CN106489070A - 差压测量单元 - Google Patents

差压测量单元 Download PDF

Info

Publication number
CN106489070A
CN106489070A CN201580035473.8A CN201580035473A CN106489070A CN 106489070 A CN106489070 A CN 106489070A CN 201580035473 A CN201580035473 A CN 201580035473A CN 106489070 A CN106489070 A CN 106489070A
Authority
CN
China
Prior art keywords
measurement
chamber
film
pressure
differential pressure
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201580035473.8A
Other languages
English (en)
Inventor
武尔费特·德鲁斯
米夏埃尔·休格尔
尼尔斯·波纳特
安德烈亚斯·罗斯贝格
埃尔克·施密特
托马斯·尤林
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Endress and Hauser SE and Co KG
Endress and Hauser Inc
Original Assignee
Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Endress and Hauser SE and Co KG filed Critical Endress and Hauser SE and Co KG
Publication of CN106489070A publication Critical patent/CN106489070A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L13/00—Devices or apparatus for measuring differences of two or more fluid pressure values
    • G01L13/02—Devices or apparatus for measuring differences of two or more fluid pressure values using elastically-deformable members or pistons as sensing elements
    • G01L13/028—Devices or apparatus for measuring differences of two or more fluid pressure values using elastically-deformable members or pistons as sensing elements using capsules
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
    • G01L19/06—Means for preventing overload or deleterious influence of the measured medium on the measuring device or vice versa
    • G01L19/0618—Overload protection
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L13/00—Devices or apparatus for measuring differences of two or more fluid pressure values
    • G01L13/02—Devices or apparatus for measuring differences of two or more fluid pressure values using elastically-deformable members or pistons as sensing elements
    • G01L13/025—Devices or apparatus for measuring differences of two or more fluid pressure values using elastically-deformable members or pistons as sensing elements using diaphragms
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L15/00—Devices or apparatus for measuring two or more fluid pressure values simultaneously

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measuring Fluid Pressure (AREA)

Abstract

一种差压测量单元(100)，包括：测量膜(110)；两个相对体(140、170)；以及一个转换器(120)，其中，测量膜(100)布置在相对体(140、170)之间并且以压力密封方式连接到所述两个相对体，从而在各种情况下形成一个测量腔室(160、190)，其中相对体(140、170)各自具有压力管道(164、194)，能够使压力(p1、p2)通过压力管道(164、194)作用在相应的测量腔室(160、190)上，其中转换器(120)被设置以便将测量膜(110)的变形转换为电信号，所述变形取决于压力(p1、p2)之间的差，其中相对体(140、170)各自具有朝向测量膜(110)定向的腔室部分(142、172)和远离测量膜(110)定向的后壁部分(144、174)，在这些之间具有解耦腔室(162、192)，其中腔室部分(142、172)各自具有在测量腔室(160、190)与解耦腔室(162、192)之间的平衡管道(163、193)，其中解耦腔室(162、192)具有至少与测量腔室(160、190)的直径一样大的直径。

Description

差压测量单元
技术领域
本发明涉及一种差压测量单元，特别是一种具有对于静态过载保护的差压测量单元。
背景技术
差压测量单元通常被优化用于测量在高静态压力p1、p2下的小压力差p1-p2。这样做时，重要的是找到在灵敏度和过载电阻之间的正确平衡。例如，对于压力差|p1-p2|的测量范围，|p1-p2|/p1<1％可能适用。如果省略了在过程单元中的压力p1、p2中的一个，则差压传感器承载100倍的测量范围。能够耐受这种过载的差压感测元件是已知的。敏感差压测量单元的经证明的保护基于将过载膜与差压传感器液压地并联连接并且经由液压路径将两个压力p1、p2施加到差压测量单元和过载膜，其中，压力经由分离膜被引入到液压路径中。过载膜具有足够大的液压能力，以便在单侧过载的情况下容纳液压路径中的传递流体的体积到这样的程度，使得该液压路径的分离膜开始抵靠膜床，从而可靠地防止作用在差压传感器上的差压的另一增加。在EP 1 299 701 B1、DE 10 2006 040 325 A1和DE 102006 057 828 A1中公开了具有过载膜的差压感测元件的实例。
然而，过载膜的使用必然导致传递流体的较大体积行程(volume stroke)，并且因此在相同的性能能力的情况下，导致较大的分离膜表面，这引起较大的装置尺寸和较高的成本。此外，测量元件动力学受到过载膜和较大体积的传递流体的负面影响。
因此，借助于膜床实现对测量膜的过载保护的努力是已知的。这样做时，如果超过单侧超压的极限值，则测量膜将通过膜床支撑达到这样的程度，使得即使在另一压力增加的情况下，也达不到测量膜的爆裂应力。
为此目的，近似在超压的极限值下的测量膜的弯曲线的非球面膜床是特别合适的。
专利说明书US 4 458 537公开了具有由玻璃制成的非球面膜床的电容性差压测量单元，该膜床引入到同轴环的结构中，其中环的高度形成符合测量膜的弯曲线的轮廓。
出版的专利申请DE 10 2009 046 229 A1公开了具有由玻璃制成的非球面膜床的压力传感器或差压测量单元，该膜床通过热沉形成。
专利说明书US 7 360 431 B2公开了具有借助于灰度级光刻(gray scalelithography)在硅中制备的非球面膜床的压力传感器或差压传感器。
出版的专利申请DE 10 2010 028 773 A1公开了具有借助于激光烧蚀、后面有氧化步骤和最终蚀刻步骤而在硅中制备的非球面膜床的压力传感器或差压测量单元。
尽管所提到的膜床概念事实上能够在一定程度上保护测量膜，但引入到差压测量单元中的静态压力仍然加载到测量膜与相对体或相邻区域之间的接合部，使得应力峰值可能出现在那里，这引起差压传感器的破坏。
出版物WO 2011/076477A1公开了差压测量单元，其中测量膜的体积行程足以在过载的情况下容纳在分离膜下方的传递流体的体积而没有测量膜的塑性变形。
尚未出版的专利申请DE 102012113033公开了具有差压测量单元的差压传感器，该差压测量单元包括由硅制成的测量膜和相对体，其中相对体在后侧上分别被陶瓷体加强，以避免或减小相对体在静态压力下的弯曲。以这种方式，在接合部上，特别是在测量膜与相对体之间的接合部上的切口应力(notch stress)将减小。
就切口应力出现在特别是具有锐角的空腔中来说，避免在形成高静态压力被引入的腔室的部件之间的这种锐角的方法是已知的。在这方面，例如，参考美国专利No.5,520,054，该专利公开了压力传感器，其压力腔室排它性地具有在其横截面中的钝角。
除了存在于两侧上的静态过载压力之外，如果单侧过载引起相对体的变形，则具有静态过载压力的差压测量单元的单侧载荷也可能损坏或破坏测量膜、相对体、或测量膜与相对体或者相邻区域之间的接合部，由此例如膜床的支撑功能受到损害。
为了抵消这个，Hein等(Transducers'97，pp.1477-1480,1997)公开了封装的电容性差压传感器，其中相对体被轴向夹持在压力连接片之间，其中密封环相应地另外被夹持在相对体与压力连接片之间。专利DE 37 51 546 T2还公开了具有在两相对体之间的测量膜的差压传感器，其中两相对体被轴向夹持在弹性夹持装置中以提高差压传感器的爆裂强度。上述两种布置的共同之处是，当差压传感器加载静态压力时，在相对体与夹持装置之间的相对移动可能发生。这特别可能引起在差压传感器的取决于差压的测量信号的零点和范围中的滞后误差。尚未出版的申请DE 102014104831通过描述具有夹持装置的差压传感器来解决这个问题，该夹持装置防止相对体与夹持装置之间的相对移动。然而，这些构造对部件公差施加了高要求并且在这方面是昂贵的。
液压地支撑差压测量单元的方法也从现有技术中已知。为此目的，例如德国出版的专利申请DE 101 01 180 A1公开了具有封装的差压测量单元的差压传感器，其中差压测量单元在封壳中被传递流体包围，该传递流体借助于压力储存器保持在压力下。
美国专利4,257,274和5,684,253分别公开了具有等静压封装的差压测量单元的差压传感器，其中差压测量中包括的静态压力中的一个相应地被引入包围差压测量单元的封壳中。该概念具有比较简单的设计，但是当静态过载压力是其它压力，即恰好不是被引入封壳中的压力时，该概念失效。美国专利7624642通过分别限定包围封壳中的差压测量单元的压力的两个过程压力中的较高者考虑这个问题，这经由“液压二极管”实现。然而，实施这些是非常复杂的，因为“液压二极管”需要另外的分离膜。
现有技术的以上概述示出了用于制造适合高静态压力的差压传感器的各种方法，其中，变得显而易见的是，不管是由于成本原因还是由于结构或热机械边界条件，所提及的解决方案中没有一个适合于所有应用。
发明内容
本发明基于提供本身防过载的差压测量单元的目的。
该目的通过根据独立权利要求1所述的差压测量单元来实现。
根据本发明的差压测量单元包括：
测量膜、第一相对体、第二相对体以及转换器，
其中测量膜布置在第一相对体和第二相对体之间并且以压力密封方式连接到两个相对体，
其中第一测量腔室形成在测量膜与第一相对体之间，并且第二测量腔室形成在测量膜与第二相对体之间，其中第一相对体和第二相对体各自具有压力管道，第一或第二压力(p1、p2)能够通过压力管道施加到相应的测量腔室，
其中转换器被设置以便将测量膜的变形转换为电信号，所述变形取决于第一压力(p1)与第二压力(p2)之间的差；
其中至少一个相对体具有：腔室部分，该腔室部分朝向测量膜定向；和后壁部分，该后壁部分远离测量膜定向；以及解耦腔室，该解耦腔室在腔室部分与后壁部分之间，
其中腔室部分具有至少一个平衡管道，借助于平衡管道，测量腔室与解耦腔室连通，
其中解耦腔室具有在与测量膜平行的平面中的直径，所述直径大于平衡管道的直径。
在本发明的进一步演变中，解耦腔室具有在与测量膜平行的平面中的直径，所述直径至少与测量腔室的直径一样大。
在本发明的进一步演变中，腔室部分的表面具有环形周向减压槽，所述表面朝向解耦腔室定向。
在本发明的进一步演变中，后壁部分的表面具有环形周向减压槽，所述表面朝向解耦腔室定向。
特别地，减压槽提供以下优点：它们减小了在解耦腔室的外径处的后壁部分与腔室部分之间的切口应力。这基本上也能够通过具有诸如100μm以上的足够轴向高度的解耦腔室来实现。然而，因为在工业过程测量技术的大多数应用中，待检测的过程压力经由传递流体施加到差压测量单元，因此这将显著增加由差压测量单元封闭的体积，这是要避免的，其中传递流体经由分离膜与过程介质分离。由于分离膜必须容纳传递流体的体积行程，该体积行程特别是由温度波动引起，并且该体积行程与传递流体的体积成比例，因此该体积必须最小化。为此原因，在后壁部分和腔室部分的前侧面中的减压槽优选地超过解耦腔室的轴向高度的增加。
在本发明的进一步演变中，差压测量单元具有至少一个填充体，所述至少一个填充体特别是环形的并且大部分填充减压槽或多个减压槽的体积。填充体优选具有与腔室部分和/或后壁部分的材料的热膨胀系数一致的热膨胀系数，并且特别是与后者相差小于1ppm/K。这显然能够通过具有与腔室部分和/或后壁部分相同的材料的填充体来实现。然而，在后壁部分和/或腔室部分由刚玉制成的情况下，使用由可伐(Kovar)制成的填充体，是更加成本有效的。
在本发明的进一步演变中，在第一测量腔室和第二测量腔室加载有相同静态压力pstat的情况下，解耦腔室的体积行程ΔVE＝VE(pstat)-VE(p0)至少与经由平衡管道与解耦腔室连通的测量腔室的体积行程ΔVM＝VM(pstat)–VM(p0)一样大，其中p0是平衡压力，在该平衡压力的情况下，相同压力盛行于差压测量单元的内部和外部。
在本发明的进一步演变中，解耦腔室的体积行程ΔVE是经由平衡管道与解耦腔室连通的测量腔室的体积行程ΔVM的至少两倍，并且特别地不小于四倍。
在本发明的进一步演变中，腔室部分中的至少一个具有膜床，该膜床朝向测量膜定向，在单侧过载压力的情况下，该膜床支撑测量膜。
在本发明的进一步演变中，膜床具有在单侧极限压力下近似测量膜的弯曲线的轮廓，使得当达到该极限压力时，测量膜由膜床支撑。
在本发明的进一步演变中，腔室部分和后壁部分借助于周向相对体接合部以压力密封方式彼此连接，其中，当压力施加到差压测量单元时，相对体接合部中的最大应力小于后壁部分中的最大应力。
在本发明的进一步演变中，后壁部分中的最大应力与减压槽相邻，其中减压槽具有不小于0.1mm、并且特别地不小于0.2mm的深度，并且其中后壁部分中的最大应力的位置与接合部间隔开至少一半减压槽的深度，优选地间隔开至少减压槽的深度。
在本发明的进一步演变中，测量膜沿周向膜接合部相应地连接到相对体，其中当相同静态压力pstat施加到第一测量腔室和第二测量腔室时，膜接合部中的最大应力小于相对体接合部中的最大应力。
在本发明的进一步演变中，膜床在其外边缘处具有延伸直到膜接合部的环形周向膜床槽。在一方面，膜床槽用于减少膜接合部中的切口应力，并且在另一方面，在使用活性硬焊料制备膜接合部的情况下，膜床槽能够防止活性硬焊料进入膜床。自然地，这种膜床槽优选地分别设置在两个膜床中，并且膜床槽将设计成是对称的。
在本发明的进一步演变中，测量膜和/或腔室部分和/或后壁部分以陶瓷材料、特别是刚玉为特征。即使刚玉的这个普遍使用当前是优选的，但是诸如陶瓷材料、金属和半导体的其它材料以及诸如金属和陶瓷材料的材料组合也包括在本发明中。
在本发明的进一步演变中，接合部包括活性硬焊料，例如含Zr-Ni-Ti的活性硬焊料。
在本发明的进一步演变中，差压测量单元具有至少一个附加电转换器，所述至少一个附加电转换器用于至少基于后壁部分的取决于压力的变形来确定施加到差压测量单元的静态压力。
在本发明的进一步演变中，附加电转换器包括电容性转换器，该电容性转换器包括：第一电极，该第一电极在朝向解耦腔室定向的后壁部分的端表面上；以及第二电极，该第二电极在朝向解耦腔室定向的腔室部分的端表面上。
附图说明
现在基于在附图中所示的差压测量单元的示例性实施例来解释本发明，附图示出：
图1：通过根据本发明的差压测量单元的示例性实施例的示意性纵向视图；并且
图2：通过根据本发明的差压测量单元的第二示例性实施例的纵向视图。
具体实施方式
在图1中所示的差压测量单元100包括测量膜110，测量膜110布置在基本上-至少部分-第一柱形相对体140和第二柱形相对体170之间，并且以压力密封方式与两个相对体接合，同时分别地沿周向膜接合部148、178形成第一测量腔室160和第二测量腔室190。测量膜和相对体以特别是刚玉作为材料为特征，其中膜接合部包括活性硬焊料，特别是锆-镍-钛合金。
差压测量单元能够例如具有15-50mm的直径，其中在20和30mm之间的、例如约22-26mm的直径，当前被认为是有利的。在图中所示的差压测量单元100的示例性实施例具有25mm的外径。然而，在附图中的比例决不是按比例考虑的；例如，邻接测量膜110的测量腔室160、190具有例如不多于20μm、特别地不多于15μm、并且优选不多于10μm的深度，而差压测量单元的轴向尺寸能够例如是5-20mm。
第一测量腔室160形成在测量膜110与第一相对体140之间，介质的第一压力经由第一压力管道164施加到该测量腔室。相应地，第二测量腔室190形成在测量膜110与第二相对体之间，介质的第二压力经由第二压力管道194施加到该测量腔室。
差压测量单元100还包括电容性转换器，该电容性转换器将测量膜的挠度(deflection)转换成电信号，所述挠度取决于介质的两个压力的差。为此目的，两个相对体分别在膜侧上的其端表面处具有至少一个测量电极，其中测量膜分别包括在两侧上的膜电极，该膜电极朝向测量电极定向。在电容性转换器的简单实施例中，待测量的压力差由在相应一个测量电极与相对的膜电极之间的电容的倒数值的差产生。电容倒数值的总和能够用于确定由待测量的压力差叠加的静态压力。为了提高测量精度，相对体的前侧面能够分别具有圆盘形中心电极和环绕中心电极的环形电极，特别是具有相同电容的环形电极。关于这种电容性转换器的布线的细节是已知的并且例如在EP 1 883 797 B1中公开。
膜接合部148、178优选地设计有所谓的“零间隙”，即在膜接合部的内边缘处的在相对体与测量膜之间的距离在理想情况下为零。因为这由于制造公差而只能以高成本实现，所以术语“零间隙”在这方面是指不多于5μm、特别地不多于2μm、并且优选地不多于1μm的距离。相对体140、170分别在其朝向测量膜110定向的前侧处具有轮廓158、188，该轮廓158、188在单侧过载的情况下近似测量膜110的弯曲线，以形成膜床，在这种过载的情况下，测量膜抵靠该膜床以保护其免于进一步变形。膜床的作用由零间隙支撑，因为测量膜能够因此精确地支撑在边缘区域中，在单侧过载的情况下最高应力出现在该边缘区域中。然而，如果高静态压力施加到差压测量单元的两侧，则膜接合部148、178和在相对体140、170的端表面处的轮廓158、188的所述形状根据现有技术将引起在差压测量单元中的膜接合部的区域中的相当大的切口(notch)应力。为了避免这样，根据本发明，相对体140、170分别具有腔室部分142、172和后壁部分144、174，腔室部分142、172和后壁部分144、174借助于相对体接合部146、176以压力密封方式连接。腔室部分142、172分别朝向测量膜110定向，与测量膜110一起限定(delimit)测量腔室160、190，并且包括在膜侧上的其端表面处的轮廓158、188，轮廓158、188形成膜床。腔室部分142、172进一步分别具有在后侧上的端表面，该端表面朝向形成在腔室部分142、172与后壁部分144、174之间的解耦腔室162、192定向。解耦腔室具有基本上圆盘形的平面图并且与测量腔室160、190平行地延伸，其中解耦腔室162、192的直径大于测量腔室160、190的直径。由压力管道164、194的一部分形成的平衡管道163、193分别在解耦腔室162、192与测量腔室160、190之间延伸。因此，与连接到解耦腔室的测量腔室中相同的压力盛行于每个解耦腔室中。解耦腔室促使介质的相应压力作用在腔室部分上，不仅从测量腔室160、190的方向作用在前侧上，而且即从解耦腔室162、192的方向作用在后侧上。以这种方式，腔室部分142、172的取决于压力的弯曲显著减小。因此，当高静态过载压力均匀地施加到两个测量腔室时，大部分地消除了膜接合部148、178上的切口应力的问题。达到相对体140、170的腔室部分142、172现在相对于静态压力大部分地不敏感的程度，待测量差压相对于静态压力的横向灵敏度也降低了。
然而，引入到差压测量单元中的静态压力作用在相对体140、170的后壁部分144、174上，使得后者弹性变形。然而，这不成问题，因为后壁部分144、174具体地后壁部分的端表面150、180的位置不直接涉及电容性转换器的传递函数。此外，相对体接合部146、176能够比膜接合部148、178更容易地被保护以抗切口应力。例如，减压槽154、184适用于该目的，该减压槽从减压腔室162、192的侧面环形周向地形成在相对体140、170的后壁部分144、174中。类似地，从减压腔室162、192的侧面形成在腔室部分142、172中的第二减压槽156、186能够有助于减小在相对体接合部146、176上的切口应力。减压槽优选地直接邻接相对体接合部146、176。
此外，对于相对体接合部146、176比膜接合部148、178存在更多的设计自由。例如，相对体接合部可能更厚并且具有几十微米的高度。相对体接合部146、176的径向厚度类似于膜接合部的径向厚度，例如为1-3μm。为了进一步使相对体接合部146、176减压，后壁部分144、174的边缘区域152、182可能借助于以受控的方式减少材料而弱化，使得这些边缘区域具有较高的柔性。在附图中具体示出的形状决不是按比例考虑，而是仅用于说明原理。具体地说，当然必须注意，特别是在弱化的边缘区域152、182中，在由于施加测试压力而变形的情况下，在相对体的任何点处均没有达到相对体的材料的断裂应力。这最终相当于能够通过用有限元计算来解决的优化问题。对于讨论中的差压测量单元，这意味着在例如50兆帕(500巴)或80兆帕(800巴)的静态压力下，出现的机械应力保持低于刚玉的断裂应力，例如如果使用高强度刚玉，则低于500兆帕，而如果使用较少纯度的刚玉，则低于400或350兆帕。
为了检测静态压力，能够提供至少一个附加电容性转换器，该转换器相应地具有在腔室部分142、172的或后壁部分144、174的端表面上的电极，所述端表面限定减压腔室162、192。
类似地，能够提供电阻性转换器以检测静态压力，其中在这种情况下后壁部分具有取决于变形的电阻器元件。电阻器元件能够例如包括应变片条，其中在具有半导体材料的差压测量单元的情况下，压阻式电阻器元件将是优选的。
这种附加转换器优选地设置在两个相对体140、170中，使得能够为差压测量单元的两侧确定静态压力。在理想情况下，静态压力的两个值的差异应该与所测得的差压测量一致，并且在关于精度的所有扣减(deduction)的情况下，提供至少对于所测得的差压测量的似真性测试。此外，在单侧过载的情况下，即当测量膜110抵靠膜床并且因此不再可用于差压测量时，至少当前盛行的差压的近似值能够基于所计算的两个静态压力之间的差来输出。
电容性转换器的布线对于本领域技术人员是已知的，并且不需要在此详细解释。例如，在测量膜110的两侧上的电极能够经由膜接合部148、178接触，并且特别是能够连接至地。类似地，如果相应静态压力的测量旨在借助于附加电容性转换器，则在后壁部分144、174的端表面上的电极能够相应地经由相对体接合部146、176接触，所述端表面位于解耦腔室的侧上。用于确定在测量腔室侧上的腔室部分142、172的端表面上的差压的测量电极分别经由电馈通部接触，特别地，该电馈通部被径向引导穿过相应的腔室部分。这同样适用于在解耦腔室侧上的腔室部分的表面上的电极，该电极分别设置用于检测取决于静态压力的电容。这些电极也要经由馈通部来接触，特别地，该馈通部被径向引导穿过腔室部分。特别地，电极能够包括钽、钽氧化物，钛氧化物或类似金属及其氧化物，其中电极材料通过例如溅射来沉积。用于接触电极的馈通部例如能够包括钽引脚，该钽引脚以压力密封方式焊接到腔室部分中。
在图2中所示的差压测量单元200具有与图1的差压测量单元100基本相同的设计，使得关于图1的解释相应地适用于图2的示例性实施例。图2示出了彼此成特定比例的差压测量单元200的部件，使得一些结构能够不再详细看见。差压测量单元200包括测量膜210，测量膜210布置在基本上-至少分段-第一柱形相对体240和第二柱形相对体270之间，并且以压力密封方式与两个相对体接合，同时分别地沿周向膜接合部248、278形成第一测量腔室260和第二测量腔室290。测量膜和相对体以尤其是刚玉作为材料为特征，其中膜接合部包括活性硬焊料，尤其是锆-镍-钛合金。
差压测量单元200例如具有约25mm的直径邻接测量膜210的测量腔室260、290具有例如不多于15μm、并且优选不多于10μm的深度，而差压测量单元的轴向尺寸能够例如是约25mm。
第一测量腔室260形成在测量膜210与第一相对体240之间，介质的第一压力经由第一压力管道264施加到该测量腔室。相应地，第二测量腔室290形成在测量膜210与第二相对体270之间，介质的第二压力经由第二压力管道294施加到该测量腔室。
差压测量单元200还包括电容性转换器，该电容性转换器将测量膜的挠度转换成电信号，所述挠度取决于介质的两个压力的差。为此目的，两个相对体分别在膜侧上的其端表面处具有至少一个测量电极，其中测量膜相应地包括在两侧上的膜电极，该膜电极朝向测量电极定向。关于电容性转换器的连同图1解释的细节因此适用于本示例性实施例。
同样在本示例性实施例中，相对体240、270分别在其朝向测量膜210定向的前侧处具有轮廓258、288，该轮廓258、288在单侧过载的情况下近似测量膜210的弯曲线，以形成膜床，在这种过载的情况下，测量膜抵靠该膜床以保护其免于进一步变形。膜床的作用由零间隙支撑，因为测量膜能够因此精确地支撑在边缘区域中，在单侧过载的情况下最高应力出现在该边缘区域中。然而，在这种情况下，零间隙被设计成与在第一示例性实施例中不同，因为膜床分别在其外边缘处具有环形周向膜床槽249、279，以进一步使接合部248、278减压。
在这种情况下，跟随测量膜210的弯曲线的曲线并且延伸超过膜床槽249、279的膜床的轮廓的径向外推(extrapolation)在膜接合部248、278的内径处具有如对第一示例性实施例所描述的距测量膜的近似零间隙距离。即，接合部在其内径处的厚度不多于5μm，特别地不多于2μm，并且优选地不多于1μm。膜床槽249、279具有例如不多于0.5mm，并且特别地不多于0.3mm的宽度和/或深度。
膜接合部248、278和在相对体240、270的端表面处的轮廓258、288的这种形状也将在高静态压力的情况下暴露于在膜接合部的区域中的显著切口应力而没有额外保护措施。为了避免这样，在本示例性实施例中，相对体240、270也分别具有腔室部分242、272和后壁部分244、274，腔室部分242、272和后壁部分244、274借助于相对体接合部246、276以压力密封方式连接。腔室部分242、272分别朝向测量膜210定向，与测量膜210一起限定测量腔室260、290，并且包括在膜侧上的其端表面上的轮廓258、288，轮廓258、288形成膜床。腔室部分242、272进一步分别具有在后侧上的端表面，该端表面朝向形成在腔室部分242、272与后壁部分244、274之间的解耦腔室262、292定向。解耦腔室具有几十微米的轴向高度。解耦腔室具有基本上圆盘形的平面图并且与测量腔室260、290平行地延伸，其中解耦腔室262、292的直径大于测量腔室260、290的直径由压力管道264、294的一部分形成的平衡管道263、293分别在解耦腔室262、292与测量腔室260、290之间延伸。因此，与连接到解耦腔室的测量腔室中相同的压力盛行于每个解耦腔室中。解耦腔室促使介质的相应压力作用在腔室部分上，不仅从测量腔室260、290的方向作用在前侧上，而且即从解耦腔室262、292的方向作用在后侧上。以这种方式，腔室部分242、272的取决于压力的弯曲显著减小。因此，当高静态过载压力均匀地施加到两个测量腔室时，大部分地消除了膜接合部248、278上的切口应力的问题。达到相对体240、270的腔室部分242、272现在相对于静态压力大部分地不敏感的程度，待测量差压相对于静态压力的横向灵敏度也降低了。
如在第一示例性实施例中，相对体接头246、276也通过第一减压槽254、284以及第二减压槽256、286被保护以抗破坏性切口应力，第一减压槽254、284从减压腔室262、292的侧面环形周向地形成在相对体240、270的后壁部分244、274中，第二减压槽256、286从减压腔室262、292的侧面形成在腔室部分242、272中。减压槽256、286具有例如约1.5mm的宽度和/或深度，并且优选地直接邻接相对体接合部246、276。
在两个相对体240、270中，例如包括可伐(Kovar)的填充体松散地放置到形成在第一减压槽254、284与第二减压槽256、286之间的环形管道中，以最小化在测量操作期间待用传递流体填充的差压测量单元中的自由体积。
此外，对于相对体接合部246、276比膜接合部248、278存在更多的设计自由。例如，相对体接合部能够更厚并且具有几十微米的高度。相对体接合部246、276的径向厚度类似于膜接合部的径向厚度，例如为1-3μm。为了进一步使相对体接合部246、276减压，后壁部分244、274的边缘区域252、282是圆化的，以便减少材料。
类似地，压力管道264、294在后侧上的开口具有圆锥形倒角，以在施加静态压力时减小应力峰值。
为了检测静态压力，至少一个相对体还能够具有附加电容性或电阻性转换器。优选地，两个相对体240、270包括这样的转换器，使得能够为差压测量单元的两侧确定静态压力。关于与第一示例性实施例有关的转换器的细节的说明因此适用于此。

Claims (14)

1.差压测量单元(100)，包括：
测量膜(110)；第一相对体(140)；第二相对体(170)；以及转换器(120)，
其中，所述测量膜(100)布置在所述第一相对体(140)和所述第二相对体(170)之间并且以压力密封方式连接到所述两个相对体，
其中第一测量腔室(160)形成在所述测量膜(110)与所述第一相对体(140)之间，并且第二测量腔室(190)形成在所述测量膜(110)与所述第二相对体(170)之间，其中所述第一相对体(140)和所述第二相对体(170)各自具有压力管道(164、194)，第一或第二压力(p1、p2)能够通过所述压力管道(164、194)施加到相应的所述测量腔室(160、190)，
其中所述转换器被设置以便将所述测量膜(110)的变形转换为电信号，所述变形取决于所述第一压力(p1)与所述第二压力(p2)之间的差；
其中至少一个相对体(140、170)具有：腔室部分(142、172)，所述腔室部分(142、172)朝向所述测量膜(110)定向；和后壁部分(144、174)，所述后壁部分(144、174)远离所述测量膜(110)定向；以及解耦腔室(162、192)，所述解耦腔室(162、192)在所述腔室部分(142、172)与所述后壁部分(144、174)之间，
其中所述腔室部分(142、172)具有至少一个平衡管道(163、193)，借助于所述至少一个平衡管道(163、193)，所述测量腔室(160、190)与所述解耦腔室(162、192)连通，
其中所述解耦腔室(162、192)在与所述测量膜(110)平行的平面中具有直径，所述直径至少与所述测量腔室(160、190)的直径一样大，并且优选地大于所述测量腔室(160、190)的直径。
2.根据权利要求1所述的差压测量单元，其中，
所述腔室部分的表面具有环形周向减压槽，所述表面朝向所述解耦腔室定向。
3.根据权利要求1或2所述的差压测量单元，其中，
所述后壁部分的表面具有环形周向减压槽，所述表面朝向所述解耦腔室定向。
4.根据前述权利要求中的一项所述的差压测量单元，其中，
在所述第一测量腔室和所述第二测量腔室加载有相同静态压力pstat的情况下，所述解耦腔室的体积行程ΔVE＝VE(pstat)-VE(p0)至少与经由所述平衡管道与所述解耦腔室连通的所述测量腔室的体积行程ΔVM＝VM(pstat)–VM(p0)一样大，其中p0是平衡压力，在所述平衡压力的情况下，相同压力盛行于所述差压测量单元的内部和外部。
5.根据权利要求1所述的差压测量单元，其中，所述解耦腔室的体积行程ΔVE是经由所述平衡管道与所述解耦腔室连通的所述测量腔室的体积行程ΔVM的至少两倍，并且特别地不小于四倍。
6.根据前述权利要求中的一项所述的差压测量单元，其中，所述腔室部分中的至少一个具有膜床，所述膜床朝向所述测量膜定向，在单侧过载压力的情况下，所述膜床支撑所述测量膜。
7.根据权利要求6所述的差压测量单元，其中，所述膜床具有在单侧极限压力下近似测量膜的弯曲线的轮廓，使得当达到这个极限压力时，所述测量膜由所述膜床支撑。
8.根据前述权利要求中的一项所述的差压测量单元，其中，所述腔室部分和所述后壁部分借助于周向相对体接合部以压力密封方式彼此连接，其中当压力施加到所述差压测量单元时，所述相对体接合部中的最大应力小于所述后壁部分中的最大应力。
9.根据权利要求8和权利要求3所述的差压测量单元，其中，所述后壁部分中的最大应力与所述减压槽相邻，其中所述减压槽具有不小于0.1mm的深度，并且其中所述后壁部分中的最大应力的位置与所述接合部间隔开至少一半所述减压槽的深度，并且优选地间隔开至少所述减压槽的深度。
10.根据权利要求8或9所述的差压测量单元，其中，所述测量膜沿周向膜接合部相应地连接到所述相对体，其中当相同静态压力pstat施加到所述第一测量腔室和所述第二测量腔室时，所述膜接合部中的最大应力小于所述相对体接合部中的最大应力。
11.根据前述权利要求中的一项所述的差压测量单元，其中，所述测量膜和/或所述腔室部分和/或所述后壁部分以陶瓷材料、尤其是刚玉为特征。
12.根据前述权利要求中的一项所述的差压测量单元，其中，所述接合部具有活性硬焊料、特别是含Zr-Ni-Ti的活性硬焊料。
13.根据前述权利要求中的一项所述的差压测量单元，包括至少一个附加电转换器，所述至少一个附加电转换器用于至少基于所述后壁部分的取决于压力的变形来确定施加到所述差压测量单元的静态压力。
14.根据权利要求13所述的差压测量单元，其中，所述附加电转换器包括电容性转换器，所述电容性转换器具有第一电极和第二电极，所述第一电极在朝向所述解耦腔室定向的所述后壁部分的端表面中的一个上，所述第二电极在朝向所述解耦腔室定向的所述腔室部分的端表面中的一个上。
CN201580035473.8A 2014-07-08 2015-06-08 差压测量单元 Pending CN106489070A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102014109491.3 2014-07-08
DE102014109491.3A DE102014109491A1 (de) 2014-07-08 2014-07-08 Differenzdruckmesszelle
PCT/EP2015/062699 WO2016005120A1 (de) 2014-07-08 2015-06-08 Differenzdruckmesszelle

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN106489070A true CN106489070A (zh) 2017-03-08

Family

ID=53284288

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201580035473.8A Pending CN106489070A (zh) 2014-07-08 2015-06-08 差压测量单元

Country Status (5)

Country Link
US (1) US10247631B2 (zh)
EP (1) EP3167264A1 (zh)
CN (1) CN106489070A (zh)
DE (1) DE102014109491A1 (zh)
WO (1) WO2016005120A1 (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111609963A (zh) * 2019-02-25 2020-09-01 雅玛信过滤器株式会社 差压检测装置
CN112985654A (zh) * 2021-02-22 2021-06-18 上海洛丁森工业自动化设备有限公司 压力传感器及其装配方法
CN113183649A (zh) * 2021-04-28 2021-07-30 滁州新彩家用玻璃有限公司 拉丝基板的印刷方法

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102014104831A1 (de) * 2014-04-04 2015-10-08 Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg Differenzdrucksensor
DE102014109491A1 (de) 2014-07-08 2016-02-11 Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg Differenzdruckmesszelle
DE102015122287A1 (de) 2015-12-18 2017-07-06 Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg Kapazitiver Differenzdrucksensor
DE102016102775A1 (de) * 2016-02-17 2017-08-17 Endress+Hauser Gmbh+Co. Kg Kapazitiver Drucksensor
EP3229003A1 (en) * 2016-04-04 2017-10-11 IMI Hydronic Engineering International SA Measurement module
DE102016107236A1 (de) 2016-04-19 2017-10-19 Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg Verfahren zum Fügen einer Differenzdruckmesszelle und Differenzdruckmesszelle
DE102016107235B3 (de) * 2016-04-19 2017-01-26 Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg Differenzdruckmesszelle
DE102016112352A1 (de) * 2016-07-06 2018-01-11 Endress+Hauser Gmbh+Co. Kg Differenzdrucksensor zur Bestimmung eines Druckmesssignals

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4072058A (en) * 1976-05-03 1978-02-07 Honeywell Inc. Differential pressure transmitter with pressure sensor protection
JPS5740626A (en) * 1980-08-23 1982-03-06 Yokogawa Hokushin Electric Corp Differential pressure, pressure detector
EP0723143A1 (de) * 1995-01-12 1996-07-24 Endress + Hauser Gmbh + Co. Vorrichtung zur Messung von Druck oder Differenzdruck
US20020014124A1 (en) * 2000-07-26 2002-02-07 Endress + Hauser Gmbh + Co. Capacitive pressure sensor
CN1938572A (zh) * 2004-04-07 2007-03-28 恩德莱斯和豪瑟尔两合公司 具有动态超载保护的压差传感器
US20110296926A1 (en) * 2010-06-08 2011-12-08 Schulte John P Differential pressure sensor with line pressure measurement
DE102010043043A1 (de) * 2010-10-28 2012-05-03 Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg Druckmesswandler

Family Cites Families (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3400588A (en) * 1965-05-27 1968-09-10 Lummus Co Fluid pressure gauge
JPS5516228A (en) 1978-07-21 1980-02-04 Hitachi Ltd Capacity type sensor
US4458537A (en) 1981-05-11 1984-07-10 Combustion Engineering, Inc. High accuracy differential pressure capacitive transducer
IL82960A0 (en) 1986-06-30 1987-12-20 Rosemount Inc Differential pressure sensor
US5520054A (en) 1994-03-29 1996-05-28 Rosemount Inc. Increased wall thickness for robust bond for micromachined sensor
US5684253A (en) 1997-01-08 1997-11-04 Honeywell Inc. Differential pressure sensor with stress reducing pressure balancing means
EP1172640A1 (de) 2000-07-13 2002-01-16 Endress + Hauser GmbH + Co. Differenzdrucksensor
DE10101180A1 (de) 2001-01-12 2002-09-12 Endress & Hauser Gmbh & Co Kg Differenzdrucksensor und Verfahren zur Differenzdruckmessung
JP3847281B2 (ja) 2003-08-20 2006-11-22 株式会社山武 圧力センサ装置
WO2006061035A1 (de) * 2004-12-08 2006-06-15 Abb Patent Gmbh Differenzdruckmessumformereinheit
US7334484B2 (en) 2005-05-27 2008-02-26 Rosemount Inc. Line pressure measurement using differential pressure sensor
DE102006040325A1 (de) 2006-08-29 2008-03-13 Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg Vorrichtung zur Überwachung der Dichtigkeit von Fügestellen bei einem Druckmessgerät
DE102006057828A1 (de) 2006-12-06 2008-06-12 Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg Differenzdruckmeßaufnehmer
US7624642B2 (en) 2007-09-20 2009-12-01 Rosemount Inc. Differential pressure sensor isolation in a process fluid pressure transmitter
DE102009046229A1 (de) 2009-10-30 2011-05-12 Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg Drucksensor, insbesondere Differenzdrucksensor
DE102009055149A1 (de) 2009-12-22 2011-06-30 Endress + Hauser GmbH + Co. KG, 79689 Überlastsicherer, Drucksensor, insbesondere Differenzdrucksensor
DE102010028773A1 (de) 2010-05-07 2011-11-10 Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg Gegenlager mit asphärischem Membranbett, Drucksensor mit einem solchen Gegenlager und Verfahren zu deren Herstellung
JP6002010B2 (ja) * 2012-11-20 2016-10-05 アズビル株式会社 圧力センサチップ
DE102012113033A1 (de) 2012-12-21 2014-06-26 Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg Mechanische Stabilisierung und elektrische sowie hydraulische Adaptierung eines Silizium Chips durch Keramiken
DE102014104831A1 (de) 2014-04-04 2015-10-08 Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg Differenzdrucksensor
DE102014109491A1 (de) 2014-07-08 2016-02-11 Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg Differenzdruckmesszelle

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4072058A (en) * 1976-05-03 1978-02-07 Honeywell Inc. Differential pressure transmitter with pressure sensor protection
JPS5740626A (en) * 1980-08-23 1982-03-06 Yokogawa Hokushin Electric Corp Differential pressure, pressure detector
EP0723143A1 (de) * 1995-01-12 1996-07-24 Endress + Hauser Gmbh + Co. Vorrichtung zur Messung von Druck oder Differenzdruck
US20020014124A1 (en) * 2000-07-26 2002-02-07 Endress + Hauser Gmbh + Co. Capacitive pressure sensor
CN1938572A (zh) * 2004-04-07 2007-03-28 恩德莱斯和豪瑟尔两合公司 具有动态超载保护的压差传感器
US20110296926A1 (en) * 2010-06-08 2011-12-08 Schulte John P Differential pressure sensor with line pressure measurement
DE102010043043A1 (de) * 2010-10-28 2012-05-03 Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg Druckmesswandler

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111609963A (zh) * 2019-02-25 2020-09-01 雅玛信过滤器株式会社 差压检测装置
CN111609963B (zh) * 2019-02-25 2021-10-08 雅玛信过滤器株式会社 差压检测装置
CN112985654A (zh) * 2021-02-22 2021-06-18 上海洛丁森工业自动化设备有限公司 压力传感器及其装配方法
CN113183649A (zh) * 2021-04-28 2021-07-30 滁州新彩家用玻璃有限公司 拉丝基板的印刷方法

Also Published As

Publication number Publication date
WO2016005120A1 (de) 2016-01-14
DE102014109491A1 (de) 2016-02-11
US10247631B2 (en) 2019-04-02
EP3167264A1 (de) 2017-05-17
US20170146418A1 (en) 2017-05-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106489070A (zh) 差压测量单元
KR0137940B1 (ko) 용량성 압력차 감지기 및 이것을 과압으로부터 보호하는 방법
EP0164413B1 (en) Pressure transducer
US10101231B2 (en) Overload safe pressure sensor, especially pressure difference sensor
US10101232B2 (en) Pressure difference sensor with protection against static overloads
US9291514B2 (en) Pressure sensor having a compressible element
CN103308241A (zh) 压力传感器芯片
EP3537129B1 (en) Strain gauge with mechanically decoupled temperature sensor
US9217685B2 (en) Pressure sensor having a compressible element
US9989431B2 (en) Multilevel pressure sensor
US7497126B2 (en) Pressure sensor
CN107771274B (zh) 压力传递模块及具有压力传递模块的压力传感器
US10401248B2 (en) Pressure sensor chip
GB2558195A (en) Cavity with silicon on insulator MEMS pressure sensing device with an extended shallow polygon cavity
EP3645991A1 (en) Pressure sensor assembly
US20150047435A1 (en) Micromechanical Measuring Element
US6640640B2 (en) Differential pressure sensor
US5932809A (en) Sensor with silicon strain gage
US8511168B2 (en) Sensor element for capacitively measuring differential pressure
EP0405633B1 (en) Pressure/Differential measuring device
US11029227B2 (en) CSOI MEMS pressure sensing element with stress equalizers
US5880373A (en) Differential pressure measuring arrangement
EP3234535B1 (fr) Capteur de pression adapte aux mesures de pression en milieu agressif
US6598482B2 (en) Overload resistant differential pressure sensor
CN104535250A (zh) 一种自增强圆筒式双液体腔结构的耐高温超高压力传感器

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
CB02 Change of applicant information
CB02 Change of applicant information

Address after: German Fort

Applicant after: Ndele J and Hauser European two companies

Address before: German Fort

Applicant before: J. Hauser GmbH & Co. KG

WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20170308