压力传感器装置和具有该压力传感器装置的用于过程仪表设备的测量变换器

摘要

本发明涉及一种压力传感器装置，其具有管(2)，在该管的横截面中布置有由待测压力加载的膜片(1)。膜片(1)借助于沿膜片(1)的环周区域延伸的铰接部(5)固定到管内壁上。膜片(1)的变形导致铰接部(5)在管(2)的壁上直接扭转并且因此可以从外部通过合适的装置(7、8)检测到。这具有以下优点：例如，可以用于变形检测的应变传感器(7、8)不与过程介质接触，并且不需要用于电信号的压力密封的套管。压力传感器装置的特征在于特别简单的结构设计，并且能够有利地用于过程仪表设备的测量转换器中。

说明书

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的压力传感器装置，该压力传感器装置具有管，在该管的横截面中布置有由待测压力加载的膜片，本发明还涉及一种根据权利要求6所述的具有这种类型的压力传感器装置的、用于过程仪表设备的测量变换器。

背景技术

在过程技术设施中，为了控制过程而使用各种现场设备用于过程仪表设备。测量变换器用于检测过程变量，例如介质的温度、压力、流量、液位、密度或气体浓度。借助于促动器，能够对应于例如由可编程逻辑控制器或总站预设的策略取决于所检测的过程变量影响过程流程。促动器的实例可以提及调节阀、加热器或泵。尤其在方法技术方面的设备中，压力测量变换器在自动化的生产流程中是主要的传感器部件。关于最佳的设施表现和持续高的产品质量，需要高质量的测量变换器，所述测量变换器也在极端条件下提供长期稳定的和存在少量错误的测量值。

从DE 196 08 321 C2中已知具有过载保护系统的压力传感器装置，所述压力传感器装置能够在用于压力差的测量变换器中用作为记录器或测量单元。已知的测量单元是用油填充的，使得原本的压力传感器与可能腐蚀性的过程介质分开。过载保护系统由多个彼此相对应的膜片以及精确匹配于此的油填充物构成。因此，这种测量单元的结构是相对耗费成本的，并且为了制造测量单元需要多个焊接工艺。此外，对部件几何形状、材料特性和焊接参数的公差链存在高精度要求。原本的压力传感器的电接触例如必须经由耐高压的玻璃穿引装置从测量单元的压力加载的内部空间向外引导至电子单元，在所述电子单元中执行信号处理以确定压力测量值。

由EP 2 294 376 B1已知另一种压力传感器装置。在那里，为了检测压力，使用具有多个彼此折弯的膜片部段的膜片。一个膜片部段作为分离膜片设置在压力管的横截面中，并且一个相对于其折弯的膜片部段作为侧壁膜片设置在压力管壁部的区域中。施加在分离膜片上的压力差引起所述分离膜片的变形，所述变形由于两个膜片部段之间的固定的角度而传递到侧壁膜片上，使得侧壁膜片的由此决定的变形同样再现了压力管之内的压力关系。用于检测膜片变形的装置布置在侧壁膜片的外侧，该装置由此不与要被测量压力的介质接触。由于第一膜片部段作为分隔膜片在管的横截面中的布置，已知的压力传感器装置不仅作为绝对压力传感器使用也作为压差传感器使用，这取决于是否在分隔膜片的一侧施加所限定的基准压力或是否在的分隔膜片两侧加载测量压力。已知的压力传感器装置设置用于在柴油机微粒过滤器监控的区域中使用，从而测量在颗粒过滤器之前和之后的废气压力并因此确定其加载的水平。与过程仪表设备不同，出现在任何情况下都较小的静态压力。然而，在所描述的压力传感器装置中，压力差测量不利地显著取决于尤其引起侧壁膜片的变形的静态压力，并且仅可以不充分地对所述缺点进行补偿，因为所述补偿以施加在管外壁上的应变传感器的精确定位为前提，该定位在实践中几乎不能以所需要的精度实现。

发明内容

本发明的目的是提供一种压力传感器装置，其特征在于简单的结构设计并且同时适用于用于过程仪表设备的测量变换器。

为了实现该密度，开头所述类型的压力传感器就有在权利要求1的特征部分中提到的特征。在从属权利要求中描述了本发明的有利改进方案。在权利要求6中描述了一种具有这种压力传感器装置的用于过程仪表设备的测量变换器。

本发明具有以下优点：铰接部的扭转，也就是在膜片的外侧区域与管内壁之间所夹的角度的变化出现在管壁附近，并由此可以从外部在测量技术上对该扭转进行检测。尤其是相对于已经在DE 196 08 321 C2中已知的压力传感器装置，新的装置具有管，在管的横截面中布置有由待测压力加载的膜片，该装置具有的优点是它们的结构设计更容易，因为不需要油填充、不需要相应的过载保护系统、不需要压力密封的玻璃套管并且也不需要焊接连接部。用于检测铰接部扭转的传感器可以以有利的方式布置在介质接触空间的外部，使得传感器与填充油或过程介质之间不会相互作用。这将提供具有高度长期稳定性和牢固设计的压力传感器装置。另外，由于膜片不暴露于任何静态压力下，所以没有压力传感器装置过载的风险。管和膜片可以由钢作为单一部件主要通过切削以相对较低的成本制成。

在本发明的一个特别有利的设计方案中，为了实现铰接部，膜片在其环周区域中具有的厚度比在其中央区域更小的厚度，该中央区域然后代表实际的膜片。这具有如下优点：由于较小的材料厚度，边缘区域具有较低的弯曲刚度，这导致借助于固体铰接部悬挂膜片。以这种方式，获得了具有特别简单的结构和低生产成本的铰接部。因此通过边缘区域的、相对于其临接的厚度较大的区域和相对于另一侧上的弯曲刚度较高的管道降低的弯曲刚度来实现铰接部的功能，其中厚度较大的区域代表实际膜片。

根据另一个有利的设计方案，管的外壁在与膜片相对的区域中具有用于局部地减小管厚度的凹部。铰接部通过该弯曲刚度降低的区域形成为固体铰接部，该弯曲刚度降低的区域从而部分地进入管壁，从而在凹部的局部区域中其也至少部分地承担了固体铰接部的功能。铰接部的扭转因此在管的外侧表现为表面膨胀或压缩，并且因此能以特别简单的方式从外部在测量技术上检测。

当应变传感器为了检测取决于铰接部扭转的表面膨胀而布置在管的外侧上的凹部中时，能够以有利的方式实现在检测膜片变形时的高灵敏度，而不必使为此必须的转换器接触过程流体。

当在凹部中添加有中心地相对于膜片平面延伸的、部分地伸入到膜片中的间隙并且该间隙的宽度小于膜片厚度时，则能以有利的方式实现降低在连续应力下的材料疲劳进而实现延长压力传感器装置的寿命。在此，间隙的宽度为膜片厚度的大约三分之一和一半之间被证明是特别有利的。通过这种措施，弯曲刚度特别是在膜片的最外侧边缘区域中被降低，其中在该最外侧边缘区域中膜片紧贴管壁。

出于牢固性、耐压性以及对静态压力的不敏感性的原因，压力传感器装置特别适合用作用过程仪表设备的测量变换器中的测量单元或测量变换器。

附图说明

参照其中示出了本发明的实施例的附图，下面更详细地解释本发明及其改进方案和优点。

图中示出：

图1是压力传感器装置的截面图，

图2示出了根据图1的压力传感器装置的放大细节。

具体实施方式

在附图中相同的部件被赋予相同的附图标记。

在根据图1的纵截面图中能够良好地识别出膜片1在管2的横截面中的原理性布置。在将示出的压力传感器装置应用在用于过程仪表设备的压力测量变换器中时，管2的两个端部3和4可以分别利用在图1中未示出的盖子封闭，通过其将具有待测压力的过程介质在绝对压力传感器的情况中输送至膜片1的一侧或者在压差传感器的情况中输送到膜片1的两侧。用于评估由压力传感器装置产生的并且取决于分别待测压力的电信号的电子单元能够以常规方式设计并且同样未在图1中示出。在图1中显而易见的是，压差测量单元的结构性构造在使用通过固体铰接部5与管2的内壁连接的膜片1时相对于具有过载保护系统的常规测量单元被大大简化。过程介质在压差测量变换器的情况中被直接引导到膜片1的两侧上，所以不需要油填充、不需要过载保护系统的昂贵的结构，焊接过程和用于电信号的压力密封的玻璃套管可以省略。另外，管2和膜片1可以主要通过切削来一体制造。测量单元的尺寸可以被设计成，使得其能够在其至测量变换器的其余组件的机械接口方面与传统的测量单元相容，从而使得仅需替换测量单元、也就是说所示的压力传感器装置，并且法兰部件、壳体等能够由传统测量变换器接管。

在实际的实施中，管2和膜片1例如由钢制成，其中膜片1具有约2mm的厚度和约55mm的直径。

图2示出了图1的部段II的放大图，其中示出了用于安装用于检测膜片1的取决于压力的变形的装置7和/或8的可能性。当然，在实际的实施中，仅安装一个应变传感器7或8当然就足以产生电信号，该电信号可通过未示出的电子单元评估以确定压力值。应变传感器7和/或8的装配可以通过在分别使用的管2材料、例如不锈钢上的长期稳定的非蠕变窗玻璃(Aufglasung)来实现。优选地，使用非常小的准点状测量的压阻应变传感器，其被设计为惠斯通全桥。然后由于尺寸非常小的原因，空间温度梯度经由测量单元的相对大的、视材料而定可能导热不好的管2对测量的影响很小。

这两幅图显示了一种状态，在该状态中，膜片1右侧的过程介质的压力显著高于左侧。这导致膜片向左偏转并且导致铰接部5的扭转，如在图2中清楚可见。借助于定位在最大机械应力区域中的应变传感器7和/或8可以高灵敏度地测定铰接部5的扭转。施加到膜片1上的压力在此基本上与管2的外壁上可测量的机械应力成比例。通过凹部10(图1)，管2的壁的厚度在设置用于安装用于检测变形的装置7、8的区域中局部地减小一些。另外，间隙9中央地相对于膜片1的平面部分地添加到铰接部5的区域中。这具有这样的有点，即通过弯曲刚性降低的区域在膜片1与管2之间实现了固体铰接部，该弯曲刚性降低的区域部分地伸入到管壁中，从而使其至少部分地承担固体铰接部的功能。另外，在外部铰接部区域中的剪应力通过间隙9减小。在将压力传感器装置应用在用于过程仪表设备的测量变换器中时，在需要时可以在为了连接电子器件壳体而通过凹部10与管2焊接的颈部中出于安全原因设置稳定的盖，其在管壁在变细的位置处破裂的情况下阻止过程流体泄漏到电子器件壳体中。

在图2中，特别清楚的是，通过在膜片1与管2的壁之间的区域中形成固体铰接部5以及补充地通过在壁中的凹部10，膜片1的与压差成比例的偏转从管内部的与介质接触的区域向外传导。在由于压力传感器装置的特殊设计而呈现高值的最大机械延展的区域中，可以使用应变传感器7和/或8，其将机械延展转换为与隔膜片1的偏转成比例的电信号。因此，与过程仪表设备的压力测量变换器的常规构造的测量单元相比，测量单元的这种结构因此产生显着的设计优点，下面简要概述：

-不需要具有油填充的过载保护系统，

-在批量生产中的简单低成本构造，

-在接触介质的空间外的应变传感器，

-支撑不会与填充油发生反应以及牢固的设计，

-膜片不承受静压并进而没有压力传感器装置过载的风险，

-不需要耐压的玻璃套管，以将电信号从测量元件的加压内部引出，

-显著减少所需元件的数量，

-没有钢膜片的附有公差的焊接工艺，以及

-使用具有全桥电路的应变传感器的良好的温度补偿。

在通过应变传感器7和/或8对铰接部5的扭转的所描述检测的一个变体中，其中在实施例中通过膜片1在其边缘区域中的收缩部实现该铰接部，可以替代地或附加地通过指示器检测扭转，其例如固定到间隙9的底部并且从间隙9中突出，从而将扭转向外部引导。当然，在本发明的上下文中还可以考虑另外没有进一步解释的扭转检测的替代方案。