专利名称：具有诊断功能的电阻式压力测量单元的制作方法
具有诊断功能的电阻式压力测量单元本发明涉及一种用于测量邻接介质中分布的压力的压力测量单元，该测量单元包括这样压力测量单元的评价电路和一个包含过程连接的电子压力测量装置，一个放置在其上的壳体和一个这样的测量单元。发明进一步涉及一种诊断压力检测方法。各种类型的测量单元和测量装置已经在很长一段时间被知道了，并且它们被应用，例如在许多过程测量技术领域的计量过程监控。测量单元是测量装置的一个组件，所述的测量单元具有直接或间接检测压力的物理变量，并将它转化为对应的测量信号的基本任务。这些测量设备被申请人制造并投放市场在设备名称PTxx和PKxx下。目前，测量范围通常扩展至400bar。在压力测量中，邻接测量单元介质中的压力应当经常被检测，测量单元有一个弹性膜，该膜的一边至少部分接触介质，该膜的另一边背向介质。压力在通常气体、液体、浆糊或至少自由流动中的介质被计算，使得弹性介质在不同的强度偏转弹性膜，该偏转取决于介质中存在的压力。膜的偏转或可逆的变形被转换成对应的测量信号，例如将偏转膜变形的应变测量转化为对应的电阻值，电压或电流值。测量单元或测量装置的耐久性不能够确定，或因为可能的非常显著的变化的负载而只是不精确的确定。例如，如果膜被破坏，一个在压力测量单元的膜上的单一短期的压力脉冲能引起测量设备或压力测量单元的毁灭。它可以是不可逆的，即塑性变形或者撕裂。钢、硅或陶瓷基本上被用作膜表面的材料。硅和陶瓷相对脆弱，因此没有塑性变形发生。但是，塑性变形能在钢做的测量单元上发生，例如，由于过载。这个变形能够引起一个将要测量的压强值形式的信号，这些仅仅发生因为不需要的塑性变形和不对应实际的压强。结果，测量单元不能提供一个可靠的测量信号，从该信号可以推导出压力是否存在，如果存在，在什么等级。现在的问题是确定是否一个错误的测量值因为对测量单元的毁坏而被计算，或者是确定在测量精度内，测量值是否对应实际介质中的压强值。测量信号的可靠性是特别重要的一个方面，其安装有效性需要符合相应阶段的安全仪表功能(SIL)。一个可能性是创建相应的冗余系统。这样的可能性使用两个测量装置，该两个测量装置的压力测量范围不相同，具有较高耐压值的测量装置-具有较低的测量精度-用作去除冗余功能。在这种方式中，可能确定两个测量装置是否近似测量相同的压力，因为在压力过大的情况下，具有较高耐压性的更健壮的测量装置将会仍然测量实际压力，而其它的测量装置由于测量单元的毁坏将显示发散值。如果有差值被确定，能够采取相应的措施。缺点是即使冗余系统被集成在共同的壳里，因为双重设置，这种解决方案是昂贵和复杂的。另一方面，系统错误不能被检测到，或只是以这种方式困难的检测到。DE 10 2007 016 792 Al提出通过能够被激活的偏转介质来激活膜和测量单元，其中，能够被激活的偏转介质，优选与激励反应，通过检测这些物理参数测量单元无论如何将要检测。由偏转介质引起的测量单元与激励之间的反应能够被激活，除其它事项外，取决于测量单元是否毁坏，以致测量单元和测量设备的操作状态能积极的被诊断出来。弹性膜的变化对测量单元的反应具有重要的影响，所以一个错误可以被确认，通过比较一个完整测量单元的实际系统反应和预期系统反应。但是，条件是偏转介质是一种能够由电压被激活的元件，例如一个压电元件。DE 195 27 687 Al这个被认为最接近的现有技术，提出了一种压力传感器，该压力传感器有具有两个电阻桥的测量膜，由此由测量膜的偏转引起的两个电阻桥的不平衡允许对所得到的桥的对角电压的变化进行评估。两个电阻桥中的每一个设置在测量膜的一半上，两个相对的桥分支通过每个电阻桥的径向压缩而被修改，其他桥分支电阻的阻值由径向或切向拉伸被修改。一方面，本实施例的缺点是，测量桥从测量膜的中线被布置隔开。因此，不可避免膜的翘曲能导致螺钉的漂移-因为密封表面和螺旋端部的公差-当压力测量装置被拧入过程适配器的相对块到密封转矩。这将作为测量位移，例如，最多测量范围最终值的1%，除其它外，这取决于过程适配器相对块的属性，因此不能在卸载状态调整。但是，通过将桥布置在中间位置，它可以被避免或至少大大的减少。另一方面，在DE 195 27 687 Al里，为了获得评价桥的对角电压几乎相同的测量范围，传感器左半边的桥电阻R2和R3必须放置在测量膜区域，在该区域伸长将被检测到，这与传感器左半边的桥电阻R2和R3相似。这一要求导致桥电阻不能被布置在测量膜的中心，在该中心它们经受最大的拉伸，即最大信号范围被发现，其结果是信号损失，从而不好的信号评价。本发明的潜在目的是进一步改进具有自诊断功能的压力测量单元和压力测量装置，特别是用于检测膜的塑性变形。根据本发明，所指示的目的通过下述方式达到一个具有权利要求1的特征的压力测量单元，具有权利要求8的特征的这样的压力测量单元的评价电路，一个具有权利要求10的特征的电子压力测量装置，以及通过一个具有权利要求12的特征的方法。本发明有利的实施例在从属权利要求中写明。根据本发明，两个换能器被布置，使得它们的输出信号具有第一压力特性，在一个膜的可逆弹性形变和一个显著不同第二压力特性的情况下，经过由一个增加压力负载的不可逆膜的变形。这意味着，在不可逆，即塑性变形的情况下，与通常情况下的弹性变形相反的，机电换能器的输出信号相对于彼此表现不同，使得这种差异可以被检测，这种变形被指示为一个错误。术语“增加压力负荷”应理解为使膜变形的任何影响，由于压力施加其上的结果，特别的，由介质本身中的压力引起的，但是颗粒，像石头或其它粒子有意或无意在介质中存在。此外，根据本发明，至少一个传感器的测量元件被布置在膜的第一中线。按这种方式，整个膜的利用得到实现和防止螺钉漂移。将两个换能器的测量元件布置到第一中线上或与第一中线相垂直的第二中线上是特别有利的。在任何情况都重要的是测量元件被放置在中线上或对称轴上。只有在这样一种方式，能够防止螺钉发生漂移当压力测量装置拧入过程适配器的反向件中。根据本发明的压力测量装置的膜被优选通过钢膜实现，在该膜上，几个测量元件在内测区域相互连接形成机电换能器，特别是一个电阻桥。但是，可以理解，换能器被配置成为分压器，或者作为一个组合，即将第一个换能器配置为测量桥，将第二个换能器配置为分压器。然而，电阻桥是有利的，因为信号摆幅，即电阻变化，是被加倍的，结果更高的分辨率被实现，检测微小信号的变化变得更容易。取决于要求，分压器的设置也能是有利的，特别是，如果重要的是实现可能符合成本效益的配置，较低信号变化是不重要的，因为，例如，最小信号的变化足够大，以确保任何时候检测到。两个换能器是相互独立的，即它们不相互作用，彼此电去耦。因此一个冗余系统被提出，即两个独立的测量系统，然而，位于压力测量单元的膜的同一表面上。应变计或电阻浆料特别适合作为测量元件。应变计能被设置为厚膜电阻使用厚膜技术，或，相反的，作为薄膜电阻使用薄膜技术。取决于应用，根据这些替代品不同的性质，选择要使用的测量元件，例如有关的过载和抗爆裂强度，名义上的压力范围，精度，尺寸，重量以及信号摆幅和至少以预期的成本方面。背向介质膜侧的表面有利的被分为至少三个同心区，在该同心区，当施加压力时，该膜具有一个不同的偏转行为，每一区域至少有一个测量元件。四个同心区的使用是有利的。在这种情况下，两个换能器由测量元件构成，每个测量元件由两个区域的膜表面构成。因此，以下的可能性导致第一换能器的测量元件位于最里层和第二里层区域，因此，第二换能器的测量元件位于最外面和第二外面区域；第一换能器的测量元件位于最里面和第二最外面区域，因此第二换能器的测量元件位于最外面和第二最里面区域；第一换能器的测量元件位于最里面和最外面区域，因此第二换能器的测量元件位于第二外面和第二里面区域。按这种方式，两个换能器位于该膜的不同的区域，其中，当施加压力时，该膜有一个不同的偏转行为。除了冗余性，多样性也因此获得。然而，基本上可能将该膜划分为三个同心区。在这种情况下，两个中央区域，就是四个区域变体的第二最外层和第二最里层的区域，是统一的，从而使各自的电阻被布置，例如，放置在同一同心区内一个接着一个。这利用了一个事实，即塑性形变扩展从内到外，最里面区域中的电阻因而总是领先外部区域的电阻。除非另有规定，下面只有四个方面的配置将被描述和解释。然后，当然，在两个中央区域是统一的条件下，描述也能应用于具有三个区域的实施例。由于测量元件不同的位置，两个换能器有一个不同的，但是众所周知的，在额定压力范围内的信号序列。通过相应的调整放大因子，两个信号序列能被校正，使得它们几乎是一致的。离一致较小的偏差在公差范围内。因此，两个信号之间的差异基本上是零还可以想到，确定两信号的比例基本上等于一。现在本发明的基本的概念，包括安排在膜上位置两个测量桥的测量元件，在不期望的塑性变形的情况下，不同强度的变形从而使得到的两个换能器的信号序列可以不再与以前的(稳定的)校正因子一致。这种校正或信号的调整可以通过，例如，通过为两个信号使用不同的放大系数，或者也在一个处理单元，例如在一个微控制器中，以虚拟的方式来完成。因此，两个信号的差不等于零或比值不等于I。它最终不是为了验证实际测量结果的值，而是为了验证这两个信号的差或比值是否为零或为一。在这种情况下，如果有偏差，在无需识别为错误的测量值的情况下，如在经典冗余系统里，膜表面的塑性变形可以被假设存在。结果，基本概念是利用了事实，即在塑性形变的情况下，膜的形变特征不同于弹性形变情况下的膜的形变特征，这最终体现在信号差或信号比的修正上。在根据本发明的一个优选实施例的压力测量单元，每个最里面区域的测量元件和最外层区域的测量元件是不同传感器的一个组成部分。在这方面，第二最内和第二最外区域的测量元件对应什么换能器是无关紧要的。在本实施例中，第一换能器的测量元件位于最大变形区域，因此，该换能器能产生一个明确有用的信号。那么对于第二换能器也充分的，其只具有参考功能，安排它的测量元件在能产生不太清楚信号的地方。该膜在这些位置上变得更加结实，即对于压力峰值它没有那么脆弱。在根据本发明的另一个优选的实施例的压力测量单元，所有的测量元件至少材料相同，即所有的测量元件被配置为一个应变仪或电阻糊剂或压电元件，最好仍然相同大小。结果，热效应的影响是较低的，因为它们在每个测量元件上行为类似。在根据本发明的一个特别优选的实施例的压力测量单元，膜中的至少一个内侧区域中，具有减小的厚度，优选在最里层和第二最里层的区域。由于较薄的膜，一个较强的变形发生在这个位置，这导致一个清楚有用的信号。另一方面，以这种形式的变形，可以实现一个预定的弯曲点，这有利于测量元件的定位。在第二方面，本发明涉及一种上述的压力测量单元的评价电路，包括由第一测量元件构成的第一传感元件，具有一个连接第一传感元件下游的放大单元，一个对比单元连接该放大单元的下游，并且具有控制器连接对比单元的下游，由第二测量元件形成的一个传感元件，第二放大元件连接第二传感元件的下游，该第二传感元件连接对比单元的下游，两个传感元件被施加到测量设备上的压力不同的影响着。在一个有利的进一步的发展，第一和第二测量元件被布置在一个共同的压力测量单元的膜上。如已经解释的，术语“传感元件”应被理解为实际的传感器，即一个电阻桥或一个分压器。一方面，比较单元的功能包括确定-根据应用-从放大单元接受的两个信号的差或比，随后将一差值或比值与由上阈值和下阈值形成的定义区域比较。这可以以不同的方式实现。为了这个目的，比较器，特别是窗口比较器被优选使用。然而，可以设想发送传感元件的测量信号到A/D传感器，以具有由微处理器进行的比较功能。比较功能也能由连接到下游的控制单元完成，例如一个SPS。在这样的情况下，放大的测量信号将直接发送到控制单元。术语“比较单元”与评价电路连接，在这种情况下也适用于控制单元部分。在第三方面，本发明涉及一个电子压力测量装置，该测量装置由一个过程连接，放置在其上的壳体和检测介质中分布的压力的测量单元组成。根据本发明，测量单元按照上述描述的方式被设置。在一个有利的进一步的发展，电子压力测量装置包括一个上述配置的估计电路。在第四方面，本发明涉及一种诊断压力测量的方法，特征在于下面的方法步骤在第一传感元件和第二传感元件同时压力测量，并产生实质上取决于压力的测量信号，两个传感元件是上述压力测量单元的组件；在专用于各自的传感元件的内部放大单元内放大测量信号，通过各自不同的放大因素，两个特性本质上一致。确定两个信号的差值或比例，将差值或比例与预定的上限或下限阈值比较。如果差值或比例超过或低于预定阈值，输出一个错误信号。根据本发明，如上所述的传感元件位于压力测量单元的膜的同一表面上，同时检测实际压力。因此传感元件产生的测量信号，“基本上”取决于压力，因为还有其它影响，例如能被涉及到的温度和材料特性。然而，它们的影响是显著小于压力的。所产生的信号优选为电压信号，因为根据电阻变化的电压信号能从电阻桥以简单、已知的方式产生。然而，电流信号也是可想到的。
由于两个传感元件不同的位置和与之相关的不同的测量精度，它们的信号序列是不同的。作为一个规则，在作用压力和与其产生的电阻变化或与其产生的压力之间有一个基本上为线性的比例关系，即出现的信号序列几乎是直线的，不同的测量精度被显示为不同的增加。正如已经提到的，与单纯线性结果的偏差，例如，从温度的影响，因为不同的材料特征，它可以有不同的效果。现在的方法通过调节放大因素提供这两个测量信号基本上一致。这发生在测量装置的第一次调整，并且通常不需要任何进一步变化。通过电子调节信号序列，传感元件能够被布置在膜上最大信号产生区域，作为一个结果，最佳的信号评价是可能的。随后，无论是差或比例都是由两个-纠正并使一致-测量信号决定。差值应当现在基本上是零，比值基本上是一。在随后的与上限阈值和/或下限阈值的比较，一个为零或一的值将被认为一个可靠的值。但是，如果膜的塑性变形已经发生，一个偏移值被添加到实际测量值，其量依赖于塑性变形的程度。由于该膜的变形特性在塑性变形与在弹性变形的情况下是不同的，两个传感元件的每个的偏移量的值是不同的，这会导致差值偏离零值，t匕值偏离一，使得该值超出允许的范围或窗口。如果是在这样情况下，一个错误信号输出作为下一步方法步骤。如果比较是在控制单元中进行，该误差信号可以是一个直接输出警告信号，或者，根据一个有利的进一步发展的第一[发送]到控制器，例如，一个电流调节器，然后生成一个定义范围之外的输出信号。一个电流调节器，其在正常操作期间输出一个4. 20晕安信号，该误差信号然后可以被输出，例如，作为一个电流< 3. 5晕安或> 20. 5晕安。在控制器的一个优选的进一步发展中，这个信号可以被发送到下游侧连接的控制单元，就可以开始预定的安全措施，例如输出光学和/或声学报警信号或由控制单元来切换将要控制的安装到未通电的状态。进一步的措施是可以想象到的，所以，本发明并不限于在本文件中提及的那些。结合图和参考示例性实施例，本发明将在下面更详细解释。图显示
图1，塑性变形之前和之后的测量桥的未校正信号序列图。图2，塑性变形后回到标称的压力范围，测量桥的未校正信号序列图，图3，校正后的图，即一致，塑性变形之前和之后的信号序列，图4，根据本发明的压力测量单元的一个示例性实施例的顶视图，图5，根据本发明的压力测量单元一个示例性实施例的侧剖视图，和图6，根据本发明作为一个3线电路的压力测量装置的框图。除非另有说明，在附图中相同的附图标记指示相同的部分。图1所示的示意图显示测量桥13，14的信号序列SI，S2，即电阻变化导致电压变化取决于实际的压力，膜2的塑性形变前后，即信号SI和S2没有校正或修改，例如，通过不同的放大系数。应该指出，在第一个实例里，为了澄清问题，图1至图3所示的图，应当仅被理解为示意性的插图。所选择的信号序列SI，S2是纯粹刻意的，因此可以偏离真实值。还应当注意的是，图1至图3是根据优选的实施例，其中，第一测量电桥13位于膜2的两个内部区域la，lb，第二测量电桥位于两个外部区域lc，Id。可以假定，电压的变化几乎与标称压力范围中的压力呈线性的增加。具有更大增加的直线SI是由位于内部区域la，Ib的第一测量电桥产生。通过压力变化的电压是最大的。平坦的直线S2是由位于外部区域lc，Id的第二测量桥14所产生。通过压力变化的电压在这里比在测量单元I的中心小。测量单元I在外部区域lc，Id更加健壮，即信号序列仍然是线性的，在标称的压力范围之外。延续两个直线的点划线表示的是信号序列及当压力增加超过标称压力范围并且测量单元I因此达到塑性变形范围时，它是如何表现的。测量单元I在标称压力范围内弹性变形，使得膜(2)的不可逆的变形没有在此压力范围内发生。值Pmax表征测量单元I被最大程度进行的值，例如，压力峰值的最高值。如果压力再次降低，信号序列沿点划线移动。很清楚的看出与原来情况相反，偏移电压也为每个值而产生。原因是，由于塑性变形，膜2进行一个额外的偏转，第一测量电桥13而后显示一个电压值，该值由评价单元错误的解释为增加的压力值。图2再次显示两个测量桥13，14的信号是如何表现在膜2经历了塑性变形后回到标称压力范围的，这作为一条虚线显示于图1。这应该在此澄清那个问题，即两个测量电桥13，14仍然产生一个电压信号，但特别是由第一测量电桥13产生，即使p=0。连接在下游侧的评价单元，然而，将这个电压值解释为p>0。膜2的变形程度越大，更大的出现偏移电压。如已经解释的，信号序列也仅示意性的出现在该图中，实际值可能从其偏离。为了解决根据本发明的这个问题，两个测量桥13，14的信号序列在第一实例中重合，通过在放大单元15，16放大两个测量桥13，14的信号SI，S2，放大单元15，16通过不同的因素连接下游。结果示意性的显示在图3中。两条曲线SI，S2的进展是在第一实例中叠加从原点到标称压力范围的边界。在超压范围内，测量桥13首先在膜的内测区域漂移，SP它离开线性区域。位于膜2外侧区域lc，Id的测量电桥14的信号S2接下来只离开线性区域。这样做的原因是，膜2的外区lc，Id显然是更加健壮，因此从弹性变形过渡到塑性变形只能在更高的压力下实现。值Pmax标识为过压峰值的最大值。如果过压峰值后实际压力又是在额定压力范围内，信号序列SI，S2近似的根据虚线移动，从图1和图2可知。它们不一定需要平行运行，如图3所示，但是也可以有一个非平行的部分。重要的事实是一个差别已经在两条虚线之间发生，被一个垂直箭头确认，而差为零或几乎为零产生与常规信号-连续线-在标称压力范围因为两个信号SI，S2之间的一致性。从图3很显然看出两条曲线之间存在一个差值，如果膜2的实际压力离开标称的压力范围，即两个测量桥13，14之间的放大从而校正电压将只产生结果，并且膜2从而被进行一个塑性变形。事实上，本发明的基本原理仅仅是两个信号的平行，为了保持这两个信号差为恒定值，因此很容易检测到偏差，但是两个信号的全等-优选的实施例表示的一种特殊形式的平行，特别因为两个信号S1，S2差异是零，并且易于处理，如果没有被施加压力，两个测量桥13，14的电压通常是零值。通过确定两个电压信号SI，S2之间的差异，膜的塑性变形能被检测到，不需要检查似然性的值，如在传统的冗余系统。特别是联系图6中的描述，解释了是如何进行的。图4示出了根据本发明的压力测量单元的顶视图。四个区域la，lb, lc, Id被用虚线圆圈标志仅用于澄清目的。这些圆圈本质上是不可见的。所有八个测量元件3，4可以被看见，四个中央测量元件位于内部区域Ia和第二最内层区域lb，两个测量元件4a和4b在最外层区域Id里和分别第二最外区域lc。四个测量元件4a，4b和位于第二最里层区域Ib的测量元件3被布置在至少第一中线MLl上，如虚线所示。同样如虚线所示的第二中间线ML2同样是与其垂直。在本示例性实施例中，两个中线ML1，ML2也是测量单元I的对称轴。本发明的基础是测量元件3，4位于两个中线MLl或ML2之一。已经提到的仅仅将膜分为三个同心区域的可能性没有进一步示出。在这种情况下，四个变体的第二最外层[区域]Ic和第二最里层区域Ic是统一的，因此各个电阻被安排成，例如，放置在同一区域内一个接着一个。这利用了塑性变形从内侧扩展到外侧的事实，因此，最里面区域Ia的电阻总是领先外部区域lb，lc, Id的电阻。基本上可以使用应变计或电阻浆糊或压电元件来作为测量元件3，4。应变计和压电元件早已众所周知，不需要在本文档中作进一步的解释。压电元件工作于压电原理，电阻浆糊以压电电阻效应为基础。电阻浆糊具有结合剂，该结合剂具有导电粉末，其浓度是比电阻的一个测量。根据应用，将要使用的测量元件根据这些替代品的不同特性进行选择，例如，关于过载和爆裂强度阻力，额定压力范围，精度，尺寸，重量以及信号摆幅，尤其也关于预期的成本。在内侧区域Ia的两个中央测量元件3被布置成使得，由于距离测量单元I中心非常小的距离，当施加压力时，它们被伸长，因为膜2通过变形产生向上的压力。作为伸长的结果，在最里层区域Ia的测量元件3的阻值增加。在第二最里层区域Ib的电阻桥的其它两个测量元件3被布置，使得当施加压力时，它们不被压缩，其结果，电阻值会降低。通过在相反的方向上改变电阻，通过电阻桥的方式，可能产生一个以电差分电压为形式的清楚的有用的信号，例如惠斯通电桥，被进一步在评价单元中处理，未在这里示出，作为实际压力的衡量。当膜2在内部区域la，Ib较薄时，这个实施例被优选使用。结果是，当压力施加到这个位置，膜2是特别的变形。一种特别超压敏感的信号能从两外层区域lc，ld的电阻4，4a，4b中产生，同样互联作为一个测量电桥，所述信号不像从电阻3的测量电桥那样准确，但是足够精确通过比较两个测量电桥信号来检测偏移电压。这结合图6的描述在下面更详细的说明。作为另一示例性实施例，这里没有示出，形成第一机电换能器的测量元件3可以被布置在最里面区域Ia和第二里面区域lc。因此，其它测量元件4a，4b位于第二最里面区域Ib和最外层区域Id。这个实施例优选被使用，当膜2在两个内部区域la，Ib不是更�。蔷哂邢嗤暮穸龋缭谇騦c。在这种情况下，区域Ia同样进行伸长，但是压缩现在会出现在区域lc。相反，区域Ib基本上进行纵向方向上的延伸，即没有偏转，因为拐点之间的膜2的凸面与凹面变形是在这一区域。测量元件的延伸同样是指它的电阻的增加。外层区域Id在这种情况下进行轻微压缩，因此电阻变化在同样在两个区域lb，Id的测量元件4相反的方向实现。第三种可能性，同样未在这里示出，是基本上分发在最里层区域Ia和在最外层区域Id的测量元件，并安排在区域lb，Ic的测量元件4。然而，测量信号差别将变得本质上更加不明显，因此该实施例将有更少的诊断功能。通过从图5中的横向剖视图，根据本发明的压力测量单元I的运行机制变得更清楚。膜2或压力测量单元的轮廓的进展是清晰可见的。基本上它可以被划分为四个区域la, lb, lc, Id,区域la，Ib位于中心-也被指定为有用区域_具有较小的厚度和电阻3设置那里形成“实际的”测量电桥。当施加压力时，这部分膜2向上方抬起，使得两个测量元件3布置接近测量单元的中心进行伸长和位于区域Ib中的两个测量元件3进行压缩。一个对应于施加压力的测量信号因此能通过电桥被产生，四个测量元件已经连接至该电桥。
有一个与Ia同心的弯曲区域，该区域作为刚性，不显著变形区域Id与有用区域之间的过渡。在膜2或测量单元I的外部区域Id测量单元是如此的厚，以至于所施加的压力在膜表面上的变化只有轻微影响。位于这个区域Id的电阻元件4a因此只是稍微依赖于压力，因此当施加压力时，只有轻微电阻变化。如果现在的情况是，例如，有用的区域Ia塑性变形，通过过压峰值或也在静态超压下，测量元件3会产生一个连续的信号，或增加一个偏移电压的测量信号。现在，这个信号将不再对应于实际施加的压力。取决于超压峰值的幅度，塑性变形将仅被限制到有用区域或甚至扩展到两个外层区域lc，Id。在任何情况下，内部区域la，lb和外部区域lc，Id之间的塑性变形程度是不同的，特别相对于一个弹性变形情况下的行为是不同的。图6示意性的示出了具有三个连接10，11，12，以框图的形式根据本发明的压力测量装置的一个优选的示例性实施例。图示的压力测量装置包括一个电阻桥13作为传感元件的电阻元件3，在本文中没有进行详细的说明，第二电阻桥14布置平行于它与电阻元件4a和4b，在本文中没有进行详细的说明。两个电阻在测量电桥14显示是恒定，这仅仅是一个示例性实施例中。在这种情况下需要强调的是位于最外层的边界Id的测量元件4a，测量元件4a不断变化或只有轻微的变化，因为区域Id的变形不是很大。放大单元15和16各自连接两个电阻桥13，14的下游，电阻桥13，14发射它们的输出信号到比较器17，优选为一个窗口比较器，连接下游侧。比较器17发送它的输出信号到一个电流调节器19，电流调节器19也接收来自放大单元15的电阻电桥13的测量信号。比较器17在这种情况下只是一个优选的实施例。虚线框应当代表一个一般比较单元，因为图示的比较单元-从而放大单元15，16以及比较器17-也能被微处理器所替换。两个放大器15，16上的模拟信号，也能被直接发送到控制单元，例如可编程逻辑控制器-PLC。因此，本发明并不限定于示于图6的示例性实施例。但尤其是还可以以不同的方式配置，特别是关于比较功能。如图6所示，根据本发明的压力测量装置所说明的优选的示例性实施例，调节和限制串联调节器18被提供在输入侧，[用来]电阻桥13，14，放大单元15，16和比较器17的电源电压。如果电源电压已经被输送调节，在此处所示的3线电路里也能被省去。电流调节器19正常提供4. 20毫安电流。如果电流调节器19被比较器17通告一个错误，它通过连接11输出一个电流，该连接11任选对应介于O和3. 5毫安或大于20. 5毫安。然后它由评价单元检测为错误，这未在本文档中详细示出，开始相应的措施。取决于操作的安装的安全分类，这些措施可以是，例如，输出一个相应的视觉和/或听觉警告消息，或切换整个安装到安全状态，即未通电的。进一步的措施可以想象，因此本发明不仅限于本文中提及的那些。当然，根据本发明的压力测量装置可被配置为一个2-线电路。在这种情况下，连接11被省略；其他的配置基本上是相同的。在这种情况下，电压调节器18是不可缺少的。此外，电流调节器19应该以不同的方式进行配置，因为电流减少到O毫安时不容许的。优选的，电流调节器19在一个错误的情况下传输电流信号< 3. 5毫安或> 20. 5毫安。在这些范围内的电流，即4. 2毫安的允许范围以外的电流，不会被连接到下游的评价单元解释为错误，这在本文档中未示出。作为在图4至图6种所示实施例的替换，分别为两个电阻桥4a，4b在外层区域Ib，lc,电阻元件的数量也可以减少到各一个。在这种情况下，一个电阻元件4a和一个电阻元件4b将形成一个分压器。相比之前描述的分别为两个电阻元件的实施例，然而参考信号的信号摆幅缩小成一半。只有轻微信号差异的误差将更难被检测到。根据本发明压力测量单元I或测量装置的优点可以被总结使得膜表面一个永久的，不可逆的，即塑性变形以简单方式的检测成为可能，不需要提供两个单独的测量装置或至少两个单独的测量单元。
权利要求
1.一个压力测量单元，用于检测分布于临近介质中的压力，包括一个弹性膜(2)，一个具有第一测量元件(3)的第一机电换能器(13)设置在该弹性膜上，该第一机电换能器(13)提供第一压力依赖输出信号(SI)，一个具有第二测量元件(4)的第二机电换能器，该第二机电换能器提供一个第二压强依赖输出信号(S2)，其特征在于，在该膜的可逆弹性形变情况下，该两个机电换能器(13，14)被布置以至于该输出信号(SI，S2)具有第一压力特性，在由于增加压力负荷而导致该膜的不可逆变形之后，该输出信号具有显著的不同的压力特性，至少一个换能器(13，14)的该测量元件(3，4)被布置在该膜(2)的第一中线(MLl)上。
2.如权利要求1所述的压力测量单元，其特征在于，该测量元件(3，4)被布置在第一中线(MLl)上或与该第一中线(MLl)垂直的第二中线(ML2)上。
3.如权利要求1或2所述的压力测量单元，其特征在于，背向介质的该膜(2)的一侧的表面有利地被分为至少三个同心区(la, lb, lc, ld)，在该同心区，当施加压力时该膜(2)有不同的变形行为，每一同心区(la, lb, lc, ld)有至少一个测量元件(3，4)。
4.如权利要求3所述的压力测量单元，其特征在于，该机电换能器(13，14)由来自该膜表面的分别两个区域(la, lb, lc, Id)的测量元件(3，4)组成。
5.如权利要求3或4所述的压力测量单元，其特征在于，最里层区域(Ia)的测量元件(3)和最外层区域(Id)的测量元件(4)各自都是不同机电换能器(13，14)的一个组件。
6.如权利要求1至5任一项所述的压力测量单元，其特征在于，就材料来说，所有测量元件(3，4)至少相同。
7.如权利要求2至6任一项所述的压力测量单元，其特征在于，该膜(2)在至少一个里面区域是更薄的，优选在最里面区域(Ia)和第二最里面区域(lb)。
8.—种如权利要求1至7中任一项所述的压力测量单元的评价电路，包括由第一测量元件(3)构成的第一传感元件(13)，具有一个连接第一传感元件下游的放大单元(15)，一个对比单元连接该放大单元(17)的下游，并且具有控制器(19)连接对比单元(17)的下游，由第二测量元件(4)形成的一个传感元件(14)，第二放大元件(16)连接第二传感元件(14)的下游，该第二传感元件(14)连接对比单元(17)的下游，两个传感元件(13，14)被施加到测量设备上的压力不同的影响着。
9.如权利要求8所述的评价电路，其特征在于，第一和第二测量元件(3，4)被布置在一个压力测量单元(I)的普通膜(2 )上。
10.一种电子压力测量装置，由一个过程连接，设置在其上的外壳，测量分布在介质中的压力的测量单元(I)组成，该测量单元(I)根据权利要求1至7中的任一项设置。
11.如权利要求10所述的电子压力测量装置，其特征在于，包括根据权利要求8或9中 任一项的评价电路。
12.—种具有诊断功能的压力测量方法，其特征在于如下步骤 在第一传感元件(13)和第二传感元件(14)同时压力测量，并产生实质上取决于压力的测量信号，两个传感元件(13，14)是根据权利要求1至6中的任一项的压力测量单元的组件； 在专用于各自的传感元件(13，14)的内部放大单元(15，16)内放大测量信号，通过各自不同的放大因素，两个特性本质上一致； 测定两个信号差值或比例；将该差值或比例与事先确定的上限和/或下限阈值的比较； 如果差值或比例超过或低于预定阈值，输出一个错误信号。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，在接收一个控制器(19)的错误信号之后，一个输出信号被产生，该输出信号在规定的允许范围之外，优选以小于等于3. 5mA或大于等于20. 5mA的电流的形式。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，输出信号被送至连接控制器(19)下游的控制单元，该控制器(19)在收到该输出信号后开始预定的安全测量，特别是输出的光学和/或声学警告信号或通过该控制单元将需要控制的设备切换至未通电状态。
全文摘要
本发明涉及一种用来检测邻接介质中分布的压力的压力测量单元，其包括一个弹性膜，第一机电换能器设置在该弹性膜上，它提供一个第一压力依赖的输出信号。根据本发明，第二机电换能器，它提供一个第二压力依赖输出信号，设置在膜上，其中，两个换能器被布置使得该膜的弹性可逆变形，输出信号具有第一压力特性，经过由于增加压力负荷导致膜的不可逆变形后，输出信号具有一个显著不同的第二压力特征。
文档编号G01L27/00GK103052870SQ201180037145
公开日2013年4月17日 申请日期2011年8月30日 优先权日2010年8月30日
发明者海因茨·瓦尔特, 奥利弗·布兰肯霍恩, 约亨·福斯特 申请人:Ifm电子股份有限公司
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