压力传递装置以及具有该压力传递装置的压力测量设备

摘要

压力传递装置包括压力传递装置主体(20)和分离膜(10)；在压力传递装置主体(20)和分离膜(10)之间形成压力室，压力室的体积V由分离膜的位置决定；分离膜(10)具有材料厚度h且具有面积为A的工作区域；分离膜(10)具有一个参考位置，在此位置上压力室包含参考体积Vref，并且分离膜是可偏转的，从而可以使压力室的体积在Vref±ΔVSoll的范围内变动；无量纲的偏移量w(ΔV)与体积变化ΔV相关联，w(ΔV):＝(3·ΔV)/(A·h)；测定ΔVSoll以得到|w(ΔVSoll)|≥2.5；对于所有满足|w(ΔV)|≤|w′(ΔV)|且其中|w′(ΔV)|≥0.5*|w(ΔVSoll)|的w(ΔV)，分离膜都具有附加的非轴对称的偏转模式，它叠加在w(ΔV)的轴对称偏转上；非轴对称的偏转模式在|w(ΔV)|＝0.4*|w(ΔVSoll)|时至少是非轴对称的偏转模式的最大偏转的0.3倍。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于压力传递装置的分离膜以及具有这种分离膜的压力传递装置，此外还涉及一种具有这种压力传递装置的压力测量设备。

背景技术

压力传递装置用于将测量介质的压力通过液压路径传导到压力传感器。为此压力传递装置通常具有一个压力传递装置主体，分离膜通过环形的焊接点压密地固定在该压力传递装置主体上，在密封膜与压力传递装置主体之间形成一个压力传递装置室。液压路径从压力传递装置室延伸穿过压力传递装置主体到达压力传感器，以向该压力传感器施加介质压力，这个介质压力作用在分离膜的背离压力传递装置的外侧面上。

封闭在液压路径和压力传递装置室内的传导液体(通常包含油)由于依赖于温度的体积膨胀而引起分离膜位置的改变。这里需要注意的是，常见的压力传感器(比如半导体传感器或者电容传感器)的测量部件依赖于压力的偏转极其小，以至于大多数情况下在压力测量设备的测量范围内传导液体的依赖于压力的体积变化可以忽略，并且分离膜的由温度决定的位置能很好地近似描述其用于测量操作的真实位置。

由于分离膜是弹性构件，当分离膜的位置移动时，其偏转会在处于分离膜外侧面上的测量压力px和压力传递装置室内的室压pk间引起一个附加的压力dp。特别是在测量范围很小的时候，这个压力dp＝px-pk远远超过实际压力传感器的测量误差。

dp＝px-pk的绝对值实际上并不重要。因为如果这个值是恒定的，那么可以在测量时对其进行很好的补偿。问题在于，dp随着分离膜的偏转而改变，并且改变的量随着dp的绝对值而增加。

因此存在许多方法减小压力dp。

工业过程测量技术已经使用了冲压成波浪形状的特殊分离膜。这种膜虽然在小偏转时可能比平的膜要硬，但是总的来说具有更大的偏转。

德国专利DE19946234C1公开了一种用于压力传递装置的膜，这种膜具有一个圆形的中央面以及边缘上的一个用于夹紧的边缘面，二者通过彼此同心布置且在轴向上彼此偏移的阶梯状的环面连接在一起，其中各个环面相对于一个与膜平面平行的平面交替地径向向里或径向向外倾斜，其中每个环面以倒圆半径通过阶梯过渡到下一个环面。

分离膜的这种构造会导致分离膜的由热膨胀引起的运动(也就是其平衡位置的改变)对应于由传导液体的体积膨胀引起的分离膜的工作点的移动。

根据在专利申请文献DE10031120A1中公开的一种相似的方法，基体和固定在其上的分离膜的热膨胀系数，以及压力传导介质的热膨胀系数彼此匹配，从而使得传导液体的由热引起的体积变化可以通过将分离膜的静止位置移动到分离膜和压力体之间的压力传递装置室中而得到吸收。

以上所描述的两种方法理论上都很吸引人，但是在实践中的应用非常有限，因为它们都是以传导液体、分离膜以及压力传递装置主体之间的热平衡为前提的。过程测量技术中的大多数应用都不能满足这种假设，以至于上述结构在温度突变时引起的测量误差甚至比不具有依赖于温度的调节功能的传统分离膜的压力测量结构更大。

在欧洲专利文献EP1114987B1中考虑了有关由分离膜偏转引起的压力的另一种观点。这个文献的目的不是使分离膜对压力的影响消失，而是使这种影响线性化。为此提供了一种具有环形梯形面的膜，其梯形面各自通过45°的斜面互相连接。

对压力p(T)的线性化基于以下想法，即，此后基于对温度的了解应该可以对压力p(T)进行简单的补偿。然而在大多数不存在热平衡的情况下，测定决定传导液体实际体积的有效温度花费很大。

根据在专利申请文献DE102005023021A1中公开的另一种完全不同的方法，压力传递装置上的分离膜应该具有至少两个平衡位置，并且压力传递装置的工作点在合适的温度区间内一直位于这两个平衡位置之间。但是这意味着，分离膜是双稳定的，并可能出现推夹现象，正如在DE10152681A1中讨论过的那样。

按照DE102005023021A1的描述，首先利用波浪模板对膜进行冲压，其中环形的波浪交替呈现H1和H2的高度；然后利用冲具在轴向对膜进行顶锻，通过顶锻使材料从具有较大高度H1的波形线径向挤压到具有较小高度H2的波形线处。这会导致分离膜的内部区域能够得到至少两个不同的静止位置。之后在理想情况下将通过液体利用恰好一定量的压力使得在两个静止位置之一的方向上基本没有回复力产生作用，因为膜在这个工作点上表现得如同无回复力的膜。

这种想法初看很吸引人，但是它没有考虑到无回复力的条件只在平衡位置得到满足，并且处于平衡位置之间的膜总是力求达到能量最有利的最近的平衡位置，这可能导致压力p出现滞后或推夹现象。

在对具有不同尺寸和冲压模板的分离膜进行直径和材料厚度的选择时，为了性能比较常常使用一个如下定义的无量纲的压力p：

$p:=\frac{q·a^4}{E·h^4}---\left(1\right)$

这里的q是之前用dp表示的由于分离膜偏转引起的压力，h是分离膜的材料厚度，a是分离膜的半径，E是分离膜材料的弹性模数。

无量纲压力p可以特别地表示成一个无量纲偏转w的函数，其中w定义为w:＝y/h，y是由传导液体的引起分离膜偏转的体积变化V决定的长度。

这里将y估计为圆锥的高会更简便，这个圆锥的底面正好等于分离膜的可移动的面积并且体积正好等于体积变化量V，也就是：

$w:=\frac{1}{h}·\frac{3·V}{\pi ·a^2}---\left(2\right)$

必须再一次明确强调的是，偏转y以及由此导出的量w不需要是在分离膜上可以直接测量的长度，而仅仅是一个简单的与体积成比例的长度大小，以为比较分离膜创造基础。

在Mario Di Giovanni编写的《Flat and corrugated diaphragm design handbook(平的以及波浪形的膜设计手册)》中介绍了分离膜设计的全面的概况并描述了冲压成正弦波形的分离膜，这与俄国人Feodos’ev和Andreeva的工作有所联系。相应的有：

p:＝A(q)·w+B(q)·w³        (3)

其中刚性系数A和B是变量q的函数，q又是冲压成的波浪形的高度的函数，q²:＝1.5*(H/h)²+1，其中的H是冲压模具的高度。关于函数A(q)和B(q)的更多的细节可以参考Di Giovanni的著作。冲压模具的高度的增大一定会引起A增大而B减小。因此在膜涉及中必须确定提供怎样的最大偏转w_max以保持值p(w_max)尽可能小。

例如当设计一个具有波浪形状的分离膜偏转最大值w_max＝5时，意味着p的值约为140。这对于一个半径a＝29mm、材料厚度h＝100μm、弹性模数200Gpa的膜来说意味着大约40mbar的膜误差，根据上面已描述过的近似成一个锥体的假设，w对应于一个大约是430μl的体积偏转。这样的体积偏转在毛细压力传递装置上完全有可能产生，40mbar的测量误差特别是在小测量范围比如100mbar时是不可接受的。由此可以清楚地看出波形膜在原理上的局限。

具有梯形或阶梯形结构的膜可以在设计时使p(w)的值相比类似的波形膜减少大约一半，但是这对于许多应用领域来说仍然不够。

发明内容

因此本发明的任务就是，提供可以克服现有技术上述不足的压力传递装置及具有此压力传递装置的压力测量装置。

这项任务在发明中将通过根据独立权利要求1的压力传递装置和根据独立权利要求14的压力传感器得到实现。

根据发明的压力传递装置包括：

具有上表面的压力传递装置主体，和

分离膜，其沿着环形的密封面与压力传递装置主体压密地连接；

其中，在压力传递装置主体的上表面和分离膜之间形成压力室，压力室的体积V由分离膜的位置决定；

其中，分离膜具有材料厚度h；

其中，分离膜具有由密封面限定的可偏转的工作区域，其面积为A；

其中，分离膜具有冲压而成的轮廓；

其中，分离膜具有参考位置，在此参考位置压力室包含参考体积V_ref；

其中，分离膜能够从参考位置开始在两个方向上至少基本轴对称地偏转，使得压力室的体积可以在V_ref+/-ΔV_Soll的值之间变动；

其中，体积变化量ΔV与一个无量纲的偏转量w相关联，w定义为w(ΔV):＝(3*ΔV)/(A*h)；

其中，测定ΔV_Soll以得到|w(ΔV_Soll)|≥2.5；

其特征在于：

对于所有满足|w(ΔV)|≤|w’(ΔV)|且其中|w’(ΔV)|≥0.5*|w(ΔV_Soll)|的w(ΔV)，分离膜都具有附加的非轴对称的偏转模式，该偏转模式叠加在w(ΔV)的轴对称偏转上。

根据发明的进一步改进，反对称的偏转模式在|w(ΔV)|＝0.4*|w(ΔV_Soll)|时至少是非轴对称的偏转模式的最大偏转的0.3倍，优选至少0.4倍，进一步优选至少0.5倍。

轴对称的偏转zs(r，ΔV)是分离膜的单个点(z，r，)的z坐标的依赖于体积的偏转

其中：

特别是：

非轴对称的偏转模式可以例如是一个反对称的偏转模式，它例如通过函数zas(r，ΔV)定义，对于该函数有：

其中zas(r，ΔV)的值由分离膜的上表面的一点的实际z坐标和分离膜对称偏转模式时该点的z坐标的差得到：

其中选择函数zs(r，ΔV)，使得zas(r，ΔV)的平方在工作区域平面上的积分为最小值，并且特别地为值0。

根据发明的进一步改进，这个标准意味着，非轴对称偏转模式的偏转在|w(ΔV)|＝0.4*|w(ΔV_Soll)|时至少是非轴对称偏转模式的最大偏转的0.3倍，优选至少0.4倍，进一步优选至少0.5倍。对于非轴对称偏转模式是反对称偏转模式的情况，这意味着|zas(r，0.4*ΔV)|和|zas(r，-0.4*ΔV)|各自的积分至少是反对称偏转模式的最大偏转，特别是在参考位置|zas(r，0|中的反对称偏转模式的偏转的0.3倍，优选至少0.4倍，进一步优选至少0.5倍。

根据发明的进一步改进，可以对函数zas(r，ΔV)进行分离：

其中zasphi()可以例如是cos(phi)。

根据发明的进一步改进，如果在用于|zas(r，ΔV)|最大值的给定的ΔV的情况下，能够满足以下对于与严格反对称的偏差的标准，那么这个偏转模式仍然可以被看做是本发明意义上的反对称，这个标准是：

特别地≤0.1，优选≤0.05，特别优选≤0.025。

根据发明的进一步改进，反对称偏转模式具有无量纲的最大偏转k，k被定义为：

这里有|k|≥2，最好|k|≥3，其中在本发明的一个目前优选的构成中，最大偏转出现在分离膜的参考位置附近，也就是说当分离膜的偏转w小于+/-0.2w_soll，特别是小于0.1w_soll，优选小于0.05w_soll时，其中w_soll＝w(ΔV_soll)。

此外在对发明的进一步改进中，|k|≤6，最好是|k|≤5，进一步优选|k|≤4。

在对发明的进一步改进中，在|wΔV)|＝0.5*|w(V_soll)|时反对称偏转模式的偏转k至少是反对称偏转模式的最大偏转的0.4倍，优选至少0.5倍。

反对称偏转模式的偏转w(r，)被定义为参照于分离膜的参考位置，与旋转对称偏转y(r)的偏移。

在对发明的进一步改进中，分离膜可以从参考位置偏转，直至偏转量|w(V_soll)|≥3，最好是≥4，进一步优选≥5，特别优选≥6。

在对发明的进一步改进中，无量纲压力例如满足：|p(w(V_soll))-p(w(-ΔV_soll))|/|w(ΔV_soll)-w(-ΔV_soll)|≤(|w(ΔV_soll)|+2)*2，最好≤(|w(ΔV_soll)|+2)，特别优选≤(|w(ΔV_soll)|+2)/2。

在对发明的进一步改进中，例如对于所有满足|w|≤(|w(ΔV_soll)-0.2|的w，无量纲压力都满足：|p(w+0.2)-p(w-0.2))|/0.4≤(|w|+2)*2，最好≤(|w|+2)，特别优选≤(|w|+2)/2。

在对发明的进一步改进中，对于一个通过|w|≤4定义的偏转范围，分离膜的无量纲压力满足：|p(w+0.2)-p(w-0.2))|/0.4≤4，最好≤3。

根据对发明的进一步改进，分离膜的轮廓具有中央的平的区域，这个区域被一个具有优选同心波浪线的波浪状区域围绕。

根据对发明的进一步改进，这个中央区域的直径最好不超过2*a/3，特别优选不超过a/2，其中a是分离膜的工作区域的半径。

波浪状区域的波浪线的幅度不必是恒定的。在一个目前优选的构成中，波浪线的幅度从里向外先减小，直至最外面的波浪线幅度又变大。

与最外面的波浪线相接的波浪线的幅度可以例如大约是与中央区域相接的波浪线的幅度的1/3至2/3。

根据本发明的进一步改进，除最外面的波浪线之外，波浪线的最大幅度不超过4h，最好是不超过3h，进一步优选不超过2h。

根据本发明的进一步改进，除最外面的波浪线之外，波浪线的波长从一条波浪线到下条波浪线的变化不超过20％，最好不超过10％。

根据本发明的一种设计方案，反对称偏转模式可以在冲压出轮廓后通过分离膜的宽的(有可能是双边的)对称的偏转来实现，比如值为|w|＞5。这样，分离膜在合适的预定轮廓的情况下在参考位置以期望的程度具有反对称偏转模式。

另外根据发明的另一种设计方案，反对称偏转模式可以通过冲压置于膜床上的膜以使它的轴相对于密封面的轴略微倾斜来实现，例如倾斜角不小于约1°，进一步优选不小于2°。以目前的观点来看不需要大于4°的倾斜角。

根据发明的另一种设计方案，反对称偏转模式可以通过膜区域的非轴对称的温度作用或者其他能产生不对称效果的干扰(如磁场)来实现。

在根据发明的另外一种设计方案中，可以利用合适的主体，例如在点(r，)周围的区域中，对一个充满了传导液体且工作点在参考位置的压力传递装置的分离膜进行受控制的变形和压缩，这样就可以在点(r，)周围的区域内得到相应的相反的变形。

上述实现反对称偏转模式的方法自然可以任意互相组合。

根据发明的压力传感器包括一个液压的测量装置，这个测量装置包括一个具有一个压力转换器的压力测量单元以给出一个依赖于压力的电信号或光信号，其中测量装置具有至少一条液压路径和至少一个根据上述权利要求之一的压力传递装置，并且其中可以通过至少一条从压力传递装置的压力室延伸到压力测量单元的液压路径对压力测量单元施加至少一个压力。

附图说明

本发明将通过下图所示的结构示例予以阐述。其中：

图1a：根据本发明的压力传递装置的纵剖面；

图1b：根据本发明的压力传递装置的分离膜中的径向应力的模拟演示；

图1c：根据本发明的压力传递装置的分离膜中的切向力应的模拟演示；

图2：根据本发明的压力传递装置的分布曲线dp(V)(实心三角)与根据现有技术的压力传递装置的分布曲线(空心方块)的对比；

图3a：根据本发明的压力传递装置的无量纲压力p与无量纲偏转w的函数关系(实心三角)与使用现有技术压力传递装置的相应数据(空心方块)的对比，两者的数据都从图2中的分布曲线得到；

图3b：由图3a得到的p(w)的导数和

图3c：选择工作点的例子，或者说根据图2的分布曲线得到的压力传递装置的参考位置。

具体实施方式

图1a中所示的根据本发明的压力传递装置的剖面展示了带有边缘区域11的分离膜10，该边缘区域围绕可偏转的工作区域。该工作区域包括平的中央区域12，该中央区域被具有波浪线的区域13包围，波浪线的幅度从里向外先减小，直至最外面的波浪线14幅度又变得更大，并且该中央区域用于将焊缝21与工作区域的偏转解耦，分离膜10以焊缝21固定在压力传递装置主体20上。压力传递装置主体20具有与分离膜10的轮廓基本相同的膜床22，分离膜的轮廓例如可以通过将事先已在膜床上焊接好的平的膜坯进行压制而成。在分离膜10和膜床22之间形成压力室，压力室通过从膜床开始延伸贯穿压力传递装置主体的开口23与一条液压路径连通，以对压力测量单元施加压力。

分离膜具有例如弹性模数约为210GPa的不锈钢。材料厚度在此实施例中约为h＝100μm。由焊缝21限定的工作区域的直径d(＝2a)约为58mm。

分离膜可以偏移参考位置大约ΔV＝±600μl，该参考位置大致由焊缝21的平面定义。

这个体积变化量ΔV对应于一个无量纲偏转w＝±6.8或者一个大约为2·w·h＝1.36mm的偏移H。

H与w之间的关系准确的说仅仅是一个估计，目的是为了给出数量级，因为w是通过假设的圆锥状体积偏移ΔV得到的，而这在所示的膜形状下显然并不精确。

分离膜10的平的中央区域12的直径大约是半径的一半。在中央区域上三条波长大致相等的波浪线相连，它们在中央区域上的相邻的包络线的间距m约为4h，这个距离在从中央区域向外并与最外面的波浪线相接的波浪线上减少到2h。

分离膜的用于实现体积偏移ΔV的偏转基本是一个轴对称的偏转，但是在根据本发明的分离膜中，这个偏转上叠加了一个非轴对称的尤其是反对称的偏转，其中这个非轴对称的偏转在分离膜处于参考位置时具有其最大值。非轴对称偏转模式的最大偏转可以例如具有大约k＝2·h到5·h的值。

随着分离膜逐渐偏离参考位置，这个非轴对称的偏转模式的偏转减小，在分离膜的偏转达到w(ΔV_soll)时非轴对称的偏转可能完全消失。

图1b和图1c展示了对根据本发明的压力传递装置的分离膜在参考位置上或参考位置附近进行FEM模拟得到的结果，在图1b和图1c中分别用灰度级来表示径向应力和切向应力。在图示中可以清楚的看到，应力最大值在非轴对称模式的极值附近出现，而分离膜在与之垂直的方向上(在这个方向上非轴对称的偏转的值基本为零)的应力相比较而言较小或者没有压力。

图2展示了根据本发明的压力传递装置的所谓分布曲线p(V)(实心三角)与现有技术的压力传递装置的分布曲线的对比。分布曲线描述了压力室内的压力与压力室中存在的油体积的函数关系。两条曲线的压力值的绝对位置并不值得注意。更重要的是压力作为体积的函数是怎样变化的。

体积迅速下降至零是由于分离膜在这个值时完全贴附在膜床上，从而机械特性随着接触面积增大而不再只由分离膜决定。

图3a中的无量纲曲线是从图2中的数据按照公式(1)和公式(2)推导得来，其中坐标偏移有：

w:＝w(V-V_ref)，和

p:＝p(dp(V)-dp(V_ref)。

这里取膜材料的弹性模数为210GPa，膜厚度为100μm，并且现有技术的分离膜的工作区域的直径为59mm，根据本发明的压力传递装置的分离膜的工作区域的直径为58mm。

根据测量数据，生成图3a所示值的三阶多项式拟合，图3b展示了由图3a得到的拟合函数的导数

图3a和图3b展示了与现有技术的膜相比，根据本发明的膜实现了哪些改善。

只要在压力传递装置的情况中通过选择压力室内的传导液体的量而使工作点和参考位置可以在一定限度内移动，就可以进一步优化压力传递装置。图3c为此展示了一个例子，其中在-5＜w＜4的范围内p(w)与现有技术的压力传递装置的相应数据相比较。此外对于所选的范围各自进行了线性拟合。

这里根据本发明的压力传递装置显示出在整个范围上斜率为的拟合，而现有技术可以预见的是，线性拟合在实践中对于误差补偿可能不够，但是用这种方法可以很好的估计需要补偿的误差的总量，从而与根据现有技术的压力传递装置的相应的量进行比较。

对于一个工作区域半径为28mm、材料厚度为100μm的膜，值域w(ΔV_soll)-w(-ΔV_soll)＝4-(-5)＝9对应的工作体积为2ΔV_soll＝792μl。如果从所确定的斜率出发，在所描述的范围内依赖于体积的压力变化将小于1mbar。与现有技术相比这是一个显著的进步。