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Differenzdruck-Meßeinrichtung
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Differenzdruck-Meßein richtung
mit einer in einem Gehäuse befindlichen Meßkammer, die durch eine druckbeaufschlagte
Meßmembran in zwei Me!5-räume unterteilt ist, wobei die Meßmembran aus einer Träger
membran und einem Halbleiter-Sensor besteht und der Halbleiter-Sensor eine dem Differenzdruck
proportionale elektrische Größe abgibt und über jeweils eine jedem Meßraum zugeordnete
Öffnungen im Gehäuse eine Trennmembran angbracht ist und mit einer inkompressiblen
Flüssigkeit ins Innern der Meßkammer, zur Übertragung der gegensinnig auf die Meßmembran
wirkenden den Differenzdruck ergebenden Meßdrücke.
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Bei einer bekannten Differenzdruck-Meßeinrichtung dieser Art (DE-OS
26 59 376) weist eine Meßmembran in ihrer Mitte einen Halbleiter-Sensor auf, der
bei einer Bewegung de- Memembran durch Einwirkung unterschiedlicher Drücke in bci
den Meßräumen der Meßeinrichtung ein elektrisches Signal abgibt. Diese Meßmembran
ist an ihren mit dem Gehäuse der Meßeinrichtung verbundenen Enden federnd aufgehängt
und kann somit innerhalb der Meßkammer der Meßeinrichtung hin und her bewegt werden.
Durch die Verwendung von Halbleiter-Sensoren, z. B. aus Silizium, lassen sich bereits
geringe Bewegungen der Meßmembran und somit geringe Differenzdrücke erfassen, da
die Halbleiter-Sensoren auch bei sehr geringen Beanspruchungen eine elektrische
Größe abgeben. Durch die relativ geringe mechanische Überlastbarkeit des Halblei
ter-Sensors ist jedoch die maximale Bewegung und somit auch der Meßbereich der Differenzdruck-Meßelnrichtung
eingeschränkt. Außerdem ist bei größeren Auslenkungen der Meßmembran
nicht
mehr ein linearer Zusammenhang zwischen einer änderung des Differenzdruckes und
einer Änderung der elektrischen Größe gewährleistet. Darüber hinaus ist die elektrische
Größe im ausgelenkten Zustand der Meßmembran stark von der Temperatur der Umgebung
abhängig, was zu weiteren Meßfehlern führen kann.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Differenzdruck-Meßeinrichtung
mit einem Halbleiter-Sensor zu schaffen, die eine große Meßgenauigkeit bei geringer
mechanischer Beanspruchung des Halbleiter-Sensors aufweist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Differenzdruck-Meßeinrichtung
der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß eine elektrische Kompensationsvorrichtung
vorhanden, die mit dem Halbleiter-Sensor mechanisch gekoppelt ist, von der elektrischen
Größe am Ausgang des Halbleiter-Sensors angesteuert ist und eine Kompensationskraft
erzeugt, die den auf die Meßmembran einwirkenden Differenzdruck kompensiert, wobei
ein die Kompensationskraft erzeugendes elektrisches Stellsignal ein Maß für den
Differenzdruck ist und die Ausgangsgröße der Differenzdruck-Meßeinrichtung darstellt.
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Zwar ist bei einer bekannten Differenzdruck-Meßzelle (DE-AS 28 35
523) eine Kompensationsvorrichtung vorhanden, die die Bewegung zweier weit auseinander
in jeweils einem Meßraum liegender Meßmembranen kompensiert und aus der Bewegung
die erforderliche Kompensationsgröße ableitet, jedoch ist bei dieser bekannten Differenzdruck-Neßzelle
eine relativ aufwendige Spulen- und Magnetanordnung notwendig, um die Bewegung der
zu beiden Seiten der Kompensationsvorrichtung liegenden Meßmembranen zu kompensieren.
Die Meßmembranen sind hier über einen relativ langen Stab mechanisch starr miteinander
verbunden, wobei dieser Stab zugleich als beweglicher Anker der Kompensationsvorrichtung
dient und daher ein nicht zu vernachlässigendes Gewicht und Volumen auf-
weist.
Die Erfassung der Bewegung des Ankers, die aufgrund der auf die Meßmembranen wirkenden
unterschiedlichen Drücke erfolgt, wird mittels einer Wegmeßeinrichtung vorgenommen,
über deren Ausgestaltung nichts gesagt ist. DSe erforderliche Kompensationskraft
muß bei dieser bekannten Differenzdruck-Meßzelle einen relativ großen Wert aufweiten,
da der durch die ganze Meßzelle reichende Anker und die relativ großen Meßmembranen
zu bewegen sind, was eine aufwendige Ausgestaltung der Kompensationsvorrichtung
nötig macht und zu Meßfehlern führen kann.
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Vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Differenzdruck-Meßin richtung
insofern, als durch die Kompensationsvorrichturg gewährleistet ist, daß der Halbleiter-Sensor
während der Messung eines Differenzdruckes nur geringfügig und stets im linearen
Bereich beansprucht wird. In Abhängigkeit von der elektrischen Größe, die der Halbleiter-Sensor
abgibt, wird ein Stellsignal erzeugt, das die Kompensationsvorrichtung derartig
aktiviert, daß die Meßmembran aufgrund des Differenzdruckes in ihre Ruhelage zurückgedrückt
wird. Die Erzeugung des Stellsignals in Abhängigkeit von der elektrischen Größe
wird mit einer üblichen elektrischen Steuervorrichtung bewirkt, wobei sich ergibt,
daß das elektrische Stellsignal am Ausgang dieser Steuervorrichtung dem Differenzdruck
in der Meßelnrlchtung proportional ist.
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Bei der erfindungsgemäßen Anordnung eines Halbleiter-Sensors an einer
Trägermembran in Verbindung mit der auf den Halbleiter-Sensor wirkenden Kompensationsvorrichtung
kann eine optimale Druckdifferenzmessung erfolgen, weil für eine optimale Messung
nur ca. 0,05 °|O Dehnung des Halbleiter-'ensors ausgenutzt zu werden brauchen. Bei
dieser geringen Dehnung ist trotz großen Meßbereichs die mechanische Beanspruchung
der gesamten Meßmembran und somit auch des Halbleiter-Sensors äußerst gering; eine
Zerstörung des Halbleiter-Sensors ist somit auch bei sehr hohen Differenzdrücken
verhindert.
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Für den Fall, daß kurzfristig ein größerer Differenzdruck auf die
Meßmembran einwirkt und dadurch während einer kurzen Zeitspanne das elektrische
Stellsignal und die Kompensationskraft noch nicht ihren erforderlichen Wert erreichen
können, sind die Trennmembranen so ausgestaltet, daß sie nach einer vorbestimmten
Auslenkung vom Gehäuse der Differenzdruck-Meßeinrichtung abgestützt werden. Außerdem
kann für diesen Fall die Trägermembran als Teil der Meßmembran so ausgestaltet sein,
daß sie in gewissen Grenzen beweglich ist, wodurch der relativ große Differenzdruck
aufgefangen wird und zusätzlich eine eventuelle mechanische Überlastung des Halbleiter-Sensors
verhindert ist.
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Es ist vorteilhaft, wenn der Halbleiter-Sensor aus einem auf Dehnung
oder Stauchung beanspruchbaren Halbleitermaterial besteht und so angeordnet ist,
daß er durch Dehnung bzw.
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Stauchung infolge einer Druckbeanspruchung der Meßmembran eine elektrische
Größe abgibt. Der Halbleiter-Sensor ist hierbei in vorteilhafter Weise in seiner
Kristallstruktur so ausgerichtet, daß die Bewegung der Meßmembran zu einer Änderung
des piezoresistiven Zustands des Sensors führt.
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Die aus dieser Änderung ableitbare elektrische Größe kann in einfacher
Weise weiterverarbeitet werden.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Kompensationsvorrich tung einen
Elektromagnet mit einer Spule und einem beweglichen dauermagnetischen Anker enthält,
wobei der Anker mechanisch mit der Meßmembran bzw. dem Halbleiter-Sensor ge koppelt
ist. Durch die äußerst geringe Bewegung der Meßmembran bei der erfindungsgemäßen
Meßeinrichtung kann in vorteilhafter Weise eine elektromagnetische Kompensationsvorrichtung
verwendet werden, die ebenfalls nur zu einer geringen Bewegung des beweglichen Ankers
zu führen braucht. Durch die Verwendung eines dauermagnetischen Ankers ist gewährleistet,
daß sich die Kompensationskraft nur linear ändert und somit Meßfehler vermieden
sind. Da die verwendeten Halbleiter-Sensoren, z. B. aus Silizium, nur einen Durchmesser
von ca.
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1 bis 2 mm haben und nur geringfügige Auslenkungen ausf;;thren, ist
die erforderliche Kompensationskraft äußerst geringe es ergibt sich z. B. bei einem
Differenzdruck von 1 p = 2 bar eine erforderliche Kompensationskraft von 0,16 bis
0,63 N. Diese Kompensationskraft ist auch mit relativ kleinen Elektromagneten aufzubringen
und kann über eine einfache starre mechanische Kopplung direkt auf den Halbleiter-Sensor
geleitet werden. Die mechanische Kopplung kann z. B. aus einem einfachen Stab zwischen
dem bewegLichen dauermagnetischen Anker und dem Halbleiter-Sensor bestehen; der
Stab ist z. B. an beiden Enden mit einer Klebe~ verbindung gehalten.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Elektromagnet
im Innern des einen Meßraumes angeordnet und der dauermagnetische Anker zwischen
zwei gelochten Fe dermembranen gehalten; hierdurch besteht die Möglichkeit, einen
relativ kleinen und schwachen Elektromagneten vetwenden zu können und diesen auf
einfache Weise im Innern eines Meßraumes anzuordnen, ohne das Volumen der Differenzdrüsk-Meßeinrichtung
erheblich zu vergrößern. Um eine einfache mechanische Halterung des Ankers bei freier
Beweglichkeit zu schaffen, ist dieser zwischen zwei gelochten Federmembranen, z.
B. aus Metall, gehalten, die in vorteilhafter Weise zu beiden Seiten der Spule des
Elektromagneten angeordnet sind und aufgrund ihrer Lochung eine Bewegung der inkompressiblen
Flüssigkeit während der Wirkung eines Differenzdruckes nicht beeinträchtigen.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der dauermagnetische Anker aus
einem Sintermaterial aus Kobalt und Seltenen Erden besteht, da hierdurch eine große
magnetische Feldstärke bei relativ kleinem Volumen und geringem Gewicht des Ankers
gewährleistet ist. Dadurch, daß die Spule von einem als magnetischer Rückschluß
dienenden Joch umgeben ist, ist die erzeugt bare magnetische Feldstärke der Kompensationsvorrichtung
ebenfalls
erhöht; außerdem ist durch das Joch eine eventuell auftretende Erwärmung der inkompressiblen
Flüssigkeit durch die Spule weitgehend verhindert, da diese Wärme an das Gehäuse
der Differenzdruck-Meßeinrichtung abgeleitet werden kann.
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Um einen Meßfehler aufgrund einer eventuell noch auftretenden Erwärmung
des einen Meßraumes durch den Stromfluß in der Spule des Elektromagneten weiter
zu reduzieren, befindet sich in vorteilhafter Weise in dem anderen Meßraum eine
Heizwicklung, die mit der Spule des Elektromagneten elektrisch in Reihe geschaltet
ist und die inkompressible Flüssigkeit im anderen Meßraum erwärmt. Dadurch, daß
die Heizwicklung mit der Spule des Elektromagneten in Reihe geschaltet und somit
vom gleichen Strom wie diese durc-hflossen ist, kann in einfacher Weise eine gleichmäßige
Erwärmung der beiden Meßräume gewährleistet werden, wodurch ein Meßfehler aufgrund
unterschiedlicher Temperaturverhältnisse beiderseits des Halbleiter-Sensors in den
beiden Meßräumen weitgehend vermieden ist.
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Die Erfindung wird anhand einer Figur erläutert, die einen Querschnitt
durch ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Differenzdruck-Neßeinrichtung
zeigt.
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In einem Gehäuse 1 der Differenzdruck-Meßeinrichtung befindet sich
eine mit einer inkompressiblen Flüssigkeit gefüllten Meßkammer 2, die aus einem
Meßraum 3 und einem anderen Meßraum 4 besteht. Die Meßräume 3 und 4 liegen beiderseits
einer Meßmembran 5, die eine Trägermembran 6 und einen Halbleiter-Sensor 7 aufweist.
Der Halbleiter-Sensor 7 ist z. B.
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aus einem Silizium-Material gefertigt und in der Mitte der Meßmembran
5 z. B. durch Aufkleben auf die Trägermembran 6 befestigt. In dem einen Meßraum
3 befinden sich als Teile einer elektrischen Kompensationsvorrichtung 8 eine Spule
9 und ein beweglicher dauermagnetischer Anker 10, wobei dieser zwischen zwei für
die inkompressible Flüssigkeit durch-
lässigen gelochten Federmembranen
11 und 12 gehalten-ist, die beiderseits der Spule 9 angeordnet sind. Der dauermagnetische
Anker 10 besteht aus einem Sintermaterial aus Kobalt und Seltenen Erden und die
Spule 9 ist von einem Joch aus magnetisch leitendem Material umgeben. Die beiden
Meßräume 3 und 4 sind nach außen durch Trennmembranen 13 und 14 abgeschlossen, wodurch
die Meßkammer 2 mit der inkompressiblen Flüssigkeit abgedichtet ist. Die Trennmembranen
13 und 14 sind so gestaltet, daß sie bei kurzfristiger stärkerer Druckbeanspruchung
der Meßeinrichtung und somit relativ starker Durchbiegung von Wänden 15 des Gehäuses
1 abgestützt werden.
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Die Spule 9 ist mit einem Ausgang 16 einer elektrischen Steuervorrichtung
17 als Teil der Kompensationsvorrichtung 8 verbunden; an einem weiteren Ausgang
18 der elektrischen Steuervorrichtung 17 steht die Ausgangsgröße der Differenzdruck-Meßeinrichtung
zur Verfügung. Mit einem Eingang 19 der elektrischen Steuervorrichtung 17 ist der
Halbleiter-Sensor 7 elektrisch verbunden. Zwischen dem Mittelpunkt der Federmembran
15 und dem Mittelpunkt des Halbleiter-Sensors 7 befindet sich eine starre mechanische
Verbindung 20, wobei aie mechanische Verbindung 20 bei diesem Ausführungsbeispiew
durch eine Ausnehmung 21 der Trägermembran 6 geführt ist.
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Die starre Verbindung 20 dient der Übertragung der mit der Kompensationsvorrichtung
8 erzeugten Kompensationskraft von: Anker 10 auf den Halbleiter-Sensor 7 und ist
mittels einer Klebeverbindung am Sensor 7 und an der Federmembran 11 befestigt.
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Während sich die Spule 9 der elektrischen Kompensationsvor~ richtung
8 in dem einen Meßraum 3 befindet, ist in dem anderen Meßraum 4 eine Heizwicklung
22 angeordnet, die mit der Spule 9 elektrisch in Reihe geschaltet ist, wodurch beide
Meßräume 3 und 4 einer weitgehend gleichen Erwärmung ausgesetzt sind.
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Wenn sich die Differenzdruck-Meßeinrichtung in einer Meßanordnung
befindet, in der die Trennmembranen 13 und 14 mit unterschiedlichen Drücken beaufschlagt
sind, so hat dies zur Folge, daß eine gegenläufige Bewegung der Trennmembranen 13
und 14 mit einer Verschiebung der inkompressiblen Flüssigkeit im Innern der Meßkammer
2 zu einer Bewegung der Meßmembran 5 führt. Eine durch die Bewegung der Meßmembran
5 bewirkte Dehnung des Halbleiter-Sensors 7 führt zur Erzeugung einer elektrischen
Größe an diesem Halbleiter-Sensor, die dem Eingang 19 der elektrischen Steuervorrichtung
17 zugeführt wird. Das aus dieser elektrischen Größe mittels der elektrischen Steuervorrichtung
17 gewonnene Stellsignal an ihrem einen Ausgang 16 bewirkt durch Stromfluß in der
Spule 9 eine Bewegung des dauermagnetischen Ankers 10; diese Bewegung wird über
die starre mechanische Verbindung 20 zum Halbleiter-Sensor 7 übertragen, Das Stellsignal
der elektrischen Steuervorrichtung 17 ist derart von der elektrischen Größe des
Halbleiter-Sensors 7 abhängig, daß die erzeugte Kompensationskraft die Auslenkung
der Meßmembran 5 kompensiert, und die Meßmembran 5 somit wieder in ihrer Ausgangslage
zurückgedrückt wird, wobei die elektrische Größe des Halbleiter-Sensors 7 zu Null
wird. Die am Ausgang 18 der elektrischen Steuervorrichtung 17 anliegende, dem Stellsignal
am Ausgang 16 entsprechende elektrische Ausgangsgröße ist somit der Bewegung der
Meßmembran 5 und dem auf die Meßmembran 5 wirkenden Differenzdruck proportional
und kann als Ausgangsgröße der Differenzdruck-Meßeinrichtung weiterverarbeitet werden.
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1 Figur 6 Patentansprüche
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