DE202009014795U1

DE202009014795U1 - Druckmessmodul

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Publication number: DE202009014795U1
Application number: DE200920014795
Authority: DE
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2009-11-02
Filing date: 2009-11-02
Publication date: 2010-04-22
Anticipated expiration: 2019-11-03

Abstract

Druckmessmodul, mit
– einem metallischen Sensorgehäuse (5),
– das eine frontbündig von einer Trennmembran (9, 9') abgeschlossene Druckempfangskammer (11) aufweist,
– in dem eine nach außen abgeschlossene Druckmesskammer (13) angeordnet ist,
– die über eine im Sensorgehäuse (5) verlaufende Verbindung (15) mit der Druckempfangskammer (11) verbunden ist,
– in dem in der Druckmesskammer (13) ein Drucksensor (7) angeordnet ist, und
– in dem die Druckempfangskammer (11), die Druckmesskammer (13) und die Verbindung (15) mit einer Druck übertragende Flüssigkeit befüllt sind, die einen von außen auf die Trennmembran (9, 9') einwirkenden zu messenden Druck (p) auf den Drucksensor (7) überträgt,
– einem topfförmigen metallischen Modulgehäuse (31),
– in das das Sensorgehäuse (13) unter Freilassung eines das Sensorgehäuse (5) im Inneren des Modulgehäuses (31) außenseitlich vollständig umschließenden Spalts (29) eingesetzt ist,
– einer den Spalt (29) nach außen abschließenden Membran (33),...

Description

Die Erfindung betrifft ein Druckmessmodul mit einem metallischen Sensorgehäuse, das eine frontbündig von einer Trennmembran abgeschlossene Druckempfangskammer aufweist, in dem eine nach außen abgeschlossene Druckmesskammer angeordnet ist, die über eine im Sensorgehäuse verlaufende Verbindung mit der Druckempfangskammer verbunden ist, in dem in der Druckmesskammer ein Drucksensor angeordnet ist, und in dem die Druckempfangskammer, die Druckmesskammer und die Verbindung mit einer Druck übertragende Flüssigkeit befüllt sind, die einen von außen auf die Trennmembran einwirkenden zu messenden Druck auf den Drucksensor überträgt.
Druckmessmodule dienen zur Erfassung von Drücken, insb. von Absolutdrücken und Relativdrücken, und werden in der industriellen Messtechnik in einer Vielzahl von unterschiedlichen Druckmesseinrichtungen verwendet.
In der EP 0 759 547 A1 ist ein Druckmessmodul beschrieben, das einen keramischen Drucksensor aufweist, der in einem mit einer Flüssigkeit gefüllten metallischen topfförmigen Gehäuse isostatisch gelagert ist. Ein ringscheibenförmiges elastisches Verbindungselement zwischen Gehäuse und Drucksensor schließt den Innenraum des Gehäuses nach außen ab.
In der Druckmesstechnik werden gerne so genannte Halbleiter-Drucksensoren eingesetzt. Halbleiter-Sensoren werden heute regelmäßig auf Siliziumbasis, z. B. unter Verwendung von Silicon-on-Insulator (SOI) Technologie hergestellt. Sie werden als Drucksensor-Chip ausgebildet, der typischer Weise einen Träger und eine auf einem Träger angeordnete Messmembran aufweist, der der zu messende Druck zugeführt wird.
Im Unterschied zu keramischen Drucksensoren sind Halbleiter-Drucksensoren sehr empfindlich und können deshalb nicht, wie der im obigen Stand der Technik beschriebene keramische Drucksensor frontbündig in ein Gehäuse eingesetzt und unmittelbar dem Prozessdruck ausgesetzt werden. Halbleiter-Drucksensoren werden daher regelmäßig in ein den Drucksensor umschließendes metallisches Sensorgehäuse eingefasst, über das die Zufuhr der jeweiligen Drücke und die Ausgabe der Messergebnisse erfolgen.
Das Sensorgehäuse weist üblicherweise eine frontbündig von einer Trennmembran abgeschlossene Druckempfangskammer auf, die über eine im Sensorgehäuse verlaufende Verbindung mit einer Druckmesskammer verbunden ist, in der der Drucksensor angeordnet ist. Die Druckempfangskammer, die Druckmesskammer und die Verbindung sind mit einer Druck übertragenden Flüssigkeit befüllt, die einen von außen auf die Trennmembran einwirkenden zu messenden Druck auf den Drucksensor überträgt.
Zur Ausführung von Druckmessungen wird das Sensorgehäuse mit einem Prozessanschluss verbunden. Auf diese Weise entsteht eine Druckmesseinrichtung, die mittels des Prozessanschlusses an einem gewünschten Messort montierbar ist. Dabei werden Sensorgehäuse und Prozessanschluss vorzugsweise miteinander verschweißt. Schweißverbindungen bieten an dieser Stelle den Vorteil, dass sie mechanisch sehr stabil sind. Sie sind damit geeignet, sowohl dem darauf im Messbetrieb einwirkenden zu messenden Druck als auch gegebenenfalls auftretenden Überdrücken stand zu halten. Ein weiterer Vorteil der Schweißverbindung besteht darin, dass sie eine hermetisch dichte Verbindung zwischen Sensorgehäuse und Prozessanschluss bewirken.
Dabei besteht eine extrem große Vielzahl von Varianten solcher Druckmesseinrichtungen, die sich aus der Anzahl der möglichen Kombinationen von verschiedenen Drucksensoren, insb. Sensoren mit unterschiedlichen Messbereichen, verschiedenen Materialien für die Trennmembran, verschiedenen Druck übertragenden Flüssigkeiten und der Vielzahl der unterschiedlichen Prozessanschlussvarianten ergibt. Diese Vielzahl wird häufig auch als Druckmesseinrichtungsfamilie bezeichnet.
Da die Anzahl der unterschiedlichen Prozessanschlüsse hier regelmäßig den größten Faktor ausmacht, bietet es sich an, die Sensorgehäuse mit den darin befindlichen Drucksensoren als Druckmessmodule einer solchen Familie vorzugfertigen und fertig kalibriert im Lager bereitzuhalten. Je nach Bedarf wird dann ein solches Messmodul mit dem gewünschten Prozessanschluss verbunden.
Dabei erweist es sich jedoch als nahezu unmöglich, das Sensorgehäuse mechanisch fest und hermetisch dicht mit dem Prozessanschluss zu verschweißen, ohne die Messeigenschaften des Druckmessmoduls zu verändern. Damit ist nach der Schweißung eine erneute Kalibrierung des Druckmessmoduls erforderlich. Ursache hierfür ist die zwangsläufig zwischen Sensorgehäuse und Prozessanschluss bestehende mechanische Kopplung.
Wie in der WO 02/40957 A1 beschrieben, muss die Schweißnaht massiv und tief ausgeführt werden, damit die Verbindung dem zu messenden Druck, sowie eventuell auftretenden Überlastdruckschlägen standhalten kann. Die Ausführung der Schweißung führt dabei aufgrund der mechanischen Kopplung regelmäßig zu mechanischen Spannungen im Sensorgehäuse, insb. im aktiven Bereich der Trennmembran, die die Messeigenschaften des Messmoduls unter Umständen nachhaltig verändern können, und damit eine erneute Kalibration erforderlich machen.
Zur Lösung dieses Problems ist in der WO 02/40957 A1 eine Druckmesseinrichtung beschrieben, bei der das kalibrierte Messmodul im Prozessanschluss fixiert, z. B. eingeschraubt, wird, und an die Stelle der massiven tiefen Schweißnaht zwischen Sensorgehäuse und Prozessanschluss eine hinreichend elastische Ringmembran gesetzt wird, deren äußerer Rand mit dem Prozessanschluss und deren innerer Rand mit dem Sensorgehäuse verbunden ist. Die Ringmembran ist dabei entweder eine zusätzliche Membran, oder sie wird durch einen äußeren über das Sensorgehäuse überstehenden äußeren Rand der Trennmembran gebildet.
Da das Sensorgehäuse durch die Schraubverbindung in dem Prozessanschluss fixiert ist, braucht die Befestigung der Ringmembran nicht für den gesamten daran möglicher Weise anliegenden Druck bzw. Überdruck ausgelegt zu sein. Dadurch ist es möglich diese Befestigung auf eine Weise auszuführen, die eine zuverlässige Abdichtung zwischen dem Sensorgehäuse und dem Prozessanschluss gewährleistet, ohne dass dabei Rückwirkungen auf das Messmodul auftreten, die eine erneute Kalibration erforderlich machen. Als Beispiele hierfür sind Schweißungen, Lötungen oder Klebungen genannt.
Diese Lösung ist jedoch nur in Verbindung mit Prozessanschlüssen einsetzbar, die eine Vorrichtung zur Fixierung des Sensorgehäuse im Prozessanschluss, wie z. B. die hier genannte Verschraubung, aufweisen.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung ein Druckmessmodul mit einem metallischen Sensorgehäuse und einem darin befindlichen Drucksensor anzugeben, dass möglichst rückwirkungsarm, insb. ohne Beeinträchtigung von dessen Messeigenschaften, mit einem Prozessanschluss derart verbindbar, insb. verschweißbar, ist, dass das Sensorgehäuse vom Prozessanschluss weitestgehend mechanisch entkoppelt ist.
Hierzu besteht die Erfindung in einem Druckmessmodul, mit

– einem metallischen Sensorgehäuse,
– das eine frontbündig von einer Trennmembran abgeschlossene Druckempfangskammer aufweist,
– in dem eine nach außen abgeschlossene Druckmesskammer angeordnet ist,
– die über eine im Sensorgehäuse verlaufende Verbindung mit der Druckempfangskammer verbunden ist,
– in dem in der Druckmesskammer ein Drucksensor angeordnet ist, und
– in dem die Druckempfangskammer, die Druckmesskammer und die Verbindung mit einer Druck übertragenden Flüssigkeit befüllt sind, die einen von außen auf die Trennmembran einwirkenden zu messenden Druck auf den Drucksensor überträgt,
– einem topfförmigen metallischen Modulgehäuse,
– in das das Sensorgehäuse unter Freilassung eines das Sensorgehäuse im Inneren des Gehäuses außenseitlich vollständig umschließenden Spalts eingesetzt ist,
– einer den Spalt nach außen abschließenden Membran,
– die einen inneren Rand aufweist, der fest mit einem äußeren Rand einer Stirnfläche des Sensorgehäuses verbunden ist, und
– die einen äußeren Rand aufweist, der fest mit einer Stirnfläche des Modulgehäuses verbunden ist.

Gemäß einer Weiterbildung

– ist eine dem Boden des Modulgehäuses zugewandten Unterseite des Sensorgehäuses von dem Boden beabstandet angeordnet,
– ist ein durch die Beabstandung gebildeter Hohlraum mit dem das Sensorgehäuse umgebenden Spalt verbunden, und
– sind der Spalt und der Hohlraum mit einer Flüssigkeit gefüllt oder evakuiert.

Gemäß einer alternativen Weiterbildung

– ist eine dem Boden des Modulgehäuses zugewandten Unterseite des Sensorgehäuses mittels einer geschlossenen Schweißnaht mit einer Bodenfläche im Inneren des Modulgehäuses verbunden,
– ist ein die Schweißnaht außenseitlich umgebender Hohlraum zwischen der Unterseite des Sensorgehäuses und dem Boden des Modulgehäuses mit dem das Sensorgehäuse außenseitlich umgebenden Spalt verbunden, und
– sind der Spalt und der Hohlraum mit einer Flüssigkeit gefüllt oder evakuiert.

Gemäß einer weiteren Weiterbildung ist im Boden des Modulgehäuse eine ringförmige ins Innere des Modulgehäuses mündende Nut vorgesehen.
Gemäß einer Variante der Erfindung

– erstreckt sich die Trennmembran außenseitlich über den Außenrand des Sensorgehäuses hinaus, und
– die den Spalt nach außen abschließende Membran ist durch einen äußeren Rand der Trennmembran gebildet.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Drucksensor ein Halbleiter Sensor.
Die Herstellung eines erfindungsgemäßen Druckmessmoduls, erfolgt beispielsweise mit einem Verfahren, bei dem

– der innere Rand der den Spalt abschließenden Membran fest mit der Stirnfläche des Sensorgehäuses und der äußere Rand der den Spalt abschließenden Membran fest mit der Stirnfläche des Modulgehäuses verbunden wird, und
– die an ihrem inneren und ihrem äußeren Rand fest verbundene Membran nachgeprägt wird.

Das erfindungemäße Druckmessmodul, kann beispielsweise insb. frontbündig, in einen Prozessanschluss eingesetzt werden, und das Modulgehäuse kann in eine formgleiche Öffnung des Prozessanschlusses eingeschweißt werden.
Der Trennmembran des erfindungemäßen Druckmessmoduls, kann alternativ beispielsweise ein Prozessanschluss vorgeschaltet werden, indem ein äußerer die Membran außenseitlich umgebender Rand des Modulgehäuses mit einer hierzu dem Druckmessmodul zugewandten Stirnfläche (57) des Prozessanschlusses (55) durch eine Schweißung (61) mechanisch fest verbunden wird.
Die erfindungsgemäßen Druckmessmodulen können zur Herstellung von Druckmesseinrichtungen verwendet werden, wobei

– die Druckmessmodule kalibriert werden,
– unterschiedliche Varianten von Prozessanschlüssen vorgesehen werden, und
– die Druckmesseinrichtungen jeweils hergestellt werden, indem das Modulgehäuse eines der kalibrierten Druckmessmodule mit einem der Prozessanschlüsse verschweißt wird.

Die Erfindung bietet den Vorteil, dass aufgrund des erfindungsgemäßen Einbauweise des Sensorgehäuses in das Modulgehäuse eine hochwertige mechanischen Entkopplung zwischen Sensorgehäuse und Prozessanschluss besteht. Dadurch wird erreicht, dass das Sensorgehäuse mit dem darin befindlichen Drucksensor vor äußeren Einflüssen geschützt ist. Selbst dann, wenn das Modulgehäuse hohen thermischen und/oder mechanischen Belastungen ausgesetzt ist, werden diese Belastungen nicht mehr auf das Sensorgehäuse übertragen. Dadurch ist sichergestellt, dass die Messeigenschaften des Druckmessmoduls auch unter hohen thermischen und/oder mechanischen Belastungen unverändert bleiben. Entsprechend kann das Druckmessmodul in beliebige Prozessanschlüsse eingeschweißt werden, ohne dass dadurch eine erneute Kalibration erforderlich wird.
Die Erfindung und deren Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen zwei Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher erläutert. Gleiche Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt: eine Druckmesseinrichtung mit einem erfindungsgemäßen Druckmessmodul, bei dem das Sensorgehäuse im Modulgehäuse isostatisch gelagert ist;
2 zeigt: eine Druckmesseinrichtung mit einem erfindungsgemäßen Druckmessmodul, bei dem die Unterseite des Sensorgehäuses fest mit dem Boden des Modulgehäuses verbunden ist;
3 zeigt: einen Ausschnitt eines Druckmessmoduls, bei dem die den Spalt abdeckende Membran durch einen äußeren Rand der Trennmembran gebildet ist; und
4 zeigt: eine Druckmesseinrichtung mit einem der Trennmembran des Druckmessmoduls vorgeschalteten Prozessanschluss.
1 zeigt eine Druckmesseinrichtung mit einem Prozessanschluss 1 und einem Druckmessmodul 3. Kernstück des Druckmessmoduls 3 ist ein metallisches Sensorgehäuse 5 in dem ein Drucksensor 7 angeordnet ist.
Das Sensorgehäuse 5 ist hier im wesentlichen zylindrisch und weist auf einer ersten Stirnseite eine nach außen von einer Trennmembran 9 abgeschlossene Druckempfangskammer 11 auf. Im Inneren des Sensorgehäuses 5 befindet sich eine nach außen abgeschlossene Druckmesskammer 13, die über eine im Sensorgehäuse 5 verlaufende Verbindung 15 mit der Druckempfangskammer 11 verbunden ist. Der Drucksensor 7 ist im Inneren der Druckmesskammer 13 angeordnet. Die Druckempfangskammer 11, die Druckmesskammer 13 und die Verbindung 15 sind mit einer Druck übertragende Flüssigkeit befüllt, die dazu dient, einen von außen auf die Trennmembran 9 einwirkenden zu messenden Druck p auf den Drucksensor 7 zu übertragen.
Der Drucksensor 7 ist ein handelsüblicher Halbleiter-Drucksensor, z. B. ein auf Siliziumbasis, z. B. unter Verwendung von Silicon-on-Insulator (SOI) Technologie, hergestellter Drucksensor-Chip. Er umfasst einen Träger 17 und eine auf einem Träger angeordnete Messmembran 19. Der Träger 17 ist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel auf einen Sockel 21 aufgebracht, der von einer von der Trennmembran 9 abgewandten Seite her in die Messkammer 13 des Sensorgehäuses 5 eingesetzt ist, und die Messkammer 13 zu dieser Seite nach außen hin verschließt. Alternativ können auch andere Einbauweisen des Drucksensors 7 verwendet werden.
Im Messbetrieb wird der auf die Trennmembran 9 einwirkende zu messende Druck p über die Druck übertragende Flüssigkeit auf eine erste Seite der Messmembran 19 übertragen.
Zur Erfassung von Relativdrücken wird der zweiten Seite der Messmembran 19 ein Referenzdruck, z. B. ein Umgebungsdruck, zugeführt. Hierzu ist in 1 eine Referenzdruckzufuhr 23 vorgesehen, die durch den Sockel 21 und den Träger 17 hindurch in eine unter der Messmembran 19 eingeschlossene Kammer 25 führt. Die bestehende Druckdifferenz zwischen dem zu messenden Druck p und dem Referenzdruck bewirkt eine vom zu messenden Relativdruck abhängige Auslenkung der Messmembran 19.
Zur Erfassung von Absolutdrücken ist keine Referenzdruckzufuhr erforderlich. In diesem Fall ist die unter der Messmembran 19 eingeschlossene Kammer 25, anders als in 1 dargestellt, durch den Träger 17 nach außen vollständig abzuschließen und zu evakuieren. Damit bewirkt der auf die erste Seite der Messmembran 19 einwirkende zu messende Druck p eine vom zu messenden Absolutdruck abhängige Auslenkung der Messmembran 19.
Die resultierende Auslenkung der Messmembran 19 wird über auf der Messmembran 19 angeordnete Sensorelemente, z. B. piezoresistive Widerstände, erfasst und in ein elektrisches Ausgangssignal umgewandelt, dass dann über hier durch den Sockel 21 hindurch geführte Anschlussleitungen 27 aus dem Sensorgehäuse 5 herausgeführt wird, und einer weiteren Verarbeitung und/oder Auswertung zur Verfügung steht.
Das Sensorgehäuse 5 ist unter Freilassung eines das Sensorgehäuse 5 außenseitlich vollständig umschließenden Spalts 29 in ein topfförmiges metallisches Modulgehäuse 31 eingesetzt. Dabei weist die Stirnseite des Sensorgehäuses 5, auf der sich die Trennmembran 9 befindet, aus dem Modulgehäuse 31 heraus, und liegt in einer Ebene mit einer Stirnfläche einer Außenwand des Modulgehäuses 31.
Es ist eine hier ringscheibenförmige Membran 33 vorgesehen, die den Spalt 29 nach außen abschließt. Hierzu ist ein innerer Rand der Membran 33 fest mit einem äußeren, die Trennmembran 9 umgebenden, Rand der Stirnfläche des Sensorgehäuses 5 und ein äußerer Rand der Membran 33 fest mit der Stirnfläche des Modulgehäuses 31 verbunden, z. B. verschweißt.
Bei der in 1 dargestellten Variante ist das Sensorgehäuse 5 derart in das Modulgehäuse 31 eingesetzt, dass dessen dem Boden des Modulgehäuses 31 zugewandte Unterseite vom Boden des Modulgehäuses 31 beabstandet angeordnet ist. Zwischen der Unterseite des Sensorgehäuses 5 und dem Boden des Modulgehäuses 31 besteht ein durch die Beabstandung gebildeter durchgängiger Hohlraum 35 der mit dem das Sensorgehäuse 5 umgebenden Spalt 29 verbunden ist. Der Spalt 29 und der Hohlraum 35 bilden einen durch die Membran 33 nach außen hermetisch dicht verschlossenen Innenraum. Spalt 29 und Hohlraum 35 sind vorzugsweise entweder mit einer Flüssigkeit gefüllt oder evakuiert.
Die Flüssigkeit ist vorzugsweise eine möglichst inkompressible Flüssigkeit, in der möglichst keine Scherkräfte auftreten. Dies bietet den Vorteil, dass in der Flüssigkeit auch bei schnellen Änderungen des zu messenden Drucks p immer eine isotrope Druckverteilung vorliegt und somit von der Flüssigkeit keine richtungsabhängigen Kräfte auf das Sensorgehäuse 5 ausgeübt werden. Hierzu eignet sich beispielsweise ein Silikonöl oder ein Silikongel.
Die in 1 dargestellte Variante der Erfindung wird bevorzugt für Anwendungen eingesetzt, bei denen ausschließlich Druckkräfte und gegebenenfalls auch Überdrücke, wie z. B. kurzeitige Überdruckstöße, auf das Druckmessmodul einwirken.
In Anwendungen, bei denen unter Umständen auch Unterdrücke oder Druckschwankungen auf des Druckmessmodul einwirken können, wird vorzugsweise die in 2 dargestellte Variante der Erfindung eingesetzt.
Im Unterschied zu der in 1 dargestellten Variante ist das Sensorgehäuse 5 hier zusätzlich auf dem Boden des Modulgehäuses 31 befestigt. Dies geschieht vorzugsweise, indem die dem Boden des Modulgehäuses 31 zugewandte Unterseite des Sensorgehäuses 5 mittels einer geschlossenen Schweißnaht 37 mit einer Bodenfläche im Inneren des Modulgehäuses 31 verbunden ist. Die Schweißnaht 37 kann beispielsweise kreisförmig sein und wird vorzugsweise mittels einer Impulsschweißung hergestellt. Die Impulsschweißung bietet hier den Vorteil, dass die Hitzeentwicklung beim Herstellen der Schweißnaht 37 auf die Schweißnaht 37 und deren unmittelbare Umgebung eng begrenzt ist. Dementsprechend kann die Schweißung auch nach der Montage des Drucksensors 7 im Sensorgehäuse 5 erfolgen, ohne dass der Drucksensor 7 hierdurch beschädigt wird.
Die Schweißnaht 37 bewirkt einen geringen Abstand zwischen der Unterseite des Sensorgehäuses 5 und dem Boden des Modulgehäuses 31. Hierdurch entsteht ein die Schweißnaht 37 außenseitlich umgebender Hohlraum 39 zwischen der Unterseite des Sensorgehäuses 5 und dem Boden des Modulgehäuses 31, der mit dem das Sensorgehäuse 5 außenseitlich umgebenden Spalt 29 in Verbindung steht.
Der Spalt 29 und der Hohlraum 39 bilden einen hier durch die Membran 33 und die Schweißnaht 37 nach außen hermetisch dicht verschlossenen Innenraum, der genau wie bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel vorzugsweise entweder mit einer Flüssigkeit gefüllt oder evakuiert ist. Auch hier bewirken Spalt 29 und Hohlraum 39 in dem von ihnen umschlossenen Bereich des Sensorgehäuses 5 eine isostatische Lagerung des Sensorgehäuses 5 mit den oben bereits beschriebenen Vorteilen. Die isostatische Lagerung ist optimal geeignet hohen Drücken, z. B. Überlasten stand zu halten. Zusätzlich bietet die Befestigung des Sensorgehäuses 5 auf dem Boden des Modulgehäuses 31 den Vorteil, dass hiervon auf das Druckmessmodul 3 einwirkende Unterdrücke oder Druckschwankungen aufgefangen werden. Da das Sensorgehäuse 5 am Boden des Modulgehäuses 31 befestigt ist, kann das Sensorgehäuse 5 weder durch Druckschwankungen noch durch Unterdrücke aus dem Modulgehäuse 31 heraus bewegt werden. Hierdurch wird die Befestigung der Membran 33 vor Zugbelastungen geschützt.
Der Anschluss des Drucksensors 7 erfolgt über dessen Anschlussleitungen 27 und die gegebenenfalls vorgesehene Relativdruckzufuhr 23 durch den Boden des Modulgehäuses 31 hindurch.
Bei der in 1 dargestellten Variante ist hierzu im Boden des Modulgehäuses 31 eine elektrische Durchführung 41 für die elektrischen Anschlussleitungen 27 und gegebenenfalls eine weitere Durchführung 43 für die Referenzdruckzufuhr 23 vorgesehen. Dabei ist ein im Inneren des Hohlraums 35 verlaufender Abschnitt der Anschlussleitungen 27 vorzugsweise als flexible Leiterbahn ausgebildet. Der im Inneren des Hohlraums 35 verlaufende Abschnitt der Referenzdruckzufuhr 23 ist vorzugsweise ein flexibles Röhrchen bzw. eine flexible Leitung.
Bei der in 2 dargestellten Variante bildet die Schweißnaht 37 einen hermetisch dichten Abschluss des Hohlraums 39. Entsprechend kann hier im Boden des Modulgehäuses 31 in einem von der Schweißnaht 37 außenseitlich umgebenen Bereich eine Öffnung 45 vorgesehen werden, durch die die Anschlussleitungen 27 hindurch geführt werden. Dies bietet den Vorteil, dass keine elektrische Durchführung für die Anschlussleitungen 27 benötigt wird. Auch kann die gegebenenfalls erforderliche Referenzdruckzufuhr 23 hier als starre Leitung ausgebildet sein. Sofern in der Öffnung 45 der Referenzdruck herrscht, kann die Referenzdruckzufuhr 23 bereits in der Öffnung 45 enden.
Bei beiden Varianten ist im Inneren des Modulgehäuses 31 eine Vorortelektronik 47 vorgesehen, die z. B. dazu dient, die vom Drucksensor 7 erzeugten Sensorsignale aufzubereiten und/oder zu verstärken.
Zur weiteren Verbesserung der durch die Membran 33 und den Spalt 29 bewirkten Entkopplung zwischen Sensorgehäuse 5 und Modulgehäuse 31 kann zusätzlich im Boden des Modulgehäuse 31 eine ringförmige ins Innere des Modulgehäuses 31 mündende Nut 49 vorgesehen werden. Dies ist in 2 dargestellt.
Die Trennmembran 9 und die den Spalt 29 abdeckende Membran 33 sind in den in 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen zwei getrennte Elemente. Alternativ hierzu kann auch eine einteilige Membran verwendet werden. Ein Ausführungsbeispiel hierzu ist in 3 dargestellt. In diesem Fall wird auf der Stirnseite des Sensorgehäuses 5 eine Trennmembran 9' aufgebracht, die sich außenseitlich über den Außenrand des Sensorgehäuses 5 hinaus erstreckt, so dass ein äußerer Rand dieser Trennmembran 9' den Spalt 29 überdeckt. Dieser den Spalt 29 überdeckende Rand bildet die den Spalt 29 nach außen abschließende Membran 33'.
Hergestellt werden die erfindungsgemäßen Druckmessmodule, indem zunächst der Drucksensor 7 im Sensorgehäuse 5 montiert wird, die Druckmesskammer 13, die Druckempfangskammer 11 und deren Verbindung 15 mit der Flüssigkeit befüllt werden, und das Sensorgehäuse 5 durch die Aufbringung der Trennmembran 9 bzw. 9' nach außen abgeschlossen wird. Anschließend wird das Sensorgehäuse 5 in das Modulgehäuse 31 eingesetzt bzw. eingeschweißt, der durch den Spalt 29 und den Hohlraum 35 bzw. 39 gebildete Innenraum mit Flüssigkeit befüllt oder evakuiert, und der Spalt 29 durch die Membran 33 bzw. 33' nach außen verschlossen.
Dabei wird der innere Rand der Membran 33 bzw. 33' fest mit dem äußeren Rand der Stirnfläche des Sensorgehäuses 5 und deren äußerer Rand fest mit der Stirnfläche des Modulgehäuses 31 verbunden. Hierzu eignet sich z. B. eine Laserschweißung. Je nach Art der gewählten Befestigung der Membran 33 bzw. 33' kann diese zu Verspannungen in der Membran 33 bzw. 33' führen. Diese Verspannungen werden vorzugsweise gelöst, indem die Membran 33 bzw. 33' nach deren Befestigung nachgeprägt wird. Hierdurch wird die Membran 33 bzw. 33' wieder spannungsfrei und elastischer und ist somit noch besser in der Lage die Entkopplung zwischen Sensorgehäuse 5 und Modulgehäuse 31 zu unterstützen.
Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Druckmessmodule 3 ist es möglich, auch sehr große Familien von Druckmesseinrichtungen kostengünstig und effizient herzustellen. Dabei werden die unterschiedlichen Druckmessmodule 3 einer Familie, die sich z. B. durch verschiedene Drucksensoren 7, insb. Sensoren mit unterschiedlichen Messbereichen, verschiedene Materialien für die Trennmembran 9, 9', oder verschiedene Druck übertragenden Flüssigkeiten unterscheiden, hergestellt und kalibriert.
Bei der Kalibration werden druckmessmodul-spezifische Messeigenschaften bestimmt, die nachfolgend zur Aufbereitung des Messsignals, zur Ermittlung des zu messenden Drucks p und/oder zur Kompensation von Messfehlern verwendet werden. Dabei werden beispielsweise modul-spezifische Kennlinien aufgenommen, die das modul-spezifische Übertragungsverhalten des jeweiligen Druckmessmoduls 3 in Abhängigkeit von dem darauf einwirkenden Druck p wiedergeben. Zusätzlich wird in der Regel eine Temperaturabhängigkeit des Übertragungsverhaltens bestimmt, die nachfolgend zur Kompensation von temperatur-abhängigen Messfehlern der Druckmessmodule 3 verwendet wird.
Bei der Kalibration anfallende messmodul-spezifische Daten und/oder Kennlinien werden vorzugsweise in einem Speicher der Vorortelektronik 47 des jeweiligen Druckmessmoduls 3 abgelegt.
Parallel dazu werden die unterschiedliche Varianten der Prozessanschlüsse 1 der Familie vorgefertigt und bereitgestellt. Anschließend werden die Druckmesseinrichtungen hergestellt, indem die kalibrierten Druckmessmodule 3 jeweils bedarfsabhängig in einen der Prozessanschlüsse 1 eingesetzt und dort befestigt werden. Durch die modulare Kombination der Druckmessmodule 3 mit den Prozessanschlüssen 1 ist es unter verhältnismäßig geringem Lageraufwand möglich schnell, bedarfsabhängig und flexibel eine sehr große Vielfalt von Druckmesseinrichtungen einer Familie herzustellen.
Dabei bietet die Erfindung den Vorteil, dass sich die Messeigenschaften der Druckmessmodule 3 beim Einbau in den Prozessanschluss 1 nicht verändern. Die Druckmesseinrichtungen sind damit sofort, insb. ohne eine erneute Kalibration, einsetzbar.
Der Grund hierfür besteht in der durch den von der Membran 33 bzw. 33' abgeschlossene Spalt 29 bewirkten Entkopplung zwischen dem Sensorgehäuse 5 und dem Modulgehäuse 31. Diese Entkopplung schützt das Sensorgehäuse 5 vor von außen auf das Modulgehäuse 31 einwirkenden thermischen und/oder mechanischen Belastungen. Selbst geringfügige Verformungen des Modulgehäuses 31 werden durch den Spalt 29 und die Membran 33 bzw. 33' aufgefangen und ausgeglichen. Dieser Schutz bewirkt, dass die Messeigenschaften des Druckmessmoduls 3 auch dann unverändert stabil bleiben, wenn das Modulgehäuse 31 thermischen und/oder mechanischen Belastungen ausgesetzt wird.
Entsprechend ist es möglich, die Modulgehäuse 31, wie in 1 und 2 dargestellt, in die Öffnung 51 des gewünschten Prozessanschlusses 1 einzuschweißen. Hierzu kann ohne Weiteres eine massiv und tief ausgeführte Schweißung 53 verwendet werden, die auch sehr hohen Über- oder Unterdrücken standhalten kann. Die dabei auf das Modulgehäuse 31 einwirkenden hohen thermischen und mechanischen Belastungen werden aufgrund der Entkopplung nicht auf das Sensorgehäuse 5 übertragen, und führen damit auch nicht zu einer Veränderung der Messeigenschaften des Druckmessmoduls 3.
Aufgrund der druckfesten Bauweise der erfindungsgemäßen Druckmessmodule 3 können diese nicht nur – wie bereits dargestellt und beschrieben- in Öffnungen 51 aufweisende Prozessanschlüsse 1 eingesetzt werden. Alternativ können auch Prozessanschlüsse verwendet werden, die vor die Trennmembran 9 gesetzt werden.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer auf diese Weise aufgebauten Druckmesseinrichtung. Sie umfasst exemplarisch das Druckmessmodul 3 von 2 und einen dem Druckmessmodul 3 vorgeschalteten Prozessanschluss 55. Der Prozessanschluss 55 weist eine dem Druckmessmodul 3 zugewandte Stirnfläche 57 auf, die mechanisch fest mit einem formgleichen äußeren die Membran 33 außenseitlich umgebenden Rand 59 des Modulgehäuses 31 verbunden ist. Die Verbindung ist auch hier vorzugsweise eine Schweißung 61. Der Prozessanschluss 55 weist auf dessen dem Druckmessmodul 3 zugewandten Seite eine Ausnehmung 63, die eine von dem äußeren Rand 59 umgebene Stirnseite des Druckmessmoduls 3 inklusive der Trennmembran 9 und der den Spalt 29 abdeckenden Membran 33 freigibt. Auf der vom Druckmessmodul 3 abgewandten Seite des Prozessanschlusses 55 ist eine Befestigungsvorrichtung 65, hier ein mit einem Außengewinde versehener Stutzen, vorgesehen, die dazu dient, den Prozessanschluss 55 an einem Messort zu befestigen. Zusätzlich weist der Prozessanschluss 55 eine in der Ausnehmung 63 mündende Bohrung 67 auf, die durch die Befestigungsvorrichtung 65 hindurch führt, und über die im Messbetrieb der zu messende Druck p der Trennmembran 9 zugeführt wird.
Auch hier kann aus den oben genannten Gründen ohne Weiteres eine massiv und tief ausgeführte Schweißung 61 verwendet werden, die auch sehr hohen Über- oder Unterdrücken standhalten kann, ohne dass dabei auf das Modulgehäuse 31 einwirkende hohe thermische und mechanische Belastungen auf das Sensorgehäuse 5 übertragen werden.

1: Prozessanschluss
3: Druckmessmodul
5: Sensorgehäuse
7: Drucksensor
9, 9': Trennmembran
11: Druckempfangskammer
13: Druckmesskammer
15: Verbindung
17: Träger
19: Messmembran
21: Sockel
23: Referenzdruckzufuhr
25: Kammer
27: Anschlussleitungen
29: Spalt
31: Modulgehäuse
33, 33': Membran
35: Hohlraum
37: Schweißnaht
39: Hohlraum
41: elektrische Durchführung
43: Durchführung
45: Öffnung
47: Vorortelektronik
49: Nut
51: Öffnung
53: Schweißung
55: Prozessanschluss
57: Stirnfläche
59: Rand
61: Schweißung
63: Ausnehmung
65: Befestigungsvorrichtung
67: Bohrung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 0759547 A1 [0003]
- WO 02/40957 A1 [0011, 0012]

Claims

Druckmessmodul, mit – einem metallischen Sensorgehäuse (5), – das eine frontbündig von einer Trennmembran (9, 9') abgeschlossene Druckempfangskammer (11) aufweist, – in dem eine nach außen abgeschlossene Druckmesskammer (13) angeordnet ist, – die über eine im Sensorgehäuse (5) verlaufende Verbindung (15) mit der Druckempfangskammer (11) verbunden ist, – in dem in der Druckmesskammer (13) ein Drucksensor (7) angeordnet ist, und – in dem die Druckempfangskammer (11), die Druckmesskammer (13) und die Verbindung (15) mit einer Druck übertragende Flüssigkeit befüllt sind, die einen von außen auf die Trennmembran (9, 9') einwirkenden zu messenden Druck (p) auf den Drucksensor (7) überträgt, – einem topfförmigen metallischen Modulgehäuse (31), – in das das Sensorgehäuse (13) unter Freilassung eines das Sensorgehäuse (5) im Inneren des Modulgehäuses (31) außenseitlich vollständig umschließenden Spalts (29) eingesetzt ist, – einer den Spalt (29) nach außen abschließenden Membran (33), – die einen inneren Rand aufweist, der fest mit einem äußeren Rand einer Stirnfläche des Sensorgehäuses (5) verbunden ist, und – die einen äußeren Rand aufweist, der fest mit einer Stirnfläche des Modulgehäuses (31) verbunden ist.
Druckmessmodul nach Anspruch 1, bei dem – eine dem Boden des Modulgehäuses (31) zugewandten Unterseite des Sensorgehäuses (5) von dem Boden beabstandet angeordnet ist, – ein durch die Beabstandung gebildeter Hohlraum (35) mit dem das Sensorgehäuse (5) umgebenden Spalt (29) verbunden ist, und – der Spalt (29) und der Hohlraum (35) mit einer Flüssigkeit gefüllt sind oder evakuiert sind.
Druckmessmodul nach Anspruch 1, bei dem – eine dem Boden des Modulgehäuses (31) zugewandten Unterseite des Sensorgehäuses (5) mittels einer geschlossenen Schweißnaht (37) mit einer Bodenfläche im Inneren des Modulgehäuses (31) verbunden ist, – ein die Schweißnaht (37) außenseitlich umgebender Hohlraum (39) zwischen der Unterseite des Sensorgehäuses (5) und dem Boden des Modulgehäuses (31) mit dem das Sensorgehäuse (5) außenseitlich umgebenden Spalt (29) verbunden ist, und – der Spalt (29) und der Hohlraum (39) mit einer Flüssigkeit gefüllt sind oder evakuiert sind.
Druckmessmodul nach Anspruch 1, bei dem im Boden des Modulgehäuse (31) eine ringförmige ins Innere des Modulgehäuses (31) mündende Nut (49) vorgesehen ist.
Druckmessmodul nach Anspruch 1, bei dem – die Trennmembran (9') sich außenseitlich über den Außenrand des Sensorgehäuses (5) hinaus erstreckt, und – die den Spalt (29) nach außen abschließende Membran (33') durch einen äußeren Rand der Trennmembran (9') gebildet ist.
Druckmessmodul nach Anspruch 1, bei dem der der Drucksensor (7) ein Halbleitersensor ist.