DE102020121581A1 - differential pressure sensor - Google Patents

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DE102020121581A1
DE102020121581A1 DE102020121581.9A DE102020121581A DE102020121581A1 DE 102020121581 A1 DE102020121581 A1 DE 102020121581A1 DE 102020121581 A DE102020121581 A DE 102020121581A DE 102020121581 A1 DE102020121581 A1 DE 102020121581A1
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Application number
DE102020121581.9A
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German (de)
Inventor
Thomas Uehlin
Florian Gutmann
Alexander Beck
Igor Getman
Benjamin Mack
Michael Noack
Michael Hügel
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Endress and Hauser SE and Co KG
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Abstract

Differenzdruckmessaufnehmer (1) zur Bestimmung des Differenzdrucks von zwei Drücken (p1, p2) mit einem Messwerk (2) und einer Wandlerkammer (3), wobei an oder in einem dem Prozess zugewandten Endbereich des Messwerks (2) ein koplanares Doppelmembransystem mit zwei Doppelmembranen (4a, 4b) vorgesehen ist und wobei in der Wandlerkammer (3) eine Differenzdruckmesszelle (12) mit einem drucksensitiven Element (13) angeordnet ist,wobei die beiden Doppelmembranen (4a, 4b) jeweils aus einer Trennmembrane (5a, 5b) und einer in Richtung der Druckwirkung hinter der Trennmembrane (5a, 5b) angeordneten Überlastmembrane (6a, 6b) bestehen, wobei zwischen der ersten Trennmembrane (5a) und der ersten Überlastmembrane (6a) eine erste Druckkammer (7a) und zwischen der ersten Überlastmembrane (6a) und dem Grundkörper (9) eine erste Zusatzdruckkammer (8a) ausgebildet ist, wobei zwischen der zweiten Trennmembrane (5b) und der zweiten Überlastmembrane (6b) eine zweite Druckkammer (7b) und zwischen der zweiten Überlastmembrane (6b) und dem Grundkörper (9) eine zweite Zusatzdruckkammer (8b) ausgebildet ist, wobei der ersten Zusatzdruckkammer (8a) bzw. der zweiten Zusatzdruckkammer (8b) eine erste Verbindungskapillare (10a) bzw. eine zweite Verbindungskapillare (10b) zugeordnet ist und wobei der ersten Druckkammer (7a) bzw. der zweiten Druckkammer (7b) eine erste Hilfskapillare (11 a) bzw. eine zweite Hilfskapillare (11b) zugeordnet ist, wobei eine druckübertragende Kopplung zwischen der ersten Hilfskapillare (11a) und der zweiten Verbindungskapillare (10b) bzw. zwischen der zweiten Hilfskapillare (11b) und der ersten Verbindungskapillare (10a) in dem Messwerk (2) angeordnet ist, und wobei die beiden Drücke (p1, p2) über die Verbindungskapillare (10a, 10b) - gegen einseitigen Überdruck geschützt - hydraulisch zu der Differenzdruckmesszelle (12) übertragen werden.Differential pressure sensor (1) for determining the differential pressure of two pressures (p1, p2) with a measuring mechanism (2) and a converter chamber (3), with a coplanar double diaphragm system with two double diaphragms ( 4a, 4b) and wherein a differential pressure measuring cell (12) with a pressure-sensitive element (13) is arranged in the converter chamber (3), the two double membranes (4a, 4b) each consisting of a separating membrane (5a, 5b) and an in In the direction of the pressure effect, there are overload diaphragms (6a, 6b) arranged behind the separating diaphragm (5a, 5b), with a first pressure chamber (7a) between the first separating diaphragm (5a) and the first overload diaphragm (6a) and between the first overload diaphragm (6a) and a first additional pressure chamber (8a) is formed in the base body (9), with a second pressure chamber (7b) between the second separating membrane (5b) and the second overload membrane (6b) and between the second A second additional pressure chamber (8b) is formed in the overload diaphragm (6b) and the base body (9), with the first additional pressure chamber (8a) or the second additional pressure chamber (8b) being assigned a first connecting capillary (10a) or a second connecting capillary (10b). and wherein the first pressure chamber (7a) or the second pressure chamber (7b) is assigned a first auxiliary capillary (11a) or a second auxiliary capillary (11b), with a pressure-transmitting coupling between the first auxiliary capillary (11a) and the second connecting capillary (10b) or between the second auxiliary capillary (11b) and the first connecting capillary (10a) in the measuring mechanism (2), and wherein the two pressures (p1, p2) via the connecting capillary (10a, 10b) - against one-sided overpressure protected - are transmitted hydraulically to the differential pressure measuring cell (12).

Description

Die Erfindung betrifft einen koplanaren Differenzdruckmessaufnehmer zur Bestimmung des Differenzdrucks von zwei Drücken. Bevorzugt wird der erfindungsgemäße Differenzdruckmessaufnehmer im Bereich der Automatisierungstechnik eingesetzt.The invention relates to a coplanar differential pressure sensor for determining the differential pressure of two pressures. The differential pressure sensor according to the invention is preferably used in the field of automation technology.

Differenzdruckmessgeräte dienen insbesondere zur kontinuierlichen Messung von Druckdifferenzen in Messmedien, z.B. in Flüssigkeiten, Dämpfen, Gasen und Stäuben. Aus dem Differenzdruck kann z.B. der Füllstand eines Füllguts in einem Behälter oder der Durchfluss eines Messmediums durch eine Rohrleitung ermittelt werden.Differential pressure gauges are used in particular for the continuous measurement of pressure differences in measurement media, e.g. in liquids, vapours, gases and dust. For example, the level of a medium in a container or the flow of a medium through a pipe can be determined from the differential pressure.

Als drucksensitives Element wird üblicherweise ein Silizium-Chip verwendet. Um eine gute Messempfindlichkeit zu erreichen, arbeitet ein Differenzdruckmessaufnehmer bevorzugt in einem Bereich, der in der Nähe eines kritischen Grenzwertes für den Druck (Nenndruck) 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.A silicon chip is usually used as the pressure-sensitive element. In order to achieve good measuring sensitivity, a differential pressure sensor preferably works in a range that is close to a critical limit value for the pressure (nominal pressure). If the critical limit is exceeded, there is a risk that the chip will be destroyed. Since silicon chips, in particular, have a relatively low overload resistance, overload protection is usually assigned to a differential pressure sensor. This is preferably designed in such a way that it affects the measurement sensitivity and the measurement accuracy of the pressure-sensitive element as little as possible.

Aus der DE 3 222 620 A1 ist ein Druckdifferenzmessgerät bekannt geworden, das eine vor Überlastung geschützte Druckmessaufnehmereinrichtung aufweist. Das Messgerät hat einen zentralen Aufnahmekörper, der an zwei gegenüberliegenden Seiten zwischen einem Membranbett und einer Trennmembrane jeweils eine Vorkammer ausbildet. In dem Aufnahmekörper ist jeweils hinter der vom Membranbett abgewandten Seite eine Zusatzkammer vorgesehen, die durch eine vorgespannte Überlastmembrane begrenzt wird. Innerhalb des Aufnahmekörpers befindet sich weiterhin eine Messkammer, die durch die Druckmessaufnehmereinrichtung in zwei Teilkammern unterteilt ist. Jede der beiden Teilkammern der Messkammer ist über jeweils einen Verbindungskanal mit einer der beiden Vorkammern verbunden. Über jeweils einen Zusatzkanal ist jeder der beiden Verbindungskanäle an eine der beiden Zusatzkammern angeschlossen.From the DE 3 222 620 A1 a pressure difference measuring device has become known which has a pressure measuring transducer device protected against overload. The measuring device has a central receiving body which forms an antechamber on two opposite sides between a membrane bed and a separating membrane. In the receiving body, an additional chamber is provided behind the side facing away from the membrane bed, which is delimited by a prestressed overload membrane. Inside the receiving body there is also a measuring chamber, which is divided into two sub-chambers by the pressure sensor device. Each of the two partial chambers of the measuring chamber is connected to one of the two antechambers via a respective connecting channel. Each of the two connecting channels is connected to one of the two additional chambers via an additional channel.

Ist das Gerät einem Differenzdruck unterhalb oder im Bereich des Differenzdruck-Nennwertes ausgesetzt, dann wird dieser Differenzdruck der Druckmessaufnehmereinrichtung über die Verbindungskanäle übermittelt. Die Zusatzmembranen entfalten eine geringe Wirkung, die in erster Näherung vernachlässigbar ist. Übersteigt die Druckdifferenz infolge einer Überlast den Druckdifferenz-Nennwert um einen vorgegebenen Wert, dann wird bei der Trennmembrane auf der Hochdruckseite die unter ihr befindliche Druckvermittler-Flüssigkeit in die ihr zugeordnete Vorkammer gedrückt. Die herausgedrückte Flüssigkeit gelangt über den Verbindungskanal und den Zusatzkanal zur Zusatzmembrane auf der Niederdruckseite und veranlasst diese, sich abzuheben. Somit befindet die sich auf der Hochdruckseite unter der Trennmembrane herausgedrückte Flüssigkeit im Überlastfall unter der sich abhebenden Zusatzmembrane auf der Niederdruckseite. Eine Überlastung der Druckmessaufnehmereinrichtung wird folglich vermieden. Die Wandlerkammer ist bei der Deutschen Patentanmeldung in das Messwerk integriert.If the device is exposed to a differential pressure below or in the range of the nominal differential pressure value, then this differential pressure is transmitted to the pressure sensor device via the connecting channels. The additional membranes develop a small effect, which is negligible in a first approximation. If the pressure difference exceeds the nominal pressure difference value by a predetermined value as a result of an overload, the pressure transmitter liquid located below it is pressed into the antechamber assigned to it on the high-pressure side of the separating membrane. The liquid that is pushed out reaches the auxiliary diaphragm on the low-pressure side via the connection channel and the auxiliary channel, causing it to lift. Thus, in the event of an overload, the liquid that is pressed out on the high-pressure side under the separating diaphragm is under the lifting additional diaphragm on the low-pressure side. Consequently, an overload of the pressure sensor device is avoided. In the case of the German patent application, the converter chamber is integrated into the measuring mechanism.

Aus der WO 2018/165122 A1 ist ein koplanar aufgebauter Differenzdruckmessaufnehmer bekannt geworden, bei dem die Druckeingänge mit Trennmembrane und Überlastmembrane in einer Ebene - und zwar in dem dem Prozess zugewandten Endbereich - angeordnet sind und nicht auf gegenüberliegenden, parallelen Ebenen wie in der zuvor genannten Deutschen Patentanmeldung. Es handelt sich um ein sog. Doppelmembransystem. Der Vorteil bei Doppelmembransystemen liegt in dem deutlich geringeren Ölvolumen, das für den hydraulischen Betrieb des Differenzdruckmessaufnehmers benötigt wird. Zudem kann hier auf die druckbelastete Mittenmembranschweißung verzichtet werden, so dass das Messwerk einteilig ausgeführt werden kann. Ebenso wie bei der zuvor genannten Patentanmeldung ist auch bei dieser bekannten Lösung der Überlastschutz im Messwerk angeordnet, d.h. die gekreuzten Kapillaren befinden sich im Messwerk. Die Wandlerkammer ist unmittelbar auf das Messwerk aufgesetzt bzw. in das Messwerk integriert.From the WO 2018/165122 A1 a coplanar differential pressure sensor has become known in which the pressure inputs with separating diaphragm and overload diaphragm are arranged in one plane - namely in the end area facing the process - and not on opposite, parallel planes as in the aforementioned German patent application. It is a so-called double membrane system. The advantage of double membrane systems lies in the significantly lower oil volume that is required for the hydraulic operation of the differential pressure sensor. In addition, the pressure-loaded center membrane weld can be dispensed with here, so that the measuring mechanism can be made in one piece. As in the previously mentioned patent application, the overload protection is also arranged in the measuring mechanism in this known solution, ie the crossed capillaries are located in the measuring mechanism. The converter chamber is placed directly on the measuring mechanism or integrated into the measuring mechanism.

Die bekannten Lösungen haben mehrere Nachteile: Da die gekreuzten hydraulischen Druckdurchführungen im Messwerk angeordnet sind, sind z.B. bei der bekannten Koplanar-Ausführung zwecks Ölbefüllung von außen freiliegenden Bohrungen erforderlich, die nach der Befüllung verschlossen werden. Die Verschlussbereiche sind potenzielle Korrosionsschwachstellen. Außerdem sind die Bohrungen ziemlich lang, was sich negativ auf die Fertigungskosten auswirkt. Lange Bohrungen erfordern zudem zwangsläufig ein größeres Ölvolumen, was wiederum die Umsetzung des Überlastschutzes im Messwerk erschwert. Da definierte Abstände zwischen den Druckdurchführungen eingehalten werden müssen, sind einer Minimierung der Dimensionen des Messwerks Grenzen gesetzt.The known solutions have several disadvantages: Since the crossed hydraulic pressure feedthroughs are arranged in the measuring mechanism, e.g. in the known coplanar design, for the purpose of oil filling, externally exposed bores are required, which are closed after filling. The closure areas are potential corrosion weak points. In addition, the holes are quite long, which has a negative impact on manufacturing costs. Long bores also inevitably require a larger oil volume, which in turn makes it difficult to implement overload protection in the measuring mechanism. Since defined distances between the pressure ducts must be maintained, there are limits to minimizing the dimensions of the measuring unit.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Druckmessaufnehmer mit Überlastschutz und reduzierten Ölvolumen vorzuschlagen. An dieser Stelle wird der Begriff „Ölvolumen“ gewählt, da es sich bei der hydraulischen Übertragungsflüssigkeit üblicherweise um ein annähernd inkompressibles Öl, z.B. ein Silikonöl, handelt.The object of the invention is to propose a pressure sensor with overload protection and reduced oil volume. At this point, the term "oil volume" is chosen because it is the hydraulic transmission fluid usually an almost incompressible oil, for example a silicone oil.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen koplanaren Differenzdruckmessaufnehmer zur Bestimmung des Differenzdrucks von zwei Drücken mit einem Messwerk und einer Wandlerkammer, wobei an oder in einem dem Prozess zugewandten Endbereich des Messwerks ein koplanares Doppelmembransystem mit zwei Doppelmembranen vorgesehen ist. In der Wandlerkammer ist eine Differenzdruckmesszelle mit einem drucksensitiven Element angeordnet. Die beiden Doppelmembranen bestehen jeweils aus einer Trennmembrane und einer in Richtung der Druckwirkung hinter der Trennmembrane angeordneten Überlastmembrane, wobei zwischen der ersten Trennmembrane und der ersten Überlastmembrane eine erste Druckkammer und zwischen der ersten Überlastmembrane und dem Grundkörper eine erste Zusatzdruckkammer ausgebildet ist. Zwischen der zweiten Trennmembrane und der zweiten Überlastmembrane ist eine zweite Druckkammer und zwischen der zweiten Überlastmembrane und dem Grundkörper eine zweite Zusatzdruckkammer ausgebildet, wobei der ersten Zusatzdruckkammer bzw. der zweiten Zusatzdruckkammer eine erste Verbindungskapillare bzw. eine zweite Verbindungskapillare zugeordnet ist, wobei die Verbindungskapillaren von dem Messwerk zur Wandlerkammer führen. Der ersten Druckkammer bzw. der zweiten Druckkammer ist eine erste Hilfskapillare bzw. eine zweite Hilfskapillare zugeordnet ist, wobei eine druckübertragende Kopplung zwischen der ersten Hilfskapillare und der zweiten Verbindungskapillare bzw. zwischen der zweiten Hilfskapillare und der ersten Verbindungskapillare in dem Messwerk angeordnet ist, und wobei die beiden Drücke über die entsprechenden Hilfs- und Verbindungskapillaren - gegen Überdruck geschützt - hydraulisch zu der Differenzdruckmesszelle übertragen werden.The object is achieved by a coplanar differential pressure sensor for determining the differential pressure of two pressures with a measuring mechanism and a converter chamber, a coplanar double diaphragm system with two double diaphragms being provided on or in an end region of the measuring mechanism facing the process. A differential pressure measuring cell with a pressure-sensitive element is arranged in the converter chamber. The two double diaphragms each consist of a separating diaphragm and an overload diaphragm arranged behind the separating diaphragm in the direction of the pressure effect, with a first pressure chamber being formed between the first separating diaphragm and the first overload diaphragm and a first additional pressure chamber being formed between the first overload diaphragm and the base body. A second pressure chamber is formed between the second separating membrane and the second overload membrane and a second additional pressure chamber is formed between the second overload membrane and the base body, with the first additional pressure chamber or the second additional pressure chamber being assigned a first connecting capillary or a second connecting capillary, the connecting capillaries being separated from the Guide the measuring mechanism to the converter chamber. A first auxiliary capillary or a second auxiliary capillary is assigned to the first pressure chamber or the second pressure chamber, with a pressure-transmitting coupling being arranged between the first auxiliary capillary and the second connecting capillary or between the second auxiliary capillary and the first connecting capillary in the measuring unit, and wherein the two pressures are transmitted hydraulically to the differential pressure measuring cell via the corresponding auxiliary and connecting capillaries - protected against overpressure.

Die erfindungsgemäße Lösung hat folgende Vorteile:

  • - Das Messwerk ist einteilig ausgestaltet.
  • - Das Messwerk hat einen relativ einfachen und in weiten Teilen symmetrischen Aufbau.
  • - Messwerk und Wandlerkammer sind voneinander abgesetzt; Messwerk und Wandlerkammer sind nur über die beiden Verbindungsleitungen gekoppelt, so dass sich eine gute mechanische und thermische Entkopplung zwischen Messwerk und Wandlerkammer erreichen lässt.
  • - Die Kreuzung der Hilfskapillaren mit den Verbindungskapillaren erfolgt im Messwerk, also sehr nahe am Messort des Drucks.
  • - Ein einseitig auftretender Überdruck auf der Hochdruckseite wird auf die Rückseite der Überlastmembrane/Zusatzmembrane der Niederdruckseite und parallel über die Verbindungsleitungen zur Wandlerkammer geleitet. Wandlerkammer und Überlastmembrane liegen druckdynamisch parallel.
  • - Die Länge der Verbindungskapillaren ist größer als die Länge der Hilfskapillaren und der Teilstücke der Verbindungskapillaren des Überlastschutzes, was eine schnelle Reaktionszeit des Überlastschutzes sicherstellt.
  • - Aufgrund der geringen Kapillarlängen ist der Ölverbrauch gering.
  • - Kosteneinsparung beim Messwerk, insbesondere durch Materialeinsparung (kleine Dimensionen) und infolge einer vereinfachten Fertigung und Bearbeitung, da die Anzahl der Kapillaren gering ist; die Kapillaren können z.B. kostengünstig durch Bohren oder Erodieren hergestellt werden;
  • - Die Befüllung des hydraulischen Systems erfolgt über das Messwerk.
The solution according to the invention has the following advantages:
  • - The measuring mechanism is designed in one piece.
  • - The measuring mechanism has a relatively simple and largely symmetrical structure.
  • - Measuring mechanism and converter chamber are separated from each other; Measuring mechanism and converter chamber are only coupled via the two connecting lines, so that good mechanical and thermal decoupling can be achieved between the measuring mechanism and converter chamber.
  • - The crossing of the auxiliary capillaries with the connection capillaries takes place in the measuring unit, i.e. very close to the measuring point of the pressure.
  • - An overpressure occurring on one side on the high-pressure side is routed to the rear of the overload diaphragm/additional diaphragm on the low-pressure side and parallel via the connecting lines to the converter chamber. In terms of pressure dynamics, the converter chamber and overload diaphragm are parallel.
  • - The length of the connection capillaries is greater than the length of the auxiliary capillaries and the sections of the connection capillaries of the overload protector, which ensures a fast response time of the overload protector.
  • - Due to the short capillary lengths, the oil consumption is low.
  • - Cost savings in the measuring mechanism, in particular through material savings (small dimensions) and as a result of simplified manufacture and processing, since the number of capillaries is small; the capillaries can be produced inexpensively, for example, by drilling or eroding;
  • - The hydraulic system is filled via the measuring unit.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Messwerk und die Wandlerkammer nicht nur separate Komponenten sind, sondern dass das Messwerk und die Wandlerkammer auch räumlich voneinander getrennt bzw. beabstandet sind. Hierdurch sind das Messwerk und die Messeinheit in der Wandlerkammer mechanisch voneinander entkoppelt. Die Trennung ist natürlich druckfest und gasdicht ausgestaltet. Aufgrund des reduzierten Ölvolumens ist der Messfehler, der durch den Temperaturgradienten bedingt ist, geringer. Weiterhin sind infolge des kleineren Ölvolumens auch kleinere Membranen möglich, was für die Realisierung eines koplanaren Sensors wichtig ist. Kleine Membranen wiederum sind für einen effektiven Überlastschutz erforderlich. Für die Realisierung des koplanaren Sensors ist dies sehr wichtig, da hierdurch kleine Messbereiche ermöglicht werden. Durch kleine Messbereiche wiederum lässt sich die Ansteuerung bzw. die Auslenkung der Membranen gering halten, was einhergeht mit kleineren Messfehlern.It is preferably provided that the measuring mechanism and the converter chamber are not only separate components, but that the measuring mechanism and the converter chamber are also spatially separated or spaced apart from one another. As a result, the measuring mechanism and the measuring unit in the converter chamber are mechanically decoupled from one another. The separation is of course designed to be pressure-resistant and gas-tight. Due to the reduced oil volume, the measurement error caused by the temperature gradient is lower. Furthermore, due to the smaller oil volume, smaller membranes are also possible, which is important for realizing a coplanar sensor. Small membranes, on the other hand, are required for effective overload protection. This is very important for the realization of the coplanar sensor, since it enables small measuring ranges. In turn, small measuring ranges allow the activation or deflection of the membranes to be kept low, which is associated with smaller measuring errors.

Allgemein lässt sich sagen, dass es zum Schutz des drucksensitiven Elements gegen Überdruck erfindungsgemäß sichergestellt ist, dass ein einseitig auftretender Überdruck am koplanaren Doppelmembransystem bei Erreichen des drucksensitiven Elements so beschränkt ist, dass eine Zerstörung des drucksensitiven Elements ausgeschlossen ist.In general it can be said that to protect the pressure-sensitive element against overpressure, the invention ensures that overpressure occurring on one side on the coplanar double membrane system is limited when it reaches the pressure-sensitive element such that destruction of the pressure-sensitive element is ruled out.

Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Differenzdruckmessaufnehmers sind die Überlastmembranen derart vorgespannt, dass sie formschlüssig bzw. kraftschlüssig und im Wesentlichen vollflächig am Grundkörper anliegen und sich erst dann von dem Grundkörper abheben, wenn ein vorgegebener kritischer Grenzdruck überschritten wird. Somit ist sichergestellt, dass der Überlast- bzw. Überdruckschutz erst dann aktiviert wird, wenn der zu messende Druck so hoch ist, dass die Gefahr einer Zerstörung des drucksensitiven Elements besteht. In einer Ausgestaltung kann eine Kapillare im Membranbett oder in der Auflagefläche der Überlastmembran vorgesehen sein. Eine Prozessmembrane/Trennmembrane, die u.a. in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Lösung eingesetzt werden kann, ist z.B. in der US 10,656,039 B2 beschrieben.According to one embodiment of the differential pressure sensor according to the invention, the overload membranes are prestressed in such a way that they rest in a form-fitting or non-positive manner and essentially over the entire surface on the base body and only then stand out from the base body when a specified critical limit pressure is exceeded. This ensures that the overload or overpressure protection is only activated when the pressure to be measured is so high that there is a risk of the pressure-sensitive element being destroyed. In one embodiment, a capillary can be provided in the membrane bed or in the bearing surface of the overload membrane. A process membrane / separating membrane, which can be used, inter alia, in connection with the solution according to the invention is, for example, in US 10,656,039 B2 described.

Infolge der möglichst vollflächigen und bevorzugt formschlüssigen Anlage der Überlastmembranen am Messwerk gelangt der Messdruck über die Druckkammern, die entsprechend gekoppelten Hilfs- und Verbindungskapillaren zu der entsprechenden Zusatzdruckkammer und zu der Plus- bzw. der Minusseite des drucksensitiven Elements. Die Überlastmembranen und das drucksensitive Element liegen druckdynamisch gesehen parallel. Die Auslenkung der Überlastmembranen wird infolge ihrer Vorspannung bis zu einem vorgegebenen Wert zwangsweise verhindert bzw. ist so gering, dass sie vernachlässigt werden kann. Die Vorspannung ist so ausgelegt, dass sie größer als der Messbereich des Differenzdruckaufnehmers ist. Insbesondere ist sichergestellt, dass diese Bedingung während der gesamten Lebenszeit des Differenzdruckmessaufnehmers gilt, damit sich Alterungseffekte nicht negativ auf die Messperformance auswirken können.As a result of the full-surface and preferably form-fitting contact of the overload membranes on the measuring unit, the measured pressure reaches the pressure chambers, the correspondingly coupled auxiliary and connecting capillaries to the corresponding additional pressure chamber and to the plus or minus side of the pressure-sensitive element. In terms of pressure dynamics, the overload membranes and the pressure-sensitive element are parallel. The deflection of the overload diaphragms is forcibly prevented up to a specified value as a result of their prestressing or is so small that it can be neglected. The preload is designed in such a way that it is larger than the measuring range of the differential pressure sensor. In particular, it is ensured that this condition applies throughout the lifetime of the differential pressure sensor, so that aging effects cannot have a negative impact on the measurement performance.

Das drucksensitive Element erhält über die zweite Druckkammer, die zweite Hilfskapillare und die mit ihr gekoppelte erste Verbindungskapillare die Druckinformation für die Plusseite. Über die erste Druckkammer, die erste Hilfskapillare und die mit ihr gekoppelte zweite Verbindungskapillare erhält das drucksensitive Element die Druckinformation für die Minusseite. Aufgrund der Parallelschaltung wirken die an den Seiten des drucksensitiven Elements anliegenden Drücke auch auf die Rückseite der entsprechenden Überlastmembranen. Das drucksensitive Element lenkt sich entsprechend dem anliegenden Differenzdruck aus. Die Wirkung der Parallelpfade über die Zusatzdruckkammern sind übrigens aufgrund der vorgespannten und im Wesentlichen formschlüssigen Anlage der Überlastmembranen am Gehäuse des Messwerks nahezu vernachlässigbar.The pressure-sensitive element receives the pressure information for the positive side via the second pressure chamber, the second auxiliary capillary and the first connecting capillary coupled to it. The pressure-sensitive element receives the pressure information for the minus side via the first pressure chamber, the first auxiliary capillary and the second connecting capillary coupled to it. Due to the parallel connection, the pressures applied to the sides of the pressure-sensitive element also act on the back of the corresponding overload diaphragms. The pressure-sensitive element deflects according to the applied differential pressure. Incidentally, the effect of the parallel paths via the additional pressure chambers is almost negligible due to the prestressed and essentially form-fitting contact of the overload membranes on the housing of the measuring unit.

Durch die Vorspannung der Überlastmembranen ist sichergestellt, dass ihre Auslenkung erst erfolgt, wenn an einer der Doppelmembranen ein kritischer Überdruck auftritt, der die Gefahr der Zerstörung des drucksensitiven Elements mit sich bringen würde. Sobald beispielsweise an der zweiten Trennmembrane ein kritischer Überdruck auftritt, wird die zweite Trennmembrane gegen die zweite Überlastmembrane bewegt, bis sie an der Überlastmembrane anliegt. Bei Überschreiten der Vorspannung der ersten Überlastmembrane wird diese ausgelenkt, und die aus der zweiten Druckkammer herausgeschobene Übertragungsflüssigkeit wird über die zweite Hilfskapillare und die mit ihr gekoppelte erste Verbindungskapillare in die erste Zusatzdruckkammer verschoben. Der Druck in der ersten Zusatzdruckkammer und in der mit ihr in Wirkverbindung stehenden ersten Druckkammer steigt an. Dies geschieht solange, bis die Hydraulikflüssigkeit von der Hochdruckseite auf die Niederdruckseite verschoben ist. Nachfolgend kann der hydraulische Druck in dem Messwerk nicht mehr ansteigen und die Druckbegrenzung, also der Überdruckschutz, greift.The prestressing of the overload diaphragms ensures that they are only deflected when a critical overpressure occurs on one of the double diaphragms, which would entail the risk of destroying the pressure-sensitive element. For example, as soon as a critical overpressure occurs at the second separating diaphragm, the second separating diaphragm is moved against the second overload diaphragm until it is in contact with the overload diaphragm. When the pretension of the first overload membrane is exceeded, it is deflected and the transmission fluid pushed out of the second pressure chamber is pushed into the first additional pressure chamber via the second auxiliary capillary and the first connecting capillary coupled to it. The pressure in the first additional pressure chamber and in the first pressure chamber that is operatively connected to it increases. This continues until the hydraulic fluid is shifted from the high-pressure side to the low-pressure side. The hydraulic pressure in the measuring unit can then no longer rise and the pressure limitation, i.e. the overpressure protection, takes effect.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Messwerk in einem Prozessanschluss angeordnet ist, wobei der Prozessanschluss in dem dem Prozess zugewandten Bereich einen Durchmesser aufweist der größer ist als der Durchmesser in dem vom Prozess abgewandten Bereich, in dem er mit einem Gehäuseanschluss druck-, gas- und/oder flüssigkeitsdicht verbunden ist.One embodiment provides that the measuring mechanism is arranged in a process connection, with the process connection having a diameter in the area facing the process that is larger than the diameter in the area facing away from the process, in which it is connected to a housing connection for pressure, gas and and/or is connected in a liquid-tight manner.

Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass es sich bei den Hilfskapillaren im Messwerk und den Verbindungskapillaren im Messwerk und in der Wandlerkammer um Kapillarbohrungen und/oder Kapillarröhrchen handelt. Insbesondere sind die Verbindungskapillaren zwischen Messwerk und Wandlerkammer im Wesentlichen parallel zur Längsachse des Messwerks ausgerichtet. Alternativ ist es natürlich auch möglich, dass die Kapillaren unter einem Winkel kleiner 90°, bevorzugt kleiner 45°, zur Längsachse des Messwerks bzw. des Differenzdruckmessaufnehmers angeordnet sind. Weiterhin ist vorgesehen, dass die Verbindungskapillaren im Zwischenbereich von Messwerk und Wandlerkammer als Kapillarröhrchen ausgebildet sind, die druckfest, kraftschlüssig und gasdicht in die Kapillarbohrungen im Messwerk bzw. in der Wandlerkammer münden. Aufgrund der Trennung von Messwerk und Wandlerkammer ist es darüber hinaus auch auf einfache Art und Weise möglich, eine elektrisch isolierte Trennung zwischen den beiden Komponenten - Messwerk und Wandlerkammer - zu realisieren. Hierzu später mehr.In addition, it is proposed that the auxiliary capillaries in the measuring mechanism and the connecting capillaries in the measuring mechanism and in the converter chamber are capillary bores and/or capillary tubes. In particular, the connecting capillaries between the measuring mechanism and the converter chamber are aligned essentially parallel to the longitudinal axis of the measuring mechanism. Alternatively, of course, it is also possible for the capillaries to be arranged at an angle of less than 90°, preferably less than 45°, to the longitudinal axis of the measuring unit or the differential pressure sensor. Furthermore, it is provided that the connecting capillaries in the area between the measuring unit and the converter chamber are designed as capillary tubes which open pressure-tight, non-positively and gas-tight into the capillary bores in the measuring unit or in the converter chamber. Due to the separation of measuring mechanism and converter chamber, it is also possible in a simple manner to implement an electrically insulated separation between the two components—measuring mechanism and converter chamber. More on that later.

Die Wandlerkammer kann eine beliebige Form aufweisen, Hauptsache es handelt sich um eine kompakte Form. Bevorzugt hat die Wandlerkammer eine Würfelform oder eine zylindrische Form oder eine zylindrische Form mit abgeflachten, einander gegenüberliegenden Bereichen. An ihrem dem Prozess zugewandten Endbereich finden sich zwei Verbindungskapillaren, die - wie bereits erwähnt - bevorzugt parallel zueinander angeordnet sind.The converter chamber can be of any shape, as long as it is compact. Preferably, the transducer chamber has a cube shape, or a cylindrical shape, or a cylindrical shape with flattened opposing portions. At its end area facing the process, there are two connecting capillaries which—as already mentioned—are preferably arranged parallel to one another.

Um sicherzustellen, dass eine Überlast begrenzt wird, bevor sie das drucksensitive Element erreicht, schlägt eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Differenzdruckmessaufnehmers vor, dass die Verbindungskapillaren und/oder die Hilfskapillaren derart ausgestaltet und/oder dimensioniert sind, dass ein über dem vorgegebenen kritischen Grenzdruck liegender Überdruck mittels des Überlastschutzes ausgeglichen ist, bevor der Überdruck an die Differenzdruckmesszelle übertragen wird. Um das drucksensitive Element zusätzlich vor Druckspitzen zu schützen, sind gemäß einer Ausgestaltung des Differenzdruckmessaufnehmers in die Verbindungsleitungen/Verbindungskapillare zwischen Messwerk und Wandlerkammer Dynamikbremsen eingebaut. Bei den Dynamikbremsen handelt es sich um Strömungswiderstände, z.B. um Sintermetalleinsätze. Die Dynamikbremsen können auch so ausgestaltet sein, dass sie zusätzlich die Funktion des Explosionsschutzes übernehmen.In order to ensure that an overload is limited before it reaches the pressure-sensitive element, an advantageous embodiment of the differential pressure sensor according to the invention proposes that the connecting capillaries and/or the auxiliary capillaries be designed and/or dimensioned in such a way that an overpressure that is above the predetermined critical limit pressure compensated by the overload protection before the overpressure is transmitted to the differential pressure measuring cell. In order to additionally protect the pressure-sensitive element against pressure peaks, dynamic brakes are built into the connecting lines/connecting capillaries between the measuring mechanism and the converter chamber, according to one embodiment of the differential pressure measuring transducer. The dynamic brakes are flow resistances, eg sintered metal inserts. The dynamic brakes can also be designed in such a way that they also assume the function of explosion protection.

Weiterhin ist vorgesehen, dass die Hilfskapillaren in der Messkammer in einem ersten Abschnitt im Wesentlichen parallel zur Längsachse des Differenzdruckaufnehmers aus der entsprechenden Druckkammer herausgeführt sind und in einem zweiten Abschnitt unter einem Richtungswechsel von näherungsweise 90° zu der entsprechenden Verbindungskapillaren geführt sind.Furthermore, it is provided that the auxiliary capillaries in the measuring chamber in a first section are led out of the corresponding pressure chamber essentially parallel to the longitudinal axis of the differential pressure sensor and in a second section are led with a change of direction of approximately 90° to the corresponding connecting capillaries.

Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Differenzdruckaufnehmers schlägt vor, dass das Hydrauliksystems des Differenzdrucksensors zwecks Befüllung mit einer Hydraulikflüssigkeit in Verlängerung der im zweiten Abschnitt verlaufenden Hilfskapillaren zwei Befüllungsbohrungen aufweist. Jede der Befüllungsbohrungen wird nach dem Befüllen mit der Hydraulikflüssigkeit mit einem Verschlusselement druckdicht und gasdicht oder zumindest flüssigkeitsdicht verschlossen. Beispielsweise handelt es sich bei dem Verschlusselement um eine Kugel, die in die Bohrung eingepresst und anschließend verstemmt wird. Auch ist es möglich, das Verschlusselement in der Bohrung zu verschweißen. Bevorzugt sind die Verschlusselemente möglichst nahe an den Kreuzungspunkten der Hilfskapillaren mit den Verbindungskapillaren angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass die Befüllmenge an Übertragungsflüssigkeit in dem hydraulischen System reduziert ist. Sitzt das Verschlusselement weit außen, also nahe an der Außenwandung des Prozessanschlusses, so kann die benötigte Menge an Übertragungsflüssigkeit durch das Einbringen von Füllelementen, z.B. von Füllstäben, in die Befüllungsbohrungen reduziert werden.An embodiment of the differential pressure sensor according to the invention proposes that the hydraulic system of the differential pressure sensor has two filling bores in extension of the auxiliary capillaries running in the second section for the purpose of filling with a hydraulic fluid. After filling with the hydraulic fluid, each of the filling bores is closed in a pressure-tight and gas-tight or at least liquid-tight manner with a closure element. For example, the closure element is a ball that is pressed into the bore and then caulked. It is also possible to weld the closure element in the bore. The closure elements are preferably arranged as close as possible to the crossing points of the auxiliary capillaries with the connecting capillaries. This has the advantage that the filling quantity of transmission fluid in the hydraulic system is reduced. If the sealing element is located far outside, i.e. close to the outer wall of the process connection, the required amount of transmission liquid can be reduced by inserting filling elements, e.g. filling rods, into the filling bores.

Die Befüllungsbohrungen verlaufen entweder im dem Prozess zugewandten Bereich des Prozessanschlusses - was aufgrund des größeren Durchmessers längere seitliche Bohrungen erfordert, oder in dem vom Prozess abgewandten Bereich des Prozessanschlusses - wodurch die seitlichen Bohrungen kleiner dimensioniert sind, während aber Hilfsbohrungen länger ausfallen.The filling bores run either in the area of the process connection facing the process - which requires longer lateral bores due to the larger diameter, or in the area of the process connection facing away from the process - whereby the lateral bores are smaller, while the auxiliary bores are longer.

Auch können die Verbindungskapillaren derart ausgestaltet sein, dass sie die Wandlerkammer elektrisch von dem Messwerk isolieren. Bevorzugt erfolgt die elektrische Isolierung der Wandlerkammer vom Messwerk über Zusatzelemente. Diese können im Messwerk in den Druckpfad und/oder in den Kapillaren und/oder in der Wandlerkammer im Übergang der Verbindungskapillaren zur Wandlerkammer angeordnet sein. Bei einem isolierenden Zusatzelement kann es sich insbesondere einem Keramikisolierkörper oder einer isolierenden Einglasung handeln. Die Verbindung muss gasdicht ausgestaltet sein, entweder als Lötverbindung oder Einglasung. Wie gesagt, können die elektrischen Isolatoren in der Wandlerkammer und/oder im Messwerk und/oder zwischen Messwerk und Wandlerkammer vorgesehen sein. Insbesondere können die elektrischen Isolatoren auch als Zwischenstücke in die als Kapillarröhrchen ausgestalteten Verbindungskapillaren integriert sein.The connection capillaries can also be designed in such a way that they electrically insulate the converter chamber from the measuring unit. The electrical insulation of the converter chamber from the measuring mechanism is preferably carried out via additional elements. These can be arranged in the measuring mechanism in the pressure path and/or in the capillaries and/or in the converter chamber in the transition from the connecting capillaries to the converter chamber. An additional insulating element can be, in particular, a ceramic insulating body or an insulating glazing. The connection must be gas-tight, either as a soldered connection or as a glazing. As stated, the electrical insulators can be provided in the converter chamber and/or in the measuring mechanism and/or between the measuring mechanism and the converter chamber. In particular, the electrical insulators can also be integrated as intermediate pieces in the connecting capillaries designed as capillary tubes.

Hierdurch ist es möglich, Erde und Masse zu trennen (Schaltungsnullpunkt; Ue = Bezugspunkt der elektrischen Versorgung = Masse) und folgende Vorteile für die Stromdurchführung zu erreichen:

  • - Guarding für besseres EMV (elektromagnetisches Verhalten);
  • - Geringerer bzw. kein Fremdspannungseinfluss;
  • - Möglichkeit einen kapazitiven Siliziumchip einzusetzen, bei dem das Guarding eine Voraussetzung ist, dass nur geringere Störkapazitäten auftreten;
  • - Das bislang erforderliche isolierende Element z.B. ein Keramiksockel, ein Glassockel oder eine ausreichend isolierende Klebung in der Wandlerkammer kann entfallen; Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Differenzdrucksensor wird das drucksensitive Element, üblicherweise ein Silizium-Chip, bevorzugt auf einen Silizium-Sockel aufgebracht. Nimmt man einen Silizium-Sockel anstelle des sonst üblichen Glassockels, so lässt sich ein günstigeres thermisches Verhalten (T-Hysterese) und ein geringerer statischer Druckfehler erreichen. Erklärung: Der E-Modul von Glas ist verschieden von dem E-Modul von Silizium. Bei Glas tritt eine größere Verformung und somit ein größerer Fehler infolge eines statischen Drucks auf als bei Silizium. Da Silizium jedoch kein Isolator ist, sondern eine gewisse Leitfähigkeit aufweist, sind für den sicheren elektrischen Betrieb Mindestisolationsstrecken erforderlich. Diese können z.B. durch in die Verbindungsleitungen eingesetzte keramische Isolierkörper und/oder entsprechend ausgestaltete Dynamikbremsen realisiert werden.
  • - Der volle oder partielle Ex-Schutzverguss in der Wandlerkammer, der bislang bei Differenzdrucksensoren erforderlich war, kann entfallen. Bislang wurde der Verguss genutzt, um die Mindestabstände der stromführenden Elemente zum Massepotential möglichst gering halten zu können. Diese Abstandsreduzierung kann bei der Ausgestaltung der Erfindung entfallen, wo die Isolationselemente in den Verbindungskapillaren angeordnet sind. Zwecks Erzielung einer sicheren elektrischen Isolierung können die erforderlichen Mindestabstände um einiges kleiner ausfallen als beiden bislang bekannt gewordenen Lösungen. Auch lassen sich diese Mindestabstände ohne großen Aufwand erreichen.
This makes it possible to separate earth and ground (circuit zero point; Ue = reference point of the electrical supply = ground) and to achieve the following advantages for the current feedthrough:
  • - Guarding for better EMC (electromagnetic behavior);
  • - Lower or no external voltage influence;
  • - Possibility to use a capacitive silicon chip, in which the guarding is a prerequisite that only low interference capacitances occur;
  • - The previously required isolating element, for example a ceramic base, a glass base or a sufficiently insulating bond in the converter chamber, can be omitted; In a preferred embodiment of the differential pressure sensor according to the invention, the pressure-sensitive element, usually a silicon chip, is preferably applied to a silicon base. If a silicon base is used instead of the usual glass base, a more favorable thermal behavior (T hysteresis) and a lower static pressure error can be achieved. Explanation: The modulus of elasticity of glass is different from the modulus of elasticity of silicon. Glass suffers from greater deformation and thus greater error due to static pressure than silicon. However, since silicon is not an insulator but has a certain conductivity, there are minimum insulation distances for safe electrical operation necessary. These can be implemented, for example, by using ceramic insulating bodies in the connecting lines and/or correspondingly designed dynamic brakes.
  • - The full or partial explosion protection potting in the converter chamber, which was previously required for differential pressure sensors, can be omitted. So far, encapsulation has been used in order to be able to keep the minimum distances between the current-carrying elements and the ground potential as small as possible. This reduction in distance can be omitted in the embodiment of the invention where the insulation elements are arranged in the connecting capillaries. In order to achieve reliable electrical insulation, the required minimum distances can turn out to be somewhat smaller than in the two solutions that have been known hitherto. These minimum distances can also be achieved without great effort.

Weiterhin ist vorgesehen, dass die elektrische Verbindungspins bzw. Verbindungsleitungen von dem elektrischen Wandler gasdicht durch einen der vom Prozess abgewandten Endbereiche der Wandlerkammer in Richtung einer Elektronikplatine geführt sind. Bevorzugt erfolgt dies über Glasdurchführungen. Da die Wandlerkammer elektrisch von dem Messwerk isoliert ist, können die Glasdurchführungs-PINs kleiner ausfallen und sind somit durchfester. Ziel ist insbesondere, eine Druckfestigkeit zu erreichen, die größer ist als 1280 bar. Kleinere PINs/Einglasungs-Elemente ermöglichen es darüber hinaus, dass auf gleichem Raum mehr PINs untergebracht werden können. Das bedeutet u.U. auch, dass weniger Ölvolumen benötigt wird.Furthermore, it is provided that the electrical connecting pins or connecting lines from the electrical converter are routed in a gas-tight manner through one of the end regions of the converter chamber facing away from the process in the direction of an electronic circuit board. This is preferably done via glass bushings. Because the transducer chamber is electrically isolated from the movement, the glass feedthrough PINs can be smaller and therefore have a higher throughput. The aim is in particular to achieve a pressure resistance that is greater than 1280 bar. Smaller PINs/encapsulation elements also allow more PINs to be accommodated in the same space. This may also mean that less oil volume is required.

Um die Messgenauigkeit zu erhöhen, ist die Wandlerkammer so ausgestaltet, dass auf der Niederdruckseite (-) und der Hochdruckseite (+) gleiche Übertragungsflüssigkeits- bzw. Öl-Volumina vorhanden sind. Eine Angleichung der Ölvolumina auf der Hochdruck- und Niederdruckseite kann beispielweise dadurch erreicht werden, dass ein entsprechendes Zusatzvolumen durch eine Vergrößerung oder Verlängerung einer der Bohrungen geschaffen wird.In order to increase the measurement accuracy, the converter chamber is designed in such a way that the same transmission liquid or oil volumes are present on the low-pressure side (-) and the high-pressure side (+). The oil volumes on the high-pressure and low-pressure side can be equalized, for example, by creating a corresponding additional volume by enlarging or lengthening one of the bores.

Um den Einfluss des statischen Drucks auf die Messwerte des Differenzdruckmessaufnehmers zu erfassen und nachfolgend zu kompensieren, ist in der Wandlerkammer ein entsprechendes drucksensitives Element zur Messung des statischen Drucks vorgesehen. Um das Ölvolumen möglichst gering zu halten, sind das drucksensitive Element zur Messung des Differenzdrucks und das drucksensitive Element zur Messung des statischen Drucks gestapelt übereinander anageordnet. Hier kommt nun der Vorteil der zuvor genannten Verkleinerung der PINs besonders zum Tragen: Da die PINs kleiner ausfallen, können die vier Zusatz-PINs, die die Messwerte des statischen Druckelements zur Verfügung stellen, in der Wandlerkammer untergebracht werden, ohne dass diese vergrößert werden müsste. Die Anordnung der PINs wird nachfolgend in der Figurenbeschreibung noch ausführlicher abgehandelt.
Möglich ist es jedoch auch, das drucksensitive Element zur Messung des Differenzdrucks und das drucksensitive Element zur Messung des statischen Drucks nebeneinander anzuordnen.
In order to record and subsequently compensate for the influence of the static pressure on the measured values of the differential pressure sensor, a corresponding pressure-sensitive element for measuring the static pressure is provided in the converter chamber. In order to keep the oil volume as small as possible, the pressure-sensitive element for measuring the differential pressure and the pressure-sensitive element for measuring the static pressure are stacked one on top of the other. This is where the advantage of the previously mentioned smaller PINs comes into play: since the PINs are smaller, the four additional PINs, which provide the measured values of the static pressure element, can be accommodated in the converter chamber without having to enlarge it . The arrangement of the PINs is dealt with in more detail below in the description of the figures.
However, it is also possible to arrange the pressure-sensitive element for measuring the differential pressure and the pressure-sensitive element for measuring the static pressure next to one another.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:

  • 1a: eine schematische Darstellung einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Differenzdruckmessaufnehmers,
  • 1b: eine Verdeutlichung der Wirkung des Überlastschutzes bei dem in 1a gezeigten Differenzdruckmessaufnehmer,
  • 2a: eine schematische Darstellung einer zweiten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Differenzdruckmessaufnehmers,
  • 2b: eine Verdeutlichung der Wirkung des Überlastschutzes bei dem in 2a gezeigten Differenzdruckmessaufnehmer,
  • 2c: eine Skizze der Arbeitsweise des koplanaren Differenzdruckmessaufnehmers im Messbetrieb,
  • 2d: eine Skizze der Arbeitsweise des koplanaren Differenzdruckmessaufnehmers im Überlastfall,
  • 3a: eine perspektivische Ansicht des in 2a gezeigten koplanaren Differenzdruckmessaufnehmers,
  • 3b: eine Draufsicht auf die Unterseite (Kennzeichnung C) des in 2a gezeigten koplanaren Differenzdruckmessaufnehmers,
  • 3c: einen Schnitt durch die in 2a gezeigte Variante des Differenzdruckmessaufnehmers im Bereich der ersten Verbindungskapillaren,
  • 3d: einen Schnitt durch die in 2a gezeigte Variante des Differenzdruckmessaufnehmers im Bereich der zweiten Verbindungskapillaren,
  • 4: eine perspektivische Darstellung der Stromdurchführung,
  • 4a: eine Explosionsdarstellung einer bevorzugten Ausgestaltung der Wandlerkammer mit Stromdurchführung,
  • 5: unterschiedliche Darstellungen vorteilhafter Varianten, wie die elektrische Isolierung zwischen Messwerk und Wandlerkammer erreicht wird,
  • 6: unterschiedliche Ansichten und Schnitte durch eine Wandlerkammer mit einer Einheit zur Kompensation des statischen Drucks,
  • 7: die Schaltung der elektrischen Anschlüsse von Differenzdruckmesszelle und statischer Druckmesszelle, und
  • 8: einen Längsschnitt durch einen schematisch dargestellten Differenzdruckmesssaufnehmer, und
  • 9: eine Draufsicht auf einen Füllkörper, bei dem die Druckmesszelle und die Druckmesszelle für den statischen Druck in einer Ebene angeordnet sind.
The invention is explained in more detail with reference to the following figures. It shows:
  • 1a : a schematic representation of a first embodiment of the differential pressure sensor according to the invention,
  • 1b : a clarification of the effect of the overload protection at the in 1a shown differential pressure sensor,
  • 2a : a schematic representation of a second embodiment of the differential pressure sensor according to the invention,
  • 2 B : a clarification of the effect of the overload protection at the in 2a shown differential pressure sensor,
  • 2c : a sketch of the mode of operation of the coplanar differential pressure sensor in measurement mode,
  • 2d : a sketch of the operation of the coplanar differential pressure sensor in the event of an overload,
  • 3a : a perspective view of the in 2a shown coplanar differential pressure sensor,
  • 3b : a plan view of the underside (marking C) of the in 2a shown coplanar differential pressure sensor,
  • 3c : a cut through the in 2a shown variant of the differential pressure sensor in the area of the first connection capillaries,
  • 3d : a cut through the in 2a shown variant of the differential pressure sensor in the area of the second connection capillaries,
  • 4 : a perspective view of the current bushing,
  • 4a : an exploded view of a preferred embodiment of the converter chamber with current feedthrough,
  • 5 : different representations of advantageous variants, such as electrical insulation is reached between the measuring mechanism and the converter chamber,
  • 6 : different views and sections through a converter chamber with a static pressure compensation unit,
  • 7 : the wiring of the electrical connections of the differential pressure measuring cell and the static pressure measuring cell, and
  • 8th : a longitudinal section through a differential pressure measuring sensor shown schematically, and
  • 9 : a plan view of a packing in which the pressure measuring cell and the pressure measuring cell for the static pressure are arranged in one plane.

In 1 a ist der Verlauf der Verbindungskapillaren 10a, 10b und der Hilfskapillaren 11a, 11b und deren Kopplung gemäß einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Differenzdruckaufnehmers 1 zu sehen. Der Differenzdruckmessaufnehmer 1 dient zur Bestimmung des Differenzdrucks von zwei Drücken p1, p2. Zur Anwendung kommt die Messung des Differenzdruckes zweier Drücke p1, p2 z.B. in einer Rohrleitung zur Durchflussbestimmung. Ein weiterer Anwendungsfall eines Differenzdruckmessaufnehmers 1 ist beispielsweise die Bestimmung des Füllstandes eines in einem Tank befindlichen fluiden Mediums.In 1 a shows the course of the connecting capillaries 10a, 10b and the auxiliary capillaries 11a, 11b and their coupling according to a first embodiment of the differential pressure sensor 1 according to the invention. The differential pressure sensor 1 is used to determine the differential pressure of two pressures p1, p2. The measurement of the differential pressure of two pressures p1, p2, for example in a pipe, is used to determine the flow rate. A further application of a differential pressure measuring sensor 1 is, for example, determining the fill level of a fluid medium located in a tank.

Der Differenzdruckmessaufnehmer 1 besteht aus einem Messwerk 2 und einer Wandlerkammer 3. An oder in einem dem Prozess zugewandten Endbereich des Messwerks 2 ist ein koplanares Doppelmembransystem mit zwei Doppelmembranen 4a, 4b vorgesehen. Das Messwerk 2 ist in dem Prozessanschluss 21 angeordnet. In der Wandlerkammer 3 ist eine Differenzdruckmesszelle 12 mit einem drucksensitiven Element 13 angeordnet. Die Wandlerkammer 3 befindet sich in dem Gehäuseadapter 22. Wandlerkammer 3 und Messwerk 2 sind im gezeigten Fall voneinander abgesetzt.The differential pressure sensor 1 consists of a measuring unit 2 and a converter chamber 3. A coplanar double membrane system with two double membranes 4a, 4b is provided on or in an end region of the measuring unit 2 facing the process. The measuring unit 2 is arranged in the process connection 21 . A differential pressure measuring cell 12 with a pressure-sensitive element 13 is arranged in the converter chamber 3 . The converter chamber 3 is located in the housing adapter 22. In the case shown, the converter chamber 3 and measuring mechanism 2 are separated from one another.

Die beiden Doppelmembranen 4a, 4b bestehen jeweils aus einer Prozessmembrane 5a, 5b bzw. einer Trennmembrane 5a, 5b und einer in Richtung der Druckwirkung hinter der Trennmembrane 5a, 5b angeordneten Überlastmembrane 6a, 6b. Zwischen der ersten Trennmembrane 5a und der ersten Überlastmembrane 6a ist eine erste Druckkammer 7a und zwischen der ersten Überlastmembrane 6a und dem Grundkörper 9 eine erste Zusatzdruckkammer 8a bzw. Überdruckkammer 8a ausgebildet. Weiterhin ist zwischen der zweiten Trennmembrane 5b und der zweiten Überlastmembrane 6b eine zweite Druckkammer 7b und zwischen der zweiten Überlastmembrane 6b und dem Grundkörper 9 eine zweite Zusatzdruckkammer 8b bzw. eine zweite Überdruckkammer 8b ausgebildet.The two double diaphragms 4a, 4b each consist of a process diaphragm 5a, 5b or a separating diaphragm 5a, 5b and an overload diaphragm 6a, 6b arranged behind the separating diaphragm 5a, 5b in the direction of the pressure effect. A first pressure chamber 7a is formed between the first separating membrane 5a and the first overload membrane 6a and a first additional pressure chamber 8a or overpressure chamber 8a is formed between the first overload membrane 6a and the base body 9 . Furthermore, a second pressure chamber 7b is formed between the second separating membrane 5b and the second overload membrane 6b and a second additional pressure chamber 8b or a second overpressure chamber 8b is formed between the second overload membrane 6b and the base body 9 .

Der ersten Zusatzdruckkammer 8a ist eine erste Verbindungskapillare 10a und der zweiten Zusatzdruckkammer 8b ist eine zweite Verbindungskapillare 10b zugeordnet. Der ersten Druckkammer 7a ist eine erste Hilfskapillare 11a zugeordnet. Der zweiten Druckkammer 7b ist eine zweite Hilfskapillare 11b zugeordnet. Die druckübertragende Kopplung/Kreuzung zwischen der ersten Hilfskapillare 11a und der zweiten Verbindungskapillare 10b bzw. zwischen der zweiten Hilfskapillare 11b und der ersten Verbindungskapillare 10a ist erfindungsgemäß in dem Messwerk 2 realisiert.
Die Druckübertragung und die Begrenzung des Überdrucks auf ein Maß, durch das das drucksensitive Element 13 nicht beschädigt bzw. zerstört wird, arbeiten bei der erfindungsgemäßen Lösung parallel, wobei druckdynamisch sichergestellt ist, dass der Überdruck peÜL begrenzt ist, bevor er die Druckmesszelle 12 erreicht. Die Begrenzung des Überdrucks peÜL erfolgt über eine entsprechend vorgegebene Vorspannung der Überlastmembranen 6a, 6b. Diese sind so vorgespannt, dass sie im normalen Messbetrieb näherungsweise vollflächig und formschlüssig an dem Gehäuse des Grundkörpers 9 anliegen und sich erst dann von dem Grundkörper 9 abheben, wenn der vorgegebener kritischer Grenzdruck überschritten wird. Bis zu diesem Grenzdruck ist eine Unversehrtheit des drucksensitiven Elements sichergestellt.
The first additional pressure chamber 8a is assigned a first connecting capillary 10a and the second additional pressure chamber 8b is assigned a second connecting capillary 10b. A first auxiliary capillary 11a is assigned to the first pressure chamber 7a. A second auxiliary capillary 11b is assigned to the second pressure chamber 7b. The pressure-transmitting coupling/crossing between the first auxiliary capillary 11a and the second connecting capillary 10b or between the second auxiliary capillary 11b and the first connecting capillary 10a is implemented in the measuring mechanism 2 according to the invention.
The pressure transmission and the limitation of the overpressure to a level that does not damage or destroy the pressure-sensitive element 13 work in parallel in the solution according to the invention, with pressure-dynamics ensuring that the overpressure peÜL is limited before it reaches the pressure measuring cell 12. The overpressure peÜL is limited via a correspondingly predetermined prestressing of the overload diaphragms 6a, 6b. These are prestressed in such a way that during normal measuring operation they rest almost completely and form-fitting on the housing of the base body 9 and only lift off from the base body 9 when the specified critical limit pressure is exceeded. The integrity of the pressure-sensitive element is ensured up to this limit pressure.

1b zeigt die in 1a dargestellte Ausgestaltung eines Differenzdruckmessaufnehmers 1 im Überlast- bzw. Überdruckfall. Im dargestellten Fall tritt einseitig an der rechten Trennmembrane 5b ein Überdruck peÜL auf. Ohne die erfindungsgemäße Schutzvorrichtung würde der Überdruck peÜL auf das drucksensitive Element 13 übertragen. Durch die einseitige Überlast bestände die Gefahr, dass der Siliziumchip zerstört wird. 1b shows the in 1a illustrated configuration of a differential pressure sensor 1 in the case of overload or excess pressure. In the case shown, an overpressure peÜL occurs on one side on the right-hand separating diaphragm 5b. Without the protection device according to the invention, the overpressure peÜL would be transferred to the pressure-sensitive element 13 . Due to the one-sided overload, there is a risk that the silicon chip will be destroyed.

Erfindungsgemäß wird diese Gefahr durch einen Bypass gebannt. Der Bypass besteht aus den Hilfskapillaren 11a, 11b, die sich im Messwerk 2 mit den Verbindungskapillaren 10a, 10b kreuzen und den Druck oder einen auftretenden Überdruck auf die Rückseite der Überlastmembranen 6a, 6b leiten. Den Weg, den der Überdruck PeÜL durch das Kapillarsystem nimmt, ist in 2b durch Pfeile symbolisiert: Der Überdruck PeÜL wird über die Hilfskapillare 11b hydraulisch zu der Verbindungskapillaren 10a und von dort auf die Rückseite der Überlastmembrane 6a der ersten Doppelmembrane 4a übertragen.According to the invention, this danger is averted by a bypass. The bypass consists of the auxiliary capillaries 11a, 11b, which intersect with the connecting capillaries 10a, 10b in the measuring unit 2 and direct the pressure or any excess pressure that occurs to the back of the overload membranes 6a, 6b. The path that the overpressure PeÜL takes through the capillary system is in 2 B symbolized by arrows: The excess pressure PeÜL is hydraulically transmitted via the auxiliary capillary 11b to the connecting capillary 10a and from there to the back of the overload membrane 6a of the first double membrane 4a.

Tritt ein Überdruck PeÜL an der rechten Trennmembrane 5b auf, so wird der Überdruck PeÜL über die Druckkammer 7b auf die Überlastmembrane 6b übertragen. Da diese bereits am Gehäuse 9 anliegt, gelangt der Druck nicht über die Verbindungskapillare 10b zum drucksensitiven Element 13. Der Überdruck PeÜL wird über die Druckkammer 7b, die Hilfskapillare 11b, die Verbindungskapillare 10a, die Zusatzdruckkammer 8a und die Überlastmembrane 6a zur Druckkammer 7a geleitet. Überlastmembrane 6a und Trennmembrane 5a werden ausgelenkt und die Zusatzdruckkammer 8a und die Druckkammer 7a nehmen die von der Hochdruckseite 4b verschobene Übertragungsflüssigkeit 16 auf, bis die Trennmembrane 5b auf der Überdruckmembrane 6b anliegt. Ein weiterer Druckanstieg ist dann nicht mehr möglich. Parallel liegt der Druck, der immer unterhalb des kritischen Grenzwertes liegt, auch an der Plusseite des drucksensitiven Elements 13 an.If an overpressure PeÜL occurs at the right-hand separating membrane 5b, then the overpressure PeÜL is increased via the pressure chamber 7b to the overload transfer membrane 6b. Since this is already applied to the housing 9, the pressure does not reach the pressure-sensitive element 13 via the connecting capillary 10b. The overpressure PeÜL is routed via the pressure chamber 7b, the auxiliary capillary 11b, the connecting capillary 10a, the additional pressure chamber 8a and the overload membrane 6a to the pressure chamber 7a. Overload diaphragm 6a and separating diaphragm 5a are deflected and the additional pressure chamber 8a and the pressure chamber 7a absorb the transfer fluid 16 displaced from the high-pressure side 4b until the separating diaphragm 5b rests on the overpressure diaphragm 6b. A further increase in pressure is then no longer possible. At the same time, the pressure, which is always below the critical limit value, is also applied to the plus side of the pressure-sensitive element 13 .

Um eine noch größere Sicherheit zu haben, dass der Überdruck begrenzt wird, bevor er den sensitiven Bereich des Druckchips (üblicherweise auch eine Membrane) erreicht, haben die Verbindungskapillaren 10a, 10b ebenso wie die Hilfskapillaren 11a, 11b bevorzugt entsprechend angepasste Kapillargeometrien, die in Richtung des druckempfindlichen Chips 13 eine Bremsfunktion erfüllen. Insbesondere sind die üblicherweise als Bohrungen ausgeführten Verbindungs- und Hilfskapillaren 10a, 10b, 11a, 11b im Messwerk 2 und in der Wandlerkammer 3 geeignet in Länge und Durchmesser dimensioniert. Im dargestellten Fall sind zusätzlich noch vorgeschaltete Dynamikbremsen 18a, 18b und ggf. 20a, 20b vorgesehen. Diese sind bevorzugt in den Kapillarröhrchen 17a, 17b angeordnet, die in die Kapillarbohrungen 10a, 10b des Messwerks 2 münden. Zusätzlich oder alternativ sind in den Verbindungskapillaren 10a, 10b der Wandlerkammer 3 Dynamikbremsen 20a, 20b eingesetzt sind. Diese verzögern die Weiterleitung des Drucks, insbesondere eines Überdrucks peÜL, und schützen das drucksensitive Element 13 aber auch vor im Prozess auftretenden Druckspitzen.In order to have an even greater certainty that the overpressure is limited before it reaches the sensitive area of the pressure chip (usually also a membrane), the connecting capillaries 10a, 10b, like the auxiliary capillaries 11a, 11b, preferably have appropriately adapted capillary geometries, which are directed in the direction of the pressure sensitive chip 13 perform a braking function. In particular, the connecting and auxiliary capillaries 10a, 10b, 11a, 11b, which are usually designed as bores, in the measuring mechanism 2 and in the converter chamber 3 are suitably dimensioned in terms of length and diameter. In the case shown, upstream dynamic brakes 18a, 18b and possibly 20a, 20b are additionally provided. These are preferably arranged in the capillary tubes 17a, 17b, which open into the capillary bores 10a, 10b of the measuring mechanism 2. Additionally or alternatively, dynamic brakes 20a, 20b are used in the connecting capillaries 10a, 10b of the converter chamber 3. These delay the transmission of the pressure, in particular an overpressure peÜL, and also protect the pressure-sensitive element 13 from pressure peaks occurring in the process.

Bei den Dynamikbremsen 18a, 18b, 20a, 20b kann es sich um Sintermetalleinsätze handeln. Bei einem Einsatz des Differenzdruckmessaufnehmers 1 im explosionsgefährdeten Bereich werden die Dynamikbremsen 18a, 18b, 20a, 20b aus einem nicht leitfähigen Material gefertigt. In diesem Fall erfüllen die Dynamikbremsen 18a, 18b, 20a, 20b dann also eine Doppelfunktion: Eine verzögerte Weiterleitung des Drucks und einen Explosionsschutz, der entsprechend der benötigten Explosionsschutzart ausgestaltet ist.The dynamic brakes 18a, 18b, 20a, 20b can be sintered metal inserts. If the differential pressure sensor 1 is used in an area at risk of explosion, the dynamic brakes 18a, 18b, 20a, 20b are made of a non-conductive material. In this case, the dynamic brakes 18a, 18b, 20a, 20b then fulfill a dual function: delayed transmission of the pressure and explosion protection, which is designed according to the required type of explosion protection.

Die Figuren 2a und 2b entsprechen in weiten Teilen den in Figuren 1a und 1b gezeigten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Differenzdruckmessaufnehmers 1. Der wesentliche Unterschied besteht in der Anordnung der Befüllungsbohrungen 14a, 14b. Über diese Befüllungsbohrungen 15a, 15b wird das Kapillarsystem des Differenzdruckmesssaufnehmers 1 mit Übertragungsflüssigkeit 16 befüllt. Die Befüllungsbohrungen 14a, 14b verlaufen seitlich im Prozessanschluss 21 bzw. im Messwerk 2. In den gezeigten Ausgestaltungen verlaufen die Befüllungsbohrungen 14a, 14b parallel zur Grundfläche des Prozessanschlusses 21. Die Lage ist so gewählt, dass das zum Befüllen benötigte Ölvolumen möglichst gering ist.The figures 2a and 2 B largely correspond to those in figures 1a and 1b shown embodiment of the differential pressure sensor according to the invention 1. The main difference is in the arrangement of the filling holes 14a, 14b. The capillary system of the differential pressure sensor 1 is filled with transmission liquid 16 via these filling bores 15a, 15b. The filling bores 14a, 14b run laterally in the process connection 21 or in the measuring unit 2. In the configurations shown, the filling bores 14a, 14b run parallel to the base of the process connection 21. The position is chosen so that the oil volume required for filling is as small as possible.

Aus diesem Grund sind die Verschlusselemente 15a, 15b auch möglichst nahe an den Kreuzungspunkten der Kapillaren 10a, 10b, 11a, 11b vorgesehen. Diese Ausgestaltung ist übrigens gut in den 3c und 3d zu sehen. Bevorzugt ist die Ausgestaltung, dass die verschlossenen Befüllungsbohrungen 14a, 14b im Sensorrückraum und dort bevorzugt innerhalb des Gehäuseadapters 22 enden. Durch diese Anordnung im Innenraum des Differenzdruckmessaufnehmers 1 sind die Befüllungsbohrungen 14a, 14b - hinter den Verschlusselementen 15a, 15b - korrosionsgeschützt. Weiterhin können die entsprechenden Bereiche der Befüllungsbohrungen 14a, 14b nach außen auch noch vergossen sein; dies ist jedoch aufgrund der vom Außenraum abgeschlossenen Lage der Befüllungsbohrungen 14a, 14b bei der in Figuren 2a und 2b gezeigten Ausgestaltung nicht unbedingt erforderlich.For this reason, the closure elements 15a, 15b are also provided as close as possible to the crossing points of the capillaries 10a, 10b, 11a, 11b. Incidentally, this configuration is good in the 3c and 3d to see. The embodiment is preferred in which the closed filling bores 14a, 14b end in the rear space of the sensor and there preferably within the housing adapter 22. Due to this arrangement in the interior of the differential pressure sensor 1, the filling bores 14a, 14b—behind the closure elements 15a, 15b—are protected against corrosion. Furthermore, the corresponding areas of the filling bores 14a, 14b can also be cast to the outside; However, this is due to the position of the filling bores 14a, 14b closed off from the outside space in the case of the embodiment shown in FIGS 2a and 2 B configuration shown is not absolutely necessary.

Als druckdichter, gas- oder zumindest flüssigkeitsdichter Verschluss ist jeweils ein bevorzugt kugelförmiges Verschlusselement 15a, 15b vorgesehen, das in die Befüllungsbohrung 14a, 14b gedrückt und anschließend verstemmt wird. A preferably spherical closure element 15a, 15b is provided as a pressure-tight, gas-tight or at least liquid-tight closure, which is pressed into the filling bore 14a, 14b and then caulked.

Prinzipiell stehen auch anderen Verfahrens zum Verschließen der Öffnungen zur Verfügung. Schweißen wird allerdings insofern als kritisch angesehen, da infolge der Temperaturerhöhung negative Rückwirkungen auf die definierten Eigenschaften der Übertragungsflüssigkeit 16 auftreten können.In principle, other methods for closing the openings are also available. However, welding is regarded as critical insofar as negative repercussions on the defined properties of the transmission liquid 16 can occur as a result of the temperature increase.

In den Figuren 2c und 2d ist die Arbeitsweise des koplanaren Doppelmembransystems 4 detaillierter dargestellt. Die Figuren 2c und 2d beziehen sich auf die in den Figuren 2a bzw. 2b dargestellte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Differenzdruckmessaufnehmers 1. 2c zeigt die Arbeitsweise des koplanaren Membransystems 4 im regulären Messbetrieb und im Anfangsstadium beim Auftreten eines Überdrucks PeÜL. Die Überlastmembranen 6a,6b liegen am Grundkörper 9 des Messwerks 2 vollflächig an. Die Anlage ist weitgehend formschlüssig, die Überlastmembranen 6a, 6b sind entsprechend vorgespannt. Der Messdruck p1, p2 gelangt über die Trennmembranen 5a, 5b, die Druckkammern 7a, 7b, die Verbindungskapillaren 10a, 10b und die Hilfskapillaren 11a, 11b an die Rückseite der Zusatzdruckkammern 8a, 8b und parallel zu der WandlerKammer 3 bzw. zu dem drucksensitive Messelement 13.In the figures 2c and 2d the operation of the coplanar double membrane system 4 is shown in more detail. The figures 2c and 2d refer to those in the figures 2a or. 2 B illustrated embodiment of the differential pressure sensor according to the invention 1. 2c shows the mode of operation of the coplanar membrane system 4 in regular measurement operation and in the initial stage when an overpressure PeÜL occurs. The overload diaphragms 6a, 6b are in full contact with the base body 9 of the measuring mechanism 2. The system is largely form-fitting, the overload diaphragms 6a, 6b are correspondingly prestressed. The measured pressure p1, p2 reaches the back of the additional d pressure chambers 8a, 8b and parallel to the converter chamber 3 or to the pressure-sensitive measuring element 13.

Die Überlastmembranen 6a,6b und das Messelement 13 liegen hydraulisch parallel, es wirkt daher an beiden jeweils der gleiche Druck. An den Überlastmembranen 6a, 6b und dem Messelement 13 bildet sich der Differenzdruck dp aus p1-p2. Das drucksensitive Messelement 13 lenkt sich in Abhängigkeit von dem Differenzdruck aus. Da die Überlastmembranen 6a, 6b vorgespannt sind, wird ihre Auslenkung bis zu einem festgelegten Wert zwangsweise verhindert. Natürlich ist die Vorspannung auch größer als der Messbereich.The overload diaphragms 6a, 6b and the measuring element 13 are hydraulically parallel, so the same pressure acts on both. At the overload diaphragms 6a, 6b and the measuring element 13, the differential pressure dp is formed from p 1 -p 2 . The pressure-sensitive measuring element 13 deflects depending on the differential pressure. Since the overload membranes 6a, 6b are prestressed, their deflection is prevented up to a specified value. Of course, the bias is also larger than the measuring range.

Das drucksensitive Messelement 13 erhält über die Druckkammer 7b und die Verbindungskapillaren 11b, 10a die Druckinformation für die Plusseite (+). Über die Druckkammer 7a und die Verbindungskapillaren 11a, 10b wird die Druckinformation für die Minusseite (-) des drucksensitiven Messelementes 13 übermittelt. Die Wirkung der Parallelpfade über die Zusatzdruckkammern 8a, 8b sind aufgrund der vorgespannten und der näherungsweisen formschlüssigen Auflage der Überlastmembranen 6a, 6b auf dem Grundkörper 9 des Messwerks 2 nahezu vernachlässigbar.The pressure-sensitive measuring element 13 receives the pressure information for the plus side (+) via the pressure chamber 7b and the connecting capillaries 11b, 10a. The pressure information for the minus side (-) of the pressure-sensitive measuring element 13 is transmitted via the pressure chamber 7a and the connecting capillaries 11a, 10b. The effect of the parallel paths via the additional pressure chambers 8a, 8b is almost negligible due to the preloaded and approximately form-fitting contact of the overload membranes 6a, 6b on the base body 9 of the measuring unit 2.

2d zeigt die Arbeitsweise des koplanaren Membransystems 4 im Überlastfall, also bei Auftreten eines einseitigen Überdrucks PeÜL auf der rechten Seite des Differenzdruckmessaufnehmers 1 an der Trennmembran 5b. Unter der Wirkung des Überdrucks PeÜL steigt der Druck in der Druckkammer 7b steigt an. Da die Überlastmembrane 6b am Grundkörper 9 anliegt, ist ein Druckanstieg in der Zusatzdruckkammer 8b nicht möglich. Der Druck gelangt über die Druckkammer 7b, die Verbindungskapillare 11b auf den Kontenpunkt (2) und wirkt über die Verbindungskapillare 10a auf die Plusseite (+) des drucksensitiven Messelementes 13 und parallel auf die vom Prozess abgewandte Rückseite der Überlastmembrane 6a. Überschreitet der Druck die Vorspannung der Überlastmembrane 6a, so wird diese ausgelenkt und die Zusatzdruckkammer 8a kann das Öl 16 aufnehmen, welches aus der Druckkammer 7b verschoben wird. Der Druck in der Zusatzdruckkammer 8a und der nachfolgenden Druckkammer 7a steigt kontinuierlich an. Die Überlastmembrane 6a und die Trennmembrane 5a werden in Richtung des Prozesses ausgelenkt. Dieser Vorgang endet erst, wenn alles Öl 16 aus der Druckkammer 7b verschoben ist und die Trennmembrane 5b auf der sich am Grundkörper 9 des Messwerks 2 abstützenden Überlastmembrane 6b zur Anlage kommt. Sobald dieser Zustand erreicht ist, kann der Druck im Inneren des hydraulischen Systems nicht weiter ansteigen: Die Druckbegrenzung, d.h. der Überlastschutz, entfaltet seine Wirkung. 2d shows the mode of operation of the coplanar membrane system 4 in the event of an overload, ie when a one-sided overpressure PeÜL occurs on the right-hand side of the differential pressure sensor 1 at the separating membrane 5b. The pressure in the pressure chamber 7b increases under the effect of the overpressure PeÜL. Since the overload membrane 6b rests against the base body 9, a pressure increase in the additional pressure chamber 8b is not possible. The pressure reaches the node (2) via the pressure chamber 7b, the connecting capillary 11b and acts via the connecting capillary 10a on the plus side (+) of the pressure-sensitive measuring element 13 and parallel on the back of the overload diaphragm 6a facing away from the process. If the pressure exceeds the preload of the overload membrane 6a, the latter is deflected and the additional pressure chamber 8a can absorb the oil 16 which is displaced from the pressure chamber 7b. The pressure in the additional pressure chamber 8a and the subsequent pressure chamber 7a increases continuously. The overload diaphragm 6a and the separating diaphragm 5a are deflected in the direction of the process. This process only ends when all the oil 16 has been displaced from the pressure chamber 7b and the separating membrane 5b comes to rest on the overload membrane 6b supported on the base body 9 of the measuring unit 2. As soon as this condition is reached, the pressure inside the hydraulic system cannot rise any further: the pressure limitation, ie the overload protection, unfolds its effect.

In den 3a-3d sind unterschiedliche Ansichten einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Differenzdruckaufnehmers 1 zu sehen, die in weiten Teilen der in den Figuren 2a und 2b gezeigten Ausgestaltung entsprechen. 3a zeigt eine perspektivische Ansicht, 3b eine Draufsicht auf die Unterseite des in 2a gezeigten koplanaren Differenzdruckmessaufnehmers 1, 3c einen Längsschnitt durch die in 2a gezeigte Variante des Differenzdruckmessaufnehmers 1 im Bereich der ersten Verbindungskapillaren 10a und 3d einen Längsschnitt durch die in 2a gezeigte Variante des Differenzdruckmessaufnehmers 1 im Bereich der zweiten Verbindungskapillaren 10b. Soll der erfindungsgemäße Differenzdruckmessaufnehmer im explosionsgefährdeten Bereich eingesetzt werden, so kann die Exd-Realisierung über eine geeignete Verbindung/Ausgestaltung zwischen Prozessanschluss 21 und Gehäuseadapter 22 erfolgen. Möglich sind für sich genommen oder in Kombination: eine Exd-Schweißung, ein Exd Spalt oder ein Exd Gewinde.In the 3a-3d are different views of an embodiment of the differential pressure sensor 1 according to the invention to see, in large parts of the figures 2a and 2 B correspond to the configuration shown. 3a shows a perspective view, 3b a top view of the underside of the in 2a shown coplanar differential pressure sensor 1, 3c a longitudinal section through the in 2a shown variant of the differential pressure sensor 1 in the first connecting capillaries 10a and 3d a longitudinal section through the in 2a shown variant of the differential pressure sensor 1 in the region of the second connecting capillaries 10b. If the differential pressure measuring sensor according to the invention is to be used in an area at risk of explosion, the Exd implementation can take place via a suitable connection/design between the process connection 21 and the housing adapter 22 . Individually or in combination, the following are possible: an Exd weld, an Exd gap or an Exd thread.

4 zeigt eine schematische Darstellung der Wandlerkammer 3 mit den beiden Verbindungskapillaren 10a, 10b. Über die Verbindungskapillaren 10a, 10b werden die an den Trennmembranen 5a, 5b anliegenden Drücke p1, p2 hydraulisch zum drucksensitiven Element 15 übertragen. Der Druck p1 liegt an der Minusseite, der Druck p2 an der Plusseite an. Bei dieser Ausgestaltung sind in der Wandlerkammer 3 zwei vertikale (also parallel zur Längsachse des Differenzdruckmessaufnehmers 1) Bohrungen und eine horizontale Bohrung erforderlich. Eventuell kann es auch sinnvoll sein, zwei Befüll- und Verschlusszugänge zu haben, um die Befüllung leichter durchführen zu können. So können die ev. vorgesehenen Dynamikbremsen das Befüllen erschweren bzw. die Befüllzeiten stark verlängern. 4 shows a schematic representation of the converter chamber 3 with the two connecting capillaries 10a, 10b. The pressures p1, p2 applied to the separating membranes 5a, 5b are transmitted hydraulically to the pressure-sensitive element 15 via the connecting capillaries 10a, 10b. The pressure p1 is on the minus side, the pressure p2 on the plus side. In this configuration, two vertical (ie parallel to the longitudinal axis of the differential pressure sensor 1) bores and one horizontal bore are required in the converter chamber 3 . It may also make sense to have two filling and closure accesses to make filling easier. The dynamic brakes that may be provided can make filling more difficult or greatly increase the filling times.

4a zeigt eine Explosionsdarstellung einer würfelförmigen Ausgestaltung der Differenzdruckmesszelle 12 und visualisiert, wie die Einzelkomponenten der Differenzdruckmesszelle 12 bzw. der Stromdurchführung 23 in der Wandlerkammer 3 angeordnet sind. Ein isolierender Sockel 31, z.B. ein Keramiksockel oder ein Glassockel, ist mit der Bodenfläche einer Ausnehmung in der Wandlerkammer 3 über einen geeigneten Kleber 30 verbunden. Mittels eines Klebers 32 ist die Druckmesszelle 12, die bevorzugt als drucksensitives Element 13 einen Siliziumchip aufweist, mit dem Keramiksockel 31 verbunden. Zwecks Minimierung des benötigten Ölvolumens bzw. des Volumens der Übertragungsflüssigkeit 16 ist ein Füllkörper 33 vorgesehen, der die Druckmesszelle 12 im Seitenbereich möglichst eng umschließt. Der Füllkörper 33 wird mit einem Deckel 34 verschlossen. Nach außen ist die Wandlerkammer 3 mit einer Verschlusskappe 34 für die Stromdurchführung 23 verschlossen. Die Isolation des Siliziumchips 13 erfolgt über den isolierenden Sockel 31, der beispielsweise aus Exschutzgründen eine Dicke d≥ 0,5mm hat. Weiterhin übernimmt der Füllkörper 33 mit Deckel 34, der z.B. aus einem geeigneten Kunststoff gefertigt ist, die Isolation des Siliziumchips 13 und dessen Bondverbindungen 24. Unterhalb sind die als Kapillarröhrchen 17 ausgestalteten Verbindungskapillaren 10a, 10b gezeigt. 4a shows an exploded view of a cube-shaped configuration of the differential pressure measuring cell 12 and visualizes how the individual components of the differential pressure measuring cell 12 and the current bushing 23 are arranged in the converter chamber 3 . An insulating base 31, such as a ceramic base or a glass base, is bonded to the bottom surface of a recess in the transducer chamber 3 with a suitable adhesive 30. FIG. The pressure measuring cell 12 , which preferably has a silicon chip as the pressure-sensitive element 13 , is connected to the ceramic base 31 by means of an adhesive 32 . For the purpose of minimizing the required volume of oil or the volume of the transmission liquid 16, a filling body 33 is provided, which encloses the pressure measuring cell 12 as closely as possible in the side area. The filling body 33 is closed with a cover 34 . The converter chamber 3 is closed to the outside with a sealing cap 34 for the current feedthrough 23 . The isolation of the Sil ziumchips 13 takes place via the insulating base 31, which has a thickness d≥0.5 mm, for example for explosion protection reasons. Furthermore, the filling body 33 with the cover 34, which is made of a suitable plastic, for example, insulates the silicon chip 13 and its bond connections 24. The connecting capillaries 10a, 10b designed as capillary tubes 17 are shown below.

5 zeigt unterschiedliche Darstellungen vorteilhafter Varianten, wie die elektrische Isolierung zwischen Messwerk 2 und Wandlerkammer 3 über in oder an die Kapillarröhrchen adaptierte Isolationselemente 25, bevorzugt Isolationsröhrchen 25, realisiert werden kann. Bei diesen Ausgestaltungen kann übrigens auf den zuvor beschriebenen eingeklebten Keramiksockel 31 in der Wandlerkammer 3 verzichtet werden. Die elektrische Isolation zwischen Messwerk 2 und Wandlerkammer 3 erfolgt im Bereich der Kapillarröhrchen 17 zwischen den entsprechenden Verbindungskapillaren 10a, 10b oder am Übergang der Kapillarröhrchen 17 zum Messwerk 2 oder zur Wandlerkammer 3. 5 shows different representations of advantageous variants of how the electrical insulation between measuring unit 2 and converter chamber 3 can be realized via insulation elements 25, preferably insulation tubes 25, adapted in or on the capillary tubes. Incidentally, in these configurations, the ceramic base 31 glued in place in the converter chamber 3, as described above, can be dispensed with. The electrical insulation between the measuring mechanism 2 and the converter chamber 3 takes place in the area of the capillary tubes 17 between the corresponding connecting capillaries 10a, 10b or at the transition of the capillary tubes 17 to the measuring mechanism 2 or to the converter chamber 3.

Wie in der linken Darstellung 5 zu sehen ist, können die elektrisch isolierenden Keramikröhrchen 25 in der Wandlerkammer 3 (5a), im Zwischenbereich zwischen Wandlerkammer 3 und Messwerk 2 (5c) oder im Messwerk 2 (5b) ausgeführt sein. Bevorzugt wird durch die Isolation eine Potentialtrennung zur Erde bzw. der internen Masse erreicht. Dies ist erforderlich für die Sicherheitsstufe Ex ia und die elektrische Sicherheit. Die Alternative, dass die Ex-Trennung auch durch entsprechende Ausgestaltung der Dynamikbremsen 18a, 18b erreicht werden kann, wurde ja zuvor bereits erwähnt. Der erfindungsgemäße Differenzdruckmessaufnehmer 1 kann auch im explosionsgefährdeten Bereich eingesetzt werden. Hierzu muss er den Sicherheitsanforderungen ex d genügen, wozu weitere Sicherheitsmaßnahmen erforderlich sind.As in the illustration on the left 5 can be seen, the electrically insulating ceramic tubes 25 in the converter chamber 3 ( 5a) , in the intermediate area between converter chamber 3 and measuring unit 2 ( 5c ) or in measuring element 2 ( 5b) be executed. The insulation preferably achieves potential isolation from ground or the internal ground. This is required for Ex ia safety level and electrical safety. The alternative that the Ex isolation can also be achieved by appropriate design of the dynamic brakes 18a, 18b has already been mentioned above. The differential pressure measuring sensor 1 according to the invention can also be used in potentially explosive areas. To do this, it must meet the ex d safety requirements, for which additional safety measures are required.

6 zeigt eine Wandlerkammer 3 oder deren Komponenten und unterschiedliche Schnitte durch die Wandlerkammer 3. Bei dieser Ausgestaltung ist auch eine Messzelle 27 zur Bestimmung des statischen Drucks vorgesehen. In 6a ist die Stromdurchführung 23 mit einer vorteilhaften Anordnung der Anschluss-Pins 26 für die Differenzdruckmesszelle 14 mit dem drucksensitiven Element 13 und der darüber angeordneten Messzelle 27 zur Bestimmung des statischen Drucks dargestellt. Die PINs 26 sind bevorzugt symmetrisch im Randbereich der beiden bevorzugt übereinander gestapelt angeordneten Druckmesszellen 12, 27 zu finden. Es kann jedoch auch durchaus von Vorteil sein, mindestens einen PIN asymmetrisch zu positionieren, um im späteren Prozess die Weiterverarbeitung, z.B. das Anlöten der Platine sicher zu machen (Poka-Yoke- Prinzip). Entweder enden die PINs 26 alle in einer Ebene oder in parallelen Ebenen. Zwei Pins 1.1, 1.2 der acht Pins 26 (7c) können ohne Isolierung z. B. gelötet sein, da sie auf Masse/Gehäusepotential liegen. 6 shows a converter chamber 3 or its components and different sections through the converter chamber 3. In this embodiment, a measuring cell 27 is also provided for determining the static pressure. In 6a the power feedthrough 23 is shown with an advantageous arrangement of the connection pins 26 for the differential pressure measuring cell 14 with the pressure-sensitive element 13 and the measuring cell 27 arranged above it for determining the static pressure. The PINs 26 are preferably found symmetrically in the edge area of the two pressure measuring cells 12, 27, which are preferably stacked one on top of the other. However, it can also be an advantage to position at least one PIN asymmetrically in order to make subsequent processing, for example soldering on the circuit board, safer later in the process (poka-yoke principle). Either the PINs 26 all end in one plane or in parallel planes. Two pins 1.1, 1.2 of the eight pins 26 ( 7c ) can be used without insulation, e.g. B. soldered, since they are on ground / housing potential.

Die PINS 2 und 3 könnten elektrisch zusammen, also in einem gemeinsamen PIN, auf Potenzial gelegt werden (7b). Die elektrische Isolation erfolgt dann bevorzugt über eine Einglasung. Wenn die Masse-PINS 1.1, 1.2, die den PINs 1, 8 entsprechen, und die PINS 2, 3 für die Spannungsversorgung zusammengefasst sind, liegen die beiden Brücken parallel an der Spannungsversorgung. Gezeigt ist diese Schaltung in 7c.PINS 2 and 3 could be electrically connected together, i.e. in a common PIN, to potential ( 7b) . The electrical insulation then preferably takes place via a glazing. If the ground PINS 1.1, 1.2, which correspond to PINS 1, 8, and PINS 2, 3 for the power supply are combined, the two bridges are connected in parallel to the power supply. This circuit is shown in 7c .

Um die Anforderungen der elektrischen Sicherheit und für den Einsatz im explosionsgefährdeten Bereich zu erfüllen, sind alle PINs 26 so angeordnet bzw. beabstandet, dass eine ausreichende Spannungsfestigkeit sowohl von PIN 26 zu PIN 26 als auch von PIN 26 zum Gehäuse/Masse der Wandlerkammer 3 vorhanden ist. Da das Ölvolumen umso geringer ist, je geringer der Innenraum der Wandlerkammer 3 dimensioniert ist, hat der Innenraum bevorzugt einen Durchmesser von < 10, insbesondere von <8mm.In order to meet the requirements of electrical safety and for use in hazardous areas, all PINs 26 are arranged or spaced such that there is sufficient dielectric strength both from PIN 26 to PIN 26 and from PIN 26 to the housing/ground of the converter chamber 3 is. Since the oil volume is all the smaller, the smaller the interior space of the converter chamber 3 is dimensioned, the interior space preferably has a diameter of <10 mm, in particular <8 mm.

6b zeigt einen Längsschnitt durch die übereinander gestapelten Druckmesszellen 12, 27. Die PINS 26 sind isoliert voneinander durch die Stromdurchführung 30 geführt. Die Stromdurchführung 23 ist druckfest und gas- bzw. flüssigkeitsfest ausgestaltet. Die PINs 26 sind entweder eingelötet oder eingeglast. Alternativ sind sie eingepresst oder impulsgeschweißt. Nur die Masse-PINS sind ohne Isolierung im Gehäuse angeordnet, alle anderen müssen isoliert sein. Dies ist dann möglich, wenn das Gehäuse isoliert über die Kapillaren am Messwerk angebunden ist. Ansonsten müssen alle PINs (auch die Masse-PINS) elektrisch isoliert sein. 6b shows a longitudinal section through the pressure measuring cells 12, 27 stacked one on top of the other. The power feedthrough 23 is designed to be pressure-resistant and gas- or liquid-resistant. The PINs 26 are either soldered or glazed. Alternatively they are pressed in or impulse welded. Only the ground PINS are arranged in the housing without insulation, all others must be insulated. This is possible if the housing is isolated and connected to the measuring unit via the capillaries. Otherwise, all PINs (including the ground PINS) must be electrically isolated.

Zwecks Minimierung des benötigten Ölvolumens, ist die Differenzdruckmesszelle 12 mit den Bonddrähten 24 möglichst eng in den Füllkörper 33 und die Füllkörperkappe 37 eingebettet. Die Füllkörperkappe 37 weist eine Ausnehmung zur Aufnahme des Chips/der Druckmesszelle 27 für den statischen Druck auf. Auf eine Isolierfolie 29 folgt die Verschlusskappe 35. 6c zeigt einen Querschnitt im Bereich der Differenzdruckmesszelle 12, während 6d einen Schnitt im Bereich des Chips 27 zur Messung des statischen Drucks zeigt.In order to minimize the oil volume required, the differential pressure measuring cell 12 with the bonding wires 24 is embedded as closely as possible in the filling body 33 and the filling body cap 37 . The packing cap 37 has a recess for receiving the chip/static pressure cell 27 . The sealing cap 35 follows an insulating film 29. 6c shows a cross section in the area of the differential pressure measuring cell 12, while 6d shows a section in the area of the chip 27 for measuring the static pressure.

In den Figuren 7a, 7b und 7c sind die Schaltungen zu den bereits zuvor erwähnten Anordnungen der PINs 26 gezeigt. Über zwei Widerstandsbrücken werden der Differenzdruck (1.2) und der statische Druck (1.1) gemessen. Die Messwerte werden einer Elektronikplatine 36 zur Weiterverarbeitung zugeleitet. 7a zeigt das prinzipielle Anschlussbild der beiden Si-Chips 13, 27. Um die Schaltung komplett unabhängig betreiben zu können, sind acht PINs 26 erforderlich; minimal sind sechs PINs 26 (7b) erforderlich. 7c zeigt eine Schaltung mit 7 PINs 26. Diese Zwischenlösung hat eine getrennte Plus-Versorgung, aber eine gemeinsame Masse. Der Vorteil, den die Nutzung einer geringeren Zahl von PINs 26 bringt, liegt klar darin, dass Platz eingespart werden kann. Die PINs 26 für den Masseanschluss können auch als direkte Verbindung zwischen dem entsprechenden PIN 26 bzw. den entsprechenden PINs 26 und dem leitfähigen Gehäuse (Metallgehäuse) ausgeführt sein. Die Verbindung kann über Einlöten, Einpressen oder Schweißen realisiert werden.In the figures 7a , 7b and 7c the circuits for the previously mentioned arrangements of the PINs 26 are shown. The differential pressure (1.2) and the static pressure (1.1) are measured via two resistance bridges. The measured values are sent to an electronic circuit board 36 for further processing. 7a shows the principle Connection diagram of the two Si chips 13, 27. In order to be able to operate the circuit completely independently, eight PINs 26 are required; minimum are six PINs 26 ( 7b) necessary. 7c shows a circuit with 7 PINs 26. This interim solution has a separate plus supply, but a common ground. The advantage of using a smaller number of PINs 26 is clearly that space can be saved. The PINs 26 for the ground connection can also be implemented as a direct connection between the corresponding PIN 26 or the corresponding PINs 26 and the conductive housing (metal housing). The connection can be made by soldering, pressing in or welding.

Nachfolgend ist die Funktion der einzelnen in 7 gezeigten PINs 26 aufgeführt:

  • (2), (3): PINs 26 für den Anschluss der Versorgungsspannung,
  • (4), (5): PINs 26 für das Brückenausgangssignal der statischen Druckmesszelle 27,
  • (6), (7): PINs 26 für das Brückenausgangssignal der Differenzdruckmesszelle 14,
  • 1 = (1.1): Versorgungsspannungs-Minusanschluss (Masse),
  • 8 = (1.2): Versorgungsspannungs-Minusanschluss (Masse).
Below is the function of each in 7 shown PINs 26 listed:
  • (2), (3): PINs 26 for connecting the supply voltage,
  • (4), (5): PINs 26 for the bridge output signal of the static pressure measuring cell 27,
  • (6), (7): PINs 26 for the bridge output signal of the differential pressure measuring cell 14,
  • 1 = (1.1): supply voltage minus connection (ground),
  • 8 = (1.2): supply voltage minus connection (ground).

Wie bereits zuvor beschrieben, kann für die Masseanschluss auch ein gemeinsamer PIN 26 verwendet werden.As already described above, a common PIN 26 can also be used for the ground connection.

8 zeigt einen Längsschnitt durch einen schematisch dargestellten Differenzdruckmesssaufnehmer 1. Weiterhin sind in der 8 die unterschiedlichen Zonen A-G aufgelistet, denen der Differenzdruckmessaufnehmer 1 ausgesetzt ist. Da die Zonen in 8 namentlich aufgeführt sind, wird an dieser Stelle auf eine Wiederholung verzichtet. Die eingekreisten Zahlen dokumentieren schematisch Komponenten, die den Prinzipaufbau des erfindungsgemäßen Differenzdruckmessaufnehmers 1 kennzeichnen:

  • ① Innenvolumen, das ev. mit einem Verguss ausgefüllt ist
  • Schweißung zwischen Gehäuseadapter 22 und Messwerk 2
  • ③ Druckzuführung Wandlerkammer 3 - Messwerk 2
  • Druckzuführung zur Wandlerkammer 3
  • Stromdurchführung 23 mit PIN/Einglasung
  • ⑥ Ölverschluss 20
  • ⑧ Trennung zwischen Gehäuse und Sensorrückraum 16
  • ⑨ Exd-Gewinde Gehäuse-Sensor, z.B. über ein Second Containment und/oder einen Verguss
  • Verschlusskappe 35 Stromdurchführung 23 (GDF)
8th shows a longitudinal section through a differential pressure measuring sensor 1 shown schematically 8th lists the different zones AG to which the differential pressure sensor 1 is exposed. Since the zones in 8th are listed by name, they will not be repeated here. The encircled numbers schematically document components that characterize the basic structure of the differential pressure sensor 1 according to the invention:
  • ① Inner volume that may have been filled with encapsulation
  • ② Welding between housing adapter 22 and measuring mechanism 2
  • ③ Pressure supply converter chamber 3 - measuring unit 2
  • ④ Pressure supply to converter chamber 3
  • Power feedthrough 23 with PIN/glazing
  • ⑥ Oil cap 20
  • ⑧ Separation between the housing and the rear of the sensor 16
  • ⑨ Exd thread housing sensor, eg via a second containment and/or encapsulation
  • Closing cap 35 power feedthrough 23 (GDF)

9 zeigt eine Draufsicht auf einen Füllkörper 33, bei dem die Druckmesszelle 12 und die Druckmesszelle 27 für den statischen Druck in einer Ebene angeordnet sind. Die Abstände zwischen den Pins - zu sehen sind in der 9 nur die Ausnehmungen 38 für die Pins von der Stromdurchführung - sind so gewählt, dass eine galvanische Trennung sichergestellt ist. 9 shows a plan view of a packing 33 in which the pressure measuring cell 12 and the pressure measuring cell 27 for the static pressure are arranged in one plane. The distances between the pins - can be seen in the 9 only the recesses 38 for the pins from the power feedthrough - are chosen so that a galvanic isolation is ensured.

BezugszeichenlisteReference List

11
Differenzdruckmessaufnehmerdifferential pressure sensor
22
Messwerkmeasuring mechanism
33
Wandlerkammerconverter chamber
44
Doppelmembransystemdouble membrane system
4a, 4b4a, 4b
erste Doppelmembrane, zweite Doppelmembranefirst double diaphragm, second double diaphragm
5a, 5b5a, 5b
erste Trennmembrane, zweite Trennmembranefirst separating diaphragm, second separating diaphragm
6a, 6b6a, 6b
erste Überlastmembrane, zweite Überlastmembranefirst overload diaphragm, second overload diaphragm
7a, 7b7a, 7b
erste Druckkammer, zweite Druckkammerfirst pressure chamber, second pressure chamber
8a, 8b8a, 8b
erste Zusatzdruckkammer, zweite Zusatzdruckkammerfirst additional pressure chamber, second additional pressure chamber
99
Grundkörperbody
10a, 10b10a, 10b
erste Verbindungskapillare, zweite Verbindungskapillarefirst connection capillary, second connection capillary
11a, 11b11a, 11b
erste Hilfskapillare, zweite Hilfskapillare,first auxiliary capillary, second auxiliary capillary,
1212
Differenzdruckmesszelledifferential pressure measuring cell
1313
drucksensitives Differenzdruckelementpressure-sensitive differential pressure element
14a, 14b14a, 14b
Befüllungsbohrungfilling hole
15a, 15b15a, 15b
Verschlusselementclosure element
1616
Übertragungsflüssigkeit /Hydraulikflüssigkeit / ÖlTransmission Fluid / Hydraulic Fluid / Oil
17a, 17b17a, 17b
Kapillarröhrchencapillary tubes
18a, 18b18a, 18b
Dynamikbremsedynamic brake
1919
Zwischenbereichintermediate area
20a, 20b20a, 20b
Dynamikbremsedynamic brake
2121
Prozessanschlussprocess connection
2222
Gehäuseadapterhousing adapter
2323
Stromdurchführungcurrent feedthrough
2424
Bondverbindungbond connection
2525
Isolationsröhrchenisolation tube
2626
PINpin code
2727
Messzelle zur Bestimmung des Statischen DrucksMeasuring cell for determining the static pressure
2828
Füllkörperkappe mit AusnehmungPacking cap with recess
2929
Isolationsfolie / PTFE FolieInsulation film / PTFE film
3030
Kleber für Klebung des Isolationssockels (Keramiksockels)Adhesive for gluing the insulation base (ceramic base)
3131
Keramiksockelceramic base
3232
Kleber für Klebung der DruckmesszelleAdhesive for gluing the pressure measuring cell
3333
Füllkörperrandom packing
3434
Füllkörperdeckelpacking cover
3535
Verschlusskappe für StromdurchführungClosing cap for power feedthrough
3636
Elektronikplatineelectronics board
3737
Füllkörperkappefill cap
3838
Ausnehmung für PinRecess for pin

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

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Claims (19)

Differenzdruckmessaufnehmer (1) zur Bestimmung des Differenzdrucks von zwei Drücken (p1, p2) mit einem Messwerk (2) und einer Wandlerkammer (3), wobei an oder in einem dem Prozess zugewandten Endbereich des Messwerks (2) ein koplanares Doppelmembransystem (4) mit zwei Doppelmembranen (4a, 4b) vorgesehen ist und wobei in der Wandlerkammer (3) eine Differenzdruckmesszelle (12) mit einem drucksensitiven Element (13) angeordnet ist, wobei die beiden Doppelmembranen (4a, 4b) jeweils aus einer Trennmembrane (5a, 5b) und einer in Richtung der Druckwirkung hinter der Trennmembrane (5a, 5b) angeordneten Überlastmembrane (6a, 6b) bestehen, wobei zwischen der ersten Trennmembrane (5a) und der ersten Überlastmembrane (6a) eine erste Druckkammer (7a) und zwischen der ersten Überlastmembrane (6a) und dem Grundkörper (9) eine erste Zusatzdruckkammer (8a) ausgebildet ist, wobei zwischen der zweiten Trennmembrane (5b) und der zweiten Überlastmembrane (6b) eine zweite Druckkammer (7b) und zwischen der zweiten Überlastmembrane (6b) und dem Grundkörper (9) eine zweite Zusatzdruckkammer (8b) ausgebildet ist, wobei der ersten Zusatzdruckkammer (8a) eine erste Verbindungskapillare (10a) zugeordnet ist, wobei der zweiten Zusatzdruckkammer (8b) eine zweite Verbindungskapillare (10b) zugeordnet ist, wobei der ersten Druckkammer (7a) eine erste Hilfskapillare (11 a) zugeordnet ist, und wobei der zweiten Druckkammer (7b) eine zweite Hilfskapillare (11b) zugeordnet ist, wobei eine druckübertragende Kopplung zwischen der ersten Hilfskapillare (11a) und der zweiten Verbindungskapillare (10b) bzw. zwischen der zweiten Hilfskapillare (11b) und der ersten Verbindungskapillare (10a) in dem Messwerk (2) angeordnet ist, und wobei die beiden Drücke (p1, p2) über die entsprechenden Hilfs- und Verbindungskapillaren (10a, 10b, 11a, 11b) - gegen einseitigen Überdruck geschützt - hydraulisch zu der Differenzdruckmesszelle (12) übertragen werden. Differential pressure sensor (1) for determining the differential pressure of two pressures (p1, p2) with a measuring unit (2) and a converter chamber (3), with a coplanar double membrane system (4) on or in an end area of the measuring unit (2) facing the process two double membranes (4a, 4b) are provided and a differential pressure measuring cell (12) with a pressure-sensitive element (13) is arranged in the converter chamber (3), the two double membranes (4a, 4b) each consisting of a separating membrane (5a, 5b) and an overload membrane (6a, 6b) arranged behind the separating membrane (5a, 5b) in the direction of the pressure effect, with a first pressure chamber (7a) between the first separating membrane (5a) and the first overload membrane (6a) and between the first overload membrane ( 6a) and the base body (9) a first additional pressure chamber (8a) is formed, wherein between the second separating membrane (5b) and the second overload membrane (6b) a second pressure chamber (7b) and between the z wide overload membrane (6b) and the base body (9), a second additional pressure chamber (8b) is formed, with the first additional pressure chamber (8a) being assigned a first connecting capillary (10a), with the second additional pressure chamber (8b) being assigned a second connecting capillary (10b). a first auxiliary capillary (11a) is assigned to the first pressure chamber (7a), and a second auxiliary capillary (11b) is assigned to the second pressure chamber (7b), a pressure-transmitting coupling between the first auxiliary capillary (11a) and the second Connecting capillary (10b) or between the second auxiliary capillary (11b) and the first connecting capillary (10a) in the measuring unit (2) is arranged, and the two pressures (p1, p2) via the corresponding auxiliary and connecting capillaries (10a, 10b , 11a, 11b) - protected against overpressure on one side - are transmitted hydraulically to the differential pressure measuring cell (12). Differenzdruckmessaufnehmer nach Anspruch 1, wobei die Überlastmembranen (6a, 6b) derart vorgespannt sind, dass sie an dem Grundkörper (9) anliegen und sich erst dann von dem Grundkörper (9) abheben, wenn ein vorgegebener kritischer Grenzdruck überschritten wird.differential pressure sensor claim 1 , wherein the overload membranes (6a, 6b) are prestressed in such a way that they rest against the base body (9) and only lift off from the base body (9) when a predetermined critical limit pressure is exceeded. Differenzdruckmessaufnehmer nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Messwerk (2) in einem Prozessanschluss (21) angeordnet ist, wobei der Prozessanschluss (21) in dem dem Prozess zugewandten Bereich einen Durchmesser aufweist der größer ist als der Durchmesser in dem vom Prozess abgewandten Bereich, in dem er mit einem Gehäuseanschluss (22) druck-, gas- und/oder flüssigkeitsdicht verbunden ist.differential pressure sensor claim 1 or 2 , wherein the measuring mechanism (2) is arranged in a process connection (21), the process connection (21) in the area facing the process having a diameter which is larger than the diameter in the area facing away from the process, in which it is connected to a housing connection (22) is pressure-tight, gas-tight and/or liquid-tight. Differenzdruckmessaufnehmer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei es sich bei den Hilfskapillaren (11a, 11b) im Messwerk (2) und den Verbindungskapillaren (10a, 10b) im Messwerk (2) und in der Wandlerkammer (3) um Kapillarbohrungen und/oder Kapillarröhrchen handelt.Differential pressure sensor according to one or more of the preceding claims, wherein the auxiliary capillaries (11a, 11b) in the measuring mechanism (2) and the connecting capillaries (10a, 10b) in the measuring mechanism (2) and in the converter chamber (3) are capillary bores and/or or capillary tubes. Differenzdruckmessaufnehmer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verbindungskapillaren (10a, 10b) zwischen Messwerk (2) und Wandlerkammer (3) im Wesentlichen parallel zur Längsachse des Messwerks (2) verlaufen, und wobei die Verbindungskapillaren (10a, 10b) zwischen Messwerk (2) und Wandlerkammer (3) in einem Zwischenbereich zwischen Messwerk (2) und Wandlerkammer (3) als Kapillarröhrchen (17a, 17b) ausgebildet sind.Differential pressure sensor according to one or more of the preceding claims, wherein the connecting capillaries (10a, 10b) between the measuring mechanism (2) and the converter chamber (3) run essentially parallel to the longitudinal axis of the measuring mechanism (2), and the connecting capillaries (10a, 10b) between the measuring mechanism (2) and the converter chamber (3) being designed as capillary tubes (17a, 17b) in an intermediate region between the measuring mechanism (2) and the converter chamber (3). Differenzdruckmessaufnehmer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Verbindungskapillaren (10a, 10b) und/oder die Hilfskapillaren (11a, 11b) derart ausgestaltet und/oder dimensioniert sind, dass ein über dem vorgegebenen kritischen Grenzdruck liegender Überdruck (peÜL) mittels des Überlastschutzes begrenzt wird ist, bevor der Überdruck an die Differenzdruckmesszelle (12) übertragen wird.Differential pressure sensor according to one or more of Claims 1 until 5 , wherein the connecting capillaries (10a, 10b) and/or the auxiliary capillaries (11a, 11b) are designed and/or dimensioned in such a way that an overpressure (peÜL) above the predetermined critical limit pressure is limited by means of the overload protection before the overpressure the differential pressure measuring cell (12) is transmitted. Differenzdruckmessaufnehmer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, wobei in den Druckpfaden (10a, 10b; 17a, 17b) in jede der Verbindungskapillaren (10a, 10b) und/oder Kapillarröhren (17a, 17b) mindestens eine Druckdynamikbremse (18a, 18b) eingesetzt ist.Differential pressure sensor according to one or more of Claims 1 until 6 wherein in the pressure paths (10a, 10b; 17a, 17b) at least one pressure dynamic brake (18a, 18b) is inserted in each of the connecting capillaries (10a, 10b) and/or capillary tubes (17a, 17b). Differenzdruckmessaufnehmer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Hilfskapillaren (11a, 11b) in einem ersten Abschnitt im Wesentlichen parallel zur Längsachse (L) des Differenzdruckaufnehmers (1) aus der entsprechenden Druckkammer (7a, 7b) herausgeführt sind und in einem zweiten Abschnitt unter einem Richtungswechsel von näherungsweise 90° zu der entsprechenden Verbindungskapillaren (10b, 10a) geführt sind.Differential pressure sensor according to one or more of the preceding claims, wherein the auxiliary capillaries (11a, 11b) are led out of the corresponding pressure chamber (7a, 7b) in a first section essentially parallel to the longitudinal axis (L) of the differential pressure sensor (1) and in a second section with a change of direction of approximately 90° to the corresponding connecting capillaries (10b, 10a). Differenzdruckmessaufnehmer nach Anspruch 8, wobei zwei Befüllungsbohrungen (14a, 14b) zur Befüllung des Hydrauliksystems des Differenzdrucksensors (1) mit einer Hydraulikflüssigkeit (16) in Verlängerung der im zweiten Abschnitt verlaufenden Hilfskapillaren (11a, 11b) vorgesehen sind, wobei die Befüllungsbohrungen (14a, 14b) jeweils mittels eines Verschlusselements (15a, 15b) nach dem Befüllen mit der Hydraulikflüssigkeit (16) druckdicht und gasdicht oder zumindest flüssigkeitsdicht verschlossen werden.differential pressure sensor claim 8 , two filling bores (14a, 14b) for filling the hydraulic system of the differential pressure sensor (1) with a hydraulic fluid (16) being provided as an extension of the auxiliary capillaries (11a, 11b) running in the second section, the filling bores (14a, 14b) each being of a closure element (15a, 15b) after being filled with the hydraulic fluid (16) in a pressure-tight and gas-tight or at least liquid-tight manner. Differenzdruckmessaufnehmer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei Befüllungsbohrungen (14a, 14b) entweder im dem Prozess zugewandten Bereich des Prozessanschlusses (21) oder in dem vom Prozess abgewandten Bereich des Prozessanschlusses (21) verlaufen, so dass Befüllungsbohrungen (14a, 14b) korrosionsgeschützt innerhalb des Gehäuseadapters angeordnet sind.Differential pressure sensor according to one or more of the preceding claims, wherein filling holes (14a, 14b) run either in the area of the process connection (21) facing the process or in the area of the process connection (21) facing away from the process, so that filling holes (14a, 14b) are protected against corrosion are arranged within the housing adapter. Differenzdruckmessaufnehmer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei elektrische Verbindungspins (26) gasdicht durch einen der vom Prozess abgewandten Endbereiche der Wandlerkammer (3) in Richtung einer Elektronikplatine (36) geführt sind.Differential pressure sensor according to one or more of the preceding claims, wherein electrical connection pins (26) are guided in a gas-tight manner through one of the end regions of the converter chamber (3) facing away from the process in the direction of an electronic circuit board (36). Differenzdruckmessaufnehmer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei in den Verbindungskapillaren (10a, 10b, 17a,17b) elektrische Isolatoren vorgesehen sind, die die Wandlerkammer (3) elektrisch von dem Messwerk (2) isolieren.Differential pressure sensor according to one or more of the preceding claims, electrical insulators being provided in the connecting capillaries (10a, 10b, 17a, 17b) which electrically insulate the converter chamber (3) from the measuring unit (2). Differenzdruckmessaufnehmer nach Anspruch 12 oder einem der vorhergehenden Ansprüche 1-11, wobei die Verbindungskapillaren (10a, 10b, 17a, 17b) zumindest abschnittweise mit einem elektrischen Isolator (25), insbesondere einem Keramikisolierkörper oder einer isolierenden Einglasung, versehen sind, und/oder über eine gasdichte Verbindung in den entsprechenden Kapillaren des Messwerks (2) und/oder der Wandlerkammer (3) oder den Kapillarröhrchen 17a, 17b) befestigt sind.differential pressure sensor claim 12 or any of the preceding Claims 1 - 11 , wherein the connecting capillaries (10a, 10b, 17a, 17b) are provided at least in sections with an electrical insulator (25), in particular a ceramic insulating body or an insulating glazing, and/or via a gas-tight connection in the corresponding capillaries of the measuring unit (2) and/or the converter chamber (3) or the capillary tubes 17a, 17b). Differenzdruckmessaufnehmer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrischen Isolatoren (25) in der Wandlerkammer (3) und/oder im Messwerk (2) und/oder im Zwischenraum zwischen Messwerk (2) und Wandlerkammer (3) vorgesehen sind.Differential pressure sensor according to one or more of the preceding claims, wherein the electrical insulators (25) are provided in the converter chamber (3) and/or in the measuring mechanism (2) and/or in the space between the measuring mechanism (2) and the converter chamber (3). Differenzdruckmessaufnehmer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrischen Isolatoren (25) jeweils als Zwischenstücke in die als Kapillarröhrchen (17a, 17b) ausgestalteten Verbindungskapillaren (10a, 10b) integriert sind.Differential pressure sensor according to one or more of the preceding claims, wherein the electrical insulators (25) are each integrated as intermediate pieces in the connecting capillaries (10a, 10b) designed as capillary tubes (17a, 17b). Differenzdruckmessaufnehmer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei dem drucksensitiven Element (13) um einen Siliziumchip handelt, und wobei der Differenzdruck (p2-p1) über ein kapazitives oder resistives Messverfahren oder Resonator ermittelt wird.Differential pressure sensor according to one or more of the preceding claims, wherein the pressure-sensitive element (13) is a silicon chip, and wherein the differential pressure (p2-p1) is determined using a capacitive or resistive measuring method or resonator. Differenzdruckmessaufnehmer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wandlerkammer (3) so ausgestaltet ist, dass auf der Niederdruckseite (-) und der Hochdruckseite (+) gleiche Übertragungsflüssigkeits-Volumina vorhanden sind.Differential pressure sensor according to one or more of the preceding claims, wherein the converter chamber (3) is designed in such a way that the same transmission liquid volumes are present on the low-pressure side (-) and the high-pressure side (+). Differenzdruckmessaufnehmer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der Wandlerkammer (3) ein drucksensitives Element (27) zur Messung des statischen Drucks vorgesehen ist.Differential pressure sensor according to one or more of the preceding claims, wherein a pressure-sensitive element (27) for measuring the static pressure is provided in the converter chamber (3). Differenzdruckmessaufnehmer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei das drucksensitive Element (13) zur Messung des Differenzdrucks (dp) und das drucksensitive Element (27) zur Messung des statischen Drucks (pstat) übereinander gestapelt oder nebeneinander in der Wandlerkammer (3) angeordnet sind.Differential pressure sensor according to one or more of the preceding claims, wherein the pressure-sensitive element (13) for measuring the differential pressure (dp) and the pressure-sensitive element (27) for measuring the static pressure (pstat) are stacked on top of one another or arranged next to one another in the converter chamber (3). .
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