CN117881950A - 特别用于超过100巴的压力的压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于测量高压力——例如大于100巴的压力——的压力传感器，以及包括：壳体(4)，其具有填充有可压缩填充液体的密封容积；其中，壳体(4)具有可弹性偏转的隔膜(7)，隔膜(7)具有面向填充有填充液体的容积的后侧和与后侧相对的前侧，使得隔膜(7)将位于隔膜(7)的前侧上的压力传送到填充液体；以及测量单元(1、21、31)，其适于查明取决于填充液体中的声速的变量，并且基于所测量的变量来确定表示位于可弹性偏转隔膜(7)的前侧上的压力的压力测量值，其中填充液体含有有机化合物，有机化合物以大于99％的容积分数存在于填充液体中。

Description

特别用于超过100巴的压力的压力传感器

技术领域

本发明涉及一种压力传感器，尤其涉及一种用于测量高压力，例如100巴以上的压力的压力传感器。

背景技术

例如，在可以经历大于700巴甚至高达1500巴的压力的氢气存储罐的情况下，高压力的测量起到重要作用。传统的基于电容测量原理的压力传感器具有隔膜，该隔膜通过作用在隔膜的前侧上的压力而弹性偏转，由此改变布置在隔膜的后侧上的电极与相对的静态电极之间的电容。电容压力传感器取决于该电容变化产生电测量信号，该电测量信号表示作用在隔膜的前侧上的压力，并且因此可以用于确定压力测量值。这种电容式压力传感器的测量精度取决于作为压力的函数的隔膜的移动。因此，最大隔膜运动限制了最大压力测量范围。因此，这种测量原理对高压力的适用性是有问题的。

可以通过压阻传感器测量较高的静压。例如，可以使用SOI技术(“绝缘体上硅”技术)，且尤其是使用SOS技术(“蓝宝石上硅”技术)来制造这种传感器。这种传感器类型例如体现为由平台和布置在平台上的测量隔膜组成的压力传感器芯片。施加在测量隔膜上的压力差导致测量隔膜取决于压力差的偏转。这通过压阻换能器来记录，压阻换能器包括布置在测量隔膜上或测量隔膜中的压阻元件，例如，连接在一起以形成电阻测量桥的压阻元件，并且压阻换能器产生取决于测量隔膜的偏转的电测量信号，并且可用于进一步处理或评估以查明压力测量值。

压力传感器芯片通常是非常敏感的，并且因此经常不直接暴露于要其压力要被测量的过程介质。代替此，插入填充有压力传送液体的压力传递装置。这些压力传递装置使用与其压力要被测量的介质(例如过程介质)接触的隔离隔膜。

这种压阻压力传感器实际上可以测量高压力。然而，它们具有一些缺点：形成测量隔膜或可通过待测量压力变形的传感器的其他部分的材料表现出小的蠕变和/或塑性变形。这些效应可导致压力传感器的通常使用寿命内的传感器的明显零点漂移，并且因此不可忽略。而且，压阻电阻元件在传感器的使用寿命过程中表现出老化现象。在操作中，可变形部件同样可以在使用寿命期间表现出老化或疲劳现象。这增加了传感器芯片的压阻元件对化学侵蚀(腐蚀、氧化)的敏感性，这需要传感器芯片对环境(例如，冷凝物)的非常好的保护。这使得这种压力传感器的结构以及对应地制造要求非常高。

DE 10 2005 009818A1中描述了一种用于测量压力的方法，其中空间中的压力被引入到填充有测量流体的腔室中并且与空间密封隔离，并且取决于测量流体的声学特性的测量变量被确定为压力的度量。具体地，在DE 10 2005 009818A1中，阐述了实施例的示例，其中通过超声换能器布置来确定测量流体中的声速，该超声换能器布置查明填充有测量流体的腔室内的超声信号的行进时间作为压力的度量。给出的测量流体的示例是水和硅油。

水具有作为强极性液体的在20℃的温度下约2.2GPa的相对高的压缩模量。因此，作为水中压力的函数的声速的改变对应地较小。这防止了期望测量范围内的足够精确的压力测量。更适合的是在20℃下具有较低压缩模量的硅油。然而，硅油的化学组成可以取决于制造商和批次而变化。此外，硅油的物理性质可以在压力测量系统的操作期间改变，例如由于分子组成的改变，例如，因为线性分子链在温度和/或压力影响下转化成环状化合物或二醇。结果，声音速度和硅油中的压力之间的关系也可以随着使用寿命而改变。由此，校准在制造期间以及在压力测量系统的使用寿命期间都成为负担。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种压力传感器，其适合于测量高压力并且在长时间段内表现稳定的——即，基本上无漂移的——操作，以便保持尽可能小的维护活动。

根据本发明，通过根据权利要求1所述的压力传感器实现该目的。在从属权利要求中限定了有利的实施例。

本发明的压力传感器，尤其是适用于100巴以上压力的压力传感器，包括：

壳体，其具有填充有可压缩填充液体的密封的——例如气密密封的——容积；

其中，壳体具有可弹性偏转的隔膜，该隔膜具有面向填充有填充液体的容积的后侧和与后侧相对的前侧，使得隔膜将位于隔膜前侧的压力传送到填充液体；以及

测量单元，其适于查明取决于填充液体中的声速的变量，并且基于所测量的变量来确定表示位于可弹性偏转的隔膜的前侧上的压力的压力测量值，

其中填充液体含有有机化合物，所述有机化合物以大于99％的容积分数存在于填充液体中。

填充液体是可压缩液体，即，其容积由于液体的压缩或减压使隔膜偏转而改变。同样地，填充液体中存在的压力对应地改变。与其伴随的是填充液体中的声速的改变。因此，可压缩填充液体中的声速是壳体外部存在的、位于可弹性偏转隔膜的前侧上的压力的度量。

虽然在上述压阻或电容传感器的情况下，直接取决于测量隔膜的偏转来记录测量变量，但是诸如隔膜或支撑隔膜的部件的蠕变、变形或疲劳之类的影响大大降低了测量的精度，这样的影响在本发明的压力传感器的情况下不起作用。可以例如基于超声波沿着填充有液体的容积内的测量路径的传播来执行填充液体中的声速的测量。在压力传感器的正常操作期间，该测量路径可以在壳体的两个不可偏转的壁区域之间延伸。因此，在本发明的压力传感器的情况下，可偏转隔膜的区域中的蠕变或疲劳不影响测量性能。与已知的压阻压力传感器或电容式压力传感器相比，维护显著更少。另外，本发明的测量原理能够实现具有坚固部件和耐腐蚀材料的相对非常简单的传感器构造，使得压力传感器的使用寿命高。

与现有技术中已知的测量系统相比，本发明的压力传感器的基本优点是使用含有有机化合物的填充液体，该填充液体以大于99％的容积分数存在于填充液体中。除了在硅油的情况下之外，基本上纯的有机化合物的可压缩性——因此压缩模量——例如因此不因批次或不在压力传感器的使用寿命期间改变。

有利地，填充液体中有机化合物的容积分数大于99.9％或大于99.99％。

本发明的压力传感器在制造中不需要特殊的校准，因为声音速度对液体中存在的压力的函数依赖性可针对液体被一次查明，然后可以被存储在用诸如填充液体的液体制造的每个压力传感器的测量单元中。此外，纯化合物的性质在压力传感器的使用寿命期间不改变。因此，本发明的传感器在长时间内可免操作地维护。

填充液体中含有的有机化合物有利地具有在20℃下小于2.0GPa的压缩模量。例如，有机化合物可以是基本上非极性的化合物。非极性化合物具有比诸如水的极性化合物更低的压缩模量。

在有利的实施例中，有机化合物在使用压力传感器的预期温度和压力范围内处于液态。至少有机化合物在压力传感器的预期压力测量范围内在至少0℃和50℃之间，有利地至少在20℃和100℃之间，更有利地至少在-40℃和150℃之间的温度下处于液态。预期压力测量范围可以在100和1500巴之间，优选在100和5000巴之间。

基于上述性质的合适化合物选自例如以下物质类别：饱和脂族烃、醇或酯，例如甘油酯。具有所需性质的饱和醇的示例包括正辛醇或丙二醇，对于脂族烃正癸烷，和对于酯丙二醇二癸酸酯，1,2-丙二醇二乙酸酯或碳酸亚丙酯。通常，有机化合物的主链或侧链应包含不超过10个碳单元，以确保化合物在所需温度范围内是液体并且稳定防止热降解。在有利的实施例中，填充液体在至少高达100℃的温度、优选至少高达200℃的温度下是热稳定的。

弹性可偏转的隔膜可以被体现为隔膜密封件的常规隔离隔膜。优选如此灵活地实施，使得其可以处理至少±10％、优选至少±20％的填充液体的容积变化，并且在这种情况下，取决于位于隔膜上的压力，在压力传感器的整个测量范围内保持弹性可偏转。

测量单元可以包括至少一个超声换能器，其被布置在壳体的壁上或壁中，用于发射和/或接收沿着延伸穿过填充液体的测量路径传播的超声波。另外，测量单元还可以包括测量电路，尤其是测量电子器件，其适于激励至少一个超声换能器以发射超声波和/或接收和处理至少一个超声换能器的输出信号，以便查明取决于填充液体中的超声波的声速的变量的值。例如，一个或多个超声换能器可以是压电或磁致伸缩换能器。与变形体上的水分敏感压电电阻的情况不同，诸如可以应用在上述压阻压力传感器的情况下，本发明的压力传感器的压电或磁致伸缩换能器可以完全封装在塑料中而不影响传感器功能，使得水分不是测量传感器特性的问题。

测量电路，因此测量电子器件，可以适于根据取决于填充液体中的声速的变量的所查明的值来确定压力测量值，并且可以包括处理器、存储器和可由处理器执行的一个或多个操作程序。一个或多个操作程序可以适于操作超声换能器以执行对声速或取决于声速的变量的测量，并且还适于处理超声换能器的数字化输出信号以确定压力测量值。

在有利实施例中，壳体可以包括测量单元和隔膜单元，其中填充有填充液体的容积包括形成在测量单元中的测量室、形成在隔膜单元中并由隔膜密封的毛细管和压力室，其中测量室和压力室经由毛细管彼此连通，并且其中测量路径延伸穿过测量室。

由填充液体填充的容积被有利地选择为尽可能小，以便填充液体的热膨胀不在增加的温度下导致弹性隔膜的如此大的偏转，使得压力传感器的测量能力受到例如隔膜的塑性变形的危害。在上述实施例中，压力室和毛细管的容积可以被最小化。

另外，压力传感器可以具有温度检测器，其适于产生取决于填充液体的温度的电测量信号。由于填充液体中的声速也取决于填充液体的温度，因此本实施例中的压力传感器通过温度检测器的温度测量信号以有利的方式适合于执行温度补偿以查明更准确的压力测量值。

为此目的，当查明压力测量值时，上述测量电路可以适于使用温度检测器的测量信号进行温度补偿。测量电路可以与温度检测器连接，以便接收和处理其测量信号。

测量单元可以被实施为基于行进时间方法产生电测量信号。在这种情况下，取决于填充液体中的超声波的声速的变量是超声脉冲沿着测量路径的行进时间。在该实施例中，测量路径可以具有15至20mm，优选15至18mm的长度。这确保了在尽可能小的填充液体容积下同时进行行程时间测量的足够精度。

替代地，测量单元可以被实施为基于谐振方法产生电测量信号。在该实施例中，取决于填充液体中的超声波中的声速以用于查明压力测量值的变量是谐振频率，或者取决于谐振频率的变量，驻波在谐振频率处沿着测量路径形成。在这种谐振方法中尤其有利的是，测量路径可以比行程时间测量的情况短，即在5mm和10mm之间。因此，在该实施例中，压力传感器具有甚至更小的填充液体容积。

如上所述，测量单元可以具有至少一个超声换能器，其用于发射和/或接收沿着测量路径移动的超声波。可选地，当沿着测量路径发射的超声波在与超声换能器相对的区域上反射并且测量路径来回行进两次时，测量单元可以具有单个超声换能器。为了在谐振方法中产生驻波，测量单元还可以具有布置在壳体的相对壁上或壳体的相对壁中的两个超声换能器。在这种情况下，测量单元可以适于激励具有相等相位的两个超声换能器。对于这里描述的应用，压电换能器或磁致伸缩换能器是合适的。

测量电路可适于用激励信号激励第一超声换能器以产生超声波。测量电路还可适于记录和/或处理第一超声换能器或第二超声换能器的输出信号，以便查明取决于填充液体中的超声波的声速的变量。

例如，测量电路可以适于用激励脉冲激励第一超声换能器，使得第一超声换能器沿着测量路径将超声脉冲发射到填充液体中，并且测量超声脉冲的行进时间。为此，测量电路可以适于在超声脉冲已经通过测量路径之后记录在该实施例中用作超声脉冲的接收器的第二超声换能器的输出信号，并且测量超声脉冲的发射和接收之间的时间差。

在另一实施例中，测量电路可以适于利用频率扫描并且基于输出信号来激励至少一个超声换能器，来记录超声换能器的阻抗或激励信号与输出信号之间的随激励信号的频率变化的相位差。另外，测量电路可以适于根据随激励信号的频率变化的阻抗或相位差来查明一个或多个谐振频率，在该谐振频率处沿着测量路径形成驻波。

围绕测量室而不是可偏转隔膜的部件的壁的区域可以用厚壁牢固地实施，以便承受高压力。壁可以具有例如在2mm至6mm范围的厚度。这种壁厚对于用作压力传感器的壳体材料的材料(例如不锈钢)是足够的，以便确保期望的机械稳定性。有利地，至少一个超声换能器被布置在这些壁区域中或上，使得测量路径的长度独立于壳体外部的压力保持恒定。该实施例的另一优点是实心壁在测量路径的区域中提供均匀的温度分布。

隔膜可以由例如不锈钢、双相钢、钽、钛、银、黄铜或青铜的金属合金构成。壳体同样可以由这些材料中的一种制成，或者在其不接触其压力将被测量的介质的程度上由较不耐腐蚀的材料——例如合金的高级钢，诸如例如铬镍钢——制成。

在通过上述压力传感器进行压力测量的方法中，测量单元查明取决于填充液体中的声速的变量，并且基于该变量确定表示位于可弹性偏转隔膜的前侧上的压力的压力测量值。该方法可以包括用于取决于填充液体中的声速来确定变量的行进时间方法或共振方法。在行进时间方法的情况下，查明超声信号脉冲所需的时间跨度，以便在延伸穿过填充液体的测量路径上行进。谐振方法可包括通过频率扫描激励至少一个超声换能器以及记录至少一个超声换能器的输出信号。例如，阻抗或相位差可以被记录为激励信号的频率的函数。根据作为激励信号的频率的函数的阻抗或相位差，可以查明沿着测量路径形成驻波的一个或多个谐振频率。基于共振频率，可以查明声速，并在其上导出压力测量值。如上所述，可以执行温度补偿。

附图说明

现在将基于附图中示出的实施例的示例更详细地解释本发明。在附图中，相同的附图标记指代所示传感器或传感器部件的相同实施的部件。附图显示如下：

图1是根据实施例的第一示例的压力传感器的示意图；

图2是图1所示的压力传感器的壳体的纵截面的示意图；

图3是图1中所示的压力传感器在根据行进时间方法通过超声进行压力测量时的测量路径的示意图；

图4是在恒定温度下基于甘油三酯的液体中的声速随压力变化的曲线图；

图5是根据实施例的第二示例的压力传感器的测量单元的示意性纵向截面图；

图6是根据实施例的第三示例的压力传感器的测量单元的示意性纵向截面图；

图7是图5和图6中所示的测量单元的阻抗随频率变化的曲线图；以及

图8是图5和图6中所示的测量单元的相位差随频率变化的曲线图。

具体实施方式

图1示意性地示出了根据实施例的第一示例的压力传感器。图2以示意性纵向截面图示出了压力传感器的壳体。压力传感器包括测量单元1、隔膜单元2和毛细管3。这些部件设置在壳体4中，壳体4围绕气密密封的封闭容积。该容积被可压缩填充液体完全填充。容积由布置在测量单元1中的测量室5、形成在隔膜单元2中的压力室6和毛细管3的内部容积组成，测量室5和压力室6经由毛细管3彼此连通。

隔膜单元2包括平台，该平台在一侧具有凹陷，该凹陷被可弹性偏转的隔膜7覆盖，使得压力室6形成在隔膜7和凹陷的底面之间。平台可以同时用作连接装置，例如作为凸缘，用于将隔膜单元2连接到容器，例如过程容器或管，其内部压力将通过压力传感器测量。可选地，平台可以与这种连接装置连接。如果平台如上所述连接到容器，则隔膜7然后与容器的内部连通，使得容器中存在的压力进入位于远离隔膜7的前侧的压力室6上。取决于容器中存在的并位于隔膜7的前侧的压力，隔膜对应地弹性偏转。因此，容器中存在的压力经由隔膜7传送到填充液体。在容器中的压力改变的情况下，隔膜7的偏转改变，并且因此，填充有可压缩填充液体的容积改变。

隔膜7可以在本示例中由金属或金属合金——例如不锈钢，诸如1.4435、1.4404、双相钢1.4462、钽、钛、银、黄铜、青铜等——形成。隔膜7的材料的选择可以取决于其中要施加压力传感器的预期应用。例如，为了监测氢罐，青铜的隔膜7是尤其有利的。隔膜7可以通过焊接或焊接连接与平台连接。平台和整个壳体4的材料同样可以是金属或金属合金，尤其是上面提到的隔膜材料。

测量单元1具有围绕测量室5的实心壁。毛细管3穿过壁进入测量室5。填充测量室5的可压缩填充液体中的声速取决于填充液体中的压力。在平衡状态下，这种压力等于位于压力相关偏转隔膜7的前侧上的环境压力，因此等于容器中的压力，压力传感器被固定到该容器以用于测量。因此，该环境压力可通过测量填充液体中的声速来查明。压力传感器工作的测量原理基于此。

测量单元1可以具有一个或多个超声换能器。在本示例中，两个相互相对的超声换能器8、超声换能器9在外部放置在壳体4的相对侧壁上。在替代实施例中，超声换能器也可以集成到壳体的壁中，使得换能器与测量室中的填充液体直接接触。两个超声换能器8、9在本示例中彼此相对，使得在它们之间延伸的测量路径在测量室5的纵向方向上延伸并且由此穿过填充测量室5的填充液体。

超声换能器8、超声换能器9与测量电路10连接。测量电路10可以是模拟测量电路。然而，以有利的方式，测量电路10是测量电子器件，该测量电子器件包括处理器、存储器和存储在存储器中的操作程序，该操作程序可由测量电子器件执行以用于操作超声换能器8、超声换能器9以及用于记录和处理超声换能器8、超声换能器9的测量信号以用于确定压力测量值。测量电子器件10可以经由显示器示出压力测量值和/或经由通信接口通过有线或无线地——例如通过无线电——将压力测量值发射到上级单元或服务或操作设备。

图3示意性地示出了在超声换能器8、超声换能器9之间延伸的测量路径11，以便示出利用根据图1和图2的实施例的第一示例的压力传感器进行压力测量的原理。测量路径11在发射换能器8和接收换能器9之间延伸。用作发射换能器8和接收换能器9的超声换能器8、超声换能器9可以基本上相同地实施。例如，它们可以是压电换能器；然而，也可以使用磁致伸缩换能器。

测量电路10适于用电信号激励发射换能器8，使得经由壳体的壁将超声脉冲12耦合到测量室5中。在已经行进测量路径11之后，超声脉冲12穿过壳体的壁以到达接收换能器9。这将接收到的超声信号转换成电测量信号，该电测量信号由测量电路10接收和处理，以便查明超声脉冲12通过填充液体从发射换能器8到接收换能器9的行进时间。沿着延伸穿过填充液体的长度L的测量路径的实际行进时间t_L可以使用在壳体壁和液体之间的界面处产生的回波信号来查明。

根据查明的行进时间t_L，可以根据以下公式查明发射换能器8发射的填充液体中的超声波的声速c

这取决于温度和压力。因此，为了从声速查明压力测量值，必须知道填充液体中的温度，并且在测量期间保持尽可能均匀和恒定。因此，在本示例中，壳体4在测量单元2的区域中具有基本壁，以便确保均匀的温度分布。该基本壁的另一优点是其抵抗压力传感器预期的高压力而不变形。

在本示例中，压力传感器包括温度检测器13，其可以应用于温度补偿。温度检测器13与测量电路10连接，以便向其提供温度测量信号。测量电路10适于接收和处理温度测量信号，尤其是为了从测量的行进时间查明归一化到参考温度的压力测量值。为此，校准数据可以被存储在测量电路10的存储器中。

在本示例中，在超声换能器8和9之间延伸的测量路径11具有为2-4毫米的直径并且具有在15至30mm之间的长度的圆柱形形状。为了保持填充液体的容积尽可能小，长度的量有利于仅在15mm和20mm之间。用作填充液体的是甘油三酯，其在室温下是液体。为了实现压力测量的足够精度，应用精度为±0.05至0.01K的温度检测器13是有利的。

图4示出了随压力变化的在基于甘油三酯的液体中以20℃从发射换能器8发射的超声的声速。随压力和温度变化的声速的这种特征线/曲线例如以功能或表格形式存储在测量电路10的存储器中，并且基于这种特征线/曲线，测量电路10适于根据观察到的行进时间或根据从行进时间导出的声速来查明位于压力传感器的隔膜7上的压力的测量值。

合适的可压缩填充液体主要是非极性有机液体，即这样的有机化合物，其是处于例如-40℃和200℃之间的间隔的应用温度范围内的液体。这样的有机物质通常具有主链或侧链，其具有大于2且小于10个碳单元。例如，这些是饱和醇，诸如正辛醇、丙二醇或石蜡，诸如正癸烷、酯，诸如丙二醇二癸酸酯、1,2-丙二醇二乙酸酯、碳酸亚丙酯、和短链聚硅氧烷，诸如十甲基四硅氧烷。有利地，这些材料在例如，在-40℃和200℃之间的应用温度范围内或在位于例如0℃至100℃的极限内的间隔内是热稳定的。

如果使用含有不同化合物的混合物的油，则需要或至少有利的是，通过在压力传感器的生产中进行校准来查明给定批次的油在每种情况下的随压力和温度变化的声速的特征线/曲线，并将其存储在压力传感器的存储器中。这通常是必需的，因为就单独包含的化学化合物而言，油的确切组成可能因批次而不同。在一些油——例如硅油——的情况下，油的分子组成可以在压力传感器的寿命期间改变，并且随之改变填充液体的物理性质。这可能需要在压力传感器的使用寿命期间重新校准压力传感器。

因此，有利的是使用具有至少99vol％的纯度的单一物质作为填充液体，因为在这种情况下，纯物质的对应特征线/曲线可以被存储在压力传感器的测量电子器件中，并且在不同批次的填充液体中彼此不同。因此，不需要压力传感器的生产中的第一校准。

由于测量路径11和由纯材料构成的填充液体在压力传感器的寿命期间保持不变，因此压力传感器的测量单元1不表现出老化现象。与现有技术中已知的压力传感器的情况相比，隔膜7的老化或蠕变不起作用，因为这些效应对填充液体的压缩和沿测量单元中的测量路径的声速测量没有显著影响。与DE 102005 009818A1中硅油作为填充液体的情况相比，热稳定纯材料作为填充液体在总使用寿命期间保持不变。因此，这里描述的压力传感器使得压力传感器能够在操作时间长度上进行无维护操作，该操作时间长度比常规压力传感器的无维护操作时间长度长几个数量级。总体上，实施例的本示例中描述的压力传感器和实施例的附加示例中描述的压力传感器的生产努力显著小于压阻传感器。

压力传感器的壳体可以由例如金属或金属合金制成真空密封的。对于最佳设计的传感器构造，这排除了接头位置的故障。简单的构造使得传感器能够用于从100巴到1500巴或更多的高压力应用，例如用于氢气罐的压力监测。为这样的目的，可以使用密封防止氢扩散的隔膜7。传感器可用于100巴至高达2000巴或甚至高达5000巴的总压力范围。

图5示出了根据实施例的第二示例的用于压力传感器的测量单元21，其能够基于声速的测量来进行压力测量。测量单元21用于基于共振方法查明表示依赖于压力的声速的变量。图5仅示出了测量单元21和毛细管3的一部分，其将测量单元21与压力传感器的隔膜单元(未示出)连接。根据实施例的第二示例的压力传感器的隔膜单元可以与基于图1至图3描述的根据实施例的第一示例的压力传感器的隔膜单元相同地体现。

测量单元21包括围绕测量室5的壳体4。这非常类似于填充有可压缩填充液体的实施例的第一示例，该可压缩填充液体也填充毛细管3和形成在隔膜单元中的压力室。因此，隔膜在压力室的方向上的偏转影响填充液体的压缩，这导致填充液体中的声速的改变。为了产生取决于声速的测量信号，测量单元21包括超声换能器28形式的单个压电换能器。另外，测量单元21包括(图5中未示出)测量电路，该测量电路利用连续激励信号激励压电换能器，该连续激励信号的频率随时间连续增大或减小，这在下文中被称为频率扫描。该频率扫描的频率范围可以具有约0.3至0.5MHz的宽度。当测量室5的相对壁之间的间隔K对应于从换能器28产生的超声波的半波长λ的整数倍n时，在测量室5中形成驻波。以下等式适用于满足该谐振状态的频率F_n：

可以基于超声换能器28的阻抗和/或超声换能器28的激励信号和输出信号之间的相位差(本文简称为相位)来查明测量室5中形成这种驻波的这些谐振频率F_n。图5的测量单元21中的超声换能器28的阻抗随激励信号的频率变化的典型行为在图7中被示出为虚线曲线(1)。使用基于甘油三酯的填充液体进行测量。谐振频率处于阻抗的突变。根据测量单元21的相位随超声换能器28的激励信号的频率变化的典型行为。图5在图8中显示为虚线曲线(1)。在谐振频率处，将观察到相位的突然上升。作为测量信号的阻抗和/或相位的突变可以由测量电路用于检测谐振频率。基于上面阐述的与共振频率和声速相关的等式，其进而取决于压力和温度，压力传感器的测量电路或测量电子器件可以从查明的共振频率导出压力测量值。

由于压力改变和/或温度改变引起的填充液体中的声速的改变引起谐振频率的改变。因此，在查明压力测量值时，有利的是查明至少两个相邻谐振频率F_n和F_n+1，以便根据以下公式确定n的值：

可以通过使用两个超声换能器来避免与找到和评估两个相邻谐振频率相关联的时间和计算努力。现在将基于图6描述实施例的这种示例。图6示出了根据实施例的第三示例的压力传感器的测量单元31，在该情况下，压力测量同样基于声速的测量而发生。与实施例的第二示例的测量单元21的情况一样，测量单元31包括具有壁的壳体4，其围绕测量室5。测量室5填充有可压缩填充液体。测量室的内部经由毛细管3与隔膜单元(未示出)的压力室连通，隔膜单元可以类似于示出了实施例的第一示例的图1至图3所示的压力传感器的隔膜单元2来体现。通过隔膜单元的隔膜的偏转和可压缩填充液体中的对应压力改变，填充液体中的声速改变。

在实施例的该示例的测量单元31中借助于谐振方法的先前描述的示例的替代来查明填充液体中的超声的声速。这里，测量单元31包括第一超声换能器38，第一超声换能器38以能够沿着延伸穿过测量室5的测量路径发射和/或接收超声波的方式被放置在壳体4的第一壁上。另外，测量单元31包括第二超声换能器39，第二超声换能器39被放置在与壳体4的第一壁相对的壁上，使得第二超声换能器39可以在与从第一超声换能器38发射的超声波相反的方向上沿着测量路径发射和/或接收超声波。与两个压电换能器连接的测量单元31的测量电路适于以相等的相位激励换能器38、39，并且适于测量并联电连接的第一超声换能器38和第二超声换能器39的阻抗和/或相位。在这种情况下，激励频率与上述实施例的第二示例相当类似地以频率扫描形式随时间变化。当测量室5的相对壁之间的间隔K对应于从换能器38、39发射的超声波的一半波长λ的偶数倍数n(其中n＝2N)时，形成超声波。在以相等相位激励相互相对的超声换能器38、39的情况下，对于对应于(n＝2N+1)的波长的一半的不均匀编号的倍数，不发生谐振。

在图7和8中示出的是换能器38、39之一的阻抗和相位随频率变化的曲线，在每种情况下，作为实线曲线(2)。与实施例的第二示例的情况一样，针对基于甘油三酯的液体记录测量信号。如果满足上述谐振条件，则阻抗和相位各自表现出突变。可以看出，利用根据实施例的第三示例的测量单元31查明的谐振总是与利用实施例的第二示例的测量单元21检测到的谐振中的每一秒一致。以类似于实施例的第二示例的方式，根据实施例的第三示例，压力传感器的测量电路可以适于基于阻抗或相位的行为来查明谐振频率，并且基于上述关系来确定压力测量值。测量单元31的优点在于，谐振频率之间的频率间隔足够大，使得由于填充液体中的压力和/或温度改变而导致谐振频率偏移的频率范围通常小于两个相邻谐振频率之间的频率间隔。因此，作为规则，可以基于查明单个谐振频率来可靠地确定压力测量值。

在通过谐振方法进行压力测量的实施例的两个示例的情况下，测量单元21和31在每种情况下可以具有温度传感器，其测量信号用于测量电路的测量值的温度补偿。这可以以类似于基于图1至3描述的实施例的第一示例的方式发生。

本发明不限于上述实施例的示例。因此，可以基于现有技术中已知的另外的替代方法来查明填充液体中的声速。而且，代替一个或多个压电换能器，可以使用用于在填充液体中产生驻波的其他装置，例如磁致伸缩换能器。

参考字符

1 测量单元

2 隔膜单元

3 毛细管

4 壳体

5 测量室

6 压力室

7 隔膜

8 发射换能器

9 接收换能器

10 测量电路

11 测量路径

12 超声脉冲

21 测量单元

28 超声换能器

31 测量单元

38 超声换能器

39 超声换能器

Claims (14)

1.一种压力传感器，尤其是用于大于100巴的压力，包括：

壳体(4)，所述壳体具有填充有可压缩的填充液体的密封的容积；

其中，所述壳体(4)具有可弹性偏转的隔膜(7)，所述隔膜(7)具有面向填充有所述填充液体的所述容积的后侧和与所述后侧相对的前侧，使得所述隔膜(7)将位于所述隔膜(7)的所述前侧上的压力传送到所述填充液体；以及

测量单元(1、21、31)，所述测量单元适于查明取决于所述填充液体中的声速的变量，并且基于所测量的变量来确定表示位于所述可弹性偏转的隔膜(7)的所述前侧上的所述压力的压力测量值，

其特征在于，所述填充液体含有有机化合物，所述有机化合物以大于99％的容积分数存在于所述填充液体中。

2.根据权利要求1所述的压力传感器，

其中，所述有机化合物是非极性化合物。

3.根据权利要求1或2所述的压力传感器，

其中，所述有机化合物至少在0℃和50℃之间的温度范围内在所述传感器的预期压力测量范围内处于液态。

4.根据权利要求1-3中的一项所述的压力传感器，

其中，所述化合物是饱和醇、酯、醚或脂肪族烃。

5.根据权利要求1-4中的一项所述的压力传感器，

其中，所述化合物在至少高达100℃的温度是热稳定的。

6.根据权利要求1-5中的一项所述的压力传感器，

其中，所述测量单元(1)包括：至少一个超声换能器(8、9、28、38、39)，所述至少一个超声换能器被布置在所述壳体(4)的壁上或壁中，用于发射和/或接收沿测量路径(11)传播的超声波；以及测量电路(10)，尤其是测量电子器件，所述测量电路适于激励所述至少一个超声换能器(8、9、28、38、39)以发射超声波和/或适于接收和处理所述至少一个超声换能器的输出信号，以便查明取决于所述填充液体中的所述超声波的声速的所述变量的值。

7.根据权利要求6所述的压力传感器，

其中，所述壳体(4)包括测量单元(1、21、31)和隔膜单元(3)，

并且其中，填充有所述填充液体的容积包括形成在测量单元(1、21、31)中的测量室(5)、形成在所述隔膜单元(2)中并由所述隔膜(7)密封的毛细管(3)和压力室(6)，其中，所述测量室(5)和所述压力室(6)经由所述毛细管(3)彼此连通，并且其中所述测量路径(11)延伸穿过所述测量室(5)。

8.根据权利要求6或7所述的压力传感器，

其中，所述测量电路(10)还适于从所查明的值确定所述压力测量值的大小。

9.根据权利要求8所述的压力传感器，

还包括温度检测器(13)，所述温度检测器适于产生取决于所述填充液体的温度的电测量信号。

10.根据权利要求9所述的压力传感器，

其中，所述测量电路(10)适于在查明压力测量值时使用温度检测器(13)的测量信号进行温度补偿。

11.根据权利要求1-10中的一项所述的压力传感器，

其中，取决于所述填充液体中的声速的所述变量是超声脉冲沿着所述测量路径(11)的行进时间。

12.根据权利要求1-10中的一项所述的压力传感器，

其中，取决于所述填充液体中的声速的所述变量是谐振频率，或者取决于谐振频率的变量，在所述谐振频率下，驻波沿着所述测量路径(11)形成。

13.根据权利要求1-12中的一项所述的压力传感器，

其中，所述壳体(4)的围绕所述测量室(5)的壁具有至少2mm至6mm的厚度。

14.根据权利要求1-13中的一项所述的压力传感器，

其中，所述可弹性偏转的隔膜由金属合金构成，例如不锈钢、双相钢、钽、钛、银、黄铜或青铜。