CN100343643C - 具有不对称隔板误差的压差传感器 - Google Patents

Abstract

一种不对称设计的压差传感器包括一个测量装置，其具有第一体积V₁的第一半室，该第一半室由具有第一薄膜刚度E₁的第一薄膜封闭，以及第二体积V₂的第二半室，该第二半室由具有第二薄膜刚度E₂第二薄膜封闭，其中第一半室与第二半室通过压敏元件，特别是测量薄膜分开，并且第一半室被具有第一热膨胀系数α₁的第一传输液体充满，第二半室被具有第二热膨胀系数α₂的第二传输液体充满。为了与温度相关的隔膜压力误差dP对称，需要设计成这样，使得由第一薄膜刚度乘第一体积乘第一热膨胀系数的第一乘积基本上等于由第二薄膜刚度乘第二体积乘第二热膨胀系数的第二乘积(E₁*V₁*α₁＝E₂*V₂*α₂)，其中在设计上，第一乘积的至少一个系数不同于第二乘积的相应系数。

Description

具有不对称隔板误差的压差传感器

本发明涉及一种相对压力传感器或者压差传感器，特别是具有液压的压力传输。这种具有液压压力传输的压力传感器通常包括，具有两个半室的测量装置，每个半室被隔膜封闭并且充满传输的介质。每个隔膜都承受测量压力或者基准压力，其通过在各个半室中的隔膜传输。两个半室通过一个基本传感器相互隔开，其中基本传感器具有压敏元件，特别是测量隔膜，其在它的第一表面承受在第一半室的液压并且在它的第二表面承受在第二半室的液压。

隔膜具有有限的刚性，所以在每个半室中压力与隔膜确定的压力偏差为压力dP_m，其中压力偏差dP_m取决于隔膜的偏差。

如果作为测量元件的基本传感器一般是很硬的，由于在第一线中的外部压力的漂移，隔膜的偏差是可以忽略不计的。根本的偏差由在测量装置的半室中传输介质热膨胀决定的。

由于设计上的边界条件和制造误差，制造具有完全对称的半室是很难的，或者说实际不可能的。这就是说，在两个半室体积之间存在很小的偏差，并且两个隔膜的刚度也不是完全相同的。这样导致，例如在两个半室中传输液体被加热时，具有两个压敏侧面的测量元件承受不同的静压力，尽管例如在这两个隔膜上作用相同的压力。这样就导致测量信号与温度相关的零点偏置。因此，本发明的任务是提供一种能克服上述缺陷的压差传感器。

通过根据权利要求1的压差传感器解决本发明的任务。由独立权利要求、描述和附图说明了本发明的其他优点和要点。

根据本发明的压差传感器包括测量装置，其具有第一体积V₁的第一半室，该第一半室由具有第一薄膜刚度E₁的第一隔膜封闭，以及第二体积V₂的第二半室，该第二半室由具有第二薄膜刚度E₂第二隔膜封闭，其中第一半室与第二半室通过压敏元件，特别是测量薄膜分开，并且第一半室被具有第一热膨胀系数α₁的第一传输液体充满，第二半室被具有第二热膨胀系数α₂的第二传输液体充满，其中由第一薄膜刚度乘第一体积乘第一热膨胀系数的第一乘积基本等于由第二薄膜刚度乘第二体积乘第二热膨胀系数的第二乘积(E₁*V₁*α₁＝E₂*V₂*α₂)，其中在设计上，第一乘积的至少一个系数不同于第二乘积的相应系数。

通过技术尺寸确定的各个系数的乘积完全相同在实际的技术中从来没有获得，尽管一直在争取。

所谓的基本相同指，乘积相互之间的偏差不超过1％，优选的不超过0.3％并且最优选的不超过0.1％。在上述偏差中乘积的相同必须满足至少在20℃，优选的在0℃至40℃，更优选的在-20℃至60℃并且特别优选的在-40℃至80℃。

在优选的结构形式中，测量装置具有至少一种可调的填充物，其一般能改变第一或者第二半室中的体积，使前述根据本发明定义的乘积相同。可选两个半室分别具有一种填充物。

考虑到相同的解决方案，可以连续改变半室体积的上述填充物的位置，此时多个填充物***到相应分别与半室相连的容纳部分，上述的填充物例如可实现为支柱、螺栓或活塞。这种填充物例如可以是圆柱体或者圆盘，其在足够的数量下***到相应的钻孔中，直到每个半室的体积达到合适的期望值。为了确保填充物的安全，例如也可以提供压力弹簧，其本身也是填充物并且被轴向地压在圆柱体或圆盘和固定栓之间，该固定栓气密地锁住每个半室。

通常情况下，在两个半室中使用相同的液压传输介质，所以第一个热膨胀系数α₁等于第二个热膨胀系数α₂。

通常至少一种传输液体适合热膨胀系数仍是可能的，以便获得根据本发明期望的乘积相等。在例如硅酮树脂油和矿物油混合时，各种油的比例影响热膨胀系数。所以可以通过油的混合调整期望的热膨胀系数。同样通过混合不同分子质量的硅酮树脂油可以调整热膨胀系数。当设计的自由度被其它参数限制的时候，必须专门选择这种替换方式，也就是说，体积仅仅在很窄的范围内变化，第一半室和第二半室的体积互相如此偏差，以至于这不能通过合适的薄膜刚度这种更有意义方式补偿。

显而易见，隔膜的刚度也是一个参数，其在给定薄膜直径和给定薄膜材料时，可以通过薄膜厚度或者通过起皱程度来调节。

为了实施本发明，因此在迫切要求在第一半室和第二半室不同体积的边界条件下，通过薄膜刚度的调整进行第一次设计调整。在优选的结构形式中，具有第一体积的第一薄膜刚度的乘积等于具有第二体积的第二薄膜刚度的乘积。如果不能取得所谓的乘积相等，通过选择具有合适热膨胀系数来继续进行调整。然而，上述的调整是设计特性并且一般设计压力传感器的总共的加工系列，为了调整由于制造误差产生个别的热零点浮动，那么可以通过填充物以上述的方式接着进行半室体积的微调整。

现在根据描述具体结构形式的附图说明本发明。

示出：

图1：穿过具有静压压紧测量室的压差传感器的横截面；

图2：一个具有不对称结构的相对压力传感器；

图3a：一种用来检查半室体积装置的第一种实施例的详细视图；以及

图3b：一种用来检查半室体积装置的第二种实施例的详细视图。

图1中所示的压差传感器包括一个测量装置1，其具有圆柱形基体6，在基体的两个端面每个上都设置有薄膜床。通过薄膜床，隔膜3在图左边延续，薄膜的边缘固定到基体6的端面。同样地通过薄膜床，隔膜2固定到基体6的相对的端面。每一个压力通道4、5从端面轴向向内延伸到基体中，其中在这种实施例中，两个通道分别流入部分管段中，其占了几乎整个基体6的横截面积。在两个部分管段10、11之间设置有超载薄膜8，其比两个隔膜2、3硬得多。通道12、13分别从两个部分管段10、11上延伸至测量薄膜7的高压侧或者低压侧，测量薄膜设置在安装于基体外壳表面的基本传感器外壳9的内部。因此测量薄膜将半室互相分开。基本传感器被均匀地放置在基本传感器外壳9的内，也就是说，基本传感器不仅在测量薄膜的范围，而且也在它的承受传输液体压力的外壳面积的范围内。在这种情况下，高压侧的压力通过通道12作用在隔膜7的外表面和基本传感器外部的外壳表面。低压侧的压力通过通道13作用在隔膜7的内表面和基本传感器内部的外壳表面。可以直接理解，上述基本传感器的均匀拉力将导致高压侧和低压侧相同的体积。通过通道合适的结构，也就是说，通过选择通道的长度和通道直径，也可以获得相同的体积。特别地在理想情况下，在一个压差传感器时候，应该在低压侧和高压侧使用相同的隔膜。同样期望在高压侧和低压侧使用相同的传输液体，因为它们具有相同的热膨胀系数和相同的粘性。也就是说，如果可能，在部分管中体积的设计调整是优选的解决方案。为了在有些情况下选择调整第一和第二半室的体积，因此在图1中示出压差传感器也装配了至少一个可调整的填充物。在后面根据图3a和3b将继续讨论体积的微调整。如果根据设计的边界条件不能进行体积调整，那么在根本相同的薄膜刚度情况下装入具有不同热膨胀系数的传输介质。

图2示出一种根据本发明的压力传感器，特别是一种相对压力传感器。测量装置21包括具有基本上轴对称结构的基体26，其中在基体26的第一端面上设置一个薄膜床，通过它隔膜22的边缘固定到基体26上。测量压力通道24从薄膜床延伸到基本传感器室30内，其内设置有基本传感器27。一般情况下在基体中设置有填充通道31，其与压力室30相连并且通过密闭元件28进行气密。在示出的实施例中密闭元件是钢球，钢球定义了填充通道31中的深度，当然在该位置还可以使用其它的密闭形式，这将在下面参考附图3a和3b进行描述。基本传感器安装在压力室30中它的气密基面上并被均匀压紧。因此测量装置的第一个半室包括在隔膜22和薄膜床之间包围的体积，测量压力通道24，传感器室30包围基本传感器27的体积和直到封闭元件28的填充通道31。由于该相对压力传感器应该被温度补偿，空气压力不直接作用到基本传感器27的薄膜的后面，而进行空气压力通过管33作用在空气一侧的隔膜23进行液压的压力传输，隔膜23通过薄膜床固定到基体26的第二端面上。基准压力通道25从在空气一侧的隔膜23下的薄膜床延伸至基本传感器27的薄膜后面。在径向方向上，填充通道29从基准压力通道25延伸至基体26的外壳表面，其中通道借助一个密封元件29密封，其通过调节深度的位置能控制体积。这里示出球29可以是其他密封元件，这将在下面参考附图3a和3b进行描述。

在空气一侧的隔膜23和基本传感器27的测量薄膜后面之间包围的体积定义了第二个半室。由于在调整时，边界条件使完全由具有各自体积的薄膜刚度的乘积调整很难，为了补偿差别，在这时候也许应该考虑选择具有不同热膨胀系数的硅酮树脂油。

例如列AK是合适的硅酮树脂油，通过人造化学获得。在下表中给出硅酮树脂油(二甲基聚硅醚)具有相同的基本结构，仅链长有不同。

名称	粘性	膨胀系数
			AK10	10mm2/s	10.0cm3/(cm3℃)×104
AK20	20mm2/s	9.7cm3/(cm3℃)×104
			AK35	35mm2/s	9.5cm3/(cm3℃)×104
AK100	100mm2/s	9.4cm3/(cm3℃)×104
			AK500	500mm2/s	9.25cm3/(cm3℃)×104

在理想的情况下，结构应该可以调节，使得薄膜刚度与所属体积的乘积符合两种油类型的膨胀系数关系。这种情况下注意，具有很小自由度热膨胀系数的硅酮树脂油的粘性确定了窄的限制。为了得到热膨胀系数的中间值，用于微调整的硅酮树脂油理论上可以混合成具有不同的热膨胀系数。虽然现在微调整通过可调的填充物或者封闭元件进行，但是本发明具有通过混合传出液体来调整热膨胀系数的优点。

现在根据图3a和3b解释两种用于半室体积微调整的装置。图3a示出在测量装置的外壳表面通过它的基体36的详细视图。填充通道42从外壳表面颈向向内延伸并且流入到通道43，其是两个半室中一个的组成部分。填充通道42在流入通道43前具有变窄的横截面积，因此构成轴向止端41，在其上放置填充体元件39、40。填充体元件39、40具有各自定义的体积，在固定高度和固定外径的情况下通过填充物使中心钻孔变化可以调节该体积。通过选择合适的填充物，在所谓尺寸之间的自身较小乘积偏差可以被调整。填充物通过压力弹簧38保持在适当的位置，压力弹簧38被轴向压紧于填充物和螺栓封闭37之间。显而易见，弹簧38同时也作为填充物。上述结构的优点在于，由填充物挤出的传输液体能从相同的开口流出，其中使用填充物。如果在这种解决方法中不要求额外的外壳开口，因为向半室填充的开口不是必需的。就不同填充物的多样性保持精确补偿或者必须按要求加工具有限定体积的填充物，本方案的成本是高的。

图3b示出一种用于调整半室体积装置的变型，其不要求能存储不同填充物或者一个尺寸加工的填充物。在这种变型时，基体46具有带有细螺纹的钻孔51，它流入通道52中，通道52是半室的部分。在细螺纹中旋紧一个活塞51，其中活塞的螺纹被加工得能与螺纹孔51紧紧地啮合，以便实际中没有传输液体可以穿过在活塞上的螺纹线流出。优选的活塞的外壳表面涂敷一层密封材料，其在必要的情况下耐热。填充通道55从通道52延伸到基体46的外壳表面，其中填充通道55在第一段具有比第二段小的直径，第二段与第一段连接并且延伸到基体46的外壳表面。因此在第二段和第一段之间构成了一个阶梯，其轴向支撑钢球53，钢球的直径比第一段直径大比第二段的直径小。通过穿孔的螺栓54钢球被气密地压到轴向接触面上，该螺栓的螺纹与第二段的壁啮合。为了体积的微调整，首先拧开穿孔螺栓54，然后在钻孔51旋动活塞50来调整体积，其中被挤出传输介质通过排出通道55经过球53和穿孔螺栓54流出。在调整到期望的体积后，重新装上螺栓54。为了固定活塞50，可以使用填料48。此外，为了避免无意中调节体积，在基体46的外壳表面上钻孔51可以用保护螺栓47封闭。

Claims (7)

1.相对压力传感器或者压差传感器，包括：

测量装置(1)，其具有第一体积的第一半室(4)，该第一半室由具有第一薄膜刚度的第一隔膜(2)封闭；以及第二体积的第二半室(5)，该第二半室由具有第二薄膜刚度的第二隔膜(3)封闭，其中第一半室(4)与第二半室(5)通过测量薄膜(7)分开，并且第一半室(4)充满具有第一热膨胀系数的第一传输液体，第二半室(5)充满具有第二热膨胀系数的第二传输液体，其特征在于，由第一薄膜刚度乘第一体积乘第一热膨胀系数的第一乘积基本等于由第二薄膜刚度乘第二体积乘第二热膨胀系数的第二乘积，其中在设计上，第一乘积的至少一个系数不同于第二乘积的相应系数。

2.根据权利要求1中的相对压力传感器或者压差传感器，其中第一薄膜刚度与第二薄膜刚度不同。

3.根据权利要求1中的相对压力传感器或者压差传感器，其中第一体积与第二体积不同。

4.根据权利要求1中的相对压力传感器或者压差传感器，其中第一热膨胀系数与第二热膨胀系数不同。

5.根据权利要求2或3的相对压力传感器或者压差传感器，其中第一热膨胀系数等于第二热膨胀系数。

6.根据权利要求1中的相对压力传感器或者压差传感器，进一步包括至少一个用于微调整半室体积的装置。

7.根据权利要求5中的相对压力传感器或者压差传感器，其中为两个半室分别设定一个用于微调整半室体积的装置。

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