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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Differenzdrucksensor, zum Erfassen
der Differenz zwischen einem ersten Mediendruck und einem zweiten Mediendruck,
insbesondere einen mikromechanischen Differenzdrucksensor.
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Gewöhnlich ist
die Differenz zwischen dem ersten Druck und dem zweiten Druck erheblich
geringer als der erste Druck oder der zweite Druck, so dass das
Messelement einerseits empfindlich genug sein muss um die Druckdiffferenz
hinreichend genau zu bestimmen, und andererseits hinreichend stabil sein
muss, um Überlasten
in der Größenordnung
des Mediendrucks standzuhalten.
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Herkömmliche
Differenzdrucksensoren können
dies gewöhnlich
nicht leisten. Sie sind deshalb in ein Messwerk mit einer hydraulischen
Druckübertragung
zwischen medienberührenden
Trennmembranen und dem Sensor eingebaut, wobei das Messwerk weiterhin
einem Überlastschutz
umfasst. Dieser Überlastschutz
umfasst gewöhnlich
eine Überlastmembran,
die bei Überlasten
so weit ausgelenkt wird, dass sie das gesamte Volumen der Übertragungsflüssigkeit
einer Druckkammer aufnimmt, die von der Trennmembran verschlossen
wird, an welcher der Überdruck
ansteht. Auf diese Weise kommt die Trennmembran an einem Membranbett
in der Druckkammer zur Anlage, wodurch die Druckeinleitung begrenzt
ist.
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Wenngleich
diese Lösung
prinzipiell funktioniert und in der Praxis bewährt ist, so weist sie doch einige
Nachteile auf. Der Volumenhub der Überlastmembran ist gewöhnlich auf
beiden Seiten der Überlastmembran
vorzusehen, wodurch das Volumen des hydraulischen Pfades auf beiden
Seiten der Überlastmembran
um das Volumen des Volumenhubs zunimmt. Insoweit, als der Volumenhub
der Überlastmembran
aber mindestens so groß sein
muss wie das Volumen in den Druckkammern unter den Trennmembranen
bei maximaler Betriebstemperatur, um eben dieses Volumen im Falle
einer Überlast
aufnehmen zu können,
so bewirkt dieses Konzept mehr als eine Verdopplung des Volumens
eines hydraulischen Übertragungspfads.
Dies erfordert einerseits flexiblere Trennmembranen, um die entsprechend
zunehmenden temperaturabhängigen
Volumenänderungen
aufnehmen zu können,
und andererseits bewirkt es eine eingeschränkte Dynamik des Systems, da
die Masse der Übertragungsflüssigkeit
zunimmt, und eine entsprechend große Hydraulische Kapazität für die Überlastmembran
vorzusehen ist. Schließlich führt der
beschriebene Ansatz zu größeren und
damit teureren Messwerken. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, einen überlastfesten
Differenzdrucksensor bereitzustellen, also einen Differenzdrucksensor,
der keine Absicherung durch Überlastmembranen
benötigt.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
den Differenzdrucksensor gemäß Anspruch
1.
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Die
Erfindung offenbart einen Differenzdrucksensor mit einem Grundkörper und
einer ersten Messmembran und einer zweiten Messmembran, wobei die
Messmembranen an dem Grundkörper
unter Einschluss einer ersten und zweiten Druckkammer befestigt
sind, wobei die Messmembranen über einen
hydraulischen Kopplungspfad gekoppelt sind, der die erste und die
zweite Druckkammer und einen Kanal umfasst, der sich durch den Grundkörper zwischen
der ersten und der zweiten Druckkammer erstreckt, wobei die Druckkammern
und der Kanal mit einem Übertragungsmedium,
beispielsweise mit einer Übertragungsflüssigkeit
oder einem Gel gefüllt sind,
wobei die Lage der beiden Membranen eine Funktion der Differenz
zwischen einem ersten Druck ist der auf die erste Messmembran wirkt,
und einem zweiten Druck, der auf die zweite Messmembran wirkt, wobei
zumindest eine der Messmembranen im Falle einer einseitigen Überlast
an dem Grundkörper anliegt,
und damit eine weitere Auslenkung der Messmembranen verhindert,
dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper in dem Bereich, an dem die
Messmembran befestigt ist, und an dem die mindestens eine Messmembran
im Falle einer einseitigen Überlast
anliegt, eine im wesentlichen ebene Kontur aufweist.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Messmembranen in der
Gleichgewichtslage des Differenzdrucksensors jeweils aus ihrer individuellen Gleichgewichtslage
ausgelenkt, wobei der hydraulische Kopplungspfad eine Menge einer
in erster Näherung
inkompressiblen Übertragungsflüssigkeit
enthält,
deren Volumen, größer ist
als das zwischen den Messmembranen eingeschlossene Volumen des hydraulischen
Kopplungspfads, wenn beide Messmembranen ihre Gleichgewichtslage
einnehmen. In einer Weiterbildung der Erfindung weist jede der beiden Messmembranen
jeweils dann eine geringere Biegespannung auf als in der Gleichgewichtslage
des Differenzdrucksensors, wenn sie an dem Grundkörper anliegt.
Insbesondere können
die Messmembranen in ihrer Gleichgewichtslage jeweils an dem Grundkörper anliegen.
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Der
erfindungsgemäße Differenzdrucksensor
kann insbesondere ein mikromechanischer Differenzdrucksensor sein,
dessen Grundkörper
Glas und/oder Keramik, insbesondere LTCC, und/oder Halbleitermaterialien,
insbesondere Silizium umfasst.
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Die
Messmembranen können
einen Keramikwerkstoff oder Halbleitermaterialien, insbesondere
Silizium, aufweisen, wobei derzeit Silizium bevorzugt ist.
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In
einer Weiterbildung umfasst der weiterhin mindestens einen Tiefpass,
insbesondere in Form einer Drosselvorrichtung. Mit der Drosselvorrichtungen können insbesondere
kurze Überlastspitzen
bedämpft
werden.
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Die
Drosselvorrichtung kann beispielsweise einen sehr geringen Kanalquerschnitt
oder einen porösen
Werkstoff, insbesondere ein poröses
Halbleitermaterial aufweist.
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Die
Drosselvorrichtung bzw. der Tiefpass kann gemäß einer Ausgestaltung beispielsweise
in dem Kopplungspfad zwischen den Druckkammern angeordnet sein.
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In
einer anderen Ausgestaltung kann die Drosselvorrichtung bzw. der
Tiefpass außerhalb
des Kopplungspfades den Messmembranen vorgelagert angeordnet sein,
beispielsweise in einem hydraulischen Pfad, über den eine Messmembranen
mit einem Druck beaufschlagt wird.
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Die
Messmembranen können
nach einem anderen Gesichtspunkt der Erfindung in ihrem auslenkbaren
Bereich auf ihrer dem Grundkörper
abgewandten Oberfläche
jeweils eine Vertiefung gegenüber
dem Randbereich aufweisen. Diese Vertiefungen bewirken ein reduziertes
Flächenträgheitsmoment von
axialen Schnitten des auslenkbaren Bereichs. Damit sind die Messmembranen
einerseits leichter auszulenken und andererseits kann durch die
Gestaltung der Vertiefung die Biegelinie der Messmembranen beeinflusst
werden. Dies ist beispielsweise dann vorteilhaft, wenn ein spannungsabhängiger Wandler
vorgesehen ist, beispielsweise ein piezoresistiver Wandler, und
die Verformung der Messmembran verstärkt im Bereich der piezoresistiven
Widerstandselemente erfolgen soll.
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Grundsätzlich sind
aber beliebige Wandler zum Erfassen der Verformung der Messmembranen geeignet,
beispielsweise kapazitive Wandler oder Differenzdrucksensor nach
einem der vorhergehenden Ansprüche,
weiterhin umfassend zwei Druckkammern, wobei zumindest der auslenkbare
Bereich der Messmembranen jeweils in einer der Druckkammern angeordnet
ist, wobei die Druckkammern jeweils eine Öffnung aufweisen, durch die
sie mit einem Druck beaufschlagbar sind.
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1 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Differenzdrucksensors 1. Der
Differenzdrucksensor 1 umfasst einen zylinderscheibenförmigen Grundkörper 10,
der LTCC Low Temperature Cofired Ceramic als Werkstoff aufweist. der
Grundkörper
umfasst weiterhin einen Befüllkanal 11,
der sich von der Mantelfläche
des Grundkörpers 10 parallel
zu dessen Stirnflächen
bis etwa zum Zentrum des Grundkörpers
erstreckt. Der Befüllkanal 11 ist
mittels eines Verschlusselements 12, beispielsweise einer
Stahlkugel oder einer Madenschraube, von der Mantelfläche her
verschließar.
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Der
Grundkörper
umfasst weiterhin einen Kopplungskanal 13, der sich zwischen
den beiden Stirnflächen
des Grundkörpers
erstreckt, wobei der Befüllkanal
mit dem Kopplungskanal hydraulisch in Verbindung steht, um den Kopplungskannal über den Befüllkanal
befüllen
zu können.
Auf der ersten und der zweiten Stirnfläche des Grundkörpers 10 ist
eine erste Messmembran 20 bzw. eine zweite Messmembran 21 mittels
einer Fügestelle
befestigt, insbesondere über
so genanntes anodisches Bonden.
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In
einem Zentralbereich der Messmembranen, der von einem inneren Rand
der Fügestellen 22 bzw. 23 begrenzt
ist, sind die erste und die zweite Messmembran bezüglich der
durch die Fügestelle definierte
Ebene auslenkbar. Der Kopplungskanal mündet in dem von den Fügestellen
umschlossenen Bereichen in die Stirnflächen des Grundkörpers ein.
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Über den
Befüllkanal 11,
ist das zwischen den Messmembranen eingeschlossene Volumen mit einer
Menge einer Übertragungsflüssigkeit
befüllt, die
so groß ist,
dass die Messmembranen 20, 21 aus ihrer Gleichgewichtslage
ausgelenkt sind, und zwar über
den gesamten Temperaturbereich, für den der Differenzdrucksensor
spezifiziert ist.
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Der
erfindungsgemäße Differenzdrucksensor
gemäß dieses
Ausführungsbeispiels
ist sowohl gegenüber
statischen Überlasten
als auch gegenüber
dynamischen Überlasten überlastfest,
so dass er keine zusätzlichen
Absicherungen, beispielsweise durch eine Überlastmembran in einem hydraulischen Messwerk
benötigt.
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Ein
statischer Überlastschutz
ist dadurch erreicht, dass im Falle einer Überlast jeweils die Messmembran,
von deren Seite her die Überlast
auftritt, am Grundkörper
anliegt. Damit ist eine weitere Auslenkung der Messmembranen zuverlässig verhindert.
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Ein
dynamischer Überlastschutz
wird durch eine Drossel im Kopplungspfad erreicht, die wie ein Tiefpass
wirkt. Bei kurzen Druckschlägen
baut sich zwischen der Drossel und der Messmembran, auf deren Seite
der Druck eingeleitet wurde, ein Druck auf, der nur langsam über die
Drossel abgebaut werden kann, wodurch die Messmembran stabilisiert
wird.
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Die
Messmembranen 20, 21 sind jeweils von einem ersten
bzw. zweiten Druckgehäusekörper 30, 31,
der jeweils druckdicht mit dem nicht auslenkbaren Randbereich der
Messmembranen bzw. mit der Oberfläche des Grundkörpers verbunden
ist, überdeckt,
wobei der Druckgehäusekörper beispielsweise
den gleichen Werkstoff wie der Grundkörper aufweisen kann.
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Zwischen
den Messmembranen und den sie überdeckenden
Druckgehäuskörpern wird
dadurch jeweils eine Druckeinleitungskammer 32, 33 gebildet, über welche
die Messmembranen jeweils mit einem Mediendruck beaufschlagt werden.
Die kann beispielsweise über
hydraulische Druckmittler 40, 41 geschehen an
deren Trennmembranen 42, 43 mit den Mediendrücken beaufschlagt
werden, wobei die Druckmittler über
Kapillarleitungen 44, 45 an die Druckeinleitungskammern
gekoppelt sind.
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Das
in 2 gezeigte zweite Ausführungsbeispiel weist im wesentlichen äquivalente
Komponenten zum ersten Ausführungsbeispiel
aus 1 auf. lediglich die Anordnung der Messmembranen zueinander
ist hier anders gewählt,
indem diese koplanar zueinander angeordnet sind. Diese Anordnung
ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der Differenzdrucksensor
in einen Messumformer integriert werden soll, der koplanare Prozessanschlüsse für den ersten
und den zweiten Druck aufweist. Gleichermaßen kann aber auch der Differenzdrucksensor
gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
an koplanare Prozessanschlüsse
angeschlossen werden.
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Der
Differenzdrucksensor 101 umfasst einen Grundkörper 110 aus
LTCC, auf dem eine durchgehende Messmembranplatte 120 aus
Si befestigt ist. Die Messmembranplatte 120 enthält eine
erste Messmembran 121 und eine zweite Messmembran 122 die
jeweils durch einen umlaufenden Rand einer Fügestelle zwischen der Messmembranplatte
und dem Grundkörper
begrenzt sind. Zwischen den von den Fügestellen begrenzten und von
den Messmembranen abgedeckten Bereichen der Oberfläche des Grundkörpers erstreckt
sich ein Kopplungskanal 113 in dem eine hydraulische Drossel 114 angeordnet
ist. Der Kopplungskanal 113 kommuniziert mit einem Befüllkanal 112,
der sich von einer Oberfläche
des Grundkörpers
zu dem Kopplungskanal 113 erstreckt. Über den Befüllkanal ist der Differenzdrucksensor
mit einer Solchen Ölmenge
befüllt,
dass die Messmembranen 121, 122 über den
gesamten Temperaturbereich und spezifizierten Messbereich für den Differenzdruck
ausgelenkt sind und jeweils im Falle einer einseitigen statischen Überlast
an der Oberfläche des
Grundkörpers 110 anliegen
und dort abgestützt werden,
wodurch auch eine weitere Auslenkung der jeweils anderen Membran
zuverlässig
verhindert wird.
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Die
Messmembranen 120, 122 sind von einer Druckgehäuseplatte 130 überdeckt
die jeweils druckdicht mit den nicht auslenkbaren Randbereichen
der Messmembranen verbunden ist wobei die Druckgehäuseplatte
beispielsweise den gleichen Werkstoff wie der Grundkörper aufweisen
kann.
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Zwischen
den beiden Messmembranen und der Druckgehäuseplatte sind durch Aussparungen
in der Druckgehäuseplatte
Druckeinleitungskammern 132, 133 gebildet, über welche
die Messmembranen 121, 122 jeweils mit einem Mediendruck
beaufschlagt werden. Dies kann beispielsweise über hydraulische Druckmittler 140, 141 geschehen
an deren Trennmembranen 142, 143 mit den Mediendrücken beaufschlagt
werden, wobei die Druckmittler über
Kapillarleitungen 144, 145 an die Druckeinleitungskammern 132, 133 gekoppelt
sind.
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Zum
Bestimmen des Differenzdrucks sind bei beiden Ausführungsbeispielen
die Lagen der Messmembranen zu ermitteln. Die tatsächlichen
Lagen der Messmembranen sind bei einer gegebenen Befüllmenge
in erster Linie Funktionen der Differenz zwischen einem Druck, der
auf die erste Messmembran wirkt, und einem zweiten Druck, der auf
die zweite Messmembran wirkt. Insbesondere aufgrund der Kompressibilität der gängigen Übertragungsflüssigkeiten
aber auch aufgrund der Kompressibilität der Werkstoffe der Messmembranen
und des Grundkörpers,
hängt die
tatsächlich
Lage der Membranen weiterhin vom absoluten Wert des ersten und des zweiten
Drucks ab. Eine weitere Einflussgröße auf die Position der Messmembranen
ist schließlich
die Temperatur des Differenzdrucksensors, welche das Volumen der Übertragungsflüssigkeit
abgesehen von dessen druckabhängiger
Kompression definiert.
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Zur
Bestimmung des Differenzdrucks, also der Differenz zwischen dem
ersten Druck und dem zweiten Druck, umfasst der Differenzdrucksensor mindestens
einen ersten elektromechanischen Wandler, welcher ein von der Position
der ersten Messmembran abhängiges
Primärsignal
ausgibt, und einen zweiten elektromechanischen Wandler, welcher
ein von der Position der zweiten Messmembran abhängiges Primärsignal ausgibt.
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Die
Wandler können
sowohl piezoresistive und/oder kapazitive Wandler umfassen. Wozu
entsprechende Widerstandselemente bzw. Elektroden an den Messmembranen
vorzusehen sind.
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Der
Differenzdruck kann anhand der Signale des ersten Wandlers und des
zweiten Wandlers bestimmt werden, insbesondere anhand von deren
Differenz. Der Differenzdrucksensor umfasst vorzugsweise weiterhin
mindestens einen Temperatursensor, der ein Primärsignal ausgibt, welches die
Temperatur der zwischen den Messmembranen eingeschlossenen Übertragungsflüssigkeit
repräsentiert.
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Damit
ist erstens eine Korrektur des Differenzdruckmesswerts und zweitens
eine Angabe eines Absolutdruckwertes möglich der sich aus der Differenz
zwischen dem anhand des Temperatursignals erwarteten Volumen der Übertragungsflüssigkeit
die zwischen den Messmembranen eingeschlossen ist, und dem tatsächlichen
Volumen, welches sich aus den Positionen der Messmembranen ergibt,
die aus den Signalen des ersten und des zweiten Wandlers ableitbar
sind.
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Ein
Vergleich des zwischen den Messmembranen eingeschlossenen Volumens
anhand der Positionen der Messmembranen zum erwarteten Volumen anhand
der Temperatur ermöglicht
weiterhin eine Zustandsanalyse des Differenzdrucksensors, wenn beispielsweise
die Abweichung zwischen den beiden Werten zu groß ist bzw. eine zu große Kompression
der Übertragungsflüssigkeit
voraussetzt, dann ist von einer Leckage auszugehen.
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Zur
Vervollständigung
der Informationen über
den Zustand des zu messenden Mediums kann noch mindestens ein in
den Zeichnungen nicht dargestellter Absolutdrucksensor in den Differenzdrucksensor
integriert sein, welcher den statischen Druck direkt erfasst. Damit
ist einerseits eine genauere Korrektur des Differenzdruckmesswerts
möglich
und andererseits kann eine präzisere
Zustandsüberwachung
des Sensors erfolgen, da die Ursache einer Abweichung der oben beschriebene
Art zwischen dem beobachteten Volumen anhand der Position der Messmembranen
und dem anhand der Temperatur geschätzten Volumen nun durch die
Berücksichtigung
tatsächlich
gemessenen Absolutdruckwerts nun besser identifizierbar ist.
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Die
vorgespannten Messmembranen in der Gleichgewichtslage ermöglichen
weiterhin eine effektive Leckerkennung, beispielsweise im Falle
eines Membranbruchs. Wenn nämlich
der Kopplungspfad über
ein Leck mit der Umgebung des Drucksensor kommunizieren kann, wird
ein Teil des Übertragungsmediums
aus dem Kopplungspfad herausgedrückt, bis
beide Messmembranen zur Anlage am Grundkörper gelangen. Dieser Zustand
ist unter normalen Prozessbedingungen nicht erreichbar, so dass
die entsprechenden Messsignale ohne weiteres als Indiz für eine Leckage
interpretiert werden können.
Eine Auswerteschaltung des Drucksensors kann in diesem Fall ein
entsprechendes Alarmsignal ausgeben.
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Zur
Ableitung der Messsignale der elektromechanischen Wandler, kann
der Grundkörper 10, 110,
beispielsweise seitlich über
die Messmembranen hervorstehen, so dass Leiterbahnen, welche die Elemente
der elektromechanischen Wandler kontaktieren, aus der Grenzfläche bzw.
den Grenzflächen zwischen
den Messmembranen und dem Grundkörper
in dem vorstehenden Bereich der Oberfläche bzw. der Oberflächen des
Grundkörpers
herausgeführt
und dort weiter kontaktiert werden können.
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Insbesondere
bei einer koplanaren Anordnung der Messmembranen ist zur Ableitung
der Messsignale neben der soeben beschriebenen Variante auch eine
Kontaktierung der Wandlerelemente über Durchführungen zur Rückseite
des Grundkörpers
geeignet.