Es
ist eine Aufgabe der Erfindung einen Druckmessaufnehmer anzugeben,
der auch nach einem Unterschreiten eines unteren Druckgrenzwertes zuverlässige Messungen
erlaubt.
Hierzu
besteht die Erfindung in einem Druckmessaufnehmer mit einem Drucksensor
und mindestens einem Druckübertragungssystem,
das dazu dient einen auf eine Trennmembran einwirkenden Druck mittels
einer Übertragungsflüssigkeit
auf den Drucksensor zu übertragen,
bei dem
- – der
Druckmessaufnehmer ein Gegenlager für die Trennmembran aufweist,
- – das
auf einer vom Drucksensor abgewandten Seite der Trennmembran der
Trennmembran gegenüberliegend
angeordnet ist, und
- – das
eine Auslenkung der Trennmembran in einer vom Drucksensor abgewandten
Richtung begrenzt.
Gemäß einer
Weiterbildung ist ein Abstand zwischen der Trennmembran und dem
Gegenlager derart bemessen, dass die Trennmembran am Gegenlager
aufliegt, wenn ein auf die Trennmembran einwirkender Druck einen
vorgegebenen unteren Grenzwert unterschreitet.
Gemäß einer
ersten Weiterbildung ist das Gegenlager eine Stützkappe, die einen Innenraum aufweist,
der zusammen mit der Trennmembran eine abgeschlossene Druckempfangskammer
bildet, die eine Öffnung
aufweist, durch die hindurch ein zu messender Druck in die Druckempfangskammer
einleitbar ist.
Gemäß einer
Weiterbildung der ersten Weiterbildung ist die Öffnung gegenüber von
einer Mitte der Trennmembran angeordnet.
Gemäß einer
zweiten Weiterbildung weist das Gegenlager eine parallel zur Trennmembran
angeordnete Stützmembran
auf, und die Trennmembran und die Stützmembran bewegen sich bei
einem auf sie einwirkenden Unterdruck aufeinander zu.
Gemäß einer
Ausgestaltung der zweiten Weiterbildung sind die Stützmembran
und die Trennmembran in einem abgeschlossenen Gehäuse angeordnet, dessen
Innenraum eine Druckempfangskammer bildet, und das eine Öffnung aufweist,
durch die hindurch ein zu messender Druck in die Druckempfangskammer
einleitbar ist.
Gemäß einer
dritten Weiterbildung weist das Gegenlager einen parallel zur Trennmembran
angeordneten Balg auf, und die Trennmembran und der Balg bewegen
sich bei einem auf sie einwirkenden Unterdruck aufeinander zu.
Gemäß einer
Ausgestaltung der dritten Weiterbildung ist der Balg in einem abgeschlossenen
Gehäuse
angeordnet, dessen Innenraum eine Druckempfangskammer bildet, und
das eine Öffnung
aufweist, durch die hindurch ein zu messender Druck in die Druckempfangskammer
einleitbar ist.
Gemäß einer
vierten Weiterbildung weist das Gegenlager eine der Trennmembran
gegenüber
angeordnete Auflagefläche
auf, deren Grundfläche klein
gegenüber
einer Grundfläche
der Trennmembran ist.
Gemäß einer
fünften
Weiterbildung ist die Trennmembran ein Membranbalg, der auf einer
dem Gegenlager zugewandten Seite von einem steifen Deckel abgeschlossen
ist.
Die
Erfindung und weitere Vorteile werden nun anhand der Zeichnung,
in der fünf
Ausführungsbeispiele
dargestellt sind, näher
erläutert.
Gleiche Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen
versehen.
1 zeigt
einen Längsschnitt
durch einen Druckmessaufnehmer mit einer Stützkappe;
2 zeigt
einen Längsschnitt
durch einen Druckmessaufnehmer mit einer Membran als Gegenlager;
3 zeigt
einen Längsschnitt
durch einen Druckmessaufnehmer mit einem Balg als Gegenlager;
4 zeigt
einen Längsschnitt
durch einen Druckmessaufnehmer mit einem Gegenlager mit geringer
Auflagefläche;
5 zeigt
eine Ansicht des Gegenlagers von 4; und
6 zeigt
einen Längsschnitt
durch einen Druckmessaufnehmer mit einer balgförmigen Trennmembran mit einem
steifen Deckel und einem Gegenlager mit geringer Auflagefläche.
In 1 ist
ein erstes Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Druckmessaufnehmers dargestellt.
Er weist einen Drucksensor 1, z.B. einen Halbleiter-Sensor
auf. Hierzu eignen sich z.B. Silizium-Chips mit eindotierten Widerstandselementen. Der
Chip bildet eine Membran 3, die auf einem Grundkörper 5 aufgebracht
ist. Der Grundkörper 5 befindet
sich auf einem metallischen Träger 7,
der in ein Gehäuse 9 derart
eingebaut, dass das Gehäuse 9 in
zwei Hälften
unterteilt ist. Eine erste Hälfte
bildet eine Druckmesskammer 11, in der sich die Membran 3 befindet.
Der
Druckmessaufnehmer umfasst ein Druckübertragungssystem, das nach
außen
von einer Trennmembran 13 abgeschlossen ist. Die Trennmembran 13 und
deren Membranbett 15 bilden eine Kammer 17, die über eine
Druckübertragungsleitung 19 mit
der Druckmesskammer 11 in Verbindung steht. Das gesamte
Druckübertragungssystem,
d.h. hier die Kammer 17, die Druckübertragungsleitung 19 und
die Druckmesskammer 11 ist mit einer Übertragungsflüssigkeit 21 gefüllt, und
dient dazu, einen auf die äußere Trennmembran 13 einwirkenden
zu messenden Druck p auf die Membran 3 des Drucksensors 1 zu übertragen.
Die Übertragungsflüssigkeit 21 ist vorzugsweise
eine inkompressible Flüssigkeit mit
einem geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, z.B. ein Silikonöl.
Eine
zweite Hälfte
des Gehäuses 9 ist
durch den Träger 7 völlig getrennt
von der ersten Hälfte
und eignet sich daher zur Aufnahme einer elektronischen Schaltung
zur Aufnahme und/oder Verarbeitung von vom Drucksensor 1 erzeugten
druckabhängigen elektrischen
Messgrößen. Hierzu
sind Kontaktstifte 23 vorgesehen, die durch Glasdurchführungen 25 durch
den Träger 7 hindurch
geführt
sind und mit Anschlussleitungen 27 an in dem Silizium-Chip
verlaufende Leitungen angeschlossen sind.
Soll
der Druckmessaufnehmer als Relativdruckaufnehmer arbeiten, d.h.
soll er einen zu messenden Druck bezogen auf einen Referenzdruck
pR, z.B. einen in der Umgebung des Druckmessaufnehmers
herrschenden Atmosphärendruck,
erfassen, so ist zusätzlich
eine Referenzdruckzufuhr vorzusehen. In 1 ist dies
durch eine durch den metallischen Träger 7 und den Grundkörper 5 hindurch
führende Bohrung 29 realisiert.
Erfindungsgemäß weist
der Druckmessaufnehmer ein Gegenlager für die Trennmembran 12 auf,
das auf einer vom Drucksensor 1 abgewandten Seite der Trennmembran 13 der
Trennmembran 13 gegenüberliegend
angeordnet ist.
Das
Gegenlager begrenzt eine Auslenkung der Trennmembran 13 in
einer vom Drucksensor 1 abgewandten Richtung.
Im
normalen Messbetrieb erfährt
die Trennmembran 13 durch den auf sie einwirkenden Druck
p ein Auslenkung in Richtung Membranbett 15. Wirkt auf
die Trennmembran 13 jedoch ein Unterdruck ein, so führt dies
je nach Größe des einwirkenden
Druckes zu einer Auslenkung der Trennmembran 13 in entgegen
gesetzter Richtung. Der Unterdruck wird durch die Trennmembran 13 auf
die Übertragungsflüssigkeit 21 übertragen
und führt
zu einem Ausgasen der Übertragungsflüssigkeit 21.
Es bildet sich eine Gasblase, durch die die in der Regel verhältnismäßig weiche
Trennmembran 13 sich nach außen wölbt.
Ein
Abstand zwischen der Trennmembran 13 und dem Gegenlager
ist derart bemessen, dass die Trennmembran 13 am Gegenlager
aufliegt, wenn ein auf die Trennmembran 13 einwirkender
Druck p einen vorgegebenen unteren Grenzwert unterschreitet. Bei
einwirkenden Drücken
p, die innerhalb des Messbereichs des Druckmessaufnehmers liegen
ist die Trennmembran 13 unabhängig vom Gegenlager frei beweglich.
Erst dann, wenn der einwirkenden Druck p den vorgegebenen unteren
Grenzwert unterschreitet, liegt die Trennmembran 13 auf.
Eine weitere Auslenkung der Trennmembran 13 nach außen, die
zu einer irreversiblen Verformung und damit zu einer Veränderung
der Druckübertragungseigenschaften führen könnte ist
dadurch ausgeschlossen. Durch die Begrenzung der Auslenkung der
Trennmembran 13, werden nur solche Drücke auf die Übertragungsflüssigkeit 21 übertragen,
die oberhalb des unteren Grenzwertes liegen. Hierdurch wird ein
weiteres Ausgasen der Übertragungsflüssigkeit 21 begrenzt.
Bei
dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst das
Gegenlager eine Stützkappe 31,
die auf eine von der Trennmembran 13 frontbündig abgeschlossene
Stirnfläche
des Druckmessaufnehmers aufgeschweißt ist.
Diese
Stützkappe 31 weist
einen Innenraum auf, der zusammen mit der Trennmembran 13 eine abgeschlossene
Druckempfangskammer 33 bildet. Es ist eine Öffnung 35 in
der Stützkappe 31 vorgesehen,
durch die hindurch ein zu messender Druck p in die Druckempfangskammer 33 einleitbar
ist. Vorzugsweise ist die Öffnung 35 gegenüber von
einer Mitte der Trennmembran angeordnet. Unterschreitet der durch
die Öffnung 35 hinein
auf die Trennmembran 13 einwirkende Druck p den unteren
Grenzwert, so legt sich die Trennmembran 13 an eine in
die Druckempfangskammer 33 weisende innere Mantelfläche 37 der
Stützkappe 31 an.
Die Form der Mantelfläche 37 ist
vorzugsweise, genau wie ein Membranbett, an eine Biegelinie der Trennmembran 13 angepasst.
Durch eine weitere Druckabsenkung kann die Trennmembran 13 in
dieser Position lediglich im Bereich der Öffnung 35 eine weitere
Auslenkung ausführen.
Der freie Durchmesser der Öffnung 35 ist
jedoch viel geringer als der Durchmesser der Trennmembran 13.
Dies führt
bei einem Aufliegen der Trennmembran 13 zu einem sprunghaften
Anstieg der Federsteifigkeit, die einer weiteren Auslenkung der
Trennmembran 13 im Bereich der Öffnung 35 entgegen
wirkt.
Steigt
der einwirkende Druck p wieder an, so kehrt die Trennmembran 13 wieder
in deren druckabhängige
Ausgangslage zurück.
Eine bleibende Verformung oder eine Veränderung des Druckübertragungsverhaltens
der Trennmembran 13 ist durch das Gegenlager ausgeschlossen.
Insb. ist keine Hysterese im Übertragungsverhalten
zu verzeichnen.
Aufgrund
des geringen Abstandes zwischen der Stützkappe 31 und der
Trennmembran 13 und dem begrenzten Innenvolumen der Druckempfangskammer 33 bietet
sich diese Ausführungsform
besonders bei der Messung von Drücken
von Gasen mit geringem Anteil an Verschmutzungen an.
2 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Druckmessaufnehmers. Es
unterscheidet sich von dem in 1 dargestellten lediglich
durch die Ausführung
des Gegenlagers.
Das
Gegenlager wird hier durch eine parallel zur Trennmembran 13 angeordnete
Stützmembran 39 gebildet.
Die Stützmembran 39 weist
eine höhere Federsteifigkeit
auf als die Trennmembran 13. Sie ist in einem Deckel 41 angeordnet,
der zusammen mit dem Gehäuse 9 des
Drucksensors 1 ein abgeschlossenes Gehäuse bildet in dem sich die
Stützmembran 39 und
die Trennmembran 13 befinden. Ein zwischen der Stützmembran 39 und
der Trennmembran 13 verbleibender Innenraum dieses Gehäuses bildet eine
Druckempfangskammer 33 Der zu messende Druck p ist in die Druckempfangskammer 33 durch eine,
hier seitlich angeordnete, Öffnung 43 einleitbar. Die
Stützmembran 39 schließt einen
im Inneren des Deckels 41 befindlichen, vorzugsweise mit
einem Gas gefüllten,
Hohlraum 45 ab.
Wird
der Druckempfangskammer 33 ein Unterdruck zugeführt, so
bewegen sich die Trennmembran 13 und die Stützmembran 39 aufeinander
zu. Dies ist in 2 durch Pfeile angedeutet.
Der
Abstand zwischen der Stützmembran 39 und
der Trennmembran 13 und die Federsteifigkeit der Stützmembran 39 sind
derart aufeinander abgestimmt, dass die beiden Membranen aneinander
anliegen, wenn der einwirkende Druck p den vorgegebenen unteren
Grenzwert unterschreitet. Hierdurch ist eine weitere Auslenkung
der Trennmembran 13 und eine damit einhergehende Verformung,
die eine bleibende Veränderung
des Übertragungsverhaltens der
Trennmembran 13 bewirken könnte, ausgeschlossen.
Aufgrund
des begrenzten Innenvolumens der Öffnung 43 und der
Druckempfangskammer 33 ist auch dieses Ausführungsbeispiel
bevorzugt für
die Messung von Drücken
von Gasen geeignet.
3 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Druckmessaufnehmers. Auch
hier werden aufgrund der großen Übereinstimmung
zu den vorangegangenen Ausführungsbeispielen
lediglich die bestehenden Unterschiede näher erläutert.
Genau
wie bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel
weist der Druckmessaufnehmer ein abgeschlossenes Gehäuse auf,
das durch das Gehäuse 9 des
Drucksensors 1 und den Deckel 41 gebildet ist.
Anstelle der in 2 dargestellten Stützmembran 39 ist
in dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel
ein Balg 47 angeordnet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel
weist der Balg 47 einen mit Gas gefüllten Innenraum 49 auf,
der durch zwei an deren äußerem Rand
mit einem ringscheibenförmigen Träger 51 verbundene
Membranen 53 gebildet ist. Der Träger 51 ist an dessen äußerem Rand
fest mit dem Deckel 41 verbunden, z.B. verschweißt. Die
Membranen 53 sind dabei im wesentlichen parallel zur Trennmembran 13 angeordnet.
Analog
zu dem vorangehenden Ausführungsbeispiel
bildet ein zwischen dem Balg 47 und der Trennmembran 13 verbleibender
Innenraum dieses Gehäuses
eine Druckempfangskammer 33 und der zu messende Druck p
ist in die Druckempfangskammer 33 durch die Öffnung 43 einleitbar.
Wird
der Druckempfangskammer 33 ein Unterdruck zugeführt, so
bewegen sich die Trennmembran 13 und die der Trennmembran 13 zugewandte Membran 53 des
Balgs 47 aufeinander zu. Dies ist in 3 durch
Pfeile angedeutet. Die der Trennmembran 13 zugewandte Membran 53 übernimmt
hier die Funktion der in 2 dargestellten Stützmembran 39.
4 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Druckmessaufnehmers mit
einem der Trennmembran 13 gegenüberliegend angeordneten Gegenlager,
das die Auslenkung der Trennmembran 13 in drucksensor-abgewandter Richtung
begrenzt. Während
die zuvor beschriebenen Gegenlager der Trennmembran 13 jeweils
eine verhältnismäßig große Auflagefläche anbieten,
weist das in 4 dargestellte Gegenlager eine
der Trennmembran 13 gegenüber angeordnete Auflagefläche 55 auf,
deren Grundfläche
klein gegenüber
einer Grundfläche
der Trennmembran 13 ist. Dies bietet den Vorteil, dass
viel Raum vor der Trennmembran 13 zur Einleitung des zu
messenden Druckes p zur Verfügung
steht. Entsprechend eignet sich ein solcher Druckmessaufnehmer auch
zur Aufnahme bzw. zur Messung von Drücken von flüssigen Medien.
In
dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist
das Gegenlager einen auf einen Träger 57 montierten
Stempel 59 auf. 5 zeigt eine Ansicht des Gegenlagers.
Der Träger 57 weist
einen Hohlzylinder 60 auf, der auf einen äußeren Rand
des Gehäuses 9 aufgeschweißt ist.
Andere Formen der Befestigung, z.B. Schraubverbindungen, sind selbstverständlich ebenfalls
einsetzbar. Ein Innendurchmesser des Hohlzylinders 60 ist
größer gleich
dem Durchmesser der Trennmembran 13. In einem von der Trennmembran 13 beabstandeten
Bereich des Hohlzylinders 60 verläuft eine Querstrebe 61 diagonal
durch den Hohlzylinder 60. Der Stempel 59 ist vorzugsweise
gegenüber
einer geometrischen Mitte der Trennmembran 13 angeordnet
und mit der Querstrebe 61 fest verbunden. Alternativ können der
Hohlzylinder 60, die Querstrebe 61 und der Stempel 59 auch
als einteiliges Bauteil ausgebildet sein.
Abgesehen
von dem für
die Querstrebe 61 und dem Stempel 59 benötigten Raum
steht der gesamte Innenraum des Hohlzylinders 60 für die Einleitung
des zu messenden Drucks p zur Verfügung. Dieser Innenraum bildet
die Druckempfangskammer, in die der zu messende Druck p einleitbar
ist. Dabei steht nahezu die gesamte Querschnittsfläche des Hohlzylinders 60 für die Einleitung
offen.
Vorzugsweise
weist die Trennmembran 13 in deren Mitte ein biegesteifes
Zentrum 63 auf, das dem Stempel 59 gegenüber angeordnet
ist. Das biegesteife Zentrum 63 kann beispielsweise ein
zentraler kreisscheibenförmiger
Bereich der Trennmembran 13 mit erhöhter Dicke sein. Bei einem
Einwirken eines den unteren Grenzwert unterschreitenden Unterdrucks
kommt das biegesteife Zentrum 63 an dem Stempel 59 zur
Auflage. Dabei bietet das biegesteifes Zentrum 63 einen
zusätzlichen
Schutz der Trennmembran 13 gegenüber Verformungen.
In 6 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Druckmessaufnehmers dargestellt.
Aufgrund der großen Übereinstimmung zu
dem in den 4 und 5 dargestellten
Ausführungsbeispiel
werden nachfolgend lediglich die bestehenden Unterschiede näher erläutert.
Bei
dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Trennmembran 65 ein
Membranbalg 67. Der Membranbalg 67 ist in axialer
Richtung kompressibel und weist einen mit der Übertragungsflüssigkeit 21 gefüllten Innenraum 69 auf,
der über
die Druckübertragungsleitung 19 mit
der Druckmesskammer 11 in Verbindung steht. Das Gegenlager
ist identisch zu dem in den 4 und 5 dargestellten
Gegenlager und der Membranbalg 67 ist auf einer dem Gegenlager
zugewandten Seite von einem steifen Deckel 71 abgeschlossen.
Bei
einem Einwirken eines den unteren Grenzwert unterschreitenden Unterdrucks
kommt der Deckel 71 an dem Stempel 59 zur Auflage.
Dabei bietet die Steifigkeit des Deckels 71 einen zusätzlichen
Schutz der Trennmembran 65 gegenüber Verformungen.
Auch
hier gilt, das die der Trennmembran 65 gegenüber angeordnete
Auflagefläche 55 eine Grundfläche aufweist,
die klein gegenüber
einer wirksamen Grundfläche
der Trennmembran 65 ist. Die wirksame Grundfläche entspricht
hier der kreisscheibenförmigen
Oberfläche
des Deckels 71. Dies bietet den Vorteil, dass viel Raum
vor der Trennmembran 65 zur Einleitung des zu messenden
Druckes p zur Verfügung
steht. Entsprechend eignet sich ein solcher Druckmessaufnehmer besonders
zur Aufnahme bzw. zur Messung von Drücken von flüssigen Medien.
Auf
völlig
analoge Weise ist die Erfindung auch in Verbindung mit Differenzdruckmessaufnehmern
einsetzbar. Entsprechende Differenzdruckmessaufnehmer weisen zwei
Trennmembranen und zwei Druckübertragungssysteme
auf, die dazu dienen einen auf die jeweils zugeordnete Trennmembran
einwirkenden Druck mittels einer Übertragungsflüssigkeit
auf den Differenzdrucksensor zu übertragen.
Je nach Bedarf ist dann für
eine oder beide Trennmembranen ein Gegenlager vorzusehen, das auf
einer vom Drucksensor abgewandten Seite der jeweiligen Trennmembran
der Trennmembran gegenüberliegend
angeordnet ist, und das eine Auslenkung der Trennmembran in einer
vom Drucksensor abgewandten Richtung begrenzt.