DE8233072U1 - Messkapsel fuer einen differenzdruck-messumformer - Google Patents

Description

. Meßkapsel für einen Differenzdruok-Meßumformer

Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßkapsel für einen Differenzdruck-Meßumformer gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine Meßkapsel· dieser Art ist aus der DE-AS 20 52 515 bekannt. Zwischen zwei rotationssymmetrischen Meßkapselscheiben ist eine elektrisch leitende Meßmembran angeordnet. Die Meßkapselscheiben bestehen aus Metall und weisen auf der der Meßmembran zugewandten Seite je einen Hohlraum auf, der mit einer festen Isoliermasse, wie z.B. Glas oder Keramikmasse, ausgefüllt ist. Die Isoliermasse ist so geschliffen, daß eine konkave Oberfläche, die im wesentlichen sphärisch ausgebildet ist, entsteht. Die beiden konkaven Oberflächen sind mit einem dünnen Metallüberzug versehen, der jeweils eine Kondensatorplatte bil-. det. Die andere Kondensatorplatte ist die elektrisch leitende Meßmembran. Zwischen der konkaven Oberfläche der Meßkapselscheiben und der Meßmembran erstreckt sich je eine Meßkammer. Jede Meßkannner ist über mindestens eine Durchgangsöffnung mit einer Trennkammer verbunden, die durch eine Trennmembran abgeschlossen ist. Die Räume zwischen der Meßmembran und den Trennmembranen sind mit einer im wesentlichen inkompressiblen Flüssigkeit gefüllt. Die Trennkammern und die Meßkaimnern sind so ausgestaltet,

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daß bei einseitiger Überlast die Meßmembran im wesentlichen mit ihrer gesamten Oberfläche an der Gegenfläche zur Anlage kommt. Am Schluß der DE-AS 20 52 515 wird aufgrund der temperaturabhängigen Ausdehnung del* im wesentlichen inkompressiblen Füllflüssigkeit davon abgeraten, bei einseitiger überlast eine Trennmembran in ihrem Membranbett zur Anlage zu bringen.

Aus der DE-AS 26 31 025 ist ein Differe/nzdruck-Meßumformer bekannt, dessen aus zwei rotationssymmetrischen Meßkapselscheiben bestehende Meßkapsel über eine Ringmembrsai ί in einem Meßumformergehäuse gehalten ist. Bei einseitiger

überlast wandert die Meßkapsel· so weit aus, bis die mit dieser beaufschlagte Trennmembran sich an ihr Membranbett angelegt hat. Damit macht sich die temperaturabhängige Ausdehnung der im wesentlichen inkompressiblen Füllflüssigkeit nicht mehr störend bemerkbar. Da die Meßmembran bei Überlast nicht mit der benachbarten Meßkapselscheibe in Berührung kommt, braucht die der Meßmembran zugewandte Seite nicht - wie in der DE-AS 20 52 515 erforderlich entsprechend der Durchbiegung der Meßmembran geschliffen zu sein.

β Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßkapsel

der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die der Meßmembran zugewandte Seite der Meßkapselscheiben nicht entsprechend der Durchbiegung der Meßmembran geschliffen zu sein braucht, und die trotzdem keine Ringmembran zur Halterung an dem Meßumformergehäuse benötigt. 30

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Mit der Meßkapsel nach der Erfindung wird der Aufbau einee Differenzdruck-Meßumformers vereinfacht, da die Meßmembran sowohl Sensorfunktion als auch Überlastschutzfunktion erfüllt.

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Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Mefi^ kapsel sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Mit der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 2 wird eine Meßkapsel geschaffen, bei der sowohl die tragenden als auch die messenden Komponenten dieselbe Temperaturabhängigkeit aufweisen. Mit der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 3 wird eine Meßkapsel für einen kapaizitiTen Differenzdruck-Meßumformer geschaffen, der eine wechselseitige Beaufschlagung mit dem DifferenzdfUck bei gleicher Meßwerkakeünlinie erlaubt. Dazu kommt, daß die der Meßinembran zugewandte Seite der Meßkapselscheiben keine Sensorfunktion zu erfüllen braucht. Mit den Ausgestaltungen der Erfindung nach den Ansprüchen 4 und 5 werden die elektrischen Anschlüsse der Kondensatorbeläge auf einfache Weise nach außen geführt. Mit der Ausgestaltung der Erfindung nach dem Anspruch 6 werden die Meßkapselscheiben von den Kräften entlastet, die die Kappen des Differenzdruck-Meßumformers ausüben.

Die Erfindung wird im folgenden mit ihren weiteren Einzelheiten und Vorteilen anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

Figur 1 einen Schnitt durch einen Differenzdruck-Meßuniformer mit einer Meßkapsel nach der Erfin

dung,

einen Schnitt durch die Meßmembran, eine Draufsicht auf die Meßmembran, eine räumliche Darstellung der Meßmembran und einer Referenzplatte,

eine vereinfachte Draufsicht auf die Meßmembran, einen vereinfachten Schnitt durch die Meßmembran und die beiden an ihr gehaltenen Referenzplatten.

Figur 5e eine prinzipielle Darstellung der Auslenkung der eingespannten Meßmembran,

Figur	2
Figur	3
Figur	4
Figur	5a
Figur	5b
Figur	5e

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Figur 6a einen Schnitt durch einen Teil der Meßmembran, Figur 6b eine Draufsicht auf einen Teil der Meßmembran

und

Figur 7 einen Schnitt durch einen Differenzdruck-Meßumformer mit einer .weiteren Meßkapsel nach der

Erfindung.

Gleiche Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Die Figur 1 zeigt einen Schnitt durch einen Differenzdruck-Meßumformer mit einer Meßkapsel nach der Erfindung. Eine Meßmembran mit den Bereichen 1a, 1b und 1c, die im folgenden als Meßmembran 1 bezeichnet ist, ist zwischen zwei rotationssymmetrischen Meßkapselecheiben 2 und 3 gehalten. Die Meßkapseischeiben 2 und 3 weisen konkave Seitenflächen auf, die zusammen mit der Meßmembran 1 zwei Meßkammern 4 bzw. 5 und zusammen mit zwei Trennmembranen 6 und 7 zwei Trennkammern 8 bzw. 9 bilden. Die Meßkammer 4 ist über eine Durchgangsöffnung 10 mit der Trennkammer 8 verbunden, und die Meßkammer 5 ist über eine weitere DurchgangsÖffnung 11 mit der Trennkammer 9 verbunden. Der Raum zwischen der Trennmembran 6 und der Meßmembran 1 (Trennkammer 8, DurchgangsÖffnung 10, Meßkammer 4) und der Raum zwischen der Trennmembran 7 und der Meßmembran 1 (Trennkammer 9, DurchgangsÖffnung 11, Meßkammer 5) sind mit einer im wesentlichen inkompressiblen Flüssigkeit, z.B. Silikonöl, gefüllt. Diese Flüssigkeit überträgt die auf die Trennmembranen 6 und 7 einwirkenden Drücke auf die Meßmembran 1, wobei die Durchbiegung der Meßmembran 1 ein Maß für den zu messenden Differenzdruck ist. Die Füllung mit der im wesentlichen inkompressiblen Flüssigkeit erfolgt für den einen Raum über ein Füllrohr 12, das in die Meßkapselsoheibe 2 eingelassen ist, und für den anderen Raum über ein Füllrohr 13, das in die Meßkapselsaheibs 3 eingelassen ist.

Nach der Füllung werden die Füllrohre 12 und 13 in be-

kannter Weise, z.B. durch. Schweißen, gasdicht verschlossen. An der Meßmembran 1 ist auf jeder Seite eine Referenzplatte 14 bzw. 15 gehalten. Die Meßmembran 1 und die Referenzplatten 14 und 15 sowie die Meßkapselscheiben 2 und 3 bestehen aus Keramik. Damit ergibt sich für diese Teile der Meßkapsel dieselbe Temperaturabhängigkeit. Anstelle von Keramik kann z.B. auch Quarzglas verwendet werden. Die Meßmembran 1 und die Referenzplatten Η und 15 sind mit elektrisch leitenden Schichten versehen. Diese Schichten bilden auf jeder Seite der Meßmembran mindestens einen Kondensator. Bei einer Durchbiegung der Meßmembran ändern sich die Kapazitäten dieser Kondensatoren in gegenläufiger Richtung. Als elektrische Zuleitungen dienen Leiterbahnen, die in radialer Richtung auf der Meßmembran aufgebracht sind und von den Meßkammern 4 und 5 nach außen in einen Anschlußraum 16 führen. Dort sind - nur schematisch dargestellte - Anschlußleitungen 17 mit den Leiterbahnenden verbunden. Die Anschlußleitungen 17 führen zu einer hier nicht dargestellten elektronischen Schaltung, die die Kapazitätswerte der Kondensatoren auswertet. Einzelheiten der Meßmembran 1 und der an ihr befestigten Referenzplatten Η und 15 sind weiter unten im Zusammenhang mit den Figuren 2 und 3 beschrieben.

Die oben beschriebene Meßkapsel ist in einem Meßumformergehäuse gehalten, das aus zwei Kappen 18 und 19 sowie einem Ring 20 besteht. Die Kappen 18 und 19 sowie der Ring 20 bestehen aus Metall. Die Kappen 18 und 19 sind miteinander verschraubt, wobei der Ring 20, der im Bereich des Anschlußraumes 16 unterbrochen ist, als Distanzausgleich dient. In eine Ringnut der Kappen 18 und 19 ist ein Dichtring 21 bzw. 22 eingelegt, so daß die Kappe 18 zusammen mit der Außenfläche der Trennmembran 6 einen ersten Drückraum bildet und die Kappe 19 zusammen mit der Außenfläche der Trennmembran 7 einen zweiten Druckraum bildet.

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Die Figur 2 zeigt einen Schnitt durch die Meßmembran und die Figur 3 eine entsprechende Draufsicht auf die Meßmembran 1 und die Referenzplatte 15» Die Meßmembran 1 wei3t einen zentralen Bereich 1a, einen diesen konzentrisch umgebenden ringförmigen Bereich 1b sowie einen weiteren ringförmigen Bereich 1c auf. Der ringförmige Bereich 1c ist mit den Meßkapselscheiben 2 und 3 durch Kleben oder Löten druckfest und gasdicht verbunden. Der ringförmige Bereich 1b ist nicht so dick wie der zentrale Bereich, la, der die Referenzplatten 14 und 15 trägt. An dem zentralen Bereich 1a der Meßmembran sind die Referenzplatten 14 und 15 an jeweils drei gleichmäßig über den Umfang verteilten Abstandselementen aus einem in Dickschichttechnik aufgebrachten Widerstandsmaterial gehalten, Von den Abstandselementen sind in der Figur 2 auf jeder Seilte der Meßmembran 1 nur zwei zu erkennen, die mit den Bezugszelcher 23» 24 sowie 25» 26 versehen sind. Diese Abstandselemer.te bestimmen den Abstand zwischen den Referenzplatten 14 und 15 und dem zentralen Bereich 1a der Meßmembran 1 im nicht ausgelenkten Zustand. Außerdem verhindern sie eine Durchbiegung der ReferenzpLatten bei einer Auslenkung der Meßmembran 1. Der zentrale Bereich 1a der Meßmembran 1 und die Referenzplatten 14 und 15 sind mit elektrisch leitenden Schichten 27 bis 30 versehen, von denen die Schichten 27 und 28 sowie die Schichten 29 und 30 zwei Kondensatoren bilden, deren Kapazitäten sich bei Durchbiegung der Meßmembran gegenläufig ändern. Die Abstandselemente 24 und 26 bestehen aus einem elektrisch leitfähigen Widerstandsmaterial, das in Dickschichttechnik auf die Meßmembran aufgebracht ist. Durch diese Maßnahme ist es möglich, die elektrischen Anschlüsse der Kondensatorbeläge 27 bis 30 auf der Meßmembran nach außen zu führen. Hierzu dienen in radialer Richtung angeordnete Leiterbahnen, die mit den leitenden Schichten auf dem zentralen Bereich 1a der Meßmembran und den Abstandselementen 24 und 26 verbunden sind*

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Von diesen Leiterbahnen sind in der Figur 2 nur die mit den Bezugszeichen 31 und 32 versehenen Leiterbahnen und in der Figur 3 nur die mit den Bezugszeichen 32 und 33 versehenen Leiterbahnen sichtbar. Die in der Figur 3 sichtbaren Teile der Leiterbahnen 32 und 33 sind schwarz dargestellt, während die von der Referenzplatte 15 verdeckte leitende Schicht 29 sowie die ebenfalls verdeckten Teile der Leiterbahnen 32 und 33 auf dem ae&tralen Bereich 1a der Meßmembran 1 durch senkrechte Schraffur

t 10 dargestellt sind.

Die Figur 4 zeigt eine räumliche Darstellung der Meßmembran 1 und der Referenzplatte 15» bevor beide unter Wärmeeinwirkung miteinander verbunden worden sind. Die einzelnen Bauelemente sind anhand der Figuren Z und 3 bereits erläutert worden.

Die Figuren 5a, 5b und 5c zeigen nebeneinander von links nach rechts eine vereinfachte Draufsicht auf die Meßmembran und die Referenzmembran (entsprechend Figur 3),

einen vereinfachten Schnitt durch die Meßmembran und die beiden Referenzplatten (entsprechend Figur 2) und eine prinzipielle Darstellung der Auslenkung der eingespannten Meßmembran bei der Beaufschlagung mit einem von Null verschiedenen Differenzdruck. Wie die prinzipielle Darstellung der Auslenkung der eingespannten Membran (Figur 5c) zeigt, ist die Auslenkung in dem zentralen Bereich 1a der Meßmembran geringer als in dem diesen ringförmig umgebenden Bereich Ib der Meßmeiabran, Die in der Figur 5c nicht noch einmal dargestellten Abstandeeleraente zwischen der Meßmembran und den ebenfalls nur schematisch dargestellten Referenz^latten nehmen bei äer Auslenkung der Meßmembran auftretende Torsionskräfte auf, so daß die beiden Referenzplatten keine Durchbiegung erfahren und plan sowie parallel zueinander bleiben.

Bei der erfindüngsgemäßen Heßkapsel übernimmt der ringförmige Bereich 1b der Meßmembrän den Schutz gegen Beschädigung bei einseitiger Überlast. Das durch bei Überlast aus der Trennkammer verdrängte FÜllvolumen wird durch Auslenkung der Meßmembran aufgenommen. Der dabei entstehende Innendruck ist ein Produkt aus dem verdrängten Volumen und der Membransteifigkeit, die durch die Membrandicke in dem ringförmigen Bereich 1b der Meßmembran beeinflußbar ist. Unabhängig hiervon kann die Membrandicke in dem zentralen Bereich 1a der Meßmembran 1 im Hinblick auf den Nennmeßbereich des Differenzdruck-Meßumformers gewählt werden. Der symmetrische Aufbau der Meßkapsel erlaubt eine wechselseitige Beaufschlagung mit dem Differenzdruck bei gleicher Meßkapselkennlinie.

Die Figuren 6a und 6b zeigen einen Ausschnitt aus einer Meßmembran, an der die Referenzplatten an jeweils nur einem Punkt mit der Meßmembran verbunden sind. Die Pigur 6a zeigt als Schnitt den zentralen Bereich 1a und einen Teil des diesen ringförmig umgebenden Bereichs 1b der Meßmembran. An dem zentralen Bereich 1a sind über Abstandselemente 34 und 35 Referenzplatten 36 bzw. 37 gehalten. Die Auslenkung der Meßmembran und der Referenzplatten bei Beaufschlagung mit einem von Null verschiedenen Differenzdruck ist in gestrichelten Linien dargestellt. Die Referenzplatten 36 und 37 werden um den Steigungswinkel der Membranbiegelinie in ihrem Anlenkungspunkt 34 bzw. 35 gedreht, d.h. die Referenzplatten 36 und 37 sind parallel zu der Tangente an die Membranbiegelinie im Anlenkungspunkt. Es wirken somit keine Torsionsmomente auf die Referenzplatten 36 und ein. Die Figur 6b zeigt eine Draufsicht auf den in der Figur 6a dargestellten Bereich der Meßmembran. Der zentrale Bereich 1a ist von der Referenzplatte 36 verdeckt. Die auf den zentralen Bereich 1a aufgebrachte leitende

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Schicht 38 ist ebenfalls durch die Referenzplatte % verdeckt* Eine Leiterbahn 39 stellt die elektrische Verbindung zum hier nicht dargestellten Anschlußraum (16 in Figur 1) her. Die elektrische Verbindung von der leitenden Schicht auf der Referenzplatte 36 zu dem Anschlußraum erfolgt über eine weitere leiterbahn 40 und das Abstandselement 34, das wie die Abstandselemente bis 26 in der Figur 2 elektrisch leitfähig ist.

Die Figur 7 entspricht der Figur 1. In dieser Figur sind nur die Teile mit Bezugszeichen versehen, die zusätzlich zu denjenigen der Figur 1 vorhanden sind. Nach dem Zusammenfügen der Meßmembran 1 und der Meßkapselscheiben 2 und 3, z.B. durch Kleben oder löten, wird über die so entstandene Meßkapsel von jeder Seite aus ein metallischer Stützring 41 bzw. 42 über die Meßkapsel geschoben, bis beide Stützringe aneinanderstoßen, wobei für die Füllrohre (12, 13 in Figur 1) und das die Leiterbahnen tragende Teil der Meßmembran 1 Aussparungen vorgesehen sind. Die metallischen Stützringe | 41 und 42 werden dann durch eine Schweißnaht 43 miteinander verbunden. Diese Maßnahme bewirkt eine mechanische Entlastung der Fügestelle, an der die Meßkapselscheiben und die Meßmembran miteinander verbunden sind.

Bei den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen wurde von einem Elektrodenabstand von 25 ψη. und einem Nennhub von 5 um für einen Differenzdruck von 100 i> des Meßbereiches ausgegangen. Da diese geringen Abstände sich nicht maßstabsgetreu darstellen lassen, mußte insbesondere der Elektrodenabstand stark verzerrt gezeichnet werden.

Claims (6)

I a aa a a . » a· «a aaa a a « a a«a a * ***' :* schoppe & faeser gMbh * 6FHANKFURT/MAIN Blatt: Tag: 13.Θ4.84 6FHANKFURT/MAIN Schutz anspräche (ersetzen die Ansprüche vom 23.11.82)

1. Meßkapsel für einen Differenzdruck-Meßumformer mit zwei rotationssymmetrischen Meßkapselscheiben, zwischen denen eine Meßmembran angeordnet ist, die auf beiden Seiten der Meßmembran je eine Meßkammer begrenzt,

- mit zwei Trennmembranen, die zusammen mit einer Meßkapselscheibe je eine Trennkammer bilden,

- mit mindestens einer Durchgangsöffnung in jeder Meßkapselscheibe, die die Meßkammer und die Trennkammer verbindet,

- bei der die den Innenflächen der Trennmembranen gegenüberliegenden Wandungen der Meßkapselscheiben als Membranbetten ausgebildet sind,

- bei der der nicht zwischen den Meßkapselscheiben gehaltene Teil der Mvißmembran einen zentralen Bereich und einen diesen konzentrisch umgebendem ringförmigen Bereich aufweist,

- wobei die Meßkamuern und die Meßmembran so ausgebildet sind,
daß bei einseitiger Überlast die mit dieser beaufschlagte
Trennmembran an ihrem Membranbett zur Anlage kommt, bevor die
Meßmembran eine zu große mechanische Belastung erfährt,

- wobei die Räume zwischen der Meßmembran und den Trennmembranen mit einer im wesentlichen inkompressiblen Flüssigkeit gefüllt
sind,

dadurch gekennzeichnet,

- daß die Meßmembran (1) in ihrer Mittelebene aus einem Stück besteht,

- daß der zentrale Bereich (la) der Meßmembran dicker als der
diesen konzentrisch umgebende ringförmige Bereich (Ib) ist,

- daß an jeder Seite der Meßmembran (1) eine Referenzplatte (14,
15; 36, 37) über mindestens eine entkoppelnde Abstandseinrichtung (23 bis 26; 34, 35) an dem zentralen Bereich (la) der Meßmembran gehalten ist, wobei die entkoppelnden Abstar^reinrichtungen (23 bis 26; 34 ₁ 35) so gestaltet und angeordnet sind,, daß

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sie bei einer Durchbiegung des zentralen Bereichs (la) der Meßmembran eine Durchbiegung der Referenzplatte (14, 15; 36, 37) verhindern,

- daß sich gegenüberliegende Flächen (27 und 28, 29 und 30) des zentralen Bereichs (la) der Meßmerabran und der Referenzplatte (14, 15; 36, 37) als Elektroden eines Kondensators ausgebildet sind.

2. Meßkapsel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Meßkapselscheiben (2, 3) als auch die Meßmembran (1) aus Keramik bestehen.

3. Meßkapsel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

- daß auf jeder Seite der Meßmembran. (1) eine Referenzplatte (14, 15; 36, 37) aus Keramik an dem zentralen Bereich (la) der Meßmembran gehalten ist und

- daß der zentrale Bereich (la) der Meßmembran und die Referenzplatten (14, 15; 36, 37) mit elektrisch leitenden Schichten (27 bis 30; 38) versehen sind.

4. Meßkapsel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßmembran (1) mit in radialer Richtung angeordneten Leiterbahnen (31 bis 33; 39, 40) versehen ist, die die elektrische Verbindung zu den elektrisch leitenden Schichten (27 bis 30; 38) herstellen.

5. Meßkapsel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Abstandselemente (23 bis 26; 34, 35) aus einem elektrisch leitfähigen Widerstandsmaterial bestehen und

- daß mindestens eines (24, 26; 34) von ihnen auf jeder Seite der Meßmembran (1) die elektrische Verbindung zwischen der elektrisch leitenden Schicht (28, 30; 38) auf der Referenzplatte (14, 15; 36) und der zugehörigen Leiterbahn (31, 33; 40) auf der Meßmembran (1) herstellt.

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6. Meßkapsel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeiehrtet, daß zwei metallische Ringe (41, 42) konzentrisch zu den beiden Meßkapselscheiben (2, 3) angeordnet und dort miteinander Verschweißt sind.-