CN103080717B - 具有用于接收膜应力的槽的电容式压力传感器 - Google Patents
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Abstract
一种传感器组件，其包括壳体组件；电极装置；以及膜片，所述膜片具有固定到所述壳体组件的固定部分和响应于施加到所述膜片相对两侧上的压差可相对于所述电极装置移动的活动部分。所述膜片的固定部分相对于所述壳体组件的至少一部分而固定于一个或多个位置处；以及至少一个槽在所述膜片相对于所述壳体组件固定的多个位置和活动部分之间形成于所述膜片的固定部分内，以便减小所述膜片的活动部分上的任何应力。还公开了所述传感器组件的构建方法。
Description
技术领域
本发明涉及电容传感器，以及更具体地涉及一种包括膜片的低压电容式压力计，其构造成将膜片固定于压力表壳体内，以便消除在焊接过程中的挠曲，以及以便间隔膜片使其不受到焊接所导致应力的影响。
背景技术
电容传感器通常包括一个壳体，所述壳体包括两个腔室，即第一腔室和第二腔室，第一腔室用于容纳其压力有待测量的气体或蒸汽，而第二腔室用于容纳处于参考压力下的气体。参考压力通常由参考源或反映环境条件的环境气体来确定。两个腔室由定位于其间的挠性膜片所分离。膜片围绕其周缘固定，这样膜片将一个腔室和另一腔室通过密封隔离开来，且膜片具有一活动部分，其随着参考压力和所测得压力之间的压差而挠曲。在电容式压力计中，膜片与两个电极间隔开，一个电极通常为环形电极以及另一电极为中心电极，两个电极均与膜片活动部分的中心轴线轴向对准。电极定位于其中一个腔室内，通常是定位于含有参考气体的腔室内。当将压差施加到膜片上时，膜片相对于两个电极挠曲。通过将膜片电连接以便使其也起到电极的作用，可作为膜片和中心电极之间的电容与膜片和环形电极之间的电容之间电容差的函数来测量压差。由于参考压力已知，可以很容易地由电容测量来确定所测量的压力。
电容式压力计的压力测量范围部分地由膜片与环形电极和中心电极之间的间距来确定。在零位置，膜片的表面必须是平坦的且尽可能地平行于环形电极和中心电极。因此，有待测量的压差越低，那么需要将膜片相对于环形电极和中心电极更紧密地固定于传感器壳体内，以便给所考虑的压力范围提供最大的信号动态范围。这导致需要甚至更大的平行度。因此在将膜片固定于壳体内之前必须更加小心地搭接膜片表面，以便使其尽可能地平坦。另外，必须小心地将膜片固定于壳体内，从而确保膜片相对于环形电极和中心电极的合适位置和平行。膜片通常形成为传感器压力测量子组件的一部分，并随后焊接到包含环形电极和中心电极的参考子组件上。然而将膜片焊接到位会由于焊接中产生的应力而导致膜片挠曲，从而导致间隙变化。由于膜片将不会再是完全平坦的，因而挠曲引入一些不平行度。这对于用于测量相对低压差的传感器而言是特别关键的，其原因在于在膜片和环形电极与中心电极之间需要非常窄的间隙。
已知使用诸如电子束焊接和激光焊接的各种技术来提供具有降低的应力的焊接，但实施这种技术是相对昂贵的。使用诸如钨极气体保护电弧焊（GTAW）或等离子焊接的相对不太昂贵的技术会导致将更大的应力施加到膜片上。类似地，由于将膜片相对于壳体固定而使得膜片不经受挠曲是困难的，因此降低膜片厚度以适应较低压力是困难的。因此，理想的是如此构造传感器以至于膜片可固定于传感器壳体内，其中在传感器被组装好之后令人满意地保持膜片的平坦度以及膜片与环形电极和中心电极每一个之间的间隙间距。
发明内容
根据一方面，传感器组件包括壳体组件；电极装置；以及膜片，所述膜片具有固定到壳体组件的固定部分和响应于施加到膜片相对两侧上的压差可相对于电极装置移动的活动部分。所述膜片的固定部分相对于所述壳体组件的至少一部分固定于一个或多个位置处；以及至少一个槽在所述膜片相对于所述壳体组件固定的多个位置和活动部分之间形成于所述膜片的固定部分内，以便减小所述膜片活动部分上的任何应力。
根据另一方面，电容传感器组件布置成相对于参考压力来测量压力。所述电容传感器组件包括：壳体组件；相对于所述壳体组件牢固地固定的电极装置；以及挠性膜片，其具有（a）活动部分和（b）相对于所述壳体组件固定在一个或多个位置处的固定部分。所述壳体组件以彼此间隔开的关系支撑着所述膜片和电极装置，使得所述膜片的活动部分响应于施加到所述膜片活动部分相对两侧上的压差来相对于电极装置挠曲。所述膜片包括在所述膜片相对于所述壳体组件固定的多个位置和活动部分之间的至少一个槽，以便减小所述膜片活动部分上的任何应力。
根据另一方面，提供构建下述类型传感器组件的方法，所述传感器组件包括壳体组件；电极装置；以及膜片，所述膜片具有固定到所述壳体组件的固定部分和响应于施加到所述膜片相对两侧上的压差可相对于电极装置移动的活动部分。所述方法包括将所述膜片的固定部分相对于所述壳体组件的至少一部分固定于一个或多个位置处；以及在所述膜片相对于所述壳体组件固定的多个位置和活动部分之间在所述膜片的固定部分内形成至少一个槽，以便减小所述膜片活动部分上的任何应力。
附图说明
参照附图来进行下述说明，其中在全文中，具有相同参考字符标记的元件表示相同的元件，在附图中：
图1是结合改进结构的电容传感器组件的一个实施例的横截面视图；以及
图2是在图1所示实施例中所使用间隔件的一个实施例的顶视图。
具体实施方式
参照图1，电容传感器组件10的一个实施例用于相对于参考压力来测量压力。电容传感器组件10包括壳体组件12。壳体组件12包括至少两个子组件，即测量子组件14和参考子组件16。子组件14包括圆柱形部段18，其在一端具有用于容纳其压力有待测量的气体的开口20，以及在另一端具有膜片22。由部段18、开口20和膜片22所限定的空间限定用于容纳其压力有待测量的气体的测量腔室24。第二参考子组件16包括具有端板28的圆柱形部段26，其具有用于容纳入口管32的第一开口30，用于容纳电极装置的第二开口34，和吸气剂（虚线所示）40，所述电极装置包括中心电极36和环形电极38。当固定到第一壳体子组件上时，圆柱形部段26和端板28形成在相对端处由膜片22封闭的参考气体腔室42。入口管32被密封于端板28内，使得可以通过所述管将气体引入到参考气体腔室38内或通过所述管将气体从参考气体腔室38移除。参考气体可处于预定参考压力下，在这种情况下，一旦建立了参考压力就可以封闭所述管。备选地，参考气体可处于环境压力下，在这种情况下，可使得所述管敞开。电极36和38可用适当的电绝缘密封材料44（诸如玻璃，陶瓷等）而密封在位，使得它们相对于膜片的活动部分和相对于彼此正确地定位。间隔元件46通常为设置于膜片和电极之间的环形形式，从而使得电极36和38的每一个与膜片22的一侧间隔开预定距离。
膜片22被固定就位，从而使得测量气体腔室24和参考气体腔室42彼此通过密封隔离开来。此外，膜片22的外部部分相对于壳体组件14固定，而膜片22的与电极相对的中心部分48为活动部分，其通过作为施加到膜片22相对两侧上的压差函数的量而挠曲。
在操作过程中，施加到膜片上的压差可作为膜片22的活动部分48和中心电极36之间的电容与膜片22和环形电极38之间的电容之间的电容差的函数来测量。出于所述原因，膜片的活动区域48，中心电极36和环形电极38应被固定，使得它们彼此共轴地对准，以及膜片22需要尽可能地平坦，以便相对于两个电极来提供正确的电容测量。
在组装过程中，将膜片22固定到壳体组件12上，这样通过任何合适的手段（诸如焊接）而围绕其周缘部50将膜片固定在位。可以使用同一焊接来将间隔元件46和两个子组件14和16固定。膜片22应以如此的方式安装以至于确保测量气体腔室24和参考气体腔室42彼此隔隔开来，以便使得腔室可保持在彼此无关的压力下。在焊接过程中，机械应力通常被引入到膜片内，导致膜片22的活动部分48在其平坦度方面有些失真。当然，这会将误差带入到电容测量值中，从而带入到压力测量值内。
因此，理想的是如此构造传感器组件10以至于在将膜片22相对于壳体组件12固定后，膜片22保持其平坦度。具体而言，传感器组件被构造成包括下述结构，在膜片被焊接就位之后，所述结构用于减小膜片22活动部分48内的机械应力。在所示实施例中，通过在相对于壳体组件10固定的多个位置和膜片22的活动部分48之间的膜片22内形成槽52来减小机械应力。在所述的实施例中，膜片的整个周边部分被固定，这样槽52为围绕整个膜片的环形。所述槽的深度应该足以确保任何应力将由槽吸纳而不会影响膜片的活动部分。已经通过经验确定槽的深宽比为至少（约）5：1可提供最好的效果，但是所述深宽比可以改变。槽52与腔室之一流体连通，所示的实施例示出槽与参考气体腔室42流体连通。这导致在膜片22的相对侧上存在压差时，槽52内的气体与测量腔室24内的气体之间产生压差。因此，当压差处于所述传感器所设计压差范围的最大值时，槽52和测量气体腔室24之间的壁54应该足够厚以便保持刚性。
显示为环形的间隔元件46设计成确保槽52和参考气体腔室42之间流体连通。这可通过使得环的内径大于槽的直径来实现，或通过在环内形成与如图2所示环形槽的一个或多个部分对准的孔或槽来实现，图2中示出间隔件具有形成于所述环内侧部分上的槽56。
应当理解的是，根据各种技术，无论最初形成多大的机械应力，通过形成电容传感器组件以减小膜片上的机械应力允许将膜片相对于壳体固定。因此，可以采用诸如GTAW或等离子焊接的成本较低的技术，以便降低传感器的制造成本。
如本文所公开的本发明的新的和改进的电容传感器组件和方法及其所有元素都包含于至少一项下述权利要求的保护范围内。这里所公开的系统和方法的任何元素都不意味着放弃保护，也不意味着它们必需限制权利要求的解释。在这些权利要求中，对于单个元素的参考并非意味着“一个且只有一个”，除非特别声明，否则就是“一个或多个”。等同于在本公开中通篇描述的本技术领域那些普通技术人员已知或稍后已知的各种实施例的元素通过参考明确地并入本文，且意旨被权利要求所涵盖。此外，本文未公开的内容意旨贡献给公众，不管这种公开是否在权利要求书中明确记载。没有声明的元素根据35U.S.C§112第六节的规定进行解释，除非所述元素明确使用短语“用于……的装置（或手段）”来描述，或在方法权利要求的情况下，所述元素使用“用于……的步骤”的短语来描述。
Claims (22)
1.一种电容传感器组件，其布置成相对于参考压力来测量压力，所述电容传感器组件包括：
壳体组件，其包括测量子组件和参考子组件，其中，所述测量子组件包括具有开口的圆柱形部段；
电极装置，其相对于所述壳体组件被牢固地固定；
挠性膜片，所述挠性膜片布置在所述壳体内，并且具有(a)活动部分和(b)固定部分，其中，所述活动部分实施成响应压差而挠曲，所述固定部分相对于所述测量子组件的圆柱形部段固定在一个或更多个位置处；以及
间隔元件，其布置在所述膜片和所述电极装置电极之间以便使所述膜片和所述电极装置之间的间距维持一预定距离；
其中，所述膜片通过焊接被固定到所述壳体组件，从而所述膜片围绕它的周缘焊接就位，所述焊接还用于固定所述间隔元件和所述测量子组件及所述参考子组件；
其中，所述壳体组件以相对于彼此间隔开的关系支撑着所述膜片和电极装置，使得所述膜片的活动部分响应于施加到所述膜片的活动部分相对两侧上的压差而相对于所述电极装置挠曲；以及
其中，所述膜片包括位于所述挠性膜片相对于所述壳体组件固定的多个位置和所述活动部分之间的至少一个槽，以便减小由于焊接引起的、所述膜片的活动部分上的任何应力。
2.根据权利要求1所述的电容传感器组件，其特征在于，所述槽与所述膜片的活动部分的一侧流体连通。
3.根据权利要求2所述的电容传感器组件，其特征在于，所述壳体组件被如此构造以至于在所述膜片活动部分的一侧上包括用于容纳参考气体的参考腔室，以及在所述活动部分的另一侧上包括用于容纳其压力有待相对于参考气体来测量的气体的测量腔室。
4.根据权利要求3所述的电容传感器组件，其特征在于，所述参考气体处于环境压力下，且进一步包括用于将处于环境压力下的气体引入到所述参考腔室内的入口。
5.根据权利要求3所述的电容传感器组件，其特征在于，所述参考气体处于预定压力下，且进一步包括用于将处于预定压力下的参考气体引入到所述参考腔室内的入口。
6.根据权利要求3所述的电容传感器组件，其特征在于，所述参考腔室和所述测量腔室通过密封彼此隔离开来。
7.根据权利要求6所述的电容传感器组件，其特征在于，所述电极装置固定于所述参考腔室内。
8.根据权利要求7所述的电容传感器组件，其特征在于，所述电极装置包括一个环形电极和一个中心电极，所述环形电极和中心电极中的每一个相对于所述膜片的活动部分间隔开一预定距离。
9.根据权利要求3所述的电容传感器组件，其特征在于，所述槽与所述参考腔室流体连通。
10.根据权利要求1所述的电容传感器组件，其特征在于，所述间隔元件是环形间隔件，从而所述活动部分相对于所述电极装置通过施加于所述膜片活动部分相对两侧上压差的预定范围而挠曲。
11.根据权利要求10所述的电容传感器组件，其特征在于，所述环形间隔件被如此形成以至于允许所述膜片的槽的至少一部分与所述膜片的活动部分的一侧流体连通。
12.根据权利要求11所述的电容传感器组件，其特征在于，所述膜片的槽和所述膜片的活动部分的一侧容纳参考气体。
13.根据权利要求12所述的电容传感器组件，其特征在于，所述参考气体处于环境压力下。
14.根据权利要求12所述的电容传感器组件，其特征在于，所述参考气体处于参考压力下。
15.根据权利要求11所述的电容传感器组件，其特征在于，所述环形间隔件具有形成于其中的多个槽，所述槽与所述膜片的槽的一个或多个部分对准，以保证所述膜片的槽与在所述膜片的活动部分的一侧上的、用于容纳参考气体的参考腔室之间流体连通。
16.根据权利要求1所述的电容传感器组件，其特征在于，所述膜片完全围绕所述膜片的固定部分而固定到所述壳体组件，以及所述膜片中的槽为环形槽。
17.根据权利要求16所述的电容传感器组件，其特征在于，所述间隔元件是环形间隔件，从而所述活动部分相对于所述电极装置通过施加于膜片活动部分相对两侧上压差的预定范围而挠曲，所述环形间隔件包括多个槽，每个槽与所述膜片的环形槽对准，从而维持所述膜片的槽与所述膜片的活动部分的一侧流体连通。
18.一种构建传感器组件的方法，所述传感器组件包括
壳体组件，其包括测量子组件和参考子组件，其中，所述测量子组件包括具有开口的圆柱形部段；
电极装置；
膜片，其具有固定部分和活动部分，所述固定部分固定到所述壳体组件，和所述活动部分响应于施加到所述膜片相对两侧的压差可相对于所述电极装置移动；以及
间隔元件，其布置在所述膜片和所述电极装置电极之间，以便使所述膜片和所述电极装置之间的间距维持一预定距离，
所述方法包括：
通过焊接将所述膜片的固定部分相对于所述壳体组件的至少一部分而固定于一个或多个位置处，从而所述膜片围绕它的周缘固定就位，所述焊接还用于固定所述间隔元件和所述测量子组件及所述参考子组件；以及
在所述膜片相对于所述壳体组件固定的多个位置和所述活动部分之间在所述膜片的固定部分中形成至少一个槽，以便减小所述膜片的活动部分上因所述焊接引起的任何应力。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，将所述膜片的固定部分进行固定包括将所述膜片的固定部分焊接到所述壳体组件的一部分。
20.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，形成至少一个槽包括在将所述膜片固定在位之后，对所述膜片固定部分内的槽进行放电加工。
21.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述间隔元件是位于所述电极装置和膜片之间的环形间隔件，以便固定位于所述膜片的活动部分和电极装置之间的间隙间距。
22.根据权利要求21所述的方法，还包括在环形间隔件内形成至少一个槽，这样所述间隔件中的槽与膜片中的槽对准，以便使得所述膜片中的槽与所述膜片的一侧流体连通。
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