WO2019030121A1 - Measuring device for measuring the pressure of a medium in a receptacle and capacitive pressure-measuring cell - Google Patents

Measuring device for measuring the pressure of a medium in a receptacle and capacitive pressure-measuring cell Download PDF

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WO2019030121A1
WO2019030121A1 PCT/EP2018/071051 EP2018071051W WO2019030121A1 WO 2019030121 A1 WO2019030121 A1 WO 2019030121A1 EP 2018071051 W EP2018071051 W EP 2018071051W WO 2019030121 A1 WO2019030121 A1 WO 2019030121A1
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WO
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measuring
pressure
medium
process connection
cell
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PCT/EP2018/071051
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Inventor
Hans-Peter Müller
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Ifm Electronic Gmbh
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Publication date
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    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0072—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance
    • G01L9/0075—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance using a ceramic diaphragm, e.g. alumina, fused quartz, glass
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
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    • G01L19/0038—Fluidic connecting means being part of the housing
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
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    • G01L19/145—Housings with stress relieving means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0042—Constructional details associated with semiconductive diaphragm sensors, e.g. etching, or constructional details of non-semiconductive diaphragms

Definitions

  • Measuring device for measuring the pressure of a medium in a container and capacitive pressure measuring cell
  • the invention relates to a measuring device for measuring the pressure of a medium in a container according to the preamble of claim 1 and a capacitive pressure measuring cell for detecting the pressure of a to the pressure measuring cell
  • Capacitive pressure gauges or pressure sensors are available in many
  • Typical measuring cells consist of a compact unit with a ceramic base body and a membrane, wherein an annular joint, typically a glass solder ring, is arranged between the base body and the membrane.
  • Cavity between the body and membrane allows the longitudinal mobility of the membrane due to a pressure influence.
  • On the underside of the membrane and on the opposite upper side of the main body electrodes are provided, which together form a measuring capacitor. By pressure, it comes to a deformation of the membrane, which is a
  • the evaluation unit records the capacitance change and converts it into a pressure reading.
  • PLC higher-level control units
  • the capacitive pressure measuring cell in the process connection is usually clamped axially between a medially arranged annular sealing element, which rests on the membrane-side end face of the measuring cell and has substantially the same diameter as the glass solder ring, and a support element - often in the form of a screw-in support ring - clamped, whereby the remote from the membrane end face of the body is axially supported.
  • a medially arranged annular sealing element which rests on the membrane-side end face of the measuring cell and has substantially the same diameter as the glass solder ring, and a support element - often in the form of a screw-in support ring - clamped, whereby the remote from the membrane end face of the body is axially supported.
  • a screw-in support ring shows the German
  • Patent DE 44 16 978 It is important that the sealing element, the
  • the object of the invention is to make a particularly overload resistant pressure gauge of the type mentioned small and compact.
  • the essence of the invention is to achieve a reduction of the area on which the medium pressure acts.
  • F px A
  • the resulting force which is reduced by the weld joint with which the disk or shaped support element because of the small and compact design with the
  • the deflectable measuring membrane on its side facing the medium to be measured on an annular projection which engages around a nozzle-like, extending into the interior of the process connection extension of the channel.
  • This extension is part of the pressure channel through which the medium to be measured reaches the diaphragm of the pressure measuring cell.
  • the arcuate section can be provided both with a constant and with a variable radius, e.g. be executed elliptical.
  • socket-like extension has a circumferential groove, which is intended to at least partially receive the sealing element, which is preferably designed as an O-ring, and thus constitutes one of the two sealing surfaces. That's it
  • Sealing element fixed axially and has a defined position.
  • Pressure gauge is proposed according to a second aspect of the invention, a capacitive pressure measuring cell, wherein the measuring diaphragm in two concentric arranged areas is divided. In these concentric regions, the membrane has such a different thickness that it is deflectable only in the thinner middle region and not in the thicker outer region.
  • the pressure measuring cell is suitable for being axially fixed by means of a welded-in disk or U-shaped support element and thus to be usable in a small and compact measuring device even at short high pressure peaks.
  • the width of the thicker outer region corresponds approximately to the width of the glass solder ring.
  • FIG. 1 shows a particularly overload-resistant pressure measuring device according to the invention with a small and compact design
  • Figure 2 is a sectional view through the process connection of the invention
  • FIG. 3 shows an illustration of a process connection
  • FIG. 1 shows a pressure measuring device 1 according to the invention, which essentially consists of a metallic, rotationally symmetrical design
  • Process connection 3 includes a capacitive pressure measuring cell 10 as
  • the housing 2 comprises evaluation electronics (not shown) in order to evaluate the measurement signal generated by the pressure measuring cell 10 and to display it in a display device integrated in the housing 2 (if present) and / or to have it processed by a downstream control unit.
  • evaluation electronics not shown
  • a display device integrated in the housing 2 if present
  • a so-called. Compact device is shown, which is characterized by a very small and compact design and therefore does not have its own display device.
  • the measuring device 1 has a plug connection 4 at an end opposite the process connection 3.
  • the measuring device 1 is connected to a power supply and / or to a data processing unit or control unit which receives and evaluates the measuring signals.
  • FIG. 2 shows a sectional view through the process connection 3 of the pressure measuring device 1 according to the invention.
  • the focus here is the capacitive
  • Pressure measuring cell 10 which consists of a ceramic measuring membrane 1 1, whose first side is at least partially in contact with the medium and facing away from the medium second side of a measuring electrode 14, and one of the second side of the measuring membrane 1 1 oppositely arranged ceramic cylindrical base body 12th is formed with at least one a measuring capacitance with the measuring electrode 14 forming counter electrode 15.
  • the measuring membrane 1 1 is by means of an annular joint 13 in the form of a glass solder with the
  • Base body 3 is connected and thus forms one for the deflection of the
  • Measuring diaphragm 1 1 necessary measuring chamber.
  • the pressure measuring cell 10 is arranged directly above the pressure channel 5, via which the medium to be measured reaches the measuring membrane 11.
  • the pressure channel 5 in this case has a nozzle-like in the direction of the measuring cell 10, in the
  • the special feature of the capacitive pressure measuring cell 10 is that the measuring diaphragm 1 1 is divided into two concentrically arranged portions 1 1 a, 1 1 b, in which it has a different thickness. As a result, the measuring diaphragm 1 1 is deflected only in the thinner middle region 1 1 b and in the thicker outer region 1 1 a, however, not. Due to the significantly different thicknesses of the measuring membrane 1 1, the thicker outer region 1 1 a can also be regarded as a ring-shaped approach. The thicker outer region 1 1 a has approximately the same
  • Diameter like the glass solder ring 13 Diameter like the glass solder ring 13.
  • the measuring membrane 1 1 Due to the special design of the measuring membrane 1 1 it surrounds the nozzle-like extension 5a of the pressure channel 5 and thus forms a
  • Pressure measuring chamber 6, which is sealed by a sealing element 7, preferably designed as an O-ring.
  • the diameter of the sealing element 7 is smaller than the glass solder ring 13, so that the sealing surfaces 8a, 8b of this sealing element 7, in contrast to conventional capacitive pressure measuring cells or
  • Pressure measuring devices are now arranged parallel to the axis of symmetry S of the process connection 3.
  • An advantage of this embodiment is u.a. also in that a self-reinforcing effect results. Because when the pressure measuring chamber 6 is filled with a medium, the sealing element 7 is pressed by the applied pressure to the sealing surfaces 8a, 8b, whereby the sealing effect is further improved.
  • a peripheral groove is provided on the outside of the nozzle-like extension 5a. This groove thus represents at the same time one of the two sealing surfaces 8b.
  • a disk-shaped support element 16 is arranged, which is laterally welded to the inner wall of the process connection 3 16a.
  • Pressure gauges smaller attack surface of the medium to be measured on the measuring diaphragm 1 1 in the pressure measuring chamber 6 acts on the weld a significantly lower force, so that their load limit is not exceeded.
  • the pressure measuring cell 10 As a result, it is now possible with the pressure measuring cell 10 according to the invention to produce a pressure gauge with a nominal pressure of 100 bar and an overload resistance in the range of 300 bar, which has a smallest possible and very compact design starting from the dimensions of the pressure measuring cell 10.

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Abstract

The invention relates to a measuring device for measuring the pressure of a medium in a receptacle. Said measuring device comprises: a capacitive pressure-measuring cell (10); and a metallic, rotationally symmetrical process connection (3), said pressure-measuring cell (10) having a movable ceramic measuring membrane (11) the first side of which is at least in partial contact with the medium and the second side of which, facing away from the medium, has a measuring electrode (14); and a ceramic cylindrical body (12), located opposite the second side of the measuring membrane (11) and having at least one counter-electrode (15) which forms a measuring capacitance together with the measuring electrode (14). The measuring membrane (11) is connected to the main body (3) via an annular joining point (13), thereby forming a measuring chamber, and the pressure-measuring cell (10) is fixed in the inner region of the process connection (3) and the measuring membrane (11) and an inner wall section of the process connection (3) seal an annular pressure-measuring space (6), which is connected to the receptacle via a channel (5), by means of a sealing element (7) in a pressure-tight manner, two opposite sealing surfaces (8a, 8b) being provided on the measuring membrane (2) and on the inner wall section for this purpose. According to the invention, the first side of the movable measuring membrane (11) has an annular projection (11a) which encircles a neck-type extension (5a) of the channel (5) protruding into the interior and the sealing surfaces (8a, 8b) are parallel to the axis of symmetry (S) of the process connection (3). The invention further relates to a corresponding pressure-measuring cell.

Description

Messgerät zur Messung des Drucks eines Mediums in einem Behältnis und kapazitive Druckmesszelle  Measuring device for measuring the pressure of a medium in a container and capacitive pressure measuring cell
Die Erfindung betrifft ein Messgerät zur Messung des Drucks eines Mediums in einem Behältnis nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine kapazitive Druckmesszelle zur Erfassung des Druckes eines an die Druckmesszelle The invention relates to a measuring device for measuring the pressure of a medium in a container according to the preamble of claim 1 and a capacitive pressure measuring cell for detecting the pressure of a to the pressure measuring cell
angrenzenden Mediums nach dem Oberbegriff des Anspruchs 8. adjacent medium according to the preamble of claim 8.
Kapazitive Druckmessgeräte bzw. Drucksensoren werden in vielen Capacitive pressure gauges or pressure sensors are available in many
Industriebereichen zur Druckmessung eingesetzt. Sie weisen häufig eine keramische Druckmesszelle, als Messwandler für den Prozessdruck, und einen Industrial areas used for pressure measurement. They often have a ceramic pressure cell, as a transducer for the process pressure, and a
Auswerteelektronik zur Signalverarbeitung auf. Typische Messzellen bestehen aus einer kompakten Einheit mit einem keramischen Grundkörper und einer Membran, wobei zwischen dem Grundkörper und der Membran eine ringförmige Fügestelle, typischerweise ein Glaslotring, angeordnet ist. Der sich dadurch ergebende Evaluation electronics for signal processing. Typical measuring cells consist of a compact unit with a ceramic base body and a membrane, wherein an annular joint, typically a glass solder ring, is arranged between the base body and the membrane. The resulting
Hohlraum zwischen Grundkörper und Membran ermöglicht die längsgerichtete Beweglichkeit der Membran infolge eines Druckeinflusses. An der Unterseite der Membran und an der gegenüberliegenden Oberseite des Grundkörpers sind jeweils Elektroden vorgesehen, die zusammen einen Messkondensator bilden. Durch Druckeinwirkung kommt es zu einer Verformung der Membran, was eine Cavity between the body and membrane allows the longitudinal mobility of the membrane due to a pressure influence. On the underside of the membrane and on the opposite upper side of the main body electrodes are provided, which together form a measuring capacitor. By pressure, it comes to a deformation of the membrane, which is a
Kapazitätsänderung des Messkondensators zur Folge hat. Mit Hilfe einer Capacitance change of the measuring capacitor results. With the help of a
Auswerteeinheit wird die Kapazitätsänderung erfasst und in einen Druckmesswert umgewandelt. The evaluation unit records the capacitance change and converts it into a pressure reading.
Am Unterteil des Messgeräts befindet sich der sogenannte Prozessanschluss, durch den das Messgerät mit einem das Medium führenden Behälter oder Rohr verbunden ist. In der Regel dienen diese Druckmessgeräte zur Überwachung oder Steuerung von Prozessen. Sie sind deshalb häufig mit übergeordneten Steuereinheiten (SPS) verbunden. At the bottom of the measuring device is the so-called process connection, through which the measuring device is connected to a container or tube carrying the medium. As a rule, these pressure gauges are used to monitor or control processes. They are therefore often connected to higher-level control units (PLC).
Neben kapazitiven gibt es auch resistive Druckmesszellen in Dünnfilm- oder In addition to capacitive, there are also resistive pressure cells in thin film or
Dickschichttechnik, die mittels Dehnungsmessstreifen die Auslenkung der Membran erfassen. Allerdings sind resistive Messzellen gegenüber kapazitiven weniger überlastfest, so dass bei Prozessen, bei denen mit kurzen, hohen Druckspitzen zu rechnen ist, zumeist die eingangs beschriebenen kapazitiven Messzellen eingesetzt werden. Im Messbetrieb wird die kapazitive Druckmesszelle im Prozessanschluss gewöhnlich axial zwischen einem medienseitig angeordneten ringförmigen Dichtelement, das auf der membranseitigen Stirnfläche der Messzelle aufliegt und im Wesentlichen den gleichen Durchmesser wie der Glaslotring aufweist, und einem Stützelement - häufig in Form eines einschraubbaren Stützrings ausgeführt - eingespannt, wodurch die von der Membran abgewandte Stirnfläche des Grundkörpers axial abgestützt wird. Ein Beispiel eines solchen einschraubbaren Stützrings zeigt die deutschen Thick film technology, which detect the deflection of the membrane by means of strain gauges. However, resistive measuring cells are less overload-resistant than capacitive ones, so that in processes where short, high pressure peaks are to be expected, in most cases the capacitive measuring cells described above are used. In measuring operation, the capacitive pressure measuring cell in the process connection is usually clamped axially between a medially arranged annular sealing element, which rests on the membrane-side end face of the measuring cell and has substantially the same diameter as the glass solder ring, and a support element - often in the form of a screw-in support ring - clamped, whereby the remote from the membrane end face of the body is axially supported. An example of such a screw-in support ring shows the German
Patentschrift DE 44 16 978. Dabei ist es wichtig, dass das Dichtelement, der Patent DE 44 16 978. It is important that the sealing element, the
Glaslotring sowie die Auflagefläche des Stützrings in einer Flucht liegen, wie es bspw. aus Fig. 1 der deutschen Patentschrift DE 196 28 551 zu entnehmen ist. So ist sichergestellt, dass einerseits eine optimale axiale Fixierung der Druckmesszelle gewährleistet ist, während die Messmembran uneingeschränkt auslenkbar ist. Glass solder ring and the bearing surface of the support ring are in alignment, as can be seen, for example, from Fig. 1 of the German Patent DE 196 28 551. This ensures that, on the one hand, optimum axial fixation of the pressure measuring cell is ensured, while the measuring diaphragm can be deflected without restriction.
Häufig werden jedoch besondere Anforderungen an eine sehr kleine und kompakte Bauform des gesamten Messgeräts gestellt, um es bspw. an schwer zugänglichen Stellen montieren zu können. Ein einschraubbarer Stützring erfordert jedoch für das Vorsehen eines Gewindes eine gewisse Mindestwandstärke des Often, however, special requirements are placed on a very small and compact design of the entire measuring device in order to mount it, for example. In hard to reach places. However, a screw-in support ring requires for the provision of a thread a certain minimum wall thickness of the
Prozessanschlusses. Außerdem verlängert sich entsprechend dem Gewinde die axiale Erstreckung des Prozessanschlusses. Beides steht einer kleinen und kompakten Bauform entgegen. Als Alternativen bieten sich Scheiben- oder U-förmige Stützelemente an, wie sie bspw. aus der DE 10 2013 213 857 A1 bekannt sind. Process connection. In addition, the axial extent of the process connection increases according to the thread. Both are contrary to a small and compact design. As alternatives offer disk or U-shaped support elements, as they are known, for example, from DE 10 2013 213 857 A1.
Diese Stützelemente werden nicht eingeschraubt, sondern mit dem These support elements are not screwed in, but with the
Prozessanschluss verschweißt. Allerdings ist bei einer Schweißverbindung die gegenüber einer Schraubverbindung geringere Belastbarkeit zu beachten. Process connection welded. However, in a welded joint, the lower load capacity compared to a screw connection must be taken into account.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein besonders überlastfestes Druckmessgerät der eingangs genannten Art klein und kompakt auszuführen. The object of the invention is to make a particularly overload resistant pressure gauge of the type mentioned small and compact.
Die aufgezeigte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Messgerät mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Druckmesszelle mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 8. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils in den rückbezogenen Ansprüchen angegeben. The indicated object is achieved by a measuring device with the characterizing features of claim 1 and by a pressure measuring cell with the characterizing features of claim 8. Advantageous embodiments are given in the dependent claims.
Kern der Erfindung ist es, eine Verkleinerung der Fläche, auf die der Mediumsdruck einwirkt, zu erreichen. Infolgedessen reduziert sich wegen F = p x A die sich daraus ergebende Kraft, die von der Schweißverbindung, mit der das Scheiben- oder U- förmigen Stützelement wegen der kleinen und kompakten Bauform mit dem The essence of the invention is to achieve a reduction of the area on which the medium pressure acts. As a result, due to F = px A, the resulting force, which is reduced by the weld joint with which the disk or shaped support element because of the small and compact design with the
Prozessanschluss verbunden ist, aufgenommen werden muss. Im Ergebnis kann das kleine und kompakte Druckmessgerät mit einem Nenndruck von 100 bar auch kurzen hohen Druckspitzen im Bereich von 300 bar ausgesetzt werden, da die auf die Schweißverbindung einwirkende Kraft unterhalb ihrer Belastungsgrenze liegt. Process connection is connected, must be recorded. As a result, the small and compact pressure gauge with a nominal pressure of 100 bar can also be exposed to short high pressure peaks in the range of 300 bar, since the force acting on the welded joint is below its load limit.
Dafür weist erfindungsgemäß die auslenkbare Messmembran an ihrer dem zu messenden Medium zugewandten Seite einen ringförmigen Ansatz auf, der eine stutzenartige, in den Innenraum des Prozessanschlusses ragende Verlängerung des Kanals umgreift. Diese Verlängerung ist Teil des Druckkanals, über den das zu messende Medium an die Membran der Druckmesszelle gelangt. Während im Stand der Technik - wie bspw. in Fig. 1 der deutschen Patentschrift DE 196 28 551 gezeigt - Dichtelement und Glaslotring näherungsweise den gleichen Durchmesser aufweisen, so dass beiden in einer Flucht angeordnet sind, ist der Durchmesser des Dichtelements nunmehr kleiner als der des Glaslotrings und das Dichtelement ist zwischen der Verlängerung des Druckkanals und der Innenseite des ringförmigen Ansatzes eingespannt. Die Dichtflächen, d.h. die Berührungsflächen zwischen Dichtelement und Prozessanschluss bzw. Druckmesszelle sind dann nicht mehr axial angeordnet, sondern nunmehr radial. For this purpose, according to the invention, the deflectable measuring membrane on its side facing the medium to be measured on an annular projection which engages around a nozzle-like, extending into the interior of the process connection extension of the channel. This extension is part of the pressure channel through which the medium to be measured reaches the diaphragm of the pressure measuring cell. While in the prior art - as shown for example in Fig. 1 of German Patent DE 196 28 551 - sealing element and glass solder ring have approximately the same diameter, so that both are arranged in alignment, the diameter of the sealing element is now smaller than that of Glass solder ring and the sealing element is clamped between the extension of the pressure channel and the inside of the annular projection. The sealing surfaces, i. the contact surfaces between sealing element and process connection or pressure measuring cell are then no longer arranged axially, but now radially.
Vorteilhaft ist es, im Übergangsbereich vom Ansatz zur Messmembran einen It is advantageous in the transition region from the approach to the measuring membrane a
Bogenabschnitt, also keine scharfe Kante vorzusehen. Damit können die sich infolge der druckbedingten Auslenkung der Messmembran ergebenden Kerbwirkungen optimiert und damit auftretende Zugspannungen deutlich reduziert werden. Der Bogenabschnitt kann dabei sowohl mit einem konstanten als auch mit einem variablen Radius, z.B. elliptisch ausgeführt sein. Arc section, so no sharp edge provided. Thus, the notch effects resulting from the pressure-induced deflection of the diaphragm can be optimized and thus occurring tensile stresses can be significantly reduced. The arcuate section can be provided both with a constant and with a variable radius, e.g. be executed elliptical.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Außenseite der A further advantageous embodiment provides that the outside of the
stutzenartige Verlängerung eine umlaufende Nut aufweist, die dafür vorgesehen ist, das Dichtelement, welches bevorzugt als O-Ring ausgeführt ist, zumindest teilweise aufzunehmen und damit eine der beiden Dichtflächen darstellt. Damit ist das socket-like extension has a circumferential groove, which is intended to at least partially receive the sealing element, which is preferably designed as an O-ring, and thus constitutes one of the two sealing surfaces. That's it
Dichtelement axial fixiert und hat eine definierte Position. Sealing element fixed axially and has a defined position.
Für den Einsatz in einem zuvor beschriebenen besonders überlastfesten For use in a previously described overload resistant
Druckmessgerät wird gemäß eines zweiten Aspekts der Erfindung eine kapazitive Druckmesszelle vorgeschlagen, bei welcher die Messmembran in zwei konzentrisch angeordnete Bereiche unterteilt ist. In diesen konzentrischen Bereichen weist die Membran eine derart unterschiedliche Dicke auf, dass sie nur im dünneren mittleren Bereich auslenkbar ist und im dickeren äußeren Bereich hingegen nicht. Damit ist die Druckmesszelle dafür geeignet, mittels eines eingeschweißten Scheiben- oder U- förmigen Stützelements axial fixiert zu werden und somit in einem kleinen und kompakten Messgerät auch bei kurzen hohen Druckspitzen einsetzbar zu sein. Pressure gauge is proposed according to a second aspect of the invention, a capacitive pressure measuring cell, wherein the measuring diaphragm in two concentric arranged areas is divided. In these concentric regions, the membrane has such a different thickness that it is deflectable only in the thinner middle region and not in the thicker outer region. Thus, the pressure measuring cell is suitable for being axially fixed by means of a welded-in disk or U-shaped support element and thus to be usable in a small and compact measuring device even at short high pressure peaks.
Um eine optimale Stabilität der Druckmesszelle infolge der axialen Einspannung zu erreichen, entspricht dass Breite des dickeren äußeren Bereichs näherungsweise der Breite des Glaslotrings. In order to achieve optimum stability of the pressure cell due to the axial clamping, the width of the thicker outer region corresponds approximately to the width of the glass solder ring.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter The invention is based on embodiments below
Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Referring to the drawings explained in more detail.
Es zeigen schematisch: They show schematically:
Figur 1 ein erfindungsgemäßes besonders überlastfestes Druckmessgerät mit kleiner und kompakter Bauform, FIG. 1 shows a particularly overload-resistant pressure measuring device according to the invention with a small and compact design,
Figur 2 ein Schnittbild durch den Prozessanschluss des erfindungsgemäßen Figure 2 is a sectional view through the process connection of the invention
Druckmessgeräts sowie  Pressure gauge as well
Figur 3 gegenübergestellt eine Darstellung eines Prozessanschlusses mit FIG. 3 shows an illustration of a process connection with
Druckmesszelle aus dem Stand der Technik und der Erfindung.  Pressure measuring cell of the prior art and the invention.
Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen In the following description of the preferred embodiments
bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten. like reference characters designate the same or similar components.
In Figur 1 ist ein erfindungsgemäßes Druckmessgerät 1 dargestellt, welches im Wesentlichen aus einem metallischen, rotationssymmetrisch ausgebildeten 1 shows a pressure measuring device 1 according to the invention, which essentially consists of a metallic, rotationally symmetrical design
Prozessanschluss 3 und einem darauf aufgesetzten Gehäuse 2 besteht. Der Process connection 3 and a housing 2 mounted thereon. The
Prozessanschluss 3 beinhaltet eine kapazitive Druckmesszelle 10 als Process connection 3 includes a capacitive pressure measuring cell 10 as
Messaufnehmer (nicht dargestellt). Das Gehäuse 2 umfasst eine Auswerteelektronik (nicht dargestellt), um das von der Druckmesszelle 10 generierte Messsignal auszuwerten und in einer im Gehäuse 2 integrierten Anzeigevorrichtung (sofern vorhanden) darzustellen und/oder einer nachgelagerten Steuerungseinheit verarbeiteten lassen zu können. Vorliegend ist ein sog. Kompaktgerät dargestellt, das durch eine sehr kleine und kompakte Bauweise gekennzeichnet ist und deswegen keine eigene Anzeigevorrichtung aufweist. Darüber hinaus weist das Messgerät 1 an einem dem Prozessanschluss 3 entgegengesetzten Ende einen Steckeranschluss 4 auf. Über diesen Sensor (not shown). The housing 2 comprises evaluation electronics (not shown) in order to evaluate the measurement signal generated by the pressure measuring cell 10 and to display it in a display device integrated in the housing 2 (if present) and / or to have it processed by a downstream control unit. In the present case, a so-called. Compact device is shown, which is characterized by a very small and compact design and therefore does not have its own display device. In addition, the measuring device 1 has a plug connection 4 at an end opposite the process connection 3. About this
Steckeranschluss 4 ist das Messgerät 1 mit einer Stromversorgung und/oder mit einer Datenverarbeitungseinheit bzw. Steuereinheit verbunden, die die Messsignale empfängt und auswertet. Plug connection 4, the measuring device 1 is connected to a power supply and / or to a data processing unit or control unit which receives and evaluates the measuring signals.
In Figur 2 ist ein Schnittbild durch den Prozessanschluss 3 des erfindungsgemäßen Druckmessgeräts 1 dargestellt. Im Mittelpunkt steht hier die kapazitive FIG. 2 shows a sectional view through the process connection 3 of the pressure measuring device 1 according to the invention. The focus here is the capacitive
Druckmesszelle 10, die aus einer keramischen Messmembran 1 1 , deren erste Seite zumindest teilweise mit dem Medium in Kontakt steht und deren von dem Medium abgewandten zweiten Seite eine Messelektrode 14 aufweist, und einem der zweiten Seite der Messmembran 1 1 gegenüberliegend angeordneten keramischen zylinderförmigen Grundkörper 12 mit wenigstens einer eine Messkapazität mit der Messelektrode 14 bildenden Gegenelektrode 15 gebildet wird. Die Messmembran 1 1 ist mittels einer ringförmigen Fügestelle 13 in Form eines Glaslots mit dem Pressure measuring cell 10, which consists of a ceramic measuring membrane 1 1, whose first side is at least partially in contact with the medium and facing away from the medium second side of a measuring electrode 14, and one of the second side of the measuring membrane 1 1 oppositely arranged ceramic cylindrical base body 12th is formed with at least one a measuring capacitance with the measuring electrode 14 forming counter electrode 15. The measuring membrane 1 1 is by means of an annular joint 13 in the form of a glass solder with the
Grundkörper 3 verbunden und bildet damit eine für die Auslenkung der Base body 3 is connected and thus forms one for the deflection of the
Messmembran 1 1 notwendige Messkammer. Measuring diaphragm 1 1 necessary measuring chamber.
Die Druckmesszelle 10 ist unmittelbar über dem Druckkanal 5 angeordnet, über den das zu messende Medium an die Messmembran 1 1 gelangt. Der Druckkanal 5 weist dabei eine in Richtung der Messzelle 10 angeordnete stutzenartige, in den The pressure measuring cell 10 is arranged directly above the pressure channel 5, via which the medium to be measured reaches the measuring membrane 11. The pressure channel 5 in this case has a nozzle-like in the direction of the measuring cell 10, in the
Innenraum des Prozessanschlusses 3 ragende Verlängerung 5a auf. Interior of the process connection 3 protruding extension 5a.
Das Besondere an der kapazitiven Druckmesszelle 10 ist, dass die Messmembran 1 1 in zwei konzentrisch angeordnete Bereiche 1 1 a, 1 1 b unterteilt ist, in denen sie eine unterschiedliche Dicke aufweist. Dadurch ist die Messmembran 1 1 nur im dünneren mittleren Bereich 1 1 b auslenkbar ist und im dickeren äußeren Bereich 1 1 a hingegen nicht. Aufgrund der deutlich unterschiedlichen Dicken der Messmembran 1 1 kann der dickere äußere Bereich 1 1 a auch als ringförmiger Ansatz angesehen werden. Der dickere äußere Bereich 1 1 a hat näherungsweise den gleichen The special feature of the capacitive pressure measuring cell 10 is that the measuring diaphragm 1 1 is divided into two concentrically arranged portions 1 1 a, 1 1 b, in which it has a different thickness. As a result, the measuring diaphragm 1 1 is deflected only in the thinner middle region 1 1 b and in the thicker outer region 1 1 a, however, not. Due to the significantly different thicknesses of the measuring membrane 1 1, the thicker outer region 1 1 a can also be regarded as a ring-shaped approach. The thicker outer region 1 1 a has approximately the same
Durchmesser wie der Glaslotring 13. Diameter like the glass solder ring 13.
Aufgrund der speziellen Ausgestaltung der Messmembran 1 1 umgreift sie die stutzenartige Verlängerung 5a des Druckkanals 5 und bildet damit einen Due to the special design of the measuring membrane 1 1 it surrounds the nozzle-like extension 5a of the pressure channel 5 and thus forms a
Druckmessraum 6, der durch ein Dichtelement 7, vorzugsweise als O-Ring ausgeführt, abgedichtet ist. Der Durchmesser des Dichtelements 7 ist dabei kleiner als der des Glaslotrings 13, sodass die Dichtflächen 8a, 8b dieses Dichtelements 7 im Gegensatz zu herkömmlichen kapazitiven Druckmesszellen bzw. Pressure measuring chamber 6, which is sealed by a sealing element 7, preferably designed as an O-ring. The diameter of the sealing element 7 is smaller than the glass solder ring 13, so that the sealing surfaces 8a, 8b of this sealing element 7, in contrast to conventional capacitive pressure measuring cells or
Druckmessgeräten nunmehr parallel zur Symmetrieachse S des Prozessanschlusses 3 angeordnet sind. Ein Vorteil dieser Ausführung besteht u.a. auch darin, dass sich ein selbstverstärkender Effekt ergibt. Denn wenn der Druckmessraum 6 mit einem Medium gefüllt ist, wird das Dichtelement 7 durch den einwirkenden Druck an die Dichtflächen 8a, 8b gedrückt, wodurch sich der Dichteffekt weiter verbessert. Pressure measuring devices are now arranged parallel to the axis of symmetry S of the process connection 3. An advantage of this embodiment is u.a. also in that a self-reinforcing effect results. Because when the pressure measuring chamber 6 is filled with a medium, the sealing element 7 is pressed by the applied pressure to the sealing surfaces 8a, 8b, whereby the sealing effect is further improved.
Um dem Dichtelement 7 eine definierte Position zu geben und ein Verrutschen zu vermeiden, ist an der Außenseite der stutzenartige Verlängerung 5a eine umlaufende Nut vorgesehen. Diese Nut stellt damit gleichzeitig eine der beiden Dichtflächen 8b dar. In order to give the sealing element 7 a defined position and to prevent slippage, a peripheral groove is provided on the outside of the nozzle-like extension 5a. This groove thus represents at the same time one of the two sealing surfaces 8b.
Auf dem Grundkörper 12 ist ein scheibenförmiges Abstützelement 16 angeordnet, das seitlich mit der Innenwand des Prozessanschlusses 3 verschweißt 16a ist. On the base body 12, a disk-shaped support element 16 is arranged, which is laterally welded to the inner wall of the process connection 3 16a.
Dadurch ist die Druckmesszelle 10 innerhalb des Prozessanschlusses 3 axial fixiert. Durch die nun gegenüber herkömmlichen kapazitiven Druckmesszellen bzw. As a result, the pressure measuring cell 10 is axially fixed within the process connection 3. By now compared to conventional capacitive pressure cells or
Druckmessgeräten kleinere Angriffsfläche des zu messenden Mediums auf die Messmembran 1 1 im Druckmessraum 6 wirkt auf die Schweißverbindung eine deutlich geringere Kraft ein, so dass deren Belastungsgrenze nicht überschritten wird. Pressure gauges smaller attack surface of the medium to be measured on the measuring diaphragm 1 1 in the pressure measuring chamber 6 acts on the weld a significantly lower force, so that their load limit is not exceeded.
Im Ergebnis ist es mit der erfindungsgemäßen Druckmesszelle 10 nun möglich, ein Druckmessgerät mit 100 bar Nenndruck und einer Überlastfestigkeit im Bereich von 300 bar herzustellen, das eine ausgehend von den Maßen der Druckmesszelle 10 kleinstmögliche und sehr kompakte Bauform aufweist. As a result, it is now possible with the pressure measuring cell 10 according to the invention to produce a pressure gauge with a nominal pressure of 100 bar and an overload resistance in the range of 300 bar, which has a smallest possible and very compact design starting from the dimensions of the pressure measuring cell 10.
In Figur 3 wird abschließend ein Prozessanschluss 3 mit Druckmesszelle 10 aus dem Stand der Technik (oben) und ein Prozessanschluss 3 mit Druckmesszelle 10 gemäß der Erfindung (unten) gegenübergestellt. Deutlich zu erkennen ist darin der nun erheblich reduzierte Wirk-Durchmesser der Dichtung 7. Bezugszeichenliste In FIG. 3, finally, a process connection 3 with pressure measuring cell 10 from the prior art (top) and a process connection 3 with pressure measuring cell 10 according to the invention (bottom) are compared. It can be seen clearly in the now significantly reduced effective diameter of the seal. 7 LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Messgerät 1 measuring device
2 Gehäuse  2 housings
3 Prozessanschluss  3 process connection
4 Steckeranschluss  4 plug connection
5 Kanal  5 channel
5a stutzenartige Verlängerung  5a branch-like extension
6 Druckmessraum  6 pressure measuring chamber
7 Dichtelement  7 sealing element
8a Dichtfläche 8a sealing surface
8b Dichtfläche 8b sealing surface
10 Druckmesszelle 10 pressure measuring cell
1 1 Messmembran  1 1 measuring diaphragm
1 1 a äußerer Bereich der Messmembran 1 1 a outer area of the measuring membrane
1 1 b innerer Bereich der Messmembran1 1 b inner area of the measuring membrane
12 Grundkörper 12 basic body
13 Glaslotring  13 glass solder ring
14 Messelektrode  14 measuring electrode
15 Gegenelektrode  15 counterelectrode
16 Abstützelement  16 support element
16a Schweißverbindung 16a welded joint

Claims

Patentansprüche claims
1 . Messgerät zur Messung des Drucks eines Mediums in einem Behältnis, mit einer kapazitiven Druckmesszelle (10) und einem metallischen, 1 . Measuring device for measuring the pressure of a medium in a container, comprising a capacitive pressure measuring cell (10) and a metallic,
rotationssymmetrisch ausgebildeten Prozessanschluss (3), wobei die Druckmesszelle (10) eine auslenkbare keramische Messmembran rotationally symmetrical process connection (3), wherein the pressure measuring cell (10) has a deflectable ceramic measuring membrane
(1 1 ) , deren erste Seite zumindest teilweise mit dem Medium in Kontakt steht und deren von dem Medium abgewandten zweiten Seite eine Messelektrode (14) aufweist, und einen der zweiten Seite der Messmembran (1 1 ) gegenüberliegend angeordneten keramischen zylinderförmigen Grundkörper(1 1) whose first side is at least partially in contact with the medium and whose second side facing away from the medium has a measuring electrode (14), and a ceramic cylindrical base body arranged opposite the second side of the measuring diaphragm (1 1)
(12) mit wenigstens einer eine Messkapazität mit der Messelektrode (14) bildenden Gegenelektrode (15) umfasst, wobei die Messmembran (1 1 ) mittels einer ringförmigen Fügestelle (13) mit dem Grundkörper (3) unter Bildung einer Messkammer verbunden ist, und wobei die Druckmesszelle (10) im Innenbereich des Prozessanschlusses (3) fixiert ist und die Messmembran (1 1 ) und ein Innenwandabschnitt des Prozessanschlusses (3) einen ringförmigen, über einen Kanal (5) mit dem Behältnis verbundenen Druckmessraum (6) mittels eines Dichtelements (7) druckdicht abschließen, wofür an der Messmembran (2) und am (12) with at least one measuring capacitance with the measuring electrode (14) forming the counter electrode (15), wherein the measuring diaphragm (1 1) by means of an annular joint (13) with the base body (3) is connected to form a measuring chamber, and wherein the pressure measuring cell (10) is fixed in the inner region of the process connection (3) and the measuring membrane (11) and an inner wall section of the process connection (3) have an annular pressure measuring chamber (6) connected to the container via a channel (5) by means of a sealing element (Fig. 7) pressure-tight, for which at the measuring diaphragm (2) and at
Innenwandabschnitt zwei gegenüberliegende Dichtflächen (8a, 8b) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die auslenkbare Messmembran (1 1 ) an ihrer ersten Seite einen ringförmigen Ansatz (1 1 a) aufweist, der eine stutzenartige, in den Innenraum ragende Verlängerung (5a) des Kanals (5) umgreift und dass die Dichtflächen (8a, 8b) parallel zur Symmetrieachse (S) des  Inner wall portion of two opposite sealing surfaces (8a, 8b) are provided, characterized in that the deflectable measuring diaphragm (1 1) on its first side an annular projection (1 1 a) having a nozzle-like, projecting into the interior of the extension (5a) Channel (5) surrounds and that the sealing surfaces (8a, 8b) parallel to the axis of symmetry (S) of the
Prozessanschlusses (3) angeordnet sind.  Process connection (3) are arranged.
2. Messgerät nach Anspruch 1 , 2. Measuring device according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, dass im Übergangsbereich vom Ansatz (1 1 a) zur Messmembran (1 1 ) ein Bogenabschnitt vorgesehen ist. characterized in that in the transition region from the approach (1 1 a) to the measuring diaphragm (1 1) an arc section is provided.
3. Messgerät nach Anspruch 1 oder 2, 3. Measuring device according to claim 1 or 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Druckmesszelle (10) im Innenbereich des Prozessanschlusses (3) mittels eines auf der Außenseite des Grundkörper (12) aufliegenden Scheiben- oder U-förmigen Stützelements (16) fixiert und damit axial eingespannt ist.  characterized in that the pressure measuring cell (10) in the inner region of the process connection (3) by means of a on the outside of the base body (12) resting disc or U-shaped support member (16) fixed and thus axially clamped.
4. Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 4. Measuring device according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass Scheiben- oder U-förmigen Stützelements (16) seitlich mit der Innenwand des Prozessanschlusses 3 verschweißt 16a ist.  characterized in that disc or U-shaped support member (16) is laterally welded to the inner wall of the process connection 3 16a.
5. Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 5. Measuring device according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass die Außenseite der stutzenartige Verlängerung (5a) eine umlaufende Nut aufweist, die dafür vorgesehen ist, das Dichtelement (7) zumindest teilweise aufzunehmen und damit eine der beiden Dichtflächen (8b) darstellt.  characterized in that the outer side of the nozzle-like extension (5a) has a circumferential groove, which is intended to at least partially receive the sealing element (7) and thus constitutes one of the two sealing surfaces (8b).
6. Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 6. Measuring device according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Dichtelements (7) kleiner ist als der des Glaslotrings (13).  characterized in that the diameter of the sealing element (7) is smaller than that of the glass solder ring (13).
7. Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 7. Measuring device according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (7) als O-Ring ausgeführt ist.  characterized in that the sealing element (7) is designed as an O-ring.
8. Kapazitive Druckmesszelle zur Erfassung des Druckes eines an die 8. Capacitive pressure measuring cell for detecting the pressure of the at
Druckmesszelle (10) angrenzenden Mediums, umfassend  Pressure measuring cell (10) of adjacent medium, comprising
- eine auslenkbare keramische Messmembran (1 1 ), deren erste Seite zumindest teilweise mit dem Medium in Kontakt steht und deren von dem Medium abgewandten zweiten Seite eine Messelektrode (14) aufweist, und - A deflectable ceramic measuring membrane (1 1), whose first side is at least partially in contact with the medium and whose remote from the medium second side has a measuring electrode (14), and
- einen der zweiten Seite der Messmembran (1 1 ) gegenüberliegend - One of the second side of the measuring diaphragm (1 1) opposite
angeordneten keramischen zylinderförmigen Grundkörper (12) mit wenigstens einer eine Messkapazität mit der Messelektrode (14) bildenden  arranged ceramic cylindrical base body (12) with at least one a measuring capacity with the measuring electrode (14) forming
Gegenelektrode (15), wobei die Messmembran (1 1 ) mittels einer ringförmigen Fügestelle (13) mit dem Grundkörper (3) unter Bildung einer Messkammer verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Messmembran (11) in zwei konzentrisch angeordnete Bereiche (11a, 11b) unterteilt ist, in denen sie eine Counter electrode (15), wherein the measuring diaphragm (1 1) is connected by means of an annular joint (13) with the base body (3) to form a measuring chamber, characterized in that the measuring diaphragm (11) is subdivided into two concentrically arranged regions (11a, 11b), in which they have a
unterschiedliche Dicke aufweist, derart, dass die Messmembran (11) nur im dünneren mittleren Bereich (11b) auslenkbar ist und im dickeren äußeren Bereich (11a) hingegen nicht.  has different thickness, such that the measuring diaphragm (11) is deflectable only in the thinner middle region (11b) and in the thicker outer region (11a), however, not.
9. Druckmesszelle nach Anspruch 8, 9. Pressure measuring cell according to claim 8,
dadurch gekennzeichnet, dass im Übergangsbereich vom auslenkbaren mittleren Bereich (11b) der Messmembran (11) zum dickeren äußeren Bereich (11a) ein Bogenabschnitt vorgesehen ist.  characterized in that in the transition region from the deflectable central region (11b) of the measuring diaphragm (11) to the thicker outer region (11a) an arc section is provided.
10. Druckmesszelle nach Anspruch 8 oder 9, 10. Pressure measuring cell according to claim 8 or 9,
dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des dickeren äußeren Bereichs (11a) näherungsweise der Breite des Glaslotrings (13) entspricht.  characterized in that the width of the thicker outer region (11a) corresponds approximately to the width of the glass solder ring (13).
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