CN107923808B - 压力传感器装置以及具有这种压力传感器装置的用于过程仪表设备的测量变换器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种压力传感器装置(1)，其具有管(2)，在管的横截面中设置有加载了要测量的压力的膜片(3)。膜片(3)在中部区域中具有高抗弯强度并且在边缘区域(6)中在轴向方向上弹性地支承在管(2)中。两个腿部(7、8；17、18)用于弹性支承，所述腿部在其彼此朝向的侧面上设有膨胀记录器(9、10)，用于检测膜片(3)的轴向的、取决于要测量的压力的移动。这具有的优点是：记录器(9、10)不与过程介质接触，并且不需要用于电信号的抗压的穿引装置。压力传感器装置(1)的特征在于尤其简单的结构上的构造并且有利地能够使用在用于过程仪表设备的测量变换器中。

Description

压力传感器装置以及具有这种压力传感器装置的用于过程仪 表设备的测量变换器

技术领域

本发明涉及一种根据本发明的压力传感器装置，其具有管，在管的横截面中设置有加载了要测量的压力的膜片，本发明还涉及一种根据本发明的具有这种压力传感器装置的用于过程仪表设备的测量变换器。

背景技术

在过程技术方面的设施中，为了控制过程为过程仪器设备使用多种现场设备。测量变换器用于检测过程变量，即例如介质的密度或气体浓度、温度、压力、通流量、料位。通过促动器能够对应于例如由可编程逻辑控制器或总站预设的策略取决于所检测的过程变量影响过程流程。促动器的实例是调节阀、加热装置或泵。尤其在方法技术方面的设备中，压力测量变换器在自动化的生产流程中是主要的传感器部件。关于最佳的设施表现和持续高的产品质量，需要高质量的测量变换器，所述测量变换器也在极端条件下提供长期稳定的和存在少量错误的测量值。

从DE 196 08 321 C2中已知具有过载保护系统的压力传感器装置，所述压力传感器装置能够在用于压力差的测量变换器中用作为记录器或测量单元。已知的测量单元是用油填充的，使得原本的压力传感器与可能腐蚀性的过程介质分开。过载保护系统由多个彼此相对应的膜片以及精确匹配于此的油填充物构成。因此，这种测量单元的结构是相对耗费成本的，并且为了制造测量单元需要多个焊接工艺。此外，对部件几何形状、材料特性和焊接参数的公差链存在高精度要求。原本的压力传感器的电接触例如必须经由耐高压的玻璃穿引装置从测量单元的压力加载的内部空间向外引导至电子单元，在所述电子单元中执行信号处理以确定压力测量值。测量单元还仅仅在一定程度上是真空密封的并且也仅能够用于相对受限的温度范围。在一定必须避免油污染过程介质的危险的卫生应用中不能够应用该测量单元。

从EP 2 294 376 B1中已知另一压力传感器装置。在那里，为了检测压力，使用具有多个彼此折弯的膜片部段的膜片。一个膜片部段作为分离膜片设置在压力管的横截面中，并且一个相对于其折弯的膜片部段作为侧壁膜片设置在压力管壁部的区域中。施加在分离膜片上的压力差引起所述分离膜片的变形，所述变形由于两个膜片部段之间的固定的角度而传递到侧壁膜片上，使得侧壁膜片的由此决定的变形同样再现了压力管之内的压力关系。用于检测膜片变形的机构设置在侧壁膜片的外侧上，以便侧壁膜片不与介质形成接触，其中应当检测介质的压力。由于将第一膜片部段作为分离膜片设置在管的横截面中，根据在分离膜片的一侧上是否施加限定的基准压力或者分离膜片是否在两侧加载测量压力，已知的压力传感器装置能够用作为绝对压力传感器，而且用作为压力差传感器。已知的压力传感器装置设置用于在柴油颗粒过滤器的监控的范围中使用，以便测量在颗粒过滤器之前和之后的废气压力，进而确定其加载的水平。在此，与过程仪表设备不同，出现在任何情况下都较小的静态压力。然而，在所描述的压力传感器装置中，压力差测量不利地显著取决于尤其引起侧壁膜片的变形的静态压力，并且仅可以不充分地对所述缺点进行补偿，因为所述补偿以施加在管外壁上的膨胀记录器的精确定位为前提，所述定位在实践中几乎不能以所需要的精度实现。

从DE 93 00 776 U1中已知一种压力传感器，该压力传感器具有罐形的壳体，壳体通过环形膜片划分成两个测量腔。膜片借助于中央设置的环成波浪形，并且在中间区域中构成为盘形的压力壁。两个测量腔中的压力差引起轴向移动，轴向移动通过感应传感器检测。不利地，感应传感器在此设置在测量腔之内。

发明内容

本发明所基于的目的是：实现一种压力传感器，所述压力传感器的特征在于简单的结构上的构造和同时适合于使用在用于过程仪表设备的测量变换器中。

为了实现所述目的，开始提出类型的新的压力传感器应用具有以下的特征：弹性的支承通过具有两个腿部的悬挂装置实现，所述腿部基本上平行于所述膜片的平面伸展且相对于管轴线是旋转对称的。在后续内容中描述本发明的有利改进形式，在本发明中还描述了具有这种压力传感器装置的用于过程仪表设备的测量变换器。

本发明具有的优点是：膜片的轴向移动出现在管壁附近，并且由此可行的是：该轴向移动一定程度上可从外部以测量机械的方式检测，所述膜片抗弯地构成并且在边缘区域中在轴向方向上弹性地支承在管中。

尤其相对于从已经在开始提及的DE 196 08 321 C2中已知的压力传感器装置，新装置具有管，在管的横截面中设置有加载了要测量的压力的膜片，这种新装置具有的优点是：其结构上的构造显著更简单，因为不需要油填充、不需要相对应的过载保护系统、不需要压力密封的玻璃穿引装置和需要少量的焊接连接。用于检测膜片的轴向移动的传感器能够有利地设置在介质接触的空间之外，使得不能够造成传感器与填充油或过程介质之间的相互作用。由此，获得具有高长期稳定性和牢固设计的压力传感器装置。

因为不使用填充油，所以在新的压力传感器装置中，在配设有新的压力传感器装置的测量变换器中，不再出现所提及的问题，即受限制的真空密封性、相对受限制的温度范围和不适合于卫生应用的能力。

将膜片沿轴向方向、即沿平行于管轴线的方向上弹性地支承在管中的有利简单的设计方案通过如下方式获得：即该支承通过具有两个腿部的悬挂装置实现，所述腿部基本上平行于膜片平面伸展且相对于管轴线旋转对称地实施。在本文中将表述“基本上平行”理解为：腿部各自相对于膜片的平面倾斜了最大10°的角度。在此，倾斜作为角限定，在假想的连线和膜片平面之间围成该角，其中连线作为直线将膜片上的和管上的腿部连接点彼此连接，其中连线与管轴线相交。膜片悬挂装置的两个腿部相对于膜片平面倾斜小的角度例如能够通过如下方式实现：即两个原始平行的腿部通过机械预紧从其平行位置中移动，所述平行位置也能够称作为零位。借此，两个腿部不仅在零压下而且在整个压力测量范围之上总是处于其零位之外。腿部的这种角位置具有的优点是：能够预防可能的响片效应，即膜片在超出零位时的突然的轴向移动。所描述的响片效应在没有该措施的情况下可能会导致在通过用于检测移动的机构所获得的测量信号中的迟滞。

为了构成两个腿部，膜片的端侧设有至少一个在径向方向上伸入到膜片中的槽。这具有的优点是：在结构尤其简单并且制造低耗费的情况下，获得如下悬挂装置，所述悬挂装置具有两个扁平的、基本上彼此平行的或-在腿部的上述预紧的情况下-弯曲的环片作为弹性系统，所述弹性系统在沿着管轴线的纵截面中的设置类似于平行四边形或类似于具有小的腿张角的梯形。

原则上，能够使用不同的测量方法来检测膜片的轴向的、取决于要测量的压力的移动。例如，能够使用借助于激光器进行光学测量、借助于适当安装的电极进行电容性测量、磁性测量或超声测量。然而，本发明的如下设计方案证实为是尤其有利的，其中膨胀记录器施加在腿部的两个内侧上，即彼此朝向的腿侧，以检测腿部的取决于膜片移动的弯曲。这具有的优点是：两个膨胀记录器沿相反的方向偏转，所述膨胀记录器在本申请中也称作为传感器。即，当一个传感器经受膨胀时，施加在相对置侧上的传感器被压缩。这两个传感器因此产生反向的测量信号，所述测量信号能够为了确定移动进而确定要测量的压力而通过连接的信号处理装置来评估。借此，有利地可以补偿温度影响或静态压力。

如果为了限制膜片移动而设有分布在膜片的环周区域之上的机械止挡件，那么借助尤其简单的结构上的手段获得过载保护装置，通过所述过载保护装置在强压力负荷的情况下能够防止塑性变形或腿部的开裂。以尤其有利的方式，如果在腿部之间设有机械止挡件并且借助塞子或接片实现，那么将用于过载保护的措施与过程介质分开，并且尤其在腐蚀性介质的情况下被保护，所述塞子或接片与管机械刚性地连接并且伸入到膜片端侧上的与其相对应的凹部中。同样地，与过程介质分开并且此外与尤其小的制造耗费联系在一起的是根据一个实施方式的过载保护装置，其中膜片在其端侧上具有环绕的槽，将与其相对应的固定在管上的接片伸入到所述环绕的槽中用于实现机械止挡件。

新型的压力传感器装置由于牢固性、压力和真空密封性以及其相对于静态压力和温度的不灵敏性而尤其适合于用作为用于过程仪表设备的测量变换器中的测量单元或记录器。

附图说明

下面，根据示出本发明的实施例的附图详细阐述本发明以及设计方案和优点。

附图示出：

图1示出压力传感器装置的立体图，

图2示出压力传感器装置的边缘区域的纵截面图，

图3示出加载情况下的根据图2的边缘区域，

图4示出过载情况下的根据图2的边缘区域，

图5示出具有预紧的腿部的压力传感器装置的边缘区域，

图6为了说明在静态压力下的表现示出腿部的纵截面图，

图7示出具有关于静态压力的过载保护装置的腿部的纵截面图，和

图8示出用于说明压力传感器装置的安装可行性的分解图。

在附图中，相同的部件设有相同的附图标记。

具体实施方式

在根据图1的立体图中，具有管2的压力传感器装置1的原理形式是良好可见的，在管的横截面中设置有加载了要测量的压力的膜片3。在将所示出的压力传感器装置1使用在用于过程仪表设备的压力测量变换器中时，管2的两个端部4和5各自借助图1中不可见的圆顶封闭，经由圆顶将具有要测量的压力的过程介质在绝对压力传感器的情况下输送给膜片3的一侧，并且在压力差传感器的情况下输送给膜片3的两侧。用于评估通过压力传感器装置1产生的、取决于各自要测量的压力的电信号的电子单元能够以常规的方式和方法构成，并且同样在图1中未被示出。在图1中变得显而易见的是：在使用如下膜片3的情况下的压力差测量单元的结构上的构造相对于具有过载保护系统和填充油的、作为压力表的常规的测量单元被显著地简化，其中所述膜片在轴向方向上在边缘区域6中弹性地支承在管2中。过程介质在压力差测量变换器的情况下直接地引导到膜片3的两侧上，不需要过载保护系统的耗费的结构和油填充，仅少程度地需要焊接过程，并且能够取消用于电信号的压力密封的玻璃穿引装置。此外。管2和膜片3能够主要通过车削制造。测量单元的尺寸能够设计成，使得测量单元关于其与测量变换器的其余部件的机械接口与常规的测量单元兼容，使得仅必须更换测量单元、即所示出的压力传感器装置1，并且能够由常规的测量变换器接管法兰部件、壳体等。膜片3为相对厚的膜片盘，所述膜片盘具有中部区域中的高抗弯强度，膜片盘在边缘区域6中设有槽。通过居中安置的槽，形成相同厚的两个腿部，在图1中仅可见其中的一个腿部7。两个腿部具有更小的抗弯强度进而用于以所提及的方式、沿轴向方向弹性地支承膜片3。

在图2中在贯穿装置1的纵截面的所示出的部分中两个腿部7和8良好可见，腿部在剖面图中类似于平行四边形，两个膨胀记录器和在如下位置处施加在腿部7和8的彼此朝向的侧面上，该位置在膜片3轴向移动时经受高机械应力。这两个腿部7和8在该实施例中基本上平行于膜片3的中间平面伸展。用于限制过载时的移动的机械止挡件通过加工到膜片3的端侧中的环绕的槽11来实现，与其相对应的接片12伸入到所述槽中，所述接片具有更小的宽度。接片12抗弯地实施，并且是过载环13的组成部分，所述过载环与管2固定地连接。

如果例如在膜片3的左侧上施加比在右侧上更高的压力14，那么膜片3经受沿平行于管轴线方向的移动，如其在图3中示出。在此，两个膨胀记录器和经受机械应力，所述机械应力具有不同的符号。在左侧的膨胀记录器经受压缩期间，右侧的膨胀记录器拉伸。如果与所示出的情况不同在膜片3的右侧上施加更高的压力，那么情况相应地相反并且左侧的传感器9拉伸，而右侧的传感器10被压缩。这两个传感器9和10或膨胀记录器因此产生反向的测量信号，所述测量信号能够以通常的方式被评估。因此，能够尽可能地补偿由于干扰变量、例如温度或静态压力引起的误差。

在膜片3加载超过超压的极限值的压力15时，通过机械止挡件防止膜片3的过度运动，因为抗弯的接片12抵靠在槽11的侧壁上。以类似的方式防止膜片3沿相反方向的过度移动。传感器9和10以及用于过载保护的机械止挡件有利地不与过程介质接触。

所描述的装置1的压力灵敏性还取决于膜片3的面积，膜片由于其旋转对称的实施方案通过膜片直径、腿部7和8的壁厚度以及腿部7和8关于膜片3在径向方向上的几何形状的长度来标识，其中借助所述腿部将膜片3以在轴向方向上可移动的方式悬挂在管2中。通过确定所述参数的大小能够实现尽可能可任意选择的压力测量范围。测量单元是干燥的，即没有油填充，测量单元具有相对简单的结构并且在过载环13的分区段的实施方案中(图2)能够尽可能从一个件中车削出。此外，测量单元有利地是真空密封的并且能够在宽温度范围中运行，所述温度范围主要通过传感器9和10的特性来限制。

根据压力传感器装置的图5中示出的替选设计方案存在如下可行性：借助两个腿部17和18实现弹性支承膜片16，所述腿部相对于膜片16的平面倾斜一个小角度。为了维持对此所需的预紧，过载环19能够设有小的凸起22，其中所述过载环在两侧与管21连接，其中通过所述凸起将腿部17和18张开。所描述的预紧能够基于车削部件后续地在组装压力传感器装置时实现，所述车削部件类似于之前已经描述的部件。

与图5中示出的实施例不同，为了避免响片效应，腿部也能够相对于膜片平面以相反的符号倾斜一个角度，使得两个腿部的间距随着距管轴线的距离增加而变小。

同时，在膜片3的两侧上施加静态压力并且引起腿部基本上S形的变形，如其以图6中的腿部7为例说明。所描述的压力传感器装置有利地也能够测量静态压力。这是可行的，因为在静态压力下，膜片悬挂装置的两个腿部彼此镜面对称地弯曲。两个压力记录器、即图6中示出的压力记录器以及相对置的腿部的未示出的压力记录器在此经受压缩进而输出同向的传感器信号，该传感器信号也称作为共模信号。只要压力差不改变，膜片3本身在此期间就保持在相同的部位处。

根据图7阐述扩展的过载保护装置。当膜片悬挂装置的腿部7在面临压力极其大的情况会过度压弯时，所述过载保护装置限制腿部7的变形。在该情况下，腿部7挤靠在接片23的对此所设的柱基轮廓件24上并且避免进一步弯曲。

根据图8，阐述用于制造压力传感器装置的可行的方法：首先通过车削制造具有膜片半部3a或3b的两个旋转对称的管半部2a和2b以及具有接片12的过载环13作为分别一件式的构件。在腿部7和8的在安装状态下彼此朝向的侧面上施加膨胀记录器。在图8中示出的安装时间点，过载环13已经推移到管半部2a上并且在那里通过环绕的焊缝20固定，所述焊缝例如借助于激光焊接来产生。如在图8中借助箭头表明的那样，随后将第二管半部2b与膜片半部3b拼接。随后，两个膜片半部3a和3b通过点焊在凹陷部25和26处彼此焊接。最后，过载环13和管半部2b通过另一环绕的激光焊缝在可从外部触及的接合部位处彼此焊接。通过点焊将两个膜片半部3a和2b连接成膜片3。由于膜片3是刚性的，所以通过点焊不会预期到对于压力传感器装置的测量特性的负面影响，因为膜片3不经受压弯。在组装时所需要的精度能够通过车削部件的限定的尺寸公差来达到。通过限定的止挡件和使用适当的焊接设备，可以在高精度的情况下进行简单的组装。

根据一个替选的制造方法，管2和膜片3如在图1中示出的那样作为一件式的车削部件制造并且过载保护装置作为多个成型件制造。将在腿部的彼此朝向的侧面上的两个传感器施加到车削部件中。随后，过载保护装置的成型件被装入并且与管2焊接，其中所述成型件为了在膜片3的边缘区域6中形成如上描述那样的机械止挡件而伸入到槽中。成型件能够由两个半圆半部构成，所述半圆半部以组合的方式对应于上述过载环13，或者由多个、例如三个在环周区域之上分布的装入件构成，所述装入件分别具有伸入到槽中的、用于形成机械止挡件的塞子。

Claims (6)

1.一种压力传感器装置，所述压力传感器装置具有管(2)，在所述管的横截面中、在两个管半部(2a、2b)之间设置有加载了要测量的压力的膜片(3)，其中所述膜片(3)在中部区域中具有高抗弯强度并且通过具有两个腿部的悬挂装置在边缘区域(6)中在轴向方向上弹性地支承在所述管(2)中，其中所述两个腿部基本上平行于所述膜片(3)的平面伸展且相对于管轴线是旋转对称的，并且其中存在用于检测所述膜片(3)的轴向的、取决于要测量的压力(14)的移动的机构，其特征在于，

所述两个管半部(2a、2b)的每个经由所述两个腿部中的一个一件式的连接至所述膜片(3)，

过载环(13)连接至所述两个管半部(2a、2b)，并且为了限制所述膜片(3)的轴向移动，所述过载环借助一个或多个机械止挡件凸起，所述机械止挡件以接片(12)的形式分布在所述膜片(3)的环周区域上，或者所述过载环伸入所述两个腿部之间的凹部中，并且

所述管与所述膜片一起被设计为一件式旋转件并且所述过载环被设计为分成至少两个部件，或者所述过载环被设计为一件式部件并且所述两个管半部(2a、2b)与各膜片半部(3a、3b)一起被设计为一件式旋转件，并且

用于检测所述膜片(3)的移动的机构包括应力传感器，所述应力传感器被布置在所述两个腿部的彼此朝向的侧面上。

2.根据权利要求1所述的压力传感器装置，其特征在于，所述膜片(3)的端侧为了构成两个所述腿部(7、8；17、18)设有至少一个在径向方向上伸入到所述膜片中的槽(11)。

3.根据权利要求1或2所述的压力传感器装置，其特征在于，所述应力传感器用于检测所述腿部(7、8；17、18)的取决于所述膜片(3)的弯曲。

4.根据权利要求1或2所述的压力传感器装置，其特征在于，为了限制所述膜片移动，所述膜片在所述腿部(7、8；17、18)之间具有环绕的槽(11)，与所述槽相对应的、与所述管(2)机械刚性地连接的接片(12)伸入到所述环绕的槽中用于实现机械止挡件。

5.根据权利要求3所述的压力传感器装置，其特征在于，为了限制所述膜片移动，所述膜片在所述腿部(7、8；17、18)之间具有环绕的槽(11)，与所述槽相对应的、与所述管(2)机械刚性地连接的接片(12)伸入到所述环绕的槽中用于实现机械止挡件。

6.一种用于过程仪表设备的测量变换器，所述测量变换器具有前述权利要求中任一项所述的压力传感器装置。