DD287328A5

DD287328A5 - OVERLOAD PROTECTION DEVICE IN DIFFERENTIAL PRESSURE TRANSMITTERS

Info

Publication number: DD287328A5
Application number: DD33203989A
Authority: DD
Inventors: Eberhard Borchers; Christian Haser; Thomas Heinz
Original assignee: Veb Geraete- Und Regler-Werke Teltow,De
Priority date: 1989-08-24
Filing date: 1989-08-24
Publication date: 1991-02-21

Abstract

Die Erfindung betrifft eine UEberlastschutzeinrichtung in Differenzdruckmeszumformern, vorzugsweise mit einem piezoresistiven Siliziumsensor vom Membrantyp als Meszelement. Der vorgespannte UEberlastschutz soll den Drucksensor auch bei hochdynamisch ablaufenden UEberlastungen zuverlaessig schuetzen und selbst nur einen sehr geringen Volumenanteil der Fuellfluessigkeit beanspruchen. Erreicht wird das dadurch, dasz die UEberlastschutzeinrichtung aus einer Membran, die mit ihrem Rand auf einem Traeger druckdicht verschweiszt ist und einem Traeger besteht, der in seiner von der Membran abgedeckten Oberflaeche ein Profil aufweist, dasz im Querschnitt dicht neben der Membranaufschweiszung verlaufend eine umlaufende schmale Randnut aufweist und der Querschnitt zwischen Randnut eine konkave Woelbung besitzt. Die Woelbung, die im Nutgrund oder etwas darueber beginnt, entspricht der Biegelinie einer mit dem Druck belasteten Membran, welcher der fuer einen bestimmten Meszbereich festgelegten UEberlastschwelle entspricht. Die Membran aus einem Material mit mittlerer Federhaerte, aber noch dehnfaehig, ist mit einfachen Mitteln, wie Gummikissen oder Druck, auf dem Traeger ausgepraegt wodurch sie im Nutbereich ueberdehnt und plastisch verformt wird. Fig. 1{Druckmeszgeraet; Differenzdruckmeszumformer; Drucksensor; Silizium, piezoresistiv; Meszwerk; UEberlastschutz; Membran, vorgespannt; Membrangestaltung; Sicke}The invention relates to a Überlastschutzeinrichtung in Differenzdruckmeszumformern, preferably with a piezoresistive silicon sensor of the membrane type as Meszelement. The prestressed overload protection is intended to reliably protect the pressure sensor even in the case of highly dynamic overloads and even to occupy only a very small volume fraction of the fill fluid. This is achieved in that the overload protection device consists of a membrane, which is pressure-sealed with its edge on a carrier and a carrier which has a profile in its membrane-covered surface, running in cross-section close to the Membranaufschweiszung a circumferential narrow Randnut and the cross section between Randnut has a concave Verwelbung. The curvature beginning in the groove base or slightly above it corresponds to the bending line of a diaphragm loaded with the pressure, which corresponds to the overload threshold established for a certain measuring range. The membrane of a material with medium Federhaerte, but still flexible, is expressed by simple means, such as rubber pads or pressure on the carrier so that it is overstretched in the groove area and plastically deformed. Fig. 1 {Druckmeszgeraet; Differenzdruckmeszumformer; Pressure sensor; Silicon, piezoresistive; Meszwerk; Overload protection; Membrane, preloaded; Diaphragm design; Beading}

Description

Hierzu 3 Seiten ZeichnungenFor this 3 pages drawings

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft die Überlastschutzeinrichtung in Differenzdruckmeßumformern mit einem Drucksensor, der zumeist als Halbleitermembran nach piezoresistivem Prinzip arbeitend, vor Kontakt mit den zu messenden Medien sowie vor Zerstörung durch zu große den Meßbereich übersteigende Druckdifferenzen geschützt sein muß.The invention relates to the overload protection device in Differenzdruckmeßumformern with a pressure sensor, which usually works as a semiconductor membrane piezoresistivem principle, must be protected against contact with the media to be measured as well as destruction by excessively large the measuring range pressure differences.

Characteristic of the known state of the art

Derartige Meßumformer bestehen gewöhnlich aus zwei Einlaßkammern, in denen die zu messenden Drücke der Prozeßmedien auf je eine metallische Membran (Trennmembran) wirken und mittels einer geeigneten Druckübertragungsflüssigkeit, z. B. Silikonöl, auf den Drucksensor übertragen werden. Die Schutzeinrichtung gegen einseitige Überlastung des Drucksensors besteht oft aus einer durch Federn oder eigene Vorspannung lagegefesselten Überlastmembran, die wie der Sensor einen Teil der Trennwand zwischen beiden mit Silikonöl gefüllten Meßkammern bildet. Diese vorgespannte Überlastmembran ist im Meßbetrieb funktionslos, sie erfährt aber im Überlastfall, bei dem eine den Meßbereich des Sensors übersteigende Druckdifferenz ihre Vorspannung überwindet, eine Durchwölbung und nimmt dadurch das von der überlasteten Trennmembran verdrängte Silikonölvolumen auf. Hierdurch kann sich die überlastete Trennmombran an ihrem Tragerkörper anlegen und der Drucksensor wird dadurch nur mit der zulässigen niedrigen Druckdifferenz belastet, die durch die mechanische Vorspannung und Federsteife der Überlastmembran bestimmt wird. Zwei, die Qualität der Messung wesentlich verbessernde Funktionsförderungen bestehen bei derartigen Meßzellen:Such transducers usually consist of two inlet chambers in which the pressures of the process media to be measured each act on a metallic membrane (separation membrane) and by means of a suitable pressure transfer fluid, for. As silicone oil, are transmitted to the pressure sensor. The protective device against unilateral overload of the pressure sensor often consists of a position-biased by springs or own bias overload diaphragm that forms part of the partition wall between the two filled with silicone oil measuring chambers like the sensor. This preloaded overload diaphragm is inoperative in the measuring operation, but it undergoes a bulge in case of overload, in which a pressure difference exceeding the measuring range of the sensor overcomes its bias, and thereby absorbs the volume of silicone oil displaced by the overloaded separating diaphragm. As a result, the overloaded Trennmombran can invest in their support body and the pressure sensor is thereby charged only with the allowable low pressure difference, which is determined by the mechanical bias and spring stiffness of the overload diaphragm. Two, the quality of the measurement significantly improving function promotions exist in such measuring cells:

- Die Tronnmembranen sollen beim Meßvorgang nur geringste Bewegungen ausführen, da ihre Bewegung Meßenergie verbraucht, daß Meßergebnis also verfälscht. Es treten Hysterese und Linearitätsfehler infolge der nichtlinearen Trennmembransteife auf und durch Volumenverschiebung der Druckübertragungsflüssigkeit im Meßbetrieb reagiert die Meßzelle nicht schnell genug bei dynamischen Meßvorgängen.- The Tronnmembranen should perform only slightest movements during the measurement, since their movement consumes Meßenergie, that falsified measurement result. There are hysteresis and linearity errors due to the nonlinear separation membrane stiffness and by volume displacement of the pressure transfer fluid in the measuring mode, the measuring cell does not react fast enough in dynamic measuring operations.

- Das Volumen der Druckübertragungsflüssigkeit soll extrem klein sein, um die Fehler der Meßzello durch Temperaturänderung sowie durch Änderung des statischen Druckes klein zu halten. Beide Fehler entstehen aufgrund der fertigungsbedingten Toleranz der Federsteife beider Trennmembranen, die bei Veränderung ihrer Durchwölbung durch temperatur- bzw.- The volume of the pressure transfer fluid should be extremely small in order to keep the errors of the Meßzello small by changing the temperature and by changing the static pressure. Both errors arise due to the production-related tolerance of the spring stiffness of both separation membranes, the change in their Durchwölbung by temperature or

kompressibilitätsabhängige Volumenveränderung unterschiedliche Drücke in der Druckübertragungsflüssigkeit und damit am Sensor erzeugen.Compressibility-dependent volume change generate different pressures in the pressure transfer fluid and thus at the sensor.

Aus der Vielzahl bekannter Lösungen soll als Beispiel auf die Erfindungsbeschreibung GB-PS 2069703 verwiesen werden. Bei dieser Lösung ist die erste Forderung durch die Lagefesselung der mittigen Überlastmembran bis zu Druckdifferenzen, die dicht über dem Meßbereichsendwert der sogenannten Überlastschwelle liegen, gut erfüllt. Die zur Lagefesselung (Vorspannung) der Überlastmembran erforderlichen Federn (Tellerfedern) und Membranstützteller sowie die Überlastungsbewegung der Membran erfordern aber einen erheblichen flüssigkeitsgefüllten Arbeitsraum, so daß die zweite Forderung nicht erfüllt wird. Bekannt sind weitere Lösungen, die ohne zusätzliche Federn zur Vorspannung der Überlastmembran auskommen und dadurch den Vorteil geringeren Volumens an Druckübertragungsflüsssigkeit erreichen. Hierbei wird die in beide Richtungen auslenkbare mittige Überlastrr.embran durch zwei Membranen ersetzt, wobei jede Membran mit Vorspannung an einem Profilbett anliegend, nur in einer Richtu ng, also im Überlastfall vom Profilbett abhebend, auslenkbar ist. Die Mittel zur Vorspannung der Überlastmembran.w auf ihren Trägerkörper (Profilbett) sind dabei unterschiedlich. So wird entsprechend der DE-OS 2819303 eine konvexgewölbte Membran gegen ein konkav gewöMes Bett von geringerer Wölbungstiefe gedrückt und damit die Vorspannung der Membran am Membranbett erreicht. Die Herstellung der gewölbten Me nbran, sowie eines Membranbettes mit der zur Membran unterschiedlichen Wölbungsform, die aber aufgrund der zu erreichenden Vorspannung (Überlastschwelle) und flächigen Anlage einander formmäßig zugeordnet sein muß, ist fertigungstechnisch schwierig. Die ungewollte Membran mit der Oberfläche eines Kugelabschnittes, von außen mit dem Überlastungsdruck belastet, besitzt eine extrem hohe und mit der Belastung progressiv steigende Steifigkeit gegen Verformung. Das heißt, ihr Volumenaufnahmevermögen ist gering und mitFrom the variety of known solutions should be made as an example on the description of the invention GB-PS 2069703. In this solution, the first requirement by the Lagefesselung the central overload diaphragm up to pressure differences that are close to the Meßbereichsendwert the so-called overload threshold, well met. However, the necessary for Lagefesselung (bias) of the overload diaphragm springs (disc springs) and diaphragm support plate and the overloading movement of the membrane require a considerable liquid-filled working space, so that the second requirement is not met. Other solutions are known which manage without additional springs for biasing the overload membrane and thereby achieve the advantage of lower volume of pressure transmission fluid. Here, the deflectable in both directions central Überlastrr.embran is replaced by two membranes, each membrane with bias to a profile bed fitting, only in a Richtu ng, so in the case of overload of the profile bed lifting, is deflected. The means for biasing the Überlastmembran.w on their support body (profile bed) are different. Thus, in accordance with DE-OS 2819303, a convexly arched membrane is pressed against a concave, widened bed of lesser curvature depth, thus achieving the prestressing of the membrane on the membrane bed. The production of curved Me nbran, as well as a membrane bed with the membrane different curvature shape, but due to the achievable bias (overload threshold) and surface conditioning must be assigned to each other in terms of form, is difficult to manufacture. The unwanted membrane with the surface of a spherical section, loaded from the outside with the overload pressure, has an extremely high and with the load progressively increasing stiffness against deformation. That is, their volume capacity is low and with

stoilem Druckanstieg verbunden (hohe Druck/Volumenkonstante —~). Ihre Anwendung erscheint deshalb bei Meßumformernhigh pressure / volume constant - ~ ). Their application therefore appears in transducers

mit hochempfindlichen Halbleitermembransensorjn wenig vorteilhaft, da bei diesen, zur Erreichung hoher Meßempfindlichkeit, der Meßbereichsendwert und damit die Überlastfchwolle möglichst dicht unter der Materialelastizitätsgrenze des Sensors festgelegt wird. Es besteht also für den Überlastfall bei hoher Betriebstemperatur, der mit maximaler Volumenaufnahme der Überlastmembran verbunden ist, die Gefahr, daß aufgrund der hohen Federsteife der Überlastmembran der hohe Fnddruck den Sensor bersten läßt, In der OS beschriebene Maßnahmen, wie Einbau von Blöcken mit geringerem Temperaturausdehnungskoeffizienten, mindern zwar das von der Membran aufzunehmende Volumen und damit die auftretende maximale Druckbelastung des Sensors, sie wirken sich aber ungünstig bezüglich Baugröße und Fertigungsaufwand auf das Gerät aus. Mit dem EP 86737 ist ein anderes Mittel zur Erreichung der Vorspannung der Überlastmembran bekannt, bei dem diese in ebenem Zustand mit ihrem Rand auf einem Trägerkörper befestigt und dann zur Erreichung der Vorspannung eine erstarrende Flüssigkeit (Zinn, Plaste) zwischen Überlastmembran und Membranträgerkörper gedrückt ist. Die erstarrte Masse bildet r<ann das Profilbett der mit Vorspannung anliegenden Überlastmembran. Der fertigungstechnische Aufwand ist bei dieser Lösu ig sehr hoch, so wird zwecks Vermeidung des Anklebens der Überlastmembran an der Erstarrungsmasse die Zwischenlage einer dünnen Abdichtmembran empfohlen, anderenfalls ist mit einem Zusetzen der Druckübertragungskanäle durch die Erstarrunfesmasse zu rechnen. Ein weiteres Mittel um Überlastmembranen ohne Einsatz von zusätzlichen Federn vorzuspannen, ist mit den DD-WP P 01 L/324 531.8 und 324 530.1 des Anmelders bekannt. Hierbei ist eine ebene Überlastmombron mit ihrem Rand auf eine relativ dünne Trägerscheibe aufgeschweißt und diese Einheit dann sphärisch gewölbt, wodurch die Überlastmombran ganzflächig so unter Vorspannung an der konkav gewölbten Seite der Trägerscheibe anliegt, daß sie erst bei Überschreiten der vorherbestimmten Druckdifferenz (Überlastschwelle) von der Trägerscheibe abhebt. Die bei hochdynamisch ablaufenden Überlastvorgängen erforderliche schnelle Druckverteilung unter der ganzflächig anliegenden Membran, d. h. die schnelle Freigabe ihre hydraulischen Speicherkapazität, wird durch ein System enger Nuten in der Trägerscheibe, im Bereich der Membrananlagefläche, erreicht. Die beschriebene sphärische Wölbung der aus Trägerscheibe und aufgeschweißter Membran bestehenden Membraneinheit mittels Druck, sowie die Herstellung des Systems der engen Nuten sind technologisch relativ aufwendig. Die auf die Trägerscheibe geschweißte ungewellte ebene Überlastmembran erfährt durch die Wölbung der Trägerscheibe zwecks Membranvorspannung, sowie durch die weitere Durchwölbung bei Volumenaufnahme im Überlastfall eine Oberflächenvergrößerung, die allein durch Dehnung des Membranmateriafs erreicht werden muß. In der Membran treten damit erhebliche radiale Zugspannungen auf. Sie besitzt deshalb eine steilere Druck/Volumen-Kennlinie als gesickte bzw. gewellte Überlastmembranen, deren Oberflächenvergrößerung, bei Verformung der Sicken, mit geringerem Spannungsai stieg (Biegespannungen) einhergeht. Vergleichbar mit der Aussage zur DE-OS 2819303 ist auch bei dieser Lösung das Aufnahmevolumen der Membran sehr gering, es ist für Meßumformerkonstruktionen mit etwas größeren Volumen an Druckübertragungsflüssigkeit nicht ausreichend. Eine größere Volumenaufnahme würde das Membranmaterial überdehnen, d.h. durch Überschreitung der Elastizitätsgrenze würde die Vorspannung der Membran, also die Überlast?', hwelle auf Druckwerte unterhalb des Meßbereichsendwertes abcinken und die Gerätefunktion dam!, gestört sein. Der sich im Überlastfall einstellende hohe Flüssigkeitsenddruck gefährdet den Sensor.with highly sensitive Halbleitermembransensorjn little advantageous because these, to achieve high sensitivity, the Meßbereichsendwert and thus the Überlastfchwolle is set as close to the material elastic limit of the sensor. So there is the case of overload at high operating temperature, which is connected to maximum volume of the overload diaphragm, the risk that due to the high spring stiffness of the overload diaphragm of the high Fnddruck burst the sensor, In the OS described measures, such as installation of blocks with lower coefficients of thermal expansion Although reduce the volume to be absorbed by the membrane and thus the maximum pressure load of the sensor occurring, but they affect unfavorable in terms of size and manufacturing costs on the device. With EP 86737 another means for achieving the bias of the overload membrane is known, in which this fixed in a flat state with its edge on a support body and then pressed to achieve the bias of a solidifying liquid (tin, plastic) between overload membrane and membrane support body. The solidified mass subsequently forms the profile bed of the overload diaphragm which bears against prestress. The manufacturing effort is very high in this solu, so for the purpose of avoiding the sticking of the overload membrane on the solidification mass, the intermediate layer of a thin sealing membrane is recommended, otherwise it is to be expected with a clogging of the pressure transmission channels by the solidification mass. Another means for biasing overload membranes without the use of additional springs, is known with the DD-WP P 01 L / 324 531.8 and 324 530.1 of the applicant. Here is a flat overload momom with its edge welded onto a relatively thin carrier disk and then curved this unit spherical, so that the Überlastmombran over the whole area under bias on the concave side of the carrier disk rests, that they only when exceeding the predetermined pressure difference (overload threshold) of the Carrier disc lifts off. The rapid pressure distribution required under highly dynamic overloading processes under the entire surface of the membrane, d. H. the rapid release of their hydraulic storage capacity is achieved by a system of narrow grooves in the carrier disc, in the area of the membrane contact surface. The described spherical curvature of the membrane unit consisting of support disk and welded membrane by means of pressure, as well as the production of the system of narrow grooves are technologically relatively complex. The welded to the support plate uneven flat overload membrane experiences by the curvature of the support disk for the purpose of membrane bias, and by the further bulge in volume uptake in case of overload surface enlargement, which must be achieved solely by stretching the Membranmateriafs. Significant radial tensile stresses thus occur in the membrane. Therefore, it has a steeper pressure / volume characteristic than beaded or corrugated overload membranes whose surface enlargement, with deformation of the beads, with a lower Spannungsai increased (bending stresses) is accompanied. Comparable with the statement on DE-OS 2819303, the receiving volume of the membrane is very small in this solution, it is not sufficient for Meßumformerkonstruktionen with slightly larger volume of pressure transmission fluid. A larger volume intake would overstretch the membrane material, i. Exceeding the elastic limit would cause the preload of the diaphragm, that is to say the overload, to fall below the upper end of the measuring range and impair the functioning of the device. The high liquid end pressure occurring in the event of an overload endangers the sensor.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Ziel der Erfindung ist es, eine Überlastschutzbaugruppe für Differenzdruckmeßumformer zu schaffen, welche die oben genannten Nachteile nicht aufweist und sehr einfach herzustellen ist.The aim of the invention is to provide an overload protection assembly for Differenzdruckmeßumformer, which does not have the disadvantages mentioned above and is very easy to manufacture.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Überlastschutzeinrichtung in Differenzdruckmeßumformern zu schaffen, die den Drucksensor zuverlässig gegen einseitige Überlastvorgänge schützt, auch wenn diese hochdynamisch ablaufen. Die selbst nur einen sehr geringen Volumenanteil der im Meßumformer als Druckübertragung dienenden Flüssigkeit beansprucht und von kleiner Baugröße ist. Es soll durch Einsatz einer an einem Trägerkörper mit Vorspannung anliegenden ÜberlastmembranThe invention has for its object to provide an overload protection device in Differenzdruckmeßumformern that reliably protects the pressure sensor against unilateral overload operations, even if they are highly dynamic. The claimed itself only a very small volume fraction of the liquid serving as a pressure transmission in the transmitter and is of small size. It is intended by use of an applied to a support body with bias overload diaphragm

erreicht werden, daß Meßdruckänderungen, scfern sie den Meßbereich des Meßumformers nicht überschreiten, keine wesentliche Volumenverschiebung und damit Bewegung der Trennmembranen des Meßumformers bewirken. Die Membranoinheit ist also so zu gestalten, daß die Druck/Volumen-Kennlinie der Überlastmembran im Anfangsbereich (dem Meßbereich) sehr steil aber nicht mit unendlicher Steigerung ansteigt, dann aber, bei Meßbereichsüberschreitung, möglichst Nachsteigend weiter verläuft, die Membran also eine möglichst große Volumenspeicherkapazität bei möglichst geringem Druckanstieg freigibt, damit im Überlastfall der von der maximal gespannten Membran erzeugte Druck den Sensor nicht gefährdet. Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß die Überlastmembraneinheit aus einer Membran, die mit ihrem Rand auf einem Trägerkörper druckdicht befestigt, vorzugsweise geschweißt, ist und einem Trägerkörper besteht, der in seiner von der Membran abgedeckten Oberfläche ein Profil aufweist, daß im Querschnitt dicht neben der Membranaufschweißung verlaufend, eine umlaufende schmale Randnut mit Radienquerschnitt von etwa gleicher Tiefe wie Breite aufweist und der Querschnitt zwischen der Randnut bzw. beiden Randnuten bei einer Kreisringmembran, eine konkave Wölbung besitzt, die, im Nutgrund oder etwas darüber beginnend, der Biegelinie einer mit dem Druck belasteten Membran entspricht, welcher der für einen bestimmten Meßbereich festgelegten Überlastschwelle entspricht. Die Form der konkaven Biegelinie kann der einfachen Fertigung wegen durch einen Radius gebildet sein. Die Oberflächenform der Membran und ihres in den Trägerkörper eingearbeiteten Profilbettes des beschriebenen Querschnittes, kann dabei sowohl kreisförmig aber auch eliptisch, zungenförmig, kreisringförmig oder von anderer geeigneter Form sein. Die Membran aus Material mit mittlerer Federhärte, aber noch dehnfähig, ist mit einfachen Mitteln (Gummikissen oder Druck) auf dem Trägerkörper ausgeprägt. Damit wird sie im Nutbereich überdehnt, in diesem Bereich plastisch verformt erhält sie die Randnutform, wobei bei der Prägung der elastisch») Spannungsanteil eine minimale Rückfederung bewirkt also ein minimaler Abstand zwischen Nutgrund und Membrannut besteht. Im konkavförmigen Bereich des Trägerkörperprofüs liegt die Membran unter Biegespannung aufgrund ihrer durch r'ie Prägung in den Nutgrund runtergebogenen Randzone mit Vorspannung an. Die zur Funktion der Membraneinheit als elastischer Volumenspeicher notwendigen Druckübertragungsbohrungen befinden sich im Nutgrund des Trägerkörpers.be achieved that Meßdruckänderungen, scfern they do not exceed the measuring range of the transmitter, cause no significant volume shift and thus movement of the separation membranes of the transmitter. The Membranoinheit so it is to be designed so that the pressure / volume curve of the overload membrane in the initial range (the measuring range) increases very steep but not with infinite increase, but then, in Meßbereichsüberschreitung, as far as possible continues, so the membrane as large a volume storage capacity releases at the lowest possible increase in pressure so that in case of overload, the pressure generated by the maximum tensioned membrane does not endanger the sensor. According to the invention this is achieved in that the overload membrane unit of a membrane, which is pressure-tight fastened with its edge on a support body, preferably welded, and a support body which has a profile in its covered by the membrane surface, that in close proximity to the Membranaufschweißung extending, a circumferential narrow edge groove with radius cross-section of about the same depth as width and has the cross section between the Randnut and two Randnuten at a circular diaphragm, a concave curvature, starting in the groove base or slightly above, the bending line with the pressure loaded diaphragm corresponding to the specified for a certain measuring range overload threshold. The shape of the concave bend line may be formed for ease of manufacture by a radius. The surface shape of the membrane and its incorporated into the support body profile bed of the described cross-section may be both circular but also elliptical, tongue-shaped, circular or other suitable shape. The membrane of material with medium spring hardness, but still stretchy, is characterized by simple means (rubber pad or pressure) on the support body. Thus, it is overstretched in the groove area, plastically deformed in this area, it receives the Randnutform, with the embossing of the elastic ») voltage component causes minimal springback so there is a minimum distance between groove base and membrane groove. In the concave portion of the Trägerkörperprofüs the membrane is under bending stress due to their r'ie embossment in the groove bottom runtergebogenen edge zone with bias. The pressure transfer holes necessary for the function of the membrane unit as an elastic volume accumulator are located in the groove base of the carrier body.

embodiment The invention will be explained in more detail using an exemplary embodiment. The accompanying drawings show 1 shows a section through a Differenzdruckmeßumformer with two of the invention, prestressed Diaphragm units as overload protection for the one-sided overload of the high-pressure b? W. Low pressure side. Fig. 2: the biased on the carrier body overload membrane in cross section, shown enlarged as a detail.

Fig. 3: wie Fig.2, Überlastmembran im Betriebszustand als gefüllter Volumenspeicher bei einseitiger Überlastung des MeßumformerrsFIG. 3: as in FIG. 2, overload diaphragm in the operating state as a filled volume memory with one-sided overload of the transducer

Fig. 4: Die Druck/Volumen-Kennlinie des durch die Überlastmembran und den Trägerkörper gebildeten elastischen Volur änspeichersFig. 4: The pressure / volume characteristic of the formed by the overload membrane and the carrier body elastic Volur änspeichers

Die Figur 1 zeigt die erfindungsgemäß vorgespannte Membraneinheit als Überlastschutz, angewandt in einem Differenzdruckmeßumformer mit Halbleitermembran-Drucksensor. Der Meßumformer, wie er in Figur 1 als mögliches Anwendungsbeispiel dargestellt ist, besteht aus Hochdruckeinlaßkammer 1 und Niederdruckeinlaßkammer 2, die beide durch je einen Gehäusedeckel 3 mit Meßleitungsanschluß 4 und dem Trägerkörper 5 gebildet werden. In jeder Einlaßkammer befindet sich eine Trennmembran 6,7, deren Rand mit einer Trägerscheibe 8 druckdicht verbunden ist. Trennmembran und Trägerscheibe besitzen ein übereinstimmendes Wellenprofil, so daß sich die Trennmembran Im Überlastungsfall an ihre Traget scheibe anlegen kann. Durci. den Abstand zwischen Trennmembran udn Trägerscheibe wird die plusseitige Vorkammer 9 bzw. die minusseitige Vorkammer 10 gebildet, von der aus ein Druckübertragungskanal 11 bzw. 12 im Trägerkörper 5 zur Randnut 13 bzw. 14 im Trägerkörper 5 führt, unter die mit ihrem Rand aufgeschweißte plusseitige Überlastmembran 15 bzw. minusseitige Überlastmembran 16. Von der umlaufenden Randnut 13 führt Kanal 17 zur Plusseite 18 des Halbleitermembran-Drucksensors 19. Von der Randnut 14 führt Kanal 20 zur Minusseite 21 des Drucksensors. Das plusseitige Druckübertragungssystem 9,11,13,17,18 ist mit der Druckübertragungsflüssigkeit 22 gefüllt, das minusseitige System 10,12, 14,20,21 mit der Druckübertragungsflüssigkeit 23. Die wesentlichen Merkmale der Erfindung sind aus Figur 2, der vergrößerten Darstellung der auf den Trägerkörper 5 mit dem Rand aufgeschweißten Überlastmembran 15 bzw. 16 zu erkennen. Siebestehen darin, daß der Trägerkörper 5 in seiner von der Überlastmembran 15 bzw. 16 abgedeckten Oberfläche ein Profil aufweist, daß im Querschnitt dicht neben der Membranaufschweißung 24 verlaufend, eine umlaufende Randnut 13 bzw. 14 mit Radienquerschnitt r von etwa gleicher Tiefe T wie Breite B aufweist und der Querschnitt zwischen der Randnut eine Konkavwölbung 25 besitzt, die im Nutgrund 26 oder etwas oberhalb beginnend, der Biegelinie einer mit dem Druck belasteten Membran entspricht, welcher der für einen bestimmten Meßbereich festgelegten Überlastschwelle entspricht. Der einfachen Fertigung wegen, ist die Konkavwölbung 25 durch einen der Biegelinie angenäherten Radius R gebildet. Die Überlastmembran 15 bzw. 16, vorzugsweise aus CrNi-Stahl minierer Federhärte (Streckgrenze ca. 1000 N/mm¹), auf dem Trägerkörper 5 geschweißt, ist auf diesem ausgeprägt. Damit ist sie im Bereich der Randnut 14 bzw. 13 überdehnt, in diesem Bereich also plastisch verformt, besitzt sie die Randnutform des Trägerkörpers, wobei durch den elastischen Spannungsanteil beim Prägen eine minimale Rückfederung auftritt und dadurch ein geringer Abstand h zwischen Nugrund 26 des Trägerkörpers und der Membran besteht. Im Bereich der Konkavwölbung 25 liegt die Membran unter Biegespannung aufgrund ihrer durch die Prägung in den Nutgrund 26 runter gebogenen Randzons mit Vorspannung an. Die Druckübertragungskanäle 11 und 17 bzw. 12 und 20 münden im Nutgrund 26 der umlaufenden Randnut 13 bzw. 14 in möglichst weitem Abstand voneinander. Der vorstehend beschriebene Meßumformer arbeitet im Meßzustand wie folgt: Beide Drücke, deren Differenz gemessen werden soll, werden über die Meßleitungeanschlüsse 4 in die Einlaßkamrnern 1 bzw. 2 eingeleitet, der jeweilige Druck wird von der Trennmembran 6 und 7 erlaßt und mittels der Druckübertragungsflüssigkeit 22 bzw. 23 über das beschriebene plusseitige Druckübertragungssystem 9,11,13,17,18 und das minusseitige System 10,12,14,20,21 auf den Drucksensor 19 übertragen und von diesem in eine elektrische Meßgröße umgewandelt.FIG. 1 shows the membrane unit prestressed according to the invention as overload protection, applied in a differential pressure transducer with a semiconductor membrane pressure sensor. The transmitter, as shown in Figure 1 as a possible application example, consists of Hochdruckeinlaßkammer 1 and Niederdruckeinlaßkammer 2, both of which are formed by a respective housing cover 3 with Meßleitungsanschluß 4 and the support body 5. In each inlet chamber is a separation membrane 6.7, the edge of which is pressure-tightly connected to a carrier disk 8. Separating diaphragm and carrier disc have a matching wave profile, so that the separation membrane can create a case of overload on their Traget disc. Durci. the distance between the separation membrane and the support disk, the plus-side prechamber 9 and the minus side prechamber 10 is formed, from which a pressure transfer channel 11 and 12 in the carrier body 5 leads to Randnut 13 and 14 in the carrier body 5, under the plus-sided overload membrane welded with its edge From the peripheral edge groove 13 channel 17 leads to the plus side 18 of the semiconductor diaphragm pressure sensor 19. From the edge groove 14 channel 20 leads to the minus side 21 of the pressure sensor. The plus-side pressure transmission system 9, 11, 13, 17, 18 is filled with the pressure-transmitting liquid 22, the minus-side system 10, 12, 14, 20, 21 with the pressure-transmitting liquid 23. The essential features of the invention are shown in FIG. 2, the enlarged view of FIG to recognize on the carrier body 5 welded to the edge overload diaphragm 15 and 16 respectively. They consist in the fact that the support body 5 in its covered by the overload membrane 15 or 16 surface has a profile that in cross-section close to the Membranaufschweißung 24 extending, a circumferential edge groove 13 and 14 with radius cross section r of about the same depth T as width B has and the cross section between the edge groove has a concave curvature 25, which corresponds to the bottom of the groove 26 or slightly above, corresponds to the bending line of a membrane loaded with the pressure, which corresponds to the set for a certain measuring range overload threshold. For the sake of simple production, the concave curvature 25 is formed by a radius R approximated to the bending line. The overload membrane 15 or 16, preferably made of CrNi steel minierer spring hardness (yield strength about 1000 N / mm ¹ ), welded to the support body 5, is pronounced on this. Thus, it is overstretched in the region of the edge groove 14 and 13, so plastically deformed in this area, it has the Randnutform of the support body, wherein by the elastic stress ratio during embossing minimal springback occurs and thus a small distance h between Nugrund 26 of the support body and the membrane is made. In the region of the concave curvature 25, the membrane is under bending stress due to their biased by the embossing in the groove bottom 26 Randzons to bias. The pressure transmission channels 11 and 17 or 12 and 20 open in the groove base 26 of the peripheral edge groove 13 and 14 in the greatest possible distance from each other. The transmitter described above operates in the measuring state as follows: Both pressures whose difference is to be measured, are introduced via the Meßleiteanschlüsse 4 in the inlet chambers 1 and 2, the respective pressure is released from the separation membrane 6 and 7 and by means of the pressure transfer fluid 22 and 23 transmitted via the described plus-side pressure transmission system 9,11,13,17,18 and the minus-sided system 10,12,14,20,21 on the pressure sensor 19 and converted by the latter into an electrical measurement.

Erfindungsgemäß liegen dabei beide Überlastmembranen 15,16 im Bereich des Durchmessers D aufgrund ihrer Vorspannung an der Konkavwölbung 25 an, wogegen sie im Bereich ihrer eingeprägten Randnut der Breite B nicht am Trägerkörpar 5 anliegen, sondern zum Nutgrund 26 der Abstand h vorhanden ist, so daß die umlaufende Randnut 13 bzw. 14 mit der im Abstand h davorliegenden Membran die druckleitende Verbindung zwischen 12 und 20 bzw. 11 und 17 herstellt und dabei wegen ihres kleinen Querschnittes (=Bxh) einen hohen hydraulischen Widerstand im Druckübertragungssystem darstellt. Der Membranbereich der Breite B besitzt durch die gesickte Form eine hohe, aber nicht unendliche Federsteife (Druck/Volumen-Kennlinie), wie sie aus Figur 4 als Beispiel für Überlastmembranen der Meßbereiche 6,3kPa (Kurve a) bzw. 16kPa (Kurve b) ablasbar ist, er wird somit durch die Meßdruckänderungen bewegt und wirkt deshalb als hydraulische Kapazität zusammen mit dem vorgenannten hydraulischen Widerstand (Bxh) in gewünschter Weise als Dämpfungselement bei hochdynamisch verlaufenden Meßvorgängen.According to the invention both overload membranes 15,16 in the range of diameter D due to their bias on the concave curvature 25, whereas they do not rest in the region of their embossed edge groove width B on the Trägerkörpar 5, but the groove bottom 26 of the distance h is present, so that the circumferential edge groove 13 or 14 with the membrane at a distance h before the pressure-conducting connection between 12 and 20 or 11 and 17 produces and thereby represents a high hydraulic resistance in the pressure transmission system because of their small cross-section (= Bxh). The membrane region of the width B has a high, but not infinite spring stiffness (pressure / volume characteristic), as shown in FIG. 4 as an example for overload membranes of the measurement ranges 6.3 kPa (curve a) and 16 kPa (curve b). can be read off, it is thus moved by the Meßdruckänderungen and therefore acts as a hydraulic capacity together with the aforementioned hydraulic resistance (Bxh) in the desired manner as a damping element in highly dynamic measuring processes.

Bei einseitiger Überlastung des Meßumformers tritt folgender Zustand auf, der am Beispiel eines Überlastdruckes in der Niederdruckeinlaßkammer 2 beschrieben wird: Die Trennmembran 7 legt sich an ihrer Trägerscheibe 8 an, die aus der Vorkammer 10 verdrängte Druckübertragungsflüssigkeit 23 wird durch Kanal 12 unter die Überlastmembran 16gedruckt, die sich wie in Figur 3 dargestellt, von der Konkavwölbung 25 des Trägerkörpers 6 abhebt und so ihre volle hydraulische Speicherkapazität 27 freigibt, in dem sie sich durchwölbend in die plusseitige Einlaßkammer 1 hineinbewegt. Die umlaufende Randnut gewährleistet dabei das sehr schnelle Füllen des Volumenspeichers 27, so daß die Schutzfunktion auch bei schlagartig einsetzender Überlastung gegeben ist. Die am Drucksensor 19 zwischen seiner Minusseite 21 und Plusseite 18 auftretende Druckdifferenz wird allein durch den Verlauf der Druck/Volumen-Kennlinis der Überlastmembran 16 bestimmt, die im Überlastbereich erfindungsgemäß mit wesentlich geringerem Anstieg verläuft als im Meßbereich und somit einen relativ geringen Enddruck gewährleistet, der selbst überlastungsempfindliche Drucksensoren vor Beschädigung schützt. Bei einseitiger Überlastung des Meßumformers von der Plusseite her, erfolgt der Überlastschutzvorgang in analoger Weise, daß heißt, das Volumen der Druckübertragungsflüssigkeit 22 wird aus der Vorkammer 9 unter die Überlastmembran 15 gedrückt. Beim Einsatz der erfindugnsgemäßen vorgespannten Membraneinheiten in Meßumformern der genannten Meßbereiche bis 6,3 kPa sowie 16 MPa, haben sich Überlaslmembranon folgender Abmessungen (aus Stahlband CrNi 17.7 mit einer Streckgrenze von 1000 N/mm*) bewährt:In one-sided overload of the transmitter, the following condition occurs, which is described using the example of an overload pressure in the low-pressure inlet chamber 2: The separation membrane 7 settles on its support disk 8, the pressure transfer liquid 23 displaced from the pre-chamber 10 is printed through channel 12 under the overload membrane 16, which stands out as shown in Figure 3, from the concave curvature 25 of the support body 6 and so releases its full hydraulic storage capacity 27, in which it moves through bulging in the plus-side inlet chamber 1. The circumferential edge groove ensures the very fast filling of the volume memory 27, so that the protective function is given even with sudden onset of overload. The pressure difference occurring at the pressure sensor 19 between its minus side 21 and plus side 18 is determined solely by the course of the pressure / volume characteristic of the overload diaphragm 16, which in the overload range according to the invention with substantially less increase than in the measuring range and thus ensures a relatively low discharge pressure, the even pressure-sensitive pressure sensors protect against damage. In one-sided overload of the transmitter from the plus side, the overload protection operation takes place in an analogous manner, that is, the volume of the pressure transfer fluid 22 is pressed from the antechamber 9 under the overload diaphragm 15. When using the erfindugnsgemäßen prestressed membrane units in transducers of said ranges to 6.3 kPa and 16 MPa, Überlaslmembranon the following dimensions have proven (made of steel strip CrNi 17.7 with a yield strength of 1000 N / mm *):

Abmessungen entsprechend Fig. 2Dimensions according to FIG. 2 SS Membranform aMembrane shape a 34,5 mm34.5 mm Membranform bMembrane shape b DD für Meßbereiche 6,3 kPafor measuring ranges 6.3 kPa 1,8 mm1.8 mm für Meßbereiche 16 kPafor measuring ranges 16 kPa Membranstärkemembrane thickness BB 0,12mm0,12mm 1,2mm1,2mm 0,2 mm0.2 mm Durchmesserdiameter TT 1mm1 mm RandnutbreiteRandnutbreite rr 300 mm300 mm RandnuttiefeRandnuttiefe R des TrägerkörpersR of the carrier body 0,5 mm0.5 mm RandnutradiusRandnutradius H des TrägerkörpersH of the carrier body Wölbungsradiusradius of curvature Wölbungsradiusradius of curvature

Die Druck/Volumen-Kennlinie der Überlastmembranen a und b sind aus Figur 4 ersichtlich, es ist z. B. für die Membran a, geeignet für Meßbereiche <6,3kPa, ablesbar: Eine den Drucksensor bei einseitiger Überlastung belastende Druckdifferenz von der 33kPa, bei einem konstruktiv durchaus realisierbaren Vorkammervolumen 9 (welches der Speicherkapazität 27 entspricht)The pressure / volume characteristic of the overload membranes a and b are shown in Figure 4, it is z. B. for the membrane a, suitable for measuring ranges <6.3 kPa, readable: A pressure sensor with one-sided overload stressful pressure difference of the 33kPa, with a structurally quite feasible pre-chamber volume 9 (which corresponds to the storage capacity 27)

von 250mm³. Eine Druck/Volumen-Konstante im Meßbereich von —' τ- = J15Pa/mm³, sowie ihre Verkleinerung imof 250mm ³ . A pressure / volume constant in the measuring range of - ' τ- = J15Pa / mm ³ , and their reduction in

20 mm³ 20 mm ³

Overload range to approx. 107Pa / mm ³ .

Claims

1. Overload protection device in Differenzdruckmeßumformern with a high pressure and a Niederdruckeinlaßkammerr in which the measuring pressure is detected by a separation membrane and transmitted by pressure transfer fluid to the pressure sensor, which forms with its receiving body, the common partition filled with pressure transfer fluid high and low pressure measuring chambers, and which jrdnet high and low pressure side trains, each has a biased on it overload membrane, which is inoperable in the measuring range, in one-sided pressure overload of the transmitter but elastic volume storage receives the displaced from the overloaded separation membrane to its abutment against a support surface pressure transfer fluid, characterized marked in that the overload protection unit consists of a membrane (15, 16) which is fastened with its edge to a carrier body (5) in a pressure-tight manner, preferably welded, and the carrier body (5) in FIG its surface covered by the membrane has a profile that running in cross section close to the Membranaufschweißung, a narrow circumferential edge groove (13,14) with radius cross section of about the same depth as width and the cross section between the edge groove (13,14) has a concave Has curvature that in the groove base (26) or slightly more beginning, the bending line of a set with the aL overload threshold pressure loaded membrane corresponds, but can also be formed approximately as a radius that the embossed on this carrier body profile has the Randnutform, due to the elastic Deformation part, however, a minimum distance between the groove base (26) and membrane bead is present and that the membrane rests in the concave portion of the support body profile biased by its bending stress.

2. Overload protection device according to claim 1, characterized in that the surface shape of the membrane (15,16) and its in its Trägerrkörper (5) incorporated profile described form, both circular and elliptical tongue-shaped, can be annular or other suitable shape.

3. Overload protection device according to claim 1 and 2, characterized in that the pressure supply line of the overload diaphragm (15,16) and the profile of its carrier body (L) formed elastic volume accumulator (27) through narrow holes (12,20) in the groove bottom (26 ) of the edge groove (13,14) of the carrier body (5).