ES2948466T3 - Sensor de presión para altas presiones - Google Patents
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Abstract
El sensor de presión (1) según la invención, que es especialmente adecuado para detectar presiones de hasta 1.000 bar, presenta un dispositivo de sensor (20) y un manguito de carcasa (42) para recibir el dispositivo de sensor (20). Además, el sensor de presión (1) tiene una membrana (60) para transmitir presión, estando la membrana (60) en conexión operativa con la disposición de sensor (20) y estando conectada mecánicamente con el manguito de carcasa (42). Además, la presión actúa sobre la membrana (60) en dirección axial del sensor de presión (1) y sobre el manguito de carcasa (42) en dirección radial del sensor de presión (1). El manguito de carcasa (42) presenta además un estrechamiento (44), que aumenta la elasticidad del manguito de carcasa (42) en determinadas zonas. Y/o el manguito de carcasa (42) tiene un refuerzo (43), lo que reduce la elasticidad del manguito de carcasa (42) en algunas zonas. A alta presión, debido a la elasticidad parcialmente reducida y/o parcialmente aumentada del manguito de carcasa (42), se produce un cambio reversible en la longitud del manguito de carcasa (42) tanto en dirección radial como en dirección axial. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Sensor de presión para altas presiones
Campo técnico
La invención se refiere a un sensor de presión según el preámbulo de la reivindicación independiente.
Estado de la técnica
Los sensores de presión son conocidos y se utilizan de muchas maneras. Con sensores de presión piezoeléctricos en particular, se pueden registrar presiones que normalmente están en el intervalo de 150 bar a 250 bar. La presión se registra como un perfil de presión que cambia con el tiempo con una resolución temporal de hasta 100 kHz. Además de detectar la presión de un cilindro en motores de combustión interna tales como, por ejemplo, motores Otto, motores diésel, motores Wankel, etc., los sensores de presión piezoeléctricos también se pueden usar para monitorear la presión en motores a reacción, turbinas de gas, turbinas de vapor, motores de vapor, etc.
Tal sensor de presión piezoeléctrico se revela en el documento CH394637A. El sensor de presión piezoeléctrico presenta una membrana cuyo borde está soldado a una carcasa del sensor de presión piezoeléctrico. La presión que actúa sobre la membrana se transmite a través de un piso a un conjunto de cristal piezoeléctrico dentro de la carcasa. Para una derivación de baja fuerza a la carcasa, la membrana presenta una muesca en forma de anillo entre la base y la carcasa. La presión genera cargas eléctricas de polarización en el conjunto de cristal piezoeléctrico, que se recogen como señales de medición a través de un resorte tubular. Las señales de medición son proporcionales a la magnitud de la presión. Las señales de medición se derivan del tubo de Bourdon a través de un conductor eléctrico a una toma para una conexión enchufable de un cable de señal a una unidad de evaluación. La toma está unida a un lado de la carcasa alejado de la membrana.
El documento US2015034039A1 muestra un sensor de presión piezoeléctri
motores de combustión interna, que está integrado en una abertura de una pared del motor de combustión interna a través de un sello de hombro. El sello de hombro se encuentra entre la pared y una carcasa del sensor de presión piezoeléctrico, estando asentado un extremo del sello de hombro en una ranura anular exterior de la carcasa.
También el documento DE10200704239A1 se refiere a un sensor de presión para detectar la presión del cilindro en motores de combustión interna. Una presión por detectar actúa sobre un dispositivo de detección de presión en forma de galgas extensométricas a través de una membrana. El sensor de presión se instala en un orificio de montaje del motor de combustión interna a través de una carcasa cilíndrica.
Y el documento US3801838A1 da a conocer un sensor de presión piezoeléctrico para detectar ondas de choque de alta frecuencia. El sensor de presión piezoeléctrico se atornilla en una pared a través de una rosca exterior de una carcasa del sensor de presión piezoeléctrico. Las ondas de choque por registrar penetran a través de una pequeña abertura en la pared en una membrana del sensor de presión piezoeléctrico.
Finalmente, el documento US3461327A1 muestra un sensor de presión piezoeléctrico para detectar presiones a altas temperaturas con una membrana a través de la cual la presión por detectar actúa sobre elementos piezoeléctricos.
La membrana es, a menudo, la parte crítica de un sensor de presión piezoeléctrico. Aunque la membrana generalmente solo está sujeta a pequeñas deformaciones durante el funcionamiento, debido a su pequeño espesor, sufre fuertes esfuerzos mecánicos y determina principalmente la vida útil del sensor de presión piezoeléctrico. Además, una membrana puede ser costosa de fabricar si se tienen que producir muescas o geometrías complicadas. Una membrana simple en forma de disco no puede soportar altas presiones con una larga vida útil cuando se utilizan carcasas convencionales, en parte porque dichas carcasas se deforman a sí mismas a alta presión y, por lo tanto, aumentan adicionalmente las tensiones mecánicas en la membrana.
Descripción de la invención
El objeto de la invención es superar al menos parcialmente las desventajas de la técnica anterior. En particular, es deseable un sensor de presión que presente una membrana simple, en forma de disco y económico y que soporte altas presiones, en particular hasta al menos 1000 bar, con una vida útil de al menos 106 ciclos de carga.
La solución al problema está definida por las características de la reivindicación independiente.
Por elasticidad se entiende una propiedad de un material para cambiar su forma bajo tensión mecánica y volver a la forma original antes de que se aplique la fuerza cuando se elimina la tensión mecánica. La rigidez es la resistencia de un componente a la deformación elástica. La rigidez depende del material del componente, del procesamiento del componente y de la geometría del componente.
Por estrechamiento debe entenderse en particular una reducción de la sección transversal en comparación con el área de sección transversal promedio del manguito de la carcasa. Por refuerzo debe entenderse un aumento de la sección transversal en comparación con un área central de la sección transversal del manguito de la carcasa. En particular, el
sensor de presión, el manguito de la carcasa y la disposición de sensores presentan una dirección axial y una dirección radial. La dirección axial es una dirección de extensión longitudinal del sensor de presión, el manguito de la carcasa y la disposición de sensores. La dirección radial es perpendicular a la dirección axial. Las secciones transversales siempre se refieren a secciones en la dirección radial del manguito de la carcasa.
En otras palabras, un estrechamiento representa en particular un área del manguito de la carcasa que tiene un espesor de pared reducido en comparación con un espesor de pared medio del manguito de la carcasa. En particular, el estrechamiento es un área del manguito de la carcasa que presenta un espesor de pared reducido en comparación con dos áreas inmediatamente adyacentes. Correspondientemente, un refuerzo es en particular un área del manguito de la carcasa que presenta un espesor de pared aumentado en comparación con un espesor de pared medio del manguito de la carcasa. En particular, el refuerzo es un área del manguito de la carcasa que presenta un mayor espesor de pared en comparación con dos áreas inmediatamente adyacentes.
En este caso, el área de la sección transversal o el espesor de la pared se promedian a lo largo de toda la longitud del manguito de la carcasa en la dirección axial del sensor de presión.
Un manguito de la carcasa de este tipo se puede fabricar de manera sencilla y económica. Mediante el estrechamiento y/o el refuerzo se puede ajustar de manera sencilla una modificación deseada de la longitud del manguito de la carcasa para una modificación predeterminada de la presión.
Por cambio de presión, debe entenderse un cambio de presión que el sensor de presión debe detectar y al que están expuestas la membrana y al menos partes del manguito de la carcasa durante el funcionamiento. Esta presión por detectar ejerce, por lo tanto, una fuerza sobre la membrana. En particular, la fuerza actúa como una fuerza normal a lo largo de la dirección axial del manguito de la carcasa.
Un cambio de longitud significa, por un lado, un cambio de longitud axial, en particular en la dirección axial del manguito de la carcasa. Sin embargo, un cambio de longitud significa también un cambio de longitud radial, en particular en una dirección radial del manguito de la carcasa. Correspondientemente, una modificación de la longitud de la disposición de sensores en el caso de una modificación de la presión significa tanto una modificación de la longitud de la disposición de sensores en dirección axial como también en dirección radial de la disposición de sensores. Además, se pretende un cambio de longitud elástico y reversible. La modificación de la longitud del manguito de la carcasa en caso de cambio de presión depende de las propiedades elásticas del material y de la geometría del manguito de la carcasa. En términos de geometría, la sección transversal o el perfil de la sección transversal del manguito de la carcasa y una longitud absoluta del manguito de la carcasa en dirección axial son de particular importancia. Correspondientemente, una modificación de la longitud de la disposición de sensores en el caso de un cambio de presión depende de las propiedades elásticas del material y de la geometría de la disposición de sensores. Con respecto a las propiedades elásticas del material de la disposición de sensores, debe tenerse en cuenta que la disposición de sensores puede constar de diferentes materiales, que pueden estar dispuestos en capas, en particular en la dirección axial de la disposición de sensores. En términos de geometría, la sección transversal de la disposición de sensores y la longitud absoluta de la disposición de sensores en la dirección axial son de particular importancia. Una diferencia en el cambio de longitud del manguito de la carcasa y el cambio de longitud de la disposición de sensores provoca tensiones mecánicas, especialmente en el área de la unión mecánica de la membrana con el manguito de la carcasa y/o en la propia membrana, ya que la membrana es más delgada que el manguito de la carcasa.
En otra realización, el estrechamiento está diseñado de tal manera que, en caso de cambio de presión, la diferencia entre el cambio de longitud del manguito de la carcasa y el cambio de longitud de la disposición de sensores es prácticamente igual a cero. Una diferencia entre la modificación de la longitud del manguito de la carcasa y la modificación de la longitud de la disposición de sensores de “prácticamente igual a cero” significa en el presente documento que, en caso de variación de la presión, la modificación de la longitud resultante del manguito de la carcasa es inferior o igual a un límite elástico del material del manguito de la carcasa y que, en caso de un cambio de presión, el cambio resultante en la longitud de la disposición de sensores es menor o igual que un límite elástico del material de la disposición de sensores. En el contexto de la invención, se entiende por límite elástico de un material la magnitud de una tensión mecánica por debajo de la cual el material es elástico, es decir, el material recupera su forma original cuando la tensión mecánica ya no está presente. Por debajo del límite elástico, el material no se deforma de manera permanente (reversiblemente) por la tensión mecánica, por encima del límite elástico hay una deformación plástica permanente (irreversible).
Especialmente a altas presiones de más de 300 bar, la diferencia entre el cambio de longitud del manguito de la carcasa y el cambio de longitud de la disposición de sensores es tan pequeño que las tensiones mecánicas resultantes de la diferencia en la unión mecánica de la membrana al manguito de la carcasa son menores o iguales a un límite elástico del material de la unión mecánica de la membrana (con el manguito de la carcasa y/o el material de la propia membrana). Esto evita una deformación plástica permanente de la unión mecánica de la membrana con el manguito de la carcasa y/o la propia membrana, lo que, a su vez, reduce la vida útil del sensor de presión. Esto en particular en todo el intervalo de trabajo del sensor de presión de, por ejemplo, 0 bar a 1500 bar (límite de sobrecarga típico), en particular de 0 bar a 1000 bar (funcionamiento normal).
Un refuerzo del manguito de la carcasa tiene la ventaja de que el manguito de la carcasa se deforma menos con alta presión en el área del refuerzo, en particular menos en dirección radial. A altas presiones, el manguito de la carcasa puede deformarse, de manera que el diámetro del manguito de la carcasa se reduce en dirección radial. Visto sobre la longitud absoluta del manguito de la carcasa, el manguito de la carcasa se dobla en forma cóncava en su área central. Esta desviación en el área central del manguito de la carcasa se puede evitar con un refuerzo local. El refuerzo reduce la elasticidad del manguito de la carcasa en esta área central.
Con un aumento del diámetro interior del manguito de la carcasa, el estrechamiento puede ser, por ejemplo, aproximadamente semicircular o triangular en una vista en sección transversal.
En otra realización del sensor de presión según la invención, la profundidad del estrechamiento en dirección radial del manguito de la carcasa es aproximadamente la mitad del espesor de pared medio del manguito de la carcasa. La profundidad del estrechamiento en la dirección radial del manguito de la carcasa puede estar en un intervalo del 5 % al 80 % del espesor de pared promedio del manguito de la carcasa, en particular en un intervalo del 25 % al 75 % del espesor de pared promedio del manguito de la carcasa y, en particular, en un intervalo del 45 % al 55 % del espesor medio de la pared del manguito de la carcasa.
La anchura del estrechamiento en la dirección axial del manguito de la carcasa puede estar en un intervalo del 30 % al 300 % del espesor de pared promedio del manguito de la carcasa, en particular en un intervalo del 60 % al 200 % del espesor de pared promedio del manguito de la carcasa y, en particular, en un intervalo del 90 % al 120 % del espesor medio de la pared del manguito de la carcasa.
El estrechamiento puede estar situado cerca del extremo inferior del manguito de la carcasa, es decir, cerca de la membrana. El estrechamiento puede estar separado del extremo inferior del manguito de la carcasa y/o de la membrana. El estrechamiento puede estar situado en particular al nivel de una placa de base de la disposición de sensores. Esto ha demostrado ser particularmente ventajoso. La placa de base está por encima de la membrana. “A nivel de X” significa “a la misma distancia o intervalo de distancia del extremo inferior del manguito de la carcasa que X”.
Si se reduce el diámetro exterior del manguito de la carcasa, la altura del estrechamiento, medida en la dirección radial del manguito de la carcasa, puede estar en un intervalo del 1 % al 50 % del espesor de pared promedio del manguito de la carcasa, en particular en un intervalo del 3 % al 30 % del espesor de pared promedio de la cubierta de la carcasa, y en particular en un intervalo del 5 % al 15 % del espesor de pared promedio del manguito de la carcasa. Una anchura del estrechamiento, medida en la dirección axial del manguito de la carcasa, puede ser un múltiplo de la altura del estrechamiento. El estrechamiento puede extenderse hacia arriba desde el extremo inferior del manguito de la carcasa. El estrechamiento puede estar situado en particular a la altura de la mitad inferior de una placa de base de la disposición de sensores.
El refuerzo puede estar dispuesto en el interior del manguito de la carcasa, es decir, el refuerzo puede corresponder a una reducción del diámetro interior del manguito de la carcasa. Una cantidad de refuerzo, medida en la dirección radial del manguito de la carcasa, puede estar en un intervalo del 1 % al 50 % del espesor medio de la pared del manguito de la carcasa, en particular en un intervalo de 3 % al 30 % del espesor medio de la pared del manguito de la carcasa, y en particular en un intervalo de 5 % al 15 % del espesor medio de la pared del manguito de la carcasa. Una anchura del refuerzo, medida en una dirección axial del manguito de la carcasa, puede ser un múltiplo de la altura del refuerzo. El ancho del refuerzo también puede ser un múltiplo del ancho del estrechamiento, independientemente de dónde se forme el estrechamiento.
“Por encima de X” significa “más lejos de la parte inferior del manguito de la carcasa que X”. “Por debajo de X” significa “más cerca de la parte inferior del manguito de la carcasa que X”. Si el estrechamiento se forma aumentando el diámetro interior del manguito de la carcasa, el refuerzo puede bordear el estrechamiento. El refuerzo puede estar situado al nivel de la disposición de sensores y en particular por encima de una placa de base de la disposición de sensores. El refuerzo se puede colocar por encima del estrechamiento si el estrechamiento se forma reduciendo el diámetro exterior del manguito de la carcasa.
Se ha demostrado que el sensor de presión según la invención se puede utilizar, por ejemplo, para detectar presiones de más de 300 bar, en particular más de 500 bar, en particular más de 750 bar. En particular, se pueden registrar presiones de hasta 1000 bar con al menos 106 ciclos de presión. El sensor de presión según la invención también se puede utilizar sin más hasta un límite de sobrecarga de 1500 bar sin dañarse o cambiar sus propiedades de otra manera.
La membrana puede ser un disco liso, en particular un disco circular. Este está conectado preferiblemente con el manguito de la carcasa en un área del borde. El espesor de la membrana es preferiblemente de 50 μm a 200 μm, en particular de 75 μm a 175 μm, y en particular de 100 μm a 150 μm. No se requiere una membrana con una hendidura u otra geometría compleja. Por lo tanto, se puede utilizar una membrana muy económica. La membrana puede estar hecha de material mecánicamente resistente y rígido, como metales puros, aleaciones de níquel, aleaciones de cobalto, aleaciones ferrosas, etc.
Las tensiones mecánicas en la membrana, en particular en dirección radial, y las tensiones mecánicas en la unión mecánica entre la membrana y el manguito de la carcasa, por lo tanto, siempre pueden estar por debajo del límite elástico del material de la membrana y el material de la unión mecánica de la membrana y el manguito de la carcasa. Con exactamente los mismos cambios en la longitud del manguito de la carcasa y la disposición de sensores como resultado de un cambio de presión, se produce poca o ninguna tensión mecánica adicional en la membrana, lo que aumenta significativamente la vida útil del sensor de presión.
El manguito de la carcasa puede ser tubular y presentar dos extremos abiertos. Uno de los dos extremos abiertos del manguito de la carcasa se utiliza, por ejemplo, para medir la presión. Este extremo del manguito de la carcasa se denomina en adelante extremo inferior del manguito de la carcasa. El extremo inferior del manguito de la carcasa está conectado mecánicamente a la membrana. La unión mecánica entre la membrana y el manguito de la carcasa es una unión soldada.
El otro extremo del manguito de la carcasa se usa normalmente para derivar la señal de medición y para instalar el sensor de presión en un objeto. Este extremo se denomina en lo sucesivo extremo superior del manguito de la carcasa. El extremo superior del manguito de la carcasa se puede conectar mecánicamente a una parte superior de la carcasa. Debido a que la parte superior de la carcasa puede tener un área de sección transversal mucho mayor que el manguito de la carcasa, un cambio axial en la longitud de la parte superior de la carcasa como resultado de un cambio de presión puede ser pequeño en relación con un cambio axial en la longitud del manguito de la carcasa. Además, el cambio de longitud axial de la parte superior de la carcasa, en particular la parte de la parte superior de la carcasa que se encuentra por encima de una unión mecánica entre el manguito de la carcasa y la parte superior de la carcasa, tiene el mismo efecto en la posición absoluta de la parte inferior extremo del manguito de la carcasa y el extremo inferior de la disposición de sensores. El cambio de longitud de la parte superior de la carcasa que se encuentra por debajo de la unión mecánica entre el manguito de la carcasa y la parte superior de la carcasa debe atribuirse al cambio de longitud de la disposición de sensores. Por lo tanto, un cambio axial en la longitud del manguito de la carcasa corresponde a un cambio axial en la posición absoluta del extremo inferior del manguito de la carcasa, y un cambio axial en la longitud de la disposición de sensores, por lo tanto, corresponde a un cambio axial en la posición absoluta del extremo inferior de la disposición de sensores. Exactamente el mismo cambio axial en la longitud del manguito de la carcasa y la disposición de sensores significa, por lo tanto, que no hay movimiento axial relativo entre el extremo inferior del manguito de la carcasa y el extremo inferior de la disposición de sensores.
El extremo superior del manguito de la carcasa puede presentar una brida para instalar el sensor de presión en el objeto cuya presión se va a medir. El manguito de la carcasa puede estar hecho de un material rígido y mecánicamente resistente, como metales puros, aleaciones de níquel, aleaciones de cobalto, aleaciones de hierro, etc.
El manguito de la carcasa y la membrana unida a él protegen la disposición de sensores del medio cuya presión debe ser detectada por el sensor de presión.
Un sensor de presión según la invención puede, en particular, detectar un perfil de presión que cambia con el tiempo con una resolución temporal de hasta 100 kHz. Además, el sensor de presión se puede construir con dimensiones muy pequeñas. Un diámetro exterior puede estar en el intervalo de 4 mm a 8 mm, en particular en el intervalo de 5,5 mm a 6,5 mm y en particular 5,5 mm, y una altura puede estar en el intervalo de 10 mm a 20 mm, en particular en el intervalo de 13 mm a 17 mm, y en particular de 15 mm, por lo que el sensor de presión también se puede utilizar en objetos con espacio de instalación limitado.
De acuerdo con la invención, el manguito de la carcasa presenta una elasticidad variable en la dirección axial del manguito de la carcasa.
En otra realización del sensor de presión según la invención, la disposición de sensores presenta al menos un elemento piezoeléctrico que genera cargas eléctricas de polarización bajo la acción de una fuerza.
Por fuerza debe entenderse aquí en particular una fuerza normal. La fuerza normal puede transmitirse desde la membrana en la dirección axial de la disposición de sensores al elemento piezoeléctrico de la disposición de sensores.
Un elemento piezoeléctrico es ideal para detectar la fuerza normal porque las cargas de polarización pueden medirse por medios eléctricos y convertirse en una señal eléctrica.
Los elementos piezoeléctricos pueden ser discos o varillas piezoeléctricos. La disposición de sensores puede presentar un número impar de elementos piezoeléctricos, por ejemplo, 1, 3, 5, 7, etc. Los discos piezoeléctricos se pueden apilar en la disposición de sensores.
El elemento piezoeléctrico puede estar hecho de material de cristal piezoeléctrico como cuarzo (cristal único de SO 2 ), galogermanato de calcio (Ca3Ga2Ge4O-M o CGG), langasita (LaaGasSiO-M o LGS), turmalina, ortofosfato de galio, etc. Sin embargo, también son posibles otros materiales, por ejemplo, materiales piezorrestrictivos.
En otra realización del sensor de presión según la invención, la disposición de sensores presenta una disposición de pretensado que incluye un casquillo de pretensado y una placa de base. En este caso, el elemento piezoeléctrico está dispuesto en la disposición de pretensado.
La disposición de pretensado asegura un muy buen contacto eléctrico entre los elementos piezoeléctricos y los electrodos del sensor de presión, de modo que no se producen áreas sin contacto con altos voltajes eléctricos locales y corrientes de fuga eléctrica y también se cierra la rugosidad superficial en las superficies de contacto, lo que conduce a excelente linealidad del sensor de presión. La linealidad es una desviación en la proporcionalidad entre las cargas de polarización eléctrica generadas bajo la acción de una fuerza y la presión por detectar. La disposición de pretensado puede estar hecha de un material rígido y mecánicamente resistente, como metales puros, aleaciones de níquel, aleaciones de cobalto, aleaciones ferrosas, etc.
En otra realización del sensor de presión según la invención, la disposición de pretensado está dispuesta en el manguito de la carcasa. La placa de base se halla entre la membrana y el elemento piezoeléctrico. En particular, la placa de base crea una conexión operativa entre la membrana y el elemento piezoeléctrico.
La presión por medir se transmite así muy bien desde la membrana como una fuerza normal a la placa de base y de allí al elemento piezoeléctrico.
En otra realización del sensor de presión según la invención, la membrana está unida mecánicamente con la placa de base de la disposición de pretensado.
La unión mecánica de la membrana con la placa de base puede ser, por ejemplo, una unión de material. Una conexión de material puede ser, por ejemplo, una unión soldada. La membrana se puede conectar a la placa de base en particular a través de una o más conexiones de soldadura anular. Esto puede mejorar la transmisión de potencia desde la membrana a la placa de base y aumentar la vida útil de la membrana y la placa de base. La linealidad del sensor de presión también se mejora aún más.
En otra realización del sensor de presión según la invención, el elemento piezoeléctrico presenta electrodos para captar las cargas eléctricas de polarización generadas bajo la acción de la fuerza.
Las cargas de polarización eléctrica pueden derivarse a través de los electrodos y derivarse como señales de salida. Si se utilizan varios elementos piezoeléctricos en una disposición de sensores, las cargas eléctricas de polarización del mismo signo pueden combinarse a partir de diferentes elementos piezoeléctricos a través de los electrodos y derivarse como señales de salida. De esta manera, las cargas de polarización eléctrica del mismo signo pueden conducirse a una masa sísmica y pueden captarse como señales de salida a través de un contacto de resorte desde una cara extrema de la masa sísmica. Tal derivación de las señales de salida a través de un contacto de resorte es sencilla y económica de instalar.
En otra realización del sensor de presión según la invención, el manguito de pretensado está conectado de forma forzada con la placa de base.
La unión por ajuste de forma del manguito de pretensado con la placa de base puede consistir, por ejemplo, en que la placa de base esté suspendida en el manguito de pretensado.
Una unión de ajuste de forma del manguito de pretensado con la placa de base permite una buena transmisión de la fuerza de pretensado desde el manguito de pretensado a la placa de base. Los manguitos de pretensado y las placas de piso apropiados son buenos y fáciles de fabricar.
En otra realización del sensor de presión según la invención, la placa de base presenta una cavidad en la placa de base.
La cavidad de la placa de base puede estar configurada, por ejemplo, como una cavidad y/o ranura practicada en la placa de base, en particular como una ranura anular. Así, la cavidad de la placa de base representa una reducción de la sección transversal de la placa de base. Por superficie de la sección transversal debe entenderse una superficie de la sección transversal que es transversal a la dirección axial del manguito de la carcasa. La cavidad de la placa de base se puede ubicar en la superficie exterior de la placa de base, que es cilíndrica en áreas. La cavidad de la placa de base puede estar dispuesta entre el elemento piezoeléctrico y la membrana, y en particular entre el elemento piezoeléctrico y una conexión positiva de la placa de base con el manguito de pretensado. Por lo tanto, la cavidad de la placa de base se puede disponer cerca del elemento piezoeléctrico y/o cerca de la conexión positiva de la placa de base con el manguito de pretensado.
Las tensiones mecánicas en el elemento piezoeléctrico se pueden reducir con la cavidad de la placa de base. Junto con el manguito de la carcasa y la disposición de sensores, que están adaptados entre sí según la invención, la resistencia a la presión del sensor de presión puede mejorarse nuevamente de manera inesperada.
En otra realización del sensor de presión según la invención, la cavidad de la placa de base está dimensionada de tal manera que las tensiones mecánicas en el elemento piezoeléctrico en el área de trabajo del sensor de presión son menores que un punto de ruptura del material del elemento piezoeléctrico. El punto de ruptura es una propiedad del material e indica una tensión de tracción mecánica que el material puede soportar antes de romperse. Con la cavidad de la placa de base, las tensiones mecánicas en el elemento piezoeléctrico se pueden reducir hasta el punto de que
estén por debajo del punto de ruptura del material del elemento piezoeléctrico, lo que, a su vez, aumenta la vida útil del sensor de presión.
Otras realizaciones ventajosas y combinaciones de características de la invención resultan de la siguiente descripción detallada y de la totalidad de las reivindicaciones de la patente.
Breve descripción de los dibujos
Los dibujos utilizados para explicar la realización muestran:
Fig. 1 una sección en dirección axial a través de una realización de un sensor de presión;
Fig. 2 una vista detallada de la sección A de la Fig. 1;
Fig. 3 una vista despiezada de un conjunto de sensor sin placa de base y sin manguito de pretensado;
Fig. 4 una vista lateral de un conjunto de sensor ensamblado con electrodos soldados (sin placa de base y sin manguito de pretensado);
Fig. 5 una vista en planta de un conjunto de sensor ensamblado con electrodos soldados (sin placa de base y sin manguito de pretensado); y
Fig. 6 una vista lateral de una disposición de sensores ensamblada con electrodos soldados y doblados (sin placa de base y sin manguito de pretensado).
En principio, las mismas partes están provistas de los mismos símbolos de referencia en las Figuras.
Modos de llevar a cabo la invención
La Fig. 1 muestra una sección a lo largo de la extensión longitudinal de una realización del sensor 1 de presión según la invención. La sección es una sección longitudinal en una dirección axial. La dirección axial se muestra en la Fig. 1 como un eje de puntos y rayas y discurre en la Fig. 1 de abajo hacia arriba en gran medida centralmente a través del sensor 1 de presión ilustrado y sus componentes. Una dirección radial es perpendicular a la dirección axial. La dirección radial no se muestra en la Fig. 1 y discurre en la Fig. 1 de izquierda a derecha a través del sensor 1 de presión ilustrado y sus componentes.
El sensor 1 de presión presenta una disposición 20 de sensores y una disposición 21 de pretensado. La disposición 21 de pretensado consta de un manguito 23 de pretensado cilindrico y una placa 27 de base cilindrica. El manguito 23 de pretensado está unido herméticamente con la parte 40 superior de la carcasa bajo tensión de tracción. La placa 27 de base está suspendida en forma ajustada en el manguito 23 de pretensado a través de un saliente 28 que sobresale hacia dentro en dirección radial para absorber su tensión de tracción.
Dentro de la disposición 21 de pretensado, hay -bajo pretensado- en una pila desde abajo primeros tres elementos 25 piezoeléctricos en forma de disco con electrodos (no mostrados), encima una masa 24 sísmica y encima otro elemento 22 piezoeléctrico.
La disposición 20 de sensores se encuentra en un manguito 42 de la carcasa cilindrico, cuyo extremo superior está conectado con la parte 40 superior de la carcasa por medio de una primera 41 unión soldada de manera unida materialmente. En un área central, el manguito 42 de la carcasa presenta un refuerzo 43 periférico anular. El refuerzo 43 está formado por un engrosamiento interior de la pared del manguito 42 de la carcasa. El diámetro interior del manguito 42 de la carcasa es menor en el área del refuerzo 43 que el diámetro interior medio del manguito 42 de la carcasa. Debajo del refuerzo 43, es decir, en un área de la unión mecánica de la membrana 60 con el manguito 42 de la carcasa, el refuerzo 43 va seguido de un estrechamiento 44 en forma de ranura o rebaje cóncavo circunferencial. El estrechamiento 44 está dispuesto en el lado interior del manguito de la carcasa. El estrechamiento 44 se forma aumentando el diámetro interior del manguito 42 de la carcasa. El estrechamiento 44 tiene una forma de sección transversal como la sección transversal de una media lágrima. En el área del estrechamiento 44, el espesor de pared del manguito 42 de la carcasa en su punto más delgado corresponde aproximadamente a la mitad del espesor de pared medio del manguito 42 de la carcasa. Debajo del estrechamiento 44 interno, sigue un área con una brida 45. En la pared exterior del manguito 42 de la carcasa en el área de la brida 45, está previsto otro estrechamiento 44, estando caracterizado el otro estrechamiento 44 en la pared exterior del manguito 42 de la carcasa por una reducción del diámetro exterior del manguito 42 de la carcasa.
La brida 45 se utiliza para la unión mecánica propiamente dicha de la membrana 60 con el manguito 42 de la carcasa. La membrana 60 en forma de disco con un espesor de, por ejemplo, 130 μm sella herméticamente el extremo inferior del manguito 42 de la carcasa debido a una unión 62 soldada del manguito de la carcasa. La unión 62 soldada del manguito de la carcasa está formada por dos uniones soldadas anulares concéntricas, en donde una unión soldada anular de las dos uniones soldadas anulares concéntricas conectan el lado exterior del manguito 42 de la carcasa con el exterior de la membrana 60 y otra unión soldada anular de las dos uniones soldadas anulares concéntricas conectan la membrana 60 desde abajo hasta la parte inferior del manguito 42 de la carcasa. Además, una unión 61 soldada
anular de la placa de base conecta la membrana 60 a la placa 27 de base. La unión 61 soldada anular de la placa de base está configurada en forma de otras dos uniones soldadas anulares concéntricas.
La Fig. 2 muestra una vista detallada de la sección A de la Fig. 1. Una segunda unión 30 soldada anular conecta el manguito 23 de pretensado con la parte 40 superior de la carcasa. El manguito 42 de la carcasa con el refuerzo 43, los estrechamientos 44 y la brida 45 se muestran ampliados. Entre los tres elementos 25 piezoeléctricos en forma de disco y por encima y por debajo, hay electrodos 29, cuyas rutas de conexión están dispuestas fuera de los tres elementos 25 piezoeléctricos en forma de disco y dobladas hacia arriba donde están ubicados entre los tres elementos 25 piezoeléctricos en forma de disco y el manguito 23 de pretensado. La cavidad 26 de la placa de base está situada en la placa 27 de base en forma de una ranura circunferencial cóncava. Para una mejor comprensión, los números de referencia ya mostrados en la Fig. 1 también se muestran en la Fig. 2 en su mayor parte. Sin embargo, las explicaciones no se repiten en su totalidad.
La Fig. 3 muestra un dibujo despiezado de una disposición 20 de sensores, pero sin manguito 23 de pretensado y sin placa 27 de base. Los electrodos 29 y los elementos 25 piezoeléctricos en forma de disco están apilados alternativamente. Dos de los cuatro electrodos 29 conectan respectivamente las superficies de los discos 25 piezoeléctricos con la misma polaridad. La masa 24 sísmica sigue por encima del electrodo 29 superior y el otro elemento 22 piezoeléctrico, por encima de él. Para un movimiento acelerado del sensor 1 de presión en dirección axial, la masa 24 sísmica y el elemento 22 piezoeléctrico adicional generan cargas eléctricas de polarización, que se utilizan como cargas eléctricas de compensación. Las cargas de compensación eléctrica tienen el signo opuesto de las cargas de polarización piezoeléctrica generadas por el movimiento acelerado del sensor 1 de presión en los elementos 25 piezoeléctricos y captadas por el electrodo 29 superior y el tercero superior y utilizadas como señales de salida. Las señales de salida y las cargas de compensación eléctrica se unen a través de la masa sísmica. Como resultado, se implementa la compensación de aceleración del sensor 1 de presión. Un contacto de resorte recoge las señales de salida de una cara frontal de la masa 24 sísmica y las conduce a un enchufe para una conexión enchufable de un cable de señales a una unidad de evaluación. El receptáculo está fijado en el lado opuesto a la membrana 60 de la parte superior 40 de la carcasa.
La Fig. 4 muestra una vista lateral de una disposición 20 de sensores ensamblada según la Fig. 3 (sin placa 27 de base y sin manguito 23 de pretensado) con electrodos 29 soldados.
La Fig. 5 muestra una vista desde arriba de una disposición 20 de sensores ensamblada (sin placa 27 de base y sin manguito 23 de pretensado) según la Fig. 3 y la Fig. 4 con electrodos 29 soldados.
La Fig. 6 muestra una vista lateral de una disposición 20 de sensores ensamblada (sin placa 27 de base y sin manguito 23 de pretensado) según las Fig. 3 a 5 con electrodos 29 soldados y doblados para instalar en una disposición 21 de pretensado que consta de placa 27 de base (no se muestra) y el manguito 23 de pretensado (no se muestra).
Las pruebas han demostrado que se pueden medir presiones de hasta 1000 bar con el sensor 1 de presión al menos 106 ciclos de presión, y el sensor 1 de presión se puede usar fácilmente hasta un límite de sobrecarga de 1500 bar. Esto también con curvas de presión rápidas de hasta 100 kHz.
En principio, el sensor 1 de presión o el manguito 42 de la carcasa cilíndrico también pueden tener una forma no redonda, por ejemplo, forma de paralelepípedo. También es posible proporcionar una disposición de sensores diferente en lugar de la disposición 20 de sensores, por ejemplo, con elementos piezoeléctricos en forma de barra dispuestos uno al lado del otro. También, por ejemplo, se puede proporcionar una membrana de manera diferente, por ejemplo, una membrana no plana o curva. Otras modificaciones están abiertas al experto en la técnica sobre la base de su conocimiento especializado.
En resumen, se puede afirmar que el sensor de presión según la invención con una membrana simple en forma de disco puede detectar altas presiones con una larga vida útil gracias a los refuerzos y estrechamientos en el manguito de la carcasa. También vale la pena mencionar las pequeñas dimensiones del sensor de presión, por lo que también se puede utilizar con un espacio de instalación limitado. Cabe destacar la compensación de vibraciones del sensor de presión y su capacidad para registrar también curvas de presión que cambian con el tiempo.
Lista de referencia
Claims (15)
1. Sensor (1) de presión para detectar presiones hasta 1000 bar, con
a) una disposición (20) de sensores,
b) un manguito (42) de la carcasa para alojar la disposición (20) de sensores,
c) una membrana (60) que está operativamente conectada a la disposición (20) de sensores para la transmisión de una presión, estando conectada mecánicamente la membrana (60) al manguito (42) de la carcasa, en donde la membrana (60) cierra herméticamente un extremo inferior del manguito (42) de la carcasa mediante una unión soldada del manguito (62) de la carcasa,
d) en donde la presión actúa sobre la membrana (60) en dirección axial del sensor (1) de presión, y en donde la presión actúa sobre el manguito (42) de la carcasa en dirección radial del sensor (1) de presión;
en donde el manguito (42) de la carcasa presenta un estrechamiento (44), estrechamiento (44) que está dispuesto en un área de la unión mecánica de la membrana (60) con el manguito (42) de la carcasa;
caracterizado porque el estrechamiento (44) está diseñado como un rebaje y/o ranura que se extiende a lo largo de una circunferencia interior del manguito (42) de la carcasa, cuyo estrechamiento (44) aumenta la elasticidad del manguito (42) de la carcasa en el área de la unión, cuya elasticidad aumentada por áreas del manguito (42) de la carcasa a altas presiones de más de 300 bar da como resultado un cambio reversible en la longitud del manguito (42) de la carcasa tanto en dirección radial como en dirección axial.
2. Sensor (1) de presión de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el manguito (42) de la carcasa presenta un refuerzo (43), cuyo refuerzo (43) está dispuesto más lejos del extremo inferior del manguito (42) de la carcasa que el estrechamiento (44), cuyo refuerzo (43) reduce la elasticidad del manguito (42) de la carcasa en algunas áreas, cuya reducción de la elasticidad del manguito (42) de la carcasa en determinadas áreas provoca un cambio reversible de la longitud del manguito (42) de la carcasa tanto en dirección radial como en dirección axial a altas presiones de más de 300 bar.
3. Sensor (1) de presión de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque una profundidad del estrechamiento (44) en una dirección radial es aproximadamente la mitad del espesor de pared promedio del manguito (42) de la carcasa.
4. Sensor (1) de presión de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque el refuerzo (43) se dispone en un área central del manguito (42) de la carcasa, porque el refuerzo (43) en esta área central reduce la elasticidad del manguito (42) de la carcasa, y porque, a una presión elevada, el diámetro del manguito (42) de la carcasa en esta área se reduce menos en la dirección radial.
5. Sensor (1) de presión de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque, a altas presiones de más de 300 bar sobre la longitud absoluta del manguito (42) de la carcasa, el manguito (42) de la carcasa se dobla en forma cóncava en su área central.
6. Sensor (1) de presión de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el estrechamiento (44) está diseñado de tal manera que, a altas presiones de más de 300 bar, la diferencia entre un cambio de longitud del manguito (42) de la carcasa y un cambio de longitud de la disposición (20) de sensores es prácticamente igual a cero.
7. Sensor (1) de presión de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque el refuerzo (43) está diseñado de tal manera que, a altas presiones de más de 300 bar, la diferencia entre un cambio de longitud del manguito (42) de la carcasa y un cambio de longitud de la disposición (20) de sensores es prácticamente igual a cero.
8. Sensor (1) de presión de acuerdo con una de las reivindicaciones 6 o 7, caracterizado porque, en el caso de un cambio de presión, el cambio resultante en la longitud del manguito (42) de la carcasa es menor/igual a un límite elástico de un material del manguito (42) de la carcasa; y porque, a altas presiones de más de 300 bar, un cambio en la longitud de la disposición (20) de sensores es menor/igual a un límite elástico de un material de la disposición (20) de sensores.
9. Sensor (1) de presión de acuerdo con una de las reivindicaciones 6 a 8, caracterizado porque, a altas presiones de más de 300 bar, la diferencia entre el cambio de longitud del manguito (42) de la carcasa y el cambio de longitud de la disposición (20) de sensores es tan pequeña que las tensiones mecánicas resultantes de la diferencia en la unión mecánica de la membrana (60) al manguito (42) de la carcasa es menor/igual a un límite elástico del material de la unión mecánica de la membrana (60) al manguito (42) de la carcasa y/o del material de la membrana (60) en sí mismo.
10. Sensor (1) de presión de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque la presión actúa en dirección axial del sensor (1) de presión únicamente sobre la membrana (60); y porque la presión actúa en una dirección radial del sensor (1) de presión solo en el manguito (42) de la carcasa.
11. Sensor (1) de presión de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque la disposición (20) de sensores presenta al menos un elemento (22, 25, 26, 27) piezoeléctrico que genera cargas eléctricas de polarización bajo la acción de una fuerza; y porque la disposición (20) de sensores presenta una disposición (21) de pretensado que comprende un manguito (23) de pretensado y una placa (27) de base, y en cuya disposición (21) de pretensado está dispuesto el elemento (22, 25, 26, 27) piezoeléctrico.
12. Sensor (1) de presión de acuerdo con la reivindicación 11, caracterizado porque el disposición (21) de pretensado está dispuesta dentro del manguito (42) de la carcasa con la placa (27) de base ubicada entre la membrana (60) y el elemento (22, 25, 26, 27) piezoeléctrico; y porque la membrana (60) está unida a la placa (27) de base de la disposición (21) de pretensado.
13. Sensor (1) de presión de acuerdo con una de las reivindicaciones 11 o 12, caracterizado porque el elemento (22, 25, 26, 27) piezoeléctrico presenta electrodos (29) para recoger las cargas eléctricas de polarización generadas bajo la fuerza.
14. Sensor (1) de presión de acuerdo con la reivindicación 13, caracterizado porque las cargas eléctricas de polarización del mismo signo utilizadas como señales de salida son conducidas a una masa (24) sísmica; y porque un contacto de resorte recoge las señales de salida de un extremo de la masa (24) sísmica.
15. Sensor (1) de presión de acuerdo con una de las reivindicaciones 11 a 14, caracterizado porque el manguito (23) de pretensado está conectado positivamente a la placa (27) de base; porque la placa (27) de base presenta una cavidad (26) de la placa de base; y porque la cavidad (26) de la placa de base está dimensionada de tal manera que los esfuerzos mecánicos en el elemento (22, 25, 26, 27) piezoeléctrico en el área de trabajo del sensor (1) de presión son menores que un punto de ruptura del material del elemento (22, 25, 26, 27) piezoeléctrico.
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