專利名稱：電容壓力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電容壓力傳感器，特別是電容陶瓷壓力傳感器。
背景技術(shù)：
為了測量過程介質(zhì)的壓力，在壓力測量技術(shù)中的許多應(yīng)用中使用這種壓力傳感器，其中過程介質(zhì)能夠以液體、氣體或蒸汽的形式存在。特別地，這種壓力傳感器包括由基體和彈性孔板，特別是陶瓷基體和陶瓷孔板，構(gòu)成的壓力測量單元。在基體中提供淺凹口。凹口被稱為孔板床。其由孔板跨過。在測量期間，孔板承載過程介質(zhì)的壓力，并且彈性孔板的形變(其例如被電容地或電阻地記錄)是壓力的量度。例如，在德國公開文本DE 39 01 492中公開了相應(yīng)的壓力測量單元。
在采取測量期間，典型地將壓力測量單元夾持在介質(zhì)側(cè)的彈性密封環(huán)和支持環(huán)之間，其中密封環(huán)位于傳感器孔板側(cè)的端面，支持環(huán)軸向支持基體的遠離孔板的端面，正如德國公開文本DE 42 13 857所述。
由于對于給定的壓力，孔板的形變依賴于孔板的有效剛性，有必要在壓力傳感器的標(biāo)定之后將孔板剛性在測量范圍中保持盡可能恒定。因此，盡可能少的軸向力作用于壓力測量單元是特別重要的，因為軸向向內(nèi)的作用力能夠降低孔板剛性，并且軸向向外的作用力能夠增加孔板剛性。
之前為了降低軸向力的影響而作出的努力首先關(guān)注于將后側(cè)摩擦力解耦。為此，例如在受讓人以Cerabar為名制造并出售的電容壓力傳感器的情況中，在基體的后端面和支持環(huán)之間設(shè)置高分子膜。另外，為了最小化由于摩擦鎖定而引起的橫向力的引入，盡可能減小介質(zhì)側(cè)彈性密封環(huán)的軸向承載壓力。這些方法確實已經(jīng)得到了測量精度的提高；但是，仍然期望進一步降低分布的軸向力。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種上述類型的改進的壓力傳感器。根據(jù)本發(fā)明，通過獨立權(quán)利要求1中定義的壓力傳感器和獨立權(quán)利要求12中定義的用于設(shè)計壓力傳感器的方法而實現(xiàn)該目的。
為了改進壓力傳感器，本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)驗明干擾的軸向力的另一源頭并且基本消除它們?，F(xiàn)在將基于圖2解釋本發(fā)明的基本思想。壓力測量單元的基體應(yīng)當(dāng)是充分剛性的，使得它在承載壓力時不變形。然而，這當(dāng)然不是絕對的，而僅僅是理想化狀態(tài)，因為依據(jù)自然法則，基體材料的彈性模數(shù)是有限量。因此，基于使用有限元方法(下面稱為FEM)的計算，確定在密封環(huán)8和支持環(huán)2之間的壓力測量單元6的軸向夾持可以導(dǎo)致基體后側(cè)在軸向上約10mn～100nm的彈性形變。
關(guān)于壓力傳感器的測量精度，已經(jīng)證明支持環(huán)2的內(nèi)徑φ2是這一點的特別關(guān)鍵的因素。如果支持環(huán)2的支承面過大，即，如果內(nèi)徑φ2過小，則由具有直徑φ8的密封環(huán)8引入壓力測量單元或基體的軸向夾持力導(dǎo)致壓力單元中的彎曲力矩，這整個導(dǎo)致測量孔板的徑向向外的形變，正如圖2b中放大顯示的。以相似的方式，當(dāng)支持環(huán)2的支承面過小時，即支持環(huán)2的內(nèi)徑φ2過大時(比較圖2c)，面向密封環(huán)8的端面徑向向內(nèi)彈性形變。圖中所示的位移矢量僅用于說明；它們不是量化計算的結(jié)果。
如果所述的徑向形變能夠保持恒定，則它們可能是可以接受的。然而，實際中并非如此，因為徑向形變也是軸向夾持力的函數(shù)，而軸向夾持力特別地依賴于引入軸向夾持力所通過的彈性密封環(huán)的老化或人工老化。例如，當(dāng)具有新安裝的密封環(huán)的壓力傳感器被加熱至80℃時，軸向夾持力可以被不可逆轉(zhuǎn)地從500N減至大約400N。
于是，徑向形變的改變實際上僅可以通過設(shè)計而避免，其中，即使以最大軸向夾持力也不會發(fā)生明顯的軸向形變。
因此，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案在于，對于具有給定尺寸和材料特性的壓力測量單元確定支持環(huán)2的內(nèi)徑φ2，在該內(nèi)徑處，壓力測量單元在測量孔板接頭區(qū)域中的徑向形變基本被消除，使得由于改變的軸向夾持力而引起的孔板剛性變化被最小化到合理的殘差。當(dāng)前不可能對于支持環(huán)的尺寸給出完備的解析表達式作為其它尺寸的函數(shù)。然而，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員，可以基于這里提供的解決途徑而無需其它知識，利用FEM確定支持環(huán)的必需的尺寸?？捎玫暮线m的仿真軟件例如有ANSYS。
本發(fā)明的壓力傳感器包括壓力測量單元，其具有基本為圓柱形且為第一直徑和第一厚度的基體、具有第二直徑和第二厚度且連接至基體的端面的測量孔板，并且壓力測量單元被軸向夾持在具有第三直徑和第三厚度的彈性密封環(huán)和具有第四外徑、第四內(nèi)徑和第四厚度的支持環(huán)之間，彈性密封環(huán)位于壓力測量單元的孔板側(cè)的端面上，支持環(huán)支持壓力測量單元的遠離孔板的后端面；其中，進一步，支持環(huán)的尺寸匹配密封環(huán)和壓力測量單元的尺寸，使得由于壓力測量單元的軸向夾持而引起的孔板側(cè)的端面的軸向形變充分小，使得由于軸向夾持力減小至少10％而引起的壓力傳感器的量程誤差不大于約0.02％。
優(yōu)選地，支持環(huán)的尺寸被優(yōu)化到這樣的程度由于夾持力減小至少20％而引起的量程誤差不大于約0.02％。
特別優(yōu)選的是，當(dāng)支持環(huán)的尺寸被優(yōu)化到這樣的程度在夾持力減小至少10％或至少20％的情況下，量程誤差不大于約0.01％。
在這里，量程誤差是指關(guān)于減小的軸向夾持力，在最大壓力的測量值和在沒有壓力負載時的測量值之間的差與在滿軸向夾持力情況下相應(yīng)的差之間的偏差。滿軸向夾持力代表例如具有新的密封環(huán)的壓力傳感器被組裝以能夠安全保持規(guī)格壓力(甚至在密封環(huán)的老化或人工老化之后)所使用的軸向夾持力。
在當(dāng)前的優(yōu)選實施例形式中，軸向夾持力在350N～550N之間。然而，選擇的夾持力特別依賴于密封種類以及壓力傳感器的額定壓力或者規(guī)格。
優(yōu)選地，基體和測量孔板由相同材料制成，當(dāng)前優(yōu)選為陶瓷材料，特別是剛玉。測量孔板優(yōu)選地與基體的直徑大約相同。特別地，在陶瓷壓力傳感器的情況中，可以利用活性銅焊料或玻璃粘合劑在基體端面上固定測量孔板。在另一優(yōu)選實施例形式中，接頭包括燒結(jié)剛玉。
在當(dāng)前的優(yōu)選實施例形式中，支持環(huán)使用與基體相同的材料。這是具有優(yōu)點的，使得支持環(huán)具有與基體相同的熱膨脹系數(shù)。優(yōu)選地，支持環(huán)應(yīng)當(dāng)由至少與基體剛性相同的材料制成。支持環(huán)的外徑不應(yīng)小于，優(yōu)選地應(yīng)等于，基體的直徑。在當(dāng)前的優(yōu)選實施例形式中，支持環(huán)與基體固定連接。這可以通過軟焊例如利用活性銅焊料完成，或通過膠接完成。最后，支持環(huán)可以與基體一體制造。支持環(huán)優(yōu)選地具有至少與基體相同的厚度。
優(yōu)選地，本發(fā)明的壓力傳感器包括金屬外殼，其特別是鐵制的，具有用于壓力測量單元的基本為圓柱形的測量單元腔，其中外殼內(nèi)部具有軸向支承面，其軸向支持密封環(huán)。另外，優(yōu)選地提供螺紋環(huán)，其適合圓柱形測量單元腔中的內(nèi)螺紋，并且向支持環(huán)遠離壓力測量單元的后側(cè)施加軸向夾持力。
優(yōu)選地，提供裝置用于最小化螺紋環(huán)和支持環(huán)之間的摩擦。為此，可以使用塑料涂層或薄膜，例如Kapton或Teflon，硬且光滑的涂層，例如DLC(金剛石)，或潤滑劑，例如二硫化鉬。優(yōu)選地，支持環(huán)和螺紋環(huán)之間的靜摩擦系數(shù)小于0.2。


現(xiàn)在以附圖中所示實施例為基礎(chǔ)，解釋本發(fā)明，附圖中圖1是本發(fā)明的壓力傳感器的截面；圖2a-c是壓力測量單元由于軸向夾持力的軸向形變的示意圖；和圖3a-c是關(guān)于壓力測量單元在軸向夾持力下的形變的FEM數(shù)據(jù)。
具體實施例方式
圖1所示的壓力傳感器包括壓力測量單元6，其具有基體和剛玉測量孔板，利用活性銅焊料將測量孔板固定至基體的前端面。利用活性銅焊料將剛玉的支持環(huán)2固定至基體的后側(cè)端面，其中支持環(huán)2的外徑等于基體的直徑φ1。壓力測量單元6和支持環(huán)2放置在不銹鋼外殼中，該不銹鋼外殼具有圓柱形測量單元腔1以及在測量單元腔1一端的開口處設(shè)置的過程連接法蘭7。過程連接法蘭7從測量單元腔1的圓柱形壁徑向向內(nèi)延伸，并且同時形成軸向支承面，其中形成環(huán)形槽71用于接收彈性密封環(huán)8。壓力測量單元6的孔板側(cè)端面軸向壓向密封環(huán)8。
通過密封環(huán)8的壓縮及其彈性特性而確定夾持力。密封環(huán)的壓縮是通過在作用于支持環(huán)2后側(cè)的螺紋環(huán)5的位置組裝壓力傳感器而設(shè)置的。彈性特性由于密封環(huán)在壓縮下的老化或人工老化而改變。在所述的實施例中，最初的夾持力為500N。在密封環(huán)的人工老化之后，夾持力減至400N，其中密封環(huán)的人工老化可能在操作中由于以蒸汽對傳感器進行的清潔周期而發(fā)生。
現(xiàn)在對于實施例解釋支持環(huán)的最優(yōu)內(nèi)徑φ2的確定。特定的尺寸是基體直徑φ1＝32.4mm，基體厚度D1＝5mm，孔板厚度160μm，活性銅焊料層厚度55μm。支持環(huán)假定為“無限剛性”。
利用FEM，對于支持環(huán)的不同內(nèi)徑φ2確定對于500N和400N的軸向夾持力的形變，并且類似地用FEM計算在負載額定壓力的情況下由此得到的量程。通過比較500N夾持力和400N夾持力處的量程，確定量程誤差。
通過改變內(nèi)徑φ2，可以確定最優(yōu)值，或者足夠好的值，如圖3a-c所示。
圖3a-c顯示了對于支持環(huán)的不同內(nèi)徑φ2，在基體和測量孔板之間的接頭的內(nèi)緣周圍部分的位移的矢量表達。
在圖3a中，內(nèi)徑為27.8mm。這個內(nèi)徑過大。所示的在500N夾持力處的矢量域顯示了徑向向內(nèi)的位移，其減小孔板剛性。于是量程在這個情況中變大。與未夾持的單元相比，量程改變約為+0.8％。在夾持力為400N的情況中，量程改變減至大約+0.64％。于是量程誤差約為-0.16％。
在圖3b中，內(nèi)徑為10.0mm。這個內(nèi)徑過小。所示的在500N夾持力處的矢量域顯示了徑向向外的位移，其增加孔板剛性。于是量程在這個情況中變小。與未夾持的單元相比，量程改變約為-0.1％。在夾持力為400N的情況中，量程改變減至大約-0.08％。于是量程誤差為+0.02％。
在圖3c中，內(nèi)徑為23.2mm。這個內(nèi)徑幾乎是理想的。所示的在500N夾持力處的矢量域顯示了在接頭區(qū)域中幾乎沒有能夠改變孔板剛性的任何徑向位移。與未夾持的單元相比，量程改變約為-0.01％。在夾持力為400N的情況中，量程改變減至大約-0.008％。于是量程誤差為+0.002％。
以這種方式，對于支持環(huán)找到了適于給定的壓力測量單元尺寸的內(nèi)徑，以充分消除由軸向夾持力引起的壓力測量單元的徑向形變。將這個知識應(yīng)用到實際中，支持環(huán)優(yōu)選地具有不小于壓力測量單元的厚度的厚度，以正確地假設(shè)足夠的剛性、軸向支持。
在進一步的方法實施例中，為了確定支持環(huán)的理想幾何形狀，假設(shè)無限剛性的支持環(huán)具有與壓力測量單元的基體相同的彈性模數(shù)。支持環(huán)的厚度及其內(nèi)徑，以及支持環(huán)和螺紋環(huán)之間的摩擦都是變化的。結(jié)果證實，前面描述的在無限剛性支持環(huán)假設(shè)下的仿真已經(jīng)確定了合適的內(nèi)徑。證明了無限剛性支持環(huán)的假設(shè)對于厚度與基體厚度相等的支持環(huán)比對于較薄的支持環(huán)更適合。在較薄的支持環(huán)的情況中，例如為基體厚度的0.25倍厚，當(dāng)前要考慮的是支持環(huán)和螺紋環(huán)之間的摩擦的影響比支持環(huán)與基體厚度相同的情況中要大。
于是，當(dāng)要使用較薄的支持環(huán)時，具有優(yōu)點的是用更復(fù)雜的模型執(zhí)行仿真，該模型考慮了支持環(huán)和螺紋環(huán)之間的摩擦以及支持環(huán)的彈性特性。當(dāng)然，對于厚支持環(huán)的結(jié)果，例如具有基體厚度的支持環(huán)，在利用更復(fù)雜的模型時更精確，但是正如已經(jīng)提到的，利用簡單的模型已經(jīng)可以確定合適的幾何結(jié)構(gòu)。
最后，螺紋環(huán)的尺寸也是變化的，并且結(jié)果顯示，基本上可以忽略這些尺寸的影響。
權(quán)利要求
1.壓力傳感器，包括壓力測量單元，其具有具有第一直徑和第一厚度的基本為圓柱形的基體，具有第二直徑和第二厚度的測量孔板，其連接至基體的端面，其中壓力測量單元被軸向夾持在以下二者之間具有第三直徑和第三厚度的彈性密封環(huán)，其位于壓力測量單元的孔板側(cè)端面上，和具有第四外徑、第四內(nèi)徑和第四厚度的支持環(huán)，其中支持環(huán)支持壓力測量單元的遠離孔板的后端面；其特征在于支持環(huán)的尺寸以這樣的方式匹配密封環(huán)和壓力測量單元的尺寸，即由于壓力測量單元的軸向夾持而引起的孔板側(cè)的端面的軸向形變充分小，使得由于軸向夾持力減小至少10％而引起的壓力傳感器的量程誤差不大于約0.02％。
2.如權(quán)利要求1所述的壓力傳感器，其中這樣選擇支持環(huán)的內(nèi)徑，使得量程誤差在夾持力減小至少20％的情況下不大于約0.02％。
3.如權(quán)利要求1所述的壓力傳感器，其中這樣選擇支持環(huán)的內(nèi)徑，使得量程誤差在夾持力減小至少10％或至少20％的情況下不大于約0.01％。
4.如權(quán)利要求1～3之一所述的壓力傳感器，其中軸向夾持力在350N～550N之間。
5.如權(quán)利要求1～4之一所述的壓力傳感器，其中基體和測量孔板由相同材料制成，優(yōu)選為陶瓷材料。
6.如權(quán)利要求1～5之一所述的壓力傳感器，其中支持環(huán)由與基體相同的材料制成。
7.如權(quán)利要求1～6之一所述的壓力傳感器，其中支持環(huán)與基體固定連接。
8.如權(quán)利要求1～7之一所述的壓力傳感器，其中支持環(huán)至少具有基體的厚度。
9.如權(quán)利要求1～8之一所述的壓力傳感器，進一步包括外殼，其具有用于接收壓力測量單元的測量單元腔，其中外殼內(nèi)部具有軸向支承面，其軸向支持密封環(huán)，該壓力傳感器還包括螺紋環(huán)，其嚙合測量單元腔壁中的內(nèi)螺紋，并且向支持環(huán)遠離壓力測量單元的后側(cè)施加軸向夾持力。
10.如權(quán)利要求1～9之一所述的壓力傳感器，進一步包括用于最小化螺紋環(huán)和支持環(huán)之間的摩擦的裝置。
11.如權(quán)利要求1～9之一所述的壓力傳感器，其中支持環(huán)和螺紋環(huán)之間的靜摩擦系數(shù)小于0.2。
12.用于迭代優(yōu)化如前面任一權(quán)利要求所述壓力傳感器的支持環(huán)的尺寸的方法，包括步驟(i)確定支持環(huán)的幾何形狀；(ii)計算在第一軸向夾持力下壓力傳感器的第一量程改變；(iii)計算在第二軸向夾持力下壓力傳感器的第二量程改變；(iv)通過比較第一量程改變和第二量程改變，獲得量程誤差；(v)求值量程誤差；以及(vi)改變支持環(huán)的幾何形狀，并重復(fù)步驟(ii)～(vi)，直至找到對于足夠小的量程誤差的合適的幾何形狀。
全文摘要
本發(fā)明的目的是最小化壓力傳感器的量程誤差，該壓力傳感器包括基本為圓柱形的基體和連接至基體的端面的測量孔板，其中在彈性密封環(huán)和支持環(huán)之間軸向夾持壓力測量單元，其中彈性密封環(huán)位于壓力測量單元的孔板側(cè)的端面上，支持環(huán)在背面支持壓力測量單元。通過以這樣的方式將支持環(huán)的尺寸與密封環(huán)和壓力測量單元的尺寸匹配而實現(xiàn)所述目的，即由于壓力測量單元的軸向夾持而引起的孔板側(cè)的端面的軸向形變充分小，使得由于軸向夾持力減小至少10％而引起的壓力傳感器的量程誤差不大于約0.02％。利用FEM迭代確定支持環(huán)的幾何結(jié)構(gòu)。
文檔編號G01L19/06GK1668905SQ03815543
公開日2005年9月14日 申請日期2003年7月1日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月2日
發(fā)明者烏爾費爾特·德勒韋斯, 伊戈爾·格季曼, 弗蘭卡·黑格納 申請人:恩德萊斯和豪瑟爾兩合公司