用于诊断在由压力传递液体充满的压力测量变换器中的液体泄漏的方法和装置

摘要

公开了一种用于诊断在充满压力传递液体的压力测量变换器中的液体泄漏的方法和装置。其中，压力测量变换器包括：设置在压力测量腔(1)中的压力传感器(3)；和连接至压力测量腔(1)的压力传递装置(5)，其被隔膜(7)相对于外部密封，在测量操作中，待测压力作用于该隔膜，压力测量变换器还包括密封的内部空间(15)，该内部空间包括压力传递装置(5)和压力测量腔(1)的内部空间，并且被充满压力传递液体(17)。在测量操作期间，该压力传递液体用于将作用于隔膜(7)的压力传递至压力传感器(3)。并且这种压力测量变换器还包括用于检测液体泄漏(L)的装置。该装置具有设置在密封的内部空间(15)中的测试元件(25)，其外部体积为了诊断液体泄漏(L)而可减小。用于检测液体泄漏(L)的装置还包括分析单元(29)，其在诊断期间用于依赖于测试元件(25)的体积减小(ΔV)而检测由压力传感器(3)测量的压力(P)并且基于这个根据体积减小(ΔV)而测量的压力(P)而识别是否有液体(17)泄漏。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于诊断在由压力传递液体充满的压力测量变换器中的液体泄漏的方法和装置。

背景技术

压力测量变换器在几乎所有工业领域用于测量压力。测量的压力值例如用于控制、调节和/或监控工业制造和/或处理过程。

压力测量技术中常见的是所谓的半导体传感器，例如具有掺杂电阻元件的硅芯片，用作压敏元件。通常，这种压力传感器使用安装在压力测量腔中的薄膜形式的压力传感器芯片。压力传感器芯片通常非常敏感并且因而不直接接触压力待测的介质。作为替代，在中间插入压力传递装置，其被充满了液体并且具有外部的隔膜。在操作中，待测压力被施加于隔膜并且经由压力传递装置传递至位于压力测量腔中的压力传感器芯片。对于测量绝对压力以及测量相对压力和压差都是这样的。

在合适操作的测量变换器中，压力传递装置的内部体积以及测量腔被液密地密封。然而，存在压力测量变换器受到破坏从而液体从这个内部体积泄漏的危险。这可以例如是由于隔膜的机械破损，或者由于在固定隔膜的区域中未密封的位置，在填充液体的填充开口处，或者在例如用于压力传感器的电导线的通孔的区域中。液体泄漏导致测量变换器的测量特性改变。依赖于液体泄漏的程度，会导致测量精度降低、显著的功能干扰、或者在最糟的情况中导致测量变换器的整体故障。特别是在温度较低的情况和/或在较高的压力作用于压力测量变换器的情况中，发生显著的功能扰动。

另外，当液体例如通过隔膜中的裂缝而进入工业制造流程中，从而它混入待加工的产品时，侵入的液体能够导致破坏。

在DE-A 10 2004 019 222中，描述了用于诊断由压力传递液体充满的压力测量变换器的液体泄漏的装置和方法，其中测试元件设置在压力测量变换器的压力测量腔中。为了诊断，测试元件的体积可以通过合适的操作而增加。体积的增加导致压力测量腔中的压力增加，这由压力传感器检测。通过检测由于体积增加而引起的压力随时间的增加，并将得到的函数关系与完好的压力测量变换器的相应参考曲线相比较，而实现泄漏的诊断。如果存在液体泄漏，那么由给定的体积增加引起的最大压力上升小于压力测量变换器完好时的压力上升。另外，压力测量变换器的液体可以由体积增加而被压出。这导致例如在压力测量腔中的压力具有时延的下降，这反映在诊断期间记录的特征曲线中。

这种方法的缺点在于，可通过测试元件的体积增加获得的测量效果仅仅是比较小的。原因在于，隔膜通常尽可能薄并且具有尽可能低的弹性刚度，以实现尽可能最好地传递作用于隔膜的外部压力。以这种方式，只能在相对较大量的液体已经泄漏之后才检测到泄漏。这样的结果是，通常只能检测到隔膜的较大破坏，而仅发生少量液体泄漏的较小的泄漏位置(例如，在隔膜的区域中、在其他机械部件上、或者在结合处)还是未被检测到。

另一缺点在于，压力测量腔中的压力在诊断期间增加。通过这种压力增加，在存在泄漏的情况中，甚至会有更多的液体被压出压力测量变换器。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于诊断在由压力传递液体充满的压力测量变换器中的液体泄漏的方法和装置。

为此，本发明在于一种压力测量变换器，包括：

-设置在压力测量腔中的压力传感器；

-连接至压力测量腔的压力传递装置，

--该压力传递装置被隔膜相对于外部密封，

---在测量操作中，待测压力作用于该隔膜的外侧面，

-密封的内部空间，

--该内部空间包括压力传递装置和压力测量腔的内部空间，

--该内部空间被充满了压力传递液体，

---在测量操作期间，该压力传递液体用于将作用于隔膜的压力传递至压力传感器；和

-用于诊断液体泄漏的装置，

--该装置具有设置在密封的内部空间中的测试元件，其处于内部空间之内的外部体积为了诊断液体泄漏而可减小，并且

--该装置还包括分析单元，

---该分析单元在诊断期间用于依赖于测试元件的体积减小而检测由压力传感器测量的压力，并且---基于这个依赖于体积减小而测量的压力而识别是否有液体排出。

在进一步发展中，测试元件的最大可实现体积减小被取决于在无载状态中隔膜与其隔膜床之间包围的液体体积而选择，使得当测试元件取其最小体积时，隔膜贴靠在隔膜床上。

在第一实施例中，测试元件包括压电元件，其体积能够通过施加电压而减小。

在第二实施例中，测试元件是微机械膜盒。

在第三实施例中，测试元件包括可移动的活塞。

另外，本发明包括一种用于诊断在由本发明的压力测量变换器中的液体泄漏的方法，其中

-测试元件的体积减小，直至测量压力非线性下降，或者直至达到体积减小的上限；以及

-在发生非线性下降时，将相应的体积减小与在完好的压力测量变换器的情况中记录的参考值进行比较；以及

-必要时，基于相应的体积减小与参考值之间的差，量化发生的液体泄漏。

在这个方法的进一步发展中，重新执行诊断，确定可能发生的液体泄漏的时间分布，并且基于这个分布而得到关于测量变换器可靠性、其预期寿命和/或维护需求或者替换需求的预报。

另外，本发明包括一种用于诊断在本发明的压力测量变换器中的液体泄漏的方法，其中

-测试元件的体积被减小至测试体积；

-检测相应的利用压力传感器测量的压力；以及

-与预定的参考压力比较；以及

-基于该比较，判断是否存在液体泄漏。

在后一方法的第一发展中，测量压力与参考值比较，并且当测量压力小于参考值时，分析单元诊断出液体泄漏。

在进一步发展中，基于测量压力与参考值之间的差，量化诊断的液体泄漏。

在最后提到的方法的第二发展中，测量压力与参考值比较，并且当测量压力大于参考值时，分析单元诊断出导致与环境压力均等的损坏。

附图说明

现在根据附图更加详细地解释本发明及进一步的优点，附图中显示了三个实施例；相同的元件在附图中具有相同的附图标记。附图中：

图1是本发明的压力变换器的截面；

图2是具有弹性膜盒作为测试元件的压力测量变换器的截面；

图3是压力测量变换器的截面，其中测试元件包括活塞；

图4是压力变换器的框图；

图5是图1的压力测量变换器的参考特征曲线；

图6是在不同液体泄漏的情况中记录的图1的压力变换器的多个诊断特征曲线；和

图7是对于测试元件的预定测试体积，在不同液体泄漏的情况中记录的图1的压力变换器的多个测量点。

具体实施方式

图1显示了本发明的压力测量变换器的截面，其具有设置于压力测量腔1中的压力传感器3，例如半导体传感器。适于这种应用的例如是具有掺杂的电阻元件的硅芯片。在所示的压力测量变换器的情况中，它是绝对测量变换器。相应地，这里的压力传感器3是绝对压力传感器。然而，本发明并不限于绝对压力测量变换器，而是可以类似的形式应用于相对压力测量变换器和压差测量变换器。

压力传递装置5连接至压力测量腔1，该压力传递装置被隔膜7相对于外部密封。在测量操作中，待测压力p_M从外部作用于隔膜7。在所示实施例中，压力传递装置5包括短的毛细管9，其通入薄膜载体13的压力接收腔11，该压力接收腔被隔膜7相对于外部密封。

压力测量变换器具有密封的内部空间15，其包括压力测量腔1以及压力传递装置5的内部空间。压力传递装置5的内部空间由毛细管9的内部空间以及压力接收腔11的内部空间构成。这个密封的内部空间15被压力传递液体17充满。液体17优选的是具有较低热膨胀系数的不可压缩的液体，例如，硅酮油。在测量操作期间，它用于将从外部作用于隔膜7的压力p_M传递至压力传感器3。

薄膜载体11包括薄膜床16，其同样优选地为隔膜7的形状。隔膜床16和隔膜7包围压力接收腔11。薄膜床16用于保护隔膜7不会过载。如果作用于隔膜5的压力p_M超过预定的上限，那么隔膜7抵靠在薄膜床16上并因而受到保护不会永久形变或损坏。

然而，不能完全排除隔膜7或者压力测量变换器的其它部件例如由于老化过程或者外部机械作用而被破坏。在这种情况发生时，密封的内部空间15变得不密封，从而发生泄漏，液体17从内部空间15漏出。特别易受这种破坏的是隔膜7。然而，泄漏还可以例如发生在毛细管9的连接位置的区域中、在用于压力传感器3的连接线21的通孔19的区域中、或者在用于利用液体17填充密封的内部空间15的填充开口23的区域中。液体泄漏导致压力测量变换器的测量特性改变，依赖于漏出的液体的量，这会导致测量精度降低、导致明显的测量干扰、甚至导致测量变换器完全失效。为了防止与此相关的缺点以及由此对于人类和环境造成的危险，重要的是，尽可能早地识别液体泄漏，以能够出于安全原因而快速作出反应。这可以例如通过维护或更换测量变换器而实现。

为此，本发明的压力测量变换器包括用于诊断液体泄漏的装置。这个装置的核心在于设置在密封的内部空间中的测试元件25，为了诊断液体泄漏，其位于内部空间15中的外部体积是可减小的。这种测试元件25可以以不同方式实现。在图1所示的实施例中，测试元件25包括这里为环形的压电元件，其体积能够通过施加电压而减小。

在图2和3中分别显示了包含压力测量腔1的压力测量变换器的截面，其中设置了测试元件的另外两个实施例。在图2所示的测试元件的情况中，它是微机械膜盒25a，其外部体积同样可由合适的电操控而减小。这通过在膜盒25a内部的箭头示意性显示。

在图3所示的实施例的情况中，测试元件包括突入测量腔1的活塞25b，其能够例如利用图3未显示的步进电机而完全或部分移出压力测量腔1。这同样以箭头示出。在这种情况中，活塞25b被引入邻接压力测量腔1且相对于该压力测量腔液密地分离的凹座27中。这个运动导致位于压力测量腔1中的活塞25b外部体积减小。

各个测试元件25、25a、25b最大可实现体积减小ΔV_max优选取决于在无载状态中在压力接收腔11中在隔膜7和其薄膜床16之间包围的液体体积而选择，使得当测试元件25取其最小体积时，隔膜7抵靠其薄膜床16。

除了测试元件25之外，装置还包括分析单元29，其在诊断期间用于依赖于测试元件25的体积减小ΔV检测由测量传感器3测量的压力p。分析单元29例如集成在压力测量变换器的测量电子装置30中，并且经由合适的连接线连接至压力传感器3和测试元件25。图4显示了这一方面的简化框图。分析单元29通过控制单元31连接至测试元件25。在诊断期间，分析单元29将控制信号发送至控制单元31，其反过来实现测试元件25的电操控，这实现了测试元件25相应于控制信号的体积减小ΔV。测试元件25的操控自然还可以以其它方式例如通过测量电子装置30实现。在这种情况中，有关测试元件25的当前外部体积的信息被例如通过控制单元相应的输出信号而提供给分析单元29。

然后，在分析单元29中进行实际诊断。其基于依赖于体积减小ΔV而测量的压力p，识别液体是否漏出。这优选通过将在诊断期间依赖于测试元件25的当前体积减小ΔV得到的压力传感器测量结果与相应的参考测量结果进行比较而实现。代替体积减小ΔV，自然也可以应用位于内部空间15中的测试元件25的相关外部体积。两个变量都可以通过测试元件25的起始体积V₀而彼此转化，并因而是等值的。

图5显示了完全由液体充满的完好的压力测量变换器的参考特征曲线K_R，其中显示了由压力传感器3记录的压力p与测试元件25的体积V的关系。在这种情况中，特征曲线的起始点A是测试元件25的起始体积V₀。这种情况中内部压力p₀占统治地位。从这个起始点A开始，测试元件25的体积的持续减小首先导致压力测量腔1中的测量压力p的缓慢且稳定下降，压力p基本上与测试元件25的外部体积V成比例地减小。通过由体积减小产生的负压，隔膜7向着其薄膜床16移动，直至它抵靠薄膜床。在这种情况中，液体从压力接收腔11流入压力测量腔1。在隔膜7接近其薄膜床16的时刻，隔膜7的弹性刚度陡然增加。测试元件25的外部体积进一步减小导致测量压力p显著的非线性下降，该测量压力依赖于测试元件25的位于内部空间15中的外部体积V的进一步减小。由于隔膜7的弹性刚度的显著变化，这导致比通过现有技术中描述的外部体积膨胀更加大的测量效果。在现有技术中，隔膜向外移动离开薄膜床。由此不会发生传递特性的显著变化。

图5中通过测量点B给出这两个区域之间的界限，在该测量点B，压力p_K在测试元件25的外部体积V_K占统治地位。在测量点B存在的从起始体积V₀到体积V_K的体积减小ΔV_R＝V₀-V_K依赖于无载状态中在隔膜7下包围的体积，并且在下面将详细解释的诊断中能够用于量化可能存在的液体泄漏。

利用本发明的压力测量变换器，可是执行多种用于诊断液体泄漏的方法。

在第一方法中，体积V从测试元件25的起始体积V₀开始减小，直至以下两种情况之一：测量压力p依赖于测试元件25的体积V而非线性下降；或者达到体积减小的上限，例如最大可能体积减小ΔV_max。非线性下降的发生由分析单元29监控。这例如由相应的分析算法实现，该分析算法计算记录的诊断特征曲线K_X关于相关联的体积减小ΔV_x的斜率，并将其与在前一测量点的斜率或者预定的参考斜率比较。如果存在非线性下降，那么将在相应测量点B_x的相应体积减小ΔV_x与在完好压力测量变换器的情况中记录的参考值R比较，并且基于在相应的体积减小ΔV_x和参考值R之间的差，量化可能发生的液体泄漏L_x。发生的液体泄漏L_x对应于在相应体积减小ΔV_x和参考值R之间的差。

体积减小ΔV可以步进地或连续地进行。相应的测量点或测量曲线在分析单元29中得到分析。为此，分析单元29优选地具有微处理器33，其中执行在存储器35中存储的分析算法。如果在特定的诊断特征曲线K中仅确定离散的测量点，那么可以通过内插而进一步提高确定相应体积减小ΔV或特定测量点B的精度。

图6显示了相应的诊断特征曲线。作为例子，选择了压力测量变换器，其中在由液体完全充满的无载状态中，300mm³的液体体积位于隔膜7之下的压力接收腔11中。

诊断特征曲线K_R对应于完好的且被完全充满的压力测量变换器的图5所示的参考特征曲线K_R。诊断特征曲线K_R在测量点A和B之间具有已经描述的线性特性。在测量点B，隔膜7非常靠近其薄膜床16，使得其刚度显著上升。在相关体积V_K之下外部体积的进一步减小导致显著的压力下降。在给定的数值例子中，相应的体积减小ΔV_R＝V₀-V_K为260mm³，并且形成用于量化可能发生的液体泄漏L的参考值R。测量点B的坐标可以例如通过由分析单元29分析诊断特征曲线K_R的斜率而得到确定。

第二诊断特征曲线K2是以相同的压力测量变换器检测的，其中发生液体量为L2的液体泄漏。这里，诊断特征曲线K2也开始于起始点A，在这里测试元件25具有起始体积V₀并且压力p₀在压力测量腔1中占统治地位。由于液体泄漏L2，隔膜7通过测试元件25的体积减小而更早地接近其薄膜床16。因此在体积V2已经达到要由分析单元29确定的相应测量点B2，在该测量点，诊断特征曲线K2不再为线性特性。在这个数值例子中，相应的体积减小ΔV₂＝V₀-V2为210mm³。这个体积减小ΔV₂和参考值R之间的差在这里为50mm³，并且是液体泄漏L2的量度。自然，使用在参考特征曲线的测量点B的体积V_K作为参考值R’并且确定在这个参考值R’与测试元件25在测量点B2的体积V2之间的差，可以获得相同的结果。

第三诊断特征曲线K3是以相同的压力测量变换器检测的，其中发生液体泄漏L3，其大于液体泄漏L2。这里，诊断特征曲线K3也开始于起始点A，在这里测试元件25具有起始体积V₀并且压力p₀在压力测量腔中占统治地位。由于增大的液体泄漏，隔膜7通过测试元件25的体积减小而更早地达到其薄膜床16。因此在体积V3已经达到要由分析单元29确定的相应测量点B3，在该测量点，诊断特征曲线K3不再为线性特性。在这个数值例子中，相应的体积减小ΔV₃＝V₀-V3为160mm³。这个体积减小ΔV₃和参考值R之间的差在这里为100mm³，并且是泄漏的液体量L3的量度。自然，使用在参考特征曲线的测量点B的体积V_K作为参考值R’并且确定这个参考值R’与测试元件25在测量点B3的体积V3之间的差，可以获得相同的结果。

第四诊断特征曲线K4是以相同的压力测量变换器检测的，其中压力测量变换器被严重破坏，从而发生与环境的压力均等。这例如是隔膜7中具有裂缝或洞的情况。在这种情况中，测试元件25的体积减小并不引起压力测量腔15中的压力下降。由压力传感器3记录的压力p保持恒定。诊断特征曲线K4不再具有测量压力p关于测试元件25的体积V非线性分布的区域。在这种情况中，诊断流程继续，直至达到对于体积减小预定的上限(这里是ΔV_max)，并且之后结束诊断流程。作为上限，还可以使用在参考特征曲线的测量点B存在的体积减小ΔV_R。

优选地，这个诊断流程被再次执行，并且确定可能发生的液体泄漏L的时间分布。基于这个时间分布，得到关于压力测量变换器的可靠性、其预期寿命和/或维护需求或者替换需求的预报。这可以以非常多样的方式进行，匹配使用位置的特定的条件以及需求。在要防止任何液体泄漏的应用情况中，更小的诊断液体泄漏被用于触发警报和/或迅速更换压力测量变换器。在其它应用中，例如可以预先确定液体泄漏L的上限。如果达到这个上限，那么压力测量变换器发出维护请求或替换要求或者触发警报。另外，在达到这个上限之前，基于发生的液体泄漏L的时间发展，剩余寿命(例如在达到上限之前可能的剩余时间)可以得到估计并由压力测量变换器输出。

作为上述步进地或持续地减小外部体积并且检测相应的诊断特征曲线的方法的替代，还可以利用本发明的压力测量变换器执行诊断方法，其中，仅记录一个测量点P。图7显示了对此的实施例。在这种情况中，位于内部空间15中的测试元件25的体积V减小至预定的测试体积V_T并且检测相关的由压力传感器3测量的压力p_T。然后，将测量压力p_T与预定的参考压力p_R比较，并且基于这个比较确定是否存在液体泄漏L。优选地，在达到测试体积V_T时参考特征曲线K_R的压力p(V_T)用作参考压力p_R。如果在达到测试体积V_T时的测量压力p_t高于参考压力p_R，那么发生与环境的压力均等。这是在图7所示实施例中测量点P₁的情况。如果测量压力p大致等于参考压力p_R，那么可以由此假定压力测量变换器工作正常。这在图7中由测量点P₂表示。如果测量压力p低于参考压力p_R，那么发生液体泄漏L。这在图7中由测量点P₃表示。

相应于以上实施例，当测量压力p(V_T)小于参考值p_R时，分析单元29诊断液体泄漏L。另外，可以基于在测量压力p(V_T)与参考值p_R之间的差而量化以这种方式诊断的液体泄漏L。为此，例如可以使用参考测量结果，其中对于预定的液体泄漏确定测量压力p(V_T)与参考值p_R之间的差。作为替代，可以通过将当前的差与从基于图6描述的特征曲线得到的相应的差作比较，而量化或估计液体泄漏L。

如果测量压力p(V_T)大于参考压力p_T，那么分析单元29诊断出压力测量变换器的导致与环境压力均等的破坏。

测试体积V_T的选择优选地取决于要诊断的液体泄漏L的量。在仅仅要检测发生较大液体泄漏L(例如导致测量精度大为下降的液体泄漏)的应用情况中，可以预定测试元件25较大的测试体积V_T或者相应较小的体积减小ΔV_T＝V₀-V_T。测试体积V_T的选择可以例如基于图6所示的诊断特征曲线K。如果例如要检测大于等于100mm³的液体泄漏L，那么必须选择落在诊断特征曲线K3的非线性区域中的测试体积V_T；V_T必须小于V3。

如果例如要检测大于或等于50mm³的液体泄漏L，那么必须选择落在诊断特征曲线K2的非线性区域中的测试体积V_T；V_T必须小于V2。

如果要检测甚至是最小的液体泄漏L，那么必须选择测试体积V_T小于或等于在参考特征曲线K_R的测量点B测试元件25的体积V_K。

如果液体泄漏L超过利用特定测试体积V_T可检测的液体泄漏，那么相应的测量点P位于相关的诊断特征曲线K的非线性区域中。由此发生非常明显地偏离特定参考压力p_R，该偏离越大，液体泄漏L超过可检测的液体泄漏越多。如果将最小可检测液体泄漏作为参考变量，那么在特定参考压力p_R和达到测试体积V_T时测量的压力之间的偏差量是液体泄漏L的量的量度。如果液体泄漏L超过利用特定测试体积V_T可检测的液体泄漏，那么这里通过相应地比较一个或多个参考特征曲线或值，可以实现液体泄漏L的量化。

这里，同样优选再次执行诊断，并且可能发生的液体泄漏的时间分布得到确定，基于此得到有关测量变换器的可靠性、其预期寿命和/或维护需求或替换需求的预报。

当然，最后解释的方法也可以延展至多个不同测试体积V_T。

附图标记列表

  1  压力测量腔  3  压力传感器  5  压力传递装置  7  隔膜  9  毛细管  11  压力接收腔  13  薄膜载体  15  密封的内部空间  16  薄膜床  17  液体  19  通孔  21  连接线  23  填充开口  25  测试元件  25a  微机械膜盒  25b  活塞  27  分离的凹座  29  分析单元  30  测量电子装置  31  控制单元