本發(fā)明總體上涉及用于加壓流體的流通壓力傳感器。更具體地，本發(fā)明涉及用于流通壓力傳感器的傳感器主體。

背景技術(shù)：

高性能液體色譜（HPLC）和UPLC^?液體色譜系統(tǒng)要求在運行壓力范圍上的穩(wěn)定高壓系統(tǒng)流動。例如，根據(jù)系統(tǒng)能力和具體應(yīng)用，系統(tǒng)壓力可以是小于數(shù)千磅每平方英寸（psi）（14兆帕斯卡（MPa））至大于20,000 psi（140 MPa）。在另一示例中，用于灌注引動和凈化（prime and purge）循環(huán)的噴射壓力可以是150 psi（1.0 MPa）。壓力傳感器能夠用于獲得系統(tǒng)內(nèi)多個位置處的壓力測量值，以便檢驗適當(dāng)?shù)膲毫途_地維持指定的系統(tǒng)壓力。

流通壓力（flow through pressure）傳感器通常比用于色譜應(yīng)用的其它類型的壓力傳感器更為優(yōu)選，以使流動路徑中的死體積最小化。死體積能夠?qū)е聵悠坊蚱渌黧w組分被攔截，并且可以導(dǎo)致后續(xù)的色譜分離中的交叉污染。常規(guī)的流通壓力傳感器通常采用應(yīng)變計和可以包括惠斯通電橋和信號處理部件的傳感器電路。這些流通壓力傳感器就能夠測量的壓力的范圍而言是受限的。通過在增加的壓力范圍上使用這樣的壓力傳感器能夠?qū)е逻^早失效，并且增加傳感器電路的放大能夠?qū)е滦盘査p。此外，這些傳感器可能難以制造、組裝和測試。

常規(guī)的流通壓力傳感器能夠被制造成在附接至應(yīng)變計的應(yīng)變計表面的平面和容納或通過加壓流體的孔的壁之間具有不同的孔壁厚度。每個孔壁厚度對應(yīng)于能夠精確測量的有限的壓力范圍。因此，需要具有類似構(gòu)造但具有不同的應(yīng)變計表面的孔壁厚度的大量傳感器來覆蓋大范圍的壓力。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

在一方面，本發(fā)明的特征在于用于流通壓力傳感器的傳感器主體。該傳感器主體包括入口端口、出口端口和孔，該孔具有孔表面并且沿孔軸線在入口端口和出口端口之間延伸。傳感器主體具有應(yīng)變計表面，該應(yīng)變計表面具有彎曲區(qū)段和沿傳感器主體的長度的一部分延伸的長度。傳感器主體具有一定孔壁厚度，其被限定為孔表面和傳感器主體的外表面之間的徑向距離，其中該外表面包括應(yīng)變計表面。

在另一方面，本發(fā)明的特征在于用于流通壓力傳感器的傳感器主體。傳感器主體包括入口端口、出口端口和孔，該孔具有孔表面并且沿孔軸線在入口端口和出口端口之間延伸。傳感器主體具有：應(yīng)變計表面，該應(yīng)變計表面具有沿傳感器主體的長度的一部分延伸的長度；彎曲區(qū)段，其由具有與孔軸線重合的圓筒軸線的圓筒表面的一部分限定；從彎曲區(qū)段的邊緣延伸的第一平面區(qū)段；以及從彎曲區(qū)段的相對邊緣延伸的第二平面區(qū)段。傳感器主體具有一定孔壁厚度，其被限定為孔表面和傳感器主體的外表面之間的徑向距離，其中該外表面包括應(yīng)變計表面。

在又一方面，本發(fā)明的特征在于包括傳感器主體和箔式應(yīng)變計的流通壓力傳感器。傳感器主體具有入口端口、出口端口和孔，該孔具有孔表面并且沿孔軸線在入口端口和出口端口之間延伸。傳感器主體具有應(yīng)變計表面，該應(yīng)變計表面具有沿傳感器主體的長度的一部分延伸的長度。應(yīng)變計表面具有彎曲區(qū)段、從彎曲區(qū)段的邊緣延伸的第一平面區(qū)段和從彎曲區(qū)段的相對邊緣延伸的第二平面區(qū)段。傳感器主體具有一定孔壁厚度，其被限定為孔表面和傳感器主體的外表面之間的徑向距離，其中該外表面包括應(yīng)變計表面，并且其中所述孔壁厚度對于應(yīng)變計表面的彎曲區(qū)段而言是恒定的。

附圖說明

通過結(jié)合附圖參見以下描述可以更好地理解本發(fā)明的上述及其它優(yōu)點，其中各種圖中同樣的附圖標(biāo)記指代同樣的元件和特征。為了清晰，并沒有在每幅圖中標(biāo)記每個元件。附圖不必要成比例，而是將重點放在說明本發(fā)明的原理上。

圖1是常規(guī)流通壓力傳感器的傳感器主體的透視圖示。

圖2A、圖2B和圖2C分別是圖1的傳感器主體的側(cè)視圖、俯視圖和橫截面?zhèn)纫晥D。

圖3是具有金屬導(dǎo)體圖案的箔式應(yīng)變計的圖示，其適于感測沿一條軸線的應(yīng)變。

圖4是圖1的傳感器主體在應(yīng)變計表面的位置處沿孔軸線的橫截面視圖。

圖5是應(yīng)力隨沿圖1的傳感器主體的應(yīng)變計表面的寬度的距離而變的曲線圖。

圖6是根據(jù)本發(fā)明的實施例的流通壓力傳感器的傳感器主體的透視圖示。

圖7A、圖7B和圖7C分別是圖6的傳感器主體的側(cè)視圖、俯視圖和橫截面?zhèn)纫晥D。

圖8是圖6的傳感器主體在應(yīng)變計表面的位置處沿孔軸線的橫截面視圖。

圖9A示出疊加在圖5的曲線圖上的、應(yīng)力隨沿圖6的傳感器主體的應(yīng)變計表面的弧長度的距離而變的曲線圖，其中圖6的傳感器主體的最小孔壁厚度是圖5所表示的傳感器的最小孔壁厚度的兩倍。

圖9B示出疊加在圖5的曲線圖上的、應(yīng)力隨沿圖6的傳感器主體的應(yīng)變計表面的弧長度的距離而變的曲線圖，其中兩個曲線圖所表示的傳感器主體的最小孔壁厚度是相同的。

圖10是根據(jù)應(yīng)變計表面的三個不同彎曲區(qū)段的應(yīng)力隨沿圖6的傳感器主體的應(yīng)變計表面的弧長度的距離而變的曲線圖，其中每個彎曲區(qū)段相對于孔軸線在不同角度上延伸。

具體實施方式

在本說明書中提及“一種實施例”或“一個實施例”意味著在教導(dǎo)的至少一種實施例中包括結(jié)合該實施例所描述的特點、特征、結(jié)構(gòu)或特性。提及說明書內(nèi)的具體實施例不必要全部提及相同的實施例。

如本文所使用的那樣，孔壁厚度意味著限定孔的圓筒表面和圍繞該孔的主體的外表面之間的徑向距離。因此，對于具有中央孔的名義圓筒主體而言，孔壁厚度對應(yīng)于外圓筒表面和孔表面之間的徑向距離和主體中的外表面特征和孔表面之間的徑向距離。例如，相比于主體的外圓筒表面的孔壁厚度，對于表面特征上的點，名義圓筒主體中的凹入表面特征將具有更小的孔壁厚度。

如本文所使用的那樣，傳感器主體意味著形成傳感器的部分的主體、物體或者結(jié)構(gòu)。可以將額外的傳感器部件（諸如傳感器裝置、電子部件和電路）附接到傳感器主體并且上述傳感器部件可以經(jīng)由電氣的、光學(xué)的、無線的或其它通信形式與傳感器主體上或傳感器主體中、或者遠(yuǎn)離傳感器主體的其它傳感器部件通信。

根據(jù)本發(fā)明的原理的用于流通壓力傳感器的傳感器主體的實施例包括表面，以接收應(yīng)變計（諸如箔式應(yīng)變計）。相比于應(yīng)變計被限制于平面表面上的狹窄區(qū)域的用于常規(guī)流通壓力傳感器的傳感器主體，本文所描述的實施例具有能夠測量應(yīng)變的更大的響應(yīng)表面區(qū)域。常規(guī)壓力傳感器主體的更小響應(yīng)表面區(qū)域需要應(yīng)變計更加緊湊并且通常導(dǎo)致測量精確性的降低。

基于本文所描述的傳感器主體的實施例的流通壓力傳感器的優(yōu)點包括能夠用單個壓力傳感器測量更大范圍的壓力、提高的部件可靠性和壽命，以及增加的對壓力變化的敏感性。

現(xiàn)在將參考如附圖中所示的本教導(dǎo)的實施例更加詳細(xì)地描述本教導(dǎo)。雖然結(jié)合各種實施例和示例描述了本教導(dǎo)，但是不旨在將本教導(dǎo)限制于這樣的實施例。相對地，如本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到的那樣，本教導(dǎo)涵蓋各種替代方案、改型和等價物。能夠利用本文的教導(dǎo)的那些普通技術(shù)人員將意識到落入如本文所描述的本公開的范圍內(nèi)的額外實施方式、改型和實施例，以及其它應(yīng)用領(lǐng)域。

圖1示出常規(guī)流通壓力傳感器的傳感器主體10的透視示圖。該流通壓力傳感器能夠用于各種應(yīng)用，包括確定液體色譜系統(tǒng)中的系統(tǒng)流動或其它流動的壓力。來自壓力傳感器的輸出測量信號或者輸出數(shù)據(jù)可以用于控制一個或多個泵系統(tǒng)，諸如用于使流動相（mobile phase）加壓的泵。圖2A、圖2B和圖2C分別是圖1的傳感器主體的側(cè)視圖、俯視圖和橫截面?zhèn)纫晥D。

參考圖1至圖2C，傳感器主體10的形狀近似為圓筒。呈中央孔的形式的流體通路12沿與主體的縱軸線重合的孔軸線18從入口端口14延伸到出口端口16。端口14和16被構(gòu)造成用于聯(lián)接到流體導(dǎo)管，例如，通過使用壓縮配合部件，諸如壓縮螺母和箍圈。其它結(jié)構(gòu)特征包括抗旋轉(zhuǎn)凹入表面20，其適于接收外部結(jié)構(gòu)元件，以防止傳感器主體10圍繞孔軸線18旋轉(zhuǎn)。當(dāng)流體導(dǎo)管連接到入口端口14或出口端口16時，能夠使用抗旋轉(zhuǎn)表面來防止傳感器主體10旋轉(zhuǎn)和被損壞。

傳感器主體10包括應(yīng)變計表面22和兩個相鄰的平行平面表面24。應(yīng)變計表面22是傳感器主體10的外表面的一部分并且具有平坦的矩形形狀。完整的流通壓力傳感器包括附接到應(yīng)變計表面22的箔式應(yīng)變計。例如，圖3示出用于沿一個（水平）方向測量應(yīng)變的應(yīng)變計的金屬箔導(dǎo)線分布圖（conductor pattern）。箔式應(yīng)變計也包括柔性絕緣層（未示出），其布置在金屬箔導(dǎo)線分布圖下方并且將分布圖與應(yīng)變計表面22分離。再次參考圖1至圖2C，粘接劑或者粘合劑被用于將箔式應(yīng)變計附接到應(yīng)變計表面22。由于表面22根據(jù)中央孔24中的流體的壓力變形，因此使金屬箔分布圖變形，從而導(dǎo)致其電阻的改變。阻抗由惠斯通電橋電路或者其它電氣電路確定。對應(yīng)的流體壓力由測量的阻抗確定。應(yīng)變計表面22可以具有大于箔式應(yīng)變計的面積的面積，以允許存在用于連接到箔上的電觸點的線的空間。能夠代替地或者額外地通過使用在相鄰平面表面24上方可用的體積做出對線的通達(dá)（access）。

圖4示出在與應(yīng)變計表面22的相交的平面中沿孔軸線18的橫截面視圖。中央孔12將加壓流體從入口端口沿著沿孔軸線18的方向引導(dǎo)到出口端口?？妆诤穸葟难刎Q直方向的最小值T_min變化到最大值T_max，該最大值T_max等于傳感器主體的半徑R_body和孔12的半徑R_bore的差異。最大孔壁厚度T_max延伸越過傳感器主體10的多于一半的圓周。主要將應(yīng)變施加在由沿應(yīng)變計表面22的長度L（圖2B）限定的小區(qū)域上和寬度W的一部分上，該部分對應(yīng)于圍繞孔軸線18的狹小角度θ，在該角度上孔壁厚度近似是T_min。

也參考圖5，曲線42表明根據(jù)沿面距離或?qū)挾萕的位置（如從寬度W的中點開始測量），響應(yīng)于20,000 psi（140 MPa）的壓力沿應(yīng)變計表面22施加的應(yīng)力。高且窄的應(yīng)力峰明顯地位于寬度W的中心，在對應(yīng)于最小孔壁厚度T_min的位置處。這個應(yīng)力廓線沿對應(yīng)于應(yīng)變計表面22的長度L的方向（圖2B）延伸進(jìn)入附圖的平面內(nèi)。

經(jīng)歷顯著應(yīng)變的應(yīng)變計表面22的有限面積導(dǎo)致定位箔式應(yīng)變計的緊密容差并且需要執(zhí)行困難的校準(zhǔn)。為了改善壓力傳感器的敏感性以便測量更低的壓力，能夠減少最小孔壁厚度T_min；但是，由于爆裂或者其它結(jié)構(gòu)失效，結(jié)果可能是壽命的減少。

圖6示出根據(jù)本發(fā)明的用于流通壓力傳感器的傳感器主體30的實施例的透視圖示。圖7A、圖7B和圖7C分別是圖6的傳感器主體30的側(cè)視圖、俯視圖和橫截面?zhèn)纫晥D。傳感器主體30優(yōu)選地由高純度鈦合金制成；不過在其它實施例中，傳感器主體30由不同金屬（諸如不銹鋼合金）或者能夠與加壓流體相容并且適于不超過材料的彈性形變極限的循環(huán)應(yīng)變負(fù)載的非金屬材料制成。

傳感器主體30的形狀類似于圖1的傳感器主體10，不過僅設(shè)有一對抗旋轉(zhuǎn)表面36。此外，包括兩個環(huán)狀溝槽38，并且上述環(huán)狀溝槽38被構(gòu)造成接收O形圈以使得能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器主體30的外表面和分離的結(jié)構(gòu)或主體的周圍周向表面之間的密封。

應(yīng)變計表面32顯著地不同于圖1的常規(guī)傳感器主體10中的配對表面22。具體地，應(yīng)變計表面32包括第一平面區(qū)段32A，其無縫地與彎曲區(qū)段32B的邊緣34A合并，并且從該邊緣34A延伸。第二平面區(qū)段32C無縫地與彎曲區(qū)段32B的另一側(cè)上的相對邊緣34B合并，并且從該邊緣34B延伸。彎曲區(qū)段32B相對于孔軸線18周向地延伸越過近似90°的角度。

圖8是與應(yīng)變計表面32相交的平面中沿孔軸線18的橫截面視圖，并且圖9A示出響應(yīng)于20,000 psi（140 MPa）的壓力的沿應(yīng)變計表面32的弧長度L_arc施加的應(yīng)力的曲線40。圖5的應(yīng)力曲線對應(yīng)于圖1的傳感器主體10的應(yīng)變計表面22，并且其最小孔壁厚度是圖6的傳感器主體30的最小孔壁厚度T_min的一半，疊加該應(yīng)力曲線作為曲線42以便比較。因此，曲線42呈現(xiàn)曲線40的峰值應(yīng)力的近似兩倍。傳感器主體30的更大孔壁厚度產(chǎn)生關(guān)于疲勞應(yīng)力的更大的安全邊際，同時提供更大的可測量響應(yīng)區(qū)域以允許與傳感器主體10測量相同的壓力。圖9B示出圖9A的應(yīng)力曲線40，并且也示出如果傳感器主體10的最小孔壁厚度T_min增加到等于傳感器主體30的最小孔壁厚度時，傳感器主體10的應(yīng)力曲線43。因此，傳感器主體10上的更厚孔壁在以減小的壓力敏感性的代價下產(chǎn)生更大的安全邊際。

曲線40示出穿過傳感器主體30的弧長度L_arc，寬闊的應(yīng)力區(qū)域是明顯的，其對應(yīng)于存在于彎曲區(qū)段32B的整個區(qū)域上的并且相對于孔軸線18延伸越過近似90°的角度φ的最小孔壁厚度T_min。在其它實施例中，角度φ能夠是不同的。例如，為了在不改變最小孔壁厚度T_min的情況下實現(xiàn)改進(jìn)的敏感性，彎曲區(qū)段32B能夠延伸越過實質(zhì)上更大的角度φ。

圖10示出響應(yīng)于20,000 psi（140MPa）的壓力、應(yīng)力分別隨針對60°、90°和135°的三種不同角度φ的弧長度L_arc而變的曲線44、40和48。當(dāng)傳感器主體具有帶有更小直徑的中央孔時，更大的角度φ可以是優(yōu)選的，以補(bǔ)償產(chǎn)生的增加的孔壁厚度。

實際上，圖8中示出的應(yīng)變計表面32等價于圖4中所示的應(yīng)變計表面22圍繞孔軸線18的彎曲。箔式應(yīng)變計是柔性的并且采取表面32（其粘接至該表面32）的總體形狀。在一些實施例中，箔式應(yīng)變計的寬度窄于彎曲區(qū)段32B的弧長度L_arc。在其它實施例中，箔式應(yīng)變計寬于彎曲區(qū)段32B的弧長度L_arc并且延伸到平面區(qū)段32A和32C中的一者或兩者的至少一部分上。

雖然由于壓力變化，應(yīng)變計表面32處的應(yīng)力變化總體上小于對于相同的壓力變化，在類似的最小孔壁厚度處傳感器主體10（圖1）的應(yīng)變計表面22上的窄應(yīng)力帶的應(yīng)力變化，但是傳感器主體30的應(yīng)變計表面32的實質(zhì)上更大的響應(yīng)區(qū)域?qū)е嘛@著更大的累積效應(yīng)，并且對于相同的壓力變化從箔式應(yīng)變計產(chǎn)生實質(zhì)上更大的電響應(yīng)。更具體地，具有最小孔壁厚度T_min的彎曲區(qū)段32B的弧長度L_arc由下式給出：

L_arc = (φ/360) * 2π(R_bore + T_min)。

因此，應(yīng)變計表面32的感測面積實質(zhì)上大于常規(guī)傳感器主體的感測面積。感測面積近似由弧長度L_arc和應(yīng)變計表面32的長度的乘積得出（圖7B）。因此，裝備有與常規(guī)傳感器主體相同的箔式應(yīng)變計的傳感器主體30能夠用于監(jiān)測更大范圍的壓力。替代性地，傳感器主體30能夠用作對于固定的壓力范圍具有增加的精確性的流通壓力傳感器的一部分。

有利地，由于應(yīng)變計表面32具有實質(zhì)上更大的響應(yīng)面積，因此最小壁厚度T_min能夠更大，從而可以在沒有常規(guī)傳感器主體的緊密公差需求的情況下制造傳感器主體30。因此，可以采用其它形式的制造工具并且可以減少制造時間和成本。

雖然上文所描述的傳感器主體的實施例包括應(yīng)變計表面，并且該應(yīng)變計表面包括限定為具有與孔軸線重合的圓筒軸線的圓筒表面的一部分的彎曲區(qū)段，但是其它實施例的應(yīng)變計表面能夠包括其它非平面區(qū)段，使得有助于箔式應(yīng)變計的輸出信號的表面面積實質(zhì)上大于常規(guī)傳感器主體的該表面面積。例如，圖7中的彎曲區(qū)段32B在附圖的平面中被示為延伸通過圓的圓周的四分之一的弧，彎曲區(qū)段可以代替地由拋物線的一部分、橢圓的一部分或者產(chǎn)生增加的響應(yīng)面積的其它非線性節(jié)段限定。

如上文所述，通過使用所示實施例，減少了能夠用于覆蓋大范圍壓力的傳感器主體30的數(shù)量。每個傳感器主體30具有對應(yīng)于針對其預(yù)期用途的壓力范圍的最小孔壁厚度T_min，不過所有傳感器主體的電路構(gòu)造和部件能夠是相同的。此外，在一些實施例中，針對相同的壓力范圍，用于傳感器主體30的最小壁厚度T_min大于用于常規(guī)傳感器主體的最小壁厚度，從而產(chǎn)生改進(jìn)的可靠性和增加的壽命。

雖然已經(jīng)參考具體實施例示出并且描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解的是，在不背離如所附權(quán)利要求所陳述的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以在形式和細(xì)節(jié)方面對本發(fā)明作出各種改變。