CN1977154A

CN1977154A - 压力传感器

Info

Publication number: CN1977154A
Application number: CNA2005800220015A
Authority: CN
Inventors: 武尔费特·德鲁斯; 弗兰克·黑格纳
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2004-06-29
Filing date: 2005-06-14
Publication date: 2007-06-06
Also published as: DE102004031582A1; ATE393382T1; DE502005003853D1; US7861598B2; WO2006000534A1; EP1761751B1; EP1761751A1; US20090211363A1

Abstract

压力传感器，包括具有外壳轴线的外壳(1)，外壳中限定测量单元腔，该测量单元腔可以被通过开口而加载压力。开口由环形第一密封面围绕。压力传感器还包括：压力测量单元(2)，其具有朝向开口的第二密封面和远离该密封面的止动面；密封环(3)；和夹钳装置(4)，其与外壳接合。压力测量单元和密封环被利用轴向夹钳力这样夹钳在夹钳装置(4)和第一密封面之间，使得密封环(3)压密地设置在第一密封面和第二密封面之间。压力传感器还包括补偿元件，其包括朝向开口的第一传输体(7)和远离开口的第二传输体。轴向夹钳力被通过补偿元件从夹钳装置传递到压力测量单元，并且第一传输体可相对于第二传输体围绕两条相互垂直的轴线倾斜。

Description

压力传感器

技术领域

本发明涉及一种用于检测介质压力的压力传感器。

背景技术

特别是在用于腐蚀性化学制品的压力测量的压力传感器的情况中，在压力测量单元和传感器外壳的介质开口之间的密封很困难。特别是常见的弹性O形环不能用于所有情况。作为代替，使用密封垫片或垫圈，特别是PTFE密封件，其中PTFE确实具有期望的化学稳定性，但是另一方面，它引入了机械问题，因为PTFE不具有足够的弹性甚至在压力下流动。Kathan等人在公开文献DE 19628255 A1中公开了一种压力测量仪表，其中PTFE密封垫片夹钳在压力测量单元的介质侧表面和传感器外壳的轴向止动面之间，该轴向止动面具有弹性特性。这种邻接是有问题的，因为需要密封垫片的均匀压缩。一个元件的最小角偏转能够导致密封件失效。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种压力传感器，其克服了现有技术的上述缺点。这个目的根据本发明通过独立权利要求1中限定的压力传感器得以实现。

特别地，本发明的压力传感器包括：具有外壳轴线的外壳，外壳中限定测量单元腔，该测量单元腔可以被通过开口而加载压力；其中开口由具有第一法向矢量的环形第一密封面围绕；压力测量单元，其由具有第二法向矢量且朝向开口的第二密封面和具有第三法向矢量且远离该密封面的止动面构成；密封环；和夹钳装置，其与外壳接合；其中压力测量单元和密封环被利用轴向夹钳力这样夹钳在夹钳装置和第一密封面之间，使得密封环压密地设置在第一密封面和第二密封面之间；其特征在于，压力传感器包括补偿元件，其包括朝向开口的第一传输体和远离开口的第二传输体；其中轴向夹钳力被通过补偿元件从夹钳装置传递到压力测量单元，并且第一传输体可相对于第二传输体围绕两条相互垂直的轴线倾斜。

第一传输体可围绕其倾斜的相互垂直的轴线优选地基本垂直于外壳轴线延伸并切割该外壳轴线。这里，“基本垂直”表示相对于垂直的偏移仅仅由定向误差给出，这将利用补偿元件而补偿。

在理想情况中，所有提到的法向矢量都彼此平行且平行于外壳轴线延伸。仅仅由于制造公差，可以略微偏离平行。因此，传输体围绕所述轴线的可倾斜性必须在这样的范围中，使得法向矢量由于制造公差而从外壳轴线方向的偏移能够得到补偿。例如，大约0.5°或1°的倾斜能力已经足够。如果可以预期更大的公差，则相应提供更大的倾斜能力。

补偿元件可以例如包括在传输体之间的球窝接头。球窝接头可以包括一个球，其在这种情况中具有两个各自具有球轴承底座部分的传输体，并且球在两个球轴承底座之间被夹钳。另一方面，球窝接头可以具有至少一个凸起的球面部分和至少一个与其互补的球轴承底座部分，其中第一或第二传输体中，一个具有球面部分，另一个具有与其互补的至少一个球轴承底座部分。根据需要，球轴承底座的半径可以与球面的半径不同。

在另一实施例中，一个传输体包括具有尖端且与传输体轴线对齐的芯轴，并且另一传输体包括与其轴线对齐的轴承，芯轴的尖端位于该轴承中，以传递轴向夹钳力。优选地，轴承具有凹入的表面，其顶点与轴线对齐，从而螺纹结构通过轴向夹钳力而相对于轴承对中心。

在另一实施例中，补偿元件包括位于传输体之间且具有两条相互垂直的轴线的万向接头。优选地，轴线在除去要被补偿的定向误差后垂直于外壳轴线的平面中延伸，其中该定向误差不大于2°，特别地不大于1°。

两个传输体可以是分离制造的部件，或者它们可以与其它元件单件构成。例如，一个传输体可以集成在夹钳装置的元件中。同样，一个传输体可以与压力测量单元的结构组件等一体整件构成。

在本发明的另一发展中，朝向压力测量单元的传输体与压力测量单元材料相同，而朝向夹钳装置的传输体与夹钳装置的材料相同。

压力测量单元例如包括非金属材料，特别是陶瓷材料或半导体材料的基体和/或测量薄膜。相反，外壳和夹钳装置包含金属，例如钢特别是不锈钢或铝。

如上所述，对于压力传感器，特别感兴趣的是倾斜能力，其中密封环包括至少一个密封垫片。在当前的优选实施例中，密封环包括具有两个平面平行的面的陶瓷环，其上设置密封垫片。轴向弹性元件的实施例的进一步的细节在德国专利申请10334854.9中有所公开。

在本发明的压力传感器的另一实施例中，提供轴向弹性元件。这个轴向弹性元件可以例如是盘簧，其例如形成轴向止动面或者集成在其中，轴向弹性元件也可以是囊形膜板，其集成在介质开口中，轴向弹性元件还可以是弹簧，例如螺旋弹簧或盘簧，其轴向夹钳在压力测量单元的后侧和夹钳环之间。轴向弹性元件保证这样的弹性程度，使得在介质的压力波动和压力跳动的情况以及在压力传感器的温度波动的情况中，密封元件仅仅受到不会影响密封效果的轴向夹钳力。另外，弹性元件用于补偿密封元件在负载下的设置或弹性形变。优选地这样定弹性大小，使得在第一和第二密封元件上的轴向夹钳压力在-40℃～150℃之间的温度周期上波动不超过最大发生夹钳压力的50％，进一步优选地不超过25％，并且特别优选地不超过12％。另外，当前优选的是，在第一和第二密封元件上的轴向夹钳压力在-40℃～150℃之间的温度周期上不低于0.8MPa，优选地不低于0.9MPa，特别优选地不低于1MPa。对于实施轴向弹性元件的进一步细节可以从德国专利申请10334854.9中得到。

附图说明

现在根据附图详细解释本发明，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；和

图2是本发明的压力传感器的补偿元件的第二实施例的纵截面。

具体实施方式

图1所示的压力传感器包括圆柱形陶瓷压力测量单元2，其例如由刚玉制成的基体和测量薄膜构成，其根据电容测量原理工作。压力测量单元2设置在圆柱对称外壳1中的测量单元腔内。外壳1包括开口，测量单元腔可以被通过该开口而加载压力。开口由径向向内延伸的凸肩围绕，该凸肩具有用于压力测量单元的轴向止动面。在压力测量单元和轴向止动面之间设置密封环3。压力测量单元被利用夹紧螺钉4而相对于密封环3轴向夹钳，该夹紧螺钉与测量单元腔的壁中的互补的螺纹接合。

外壳1和夹紧螺钉4都由金属构成。

在夹紧螺钉4和压力测量单元之间设置解耦体6，其将轴向夹钳力从夹紧螺钉传递至压力测量单元。解耦体的材料与测量单元2的基体的材料相同，以在温度波动的情况中在基体和与基体相邻的用于引入轴向夹钳力的元件之间不会发生热膨胀差别。

解耦体包括圆盘形板，其在一个表面上具有环状凸起边缘。这个边缘与压力测量单元相抵。在远离环的一侧上，设置锥形芯轴7，其轴线与环和圆盘形板的公共轴线对齐。芯轴7用作补偿元件的第一传输体，该补偿元件用于补偿在夹紧螺钉和解耦体之间或者在外壳和压力测量单元之间的定向误差。芯轴7与解耦体6固定连接并且与解耦体6的材料相同。芯轴7和解耦体之间的连接可以例如是钎焊，特别是活性钎焊。

夹紧螺钉4包括圆盘形板，其中形成锥状凹槽5，该凹槽朝向锥状芯轴7并且比芯轴的角间距大。夹紧螺钉用作补偿元件的第二传输体，夹紧螺钉可以相对于解耦体围绕通过芯轴7在凹槽5中的接触点延伸的任意轴线倾斜。这个装置总能保证在密封环3上的均匀夹钳力，即使夹紧螺钉的轴向定向可能相对于压力测量单元或者相对于围绕外壳开口的轴向止动面有制造公差。

图2显示了补偿元件的另一实施例，其在这种情况中包括第一环状传输体16和第二环状传输体17。第一传输体包括第一平面端面和凸起的球面部分18，该球面部分远离第一平面端面并且朝向第二传输体17。第二传输体17包括第二平面端面和凹入的球窝部分19，该球窝部分远离第二平面端面，与凸起的球面部分互补并就位于其上。因此，第二平面端面可以相对于第一平面端面倾斜，从而定向误差可以得到补偿。在这个实施例的当前优选方式中，第二传输体还在其外表面上包括螺纹，其与外壳中的测量单元腔的内螺纹接合。于是，第二传输体用作旋入环。第二传输体优选地位于环形陶瓷解耦体上，该解耦体将轴向夹钳力传递到压力测量单元的后侧上。在这个实施例情况中，第一和第二传输体由相同材料例如不锈钢制成。为了增加可滑动性，球面可以涂覆有润滑剂。

Claims

1.压力传感器，包括：

具有外壳轴线的外壳，其中限定测量单元腔，该测量单元腔可以被通过开口而加载压力；其中开口由具有第一法向矢量的环形第一密封面围绕；

压力测量单元，其由具有第二法向矢量且朝向开口的第二密封面和具有第三法向矢量且远离该密封面的止动面构成；

密封环；和

夹钳装置，其与外壳接合；

其中压力测量单元和密封环被利用轴向夹钳力这样夹钳在夹钳装置和第一密封面之间，使得密封环压密地设置在第一密封面和第二密封面之间；

其特征在于，

压力传感器包括补偿元件，其包括朝向开口的第一传输体和远离开口的第二传输体；其中轴向夹钳力被通过补偿元件从夹钳装置传递到压力测量单元，并且第一传输体可相对于第二传输体围绕两条相互垂直的轴线倾斜。

2.根据权利要求1所述的压力传感器，其中补偿元件包括在传输体之间的球窝接头。

3.根据权利要求2所述的压力传感器，其中球窝接头包括一个球，两个传输体各自具有球轴承底座部分，并且球在这两个球轴承底座之间被夹钳。

4.根据权利要求2所述的压力传感器，其中球窝接头具有至少一个凸起的球面部分和至少一个与其互补的球轴承底座部分。

5.根据权利要求1所述的压力传感器，其中补偿元件包括位于传输体之间且具有两条相互垂直的轴线的万向接头。

6.根据权利要求1～4之一所述的压力传感器，其中补偿元件包括芯轴，其尖端位于凹入的轴承套中。

7.根据前述任一权利要求所述的压力传感器，其中压力测量单元包括陶瓷材料的基体和/或测量薄膜。

8.根据前述任一权利要求所述的压力传感器，其中外壳包含金属材料，特别是不锈钢。

9.根据前述任一权利要求所述的压力传感器，其中密封环包括至少一个密封垫片。

10.根据权利要求9所述的压力传感器，其中密封环包括具有两个平面平行的端面的陶瓷环，其上各设置一个密封垫片。