CN1290857A - 相对压力传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种防止污物和/或水分以及无需加油的相对压力传感器,包括一个充满气体的测量腔(5),测量腔用一感受压力的测量薄膜(3)封闭,工作时要测量的压力(P)作用在测量薄膜的外侧上;一个充满气体可压缩的弹簧弹性的膜盒,工作时从外面在膜盒上作用一基准压力(R),膜盒的内部体积取决于基准压力(R)和为了使存在于测量腔(5)内的内部压力与基准压力(R)相适应膜盒与此测量腔(5)连接;以及一个转换器,用于将取决于压力的薄膜(3)的偏移转换成电的被测量。

Description

相对压力传感器
本发明涉及一种相对压力传感器。
在压力测量技术中分为压差传感器、绝对压力传感器和相对压力传感器。压差传感器用于测量两个不同压力之差。对于绝对压力传感器测量的是绝对压力，亦即检测出相对于真空的压差。采用相对压力传感器所记录的要测量的压力是相对于一个基准压力的压差的形式。基准压力是传感器所在地的环境压力。在大多数的使用情况下它是使用地点的大气压力。相对压力传感器通常有一个测量腔，它用一感受压力的薄膜封闭。在工作时，在薄膜的外侧作用要测量的压力。测量腔在背对薄膜的一侧有一个孔，基准压力通过它在腔内作用在薄膜上。设有一转换器，它将取决于基准压力和要测量压力的薄膜偏移转换成电的被测量。
这种传感器的缺点在于，通过用来引入基准压力的孔会使污物和／或水分进入测量腔内，它们会影响测量精度。污物可例如是空气内所含的尘粒，但也可能是存在于使用地点的侵蚀性或腐蚀性的悬浮物，它们可能沉积在此腔内。若环境温度比腔内温度高，则在腔内可能低于露点并形成冷凝物。
如为了检测薄膜的偏移所需要的那些机电转换器，通常对污物和／或水分非常敏感。
在EP-B 524 550中介绍了一种相对压力传感器，包括-一个充满气体的测量腔，--测量腔用感受压力的薄膜封闭，--在工作时在薄膜外侧作用要测量的压力，以及-一个转换器，用于将取决于要测量的压力的薄膜偏移转换成电的被测量。
在此测量腔旁设另一个充满气体的腔，它用另一个感受压力的薄膜封闭，工作时在此薄膜外侧作用基准压力。为了将此另一个薄膜取决于压力的偏移转换成电的量设另一个转换器。测量腔和此另一个腔通过导管互相连通。但两个腔的容积足够大，所以测量薄膜和另一个薄膜的偏移基本上彼此无关。也就是说这种相对压力传感器实际上由两个独立的传感器组成，其中之一记录要测量的压力，另一个记录基准压力。互相独立确定的被测量随后互相在一起进行逻辑运算以确定相对压力。
这种相对压力传感器的缺点在于需要两个转换器，以便彼此独立地检测基准压力和要测量的压力。这意味着在制造时比较麻烦和较高的成本。
另一个缺点是，为了避免这两个传感器相互耦合，两个腔要有大的内部容积。相应地腔内含有的气体量也大。腔内的压力将随温度升高或下降。腔内压力的升高或降低会导致两个薄膜偏移并带来测量误差。至少要确定的压力之一越小，此误差源的影响越大。在以这种方式确定相对压力时，两个压力测量的测量误差进行累加。
在US-A 4，425，799中介绍了一种有两个通过导管互相连通的充油腔的压差传感器。每个腔用一感受压力的薄膜封闭。工作时在每个薄膜上作用一个压力，应测量这两个压力之差。油起传递压力的作用并有比空气小得多的热膨胀系数。因此只需要一个转换器，它检测两个薄膜之一取决于压差的偏移并转换成电的被测量。
但在许多使用情况下，出于安全的原因不允许采用任何充油的传感器，因为有损坏薄膜和油泄出的危险。例如尤其在食品工业中和在生产及贮存油漆时便是这种使用情况。
本发明的目的是提供一种相对压力传感器，它防止污物和／或水分和无需加油。
为此本发明存在于一种相对压力传感器中，它包括-一个充满气体的测量腔，它用一感受压力的测量薄膜封闭，--工作时要测量的压力作用在测量薄膜的外侧上，-一个充满气体的可压缩的弹簧弹性的膜盒，--工作时从外面在膜盒上作用一个基准压力，--膜盒的内部体积取决于基准压力，和--为了使存在于测量腔内的内部压力与基准压力相适应，膜盒与此测量腔连接，以及-一个转换器，用于将取决于压力的薄膜的偏移转换成电的被测量。
按本发明的进一步发展，膜盒由两块在其外边缘互相连接的薄膜优选地由波形薄膜组成。
按另一项进一步发展，薄膜装在基体上，此基体有一通孔和膜盒是一波形薄膜，它通过外边缘与基体背对薄膜的背面连接，以及它覆盖了此通孔。
按再一项进一步的发展，膜盒的刚性比薄膜的刚性小。
按一种设计，膜盒用不锈钢或铍青铜制造。
现在借助于其中表示两种实施例的附图进一步说明本发明和其他优点。在附图中相同的部分用同样的标号表示。
图1通过具有一个由两个薄膜组成的膜盒的相对压力传感器的剖面；以及
图2具有一个由薄膜构成的膜盒的压力测量腔。
图1表示通过按本发明的相对压力传感器的剖面。相对压力传感器的核心部分在此图示的实施例中是一种电容性的陶瓷压力测量元件。它有一基体1和一测量薄膜3。基体1例如用陶瓷制造。测量薄膜3同样可由陶瓷制成或例如用蓝宝石制造。测量薄膜3与基体1在它们的边缘处借助于接合部位7压力密封和气密地互相连接以构成一个测量腔5。测量薄膜3是对感受压力的，也就是说作用在薄膜上的压力促使测量薄膜3离开其静止位置偏移。测量薄膜3封闭测量腔5。
在测量薄膜3的内侧上设电极9，在基体1处于相对位置的内侧设至少一个对应电极11。测量薄膜3的电极9通过接合部位电触点连通并在外面例如接地。基体1的对应电极11通过基体1朝其外侧方向电触点连通并通往装在基体1上的一个电子开关13。电极9和对应电极11构成一个电容器，以及，电子开关13将电容器的电容变化例如变换成与之相应地改变的电压。
工作时要测量的压力P作用在测量薄膜3的外侧。在图1中这用箭头象征性地表示。压力P促使测量薄膜3取决于压力地偏移，偏移量由转换器转换成电的被测量。在所表示的实施例中，转换器包括电极9、对应电极11和电子开关13，以及电的被测量例如是电压。此被测量经连线14供进一步处理和／或计算。
取代所说明的电容性陶瓷测量元件，例如也可以使用压阻式测量元件。在此类测量元件中，转换器有贴在测量薄膜上的电阻应变片。在此测量元件中，测量腔也可由基体和测量薄膜本身构成，测量薄膜通过其外边缘固定在基体上。
基体1有一通孔，孔中插入细管15。在细管15背对基体的那一端上装有弹簧弹性的膜盒17，工作时基准压力R从外面所有方向作用在膜盒上。这在图1中用箭头表示。膜盒17的内腔通过细管15与测量腔5连接。测量腔5、细管15和膜盒17均充满一种气体，例如空气。充满气体的腔气密地紧密封闭并因而可靠地防水和／或防污物。
膜盒17是可压缩的。因此它的内部体积取决于从外面作用在膜盒17上的基准压力R。若基准压力R升高，膜盒17被压缩和膜盒17内部的压力上升直至在膜盒17上形成力的平衡。因为膜盒17内腔与测量腔3通过细管15连通，所以在测量腔5内的内压等于在膜盒17内部根据基准压力R形成的压力。
在图1所示的实施例中，膜盒17由两个在它们的外边缘互相连接的薄的膜19、21组成。如图1所示，这两个薄膜19、21优选地设计为波形薄膜。它们带来的优点是，膜盒17的内部体积在中等基准压力时比较小，但通过两个薄膜的彼此分开地偏移可显著增大膜盒17的内部体积。这意味着，首先只存在一个小的会随温度膨胀的气体量，以及，此外由温度引起的气体膨胀被膜盒17吸收，不会明显改变在膜盒17内部的压力并因而不会明显改变在规定的基准压力R下调整好的测量腔5内的压力。
相对压力传感器有一个外壳23，电容性陶瓷测量元件固定在此外壳内。为此，外壳23有一个具有沿径向向里延伸的台阶的孔，测量薄膜3以一个在外部不感受压力的边缘再加上密封装置25例如O型密封圈作为中间填缝贴靠在台阶上。在测量元件背对测量薄膜一侧在外壳23内旋入一螺纹环27，它将测量元件压靠在密封装置25上。为了在测量地点固定此传感器，外壳23上制有外螺纹29。同样可以采用其他类型的固定装置。
图2表示另一种具有充满气体的弹簧弹性膜盒18的压力测量元件。此压力测量元件可以与图1所示的压力测量元件相同的方式装入外壳。这两种压力测量元件的区别仅在于膜盒17或18的形状和结构。在图2的实施例中基体1也有一个通孔。膜盒18由一薄的略有隆起的波形薄膜构成。膜盒18的外边缘与基体1背对测量薄膜3的背面连接。波形薄膜与基体1一起封闭了一个小的体积并覆盖住通孔。膜盒18的内腔、孔和测量腔5构成了唯一的一个气密封闭的空腔，其中充满一种气体，例如空气。基准压力从外面作用在膜盒18上。工作方式与上面已说明的
实施例一致。
若膜盒17、18的刚性比测量薄膜3的刚性小是有优点的。测量薄膜3和膜盒17、18的刚性由所使用材料的材料特性、厚度和造型决定。相对压力传感器的灵敏度并因而在最好的情况下能达到的测量精度受测量薄膜3刚性的限制，膜盒17、18的刚性越小，它就越软，内压随基准压力R的变化关系越准确，以及膜盒17或18对测量信号的影响越小。若膜盒17、18的刚性比测量薄膜3小，则内压以一个在由测量薄膜3给定的测量精度范围内的准确度随基准压力R变化。
弹簧弹性材料尤其金属例如铍青铜是特别适用的。但也可以使用不锈钢或弹簧弹性的塑料。这些弹簧弹性的材料有另一个优点，即在变形时的滞后很小。
膜盒17、18和测量薄膜3的刚性在数量上可表示为压力／体积-常数的形式。它表示作用的压力与由此压力引起的膜盒内部体积或测量腔内部体积的改变之间的关系。此压力／体积-常数可实验确定或近似计算确定。在恰当地设计尺寸的情况下，压力／体积-常数可以比测量薄膜3的压力／体积-常数小1000至10000倍。
按图1所示的例如设计用于测量范围为40KPa(=400mbar)的实施例的相对压力传感器，在使用氧化铝陶瓷制的厚度为0．25mm和直径为25mm的圆盘状测量薄膜3时，压力／体积-常数约为30KPa／mm3(=300mbar／mm3)。相比之下膜盒17在直径为23mm和薄膜19、21的厚度为20μm时压力／体积-常数约为5pa／mm3 (=0．05mbar／mm3)，其中薄膜19、21设计为波形薄膜和用铍青铜制造。
如在相对压力传感器中一般常见的那样，在按本发明的相对压力传感器中也进行压力和温度的标定。在这种情况下厂方从预定的中间基准压力例如1．013·105 pa(=1013mbar)出发。由于膜盒17、18的弹簧弹性和小的刚度，此相对压力传感器可吸收中间基准压力对预定的中间基准压力比较大的偏离，不会离开传感器特性线的线性区。在此线性区的范围内足够在当地调整相对压力传感器的零点，以获得如它在预定的中间基准压力下达到的相同的精度。因此在海拔高度标定的相对压力传感器也可以在不损失精度的情况下使用于例如高度为2000m的山区。

Claims (6)

1．相对压力传感器，包括-一个充满气体的测量腔(5)，它用一感受压力的测量薄膜(3)封闭，--工作时要测量的压力(P)作用在测量薄膜的外侧上，-一个充满气体的可压缩的弹簧弹性的膜盒(17、18)，--工作时从外面在膜盒上作用一个基准压力(R)，--膜盒的内部体积取决于基准压力(R)，以及--为了使存在于测量腔(5)内的内部压力与基准压力(R)相适应，膜盒与此测量腔(5)连接，以及-一个转换器，用于将取决于压力的薄膜(3)的偏移转换成电的被测量。
2．按照权利要求1所述的相对压力传感器，其中，膜盒(17)由两块在其外边缘互相连接的薄膜(19、21)组成。
3．按照权利要求2所述的相对压力传感器，其中，薄膜(19、21)是波形薄膜。
4．按照权利要求1所述的相对压力传感器，其中，-薄膜(3)装在基体(1)上，-基体(1)有一通孔，-膜盒(18)是一波形薄膜，--它通过外边缘与基体(1)背对薄膜(3)的背面连接，以及--它覆盖了此通孔。
5．按照前列诸权利要求之一所述的相对压力传感器，其中，膜盒(17、18)的刚性比薄膜(3)的刚性小。
6．按照前列诸权利要求之一所述的相对压力传感器，其中，膜盒(17、18)用不锈钢或铍青铜制造。
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