DE2659376A1

DE2659376A1 - Differenzdruck-messzelle

Info

Publication number: DE2659376A1
Application number: DE19762659376
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Dipl Ing Nuernberger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1976-12-29
Filing date: 1976-12-29
Publication date: 1978-07-06
Also published as: IT1089186B; FR2376407A1; JPS5383777A; FR2376407B1; DE2659376C2

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen 2659376

Berlin und München VPA 7ß ρ 3 5 7 4 BRD

Differenzdruck-Meßzelle

Die Erfindung bezieht sich auf eine Differenzdruck-Meßzelle mit an den Stirnflächen angeordneten, mit den Meßdrücken beaufschlagten Trennmembranen, mit einer inkompressiblen Füllflüssigkeit im Innern zur hydraulischen Übertragung der Meßdrücke auf eine schwach überlastbare Halbleiter-Meßmembran, mit Mitteln zur Umformung ihrer differenzdruckproportionalen Auslenkung in eine elektrische Größe und mit Mitteln zum Schutz der Meßmembran vor starker Überlastung.

Halbleiter-Meßmembranen, z. B. aus Silizium, mit sehr kleinem Durchmesser im Millimeterbereich lassen sich um das 6- bis 10-fache ihres Meßbereichsendwertes überlasten, ohne Schaden · zu nehmen. Bei Differenzdruck-Meßumformern sind jedoch häufig relativ hohe statische Meßdrücke zu verarbeiten, die um zwei bis vier dezimale Größenordnungen größer sind als der auf die Meßmembran wirkende Differenzdruck. Es müssen deshalb Mittel zum Schutz der Meßmembran vor starker Überlastung vorgesehen werden.

Bei einem bekannten Differenzdruck-Meßumformer (DT-AS 22 61 664) ist zum Schütze der dort verwendeten Silizium-Meßmembran ein von einem Balg betätigtes Ventilsystem vorgesehen, welches bei Überlast den von dem hohen Druck beaufschlagten, flüssigkeitsgefüllten Druckraum von der Meßkammer mit der Meßmembran abschließt. Weiter ist noch ein durch einen weiteren Balg unterteiltes Ausgleichsvolumen vorgesehen, welches die beim Schließvorgang des Ventilsystems im Überlastfall verdrängte Füllflüssigkeit auf-

Sp 23 Bz / 23. 12.

nimmt. Dieser Aufbau bedingt einen relativ hohen Raumbedarf bei großem herstellungstechnischem Aufwand.

Es besteht demgemäß die Aufgabe, eine Differenzdruck-Meßzelle der eingangs genannten Art in kompakter, einfach herzustellender Bauart mit möglichst kleinem Füllflüssigkeitsvolumen zu schaffen.

Eine Lösung der Aufgabe wird in einer Differenzdruck-Meßzelle gesehen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Stirnflächen dieser Meßzelle in bekannter Weise als Anlageflächen (Membranbetten) für die Trennmembran im Überlastfall ausgebildet sind und daß jede der zwei jeweils von Trennmembran und Stirnfläche begrenzten Vorkammern druckleitend verbunden ist mit je einem Ausgleichsvolumen, das von jeweils einer festen und einer gemeinsamen, federnd verschiebbaren Mittelwand einer Ausgleichskammer in der Meßzelle gebildet ist und daß die Halbleiter-Meßmembran vorzugsweise zentrisch in der verschiebbaren Mittelwand angebracht ist und einen Teil ihrer Wandfläche bildet.
Die Federcharakteristik der verschiebbaren Mittelwand ist dabei ' derart auf die Überlastbarkeit der in ihr angebrachten Meßmembran abzustimmen, daß ihre Ansprechschwelle zwischen dem dem Meßbereichsendwert entsprechenden Druck und dem für die Meßmembran , noch erträglichen Überlastdruck liegt.
Als Ansprechschwelle für die federnde Mittelwand ist eine Druckstufe anzusehen, unterhalb derer die Mittelwand wie eine starre Wand wirkt und oberhalb derer die Mittelwand dem Druck nachgebend ausweicht, so daß die im Überlastfall aus der entsprechenden Vorkammer verdrängte Füllflüssigkeit in dem angeschlossenen Ausgleichsvolumen ohne für die Meßmembran schädliche Druckerhöhung^ aufgenommen werden kann.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die federnd verschiebbare Mittelwand eine in einer Radialebene der Aüsgleichskammer in der zylindrischen Meßzelle eingespannte Ausgleichsmembran, deren Durchmesser um eine bis zwei dezimale Größenordnungen größer ist als der der Halbleiter-Meßmembran.

Es ist so möglich, mit einfachen Mitteln eine kompakte Meßzelle mit Halbleiter-Meßmembran und Wirkungsvollem Überlastschutz aufzubauen.

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Zur Erläuterung der Erfindung ist in der Figur ein Ausführungsbeispiel rein schernatisch dargestellt und im folgenden beschrieben.

Die mit einer inkompressible]! Flüssigkeit gefüllte Differenzdruck-Meßzelle 1 setzt sich aus zwei gleichartigen, spiegelbildlich zusammengefügten, zylindrischen Formteilen 2 und 2' zusammen. Die äußeren Stirnflächen der Meßzelle 1 sind als Membranbetten 3 und 3' für die mit ihrem Rand verbundenen Trennmembranen 4 und 4¹ ausgebildet, auf welche von außen die Meßdrücke P^ und Pp wirken.

Die Trennmembranen 4 und 4' und die als Membranbetten 3 und 3¹ ausgebildeten Stirnflächen der Meßzelle 1 begrenzen Vorkammern 5 und 5', die über zentrische Bohrungen 6 und 6' mit je einem Ausgleichsvolumen 7> 7' einer Ausgleichskammer 8 druckleitend verbunden sind.

In den zusammenstoßenden Flächen der Formteile 2 und 2¹ sind feste Wände' 9 und 9' der Ausgleichskammer 8 bildenden Ausnehmungen angebracht, wobei die Ausgleichskammer 8 durch eine in einer Radialebene angeordnete, federnd verschiebbare Mittelwand 10, hier einer Federmembran, unterteilt ist. Die federnde Mittelwand 10 trennt die Ausgleichsvolumen 7 und 7' voneinander. In ihr ist zentrisch ein Meßsystem 11 mit einer Halbleiter-Meßmembran 12 derart angeordnet, daß die Halbleiter-Meßmembran 12 einen Teil der Wandflache der verschiebbaren Wand 10 bildet. Da alle Hohlräume innerhalb der Meßzelle 1 mit einer inkompressiblen Füllflüssigkeit gefüllt sind, werden die auf die Trennmembranen 4 und 4¹ gegenläufig wirkenden Meßdrücke P,, und Pg hydraulisch auf die Meßmembran 12 übertragen. Dabei wird eine der Druckdifferenz der Meßdrücke proportionale Auslenkung der Meßmembran durch in der Membran befindliche piezoresistive Zonen in bekannter Weise in ein elektrisches Signal umgeformt.

Die Federcharakteristik der verschiebbaren Wand 10 ist, wie bereits erwähnt, so auf die Überlastbarkeit der Halbleitermembran 12 abgestimmt, daß noch vor Auftreten eines die Überlastbarkeit der Meßmembran überschreitenden Drucks in einem der Ausgleichsvolumen 7 oder 7' der Ausgleichskammer 8 die verschiebbare Wand ausweicht, so daß die beispielsweise aus der Vorkammer 5 verdrängte Flüssigkeit ohne weitere Druckerhöhung in dem Ausgleichsvolumen 7 aufgenommen werden kann.

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Das dargestellte Ausfuhrungsbeispiel ist etwa im Maßstab 5 : 1 gezeichnet, d. h. der Durchmesser der Meßmembran 12 beträgt etwa 1 mm, der Durchmesser der Meßzelle 1 etwa 23 mm, woraus zu erkennen ist, daß sich auf die erfindungsgemäße Weise Differenzdruck-Meßzellen sehr kompakter Bauart mit wirkungsvollem Überlastschutz herstellen lassen.

3 Patentansprüche
1 Figur

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Leerse ite

Claims

76 P 3 57 4 BRD

Patentansprüche "

Differenzdruck-Meßzelle mit an Stirnflächen angeordneten, mit den Meßdrücken beaufschlagten Trennmembranen, mit einer inkompressiblen Füllflüssigkeit im Innern zur hydraulischen Übertragung der Meßdrücke auf eine schwach überlastbare Halbleiter-Meßmembran, mit Mitteln zur Umformung ihrer differenzdruckproportionalen Auslenkung in eine elektrische Größe und mit Mitteln zum Schutz der Meßmembran vor starker Überlastung, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnflächen der Meßzelle (1) in bekannter Weise als Membranbetten (3» 3') für die Trennmembranen (4, 4') im Uberlastfall ausgebildet sind und daß jede der zwei jeweils von Trennmembran und Membranbett (4, 3; 4', 3') begrenzten Vorkammern (5» 5¹) druckleitend verbunden ist mit je einem Ausgleichsvolumen (7, 7')i das von jeweils einer festen (3» 3') und einer gemeinsamen, federnd verschiebbaren Mittelwand (10) einer Ausgleichskammer (8) in der Meßzelle (1) gebildet ist

und daß die Halbleiter-Meßmembran (12) vorzugsweise zentrisch in der verschiebbaren Mittelwand (10) angebracht ist und einen Teil ihrer Wandfläche bildet.

Differenzdruck-Meßzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die verschiebbare Mittelwand (10) eine in einer Radialebene der Ausgleichskammer (8) in der zylindrischen Meßzelle (1) eingespannte Membran ist, deren Federcharakteristik derart auf die Überlastbarkeit der zentrisch in ihr angebrachten Meßmembran (12) abgestimmt ist, daß ihre Ansprechschwelle zwischen dem den Meßbereichsendwert entsprechenden Druck und dem für die Meßmembran (12) erträglichen Überlastdruck liegt.

Differenzdruck-Meßzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchmesser von Meßmembran (12) und Mittelwand (10^ sich um eine bis zwei dezimale Größenordnungen unterscheiden.

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