DE2659376C2 - Differenzdruck-Meßzelle - Google Patents

Description

werden kann.

Ein Nachteil dieser Art von Überlastsicherung ist darin zu sehen, daß eine durch Temperaturanstieg hervorgerufene Druckerhöhung bzw. Volumenvergrößerung in der hochdruckseitigen Meßkammerhälfte bei anliegender Trennmembran zu einer Beschädigung der Membran führen kann.

Es besteht somit die Aufgabe, eine Differenzdruck-Meßzelle der eingangs genannten Art so auszubilden, daß sie mit wenigen Teilen in fertigungstechnisch einfacher Weise kompakt aufzubauen ist.

Die Aufpabe wird erfindungsgemäß mit der Merkmalskombination des Anspruchs 1 gelöst.

Da die Halbleiter-Meßmembran in der verschiebbaren Wand vorzugsweise zentrisch angeordnet ist und einen Teil ihrer Wandfläche bildet, ist keine besondere Meßkammer zur Aufnahme der Meßmembran notwendig. Die Meßzelle läßt sich aus wenigen Teilen zusammensetzen.

Da, wie bereits eingangs erwähnt, der maximal zulässige Überlastdruck bei einer Halbleit.r-Meßmembran ein Mehrfaches des dem Meßbereich-Endwert entsprechenden Drucks betragen kann, ist dem Konstrukteur ein größerer Spielraum bei der Wahl der Druckschwelle gegeben, unterhalb derer die Mittelwand wie eine starre Wand wirkt und oberhalb derer die Mittelwand dem Druck nachgebend ausweicht. Bei der Fertigung können größere Toleranzen zugelassen werden.

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

Die mit einer inkompressiblen 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 4' ausgebildet, auf welche von außen die Meßdrücke Pi und P₂ wirken.

Die Trennmembranen 4 und 4' und die als Membranbetten 3 und 3' ausgebildeten Stirnflächen der Meßzelle 1 begrenzen Vorkammern 5 und 5', die über zentrische Bohrungen 6 und 6' mit je einem Ausgleichsvolumen 7, T einer Ausgleichskammer 8 druckleitend verbunden sind.

In den zusammenstoßenden Flächen der Formteile 2 und 2' 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

i<> einer Federmembran, unterteilt ist. Die federnde Mittelwand 10 trennt die Ausgleichsvolumen 7 und T voneinander. In ihr ist zentrisch ein Meßsystem 11 mit einer Halbleiter-Meßmembran 12 derart angeordnet, daß die Halbleiter-Meßmembran 12 einen Teil der Wandfläche der verschiebbaren Wand 10 bildet. Da alle Hohlräume innerhalb der Meßzelle 1 mit einer inkompressiblen Füüflüssigkeit gefüllt sind, werden die auf die Trennmembranen 4 und 4' gegenläufig wirkenden Meßdrücke P\ und Pj 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 Ausgleichsvolu-

i» Men 7 oder T 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.

>~> Das dargestellte Ausführungsbeispiel ist etwa im Maßstab 5 : 1 gezeichnet, d. h. der Durchmesser der Meßmembran 12 beträgt etwa ' 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.

Hierzu I Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Differenzdruck-Meßzelle mit in den Stirnflächen angeordneten Vorkammern, die von mit den Meßdrücken beaufschlagten Trennmembranen abgeschlossen sind, mit einer imkompressiblen Füllflüssigkeit im Innern der Meßzelle zur hydraulischen Übertragung der Meßdrücke auf eine schwach überlastbare Halbleiter-Meßmembran mit piezoresistiven Zonen zur Umformung ihrer differenzdruckproportionalen Auslenkung in eine elektrische Größe, und mit einer Einrichtung zum Schutz der Halbleiter-Meßmembran vor starker Überlastung, die hydraulisch an die Trennmembranen angekoppelte Ausgleichsvolumina umfaßt, welche mittels einer verschiebbaren Wand voneinander getrennt sind, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

a) die den Trennmembranen (4, 4') gegenüberliegenden Wände der Vorkammern (5, 5') sind in bekannter Weise als Membranbetten (3, 3') zur Abstützung der Trennmembranen bei Überlastung ausgebildet;

b) die die Ausgleichsvolumina (7, T) trennende, verschiebbare Wand (10) ist eine in einer Mittelebene einer die Ausgleichsvolumina umfassenden Ausgleichskammer (8) eingespannte Membran, deren Federcharakteristik so abgestimmt ist, daß die Membran-Auslenkung bei einem Druck beginnt, der zwischen dem dem Meßbereichsendwert entsprechenden Wirkdruck und dem der Überlastbarkeit der Halbleiter-Meßmembran entsprechenden Druck liegt;

c) die Halbleiter-Meßmembran (12) ist zentrisch in der als Membran ausgebildeten verschiebbaren Wand (10) angebracht und bildet einen Teil ihrer Wandfläche.

2. Differenzdruck-Meßzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchmesser von Meßmembran (12) und verschiebbarer Wand (10) sich um eine bis zwei dezimale Größenordnungen unterscheiden.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Differenzdruck-Meßzelle mit in den Stirnflächen angeordneten Vorkammern, die von mit den Meßdrücken beaufschlagten Trennmembranen abgeschlossen sind, mit einer inkompressiblen Füllflüssigkeit im Innern der Meßzelle zur hydraulischen Übertragung der Meßdrükke auf eine schwach überlastbare Halbleiter-Meßmembran mit piezoresistiven Zonen zur Umformung ihrer differenzdruckproportionalen Auslenkung in eine elektrische Größe, und mit einer Einrichtung zum Schutz der Halbleiter-Meßmembran vor starker Überlastung, die hydraulisch an die Trennmembranen angekoppelte Ausgleichsvolumina umfaßt, welche mittels einer verschiebbaren Wand voneinander getrennt sind.

Halbleiter-Meßmembranen, z. B. aus Silizium, mit sehr kleinem Durchmesser im Millimeterbereich, lassen sich um das Sechs- bis Zehnfache ihres Bereichsendwertes 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. Bei starkem Druckabfall eines der Meßdrücke, wie er beispielsweise beim Bruch einer Druckleitung auftritt, müssen Mittel vorgesehen werden, um die Meßmembran vor zu starker Überlastung und damit vor Beschädigung zu schützen.

Bei einem bekannten Differenzdruck-Meßumformer (DE-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 aufnimmt. Dieser Aufbau bedingt einen relativ hohen Raumbedarf bei großem herstellungstechnischem Aufwand.

Eine nach dem gleichen Wirkungsprinzip arbeitende Überlastsicherung weist auch eine andere, aus der DE-OS 23 60 276 bekannte Differenzdruck-Meßzelle auf, bei der die die Meßmembran mit elektrischem Abgriff enthaltende Meßkammer an einer Überlastmembran beweglich aufgehängt ist, die einen Druckraum in zwei über Anschlußöffnungen mit den zu messenden Drücken beaufschlagten Druckkammern verbundene Kompensationsdruckkammern unterteilt. Die Meßkammer wirkt dabei als Ventilkörper und ist an ihren Stirnseiten mit Verschlußeinrichtungen versehen. Der Abstand der Verschlußeinrichtungen von den zu den Vorkammern führenden Anschlußöffnungen in den Wänden der Kompensationskammern und die Federcharakteristik der Überlastmembran müssen so aufeinander abgestimmt sein, daß bei Überschreiten des Meßbereichs einseitig ein Abschluß der zu der Vorkammer mit zu niedrigem Meßdruck führenden Anschlußöffnung eintritt. Überlastsicherungen mit Ventilsystemen haben den Nachteil, daß bei langer dauernden Überlastungen eine Leckage aus dem abgeschlossenen Druckraum auftreten kann, was zu einer unzulässigen Druckerhöhung in der Meßkammer und damit verbundener Beschädigung der Meßmembran führen kann.

Bei einer prinzipiell anderen Art der Überlastsicherung bei Differenzdruck-Meßumformern ist die Meßzelle stirnseitig mit Vorkammern geringen Volumens versehen, deren Vorderwände die Trennmembranen sind und deren Rückwände als Membranbetten ausgebildet sind, an welchen sich die eine oder die andere Trennmembran im Überlastfall nach Verdrängung des dazwischen befindlichen Flüssigkeitsvolumens großflächig abstützen kann, wodurch ein unzulässiger Druckanstieg der Zelle selbst verhindert wird.

Eine derartige Einrichtung ist beispielsweise aus der GB-PS 14 47 956, Figur 2b zu entnehmen, bei der die mit Trennmembranen und Membranbetten versehenen Vorkammern druckleitend mit einer von einer Meßmembran symmetrisch unterteilten Meßkammer verbunden sind. Die Meßmembran ist hier Teil eines induktiven Differential-Abgriffsystems und weist einen Durchmesser auf, der etwa dem der Trennmembranen entspricht. Ausgleichsvolumen für die im Überlastfall aus den Vorkammern verdrängte Flüssigkeit sind nicht vorgesehen, da Vorkammer und die zugehörige Meßkammerhälfte so aufeinander abgestimmt sind, daß im Überlastfall die Meßmembran nicht überdehnt