DE102010043824B4

DE102010043824B4 - Pressure Transmitter

Info

Publication number: DE102010043824B4
Application number: DE201010043824
Authority: DE
Inventors: Thomas Himmelsbach; Markus Pfeiffer; Erich Schwabenland
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-11-12
Filing date: 2010-11-12
Publication date: 2012-10-31
Anticipated expiration: 2030-11-13
Also published as: WO2012062606A1; DE102010043824A1

Abstract

Druckmessumformer mit zumindest einer Kammer (5), welche zur Übertragung eines zu messenden Drucks von einer Trennmembran (10) zu einem druckempfindlichen Sensor (19) und zu einer Überlastmembran (6) mit einer Druckübertragungsflüssigkeit befüllt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzdruckseite des Sensors (19) direkt mit einer Referenzdruckkammer (16) verbunden ist.Pressure transducer with at least one chamber (5) which is filled with a pressure transmission fluid to transmit a pressure to be measured from a separating membrane (10) to a pressure-sensitive sensor (19) and to an overload membrane (6), characterized in that the reference pressure side of the sensor (19) is directly connected to a reference pressure chamber (16).

Description

Die Erfindung betrifft einen Druckmessumformer mit zumindest einer Kammer, welche zur Übertragung eines zu messenden Drucks von einer Trennmembran zu einem druckempfindlichen Sensor und zu einer Überlastmembran mit einer Druckübertragungsflüssigkeit befüllt ist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a pressure transducer with at least one chamber, which is filled with a pressure-transmitting liquid for transmitting a pressure to be measured from a separation membrane to a pressure-sensitive sensor and to an overload membrane, according to the preamble of claim 1.

Druckmessumformer werden häufig für die Messung eines Absolutdrucks eingesetzt. Die Messung des angelegten Drucks erfolgt dabei in Abhängigkeit eines Referenzdrucks, der zuvor auf einen definierten Absolutdruck eingestellt wurde. Dies gilt unabhängig von dem angewandten Verfahren zur mechanisch elektrischen Signalwandlung in einem druckempfindlichen Sensor, die beispielsweise induktiv, kapazitiv oder piezoresistiv erfolgen kann. Häufig wird der Referenzdruck fertigungstechnisch auf einem Absolutdruck von weniger als 1 mbar festgelegt. Um einen direkten Kontakt zwischen dem Drucksensor und einem Messmedium in einer prozesstechnischen Anlage zu vermeiden, weisen Druckmessumformer häufig eine Kammer auf, welche zur Übertragung des zu messenden Drucks von einer Trennmembran, welche sich zwischen dem Prozessmedium und der Kammer befindet, zu dem druckempfindlichen Sensor mit einer Druckübertragungsflüssigkeit befüllt ist. Die Kammer hat durch geeignete konstruktive Auslegung gleichzeitig die Funktion einer Überlastsicherung, welche den Drucksensor vor einer Beaufschlagung eines unzulässig hohen Drucks und somit vor einer Zerstörung bei Überlast schützt. Die Befüllung der Kammer erfolgt über einen Einfüllkanal, nachdem diese evakuiert worden ist. Dabei ist aus Gründen der Messgenauigkeit sowie für die Funktionsfähigkeit der Überlastsicherung darauf zu achten, dass ein definiertes Volumen an Druckübertragungsflüssigkeit eingebracht wird. Das Befüllen erfolgt mit einer unter Unterdruck stehenden Druckübertragungsflüssigkeit unter Einfluss der Schwerkraft. Danach wird der Einfüllkanal verschlossen und der Verschluss gesichert.Pressure transmitters are often used for measuring an absolute pressure. The measurement of the applied pressure takes place as a function of a reference pressure, which was previously set to a defined absolute pressure. This applies regardless of the method used for the mechanical electrical signal conversion in a pressure-sensitive sensor, which can be performed, for example, inductive, capacitive or piezoresistive. Frequently, the reference pressure is set by manufacturing technology to an absolute pressure of less than 1 mbar. In order to avoid direct contact between the pressure sensor and a measuring medium in a process plant, pressure transmitters often have a chamber, which is responsible for transmitting the pressure to be measured from a separating membrane, which is located between the process medium and the chamber, to the pressure-sensitive sensor a pressure transfer fluid is filled. The chamber also has the function of an overload protection, which protects the pressure sensor against exposure to an impermissibly high pressure and thus from destruction in the event of overload by means of a suitable structural design. The filling of the chamber via a filling channel, after it has been evacuated. Care must be taken to ensure that a defined volume of pressure transfer fluid is introduced for reasons of measurement accuracy and for the operability of the overload protection. The filling takes place with a pressurized fluid under vacuum under the influence of gravity. Thereafter, the filling channel is closed and secured the closure.

Zusätzlich zur Evakuierung kann eine Druckmesszelle des Druckmessumformers vor der Befüllung vorbeheizt werden, um sicherzustellen, dass alle Gas- und Flüssigkeitsanteile aus der Kammer entfernt wurden. Rückstände von Flüssigkeiten oder Gasen würden im Messbereich zu einer erhöhten Temperaturabhängigkeit des Dampfdrucks führen, welche deren Kompensation erschweren würde.In addition to the evacuation, a pressure cell of the pressure transmitter can be pre-heated prior to filling to ensure that all gas and liquid components have been removed from the chamber. Residues of liquids or gases would lead to an increased temperature dependence of the vapor pressure in the measuring range, which would make their compensation more difficult.

Insbesondere bei Druckmessumformern für Absolutdruck, die ähnlich Differenzdruckmessumformern aufgebaut sind, hat sich gezeigt, dass diese häufig nicht dauerhaft die gewünschte Genauigkeit erreichen. Bei derartigen Messumformern wird auf eine Seite des Differenzdruckmessumformers eine Referenzdruckkammer aufgeschweißt, die auf einen definierten Vakuumwert evakuiert und anschließend verschlossen wird. Der Referenzdruck liegt dabei nicht unmittelbar am druckempfindlichen Sensor an, sondern wird über eine Anordnung mit einer Trennmembran und einer Kammer, die mit einer Druckübertragungsflüssigkeit gefüllt ist, auf den Sensor übertragen. Bei diesem Aufbau besteht häufig das Problem, dass der Referenzdruck in der Referenzdruckkammer nicht dauerhaft stabil eingestellt werden kann und dass somit die erzielte Langzeitstabilität und Drift des Messumformers nicht zufriedenstellend sind. Ein weiteres Problem ist darin zu sehen, dass kein Hochvakuum mit weniger als 1 mbar Druck als Referenzdruck gewählt werden kann, da ansonsten beispielsweise ein Silikonöl als Druckübertragungsflüssigkeit bereits bei hohen Betriebstemperaturen seinen Dampfbereich erreichen würde. Ein Hochvakuum in der Referenzdruckkammer wird jedoch gewünscht, da in diesem Fall Umgebungseinflüsse wie zum Beispiel Temperatur und Umgebungsdruck nur einen geringen Einfluss auf die Messgenauigkeit besitzen.In particular, in pressure transmitters for absolute pressure, which are constructed similar to differential pressure transducers, it has been shown that these often do not permanently achieve the desired accuracy. In such transducers, a reference pressure chamber is evacuated to one side of the differential pressure transducer, which is evacuated to a defined vacuum value and then sealed. The reference pressure is not applied directly to the pressure-sensitive sensor, but is transmitted via an arrangement with a separation membrane and a chamber which is filled with a pressure transfer fluid to the sensor. In this structure, there is often the problem that the reference pressure in the reference pressure chamber can not be set permanently stable and thus that the achieved long-term stability and drift of the transmitter are not satisfactory. Another problem is to be seen in the fact that no high vacuum with less than 1 mbar pressure can be selected as the reference pressure, since otherwise, for example, a silicone oil as pressure transfer fluid would reach its vapor range even at high operating temperatures. However, a high vacuum in the reference pressure chamber is desired, since in this case environmental influences such as temperature and ambient pressure have only a small influence on the measurement accuracy.

Aus der DE 103 25 799 B3 ist ein Verfahren zur Überprüfung der Vakuumfestigkeit einer Druckübertragungsflüssigkeit in einem Druckmessumformer bekannt. Der Fehler einer unzulässig geringen Vakuumfestigkeit kann damit zwar diagnostiziert, jedoch nicht vermieden werden.From the DE 103 25 799 B3 For example, a method of checking the vacuum resistance of a pressure transfer fluid in a pressure transducer is known. Although the error of an impermissibly low vacuum resistance can thus be diagnosed, it can not be avoided.

Aus der Druckschrift DE 103 42 368 A1 ist ein Druckmessumformer bekannt, mit einer Trennmembran, mit einer Kammer und einem Drucksensor, wobei durch den Kanal der jeweils aktuelle Umgebungsdruck auf den Drucksensor geleitet wird.From the publication DE 103 42 368 A1 a pressure transmitter is known, with a separation membrane, with a chamber and a pressure sensor, which is passed through the channel of the respective current ambient pressure to the pressure sensor.

Aus der Druckschrift DE 28 19 303 A1 ist ein Druckmessumformer bekannt, bei dem das druckempfindliche Element auf seiner Referenzdruckseite dem atmosphärischem Druck ausgesetzt ist.From the publication DE 28 19 303 A1 a pressure transducer is known in which the pressure-sensitive element is exposed on its reference pressure side to the atmospheric pressure.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Druckmessumformer zu schaffen, der sich durch eine verbesserte Langzeitstabilität auszeichnet.The invention has for its object to provide a pressure transducer, which is characterized by improved long-term stability.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist der neue Druckmessumformer der eingangs genannten Art das im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Merkmal auf. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung beschrieben.To solve this problem, the new pressure transducer of the type mentioned in the characterizing part of claim 1 specified feature. In the dependent claims advantageous developments of the invention are described.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass dem druckempfindlichen Sensor ein dauerhaft stabiler Referenzdruck zugeführt werden kann. Dies wird dadurch erreicht, dass die Referenzdruckseite des Sensors nun direkt mit einer Referenzdruckkammer verbunden ist. Eine mit einer Druckübertragungsflüssigkeit befüllte Kammer, die nie ganz frei von Umgebungseinflüssen wäre, ist nicht mehr zwischen die Referenzdruckkammer und den druckempfindlichen Sensor geschaltet. Trotzdem wird ein System zur Überlastsicherung, welches aus einer Trennmembran, an welcher der zu messende Druck anliegt, und einer Kammer besteht, die durch eine Überlastmembran abgeschlossen wird und mit einer Druckübertragungsflüssigkeit befüllt ist, beibehalten, um den empfindlichen Sensor vor Druckstößen zu schützen. Insbesondere bei einem Absolutdruckmessumformer, der ähnlich einem Differenzdruckmessumformer aufgebaut ist, kann durch die direkt mit der Referenzdruckseite des Sensors verbundenen Referenzdruckkammer die Langzeitstabilität des Messumformers aus den bereits oben dargelegten Gründen verbessert werden.The invention has the advantage that the pressure-sensitive sensor, a permanently stable reference pressure can be supplied. This is achieved by the fact that the reference pressure side of the sensor is now connected directly to a reference pressure chamber. A filled with a pressure transfer fluid chamber, which is never completely free of Environmental influences would be, is no longer connected between the reference pressure chamber and the pressure-sensitive sensor. Nevertheless, a system for overload protection, which consists of a separation membrane to which the pressure to be measured, and a chamber which is closed by an overload diaphragm and filled with a pressure transfer fluid, maintained to protect the sensitive sensor from pressure surges. Particularly in the case of an absolute pressure transducer constructed similarly to a differential pressure transducer, the reference pressure chamber directly connected to the reference pressure side of the sensor can improve the long-term stability of the transmitter for the reasons already set forth above.

In vorteilhafter Weise kann in der Referenzdruckkammer ein Hochvakuum erzeugt werden, das keinerlei Begrenzungen unterliegt. Dies wirkt sich vorteilhaft auf die Messgenauigkeit des Druckmessumformers aus, da die Abhängigkeit der Messwerte von Umgebungseinflüssen um so geringer ist, je höher das in der Referenzdruckkammer erzeugte Vakuum ist. In einem Hochvakuum ist der herrschende Druck nämlich nahezu unabhängig von Umgebungseinflüssen. Da keine mit einer Druckübertragungsflüssigkeit gefüllte Kammer mehr zwischen der Referenzdruckkammer und der Referenzdruckseite des Sensors angeordnet ist, treten zudem die Probleme nicht mehr auf, die bisher durch Ausgasungen oder Verdampfen der Druckübertragungsflüssigkeit bei höheren Betriebstemperaturen entstanden waren.Advantageously, a high vacuum can be generated in the reference pressure chamber, which is not subject to any limitations. This has an advantageous effect on the measurement accuracy of the pressure transmitter, since the higher the pressure generated in the reference pressure chamber, the lower the dependence of the measured values on ambient influences. In a high vacuum, the prevailing pressure is almost independent of environmental influences. In addition, since no chamber filled with a pressure transmitting liquid is interposed between the reference pressure chamber and the reference pressure side of the sensor, the problems which have heretofore been caused by outgassing or vaporization of the pressure transmitting liquid at higher operating temperatures are eliminated.

Eine weitere Verringerung der Umgebungseinflüsse auf die Messgenauigkeit des Druckmessumformers kann erreicht werden, wenn die Referenzdruckseite der Überlastmembran ebenfalls direkt mit einer evakuierten, zweiten Referenzdruckkammer verbunden ist. Damit befindet sich auch an der Referenzdruckseite der Überlastmembran kein Medium, dessen Volumen oder Druck sich mit der Temperatur ändern würde. Damit werden Umgebungseinflüsse auf die Überlastmembran und somit auch auf den druckempfindlichen Sensor minimiert.A further reduction of the environmental influences on the measuring accuracy of the pressure transducer can be achieved if the reference pressure side of the overload diaphragm is also directly connected to an evacuated second reference pressure chamber. This means there is no medium at the reference pressure side of the overload diaphragm whose volume or pressure would change with temperature. This minimizes environmental influences on the overload diaphragm and thus also on the pressure-sensitive sensor.

Ein verbesserter Absolutdruckmessumformer kann in einfacher Weise mit lediglich geringfügigen Änderungen eines herkömmlichen Differenzdruckmessumformers aufgebaut werden. Bei einem herkömmlichen Differenzdruckmessumformer ist die Referenzdruckseite der Überlastmembran über eine zweite, mit einer Druckübertragungsflüssigkeit gefüllte Kammer nun mit einer zweiten Referenzdruckkammer verbunden, wobei sich eine zweite Trennmembran zwischen der zweiten befüllten Kammer und der zweiten Referenzdruckkammer befindet. Zur Herstellung des verbesserten Absolutdruckmessumformers muss der herkömmliche Differenzdruckmessumformer somit lediglich um eine zusätzliche Referenzdruckkammer ergänzt werden, die direkt mit der Referenzdruckseite des Sensors verbunden ist.An improved absolute pressure transducer can be easily constructed with only minor changes to a conventional differential pressure transducer. In a conventional differential pressure transducer, the reference pressure side of the overload diaphragm is now connected to a second reference pressure chamber via a second chamber filled with a pressure transfer fluid, with a second diaphragm separating the second filled chamber and the second reference pressure chamber. In order to produce the improved absolute pressure transmitter, the conventional differential pressure transducer thus only has to be supplemented by an additional reference pressure chamber, which is connected directly to the reference pressure side of the sensor.

Anhand der Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind, werden im Folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.Reference to the drawings, in which embodiments of the invention are illustrated, the invention and refinements and advantages are explained in more detail below.

Es zeigen:Show it:

1 einen Druckmessumformer mit einer Kammer, die mit Druckübertragungsflüssigkeit gefüllt ist, und 1 a pressure transducer having a chamber filled with pressure transfer fluid, and

2 einen Druckmessumformer, der mit geringfügigen Änderungen an einem herkömmlichen Differenzdruckmessumformer erhalten wurde. 2 a pressure transmitter obtained with minor changes to a conventional differential pressure transmitter.

In den Figuren sind Druckmessumformer 1 bzw. 21 mit jeweils längsgeschnittener Druckmesszelle in einer Prinzipdarstellung gezeichnet. Gleiche Teile sind jeweils mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Druckmessumformer 1 und 21 weisen jeweils ein im Wesentlichen rotationssymmetrisches Innengehäuse 2 bzw. 22 mit einer zentralen Ausnehmung auf, die durch eine Überlastmembran 6 in zwei Kammern 4 und 5 unterteilt ist. Zum Schutz eines druckempfindlichen Sensors 19 vor Überlast und chemischen Einflüssen dient eine Trennmembran 10, welche die Kammer 5 von einem Messmedium trennt, das mit dem zu messenden Druck durch einen Einlass 13 in eine Messdruckkammer 14, die sich in einer Kappe 15 befindet, zugeführt wird. Die Kammer 5 ist mit einer exakt bemessenen Menge eines Silikonöls befüllt. Tritt in der Messdruckkammer 14 ein unzulässig hoher Druck auf, so wird das zuvor unter der Trennmembran 10 befindliche Silikonöl zur Überlastmembran 6 hin verschoben, bis die Trennmembran 10 auf ihrem Membranbett zu liegen kommt. Der sich dabei in der Kammer 5 maximal einstellende Druck ist vom Verschiebevolumen und der Elastizität der Membranen 6 und 10 abhängig und somit konstruktiv begrenzt. Dadurch ist sichergestellt, dass der empfindliche Sensor 19 nicht durch Überlast zerstört werden kann. Die Referenzdruckseite des Sensors 19 ist direkt mit einer Referenzdruckkammer 16 verbunden, in welcher sich ein Hochvakuum befindet. Der Absolutdruck des Hochvakuums ist vorzugsweise kleiner 1 mbar. Da der Druck des Hochvakuums in der Referenzdruckkammer 16 sehr langzeitstabil einstellbar ist, zeichnen sich die beiden Messumformer 1 und 21 durch eine gute Langzeitstabilität ihrer Messgenauigkeit aus. Messwerte des in der Messdruckkammer 14 herrschenden Drucks, die von einer Auswerteeinrichtung 7 in Abhängigkeit eines durch den Sensor 19 gelieferten Messsignals 8 berechnet werden, zeigen die Druckmessumformer 1 bzw. 21 durch ein Anzeigesignal 17, beispielsweise über einen Feldbus, einer übergeordneten Leitstation an, die in den Figuren der Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellt ist.In the figures are pressure transducers 1 respectively. 21 drawn with each longitudinally cut pressure cell in a schematic representation. Identical parts are each provided with the same reference numerals. The pressure transmitter 1 and 21 each have a substantially rotationally symmetrical inner housing 2 respectively. 22 with a central recess, passing through an overload membrane 6 in two chambers 4 and 5 is divided. To protect a pressure-sensitive sensor 19 against overload and chemical influences serves a separation membrane 10 which the chamber 5 separated from a measuring medium, with the pressure to be measured through an inlet 13 in a measuring pressure chamber 14 that is in a cap 15 is supplied. The chamber 5 is filled with a precisely measured amount of a silicone oil. Kick in the measuring pressure chamber 14 an unacceptably high pressure on, it is previously under the separation membrane 10 located silicone oil to the overload membrane 6 pushed out until the separation membrane 10 to lie on her membrane bed. He is in the chamber 5 maximum setting pressure is the displacement volume and the elasticity of the membranes 6 and 10 dependent and thus structurally limited. This ensures that the sensitive sensor 19 can not be destroyed by overload. The reference pressure side of the sensor 19 is directly with a reference pressure chamber 16 connected, in which there is a high vacuum. The absolute pressure of the high vacuum is preferably less than 1 mbar. Because the pressure of the high vacuum in the reference pressure chamber 16 is very long-term stable adjustable, the two transducers stand out 1 and 21 by a good long-term stability of their measuring accuracy. Measured values of the in the measuring pressure chamber 14 prevailing pressure from an evaluation device 7 depending on one through the sensor 19 supplied measuring signal 8th be calculated, the pressure transmitters show 1 respectively. 21 by an indication signal 17 , For example, via a field bus to a parent control station, which is not shown in the figures for clarity.

Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel eines Absolutdruckmessumformers 1 ist die Referenzdruckseite der Überlastmembran 6 in der Kammer 4 direkt mit einer evakuierten, zweiten Referenzdruckkammer 3 verbunden. Das hat den Vorteil, dass sich auf der Referenzdruckseite der Überlastmembran 6 ebenfalls kein Medium befindet, welches einen von Umgebungseinflüssen abhängigen Druck auf die Überlastmembran 6 ausüben könnte. Dadurch wird eine weitere Verringerung der Abhängigkeit der Druckmesswerte von Umgebungseinflüssen erreicht.At the in 1 illustrated embodiment of an absolute pressure transducer 1 is the reference pressure side of the overload diaphragm 6 in the chamber 4 directly with an evacuated, second reference pressure chamber 3 connected. This has the advantage that on the reference pressure side of the overload diaphragm 6 also no medium is located, which is dependent on environmental influences pressure on the overload membrane 6 could exercise. This achieves a further reduction in the dependence of the pressure measurements on environmental influences.

Der in 2 dargestellte Absolutdruckmessumformer 21 kann mit lediglich geringfügigen Änderungen auf der Basis eines herkömmlichen Differenzdruckmessumformers hergestellt werden. Eine zweite Referenzdruckkammer 11 befindet sich hier unter einer Kappe 12, die mit dem Innengehäuse 22 verschweißt ist. Der in der zweiten Referenzdruckkammer 11 herrschende Referenzdruck wirkt über die Trennmembran 9 und eine zweite, hier mit einer Druckübertragungsflüssigkeit befüllte Kammer 4 auf die Referenzdruckseite der Überlastmembran 6. Da der Referenzdruck der zweiten Referenzdruckkammer 11 lediglich auf die Überlastmembran 6 und nicht auf den druckempfindlichen Sensor 9 wirkt, genügt in vorteilhafter Weise bereits ein geringeres Vakuum als in der Referenzdruckkammer 16. Dadurch können auch bei höheren Temperaturen Ausgasungen oder ein Verdampfen der in der Kammer 4 befindlichen Druckübertragungsflüssigkeit vermieden werden. Die Messgenauigkeit des Druckmessumformers 21 ist in vorteilhafter Weise nahezu unabhängig von dem jeweils in der zweiten Referenzdruckkammer 11 eingestellten Referenzdruck.The in 2 illustrated absolute pressure transmitter 21 can be made with only minor modifications based on a conventional differential pressure transmitter. A second reference pressure chamber 11 is here under a cap 12 that with the inner case 22 is welded. The in the second reference pressure chamber 11 prevailing reference pressure acts on the separation membrane 9 and a second chamber filled here with a pressure transfer fluid 4 on the reference pressure side of the overload diaphragm 6 , Since the reference pressure of the second reference pressure chamber 11 only on the overload membrane 6 and not on the pressure-sensitive sensor 9 acts satisfies already advantageously a lower vacuum than in the reference pressure chamber 16 , As a result, even at higher temperatures outgassing or evaporation of the in the chamber 4 located pressure transfer fluid can be avoided. The measuring accuracy of the pressure transmitter 21 is advantageously almost independent of each in the second reference pressure chamber 11 set reference pressure.

Claims

Pressure transmitter with at least one chamber ( 5 ), which for transmitting a pressure to be measured from a separating membrane ( 10 ) to a pressure-sensitive sensor ( 19 ) and to an overload membrane ( 6 ) is filled with a pressure transfer fluid, characterized in that the reference pressure side of the sensor ( 19 ) directly with a reference pressure chamber ( 16 ) connected is.

Pressure transmitter according to claim 1, characterized in that in the reference pressure chamber ( 16 ) is a high vacuum.

Pressure transmitter according to claim 1 or 2, characterized in that the reference pressure side of the overload diaphragm ( 6 ) directly with an evacuated, second reference pressure chamber ( 3 ) connected is.

Pressure transmitter according to claim 1 or 2, characterized in that the reference pressure side of the overload diaphragm ( 6 ) via a second, filled with a pressure transfer fluid chamber ( 4 ) with a second reference pressure chamber ( 11 ), wherein a second separation membrane ( 9 ) between the second filled chamber ( 4 ) and the second reference pressure chamber ( 11 ) is located.