretendes Problem besteht darin, daß bei den auftretenden hohen Drücken die Dichtung oder der O-Ring dazu neigt, zwischen der Druckdose und dem Drucksensormodul aufgrund der Durchmessertoleranzen der Dose und des Drucksensorelementes teilweise hervorzutreten. Dies führt zu einem Ausfall der Dichtung und zu einem Leck.
Gemäß einer zweiten Ausführung der obengenannten europäischen Offenlegungsschrift ist anstelle der Dichtung ein O-Ring aus einem elastischen Material, z.B. Neopren, in Verbindung mit einem Verstärkungsring aus einem relativ starren Material, z.B. Polytetrafluorethylen oder Nylon, vorgesehen. Bei dieser Ausführung neigt der Verstärkungsring dazu, teilweise zwischen der Dose und dem Sensorelement hervor zutreten, allerdings wird sein Hervortreten schnell gestoppt, und der O-Ring dichtet ein abgeschlossenes Gebiet ohne Zwischenräume ab, in die er austreten könnte. Diese Ausführung ist ferner nach Art einer Stirnseitendichtung gestaltet, bei der zwei aneinandergrenzende Teile, nämlich eine Stirnseite des Gehäuses und die gegenüberliegende Fluiddruck-Aufnahmefläche des Drucksensormoduls, eine Stopfbuchse mit gesteuertem Volumen erzeugen, um die Bildung oder das Vorliegen von Austritts-Zwischenräumen zu verhindern. Bei dieser Ausführung berührt die Drucksensorfläche der Druckwandler- Verkapselung eine gegenüberliegende Fläche des Gehäuses. Daher kann das Drucksensorelement aufgrund seiner Belastung brechen oder Veränderungen seiner Funktion erfahren, die von der auf das Drucksensorelement von der benachbarten Gehäusefläche ausgeübten Kraft hervorgerufen werden.
Die Kompression oder Belastung des Verstärkungsringes und des O-Ringes kann aufgrund von Bauteiltoleranzen variieren. Zusätzlich verändert sich das Ausgangssignal des Druckwandlers mit der Belastung, welche der O-Ring auf das Sensorelement aufbringt. Auch die Belastung aufgrund des Verstärkungsringes beeinflußt das Ausgangssignal des Druckwandlers. Es ist daher notwendig, dieses Problem zu minimieren, um ein durchgehend genaues und wiederholbares Anzeigen zu ermöglichen.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines Druckwandlers mit einem Gehäuse mit einem Hochdruck-Fluideinlaß, einem Drucksensorelement mit einer Druckerfassungsfläche, das in dem Gehäuse angeordnet ist und mit dem Fluideinlaß in Verbindung steht, einem relativ starren Ringelement, das so in dem Gehäuse angeordnet ist, daß es eine Innenfläche des Gehäuses, die Druckerfassungsfläche und einen innerhalb angeordneten, relativ weniger starren O-Ring berührt, der das relativ starre Ringelement berührt und der ebenfalls die Innenfläche des Gehäuses und die Druckerfassungsfläche berührt, so daß er einen Druckraum umschließt, der mit dem Fluideinlaß in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren den nach der Herstellung des Wandlers ausgeführten Schritt der Verminderung der Spannungen in dem starren Element und dem O-Ring enthält.
Da das Ausgangssignal des Druckwandlers und insbesondere das Drucksensorelement des Druckwandlers von der Belastung des O-Ringes und des Verstärkungsringes beeinflußt wird und da sich die Belastung über die Zeit verändert (hauptsächlich aufgrund von Kaltfluß, Setzen durch Kompression, etc.), sind mehrere spezielle Schritte während des Herstellens des Wandlers vorgesehen, um dieses Problem zu minimieren und Veränderungen der Kalibrierung (Drift) über die Zeit zu verhindern. Daher werden die Wandler vor der Kalibrierung des Druckwandlers konditioniert oder gebrannt. Dies wird erreicht durch ein ausgiebiges Hochtemperatur-Durchwärmen, durch eine Reihe von Druckzyklen oder Überdruckzyklen oder durch eine Kombination von beiden. Dies erlaubt eine Verminderung der Spannungen im Verstärkungsring und im O-Ring auf ein Niveau, auf dem sie über die Zeit stabil sein werden. Die Veränderungen der Belastung können auf diese Weise vor der Kalibrierung der Vorrichtung auftreten, was einen Wandler ergibt, der nach der Kalibrierung seine Einstellung nicht verändert.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die einzige Figur zeigt einen Querschnitt durch ein Beispiel eines Druckwandlers, bei dem das Verfahren der vorliegenden Erfindung angewendet werden kann.

Beschreibung der bevorzugten Ausführung

In der Figur erkennt man einen Druckwandler 1 des in der obengenannten europäischen Offenlegungsschrift offenbarten Typs. Der Druckwandler 1 enthält ein Metallgehäuse 3, das vorzugsweise aus Stahl besteht und Innenseitenwände 5 sowie eine Innenfläche 7 aufweist, die im wesentlichen senkrecht zur Richtung des Fluidstromeinlaßes ist. Ein Fluiddruckeinlaß 9 erstreckt sich zum Inneren des Gehäuses 3. Ein Drucksensormodul 11 mit einer Druckerfassungsfläche 13 ist von der Fläche 7 beabstandet, um dazwischen einen Druckhohlraum 15 zu bilden. Ein Teflon-Verstärkungsring 17 ist an der Seitenwand 5 zwischen den Flächen 7 und 13 an allen drei Flächen anliegend angeordnet. In einem Hohlraum 21 in der Fläche 7 ist gegen den Verstärkungsring 17 ein O-Ring 19 angeordnet, der an den Flächen 7 und 13 anliegt, um sowohl eine Dichtung des Druckraums 15 auszubilden als auch die starre Fläche 7 von der zerbrechlichen Druckerfassungsfläche 13 beabstandet zu halten.
In Kontakt mit dem Modul 11 ist eine elektronische Schaltung 23 angeordnet, die von einem elektrischen Kunststoff-Verbindungselement 25 umgeben ist, das einen Flansch 27 aufweist, über den die Dose oder das Gehäuse 3 umgebördelt ist. Am Übergang zwischen dem Gehäuse 3 und dem Verbindungselement 25 ist eine Außendichtung 29 angeordnet, um ein Wandern von Verunreinigungen zwischen der Dose und dem Verbindungselement hindurch zur elektronischen Schaltung 23 zu verhindern. Drei Anschlüsse 31, 33 und ein nicht dargestellter erstrecken sich auf der Rückseite des Verbindungselementes nach außen und sind mit der elektronischen Schaltung verbunden, um als Ausgang zu dienen. Das Drucksensormodul 11 besteht aus einem Paar von voneinander beabstandeten Keramikschichten 35 und 37, wobei jede Schicht auf einander gegenüberliegenden Seiten eine elektrisch leitende Beschichtung aufweist, um einen Kondensator zu bilden. Die Schicht 37 nimmt die Kraft des durch den Druckeingang 5 eintretenden Fluides auf und verändert, indem sie als Membran wirkt, den Abstand zwischen den den Kondensator bildenden, elektrisch leitenden Beschichtungen, um die Kapazität des Kondensators als Funktion des angelegten Drucks zu verändern. Ein bis in einen Bereich von ungefähr 5000 psi (35 MPa) druckfester Stützring 39 ist zwischen dem Drucksensormodul 11 und dem elektrischen Verbindungselement 25 angeordnet, um das elektrische Verbindungselement und die elektronische Schaltung 23 vom am Druckeinlaß 9 angelegten hohen Druck zu isolieren. Die Dose 3 ist sowohl über den Stützring 39 als auch über den Flansch 27 des Verbindungselementes 25 umgebördelt.
Die Belastungen sowohl des Verstärkungsringes 17 und des O- Ringes 19 als auch möglicherweise von anderen Wandlerbauteilen können sich als Funktion der Zeit aufgrund von Belastungsänderungen verändern, die durch Kaltfluß, Setzen durch Kompression und anderen möglichen Faktoren hervorgerufen werden. Dieses Problem wird dadurch vermieden, daß alle Elemente des Wandlers vor dessen Kalibrierung konditioniert oder gebrannt werden. Ein solches Einbrennen wird dadurch erzielt, daß die montierte Vorrichtung vor der Kalibrierung des Wandlers einer ausgiebigen Hochtemperatur-Durchwärmung oder einer Reihe von Druckzyklen oder Überdruckzyklen oder einer Kombination von Durchwärmung und Druckzyklen ausgesetzt wird. Die Hochtemperatur-Durchwärmung wird durch ein Erwärmen der Vorrichtung auf die höchste Temperatur erreicht, die die Bauteile, die der Wandler enthält, ohne Qualitätsverlust ertragen können. Normalerweise werden Temperaturen in einem Bereich von 135 bis 1500 für eine Zeitdauer von ungefähr 24 bis ungefähr 48 oder mehr Stunden verwendet. Die Druckzyklen bestehen daraus, daß der montierte Wandler zyklisch Drücken von ungefähr 0 Pa bis zu ungefähr 17,5 bis ungefähr 24,5 MPa (2500 bis 3500 psi) ausgesetzt wird, wobei der obere Druck vom Nenndruck der Kapselung abhängt. Es werden ungefähr 40.000 Druckzyklen bei einem Takt von ungefähr 1 bis 2 Hertz durchgeführt. Dies erlaubt eine Verminderung der Spannungen im Verstärkungsring und im O- Ring bis auf ein Niveau, auf dem sie als Funktion der Zeit stabil sein werden. Veränderungen der Belastungen treten auf, bevor die Vorrichtung kalibriert wird, was einen Wandler ergibt, dessen Einstellung sich nach der Kalibrierung nicht verändert.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines Druckwandlers mit einem Gehäuse (3) mit einem Hochdruck-Fluideinlaß (9), einem Drucksensorelement (11) mit einer Druckerfassungsfläche, das in dem Gehäuse angeordnet ist und mit dem Fluideinlaß in Verbindung steht, einem relativ starren Ringelement (17), das so in dem Gehäuse angeordnet ist, daß es eine Innenfläche des Gehäuses, die Druckerfassungsfläche und einen innerhalb angeordneten, relativ weniger starren O-Ring (19) berührt, der das relativ starre Ringelement berührt und der ebenfalls die Innenfläche des Gehäuses und die Druckerfassungsfläche berührt, so daß er einen Druckraum umschließt, der init dem Fluideinlaß in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren den nach der Herstellung des Wandlers ausgeführten Schritt der Verminderung der Spannungen in dem starren Element und dem O-Ring enthält.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Schritt der Spannungsverminderung den Schritt enthält, daß das starre Element und der O-Ring für längere Zeit einer Hochtemperatur-Durchwärmung ausgesetzt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Durchwärmung bei einer Temperatur von ungefähr 135ºC bis ungefähr 150ºC während ungefähr 24 bis ungefähr 48 Stunden erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei welchem der Schritt der Spannungsverminderung den Schritt enthält, daß das starre Element und der O-Ring mehreren Druckzyklen ausgesetzt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem die Druckzyklen von ungefähr 0 bis zu einem Druck in einem Bereich von ungefähr 17,5 MPa (2500 psi) bis zu ungefähr 24,5 MPa (3500 psi) für ungefähr 40000 Zyklen mit einer Frequenz von ungefähr zwei Hertz gehen.