KR20210102410A

KR20210102410A - 센서

Info

Publication number: KR20210102410A
Application number: KR1020217022173A
Authority: KR
Inventors: 마이클 테스터; 마이클 뮐러; 피터 찰스 테크; 크리스토프 존데레거
Original assignee: 키스틀러 홀딩 아게
Priority date: 2019-02-27
Filing date: 2020-02-19
Publication date: 2021-08-19
Also published as: CN113474628A; US20220146355A1; KR102584352B1; CN113474628B; EP3931542A1; KR102530963B1; JP2023029645A; KR20230049765A; JP2022520125A; JP7232347B2; WO2020173786A1

Abstract

본 발명은 측정 구역(9) 내 압력을 결정하기 위한 압력 센서(1)에 관한 것으로, 압력 센서(1)는 측정 요소(2)를 가지고; 측정 요소(2)는 센서 공간(3)에 배치되고; 센서 공간(3)은 적어도 지지 부재(4), 멤브레인(6) 및 재킷(5)에 의해 경계가 정해지고; 센서 공간(3)은 유체(7)로 충전되고 유체(7)는 측정 요소(2)를 둘러싸고; 멤브레인(6)은 유체(7)를 측정 구역(9)으로부터 분리하고, 유체(7)의 열 팽창으로 인한 압력 센서(1)의 온도 의존성은 다음, 센서 공간(3) 내 필러 본체(8), 보강 구역(65)을 가지는 멤브레인(6), 적어도 2개의 벌지(66)를 갖는 멤브레인(6) 중 적어도 하나에 의해 감소된다.

Description

센서

본 발명은 매체의 압력을 측정하도록 된 압력 센서에 관한 것으로, 여기서 압력 센서의 측정 요소와 매체는 분리되어 있다.

압력 센서는 측정 구역 내 매체의 압력을 결정하는 다양한 응용분야에서 사용된다. 이러한 매체는 부식성 또는 독성일 수 있는 액체 또는 가스를 포함한다. 측정 요소가 부식성 매체에 노출되는 것을 방지하고 독성 매체로부터 쉽게 센서를 청소할 수 있도록, 매체는 보통 멤브레인에 의해 측정 요소로부터 분리되어 있다. 측정 요소는 멤브레인 후방의 센서 공간에 배치된다. 멤브레인에 작용하는 매체의 압력은 유체에 의해 측정 요소에 전달되고, 상기 유체는 센서 공간에 충전되어 있다. 이러한 압력 센서는 WO2012027853A1에 공지되어 있고, 여기서 측정 요소는 센서 공간에 배치된다. 센서 공간은 지지 부재, 멤브레인 및 재킷에 의해 경계가 정해진다. 센서 공간은 충전 도관을 통하여 유체로 충전되고 유체는 측정 요소를 둘러싼다. 멤브레인은 유체를 측정 구역 내 매체로부터 분리한다. 압력이 측정 구역에서 변할 때 멤브레인이 많이 팽출되지 않도록 유체는 보통 비압축성이다.

이런 센서의 단점은, 센서의 온도 변화시, 유체의 열 팽창 계수에 따라 유체가 팽창되거나 수축된다는 점이다. 센서 공간이 그에 따라 증가하지 않으므로, 유체가 차지하는 추가 공간 또는 더 적은 공간은 멤브레인의 팽출에 의해 실현된다. 멤브레인의 제한된 탄성으로 인해, 센서 공간 내 유체의 압력 증가 또는 감소는 멤브레인의 팽출에 내재한다. 이런 압력 증가 또는 감소는 측정 요소에 의해 결정된다. 이것은 결정된 압력 변화가 매체의 압력 변화에 대응하지 않고 오히려 압력 센서의 온도 변화에 대응하므로 역효과이다. 작은 면적을 갖는 멤브레인은 수 센티미터 직경을 갖는 멤브레인보다 덜 가요성이므로, 6 mm(mm는 밀리미터를 지칭함) 미만의 작은 멤브레인 직경을 갖는 압력 센서에 대해 역효과가 더욱 더 뚜렷하다.

또한, 작은 멤브레인은 간혹 크리켓 거동(cricket behavior)으로 불리는 뚜렷한 클리커 거동(clicker behavior)을 가지는 것으로 알려져 있다. 클리커 거동은 하나의 정렬에서 다른 정렬로 멤브레인과 같은 얇은 금속 시트의 갑작스러운 이동을 지칭하고, 여기서 상기 정렬들은 멤브레인의 다른 안정적 상태들이다. 이러한 갑작스러운 이동은 보통 클릭음과 급격한 유체 압력 변화를 동반한다. 갑작스러운 이동은 매체 압력의 느린 변화 또는 압력 센서 온도의 느린 변화시 발생할 수 있고, 둘 다 멤브레인의 이동을 유발한다. 이러한 클리커 거동은 대응하는 급격한 매체 압력 변화 없이 유체 압력을 급격하게 변화시켜서, 매체 압력의 부정확한 측정을 유발한다.

본 발명의 과제는 유체의 열 팽창으로 인한 센서의 온도 의존성을 감소시키는 것이다. 본 발명의 제2 과제는 감소된 온도 의존성을 갖는 이러한 압력 센서의 비용 효율적 제조를 허용하는 것이다.

상기 과제들 중 적어도 하나는 독립항의 특징에 의해 해결된다.

본 발명은 측정 구역 내 압력을 결정하기 위한 압력 센서에 관한 것으로서, 상기 압력 센서는 측정 요소를 가지고; 상기 측정 요소는 센서 공간에 배치되고; 상기 센서 공간은 적어도 지지 부재, 멤브레인 및 재킷에 의해 경계가 정해지고; 상기 센서 공간은 유체로 충전되고 상기 유체는 상기 측정 요소를 둘러싸고; 상기 멤브레인은 유체 매체를 상기 측정 구역으로부터 분리하고, 적어도 하나의 필러 본체는 상기 센서 공간에 배치된다.

필러 본체는, 그렇지 않으면 유체로 충전되는, 센서 공간 내 공간을 충전하여서, 센서 공간 내 유체의 양을 줄인다. 더 적은 양의 유체의 열 팽창은 더 적은 추가 공간을 차지한다. 따라서, 멤브레인의 팽출이 더 적고 유체의 열 팽창으로 인한 압력 증가가 감소한다.

본 발명은 또한 측정 구역 내 압력을 결정하기 위한 압력 센서에 관한 것으로서, 상기 압력 센서는 측정 요소를 가지고; 상기 측정 요소는 센서 공간에 배치되고; 상기 센서 공간은 적어도 지지 부재, 멤브레인 및 재킷에 의해 경계가 정해지고; 상기 센서 공간은 유체로 충전되고 상기 유체는 상기 측정 요소를 둘러싸고; 상기 멤브레인은 유체 매체를 상기 측정 구역으로부터 분리하고; 상기 멤브레인(6) 및 상기 재킷(5)은 상기 멤브레인(6)의 외부 구역(62)에서 연결되고, 상기 측정 구역으로부터 상기 멤브레인에 압력이 인가될 때 상기 멤브레인은 굽히지 않는 보강 구역을 가지고; 상기 보강 구역은 멤브레인 외부 구역의 평면으로부터 상기 측정 요소를 향해 돌출되어, 상기 센서 공간 내 유체의 양을 감소시킨다.

보강 구역은 멤브레인이 클리커 거동을 방지하는데 중요하다. 유체의 열 팽창 영향은 멤브레인에 보강 구역을 도입함으로써 감소된다. 또한, 보강 구역은 멤브레인 외부 구역의 평면으로부터 측정 요소를 향하여 돌출하여서, 센서 공간 내 유체의 양을 감소시키도록 실현된다. 더 적은 양의 유체의 열 팽창은 더 적은 추가 공간을 차지한다. 따라서, 멤브레인의 팽출은 더 적고 유체의 열 팽창으로 인한 압력 증가는 감소된다.

본 발명은 또한 측정 구역 내 압력을 결정하기 위한 압력 센서에 관한 것으로서, 상기 압력 센서는 측정 요소를 가지고; 상기 측정 요소는 센서 공간에 배치되고; 상기 센서 공간은 적어도 지지 부재, 멤브레인 및 재킷에 의해 경계가 정해지고; 상기 센서 공간은 유체로 충전되고 상기 유체는 상기 측정 요소를 둘러싸고; 상기 멤브레인은 상기 유체를 상기 측정 구역으로부터 분리하고, 상기 멤브레인은 외부 구역, 적어도 하나의 중간 구역 및 내부 구역을 가지고; 상기 멤브레인 내 벌지는 상기 중간 구역으로부터 상기 외부 구역을 분리하고; 상기 멤브레인 내 벌지는 상기 내부 구역으로부터 상기 중간 구역을 분리하고; 상기 벌지는 가요성이 있고 가요성 조인트로서 역할을 하며; 상기 내부 구역은 상기 외부 구역에 대해 시프트 가능하다.

상기 멤브레인의 과제는 측정 구역에서 매체로부터 유체를 통하여 측정 요소로 압력을 전달하면서 압력 센서의 센서 공간 내 측정 요소로부터 측정 구역 내 매체를 분리하는 것이다. 유체가 센서의 온도 상승시 유체 열 팽창 계수로 인해 팽창할 때, 멤브레인은 유체에 의해 취해진 추가 용적에 대해 공간을 만들도록 변형된다. 종래 기술에서, 멤브레인은 구형 돔 방식으로 변형된다. 외부 구역과 중간 구역 사이 멤브레인에 미리 형성된 벌지를 도입하고 멤브레인의 중간 구역과 내부 구역 사이에 미리 형성된 벌지를 도입함으로써, 멤브레인은 피스톤 및 실린더와 같이 보다 자유롭게 움직일 수 있고, 멤브레인의 내부 구역은 피스톤이고 외부 구역은 실린더이다. 벌지는 가요성 조인트로서 역할을 하고 중간 구역이 외부 구역에 대해 그 표면에 수직으로 시프트될 수 있도록 허용한다. 외부 구역에 대해 멤브레인의 내부 구역을 이동시키는데 필요한 압력은 동일한 두께와 재료를 갖는 전부 편평한 멤브레인에 요구되는 힘의 20% 이상 감소된다.

특히 6 mm 미만의 직경을 갖는 멤브레인에 대해, 정확히 2개의 벌지를 갖는 것이 가장 이로운 것을 발견하였다. 2개 초과의 벌지와 2개 미만의 벌지는 모두 멤브레인의 가요성을 실질적으로 감소시켜서, 센서의 온도 변화시 센서 공간 내 압력을 변화시킨다.

본 발명은 감소된 온도 의존성을 갖는 압력 센서를 생산하는 3가지 상이한 기술적 상호 관련된 해결책에 관련된다.

하기에서, 본 발명은 도면을 참조하여 예시적으로 설명된다.

도 1은 종래 기술에서 공지된 압력 센서의 단면도를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 압력 센서의 일 실시예의 단면도를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 압력 센서의 일 실시예의 단면도를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 제1 필러 본체 부분의 일 실시예의 개략도이다.
도 5는 제1 필러 본체 부분의 일 실시예의 개략도이다.
도 6은 제2 필러 본체 부분의 일 실시예의 개략도이다.
도 7은 제2 필러 본체 부분의 일 실시예의 개략도이다.
도 8은 멤브레인의 일 실시예의 개략도이다.
도 9는 멤브레인의 확대 단면도를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 1은 참고로 종래 기술에서 공지된 멤브레인(6)을 구비한 압력 센서(1)의 단면도를 개략적으로 나타낸 도면을 보여준다.

도 2는 본 발명에 따른 압력 센서(1)의 일 실시예의 개략도를 보여준다. 종래 기술에 따른 도 1에 도시된 압력 센서(1)에서 공지된 요소는 동일한 도면 부호를 갖는다.

도 1 및 도 2는 모두 멤브레인(6)을 구비한 압력 센서(1)를 보여준다. 압력 센서(1)는 종방향 축(Z)과 제1 반경방향 축(X), 및 제2 반경방향 축(Y)을 갖는 원통형 형상을 가지고, 반경방향 축(X, Y) 모두 종방향 축(Z)에 수직이고 서로에 대해 수직이다. 압력 센서(1)는 센서 공간(3) 내에 배치된 측정 요소(2)를 갖는다. 센서 공간(3)은 지지 부재(4), 멤브레인(6) 및 재킷(5)에 의해 경계가 정해진다. 압력 센서는 측정 구역(9)에 존재하는 매체의 압력을 결정하는데 사용되고, 상기 측정 구역(9)은 센서 공간(3)의 먼 쪽의 멤브레인(6)에 인접해 있다. 센서 공간(3)은 유체(7)로 충전되고 유체(7)는 측정 요소(2)를 둘러싼다. 센서 공간(3)이 경계가 정해져 있으므로, 측정 구역(9) 내 매체와 유체(7)는 분리되어 있다.

유체(7)는 지지 부재(4) 내 튜브(11)를 통하여 센서 공간(3)에 충전된다. 유체(7)가 센서 공간(4)에 충전된 후, 튜브(11)는 캡(12)으로 밀봉된다. 일 실시예에서, 캡(12)은 지지 부재(4)에 용접되거나 납땜된다. 물론, 튜브(11)는 나사산을 갖는 캡(12)과 지지 부재의 각각의 나사산 및 밀봉을 위한 가스켓과 같은 다른 방식으로 밀봉될 수도 있다. 일 실시예에서, 캡(12)은 접착제에 의해 지지 부재(4)에 부착된다.

측정 요소(2)는, 지지 부재(4)를 통과하고 압력 센서(1)의 후면으로부터 돌출하는 적어도 2개의 접촉 요소들(41)에 전기적으로 연결된다. 압력 센서(1)의 후면은 압력 센서(1)의 전면의 반대측이고, 여기에 멤브레인(6)이 위치한다. 접촉 요소(41)는 지지 부재(4)로부터 전기 절연된다. 측정 요소(2)는 전도 요소(43)에 의해 상기 접촉 요소들(41) 각각에 연결된다. 측정 요소(2)의 유형에 따라, 다른 개수의 접촉 요소들(41) 및 전도 요소들(43)이 측정 요소(2)를 전기적으로 연결하는데 사용될 수 있다.

멤브레인(6)은 대개 0.005 mm 내지 0.100 mm(mm는 밀리미터를 지칭함)의 미리 정의된 두께를 갖는 금속으로 된 라운드형 판이고, 이는 납땜 또는 용접 등과 같은 재료 로킹을 통하여 라운드 판의 림에서 재킷(5)에 연결된다. 재킷(5)은 재료 로킹 또는 형상 끼워맞춤 또는 압력 끼워맞춤을 통하여 지지 부재(4)에 연결된다.

센서 공간(3)이 부분적으로 필러 본체(8)로 충전되므로, 센서 공간(3)을 충전하는 유체(7)의 양이 도 2에 도시된 압력 센서(1)에 대해 훨씬 낮다는 것을 도 1에 도시된 종래 기술에 따른 압력 센서(1)와 도 2의 본 발명에 따른 압력 센서(1) 비교로부터 직접 볼 수 있다.

결정될 측정 구역(9) 내 매체의 압력은 멤브레인(6)에 작용하고 멤브레인(6)을 통하여 유체(7)에 전달되고 유체(7)를 통하여 측정 요소(2)에 전달된다. 유체(7)는 보통 비전도성이며, 10¹⁰ Ωm 이상(Ω은 옴을 지칭하고 m는 미터를 지칭하며, 10¹⁰은 10의 10 제곱을 지칭함)의 비 전기 저항 및 0.5 GPa 내지 10 GPa(GPa는 기가파스칼을 지칭함)의 압축 계수를 갖는다. 유체(7)의 압축 계수로 인해, 매체 압력 증가시 멤브레인(6)의 이동은 많지 않고 압력 센서(1)의 모든 기하학적 구조에 대해 쉽게 계산될 수 있다. 측정 요소(2)는 유체(7)에 의해 둘러싸고 유체(7)의 압력을 결정한다.

압력 센서(1)의 온도 변화는 유체(7)의 열 팽창 계수로 인해 센서 공간(3) 내 유체(7)가 그 용적을 변화시키도록 한다. 센서 공간(3)은 지지 부재(4), 멤브레인(6) 및 재킷(5)에 의해 경계가 정해지므로, 상기 지지 부재(4), 멤브레인(6) 및 재킷(5)에 반하여 작용하지 않으면서 팽창되거나 수축될 수 없으므로 유체(7)의 압력이 변할 것이다. 따라서, 측정 요소(2)는 매체 압력 변화로 인한 것이 아니라 압력 센서(1)의 온도 변화에 의해 유도된 유체(7) 압력 변화를 결정한다.

유체(7)의 양은 적어도 하나의 필러 본체(8)로 센서 공간(2)을 충전함으로써 감소되므로, 이런 온도 유도 압력 변화는 본 발명에 따른 압력 센서(1)에서 감소된다.

따라서, 필러 본체(8)의 용적 열 팽창 계수는 유체(7)의 용적 열 팽창 계수보다 훨씬 더 낮아야 한다. 필러 본체(8)에 대한 만족스러운 열 팽창 계수는 유체(7)의 용적 열 팽창 계수의 25% 미만이다.

필러 본체(8)는 대개 센서 공간(3)의 형상을 가지고 지지 부재(4) 및 재킷(5)에 인접하여 배치되어서, 유체(7)가 필러 본체(8)와 재킷(5) 사이 및 필러 본체(8)와 지지 부재(4) 사이를 충전하도록 0.1 mm 미만 공간의 간극을 남긴다. 원통형 압력 센서(1)에 대해, 센서 공간(3)은 원통형이고 필러 본체(8)는 대부분 원통형 형상이다.

도 3, 도 4 및 도 8에 도시된 대로, 필러 본체(8)는 압력 센서(1)의 기능을 방해하지 않을 수 있고 따라서 측정 요소(2)용 클리어링(82), 각각의 전도 요소(83)용 클리어링, 및 각각의 접촉 요소(81)용 클리어링을 갖는다. 클리어링(81, 82, 83)은 각각의 측정 요소(2), 전도 요소(43), 및 접촉 요소(41)에 가장 잘 맞도록 만들어진다. 이것은 복잡한 모양의 필러 본체(8)를 이끌 수 있고, 여기서 클리어링(81, 82, 83)은 필러 본체(8)로부터 카빙(carve)되고 멤브레인(6)을 마주하는 필러 본체 표면으로부터 지지 요소(4)를 마주하는 필러 본체 표면까지 필러 본체(8)를 통과하지 않는다.

압력 센서(1)의 현 바람직한 실시예에서, 도 3, 도 4 및 도 8에 도시된 대로, 적어도 2개의 필러 본체 부분(8a, 8b)이 필러 본체(8)를 형성한다. 이것은 이로운 효과를 유지하면서 필러 본체(8)의 비용 효율적 제조를 허용한다. 도 2의 두 부분으로 된 필러 본체(8)에서 예시로 나타낸 것처럼, 필러 본체(8)는 적어도 2개의 부분(8)으로 나누어지고 이 부분은 둘 다 원통형 형상을 가지고 종방향 축을 따라 적층된다.

제1 필러 본체 부분(8a)은 지지 부재(4)에 인접하여 배치된다. 도 4 및 도 5에 도시된 대로, 이런 제1 필러 본체 부분(8a)은 측정 요소(2)용 클리어링(82) 및 각각의 접촉 요소(41)용 하나의 클리어링(81)을 갖는다. 제1 필러 본체 부분(80)의 두께는, 제1 필러 본체 부분(80)으로부터 멤브레인(6)까지의 거리가, 멤브레인(6)으로부터 접촉 요소(41)까지의 거리 또는 측정 요소(2)로부터 멤브레인(6)까지의 거리 중 더 긴 거리보다 길도록 되어 있다. 접촉 요소(41)용 클리어링(81) 및 측정 요소(2)용 클리어링(82)은 서로 분리되어 있다. 하나의 클리어링(81, 82, 83)이 종방향 축(Z)을 따라 모든 평면에 대해 종방향 축(Z)에 수직인 평면에서 직선에 의해 도달될 수 없다면, 2개의 클리어링(81, 82, 83)은 분리된다.

제2 필러 본체 부분(80)은 제1 필러 본체 부분(80)과 멤브레인(6) 사이에 배치되어서, 멤브레인(6)에 가까운 센서 공간(3)을 충전한다. 제2 필러 본체 부분(80)과 멤브레인(6) 사이 잔류 간극은, 멤브레인(6)이 측정 요소(2)를 향해 이동하는 최대량보다 적어도 0.05 mm 크도록 선택된다. 멤브레인(6)이 측정 요소(2)를 향해 이동하는 양은 센서 공간(3) 치수, 멤브레인 치수 및 유체(7) 열 팽창 계수, 유체(7) 압축 계수 및 압력 센서(1)가 허용한 측정 구역(9) 내 매체의 최대 허용 압력으로부터 쉽게 계산될 수 있다.

제2 필러 본체 부분(80)은 측정 요소(2)용 클리어링(82) 및 각각의 접촉 요소(41)용 하나의 클리어링(81)을 갖는다. 전도 요소(43)는 멤브레인(6)을 마주한 전도 요소(43)의 말단면과 멤브레인(6)을 마주한 측정 요소(2)의 표면 사이에 배치되고, 그와 같이, 종방향 축(Z)의 동일한 축 절편에 제2 필러 본체 부분(80)이 배치된다. 제2 필러 본체 부분(80)에 있어서, 전도 요소(43)용 클리어링(83)을 가지지 않는 제1 필러 본체 부분(80)에 비해, 접촉 요소(41)용 각각의 클리어링(81)은 전도 요소(43)용 클리어링(83)에 의해 측정 요소(2)용 클리어링(82)에 연결된다. 각각의 클리어링(81, 82, 83)은 각각의 센서, 전도 또는 접촉 요소(2, 41, 43) 및 추가 양의 유체(7)로 충전된다. 따라서, 각각의 요소에 필요한 필러 본체 부분(80)에 단지 클리어링(81, 82, 83)만 가지면 센서 공간(3)을 충전하는데 필요한 유체(7)의 양을 감소시킨다.

제1 필러 본체 부분(80) 및 제2 필러 본체 부분(80)에서 모든 클리어링(81, 82, 83)은 멤브레인(6)을 마주하는 표면으로부터 지지 요소(4)를 마주하는 표면까지 각각의 필러 본체 부분(80)을 통과한다. 관통홀로서 클리어링(81, 82, 83)을 제조하는 것은 필러 본체(8)의 복잡한 형상의 카빙보다 훨씬 더 용이하다. 따라서, 끝과 끝을 이은 클리어링이 필러 본체(8)를 통과하는 필러 본체(8)의 적어도 두 부분으로 된 실시예는 제조하기에 용이하고 비용 효율적이며 각각의 필러 본체 부분(80)은 최소한의 클리어링(81, 82, 83)을 가지고 제조될 수 있어서 센서 공간(3)을 충전하는데 필요한 유체(7)의 양을 감소시킨다.

바람직한 실시예에서, 적어도 하나의 필러 본체(8)는 세라믹 또는 유리 재료로 이루어진다. 세라믹과 유리 재료는 낮은 열 팽창 계수를 갖는다. 또한, 필러 본체(8)를 적합한 기하학적 구조로 제조하는 것은 예를 들어 밀링 또는 연삭에 의해 세라믹, 결정질 및 유리 재료로 쉽게 달성된다. 게다가, 세라믹과 유리 재료는 높은 전기 저항을 가져서, 접촉 요소들(41) 사이 단락 또는 누설 전류를 갖는 위험을 낮추고 따라서 결함 있는 제품의 양을 감소시키고 궁극적으로 제조 비용을 감소시킨다.

압력 센서(1)의 일 실시예에서, 멤브레인(6)에 가장 가까운 필러 본체(8)는 멤브레인(6)을 마주하는 표면에서 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이 오목 형상부(85)를 특징으로 한다. 멤브레인에 가장 가까운 필러 본체(8)가 2개 이상의 필러 본체 부분(80)에 의해 형성될 때, 멤브레인(6)에 가장 가까운 필러 본체 부분(80)은 멤브레인(6)을 마주하는 표면 상의 오목 형상부(85)를 특징으로 하는 점이 이해된다. 측정 구역(9) 내 매체의 압력 변화에 따라 멤브레인(6)이 이동할 때, 멤브레인(6)의 내부 구역(61)은 외부 구역(62)보다 더 먼 거리만큼 변위되는데, 여기서 멤브레인(6)은 재킷(5)에 연결된다. 멤브레인(6)이 측정 요소(2)를 향해 이동할 때, 도 8에 도시된 대로 멤브레인은 필러 본체(8)와 충돌하지 않을 수 있다. 멤브레인(6)에 마주한 필러 본체(8) 표면의 오목 형상부(85)는, 멤브레인(6)이 필러 본체(8)와 충돌 없이 이동할 수 있고 필러 본체(8)의 멤브레인(6)에 가장 가까운 거리는 1 mm 미만, 바람직한 실시예에서는 0.5 mm 이하이도록 보장한다.

압력 센서(1)의 현 바람직한 실시예에서, 오목 형상부(85)는 원추형 형상이다. 이러한 형상은 래칭 또는 밀링 또는 연삭에 의해 쉽게 형성된다. 따라서, 원추형 형태를 갖는 오목 형상부(85)를 구비한 필러 본체(8)를 제조하는 것은 비용 효율적이다.

멤브레인(6)을 마주하는 필러 본체(8) 표면의 오목 형상부(85)는 멤브레인(6)의 선택적 보강 구역(65)을 측정 요소(2)를 향해 돌출시키는데 이상적으로 적합하여서, 상기 두 측면을 상호 관련시키는 점에 주목해야 한다.

전술한 압력 센서(1)는 다음 단계들을 수행하도록 조립된다:

a. 측정 요소(2)가 형상 끼워맞춤 또는 압력 끼워맞춤 또는 재료 로킹에 의해 지지 부재(4)에 연결된다;

b. 제1 필러 본체 부분(80)이 지지 부재(4)에 인접하여 배치되어 측정 요소(2)가 측정 요소(2)용 클리어링(82)에 배치되고 접촉 요소들(41)이 접촉 요소(41)용 클리어링(81)에 배치된다;

c. 전도 요소(43)가 형상 끼워맞춤 또는 압력 끼워맞춤 또는 재료 로킹에 의해 각각의 접촉 요소(41)에 연결되고; 전도 요소(43)가 형상 끼워맞춤 또는 압력 끼워맞춤 또는 재료 로킹에 의해 측정 요소(2)에 연결된다;

d. 제2 필러 본체 부분(80)이 제1 필러 본체 부분(80)에 인접하여 배치되어 측정 요소(2)가 측정 요소(2)용 클리어링(82)에 배치되고 접촉 요소들(41)이 접촉 요소(41)용 클리어링(81)에 배치되며, 전도 요소(43)가 전도 요소(43)용 클리어링(83)에 배치된다.

이 단계들을 따라 각각의 요소에 필요한 필러 본체 부분(80)에 클리어링(81, 82, 83)만 가지는 필러 본체 부분(80)이 사용되면서 압력 센서(1)가 쉽게 제조될 수 있고, 이는 센서 공간(3)을 충전하는데 필요한 유체(7)의 양을 감소시킨다.

물론, 압력 센서(1) 및 멤브레인(2)은 다른 실시예에서 종방향 축에 수직인 평면에서 직사각형 형상 또는 타원형 형상과 같은 상이한 기하학적 구조를 가질 수 있고 직사각형 또는 타원형 멤브레인을 갖는다. 본 발명에 대해 다른 기하학적 구조도 사용될 수 있다.

압력 센서(1)의 다른 실시예에서, 멤브레인(6)은 보강 구역(65)을 가지고 이는 측정 구역(9)으로부터 멤브레인(6)에 압력을 인가할 때 보강 구역(65)의 굽힘을 막는다. 보강 구역(65)은 멤브레인(6) 외부 구역(62)의 평면으로부터 측정 요소(2)를 향해 돌출하여서, 센서 공간(3) 내 유체(7)의 양을 감소시킨다. 이 보강 구역은 클리커 거동을 방지하고, 이는 멤브레인(6)이 이동된다면 특히 6 mm 이하의 작은 직경을 갖는 멤브레인(6)에 대해 발생할 수 있다. 유체(7)의 열 팽창으로 인한 온도 변화시 멤브레인(6)의 이동이 발생할 수 있으므로, 측정 요소(2)에 의해 결정된 압력에 대한 압력 센서(1)의 온도 변화 영향을 보강 구역(65)이 효과적으로 감소시킨다. 게다가, 측정 요소(2)를 향해 돌출한 보강 구역(65)은 센서 공간(3)을 감소시키고 따라서 센서 공간(3)을 충전하는데 필요한 유체(7)의 양을 감소시킨다. 따라서, 보강 구역(65)은 측정 요소(2)에 의해 결정된 압력에 대한 압력 센서(1)의 온도 변화의 영향을 효과적으로 줄인다.

압력 센서(1)의 일 실시예에서, 보강 구역(65)은 멤브레인(6)의 내부 구역(61) 내에 있고, 여기서 멤브레인(6)의 표면의 일부는 예를 들어 스탬핑 또는 드로잉에 의해 멤브레인(6) 외부 구역(62)의 평면에 수직으로 시프트된다. 이러한 멤브레인(6)은 편평한 금속 시트로부터 쉽게 제조 가능하다. 스탬핑 또는 드로잉은 이러한 금속 시트에 구조를 도입하는 비용 효율적인 방법이다. 금속 시트 구조화는 그것의 안정성을 증가시키는 것으로 알려져 있다.

압력 센서(1)의 다른 실시예에서, 멤브레인(6)의 두께는 멤브레인(6)의 표면에 수직으로 측정될 때 일정하고, 여기서 '일정하다'는 두께 공차가 멤브레인(6)의 두께의 20% 미만인 일정한 두께로 이해된다. 멤브레인(6)의 일정한 두께를 유지하면 멤브레인(6)의 균일한 이동을 보장한다. 예를 들어 원형 멤브레인(6)에서, 원형 멤브레인(6)의 동일한 반경에 놓여 있는 모든 점들은 멤브레인(6)이 이동할 때 동일한 거리를 이동해야 한다. 멤브레인(6)에 대해, 특히 동일한 반경에서 두께가 일정하지 않다면, 클리커 거동이 더 가능성이 있어서, 유체(7) 용적의 온도 유도 변화 및 멤브레인(6)의 결과적인 이동으로 측정 요소(2)에 의해 결정된 압력의 급격한 변화를 유발한다.

압력 센서(1)의 다른 실시예에서 멤브레인(6)은 외부 구역(62), 적어도 하나의 중간 구역(63) 및 내부 구역(61)을 갖는다. 멤브레인(6)에서 벌지(66a)는 외부 구역(62)을 중간 구역(63)으로부터 분리한다. 멤브레인(6)에서 다른 벌지(66b)는 중간 구역(63)을 내부 구역(61)으로부터 분리한다. 벌지(66a, 66b)는 가요성이 있고 가요성 조인트로서 역할을 한다. 내부 구역(61)은 외부 구역(62)에 대해 시프트 가능하다.

일반적으로, 불투과성 멤브레인(6)은 유체(7)에 압력 변화를 도입하지 않으면서 센서 공간(3) 내 유체(7)의 용적 변화를 허용하지 않는다. 비가요성 멤브레인, 예를 들어 수 밀리미터 두께의 금속 시트는 이동하지 않도록 작용하여서, 단지 수십 마이크로미터 두께의 얇은 멤브레인(6)의 이동보다 수 밀리미터 두께의 금속 시트의 이동에 대해 훨씬 더 높은 압력이 필요하다. 하지만, 도 1에서 멤브레인(6')의 변형을 나타내는 파선으로 도시된 바와 같이, 수십 마이크로미터 두께의 편평한 멤브레인은 구형 돔 방식으로 변형될 것이다. 종래 기술에 따른 멤브레인(6')의 구형 돔형 변형은, 재료에 높은 응력을 가함으로써 멤브레인을 마모시켜, 멤브레인 파손 이유가 되므로 불리하다. 멤브레인(6)의 더 높은 가요성은 유체(7)의 압력에서 훨씬 더 작은 증가를 갖는 유체(7)의 온도 변화시 유체(7)의 용적을 변화시킬 수 있도록 한다. 본 발명의 일 실시예에서, 멤브레인(6)의 가요성은 도 2, 도 8 및 도 9에 나타낸 것처럼 적어도 2개의 벌지(66)를 멤브레인(6)에 도입함으로써 향상된다. 벌지(66)는 그 외의 편평한 금속 시트의 영구 변형부이고, 여기서 벌지(66)의 금속은 금속 시트 평면 밖으로 변위된다. 금속 시트 평면으로부터 벌지(66)의 변위된 금속까지 최대 거리는 벌지(66)의 바닥으로 불린다. 벌지(66)의 바닥이 금속 시트 평면에 수직으로 시프트된 평면에 폐쇄 선을 형성하도록 벌지(66)가 도입된다. 벌지(66)의 바닥에서 폐쇄 선에 수직이고 금속 시트의 평면에 수직인 단면은 연속적으로 미분 가능한 함수(continuously differentiable function)와 같은 형상이고, 이 형상의 선은 약 90°에 대해 금속 시트 평면 밖으로 음의 곡률을 따르고, 이는 약 180°의 양의 곡률로 매끄럽게 지나가고, 약 90°의 음의 곡률로 매끄럽게 지나간다. 곡률 반경은 결과적으로 선이 금속 시트 평면으로 다시 지나가도록 선택된다.

금속 시트, 이 경우에 멤브레인(6)은 또한 이미 존재하는 곡률을 따라 만곡될 수 있으므로, 이러한 벌지(66)는 가요성 조인트이다. 따라서, 이동이 더 명확해지고 종종 편평한 금속 시트에서 발생하는 클리커 거동의 위험이 감소되므로, 유체(7)의 온도 변화로 인한 유체(7)의 용적 변화시 멤브레인(6)의 이동을 위해 벌지(66)를 도입하는 것이 이롭다. 이것은 또한 멤브레인(6)의 이동이 측정 구역에서 압력 변화에 기인한 경우 이롭다.

특히 6 mm 이하의 작은 직경을 갖는 멤브레인에 대해, 2개의 벌지(66)가 가장 이롭다는 것을 발견하였다. 여기서, 멤브레인(6)은 편평한 외부 구역(62), 편평한 내부 구역(61), 및 편평한 중간 구역(63)을 가지고, 이들 모두 동일한 평면에 있다. 내부 구역(61)의 선택적 보강 구역(65)은 다음 설명과 충돌하지 않고, 보강 구역(65)을 가지는 내부 구역(61)은 여전히 편의상 편평한 것으로 나타나 있다. 외부 구역(62)과 중간 구역(63)은 벌지(66)에 의해 분리된다. 중간 구역(63)과 내부 구역(61)은 벌지(66)에 의해 분리된다. 일 실시예에서, 중간 구역(63)은 2개의 벌지(66) 사이에서 단지 선 형상일 수 있고, 이 선은 도 6, 도 7, 및 도 9에 도시된 대로 외부 구역(62)과 동일한 평면 상에 있다.

도 9는 멤브레인만 도시하고, 명료성을 위해 센서의 다른 요소를 생략한다. 유체(7)의 온도 변화로 센서 공간(3) 내 유체(7)의 용적 변화시, 외부 구역(62)과 중간 구역(63) 사이 벌지(66)는 평면 밖으로 중간 구역(63)의 이동을 허용할 것이다. 도 9의 점선은 유체(7) 온도의 감소로 유체(7)의 용적이 감소할 때 멤브레인(6")을 도시한다. 도 9의 파선은 유체(7) 온도의 증가로 유체(7)의 용적이 증가할 때 멤브레인(6')을 도시한다. 중간 구역(63)의 평면은 외부 구역(62)의 평면에 평행하게 유지된다. 중간 구역(63)과 내부 구역(61) 사이 벌지(66)는 중간 구역(63)보다 평면 밖으로 훨씬 더 멀리 내부 구역(61)이 이동하도록 허용할 것이다. 중간 구역(63)의 평면은 외부 구역(62)의 평면에 평행하게 유지된다. 2개의 벌지(66)로, 내부 구역(61)은 피스톤과 같은 방식으로 외부 구역(62)에 대해 시프트 가능하여서, 이동을 안정적이고 재현 가능하게 만든다. 따라서, 유체(7) 용적의 온도 유도 변화시, 내부 구역(61)의 이동이 쉽게 달성되어서, 2개의 벌지(66)를 갖는 멤브레인(6)의 높은 가요성으로 인해 유체(7)에서 압력 증가가 최소가 되도록 한다.

선택적 보강 구역(65)은 내부 구역(61)에 추가 강성을 도입하여 피스톤형 거동을 지지하여서, 상기 두 측면을 상호 관련시키는 점에 주목해야 한다.

물론, 추가 중간 구역(63)을 갖는, 2개 초과의 벌지(66)를 구비한 멤브레인(6)이 고려될 수 있다. 하지만, 외부 구역(62)에 대한 내부 구역(61)의 이동은 안정적이지 않고 확정되지 않아서 이는 유체(7)의 온도 유도된 용적 변화로 유체(7) 압력의 급격한 변화를 이끌 수 있다. 하지만, 유체(7) 압력 증가는 멤브레인(6)에 벌지(66)를 가지지 않을 때보다 여전히 낮을 것이다.

벌지(66)는 스탬핑 또는 드로잉에 의해 멤브레인(6)에 도입된다. 멤브레인(6)과 같은, 금속 시트에 벌지(66)와 같은 구조를 스탬핑 또는 드로잉하는 공정은 비용 효율적이고 멤브레인(6)의 제조 공정에 쉽게 도입될 수 있다.

벌지(66)를 가지는 멤브레인(6)의 두께는 멤브레인(6)의 표면에 수직으로 측정될 때 여전히 일정하고, 여기서 '일정하다'는 두께 공차가 멤브레인(6)의 두께의 20% 미만인 일정한 두께로 이해된다.

상기 압력 센서(1)의 측정 요소(2)는 압전 측정 요소 또는 압전저항 측정 요소 또는 스트레인 게이지 중 임의의 것일 수 있다. 물론, 본 기술분야의 당업자는 또한 측정 요소(2)를 선택할 수 있고, 여기서 측정 요소(2)의 두 요소 사이 거리 변화 또는 용량 변화는 압력에 비례한다.

본 발명은, 이 압력 센서(1)에서 멤브레인(6)은 10 mm 이상의 직경을 가지는 멤브레인에 비해 매우 단단하므로, 멤브레인(6)의 최대 치수가 6 mm 이하인 압력 센서(1)에 가장 중요하다. 따라서, 유체(7) 용적의 온도 유도된 변화로 유체(7) 압력 증가는 6 mm 이하 직경의 이러한 멤브레인(6)을 구비한 압력 센서(1)에서 더욱 확연하다.

본 발명에 따른 압력 센서(1)는 측정 구역(9)에서 매체(10)의 압력을 측정하는데 사용된다. 특히 매체의 온도 및 이것과 함께 센서 공간(3) 내 유체(7)의 온도가 변화되는 환경에서, 전술한 압력 센서(1)의 사용은 이롭다. 이러한 환경은 내연 기관 내부, 가스 터빈 내, 가스, 오일 또는 기타 파이프라인 내, 가열 또는 냉각 시스템 내, 또는 항공우주 및 항공 산업에 있을 수 있다.

본 발명의 다른 측면 및 실시예가 조합될 수 있고 여기서 전술한 실시예의 이러한 조합으로 유발되는 가능한 실시예도 본 발명의 일부인 것으로 이해된다.

1 센서
2 측정 요소
3 센서 공간
4 지지 부재
41 접촉 요소
42 전기 절연부
43 전도 요소들
5 재킷
6, 6', 6" 멤브레인
61 내부 구역
62 외부 구역
63 중간 구역
65 보강 구역
66 벌지
7 유체
8 필러 본체
8 필러 본체 부분
81 접촉 요소용 클리어링
82 센서 요소용 클리어링
83 전도 요소용 클리어링
85 오목 형상부
9 측정 구역
11 튜브
12 캡
X 반경방향 축
Y 반경방향 축
Z 종방향 축

Claims

측정 구역(9) 내 압력을 결정하기 위한 압력 센서(1)로서,
상기 압력 센서(1)는 측정 요소(2)를 가지고; 상기 측정 요소(2)는 센서 공간(3)에 배치되고; 상기 센서 공간(3)은 적어도 지지 부재(4), 멤브레인(6) 및 재킷(jacket; 5)에 의해 경계가 정해지고; 상기 센서 공간(3)은 유체(7)로 충전되고 상기 유체(7)는 상기 측정 요소(2)를 둘러싸고; 상기 멤브레인(6)은 상기 유체(7)를 상기 측정 구역(9)으로부터 분리하고,
적어도 하나의 필러 본체(8)는 상기 센서 공간(3)에 배치되는 것을 특징으로 하는, 압력 센서.
제1항에 있어서,
상기 필러 본체(8)는 유체 용적 열 팽창 계수(fluids volumetric thermal expansion coefficient)의 25% 미만의 용적 열 팽창 계수를 가지는 것을 특징으로 하는, 압력 센서.
제1항 또는 제2항에 있어서,
적어도 2개의 필러 본체 부분(80)이 필러 본체를 형성하는 것을 특징으로 하는, 압력 센서.
제3항에 있어서,
적어도 2개의 접촉 요소(41)는 상기 지지 부재(4)를 통과하고; 상기 접촉 요소(41)는 상기 지지 부재(4)로부터 전기적으로 절연되고; 상기 측정 요소(2)는 전도 요소(43)에 의해 상기 접촉 요소(41)에 연결되는 것을 특징으로 하는, 압력 센서.
제3항에 있어서,
제1 필러 본체 부분(80)은 상기 지지 부재(4)에 인접하여 배치되고; 상기 제1 필러 본체 부분(80)은 측정 요소(2)용 클리어링(clearing; 82)을 가지고; 상기 제1 필러 본체 부분(80)은 각각의 접촉 요소(41)용 하나의 클리어링(81)을 가지고; 상기 제1 필러 본체 부분(80)에 대해, 상기 접촉 요소(41)용 클리어링(81) 및 상기 측정 요소(2)용 클리어링(82)은 서로 분리되어 있고; 제2 필러 본체 부분(80)은 상기 제1 필러 본체 부분(80)과 상기 멤브레인(6) 사이에 배치되고; 상기 제2 필러 본체 부분(80)은 측정 요소(2)용 클리어링(82)을 가지고; 상기 제2 필러 본체 부분(80)은 각각의 접촉 요소(41)용 하나의 클리어링(81)을 가지고; 상기 제2 필러 본체 부분(80)에 대해, 접촉 요소(41)용 각각의 클리어링(81)은 전도 요소(43)용 클리어링(83)에 의해 측정 요소(2)용 클리어링(82)에 연결되는 것을 특징으로 하는, 압력 센서.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
적어도 하나의 필러 본체(8)는 세라믹 또는 유리 재료로 이루어지고; 또는 적어도 하나의 필러 본체(8)는 결정질 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 압력 센서.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 멤브레인(6)에 가장 가까운 필러 본체(8)는 상기 멤브레인(6)을 마주하는 표면에 오목 형상부(85)를 가지는 것을 특징으로 하는, 압력 센서.
측정 구역(9) 내 압력을 결정하기 위한 압력 센서(1)로서,
상기 압력 센서(1)는 측정 요소(2)를 가지고; 상기 측정 요소(2)는 센서 공간(3)에 배치되고; 상기 센서 공간(3)은 적어도 지지 부재(4), 멤브레인(6) 및 재킷(5)에 의해 경계가 정해지고; 상기 센서 공간(3)은 유체(7)로 충전되고 상기 유체(7)는 상기 측정 요소(2)를 둘러싸고; 상기 멤브레인(6)은 상기 유체(7)를 상기 측정 구역(9)으로부터 분리하고, 상기 멤브레인(6) 및 상기 재킷(5)은 상기 멤브레인(6)의 외부 구역(62)에서 연결되고,
상기 측정 구역(9)으로부터 상기 멤브레인(6)에 압력이 인가될 때 상기 멤브레인(6)은 굽히지 않는 보강 구역(stiffening region; 65)을 가지고; 상기 보강 구역(65)은 멤브레인 외부 구역의 평면으로부터 상기 측정 요소(2)를 향해 돌출되어, 상기 센서 공간(3)에서 유체(7)의 양을 감소시키는 것을 특징으로 하는, 압력 센서.
제8항에 있어서,
상기 보강 구역(65)은 상기 멤브레인(6)의 내부 구역(61) 내 영역이고, 상기 멤브레인(6)의 표면의 일부는 예를 들어 스탬핑 또는 드로잉(stamping or drawing)에 의해 상기 멤브레인 외부 구역(62)의 평면에 수직으로 시프트되는(shifted) 것을 특징으로 하는, 압력 센서.
제8항 또는 제9항에 있어서,
상기 멤브레인(6)의 두께는 상기 멤브레인(6)의 표면에 수직으로 측정될 때 일정하고, 여기서 '일정하다'는 두께가 상기 멤브레인(6)의 두께의 20% 미만의 두께 공차를 가지며 일정하다는 것으로 이해되는 것을 특징으로 하는, 압력 센서.
측정 구역(9) 내 압력을 결정하기 위한 압력 센서(1)로서,
상기 압력 센서(1)는 측정 요소(2)를 가지고; 상기 측정 요소(2)는 센서 공간(3)에 배치되고; 상기 센서 공간(3)은 적어도 지지 부재(4), 멤브레인(6) 및 재킷(5)에 의해 경계가 정해지고; 상기 센서 공간(3)은 유체(7)로 충전되고 상기 유체(7)는 상기 측정 요소(2)를 둘러싸고; 상기 멤브레인(6)은 상기 유체(7) 매체를 상기 측정 구역(9)으로부터 분리하고,
상기 멤브레인(6)은 외부 구역(62), 적어도 하나의 중간 구역(63) 및 내부 구역(61)을 가지고; 상기 멤브레인(6) 내 벌지(bulge; 66)는 상기 중간 구역(63)으로부터 상기 외부 구역(62)을 분리하고; 상기 멤브레인(6) 내 벌지(66)는 상기 내부 구역(61)으로부터 상기 중간 구역(63)을 분리하고; 상기 벌지(66)는 가요성이 있고 가요성 조인트로서 역할을 하고; 상기 내부 구역(61)은 상기 외부 구역(62)에 대해 시프트 가능한 것을 특징으로 하는, 압력 센서.
제11항에 있어서,
상기 벌지(66)는 스탬핑 또는 드로잉에 의해 상기 멤브레인(6)으로 도입되고; 상기 멤브레인(6)의 두께는 상기 멤브레인(6)의 표면에 수직으로 측정될 때 일정하고, 여기서 '일정하다'는 상기 멤브레인의 두께의 20% 미만의 두께 공차를 가지며 두께가 일정한 것으로 이해되는 것을 특징으로 하는, 압력 센서.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 측정 요소(2)는 압전 측정 요소 또는 압전저항 측정 요소 또는 스트레인 게이지이고 상기 멤브레인의 최대 치수는 6 mm 이하인 것을 특징으로 하는, 압력 센서.
측정 구역(9)에서 매체(10)의 압력을 측정하는, 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 압력 센서(1)의 용도.
제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 압력 센서(1)의 부분 조립을 위한 방법으로서, 다음 단계들이 수행되는 것을 특징으로 하는 방법:
a) 측정 요소(2)가 형상 끼워맞춤 또는 압력 끼워맞춤 또는 재료 로킹(material-locking)에 의해 지지 부재(4)에 연결되는 단계;
b) 제1 필러 본체 부분(80)이 상기 지지 부재(4)에 인접하여 배치되어 상기 측정 요소(2)가 상기 측정 요소(2)용 클리어링(82)에 배치되고 접촉 요소(41)가 상기 접촉 요소(41)용 클리어링(81)에 배치되는 단계;
c) 전도 요소(43)가 형상 끼워맞춤 또는 압력 끼워맞춤 또는 재료 로킹에 의해 각각의 접촉 요소(41)에 연결되고; 상기 전도 요소(43)가 형상 끼워맞춤 또는 압력 끼워맞춤 또는 재료 로킹에 의해 상기 측정 요소(2)에 연결되는 단계;
d) 제2 필러 본체 부분(80)이 상기 제1 필러 본체 부분(80)에 인접하여 배치되어 상기 측정 요소(2)가 상기 측정 요소(2)용 클리어링(82)에 배치되고 상기 접촉 요소(41)가 상기 접촉 요소(41)용 클리어링(81)에 배치되며, 상기 전도 요소(43)가 상기 전도 요소(43)용 클리어링(83)에 배치되는 단계.