CN102472679A - 用于变化温度情况下的压力测量的方法及用于变化温度情况下的压力测量的压力测量传感器 - Google Patents

Abstract

一种用于补偿温度梯度对压力测量转换器的影响的方法，包括如下步骤：记录压力信号S_p(t)，记录温度信号T(t)，探知压力测量值p_s(S_p(t)，T(t))，确定温度信号的时间导数dT/dt，以取决于时间导数的校正函数校正该压力测量值，其特征在于，作为该时间导数的符号的函数，选择另一个校正函数，或者选择同类型的函数中的其他系数。

Description

用于变化温度情况下的压力测量的方法及用于变化温度情况下的压力测量的压力测量传感器

技术领域

本发明涉及用于在变化温度情况下的压力测量的方法以及用于这种目的的压力测量传感器。已知的是压力测量传感器具有对温度的交叉敏感性(cross sensitivity)，使得通常校正温度对压力测量的影响。然而，在已建立校正方法的情况下，假设了均衡(equilibrium)状态，该均衡状态不适合以恰当的方式考虑时间变化的温度梯度的影响。

背景技术

Petit等人在US 2005/0000290A1中公开了一种方法，其中使用了温度关于时间的一阶导数以及温度关于时间的二阶导数，以补偿温度梯度的影响。Dannhauer等人在DE 102006050451A1中公开了一种压力测量设备，该压力测量设备基于对温度跳变的特征阶跃响应来使用相应的压力测量单元的取决于时间的积分温度，以便补偿温度对压力测量值的影响。

对于温度改变的速率是对温度梯度的度量而导致其对压力测量值的影响不能再用均衡模型来补偿而言，针对补偿考虑到温度改变的速率或者温度的时间导数的方法在理论上是正确的。然而，Petit等人的工作在一定程度上是有缺陷的，其在某种程度上将压力测量传感器描述为完全通过当前参数确定的马尔科夫(Markov)系统。这种假设对于特定系统来说可能是恰当的，但是对于现实生活中的压力测量设备来说它肯定没有普遍适用性，其中不同的材料在接口处机械地对接，系统的行为可以通过其先前的历史来共同确定的，尤其是在材料(至少部分地)不仅是弹性的而且替代地还具有塑性的情况下。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种用于补偿温度梯度对压力测量传感器的影响的改进的方法。本发明的目的还在于提供一种实现这样的方法的压力测量传感器。根据本发明这些目的通过权利要求1中限定的方法以及权利要求9中限定的压力传感器来实现。

本发明的用于补偿温度梯度对压力测量传感器的影响的方法包括下述步骤：

记录温度信号T(t)，

确定温度信号的时间导数dT/dt，

利用取决于时间导数的校正函数来校正压力测量值，

其特征在于，

作为时间导数符号的函数，选择另一个校正函数，或者选择同类型函数中的其他系数。

在本发明的进一步改进中，在dT/dt的一个符号的情况下应用的校正函数P_corr(T，T₀，dT/dt)对压力测量值具有比在dT/dt的另一符号的情况下应用的校正函数更大的影响，特别是其保持

|P_corr(T，T₀，dT/dt)/(dT/dt)|对于dT/dt＜0

小于

|P_corr(T，T₀，dT/dt)/(dT/dt)|对于dT/dt＞0。

在本发明的进一步改进中，校正函数与温度的时间导数dT/dt成比例，其中例如，仅当dT/dt的幅度超过参考值R_krit时应用校正函数。在该限值之下，可以省略用于动态温度效应的校正。

在本发明的另一个改进中，校正函数与和数成比例，该和数包含常数以及系数与当前温度和起始温度T₀之间差的乘积。起始温度T₀特别是下述温度：当在校正循环中温度关于时间的导数的幅度第一次超过参考值R_krit时测量的温度。

本发明的压力测量装置包括：

壳体；

压力测量单元，该压力测量单元被布置在该壳体中；以及

温度传感器，该温度传感器被布置在该壳体中，其中压力测量单元通过壳体开口可与介质压力接触，其中压力测量单元具有转换器，该转换器输出取决于压力的主信号，其中温度传感器记录与压力测量单元的行为相关的温度、并且输出与这样的温度相对应的温度信号，其中压力测量传感器进一步包含处理电路，以便于提供压力测量值，该压力测量值依赖于主信号、温度信号和温度信号的时间导数，其中时间导数对于压力测量值的影响程度取决于时间导数的符号。

在本发明的进一步的改进中，压力测量传感器包括压力测量单元，该压力测量单元通过壳体开口直接与介质接触，其中密封环被轴向地夹持在围绕壳体开口的壳体壁和压力测量单元的端面之间。

在本发明的进一步的改进中，密封环包括弹性体。

在本发明的该进一步的改进的实施例中，密封环由壳体壁的一部分径向地支撑。

在本发明的进一步的改进中，压力测量单元包括陶瓷压力测量单元，尤其是带有刚玉的测量膜和刚玉的平台的测量单元。在本发明的该进一步的改进的实施例中，以活性钎焊(active braze)来接合该测量膜和该平台。

在本发明的当前优选实施例中，本发明的压力测量传感器的壳体包括金属材料，尤其是钢。

在进一步的改进中，为补偿动态温度影响提供参考的温度传感器与压力测量单元热接触。尤其是，温度传感器可以布置在压力测量单元的平台的后表面上。

在本发明的进一步的改进中，由压力测量传感器输出的压力测量值以两阶段方法来确定，其中，首先，在考虑到主信号和温度信号的情况下获得压力测量值，并且其中，当温度的时间导数dT/dt的幅度超过参考值R_krit时发生用于动态温度波动的接下来的补偿。

附图说明

现在将基于附图中图示的实施例的示例来解释本发明，附图示出如下：

图1是周期性出现温度跳变的测量数据；

图2是用于在不同起始温度的情况下的正的温度跳变以及用于负的温度跳变的压力校正函数的实施例示例的时间曲线；以及

图3是本发明的压力测量传感器的实施例的示例。

具体实施方式

图1中图示的测量数据示出了压力测量传感器的零点波动，该压力测量传感器由于介质改变而交替地经历在4摄氏度到150摄氏度之间的温度跳变。在这样的情况下，以T标记的曲线示出了温度信号，该温度信号由本发明的压力测量传感器的温度传感器来记录，并且该温度信号仅根据特征时间常数来遵循温度跳变。以p_s标记的曲线示出了压力测量值，基于本发明的压力测量传感器的压力测量单元的转换器的主信号并且基于与压力测量传感器相关联的温度传感器的温度信号来确定该压力测量值。清楚的是，在正的温度跳变的情况下压力信号的零点明显朝着负值移动，并且在负的温度跳变的情况下零点移动到正的区域中。在该图中，很明显，负的温度跳变情况下压力零点松弛(relax)从而接近真实值明显比在正的温度跳变的情况下更快。这种不同行为的原因将在下面进一步探寻。

以p标记的曲线示出了对曲线p_s中所示的数据应用本发明的方法之后零点信号的曲线。在这样的情况下，清楚的是，在短的过冲(overshooting)之后已经校正的压力信号非常快速地返回到零点附近的容差带，并且实际上，与是正的温度跳变还是负的温度跳变无关。

对于图1中的数据，根据下述等式来确定要输出的压力测量值p(S_p，T)：

$p(S_p,T):=p_s(S_p,T)-p_{\mathrm{corr}}(T,T_0,\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dt}})$

在这样的情况下，在温度的时间导数的幅度超过临界参考值时应用校正项p_corr。在这样的情况下，p_corr通常满足下述公式：

$p_{\mathrm{corr}}(T,T_0,\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dt}}):=\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dt}}\·[a+b\·(T-T_0)]$

起始温度T₀是在测量操作中第一次|dT/dt|＞R_krit时或者当具有慢温度改变的操作条件之后从而第一次|dT/dt|＜R_krit再次|dT/dt|＞R_krit时测量到的温度。

在温度跳变的符号改变的情况下，在解析表示的情况下实际上绝对存在dT/dt的零位置，其必然暗示了在两个温度跳变之间存在其中|dT/dt|＜R_krit的点。然而，在具有相应平均形式的数值实现的情况下，可以跳过该零位置。因此，在原始数据的数值评估的情况下，用于针对T₀设置新值的替代判据可以是与判据|dT/dt|＞R_krit的继续实行相结合的dT/dt的符号改变的出现。在温度关于时间的导数具有小于终止判据的幅度之前一直执行利用p_corr的校正，其中参考值可以是，例如，再次是R_krit。

根据上述考虑和该数据，用于正的温度跳变和负的温度跳变的系数a和b可以或者在给定情况下必须是不同的，其中用于每个压力转换器的具体值将被独立确定。在这样的情况下，已经发现了用于正的温度跳变的系数b取决于温度跳变的各个起始温度，并且，例如，可以通过多项式来描述，特别是T₀中的二阶或三阶的多项式。

用于dT/dt＞0的系数是：

a：＝a₊

$b\left(T_0\right):=\mathrm{\Σ}{b}_i\·T_0^i,i=\mathrm{0,1},...,N$ (尤其是N＝2或3)

对于负的温度跳变，在本发明的压力测量传感器的实施例的示例的情况下，常数系数a和b证明是足够的。

从而，用于dT/dt＜0的系数是：

a：＝a_-

b：＝b_-

根据给定的设计细节，对于负温度跳变，也可能需要系数，其取决于起始温度。

图2中的曲线示出了校正值的时间曲线，在每一种情况下根据0℃和20℃的起始温度的该校正值都用于补偿在140℃的正的温度跳变的情况下的压力误差。在这样的情况下，具有20℃的起始温度的曲线具有比具有0℃起始温度的曲线更大的幅度。

对于正的温度跳变和负的温度跳变之间的比较，还示出了用于140℃的负的温度跳变的校正函数，其中该校正函数不取决于起始温度。

显然对于负的温度跳变的校正的需要显著地小于对于正的温度跳变的校正。从而，例如，用于研究的传感器情况下的正的温度跳变的a的值在30和40之间，而用于作为起始温度的函数的正的温度跳变的b具有在20摄氏度到80摄氏度之间的起始温度的情况下的在-1到-6之间的值。对于负的温度跳变，研究的压力测量传感器的情况下的a的值在-5到-20之间，并且b的值具有0到1之间的恒定值。如先前已经提到的，这些系数要被类型明确地确定，并且并不直接地可从一个传感器类型过渡到另一个。

当然，在实施本发明中，温度的时间导数可以被确定而不是作为微商。代替地，基于存储的温度测量值，可以确定微商，其被用作温度的时间导数的估计值。只要微商的幅度无害地(acritically)超过阈值，就以值p_corr校正压力测量值p_s，其中用于计算校正值p_corr的关联温度值T0被记录。在微商的幅度减小(subceed)或者落到阈值之下之前一直执行校正，该阈值限定了温度跳变的校正的关闭标准。该限制值同样地可以是R_krit。

图3中所示的本发明的压力测量传感器1的实施例示例包括压力测量单元1a，该压力测量单元1a具有通过活性钎焊或者硬焊料4接合的陶瓷平台2和测量膜3。压力测量单元1a布置在壳体5中，其中壳体具有壳体开口14，压力测量单元的测量膜3通过该开口与被测量的介质接触。O形环密封6被轴向地夹持在测量膜3和壳体开口边缘的壳体5的径向向内作用的肩部之间。为了保持在壳体5中预加应力的压力测量单元，首先，陶瓷解耦环7压在压力测量单元的平台2的后侧，其中通过就位的金属环8来保持解耦环7，其中金属环8和壳体5均具有彼此互补的螺纹对8a的螺纹，可以以该螺纹来固定金属环8的轴向位置。经由在旋入环8、解耦环7和压力测量单元之间的刚性轴向耦合，还定义了尺寸d，其定义了测量单元相对于壳体的轴向位置，并且据此在给定温度情况下建立O形环密封的压缩压力。压力测量单元还由弹性体的L形密封环包围，该L形密封环密封在压力测量单元的横向(lateral)表面和壳体5之间的环状间隙，以便保护壳体的内部不受污染和潮湿的影响，尤其是在O形环6的安装发生之前。L环9不适用于在处理条件下抵抗介质压力。

压力测量单元包括电容转换器(未详细示出)，该电容转换器包括在测量膜上互相面对的电极以及平台面，其中电容转换器的输出信号被馈送到预处理电路10，其中预处理电路10包括温度传感器11，温度传感器11的测量值为静态以及动态温度影响的补偿提供参考。本发明的压力测量传感器还包括信号处理电路12，该信号处理电路12被布置在壳体5中的电路板上，其中信号处理电路12的输入被连接到预处理电路10，并且从后者接收数字化的温度信号以及数字化的原始压力信号。动态和静态温度影响的实际补偿由信号处理电路12来执行。

虽然受让人不希望受到涉及本发明的解释中的未补偿的压力信号p_s的不同时间行为的原因的理论的限制，然而下述解释应当用于使在正的温度跳变和负的温度跳变的情况下作为时间函数的不同的行为似乎可信。

压力测量传感器或者压力测量传感器到测量点的连接可以涉及热膨胀的不同系数的材料的材料配对，并且导致与理想弹性行为的偏差。从而，例如，弹性体密封具有比金属或陶瓷材料明显更大的热膨胀系数。因此，当弹性体密封被夹持在两个金属组件或者金属组件与陶瓷组件之间时，然后由于增加的温度，组件之间的夹持力变得更大。在这样的系统中的剪切力经由摩擦被传递，其中取决于温度的均衡位置的适应可以经由粘滑机构(stick slip mechanism)中的松弛而发生。正的温度跳变情况下的压力信号p_s的曲线可以基于这样的机构而出现。在负的温度跳变情况下，具有弹性体的组件比金属或陶瓷组件更加强烈地收缩，使得组件之间的耦合力减小，其支持相对于摩擦力更快的松弛。当弹性体在较高温度情况下部分地遭受塑性变形时更是这样，由此下降温度情况下的耦合力被进一步减小。

为了说明，在图3中对细节进行了引用。为了下述解释，使得在测量膜3中O形环6上画出的位置标记b被视作坐标系的原点。在温度增加的情况下，陶瓷测量膜3和陶瓷平台2的膨胀不如金属的壳体5强烈。结果，围绕壳体5的开口14并且从b点向左支撑O形环6的径向肩部13移动。O形环6具有仍然较大的膨胀系数，其导致轴向张力和增加的压缩压力。另外，O形环的移动受到径向肩部13的限制。因此，O形环的增加量将导致测量膜上O形环的承载区域相对于位置标记b向右的相对移动。由于O形环6和测量膜3的表面的摩擦力，这导致将弯矩引入到测量膜中，这可以在温度跳变的面中引起观察到的测量误差。

Claims (15)

1.一种用于补偿温度梯度对压力测量转换器的影响的方法，包括下述步骤：

记录压力信号S_p(t)，

记录温度信号T(t)，

探知压力测量值p_s(S_p(t)，T(t))

确定所述温度信号的时间导数dT/dt，

以取决于所述时间导数的校正函数校正所述压力测量值，

其特征在于，

作为所述时间导数的符号的函数，选择另一个校正函数，或者选择同类型的函数中的其他系数。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在dT/dt的一个符号的情况下应用的校正函数，p_corr(T，T₀，dT/dt)，对所述压力测量值具有比在dT/dt的另一符号的情况下应用的校正函数更大的影响。

3.根据权利要求2所述的方法，其中

|P_corr(T，T₀，dT/dt)/(dT/dt)|对于dT/dt＜0

小于

|P_corr(T，T₀，dT/dt)/(dT/dt)|对于dT/dt＞0。

4.根据前面权利要求之一所述的方法，其中，所述校正函数与所述温度的时间导数dT/dt成比例。

5.根据前面权利要求之一所述的方法，其中，仅当dT/dt的幅度超过参考值R_krit时应用所述校正函数。

6.根据前面权利要求之一所述的方法，其中，所述校正函数与和数成比例，所述和数包含常数以及系数与当前温度和温度跳变开始处的起始温度T₀之间的差的乘积。

7.根据权利要求5和6所述的方法，其中，所述起始温度T₀是在校正循环中第一次：|dT/dt|＞R_krit时测量的温度。

8.根据前面权利要求之一所述的方法，其中，由所述压力测量转换器输出的所述压力测量值以两阶段方法来探知，其中，首先，考虑到主信号和所述温度信号来获得压力测量值，并且其中，当所述温度的时间导数dT/dt的幅度超过参考值R_krit时发生对于动态温度波动的接下来的补偿。

9.一种压力测量传感器(1)，包括：

壳体(5)，所述壳体(5)具有壳体开口(14)；

在所述壳体中布置的压力测量单元(1a)；

在所述壳体中布置的温度传感器(11)，

其中，通过所述壳体开口(14)，所述压力测量单元(1a)可与介质压力相接触，

其中，所述压力测量单元(1a)具有转换器，所述转换器输出取决于压力的主信号，

其中，提供所述温度传感器(11)以记录与所述压力测量单元的行为相关的温度，并且输出与这样的温度相对应的温度信号，

其中，所述压力测量传感器进一步包括处理电路(12)，以便提供压力测量值，所述压力测量值取决于所述主信号、所述温度信号和所述温度信号的时间导数，

其中，所述时间导数对所述压力测量值的影响程度取决于所述时间导数的符号。

10.根据权利要求9所述的压力测量传感器，其中，所述压力测量单元通过所述壳体开口(14)可直接与所述介质接触，其中密封环(6)被轴向地夹持在围绕所述壳体开口的径向向内作用的肩部(13)和所述压力测量单元(1a)的端面之间。

11.根据权利要求10所述的压力测量传感器，其中，所述密封环由所述壳体壁的一部分径向地支撑。

12.根据权利要求9至11之一所述的压力测量传感器，其中，所述压力测量单元包括具有刚玉的测量膜和刚玉的平台的陶瓷压力测量单元。

13.根据权利要求9至12之一所述的压力测量传感器，其中，所述壳体包括金属，尤其是钢。

14.根据权利要求9至13之一所述的压力测量传感器，其中，为补偿动态温度影响参考的所述温度传感器与所述压力测量单元热接触。

15.根据权利要求9至14之一所述的压力测量传感器，其中，将所述温度传感器布置在所述压力测量单元的平台的后表面上，或者靠近所述后表面。

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