DD279065A1 - Differenzdruckmessumformer mit ueberlastschutzeinrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Differenzdruckmessumformer mit einer Ueberlastschutzeinrichtung, die ein minimales Oelvolumen beansprucht und die Sensoreinrichtung bei einfachen Aufbau zuverlaessig auch gegen hochdynamische Ueberlastvorgaenge schuetzt. Das wird dadurch erreicht, dass in jeder Einlasskammer eine vom Druck allseitig umgebende Traegerscheibe angeordnet und ueber Befestigungselemente mit dem Mittelteil verbunden ist, dass die Traegerscheiben auf der einen Seite mit den Trennmembranen und auf der anderen Seite mit den Ueberlastmembranen verbunden sind, wobei die Druckuebertragung von der jeweiligen durch Trennmembran und Traegerscheibe gebildeten Vorkammer ueber einen Druckuebertragungskanal in den in der gegenueberliegenden Einlasskammer angeordneten durch die Ueberlastmembran und die Traegerscheibe gebildete elastischen hydraulischen Ueberlastspeicher und von diesem heraus ueber einen weiteren Druckuebertragungskanal in die jeweilige Teilmesskammer erfolgt. Fig. 2

Description

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Meßumformer zur Erfassung der Prozeßgröße Differenzdruck und davon abgeleiteter physikalischer Größen, wie Durchfluß, Füllstand usw., mit einer vor Überlastung geschützten Sensoreinrichtung, die in breitem Umfang in der Prozeßmeßtechnik eingesetzt werden kann.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Differenzdruckmeßumformer, insbesondere solche mit einem Halbleiterdrucksensor vom Membrantyp sind im Stand der Technik vielfach bekannt. Diese enthalten gewöhnlich einen Aufnahmekörper, der auf der Hoch- und Nioderdruckseite jeweils durch einen Gehäusedeckel unter Bildung einer Hoch- und einer Niederdruckeinlaßkammer abgeschlossen ist. In jeder Einlaßkammer befindet sich eine mit dem Aufnahmekörper verbundene Trennmembran, die das Innere des Meßumformers, das mit einer inkompressible!! Druckübertragungsflüssigkeit, wie Silikonöl, gefüllt ist nach außen gegenüber dem in den Einlaßkammern befindlichen Prozeßmedium abschließt. Der Drucksensor ist in einer Meßkammer angeordnet und unterteilt diese in zwei Teiikammern, wobei diese Meßkammern sowohl in dem Aufnahmekörper, z. B. EP 86737, US-PS 4546653 oder auch in einem gesonderten mit dem Aufnahmekörper verbundenen Aufbau, z.B. DE-OS 2718931, DE-OS 3047276 liegen kann. Zwischen dem Aufnahmekörper und der jeweiligen Trennmembran ist eine Vorkammer gebildet, die über einen oder mehrere Verbindungskanälc mit entsprechenden Teilmeßkammern verbunden ist. Da der Halbleiterdruckwandler sehr steif ist und nur sehr geringe Auslenkungen ausführen kann, ist er in hohem Maße anfällig gegenüber einseitiger Überlastung. Es ist daher notwendig und allgemein üblich, in der Trennwand zwischen Hoch- und Niederdruckseite, deren Bestandteil der Drucksensor ist, ein nachgebendes Element vorzusehen, das wünschenswerterweise erst bei Überschreiten einer vorher bestimmten

Druckdifferenz eine Bewegung ausführt und damit der Trennmembran auf der überlasteten Seite ein Anlegen an ein im Aufnahmekörper vorgesehenes Membranbett gestattet. Bei den meisten Lösungen wird als nachgebendes Element eine gegenüber der Trennmembran wesentlich steifere Überlastmembran verwendet, die in dem Aufnahmekörper in einer zusätzlichen Ausgleichskammer angeordnet ist und letztere in zwei Teilkammern unterteilt. Bei der DE-OS 3047276 sowie US-PS 4546653 erfolgt die Druckübertragung von der jeweiligen Trennmembran über die darunterliegende Vorkammer und einen Ve.'bindungskanal in die entsprechende Teilkammer des Überlastschutzes und von dort über einen weiteren Verbindungskanal zu der entsprechenden Teilmeßkammer, d.h. Trennmembran-Überlastschutz-Sensor bilden eine hydraulische Reihenschaltung.

Nachteilig bei einer derartigen Lösung ist, daß infolge der für den Überlastschutz benötigten Kammer das Volumen der Druckübertragungsflüssigkeit relativ hoch ist. Die bei Änderung der Meßmedien- oder Umgebungstemperatur hervorgerufene Volumenänderung der Füllflüssigkeit führt zu oiner Lageverschiebung der Trennmembranen und infolge ihrer nichtidentischen Federkonstanten zu einem temperaturabhängigen Nullpunktfehler.

Aus dem EP 86737 ist eine Lösung bekannt, die diesen Nachteil vermeidet, in dem zwei unter Vorspannung an dem Aufnahmekörper anliegende Überlastmembranen verwendet werden, die im Überlastfall in die Druckeinlaßkammer oder in die Vorkammer hineinbewegt werden. Bei dieser Lösung ist die jeweilige Vorkammer über einen Verbindungskanal mit der entsprechenden Teilmeßkammer verbunden, wobei vom Verbindungskanal ein einziger Zustandskanal abzweigt und unter die gegenüberliegende Überlastmembran geführt wird.

Nachteilig an dieser Lösung ist, daß bei sehr schnellen Überlastvorgängen die Sensoreinrichtung infolge des zu langsamen Ansprechens der Überlastmembran nicht zuverlässig geschützt wird. Bedingt durch die Kanalführung, eine hydraulische Parallelschaltung von Sensoreinrichtung und Überlastmembran, liegt ein Überlastimpuls etwa gleichzeitig an der Sensoreinrichtung und der Überlastmembran an. Die Überlastmembran muß neben ihrer Masse bei dereinen Ausführung auch die Masse der Füllflüssigkeit in der Vorkammer und die der Trennmembran und bei der anderen Ausführung die Masse der Feder beschleunigen und ist damit für hochdynamische Überlastvorgänge nicht immer ausreichend schnell. Um diesen Nachteil zu beseitigen, wurde entsprechend Patent DE 3443419 eine zusätzliche steife Membran nahe der Sensoreinrichtung dieser parallel geschaltet und in dem Verbindungskanal nahe der Vorkammer eine Drosselstelle vorgesehen. Damit wird sichergestellt, daß bei hochdynamischen Überlastvorgängen zunächst über die zusätzliche Membran analog der Spannung an einen Kondensator der Druckimpuls auch auf die andere Teilmeßkammer übertragen wird und dadurch der Sensor geschützt ist. Nachteilig an dieser Lösung ist der zusätzliche Herstellungsaufwand und die Verkomplizierung des Aufbaus der Meßeinrichtung.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, einen Differenzdruckmeßumformer zu schaffen, der eine einfache und kostengünstig herstellbare Überlastschutzeinrichtung besitzt, die die Sensoreinrichtung sicher auch gegen hochdynamisch ablaufende Überlastungsvorgänge schützt.

Charakteristik des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Differenzdruckmeßumformer zu schaffen, der eine Überlastschutzeinrichtung aufweist, die ein minimales Ölvolumen beansprucht und die Sensoreinrichtung bei einfachem Aufbau zuverlässig auch gegen hochdynamische Überlastvorgänge schützt, ohne daß zusätzlich Maßnahmen, wie eine parallel zum Sensor geschaltete Membran, erforderlich sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in jeder Einlaßkammer eine vom Druck allseitig umgebene Trägerscheibe angeordnet und über Befestigungselemente mit dem Mittelteil verbunden ist, daß die Trägerscheiben auf der einen Seite mit den Trennmembranen und auf der anderen Seite mit den Überlastmembranen verbunden sind, wobei die Druckübertragung von der jeweiligen durch Trennmembran und Trägerscheibe gebildeten Vorkammer über einen Druckübertragungskanal in den in der gegenüberliegenden Einlaßkammer angeordneten durch die Überlastmembran und die Trägerscheibe gebildeten elastischen hydraulischen Überlastspeicher und von diesem heraus über einen weiteren Druckübertragungskanal in die jeweilige Teilmeßkammer erfolgt. Der elastische Überlastspeicher besitzt ein geringes .Ausgangsvolumen, das durch ein System von in der Trägerscheibe im Bereich der Überlastmembran vorgesehenen Nuten engen Querschnitts bestimmt wird und arbeitet mit seiner Überlastmembran direkt gegen das Medium in der Einlaßkammer, ohne daß zusätzliche weitere massebehaftete Mittel wie Öl und Trennmembran oder Feder beschleunigt werden müssen. Das System von Nuten unter der Überlastmembran sorgt für eine schnelle großflächige Druckverteilung und sorgt mit für ein schnelles Abheben der Überlastmembran von ihrer Trägerscheibe. Vorzugsweise erfolgt die Druckeinleitung in den Überlastspeicher am Rand der Trägerscheibe und die Druckableitung am gegenüberliegenden Trägerscheibenrand. Die Überlastmembran ist vorteilhafter Weise ohne Wellenprofil ausgebildet und in ihrem Durchmesser nur unwesentlich kleiner als die Trennmembran.

Die Nuten in den Trägerscheiben besitzen vorzugsweise Formquerschnitte, die im Vergleich zu Bohrungen gleichen Querschnitts einen größeren hydraulischen Widerstand aufweisen.

Die vorliegende Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die dazugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1: einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Differenzdruckmeßumformer in der Schnittebene der

Druckübertragungskanäle der Hochdruckseite Fig. 2: einen Schnitt in der Ebene der Druckübertragungskanäle der Niederdruckseite, wobei der Zustand der einseitigen

Überlastung von der Niederdruckseite dargestellt ist

Fig. 3: einen Schnitt durch die Membranträgerscheibe 6 mit Trennmembran 8 und Überlastmembran 10 in der Ebene der

Druckübertragungskanäle Fig.4: Die Draufsicht auf die Membranträgerscheibe 6 mit Überlastmembran 10 entsprechend Figur 3.

Der in Figur 1 und 2 dargestellte Differenzdruckmeßumformer besitzt eine Hochdruckeinlaßkammer 1 und eine Niederdruckeinlaßkammer 2, die beide durch je einen Gehäusedeckel 3 mit Meßleitungsanschluß 4 und das Mittelteil 5 gebildet werden. In jeder Einlaßkammer befindet sich eine Membranträgerscheibe 6 und 7, die auf der einen Seite eine Trennmembran 8 bzw. 9 und auf der anderen Seite eine Überlastmembran 10 bzw. 11 trägt, die vorzugsweise kein Wellenprofil aufweist und deren Rand druckdicht mit der Trägerscheibe verbunden, vorzugsweise verschweißt ist. Durch den Abstand zwischen Trennmembran und Trägerscheibe wird die plusseitige Vorkammer 12 bzw. die minusseitige Vorkammer 13 gebildet. Von der plusseitigen Vorkammer 12 führt der Druckübertragungskanal 14 zum Rand der Trägerscheibe 7 und weiter über die Bohrung 15 in ein System von engen Nuten 16 und 31 in der Trägerscheibe, wie es in Figur 3 dargestellt ist und das für eine sehr schnelle Druckverteiiunng über die Fläche der Überlastmembran sorgt. Die Überlastmembran 10 bzw. 11 liegt mit einer solchen Vorspannung an der Trägerscheibe 6 bzw. 7 an, daß sie sich erst bei einem etwas höheren Druck als dem des Meßberaichsendwertes von der Trägerscheibe abhebt und damit den hydraulischen Speicherraum 29 entsprechend Figur 2 bildet. Durch die Bohrung 17 und Kanal 18 erfolgt die weitere Druckübertragung zur plusseitigen Teilkammer 19 des Drucksensors 20.

Das minusseitige Druckübertragungssystem ist spiegelbildlich aufgebaut und führt, wie in Figur 2 als vollständiger Schnitt dargestellt, von der Vorkammer 13 über 30,24,25,26,27 zur minusseitigen Teilkammer 28 des Drucksensors. Das plus- und minusseitige Druckübertragungssystem ist über die· Füllöffnungen 22 mit Druckübertragungsflüssigkeit 23, vorzugsweise Silikonöl, gefüllt.

Am Ausführungsbeispiel lassen sich die erfindungsgemäßen Merkmale und die sich damit ergebenden Vorzüge speziell bei hochdynamisch verlaufenden Meßvorgängen und Überlastungen erkennen. Diese Merkmale sind dadurch charakterisiert,

- daß die Druckübertragungskette von den meßdruckerfassenden Trennmembranen 8,9 über den elastischen Überlastspeicher 29 zum Drucksensor 20 eine reine Reihenschaltung von hydraulischen Widerständen darstellt, die plusseitig durch die Kanäle 14,15,16,17,18 und min'jsseitig durch 30, 24,25,26,27 gebildet wird, wobei im Meßbetrieb der elastische Überlastspeicher 29 als solcher (hydraulische Kapazität) nicht besteht, sondern als hydraulischer Widerstand innerhalb der Reihenschaltung wirkt, der durch die Nuten 16 bzw. 25 mit den anliegenden Überlastmembranen 10,11 gebildet wird. Der somit vorhandene sehr hohe hydraulische Gesamtwiderstand ermöglicht eine gute eingangsseitige Bedämpfung pulsierender Meßdrücke und bringt damit eine geringere Dauerwechselbeanspruchung der Trennrnembranen und des Drucksensors, wodurch eine Verringerung der Langzeitdrift und erhöhte Lebensdauer des Meßumformers erreicht wird.

- daß die Überiastschutzeinrichtung auch bei schlagartig einsetzenden einseitigen Überlastungen optimal ist, weil der elastische Überlasjspeicher 29 ein sehr schnelles Speichervermögen (hohe dynamische Kapazität) besitzt. Dadurch, daß sein nachgiebiger Wandungsteil, die Überlastmembran 10 bzw. 11 eine große Fläche besitzt, also im Durchmesser wenig kleiner als die Trennmembran ist. Dadurch, daß die Masse des nachgebenden Wandungsteiles, also der Überlastmembran, sehr klein ist und so dem physikalischen Gesetz der Massenbeschleunigung entsprechend sehr schnell beschleunigt wird, und im Vergleich zu anderen technischen Lösungen keine die Überlastmembran vorspannenden Federn, Andruckteller oder Trenr.membranen mit zu beschleunigen sind.

Auch dadurch, daß die Überlastmembran sich in das Prozeßmedium der Einlaßkammer hineinbewegt und nicht in die Druckübertragungsflüssigkeit der druckentlasteten Gegenseite ist die zu beschleunigende Masse geringer und die dynamische Speicherfähigkeit des Überlastspeichers 29 damit erhöht. Dadurch, daß die Überlastmembran ohne Wellung ausgeführt ist, besitzt sie im Vergleich zu gewellten Membranen im Bereich der geringen Auslenkungen eine kleinere Federsteife, gibt also bei einsetzendem Überlastfall eine größere Speicherkapazität schnell frei. Dadurch, daß de' Überlastspeicher 29 mit seiner schnellen Kapazitätsvergrößerung Überlastimpulse stark aboaut und ihm in der beschriebenen Reihenschaltung der hydraulischen Widerstände die Druckübertragungskanäle 17,18 bzw. 26,27 nachgeschaltet sind, deren hydraulischer Widerstand mehr als 50% des Gesamtwiderstandes der Druckübertragungdkette betragen soll, tritt eine solche Dämpfung der Überlastimpulse ein, daß die in den Teilkammern 19 und 28 auftretende Druckdifferenz den Drucksensor in keinem Fall überlastet. Die Druckdifferenz wird im statischen Zustand allein durch die Druckvolumenkonstante der Überlastmembran und das vom Speicher 29 aufgenommene Volumen der Vorkammer 13 bzw. 12 bestimmt. Weiteres Merkmal ist, daß das aus Figur 3 ersichtliche System von Druckübertragungskanäien in der Trägerscheibe 6 bzw. 7 in Form der Nuten 25 und 31 bzw. 16 und 31 so gestaltet ist, daß die Druckverteilung unter die gesamte Fläche der Überlastm.iinbran möglichst verzögerungsfrei erfolgt. Dabei ergibt sich im Druckübertragungssystem von Kanal 24 zu 26 eine Parallelschaltung der hydraulischen Widerstände der ringförmigen Nuten 31 zur Druckübertragungsnut 25, die die direkte Verbindung zwischen Kanal 24 und 26 herstellt. Da diese Parallelscha'tung eine nachteilige Herabsetzung des hydraulischen Widerstandes mit sich bringt, wird dies dadurch ausgeglichen, daß die Querschnittsfläche der Nuten und ihre Querschnittsform so gestaltet sind, daß sich ein größerer hydraulischer Widerstand als der runder Kanalbohrungen, wie 30, 27,26, ergibt. Da die Größe eines hydraulischen Widerstandes durch das Verhältnis von benetztem Wandumfang zur Querschnittsfläche mitbestimmt wird, ergibt sich für die im Ausführungsbeispiel angewandte Dreiecksform der Nuten, aber auch für andere Formen, der gewünschte höhere Widerstand als bei Bohrungen gleichen Querschnitts, wobei die Nuten im Vergleich zu sonst erforderlichen langen engen Bohrungen auch leichter herstellbar sind.

Der vorstehend beschriebene Meßumformer arbeitet wie folgt: Beide Drücke, deren Differenz gemessen werden soll, werden über die Meßleitungsanschlüsse 4 in die Einlaßkammern 1 bzw. 2 eingeleitet.

Der jeweilige Druck wird von der Trennmembran 8 und 9 erfaßt und mittels der Druckübertragungsflüssigkeit 23 über das beschriebene Druckübertragungssystem 12,14,15,16,17,18,19 und das minusseitige System 13,30,24,25,26,27,28 auf den Drucksensor 20 übertragen und von diesem in eine elektrische Meßgröße umgewandelt. Die auf eine Druckschwelle oberhalb des Meßbereichsendwertes vorgespannten Uberlastmembranen ändern ihre Lage oder Form hierbei nicht. Tritt zwischen den Drücken in den Einlaßkammern eine größere Druckdifferenz auf, die den Mäßbereich des Drucksensors 20 überschreitet, liegt also der Fall einer einseitigen Überlastung vor, se tritt der mit Figur 2 am Beispiel einseitiger Überlastung von der Niederdruckseite her gezeigte Zustand auf. Der in der Niederdruckeinlaßkammer 2 wirkende höhere Druck als in der Kammer 1, wird von der Trennmembran 9 in die Vorkammer 13 übertragen, wodurch die Trennmembran sich an der Trägerscheibe 7 anlegt und die Druckübertragungsflüssigkeit aus der Vorkammer 13 über Kanal 30, Bohrung 24 und Nut 25 in den sich durch Abheben der Überlastmembran 10 von der Trägerrcheibe 6 bildenden hydraulischen Speicherraum 29 drängt. Damit sind die in der Einlaßkammer 2 befindliche Trennmembran 9 und Überlastmembran 11 durch ganzflächige Anlage an der Trägerscheibe 7 vor Doformation geschützt, die in der gegenüberliegenden Einlaßkammer 1 befindlichen Membranen 8 und 10, sowie der Drucksensor 20 sind gleichfalls nicht einseitig überbelastet, da über die Membran 8 und 10 in der Vorkammer 12 und im Speicherraum 29 ein fast gleichgroßer Gegendruck aufgebaut wird, wie er in der Einlaßkammer 1 vorliegt. Die etwa gleichen Drücke in Vorkammer 12 und Speicherraum 29 wirken über die beiden beschriebenen Druckübertragungssysteme auch in den beiden Teilkammern 19 und 28, womit der Drucksensor gleichfalls nicht durch einseitige Drucküberlastung gefährdet ist. Tritt eine einseitige Überlastung von der Hochdruckeinlaßkammer 1 her auf, so tritt ein analoger Überlastschutzvorgang ein, bei dem also die Uberlastmembran 11 mit der Trägerscheibe 7 einen hydraulis hen Speicherraum bildet, der die Druckübertragungsflüssigkeit aufnimmt, die aus der Vorkammer 12 verdrängt wird. Somit ist der Schutz des Meßumformers gegen einseitige Überlastung von der Hochdruck- sowie Niederdruckseite her gegeben.

Claims (4)

1. Differenzdruckmeßumformer mit Überlastschutzeinrichtung mit einer Hochdruck- und einer Niederdruckeinlaßkammer, die jeweils durch einen Gehäusedeckel und ein gemeinsames Mittelteil gebildet sind, mit einer in einer Meßkammer angeordneten Drucksensoreinrichtung, die die Meßkammer in zwei Teilkammern teilt, mit je einer Trennmembran in den Einlaßkammern, welche mit ihrem Membranbett eine Vorkammer bilden, mit je einer Überlastmembran in den Einlaßkammern, die an ihrem Träger eng anliegen und sich im Überlastfall in die jeweilige Einlaßkammer hineinbewegen, sowie mit Druckübertragungskanälen, die jeweils eine Vorkammer sowohl mit der einen Teilmeßkammer als auch mit der in der gegenüberliegenden Einlaßkammer befindlichen Überlastmembran verbinden, wobei die Druckübertragungskanäle, die Vorkammern und Teilmeßkammern mit einer inKompressiblen Druckübertragungsflüssigkeit gefüllt sind, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Einlaßkammer (1,2) eine vom Druck allseitig umgebene Trägerscheibe (6,7) angeordnet und über Befestigungselemente (21) mit dem Mittelteil '5) verbunden ist, daß die Trägerscheiben (6,7) auf der einen Seite mit den Trennmembranen (8,9) und auf der anderen Seite mit den Überlastmembranen (10,11) verbunden sind, daß die Druckübertragung von der jeweiligen Vorkammer (12,13) über einen Druckübertragungskanal (14, 30) in den in der gegenüberliegenden Einlaßkammer angeordneten, durch die Überlastmembran (10,11) und die Trägerscheibe (6,7) gebildeten elastischen hydraulischen Überlastspeicherund von diesem heraus über einen weiteren Druckübertragungskanal (18,27) in die jeweilige Teilmeßkammer (19,28) erfolgt, wobei der elastische Überlastspeicher ein geringes Ausgangsvolumen besitzt und direkt mit seiner Überlastmembran (10,11) gegen das Medium in der entsprechenden Einlaßkammer (1,2) arbeitet und daß im Überlastspeicher die Trägerscheibe (6,7) im Bereich der Überlastmembran (10,11) ein System von Nuten (16,25) engen Querschnitts zur schnellen und ganzflächigen Druckverteilung aufweist.

2. Differenzdruckmeßumformer nach Anspruch ^gekennzeichnet dadurch, daß die Druckeinleitung in den Gberlastspeicher am Rand der Trägerscheibe (6,7) und die Druckableitung am gegenüberliegenden Trägerscheibenrand erfolgt.

3. Differenzdruckmeßumformer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Überlastmembran (10,11) ohne Wellenprofil ausgebildet und in ihrem Durchmesser nur unwesentlich kleiner als die Trennmembran (8,9) ist.

4. Differenzdruckmeßumformer nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (16,25) in den Trägerscheiben (6,7) Formquerschnitte aufweisen, die im Vergleich zu Bohrungen gleichen Querschnitts einen größeren hydraulischen Widerstand besitzen.