DE102011017824A1 - Interferometric pressure transducer for oil production industry, has separation membrane chamber that is connected with transducer chamber through hydraulic path at which transfer fluid with specific temperature is filled - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hochtemperaturdruckmessaufnehmer, insbesondere für Temperaturen oberhalb von 125°C.The present invention relates to a high temperature transducers, especially for temperatures above 125 ° C.
Die Offenlegungsschrift
In der Industriellen Prozessmesstechnik sind Drücke verschiedenster Prozessmedien zu messen. Drucksensoren mit einer Messmembran, die Aluminiumoxid aufweist, zeichnen sich durch eine große Medienbeständigkeit aus, und können mit einer Vielfalt von Prozessmedien unmittelbar beaufschlagt werden. Drucksensoren mit einem Siliziumdruckmesswandler sind dagegen für den direkten Kontakt mit Prozessmedien in vielen Fällen ungeeignet. Daher ist es üblich, die Siliziumdruckmesswandler nicht unmittelbar mit dem Prozessmedium zu beaufschlagen, sondern den zu messenden Druck mit einem Druckmittler zu dem Siliziumdruckmesswandler zu übertragen, wobei der Druckmittler einen hydraulischen Pfad umfasst, welcher sich zwischen einer metallischen Trennmembran und dem Siliziumdruckmesswandler erstreckt, und wobei die Trennmembran mit dem Prozessmedium beaufschlagbar ist. Die Silizium- bzw. Halbleiterdruckmesswandler sind dabei häufig auf so genannten TO-Sockeln montiert, welche eine metallische Basis aufweisen, die über Löten oder Schweißen druckdicht in einem Sensorgehäuse zu integrieren ist, Einzelheiten hierzu sind beispielsweise in den Offenlegungsschriften
Abgesehen von der Empfindlichkeit gegenüber verschiedenen Prozessmedien sind Siliziumdruckmesswandler nur für einen begrenzten Temperaturbereich geeignet, zumal dann, wenn sie dotierte Halbleiterstrukturen aufweisen wie sie bei den gängigen piezo-resistiven Druckmesswandlern üblich sind. Derartige Siliziumdruckmesswandler sind nur bis etwa 125°C einsetzbar. Druckmittler dienen daher häufig dazu, den Siliziumdruckmesswandler von dem Prozessmedium thermisch zumindest in dem Maße zu entkoppeln, dass die Temperatur des Halbleiterdruckmesswandlers einen kritischen Temperaturwert von beispielsweise 125°C nicht übersteigt, und zwar auch dann, wenn die Temperatur des Prozessmediums erheblich höher ist. Hierzu wird die Druckmesszelle in einem hinreichenden Abstand zum Prozessmedium positioniert, um den Unterschied zwischen der Medientemperatur und der kritischen Temperatur über einen Temperaturgradienten, der entlang des hydraulischen Pfades zwischen der Trennmembran und dem Siliziumdruckmesswandler verläuft, abbauen zu können. Damit weisen die gängigen Hochtemperaturdruckmittler eine gewisse Baulänge auf, was ein großes Volumen an Übertragungsflüssigkeit bedingt. Das Volumen der Übertragungsflüssigkeit wirkt sich jedoch über den so genannten Trennmembranfehler auf die Messgenauigkeit aus, denn die Trennmembran wird durch die Volumenausdehnung der Übertragungsflüssigkeit ausgelenkt, was aufgrund der Steifigkeit der Trennmembran zu einem veränderten Druck im hydraulischen Pfad führt.Apart from the sensitivity to various process media, silicon pressure transducers are only suitable for a limited temperature range, especially when they have doped semiconductor structures as are common in the conventional piezo-resistive pressure transducers. Such silicon pressure transducer can only be used up to about 125 ° C. Therefore, diaphragm seals are often used to thermally decouple the silicon pressure transducer from the process medium at least to the extent that the temperature of the semiconductor pressure transducer does not exceed a critical temperature value of for example 125 ° C, even if the temperature of the process medium is considerably higher. For this purpose, the pressure measuring cell is positioned at a sufficient distance from the process medium in order to reduce the difference between the temperature of the medium and the critical temperature over a temperature gradient that runs along the hydraulic path between the separation membrane and the silicon pressure transducer. Thus, the current high-temperature diaphragm seal on a certain length, which causes a large volume of transmission fluid. However, the volume of the transfer fluid affects the so-called separation diaphragm error on the accuracy of measurement, because the separation membrane is deflected by the volume expansion of the transfer fluid, which leads to a change in pressure in the hydraulic path due to the rigidity of the separation membrane.
Eine weitere Grenze für den Einsatz der Druckmittler ergibt sich aus dem temperaturabhängigen Dampfdruck der Übertragungsflüssigkeit, mit welcher der hydraulische Pfad befällt ist. Wenn der Dampfdruck der Übertragungsflüssigkeit über den aktuellen Druck des Prozessmediums und ggf. den Druck aufgrund des Trennmembranfehlers steigt, beginnt die Übertragungsflüssigkeit auszugasen, wodurch die Trennmembran im Extremfall plastisch verformt werden kann.Another limit for the use of the diaphragm seal results from the temperature-dependent vapor pressure of the transmission fluid, with which the hydraulic path is affected. When the vapor pressure of the transfer liquid rises above the actual pressure of the process medium and possibly the pressure due to the separation diaphragm error, the transfer liquid begins to outgas, whereby the separation membrane can be plastically deformed in the extreme case.
Um dies zu verhindern, ist zu gewährleisten dass die Füllflüssigkeit keine Komponenten enthält, die bei hohen Temperaturen einen kritischen Dampfdruck entwickeln können. Hierzu kann eine Übertragungsflüssigkeit bei hoher Temperatur unter Vakuum in dem Sinne konditioniert werden, dass die flüchtigen Komponenten verdampfen. Der hydraulische Pfad sollte dann mit der konditionierten Übertragungsflüssigkeit bei hoher Temperatur, vorzugsweise unter Vakuum befällt werden. Mit hoher Temperatur ist hier im Idealfall die im Betrieb zu erwartende Maximaltemperatur gemeint, jedenfalls sollte die Befülltemperatur diese Temperatur so weit wie möglich annähern. Hier erweist sich jedoch wiederum der Siliziumdruckmesswandler als limitierende Größe, da er nicht mit Temperaturen oberhalb seiner kritischen Temperatur von beispielsweise 125°C beaufschlagt werden sollte.To prevent this, it must be ensured that the filling liquid contains no components which can develop a critical vapor pressure at high temperatures. For this purpose, a transmission fluid can be conditioned at high temperature under vacuum in the sense that the volatile components evaporate. The hydraulic path should then be filled with the conditioned transfer fluid at high temperature, preferably under vacuum. With a high temperature, the maximum temperature to be expected during operation is meant in this case, in any case the filling temperature should approach this temperature as far as possible. Here again, however, proves the silicon pressure transducer as a limiting factor, since it should not be subjected to temperatures above its critical temperature, for example, 125 ° C.
Um diesen Widerspruch aufzulösen, offenbart die Offenlegungsschrift
Die Zweiteilung des hydraulischen Pfads ermöglicht es nun, dass der zweite hydraulische Pfad, welcher im Betrieb unmittelbar den hohen Temperaturen des Prozessmediums ausgesetzt ist, bei hohen Temperaturen mit der Übertragungsflüssigkeit befüllt wird, ohne die Druckmesszelle bzw. den Siliziumdruckmesswandler durch die Befüllung zu beeinträchtigen. Der erste hydraulische Pfad kann dann bei einer Temperatur unterhalb der kritischen Temperatur mit einer Übertragungsflüssigkeit gefüllt werden.The division of the hydraulic path now makes it possible for the second hydraulic path, which in operation is exposed directly to the high temperatures of the process medium, to be filled with the transfer fluid at high temperatures without adversely affecting the pressure measuring cell or the silicon pressure transducer as a result of the filling. The first hydraulic path can then be filled with a transfer fluid at a temperature below the critical temperature.
Die beschriebene Zweiteilung ist jedoch einerseits teuer und andererseits führt sich zu einem erhöhten Volumen der Übertragungsflüssigkeit, was an sich schon zu einem erhöhten Messfehler aufgrund einer stärkeren Auslenkung der Trennmembran führt, wobei hier noch erschwerend hinzukommt dass sogar zwei Trennmembranen vorhanden sind. Um dennoch bei einem gegebenen Volumen an Übertragungsflüssigkeit und den damit einhergehenden Auslenkungen der Trennmembranen einen hinreichend geringen Trennmembranfehler zu erzielen und eine plastische Verformung der Trennmembranen zu vermeiden sind tendenziell Trennmembranen mit einem großen Durchmesser vorzuziehen, was wiederum zu einem erhöhten Matertalaufwand und damit höheren Kosten führt. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einem Hochtemperaturdruckmessaufnehmer bereitzustellen, welcher die Nachteile des Stands der Technik überwindet.However, the described division into two parts is on the one hand expensive and on the other hand leads to an increased volume of the transfer fluid, which in itself leads to an increased measurement error due to a stronger deflection of the separation membrane, which complicates the fact that even two separation membranes are present. Nevertheless, in order to achieve a sufficiently low separation membrane error at a given volume of transmission fluid and the associated deflections of the separation membranes and to avoid plastic deformation of the separation membranes tend separation membranes with a large diameter, which in turn leads to increased Matertalaufwand and thus higher costs. It is therefore the object of the present invention to provide a high temperature pressure transducer which overcomes the disadvantages of the prior art.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Hochtemperaturdruckmessaufnehmer gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1.The object is achieved by the Hochtemperaturdruckmessaufnehmer according to the independent claim. 1
Der erfindungsgemäße Druckmessaufnehmer umfasst einen Druckmesswandler, einen metallischen Träger und einen hydraulischen Druckmittler, wobei der Druckmesswandler eine druckabhängig auslenkbare Messmembran, welche Silizium aufweist, und einen zumindest teilweise transparenten Gegenkörper umfasst, wobei die Messmembran und der Gegenkörper unter Bildung einer Messkammer zwischen der Messmembran und dem Gegenkörper druckdicht miteinander verbunden sind, wobei der Druckmesswandler mindestens zwei im wesentlichen parallel zueinander und miteinander fluchtend angeordnete Reflexionsflächen aufweist, wobei eine erste Reflexionsfläche an der Messmembran angeordnet ist und eine zweite teilreflektierende Reflexionsfläche bezüglich des Gegenkörpers eine im wesentlichen druckunabhängige Position aufweist, wobei die erste Reflexionsfläche durch die zweite Reflexionsfläche hindurch beleuchtbar ist, wobei der Gangunterschied zwischen dem an der ersten Reflexionsfläche reflektierten Licht und dem an der zweiten Reflexionsfläche reflektierten Licht abhängig ist von der Differenz zwischen einem ersten Druck, der auf eine der Messkammer abgewandten Außenseite der Messmembran einwirkt und einem zweiten Druck, der in der Messkammer herrscht, wobei der metallische Träger den Druckmesswandler trägt und wobei der Gegenkörper dem metallischen Träger zugewandt ist, wobei sich durch den metallischen Träger ein Lichtpfad erstreckt, dessen Achse im wesentlichen mit der ersten und der zweiten Reflexionsfläche fluchtet, wobei der Druckmittler einen Druckmittlerkörper, eine Trennmembran und eine Wandlerkammer aufweist, wobei die Trennmembran unter Bildung einer Trennmembrankammer zwischen dem Druckmittlerkörper und der Trennmembran mit mindestens einer umlaufenden Fügestelle druckdicht an einer Oberfläche des Druckmittlerkörpers befestigt ist, wobei die Trennmembrankammer und die Wandlerkammer über einen durchgehenden hydraulischen Pfad miteinander kommunizieren, wobei der Druckmesswandler mittels des Trägerkörpers in der Wandlerkammer positioniert ist und die Wandlerkammer mittels des Trägerkörpers druckdicht verschlossen ist, wobei der Abstand der Messmembran von der Trennmembran nicht mehr als 100 mm, insbesondere nicht mehr als 60 mm, und bevorzugt nicht mehr als 40 mm beträgt, wobei die Trennmembrankammer, die Wandlerkammer und der hydraulische Pfad zwischen der Wandlerkammer mit einer Übertragungsflüssigkeit gefüllt sind die bei einer Temperatur von 150°C einen Dampfdruck von weniger als 6 mbar, insbesondere weniger als 4 mbar und bevorzugt weniger als 2 mbar aufweist, und wobei die Übertragungsflüssigkeit bei 20°C ein dynamische Zähigkeit von nicht mehr als 1.0 Pa·s, insbesondere nicht mehr als 0,7 PaS und bevorzugt nicht mehr als 0,5 Pa·s aufweist.The pressure measuring transducer according to the invention comprises a pressure transducer, a metallic carrier and a hydraulic pressure transmitter, wherein the pressure transducer comprises a pressure-dependent deflectable measuring membrane, which comprises silicon, and an at least partially transparent counter body, wherein the measuring membrane and the counter body to form a measuring chamber between the measuring membrane and the The pressure transducer having at least two substantially parallel to each other and aligned with each other reflecting surfaces, wherein a first reflection surface is disposed on the measuring membrane and a second partially reflecting reflecting surface with respect to the counter body has a substantially pressure-independent position, wherein the first reflection surface through the second reflection surface can be illuminated, wherein the path difference between the light reflected at the first reflection surface Lic ht and the reflected light on the second reflection surface is dependent on the difference between a first pressure acting on an outside of the measuring chamber outside of the measuring membrane and a second pressure prevailing in the measuring chamber, wherein the metallic support carries the pressure transducer and wherein the Counter-body facing the metallic support, wherein extends through the metallic support, a light path whose axis is substantially aligned with the first and the second reflection surface, wherein the pressure averaging agent diaphragm, a separation membrane and a transducer chamber, wherein the separation membrane to form a separation membrane chamber between the pressure center body and the separation membrane with at least one peripheral joint is pressure-tightly secured to a surface of the diaphragm seal body, wherein the separation membrane chamber and the converter chamber communicate with each other via a continuous hydraulic path, wobe i the pressure transducer is positioned by means of the carrier body in the transducer chamber and the transducer chamber is pressure-tightly sealed by means of the carrier body, wherein the distance of the measuring membrane of the separation membrane is not more than 100 mm, in particular not more than 60 mm, and preferably not more than 40 mm wherein the separation membrane chamber, the converter chamber and the hydraulic path between the converter chamber are filled with a transfer liquid which at a temperature of 150 ° C has a vapor pressure of less than 6 mbar, in particular less than 4 mbar and preferably less than 2 mbar, and wherein the transfer liquid has a dynamic toughness of not more than 1.0 Pa · s, particularly not more than 0.7 PaS and preferably not more than 0.5 Pa · s at 20 ° C.
Der metallische Träger kann insbesondere einen TO-Sockel umfassen.The metallic carrier may in particular comprise a TO socket.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist die Trennmembran einen Durchmesser von nicht mehr als 50 mm, vorzugsweise nicht mehr als 35 mm und besonders bevorzugt nicht mehr als 25 mm auf.In a development of the invention, the separating membrane has a diameter of not more than 50 mm, preferably not more than 35 mm and particularly preferably not more than 25 mm.
In einer Weiterbildung der Erfindung beträgt der Abstand der Messmembran von der Trennmembran nicht mehr als das Doppelte, insbesondere nicht mehr als das 1,5-fache und bevorzugt nicht mehr als das 1-fache des Durchmessers der Messmembran. In one development of the invention, the distance of the measuring membrane from the separating membrane is not more than twice, in particular not more than 1.5 times and preferably not more than 1 times the diameter of the measuring membrane.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Wandlerkammer in dem Druckmittlerkörper oder einem anderen Körper ausgebildet.In a further development of the invention, the converter chamber is formed in the diaphragm seal body or another body.
In einer Weiterbildung der Erfindung beträgt der Dampfdruck der Übertragungsflüssigkeit bei 200°C, insbesondere bei 250°C bevorzugt bei 280°C nicht mehr als 6 mbar, insbesondere nicht mehr als 4 mbar und bevorzugt nicht mehr als 3 mbar.In one development of the invention, the vapor pressure of the transfer liquid at 200 ° C., in particular at 250 ° C., preferably at 280 ° C., is not more than 6 mbar, in particular not more than 4 mbar and preferably not more than 3 mbar.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Gegenkörper die zweite Reflexionsfläche auf.In a development of the invention, the counterbody has the second reflection surface.
In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst der Druckmessaufnehmer weiterhin eine Aufnahme oder einen Anschluss für einen Lichtleiter, zum Einkoppeln von Licht in den Lichtpfad und zum Ableiten von Licht, welches von der ersten und der zweiten Reflexionsfläche reflektiert wird, wobei der Lichtleiter druckdicht von der Übertragungsflüssigkeit getrennt ist.In one development of the invention, the pressure measuring transducer further comprises a receptacle or a connection for a light guide, for coupling light into the light path and for dissipating light which is reflected by the first and the second reflection surface, the light guide being pressure-tightly separated from the transmission fluid is.
In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst der Druckmessaufnehmer weiterhin einen Referenzdruckpfad, der sich durch den Trägerkörper und durch den Gegenkörper in die Messkammer erstreckt.In one development of the invention, the pressure measuring transducer further comprises a reference pressure path which extends through the carrier body and through the counter body into the measuring chamber.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Gegenkörper Glas, insbesondere ein Borosilikatglas auf.In a development of the invention, the counterbody comprises glass, in particular a borosilicate glass.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Druckmesswandler eine dritte Reflexionsfläche auf, welche einen temperaturabhängigen und im wesentlichen druckunabhängigen Abstand zu einer der beiden anderen Reflexionsflächen hat, wobei der temperaturabhängige Abstand zur interferometrischen Bestimmung eines Temperaturmesswerts geeignet ist.In a development of the invention, the pressure transducer has a third reflection surface which has a temperature-dependent and substantially pressure-independent distance to one of the two other reflection surfaces, the temperature-dependent distance being suitable for the interferometric determination of a temperature measurement value.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die dritte Reflexionsfläche durch eine der Messkammer abgewandte Oberfläche des Gegenkörpers gebildet.In a further development of the invention, the third reflection surface is formed by a surface of the opposing body facing away from the measuring chamber.
Die Erfindung wird nun anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigt:The invention will now be explained with reference to the embodiment shown in the drawings. It shows:
Der in
Der Gegenkörper
Fluchtend mit einer Reflexionsfläche der Messmembran
Die Bestrahlung des Druckmesswandlers durch den Lichtleiter erfolgt bestimmungsgemäß mit Licht geringer Kohärenzlänge, beispielsweise mit Weißlicht. Der druckabhängige Gangunterschied zwischen dem an der messkammerseitigen Oberfläche der Messmembran
Der hier dargestellte Relativdruckmesswandler umfasst weiterhin einen Referenzdruckpfad
Durch den Träger
Der in
In die Wandlerkammer
Zum Befüllen der Wandlerkammer und des hydraulischen Pfades mit einer Übertragungsflüssigkeit wird der Druckmesswandler evakuiert und auf eine Befülltemperatur geheizt, die im Idealfall mindestens der maximalen Betriebstemperatur, beispielsweise 200°C entspricht. Dann wird die unter Vakuum auf maximale Betriebstemperatur geheizte Flüssigkeit über den Befüllkanal
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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