分隔膜、具有所述类型的分隔膜的隔膜密封件以及具有所述类型的隔膜密封件的压力测量单元的制作方法

测量装置的制造及其应用技术1.本发明涉及分隔膜、具有所述类型的分隔膜的隔膜密封件以及具有所述类型的隔膜密封件的压力测量单元。在工业过程测量技术中，通常借助于液压传送流体将待测量的压力传送给压力传感器。在此情况下，传送流体借助于分隔膜与压力待测量的介质分隔。分隔膜通常以金属材料为特征，并且是波纹状的，以便经由较大的体积行程实现压力与体积行程之间的线性关系。背景技术：2.分隔膜尤其会由于传送流体的热膨胀而偏转。相比之下，在大多数情况下，与压力相关的偏转相对较低。分隔膜的偏转伴随着由分隔膜分隔的体积之间的压力差，该压力差充当测量误差。分隔膜应该尽可能柔软，使得所述测量误差保持较小。专利ep 2 300 739b1公开了一种具有非轴对称形状的极其柔软的分隔膜，其极其柔软。然而，该分隔膜的生产成本相对较高。因此，仍然需要优化的轴对称分隔膜，其中，原则上，预期有更大的刚性。为了能够容易地补偿由分隔膜引起的压力差，如果特性曲线在压力与体积之间尽可能线性地延伸是有利的。3.di giovanni在isbn 0-8247-1281-1“平面和波纹状隔膜设计手册”中概述了根据现有技术的分隔膜的特性的定量描述。因此，所谓的窦膜(即，具有规则波动图案的分隔膜)的无量纲特性等式给出为：[0004][0005]此处，p是引起偏转的分隔膜两侧的压力差，e是分隔膜材料的弹性模量，a是分隔膜的直径，h是其材料厚度，并且y是压力差引起的分隔膜中心的偏转。然后，对应于中心偏转y的体积v可以例如用抛物面近似法v＝πa2y/2或用圆锥近似法v＝πa2y/3来估计。[0006]系数ap和bp是波动图案的轮廓因子q的函数，并且给出如下：[0007][0008]以及[0009][0010]其中，μ是分隔膜材料的泊松比，并且轮廓因子q作为轮廓深度h的函数给出如下：[0011][0012]可以看出，线性系数ap随着q的增加而增加，而立方系数bp随着q的增加而下降。这意味着具有较大压印深度h的分隔膜在小偏转的情况下更刚性，但是在较大偏转的情况下不太强烈地偏离线性。[0013]然而，对于普通的分隔膜材料，例如1.4435型钢，压印深度h不能任意增加。它被限制为最大值h/h《4。因此，关于具有规则波动图案的分隔膜的分隔膜特性曲线的线性设定了限制。技术实现要素：[0014]因此，本发明的目的是提供一种具有改善的线性的分隔膜。根据本发明，该目的通过根据权利要求1所述的分隔膜、根据权利要求15所述的隔膜密封件和根据权利要求16所述的压力测量单元来实现。[0015]根据本发明的分隔膜包含：[0016]特别是平面的边缘区域，用于将分隔膜接合到隔膜密封体；[0017]工作区域，其相对于边缘区域在轴向方向上偏移至少三个膜厚度，特别是七个半膜厚度；[0018]边缘区域与工作区域之间的过渡区域，其在该过渡区域的外径的至少八分之一，例如不小于七分之一，特别是不小于六分之一的径向区域上延伸，其中过渡区域在不大于该过渡区域的外径的四分之一，特别是不大于五分之一的径向区域上延伸；[0019]其中工作区域具有大致平面的中心，其半径特别不小于过渡区域的外径的六分之一，[0020]其中在大致平面中心与工作区域的边缘之间的工作区域具有压印图案或波动图案，[0021]其中，特别地，从静止位置到具有不小于250，特别是不小于300的无量纲压力当量p*，分隔膜具有特性曲线p*(w)，其中，对于该特性曲线的线性回归的确定系数r2，以下适用：(1-r2)《1％，例如，(1-r2)《0.5％，特别地(1-r2)《0.25％。[0022]在本发明的发展中，对于上述线性回归的斜率s＝dp*(w)/dw，s《24，特别是s《20。[0023]无量纲压力当量p*被给定为：[0024][0025]无量纲偏转w被给定为：[0026][0027]在上述等式中，p是膜两侧之间的压力差，e是膜材料的弹性模量，a是膜半径，h是膜厚度，并且y是在给定体积位移v下假设圆锥近似法的膜中心的偏转，这产生了压力差p。[0028]在本发明的进一步发展中，波动图案邻接平面中心并且延伸到工作区域的边缘。[0029]在本发明的进一步发展中，波动图案的振幅从内向外递减。[0030]在本发明的进一步发展中，平面中心的半径不超过该过渡区域的外径的六分之一，例如不超过七分之一，特别是不超过八分之一。[0031]在本发明的进一步发展中，波动图案具有不超过七个半波列，例如不超过六个半波列，并且特别是不超过五个半波列。[0032]在本发明的进一步发展中，在两个极值之间波动图案的最内波列具有不小于一个膜厚度，特别是不小于四分之五个膜厚度的轴向距离。[0033]在本发明的进一步发展中，在两个极值之间波动图案的最内波列具有不超过两个膜厚度，例如，不超过四分之七个膜厚度，特别是不超过三个半膜厚度的轴向距离。[0034]在本发明的进一步发展中，在两个极值之间波动图案的最外波列具有不超过四分之三个膜厚度，例如，不超过半膜厚度的轴向距离。[0035]在本发明的进一步发展中，过渡区域具有截头圆锥形形状。[0036]在本发明的进一步发展中，波动图案的平均波列不小于六个膜厚度，例如，不小于七个膜厚度。[0037]在本发明的进一步发展中，波动图案的平均波列不超过十个膜厚度，例如，不超过九个膜厚度。[0038]在本发明的进一步发展中，过渡区域的外径不小于膜厚度的两百倍，例如，不小于两百五十倍，特别是不小于两百七十倍。[0039]在本发明的进一步发展中，过渡区域的外径不超过膜厚度的三百六十倍，例如，不超过三百倍。[0040]在本发明的进一步发展中，从静止位置到不小于250，特别是不小于300的无量纲压力当量p*的偏转点，分隔膜具有大致轴对称的形状。[0041]根据本发明的隔膜密封件包含：[0042]根据本发明的分隔膜；以及[0043]隔膜密封体，其中隔膜密封体具有围绕膜床的环形支撑表面；其中该边缘区域接合到支撑表面以在隔膜密封体与分隔膜之间形成隔膜密封室。[0044]根据本发明的压力测量单元包含：根据本发明的隔膜密封件，压力传感器元件，以及液压路径，该液压路径与隔膜密封室连通，以借助于传送流体将隔膜密封室中占主导的压力传送到传感器元件，其中测量压力室中和液压路径中的传送流体的总量，使得该分隔膜从其静止位置偏转到这样的程度，即，对于300k与550k之间的温度，由分隔膜施加在传送流体上的压力超过该传送流体的蒸汽压。附图说明[0045]基于附图中所示的示例性实施例，在下文中更详细地解释本发明。展示了以下内容：[0046]图1a：根据现有技术的各种分隔膜的特性曲线(虚线)和根据本发明的分隔膜的示例性实施例的特性曲线(实线)；[0047]图1b：根据本发明的分隔膜的示例性实施例在无量纲坐标中的特性曲线；[0048]图2：根据现有技术的分隔膜的轮廓z(r)；[0049]图3：根据本发明的分隔膜的示例性实施例的轮廓z(r)；以及[0050]图4：根据本发明的压力测量单元的示例性实施例的纵向视图。具体实施方式[0051]图1展示了p(v)图，其中展示了各种分隔膜的特性曲线。点划线特性曲线和双点划线展示了使用抛物面近似法确定的分隔膜的特性曲线，并且该分隔膜根据di giovanni具有17.5mm的直径，在25μm的分隔膜厚度下有比率h/h＝2且h/h＝4。[0052]虚线特性曲线展示了直径为17.5mm且分隔膜厚度为25μm的分隔膜的测量数据。图2中展示了分隔膜处于静止位置时该分隔膜的轮廓。分隔膜具有三个压印的同心环形半波，它们相对于其周围环境指向相同的方向，即图2中向下。压印深度h具有与大约2个分隔膜相同的厚度。分隔膜的基本形状不是平面的，而是具有相对于边缘降低了大约2.5个分隔膜厚度的中心。特性曲线基本上平行于根据di giovanni的压印深度h/h＝2的特性曲线延伸，具有平面的基本形状。虽然在h/h＝4的压印深度下，根据di giovanni的具有平面基本形状的分隔膜具有较小的线性偏差，但是仍然难以补偿由于分隔膜的偏转而导致的测量误差，特别是在体积大于20μl的情况下。还应指出，当使用圆锥近似法估计体积行程时，与偏转y相关联的体积要小三分之一。因此，当使用锥形近似法进行估计时，对于根据di giovanni的分隔膜，线性偏差甚至会更明显。另一方面，实线展示了根据本发明的直径为17mm的分隔膜的示例性实施例的特性曲线，相对于静止位置直至40μl的体积行程，该分隔膜具有几乎恒定的刚度。这意味着在分隔膜的线性方面比现有技术有了相当大的改进。[0053]在图1b中，根据本发明的分隔膜的特性曲线以无尺寸表示，与具体的测量和材料无关。基于此类表示，不同尺寸的分隔膜可以相互比较。在使用圆锥近似法确定的无量纲偏转w约为17的情况下，无量纲压力当量p*约为300。[0054]无量纲压力当量p*被给定为：[0055][0056]无量纲偏转w被给定为：[0057][0058]在上述等式中，p是膜两侧之间的压力差，e是膜材料的弹性模量，a是膜半径，h是膜厚度，并且y是在给定体积位移v下假设圆锥近似法的膜中心的偏转，这产生了压力差p。[0059]对于p*＝0和p*＝300之间的偏转，特性曲线的线性回归的斜率s＝dp*/dw小于20，并且对于r2确定度，以下适用：(1-r2)《0.25％。根据di giovanni的窦膜和根据图2所示的现有技术的膜形状不能实现这种值的组合。[0060]图3展示了根据本发明的分隔膜100的示例性实施例的膜中心线z(r)，其特性曲线在图1a和图1b中示出。[0061]分隔膜100包含平面边缘区域110和工作区域120，它们通过大致截头圆锥形的过渡区域130相互连接。分隔膜100沿着边缘区域110的外径借助于圆周接头连接到隔膜密封体。工作区域包括大致平面的中心122，该中心被延伸至工作区域的外边缘的波动图案124包围，过渡区域130邻接该外边缘。平面中心122不具有任何有助于体积行程增加的波动图案。该区域中的波动图案对总体积行程的贡献也没有什么帮助，因为中心下方的体积由于半径小而非常小。然而，轮廓可以出现在平面中心122中，例如，当分隔膜100被压印在膜床上时，该膜床在其中心具有用于传送流体的开口。即使此类开口的轮廓被压印在平面中心122中，后者在本发明的意义上仍然被认为是平面中心。[0062]分隔膜100具有金属材料，特别是耐介质钢，例如1.4435，并且具有大约30μm的材料厚度。分隔膜100的外径大约为8.5mm。过渡区域130的外径约为8.2mm，而过渡区域的内径不超过8mm。过渡区域的高度超过四个膜的厚度。[0063]波动图案具有五个半波列，其振幅从内向外递减。因此，波动图案的两个外部极值之间的差大约为膜厚度的三分之一，而波动图案的两个内部极值之间的差大约为膜厚度的三分之四。平面中心122的半径大约为分隔膜100半径的十分之一。[0064]以此方式形成的分隔膜展示了观察到的线性行为。该形状通过在隔膜密封体的膜床上压印平面圆形膜坯来获得，该膜坯沿其边缘接合到隔膜密封体，该膜坯的轮廓用作分隔膜的模具。[0065]图4展示了根据本发明的压力测量单元200，其包含根据本发明的隔膜密封件140，隔膜密封件140具有根据本发明的分隔膜100。分隔膜100沿着其边缘区域110的外径接合到与隔膜密封体150的边缘区域152的圆周接合处，其中平面圆形膜坯接合到隔膜密封体150，并且分隔膜100的最终形状通过在隔膜密封体150的膜床154上压印圆形膜坯而产生。由于分隔膜100的材料的弹性，在膜床154上压印之后，分隔膜100弹回其由压印限定的平衡位置，因此在分隔膜100与隔膜密封体150之间形成隔膜密封室160。液压路径162从隔膜密封室160延伸到压力传感器元件180，以便将隔膜密封室160中占主导的压力施加到压力传感器元件180的传感器室182中的测量膜184。液压路径162包含穿过隔膜密封体150的孔164和毛细管线路166，毛细管线路166在隔膜密封体150与压力传感器元件180之间延伸。选择封闭在分隔膜100与测量膜184之间的空间中的传送流体的量，使得分隔膜在300k已经被轻微预加应力，使得在300k以上，由预加应力引起的传送流体上的压力高于传送流体的蒸汽压。以此方式，防止当存在于分隔膜处的介质压力下降到低于传送流体的蒸汽压时，传送流体除气(outgassing)。[0066]压力传感器元件具有本文未详细示出的电转换器，以便提供由压力测量单元200的测量电路190处理的依赖于压力的主要信号。压力测量单元200还具有基本上金属的壳体192，压力传感器元件180和测量电路190布置在该壳体中，其中壳体192在此处连接到隔膜密封体150。









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