CN110630905B - 压力元件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于监视加载至压力元件(1)的流体的压力元件(1)，压力元件(1)设置用于，与流体施加到压力元件(1)上的压力的绝对值无关地，根据压力的变化来闭合电路(19)，其中，流体优选流过管道(12)。本发明提出实现低耗费地识别压力变化的设备。此外，本发明还涉及能由流体穿流的管道、压力冲击检测单元、用于能由流体穿流的管道的压力冲击监视系统、以及压力元件的应用。

Description

压力元件

技术领域

本发明涉及一种用于监视加载至压力元件的流体的压力元件。此外，本发明涉及能由流体穿流的管道。此外，本发明涉及压力冲击检测单元、用于能由流体穿流的管道的压力冲击监视系统和至少一个压力元件的应用。

背景技术

在例如饮用水供应领域的管道网络中，因为由于流体动力学可能产生的压力冲击而存在管道破裂的风险。这个问题出现得相对频繁，所以饮用水供应企业特别关注压力冲击事件的检测并且特别关注可能的管道破裂的定位。

为了避免压力冲击或至少减弱其强度，已知的是：在管道网络中的不同部位处使用所谓的机械的水冲击缓冲器。例如DE 617 502C或EP 0 507705A1公开了这种设备。尽管水冲击缓冲器能够缓冲压力冲击，但其不能提供有关压力冲击事件的信息。

为了限制压力冲击的危害作用，在管道网络的规划和构建中能够考虑有关材料选择和管道的壁厚的、预先计算的参数，以预防管道破裂。然而，在大多数情况下，这种处理方式并不实用，特别是在此不考虑如腐蚀的老化过程。

还可行的是：在管道网络中分布压力传感器，从而连续监视压力状态。由于为此需要连续进行压力测量，必须为每个测量部位提供适当的能量供应，这在管道网络(特别是在饮用水供应领域中)的长度很大的情况下会随之产生大的能量耗费和材料耗费。在此，电池解决方案不实用。

在DE 7 040 823U和DE 6 911 897U中分别公开了具有切换点设置的压力开关，其用于检测流体的压力值。

在DE 582 011A中还公开了一种压力开关，其在超过流体的特定压力阈值的情况下闭合电接触部，以便例如中断冰箱的冷却过程。

发明内容

本发明所基于的目的是：提出一种实现低耗费地识别压力变化的设备，该压力变化能够在流体中出现。

所述目的通过用于监视加载至压力元件的流体的压力元件来实现。

此外，所述目的通过能由流体穿流的管道来实现。

此外，所述目的通过压力冲击检测单元、用于能由流体穿流的管道的压力冲击监视系统和至少一个压力元件的应用来实现。

开头描述类型的压力元件根据本发明设置用于，与流体施加到压力元件上的压力的绝对值无关地，根据压力的变化来闭合电路，其中，流体优选流过管道。

换言之，压力元件设置用于，使得其对流体具有的压力的上升和/或下降做出反应并且闭合电路。压力元件在此能够起开关或按键的作用。根据电路的拓扑结构，压力元件也能够断开电路，以便引起类似的反应。重要的仅是进行可测量的、可利用后续部件检测的反应。

重要的是：除了被超过时会破坏压力元件的最大压力值之外，流体压力的绝对值不对压力元件的功能产生影响。压力元件的重要优点是流体所处的压力(所谓的静态压力)的绝对大小的不相关性。由此，能够将根据本发明的压力元件与任意的管道组合，以便检测其中出现的压力变化、尤其是压力冲击。

优选地，将至少一个压力元件用于监视由流体穿流的管道。

优选地，压力元件设置用于，在出现流体的压力变化时，在没有外部的能量源、尤其电能源辅助的情况下自动闭合电路。压力元件在本发明的该改进方案中以纯机械的方式工作。因此，能够检测管道中的流体的压力变化，而为此不需要(线缆连接的或基于电池的)电能供应。对于压力元件的功能，也不需要具有其他类型(例如机械类型)的外部的能量源。对于压力元件的功能所需的能量仅通过管道中的流体的压力变化来提供。

尤其优选地，压力元件设置用于在超过流体压力变化的按数值的阈值的情况下闭合电路。换言之，当按数值超过特定的压力变化速度时，压力元件闭合电路。当压力变化速度慢(低于阈值)时，即压力变化慢时，压力元件不以电路的闭合来响应。但是这不表示：压力元件整体上看完全不显示出对压力元件的反应。通过对压力元件的参数、如“触发阈值”、“响应动态”等的相应确定，能够覆盖宽范围的可能的应用领域。

在本发明的一个有利的改进方案中，压力元件具有至少一个柔性的膜片，膜片又与开关元件的连接。柔性的膜片与开关元件之间的连接设计为，使得膜片的运动或偏转直接或间接地引起开关元件的运动，以便在膜片相应地运动或偏转时闭合电路。膜片为柔性元件，柔性元件在用压力加载第一外侧时以沿压力作用的方向的平衡运动响应。同时，膜片只要其不具有开口等就不让流体穿透。由膜片和与其连接的开关元件构成的组合实现电路的尤其简单的闭合过程。

在一个改进方案的范围中，压力元件具有至少两个膜片，即第一膜片和第二膜片。柔性的第一膜片与至第一开关元件连接。该连接设计为，使得第一膜片和第一开关元件由于管道中的正的压力变化而运动，从而闭合电路。相应地，第二膜片与第二开关元件连接，使得第二膜片和第二开关元件由于管道中的负的压力变化而运动，从而闭合电路。

通过本发明的之前描述的改进方案，流体压力的负的压力变化能够简单地借助于压力元件来检测。

优选地，压力元件包括过载设备，过载设备设置用于防止过度的机械负载作用于至少一个膜片上。在此，膜片的偏转能够通过结构方面的措施来限制，使得膜片本身在压力变化速度过快的情况下不造成损坏。通过使用过载设备，膜片还能够相对薄地设计，这能够实现检测很慢的压力变化速度。

压力元件能够具有至少一个第一腔室和第二腔室，其中，膜片和开关元件布置在两个腔室之间的中间区域中。膜片在此不必将两个腔室彼此完全分离。更确切地说，也能够在两个腔室之间设有直接的开口。膜片本身也能够具有用于由流体穿流的开口。

优选地，压力元件具有至少一个附加的第三腔室，第三腔室具有通至第一腔室的第一开口和通至第二腔室的第二开口，其中这两个开口具有彼此不同的流动横截面。借助于不同的开口，在管道中出现流体的压力变化的情况下，能够有针对性地实现第一腔室与第二腔室之间的不同的压力关系，以便引起至少一个膜片的运动，该运动最后能够引起电路的闭合(在流体的适当的压力变化速度的情况下)。对此更详细的阐述参考实施例的描述。

在第一腔室中，优选设置有能压缩的变形装置，变形装置设置用于根据施加到其上的压力来可逆地改变变形装置的体积。借助于该变形装置能够在第一腔室与第二腔室之间实现压力差，以便能够运动至少一个膜片，以与开关元件一起闭合电路。变形装置气密地相对于两个腔室密封并且能机械变形。变形装置的大小取决于压力元件的规格。

能压缩的变形装置能够是变形体，该变形体由空气或气体填充并且形成气球状。

可选地，能压缩的变形装置具有从流动方面看与第一腔室分开的子腔室，该子腔室包括弹簧和活塞。在此，活塞设计和设置用于，在有压力施加到活塞上时将力施加到弹簧上，使得子腔室的体积以及整个变形装置的体积可逆地改变。

能压缩的变形装置也能够是风箱结构(Balgstruktur)，风箱结构在加载至压力元件的流体的压力改变时能够被可逆地压缩。优选地，风箱结构在此在包围压力元件的流体的压力变化为正的情况下挤压在一起，并且在流体的压力变化为负的情况下彼此拉开。

在本发明的一个有利的改进方案中，压力元件具有柔性的分离膜片，分离膜片设计为，使得能够将流体加载至分离膜片的第一侧，并且将处于压力元件之内的流体加载至分离膜片的第二侧。

当从外部加载至压力元件的流体能够达到压力元件本身中时，能够造成死区体积(Totvolumen)，在死区体积中能够产生病菌，该病菌例如能够造成流体的污染。此外，由流体运输的固体颗粒能够到达压力元件中，由此能够产生堆积物，堆积物能够造成对压力元件功能的损害。借助附加的柔性的分离膜片，能够极其有效和简单地解决该问题，而不会损害压力元件的功能。

之前阐述的目的同样由一种管道实现，该管道能够由流体穿流，并且该管道具有与该管道连接的、至少一个根据上面阐述内容的压力元件。

所述目的也由一种压力冲击检测单元实现。该压力冲击检测单元包括根据上面阐述内容的压力元件和控制单元，控制单元设计和设置用于检测压力元件的电路的闭合。在此，控制单元有利地设计为使得其当电路也闭合时才需要电能。这实现了压力冲击检测单元的最小的能量消耗和广泛的应用范围。

除了检测压力变化之外，控制单元还能够提供变化事件的精确的时间戳并且具有用于检测温度、(绝对)压力、湿度、振动、亮度等的传感器。

此外，之前阐述的目的由一种用于能由流体穿流的管道的压力冲击监视系统实现。压力冲击监视系统包括根据上面阐述内容的多个压力元件和至少一个控制单元，控制单元设计和设置用于检测压力元件的电路的闭合。借助有利地分布式设置在能由流体穿流的管道之内的多个压力元件，能够跟踪管道内流体的压力变化的扩展。由此能够得出压力变化的原始位置。例如，能够借助于根据本发明的压力冲击监视系统简单且快速地定位管道中的可能的管道破裂，以便能够尽早且有针对性地采取相应措施。

附图说明

本发明的上述特征、特性和优点以及实现其的方式和方法在实施例的下述描述中变得清晰易懂，该实施例结合附图详细阐述。在此示出：

图1示出根据本发明的压力元件的第一实施方式的剖面图；

图2示出根据本发明的压力元件的第二实施方式的剖面图；

图3示出根据本发明的压力元件的第三实施方式的剖面图；

图4示出根据本发明的压力元件的第四实施方式的剖面图；

图5示出根据图4的实施方式的第二剖面图；

图6示出具有配属于根据本发明的压力元件的开关元件的膜片；

图7示出图6的细节放大图；以及

图8示出根据本发明的管道。

具体实施方式

图1示出根据本发明的压力元件1的流动示意图，压力元件设计为压力冲击按键1。压力冲击按键1具有由坚固的、抗压的材料构成的壳体2。在壳体2中存在开口3，流体能够穿过该开口流入到壳体2的内部。此外，压力冲击按键1包括第一腔室4、第二腔室5和第三腔室6。此外，压力冲击按键1具有第一膜片7、第二膜片8以及开关元件9。

包围壳体2的开口3的外壁10具有螺纹11，借助螺纹能够将压力冲击按键1例如与管道12(未示出，参见图8)以流体连接。三个腔室4、5、6用从外部流入到压力冲击按键1中的流体(例如出自管道12的水)填充并且处于相同的流体压力下。第一腔室4和第三腔室6经由第一开口13彼此连接。第二腔室5和第三腔室6经由第二开口14彼此连接。在加载至压力元件1的流体的压力变化时，出现经过这些开口13、14的、在另外的过程中详细阐述的压力平衡流。第一开口13的流动横截面小于第二开口14的流动横截面。

在第一腔室4和第二腔室5之间设置两个膜片7、8，所述膜片将两个腔室4、5彼此在流体方面分离，即没有流体能够直接地(在没有经由第三腔室6绕路的情况下)在两个腔室4、5之间流动。两个膜片7、8彼此间隔开设置并且包围第四腔室15，第四腔室例如用硅油填充。

在第四腔室15中存在接片16，该接片与构造为按键9的开关元件9形成连接。接片16由于其中空出的开口17(短线示出)对于硅油是可透过的。按键9与第一膜片7机械地连接，使得在膜片朝按键9运动时在超过特定的(开关)阈值(取决于流体压力的相应的变化速度)的情况下闭合设置在接片16上的电路19。膜片7、8之间的第四腔室15用电绝缘液体填充并因此对于处于其中的电构件是中性的。借助图1中未示出的、穿过壳体2的用于电的过孔，将电接头向外引导。

如果第一膜片7远离按键9运动，则电路19在低于开关阈值(包括开关迟滞)的情况下在此中断或断开。通过结构措施，在借助过载支座的偏转过强的情况下阻碍第一膜片7的偏转，从而不能损害第一膜片。这实现使用相对薄的第一膜片7，使得在较慢的压力变化速度的情况下开关阈值也可用。

第一膜片7和第二膜片8根据系统完全不承受静态的压力差，这使薄的膜片7、8是可行的。

在第一腔室4中存在设计为能压缩的变形体18的变形装置18，变形装置在第一腔室4之内压力变化时发生相应的体积变化。变形体18气密地密封并且能够用空气或气体填充。在此，变形体能机械变形并且根据要求具有限定的大小。

在下文中阐述压力元件1的功能：在加载至开口3的流体的压力上升快的情况下(即在变化速度相对快的情况下)，能够通过较小的第一开口13在压力上升期间仅流动少量流体，使得经由较大的第二开口14进行压力平衡。膜片7、8通过第一腔室4中的负压或第二腔室5中的正压朝第一腔室4的方向偏转并且在此闭合电路19。在此，能压缩的变形体18被压缩并且确保完全能够在第一腔室与第二腔室4、5之间出现压力差。

在压力上升事件(流体压力又不变或者仅还缓慢改变)之后，流体继续流过第一开口13，直至膜片7、8根据其恢复力再次回到其基本状态为止。电路19再次被中断或断开。

在流体的压力相应快速下降的情况下，相同的作用机制引起：膜片7、8朝第二腔室5的方向运动。相应地，在接片16的(在图1的绘图平面中)右侧的(另外的或可选的)按键(图1中未示出)在足够快的负的压力变化速度的情况下闭合电路19，该电路能够与闭合第一按键9的电路19相同，然而不必强制是这种情况。在此也经由第一开口13发生缓慢的平衡流动，直至膜片7、8再次处于其静止位置中。开关阈值和压力元件1的迟滞能够通过开口13、14以及变形体18、膜片7、8和腔室4、5、6、15的相应的参数化等来设置。

图2示出根据本发明的压力元件1的第二实施方式。第二实施方式的作用机制与之前描述的相同。然而，压力元件1不同于图1的压力元件1仅包括一个膜片20。第一腔室4、第二腔室5和第三腔室6完全用流体(例如硅油)填充。压力元件1的全部机械部件都处于硅油中。压力元件具有两个接片21、22，这些接片分别设置在第一腔室4中和第二腔室5中。接片起止挡机构的作用并因此起用于膜片20的过载设备的作用。

分别将按键23、24安置在接片21、22处。按键23、24经由机械连接与膜片20连接。膜片20向左(流体压力下降)的偏转闭合第二腔室5中的电路25，膜片20向右(流体压力上升)的偏转闭合第一腔室4中的电路26。因此，能够借助于唯一的元件1检测双向的压力变化事件。

不同于根据图1的本发明的实施方式，在第二实施方式中，封闭开口3的分离膜片27将压力元件1的内部与位于外部的流体分开。由此，在压力元件1之内形成死区体积，并且压力元件1的内部中的无颗粒的流体尤其能够不堵塞(较小的)第一开口13。

在图3中示出根据本发明的压力元件1的第三实施方式。压力元件1的作用原理等同于之前阐述的实施方式(图1、2)。压力元件1仅包括第一腔室4和第二腔室5。能压缩的变形装置18具有从流动方面看与第一腔室4分开的子腔室28，子腔室包括弹簧29和活塞30。双重O形环密封件31相对于第一腔室4密封子腔室28。子腔室28包含能压缩的气体。第一腔室4和第二腔室5如在图2中那样完全用例如硅油填充。

活塞30设计和设置用于，在压力施加到其上时(即当第一腔室4中的压力升高或下降时)将力施加到弹簧29上，使得子腔室28的体积以及整个变形装置18的体积改变。该功能对应于根据图1和图2的变形体18。

唯一的膜片20将第一腔室4与第二腔室5分开。然而，两个腔室4、5经由相对窄的通道32彼此连接，该通道进入到分离壁33中。由此，硅油在平衡流动时(在压力变化时)经受限定的流动阻力。

在该实施例中，膜片20“相对软”并且在过载时也不产生危害，使得不需要机械的止挡件作为保护件。分离膜片27在此如已经描述的那样也将硅油填充量与处于外部的流体分开。

图4示出根据本发明的压力元件1的第四实施例。压力元件1具有卵形的壳体2，壳体朝外气密地密封。壳体2压力稳定地构造。然而，壳体2的一部分设计为风箱结构34，风箱结构能够聚集和扩展。风箱结构34起变形装置18的作用，变形装置满足与能压缩的变形体类似的功能(参见图1至图3)。压力元件1具有第一腔室4和第二腔室5。两个腔室4、5用流体(例如气体或通常的空气)填充。在两个腔室4、5之间设置柔性的(对于压力元件1内部中的流体密封的)膜片20，该膜片具有开口35。

在包围压力元件1的流体的压力变化为正时，风箱结构34挤压在一起(在图4中沿轴向方向)。第二腔室5的内部中的压力上升。膜片20中的开口35实现朝第一腔室4的方向的压力平衡流动。在压力变化速度足够快的情况下(在压力冲击强的情况下)，开口35的流动阻力大至使得膜片20朝第一腔室4的方向偏转。

膜片20又与设计为基于MEMS(微机电开关)的开关36的开关元件机械地连接。如果膜片20朝基于MEMS的开关36的方向运动，则该膜片偏转，使得开关36闭合电子电路19。同时，开关36的该位置或开关36的固持件41(在图4中未示出)用作为过载设备41或机械止挡件，该机械止挡件防止膜片20进一步的(有害)偏转。

在压力平衡流动消退之后，膜片20又返回到其静止位置，由此又中断或断开电路19。压力元件1的内部中的流体能够处于相应高的压力下，以使压力元件1的工作范围能够匹配相应的应用。

通过将MEMS的开关36设置在膜片20的另一侧上也能够检测负的压力变化。

在图5中示出图4的压力元件1的另一视角(围绕纵轴线旋转90度)。图6详细地示出用于为压力元件1使用的MEMS的开关36。良好可见的是：膜片20直接与开关36连接，以便在膜片20相应偏转的情况下闭合电路19。MEMS的开关36固定在固持件41处。

电路19在图7中示例性地示出。该电路在第一侧39上(图7中的左侧)包括四个接触件37a、37b、37c、37d，并且在右侧40上(图7中的右侧)包括四个配合接触件38a、38b、38c、38d。

在图8中示出能由流体穿流的管道12，该管道与根据本发明的压力元件1以流体连接。

尽管在细节上通过优选的实施例详细地阐述和描述了本发明，然而本发明不受公开的实例限制，并且能够由本领域技术人员从中推导出其他的变型方案，而不偏离本发明的保护范围。

Claims (16)

1.一种压力元件(1)，用于监视加载至所述压力元件(1)的流体，所述压力元件(1)设置用于，与所述流体施加到所述压力元件(1)上的压力的绝对值无关地，根据所述压力的变化来闭合电路(19)，所述压力元件设置用于在超过所述流体的压力变化的阈值数值的情况下闭合所述电路(19)，所述压力元件具有至少一个柔性的膜片(7、8、20)，所述膜片与开关元件(9、23、24、36)连接，使得所述膜片(7、8、20)的运动引起所述开关元件(9、23、24、36)的运动，以便在所述膜片(7、8、20)相应地运动时闭合所述电路(19)，其中所述压力元件具有至少一个第一腔室(4)和第二腔室(5)，并且所述压力元件具有至少一个附加的第三腔室(6)，所述第三腔室具有通至所述第一腔室(4)的第一开口(13)和通至所述第二腔室(5)的第二开口(14)，其中所述膜片将所述第一腔室(4)和所述第二腔室(5)彼此在流体方面分离，其中，所述第一开口(13)和所述第二开口(14)具有彼此不同的流动横截面，其中，所述压力元件具有柔性的第一膜片(7)，所述第一膜片与第一开关元件(23)连接，使得所述第一膜片(7)和所述第一开关元件(23)由于所述流体的正的压力变化而运动，从而闭合所述电路(19)，并且所述压力元件具有柔性的第二膜片(8)，所述第二膜片与第二开关元件(24)连接，使得所述第二膜片(8)和所述第二开关元件(24)由于所述流体的负的压力变化而运动，从而闭合所述电路。

2.根据权利要求1所述的压力元件(1)，其中，所述流体流过管道(12)。

3.根据权利要求1或2所述的压力元件(1)，所述压力元件设置用于，在出现所述流体的压力变化时，在没有外部的能量源辅助的情况下自动闭合所述电路(19)。

4.根据权利要求3所述的压力元件(1)，所述能量源是电能源。

5.根据权利要求1所述的压力元件(1)，所述压力元件包括过载设备(16、21、22、41)，所述过载设备设置用于防止过度的机械负载作用于至少一个所述膜片(7、8、20)上。

6.根据权利要求1所述的压力元件(1)，其中，所述膜片(7、8、20)和所述开关元件(9、23、24、36)布置在所述第一腔室(4)与所述第二腔室(5)之间的中间区域中。

7.根据权利要求6所述的压力元件(1)，其中，所述膜片(7、8、20)具有用于由流体穿流的开口(35)。

8.根据权利要求6至7中任一项所述的压力元件(1)，其中，在所述第一腔室(4)中设置有能压缩的变形装置(18)，所述变形装置设置用于根据施加到所述变形装置上的压力来可逆地改变所述变形装置的体积。

9.根据权利要求8所述的压力元件(1)，其中，能压缩的所述变形装置(18)是形成气球状的变形体。

10.根据权利要求8所述的压力元件(1)，其中，能压缩的所述变形装置(18)具有从流动方面看与所述第一腔室(4)分开的子腔室(28)，所述子腔室包括弹簧(29)和活塞(30)，其中，所述活塞(30)设计用于，在有压力施加到所述活塞上时将力施加到所述弹簧(29)上，使得所述子腔室(28)的体积以及整个所述变形装置(18)的体积可逆地改变。

11.根据权利要求10所述的压力元件(1)，其中，能压缩的所述变形装置(18)包括风箱结构，所述风箱结构在加载至所述压力元件(1)的所述流体的压力改变时能够被可逆地压缩。

12.根据权利要求1或2所述的压力元件(1)，所述压力元件具有柔性的分离膜片(27)，能将所述流体加载至所述分离膜片(27)的第一侧，并且将处于所述压力元件(1)之内的流体加载至所述分离膜片(27)的第二侧。

13.一种管道(12)，所述管道能够由流体穿流，并且所述管道具有与所述管道(12)连接的、至少一个根据前述权利要求中任一项所述的压力元件(1)。

14.一种压力冲击检测单元，包括控制单元和根据权利要求1至12中任一项所述的压力元件(1)，所述控制单元设计用于检测所述压力元件(1)的所述电路(19)的闭合。

15.一种用于能由流体穿流的管道(12)的压力冲击监视系统，所述压力冲击监视系统包括至少一个控制单元和多个根据权利要求1至12中任一项所述的压力元件(1)，所述控制单元设计用于检测所述压力元件(1)的所述电路(19)的闭合。

16.一种将至少一个根据权利要求1至12中任一项所述的压力元件(1)用于监视由流体穿流的管道(12)的应用。

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