CN1829905A - 压力传感器 - Google Patents

Abstract

一种压力传感器，包括：压力测量单元，具有可加载介质的端面；外壳(20)，具有介质开口(21)和环形轴向止挡面(22)，该止挡面包围介质开口(21)；夹钳装置(23)；和环形密封布置(30)；其中压力测量单元位于外壳中并且密封布置位于止挡面和端面之间，并且密封布置(30)以及压力测量单元被轴向夹钳在止挡面(22)和夹钳装置之间。根据本发明，密封布置(30)包括解耦环以及第一(31)和第二(32)环形密封元件，其中第一密封元件紧贴在端面上，第二密封元件紧贴在止挡面上，并且解耦环被轴向夹钳在第一和第二密封元件之间。

Description

压力传感器

本发明涉及一种用于检测介质压力的压力传感器。

特别地，在腐蚀性化学药品中使用的压力传感器的情况中，已经证明在压力测量单元和传感器介质开口之间的密封是有问题的，因为通用的弹性O形环要么不能使用要么仅能够有限制地使用。作为替代，使用PTFE密封。尽管PTFE具有期望的化学稳定性，但它有机械上的问题。即，PTFE不具有足够的弹性并且它甚至在压力下流动。Kathan等人在专利公开文献DE 19628255 A1中公开了一种压力测量设备，其中PTFE的环形平垫被轴向夹钳在压力测量单元面向介质的表面和传感器外壳的轴向止挡面之间，轴向止挡面具有弹回特性。然而，这种尝试方案导致温度延迟误差，因为钢外壳与陶瓷测量单元的热膨胀系数相差很大，并且这直接影响测量单元的测量膜片。在公开文献DE 101 06129 A1的教导中，Flgel等人试图对传感器提供校正，其中在外壳的介质开口的区域中具有支持轴向止动面的相对厚重的Kovar(科瓦铁镍钴合金)环，从而将得到轴向止动面的有效热膨胀系数的近似。尽管这或许获得了期望的热膨胀系数近似，但是现在在外壳的钢部分和Kovar环之间将出现温度应力，这能够反过来影响测量单元。

于是，本发明的目的是提供一种压力传感器，其克服了所述的现有技术中的缺点。根据本发明，这个目的通过根据独立权利要求1的压力传感器而解决。

根据本发明的压力传感器包括：压力测量单元，具有可加载介质的端面；外壳，具有介质开口和环形轴向止挡面，该止挡面包围介质开口；夹钳装置；和环形密封布置；其中压力测量单元位于外壳中并且密封布置位于止挡面和端面之间，并且密封布置以及压力测量单元被轴向夹钳在止挡面和夹钳装置之间；其特征在于，密封布置包括解耦环以及第一和第二环形密封元件，其中第一密封元件紧贴在端面上，第二密封元件紧贴在止挡面上，并且解耦环被轴向夹钳在第一和第二密封元件之间。

术语“环形”意味着不仅包括圆环而且还包括任何在开口周围具有封闭路径的环。它们可以是椭圆形、矩形、六边形或其它任何多边形。

压力测量单元包括第一材料制成的基体和测量膜片，第一材料可以是例如陶瓷，特别是刚玉，或晶体材料。优选地，解耦环应由机械和/或热特性与第一材料基本近似或相等的材料制成。这可以例如通过同样由第一材料制造解耦环而实现。

优选地这样实现解耦环，使得由于热膨胀差异而在解耦环和轴向止挡面之间产生的径向力在任何情况中都仅导致解耦环的可忽略的变形。这可以例如通过一定的硬度以及通过使用具有两个平面平行端面的解耦环而实现。以这种方式，在轴向止挡面和解耦环之间的热膨胀差异基本上只导致剪切力，而该剪切力被第二密封元件的形变而最大程度地减轻。

可以允许在端面上提供凸起和/或凹口，它们可以是例如环形，以限制密封元件在负载下的流动。当第一和/或第二密封元件是例如PTFE材料，特别是平垫的形式时，特别地考虑这一点。在某些情况中，也可以建议使用O形环作为密封元件。在这种情况中，夹钳O形环的至少一个端面应当具有O形环基底所必需的形式。

在本发明的压力传感器的当前优选实施例中，夹钳装置和/或外壳包括轴向弹性元件。这个轴向弹性元件可以是形成或集成在例如轴向止挡面中的圆盘弹簧、集成在介质开口中的波纹管膜片、也可以是在压力测量单元的后侧和夹钳环之间轴向夹钳的弹簧，例如螺旋弹簧或圆盘弹簧。

弹性元件保证足够的弹性，使得在介质的压力波动和压力尖峰的情况以及在压力传感器的温度波动的情况中，密封元件仅受到不对密封效果产生不良影响的轴向夹钳压力波动。另外，弹性元件用于补偿在负载下的密封元件的放置或塑性形变。优选地选择弹性，使得在40℃～150℃的温度循环中，第一和第二密封元件上的轴向夹钳压力波动不超过最大出现夹钳压力的50％，优选地不超过25％，并且特别优选地不超过12％。

另外，当前优选地，在-40℃～150℃的温度循环中，在第一和第二密封元件上的轴向夹钳压力不低于0.8Mpa，优选地不低于0.9Mpa，并且特别优选地不低于1Mpa。

现在参考附图说明本发明，附图中：

图1是本发明的压力传感器的第一实施例的纵截面；

图2是本发明的压力传感器的第二实施例的纵截面；

图3是本发明的压力传感器的第三实施例的纵截面；

图4是本发明的压力传感器的第四实施例的纵截面；和

图5是本发明的压力传感器的第五实施例的纵截面；

图1-4所示的压力传感器包括圆柱形陶瓷压力测量单元，例如由刚玉制成，并根据电容测量原理操作。当然，也可以使用任何其它压力测量单元，例如具有依赖于压力的谐振器或电阻器的压力测量单元。在所示实施例中，压力测量单元被以不同的方式轴向夹钳在外壳中。

图1所示的根据本发明的压力传感器包括：压力测量单元，其具有基体10和测量膜片11。压力测量单元布置在外壳20中，其中外壳20包括介质开口21，压力测量单元的测量膜片11通过该介质开口可加载介质压力。外壳20由金属材料制成，该材料优选地抗腐蚀，例如是不锈钢。外壳20包括环形的径向向内延伸的凸肩，其围绕介质开口并且限定轴向止挡面22。环形凸肩具有圆盘弹簧的特性，使得轴向止挡面22轴向弹性。在外壳之间布置螺纹环23。在环23的外侧表面上提供螺纹，并且该螺纹与外壳20壁上的内螺纹接合。压力测量单元在后侧被螺纹环23夹钳，其中压力测量单位以测量膜片11压向环形密封布置30，从而密封布置30被轴向夹钳在测量膜片11和轴向止挡面22之间，使得外壳内部空间相对于介质开口21密封。由于轴向止挡面22的弹性，压力测量单元和外壳由于温度波动而引起的不同长度变化可以被补偿，而没有在轴向夹钳力中的不可接受的波动。优选地，轴向弹性还使得能够补偿可能存在的不均匀波动表面，即在其间夹钳密封元件的表面。

密封布置30基本上包括解耦环33，其由陶瓷材料，特别是刚玉制成。解耦环30优选地包括两个平面平行的端面31、32，第一环形密封元件31和第二环形密封元件32通过它们分别压向压力测量单元或轴向止挡面22。端面可以具有结构元件，以限制密封元件31、32的径向运动，特别是用于限制PTFE密封元件在压力下的冷流动。当前优选作为密封元件的是平垫特别是PTFE平垫。优选地，平垫的径向长度，即，其内半径和外半径之间的距离，大于在轴向上平垫材料厚度的十倍。

例如这样选择PTFE平垫的夹钳力，使得在压力传感器的整个温度范围内，轴向夹钳力不低于0.8Mpa，优选不低于0.9Mpa，并且特别地不低于1Mpa。

另外，图1中的压力传感器具有后侧加强板13和后侧加强环12。加强环12布置在基体10和加强板之间。轴向夹钳力被从螺纹环23经由后侧加强板13和后侧加强环12传递至压力测量单元的基体10。尽管通过这个结构可以减少由于轴向夹钳力引起的膜片区域的径向形变和由于螺纹环支持而引起的延迟误差，但是加强板和加强环对于本发明投入实践并不是绝对必需的。关于加强板的细节在本申请人未公开的专利申请10243079中有所公开。

图2所示实施例基本上与上述结构原理相同，下面说明其与图1的压力传感器相比的不同。

压力传感器具有外壳120，该外壳具有轴向刚性的径向向内延伸的凸肩，该凸肩限制介质开口121。轴向止挡面122形成在凸肩上，具有基体10和测量膜片11的压力测量单元紧贴该止挡面122并且被螺纹环123轴向夹钳。如上所述，密封布置30被夹钳在压力测量单元和轴向止挡面122之间。

在这种情况中，为了保证恒定夹钳力，轴向弹性由弹性元件，例如弹簧环124或圆盘弹簧保证，其中弹性元件被夹钳在压力测量单元的后侧和螺纹环123之间。在弹性元件的定尺寸中，考虑弹性元件必须吸收过载的压力震动，而密封不被过度卸载。

图3所示的实施例包括具有介质开口221的外壳220，该介质开口被波纹管膜片224限制。波纹管膜片224在其第一端压密地固定至外壳220，并且在它的第二端支持环体，该环体具有轴向止挡面222。压力测量单元被轴向夹钳在螺纹环223和轴向止挡面222之间，其中，如上所述，密封布置30位于压力测量单元的测量膜片11和轴向止挡面222之间。这样定波纹管膜片224的尺寸，使得对于所有操作温度和介质压力值它都保证所需的轴向压紧力。另外，可以这样实施波纹管膜片，使得轴向夹钳压力在面对改变的操作压力时保持大致恒定。

图4显示了一个变型，其中外壳320具有介质开口321，该介质开口由具有前侧轴向止挡面322的前侧夹钳环326限制。前侧夹钳环326具有多个张力调整螺栓，它们以均匀间隔分布在环表面上并且延伸贯穿外壳320的相应开口直至外壳后侧，在外壳后侧张力调整螺栓325与螺母323固定，以将测量单元夹钳在外壳320的后侧轴向止挡面328和前侧轴向止挡面322之间。为了保证足够的弹性，一方面在外壳后侧上具有轴向弹性的弹簧环324，另一方面，前侧夹钳环326可以具有环形凹口327，以通过材料的受控弱化而达到轴向弹性。当然，两种方法可以单独使用，或者如所示的那样结合使用。

图5所示的实施例与图1所示的实施例在以下方面不同。在压力测量单元后侧和螺纹环23上的加强板13还是轴向夹钳的补偿环15。补偿环由热膨胀系数差比不锈钢外壳20的更大的材料制成。以这种方式，在温度波动的情况中，陶瓷压力测量单元和外壳的长度膨胀之间的差异可以被完全或部分抵消。补偿环的合适材料例如是Al、Mg、Zn和其它材料，它们的热膨胀系数显著大于外壳10的材料的热膨胀系数。根据需要，这个实施例可以降低对于止挡面轴向弹性的需求。

Claims (14)

1.用于检测介质压力的压力传感器，包括：

压力测量单元，具有可加载介质的端面；

外壳，具有介质开口和环形轴向止挡面，该止挡面包围介质开口；

夹钳装置；和

环形密封布置；其中

压力测量单元位于外壳中并且密封布置位于止挡面和端面之间，并且密封布置以及压力测量单元被轴向夹钳在止挡面和夹钳装置之间；其特征在于，

密封布置包括解耦环以及第一和第二环形密封元件，第一密封元件紧贴在端面上，第二密封元件紧贴在止挡面上，并且解耦环被轴向夹钳在第一和第二密封元件之间。

2.根据权利要求1所述的压力传感器，其中压力测量单元包括由第一材料制成的基体和测量膜片，还包括由第二材料制成的解耦环，其中第一材料与第二材料的机械和/或热特性相同。

3.根据权利要求2所述的压力传感器，其中第一材料和第二材料相同。

4.根据权利要求2或3所述的压力传感器，其中第一材料包括陶瓷，特别是刚玉，或者晶体材料。

5.根据前述任一权利要求所述的压力传感器，其中第一和/或第二密封元件包括惰性材料，特别是PTFE。

6.根据前述权利要求之一所述的压力传感器，其中解耦环在轴向上被两个平面平行的端面限制。

7.根据权利要求6所述的压力传感器，其中端面具有环形凸起和/或凹口。

8.根据前述权利要求之一所述的压力传感器，其中夹钳装置和/或外壳包括轴向弹性元件。

9.根据权利要求8所述的压力传感器，其中在40℃～150℃的温度循环中，第一和第二密封元件上的轴向夹钳压力波动不超过最大出现夹钳压力的40％，优选地不超过20％，并且特别优选地不超过10％。

10.根据权利要求8或9所述的压力传感器，其中在-40℃～150℃的温度循环中，在第一和第二密封元件上的轴向夹钳压力不低于0.8Mpa，优选地不低于0.9Mpa，并且特别优选地不低于1Mpa。

11.根据权利要求8～10之一所述的压力传感器，其中弹性元件包括具有轴向止挡面的圆盘弹簧。

12.根据权利要求8～10之一所述的压力传感器，其中弹性元件实施为围绕介质开口的轴向柔性波纹管膜片，其中波纹管膜片在第一轴向端具有轴向止挡面，并且在过程连接和第二端与外壳压密地连接。

13.根据前述任一权利要求所述的压力传感器，进一步包括补偿环，其与压力测量单元轴向夹钳在一起，其中补偿环比外壳材料的热膨胀系数大，并且压力测量单元比外壳材料的热膨胀系数小。

14.根据权利要求13所述的压力传感器，其中补偿环包括锌、镁或铝。

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