-
Die vorliegende Erfindung betrifft Differenzdruckaufnehmer mit hydraulischer Druckübertragung zur Meßzelle mittels einer Übertragungsflüssigkeit, insbesondere solche Differenzdruckaufnehmer mit einer zentralen Überlastmembran. Ein derartiger Differenzdruckaufnehmer ist beispielsweise in der Offenlegungsschrift
DE 196 08 321 A1 offenbart. Differenzdruckaufnehmer weisen einen Hydraulikkörper auf, in dem eine Überlastkammer mit einer Überlastmembran ausgebildet ist, welche die Überlastkammer in eine Hochdruckhalbkammer und in eine Niederdruckhalbkammer teilt, wobei die Hochdruckhalbkammer mit einem ersten hydraulischen Pfad kommuniziert, der sich zwischen einem ersten Druckmittler mit einer Trennmembran über einem Membranbett und der Hochdruckseite einer Druckmeßzelle erstreckt, und die Niederdruckhalbkammer mit einem zweiten hydraulischen Pfad kommuniziert, der sich zwischen einem zweiten Druckmittler mit einer Trennmembran über einem Membranbett und der Niederdruckseite einer Druckmeßzelle erstreckt.
-
Bei großen Überlasten wird die Übertragungsflüssigkeit vollständig aus dem Druckmittler herausgedrückt, und die Trennmemban liegt an dem Membranbett an. Die bei Überlastdruck in den betreffenden hydraulischen Pfad verschobene Übertragungsflüssigkeit führt zu einer Auslenkung der Überlastmembran, um das zusätzliche Volumen aufzunehmen und den Überlastdruck abzubauen.
-
Die Federsteifigkeit der Überlastmembran richtet sich nach dem Temperatureinsatzbereich, dem möglichen Systemdruck, dem Volumen der hydraulischen Übertragungsflüssigkeit und dem Überlastfaktor des Meßelementes. Je größer der Überlastfaktor des Meßelementes ist, desto steifer kann die Überlastmembran ausgeführt werden. Je steifer die Überlastmembran ist, desto schneller reagiert die Meßzelle auf Druckschwankungen, d. h. die Zeile reagiert dann schneller auf Druckschwankungen. Das ist besonders bedeutend bei Sensoren mit Druckmittleranbauten, die über eine lange Kapillarleitung mit dem Sensor verbunden sind. Die lange Kapillarleitung hat einen großen hydraulischen Widerstand und bildet mit der Überlastmembran ein RC-Glied, wobei eine großes Kapazität C, d. h. eine weiche Überlastmembran, zu großen Zeitkonstanten bzw. langen Ansprechzeiten führen kann.
-
Die Federsteifigkeit der Überlastmembran ist im allgemeinen symmetrisch in HP- und LP-Richtung. Der Überlastfaktor des Meßelementes ist zwischen HP- und LP-Belastung deutlich unterschiedlich. Die Auslegung der symmetrischen Überlastmembran richtet sich nach dem niedrigeren Berstwert des Meßelementes, was die hochdruckseitige Zeitkonstante des Differenzdruckaufnehmers unnötig vergrößert.
-
Das Patent
US 4,285,244 A offenbart einen Differenzdruckaufnehmer mit einer Überlastmembran, zum Schutz eines Wandlerelements. Die Überlastmembran ist beidseitig durch mit Tellerfedern vorgespannte Scheiben abgestützt, wobei sich die Scheiben jeweils bis zum Rand eines in Richtung der Scheibe auslenkbaren Bereichs erstrecken, und wobei diese Bereiche unterschiedliche Durchmesser aufweisen, so dass die Auslenkbarkeit der Überlastmembran an die richtungsabhängige Überlastfestigkeit des Wandlerelements angepasst ist.
-
Das Patent
US 4,766,769 A offenbart einen Differenzdruckaufnehmer mit einer Überlastmembran, zum Schutz eines Wandlerelements. Die Überlastmembran steuert ein Ventil, welches bei einer gewissen Auslenkung der Überlastmembran zur Niederdruckseite den Abfluss von Übertragungsflüssigkeit zur Niederdruckseite unterbrochen ist. Auf diese Weise wird das Wandlerelement durch die verbleibende Übertragungsflüssigkeit niederdruckseitig abgestützt, so dass eine weitere Auslenkung verhindert wird. Durch eine Versteifungsplatte, die an der Überlastmembran befestigt wird, kann die Steifigkeit kontrolliert an höhere Differenzdruckmessbereiche angepasst werden.
-
Die beschriebenen Überlastmechanismen weisen komplexe Konstruktionen zur Kontrolle der Steifigkeit der Überlastmembran auf.
-
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen Differenzdruckaufnehmer bereitzustellen, der die beschriebenen Nachteile überwindet.
-
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Druckaufnehmer gemäß des unabhängigen Patentanspruchs 1.
-
Hierbei wird die Überlastmembran auf die unsymmetrischen Berstwerte des Meßelementes optimal eingestellt, d. h. die maximale Federsteifigkeit der Überlastmembran und somit eine minimale hydraulische Kapazität der Überlastmembran wird richtungsabhängig gewährleistet.
-
Der erfindungsgemäße Differenzdruckaufnehmer weist einen Hydraulikkörper auf, in dem eine Überlastkammer mit einer Überlastmembran ausgebildet ist, welche die Überlastkammer in eine Hochdruckhalbkammer und in eine Niederdruckhalbkammer teilt, wobei die Hochdruckhalbkammer mit einem ersten hydraulischen Pfad kommuniziert, der sich zwischen einem ersten Druckmittler und der Hochdruckseite einer Druckmeßzelle erstreckt, und die Niederdruckhalbkammer mit einem zweiten hydraulischen Pfad kommuniziert, der sich zwischen einem zweiten Druckmittler und der Niederdruckseite einer Druckmeßzelle erstreckt, wobei die hydraulische Kapazität der Überlastmembran gegen hochdruckseitige Überlasten geringer ist als die hydraulische Kapazität der Überlastmembran gegen niederdruckseitige überlasten,
dadurch gekennzeichnet, dass die Überlastmembran eine mittengefesselte Ringmembran ist, und wobei die Überlastmembran eine asymmetrische Abstützung gegen Auslenkung durch zentrale Abstützungsflächen in Ihrem Mittenbereich erfährt, wobei der Radius der zentralen Abstützungsfläche in der Niederdruckhalbkammer größer ist als der Radius der zentralen Abstützungsfläche in der Hochdruckhalbkammer.
-
Die hydraulische Kapazität C der Überlastmembran ist die Volumenaufnahme dV bei einer Druckänderung dp: C = dV/dP
-
Mit anderen Worten weist die Überlastmembran eine asymmetrische Steifigkeit gegen hochdruckseitige und niederdruckseitige Überlasten auf.
-
Bei der Definition der Kapazität der Trennmembran sollen hydraulische Kompressibilitäten des Übertragungsmediums und die Volumina der Überlastkammern unberücksichtigt bleiben Nach einem Gesichtspunkt der Erfindung kann die Überlastmembran eine zur Niederdruckkammer auslenkbare Fläche aufweisen die kleiner ist als die zur Hochdruckkammer auslenkbare Fläche.
-
In einer Ausgestaltung weist die Überlastmembran eine asymmetrische Einspannung auf, wobei der Einspannradius in der Niederdruckhalbkammer geringer ist als der Einspannradius in der Hochdruckhalbkammer. Diese Ausgestaltung ist sowohl für Kreismembranen als auch für den äußeren Einspannradius einer mittengefesselten Ringmembranen anwendbar. Da die Überlastmembran erfindungsgemäß eine mittengefesselte Ringmembran ist, ist der innere Einspannradius in der Niederdruckhalbkammer größer als der innere Einspannradius in der Hochdruckhalbkammer. Selbstverständlich sind diese Maßnahmen miteinander kombinierbar.
-
Der Begriff Einspannradius ist im vorliegenden Zusammenhang folgendermaßen gebraucht. Die Überlastmembran ist entlang ihres Randes mit dem Hydraulikkörper oder dessen Teilen druckdicht verbunden, insbesondere verschweißt. Darüber hinaus erfährt die Überlastmembran in ihrem Randbereich eine flächige Abstützungen gegen Auslenkung durch ringförmige Abstützungsflächen, die sich vom Außenrand radial einwärts und bei einer mittengefesselten Überlastmembran zusätzlich vom Innenrand radial auswärts erstrecken. Der Einspannradius jener Radius, bis zu dem eine Abstützungsfläche die Überlastmembran von deren Rand her gegen Auslenkungen axial abstützt.
-
Erfindungsgemäß weist die Niederdruckhalbkammer mindestens eine Abstützung in einem zentralen Bereich einer kreisförmigen Überlastmembran auf. Die Abstützung bewirkt, daß die Überlastmembran gegenüber hochdruckseitigen Überlasten das Verhalten einer mittengefesselten Membran zeigt. Die Abstützung kann punktuell oder über ein flächig ausgedehntes Element erfolgen. Gleichermaßen kann für mittengefesselte Ringmembranen mindestens eine durchgehende oder unterbrochene ringförmige Abstützung in der Niederdruckkammer vorgesehen sein.
-
Ein Druckmittler im Sinne der Erfindung umfaßt beispielsweise einen Druckmittlerkörper welcher ein Membranbett aufweist, über dem eine mit einem Meßdruck beaufschlagbare Trennmembran befestigt ist, wobei zwischen der Trennmembran und dem Druckmittlerkörper eine Druckammer ausgebildet ist, welche mit einem hydraulischen Pfad kommuniziert über den eine Druckmeßzelle mit dem in der Druckkammer vorherrschenden Druck beaufschlagbar ist. Der Druckmittlerkörper kann in den Hydraulikkörper integriert oder von diesem getrennt angeordnet sein.
-
Im Nenndruckbereich des Druckaufnehmers wird die Trennmembran druckabhängig ausgelenkt, ohne an dem Membranbett anzuliegen. Bei großen Überlasten wird die Übertragungsflüssigkeit vollständig aus der Druckkammer herausgedrückt, und die Trennmemban liegt an dem Membranbett an. Ein weiterer Druckanstieg in dem jeweiligen hydraulischen Pfad ist somit ausgeschlossen.
-
Weitere Einzelheiten ergeben sich aus dem in der Zeichnung dargestellten Differenzdruckaufnehmer mit asymmetrischer Überlastmembran
-
1. eine Schnittzeichnung durch einen Differenzdruckaufnehmer mit asymmetrischer Überlastmembran.
-
Der in 1 gezeigte Differenzdruckaufnehmer umfaßt einen im wesentlichen zylindrischen Hydraulikkörper 1 welcher einen ersten Halbkörper 2 und einen zweiten Halbkörper 3 aufweist. Die Halbkörper weisen jeweils an einer Stirnfläche ein Membranbett 18, 19 auf, über dem eine Trennmembran 4, 5 befestigt ist. Zwischen den Trennmembranen und den Membranbetten ist jeweils eine Druckkammer 16, 17 ausgebildet, von der sich jeweils ein Druckkanal 8, 9 in das Innere des Hydraulikkörpers 1 erstreckt. Im einzelnen erstreckt sich ein erster Druckkanal 8 von der ersten Druckkammer 16 zu einer Hochdruckhalbkammer 20, die in der von der ersten Druckkammer 16 abgewandten Stirnfläche des ersten Halbkörpers 2 ausgebildet ist, und ein zweiter Druckkanal 9 von der zweiten Druckkammer 17 zu einer Niederdruckhalbkammer 21, die in der von der zweiten Druckkammer 17 abgewandten Stirnfläche des zweiten Halbkörpers 3 ausgebildet ist. Von der Hochdruckhalbkammer 20 zweigt ein erster Kanal 10 ab, über den die Hochdruckseite einer Differerzdruckmeßzelle 12 mit dem in der Hochdruckhalbkammer 20 herrschenden Druck beaufschlagt wird. Gleichermaßen erstreckt sich von der Niederdruckhalbkammer ein zweiter Kanal 11 zur Niederdruckseite der Differenzdruckmeßzelle 12.
-
Die Differenzdruckmeßzelle kann jede geeignete Differenzdruckmeßzelle sein, die dem Fachmann geläufig ist. Auf den Typ der Meßzelle kommt es im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung nicht an. Im Ausführungsbeispiel umfaßt die Differenzdruckmeßzelle 12 eine Halbleitermembran mit einem flexiblen Bereich in einer Stärke von beispielseise 30 μm und integrierten piezoresistiven Widerstandselementen. Die Halbleitermembran weist einen ringförmigen Randbereich auf, der auf der Niederdruckseite erheblich stärker ist als 30 μm, beispielsweise einige 100 μm. Mit dem niederdruckseitigen Randbereich ist die Membran auf einem Gegenkörper entlang einer Fügestelle druckdicht befestigt. Bei einer Drucküberlast auf die Hochdruckseite der Halbleitermembran wird der Randbereich der Membran daher gegen den Gegenkörper gedrückt. Es besteht kaum eine Gefahr daß die Fügestelle versagen könnte. Wenn umgekehrt eine Drucküberlast auf die Niederdruckseite der Halbleitermembran wirkt, treten Zugkräfte in der Fügestelle und ggf. Kerbspannungen zwischen dem niederdruckseitigen Randbereich und dem flexiblen Bereich der Halbleitermembran auf. Es ist daher eine eine geringere Überlastfestigkeit der Differenzdruckmeßzelle gegen niederdruckseitige Überlasten gegeben. Dies ist bei der Konstruktion einer Überlastkammer, welche die Hochdruckhalbkammer 20 und die Niederdruckhalbkammer 21 sowie eine Überlastmembran 13 umfaßt, berücksichtigt.
-
Die Hochdruckhalbkammer 20 und die Niederdruckhalbkammer 21 sind in radialer Richtung jeweils durch die innere Mantelfläche eines ringförmig umlaufenden axialen Vorsprungs begrenzt, deren Stirnfläche als Überlastmembranabstützung 14 bzw. 15 dient. Die beiden Halbkörper 2, 3 sind jeweils entlang ihres äußeren Umfangs im Bereich der Überlastmembranabstützungen mit einer umlaufenden Schweißnaht mit der Überlastmembran 13 druckdicht verbunden. Die Überlastmembranabstützungen 14, 15 erstrecken sich jeweils vom Umfang des betreffenden Halbkörpers 2, 3 radial einwärts, wobei die hochdruckseitige Überlastmembranabstützungen 14 einen größeren Innenradius aufweist, als die niederdruckseitige Überlastmembranabstützung 15. Mit anderen Worten ist die Fläche der Überlastmembranabstützung auf der Hochdruckseite kleiner als die auf der Niederdruckseite. Dies führt im Ergebnis dazu, daß die Überlastmembran gegenüber Drucküberlasten von der Hochdruckseite eine geringere Hydraulische Kapazität aufweist als gegenüber Drucküberlasten von der Niederdruckseite, bzw. dazu daß die Überlastmembran gegenüber hochdruckseitigen Druckschwankungen steifer ist als gegenüber niederdruckseitigen Druckschwankungen. Die Überlastmembran 13 kann damit frühzeitig auf niederdruckseitige Überlasten reagieren, ohne die Dynamik des Differenzdruckaufnehmers bei der Detektion von schnellen hochdruckseitigen Druckschwankungen zu beeinträchtigen.
