CN105074407B - 用于测量周围介质压力的电容式压力测量元件 - Google Patents

用于测量周围介质压力的电容式压力测量元件 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于测量周围介质压力的电容式压力测量元件(1)，其具有弹性测量膜片(2)，其第一侧(2a)与介质至少部分接触，而其背对介质的第二侧(2b)包括测量电极(7)和用来测量温度的由具有温敏电阻的材料制成的电阻元件。此外，压力测量元件还具有基体(3)，其与所述测量膜片(2)的第二侧(2b)相对，并具有对电极(8)，所述对电极(8)与所述测量电极(7)构成测量电容。根据本发明，电阻元件形成为所述测量膜片(2)第二侧(2b)和所述测量电极(7)之间的电阻层(4)。

Description

用于测量周围介质压力的电容式压力测量元件
技术领域
本发明涉及根据权利要求1的前序部分所述的用于测量周围介质压力的电容式压力测量元件。
背景技术
这种压力测量元件是已知的，并且在过程工程(process enginerring)的许多领域中用于过程监视。为了测量该测量元件周围介质的压力，测量元件具有弹性测量膜片，该膜片在介质内存在的压力作用下偏转。在这种情况下，偏转或者更具体地说是膜片的可逆变形，通过机电手段转换成对应的电测量信号。作为电容式机电变换器，其布置在测量膜片背对介质那一侧的测量电极，与布置在基体反面的相对电极一起，形成测量电容器，该电容器具有随着测量膜片在压力作用下偏转而变化的电容值。测量膜片与基体一起，形成相对于介质耐压的测量室。
这些电容式压力测量元件具有这样的问题，当所使用的介质温度迅速变化，在压力测量中将产生测量误差，原因是测量膜片与介质直接接触，因此受到所述介质温度波动的影响。
众所周知，基体的温度，或者更具体地说是基体温度的缓慢变化，是通过对所述基体周围温度的测量来确定的，并且使用这些温度测量值来相应修正压力测量值。如果压力测量元件的测量膜片和基体之间存在大的温差，尤其如果介质的温度迅速地或者相当突然地变化，这种修正方法仍然会导致所计算压力值的错误跳跃，只有让整个压力测量元件的温度全面地上升，所计算的压力值才会慢慢回归到正确的测量值。
此外，众所周知，对于压力测量元件基体以及压力测量元件测量膜片两者温度的测量，目的还在于确定温度补偿的压力测量值，以及通过这两个温度测量值来补偿压力测量值。
为此，以DE4011901A1举例来说，就有了一种电容式压力测量元件，其中测量膜片设置了由具有温敏电阻的材料制成的电阻轨道。在所述例子中，该电阻轨道布置为环状，其围绕圆形测量电极，所述圆形测量电极作为测量电容的电容极板，这样电阻轨道仅仅在测量膜片的边缘区域延展。然而，已经证明，电阻轨道在边缘区域的这种布置不能正确测量测量膜片的温度，因为外壳紧邻部分内的热消散会导致测量膜片边缘区域温度的迅速下降，所以这是一个会导致测量误差的特征。
发明内容
基于现有技术，本发明的目的是提供一种上述类型的压力测量元件，其测量膜片温度测量的测量精度可以比现有技术更高。
该技术目的可以通过权利要求1公开的压力测量元件的特征来实现。
这种用于测量周围介质压力的电容式压力测量元件，包括弹性测量膜片，其第一侧与介质至少部分接触，而其背对介质的第二侧，包括测量电极和用来测量温度的由具有温敏电阻的材料制成的电阻元件；以及包括基体，其与所述测量膜片的第二侧相对，具有对电极，所述对电极与所述测量电极形成测量电容，根据本发明，其特征在于电阻元件形成为所述测量膜片第二侧和所述测量电极之间的电阻层。
本发明的这种压力测量元件的优势在于，几乎测量膜片的整个可用表面都用作电阻层，结果就是温度测量中考虑到了整个测量膜片上的温度情况，这样就只会发生很小的温度误差。
此外，在本发明压力测量元件的使用中已经发现，能够即时且直接地探测到介质温度快速或者更具体地说是突然的变化。
电阻层可以使用测量电极的生产工艺进行生产，在这种情况下，通过绝缘层将所述两层分开。测量电极和电阻层的制造，可以使用相同的材料，例如金；也可以使用不同的材料，举例来说，测量电极用金，而电阻层用白金/白金化合物。
根据本发明的一个实施例，把电阻层和测量电极设计成或多或少是全等的，这种设计具有特别的优势。这样一来，采用同一片掩模既可以生产测量电极又可以生产电阻层。
此外，根据本发明的一个实施例，电阻层可以结构化，优选具有蜿蜒结构。接着绝缘层可以同步用作为结构化电阻层的平坦层，这样测量电极能够应用到平坦的绝缘层。
最后，如果测量电极和/或基体是由陶瓷材料制成的，这将是具有优势的。
使用本发明的压力测量元件制造压力变送器是具有优势的。
下面将通过结合附图的典型实施例解释本发明。
附图说明
图1为本发明典型实施例压力测量元件的剖视示意图
图2为图1细节的放大图
图3为结构化电阻层的第一典型实施例
图4为结构化电阻层的第二典型实施例
具体实施方式
本电容式测量元件包括测量室6，该测量室6由陶瓷基体3和同样由陶瓷制成的测量膜片2形成。为了制造耐压测量室6，测量膜片2和基体3在边缘处通过诸如玻璃、玻璃焊锡或者玻璃合金材料制得的间隔件3a分开，并且相互连接。
利用称为第一侧的外侧2a，测量膜片与介质接触，该介质的压力要通过测量元件1测量。测量膜片2的称为第二侧的内侧2b覆有电阻层4，所述电阻层4由体现温敏电阻性质的材料制成。电阻层4或者覆盖整个表面以圆形的形状成型，或者结构化，例如设计为具有蜿蜒的结构。连接引线4a、4b在边缘处经过间隔件3a和基体3延展到电子单元(未示出)。电阻层4的升温是根据测量膜片进行的，因此电阻值随着测量膜片2的温度而变化，因此电阻值可以评价为确定测量膜片温度的测量值。
测量电极7居中布置在电阻层4上，且两者之间插入绝缘层。根据图1，该测量电极7的直径被设计成小于电阻层4的直径，在这个例子中，测量电极7和电阻层4两者都突出进入到间隔件3a的区域，并且它们各自的引线4a、4b和7a分别在玻璃焊锡层中延展。在本典型实施例中，电阻层4具有比测量电极7大的表面面积。也就是说，电阻层4的径向延伸要超过测量电极。该特征的优势在于，不需要再另外延展引线就与各层直接接触。
然而，也可以将测量电极层4和电阻层4做成两者全等。
如果电阻层4结构化为蜿蜒的形状，那么绝缘层也要同步用作为电阻层4的平坦化层，这样测量电极7能够应用在该平坦化电阻层4上。接着电阻层4的连接引线4a、4b能够布置在例如径向相对侧，并且能够穿过玻璃的接缝7a延展。
在另一个实施例中，这里没有更加详细的显示，也能够选择电阻层4具有小于测量电极7的表面面积，并且将其布置成与玻璃接缝7a相分隔。这种布置下，测量膜片2中心区域的温度可以得以平均化，这样，抑制了由于质量大于测量膜片2而成为热载体的装配结构，对测量膜片的影响。
测量电极7和圆形的对电极8布置在基体3的相对面上，一起形成了测量电容，该测量电容的测量电容值随着测量膜片2由介质压力引起的偏转而变化。所述对电极8被圆环形参比电极9包围，该参比电极9和测量电极7一起形成了参比电容，该参比电容的参比电容值几乎是不变的，原因是其处在测量室6外边缘的位置，在该位置测量膜片基本上没有偏离。测量电极7、对电极8和参比电极9分别通过连接引线7a、8a和9a连接到测量元件1的电子单元(未示出)。
图2为图1电阻层4连接引线区域的放大图。
图2非常清楚地显示了由测量电极7、绝缘层10、电阻层4和测量膜片2组成的分层结构。如图2所示，测量电极7和电阻层4的大小都要能够进入到径向布置的玻璃接缝中，该玻璃接缝也作为间隔件7a使用。该配置使得以垂直于玻璃接缝中测量电极和电阻层的方式延展的连接引线7a、4a和4b能同时与测量电极7和电阻层4接触。
从图2还能够容易地看出，绝缘层10径向的延伸范围超过了测量电极7，这样布置的最后结果就是测量电极7和电阻层4之间是绝缘的。
另外，图2还显示了其他的选项，那就是为了测量温度，第二连接引线4b能够走内部与测量电极7连接，这样温度测量能够发生在电极7a和4a之间。结果就是可以不需要将连接引线4b引出。
图3以平面图的形式显示了，电阻层4在图1、图2所示传感器中使用情况的第一典型实施例。
在图3的典型实施例中，在整个表面上实施了电阻层4的金属化，并且布置有U形槽，目的是产生足够长的电流路径，从而产生足够大的电阻。在所述槽的内侧布置有第二连接引线4b，该第二连接引线4b以舌状的形式延伸到该槽中。
图4以平面图的形式显示了电阻层4另外的实施例，在该实施例中，将电阻层4设计成具有在圆形表面上蜿蜒的形状。对于温度测量来说，通过将电阻层的走向设置成具有多个弯曲，更具体地说是多个来回，可以产生和图3典型实施例相比的，长得多的电流路径，从而还产生了大得多的电阻。在图4的典型实施例中，电阻层的连接引线7a、4a和4b布置在电阻层4的相对两侧，但是通过例如沿圆周方向延展的导体线路，它们也能做到彼此直接近邻，一起穿过间隔件7a，就像图1和2中所示。
在所述测量元件1中，可以对受到测量误差影响且由测量电容生成的压力测量信号进行修正，更具体地说，可以根据指定的算法，通过温度值进行补偿，所述温度值由温敏电阻测量电阻层4所得的值来确定。
附图标记
1.压力测量元件
2.测量膜片
2a.测量膜片2的第一侧
2b.测量膜片2的第二侧
3.基体
3a.间隔件
4.电阻层
4a.电阻层4的第一连接引线
4b.电阻层4的第二连接引线
6.压力测量元件1的测量室
7.测量电极
7a.测量电极7的连接引线
8.对电极
8a.对电极的连接引线
9.参比电极
9a.参比电极的连接引线

Claims (6)

1.用于测量周围介质压力的电容式压力测量元件(1)，包括：
弹性测量膜片(2)，其第一侧(2a)与介质至少部分接触，而其背对介质的第二侧(2b)包括测量电极(7)和用来测量温度的由具有温敏电阻的材料制成的电阻元件；以及
基体(3)，其设置成与所述测量膜片(2)的第二侧(2b)相对，具有对电极(8)，所述对电极(8)与所述测量电极(7)构成测量电容，
其特征在于所述电阻元件形成为所述测量膜片(2)第二侧(2b)和所述测量电极(7)之间的电阻层(4)，其中所述电阻层与所述测量电极通过绝缘层彼此分开，所述测量膜片(2)和所述基体(3)在边缘处通过间隔件(3a)分开并且相互连接，所述电阻层(4)的连接引线(4a、4b)在边缘处经过所述间隔件(3a)和所述基体(3)延展到电子单元，并且所述测量电极(7)的直径被设计成小于所述电阻层(4)的直径，所述测量电极(7)和所述电阻层(4)两者都突出进入到所述间隔件(3a)的区域。
2.用于测量周围介质压力的电容式压力测量元件(1)，包括：
弹性测量膜片(2)，其第一侧(2a)与介质至少部分接触，而其背对介质的第二侧(2b)包括测量电极(7)和用来测量温度的由具有温敏电阻的材料制成的电阻元件；以及
基体(3)，其设置成与所述测量膜片(2)的第二侧(2b)相对，具有对电极(8)，所述对电极(8)与所述测量电极(7)构成测量电容，
其特征在于所述电阻元件形成为所述测量膜片(2)第二侧(2b)和所述测量电极(7)之间的电阻层(4)，其中所述电阻层与所述测量电极通过绝缘层彼此分开，所述测量膜片(2)和所述基体(3)在边缘处通过间隔件(3a)分开并且相互连接，所述电阻层(4)的连接引线(4a、4b)在边缘处经过所述间隔件(3a)和所述基体(3)延展到电子单元，并且所述电阻层(4)和所述测量电极(7)设计成两者基本全等，所述测量电极(7)和所述电阻层(4)两者都突出进入到所述间隔件(3a)的区域。
3.如权利要求1或2所述的压力测量元件(1)，其特征在于所述电阻层(4)被结构化。
4.如权利要求3所述的压力测量元件(1)，其特征在于所述电阻层(4)结构化为具有蜿蜒的形状。
5.如权利要求1或2所述的压力测量元件(1)，其特征在于所述测量膜片(2)和/或所述基体(3)由陶瓷材料制成。
6.具有任一前述权利要求所述压力测量元件(1)的压力变送器。
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