DE102020116172A1

DE102020116172A1 - Differenzdruckmessaufnehmer

Info

Publication number: DE102020116172A1
Application number: DE102020116172.7A
Authority: DE
Inventors: Patrick Doria
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2020-06-18
Filing date: 2020-06-18
Publication date: 2021-12-23

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Differenzdruckmessaufnehmer (1) zur Bestimmung eines Differenzdrucks zwischen einem ersten und einem zweiten Druck (p1, p2),
mit einem Differenzdrucksensor (2),
mit einem Messwerk (3), das eine erste und eine zweite
Messwerkhälfte (3a, 3b) umfasst,
mit einer Überlastmembran (4), welche eine im Messwerk (3) eingeschlossene Überlastkammer (5) in zwei voneinander getrennte Teilkammern (5a, 5b) unterteilt, wobei zumindest der äußere Membranbereich (6) der Überlastmembran (4) zwischen den beiden Messwerkhälften (3a, 3b) eingespannt ist,
mit einem mit dem ersten Druck (p1) beaufschlagten ersten Druckmittler (7),
über den der Differenzdrucksensor (2) über einen durch die erste Teilkammer (5a) hindurch verlaufenden, ersten hydraulischen Druckübertragungspfad (8) mit dem ersten Druck (p1) beaufschlagt ist,
mit einem mit dem zweiten Druck (p2) beaufschlagten zweiten Druckmittler (9), über den der Differenzdrucksensor (2) über einen durch die zweite Teilkammer (5b) hindurch verlaufenden zweiten hydraulischen Druckübertragungspfad (10) mit dem zweiten Druck (p2) beaufschlagt ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Differenzdruckmessaufnehmer zur Bestimmung eines Differenzdrucks zwischen einem ersten und einem zweiten Druck, mit einem Differenzdrucksensor, mit einem Messwerk, das eine erste und eine zweite Messwerkhälfte umfasst, mit einer Überlastmembran, welche eine im Messwerk eingeschlossene Überlastkammer in zwei voneinander getrennte Teilkammern unterteilt, wobei zumindest der äußere Membranbereich der Überlastmembran zwischen den beiden Messwerkhälften eingespannt ist, mit einem mit dem ersten Druck (p1) beaufschlagten ersten Druckmittler, über den der Differenzdrucksensor über einen durch die erste Teilkammer hindurch verlaufenden, ersten hydraulischen Druckübertragungspfad mit dem ersten Druck (p1) beaufschlagt ist, mit einem mit dem zweiten Druck (p2) beaufschlagten zweiten Druckmittler, über den der Differenzdrucksensor über einen durch die zweite Teilkammer hindurch verlaufenden zweiten hydraulischen Druckübertragungspfad mit dem zweiten Druck (p2) beaufschlagt ist.
Differenzdruckmessaufnehmer werden in der industriellen Messtechnik zur Messung von Differenzdrücken eingesetzt. So dienen Differenzdruckmessgeräte insbesondere zur kontinuierlichen Messung von Druckdifferenzen in Messmedien, z.B. in Flüssigkeiten, Dämpfen, Gasen und Stäuben. Aus dem Differenzdruck kann beispielsweise der Füllstand eines Füllguts in einem Behälter oder der Durchfluss eines Messmediums durch eine Rohrleitung ermittelt werden.
Üblicherweise werden dabei Druckdifferenzen gemessen, die sehr viel kleiner sind, als die beiden statischen Drücke, deren Differenz zu ermitteln ist. Das birgt die Gefahr, dass der Differenzdrucksensor durch eine einseitige Überlast, bei der einem der beiden Drücke zumindest kurzzeitig kein ausreichend großer, diesem Druck entgegenwirkender zweiter Druck entgegenwirkt, beschädigt werden kann.
Als drucksensitives Element wird häufig ein Silizium-Chip verwendet, welcher üblicherweise auf ein Silizium-Substrat gebondet ist. Um eine gute Messempfindlichkeit zu gewährleisten, arbeitet ein Differenzdruckmessaufnehmer bevorzugt in einem Bereich, der unterhalb eines kritischen Grenzwertes für den Druck liegt. Wird der kritische Grenzwert überschritten, besteht die Gefahr, dass der Chip zerstört wird. Da insbesondere Silizium-Chips eine relativ geringe Überlastfestigkeit aufweisen, ist einem Differenzdruckmessaufnehmer üblicherweise ein Überlastschutz zugeordnet. Dieser ist bevorzugt so ausgestaltet, dass er die Messempfindlichkeit und die Messgenauigkeit des drucksensitiven Elements möglichst wenig beeinträchtigt.
Als Überlastschutz wird in der Regel eine Überlastmembran eingesetzt, welche in einer Überlastkammer im Messwerk eingeschlossen ist und über die beiden Teilkammern der Überlastkammer mit den beiden Druckmittler in Verbindung steht. Durch die Überlastmembran kann der auf die Messmembran maximal wirkende einseitige Druck auf einen Grenzwert für Überdruck beschränkt werden. Im Überlastfall, d.h. wenn auf einen der Druckmittler ein Druck einwirkt, welcher den festgelegten Grenzwert übersteigt, wird die Trennmembran vollständig in ihr zugehöriges Membranbett gedrückt und das Volumen der Druckmittlerflüssigkeit, welches sich vor dem Überlastfall zwischen der Trennmembran und dem zugehörigen Membranbrett befindet, das sogenannte Unterziehvolumen, vollständig aus dem Druckmittler herausgedrückt. Die aus dem Druckmittler herausgedrückte Druckmittlerflüssigkeit wird dann durch die Auslenkung der Überlastmembran aufgenommen. Durch die Auslenkung der Überlastmembran wiederum wird ein Teil der Druckmittlerflüssigkeit im zweiten hydraulischen Druckübertragungspfad in die zweite Trennmembran gedrückt, so dass diese sich in den Prozess hineindrückt.
Differenzdruckmessaufnehmer mit scheiben- oder ringscheibenförmigen Überlastmembranen sind beispielsweise in der DE 10 2018 121 446 A1 , der DE 103 34 853 A1 und der DE 10 2004 006 383 A1 beschrieben. Generell gilt, dass sich Temperaturerhöhungen negativ auf die Überlastmembran auswirken, da sich das Volumen der Druckmittlerflüssigkeit, typischerweise ein Silikonöl, mit erhöhter Temperatur ausdehnt, wodurch die Belastung (im Überlastfall) an der Überlastmembran zunimmt. Im schlimmsten Fall kann dies zu einer irreversiblen, plastischen Verformung der Überlastmembran führen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Differenzdruckmessaufnehmer bereitzustellen, welcher mit einem geringen Volumen an Druckmittlerflüssigkeit auskommt.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch einen Differenzdruckmessaufnehmer zur Bestimmung eines Differenzdrucks zwischen einem ersten und einem zweiten Druck p1, p2,
mit einem Differenzdrucksensor,
mit einem Messwerk, das eine erste und eine zweite Messwerkhälfte umfasst, mit einer Überlastmembran, welche eine im Messwerk eingeschlossene Überlastkammer in zwei voneinander getrennte Teilkammern unterteilt, wobei zumindest der äußere Membranbereich der Überlastmembran zwischen den beiden Messwerkhälften eingespannt ist,
mit einem mit dem ersten Druck p1 beaufschlagten ersten Druckmittler, über den der Differenzdrucksensor über einen durch die erste Teilkammer hindurch verlaufenden, ersten hydraulischen Druckübertragungspfad mit dem ersten Druck p1 beaufschlagt ist,
mit einem mit dem zweiten Druck p2 beaufschlagten zweiten Druckmittler, über den der Differenzdrucksensor über einen durch die zweite Teilkammer hindurch verlaufenden zweiten hydraulischen Druckübertragungspfad mit dem zweiten Druck p2 beaufschlagt ist,
mit einem Füllkörper, auf welchem der Differenzdrucksensor aufgebracht ist und durch welchen eine Kapillare für die Führung des ersten hydraulischen Druckübertragungspfads hin zum Differenzdrucksensor verläuft.
Der Füllkörper weist konstruktionsbedingt an seinen Außenwandungen, welche einem Gehäuse zugewandt sind, typischerweise schmale Spalte auf, in welche die Druckmittlerflüssigkeit gelangen kann. Dies gilt sowohl für die Differenzdruckmessaufnehmer aus dem Stand der Technik wie auch für den erfindungsgemäßen Differenzdruckmessaufnehmer. Im erfindungsgemäßen Füllkörper ist jedoch im Gegensatz zum Stand der Technik kein zusätzliches Silizium-Substrat nötig, auf welchem der Silizium-Chip aufgebracht ist. Insbesondere ist im erfindungsgemäßen Differenzdruckmessaufnehmer kein mit Druckmittlerflüssigkeit gefüllter Hohlraum im Füllkörper für das Einbringen des Silizium-Substrats vorhanden, sondern nur eine Kapillare für die Führung des ersten hydraulischen Druckübertragungspfades. Im Vergleich zum Stand der Technik reduziert die vorliegende Erfindung die Menge der Druckmittlerflüssigkeit im Füllkörper bzw. im Differenzdruckaufnehmer und verringert dadurch die Belastung an der Überlastmembran, da diese weniger Druckmittlerflüssigkeit im Fall einer Überlast bei höheren Temperaturen aufnehmen muss.
Bei einem Differenzdruckaufnehmer, der nach dem Stand der Technik insgesamt beispielsweise ca. 1000 µl Druckmittlerflüssigkeit, in der Regel Silikonöl, enthält, wäre es mit der vorliegenden Erfindung möglich bis zu 100 µl einzusparen, was einem Zehntel des vorherigen Gesamtvolumens an Druckmittlerflüssigkeit entspricht. Da die Größe des Differenzdrucksensors nicht stark variiert, ist es möglich bei einer Verkleinerung des Messwerks ein ähnliches Volumen an Druckmittlerflüssigkeit einzusparen wie bei dem genannten Beispiel. Bei einem Differenzdruckaufnehmer mit einem vergleichsweise kleinen Messwerk, welches beispielsweise 500 µl Druckmittlerflüssigkeit beinhaltet, könnten ebenso bis zu 100 µl an Druckmittlerflüssigkeit eingespart werden, wodurch die Gesamtmenge an Druckmittlerflüssigkeit um ein Fünftel reduziert würde.
In einer weiteren Ausgestaltung weist das Material des Füllkörpers einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, der mit dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Differenzdrucksensors im Wesentlichen übereinstimmt. Je geringer die Unterschiede in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen Füllkörper und Differenzdrucksensor sind, desto weniger thermomechanische Spannungen werden vom Füllkörper auf den Differenzdrucksensor übertragen. Größere Unterschiede zwischen den thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Differenzdrucksensor und Füllkörper können die Messgenauigkeit des Differenzdrucksensors verschlechtern und den Temperaturbereich, in dem der Differenzdruckmessaufnehmer eingesetzt wird, verkleinern. Der thermische Ausdehnungskoeffizient des Füllkörpers kann beispielsweise in einem Bereich von 1 bis 10 ppm K^-1, bevorzugt in einem Bereich von 1 bis 5 ppm K^-1, liegen. Im einfachsten Fall kann der Füllkörper aus demselben Material wie der Differenzdrucksensor, also beispielsweise Silizium mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 2.6 ppm K^-1, gefertigt sein. Aber auch andere Materialien sind denkbar, wie beispielsweise Siliziumcarbid (2.7 ppm K^-1) oder Poly(benzoxazole imide) (3.3 ppm K^-1).
In einer zusätzlichen Ausgestaltung ist der Differenzdrucksensor mittels Kleben oder Bonden auf dem Füllkörper aufgebracht. Die Möglichkeiten einen Differenzdrucksensor auf ein Substrat bzw. einen Füllkörper aufzubringen, sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Für den Fall der Verwendung eines Klebers sollte ein Kleber ausgewählt werden, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient mit dem des Differenzdrucksensors vergleichbar ist.
Vorteilhafterweise handelt es sich bei dem Differenzdrucksensor um einen Siliziumchip.
Bevorzugterweise ist der Differenzdruck über ein kapazitives oder resistives Messverfahren bestimmbar.
In einer möglichen Ausgestaltung ist der Differenzdrucksensor außerhalb des Messwerks angeordnet.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass auf der dem Füllkörper abgewandten Seite des Differenzdrucksensors ein Isolierkörper zur elektrischen Abschirmung des Differenzdrucksensors vorgesehen ist, der zumindest die dem Isolierkörper zugewandte Fläche des Differenzdrucksensors vollständig abdeckt. Das in der Regel metallische Messwerk kann prinzipiell elektrische Ladungen an den Differenzdrucksensor übertragen und damit die präzise Bestimmung des Differenzdrucks durch den Differenzdrucksensor beeinträchtigen. Der Isolierkörper soll eben dies verhindern und die Messgenauigkeit des Differenzdrucksensors sicherstellen.
Vorteilhafterweise ist auf der dem Differenzdrucksensor abgewandten Seite des Füllkörpers eine Glasdurchführung zur elektrischen Versorgung des Differenzdrucksensors vorgesehen. Der Differenzdrucksensor benötigt eine Stromversorgung und in der Regel eine elektrische Verbindung zu externen Geräten, an welchen die bestimmte Druckdifferenz weitergeleitet wird. Elektrische Leitungen werden typischerweise durch eine Glasdurchführung an den Zielort geführt.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:

1: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Differenzdruckmessaufnehmers.
2: eine Draufsicht auf den Differenzdrucksensor im erfindungsgemäßen Differenzdruckmessaufnehmer.

Ein erfindungsgemäßer Differenzdruckmessaufnehmer 1, wie in 1 dargestellt, dient zur Bestimmung eines Differenzdrucks aus zwei Drücken p1, p2, mit welchen ein Differenzdrucksensor 2, beispielsweise ein Silizium-Chip, beaufschlagt wird. Die Bestimmung des Differenzdrucks kann beispielsweise über ein kapazitives oder resistives Messverfahren erfolgen. Die beiden Drücke p1, p2 werden dem Differenzdrucksensor 2 mittels zweier hydraulischer Druckübertragungspfade 8, 10 ausgehend von zwei Druckmittlern 7, 9 zugeführt, welche jeweils mit dem ersten und dem zweiten Druck p1, p2 beaufschlagt sind. Die Druckmittler 7, 9 sind im jeweils in einer Hälfte des Messwerks 3 angeordnet. Der Differenzdrucksensor kann beispielsweise außerhalb des Messwerks angeordnet sein, wobei andere Möglichkeiten nicht ausgeschlossen sind. Zwischen den beiden Messwerkhälften 3a, 3b ist eine Überlastmembran mit zumindest ihrem äußeren Membranrand 6 innerhalb einer Überlastkammer 5 eingespannt. Die Überlastkammer 5 wird durch die Überlastmembran 4 in zwei Teilkammern 5a, 5b geteilt, über welche jeweils einer der beiden hydraulischen Druckübertragungspfade 8, 10 den jeweiligen Druck p1, p2 an den Differenzdrucksensor 2 kommuniziert. Im Fall einer einseitigen Überlast wird die Überlastmembran in Richtung derjenigen der beiden Teilkammern 5a, 5b ausgelenkt, in welcher keine Überlast auftritt.
Der erfindungsgemäße Differenzdruckmessaufnehmer 1 weist außerdem einen Füllkörper 11 auf, auf welchen der Differenzdrucksensor 2 aufgebracht ist, beispielsweise mittels Kleben oder Bonden. Auf der dem Differenzdrucksensor 2 abgewandten Seite des Füllkörpers 11 ist eine Kapillare 12, beispielsweise eine Bohrung oder ein Röhrchen, durch den Füllkörper 11 vorgesehen, durch welche ein Abschnitt des ersten Druckübertragungspfads 8 verläuft und mittels dessen der Differenzdrucksensor mit dem ersten Druck p1 beaufschlagt wird. Abgesehen von der Kapillare 12 befindet sich kein weiterer Hohlraum im Füllkörper 11. Im Gegensatz zu herkömmlichen Differenzdruckmessaufnehmern, bei welchen der Differenzdrucksensor auf einem Substrat aufgebracht ist, welches in einem Hohlraum des Füllkörpers eingebracht und fast allseitig mit Druckmittlerflüssigkeit umgeben ist, wird beim erfindungsgemäßen Differenzdruckmessaufnehmer 1 das Volumen der Druckmittlerflüssigkeit deutlich begrenzt.
Es ist von Vorteil, wenn der Füllkörper 11 beispielsweise aus einem Material mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten besteht, welcher dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Differenzdrucksensors 2 im Wesentlichen entspricht. In beiden Fällen wird die Übertragung von thermomechanischen Spannungen auf den Differenzdrucksensor 2 von Seiten des Füllkörpers 11 deutlich reduziert, so dass der Differenzdrucksensor 2 in seiner Funktion nicht eingeschränkt ist.
Zur elektrischen Abschirmung des Differenzdrucksensors 2 ist beispielsweise ein Isolierkörper 13 vorgesehen, so dass der Differenzdrucksensor 2 zwischen dem Isolierkörper 13 und dem Füllkörper 11 angeordnet ist. Der Isolierkörper 13 ist vorzugsweise aus einem nicht-metallischen bzw. nicht-leitenden Material gefertigt. Die zur elektrischen Versorgung des Differenzdrucksensors 2 benötigten Kabel werden durch eine Glasdurchführung 14 bereitgestellt, welche auf der dem Differenzdrucksensor 2 abgewandten Seite des Füllkörpers 11 angeordnet ist.
In 2 ist eine Draufsicht des Differenzdrucksensors 2 zu sehen. In dieser Ausgestaltung ist der Differenzdrucksensor 2 auf den Füllkörper 11 gebondet, wobei andere Fügemethoden nicht ausgeschlossen sind. In 2 wird deutlich, dass rings um den Differenzdrucksensor 2 keine Spalten oder Fugen vorhanden sind, in denen Druckmittlerflüssigkeit gefüllt werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Differenzdruckmessaufnehmer
2: Differenzdrucksensor
3: Messwerk
3a: erste Messwerkhälfte
3b: zweite Messwerkhälfte
4: Überlastmembran
5: Überlastkammer
5a: erste Teilkammer
5b: zweite Teilkammer
6: äußere Membranbereich der Überlastmembran
7: erster Druckmittler
8: erster Druckübertragungspfad
9: zweiter Druckmittler
10: zweiter Druckübertragungspfad
11: Füllkörper
12: Kapillare
13: Isolierkörper
14: Glasdurchführung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102018121446 A1 [0006]
DE 10334853 A1 [0006]
DE 102004006383 A1 [0006]

Claims

Differenzdruckmessaufnehmer (1) zur Bestimmung eines Differenzdrucks zwischen einem ersten und einem zweiten Druck (p1, p2), mit einem Differenzdrucksensor (2), mit einem Messwerk (3), welches eine erste und eine zweite Messwerkhälfte (3a, 3b) umfasst, mit einer Überlastmembran (4), welche eine im Messwerk (3) eingeschlossene Überlastkammer (5) in zwei voneinander getrennte Teilkammern (5a, 5b) unterteilt, wobei zumindest der äußere Membranbereich (6) der Überlastmembran (4) zwischen den beiden Messwerkhälften (3a, 3b) eingespannt ist, mit einem mit dem ersten Druck (p1) beaufschlagten ersten Druckmittler (7), über den der Differenzdrucksensor (2) über einen durch die erste Teilkammer (5a) hindurch verlaufenden, ersten hydraulischen Druckübertragungspfad (8) mit dem ersten Druck (p1) beaufschlagt ist, mit einem mit dem zweiten Druck (p2) beaufschlagten zweiten Druckmittler (9), über den der Differenzdrucksensor (2) über einen durch die zweite Teilkammer (5b) hindurch verlaufenden zweiten hydraulischen Druckübertragungspfad (10) mit dem zweiten Druck (p2) beaufschlagt ist, mit einem Füllkörper (11), auf welchem der Differenzdrucksensor (2) aufgebracht ist und durch welchen eine Kapillare (12) für die Führung des ersten hydraulischen Druckübertragungspfads (8) hin zum Differenzdrucksensor (2) verläuft.
Differenzdruckmessaufnehmer nach Anspruch 1, wobei das Material des Füllkörpers (11) einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der mit dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Differenzdrucksensors (2) im Wesentlichen übereinstimmt.
Differenzdruckmessaufnehmer nach mindestens einem der Ansprüche 1-2, wobei der Differenzdrucksensor (2) mittels Kleben oder Bonden auf dem Füllkörper (11) aufgebracht ist.
Differenzdruckmessaufnehmer nach mindestens einem der Ansprüche 1-3, wobei es sich bei dem Differenzdrucksensor (2) um einen Siliziumchip handelt.
Differenzdruckmessaufnehmer nach mindestens einem der Ansprüche 1-4, wobei der Differenzdruck über ein kapazitives oder resistives Messverfahren bestimmbar ist.
Differenzdruckmessaufnehmer nach mindestens einem der Ansprüche 1-5, wobei der Differenzdrucksensor (2) außerhalb des Messwerks (3) angeordnet ist.
Differenzdruckmessaufnehmer nach mindestens einem der Ansprüche 1-6, wobei auf der dem Füllkörper (11) abgewandten Seite des Differenzdrucksensors (2) ein Isolierkörper (13) zur elektrischen Abschirmung des Differenzdrucksensors (2) vorgesehen ist, der zumindest die dem Isolierkörper (13) zugewandte Fläche des Differenzdrucksensors (2) vollständig abdeckt.
Differenzdruckmessaufnehmer nach mindestens einem der Ansprüche 1-7, wobei auf der dem Differenzdrucksensor (2) abgewandten Seite des Füllkörpers (11) eine Glasdurchführung (14) zur elektrischen Versorgung des Differenzdrucksensors (2) vorgesehen ist.