CN110998269A

CN110998269A - 一种传感器

Info

Publication number: CN110998269A
Application number: CN201880053211.8A
Authority: CN
Inventors: M·魏因诺尔; D·魏瑟尔
Original assignee: Marquardt GmbH
Current assignee: Marquardt GmbH
Priority date: 2017-08-17
Filing date: 2018-08-15
Publication date: 2020-04-10
Also published as: WO2019034674A1; DE102018006392A1; EP3669153A1

Abstract

本发明涉及一种测量装置(1)，该测量装置用于对流体的测量参量进行测量，尤其是涉及一种传感器——例如压力传感器、相对压力传感器、压差传感器、位移传感器等，该测量装置具有壳体(2)。在壳体(2)内和/或上布置有弹性膜片(8)。信号发生器与膜片(8)如此地共同作用，使得流体在膜片(8)上的作用在所述信号发生器上引起对应于测量参量的测量信号。膜片(8)包括能够导电的弹性体层。流体在膜片(8)上的作用引起膜片(8)的电容的变化。通过将膜片(8)的电容变化设置作为测量信号，所述膜片(8)能够作为信号发生器运行。

Description

一种传感器

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的测量装置。

背景技术

测量装置可以涉及传感器——例如压力传感器、相对压力传感器、压差传感器、位移传感器等。这样的测量装置主要用于对流体的测量参量进行测量。例如，可以将测量装置用于对洗衣机、餐具洗涤机、湿式和/或干式吸尘器或其他家用器具中的水位进行测量。这些测量装置尤其涉及针对低压的压力传感器。

已知具有壳体和布置在壳体内和/或上的弹性膜片的这种测量装置。信号发生器与膜片如此共同作用，使得流体在膜片上的作用在信号发生器上引起对应于测量参量的测量信号。在已知的测量装置中，使用磁体作为信号发生器，该磁体又与霍尔传感器合作来产生测量信号。磁体和霍尔传感器涉及成本密集的组件，因此该测量装置无法在成本敏感的领域内使用。此外，已经被证明的是：在测量装置上的外部影响可能对信号发生器有干扰性影响，这继而可能导致测量信号的失真。

发明内容

本发明基于以下任务：在成本有利性方面对测量装置进行进一步开发。尤其还应建立稳定的测量系统，该测量系统尽可能独立于外部影响地工作，并且在该测量系统中，测量信号的质量得到改善。

在根据前序部分的测量装置中通过权利要求1的所标识的特征来解决该任务。

在根据本发明的测量装置中，膜片包括能够导电的弹性体层，其中，流体在膜片上的作用引起膜片的电容变化。此外，信号发生器由膜片构成。也就是说，通过将在流体作用下的膜片的电容变化设置为测量信号，膜片尤其能够作为信号发生器运行。换句话说，信号发生器集成在膜片中，因此不需要磁体和霍尔传感器。由于节省了构件，因此提出了成本有利的测量装置。本发明的其他构型是从属权利要求的主题。

在以高功能安全性为特征的另一构型中，膜片可以包括第一和第二能够导电的层。这两个能够导电的层可以符合目的地通过电绝缘层分离。

在一种符合目的的构型中，第一能够导电的层和第二能够导电的层可以构造为电绝缘层上的电极。电极可以以简单的方式方法相对置地布置在绝缘层的相应的表面上。此外，具有位于电极之间的绝缘层的电极可以形成电容器。由此得到对用于产生测量信号的电容变化的特别简单的分析处理。此外，在流体在膜片上的作用发生变化的情况下，电容会产生不成比例的变化，据此确认测量信号的特殊的灵敏性。

为了向电极施加电压，可以将电极与电连接端电连接。以简单的方式方法，电连接端可以由施加到绝缘层的表面上的能够导电的层构成。为了功能安全且简单的能够接触性，电连接端可以进一步布置成从绝缘层的外围引导至电极。

通过将绝缘层基本上圆形地构型，可以实现用于布置的简单几何形状。电极可以以相对于绝缘层较小的直径也基本上圆形地进行构型。然后，电极可以符合目的地关于绝缘层的外围基本上同心地布置。显然地，也可以选择一种另外的几何形状。例如，电极和/或绝缘层也可以矩形、椭圆形、菱形或类似地构造。

以功能安全且成本有利的方式方法，绝缘层可以由弹性体构成。弹性体可以涉及硅树脂、尤其涉及硅树脂膜。绝缘层可以具有在约0.05mm至0.2mm的范围内的厚度。绝缘层以优选的方式具有约0.1mm的厚度。

以功能安全且成本有利的方式方法，能够导电的层也可以由设有能够导电的颗粒的弹性体构成。弹性体可以由硅树脂制成，而能够导电的颗粒可以由石墨制成。在这种情况下，绝缘层和能够导电的层基本上由相同的材料制成，使得在流体的作用下，绝缘层和能够导电的层发生尽可能无应力的形变。由此有利地抵消在绝缘层和能够导电的层中出现裂纹和/或分离。能够导电的层可以作为电极被印刷、层压(等)到绝缘层的表面上，借此得到简单的能够制造性。能够导电的层的厚度可以以优选的方式最大为0.1mm。能够导电的层的厚度尤其可以处于约1nm至0.1mm的范围内。

为了简单的装配，膜片可以被预加紧地固定在支撑件上。为了简单的能够制造性，可以借助粘合、焊接、热填缝等实现固定。在此可以提出，将膜片在绝缘层的外围处固定到支撑件上。只要壳体至少部分地大致圆筒状地构型，则可以将支撑件构型为支撑环。支撑件可以以符合目的的方式方法布置在壳体中的压力室中。

为了进一步抵消由于外部影响而导致的测量信号的失真，可以设置一个另外的能够导电的弹性体层，所述另外的能够导电的弹性体层用作针对膜片上的测量信号的参考。所述另外的能够导电的弹性体层可以符合目的地布置在压力室中。此外，所述另外的弹性体层可以以简单的方式方法固定在支撑件的与膜片相对置的侧上。

为了流体的简单输送，可以在壳体上布置用于将流体输送到压力室中的连接件。为了保证流体不受阻碍地进入膜片，可以有与该连接件相对应的开口位于所述另外的弹性体层中。

对于根据本发明的测量装置的一种特别优选的构型来说，存在以下内容。

在各种用于测量压力的终端设备中使用压力传感器。可以绝对地、相对地(通常相对于环境压力)或差分地(当压力涉及两个不同压力之间的压力差时)测量压力。通常将测量值传递到更高级别的控制和/或调节电子设备中，该控制和/或调节电子设备对信号进行解释和进一步处理。

洗衣机可以用作此类终端设备的示例，在洗衣机的情况下，通常将水位作为与环境的相对压力来测量。为此，在水箱底部测量水压。在该示例中，将压力信号用于监控水位以及相应地设置洗涤参量。

基本任务在于，将待测量的压力转换为电测量信号。然而，各种环境条件在此都会对传感器产生负面影响。这些环境条件例如可以涉及振动、湿度、温度、各种污染物等。此外，顾客需要越来越准确、同时成本却越有利的产品。因此，在此存在开发一种成本有利、不敏感但准确的压力传感器的挑战。

先前的解决方案基于霍尔效应或基于感应系统，所述感应系统原则相关地需要多个构件以进行测量。为此，例如在压力侧上需要可运动的磁体，在电子侧上需要具有输出电子设备的霍尔元件。根据本发明的解决方案提供，将所需的组件减少到绝对的最小，并且将传感器元件作为电容结构直接集成在压力密封所需的膜片中。借助于支撑件来将膜片预加紧，并且可以可选地将膜片与参考膜片进行比较。这种类型的电容测量是可靠且成本有利的。

由此以电容测量技术提出压力传感器，所述电容测量技术为了压力测量而直接结构化到膜片上，其中，所述膜片涉及具有电容结构的弹性体。

借助于本发明实现的优点尤其在于，根据本发明的测量装置是特别成本有利的。因此，可以将该测量装置在成本敏感的设备中使用。尤其可以借此来开发以当前技术无法实现的应用。此外，在测量范围内更容易和/或更好地对测量装置进行定标。由此可以实现在成本、准确性等方面对测量装置的简单的匹配。

附图说明

在附图中示出具有不同扩展方案和构型的本发明的实施例，并在下文中对该实施例进行详细地描述。其中：

图1以爆炸图示出具有膜片的压力传感器，

图2示出第一实施方式中图1中的膜片的截面，

图3示出第二实施方式中图1中的膜片的截面，

图4以细节图示出包括电极的图1的膜片的俯视图，

图5示出图4中的电极的布置，

图6示出流体在相应于如图2中的截面的膜片上的作用的原理性图示。

具体实施方式

在图1中可以看到压力传感器，该压力传感器用作测量装置1，该测量装置用于对流体的测量参量(本文中即家用器具中的流体的压力)进行测量。压力传感器1具有壳体2以及用于连接馈电线的插接件4，在该壳体上布置有用于输送待测量流体的连接件3。借助位于壳体2上的锁定机构5能够将压力传感器1安装在家用器具中。最后，壳体2包括支座6和盖7。

弹性膜片8布置在壳体2内和/或上，流体通过连接件3作用于该弹性膜片上。如图6中的原理性图示所示的那样，膜片8相应于流体中存在的压力而弯曲。膜片8包括能够导电的弹性体层9(见图2)，使得流体在膜片8上的作用由于膜片的弯曲而引起膜片8的电容的变化。因此，通过将膜片8的在流体的作用下的电容变化用作测量信号，由此由膜片8形成信号发生器，膜片8能够作为信号发生器运行。因此，在本文中，与膜片8共同作用的信号发生器实现为单个的集成构件，其中，流体在膜片8上的作用在信号发生器上引起与测量参量相对应的测量信号。

如在图2中可以看到的那样，膜片8在另一构型中包括第一能够导电的层9和第二能够导电的层10。这两个能够导电的层9、10通过电绝缘层11彼此分离。如果向膜片8施加电压，则由于隔离层11而彼此间隔开的两个层9、10作为电容器起作用。借助层9、10构成的该电容器的电容为：

C＝K·(A/d)

其中，C表示电容，A表示膜片8的表面积，d表示膜片8的厚度，K表示常数。在此，在常数方面考虑真空的电场常数ε₀和由绝缘层11形成的电介质的相对介电常数ε_r。如根据图6可以看到的那样，表面积A'由于膜片8在压力作用下的弯曲而相对于原始表面积A增大，厚度d'随之相对于膜片8的各个厚度d1+d2+d3的总和减小。因此，容量C由于压力作用而不成比例地增加。如已经提及的，当前的电容或电容变化分别对应于流体的相应压力。可以借助于例如布置在壳体2中的电子设备(未进一步示出)来进行电容确定以及压力求取。

符合目的地，第一能够导电的层9和第二能够导电的层10作为电极9'、10'结构化地构造在电绝缘层11上。在图4中，在对膜片8的俯视图中可以看到位于绝缘层11的上侧的电极9'。无法看到的另外的电极10'位于绝缘层11的下侧。根据省略了绝缘层11的图5，电极9'、10'相对置地布置在绝缘层11的相应表面上。然后，电极9'、10'与位于它们之间的绝缘层11构成已经描述的电容器。

如在图4中可以看到的那样，电极9'与电连接端18电连接。电连接端18布置成从绝缘层11的外围20引导至电极9'，并且用于将电压施加到电极9'上。如根据图5可以看到的那样，从绝缘层11的外围20离开的这种电连接端19建立到电极10'的电连接。电连接端18、19由施加到绝缘层11的相应表面上的能够导电的层构成。然后，可以基于施加在电连接端18、19之间的电压来求取由于流体在膜片8上的作用而引起的电容器的电容C的值，该电容器由膜片8形成。

在一个优选的构造中，如根据图4和图5可以看到的那样，绝缘层11基本上圆形地进行构型。同样地，电极9'、10'基本上圆形地进行构型。然而，电极9'、10'具有相对于绝缘层11更小的直径。此外，电极9'、10'相对于绝缘层11的外围20基本上同心地进行布置。

绝缘层11由弹性体构成。硅树脂作为弹性体已被证明是特别合适的。绝缘层11尤其涉及硅树脂膜。绝缘层11具有在约0.05至0.2毫米范围内的厚度d1(见图6)。优选地，绝缘层11的厚度d1为约0.1毫米。能够导电的层9、10由设有能够导电的颗粒的弹性体构成。在此，硅树脂作为弹性体以及石墨作为能够导电的颗粒已被证明是特别合适的。可以将导电层9、10作为电极9'、10'印刷、层压(等)到绝缘层11的表面上。能够导电的层9、10的厚度d2、d3(见图6)处于约1纳米至0.1毫米的范围内。在此已经被证明，厚度d2、d3应优选地最大为0.1mm。

为了将弹性膜片8简单地布置在壳体2中，如在图2中可以看到的那样，膜片8被预加紧地固定在支撑件12上。可以借助粘合、焊接、热填缝等方式实现膜片8在支撑件12上的固定。然后将支撑件12同膜片8一起布置在如图1所示的壳体2中的压力室13中。如果压力室13近似圆柱形地构造，则支撑件12优选地涉及支撑环。然后将膜片8符合目的地在绝缘层11的外围20处固定在支撑件12上。

如在图3中还可以看到的那样，可以设置一个另外的能够导电的弹性体层14作为针对测量信号的参考，所述测量信号存在于膜片8上。所述另外的弹性体层14也位于压力室13中，并且与膜片8基本上相同地进行构型。外部影响基本上以同样的方式作用在膜片8和所述另外的弹性体层14上，然而，流体的压力作用仅存在于膜片8上。因此，基于通过所述另外的弹性体层14实现的参考，可以在外部影响方面对测量信号进行校正。

所述另外的弹性层14固定在支撑件12的与膜片8相对置的侧上。为了确保将流体根据箭头16无阻碍地输送到压力室13中，有开口15处于所述另外的弹性体层14中，该开口与连接件3相对应。只要将膜片8如此布置在壳体2中，使得流体的输送从另一侧相应于箭头17地进行，则可以省去所述另外的弹性体层14中的开口15。

本发明不限于所描述和所示出的实施例。更确切地说，本发明还包括在由权利要求书定义的本发明的范畴内的所有专业的扩展方案。因此，这样的测量装置不仅可以在整个压力传感机构中(优选地在低压部段中)作为压力传感器、相对压力传感器、差压传感器等使用，而且可以作为其他的传感器如全液位传感器、位移传感器等使用。此外，不仅可以将该测量装置用于家用器具，而且可以在其他应用例如在实验室过程工程和化学过程工程中使用该测量装置。

附图标记列表

1：测量装置/压力传感器

2：壳体

3：连接件

4：插接件

5：锁定机构

6：(外壳的)支座

7：(外壳的)盖

8：膜片

9：(第一)能够导电的层

9'：电极

10：(第二)能够导电的层

10'：电极

11：绝缘层

12：支撑件

13：压力室

14：(另外的)弹性体层

15：开口(在弹性体层中)

16，17：箭头(用于流体的输送)

18，19：(电极的)(电)连接端

20：(绝缘层的)外围

Claims

1.一种测量装置，所述测量装置用于对流体的测量参量进行测量，所述测量装置尤其是传感器——例如压力传感器、相对压力传感器、压差传感器、位移传感器等，所述测量装置具有壳体(2)、布置在所述壳体(2)内和/或上的弹性膜片(8)、信号发生器，所述信号发生器与所述膜片(8)如此地共同作用，使得所述流体在所述膜片(8)上的作用在所述信号发生器上引起对应于所述测量参量的测量信号，其特征在于，所述膜片(8)包括能够导电的弹性体层(9)，所述流体在所述膜片(8)上的作用引起所述膜片(8)的电容的变化，并且所述信号发生器由所述膜片(8)构成，通过将在所述流体的作用下的所述膜片(8)的电容变化设置作为测量信号，所述膜片(8)尤其能够作为信号发生器运行。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述膜片(8)包括第一能够导电的层(9)和第二能够导电的层(10)，其中，所述两个能够导电的层(9，10)优选地通过电绝缘层(11)分离。

3.根据权利要求1或2所述的测量装置，其特征在于，所述第一能够导电的层(9)和所述第二能够导电的层(10)构造为所述电绝缘层(11)上的电极(9'，10')，所述电极(9'，10')优选地彼此相对置地布置在所述绝缘层(11)的相应的表面上，进一步优选地，具有位于所述电极之间的绝缘层(11)的所述电极(9'，10')构成电容器。

4.根据权利要求1、2或3所述的测量装置，其特征在于，所述电极(9'，10')与电连接端(18，19)电连接，所述电连接端(18，19)优选地由施加到所述绝缘层(11)的表面上的能够导电的层构成，并且进一步优选地，所述电连接端(18，19)布置成从所述绝缘层(11)的外围(20)引导至所述电极(9'，10')。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的测量装置，其特征在于，所述绝缘层(11)基本上圆形地构型，所述电极(9'，10')优选地以相对于所述绝缘层(11)较小的直径基本上圆形地构型，并且进一步优选地，所述电极(9'，10')关于所述绝缘层(11)的所述外围(20)基本上同心地布置。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的测量装置，其特征在于，所述绝缘层(11)由弹性体构成，所述弹性体优选地涉及硅树脂、尤其涉及硅树脂膜，并且进一步优选地，所述绝缘层(11)具有在约0.05mm至0.2mm的范围内的、优选地为约0.1mm的厚度。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的测量装置，其特征在于，所述能够导电的层(9，10)由设有能够导电的颗粒的弹性体构成，所述弹性体优选地由硅树脂制成，进一步优选地，所述能够导电的颗粒由石墨构成，还进一步优选地，所述能够导电的层(9，10)作为电极(9'，10')被印刷、层压(等)到所述绝缘层(11)的表面上，并且再次进一步优选地，所述能够导电的层的厚度最大为0.1mm、尤其是处于约1nm至0.1mm的范围内。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的测量装置，其特征在于，尤其借助粘合、焊接、热填缝等方式将所述膜片(8)预加紧地固定在支撑件(12)上，所述膜片(8)优选地在所述绝缘层(11)的所述外围(20)处固定在所述支撑件(12)上、尤其是固定在支撑环上，并且进一步优选地，所述支撑件(12)布置在所述壳体(2)中的压力室(13)中。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的测量装置，其特征在于，尤其在所述压力室(13)中设有一个另外的能够导电的弹性体层(14)作为针对所述膜片(8)上的测量信号的参考，并且优选地，所述另外的弹性体层(14)固定在所述支撑件(12)的与所述膜片(8)相对置的一侧上。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的测量装置，其特征在于，用于将流体输送到所述压力室(13)中的连接件(3)布置在所述壳体(2)上，并且优选地，在所述另外的弹性体层(14)中有开口(15)与所述连接件(3)相对应。