DE102020121584A1 - Differential pressure sensor for determining the differential pressure of two pressures - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen 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 (11a) zugeordnet ist, 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) und zwischen der zweiten Hilfskapillare (11b) und der ersten Verbindungskapillare (10a) in einem Zwischenmodul (19) angeordnet ist, das zwischen dem Messwerk (2) und der Wandlerkammer (3) vorgesehen ist, wobei die beiden Drücke (p1, p2) über die Verbindungskapillare (10a, 10b) - gegen einen einseitigen Überdruck geschützt - hydraulisch zu der Differenzdruckmesszelle (12) übertragen werden.The invention relates to a 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 membrane system on or in an end region of the measuring mechanism (2) facing the process (4) is provided with two double membranes (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 overload diaphragm (6a, 6b) arranged behind the separating diaphragm (5a, 5b) in the direction of the pressure effect, with a first pressure chamber (7a) between the first separating diaphragm (5a) and the first overload diaphragm (6a) and between of the first overload diaphragm (6a) and the base body (9), a first additional pressure chamber (8a) is formed, with a second pressure chamber between the second separating diaphragm (5b) and the second overload diaphragm (6b). chamber (7b) and a second additional pressure chamber (8b) is formed between the second overload diaphragm (6b) and the base body (9), a first connecting capillary (10a) being assigned to the first additional pressure chamber (8a), the second additional pressure chamber (8b) a second connecting capillary (10b) is assigned, a first auxiliary capillary (11a) being assigned to the first pressure chamber (7a), a second auxiliary capillary (11b) being assigned to the second pressure chamber (7b), a pressure-transmitting coupling between the first auxiliary capillary ( 11a) and the second connecting capillary (10b) and between the second auxiliary capillary (11b) and the first connecting capillary (10a) in an intermediate module (19) which is provided between the measuring unit (2) and the converter chamber (3), wherein the two pressures (p1, p2) via the connecting capillary (10a, 10b)—protected against overpressure on one side—are hydraulically transmitted to the differential pressure measuring cell (12). the.
Description
Die Erfindung betrifft einen Differenzdruckmessaufnehmer zur Bestimmung des Differenzdrucks von zwei Drücken. Bevorzugt wird der erfindungsgemäße Differenzdruckmessaufnehmer im Bereich der Automatisierungstechnik eingesetzt.The invention relates to a 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
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
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 im spezifizierten Messbereich 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 the hydraulic transmission fluid is usually in the specified measuring range almost incompressible oil, for example a silicone oil.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen 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 und wobei in der Wandlerkammer eine Differenzdruckmesszelle mit einem drucksensitiven Element angeordnet ist. Bevorzugt handelt es sich bei dem drucksensitiven Element um einen Siliziumchip. Der Differenzdruck wird über ein kapazitives oder resistives Messverfahren oder einen Resonator ermittelt.The object is achieved by a differential pressure sensor for determining the differential pressure of two pressures with a measuring mechanism and a converter chamber, with a coplanar double membrane system with two double membranes being provided on or in an end region of the measuring mechanism facing the process and with a differential pressure measuring cell with a pressure-sensitive one in the converter chamber element is arranged. The pressure-sensitive element is preferably a silicon chip. The differential pressure is determined using a capacitive or resistive measuring method or a resonator.
Die beiden Doppelmembranen bestehen jeweils aus einer Trennmembrane und einer in Richtung der Druckwirkung hinter der Trennmembrane angeordneten Überlastmembrane. Zwischen der ersten Trennmembrane und der ersten Überlastmembrane ist eine erste Druckkammer und zwischen der ersten Überlastmembrane und dem Grundkörper eine erste Zusatzdruckkammer ausgebildet. Weiterhin ist zwischen der zweiten Trennmembrane und der zweiten Überlastmembrane eine zweite Druckkammer und zwischen der zweiten Überlastmembrane und dem Grundkörper eine zweite Zusatzdruckkammer ausgebildet. Der ersten Zusatzdruckkammer ist eine erste Verbindungskapillare zugeordnet, und der zweiten Zusatzdruckkammer ist eine zweite Verbindungskapillare zugeordnet ist. Darüber hinaus sind der ersten Druckkammer eine erste Hilfskapillare und der zweiten Druckkammer eine zweite Hilfskapillare zugeordnet. Eine druckübertragende Kopplung zwischen der ersten Hilfskapillare und der zweiten Verbindungskapillare und zwischen der zweiten Hilfskapillare und der ersten Verbindungskapillare, sprich eine Kreuzung der Hilfs- und Verbindungskapillaren, ist in einem Zwischenmodul angeordnet, das zwischen dem Messwerk und der Wandlerkammer als separate Einheit vorgesehen. Die beiden Drücke werden über die Verbindungskapillare - gegen einen einseitigen Überdruck geschützt - hydraulisch zu der Differenzdruckmesszelle übertragen.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. A first pressure chamber is formed between the first separating diaphragm and the first overload diaphragm, and a first additional pressure chamber is formed between the first overload diaphragm and the base body. Furthermore, a second pressure chamber is formed between the second separating diaphragm and the second overload diaphragm, and a second additional pressure chamber is formed between the second overload diaphragm and the base body. A first connection capillary is assigned to the first additional pressure chamber, and a second connection capillary is assigned to the second additional pressure chamber. In addition, a first auxiliary capillary is associated with the first pressure chamber and a second auxiliary capillary is associated with the second pressure chamber. A pressure-transmitting coupling between the first auxiliary capillary and the second connecting capillary and between the second auxiliary capillary and the first connecting capillary, i.e. a crossing of the auxiliary and connecting capillaries, is arranged in an intermediate module that is provided as a separate unit between the measuring mechanism and the converter chamber. The two pressures are transmitted hydraulically to the differential pressure measuring cell via the connecting capillary - protected against overpressure on one side.
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, dazwischen befindet sich das Zwischenmodul, in dem die Kreuzungen der Hilfskapillaren und er Verbindungskapillaren angeordnet sind. Von dem Zwischenmodul gehen nur die beiden Verbindungsleitungen zur Wandlerkammer;
- - Aufgrund des Abstands zwischen Messwerk und Wandlerkammer lässt sich eine gute mechanische und thermische Entkopplung zwischen Messwerk und Wandlerkammer erreichen.
- - 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.
- - Eine schnelle Reaktionszeit des Überlastschutzes wird über die Dimensionierung der Hilfs- und Verbindungsleitungen und ggf. über in die Leitungen eingebrachte Dynamikbremsen erreicht.
- - Aufgrund der günstigen Lage der Befüllungsöffnungen im Zwischenmodul lässt sich die Menge der Hydraulikflüssigkeit, insbesondere des Silikonöls, geringhalten.
- - 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;
- - 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, between them is the intermediate module, in which the crossings of the auxiliary capillaries and the connecting capillaries are arranged. Only the two connecting lines to the converter chamber go from the intermediate module;
- - Due to the distance between the measuring mechanism and the converter chamber, a good mechanical and thermal decoupling between the measuring mechanism and the converter chamber can be achieved.
- - 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.
- - A fast reaction time of the overload protection is achieved by the dimensioning of the auxiliary and connecting lines and, if necessary, by the dynamic brakes incorporated in the lines.
- - Due to the favorable position of the filling openings in the intermediate module, the amount of hydraulic fluid, in particular the silicone oil, can be kept 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;
Das Messwerk und die Wandlerkammer, beides separate Komponenten, sind über eine weitere Komponente, das Zwischenmodul, räumlich voneinander getrennt bzw. beide Komponenten sind über das Zwischenmodul voneinander abgesetzt. Hierdurch wird eine mechanische Entkopplung zwischen dem Messwerk und der sensitiven Differenzdruckmesszelle, die sich in der Wandlerkammer befindet, erreicht. Die Fügestellen zwischen den Komponenten sind natürlich druckfest und gasdicht ausgestaltet. Aufgrund des reduzierten Ölvolumens ist der Messfehler des erfindungsgemäßen Differenzdrucksensors, der durch den Temperaturgradienten erzeugt wird, relativ gering. Weiterhin ermöglicht ein kleines Ölvolumen auch die Verwendung kleinerer Membrandurchmesser, was für die Realisierung eines koplanaren Differenzdruckmessaufnehmers mit einem effektiven Überlastschutz sehr vorteilhaft ist: Je geringer der Durchmesser der Membranen, um so sensitiver arbeitet der Differenzdruckmessaufnehmer im Bereich sehr geringer Druckänderungen. Daher ist der erfindungsgemäße Drucksensor auch für den Einsatz in kleinen Messbereichen, also bei geringeren zu messenden Druckänderungen, geeignet. Der Grund dafür ist darin zu sehen, dass bei einem kleinen Messbereich die Ansteuerung bzw. die Auslenkung der Membranen geringgehalten werden kann, was sich in kleineren Messfehlern niederschlägt.The measuring mechanism and the converter chamber, both separate components, are spatially separated from one another via a further component, the intermediate module, or both components are separated from one another via the intermediate module. This achieves a mechanical decoupling between the measuring unit and the sensitive differential pressure measuring cell, which is located in the converter chamber. The joints between the components are of course designed to be pressure-resistant and gas-tight. Due to the reduced oil volume, the measurement error of the differential pressure sensor according to the invention, which is generated by the temperature gradient, is relatively small. Furthermore, a small oil volume also enables the use of smaller diaphragm diameters, which is very advantageous for the realization of a coplanar differential pressure sensor with effective overload protection: the smaller the diameter of the diaphragms, the more sensitive the differential pressure sensor works in the range of very small pressure changes. The pressure sensor according to the invention is therefore also suitable for use in small measuring ranges, that is to say when the pressure changes to be measured are small. The reason for this can be seen in the fact that with a small measuring range, the activation or deflection of the membranes can be kept low, which is reflected in 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 Zusatzmembranen derart vorgespannt, dass sie vollflächig und formschlüssig 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. Eine Prozessmembrane/Trennmembrane, die u.a. in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Lösung eingesetzt werden kann, ist z.B. in der
Infolge der 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 Minus- bzw. der Plusseite 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. Hierbei werden auch Alterungseffekte berücksichtigt, so dass die vorgegebene Vorspannung über die gesamte Lebenszeit des Differenzdruckmessaufnehmers sichergestellt ist.As a result of the full-area 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 minus or plus 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. Aging effects are also taken into account here, so that the specified preload is ensured over the entire service life of the differential pressure sensor.
Im normalen Messbetrieb erhält 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 von Überlastmembranen und drucksensitivem Element wirken die an den beiden Seiten des drucksensitiven Elements anliegenden Drücke auch auf die Rückseiten 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 formschlüssigen Anlage der Überlastmembranen am Grundkörper des Messwerks nahezu vernachlässigbar.In normal measuring operation, the pressure-sensitive element receives the pressure information for the plus side via the second pressure chamber, the second auxiliary capillary and the first connection 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 of overload membranes and pressure-sensitive element, the pressures applied to both sides of the pressure-sensitive element also act on the backs of the corresponding overload membranes. 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 form-fitting contact of the overload membranes on the base body 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. Aufgrund der hydraulischen Kopplung wird bei Überschreiten der Vorspannung der ersten Überlastmembrane 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. Das Verschieben endet, wenn alle 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 membranes ensures that they are only deflected when a critical overpressure occurs on one of the double membranes, 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. Due to the hydraulic coupling, 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. Shifting ends when all 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.
Bevorzugt handelt es sich bei den im Zwischenmodul angeordneten Verbindungskapillaren und Hilfskapillaren um Kapillarbohrungen.The connecting capillaries and auxiliary capillaries arranged in the intermediate module are preferably capillary bores.
Weiterhin handelt es sich auch bei den Verbindungskapillaren und den Hilfskapillaren im Messwerk und bei den Verbindungskapillaren in der Wandlerkammer um Kapillarbohrungen. Diese verlaufen bevorzugt im Wesentlichen parallel zur Längsachse des Differenzdruckaufnehmers. Bevorzugt sind die Übergänge zwischen den Verbindungskapillaren und den Hilfskapillaren von Messwerk und Zwischenmodul über Kapillarröhrchen realisiert, die in den Bohrungen druckfest, kraftschlüssig und gasdicht befestigt sind. Gleiches gilt bevorzugt für die Verbindung der Verbindungskapillaren von Zwischenmodul und Wandlerkammer über Kapillarröhrchen.Furthermore, the connecting capillaries and the auxiliary capillaries in the measuring unit and the connecting capillaries in the converter chamber are also capillary bores. These preferably run essentially parallel to the longitudinal axis of the differential pressure sensor. The transitions between the connecting capillaries and the auxiliary capillaries of the measuring mechanism and intermediate module are preferably realized via capillary tubes which are fastened in the bores in a pressure-tight, non-positive and gas-tight manner. The same preferably applies to the connection of the connection capillaries of the intermediate module and converter chamber via capillary tubes.
Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass das Messwerk in einem Prozessanschluss angeordnet ist, wobei der Prozessanschluss im dem Prozess zugewandten Bereich einen Durchmesser aufweist der größer ist als der Durchmesser im vom Prozess abgewandten Bereich, in dem er mit dem Zwischenmodul bzw. dem Gehäuseadapter druck-, gas- und/oder flüssigkeitsdicht verbunden ist. 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 measuring unit be 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 pressure-, gas and / or liquid-tight is connected. Due to the separation of measuring mechanism and converter chamber, it is also possible in a simple manner to provide an electrically isolated separation between the two components—measuring mechanism and converter chamber - to realize. More on that later.
Um sicherzustellen, dass eine einseitige 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 bzw. in die Verbindungskapillare zwischen Messwerk und Zwischenmodul oder zwischen Zwischenmodul 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 a one-sided 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 a pressure above the specified critical limit pressure is reached Overpressure is 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 from pressure peaks, dynamic brakes are installed in the connecting lines or in the connecting capillary between the measuring unit and the intermediate module or between the intermediate module and the converter chamber, according to one embodiment of the differential pressure sensor. The dynamic brakes are flow resistances, e.g. 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 im Zwischenmodul in einem ersten Abschnitt in einem dem Messwerk zugewandten Bereich im Wesentlichen parallel zur Längsachse des Differenzdruckaufnehmers verlaufen 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 intermediate module in a first section run essentially parallel to the longitudinal axis of the differential pressure sensor in an area facing the measuring unit and in a second section are routed with a change of direction of approximately 90° to the corresponding connecting capillaries.
Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Differenzdruckmessaufnehmers schlägt vor, dass am Zwischenmodul zwei Befüllungsbohrungen zur Befüllung des Hydrauliksystems des Differenzdruckmessaufnehmers mit einer Hydraulikflüssigkeit vorgesehen sind, wobei die Befüllungsbohrungen in Verlängerung der im zweiten Abschnitt verlaufenden Hilfskapillaren vorgesehen sind. Die Befüllungsbohrungen sind jeweils mittels eines Verschlusselements nach dem Befüllen mit der Hydraulikflüssigkeit 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 Differenzdruckmessaufnehmers, 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 two filling holes for filling the hydraulic system of the differential pressure sensor with a hydraulic fluid are provided on the intermediate module, the filling holes being provided as an extension of the auxiliary capillaries running in the second section. The filling bores are each closed in a pressure-tight and gas-tight or at least liquid-tight manner by means of a closure element after filling with the hydraulic fluid. 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 closure element is far out, i.e. close to the outer wall of the differential pressure sensor, the required amount of transmission fluid can be reduced by inserting filling elements, e.g. filling rods, into the filling bores.
Durch die Anordnung der Ausgänge der Befüllungsöffnungen im Sensorrückraum und damit im Innenraum des Differenzdruckmessaufnehmers sind die Befüllungsbohrungen - hinter den Verschlusselementen - korrosionsgeschützt. Weiterhin können die entsprechenden Bereiche der Befüllungsbohrungen nach außen hin auch noch vergossen sein; dies ist jedoch aufgrund der vom Außenraum abgeschlossenen Lage der Befüllungsbohrungen innerhalb des Gehäuseadapters nicht unbedingt erforderlich.Due to the arrangement of the outlets of the filling openings in the rear of the sensor and thus in the interior of the differential pressure sensor, the filling holes - behind the closing elements - are protected against corrosion. Furthermore, the corresponding areas of the filling bores can also be cast on the outside; however, this is not absolutely necessary due to the closed position of the filling bores within the housing adapter from the outside.
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 in den Verbindungs- oder Hilfskapillaren des Messwerks und/oder des Zwischenmoduls und/oder in den Verbindungskapillaren der Wandlerkammer, insbesondere in den Übergängen der Verbindungskapillaren zur Wandlerkammer angeordnet sein. Bei einem isolierenden Zusatzelement kann es sich insbesondere einem Keramikisolierkörper oder um eine isolierende Einglasung handeln. Die Verbindung muss gasdicht ausgestaltet sein: entweder handelt es sich um eine Lötverbindung oder eine Einglasung. Wie gesagt, können die elektrischen Isolatoren in der Wandlerkammer und/oder im Messwerk und/oder in dem Zwischenmodul 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 mechanism. The electrical insulation of the converter chamber from the measuring mechanism is preferably carried out via additional elements. These can be arranged in the connecting or auxiliary capillaries of the measuring unit and/or the intermediate module and/or in the connecting capillaries of the converter chamber, in particular in the transitions between the connecting capillaries and 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 it is a soldered connection or a glazing. As stated, the electrical insulators can be provided in the converter chamber and/or in the measuring mechanism and/or in the intermediate module 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;
- - Der bislang erforderliche isolierende Keramiksockel 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) erreichen, was sich in einem geringeren statischen Druckfehler niederschlägt. 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.
- - 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 insulating ceramic base 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 you take a silicon base instead of the usual glass base, a more favorable thermal behavior can be achieved ten (T-hysteresis), which is reflected in a lower static pressure error. 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, minimum insulation distances are required for safe electrical operation. 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 wird die Gasdichtigkeit über Glasdurchführungen erreicht. Da die Wandlerkammer elektrisch von dem Messwerk isoliert ist, können die Glasdurchführungs-PINs kleiner ausfallen und sind somit druckfester. 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. The gas-tightness is preferably achieved via glass bushings. Because the transducer chamber is electrically isolated from the metering mechanism, the glass feedthrough PINs can be smaller and therefore more pressure resistant. 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 ist, 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 nur 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, also quasi in einer Ebene, 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 reduction in the size of the PINs comes into play: since the PINs are smaller, the four additional PINs that 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, that is to say virtually in one plane.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
-
1 : eine Darstellung, die den Aufbau eines erfindungsgemäßen Differenzdruckaufnehmers schematisch skizziert, -
2 : eine Skizze des Verlaufs der Verbindungs- und Hilfsverbindungsleitungen bei einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Differenzdrucksaufnehmers, -
3a : eine schematische Darstellung der in2 gezeigte Ausgestaltung im Überdruck- bzw. Überlastfall, -
3b eine realistischere Darstellung der Arbeitsweise des koplanaren Differenzdruckmessaufnehmers im Messbetrieb, -
3c : eine realistischere Darstellung der Arbeitsweise des koplanaren Differenzdruckmessaufnehmers im Überlastfall, -
4 : eine perspektivische Ansicht 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.
-
1 : an illustration that schematically outlines the structure of a differential pressure sensor according to the invention, -
2 : a sketch of the course of the connecting and auxiliary connecting lines in an embodiment of the differential pressure sensor according to the invention, -
3a : a schematic representation of the in2 configuration shown in the case of overpressure or overload, -
3b a more realistic representation of the mode of operation of the coplanar differential pressure sensor in measurement mode, -
3c : a more realistic representation of the operation of the coplanar differential pressure transducer in the event of an overload, -
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 of how the electrical insulation between the measuring mechanism and the converter chamber is achieved, -
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
In
Der koplanare Differenzdruckmessaufnehmer 1 besteht aus einem Messwerk 2, einer Wandlerkammer 3 und einem zwischen beiden Komponenten 2, 3 angeordneten Zwischenmodul 19. Das Messwerk 2 ist in dem Prozessanschluss 21 angeordnet. Der Prozessanschluss 21 hat im dem Prozess zugewandten Bereich einen größeren Durchmesser als im vom Prozess abgewandten Bereich. Das Zwischenmodul 19 befindet sich im Gehäuseadapter 22. Prozessanschluss 21 und Gehäuseadapter 22 sind druck-, gas- und/oder flüssigkeitsdicht über die Fügung 20 miteinander verbunden.The coplanar
Das Messwerk 2 weist in seinem dem Prozess zugewandten Endbereich zwei in einer Ebene liegende Doppelmembranen 4a, 4b auf, die zusammen das koplanare Doppelmembransystem bilden. Jede der beiden Doppelmembranen 4a, 4b besteht aus einer Trennmembrane/Prozessmembrane 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 ausgebildet. Zwischen der zweiten Trennmembrane 5b und der zweiten Überlastmembrane 6b ist eine zweite Druckkammer 7b und zwischen der zweiten Überlastmembrane 6b und dem Grundkörper 9 eine zweite Zusatzdruckkammer 8b ausgebildet. Die Überlastmembranen 6a, 6b sind derart vorgespannt, dass sie im regulären Messbetrieb im Wesentlichen vollflächig und/oder formschlüssig bzw. kraftschlüssig am Grundkörper 9 anliegen und sich erst dann von dem Grundkörper 9 abheben, wenn ein vorgegebener kritischer Grenzdruck einseitig - also an einer der beiden Trennmembranen 5a, 5b - überschritten wird. Ev. ist in den Membranbetten und/oder den korrespondierenden Rückseiten der Überlastmembranen zumindest ein hydraulischer Kanal vorgesehen. Nur wenn dafür Sorge getragen wird, dass der Druck, der zu dem in der Druckmesszelle 12 angeordneten drucksensitiven Element 13 übertragen wird, stets unterhalb dieses kritischen Grenzdrucks liegt, kann eine Zerstörung des drucksensitiven Elements 13 ausgeschlossen werden.In its end region facing the process, the measuring
Der ersten Zusatzdruckkammer 8a ist eine erste Verbindungskapillare 10a und der zweiten Zusatzdruckkammer 8b ist eine zweite Verbindungskapillare 10b zugeordnet. Die Verbindungskapillaren 10a, 10b führen auf direktem Wege zu der Druckmesszelle 12. Die beiden an den Trennmembranen 5a, 5b anliegenden Drücke p1, p2 werden über die Hilfskapillaren 11a, 11b und die Verbindungskapillaren 10b, 10a - gegen einen einseitigen Überdruck geschützt - hydraulisch zu der Minusseite (+) und Plusseite (+) der Differenzdruckmesszelle 12 bzw. des drucksensitiven Elements 13 übertragen. Als Übertragungsmedium befindet sich in dem Kapillarsystem eine im spezifizierten Messbereich des Differenzdruckmessaufnehmers 1 weitegehend inkompressible Flüssigkeit 16, z.B. ein Silikonöl.The first
Bevorzugt sind die Verbindungs- und Hilfskapillaren 10a, 10b, 11a, 11b übrigens als Kapillarbohrungen ausgeführt. Möglich ist es jedoch auch die Kapillarbohrungen zumindest stückweise als Kapillarröhrchen 17 auszugestalten. Im gezeigten Fall sind Kapillarröhrchen 17 jeweils an den Übergängen der Kapillarbohrungen zwischen Messwerk 2 und Zwischenmodul 19 bzw. zwischen Zwischenmodul 19 und Wandlerkammer 3 vorgesehen. Die druckübertragende Kopplung zwischen den Hilfskapillaren 11a, 11b und den Verbindungskapillaren 10a, 10b zum Zwecke des Überlastschutzes wird durch eine Kreuzung der ersten Hilfskapillare 11a mit der zweiten Verbindungskapillare 10b bzw. der zweiten Hilfskapillare 11b mit der ersten Verbindungskapillare 10a erreicht. Diese Kreuzung ist erfindungsgemäß in dem Zwischenmodul 19 angeordnet, das sich im Sensorrückraum hinter dem Messwerk 2 befindet. Das Zwischenmodul 19 ist bevorzugt im Innenraum des Gehäuseadapters 22 vor der Wandlerkammer 3 angeordnet.The connecting and
Um darüber hinaus sicherzustellen, dass der Überlastschutz greift, bevor der Druck parallel zu dem drucksensitiven Element 13 übertragen wird, sind Dynamikbremsen 18a, 18b vorgesehen. Diese dienen auch zum Abbremsen von ev. auftretenden Druckspitzen. Im gezeigten Fall sind die Dynamikbremsen 18a, 18b an den Übergängen der Verbindungskapillaren 10a, 10b von Zwischenmodul 19 und Wandlerkammer 3 angeordnet. Sie sind in vorteilhafter Weise in die Kapillarröhrchen 18a, 18b integriert. Bei den Dynamikbremsen 18a, 18b kann es sich in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Lösung um Sintermetalleinsätze handeln. Bei einem Einsatz des Differenzdruckmessaufnehmers 1 im explosionsgefährdeten Bereich werden die Dynamikbremsen 18a, 18b aus einem nicht leitfähigen Material gefertigt. In diesem Fall erfüllen die Dynamikbremsen 18a, 18b dann also eine Doppelfunktion: Eine verzögerte Weiterleitung des Drucks und einen Explosionsschutz, der entsprechend der benötigten Explosionsschutzart ausgestaltet ist. Es versteht sich von selbst, dass Dynamikbremsen18a, 18b in den beiden zuvor beschriebenen Varianten an alle Stellen innerhalb des Kapillarsystems integriert werden können, an denen ihr Einsatz das korrekte Funktionieren des Überlastschutzes sicherstellt. Additiv oder alternativ sind die Dimensionen (Länge und Durchmesser) der Kapillaren so ausgestaltet, dass der Überlastschutz seine Wirkung entfalten kann.In order to also ensure that the overload protection takes effect before the pressure is transmitted in parallel to the pressure-
Über die Befüllungsbohrungen 14a, 14b im Zwischenmodul 19 wird das Kapillarsystem des Differenzdruckmesssaufnehmers 1 mit einer hydraulischen Übertragungsflüssigkeit 16 befüllt. Die Anordnung und Lage der Befüllungsbohrungen 14a, 14b ist so gewählt, dass das zum Befüllen benötigte Ölvolumen möglichst gering ist. Deshalb sind auch die Verschlusselemente 15a, 15b möglichst nahe an den Kreuzungspunkten der Befüllungsbohrungen 14a, 14b vorgesehen. 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 - auch außerhalb der Verschlusselemente 15a, 15b - korrosionsgeschützt. Weiterhin können die entsprechenden Bereiche der Befüllungsbohrungen 14a, 14b nach außen vergossen werden; dies ist jedoch aufgrund der vom Außenraum abgeschlossenen Lage der Befüllungsbohrungen 14a, 14b bei der in
Als druckdichter, gas- oder zumindest flüssigkeitsdichter Verschluss ist jeweils ein bevorzugt kugelförmiges Verschlusselement 15a, 15b vorgesehen, das von außen in die Befüllungsbohrung 14a, 14b gedrückt und anschließend verstemmt wird. 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.A preferably
In der
In den Figuren
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 vernachlässigbarThe pressure-
Die Überlastmembranen 6a, 6b sind vorgespannt und liegen möglichst formschlüssig auf einem geeignet geformten Bett des Grundkörpers 9 auf. Da die Überlastmembrane 6b am Grundkörper 9 anliegt, kann der Druck in der Zusatzdruckkammer 8b nicht ansteigen. Der Überlastdruck PeÜL gelangt über die Druckkammern 7b, die Hilfskapillare 11b und die Verbindungskapillare 10a auf die Rückseite der Überlastmembrane 6a und zum drucksensitiven Element 13. Sobald der Überdrück PeÜL die Vorspannung (wobei gilt: Vorspannung > Messbereich) der Überlastmembrane 6a überschreitet, wird diese ebenso die die Trennmembrane 5a ausgelenkt und Hydraulikflüssigkeit / Öl 16 wird von der Hochdruckseite auf die Niederdruckseite verschoben. Da der Druck in der Zusatzdruckkammer 8a und der nachfolgenden Druckkammer 7a kontinuierlich ansteigen, werden die Überlastmembrane 6a und die Trennmembrane 5a in Richtung des Prozesses ausgelenkt. Das Verschieben endet, wenn die Trennmembrane 5b auf der Überlastmembrane 6b aufliegt und das Öl aus der Druckkammer 7b in die Zusatzdruckkammern 8a verschoben wurde und. Ein weiterer Druckanstieg ist nachfolgend ausgeschlossen. Sobald dieser Zustand erreicht ist, kann der hydraulische Druck im Inneren des hydraulischen Systems nicht weiter ansteigen: Die Druckbegrenzung, d.h. der Überlastschutz, entfaltet seine Wirkung. Der an dem drucksensitiven Element 13 anliegende Druck ist unterhalb des kritischen Grenzwertes.The
Wie in der linken Darstellung
Die PINS 2 und 3 könnten elektrisch zusammen, also in einem gemeinsamen PIN, auf Potenzial gelegt werden (
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
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.
In den Figuren
Nachfolgend ist die Funktion der einzelnen in
- (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 12, - 1 = (1.1): Versorgungsspannungs-Minusanschluss (Masse),
- 8 = (1.2): Versorgungsspannungs-Minusanschluss (Masse).
- (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 12, - 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
- ① Innenvolumen, das ev. mit einem Verguss ausgefüllt ist
- ②
Schweißung zwischen Gehäuseadapter 22 und Messwerk 2 - ③ Druckzuführung Wandlerkammer 3 -
Messwerk 2 - ④
Druckzuführung zur Wandlerkammer 3 - ⑤
Stromdurchführung 23 mit PIN/Einglasung - ⑥ Ölverschluss
- ⑧ Trennung zwischen Gehäuse und Sensorrückraum
- ⑨ Exd-Gewinde Gehäuse-Sensor, z.B. über ein Second Containment und/oder einen Verguss
- ⑩
Verschlusskappe 35 Stromdurchführung 23 (GDF)
- ① Inner volume that may have been filled with encapsulation
- ② Welding between
housing adapter 22 and measuringunit 2 - ③ Pressure supply converter chamber 3 - measuring
mechanism 2 - ④ Pressure supply to
converter chamber 3 - ⑤
Power feedthrough 23 with PIN/glazing - ⑥ Oil cap
- ⑧ Separation between the housing and the rear of the sensor
- ⑨ Exd thread housing sensor, eg via a second containment and/or encapsulation
- ⑩
Closing cap 35 power feedthrough 23 (GDF)
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
- Übertragungsflüssigkeittransmission fluid
- 1717
- Kapillarröhrchencapillary tubes
- 18a, 18b18a, 18b
- Dynamikbremsedynamic brake
- 1919
- Zwischenmodulintermediate module
- 2020
- Fügungcoincidence
- 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
- DE 3222620 A1 [0004]DE 3222620 A1 [0004]
- WO 2018/165122 A1 [0006]WO 2018/165122 A1 [0006]
- US 10656039 B2 [0014]US 10656039 B2 [0014]
Claims (18)
Priority Applications (2)
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