DE2718873A1

DE2718873A1 - Druckaufnehmer

Info

Publication number: DE2718873A1
Application number: DE19772718873
Authority: DE
Inventors: Lewis A Medlar; William T Newbold
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1976-05-03
Filing date: 1977-04-28
Publication date: 1977-11-24
Also published as: JPS6063437A; JPS6034688B2; JPS52152778A; CA1077294A; GB1573527A; US4163395A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Druckaufnehmer nach dem Gattungsbegriff des Anspruches 1. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Einrichtung zur Umformung eines Drucken in ein elektrisches Signal und speziell auf einen Differenzdruckumformers, bei dem der Wert des elektrischen Signales von der Differenz zweier Fluiddrücke abhängt. Die vorliegende Erfindung greift hierbei auf Druckaufnehmer bzw. Druckwandler zurück, bei denen 'Irennmcrabranen und Füll flüssigkeiten verwendet werden, um den gemessenen Fluiddruck auf den Druckfühler zu übertragen.

Ein Druckaufnehmer bekannter Art weist einen sogenannten Druckfühlkopf auf, der zwei Trennmembranen enthält. Eine Kammer auf einer Seite einer Membran wird von einem Fluid mit einem ersten Druck beaufschlagt und eine Kammer auf der einen Seite der anderen Membran wird von einem Fluid mit einem zweiten Druck beaufschlagt. Diese beiden Fluiddrücke können beispielsweise beidseits einer Blende in einer ein Fluid führenden Leitung entnommen werden.

Eine getrennte Kammer auf der anderen Seite einer jeden Membran enthält eine inkompressible Füllflüssigkeit. Diese Füllflüssigkeit beaufschlagt gegenüberliegende Seiten eines Differenzdruck-Fühlelementes, v/obei dieses Fühlelement um einen Betrag ausgelenkt wird, der von dem Differenzdruck der beiden Füllflüssigkeiten abhängt und somit von dem Differenzdruck der angeschlossenen FluiddrUcke abhängig ist. Das Fühlelement erzeugt ein elektrisches Ausgangssignal, das seiner Auslenkung und damit dem angelengten Differenzdruck proportional ist.

Bei früheren Ausgestaltungen solcher Druckwandler bestand jede Trennmembran aus einer flachen Membran bzw. einer Platte, Der auf einer Seite der Trennmembran angelegte Fluiddruck verursachte hierbei deren Auslenkung aus dem flachen Zustand

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und somit die. übertragung des angelegten Fluiddruckes auf die Fül.lf lüssigkeit auf der anderen Seite der Membran. Die Füllflüssigkeit ihrerseits übertrug diesen Druck auf die entsprechende Seite des Fühlelementes.

Obgleich solche flachen Trerinmembranen auf Grund ihrer Einfachheit leicht herzustellen waren, hat sich doch herausgestellt, daß sie nicht hinnehmbare Fehler bei der Druckmessung in den nie verwendenden Druckwandlern hervorgerufen haben. Insbesondere hat sich herausgestellt, daß die Auslenkcharakteristik einer solchen flachen Membran gewissen Unregelmäßigkeiten und einer gewissen Hysterese bei ihrer Auslenkung aus dem flachen Zustand unterv/orfen ist. Es liegt auf der Hand, daß sich diese unerwünschten Effekte auf einen Druckwandler übertragen, falls von solchen flachen Trennmembranen Gebrauch gemacht wird.

Das vorstehend erwähnte Problem wurde weitgehendst dadurch gelöst, indem die flachen Trennmembranen durch kreisförmig gewellte bzw. gerippte Membranen ersetzt wurden. Es liegt jedoch auf der Hand, daß solche Membranen nicht so einfach herstellbar und dementsprechend teuer sind. Weiterhin ist bei den auf diese Weise ausgebildeten Membranen ein Schutz gegen überlastung nicht in einfacher Weise durch eine Abstützfläche möglich. Durch den Ausdruck überlast sei hierbei ein Wert hinsichtlich des Differenzdruckes gekennzeichnet, den der Druckfühler nicht mehr verarbeiten kann. Beim Aufbau des bekannten Druckaufnehmers ist jeder Trennmembran eine Stützfläche zugeordnet, an der die Membran anschlägt, wenn das zugeführte, auf die Membran einwirkende Fluid einen wesentlich höheren Druck, als das auf der anderen Seite zugeführte Fluid aufweist, so daß sich die Differenz zwischen beiden Drücken dem Überlastwert annähert. Durch den Anschlag wird die Trennmembran gegen eine Beschädigung geschützt und gleichzeitig wird hierdurch der gefühlte Druck auf einen Wert begrenzt, der hinsichtlich des den Differenzdruck messenden Meßfühlers keinen Schaden hervorrufen kann.

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Um den zuvor erwähnten Schutz zu erzielen, muß die Form der Stützfläche an die der Trennmembran angepaßt sein, damit der Überlastdruck die Membran nur bis zu einem gewissen Grad auslenken kann. In vielen Fällen hat es sich nun herausgestellt, daß es schwierig, wenn nicht sogar unmöglich ist, die Oberfläche einer gewellten oder anderen nicht-flachen Membran und ihrer zugehörigen Stützfläche bis zu einem solchen Maß aneinander anzupassen, daß ein vollständiger Schutz des Fühlers möglich ist.

Die vorstehenden Ausführungen treffen insbesondere auf jene Konstruktionen zu, die mit einem Fühlelement mit geringer Auslenkung arbeiten. Ein solches Fühlelement besitzt eine praktisch vernachlässigbare Verschiebung auf Grund der Volumenveränderung und wird durch einen tiberlastungsdruck leicht beschädigt. Ein Halbleiter-Dehnungsmesselement ist ein Beispiel für einen solchen Fühler, bei dem die vorstehend erwähnte genaue Oberflachenanpassung, die in der Praxis nicht leicht erzielbar ist, erforderlich wäre.

Auf Grund der Schwierigkeiten hinsichtlich einer dem Überlastungsschutz dienenden genauen Oberflächenanpassung wurden daher andere überlastungsschutzmaßnahmen vorgeschlagen, die jedoch dazu führen, daß derartige Druckwandler unverhältnismäßig groß, komplex und kostspielig werden. Als Beispiel für einen solchen Druckwandler mit zusätzlichen Überlastungsschutzmaßnahmen sei auf den Wandler gemäß der US-PS 3 841 158 verwiesen.

Ausgehend von den eingangs erwähnten bekannten Druckaufnehmern bzw. Druckwandlern liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einerseits kompliziert geformte Trennmembranen und dementsprechend gestaltete Abstützflächen zu vermeiden und andererseits die bei Verwendung einfacher flacher Membranen auftretenden unerwünschten Effekte wie Hysterese, Nichtlinea- rität usw. auszuschalten. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt

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gemäß der im Anspruch 1 gekennzeichneten Erfindung. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Die vorliegende Erfindung sieht die Verwendung einer einfachen, dünnen, flachen und flexiblen Platte als Trennmembran in einem verbesserten Druckaufnehmer vor. Nachdem diese flache Membran dichtend in den Druckaufnehmer eingesetzt ist, wird eine die Püllflüssigkeit aufweisende Kammer mit einem Flxiid gefüllt, das unter einem solchen Druck steht, daß die Membran ausgelenkt wird und eine sphärische Form aufweist. Das Ausmaß dieser Auslenkung wird so getroffen, daß im normalen Betriebsbereich der Differenzdruck die Trennmembran nur um einen solchen Betrag aus der ausgelenkten Position herausbewegt, daß die Membran mit einer im wesentlichen kontinuierlichen Charakteristik arbeitet. Dementsprechend treten keine Diskontinuitäten und keine Hystereseeffekte auf. Das Erfordernis nach einem speziellen Kerstellverfahren, wie beispielsweise bei gewellten Membranen kann hierbei ebenfalls entfallen.

Darüberhinaus kann die Abstützfläche genau an die Oberfläche der flachen Membran angepaßt werden, indem diese ebenfalls flach ausgebildet wird. Die genaue Anpassung, wie sie hinsichtlich einer Druckfühleinrichtung mit geringer Auslenkung erforderlich ist, um den gewünschten Überlastungsschutz zu erzielen, kann im vorliegenden Fall ohne besondere Herstellbzw. Bearbeitungsverfahren erreicht werden. Zusätzliche Überlastungsschutzeinrichtungen sind nicht erforderlich.

Anhand eines in den Figuren der beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles sei die Erfindung im folgenden näher erläutert. Es zeigen:

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Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Differenzdruckwandlers mit einem neuartigen Drucknufnchmer gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 einen Schnitt durch den Druckaufnehmer;

Fig. 3 einen Schnitt durch ein typisches Fühlelement, wie es bei dem Druckwandler gemäß Fig. 1 Verwendung findet;

Fig. 4 eine Schnittansicht gemäß der Linie 4-4 durch das Fühlelement gemäß Fig. 3; und

Fig. 5 einen elektrischen Brückenschaltkreis zur Auswertung der Signale des Fühlelementes gerr.äß den Figuren 3 und 4.

Der in den Figuren 1 und 2 dargestellte Druckwandler erzeugt ein elektrisches Ausgangssignal, das von der Differenz der Drücke zweier zugeführter Fluide abhängig ist. Zu diesem Zweck weist der in den Figuren 1 und 2 dargestellte Druckwandler als Druckaufnehmer einen Druckfühlkopf 12 auf, der mit einer entfernt angeordneten Differenzdruck-Fühlerkapsel 14 über Kapillarröhren 16 und 18 verbunden ist. Die Fühlkapsel 14 und die Kapillarröhren 16 und 18 werden von einem Gehäuse umschlossen, das aus einem hohlen Steg 23 und einem Topf 24 besteht. Dieses Gehäuse ist über Schrauben 25 mit dem Druckaufnehmer 12 befestigt.

Die Fühlkapsel 14 enthält ein Differenzdruck-Fühlelement mit einem elektrischen Teil. Der nähere Aufbau der Fühlkapsel sei anhand der Figuren 3 und 4 näher beschrieben. Der elektrische Teil des Fühlelementes ist über Leitungen oder Stifte 20 an elektrische Anschlußklemmen 21 einer gedruckten Schaltungsplatine 22 angeschlossen, die ihrerseits in dem topfförmigen Gehäuse 24 montiert ist.

Der Druckaufnehmer 12 weist zwei aneinanderliegende identische Blöcke 26 und 20 auf. Wie am besten aus Fig. 2 ersichtlich,

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weist der Block 26 eine konkave Oberfläche 30 auf. Der Block 28 weist eine gleiche konkave Oberfläche 3 2 auf, die der Oberfläche 30 gegenübersteht. Eine zentrale Steuermembran 34 ist zwischen den beiden Blöcken 26 und 28 angeordnet und bildet eine erste Kammer 36 mit der Oberfläche 30 und eine zweite Kammer 38 mit der Oberfläche 32. Der Rand der Steuermembran 34 ist zwischen flachen peripheren Oberflächen der Blöcke 26 und 28 eingespannt. Eine fluiddichte Verbindung zwischen den Blöcken 26 und 28 und der Steuermembran 34 wird durch eine Nahtschweißung 40 dieser drei Komponenten an deren Rand gebildet. Diese Nahtschweißung wird durch eine Wolfram-Schutzgasschweißung hergestellt, die allgemein als TIG-Schweißung (TIG = tungsten inert gas) bezeichnet wird.

Die verbleibende Seite eines jeden der Blöcke 26 und 28 weist jeweils eine flache Anschlagfläche 42 und 44 auf. Trennmembranen 46 und 48 decken die Anschlagflächen 42 und 44 ab. Auf die Eigenschaften der Trennmembranen 46 und 48 sei später eingegangen.

Ein rechteckiger Rahmen 50 ist in einer Umfangsnut des Blockes 26 angeordnet. In gleicher Weise ist ein rechteckiger Rahmen 52 in einer Umfangsnut des Blockes 28 angeordnet. Die Rahmen 50 und 52 sind mittels einer Wolfram-Schutzgasschweißung 54 und 56 mit den Blöcken 26 und 28 verschweißt. Eine Randfläche der Membran 46 ist mit der Stützfläche 4 2 durch eine Schutzgasschweißung 58 mit dem Rahmen 50 und somit dichtend mit der Stützfläche 42 verbunden. In gleicher Weise ist eine Randfläche der Membran 48 durch eine Schutzgasschweißung 60 mit dem Rahmen 5 2 und damit dichtend mit der Stützfläche 44 verbunden. Alle erwähnten Schweißstellen führen zu fluiddichten Verbindungen.

Ein Deckel 61 mit einer inneren zurückversetzten Oberfläche ist mit dem Block 26 verbunden und bildet auf der außen liegenden Seite der Trennmembran 46 eine Deckelkammer 62. In

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gleicher Weise weist ein Deckel 63 eine innere zurückversetzte Oberfläche auf und ist mit dem Block 28 verbunden, um eine Deckelkammer 6 4 mit der außen liegenden Fläche der Trennmembran 48 zu bilden. Die Deckel 61 und 63 sind mit den Rahmen 50 und 52 mittels O-Ringdichtungen 66 und 68 sowie durch vier Refestigungsanordnungen 7O, 72, 74 und 76, bestehend aus Schrauben und Muttern verbunden.

In dem Deckel 61 ist ein Fluid-Einlaßkanal 78 angeordnet, der zu der Kammer 62 führt. In gleicher Weise befindet sich in dem Deckel 6 3 ein Fluid-Einlaßkanal 80, der zu der Kammer 64 führt. Die beiden zugeführten Fluide, deren Differenzdruck zu messen und umzuwandeln ist, sind mit den Bezugsziffern 82 und 84 bezeichnet.

Mehrere Durchtrittsöffnungen 86 verbinden die Kammer 36 links der Membran 34 mit einer Kammer 87, die zwischen der Stützfläche 42 und der Membran 46 gebildet ist. Die Kammer 87 wird durch Aufpumpen der Trennmembran gebildet, was erfindungsger maß in noch näher zu beschreibender Weise geschieht. Eine im wesentlichen inkompressible Füllflüssigkeit 88 füllt die Kammern 36 und 87 und die Verbindungskanäle 86 vollständig aus. In gleicher Weise verbinden mehrere Kanäle 90 die Kammer 38.auf der rechten Seite der Steuermembran 34 mit einer Kanuner 87', die zwischen der Stützfläche 44 und der Trennmembran 48 auf Grund des zuvor erwähnten Aufpumpens der Trennmembran gebildet wird. Eine im wesentlichen inkompressible Füllflüssigkeit 89 füllt die Kammern 38 und 87* sov/ie die Kanäle 90 vollständig aus. hierbei ist es wichtig, daß die Charakteristik der beiden Füllflüssigkeiten im wesentlichen die gleiche ist.

Die Kapillarrohre 16 ist über einen Zuführungskanal 91 mit dem oberen Verbindungskanal 86 verbunden, wobei sie mit der Füllflüssigkeit 88 gefüllt ist. In gleicher Weise ist die

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Kapillarröhre 18 über einen Zuführunyskanal 93 mit dom oberen Verbindungskanal 90 verbunden und mit der Füllflüssigkeit 89 gefüllt.

Kie noch näher zu erläutern sein v/ird, wird der Druck des zugeführten Fluides 82 mittels der Trennmeir.bran 46 auf die Füllflüssigkeit 88 übertragen. In gleicher Weise v/ird der Druck clf^s zugeführten Fluides ί>4 über die 'J rcnnmembran AZ auf die Füllflüssigkeit 89 übertragen. Die Drücke der beiden Füllflüssigkeiten treten an der zentralen Steuermembran 34 auf und sie werden über die Kapillarröhren 16 und 18 an das Fühlelement innerhalb der Kapsel 14 angelegt. Es tritt somit eine Druckdifferenz über dem Fühlelement auf, die der Druckdifferenz der beiden Füllflüssigkeiten 88 und 89 entspricht.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Trennmembran 46 als dünne flexible flache Platte hergestellt. Diese Platte wird in ihrem flachen Zustand am Rand mit dem Rahmen 50 verschweißt. Die Füllflüssigkeit 88 wird nachfolgend in den Druckaufnehmer mit einem solchen Druck eingeführt, daß die Membran 4 6 von der Stützfläche 4 2 hinweg ausgelenkt v/ird. Die Membran 4 6 nimmt dementsprechend die in Fig. 2 dargestellte sphärische Form ein, v/enn sie sich in ihrer Normalstellung befindet, d. h. v/enn sie nicht durch die zugeführten Fluiddrücke ausgelenkt wird. Das Maß dieser anfänglichen Auslenkung wird so getroffen, daß beim Durchlaufen des normalen Arbeitsbereiches hinsichtlich des Differenzdrvickes die Membran 4 6 um ihre dargestellte anfänglich ausgelenkte Stellung nur um einen solchen Betrag bewegt wird, der eine gleichförmige hysteresefreie Charakteristik gewährleistet. Die gleichen Maßnahmen sind hinsichtlich der Trennmembran 48 zu treffen.

Die individuelle relative Größe, Steifheit und anderen Charakteristiken der Trennmembranen 4G und 48 und der zentralen Steuermembran 34 werden so gewählt, daß innerhalb des Differenzdruckbereiches, in dem der Wandler arbeitet, das Ausgangssignal des

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Fühlelementes den angelegten Differenzdruck genau wiedergibt und die Trennmenibranen sich selbst und das Fühlelement gegen einen Uberdruckzustand schützen. Bei einer derartigen Auswahl der Membrancharakteristiken hat es sich als zweckmäßig herausgestellt, die Steifheit der zentralen Steuermombran 34 etwa 100 mal größer als die Steifheit der Trennmenibranen 4G und 48 auszubilden.

Zum Zwecke der Anordnung des zuvor erwähnten Uberdruckschutzes werden die Membranparameter so gewählt, daß die angelegte Druckdifferenz, die über dem Fühlelement in der Kapsel 14 auftritt, einen kritischen Wert in dem Fall nicht übersteigt, wo ein Überdruckzustand vorliegt. Ein kritischer Wert hinsichtlich des Differenzdruckes des Fühlers ist ein solcher, der ausreichend groß ist, um das Fühlelement zu zerstören.

Insbesondere ist die Anordnung der Membranen 34, 46 und 48 so getroffen, daß, bevor ein wachsender, zugeführter Fluiddruck einen Uberdruckzustand und somit eine kritische Druckdifferenz für das Fühlelement erzeugt, die entsprechenden Trennmembranen 46 und .4 8 an ihren entsprechenden Abstützflächen 42 und 44 zur Anlage gelangen. Durch einen solchen Anschlag werden sowohl die Trennmembranen, als auch das Fühlelement geschützt, was später anhand der Wirkungsweise des Druckwandlers 10 noch näher beschrieben wird.

Gewünschtenfalls können die flachen Membranen im voraus etwas mechanisch aufgebogen werden, bevor sie eingebaut und aufgepumpt werden, sofern ein solches Vorbiegen durch das Ausmaß der gewünschten Auslenkung vorgegeben ist. In diesen Fällen kann jede Abstützfläche durch eine gewisse Bearbeitung an die vorgebogene Membranoberfleiche angepaßt werden. Auch können die Abstützflächen zuerst bearbeitet werden und das Vorbiegen der Membranen kann bewerkstelligt

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werden, indem jede Membran unter Aufbringung einer entsprechenden Kraft zur Anpassung an die zugeordnete Stützfläche gezwungen wird. Ferner können solche Membranen so hergestellt werden, daß sie an verschiedene Differenzdruckbereiche anpaßbar sind, indem sie einfach entsprechend dem gewünschten Druckbereich aufgepumpt v/erden. Ihre Steifheit wird hierdurch veränderbar in Bezug auf diejenige der Steuermembran 34

Ein typischer Aufbau der Fühlerkapsel 14 ist in den Figuren 3 und 4 dargestellt. Im dargestellten Fall ist das Fühlelement von einem Typ, der nur eine geringfügige Auslenkung gestattet. Die Kapillarrohre 18 ist dichtend an die Fühlerkapsel 14 angeschlossen und erstreckt sich in einen Zuführkanal 94, der in einem Wandteil 92 der Fühlerkapsel 14 angeordnet ist. Eine Glasrohre 95 erstreckt sich zwischen dem Zuführkanal 94 und einem Zuführkanal 98 in einer Silizium-Trägerplatte 100. Die Glasrohre 95 ist durch eine Epoxyddichtung 96 dicht mit dem Zuführkanal 94 verbunden und sie wird durch eine geeignete Dichtung an den Zuführkanal 98 angeschlossen, wobei eine solche Dichtung nach dem Verfahren gemäß der US-PS 3 803 874 hergestellt werden kann. Die Kapillarrohre 16 erstrecke sich in eine öffnung 104 in einem Deckelteil 106 der Fühlerkapsel 14.

Ein topfförmiges Halbleiter-Fühlelement 102,beispielsweise aus einem Siliziumplättchen ist mit der Trägerplatte 100 verklebt. Die Füllflüssigkeit 88 innerhalb der Kapillarrohre 16 füllt ebenfalls den Innenraum der Fühlerkapsel 14 aus. Dementsprechend wird der Druck der Füllflüssigkeit 88 auf die Außenfläche der. Siliziumplättchens 102 übertragen. Die Füllflüssigkeit 89 in der Kapillarrohre 18 füllt das Glasröhrchen 9 5 und die Fühlerkanmier zwischen der Stützplatte 100 und dem Siliziumplättchen 102 aus. Dementsprechend

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wird der Druck der Füllflüssigkeit 89 auf die Innenfläche des Siliziumplättchens 102 übertragen. Die Füllflüssigkeiten 88 und 8y wirken somit auf die gegenüberliegenden Flächen des Siliziumplättchens 102, so daß die Differenz der Drücke der Füllflüssigkeiten 88 und 89 über dem Siliziumplättchen 102 wirksam ist.

Ein Ionenwanderungs-Schutzschild 108 ist gegenüber dem Siliziumplättchen 102 durch eine Anzahl Abstandshalter 110 angeordnet. Der Schutzschild 108 ist elektrisch mit dem Siliziumplättchen 102 durch ein Leiterpaar 112 verbunden.

Eine Wheatstone-Dehnungsmeßstreifenbrücke 114 ist in die Außenfläche des Siliziumplättchens 102 eindiffundiert. Eine geeignete Anzahl feiner Drähte 116, 118, 120, 122 und 123 erstreckt sich zwischen der Wheatstone-Brücke 114 und Anschlußstiften 20. Die Anschlußstifte ragen aus der Fühlerkapsel 14 heraus, wobei sie durch fluiddichte.Glasdichtungen 124 geführt sind, die in Bohrungen 126 in dem Kapseldeckel 92 angeordnet sind.

Ein typischer Differenzdruck-Auswerteschaltkreis für die Wheatstone-Brücke 114 ist in Fig. 5 dargestellt. In diesem Schaltkreis ist die Wheatstone-Brücke 114 an einen Verstärker 130, einen Konstantstromregler 132 und ein Meßgerät 134 angeschlossen. Der Anschluß der Brückenschaltung 114 an diese Komponenten erfolgt in der Praxis durch Verbindung der Komponenten mit den Stiften 20 über die Anschlußklemmen 21 der gedruckten Schaltungsplatine 22 gemäß Fig. 1. Der gesamte Schaltkreis ist an eine Spannungsquelle in Form einer Batterie angeschlossen.

Der Schaltkreis gemäß Fig. 5 kann so ausgelegt sein, daß beim Durchfahren des normalen Arbeitsbereiches des Fluid-Differenzdruckes der Ausgang der Brückenschaltung 114 eine solche Ände rung erfährt, daß der das Meßgerät 134 durchfließende Strom

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zwischen einem Minimalwert von 4 mA und einem Maximalwert von 20 mA variiert. Eine detaillierte Beschreibung des Aufbaues und der Wirkungsweise des Schaltkreises gemäß Fig. 5 ist in der US-PS 3 654 545 gegeben.

Das Siliziumplättchen 102 und die eindiffundierte Brückenschaltung 114 bilden ein Fühlelement vom vorstehend erwähnten Typ,der nur eine geringe Auslenkung erfordert. Das Plättchen unterliegt daher nur einer geringen Auslenkung, wenn die Differenz zwischen den Fluiddrücken in den Kapillarröhren 16 und 18 den normalen Arbeitsbereich durchläuft. Eine Überschreitung des zulässigen Differenzdruckes würde zu einer Zerstörung des Siliziumplättchens 102 und der eindiffundierten Brückenschaltung 114 führen.

Aus dem vorstehend beschriebenen Aufbau des Druckwandlers bzw. Druckaufnehmers ergibt sich folgende Wirkungsweise:

Der Druck des zugeführten Fluids 82 in der Deckelkammer 62 wird normalerweise der Außenfläche des Fühlerplättchens aufgeprägt. Dies geschieht mittels der Trennmembran 46 und der Füllflüssigkeit 88, die die Kammern 87 und 36, die Kanäle 86 und 91, die Kapillarröhe 16 und die Kapsel 14 ausfüllt. In gleicher Weise wird der Druck des zugeführten Fluids 84 in der Deckelkammer 64 auf den Innenteil des Fühlerplättchens 102 übertragen. Die übertragung erfolgt hierbei über die Trennmembran 48 und die Füllflüssigkeit 89, die die Kammern 87' und 38, die Kanäle 90 und 93, die Kapillarröhre 18 und die Kammer auf der Innenseite des Plättchens 102 ausfüllt.

Wenn die Drücke der zugeführten Fluide 82 und 84 in den entsprechenden Deckelkammern 62 und 64 den gleichen Wert aufweisen, so nehmen die Trenranembranen 46 und 48 und die zentrale Steuermembran 34 die in der Fig. 2 dargestellte Lage ein. Die aufgebogenen Stellungen der Membranen 46 und 48 ergeben sich durch das anfängliche Aufpumpen dieser Membranen.

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Jm vorl.legenden Fall, wo der Diffcrenzdruok der zucjeführten Fluide doη Wert Null aufweist, sind die Drücke auf den beiden Seiten des Fühlerplättchens 102 einander gleich und das Meßgerät 134 zeigt einen Difforenzdruck von Hull an.

Ks sei nun angenommen, daß der Druck des zugoführten Fluide«? 82 auf einen neuen Wert anwächst, der holier als der Druck des zugeführton Fluides 84 ist. Dies führt zu einem Differenzdruck hinsichtlich der zugeführten Fluide. Es sei forner angenommen, daß diener Differenzdruck innerhalb des normalen Arbeitsbereiches des Druckwandlers liegt. Das Anwachsen des Druckes des Fluides 82 verursacht eine Auslenkung der Trennincmbran 46 in Richtung auf ihre Abstützfläche 42, wobei die Füllflüssigkeit 88 den höheren Druck auf die Außenfläche des Fühlerplättchens 1Ο2 überträgt. Ks liegt nunmehr ein Differenzdruck über dem Fühlerplättchen 102 an, wodurch dieses eine Auslenkung um einen entsprechenden Betrag ausführt.

Da die Membran 46 im Hinblick auf ihre anfänglich aufgepumpte Lage ausgelenkt worden ist, wjrd kein Fehler bei der übertragung des neuen Druckes auf das Fühlerplättchen 102 eingeführt. Dementsprechend stellt die Druckänderung über dem Fühlerplättchen 102 eine genaue und getreue Reproduktion der festgestellton Druckänderung in Bezug auf die zugeführten Fluide dar. Die Auslenkung des Fühlerplättchens 102 erzeugt eine entsprechende Änderung am Ausgang der Brückenschaltung 114 und somit eine Änderung hinsichtlich des Stromflusses durch das Meßgerät 134. Das Meßgerät 134 gibt somit eine Anzeige des Differenzdruck.es, der über dem Fühlerplättchen 102 ansteht und zwischen den beiden zugeführten Fluiden existiert.

Ein Anwachsen des Druckes hinsichtlich des zugeführten Fluides 84, wodurch der Differenzdruck der zugeführten Fluide vergrößert wird, führt zu einer Auslenkung der Trennmembran

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in Richtung auf die Abstützflüche 44 und ruft eine entsprechende Änderung des Drucken der Füllflüssigkejt 09 und somit des Druckes auf der Innenfläche des Fühlerplättchenr, 102 hervor. Dieser Fall stellt das Gegenstück zu dein zuvor beschriebenen Anwachsen des Druckes hinsichtlich des Fluider» 82 dar.

Eine Abnahme des Druckes eines zugeführten Fluides verursacht eine Auslenkung der Trennmcmbran hinweg von der zugeordneten Abstützfläche. Hierdurch wird eine genau entsprechende /\bnahrne des Druckes auf der entsprechenden Seite des Fühlerplättchens 102 hervorgerufen. Auch hierbei wird auf Grund der vorgeformten Trennmembran eine Auslenkung des Fühlerplättchenr; hervorgerufen, die genau dem Differenzdruck der angelegten Fluide folgt.

Demzufolge wird im normalen Betriebsbereich des Druckwandler«; 10 zu jedem gegebenen Zeitpunkt das Fühlerplättchen 102 um einen Betrag ausgelenkt, der genau dem Differenzdruck der zugeführten Fluide entspricht. Das Ausmaß dieser Auslenkung wird durch das Meßgerät 134 angezeigt. Solange daner der zugeführte Differenzdruck der Fluide in seinem normalen Arbeitsbereich liegt, ist der Differenzdruck über dem Fühlerplättchen 102, die Auslenkung desselben und die Anzeige durch das Meßgerät 134 ein genaues Abbild des Differenzdrucks der zugeführten Fluide.

Es sei nunmehr angenommen, daß beispielsweise der Druck des zugeführten Fluides 82 wesentlich höher als der Druck des anderen zugeführten Fluides 84 ist, so daß der Differenzdruck sich einem kritischen Wert nähert. Hierbei kommt die Trenn·- membran 46 an der Abstützfläche 42 zur Anlage. Die zentrale Steuermembran 34 bewegt sich um ein ausreichendes Maß in Richtung auf die Oberfläche 32, wodurch der Kammer 36 eine

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Ausdehnung gestattet wird, die ausreichend ist, um die Menge der Füllflüssigkeit 88 aus der Kammer 87 bei der Anlage der Trennmeinbran 46 an der Abstützfläche 42 aufzunehmen. Dies geschieht, ohne daß die Druckdifferenz über dem Füh] orp.lättchen 102 einen kritischen Wert überschreitet, d. h. einen Wert, bei dem auf Grund der geringen Auslenkbarkeit des Fühlerplättchens dasselbe zerstört würde.

Ein weiterer Anstieg des Druckes des Fluides 82, der zu tiberdruckwerten hinsichtlich des Differenzdruckes führt, beeinflußt, weder die Trennmernbran 46, noch die Füllflüssigkeit 88, noch das Fühlerplättchen 102. Dies resultiert daraus, daß die übereinstimmenden flachen Oberflächen der Membran und der Abstützflache 42 eine vollständige Abstützung der angeschlagenen Membran 46 gestatten und damit eine Beschädigung der Membran durch den Druck des zugeführten Fluides 82 verhindern. Durch diese vollständige Anpassung der beiden Oberflächen wird auch eine weitere Einwirkung des Druckes des Fluides 82 auf die Füllflüssigkeit 88 und das Fühlerplättchen 102 ausgeschaltet, so daß ein weiterer Druckanstieg nicht übertragen und das Fühlerplättchen 102 nicht beschädigt wird.

Es sei darauf verwiesen, daß bei der vorliegenden Erfindung anstelle der speziell verwendeten zentralen Steuermembran auch andere Konstuktionen hinsichtlich dieser Steuermembran Anwendung finden können. Der vorstehend beschriebene Druckwandler muß auch nicht notv/endigerweise von einem entfernt angeordneten Wandler Gebrauch machen, wobei dieser über Kapillarröhren mit dem Druckaufnehmer verbunden ist, sondern er kann einen Wandler innerhalb des Druckaufnehmerkopfes aufweisen, wie dies in der US-PS 3 712 143 dargestellt und beschrieben ist.

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Selbstverständlich ist die offenbarte neue Trennrienibranenanordnung in gleicher Weise in Druckwandlern wirksam, in denen der zu messende D.i f ferenzdruck durch die Differenz aus einem veränderlichen Druck und einem festen Druck, beispielsweise dem Atmosphärendruck vorgegeben ist. In diesem Fall wirkt der veränderliche Druck über die Trennmembran und die Füllflüssigkeit auf die eine Seite des Fühlelementen ein und der feste Druck bzw. der Atmosphärendruck wirkt auf die andere Seite des Fühlerelementes ein. Der Druckaufnehmer gemäß Fig. 2 reduziert sich in diesem Fall auf die Hälfte des dargestellten Druckaufnehmers, wobei die 5>teuermembran entfallen kann.

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ZO Leerseite

Claims

HONEYWELL INC.

Honeywell Plaza 04-4078 Ge

971807^

Minneapolis, Minn., USA *■ ' ' ^oo ' ^J

Druckaufnehnier

Patentansprüche:

' 1 .) Druckaufnehmer mit wenigstens zwei durch eine Trennmembran ^—S getrennten Kammern, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennmembran (4 6) als flache Membran hergestellt ist und im eingebauten Zustand durch ein von einer Seite einv/irkendes Medium eine durchgebogene Form erhält.
2. Druckaufnehmer nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

eine Oberfläche (42) , mit der die Trennmembran (46) an ihrem Rand dichtend zusammenwirkt;

eine erste Kammer (36) mit veränderlichem Volumen, die über Zuführkanäle (86) mit der Oberfläche (42) und der einen Seite der Trennmembran (46) in Verbindung steht; eine im wesentlichen inkompressible Füllflüssigkeit (88) innerhalb der ersten Kammer zum Auslenken der Membran (46) von der Oberfläche (42) hinweg, um zwischen der Membran und der Oberfläche eine zweite Kammer (87) zu bilden, die vollständig von der Füllflüssigkeit der ersten Kammer (36) ausgefüllt ist; und

eine Einrichtung (61,78) zum Aufbringen einer Kraft auf der anderen Seite der genannten Membran (46) entsprechend einem zu messenden Fluiddruck (82), wodurch die Membran (46) entgegen ihrer ausgelenkten Position um einen Betrag bewegt wird, der dem Fluiddruck entspricht und wobei sich der Druck der Füllflüssigkeit entsprechend diesem Fluiddruck einstellt. 709847/0748

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3. Druckauf nehnier nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kammer (36) eine auslenkbare Steuermembran (34) als eine Wand aufv/eist.
4." Druckaufnehmer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Steuermembran (34) etwa die 100-fache Steifigkeit der Trennmembran (4G) aufweist.
5. Druckaufnehmer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Oberfläche (42) eine im wesentlichen flache Auflage bildet, die mit der Oberfläche der Trennmembran (46) übereinstimmt und diese vollständig abstützt, wenn die erwähnte Kraft die Trennmembran (46) gegen die Oberfläche (42) auslenkt.
6. Druckaufnehmer nach Anspruch 2 oder einem der folgenden, gekennzeichnet durch eine weitere Oberfläche (30), an der die Steuermembran (34) mit ihrem Rand dichtend anliegt und die zusammen mit der Steuermembran die erste Kammer (36) bildet.
7. Druckaufnehmer nach Anspruch 2 oder einem der folgenden, gekennzeichnet durch zwei weitere Oberflächen (32,44) und eine weitere Trennmembran (48), die an ihrem Rand mit der einen Oberfläche (44) dichtend verbunden ist, weitere Zuführkanäle (90), um die beiden Oberflächen (32,44) miteinander zu verbinden, eine weitere im wesentlichen inkompressible Füllflüssigkeit (89) in einer durch die Steuermembran (34) und die andere Oberfläche (32) vorgegebenen Kammer (38) , die über die Zuführkanäle (90) die weitere Trennmembran (48) auslenkt, um eine weitere Kammer (87') zu bilden, und durch eine weitere Einrichtung (63,80) zum Aufbringen einer Kraft auf der anderen Seite der zweiten Trennmembran (48) entsprechend einem zu messenden Fluiddruck (84) , wodurch die

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Membran (48) entgegen ihrer ausgelenkten Position um einen Betrag bewegt wird, der dom Fluiddruck entspricht und wobei sich der Druck der Füllflüssigkeit entsprechend diesem Fluiddruck einstellt.
8. Druckauf nehnier nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Oberfläche (44) eine im wesentlichen flache Auflage bildet, die mit der Oberfläche der Trenninembran (48) übereinstimmt und diese vollständig abstützt, wenn die erwähnte Kraft die Trennmembran (48) gegen die Oberfläche (44) auslenkt.
9. Druckaufnehmer nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, gekennzeichnet durch Mittel (16,86,91; 18,90,93), um die Drücke der durch die Steuermembran (34) und die beiden Trennmembranen (46;48) eingeschlossenen Füllflüssigkeiten an einen Differenzdruckfühler (14) anzuschließen, der ein Fühlelement (102) mit ersten und zweiten Fühlelementteilen aufweist, wobei das Fühlelement (102) zwecks Messung des Differenzdruckes hinsichtlich seiner beiden Fühlelementteile von den beiden Drücken beaufschlagt wird und ein entsprechendes elektrisches Ausgangssignal liefert.
10. Druckaufnehmer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß der Differenzdruckfühler (14) von dem Aufnehmerkopf (12) entfernt angeordnet ist und zur übertragung der Drücke Kapillarröhren (16,18) angeordnet sind.

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