CN106248290A - 用于流通压力传感器的传感器主体 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于流通压力传感器的传感器主体，公开了一种用于流通压力传感器的传感器主体，其包括接收应变计的应变计表面。应变计表面具有弯曲区段和沿传感器主体的长度的一部分延伸的长度。孔壁厚度被限定为所述孔和所述传感器主体的外表面之间的径向距离，该外表面包括所述应变计表面。相比于应变计表面完全是平面的其它传感器主体，相比于平面表面，弯曲区段能够在其区域上具有实质上更大的孔壁厚度，这是因为用于应变测量的更大的响应表面区域是可用的。因此，可以使用更大的应变计并且增加压力测量的精确性。其它优点包括能够用单个压力传感器测量的更大范围的压力，以及增加的部件可靠性和寿命。

Description

用于流通压力传感器的传感器主体
技术领域
本发明总体上涉及用于加压流体的流通压力传感器。更具体地，本发明涉及用于流通压力传感器的传感器主体。
背景技术
高性能液体色谱（HPLC）和UPLC®液体色谱系统要求在运行压力范围上的稳定高压系统流动。例如，根据系统能力和具体应用，系统压力可以是小于数千磅每平方英寸（psi）（14兆帕斯卡（MPa））至大于20,000 psi（140 MPa）。在另一示例中，用于灌注引动和净化（prime and purge）循环的喷射压力可以是150 psi（1.0 MPa）。压力传感器能够用于获得系统内多个位置处的压力测量值，以便检验适当的压力和精确地维持指定的系统压力。
流通压力（flow through pressure）传感器通常比用于色谱应用的其它类型的压力传感器更为优选，以使流动路径中的死体积最小化。死体积能够导致样品或其它流体组分被拦截，并且可以导致后续的色谱分离中的交叉污染。常规的流通压力传感器通常采用应变计和可以包括惠斯通电桥和信号处理部件的传感器电路。这些流通压力传感器就能够测量的压力的范围而言是受限的。通过在增加的压力范围上使用这样的压力传感器能够导致过早失效，并且增加传感器电路的放大能够导致信号衰减。此外，这些传感器可能难以制造、组装和测试。
常规的流通压力传感器能够被制造成在附接至应变计的应变计表面的平面和容纳或通过加压流体的孔的壁之间具有不同的孔壁厚度。每个孔壁厚度对应于能够精确测量的有限的压力范围。因此，需要具有类似构造但具有不同的应变计表面的孔壁厚度的大量传感器来覆盖大范围的压力。
发明内容
在一方面，本发明的特征在于用于流通压力传感器的传感器主体。该传感器主体包括入口端口、出口端口和孔，该孔具有孔表面并且沿孔轴线在入口端口和出口端口之间延伸。传感器主体具有应变计表面，该应变计表面具有弯曲区段和沿传感器主体的长度的一部分延伸的长度。传感器主体具有一定孔壁厚度，其被限定为孔表面和传感器主体的外表面之间的径向距离，其中该外表面包括应变计表面。
在另一方面，本发明的特征在于用于流通压力传感器的传感器主体。传感器主体包括入口端口、出口端口和孔，该孔具有孔表面并且沿孔轴线在入口端口和出口端口之间延伸。传感器主体具有：应变计表面，该应变计表面具有沿传感器主体的长度的一部分延伸的长度；弯曲区段，其由具有与孔轴线重合的圆筒轴线的圆筒表面的一部分限定；从弯曲区段的边缘延伸的第一平面区段；以及从弯曲区段的相对边缘延伸的第二平面区段。传感器主体具有一定孔壁厚度，其被限定为孔表面和传感器主体的外表面之间的径向距离，其中该外表面包括应变计表面。
在又一方面，本发明的特征在于包括传感器主体和箔式应变计的流通压力传感器。传感器主体具有入口端口、出口端口和孔，该孔具有孔表面并且沿孔轴线在入口端口和出口端口之间延伸。传感器主体具有应变计表面，该应变计表面具有沿传感器主体的长度的一部分延伸的长度。应变计表面具有弯曲区段、从弯曲区段的边缘延伸的第一平面区段和从弯曲区段的相对边缘延伸的第二平面区段。传感器主体具有一定孔壁厚度，其被限定为孔表面和传感器主体的外表面之间的径向距离，其中该外表面包括应变计表面，并且其中所述孔壁厚度对于应变计表面的弯曲区段而言是恒定的。
附图说明
通过结合附图参见以下描述可以更好地理解本发明的上述及其它优点，其中各种图中同样的附图标记指代同样的元件和特征。为了清晰，并没有在每幅图中标记每个元件。附图不必要成比例，而是将重点放在说明本发明的原理上。
图1是常规流通压力传感器的传感器主体的透视图示。
图2A、图2B和图2C分别是图1的传感器主体的侧视图、俯视图和横截面侧视图。
图3是具有金属导体图案的箔式应变计的图示，其适于感测沿一条轴线的应变。
图4是图1的传感器主体在应变计表面的位置处沿孔轴线的横截面视图。
图5是应力随沿图1的传感器主体的应变计表面的宽度的距离而变的曲线图。
图6是根据本发明的实施例的流通压力传感器的传感器主体的透视图示。
图7A、图7B和图7C分别是图6的传感器主体的侧视图、俯视图和横截面侧视图。
图8是图6的传感器主体在应变计表面的位置处沿孔轴线的横截面视图。
图9A示出叠加在图5的曲线图上的、应力随沿图6的传感器主体的应变计表面的弧长度的距离而变的曲线图，其中图6的传感器主体的最小孔壁厚度是图5所表示的传感器的最小孔壁厚度的两倍。
图9B示出叠加在图5的曲线图上的、应力随沿图6的传感器主体的应变计表面的弧长度的距离而变的曲线图，其中两个曲线图所表示的传感器主体的最小孔壁厚度是相同的。
图10是根据应变计表面的三个不同弯曲区段的应力随沿图6的传感器主体的应变计表面的弧长度的距离而变的曲线图，其中每个弯曲区段相对于孔轴线在不同角度上延伸。
具体实施方式
在本说明书中提及“一种实施例”或“一个实施例”意味着在教导的至少一种实施例中包括结合该实施例所描述的特点、特征、结构或特性。提及说明书内的具体实施例不必要全部提及相同的实施例。
如本文所使用的那样，孔壁厚度意味着限定孔的圆筒表面和围绕该孔的主体的外表面之间的径向距离。因此，对于具有中央孔的名义圆筒主体而言，孔壁厚度对应于外圆筒表面和孔表面之间的径向距离和主体中的外表面特征和孔表面之间的径向距离。例如，相比于主体的外圆筒表面的孔壁厚度，对于表面特征上的点，名义圆筒主体中的凹入表面特征将具有更小的孔壁厚度。
如本文所使用的那样，传感器主体意味着形成传感器的部分的主体、物体或者结构。可以将额外的传感器部件（诸如传感器装置、电子部件和电路）附接到传感器主体并且上述传感器部件可以经由电气的、光学的、无线的或其它通信形式与传感器主体上或传感器主体中、或者远离传感器主体的其它传感器部件通信。
根据本发明的原理的用于流通压力传感器的传感器主体的实施例包括表面，以接收应变计（诸如箔式应变计）。相比于应变计被限制于平面表面上的狭窄区域的用于常规流通压力传感器的传感器主体，本文所描述的实施例具有能够测量应变的更大的响应表面区域。常规压力传感器主体的更小响应表面区域需要应变计更加紧凑并且通常导致测量精确性的降低。
基于本文所描述的传感器主体的实施例的流通压力传感器的优点包括能够用单个压力传感器测量更大范围的压力、提高的部件可靠性和寿命，以及增加的对压力变化的敏感性。
现在将参考如附图中所示的本教导的实施例更加详细地描述本教导。虽然结合各种实施例和示例描述了本教导，但是不旨在将本教导限制于这样的实施例。相对地，如本领域技术人员将认识到的那样，本教导涵盖各种替代方案、改型和等价物。能够利用本文的教导的那些普通技术人员将意识到落入如本文所描述的本公开的范围内的额外实施方式、改型和实施例，以及其它应用领域。
图1示出常规流通压力传感器的传感器主体10的透视示图。该流通压力传感器能够用于各种应用，包括确定液体色谱系统中的系统流动或其它流动的压力。来自压力传感器的输出测量信号或者输出数据可以用于控制一个或多个泵系统，诸如用于使流动相（mobile phase）加压的泵。图2A、图2B和图2C分别是图1的传感器主体的侧视图、俯视图和横截面侧视图。
参考图1至图2C，传感器主体10的形状近似为圆筒。呈中央孔的形式的流体通路12沿与主体的纵轴线重合的孔轴线18从入口端口14延伸到出口端口16。端口14和16被构造成用于联接到流体导管，例如，通过使用压缩配合部件，诸如压缩螺母和箍圈。其它结构特征包括抗旋转凹入表面20，其适于接收外部结构元件，以防止传感器主体10围绕孔轴线18旋转。当流体导管连接到入口端口14或出口端口16时，能够使用抗旋转表面来防止传感器主体10旋转和被损坏。
传感器主体10包括应变计表面22和两个相邻的平行平面表面24。应变计表面22是传感器主体10的外表面的一部分并且具有平坦的矩形形状。完整的流通压力传感器包括附接到应变计表面22的箔式应变计。例如，图3示出用于沿一个（水平）方向测量应变的应变计的金属箔导线分布图（conductor pattern）。箔式应变计也包括柔性绝缘层（未示出），其布置在金属箔导线分布图下方并且将分布图与应变计表面22分离。再次参考图1至图2C，粘接剂或者粘合剂被用于将箔式应变计附接到应变计表面22。由于表面22根据中央孔24中的流体的压力变形，因此使金属箔分布图变形，从而导致其电阻的改变。阻抗由惠斯通电桥电路或者其它电气电路确定。对应的流体压力由测量的阻抗确定。应变计表面22可以具有大于箔式应变计的面积的面积，以允许存在用于连接到箔上的电触点的线的空间。能够代替地或者额外地通过使用在相邻平面表面24上方可用的体积做出对线的通达（access）。
图4示出在与应变计表面22的相交的平面中沿孔轴线18的横截面视图。中央孔12将加压流体从入口端口沿着沿孔轴线18的方向引导到出口端口。孔壁厚度从沿竖直方向的最小值Tmin变化到最大值Tmax，该最大值Tmax等于传感器主体的半径Rbody和孔12的半径Rbore的差异。最大孔壁厚度Tmax延伸越过传感器主体10的多于一半的圆周。主要将应变施加在由沿应变计表面22的长度L（图2B）限定的小区域上和宽度W的一部分上，该部分对应于围绕孔轴线18的狭小角度θ，在该角度上孔壁厚度近似是Tmin。
也参考图5，曲线42表明根据沿面距离或宽度W的位置（如从宽度W的中点开始测量），响应于20,000 psi（140 MPa）的压力沿应变计表面22施加的应力。高且窄的应力峰明显地位于宽度W的中心，在对应于最小孔壁厚度Tmin的位置处。这个应力廓线沿对应于应变计表面22的长度L的方向（图2B）延伸进入附图的平面内。
经历显著应变的应变计表面22的有限面积导致定位箔式应变计的紧密容差并且需要执行困难的校准。为了改善压力传感器的敏感性以便测量更低的压力，能够减少最小孔壁厚度Tmin；但是，由于爆裂或者其它结构失效，结果可能是寿命的减少。
图6示出根据本发明的用于流通压力传感器的传感器主体30的实施例的透视图示。图7A、图7B和图7C分别是图6的传感器主体30的侧视图、俯视图和横截面侧视图。传感器主体30优选地由高纯度钛合金制成；不过在其它实施例中，传感器主体30由不同金属（诸如不锈钢合金）或者能够与加压流体相容并且适于不超过材料的弹性形变极限的循环应变负载的非金属材料制成。
传感器主体30的形状类似于图1的传感器主体10，不过仅设有一对抗旋转表面36。此外，包括两个环状沟槽38，并且上述环状沟槽38被构造成接收O形圈以使得能够实现传感器主体30的外表面和分离的结构或主体的周围周向表面之间的密封。
应变计表面32显著地不同于图1的常规传感器主体10中的配对表面22。具体地，应变计表面32包括第一平面区段32A，其无缝地与弯曲区段32B的边缘34A合并，并且从该边缘34A延伸。第二平面区段32C无缝地与弯曲区段32B的另一侧上的相对边缘34B合并，并且从该边缘34B延伸。弯曲区段32B相对于孔轴线18周向地延伸越过近似90°的角度。
图8是与应变计表面32相交的平面中沿孔轴线18的横截面视图，并且图9A示出响应于20,000 psi（140 MPa）的压力的沿应变计表面32的弧长度Larc施加的应力的曲线40。图5的应力曲线对应于图1的传感器主体10的应变计表面22，并且其最小孔壁厚度是图6的传感器主体30的最小孔壁厚度Tmin的一半，叠加该应力曲线作为曲线42以便比较。因此，曲线42呈现曲线40的峰值应力的近似两倍。传感器主体30的更大孔壁厚度产生关于疲劳应力的更大的安全边际，同时提供更大的可测量响应区域以允许与传感器主体10测量相同的压力。图9B示出图9A的应力曲线40，并且也示出如果传感器主体10的最小孔壁厚度Tmin增加到等于传感器主体30的最小孔壁厚度时，传感器主体10的应力曲线43。因此，传感器主体10上的更厚孔壁在以减小的压力敏感性的代价下产生更大的安全边际。
曲线40示出穿过传感器主体30的弧长度Larc，宽阔的应力区域是明显的，其对应于存在于弯曲区段32B的整个区域上的并且相对于孔轴线18延伸越过近似90°的角度φ的最小孔壁厚度Tmin。在其它实施例中，角度φ能够是不同的。例如，为了在不改变最小孔壁厚度Tmin的情况下实现改进的敏感性，弯曲区段32B能够延伸越过实质上更大的角度φ。
图10示出响应于20,000 psi（140MPa）的压力、应力分别随针对60°、90°和135°的三种不同角度φ的弧长度Larc而变的曲线44、40和48。当传感器主体具有带有更小直径的中央孔时，更大的角度φ可以是优选的，以补偿产生的增加的孔壁厚度。
实际上，图8中示出的应变计表面32等价于图4中所示的应变计表面22围绕孔轴线18的弯曲。箔式应变计是柔性的并且采取表面32（其粘接至该表面32）的总体形状。在一些实施例中，箔式应变计的宽度窄于弯曲区段32B的弧长度Larc。在其它实施例中，箔式应变计宽于弯曲区段32B的弧长度Larc并且延伸到平面区段32A和32C中的一者或两者的至少一部分上。
虽然由于压力变化，应变计表面32处的应力变化总体上小于对于相同的压力变化，在类似的最小孔壁厚度处传感器主体10（图1）的应变计表面22上的窄应力带的应力变化，但是传感器主体30的应变计表面32的实质上更大的响应区域导致显著更大的累积效应，并且对于相同的压力变化从箔式应变计产生实质上更大的电响应。更具体地，具有最小孔壁厚度Tmin的弯曲区段32B的弧长度Larc由下式给出：
Larc = (φ/360) * 2π(Rbore + Tmin)。
因此，应变计表面32的感测面积实质上大于常规传感器主体的感测面积。感测面积近似由弧长度Larc和应变计表面32的长度的乘积得出（图7B）。因此，装备有与常规传感器主体相同的箔式应变计的传感器主体30能够用于监测更大范围的压力。替代性地，传感器主体30能够用作对于固定的压力范围具有增加的精确性的流通压力传感器的一部分。
有利地，由于应变计表面32具有实质上更大的响应面积，因此最小壁厚度Tmin能够更大，从而可以在没有常规传感器主体的紧密公差需求的情况下制造传感器主体30。因此，可以采用其它形式的制造工具并且可以减少制造时间和成本。
虽然上文所描述的传感器主体的实施例包括应变计表面，并且该应变计表面包括限定为具有与孔轴线重合的圆筒轴线的圆筒表面的一部分的弯曲区段，但是其它实施例的应变计表面能够包括其它非平面区段，使得有助于箔式应变计的输出信号的表面面积实质上大于常规传感器主体的该表面面积。例如，图7中的弯曲区段32B在附图的平面中被示为延伸通过圆的圆周的四分之一的弧，弯曲区段可以代替地由抛物线的一部分、椭圆的一部分或者产生增加的响应面积的其它非线性节段限定。
如上文所述，通过使用所示实施例，减少了能够用于覆盖大范围压力的传感器主体30的数量。每个传感器主体30具有对应于针对其预期用途的压力范围的最小孔壁厚度Tmin，不过所有传感器主体的电路构造和部件能够是相同的。此外，在一些实施例中，针对相同的压力范围，用于传感器主体30的最小壁厚度Tmin大于用于常规传感器主体的最小壁厚度，从而产生改进的可靠性和增加的寿命。
虽然已经参考具体实施例示出并且描述了本发明，但是本领域技术人员应该理解的是，在不背离如所附权利要求所陈述的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节方面对本发明作出各种改变。

Claims (15)

1. 一种用于流通压力传感器的传感器主体，所述传感器主体包括入口端口、出口端口和孔，所述孔具有孔表面并且在所述入口端口和所述出口端口之间沿孔轴线延伸，所述传感器主体具有应变计表面，所述应变计表面具有弯曲区段和沿所述传感器主体的长度的一部分延伸的长度，所述传感器主体具有被限定为所述孔表面和所述传感器主体的外表面之间的径向距离的孔壁厚度，其中，所述外表面包括所述应变计表面。
2. 根据权利要求1所述的传感器主体，其中，对于所述应变计表面的所述弯曲区段，所述孔壁厚度是恒定的。
3. 根据权利要求1所述的传感器主体，其中，所述弯曲表面由具有与所述孔轴线重合的圆筒轴线的圆筒表面的一部分限定。
4. 根据权利要求1所述的传感器主体，其中，所述应变计表面具有从所述弯曲区段的边缘延伸的第一平面区段和从所述弯曲区段的相对边缘延伸的第二平面区段。
5. 根据权利要求4所述的传感器主体，其中，第一平面部分和第二平面部分中的每一个的所述孔壁厚度大于所述弯曲区段的所述孔壁厚度。
6. 根据权利要求1所述的传感器主体，还包括附接到所述应变计表面的应变计，所述应变计被构造成用于感测响应于所述孔中的流体压力的所述传感器主体中的应变。
7. 根据权利要求6所述的传感器主体，其中，所述应变计具有小于所述应变计表面的面积的表面面积。
8. 根据权利要求6所述的传感器主体，其中，所述应变计是箔式应变计。
9. 根据权利要求1所述的传感器主体，其中，所述传感器主体由钛、钛合金、不锈钢和不锈钢合金中的一种形成。
10. 一种用于流通压力传感器的传感器主体，所述传感器主体包括入口端口、出口端口和孔，所述孔具有孔表面并且在所述入口端口和所述出口端口之间沿孔轴线延伸，所述传感器主体具有应变计表面，所述应变计表面具有沿所述传感器主体的长度的一部分延伸的长度，所述传感器主体具有由具有与所述孔轴线重合的圆筒轴线的圆筒表面的一部分限定的弯曲区段、从所述弯曲区段的边缘延伸的第一平面区段和从所述弯曲区段的相对边缘延伸的第二平面区段，所述传感器主体具有被限定为所述孔表面和所述传感器主体的外表面之间的径向距离的孔壁厚度，其中，所述外表面包括所述应变计表面。
11. 根据权利要求10所述的传感器主体，还包括附接到所述应变计表面的应变计，所述应变计被构造成用于感测响应于所述孔中的流体压力的所述传感器主体中的应变。
12. 根据权利要求11所述的传感器主体，其中，所述应变计是箔式应变计。
13. 根据权利要求10所述的传感器主体，其中，第一平面部分和第二平面部分中的每一个的所述孔壁厚度大于所述弯曲区段的所述孔壁厚度。
14. 根据权利要求10所述的传感器主体，其中，所述传感器主体由钛、钛合金、不锈钢和不锈钢合金中的一种形成。
15. 一种流通压力传感器，包括：
传感器主体，其具有入口端口、出口端口和孔，所述孔具有孔表面并且在所述入口端口和所述出口端口之间沿孔轴线延伸，所述传感器主体具有应变计表面，所述应变计表面具有沿所述传感器主体的长度的一部分延伸的长度，所述应变计表面具有弯曲区段、从所述弯曲区段的边缘延伸的第一平面区段和从所述弯曲区段的相对边缘延伸的第二平面区段，所述传感器主体具有被限定为所述孔表面和所述传感器主体的外表面之间的径向距离的孔壁厚度，其中，所述外表面包括所述应变计表面，并且其中，对于所述应变计表面的所述弯曲区段，所述孔壁厚度是恒定的；以及
箔式应变计，其附接到所述应变计表面并且被构造成用于感测响应于所述孔中的流体压力的所述传感器主体中的应变。
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