专利名称：具有隔膜的压力传感器以及包括其的深度计的制作方法
技术领域：
本发明涉及压力传感器，该压力传感器包括主体，所述主体具有用于接收加压流 体的腔以及围绕所述腔的支承元件；盖，所述盖用止挡带紧固到主体，止挡带具有与主体的 支承元件相对应的封闭轮廓；隔膜，所述隔膜设置在主体与盖之间以便密封压力腔且在其 两侧之间的压力差的影响下能够弯曲，其中隔膜的外围区域设置在所述支承元件与所述止 挡带之间；以及传输机构，所述传输机构连接到隔膜的中心区域，用于将隔膜挠曲数据传输 到测量或指示机构。本发明还涉及包含这类压力传感器的深度计。
背景技术：
在所使用的压力传感器中，尤其是在压力计或深度计中，隔膜(也称为“膜”)通常 采用金属盘的形式，具有同心波纹以便改变弹性挠曲幅值。这类隔膜可通过焊接(例如，见 德国专利申请No. 10147124)固定到传感器中，但是也可以在不用焊接的情况下例如通过 夹持来固定，这可见于WO专利申请No. 01/01098。然而，这种隔膜的精确制造十分复杂且 再生产水平不高。而且，在传感器经受超过操作压力的压力时，不容易阻止隔膜经受塑性变 形。因此，寻求使用平坦隔膜，但是紧固隔膜的方法仍继续导致十分明显的缺陷。如果 隔膜的外围区域被焊接到传感器结构，那么这会减少隔膜在塑性变形之前能够经受的弹性 变形；因此，传感器的灵敏度降低。此外，焊接对于每个焊缝而言引入了不同的刚度属性。得 到的隔膜挠曲不精确性显然会降低传感器的精度，且进一步使得难以使用止挡构件来防止 隔膜的塑性变形。通过将隔膜插入到传感器结构中来紧固隔膜同样导致一些前述的缺陷。我们也将阐述给予非焊接隔膜宽的U形型面的可能性，其中平坦形状被与密封垫 圈协作的竖直边缘围绕。在该情形中，隔膜是容量庞大的，升高边缘仅用于密封，且最重要 的是，U中的弯曲部是由流体压力引起的应力集中的区域，从而限制隔膜在进入塑性域之前 能够经受的弹性变形。
发明内容
本发明的目的是形成简单结构的压力传感器，该压力传感器允许隔膜在流体压力 下尽可能地自由弯曲，同时保持良好的密封水平。附加的目的是防止隔膜在传感器可能必 须经受的整个压力范围内(甚至超出操作压力)的任何塑性变形的风险。另一附加目的是 允许传感器简单地制造和容易地组装。因此，本发明提供一种在上述前序部分中所指出的压力传感器类型，特征在于，隔 膜具有大致平坦的形状，并且当隔膜在压力腔中的流体压力增加的影响下弯曲时，隔膜的 外围区域能在止挡带上枢转。具体地说，这意味着隔膜的外围区域并不通过焊接或插入其 中来刚性地连接到主体或连接到盖，故因此实质上自由伴随隔膜的任何弯曲。由于这些特征，隔膜针对给定的压力比在通过将其外围区域焊接或插入而被固定 时可具有更大的弹性变形。因此，其中心区域增加的挠曲有利于传输到测量或指示机构。省
3去刚性紧固系统会降低由这类紧固系统的变化性所产生的不精确性，并因此改进了压力传 感器的精度。此外，平坦盘状隔膜例如通过切割金属片材可简单且便宜地用高的精确度和 可再生产水平制造。优选地，隔膜和止挡带是环形的，使得隔膜的支承力沿着止挡带的封闭轮廓总是 均勻的。根据本发明的特别有利的实施例，与隔膜相对，盖具有止挡表面，该止挡表面位于 盖的中心孔和止挡带之间且被设计成只要隔膜已经到达与极限压力相对应的挠曲时就保 持隔膜。这允许传感器在使用十分柔顺的隔膜时经受显著高于最大操作压力的实验压力， 这将在后文进行描述，并因此向压力传感器提供高水平的灵敏度，而没有隔膜的塑性变形 的风险。本发明的其它特征和优势从本发明以非限制性示例给出的两个实施例的后述说 明结合附图将显而易见。
图1是具有根据本发明的压力传感器的深度计的示意性正视图。图2是沿着图1中的线II - II截取的示意性局部截面图，且示出了本发明的第一 实施例。图3是图2的细节III的放大视图。图4是类似于图3的视图且示出了本发明的另一实施例。
具体实施例方式图1-3示意性地示出了使用未示出的带戴在潜水员的腕上的深度计1，该深度计 用于经由指针2指示水的深度，该指针2使用容纳在深度计外壳6中的压力传感器5相对 于刻度盘4的刻度3进行旋转。压力传感器通过机械传输装置(具体地说，具有横向探针 8的旋转轴7)连接到指针2。应当注意的是，深度计1可与相同外壳内部的手表结合，但是 这不是必不可少的。压力传感器5被安装在外壳的后盖11上，后盖11大体而言形成传感器的主体。传 感器被设置在形成于后盖11中的压力腔10上方，且经由孔(未示出)与外壳的外部连通， 使得包含在腔中的流体经受主要在深度计周围的压力。压力传感器5具有平坦的环形隔膜 12，其外围区域13被保持在后盖11与刚性盖14之间，刚性盖14紧固到外壳6中且具有中 心孔15。复位弹簧保持被压靠垫片16的探针8的自由端，垫片16被固定在隔膜12的中心 区域。垫片16能够在孔15中竖直移动且因此能够使轴7枢转。在孔15和隔膜的外围区 域13之间，盖具有稍微凹陷的底表面，该底表面界定经由孔15与外壳6的其余内部容积相 连通的腔18。该凹陷表面形成止挡表面20，只要隔膜12经受超过极限压力的差压，止挡表 面20就限制隔膜12的挠曲，这将在下文说明。外壳的内部容积包含处于接近于海平面处 大气压力的压力下的空气或其它气体。密封垫圈21 (优选地，0形环接头)压靠隔膜12的 外围区域13并将所述内部容积与压力腔10隔离。密封垫圈21还用作支承元件，用于不断 地将隔膜的外围区域13压靠盖14。如图3中更清楚地所示，0形环接头21被容纳在后盖11中的环形沟槽中，在径向方向上稍微更远一点，后盖11具有竖直边缘24，所述竖直边缘邻接盖14且其高度被选择成 使得接头21被强烈地抵靠隔膜12预加应力，以在压力传感器的整个操作压力范围内保证 它们之间的密封。接头21的压缩将隔膜的外围区域13压靠盖14的一部分，S卩，支承带25， 支承带25跟随凹陷止挡表面20的边缘且实际上与接头21的位置相对。支承带25在该示 例中是平面的，但是它也可具有凸出或尖锐的横向型面。为了避免对隔膜的变形性能的任 何不利影响，接头21形成支承元件的位置在此必须不比止挡带25的封闭轮廓伸出得更远。隔膜12的变形必须保持在传感器5将经受的整个压力范围内的弹性域中。隔膜优 选地是金属。由于在停靠时其平面形状，隔膜容易制造，例如通过切割不锈钢片材而制造。 传感器的其它元件(除了 0形环接头21外)例如可由金属或刚性合成材料制成。当深度计1被浸入水中一定的深度时，隔膜12在腔10与18之间的增加的差压下 弹性地弯曲。压力传感器5经由垫片16的竖直运动来检测隔膜的挠曲。探针8与指针2 之间的机械传输装置被设置成产生根据压力变化而变的指针的实际上线性移动。给予止挡表面20的形状对应于针对前述极限压力的隔膜12的变形型面。易于机 加工的球冠接近该型面，其对于挠曲小的环形隔膜来说理论上是抛物线。所述极限压力优 选地稍微高于深度计的最大操作压力。由于深度计通常必须要经受明显高于最大操作压力 的最大实验压力，止挡表面20的主要作用是为了防止隔膜在这种实验条件下的任何塑性 变形，因为隔膜接着被盖14支承，盖14比隔膜刚硬得多。仅与孔15相对的隔膜的中心部 分经受过量的弯曲，但是附加的应力降低且在合适的尺寸下可保持在弹性域中。当然，这些 优势同样存在于压力传感器偶尔经受过量的压力(例如在压力计中的水锤)的情形。假定隔膜的外围区域13既不焊接也不插入到支承隔膜的结构中，那么隔膜能够 几乎自由地在支承带25上枢转，以偏斜并移动得更靠近止挡表面20。在图3的设置中，该 运动仅仅改变0形环接头21的压缩力，且因此对密封无影响。凹槽26设置在接头21与边 缘24之间，以允许隔膜边缘向下移动而不受阻碍。关于传感器5的组装，清楚的是，这是特 别简单的，尤其是因为它仅需要将盖14插入到外壳6中、将接头21插入到沟槽22中、将由 边缘24横向定位的隔膜12放置在接头上、并接着以常规的方式将后盖11固定到外壳上。 边缘24的高度自动地确定接头21的预应力。根据本发明的另一实施例，如图4所示，隔膜12和深度计装置类似于图1-3中的 示例所述的，但是密封垫圈21放置成抵靠隔膜12的顶表面，因此位于盖14的侧面上处于 盖的外边缘31与环形内边缘32之间的环形沟槽30中。边缘32的底表面形成止挡带25， 隔膜12的外围区域13永久性地邻接止挡带25。在压力传感器的休息状态下，隔膜12通过 支承元件34压靠止挡带25，支承元件34围绕压力腔10且形成后盖11的一部分或者与后 盖11整体形成。支承元件34具有环形的外廓，其直径稍微小于止挡带25的直径，以便将 隔膜12弹性地抵靠所述带预加应力。此外，隔膜上的支承元件34的推力以高水平的预应 力将接头21 (在该示例中也可具有环面形状)压缩，该高水平的预应力大于最大操作压力 所需的预应力。该预应力通过将后盖11紧固到外壳6而产生。如在前述的示例中所示，图4的设置允许隔膜12在操作压力范围内的不受限制变 形，且在超过前述的极限压力时经由盖的止挡表面20支承隔膜。隔膜的外围区域13在止 挡带25上的枢转伴随有接头21的压缩的稍微减少，但是由于接头的高初始预应力而无密 封损失。在一个变型中，接头21可沿着边缘32的内侧(因此图4中的左侧)放置，使得接
5头的压缩随着外部压力而增加，但是隔膜的弯曲接着会通过由于接头引起的阻力而稍微减 少。 上述的示例示出了本发明允许压力传感器尤其是深度计的制造，该深度计能够具 有高水平的精度，这是由于隔膜的足够大的弹性挠曲幅值同时避免塑性变形的风险。该目 的是通过隔膜来实现的，隔膜用高的可再生产水平容易地制造且更易于组装同时确保高质 量的密封。
权利要求
一种压力传感器，包括主体，所述主体具有用于接收流体的压力腔和围绕所述腔的支承元件；盖，所述盖紧固到主体且设置有止挡带，所述止挡带具有与主体的支承元件相对应的封闭轮廓；隔膜，所述隔膜设置在主体与盖之间以密封压力腔，且所述隔膜在其两个表面之间的压力差的影响下能够弯曲，其中隔膜的外围区域设置在所述支承元件与所述止挡带之间；以及传输机构，所述传输机构连接到隔膜的中心区域，用于将隔膜挠曲数据传输到测量或指示机构，其中，隔膜具有大致平坦的形状，当隔膜在压力腔中流体压力增加的影响下弯曲时，隔膜的外围区域能够在止挡带上枢转，所述支承元件是安装在主体上且在主体与隔膜的外围区域之间被压缩的密封垫圈，以将所述外围区域永久性地压靠止挡带，并且密封垫圈布置成与止挡带大致相对。
2.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，隔膜和止挡带是环形的。
3.根据权利要求2所述的压力传感器，其中，隔膜由平坦的金属盘形成。
4.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，与隔膜相对，盖具有位于盖的中心孔与止 挡带之间的止挡表面，所述止挡表面定形状成只要隔膜到达与极限压力相对应的挠曲，止 挡表面就保持隔膜。
5.根据权利要求4所述的压力传感器，其中，止挡表面具有大致球冠的形状。
6.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，支承元件是刚性的，并且密封垫圈在隔膜 的外围区域与接近止挡带的盖之间被设置并压缩。
7.一种具有容纳压力传感器的外壳的深度计，所述压力传感器包括主体，所述主体 具有用于接收流体的压力腔和围绕所述腔的支承元件；盖，所述盖紧固到主体且设置有止 挡带，所述止挡带具有与主体的支承元件相对应的封闭轮廓；隔膜，所述隔膜被设置在主体 与盖之间以密封压力腔，且所述隔膜在其两个表面之间的压力差的影响下能够弯曲，其中 隔膜的外围区域设置在所述支承元件与所述止挡带之间；以及传输机构，所述传输机构连 接到隔膜的中心区域，用于将隔膜挠曲数据传输到测量或指示机构，其中隔膜具有大致平 坦的形状，当隔膜在压力腔中流体压力增加的影响下弯曲时，隔膜的外围区域能够在止挡 带上枢转，所述支承元件是安装在主体上且在主体与隔膜的外围区域之间被压缩的密封垫 圈，以将所述外围区域永久性地压靠止挡带，并且密封垫圈布置成与止挡带大致相对。
8.根据权利要求7所述的深度计，其中，所述压力传感器主体由外壳的后盖形成。
全文摘要
本发明涉及压力传感器(5)，尤其是深度计(1)，所述深度计能够具有高水平的精度，这是由于隔膜(或膜)的足够弹性挠曲幅值，同时避免任何塑性变形的风险。隔膜(12)由平坦的金属盘形成。其外围区域(13)既不焊接而不被插入，而是抵靠具有封闭的优选为环形的轮廓的止挡带(25)预加应力，且当隔膜在压力腔(10)中流体压力的影响下弯曲时能够在止挡带(25)上枢转。预加应力可经由位于与止挡带(25)相对的密封垫圈(21)来实现。在所述带与中心孔(15)之间，凹陷的止挡表面(20)限制隔膜(12)的挠曲并防止在过量压力时的任何塑性变形。用高的可再生水平来制造隔膜是容易的，且组装容易，密封质量高。
文档编号G01B13/14GK101929900SQ201010208408
公开日2010年12月29日 申请日期2010年6月18日 优先权日2009年6月19日
发明者N·雷博德 申请人:斯沃奇集团研究及开发有限公司