CN108291848A - 压力传感器装置以及用于利用这种压力传感器装置进行过程工具化的测量转换器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有管部件(2)的压力传感器装置(1)，在管部件的横截面内布置了施加有待测量的压力(P)的膜(3)。膜(3)在中间区域内具有高抗弯刚度并且在边沿区域内借助两个支腿(8、9)弹性地安置在管部件(2)中。用于检测轴向上的位移量的工具(7、14、15)从外部良好接触地布置在管部件(2)的外侧上，并且有利地不与过程介质接触。压力传感器装置(1)的特征在于一种特别简单的结构性构造，并且能够有利地用在用于过程工具化的测量转换器中。

Description

压力传感器装置以及用于利用这种压力传感器装置进行过程 工具化的测量转换器

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的、具有管部件的压力传感器装置，在管部件的横截面中布置了施加有待测量的压力的膜，本发明还涉及一种根据权利要求6所述的、用于利用这种压力传感器装置进行过程工具化的测量转换器。

背景技术

在过程技术设备中，为了控制过程使用多种多样的现场设备用于过程工具化。测量转换器用于检测过程变量，像例如某种介质的温度、压力、流通量、液位、密度或者气体浓度。通过执行机构能够依据所检测的过程变量按照一种例如由可编程逻辑控制器或者控制台预设的策略影响过程进程。执行机构例如是有调节阀、加热器或者泵。尤其是在工艺技术设备中，压力测量转换器是在自动化的生产进程框架内的主要传感组件。就最佳的设备属性和持久的高产品品质而言，需要高品质的测量转换器，其即使在极端条件下也提供长期稳定的并且错误不多的测量值。

由DE 196 08 321 C2中公知一种具有过载保护系统的压力传感器装置，它可以作为传感器或者测量单元用在用于压差的测量转换器中。公知的测量单元填充有油，从而将真正的压力传感器与可能有侵蚀性的过程介质分隔开。这种过载保护系统由多个相互对应的膜以及一个额外与此匹配的油填充件组成。这种测量单元的结构因此成本较为高昂，并且为了制造这种测量单元需要许多焊接过程。此外，对于部件几何外形、材料属性和焊接参数都有很高的精准度要求。真正的压力传感器的电接触例如必须经由耐高压的玻璃穿引部从被施加压力的测量单元内腔向外导向一个电子件单元，在这个电子件单元中进行信号处理以确定压力测量值。此外，测量单元仅仅在特定条件下真空密闭，并且也只能用于比较有限的温度范围。在必须避免过程介质被油污染危险的卫生场合下，不能使用这种测量单元。

另一种压力传感器装置由EP 2 294 376 B1中公知。在此，为了检测压力使用具有多个相互形成夹角的膜部段的膜。一个膜部段作为分隔膜布置在压力管的横截面中，并且一个与之形成夹角的膜部段作为侧壁膜布置在压力管壁的区域内。在分隔膜上的压差导致它变形，这种变形基于两个膜部段之间的固定夹角而传递到侧壁膜上，使得由此决定的侧壁膜变形同样也反映压力管内的压力比。用于检测膜变形的工具布置在侧壁膜的外侧上，因此该工具不与要测量其压力的介质接触。因为第一膜部段作为分隔膜布置在管部件的横截面中，所以公知的压力传感器装置不仅可以用作绝对压力传感器而且也可以用作压差传感器，这根据在分隔膜的一侧上是否存在被定义的参考压、还是这个分隔膜在两侧都被加载测量压而定。公知的压力传感器装置设置用于在监控柴油颗粒过滤器的框架内的应用，以测量在颗粒过滤器前方和后方的废气压，并且这样测定其负载的水平。在此，与过程工具化不同，肯定有低静态压出现。然而，在所描述的压力传感器装置中，压差测量以不利的方式与尤其导致侧壁膜变形的静态压密切相关，并且只可能不充分地对其进行补偿，这是因为前提是要准确地定位应用在管部件外壁上的应变式传感器，这在实践中几乎无法以所需要的精准性实现。

由DE 93 00 776 U1中公知一种压力传感器，它具有罐形壳体，这个壳体通过环形的膜划分成两个测量室。这个膜借助布置在中央的环来形成波纹，并且在中间的区域内构造成盘式的压力壁。两个测量室中的压差导致轴向上的位移，该位移被感应式传感器检测到。在此，这个感应式传感器以不利的方式布置在测量室内部。

发明内容

本发明的目的在于，实现一种压力传感器装置，其特征在于一种简单的结构性构造，并且同时适合用在测量转换器中进行过程工具化。

为了实现该目的，开头所述类型的新式的压力传感器装置具有在权利要求1的特征部分给出的特征。在从属的权利要求中，描述了本发明的有利的改进方案，在权利要求6中描述了一种利用这种压力传感器进行过程工具化的测量转换器。

本发明具有以下优点，即，实现为抗弯的并且在边沿区域内在轴向上弹性地安置在管部件中的膜在轴向上的位移在管壁附近出现，并且由此可能的是，这种轴向的位移在一定程度上可以从外部利用测量技术来检测。

尤其是相对于已经在开头所述的DE 196 08 321 C2中公知的压力传感器装置而言，这种具有管部件的、在管部件的横截面中布置了加载有待测量的压力的膜的新装置具有以下优点：由于无需油填充件、对应的过载保护系统、抗压的玻璃穿引部并且焊接连接较少，因此该新装置的结构性构造明显更加简单。一种用于检测膜在轴向上的位移的传感器可以以有利的方式布置在接触介质的空间以外，从而不可能在传感器与填充油或过程介质之间发生相互影响。由此能够得到具有更高的长期稳定性和稳固设计的压力传感器装置。

因为不使用填充油，所以上述的真空气密性受限、温度范围比较有限和不适用于卫生场合的这些问题在配有新式的压力传感器装置的测量转换器中不再会出现。

通过悬挂两个基本上平行于膜平面延伸的、相对于管轴线旋转对称的支腿来实现膜，由此得到膜在轴向上、也就是在平行于管轴线的方向上弹性地安置在管部件中这种有利的、简单的构造方式。“基本上平行”这个表达在上下文中理解为，支腿分别以最大10°的夹角相对于膜的平面倾斜。这个斜度在此定义为想象的连接线与膜平面之间围成的夹角，这些想象的连接线作为直线将膜上和管部件上的支腿连接点相互连接，其中，连接线与管轴线相交。例如可以通过机械预应力将两个一开始平行的支腿从它们的平行位置、也可以被称为零位置中位移出去，就可以实现膜悬挂体的两个支腿相对于的膜平面以小夹角倾斜。因此，两个支腿总是在它的零位置以外，不仅在零压力时而且在整个压力测量范围内都是如此。支腿的这种夹角位置具有以下优点，即，可以避免在超过零位置时可能发生的响蛙效应，也就是膜的跳跃形式的轴向位移。所述的响蛙效应在没有这些措施的情况下可能导致在通过用于检测位移的工具获取的测量信号中发生迟滞。

膜的端侧为了构成两个支腿而配有至少一个在径向上伸入膜中的凹槽。这有以下优点，即，在构造特别简单并且生产耗费少的情况下，获得一种包含两个扁平的、基本上相互平行的或-在支腿的上述预应力下-形成夹角的环形片的悬挂体作为弹性体，其布置在沿着管轴线的纵剖面中类似地是平行四边形或者类似地是具有支腿小敞开角的梯形。

原则上可以使用各种各样的测量方法检测膜在轴向上的、与待测量的压力相关的位移。例如可以使用一种借助激光进行的光学测量、利用适当安置的电极进行电容测量、或者使用磁性的或者超声波测量。然而，本发明的一种构造方案被证明特别有利，其中，用于检测膜的轴向的位移的工具布置在管部件的外侧上。在此，它尤其是可以基于位置关系简单地安置，并且在必要的情况下进行调校。为此，具有高的抗弯刚度的中间膜区域在轴向上的位移在径向上向外传递，使得它们可以显示在管部件的外侧上，并且因此可以被检测到用于产生相应的测量信号。可以依据当前用于检测轴向位移量的测量方法对合适的传递工具进行选择，例如光学地、电容、磁性、通过超声波或者机械地传递。

在本发明的一种特别有利的构造方案中，膜的端侧为了形成两个支腿而配有两个在径向上伸入膜中的凹槽，并且连接片在两个凹槽之间构成作为机械的传递工具，它在径向上至少部分地超出管部件的外侧，并且因此在管部件的外侧上指引膜的轴向位移，从而可以将其以特别简单的方式测定，用于生成测量信号。这两个凹槽优选地相对于膜的中央平面对称地通过铣切或者车削制成。这种压力传感器装置尤其是可以简单地制造进而低成本地制成。

作为用于检测轴向上的位移的工具，根据本发明的一种特别有利的改进方案，可以使用两个具有至少部分地包围管部件的环周的环形电极的电容器，其中，一个电容器的一个电极在连接片的一侧上或者利用该侧实现，并且另一个电容器的一个电极在连接片的在轴向上相对置的一侧上或者利用该相对置的一侧实现，使得两个电容器的电容在膜轴向位移时相反地发生变化。两个电容器因此产生有差异的测量信号，为了确定位移进而确定待测量的压力，可以通过随后的信号处理系统对测量信号进行评估。因此以有利的方式实现了温度影响或静态压的补偿。在相应地构造径向膜延长部时，它可以直接用作电极，或者它在两侧将分开的、相对于膜延长部电绝缘的电极应用在膜延长部的彼此相对置的侧面上。

根据本发明的另一种特别有利的构造方案，两个电容的各另一个电极布置在跨夹连接片的环形盖的、在轴向上相互对置的内侧上。以有利的方式，这种可以由两个环形的模制件制成的环形盖额外地具有保护盖的功能，它保护电容器不受到污染或者损坏。环形盖以有利的方式也可以用于实现过载保护。为此，所述环形盖可以配有与连接片相对应并且围绕住它的边沿的环形槽，这些环形槽在其相互对置的侧面上具有用于连接片的止挡面，用于在过载情况下限制其轴向位移。可以用来防止在压力负载很大时发生塑性变形或者支腿爆裂的过载保护能够以这种方式利用特别简单的结构性工具来获得。这种实现过载保护的方式还有以下优点，即，为此所使用的组件与过程介质分开，并且尤其是在使用侵蚀性的介质时针对其进行保护。

基于稳固性、压力和真空强度以及它们对于静态压和温度的不敏感性，这种新式的压力传感器装置特别适合用作测量转换器中的测量单元或者传感器以进行过程工具化。

附图说明

借助示出了本发明的各个实施例的附图，下面更详尽地阐述了本发明以及构造方案和优点。

图1示出了压力传感器装置的纵向剖面图。

图2在纵向剖面中示出了压力传感器装置的边沿区域，

图3示出了环形电极的俯视图，

图4示出了压力传感器装置在负载情况下的边沿区域，

图5在纵向剖面中示出了压力传感器装置的边沿区域，包括可见的电极接头，以及

图6示出了具有屏障的电极构造。

具体实施方式

图中，相同的部件配有相同的附图标记。

在根据图1所述的纵向剖面图中，可以良好地识别出一种具有管部件2的压力传感器装置1的原则上的形状，在管部件的横截面中布置了施加有待测量的压力的膜3。压力传感器装置1的形状相对于纵轴线4基本上是旋转对称的。在压力测量转换器中使用所示的压力传感器装置1以进行过程工具化时，管部件2的两个末端5和6分别利用在图1中未示出的盖封闭，经由这些末端将具有待测量的压力的过程介质可以在使用绝对压力传感器的情况下向膜3的一侧输送，或者在使用压差传感器的情况下向膜3的两侧输送。用于评估通过压力传感器装置1产生的、分别与待测量的压力相关的电信号的电子件单元能够以常规的方式和方法构成，并且同样也未在图1中示出。膜3是一种在中间区域具有高抗弯刚度的、比较厚的膜片，它在边沿区域为了制造两个凹槽在两侧径向细窄地开槽，从而在两个凹槽之间留下了一个连接片7并且在膜3的相互对置的侧面上留下了一个支腿8或一个支腿9。这两个支腿8和9具有较小的抗弯刚度，并且因此确保膜3在轴向上的弹性安置。管部件2和膜3可以通过车削由钢制部件制成。连接片7构造成径向的膜延长部，并且将膜3的轴向位移传递至管部件2的外侧，连接片7在径向上部分地超出管部件的外侧。在管部件2的外侧上安插了一个环形盖，它由两个模制件10A和10B组成。所述两个模制件10A和10B在接合部位通过焊缝11牢固地相互连接，并且通过焊缝12或13与管部件2焊接。连接片7伸入到环形盖10A、10B的凹槽中，在凹槽内，正如后面还会详尽阐述的那样，布置了用于检测膜3的位移的工具。

在图1中可以看出，被称为测量单元的压力传感器装置1的这种结构上的构造，在使用在边沿区域中通过两个支腿8和9在轴向上弹性地安置在管部件2中的膜3的情况下，相对于常规的测量单元显著地被简化，常规的测量单元具有过载保护系统和用作压力剂的填充油。过程介质在使用压差测量转换器的情况下直接地引导到膜3的两侧上，并且不需要填充油和过载保护系统的耗费成本的结构。焊接过程仅仅在很小的范围有必要，并且可以省去用于电信号的、抗压的玻璃穿引部。此外，管部件2和膜3主要是通过车削制成。测量单元的尺寸因此可以如下地设置，即，使得它就其用于测量转换器的其余组件的机械接口而言适配于常规的测量单元，从而只需要更换测量单元、也就是所示的压力传感器装置1，并且可以继续使用常规的测量转换器的法兰部件、壳体等等。

借助图2和3，接下来详尽地阐述了用于电容地检测布置在管部件2的外侧上的膜3的位移的工具。在所示实施例中，实施为径向膜延长部的连接片7利用其在轴向上相互对置的侧面构成两个电容器的各一个电极。为此，连接片7由能导电的材料、例如不锈钢制成。一个电容器的另一个电极14和另一个电容器的另一个电极15嵌入到电绝缘的支架环16中或电绝缘的支架环17中，并且因此针对短路绝缘。在模制件10A和10B上分别模制了止挡面18或19，连接片7在过载时抵靠这些止挡面上。由此在过载的情况下限制了支腿8和9的弯曲程度，从而可以防止塑性变形或者爆裂。

图3示出了例如对于嵌入在支架环16中的电极14的视野。环绕管部件2的环周区域(图2)的电极14以环形片的形式构造成具有内半径R₁和外半径R₂。利用在连接片7与电极14之间的间距d可以计算出电容器的电容C₀，电容器通过连接片7的一侧构成一个电极并且电极14构成另一个电极，按照以下公式计算：

其中∈₀是电常数。

在压力测量单元具有例如50mm的直径、电极14的宽度R2-R1为2.5mm以及间距为0.2mm时，从而得到电容器的电容C₀为16.5pF。如果例如间距d在膜3的相应的压力负载下减少了仅仅50μm，那么电容就以5.5pF升高到22pF，而各另一个电容器的电容减少了3.3pF。这种电容变化能够很好地利用高分辨率的电容数字转换器来检测。

借助图4示出了在膜3的压力为P时支腿8、9负载弯曲的情况。在纵剖面图中可以很好地看出膜3在两侧的、细窄的径向开槽。由此在管部件2中利用两个支腿8和9形成膜3的径向悬挂体，它的外形让人想起平行四边形。在膜3因为膜3的右侧上存在压力P而处于所示的负载状态时，它经历朝向左侧的轴向位移。利用电极14构成的电容器的间距在此增大，利用电极15构成的电容器的间距缩小。于是得到一个相反的测量信号，优点是，可能导致压力传感器装置的膨胀发生变化的静态压和温度的影响几乎不会影响测量结果。通过相应地设置支腿8和9的厚度及其长度可以让压力范围发生变化，从而可以在压力传感器装置的构造基本上相同的情况下实现用于不同的压力范围的测量转换器。

在图5中示出了用于两个电容器的电接头的一种实现可能性。旋转对称的、并且在整个周向区域上跨夹管部件2的外侧的模制件10A和10B在周向区域的一个部位上分别配有一个切口用于装配电子电路板50或51。电路板50和51分别通过螺丝52或53保持在模制件10A或10B上。导线54接触电极14，导线55接触电极15。导线54和55穿过钻孔56或57。为了可以从一侧实现对在图5中未示出的、用于向同样未示出的评估装置传输测量信号的电缆的连接，在电子电路板50内部配有防护体58的导线54借助被屏蔽的导线59穿过模制件10A和10B中的另一个钻孔引向左侧，电极15的接头也位于这个左侧上。

在图1至5中所阐述的实施例中，两个电容器的一个电极由连接片7构成，并且因此位于接地电势上。这让电接触更加容易，因为不需要单独的导线用于这个电极接头。在此有利的是，电极14和15在背侧分别对于接地电势被屏蔽，因为否则可能产生可能与真正的电容器并联的寄生电容。针对图6中的电极15的实例示出一种实现这种屏蔽的可能性。电极15以及所属的屏蔽件60通过两侧金属化的聚酰亚胺薄膜61的合适的金属化实现，并且作为多层电路板施加在作为支架环17的电路板材料上。这是在生产电路板时的一种常见方法。借助过孔接触使得能够接触到电连接导线55和62。

总而言之，下面再一次简要地描述新压力传感器装置的优点。通过以定义的几何参数径向地切入膜，实现了一种新式的、具有压力膜的测量单元，压力膜虽然大部分都是硬的，但是却因为特殊的膜悬挂方式而对压力敏感。类似平行四边形的弹性的膜悬挂方式使得能够通过巧妙地定位电极表面电容来检测与压力成比例的机械偏移并且将其转换为电测量信号。基于这种装置的对称性产生了有差异的测量信号，它与温度补偿以及对静态压的影响的补偿的正面属性相联系。因为膜抗弯刚度高，可以集成一种稳定的机械式的过载保护，它防止了膜在过载的情况下过度偏移。在此，压力传感器装置也可以在作为压差测量单元无油填充的情况下进行应用。因为这种过载保护不接触到介质，因此也就没有粘粘的危险。支腿可以从零位置向外具有相反的预应力，从而可靠地防止否则可能会出现的响蛙效应。因为产生了差测量信号，所以干扰敏感度比较小。因为电容器处于严密密封的空间内，此外不可能有外部的寄生电容使测量信号出错。因为没有油填充导致的错误，所以压力传感器装置能够在比较大的温度范围内使用，能够耐真空并且价格合算地制成。

Claims (6)

1.一种具有管部件(2)的压力传感器装置，在所述管部件的横截面中布置了施加有待测量的压力(P)的膜(3)，其中，所述膜(3)在中间区域内具有高抗弯刚度并且在边沿区域内在轴向上弹性地安置在所述管部件(2)中，并且其中，存在用于检测所述膜(3)的轴向上的位移的工具(7、14、15)，所述位移与所述待测量的压力(P)相关，其特征在于，

该弹性的安置通过具有两个基本上平行于所述膜(3)的平面延伸的、相对于管轴线(4)旋转对称的支腿(8、9)的悬挂体实现，

所述膜(3)的端侧为了形成两个所述支腿(8、9)而配有至少一个在径向上伸入所述膜中的凹槽，

存在传递工具(7)，通过所述传递工具能在所述管部件(2)的外侧上显示出轴向上的所述位移，并且

用于检测所述位移的工具(7、14、15)布置在所述管部件(2)的外侧上。

2.根据权利要求1所述的压力传感器装置，其特征在于，所述膜(3)的端侧为了形成两个所述支腿(8、9)而配有两个在径向上伸入所述膜(3)中的凹槽，并且两个所述凹槽之间的连接片(7)构造成传递工具，其中，所述连接片(7)在径向上至少部分地超出所述管部件(2)的外侧。

3.根据权利要求2所述的压力传感器装置，其特征在于，设置有两个电容器(7、14；7、15)作为用于检测轴向上的位移的工具，所述电容器具有至少部分包围所述管部件(2)的环周的电极(14、15)，其中，一个电容器的一个电极(7)在所述连接片(7)的一侧上实现、或者利用该侧实现，并且另一个电容器的一个电极在所述连接片(7)的在轴向上相对置的一侧上实现、或者利用该相对置的一侧实现，使得两个所述电容器的电容在所述膜(3)轴向位移时相反地变化。

4.根据权利要求3中所述的压力传感器装置，其特征在于，两个电容器的各另一个电极(14、15)布置在跨夹所述连接片(7)的环形盖(10A、10B)的、在轴向上相互对置的内侧上。

5.根据权利要求4所述的压力传感器装置，其特征在于，所述环形盖(10A、10B)具有与所述连接片(7)相对应并且围绕所述连接片的边沿的环形槽，为了在过载情况下限制所述膜(3)的轴向位移，所示环形槽具有用于所述连接片(7)的止挡面(18、19)。

6.一种用于利用根据前述权利要求中任一项所述的压力传感器装置(1)进行过程工具化的测量转换器。