CN101558288B - 用于压印压力传递装置的分离膜的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于压印压力传递装置(5)的分离膜(11)的方法，该压力传递装置包括具有膜床(7)的膜托架(9)。利用该方法，可以最佳地形成与膜床(7)的形状匹配的分离膜(11)。该方法包括以下步骤：将平面的分离膜坯(11a)焊接到膜托架(9)上；用润滑剂填充由焊接的分离膜坯(11a)和膜托架(9)封闭的压力接收腔(13)；通过将分离膜坯(11a)压向膜床(7)而同时润滑剂存在于压力接收腔(13)内，由分离膜坯(11a)制造分离膜(11)。

Description

用于压印压力传递装置的分离膜的方法
技术领域
本发明涉及一种用于压印压力传递装置的分离膜的方法。
背景技术
压力传递装置在工业压力测量技术中用于传递压力。压力传递装置通常包括膜托架，分离膜在外沿焊接于膜托架上。在分离膜和膜床之间封闭的压力接收腔被压力传递液体填充，该压力传递液体用于例如通过连接至压力接收腔的压力传递管线而将从外部作用于分离膜的压力传递到其他位置。
这种压力传递装置的典型应用是压力测量变送器。压力测量变送器在几乎所有工业领域用于测量压力。测量的压力值例如用于控制、调节和/或监控工业制造和/或处理过程。
压力测量技术中常见的是所谓的“半导体传感器”，例如具有经掺杂的电阻元件作为压敏元件的硅片。通常，这种压力传感器包括的压力传感器芯片的形式为安装在平台上的压力测量腔。压力传感器通常非常敏感并且因而不直接由压力待测的介质影响。作为替代，在其间插入由液体填充且具有外部分离膜的压力传递装置。在操作中，待测压力作用于分离膜并且通过压力传递装置而传递到压力测量腔中。对于测量绝对压力以及测量相对压力和压差都是这样的。
为了实现尽可能线性且无滞后的压力传递性能，分离膜优选地成形为波浪状。
集成在膜托架中的膜床提供了对于分离膜的过载保护。过载是指作用于分离膜的压力超过压力测量变送器的设计测量范围或者压力传递装置的设计压力范围。在这种情况中，特别重要的是，膜床和分离膜的形状尽可能相等，从而在过载的情况中，分离膜均匀地靠在同样成形的膜床上并且得到均匀的支撑。以这种方式，在过载的情况中，分离膜被保护不受破坏和/或永久性形变。
今天，分离膜的成形通常是通过压印方法进行的。
在这种情况中，例如平面的分离膜坯被利用金属冲头、弹性压花垫或者水压或气动压印方法而压印，并在随后被焊接到膜托架上。然后，压力传递装置被填充压力传递液体。
这种方法的优点是，分离膜可以被预制，其中它们例如在一个操作步骤中被剪裁并压印。缺点是，在将分离膜焊接到膜托架上期间可能发生的焊接应力以及分离膜翘曲是永久性的。这都降低了压力传递装置的压力传递性能。特别地，它们对于线性化具有负面影响并且能够导致滞后。
另外，在这种方法中，为了实现分离膜与其膜床尽可能形状相同，对于各个部件的制造公差提出了非常高的要求。成形中的各个较小的偏差在过载的情况中都会导致分离膜的永久形变甚至破损并且因而对于压力传递的准确性和可再现性不利。于是，这直接影响装备有压力传递装置的压力测量变送器的测量精度。
作为前述方法的替代，分离膜坯可以首先被焊接到膜托架上，并且随后在膜床上被压印。这个压印可以例如液压地、气动地或者利用压花垫而实现。然后，压力传递装置被填充压力传递液体。
这样的优点是，在膜床成形中的制造公差被通过分离膜成形中的压印而接收，并且焊接应力以及分离膜翘曲能够至少部分被压印处理而抵消。另外，分离膜在压印期间经受的机械负载类似于在后来可能发生的过载情况中经受的机械负载。
在前述压印方法中，分离膜的成形依赖于在分离膜和膜床之间包围的介质在压印之前和期间的物理特性。在中间空间中包围的潮气以及灰尘和/或包围的颗粒都会影响成形。这样的结果是，以相同方式制造的各个压力传递装置会具有非常不同的压力传递性能。为了将这些压力传递装置用于测量压力，这通常意味着必须对于每一压力测量变送器执行复杂的标定或补偿方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于压印压力传递装置的分离膜的方法，利用该方法可以最佳地形成与膜床的形状匹配的分离膜。
为此，本发明在于一种用于压印压力传递装置的分离膜的方法，该压力传递装置包括具有膜床的膜托架。该方法包括以下步骤：
-将平面的分离膜坯焊接到膜托架上；
-用润滑剂填充由焊接的分离膜坯和膜托架封闭的压力接收腔；以及
-通过在膜床中压印分离膜坯而同时润滑剂存在于压力接收腔内，由分离膜坯制造分离膜。
在一个优选实施例中，润滑剂是压力传递液体。
在另一实施例中，在焊接分离膜坯之后，检查焊接连接的密封性。
在另一实施例中，压力接收腔在被填充润滑剂之前被抽空。
另外，本发明在于一种用于制造压力测量变送器的方法，其中压力测量变送器包括：
-设置在压力测量腔中的压力传感器；和
-压力传递装置，其由压力传递介质填充并且连接在压力测量腔之前，其中压力传递装置包括安装在具有膜床的膜托架之上的分离膜；
--在测量操作期间，待测的压力作用于该压力传递装置的外表面，该待测压力被通过分离膜和压力传递液体而传递到压力测量腔中；
其中该方法包括：
-将平面的分离膜坯焊接到膜托架上；
-用润滑剂填充由焊接的分离膜坯和膜托架封闭的压力接收腔；以及
-通过在膜床中压印分离膜坯而同时润滑剂存在于压力接收腔内，由分离膜坯制造分离膜。
另外，本发明在于一种压力传递装置，其包括：
-具有膜床的膜托架；和
-安装在膜托架上的分离膜；
其中
-分离膜的形状对应于膜床的形状，其中分离膜的形状是这样实现的：
--将平面的分离膜坯焊接到膜托架上；
--用润滑剂填充由焊接的分离膜坯和膜托架封闭的压力接收腔；
--在膜床中压印分离膜坯；以及
--在压印之后，分离膜相对于膜床处于受润滑剂影响的平衡位置。
另外，本发明在于一种压力传递装置，其包括：
-具有膜床的膜托架；和
-安装在膜托架上的分离膜；
其中
-分离膜的形状对应于膜床的形状，其中分离膜的形状是这样实现的：
--将平面的分离膜坯焊接到膜托架上；
--用润滑剂填充由焊接的分离膜坯和膜托架封闭的压力接收腔；
--在膜床中压印分离膜坯；以及
--在平衡状态中，在膜床和分离膜之间存在间距，该间距通过使用润滑剂而减小。
本发明还在于一种压力测量变送器，其包括：
-设置在压力测量腔中的压力传感器；和
-压力传递装置，其被压力传递液体填充并且连接在压力测量腔之前，其中压力传递装置包括安装在具有膜床的膜托架之上的分离膜；
--在测量操作期间待测压力作用于分离膜的外表面，该待测压力被通过分离膜和压力传递液体而传递到压力测量腔中；
其中
-分离膜的形状对应于膜床的形状，其中分离膜的形状是这样实现的：
--将平面的分离膜坯焊接到膜托架上；
--用润滑剂填充由焊接的分离膜坯和膜托架封闭的压力接收腔；
--在膜床中压印分离膜坯；以及
--在压印之后，分离膜相对于膜床处于受润滑剂影响的平衡位置。
本发明还在于一种压力测量变送器，其包括：
-设置在压力测量腔中的压力传感器；和
-压力传递装置，其被压力传递液体填充并且连接在压力测量腔之前，其中压力传递装置包括安装在具有膜床的膜托架之上的分离膜；
--在测量操作期间待测压力作用于分离膜的外表面，该待测压力被通过分离膜和压力传递液体而传递到压力测量腔中；
其中
-分离膜的形状对应于膜床的形状，其中分离膜的形状是这样实现的：
--将平面的分离膜坯焊接到膜托架上；
--用润滑剂填充由焊接的分离膜坯和膜托架封闭的压力接收腔；
--在膜床中压印分离膜坯；以及
--在平衡状态中，在膜床和分离膜之间存在间距，该间距通过使用润滑剂而减小。
附图说明
现在根据附图详细解释本发明，附图中：
图1是具有压力传递装置的压力变送器的剖面；
图2是其上焊接了平面分离膜坯的膜托架的剖面；
图3是没有应用润滑剂而压印的分离膜及其膜床的曲线；和
图4是应用了润滑剂而压印的分离膜及其膜床的曲线。
具体实施方式
图1显示了压力测量变送器的剖面，其具有设置在压力测量腔1中的压力传感器3，例如半导体传感器。适用的例如是具有掺杂的电阻元件的硅片。所示的压力测量变送器是绝对压力测量变送器，正如例如本申请人的DE 10162044A1中所公开的。相应地，压力传感器3在这里是绝对压力传感器。然而，本发明并不限于绝对压力测量变送器，而是还可以类似的形式应用于相对压力测量变送器和压差测量变送器。
压力传递装置5连接在压力测量腔1之前。压力传递装置5具有带有膜床7的膜托架9，分离膜11安装在膜托架上。分离膜11和膜床7围绕相对于外部密封的压力接收腔13，该压力接收腔13通过压力传递管线15与压力测量腔1相连。
压力测量变送器具有密封的内部空间，在所示实施例中，该内部空间包括压力测量腔1的内部空间和压力传递装置5的内部空间。压力传递装置5的内部空间由压力传递管线15的内部空间以及压力接收腔13的内部空间构成。这个密封的内部空间被压力传递液体17填充。液体17优选地是具有较低热膨胀系数的不可压缩的液体，例如硅油。它在测量操作中用于将从外部作用于分离膜11的压力pM传递到压力测量腔1中并由此传递到压力传感器3。在所示实施例中，压力pM的供应是通过过程连接19进行的，压力传递装置5插入到该过程连接19中。过程连接19具有紧固机构20，其在这里是外螺纹，压力测量变送器利用该紧固机构能够安装在测量位置上。
膜床7用于保护分离膜11不会过载。如果作用于分离膜11的压力pM超过预定的上限，那么分离膜11贴靠于膜床7上并因而被保护不会永久形变或者破损。这里，特别重要的是，分离膜11的形状最优地匹配膜床7的形状。两个形状吻合越精确，通过膜床7可实现的保护越好。
为了获得最优的一致性，根据本发明，使用下面描述的用于压印压力传递装置的分离膜11的方法。描述的方法既可用于制造单独的压力传递装置5，也可用于制造完整的压力测量变送器。在第一方法步骤中，平面的金属盘作为分离膜坯11a而焊接到膜托架9上。图2显示了膜托架9，其上焊接了平面的分离膜坯11a。这里，分离膜坯11a的外边缘通过环形围绕的焊缝21而与膜托架9的邻接膜床7的端面相连。
在焊上分离膜坯11a之后，优选地检查焊接连接的密封性。这里适用的例如是在压力测量技术中普遍使用的测试方法，其中测试物体(这里是压力测量变送器的内部空间或者压力传递装置5的压力接收腔13)在一定压力下被填充氦，并且利用相应的氦泄漏探测器确定可能发生的泄漏。
之后，压力接收腔13优选被排空并且被排空的压力接收腔13被填充润滑剂。用作润滑剂的优选是上面提到的压力传递液体17。如果本发明的方法用于制造压力测量变送器，那么优选地同样将压力测量变送器的整个内部空间排空并且填充压力传递液体17。
正如在通常的压力传递装置中那样，排空和填充是通过至少一个通入密封内部空间或压力接收腔13的入口而进行的。这里，在本发明的方法中，特别具有优点的是，执行这两个方法步骤，而同时平面的分离膜坯11a仍然密封压力接收腔13。以这种方式，可自由地达到整个压力接收腔13，并且特别是在压力接收腔13中没有会令排空和/或填充困难的狭窄间隙或者甚至分离的部分空间。如果在这些方法步骤中，压力接收腔13已经被分离膜以其与膜床7的形状相匹配的最终形状而密封，那么这个分离膜将在真空下贴靠其膜床。这里，存在分离膜不会在所有地方且特别是在靠近边缘区域的间隙中完全贴靠膜床的危险，并且，在最坏的情况中，甚至在压力接收腔13中出现完全隔离的部分区域，这些完全隔离的空间仅被不充分地排空甚至根本没有被排空。以这种方式，气体残留在这些间隙或部分区域中，从而气体随后在压力接收腔的填充期间仍然保留并且阻止了完全的无气泡的填充。
由于在压力测量变送器被平面的分离膜坯11a密封的情况下进行排空和填充，所以可以实现非常高质量的排空和特别是在压力接收腔13的区域中基本上无气泡的填充。特别是在压力接收腔13的区域中无气泡地填充压力传递液体17导致了以这种方式制造的压力测量变送器的真空稳定性增加。这意味着，在负压从外部作用于分离膜11的情况中，所得到的压力测量变送器提供更精确的测量结果。正是在负压从外部作用于分离膜11的情况中，在分离膜11下封闭的气泡具有非常不利的影响，因为它们在负压下增大并且改变分离膜11或者整个压力传递装置5的传递性能，这不利地导致测量精度下降。
同样，无气泡导致可获得的测量精度的温度稳定性提高。温度波动也导致封闭的气泡的尺寸改变并从而导致传递特性改变。
在由润滑剂填充之后，通过在膜床7中压印分离膜坯11a，从分离膜坯11a制成分离膜11。这个压印可以例如水力地、气动地或者利用压花垫而进行。
本申请人的调查已经显示，压印处理由分离膜11和其膜床11a之间的滑动摩擦决定性地影响。这意味着，通过施加润滑剂而压印的分离膜的最终形状与没有润滑剂的情况下可实现的最终形状明显不同。由于使用润滑剂，分离膜采取了相对于膜床9的平衡位置，这与没有润滑剂的压印不同。这特别突出地在于改进的成形以及分离膜11和膜床7之间较小的间隔。
在压印处理期间，分离膜坯11a或分离膜11之间的滑动摩擦通过压力接收腔13中存在的润滑剂而明显减小。这使得在相等的压印压力下得到了分离膜11的明显改进且可再现的压印。通过润滑剂，分离膜坯11a以及膜床7的表面不连续性或者粗糙度对于压印处理的影响显著减小。通过润滑剂，分离膜坯11a在压印期间明显更容易在膜床7上滑动，从而可以实现分离膜11和膜床7的成形的明显更高的一致性。另外，分离膜11在压印处理期间经受的机械负荷也减小。于是，由于润滑剂，可以在分离膜11上施加更高的压印力，而不会扯破或损坏分离膜11。
在膜床7的成形中的制造公差由分离膜11成形中的压印而接受。
另外，焊接应力以及分离膜坯11a的翘曲至少部分由压印处理而抵消。
在没有润滑剂的压印处理的情况中，很难控制的变量(诸如在分离膜和膜床之间封闭的潮气或颗粒)在不同的压印处理中对于分离膜的最终形状具有显著变化的影响；而在利用润滑剂的不同压印处理中，制造条件保持恒定。这导致了高度的可再现性。这样的优点是，通过使用润滑剂而制造的各个压力传递装置或者压力测量变送器具有几乎等同的压力传递特性。以这种方式，压力测量所需的后续的标定或补偿方法可以明显简化，并且可实现的测量精度提高。
润滑剂的使用不仅实现保持相同的可再现的制造条件，而且还实现了明显改进的成形。下面根据使用有限元方法执行的仿真的结果，详细解释这种通过本发明的方法改进的成形，在仿真中对两种压印处理进行仿真。
图3示出了膜床7的分布和未使用润滑剂而压印的分离膜23的最终形状。图4绘出了膜床7的表面和利用润滑剂压印的分离膜11的最终形状。由于存在的对称性，两幅图中的曲线都仅仅示出从膜床中心或者分离膜中心到各自外边缘。中心在图中以x轴的零点重合。分离膜23、分离膜11和膜床7的半径都为16mm。对于没有润滑剂的压印处理，使用滑动摩擦系数μ＝0；对于利用润滑剂的压印处理，滑动摩擦系数μ＝1。例如当使用压力测量技术中常用于压力传递的硅油作为润滑剂时，存在滑动摩擦系数μ＝1。用作两次仿真计算的起始点的是平面地施加于膜托架9上的分离膜坯11a。在两种情况中使用相同的压印处理。
通过仿真可以清楚看到，与未使用润滑剂压印的分离膜23相比，使用润滑剂压印的分离膜11在形状上很好地匹配膜床7的形状。于是，润滑剂使得分离膜11在压印之后所处的平衡位置中明显改变。另外，在图4所示的压印之后的结束状态中，使用润滑剂压印的分离膜11与其4所示膜床7之间的间隔远远小于在未使用润滑剂压印的分离膜23与其膜床7之间的间隔。在未使用润滑剂压印的分离膜23的情况中，分离膜23与其膜床7之间的间隔在分离膜23的中心处达到23～160μm；而在使用润滑剂压印的分离膜11的情况中，这个间距仅仅为82μm。这个明显减小的间隔的优点是，相关的压力接收腔13的内部体积显著较小。由此，填充压力接收腔13所需的压力传递液体的液体体积显著较小。这导致压力传递特性的温度依赖性显著降低，并因而导致可实现的测量精度改进。
本发明的方法的进一步的优点是，分离膜11在压印期间经受的机械负荷与后来可能发生的过载中的机械负荷相同。在压印期间以及过载的情况中，液体都位于压力接收腔13中。特别是与通过润滑剂优化的分离膜11成形相结合，这导致了分离膜11在过载的情况下被最优地保护，并且分离膜11在第一次发生过载情况时不会由于过载而有附加的永久形状改变。
相反，在分离膜是未使用润滑剂而压印的情况中，第一次发生的过载会导致永久的形状改变，因为在第一次过载情况时的机械负荷由于存在于压力接收腔中的压力传递液体而与在未使用润滑剂的压印期间发生的机械负荷不同。这种永久形状改变导致传递性能改变，并因而导致测量精度以及可再现性改变。
附图标记
  1   压力测量腔
  3   压力传感器
  5   压力传递装置
  7   膜床
  9   膜托架
  11   分离膜
  11a   平面的分离膜坯
  13   压力接收腔
  15   压力传递管线
  17   压力传递液体
  19   过程连接
  20   紧固机构
  21   焊缝
  23   分离膜

Claims (9)

1.用于压印压力传递装置(5)的分离膜(11)的方法，该压力传递装置包括具有膜床(7)的膜托架(9)，其中
-将平面的分离膜坯(11a)焊接到所述膜托架(9)上；
-用润滑剂填充由焊接的分离膜坯(11a)和所述膜托架(9)封闭的压力接收腔(13)；以及
-通过在所述膜床(7)中压印所述分离膜坯(11a)而同时润滑剂存在于所述压力接收腔(13)内，由所述分离膜坯(11a)制造所述分离膜(11)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，润滑剂是压力传递液体(17)。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，在焊接分离膜坯(11a)之后，检查焊接连接(21)的密封性。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，压力接收腔(13)在被填充润滑剂之前被抽空。
5.用于制造压力测量变送器的方法，该压力测量变送器包括：
-设置在压力测量腔(1)中的压力传感器(3)；和
-压力传递装置(5)，其连接在所述压力测量腔(1)之前并且由压力传递液体(17)填充，该压力传递装置包括安装在具有膜床(7)的膜托架(9)之上的分离膜(11)；
--在测量操作期间，待测压力(pM)作用于该压力传递装置的外表面，该待测压力被通过所述分离膜(11)和所述压力传递液体(17)而传递到所述压力测量腔(1)中；
其中该方法包括：
-将平面的分离膜坯(11a)焊接到所述膜托架(9)上；
-用润滑剂填充由焊接的分离膜坯(11a)和所述膜托架(9)封闭的压力接收腔(13)；以及
-通过在所述膜床(7)中压印所述分离膜坯(11a)而同时润滑剂存在于所述压力接收腔(13)内，由所述分离膜坯(11a)制造所述分离膜(11)。
6.压力传递装置(5)，包括：
-具有膜床(7)的膜托架(9)；和
-安装在所述膜托架(9)上的分离膜(11)；
其中
-所述分离膜(11)的形状对应于所述膜床(7)的形状，其中分离膜的形状是这样实现的：
--将平面的分离膜坯(11a)焊接到所述膜托架(9)上；
--用润滑剂填充由焊接的分离膜坯(11a)和所述膜托架(9)封闭的压力接收腔(13)；
--在所述膜床(7)中压印所述分离膜坯(11a)；以及
--在压印之后，所述分离膜(11)相对于所述膜床(7)处于受所述润滑剂影响的平衡位置。
7.压力传递装置(5)，包括：
-具有膜床(7)的膜托架(9)；和
-安装在所述膜托架(9)上的分离膜(11)；
其中
-所述分离膜(11)的形状对应于所述膜床(7)的形状，其中分离膜的形状是这样实现的：
--将平面的分离膜坯(11a)焊接到所述膜托架(9)上；
--用润滑剂填充由焊接的分离膜坯(11a)和所述膜托架(9)封闭的压力接收腔(13)；
--在所述膜床(7)中压印所述分离膜坯(11a)；以及
--在平衡状态中，在所述膜床(7)和所述分离膜(11)之间存在间距，该间距通过使用所述润滑剂而减小。
8.压力测量变送器，包括：
-设置在压力测量腔(1)中的压力传感器(3)；和
-压力传递装置(5)，其连接在所述压力测量腔(1)之前并且被压力传递液体(17)填充，该压力传递装置包括安装在具有膜床(7)的膜托架(9)上的分离膜(11)；
--在测量操作期间待测压力(pM)作用于分离膜的外表面，该待测压力被通过所述分离膜(11)和所述压力传递液体(17)而传递到所述压力测量腔(1)中；
其中
-所述分离膜(11)的形状对应于所述膜床(7)的形状，该分离膜的形状是这样实现的：
--将平面的分离膜坯(11a)焊接到所述膜托架(9)上；
--用润滑剂填充由焊接的分离膜坯(11a)和所述膜托架(9)封闭的压力接收腔(13)；
--在所述膜床(7)中压印所述分离膜坯(11a)；以及
--在压印之后，所述分离膜(11)相对于所述膜床(7)处于受所述润滑剂影响的平衡位置。
9.压力测量变送器，包括：
-设置在压力测量腔(1)中的压力传感器(3)；和
-压力传递装置(5)，其连接在所述压力测量腔(1)之前并且被压力传递液体(17)填充，该压力传递装置包括安装在具有膜床(7)的膜托架(9)上的分离膜(11)；
--在测量操作期间待测压力(pM)作用于分离膜的外表面，该待测压力被通过所述分离膜(11)和所述压力传递液体(17)而传递到所述压力测量腔(1)中；
其中
-所述分离膜(11)的形状对应于所述膜床(7)的形状，该分离膜的形状是这样实现的：
--将平面的分离膜坯(11a)焊接到所述膜托架(9)上；
--用润滑剂填充由焊接的分离膜坯(11a)和所述膜托架(9)封闭的压力接收腔(13)；
--在所述膜床(7)中压印所述分离膜坯(11a)；以及
--在平衡状态中，在所述膜床(7)和所述分离膜(11)之间存在间距，该间距通过使用所述润滑剂而减小。
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