DE10248281A1

DE10248281A1 - Absolutdrucksensor mit dynamischem Überlastschutz

Info

Publication number: DE10248281A1
Application number: DE2002148281
Authority: DE
Inventors: Dietfried Burczyk; Wolfgang Dannhauer
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2002-10-16
Filing date: 2002-10-16
Publication date: 2004-04-29

Abstract

Zur Bedämpfung von nadelimpulsartigen Druckstößen umfaßt der erfindungsgemäße Drucksensor zum Messen eines absoluten Drucks einen Trennkörper 1 mit einer Druckkammer 3, die von einer mit einem Druck beaufschlagbaren Trennmembran 2 verschlossen und mit einem hydraulischen Übertragungsmedium gefüllt ist, und einen Elementarsensor 5 mit einem druckempfindlichen Element, welches mit der Druckkammer 2 kommuniziert, wobei der Drucksensor eine zusätzliche hydraulische Kapazität 6 aufweist, die mit der Druckkammer 2 kommuniziert. Die hydraulische Kapazität ist insbesondere als Dämpfungsmembran gestaltet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Absolutdrucksensor oder Relativdrucksensor mit hydraulischer Druckübertragung. Derartige Drucksensoren umfassen einen Trennkörper mit einer Druckkammer, die von einer Trennmembran verschlossen und mit einem hydraulischen Übertragungsmedium gefüllt ist. Die Trennmembran wird mit einem Meßdruck beaufschlagt, der über die Trennmembranen in die Druckkammer eingeleitet und zu dem druckempfindlichen Element eines Elementarsensors übertragen wird. Das druckempfindliche Element ist insbesondere eine Meßmembran deren Oberfläche mit dem hydraulischen Druck in der Druckkammer beaufschlagt wird. Insbesondere druckempfindliche Element aus Halbleitermaterialien weisen eine solche Steifigkeit auf, daß der Volumenhub am druckempfindlichen Element über den gesamten Meßbereich praktisch vernachlässigbar ist.
Dies bedingt jedoch umgekehrt, daß die druckempfindlichen Elemente sehr empfindlich gegen nadelimpulsartige Druckschläge sind, da kaum Elastizität vorhanden ist, um diese Druckschläge aufzufangen und Silizium sehr spröde ist. Dies kann zur Zerstörung der Meßelemente und damit der Meßzelle führen.
Durch Verringerung des Durchmessers der Druckzuleitung zwischen der Druckkammer und dem druckempfindlichen Element können die Nadelimpulse nicht wirksam bedämpft werden, da durch den geringen Volumenhub des Messelementes kaum Druckübertragungsflüssigkeit fließt und somit keine Dämpfung in der Druckzuleitung auftritt.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Drucksensor bereitzustellen, der die beschriebenen Nachteile überwindet.
Die Aufgabe wird gelöst durch den Differenzdrucksensor gemäß Anspruch 1. Weitere Vorteile und Gesichtspunkte der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
Der erfindungsgemäße Drucksensor zum Messen eines absoluten Drucks oder Relativdrucks umfaßt
einen Trennkörper mit einer Druckkammer, die von einer mit einem Druck beaufschlagbaren Trennmembran verschlossen und mit einem hydraulischen Übertragungsmedium gefüllt ist,
und einen Elementarsensor mit einem druckempfindlichen Element, welches mit der Druckkammer kommuniziert, wobei
der Drucksensor eine zusätzliche hydraulische Kapazität aufweist die mit der Druckkammer kommuniziert.
Die hydraulische Kapazität sollte einerseits so groß sein, daß Sie die Nadelimpulse in Verbindung mit einem schmalen Druckkanal wirksam dämpft, andererseits ist eine hinreichende Steifigkeit erforderlich, damit die Druckmessung nur marginal beeinträchtigt wird. Die hydraulische Kapazität ist erheblich größer als das druckempfindlichen Element, d.h. die Volumenaufnahme der hydraulischen Kapazität pro Druckeinheit ist größer als die Volumenaufnahme des Meßelementes pro Druckeinheit.
Zudem ist die Volumenaufnahme der hydraulischen Kapazität pro Druckeinheit größer als die Volumenaufnahme des hydraulischen Übertragungsmediums pro Druckeinheit. Als hydraulisches Übertragungsmedium kann insbesondere Silikonöl eingesetzt werden. Silikonöle weisen eine Kompressibilität von etwa 0,01%/bar auf. Die hydraulische Kapazität hat vorzugsweise eine Volumenaufnahme von nicht weniger als der doppelten und nicht mehr als der 200-fachen, weiter bevorzugt nicht weniger als der vierfachen und nicht mehr als der 100- fachen, der Volumenaufnahme der Übertragungsflüssigkeit aufgrund deren Kompressibilität. Drucksensoren weisen üblicherweise ein Füllvolumen von etwa 100 mm³ bis 300 mm³ auf.
Die hydraulische Kapazität hat vorzugsweise eine Volumenaufnahme von nicht weiniger als 0,05 mm³/bar und nicht mehr als etwa 10 mm³/bar, weiter bevorzugt von nicht weiniger als 0,1 mm³/bar und nicht mehr als etwa 5 mm³/bar, und besonders bevorzugt von nicht weiniger als 0,25 mm³/bar und nicht mehr als etwa 3 mm³/bar.
Die hydraulische Kapazität kann insbesondere eine Überlastmembran umfassen. Die Überlastmembran kann ebenfalls als vollflächige Membran ausgebildet sein, oder als eine Ringscheibe, welche das Druckmepfindliche Element in ihrer Mitte trägt. Die Überlastmembranen können auf der dem Übertragungsmedium abgewandten Außenseite sowohl mit dem Umgebungsatmosphärendruck beaufschlagt werden als auch in einer evakuierten Kammer angeordnet sein.
Die hydraulische Kapazität kann anstelle auch einen elastischen kompressiblen Füllkörper aufweisen, welcher beispielsweise in einem Kanal zwischen der Druckkammer und dem druckempfindlichen Element angeordnet ist. Der Füllkörper kann insbesondere ein kompressibler Metallbalg oder ein Kunststoffkörper sein. Die Lösung mit einem Füllkörper ist insofern vorteilhaft, als sie auf einfache Weise störende Einflüsse des Atmosphärendrucks vermeidet.
Die Erfindung wird nun anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschrieben.
Es zeigt:
1: einen schematischen Querschnitt durch einen Drucksensor mit einer ringförmigen Dämpfungsmembran als zusätzlicher hydraulischer Kapazität;
2: einen schematischen Querschnitt durch einen Drucksensor mit einem elastischen Füllkörper als zusätzlicher hydraulischer Kapazität; und
3: einen schematischen Querschnitt durch einen Drucksensor mit einer parallelen Dämpfungsmembran als zusätzlicher hydraulischer Kapazität;
4: das Ergebnis von Simulationen zur Übertragung von Nadelimpulsen in Drucksensoren.
Der in 1 gezeigte Differenzdrucksensor umfaßt einen Trennkörper 1, insbesondere aus Stahl, an dessen erster Stirnseite eine Trennmembran 2 angeordnet ist welche mit ihrem Rand an der ersten Stirnfläche des Trennkörpers 1 befestigt ist, so daß zwischen der Stirnseite und der Trennmembran 2 eine Druckkammer 3 ausgebildet ist, von der sich ein Druckkanal 4 zu einem druckempfindlichen Element, insbesondere einem Siliziumchip 5, erstreckt. Der Siliziumchip ist an dem inneren Rand einer einer Ringmembran 6 befestigt, deren zweiter Rand an einer zweiten Stirnfläche des Trennkörpers 1 befestigt ist. Der Druckkanal 4 hat beispielsweise eine Länge von 20 mm und einen Durchmesser von 1 mm. Das gesamte hydraulische Volumen, welches zwischen der Trennmembran 2 und dem Siliziumchip 5 eingeschlossen ist, beträgt bei Raumtemperatur etwa 250 mm³ und ist mit einem Silikonöl gefüllt. Die hydraulische Kapazität der Ringmembran beträgt etwa 3mm³/bar.
Die in 2 gezeigte Ausführungsform hat im wesentlichen die gleiche Grundstruktur, jedoch ist abweichend zu 1 der Siliziumchip 5 an der Mündung des Druckkanals 4 an der zweiten Stirnfläche des Trennkörpers 1 angeordnet. Als zusätzliche hydraulische Kapazität ist kompressibles Elastomerformteil 7 über eine Länge von 75% des Druckkanals 4 in diesem angeordnet. Der in 2 gezeigte Querschnitt ermöglicht, daß die hydraulische Flüssigkeit weitgehend ungehindert an dem Formteil 7 vorbeiströmen kann. Die hydraulische Kapazität des Formteils betragt beispielsweise 0,5 mm³/bar.
Zur Aufnahme des Formteils weist der Druckkanal 4 ggf. eine Aufweitung auf, wobei das freie Volumen des Druckkanals 4 mit eingesetztem Formteil 7, d.h. das Volumen des leeren Druckkanals 4 abzüglich des Volumens des Formteils 7, vorzugsweise nicht wesentlich größer ist als das Volumen eines vergleichbaren Kanals ohne Aufweitung und Formteil.
3 zeigt eine Variante, bei der von dem Druckkanal 4 ein Überlastkanal 8 abzweigt, der an der zweiten Stirnfläche des Trennkörpers 1 mündet und mit einer kreisförmigen Dämpfungsmembran 9 abgedeckt ist. Die Dämpfungsmembran 9 weist eine hydraulische Kapazität von 5 mm³/bar auf. Optional kann die Dämpfungsmembran 9 oder auch die Ringmembran 6 mit dem Siliziumchip 5 in einer evakuierten Kammer 10 angeordnet sein, um bei hochgenauen Absolutdruckmessungen den störenden Einfluß des Umgebungsdrucks fernzuhalten.
4 zeigt das Ergebnis von Simulationen der Übertragung eines Nadelimpulses von der Druckkammer zum druckempfindlichen Element für Drucksensoren nach dem Stand der Technik und gemäß der vorliegenden Erfindung. Hierzu wurde für verschieden Druckkanaldurchmesser (Widerstände) die Auswirkung einer zusätzlichen hydraulischen berechnet.
Zum Stand der Technik: Bei einer Druckkanallänge von 20 mm und einem Durchmesser von 1 mm wird ein Nadelimpuls von 1 ms 1:1 auf das druckempfindliche Element übertragen, wie in 4a gezeigt ist. Eine Reduzierung des Druckkanaldurchmessers auf 0,5 mm ohne weitere Maßnahmen ist unbehelflich, der Impuls wird noch zu 80 % übertragen ( 4b).
Zum Erfindungsprinzip: Eine zusätzliche hydraulische Kapazität von 3mm³/bar bewirkt eine starke Bedämpfung, selbst bei einem Kapillardurchmesser von 1 mm (4c).
Wird schließlich ein Kapillardurchmesser von 0,5 mm mit einer zusätzlichen hydraulischen Kapazität von 3mm³/bar kombiniert, so erfolgt eine vollständige Bedämpfung (4d).

Claims

Absolutdrucksensor oder Relativdrucksensor, umfassend einen Trennkörper (1) mit einer Druckkammer (3), die von einer mit einem Druck beaufschlagbaren Trennmembran (2) verschlossen und mit einem hydraulischen Übertragungsmedium gefüllt ist, und einen Elementarsensor (5) mit einem druckempfindlichen Element, welches mit der Druckkammer (3) kommuniziert, wobei der Absolutdrucksensor oder Relativdrucksensor eine zusätzliche hydraulische Kapazität (6; 7; 9) aufweist, die mit der Druckkammer (3) kommuniziert.
Drucksensor nach Anspruch 1, wobei die hydraulische Kapazität eine Volumenaufnahme von nicht weniger als der doppelten und nicht mehr als der 200-fachen, bevorzugt nicht weniger als der vierfachen und nicht mehr als der 100-fachen, Volumenaufnahme der Übertragungsflüssigkeit aufgrund deren Kompressibilität aufweist.
Drucksensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Hydraulische Kapazität eine Volumenaufnahme von nicht weiniger als 0,05 mm³/bar und nicht mehr als etwa 10 mm³/bar, bevorzugt von nicht weiniger als 0,1 mm³/bar und nicht mehr als etwa 5 mm³/bar, und besonders bevorzugt von nicht weiniger als 0,25 mm³/bar und nicht mehr als etwa 3 mm³/bar.
Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die hydraulische Kapazität eine Überlastmembran (6; 9) umfaßt.
Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die hydraulische Kapazität einen elastischen kompressiblen Füllkörper 7 aufweist.
Drucksensor nach Anspruch 4, wobei der Füllkörper 7 einen kompressiblen Metallbalg oder einen Kunststoffkörper umfaßt.