CN107110725B - 压力变送器及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于确定压力变量的压力变送器，所述压力变送器至少包括带有测量膜和集成在测量膜中的电阻元件的压力传感器，其中压力传感器布置在第一和第二相对体之间使得在测量膜和第一相对体之间形成压力室，所述压力室可受到第一压力；其中测量膜的面向第二相对体的一侧可受到第二压力，且测量膜的位移取决于第一和第二压力；其中测量膜的取决于压力的位移可通过电阻元件检测，且可通过以电阻元件形成的桥接电路的电桥电压确定压力变量；其中测量膜具有膜电极且第二相对体在面向测量膜的一侧上具有至少一个相对体电极，使得膜电极和相对体电极形成电容，其中基于电容可确定至少一个附加信息和/或可执行压力变送器的至少一个附加功能。

Description

压力变送器及其操作方法

技术领域

本发明涉及压力变送器以及此压力变送器的操作方法。

背景技术

压力变送器的用途是记录不同的压力等；压力变送器例如使用在工业测量技术中使用的不同的压力测量传感器中。压力变送器例如用于流量测量或液位指示。例如对于液位指示，测量容器底部处的第一压力和填充材料上方的第二压力之间的差异。差异与对应于料位的容器内的取决于料位的液体静压力成比例。例如对于流量测量，使用管线内的流动阻力，且使用差压测量传感器测量阻力前的第一压力与阻力后的第二压力之间的差异。此差压是管线内的流量的测量。

在压力测量设备中，压力传感器半导体芯片(例如，掺杂有电阻元件的硅芯片)经常被用作压敏元件。此压力传感器芯片包括测量膜，在测量模式中所述测量膜的一侧暴露于第一压力，且另一侧暴露于第二压力。所涉及的压力造成了测量膜的位移，所述位移对应于被测量的压力。作为结果，压力传感器芯片非常敏感且因此不直接暴露于其压力被检测的介质。作为替代，填充有液体的膜密封件被安装在上游。

压力测量传感器典型地具有大的、多部件的、金属的测量传感器块以用于此目的，在所述测量传感器块上在外部布置了第一隔离膜和与之平行且相对的第二隔离膜。第一隔离膜封闭了第一压力接收室，所述第一压力接收室通过压力传输线连接到第一压力测量室。相应地，第二隔离膜封闭了第二压力接收室，所述第二压力接收室通过压力传输线连接到第二压力测量室。第一和第二压力测量室通过差压传感器的测量膜相互分离。

两个压力接收室、两个压力测量室以及压力传输线都填充有传递压力的液体，且其目的是将在外部影响相应的隔离膜的压力传递到测量膜的相应的一侧。

在日常测量操作中，在此压力变送器中经常发生故障甚至损坏。此压力变送器所具有的附加问题是其受到漂移的影响，所述漂移可能导致压力测量值不正确。

例如，为识别压力变送器内的此故障或漂移，需要在操作期间控制传感器。这提高了被记录的被测量压力值的可靠性和/或精度。

发明内容

为此原因，本发明的目的是提供一种压力变送器，所述压力变送器提供了被测量的压力值的提高的稳定性和/或精度。此目的通过压力变送器和此压力变送器的操作方法实现。

对于压力变送器，此目的通过用于确定压力值的压力变送器实现，所述压力变送器至少包括带有测量膜和集成在测量膜中的电阻元件的压力传感器，其中压力传感器布置在第一和第二相对体之间且在其周部区域牢固地连接到至少一个相对体，使得在测量膜和第一相对体之间形成压力室且所述压力室可受到第一压力；其中测量膜的面向第二相对体的一侧可受到第二压力，且测量膜的位移取决于第一和第二压力而被设置；其中测量膜的取决于压力的位移可通过集成的电阻元件而被记录，且被测量的压力值可通过以集成的电阻元件形成的桥接电路的电桥电压来确定；其中测量膜具有膜电极且第二相对体在面向测量膜的一侧上在测量膜的区域中具有至少一个相对体电极，使得膜电极和相对体电极形成电容，其中基于此电容可获得至少一个附加信息和/或可执行压力变送器的至少一个附加功能。

因此，根据本发明，通过将测量膜设计为膜电极且包括相对体电极形成了电容。与从现有技术中已知的使用电阻性或电容性的电阻效应来确定压力值的压力变送器相比，电容使得可执行附加诊断功能。此诊断功能例如包括确定关于压力变送器的附加信息和/或执行附加功能，这基于所引入的电容变得可能。

在有利的配置中建议集成的电阻元件关于压力传感器的衬底被设计为p-n结，和/或膜电极关于衬底被设计为p-n结。

另一个有利的配置建议另外包括操作电路，所述操作电路用于确定电容和/或其进程(Verlauf)，用于确定至少一个附加信息，和/或用于基于电容执行至少一个附加功能。

特别地建议操作电路被建立为在膜电极和相对体电极处施加可变的或可调节的电压。

另一个有利的配置建议第二相对体包含塑料或陶瓷。

有利的配置建议压力传感器主要包含硅。

有利的配置建议膜电极可被连接到桥接电路的电压最高点或最低点。

对于方法方面，根据本发明的目的以用于操作根据前述权利要求中一个或多个所述的压力变送器的方法实现，其中方法包括如下步骤：

–确定电容和/或其进程；

–基于电容确定至少一个附加信息和/或执行至少一个附加功能。

有利的实施例建议执行电桥电压和/或其进程与对应于电容的电容电压和/或其进程的比较，且如果电桥电压和/或其进程与电容电压和/或其进程在特定的公差范围内匹配，则所确定的当前测量的压力值是非常可信的。

此实施例特别地建议如下事实，即电桥电压和/或其进程和/或电容电压和/或其进程在特定的公差范围内不匹配，则压力变送器中的改变被确定为附加信息。

这样的公差范围在膜密封件之间取决于膜密封件的使用目的等变化。因此，例如低成本膜密封件的公差范围明显地大于高端膜密封件的公差范围。

因此，被测量的值的1％的公差范围是有利的，0.5％的公差范围是优选的，且0.2％的公差范围是特别地优选的。

另一个有利实施例建议，基于电容和/或其进程和/或电桥电压和/或其进程将电桥电压的漂移识别为附加信息。

实施例优选地建议将电容和/或其进程和电桥电压和/或其进程被设置为比，作为用于识别电桥电压的漂移的测试标准。可特别地优选地建议，如果电容和/或其进程基本上是恒定的，即不随着测量分辨率而改变，且如果电桥电压不是恒定的而是变化的，则识别为电桥电压的漂移。

另一个有利的实施例建议作为附加功能执行对将压力变送器从过程介质分离的过程膜的测试，其中如果电容和/或其进程改变且电桥电压和/或其进程基本上恒定，则识别出过程膜内的错误。

另一个有利的实施例建议将测试电压通过操作电路施加到膜电极和相对体电极，使得在膜电极和相对体电极之间产生距离的改变，且执行自身测试作为附加功能，其中测试电桥电压和/或其进程与电容和/或其进程的比，且如果此比不在预先设定的公差范围内，则识别出压力变送器中的改变。

附图说明

在下文中基于附图更详细地解释本发明。各图为：

图1a示出了本发明的优选的配置的填充材料和绝缘体板或第二相对体的详细视图，

图1b示出了本发明的压力变送器的第一空间表示(不带有第二相对体)，

图1c示出了根据本发明的压力变送器的第二空间表示(带有第二相对体)，

图1d示出了通过根据本发明的压力变送器的示意性纵向截面，

图2示出了位于压力变送器内的压力传感器以及第二相对体的示意性截面，

图3示出了位于压力变送器内的压力传感器的顶视图，和

图4示出了用于记录电阻元件的电阻值的桥接电路的示意性表示。

具体实施方式

在图1中所示的填充材料11主要具有圆柱形的基本形式，其内侧存在特别地方形的开口12，在所述开口内插入了压力传感器2。开口12的形状必须匹配压力传感器2的形状，使得在压力传感器2和填充材料11之间存在间隙，一方面防止部件之间的接触且使得可通过传输流体完全地覆盖压力传感器2的表面，且另一方面考虑到以上条件，可将所述间隙设计为尽可能窄以最小化传输流体的体积。

在顶部处，填充材料11具有第一凹陷空隙13和第二凹陷空隙14，所述空隙的目的是在第二相对体6或绝缘体板17处容纳互补的第一轴向凸耳18和第二轴向凸耳19。

填充材料11的前表面在所给出的本发明的配置中具有大的平滑的表面，所述表面足以使用抽吸工具升起且运输填充材料11。

四个轴向钻孔15从其前表面通过填充材料11；这些轴向钻孔可用于将电流通向压力传感器2。此外，在填充材料11的底部处存在凹陷空隙16，所述空隙16在填充流体室时作为传输流体的离开开口起作用，所述流体室位于过程膜和处在压力传感器2和填充材料11之间的间隙之间。

盘形绝缘体板17以其底侧向上在图1a中展示。沿其周部，所述盘形绝缘体板17具有第一轴向凸耳18和第二轴向凸耳19，其中两个轴向凸耳提供为使得两个凹陷空隙沿填充材料的顶侧的周部形状配合地被锁定。假定凸耳或凹陷空隙在尺寸上相互不同并且不围绕填充材料的圆柱形轴线旋转对称地分布，则隔离板的到盖的定向明确地通过凸耳来确定。绝缘体板17在其底侧上具有四个凹陷空隙20，所述凹陷空隙20提供为形成用于与压力传感器接触的连接线的空间。存在引导通过绝缘体板17的中心的轴向孔。所述轴向孔用作与用于传输流体的压力传感器的测量膜的中心对齐的通道。此通道改进了压力传感器的动态响应行为，但这不是绝对必要的。此外，绝缘体板根据本发明包括相对体电极，所述相对体电极在绝缘体板与填充材料形状配合地锁定时与膜电极一起构成了电容，所述膜电极包括测量膜。

在图1b中展示了壁组件，所述壁组件包括支承体23，利用压力保持连接将压力传感器2固定到所述支承体23，在此未包括其细节。填充材料11围绕压力传感器2被布置，且例如可被胶合到支承体23。支承体23包括基板24，在所述基板24上径向地突出了环形密封边沿。沿此密封边沿支承体23可被焊接到第二壁组件26以封闭流体室。四个电开口27在轴向方向上延伸通过支承体23的基板24从而与通过填充材料11的孔15对齐，其中开口27具有接触销，所述接触销优选地在轴向方向上延伸直至填充材料11的表面。类似地，压力传感器2的表面大致与填充材料11的表面对齐。因此，压力传感器2的表面上的接触表面可自动地由装配机器人使用接合线28连接到接触销。电套管27从支承体23的底侧延伸开，使得所述电套管27在组装的最后阶段之后可穿过覆盖支承体的底侧的封装化合物。

此外，参考空气管29延伸通过基板24，从而在轴向方向上大致引导通过基部的中心，以将大气压施加到压力传感器2的测量膜的背部。实施例示例表达地涉及相对压力传感器。当然，本发明也包括绝对压力传感器，其中测量膜将后侧上的排空空间密封。在此情况中，不存在参考空气路径。

此外，填充管30延伸通过基板24，结束在填充材料的凹陷空隙16下方；通过此填充管可将流体室填充有传输流体，或可填充准备好的压力传感器。

图1c示出了在图1b中的部件组装中的下一个阶段，其中绝缘体板17被附加地安放在填充材料11上。另一方面，绝缘体板的底侧上的侧凹陷空隙20为用于接触压力传感器2的接合线提供了要求的空间，且另一方面用作用于传输流体的开口。

在图1d中的截面图示出了用于制造压力变送器的组装的下一个阶段。在此以简化的方式所示的第二壁组件26包括室孔，在所示室孔内插入了安装在支承体23上的部分，即填充材料11、绝缘体板17和压力传感器2，所述压力传感器2带有在此可见的处于压力传感器2的下方的第一玻璃或半导体相对体5，其中支承体23沿其密封边沿压力密封地被焊接到第二壁组件26。

如在图1d中所示，通道开口在室孔的前侧处；所述通道用于将待测量的介质压力通过流体室使用传输流体施加到压力传感器2。为此，将介质压力施加到面向通道的压力传感器2的测量膜3的前侧表面，同时将大气压力通过参考空气管或通道29施加到测量膜3的后侧表面。如上所指出，实施例示例涉及相对压力传感器。当然，本发明也包括绝对压力传感器，其中测量膜密封了后侧上的排空的空间。在此情况中，不存在参考空气管。

填充材料11和绝缘体板17的材料例如包括耐温塑料，所述耐温塑料相对于传输流体是化学惰性的，例如为PPS。

图2为清晰起见示出了通过布置在第一相对体5和第二相对体6之间的半导体压力传感器2的示意性截面图。如在图1的描述中所指出，第一相对体5可以是玻璃或半导体相对体，且第二相对体6可被设计为绝缘体板17。

根据本发明，压力变送器1包括至少压力传感器2，所述压力传感器2使用常规的半导体方法制成，带有测量膜3和集成在测量膜3内的(特别地压阻性的)电阻元件4，以及膜电极9，所述膜电极9在此实施例示例中也被集成在测量膜3内。存在另一个可能的实施例，其中膜电极9以导电层的形式被安装，例如以金属层的形式被安装。

集成的电阻器4以及膜电极9使用掺杂方法被引入到测量膜内，使其具有与其环境相比增加的掺杂。为节省附加掺杂步骤，电阻元件4和膜电极9被以相同的方式掺杂，使其具有相同的掺杂类型。

如在图2中所示，第二相对体6或绝缘体板17具有相对体电极10。通过将绝缘体板17安装在填充材料11处或上，电极9和10被布置为构成了电容。与从现有技术中已知的使用电阻或电容效应确定压力值的压力变送器1相比，电容使得可执行附加诊断功能。此诊断功能例如包括确定关于压力变送器的附加信息和/或执行基于引入的电容可行的附加功能。

压力传感器2如在图4中所示附加地包括通过集成的电阻元件形成的桥接电路8。桥接电路8的目的是使得可通过压阻性电阻元件4记录测量膜3的压力相关的位移，且通过所形成的电桥电压U_B确定被测量的压力值。

膜电极9例如通过集成在测量膜3内的线被连接到桥接电路8的最高电压点或最低电压点。

除桥接电路8，压力变送器1附加地包括操作电路，所述操作电路设计为将可变的或可调节的电压施加在膜电极9和相对体电极10处或之间。此外，操作电路被设置为执行如下文中所述的方法或其步骤，以获得至少一个附加信息和/或执行一个附加功能。

已指示的方法作为第一步骤建议确定电容和/或其进程。基于所确定的电容和/或其进程，可通过压力变送器1确定多个附加信息。

因此，例如可执行被测量的压力值的冗余的测量或验证。为此目的，可将电桥电压U_B和/或其进程与对应于电容的电容电压和/或其进程进行比较，且检查是否结果处在预先设定的公差范围内。

如果结果位于预先设定的公差范围内，则通过集成的电阻器确定的且通过电容验证的当前的被测量的压力值可以以高的可靠性被视作是可信的或真实的，即当前确定的被测量的压力值可基本上无错误。

如果结果不处在预先设定的公差范围内，则可认为在压力传感器1内发生了改变，且当前确定的被测量的压力值仅有条件地是可信的，即当前被确定的测量的压力值高可能性地是错误的。

除被测量的压力值和从其导出的附加信息的冗余的测量或验证外，也可实施漂移检测，特别是因为附加信息要求确定由于电阻元件的电阻值的改变导致的电桥电压内的漂移的存在。方法在此建议，为确定是否存在漂移将电容和/或其进程与电桥电压和/或其进程作为比被设置为测试标准。

此外，根据方法可建议执行过程膜的测试作为附加功能。以上所述的压力变送器1典型地通过过程膜与其介质压力待测量的过程介质分开。现在为执行过程膜的测试，将电容或其进程与电桥电压和/或其进程相互比较。现在为可得到对于过程膜的判断，测试是否电容和/或其进程改变而同时电桥电压和/或其进程基本上不改变。如果情况如此，则存在过程膜中的缺陷的高的可能性。

类似地，操作电路可被设置为使其执行压力变送器1的自测试。为此目的，将测试电压施加到膜电极9和相对体电极10或其之间。其电压值通过操作电路可变或可修改的所施加的测试电压导致电极9和10之间的距离的改变。在施加测试电压期间，确定电桥电压和/或其进程与电容和/或其进程的比。基于此比，可判断是否在压力变送器内存在改变。

如果此比落在公差范围外，则检测到压力变送器1中的改变，且如果此比处在公差范围内，则检测到在压力变送器中不存在改变。

参考标记列表

1 压力变送器

2 压力传感器

3 测量膜

4 集成的电阻元件

5 第一相对体

6 第二相对体

7 压力室

8 桥接电路

9 膜电极

10 相对体电极

11 填充材料

12 开口

13 第一凹陷空隙

14 第二凹陷空隙

15 孔

16 凹陷空隙

17 绝缘体板

18 第一轴向凸耳

19 第二轴向凸耳

20 凹陷空隙

21 轴向孔

23 支承体

24 基板

26 第二壁组件

27 电套管

28 接合线

29 参考空气管

30 填充管(37)

U_B 电桥电压

Claims (14)

1.一种用于确定压力变量的压力变送器(1)，所述压力变送器(1)至少包括：带有测量膜(3)和集成在所述测量膜(3)中的电阻元件(4)的压力传感器(2)，其中所述压力传感器(2)被布置在第一相对体(5)和第二相对体(6)之间且在其周部区域被牢固地连接到至少所述第一相对体(5)，使得在所述测量膜(3)和所述第一相对体(5)之间形成压力室(7)且所述压力室(7)能够受到第一压力；其中所述测量膜(3)的面向所述第二相对体(6)的一侧能够受到第二压力，且所述测量膜(3)的位移取决于所述第一压力和所述第二压力而被设置；其中所述测量膜(3)的取决于压力的位移能够通过集成的电阻元件(4)而被记录，且被测量的压力值能够通过以所述集成的电阻元件(4)形成的桥接电路(8)的电桥电压(U_B)来确定；其中所述测量膜(3)具有膜电极(9)且所述第二相对体(6)在面向所述测量膜(3)的一侧上至少在所述测量膜(3)的区域内具有一个相对体电极(10)，使得所述膜电极(9)和所述相对体电极(10)形成电容，其中基于此电容能够获得至少一个附加信息，

其中，基于所述电容和/或其进程和/或所述电桥电压(U_B)和/或其进程，所述电桥电压(U_B)中的漂移被识别为所述附加信息。

2.根据权利要求1所述的压力变送器，其中所述集成的电阻元件(4)关于所述压力传感器的衬底被设计为p-n结，和/或所述膜电极(9)关于所述衬底被设计为p-n结。

3.根据权利要求1所述的压力变送器，还包括操作电路，所述操作电路用于确定所述电容和/或其进程，用于确定至少一个附加信息。

4.根据权利要求3所述的压力变送器，其中所述操作电路被建立为在所述膜电极(9)和所述相对体电极(10)处施加可变的或可调节的电压。

5.根据权利要求1至4中的一项所述的压力变送器，其中所述第二相对体(6)由塑料或陶瓷制成。

6.根据权利要求1至4中的一项所述的压力变送器，其中所述压力传感器(1)主要由硅制成。

7.根据权利要求1至4中的一项所述的压力变送器，其中所述膜电极(9)被连接到所述桥接电路(8)的电压最高点或最低点。

8.一种用于操作根据权利要求1至7中的一项所述的压力变送器的方法，其中所述方法包括以下步骤：

–确定电容和/或其进程；

–确定至少一个附加信息，其中，基于所述电容和/或其进程和/或所述电桥电压(U_B)和/或其进程，所述电桥电压(U_B)中的漂移被识别为所述附加信息。

9.根据权利要求8所述的方法，其中执行所述电桥电压(U_B)和/或其进程与对应于所述电容的电容电压和/或其进程的比较，且如果所述电桥电压(U_B)和/或其进程与所述电容电压和/或其进程在特定的公差范围内匹配，则所确定的当前测量的压力值是可信的。

10.根据权利要求9所述的方法，其中如果所述电桥电压(U_B)和/或其进程和/或所述电容电压和/或其进程在特定的公差范围内不匹配，则所述压力变送器(1)中的改变被确定为附加信息。

11.根据权利要求8至10中的一项所述的方法，其中所述电容和/或其进程和/或所述电桥电压(U_B)和/或其进程被设置为比，作为用于识别所述电桥电压(U_B)的漂移的测试标准。

12.根据权利要求8至10中的一项所述的方法，其中方法进一步包括以下步骤：

–基于所述电容确定至少一个附加信息。

13.根据权利要求12所述的方法，其中作为附加功能执行对将所述压力变送器(1)从过程介质分离的过程膜的测试，其中如果所述电容和/或其进程改变且所述电桥电压(U_B)和/或其进程恒定，则识别出所述过程膜内的错误。

14.根据权利要求12所述的方法，其中将测试电压通过所述操作电路施加到所述膜电极(9)和所述相对体电极(10)，使得在所述膜电极(9)和所述相对体电极(10)之间产生距离的改变，且执行自身测试作为附加功能，由此测试所述电桥电压(U_B)和/或其进程与所述电容和/或其进程的比，且如果此比不在预先设定的公差范围内，则识别出所述压力变送器中的改变。

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