壓力測量傳感器的製作方法

2023-05-06 10:54:22 1

本發明涉及一種用於測量液體介質的壓力的壓力測量傳感器，其具有與外部隔離的導電隔膜，在待測量的壓力下的液體介質能夠被施加到導電隔膜的外表面。

背景技術：

壓力傳感器用於測量壓力的工業壓力測量設備中，例如隔膜密封件中或壓力或壓差測量儀器中。

它們通常具有通過金屬隔膜與外部隔離的內室，當在操作時待由壓力傳感器測量的壓力能夠被施加到隔膜的外表面。其內室填充有壓力傳遞液體，其用於將作用在隔膜上的壓力從外部傳遞到連接到內室的目的地。

壓力測量傳感器的隔膜通常由金屬製成，諸如不鏽鋼，並且具有預定的厚度，這取決於壓力測量傳感器的設計和要使用的壓力範圍。隔膜的厚度的典型值在20μm至150μm範圍內。由於隔膜的功能確定的低厚度，所以存在隔膜機械或化學損壞的風險。用於例如通過局部地穿透腐蝕，在隔膜的任何點處的這種類型的穿透損壞的術語應當是膜破裂。

當膜破裂發生時，加壓介質在破裂位置處透入壓力測量傳感器中，並且改變壓力測量傳感器的壓力傳遞特性。這導致壓力測量傳感器的故障——至少在一段時間後。此外，存在從壓力測量傳感器逸出的液體傳遞壓力並且汙染與隔膜接觸的介質的風險。

在de10131855a1中，描述了具有用於檢測膜破裂的裝置的壓力測量傳感器。其包括傳感器，該傳感器被布置在連接到壓力測量傳感器的內室的測量室中，並且通過計量方法測量並且監測壓力傳遞介質的導電率或介電常數。一旦從外部作用在隔膜上的液體介質由於膜破裂而透入壓力測量傳感器中，只要透入測量室，從而導致被監測的被測變量改變，該裝置就會檢測到膜破裂。

為了儘量最小化膜破裂的不良後果，這可能超出更換有缺陷的隔膜，並且還可能採取任何必要的安全措施，重要的是儘可能早地檢測到膜破裂。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種能夠在早期檢測出具有膜破裂的壓力測量傳感器。

為此，本發明包括用於測量液體介質的壓力的壓力測量傳感器，其具有與外部隔離的導電隔膜，在待測量的壓力下的液體介質能夠被施加到導電隔膜的外表面，其特徵在於

-至少一個電極被布置在隔膜的面向內室的內表面上，所述電極通過布置在電極和隔膜之間的絕緣層與隔膜電絕緣並且機械地連接到隔膜，以及

-連接到由隔膜和電極形成的電容器的測量電路，所述測量電路通過計量方法測量和監測取決於電容器的電特性的被測變量，當隔膜的膜破裂發生時，電特性通過介質透入電容器的區域而改變。

本發明的第一變形的特徵在於

-介質是導電的，

-被測變量是電容器的歐姆電阻，以及

-測量電路包括用於測量由隔膜和電極形成的電容器的歐姆電阻的電阻測量電路。

第一變形的發展的特徵在於

-電極通過經由壓力測量傳感器的內室的路徑的連接引線被連接到測量電路，以及

-隔膜通過導電連接，特別是經由沿著壓力測量傳感器的金屬支撐件的連接，被連接到測量電路，所述支撐件包圍內室，並且通過隔膜與外部隔離。

本發明的第二變形的特徵在於

-被測變量是取決於由交流電路中的電容器引起的交流電流和交流電壓之間的相移——特別是取決於相移的損耗角的正切或電容器的介電功率損耗——的被測變量，以及

-測量電路包含測量電路，特別是功率損耗測量電路，其通過計量方法記錄該被測變量。

本發明的第三變形的特徵在於

-兩個電極被布置在隔膜的內表面上，其彼此電絕緣，並且通過絕緣層與隔膜電絕緣並且機械地連接到隔膜，

-每個電極與隔膜一起形成電容器，

-被測變量是取決於由在交流電路中串聯連接的兩個電容器引起的交流電流和交流電壓之間的相移——特別是取決於相移的損耗角的正切或串聯連接電容器的介電功率損耗——的被測變量，以及

-測量電路包含連接到電極的測量電路，特別是功率損耗測量電路，其通過計量方法記錄該被測變量。

本發明的實施例的特徵在於，當被測變量偏離利用完好的隔膜測量的參考值時，測量電路檢測到膜破裂。

第二或第三變形的發展的特徵在於

-測量電路在經由測量電路施加的交流電壓的至少兩個不同頻率處確定被測變量，以及

-當在不同頻率處確定的兩個被測變量表現出頻率依賴性時，測量電路檢測到膜破裂。

第二或第三變形的發展的特徵在於

-當隔膜完好時頻率低於截止頻率，超過截止頻率時被測變量是頻率依賴的，以及

-頻率落在100hz至100khz的頻率範圍內，並且特別地，覆蓋從100hz到100khz的頻率範圍，特別是至少一個頻率落在小於1千赫茲範圍內、至少一個頻率落在幾千赫茲的範圍內，和/或至少一個頻率落在大於10khz的範圍內。

根據壓力測量傳感器的優選實施例，電極由金屬製成，——特別是由銀製成。

根據本發明的壓力測量傳感器的發展的特徵在於

-絕緣層包括一個或多個疊置層，特別是布置在隔膜上的碳化矽層和布置在其上的類金剛石層，以及

-每個層由電介質組成，特別是由碳化矽、類金剛石或二氧化矽製成。

根據本發明的壓力測量傳感器的進一步發展的特徵在於，絕緣層包括至少一層，特別是碳化矽、類金剛石或二氧化矽的層，其形成對氫的擴散阻擋層。

根據本發明的壓力測量傳感器的進一步發展的特徵在於

-隔膜具有在20μm至150μm範圍的厚度，

-絕緣層具有在0.05μm至50μm範圍的層厚度，和/或

-電極具有在0.1μm至10μm範圍的層厚度。

根據本發明的壓力測量傳感器的優選發展的特徵在於，內室填充有壓力傳遞液體，該壓力傳遞液體將從外部作用在隔膜上的壓力傳遞到連接到內室的目的地，特別是配備有壓力傳感器並且形成壓力或壓差測量儀器的一部分的壓力測量室。

本發明還包括具有根據本發明的壓力測量傳感器的壓力或壓差測量儀器，其特徵在於

-提供在殼體中布置的壓力傳感器，

-可以經由壓力測量傳感器將從外部作用在隔膜上的壓力施加到壓力傳感器。

此外，本發明包括一種用於檢測導電隔膜的膜破裂的裝置，導電隔膜將內室與外部隔離，並且可以從外部將加壓液體介質施加到導電隔膜，其特徵在於，

-至少一個電極被布置在隔膜的面向內室的內表面上，所述電極通過布置在電極和隔膜之間的絕緣層與隔膜電絕緣，並且機械地連接到隔膜，以及

-提供測量電路，其被連接到由隔膜和電極形成的電容器，所述測量電路通過計量方法測量和監測取決於電容器的電特性的被測變量，當隔膜的膜破裂發生時，電特性通過介質透入電容器的區域而改變。

附圖說明

現在將基於示出兩個實施例的附圖更詳細地解釋本發明及其優點；相同的元件在附圖中被設置有相同的附圖標記。

圖1示出了具有根據本發明的壓力測量傳感器的壓力測量儀器；

圖2示出了圖1中電容器的等效電路圖；

圖3示出了具有帶有兩個電極的壓力測量傳感器的壓力測量儀器；

圖4示出了圖3中的電容器的等效電路圖；和

圖5示出了來自圖3的被布置在隔膜上的電極。

具體實施方式

圖1示出了配備有根據本發明的壓力測量傳感器的壓力測量儀器的實施例，該儀器用於測量液體介質中的壓力p。壓力傳感器包括支撐件1，其內室3通過導電隔膜5與外部隔離。這裡，通過密閉接合——例如焊接，隔膜5的一個外邊緣與支撐件1的面向其的端面連接。在操作中，隔膜5的遠離支撐件1的外表面受到在要由壓力測量傳感器所記錄的壓力p下的液體介質作用。

支撐件1和隔膜3由金屬製成。作為防腐蝕保護，隔膜3優選由耐腐蝕合金(諸如不鏽鋼或哈氏合金)製成，或者在其外表面上具有耐腐蝕塗層6，其作為可選特徵，僅如圖1中的虛線所示。塗層6例如由貴金屬，諸如金、鉑或銠，或含氟聚合物，例如聚四氟乙烯(ptfe)、全氟烷氧基烷烴(pfa)、氟化乙烯丙烯(fep)或乙烯氯三氟乙烯(ectfe)組成。

壓力測量傳感器的內室3通過壓力傳遞線7被連接到感測壓力p將被傳遞到的目的地。在壓力測量儀器中使用壓力測量傳感器的情況下，目的地是布置在壓力測量儀器的殼體9內的壓力測量室11，壓力傳感器13被布置在所述壓力測量室內，所述壓力傳感器經由壓力測量傳感器測量施加到其上的壓力p。壓力測量傳感器、壓力傳遞線7和壓力測量室11的內室3填充有壓力傳遞液體，該壓力傳遞液體向目的地傳遞作用在隔膜5上的壓力p。壓力傳遞液體是非導電的介電流體，其儘可能不可壓縮，並且優選具有低蒸氣壓。這裡適用的是例如在壓力測量技術中用於此目的的矽油或石蠟油。

即使利用壓差測量儀器，本發明也可以完全類似地使用，壓差測量儀器優選地配備有根據本發明的兩個壓力測量傳感器，每個壓力測量傳感器記錄兩個壓力中的一個壓力，其壓差將利用壓差測量儀器測量，並且將所述壓力傳遞給壓差傳感器。以完全相同的方式，本發明當然可以與用於其它目的的壓力測量傳感器一起使用。這些包括特別是純的隔膜密封件，其直接地或經由連接到壓力測量傳感器的內室的壓力傳遞線向目的地傳遞作用在壓力測量傳感器上的壓力。

根據本發明的壓力測量傳感器配備有用於檢測隔膜5的膜破裂的裝置。其包括至少一個電極15，其布置在隔膜5的內表面上以便面對內室3，並且與隔膜5結合形成電容器。電極15通過布置在電極15和隔膜5之間的絕緣層17與隔膜5電絕緣並且機械地連接到隔膜5。

絕緣層17由諸如例如碳化矽(sic)、類金剛石(dlc)或二氧化矽(sio2)的電介質組成，並且取決於電介質的選擇被施加到隔膜5的內表面——例如通過等離子體增強化學氣相沉積(等離子體cvd)，通過物理氣相沉積(pvd)，通過溶膠-凝膠沉積或通過聚合物沉積——特別是聚對二甲苯的沉積。

絕緣層17可以由一個或多個疊置層組成。幾個疊置層可以由相同或不同的介電材料製成，例如由上述材料製成。不同介電材料的優點在於，對於直接設置在隔膜5上的層，可以選擇特別適合粘附於隔膜5的金屬並且具有足夠彈性的材料，所述材料諸如例如為碳化矽(sic)，其通過等離子體增強化學氣相沉積(等離子體cvd)被施加，同時可以根據絕緣層17的期望性質選擇其它材料。

絕緣層17優選包括形成對氫的擴散阻擋層的至少一層。由上述電介質製成的層適用於此目的。例如，在由介質引起的隔膜5的腐蝕的情況下或者當通過介質在隔膜5上觸發氧化還原反應時的情況下形成氫，並且可以通過金屬隔膜5擴散。這裡，擴散阻擋層抵抗透入壓力測量傳感器的內室3的氫氣，並且防止壓力測量傳感器內部的壓力傳遞液體的壓力傳遞性能受到氫的侵入的損害。

電極15由諸如銀的金屬製成，優選作為金屬塗層施加到絕緣層17。電極15的應用可以通過例如來自氣相的金屬的物理沉積(pvd)來進行。

隔膜5具有通過壓力測量傳感器的設計和其中要使用其的壓力範圍預定的相對較小的厚度。隔膜5的厚度的典型值落在20μm至150μm範圍內。絕緣層17優選具有在0.05μm至50μm範圍的層厚，並且電極15優選具有在0.1μm至10μm範圍的層厚。

在膜破裂的情況下，在壓力p下的液體介質透入電容器的區域中。如果介質的電特性與絕緣層17的電特性不同，則透入介質將導致電容器的電性能的改變。

由電極15和隔膜5形成的電容器可以通過如圖2所示的等效電路圖近似描述，並且具有與其並聯連接的理想電容器c和歐姆電阻器r。雖然交流電路中的理想電容器在電流和電壓之間導致90°的相移並且具有無限大的歐姆電阻，但是在圖2所示的交流電路中的電容器c和電阻器r的並聯連接導致相移其不同於90°並且具有有限歐姆電阻rdc。

由隔膜5和電極15形成的電容器的相移和歐姆電阻rdc都是電容器的電性質，通過在膜破裂之後透入的並且具有不同於絕緣層17的電性質的液體介質改變電容器的電性質。

根據本發明，在其中液體介質透入電容器的區域中的膜破裂的情況下，由隔膜5和電極15形成的電容器的至少一個改變特性通過連接到電容器的測量電路19計量地加以記錄，並且被連續監測，並且當電容器的監測特性改變時檢測到膜破裂。

滲透液體介質改變監測特性的程度取決於液體介質的電特性與絕緣層17的相應電性能的比較。取決於液體介質的性質，介質的導電率或介電常數在這裡也是如此，諸如其極性、離子遷移率以及其離解性等因素一樣。

當隔膜5和電極15之間的絕緣完好時，電容器的歐姆電阻rdc將非常高。由50μm厚的不鏽鋼隔膜5組成的電容器的歐姆電阻、由10μm厚的碳化矽層和2μm厚的類金剛石(dlc)的層組成的兩層絕緣層17以及由銀製成的0.5μm厚的電極15因此例如位於兆歐範圍內。如果隔膜5被損壞，則這必然也將影響與其連接的絕緣層17，這將導致加壓介質透入電容器中。如果具有高導電率的介質(諸如強電解質)在隔膜5和電極15之間形成導電橋，則電容器的短路將導致伴隨的歐姆電阻急劇下降。如果該隔膜5例如暴露於10％的氯化鐵水溶液，則隔膜5將腐蝕。只要隔膜5在至少一個空間有限的位置處被腐蝕，溶液就會滲透並且引起電容器的短路，由此電容器的歐姆電阻rdc將從兆歐範圍降至幾歐姆。

在導電介質中使用壓力測量傳感器的情況下，因此優選地提供測量電路19，其通過計量方法測量電容器的歐姆電阻rdc。測量電路19通過連接引線21連接到電極15，連接引線21穿過壓力測量傳感器的內室3、壓力傳遞線7、壓力測量室11和在壓力測量室11的背離壓力測量傳感器的後壁27中提供的電套管29。測量電路19優選地通過圖1中的虛線所示的導電連接23連接到隔膜5，其從金屬隔膜5經由金屬支撐件1和壓力傳遞線7到達金屬殼體9，其中通過連接引線25連接到測量電路19。經由金屬支撐件1連接隔膜5具有在操作期間暴露於介質的隔膜5不需要設有暴露的端子觸點的優點。

測量電路19可以採取單獨的單元的形式或是連接到壓力傳感器13的電子測量模塊31的一部分，並且包括電阻測量電路33，用於計量地測量電容器的歐姆電阻rdc，以及連接到其的監測單元35，一旦歐姆電阻rdc低於基於當隔膜5完好時存在的歐姆電阻rdc確定的參考值，監測單元35連續監測所測量的歐姆電阻rdc並且檢測膜破裂。如果檢測到膜破裂，則監測單元35將經由相應的輸出37發出信號。視覺地，例如經由顯示器，或者如這裡所示通過led，或者聲學地，例如通過信號音，和/或電氣地，例如以指示損壞的電信號的形式，可以發出信號。

在被用於透入電容器中的介質僅引起比非高導電率介質的情況低得多的歐姆電阻rdc下降的壓力測量傳感器的情況下，除了歐姆電阻rdc之外，取決於由交流電路中的電容器引起的相移的被測變量優選地通過計量方法被測量並且被監測。

這裡，在圖1所示的實施例中，可以使用測量電路39代替測量電路19，代替電阻測量電路33的測量電路39具有通過計量方法對該被測變量進行記錄的測量電路41。為了這樣做，例如可以使用確定交流電流和交流電壓的相位位置並且基於它們的差來確定相移的電路。或者，可以使用功率損耗測量電路，其確定電容器的介電功率損耗或根據取決於相移的損耗角δ的與其相等的正切。為此目的，可以使用現有技術已知的並且經常被稱為「介損(tangentdelta)」測量電路的電路，其例如通過計量方法藉助於測量橋來測量功率損耗或損耗角的正切tan(δ)。

基本上，被測變量也可以與利用完好隔膜5確定的參考值進行比較，並且當被測變量與參考值不同時，可以檢測到膜破裂。

當隔膜5完好時，由隔膜5和電極15形成的電容器填充有由絕緣層17形成的電介質固體。填充有固體的電容器在高頻下，通常在千兆赫茲範圍內，產生頻率依賴的相移而它們所引起的相移在較低頻率下實際上沒有頻率依賴性。相反，容納在電容器中的液體以低得多的頻率產生由電容器引起的相移的頻率依賴性，然而隨著頻率增加而降低，並且在其中電介質固體引起頻率依賴相移的頻率範圍中實際上忽略不計。其原因是在原子或分子水平的液體中的移動性更高，這取決於液體的類型對其極化率——其在較低頻率下取決於頻率——它們的分子動力學、它們的離子遷移率或它們的解離性具有影響，並且是圖2所示的等效電路圖中提供的電阻器r的大小的重要原因。

因此，優選地在經由測量電路39施加到由隔膜5和電極15形成的電容器的交流電壓的至少兩個不同頻率處來確定被測變量，當隔膜5完好時所述頻率落在位於截止頻率下方的頻率範圍內，在截止頻率上方電容器產生頻率依賴相移在本發明的這種變形中，當在不同頻率處測量的被測變量表現出頻率依賴性時，檢測到膜破裂。當在不同頻率處測量的至少兩個被測變量不同時，就已經是該情況。

透入電容器中的液體介質導致相移的頻率依賴性的頻率範圍，並且因此取決於其的被測變量取決於介質的性質。因此，被測變量因此優選地在覆蓋儘可能大的頻率範圍的頻率(特別是100hz至100khz的頻率範圍)處加以測量。特別適合於此目的的是具有至少一個頻率在小於1千赫茲範圍內的頻率，例如500hz，至少一個頻率在幾千赫茲範圍內的頻率，例如5khz，和至少一個頻率在超過10khz的範圍內的頻率，例如20khz。這種方法具有顯著地擴大了利用裝置檢測到透入電容器中的液體介質的範圍的優點。

為了計量地記錄取決於相移的被測變量，從測量電路39向電容器施加交流電壓。與歐姆電阻rdc的測量相反，由絕緣層17引起的隔膜5和電極15之間的電流分離在此被暫停。

在圖3-圖5中示出了本發明的變形，即使當根據相移測量被測變量時，也可以保持由絕緣層17引起的電流分離。與圖1所示的實施例的不同之處在於，在隔膜5的內表面上提供彼此分開了間隙的兩個電極43。以與上述實施例完全相同的方式，電極43在這裡也被布置在絕緣層17上，通過其電極43彼此電絕緣並且與隔膜5電絕緣並且機械地連接到隔膜5。從圖5可以看出，兩個電極43在形狀上可以相同並且在隔膜5上鏡像對稱地加以布置。然而，這對於膜破裂檢測裝置的功能不是必需的，這意味著也可以提供其它電極形狀和電極布置作為替代。每個電極43與隔膜5一起形成電容器，並且從電學角度看，兩個電容器經由隔膜5串聯連接。

以與前述實施例完全相同的方式，這裡同樣依賴於交流電流和交流電壓之間的相移的被測變量，例如介電功率損耗或損耗角δ'的等效正切，通過測量電路39計量地加以記錄並且監測。然而，與之前的實施例相反，測量電路39在這裡不連接到隔膜5，而是通過穿過壓力測量傳感器的內室3的連接引線45連接到兩個電極43。因此，測量電路39根據由串聯連接的電容器引起的相移來記錄和監測被測變量。該被測變量取決於兩個電容器的電特性，並且因此一旦在膜破裂之後具有不同於絕緣層17的電特性的介質透入兩個電容器中的至少一個的區域中就會發生變化。圖4示出了這樣的等效電路圖，其中以與上述實施例完全相同的方式，兩個電容器中的每一個由部分電路圖表示，該部分電路圖包括電容器c1、c2和並聯連接到它們的歐姆電阻器r1、r2。經由隔膜5實現的兩個電容器的串聯連接在此由代表隔膜5的兩個部分電路圖之間的連接點表示。

該變形提供的優點在於經由兩個電極43進行測量，並且不通過測量電路39產生電極43和隔膜5之間的電連接。這裡，當隔膜5已經被損壞時絕緣層17仍將產生電流分離，但是不再有由穿透介質導致的與一個或兩個電極43的電流連接。

對於可能已經檢測到的膜破裂的計量記錄、監測以及檢測和發信號，本變形也將結合圖1所示的實施例以上述的方式進行，其中取決於由圖1中的電容器引起的相移的被測變量由取決於由圖3中的串聯連接電容器引起的相移的被測變量代替。

儘管本文在壓力測量傳感器的基礎上描述了本發明，但是當然也可以在其它應用中使用根據本發明的用於膜破裂檢測的裝置，其中導電隔膜將內室與外部隔離並且加壓液體介質可以被從外部施加到導電隔膜。

附圖標記列表

1支撐件

3內部空間

5隔膜

6塗層

7壓力傳遞線

9殼體

11壓力測量室

13壓力傳感器

15電極

17絕緣層

19測量電路

21連接引線

23導電連接

25連接引線

27後壁

29套管

31電子測量模塊

33電阻測量電路

35監測單元

37輸出

39測量電路

41功率損耗測量電路

43電極

45連接引線