CN114761775A - 包括参考压力供应部的相对压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种相对压力传感器(1)，该相对压力传感器(1)用于确定介质(2)相对于大气压力(p2)的压力(p1)，该传感器包括：壳体(3)，该壳体具有测量元件(4)，该测量元件(4)位于所述壳体(3)中，其中待测量的所述压力(p1)作用在所述测量元件(4)的外表面上，所述表面与所述介质(2)接触；参考压力供应部(5)，该参考压力供应部(5)为所述测量元件(4)的内表面供应呈环境空气形式的大气压力(p2)；评估单元(6)，该评估单元(6)根据使用所述测量元件(4)确定的变量来确定所述介质(2)的所述压力(p1)；以及至少一个干燥室(7)，该至少一个干燥室(7)位于所述壳体(3)中，用于从通过所述参考压力供应部(5)供应的所述环境空气中接收大气湿气。设置了套管(9)，该套管(9)能够压入到所述壳体(3)中并且具有毛细管型且至少部分呈螺旋形的凹槽(11)，该凹槽(11)围绕所述套管(9)延伸。

Description

包括参考压力供应部的相对压力传感器

技术领域

本发明涉及一种相对压力传感器，该相对压力传感器用于确定介质相对于大气压力的压力，该传感器包括：壳体；测量元件，该测量元件布置在该壳体中，其中待测量的压力作用在该测量元件的外表面上，所述表面与介质接触；参考压力供应部，该参考压力供应部为测量元件的内表面供应呈环境空气形式的大气压力；评估单元，该评估单元根据使用测量元件确定的变量来确定介质的压力；以及至少一个干燥室，该至少一个干燥室布置在所述壳体中，用于从通过参考压力供应部供应的环境空气中吸取大气湿气。在这种情况下，要确定压力的介质是液态的或气态的。

背景技术

在压力测量技术中，绝对压力传感器、差压传感器和相对压力传感器是已知的。绝对压力传感器绝对确定主要压力，即相对于真空的压力，而差压传感器确定两个不同压力之差。在相对压力传感器的情况下，待测量的压力是相对于参考压力而确定的，其中在相对压力传感器的环境中占优势的大气压力用作参考压力。相对压力传感器具有压力敏感的测量元件，通常是膜，该测量元件布置在相对压力传感器内部的过程侧上，以使得介质的待测量压力作用在该测量元件的外表面上。借助于参考压力供应部，从环境被供应到测量元件的大气压力作用在测量元件的内表面上。测量元件根据存在的相对压力弯曲，相对压力由待测量的压力和大气压力之差形成。这种弯曲借助于评估单元转换为电信号，该电信号取决于相对压力并且因此可用于进一步处理或评估。Endress+Hauser集团的公司制造和销售各种此类相对压力传感器。

相对压力传感器可以根据各种方法(例如以电容或压阻方式)确定待测量的压力。

在电容式相对压力传感器中，膜设置有第一电极，并且测量室的与膜相对的那一侧设置有第二电极，并且在一些情况下，设置有第三电极。第二电极与第一电极一起形成测量电容器，该测量电容器对膜的弯曲特别敏感，因此可以根据电容值确定相对压力。第三电极用作参考电极并且与第一电极一起形成参考电容器，该参考电容器基本上与压力无关，并且受到温度、大气湿气和其它环境参数的影响。借助于参考电容器的电容，干扰信号、诸如与温度相关的电容变化等因此可以得到补偿。

另一组已知的相对传感器具有膜，在该膜上布置有应变敏感元件，诸如应变片。该应变片通常以惠斯通测量电桥的形式布置。应变片的电阻取决于膜的弯曲，并且通过评估来确定所施加的压力。

压阻式相对传感器具有敏感层，该敏感层的电气特性取决于所施加的压力。该层不直接受到待测量的压力的作用，而是经由隔膜密封件而与介质接触。该隔膜密封件可以是实心体或是填充有不可压缩液体(诸如油等)的管道，并且通过压敏膜对过程进行密封。

相对压力传感器经常用于工业过程中，在这些过程中，它们暴露于过程和环境之间的巨大温度波动和温差中。在突然冷却的情况下，可能会超过相对压力传感器内部中的空气的露点，这导致大气湿气凝结在相对压力传感器内部的较冷部件上。大气湿气尤其可以通过相对压力传感器中的开口进入环境，这对于为测量元件提供参考压力是必要的，并且通过参考压力供应部进入到相对压力传感器中。

评估单元通常对湿气非常敏感。因此，为了可靠地确定压力，必须确保没有湿气或仅有少量湿气进入或冷凝在相对压力传感器内。理想情况下，该相对压力传感器并且特别是该参考压力供应部被构造成使得只有干燥空气才能到达该测量元件和该评估单元。通常，参考压力供应部将环境压力从相对压力传感器中的开口引导至测量元件的内表面或膜的内表面，所述开口通常布置在相对压力传感器的壳体中。在一些情况下，干燥室布置在该开口和该测量元件之间，该干燥室从参考压力供应部供应的环境空气中去除湿气并且因此干燥环境空气。

从现有技术已知用于参考压力供应部的各种可能性。分段缠绕的参考压力供应部经常用作扩散屏障，以延迟湿气渗透到相对压力传感器的内部。

DE 10 2010 003 709A1公开了一种具有参考压力供应部的相对压力传感器，该参考压力供应部分为两个接连的部段：长的螺旋形输入毛细管和在壳体内的基本笔直的部段。该输入毛细管可以布置在壳体之内或之外，并且将环境压力从相对压力传感器的环境引导到相对压力传感器的内部。该笔直的部段将环境压力从内部通过干燥室引导至测量元件。该输入毛细管作为单独的管子提供，因此它在相对压力传感器内需要空间。不管该输入毛细管相对于壳体如何布置，该输入毛细管所延伸穿过的壳体中的开口处的高密封性是必需的，以确保环境空气仅通过该输入毛细管进入内部。例如，输入毛细管可以借助于玻璃馈通部在开口处密封，这需要进一步的工艺步骤。

DE 102 00 780A1描述了一种相对压力传感器，该相对压力传感器包括在相对压力传感器的部件的平面内呈缠绕或螺旋凹槽形式的参考压力供应部。此外，设置有过滤器元件，该过滤器元件布置在该参考压力供应部的大气侧开口处，以防止湿气渗透到该相对压力传感器中。为了密封凹槽，将盖子紧固到该部件上。该凹槽因此以相对复杂的方式利用附加元件密封，其中在该部件和该盖子之间需要高密封性，使得环境空气实际上仅沿着凹槽被引导到测量元件。

EP 3 273 215A1公开了一种具有参考压力供应部的相对压力传感器，该参考压力供应部至少分段地布置为电子元件壳体的侧壁内的凹槽。该凹槽在所述侧壁中以曲折的方式被引导。为了完成向外开口的凹槽，在凹槽的区域内将自粘的、不可透气的薄膜作为封闭装置粘合到该电子元件壳体上。替代性地是，该封闭装置也可以设计为单独的壳体部分。在这里，为了密封凹槽，也需要单独的封闭装置，即薄膜或壳体部分，当封闭凹槽时，该封闭装置需要高度的密封性，以便环境空气仅在凹槽内被引导到相对压力传感器的内部。

发明内容

从所引用的现有技术开始，本发明的目的是研制一种相对压力传感器，在该相对压力传感器中以简单的方式确保环境空气仅沿着参考压力供应部被引导到相对压力传感器的内部。

根据本发明，该目的通过用于确定介质相对于大气压力p2的压力p1的相对压力传感器来实现，该传感器包括：

壳体；

测量元件，该测量元件布置在该壳体中，其中待测量的压力p1作用在该测量元件的外表面，所述表面与介质接触；

参考压力供应部，该参考压力供应部向测量元件的内表面提供呈环境空气的形式的大气压力p2；

评估单元，该评估单元根据使用测量元件确定的变量确定介质的压力p1；

以及至少一个干燥室，该至少一个干燥室布置在所述壳体中，用于从通过参考压力供应部供应的环境空气中吸取大气湿气。

此外，在壳体的外壁中设置了用于参考压力供应部的开口，以及用于接纳和馈通电子元件的连接线和参考压力供应部的圆柱形套管。该套管被设计成使得它能够被压入到壳体中，其中该套管在面对壳体的内壁的外壁中具有毛细型凹槽，该凹槽至少部分呈螺旋形并且围绕套管延伸。在这种情况下，该凹槽相对于该壳体布置，使得参考压力供应部从该壳体中的开口到该套管的内部仅沿着该凹槽产生。

当该套管被压入到该壳体中时，该套管的外壁有利地是变形，使得环境空气不能从该凹槽的第一部段沿着该套管的外壁和壳体的内壁之间的区域进入到该凹槽的第二部段。环境空气在该凹槽的各个部段之间的这种通过对于凹槽的螺旋形部段来说是特别关键的，因为在此，有时在该凹槽的各个部段之间仅存在很少的外壁。将该套管压入到壳体中确保套管的外壁变形，例如变平，并且由此在该套管的外壁和壳体的内壁之间形成气密密封区域。在一个可能的实施例中，该凹槽的螺旋形部段被设计成螺纹的形式，从而在压配合之后，在该螺旋形凹槽的各个部段之间存在圆柱形密封区域。因此，将该套管压入到壳体中确保了环境空气仅在该凹槽内从该壳体中的开口流到该套管的内部。与先前的解决方案相比，不需要用于密封凹槽的另外元件，即，既不需要单独的壳体，也不需要薄膜，也不需要盖子。该套管可以用于多种相对压力传感器；即使在内部较小的相对压力传感器中，也能够特别以节省空间的方式使用该套管。

在优选实施例中，凹槽开始于该套管的端部部段并且终止于该套管的相对的端部部段。该凹槽因此沿着该套管的整个长度延伸。因此，实现了特别适合于减缓湿气扩散到相对压力传感器的内部的凹槽的长度。

在进一步的实施例中，凹槽具有长度和横截面，其中该凹槽包括这样的容积，使得当整个空气体积由于温度降低而在参考压力供应部内被压缩时，该凹槽仅部分填充来自相对压力传感器的环境的新的环境空气。在这种情况下，参考压力供应部被设计成使得在该套管的内部和测量元件之间的参考压力供应部中的空气体积不会比该凹槽中的空气体积大很多倍。温度的显著变化通常发生在相对压力传感器的过程侧上，并且在温度降低和由此产生的相对压力传感器的内部的空气体积压缩的情况下，温度的显著变化导致环境空气在测量元件的方向上被吸入。对于这种情况，参考压力供应部必须设计为使得，即使温度突然降低，也不会将潮湿的环境空气吸入到相对压力传感器中。因此，凹槽必须包括这样的容积，以使得在没有温度变化的情况下，已经在凹槽内的环境空气被完全吸入到相对压力传感器的内部。尤其是，这样的实施例使得额外的过滤器元件的使用是多余的。

有利地是，套管由黄铜或青铜制成。这有利于将套管压入到壳体中和套管的外壁的必要变形。

在此，有利的是，壳体由不锈钢制成。不锈钢作为一种比较硬的材料，在压配合过程中促进了套管的外壁的变形。

如果套管通过压配合连接到壳体，尤其是通过热膨胀或热收缩连接，这也是有利的。在通过热膨胀接合期间，要插入到该壳体中的套管被冷却或收缩，随后，该套管被压入到该壳体中。通过加热期间该套管的膨胀，实现了该套管和该壳体之间的形状配合连接。此外，通过冷却该套管，可以避免在压配合过程中由于摩擦而在该套管的外壁形成小划痕。否则的话，这样的划痕会导致环境空气经由所述划痕而不是经由凹槽进入套管的内部。例如，干冰可用于冷却套管。

在另一实施例中，套管的外径扩大的部段布置在套管的面向测量元件的端部区域上，其中壳体具有内径扩大的部段，其对应于套管的外径扩大的部段。在将该套管引入到该壳体中之后，对应的该套管的外径扩大的部段和该壳体的内径扩大的部段以气密方式彼此接合。这确保了来自参考压力供应部的环境空气不会通过该套管的面向测量元件的端部区域进入到相对压力传感器的内部。套管的外径扩大部例如可以是边缘或肩部。

优选实施例涉及底表面，该底表面垂直于套管的纵向轴线封闭套管，布置在套管的面向测量元件的所述端部区域上，其中该底表面具有至少一个开口，该至少一个开口用于馈通电子元件的连接线和参考压力供应部。具有至少一个开口的底表面的布置结构导致套管与干燥室和测量元件的空间界限。干燥室通常设置有模制体，所述模制体可以从参考压力供应部中吸取湿气，从而吸收湿气。有时，通过干燥室的吸湿率可以非常高。在没有底表面的套管的情况下，相对压力传感器的内部容积可供干燥室用于吸收湿气。如果套管的内部的环境空气被干燥室连续干燥，则湿气通过凹槽扩散到套管的内部会加速。放置底表面(包括其开口)减少了这种影响。

有利地是，该套管的底表面被设计为铸件或玻璃馈通部。因此，在已经压入套管之后，仍然可以引入底表面。该铸件以及还有玻璃馈通部在该底表面和该套管之间的接触面处具有高密封性，因此仅引导参考压力供应部穿过该底表面中的所述至少一个开口。

优选地是，参考压力供应部被分段设计为可透湿管子，其中该管子插入到该底表面中的所述至少一个开口中，使得参考压力供应部从该套管的内部通过该干燥室到该测量元件仅通过该管子产生。在这种情况下，与无管子的布置结构相比，使用管子确保了参考压力供应部中的空气体积的减少。这也用于限制干燥室的吸湿速率。来自参考压力供应部内的环境空气的湿气可以从管子的可透湿的管壁扩散并且被干燥室吸收。

在另一个实施例中，干燥室具有干燥模块，该干燥模块用于接纳吸湿材料或接纳包含聚合物基体和沸石的模制体。可以通过该可透湿壁将该干燥室与该参考压力供应部或该管子隔开。

附图说明

参考以下附图，即图1至图2，更详细地解释本发明。示出如下：

图1是根据本发明的具有套管的相对压力传感器的实施例，该套管布置在壳体中，以及

图2是在套管被压入到壳体之前和之后的凹槽的实施例。

具体实施方式

本发明适用于基于不同测量原理的各种相对压力传感器。相对压力传感器用于确定介质相对于大气压力p2的压力p1，传感器包括：壳体；测量元件，其布置在该壳体中，其中待测量的压力p1作用在该测量元件的外表面上，所述表面与介质接触；参考压力供应部，该参考压力供应部为测量元件的内表面供应呈环境空气形式的大气压力p2；评估单元，该评估单元根据使用测量元件确定的变量来确定介质的压力p1；以及至少一个干燥室，该至少一个干燥室布置在该壳体中，用于从通过参考压力供应部供应的环境空气中吸取大气湿气。相应的相对压力传感器由申请人例如以名称“Cerabar”和“Ceraphant”制造和销售。

图1中的相对压力传感器1包括壳体3、干燥室7、参考压力供应部5、测量元件4和评估单元6。位于壳体3的外壁中的是参考压力供应部5的开口8，该开口允许环境空气进入相对压力传感器1的内部。开口8通向圆柱形套管9的毛细管型凹槽11，该凹槽在面对壳体3的外壁中至少分段地呈螺旋形，该圆柱形套管9被压入到壳体3中。电子元件的连接线10也延伸穿过套管9。在图1中，凹槽11具有完全螺旋形的设计。因此，不排除凹槽11在其形状和长度方面的其它设计的可能性。此外，凹槽11在套管9的端部区域开始并且在套管9的相对的端部区域结束，从而实现了凹槽11的最大可能的长度。环境空气仅被引导通过开口8并且沿着凹槽11从环境进入到套管9的内部。

凹槽11的长度和横截面对于减缓湿气进入相对压力传感器1的内部很重要，而且在温度大幅下降的情况下也很重要。在温度下降的情况下，环境空气在相对压力供应部5内被压缩，并且因此额外地是，从环境中吸取新的环境空气。因此，凹槽11被设计成使得在相对压力传感器1的工作范围内出现任何温度下降的情况下，已经存在于凹槽11中的环境空气永远不会完全被吸入到相对压力传感器1的内部。

在图1中，套管9由黄铜或青铜制成，而壳体3由不锈钢制成，以便能够特别容易地将套管9到压入壳体3中。因此，不排除套管9和壳体3的其它实施例。由黄铜或青铜制成的套管9借助于热膨胀接合而连接到壳体3。

套管9还具有外径扩大的部段12a，该部段面对测量元件4。壳体3具有与套管的该部段12a相对应的部段12b，并且该部段12b具有内径扩大部。在图1中，对应的部段12a、b各自设计为肩部，其中其它实施例也是可能的。在将套管9压入到壳体3中之后，两个对应的肩部12a、b以气密方式彼此接合。

在测量元件4方向的端部区域中，套管9垂直于其纵向轴线利用底表面13封闭。在图1中，底表面13被设计为玻璃馈通部，但也可以想到铸件或其它形式的底表面13。在底表面13上设有两个开口14，用于馈通电子元件的连接线10和参考压力供应部5。可透湿管子15插入到底表面13的开口14中，其中参考压力供应部5从套管9的内部通过干燥室7到测量元件4仅通过管子15产生。

干燥室7具有包括聚合物基体和沸石的模制体，或用于接纳吸湿材料的干燥模块。管子15通过干燥室7通向测量元件4。通过管子15的可透湿壁，湿气从参考压力供应部5扩散并且被干燥室7吸收。

图2a和图2b示出了凹槽11的螺旋形部段的可能的实施例。图2a中的凹槽11被设计为螺纹。当套管9被压入壳体3时，套管9的外壁变形，这导致螺纹的外壁变平(图2b)。外壁的变平的部段现在确保壳体3和套管9在变平的区域中的气密性。结果，环境空气只能沿着凹槽11进入套管9的内部。

附图标记列表

1 相对压力传感器

2 介质

3 壳体

4 测量元件

5 参考压力供应部

6 评估单元

7 干燥室

8 壳体中的开口

9 套管

10 电子元件的连接线

11 凹槽

12a 套管的外径扩大的部段

12b 壳体的内径扩大的部段

13 底表面

14 底表面中的开口

15 管子

Claims (11)

1.一种相对压力传感器(1)，用于确定介质(2)相对于大气压力(p2)的压力(p1)，所述相对压力传感器包括：

-壳体(3)；

-测量元件(4)，所述测量元件(4)布置在所述壳体(3)中，其中待测量的所述压力(p1)作用在所述测量元件(4)的外表面上，所述表面与所述介质(2)接触；

-参考压力供应部(5)，所述参考压力供应部(5)向所述测量元件(4)的内表面供应呈环境空气的形式的所述大气压力(p2)；

-评估单元(6)，所述评估单元(6)根据使用所述测量元件(4)确定的变量来确定所述介质(2)的所述压力(p1)；以及

-至少一个干燥室(7)，所述至少一个干燥室(7)布置在所述壳体(3)中，用于从通过所述参考压力供应部(5)供应的所述环境空气中吸取大气湿气，

其中，用于所述参考压力供应部(5)的开口(8)设置在所述壳体(3)的外壁中，其中设置有圆柱形套管(9)，用于接纳和馈通电子元件的连接线(10)和所述参考压力供应部(5)，其中所述套管(9)被设计成使得它能够压入到所述壳体(3)中，其中所述套管(9)在面向所述壳体(3)的内壁的外壁中具有毛细型凹槽(11)，所述毛细型凹槽(11)至少部分呈螺旋形并且围绕所述套管(9)延伸，其中所述凹槽(11)相对于所述壳体(3)布置成使得所述参考压力供应部(5)从所述壳体(3)的所述开口(8)到所述套管(9)的内部仅仅沿着所述凹槽(11)产生。

2.根据权利要求1所述的相对压力传感器，

其中，所述凹槽(11)开始于所述套管(9)的端部部段并且终止于所述套管(9)的相对端部部段。

3.根据前述权利要求中的至少一项所述的相对压力传感器，

其中，所述凹槽(11)具有长度和横截面，其中所述凹槽(11)具有这样的容积，使得当所述参考压力供应部(5)内的整个空气体积由于温度下降而被压缩时，所述凹槽(11)仅部分地填充来自所述相对压力传感器(1)的环境的新的环境空气。

4.根据前述权利要求中的至少一项所述的相对压力传感器，

其中，所述套管(9)尤其是由黄铜或青铜制成。

5.根据前述权利要求中的至少一项所述的相对压力传感器，

其中，所述壳体(3)由不锈钢制成。

6.根据前述权利要求中的至少一项所述的相对压力传感器，

其中，所述套管(9)与所述壳体(3)通过压配合连接，特别是通过热胀或热缩的方式接合。

7.根据前述权利要求中的至少一项所述的相对压力传感器，

其中，所述套管的外径扩大的部段(12a)布置在所述套管(9)的面向所述测量元件(4)的端部区域上，其中所述壳体(3)具有内径扩大的部段(12b)，其对应于所述套管的所述外径扩大的部段(12a)，其中在将所述套管(9)引入到所述壳体(3)中之后，对应的所述套管的所述外径扩大的部段(12a)和所述壳体的所述内径扩大部的部段(12b)以气密方式彼此接合。

8.根据前述权利要求中的至少一项所述的相对压力传感器，

其中，底表面(13)布置在所述套管(9)的面向所述测量元件(4)的所述端部区域上并且垂直于所述套管(9)的纵向轴线封闭所述套管(9)，其中所述底表面(13)具有至少一个开口(14)，所述至少一个开口(14)用于馈通所述电子元件的连接线(10)和所述参考压力供应部(5)。

9.根据权利要求8所述的相对压力传感器，

其中，所述套管(9)的所述底表面(13)被设计为铸件或玻璃馈通部。

10.根据权利要求9所述的相对压力传感器，

其中，所述参考压力供应部(5)被分段设计为可透湿管子(15)，其中所述管子(15)插入到所述底表面(13)的所述至少一个开口(14)中，以使得所述参考压力供应部(5)从所述套管(9)的内部通过所述干燥室(7)到所述测量元件(4)仅通过所述管子(15)产生。

11.根据前述权利要求中的至少一项所述的相对压力传感器，

其中，所述干燥室(7)具有干燥模块，所述干燥模块用于接纳吸湿材料或接纳包括聚合物基体和沸石的模制体。

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