DD290716A5 - Ueberlastschutzvorrichtung fuer differenzdruckmessumformer - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine UEberlastschutzvorrichtung fuer Differenzdruckmeszumformer, die eine kompakte, einfach herzustellende Bauweise der Meszumformer und einen sicheren Schutz vor UEberlastung ermoeglicht. Erfindungsgemaesz wird das dadurch erreicht, dasz die Trennmembran und die der gegenueberliegenden Trennmembran zugeordneten UEberlastmembran nebeneinander in einer Ebene liegen und auf einem gemeinsamen Traegermittelteil befestigt sind. Die duenne Trennmembran oder die dickere UEberlastmembran ist als kreisfoermige Mittenmembran und die danebenliegende UEberlastmembran oder Trennmembran ist als die Mittenmembran umgebende Ringmembran ausgebildet. Trennmembran, gegenueberliegende UEberlastmembran und entsprechende Teilmeszkammer bilden eine hydraulische Reihenschaltung. Die UEberlastmembran ist vorzugsweise vorgespannt, was beispielsweise durch eine gewoelbte Federscheibe oder ein entsprechend gewoelbtes Membranbett erfolgen kann. Fig. 1{Druckmessung; Differenzdruckmeszumformer; Drucksensor; Silizium; Membrantyp; Meszwerk; Bauweise; UEberlastschutz; Membran, vorgespannt}

Description

erforderlichen Kanal den Fertigungsaufwand erhöhen. Ein weiterer Nachteil Ist, daß die Profilierung von Trennmembran und Überlastmembran übereinstimmen müssen. Da aus Funktionsgründen die Federsteife derTrennmembran sehr klein und die der Überlastmembran wesentlich (z, B. Faktor 10) größer sein soll, kann die Form des Wellenprofils beider Membranen, die deren Federsteife mitbestimmt, nicht auf die erforderliche unterschiedliche Profilform optimiert werden.

Bei der zweiten in dem EP 86737 offenbarten Variante ist die Überlastmembran nicht unter der Trennmembran sondern in einer Zusatzkammer am Aufnahmekörper unter Vorspannung anliegend angeordnet. Die Zusatzkammer steht über einen Kanal mit der mit Prozeßmedium gefüllten Einlaßkammer In Verbindung. Die Vorspannung erfolgt über eine in der Zusatzkammer am Aufnahmekörper abgestützton Feder. Bedingt durch die Zusatzkammer entsteht bei dieser Lösung ein erhöhter fertigungstechnischer Aufwand. Nachteilig ist ferner, daß die Feder und die Überlastmembran in einer nichtzugänglichen Kammer liegen und die Feder dem Einfluß des Prozeßmediums, das sehr aggressiv sein kann, ausgesetzt ist. Durch Korrosion und Ablagerungen aus dem Prozeßmedium hervorgerufene Veränderungen der Überlastschwelle lassen sich somit nicht oder nur mit großem Aufwand beseitigen.

Ziel der Erfindung Die Erfindung hat das Ziel, einen Überlastschutz für Differenzdruckmeßumformer zu schaffen, der o.g. Nachteile nicht aufweist. Darlegung des Wesen« der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Überlastschutzvorrichtung für Differenzdruckmeßumformer zu schaffen, die eine kompakte, einfach herzustellende Bauweise der Meßumformer und einen sicheren Schutz vor Überlastung ermöglicht. Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß die Trennmembran und die der gegenüberliegenden Trennmembran zugeordneten Überlastmembran nebeneinander in einer Ebene liegen und auf einem gemeinsamen Trägermittelteil befestigt sind. Je nach Erfordernis kann dabei die Trennmembran als dünne kreisförmige Mittenmembran und die danebenliegende Überlastmembran als die Trennmembran umgebende dickere Ringmembran ausgebildet sein. Ebenso ist es möglich, die dickere Überlastmembran als Mittenmembran und die dünne Trennmembran als Ringmembran auszubilden. Die Trennmembran, die gegenüberliegende Überlastmembran und die entsprechende Teilmeßkammer bilden eine hydraulische Reihenschaltung. In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung dient der innere bzw. äußere Umfang der dickeren Überlastmembran gleichzeitig als Schweißring für die Befestigung der dünnen Trennmembran. Damit die Überlastmembran, bei im Meßbereich liegenden Druckbelastungen keine oder nur sehr geringe Bewegungen ausführt, ist sie vorgespannt. Das kann vorteilhafterweise dadurch erfolgen, daß die Überlastmembran durch Anlegen an ein entsprechend sphärisch gewölbtes Trägerprofil vorgewölbt wird. Das Trägerprofil besitzt dabei die Form der Überlastmembran bei der gewünschten Druckbelastung (Überlastschwelle). Die Vorspannung kann aber auch durch eine ringförmige, sich auf dem Trägermittelteil abstützende Federscheibe erfolgen, was jedoch gegenüber der vorgenannten Variante zu einem etwas höheren Ölbedarf führt. Die erfindungsgemäße Überlastschutzvorrichtung besitzt folgende Vorteile:

- Reduzierung des Fertigungsaufwandes durch Verwendung eines einfachen Überlastprinzips.

- Das System arbeitet mit geringen Mengen Übertragungsflüssigkeit. Das führt zu einer Reduzierung der Fehler durch statischen Druck und Temperatureinfluß.

- Das System besitzt wenig Dichtelemente und Schweißungen. Dadurch ist das Meß-System zuverlässig und wartungsfrei.

- Durch die unterschiedliche Wahl der Vorspannelemente ist das System für verschiedene Meßbereiche einsetzbar.

- Es kommt zu einer Massereduzierung.

Ausführungsbeispiele

Die erfindungsgemäße Überlastschutzvorrichtung wird nachstehend anhand von zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die dazugehörigen Zeichnungen zeigen

Fig. 1: Schnitt durch ein Meßwerkeines Differenzdruckmeßumformers mit einer am Trägerkörper anliegenden Mittenmembran

als Überlastschutz Fig. 2: Schnitt durch ein Differenzdruckmeßumformer-Meßwerk mit kreisringförmiger Überlastmembran.

Wie aus Fig. 1 zu entnehmen ist, weist das Meßwerk des Differenzdruckmeßumformers ein Mittelteil 1, hoch- und niederdruckseitige Gehäusedeckel 2 und 3 und einen Drucksensor 4 auf. Auf beide Seitenflächen des Mittelteils 1 sind je zwei in einer Ebene nebeneinanderliegende Membranen geschweißt und zwar je eine am Mittelteil 1 unter Vorspannung anliegende als Überlastmembran 6,6 wirkende, kreisförmige Mittenmembran und je eine die Mittenmembran 5,6 ringförmig umgebende Trennmembran 7,8. Die Überlastmembranen 5,6 dienen vorteilhafterweise gleichzeitig als Schweißring für die sehr dünnen Trennmembranen 7,8.

Die Vorspannung der Überlastmembran 5,6 wird dadurch erreicht, daß der entsprechende Bereich des Mittelteils 1 eine sphärische Wölbung aufweist und damit die Überlastmembran in einer solchen Weise ausgelenkt wird, wie es der vorher je nach Meßbereich festgelegte Überlastdruck (Überlastschwelle) bewirken würde.

Die Zuführung des Meßdruckes erfolgt über Medienanschlüsse 9,10 in die durch Gehäusedeckel 2,3 und Mittelteil 1 gebildete hoch- und niederdruckseitige Druckeinlaßkammern 11,12. Auf der Hochdruckseite erfolgt nun die Druckübertragung über die Trennmembran 7 auf die durch Trennmembran und Mittelteil gebildete Vorkammer 13 und von dieser über den Kanal 14 zur gegenüberliegenden Überlastmembran 6. Unterhalb der Überlastmembran 6 befindet sich im Mittelteil 1 eine schmalo Nut (nicht dargestellt), die den Kanal 14 mit einem Kanal 15 verbindet, der wiederum in die Teilmeßkammer 16 einmündet.

Analog erfolgt die Druckübertragung auf der Niederdruckseite über die Trennmembran 8, die Vorkammer 17, den Kanal 18, die

unter der Überlastmembran 5 im Mittelteil 1 befindliche Nut (nicht dargestellt), den Kanal 19 bis in die niederdruckseitige

Teilmeßkammer 20. Die Vorkammer 13,1V, die Kanüle 14,15,18,19 sowie die Teilmeßkammern 18 und 20 sind mit einer inkompressiblen Druckübertragungsflüssigkeit, z. B. Silikonöl, gefüllt, daß über entsprechende verschließbare Einfüllöffnungen 21,22 oingofüllt

wird. Wie der Beschreibung zu entnehmen Ist, bilden Trennmembran 7,8, Überlastmembran 6,7 und Drucksensor 4 eine hydraulische Reihenschaltung. Als Drucksensor 4 kann vorteilhafterweise ein piezoresistiver Siliziumsensor vom Membrantyp

Anwendung finden. Dieser besitzt in seiner., als druckempfindliche Membran ausgebildeten abgedünnten Bereich integrierte

piezoresistlve Widerstände, die zu einer Meßbrücke geschaltet sind. Der Meßdruck führt zu einer Verformung der Moßrnembran und zur Verstimmung der Meßbrücke. Das Brückenausgangssignal wird über eine gasdichte Stromdurchführung und

Auswertelektronik weitergeleitet. Innerhalb des zulässigen Meßbereiches bleiben die Überlastmembranen 5,6 aufgrund Ihrer Vorspannung eng an dem Mittelteil

anliegen und sind damit wirkungslos. Da sie praktisch keine Bewegung ausführen und auch der Siliziumsensor nahezu keine für das Membransystem spürbare Auslenkung erfährt, ist auch die Bewegung der Trennmembranen im Meßbereich äußerst minimal, was sich positiv auf die Meßeigenschaften auswirkt.

Im Überlastfall, d.h. bri Ansteigen des Druckes auf einen Wert oberhalb der festgelegten Überlastschwelle, wird die Vorspannung der entsprechenden Überlastmembran überwunden und diese vom Mittelteil weg in die Druckeinlaßkammer

hineinbewegt. Dabei wird das infolge Anlegens der gegenüberliegenden Trennmembran an das Mittelteil verdrängte Ölvolumen zwischen Überlastmembran und Mittelteil aufgenommen. Eine weitere Druckübertragung über die Trennmembran auf den

Sensor kann jetzt nicht mehr stattfinden, wodurch die Zerstörung des Sensors verhindert wird. Da sich die Überlastmembran in

die Druckelnlaßkammor hineinbewegt und nicht in eine mit Übertragungsflüssigkeit gefüllte Kammer, benötigt der

Überlastschutz nahezu kein Ölvolumen. Die in einer Ebene nebeneinanderliegenden Trenn· und Überlastmembranen ermöglichen bei guter Zugänglichkeit die Realisierung eines kompakten und einfach aufgebauten Meßumformers, der sich durch geringe Masse und wenig Dichteelemente sowie einer geringen Anzahl von Schweißungen auszeichne:. In Figur 2 ist eine Ausführung dargestellt, bei der die kreisförmige Mittenmembran als sehr dünne Trennmembran 7,8

ausgebildet ist, die von einer ringförmigen vorgespannten Überlastmembran 5,6 umgeben ist.

Wie in der o.g. Variante dient auch hier der innere Rand der Überlastmembran 5,6 als Schweißring für die Trennmembran 7,8. Im Unterschied zu Figur 1 wird hier die Vorspannung der Überlastmembranen 5,6 durch gewölbte Federscheiben 23,24

vorgenommen, die ebenfalls eine entsprechend der Überlastschwelle definierte Auslenkung der Überlastmembranen bewirken.

Da die Überlastmembranen 5,6 nicht eng am Mittelteil anliegen, entfällt die bei der o. g. Variante erforderliche Nut zur Druckübertragung von Kanal 14 bzw. 18 auf Kanal 15 bzw. 19. Dafür ist jedoch ein etwas höherer Ölbedarf durch den Überlastschutz unvermeidlich. Die Funktionsweise dieser Ausführung ist analog der in Figur 1 beschriebenen.

Claims (4)

1. Überlastschutzvorrichtung für Differenzdruckmoßumformer bestehend aus einem Mittelteil als Membranträger sowie mit je einem Paar mit dem Mittelteil befestigten Trennmembranen sowie Überlastmembranen, ferner mit Übertragungskanälen, die die zwischen Trennmembran und Membranträger gebildete Vorkommen mit jeweils der gegenüberliegenden Überlastmembran sowie mit einer der durch den Drucksencor gebildeten zwei Teilmeßkammern verbindet, wobei die genannten Kammern und die Übertragungskanäle mit einer inkompressiblen Druckübertragungsflüssigkeit gefüllt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennmembran (7,8) und die der gegenüberliegenden Trennmembran zugeordneten Überlastmembran (5,6) nebeneinander in einer Ebene liegen und auf einem gemeinsamen Trägermittelteil (1) befestigt sind, wobei die Trennmembran (7,8) oder die Üborlastmembran (5,6) als kreisförmige Mittenmembran ausgebildet ist und die danebenliegende Überlastmembran (5,6) oder Trennmembran (7,8) als die Mittenmembran umgebende Ringmembran ausgebildet ist und daß die Trennmembran (7,8) die gegenüberliegende Überlastmembran (6,5) und die entsprechende Teilmeßkammer (16,20) eine hydraulische Reihenschaltung bilden.

-1- 290 71b Patentansprüche:

2. Überlastschutzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Umfang der gegenüber derTrennmembran dickeren Überlastmembran als Schweißring für die Befestigung der dünnen Trennmembran benutzt wird.

3. Überlastschutzvorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Überlastmembran (5,6) durch eine entsprechend gewölbte Federscheibe (23,24) vorgespannt ist.

4. Überlastschutzvorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannung der Überlastmembran (5,6) dadurch gewährleistet wird, daß die Oberfläche des Mittelteils (1) im Bereich der Überlastmembran sphärisch gewölbt ist.

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Druckmeßtechnik und insbesondere auf Geräte zur Messung von Druckdifferenzen. Diese Geräte wandeln Druckdifferenzen in ein elektrisches Ausgangssignal um und besitzen im allgemeinen Vorrichtungen zur Vermeidung von Überlastungen dieser Geräte. Im Überlastfall, d. h. beim Anlegen einer zu großen Druckdifferenz, kommt es nicht zur Zerstörung des empfindlichen Sensors, der z. B. aus einer Siliziummembran bestehen kann.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Differenzdruckmeßgeräte bestehen gewöhnlich aus einem Trägermittelteil, an dessen gegenüberliegenden Seiten 2 Trennmembranen befestigt sind. Diese Trennmembranen schließen mit dem Trägermittelteil einen luftdichten und mit einer Übertragungsflüssigkeit ausgefüllten Raum ein. Jede Trennmembran hat einen gewissen Abstand vom Trägerteil. Der über die Meßkammer auf die Trennmembranen wirkende Prozeßdruck wird durch die Übertragungsflüssigkeit auf den eigentlichen Sensor übertragen. Wenn dieser Sensor aus sehr dünnem Siliziummaterial besteht, muß eine Vorrichtung Anwendung finden, die bei zu hohen Drücken den Sensor vor einer Zerstörung schützt.
Eine Vielzahl von Überlastschutzvorrichtungen findet gegenwärtig Anwendung* Eine mögliche Überlastschutzvorrichtung ist aus der DE-AS 2657933 bekannt. Bei dieser Lösung ist im Gehäuseinnern in einer zusätzlichen Kammer eine relativ steife Mittenmembran angeordnet, die wie auch der Halbleitersensor, Bestandteil der den plus- und minusseitigen Füllraum trennenden Gehäusetrennwand ist. Im Überlastfall legt sich die entsprechende Tronnmembran an das Trägermittelteil an, wobei das dabei verdrängte Ölvolumen durch entsprechende Auslenkung der Mittenmembran aufgenommen wird. Bedingt durch die für die ordnungsgemäße Funktion der Mittenmembran notwendige Kammer ist das Volumen der Füllflüssigkeit relativ hoch, was sich in einem Ansteigen des statischen Druckfehlers und des Temperaturfehlers negativ bemerkbar macht. Die um etwa Faktor 10 steifere MiUenmembran führt auch im Meßbereich eine gewisse, wenn auch geringe Bewegung aus, verbraucht damit Meßenergie und verursacht gewisse Meßfehler. In dem EP 86737 werden zwei Lösungsvarianten vorgestellt, die o.g. Nachteile weitgehend beseitigen. Bei der ersten Variante befindet sich je eine Überlastmembran in der zwischen Trennmembran und Aufnahmekörper gebildeten Vorkammer. Die Überlastmembran liegt unter Vorspannung am Aufnahmekörpnr an und ist über einen Kanal mit der gegenüberliegenden Voi kammer verbunden. Im Überlastfall legt sich die überlastete Trennmembran an den Aufnahmekörper bzw. die benachbarte Überlastmembran an, wobei die gegenüberliegende Überlastmembran vom Aufnahmekörper weg bewegt wird und dabei die verdrängte Füllflüssigkeit aufnimmt. Die Realisierung der Vorspannung für die Überlastmembran erfolgt über das Einbringen einer aushärtbaren Flüssigkeit, z.B. Zinn, bei einem, die spätere Überlastschwelle festlegenden Überdruck, bei dem die Flüssigkeit aushärtet. Um ein Verkleben der ausgehärteten Flüssigkeit mit der Überlastmembran zu verhindern, ist eine zusätzliche dünne Ablichtmembran erforderlich, die zusammen mit dem für das Einbringen dieser Flüssigkeit