EP1350083A1 - Differenzdrucksensor und verfahren zur differenzdruckmessung - Google Patents

Differenzdrucksensor und verfahren zur differenzdruckmessung

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Publication number
EP1350083A1
EP1350083A1 EP02710777A EP02710777A EP1350083A1 EP 1350083 A1 EP1350083 A1 EP 1350083A1 EP 02710777 A EP02710777 A EP 02710777A EP 02710777 A EP02710777 A EP 02710777A EP 1350083 A1 EP1350083 A1 EP 1350083A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
pressure
sensor according
differential pressure
pressure sensor
vessel
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP02710777A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Dietfried Burczyk
Wolfgang Dannhauer
Ralf Nürnberger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Endress and Hauser SE and Co KG
Original Assignee
Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Endress and Hauser SE and Co KG filed Critical Endress and Hauser SE and Co KG
Publication of EP1350083A1 publication Critical patent/EP1350083A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0072—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L13/00—Devices or apparatus for measuring differences of two or more fluid pressure values
    • G01L13/02—Devices or apparatus for measuring differences of two or more fluid pressure values using elastically-deformable members or pistons as sensing elements
    • G01L13/025—Devices or apparatus for measuring differences of two or more fluid pressure values using elastically-deformable members or pistons as sensing elements using diaphragms
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
    • G01L19/04—Means for compensating for effects of changes of temperature, i.e. other than electric compensation

Definitions

  • the invention relates to a differential pressure sensor and a method for its assembly. More specifically, the invention relates to a differential pressure sensor with an isostatically mounted pressure measuring cell.
  • Differential pressure cells are used in particular to measure small pressure differences between large static pressures.
  • the cells must therefore be dimensioned so that they can withstand the static pressures.
  • the joints between the separating membrane and the half cells must therefore be designed to be strong enough, for example, to withstand the strong peeling stresses which arise due to the large pressure difference between the cell interior and the Environment.
  • this inevitably leads to stiffening of the measuring membrane or similar impairments, which ultimately impair the measuring accuracy of the differential pressure sensor.
  • the differential pressure sensor according to the invention for determining the differential pressure between two measuring points comprises a pressure container which is filled with a transmission liquid; a measuring cell arranged in the pressure container and surrounded by the transmission liquid, with two half cells and a membrane-like deformation body which separates the two half cells from one another in a pressure-tight manner; two pressure feed lines, each of which feed the pressure from one of the two measuring points to one of the two half cells; and at least one pressure accumulator, the pressure of which acts on the transmission liquid in the container.
  • the transmission fluid in the pressure vessel is preferably subjected to a pressure which is greater than the nominal pressure of the differential pressure sensor and particularly preferably greater than the maximum values occurring in the event of pressure surges.
  • the pressure accumulator has at least one elastically deformable body which is suitable for compensating for volume changes in the transmission fluid due to temperature fluctuations and for keeping the pressure in the pressure vessel within a predetermined range.
  • the pressure accumulator can comprise a pneumatic component, which is compressed when the volume of the transmission fluid increases and, in the opposite case, expands.
  • a combination of an elastic body with a pneumatic element is also suitable for realizing a pressure accumulator.
  • the force is proportional to the relative change in length of the elastic body.
  • the pressure increase is proportional to its relative volume change. Therefore, the expected change in volume of the transmission fluid over the range of operating temperatures and the permissible tolerance range for the pressure in the pressure vessel result in a minimum volume for the pressure accumulator.
  • the pressure accumulator can also comprise nonlinearly elastic bodies with a degressive characteristic.
  • nonlinear elastic materials include, for example, shape memory alloys, e.g. cold-formed Ni-Ti alloys that form a stress-induced martensite when deflected from an austenitic phase. The transition to the martensitic phase results in a degressive characteristic.
  • a non-linear articulation with the resulting degressive characteristic can be realized, for example, via a compression spring arrangement with two or more compression springs, the longitudinal axes of which preferably lie symmetrically on the lateral surface of a cone with a variable opening angle, the axis of symmetry of which defines the compression direction of the pressure accumulator.
  • Similar spring arrangements with variable inclination angles or roller springs are also suitable to achieve a degressive characteristic.
  • the pressure accumulator can also be realized by compressible or elastic fillers which are introduced into the pressure vessel. On the one hand, this leads to a minimization of the remaining volume in the pressure vessel, which is to be filled with the transmission fluid, and on the other hand, it enables a comparatively simple adaptation of a pressure vessel to different sensor elements by filling the intermediate space with fillers and transmission fluid in a suitable volume ratio, the transmission fluid also the required pressure is applied.
  • packing material e.g. massive balls or hollow balls made of elastic materials are possible.
  • porous elastic materials the volume fraction of the transmission liquid in the pressure vessel can also be controlled via the porosity.
  • the interior of the pressure vessel can also be filled with a suitable foam, the proportion being more closed Pores, open pores and the solid material are the parameters with which the volume remaining for the transmission liquid can be controlled.
  • the method according to the invention for measuring a pressure difference between two measuring points comprises the steps of providing a differential pressure measuring cell with two half cells and a separating membrane in a pressure container; Filling the pressure vessel with a transmission fluid; Applying a pressure to the transmission liquid which is at least as great as the nominal pressure at the measuring points; Connecting the two measuring points to a half cell; the differential pressure sensor; and compensating for volume changes in the transmission fluid by means of an elastic pressure accumulator that communicates with the transmission fluid in the pressure vessel.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a differential pressure sensor according to the invention
  • FIG. 3 shows a schematic longitudinal section through a differential pressure sensor according to the invention with an elastic pressure accumulator formed from packing elements;
  • the longitudinal section in Fig. 1 shows the essential components of a differential pressure sensor according to the invention.
  • the actual measuring cell comprises two half cells 1, which are separated from one another by a measuring membrane 2 in a pressure-tight manner.
  • the half cells 1 are each provided with one via two pressure supply lines 7 Measuring point connected and acted upon by the pressure there, whereby the membrane 2 is deformed according to the pressure difference. The deformation is converted either capacitively, resistively or inductively into a measurement signal.
  • the measuring cell is enclosed in a pressure vessel which is filled with a transmission liquid, for example a hydraulic oil or the like.
  • the transmission fluid should be as little compressible as possible and should be present as a liquid phase over the entire range of operating temperatures.
  • the pressure vessel is preferably dimensioned such that it does not suffer any deformation due to changes in volume or pressure of the transmission fluid during operation.
  • Metallic materials in particular steel, are suitable as the material for the pressure vessel.
  • a filler neck 5 is provided in the embodiment shown, which can be pressed together after filling in order to further increase the pressure in the pressure vessel 4.
  • a stamp or piston can also be provided, which is variably introduced to adjust the pressure in the container, for example by screwing it in.
  • both a filler neck and a stamp or piston can be provided in each embodiment, even if this is no longer expressly mentioned below.
  • a pressure accumulator 6 is also arranged in the pressure container and has an elastically deformable body which compensates for changes in volume of the transmission fluid. Such volume changes occur in particular due to temperature fluctuations in the pressure vessel 4. Without a pressure accumulator, it would not be possible to keep the pressure in the pressure vessel 4 within a tolerance range, since the transmission fluid is not sufficiently compressible.
  • the pressure accumulator 60 here comprises a compression spring 61, here a spiral compression spring, which controls the axial deflection of a bellows 62.
  • the spring 61 is preferably biased by suitable means (not shown here), so that when the required pressure is applied at the minimum operating temperature of the sensor, ie the minimum volume of the transmission liquid, only a slight additional compression takes place. If if the temperature of the transmission fluid increases, it expands and the associated pressure increase now leads to a further compression of the compression spring 61 and the bellows 62.
  • spiral compression spring 61 metallic disc springs and temperature-resistant elastomers, for example EPDM, NBR and HMBR, can also be used as the core of the pressure accumulator.
  • the pressure in the pressure vessel should preferably only change within a certain bandwidth over the entire temperature range ⁇ T, in order not to vary the external pressurization of the measuring cell too much.
  • ⁇ P / P ⁇ * ⁇ T * Vö
  • the pressure fluctuations are inversely proportional to the volume of the elastic body, and for a given body volume proportional to the volume of the oil.
  • the volume of the transmission liquid or the oil volume is to be minimized and the volume of the elastic body in relation to the oil volume is to be maximized if the pressure fluctuations in the pressure vessel should be minimized with a linear elastic body.
  • the dimensions of the pressure measuring cell and the pressure vessel can be matched to one another so that only a minimal residual volume remains, which is just sufficient to apply the pressure of the transmission liquid completely from the outside.
  • the filling bodies are of a sufficiently compressible or elastic material, they can simultaneously perform the function of a pressure accumulator, or an additional pressure accumulator can be made correspondingly smaller.
  • FIG. 3 An example of this is given in FIG. 3, in which case the entire space between the walls of the pressure container 240 and the pressure measuring cell is initially filled with compressible fillers 260, for example balls, cylinders, cuboids, tetrahedra or the like. is filled before the remaining volume between the packing bodies is filled with the transfer liquid and this is pressurized with the required pressure.
  • compressible fillers 260 for example balls, cylinders, cuboids, tetrahedra or the like.
  • High-temperature-stable thermoelastic polymers such as NBR, HNBR or EPDM are particularly suitable as the material for the elastic fillers.
  • different materials can also be combined, or the fillers can be made solid or with cavities in order to set the desired elasticity or compressibility.
  • it is advantageous to crosslink the fillers with one another for example in order to avoid local accumulation of the fillers in a region of the pressure vessel.
  • the pressure accumulator 160 of the example from FIG. 2b comprises a spring arrangement 161 in a bellows 162.
  • the pressure springs 161 are not arranged parallel to the direction of compression of the bellows. Instead, a plurality of compression springs 161 are symmetrical on one with their respective first ends Base surface and anchored with its respective second end centrally on the end face of the bellows 162.
  • the direction of compression of the individual compression springs 161 is thus inclined with respect to the direction of compression of the bellows, the angle of inclination increasing with the compression of the bellows.
  • the system can be designed such that the changes in the restoring force and thus the pressure in the pressure vessel are considerably reduced with increasing compression of the pressure accumulator.
  • FIG. 4 shows the pressure development (marked with triangles) following the degressive characteristic curve of an arrangement based on the principle of FIG. 2b compared to the pressure development (marked with squares) when using an arrangement according to FIG. 2a.
  • the oil used as transmission fluid has a minimum volume at a low initial temperature, which corresponds to 3.125 times the volume of the pressure accumulator in this state. If the oil expands with increasing temperature by 8% of the oil volume, the pressure accumulator is therefore compressed by 25% of its volume.
  • the spring arranged parallel to the compression direction of the pressure accumulator is compressed by 25% of its initial length. This leads to an increase in pressure to 4/3 of the initial value.
  • the springs of the exemplary embodiment according to FIG. 2b initially have an angle of inclination of approximately 62 ° to the compression axis of the pressure accumulator with a minimal oil volume. As the compression progresses, the angle of inclination increases to approximately 68 °. In the initial state, the springs are already compressed by 15% to 85% of their equilibrium length, the springs being compressed to approximately 80% of the equilibrium length by 25% compression of the pressure accumulator. As a result, the inclined arrangement of the springs 161 achieves a degressive characteristic curve, which limits the pressure increase due to the compression of the pressure accumulator to approximately 3.3%, while the pressure increase in the linear arrangement is 33%. This is an improvement by a factor of ten.

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Abstract

Ein Differenzdrucksensor, zur Bestimmung des Differenzdrucks zwischen zwei Messpunkten, umfasst einen Druckbehälter (4), welcher mit einer Übertragungsflüssigkeit gefüllt ist; eine in dem Druckbehälter (4) angeordnete Meßzelle, die von der Übertragungsflüssigkeit umgeben ist, mit zwei Halbzellen (1); einen membranartigen Verformungskörper (2) welcher die beiden Halbzellen (1) druckdicht voneinander trennt; und zwei Druckzuleitungen (7), welche jeweils den Druck von einem der beiden Meßpunkte außerhalb des Druckbehälters (4) einer der beiden Halbzellen zuführen; und mindestens einen Druckspeicher (6), dessen Druck auf die Übertragungsflüssigkeit in dem Behälter wirkt. Als Druckspeicher (6) sind elastische bzw. kompressible Körper mit linearer oder degressiver Kennlinie geeignet. Der Druckspeicher (6) gleicht Volumenänderungen der Übertragungsflüssigkeit aufgrund von Temperaturschwankungen aus.

Description

Differenzdrucksensor und Verfahren zur Differenzdruckmessung
Die Erfindung bezieht sich auf einen Differenzdrucksensor sowie ein Verfahren zu dessen Montage. Genauer betrifft die Erfindung einen Differenzdrucksensor mit einer isostatisch gelagerten Druckmeßzelle.
Differenzdruckzellen werden insbesondere dazu eingesetzt, geringe Druckunterschiede zwischen großen statischen Drücken zu messen. Deshalb sind die Zellen so zu bemessen, daß sie den statischen Drücken standhalten. Bei einer Meßzelle bestehend aus zwei Halbzellen, die mittels einer Mittenmembran voneinander getrennt sind, müssen daher insbesondere auch die Fügestellen zwischen der Trennmembran und den Halbzellen entsprechend stark ausgelegt werden, um beispielsweise den starken Schälspannungen standzuhalten, die aufgrund des großen Druckunterschieds zwischen dem Zelleninneren und der Umgebung auftreten. Dies führt jedoch zwangsläufig zu einer Versteifung der Meßmembran oder ähnlichen Beeinträchtigungen, die letztendlich die Meßgenauigkeit des Differenzdrucksensors beeinträchtigen.
Im Sinne einer verbesserten Meßgenauigkeit ist es wünschenswert, die Fügestellen zu entlasten und damit die Dimensionierungsanforderungen zu reduzieren. Hierzu offenbart Bonne in US Patent Nr. 5,684,253 einen Differenzdrucksensor, bei dem die Druckmeßzelle in einer Kammer eines Gehäuses angeordnet ist, wobei die Druckzuleitung zu einer Halbzelle der Druckmeßzelle eine Verzweigung aufweist so daß das Medium aus der Druckzuleitung auch die Meßzelle umgibt und diese mit dem jeweils anstehenden Meßdruck zu beaufschlagen. Auf diese Weise ist der Druckunterschied zwischen dem Inneren der Halbzelle und der Umgebung der Druckmeßzelle weitgehend eliminiert. Insofern als der Druck in der zweiten Halbzelle ähnlich groß ist wie in der ersten Halbzelle, bietet die beschriebene Anordnung für konstante Druckverhältnisse einen angemessenen Schutz. Bei Druckschwankungen bzw. - stoßen erweist sich diese Anordnung jedoch als anfällig, da der Druck in einer Halbzelle den Umgebungsdruck deutlich überschreiten kann, der mit dem Druck in der anderen Halbzelle identisch ist. Deshalb ist es erforderlich, die Fügungen zwischen den Halbzellen und der Membran doch sehr widerstandsfähig auszulegen und somit die eingangs beschriebenen Kompromisse hinsichtlich der Meßgenauigkeit in Kauf zu nehmen. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Differenzdrucksensor bereitzustellen, der bei hinreichender Empfindlichkeit auch Druckschwankungen standhalten kann.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Differenzdrucksensor nach unabhängigen Anspruch 1 und das Verfahren nach unabhängigen Anspruch 17. Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
Der erfindungsgemäße Differenzdrucksensor zur Bestimmung des Differenzdrucks zwischen zwei Messpunkten, umfasst einen Druckbehälter, welcher mit einer Übertragungsflüssigkeit gefüllt ist; eine in dem Druckbehälter angeordnete Meßzelle, die von der Übertragungsflüssigkeit umgeben ist, mit zwei Halbzellen und einem membranartigen Verformungskörper, welcher die beiden Halbzellen druckdicht voneinander trennt; zwei Druckzuleitungen, welche jeweils den Druck von einem der beiden Meßpunkte einer der beiden Halbzellen zuführen; und mindestens einen Druckspeicher, dessen Druck auf die Übertragungsflüssigkeit in dem Behälter wirkt.
Die Übertragungsflüssigkeit im Druckbehälter ist vorzugsweise mit einem Druck beaufschlagt, der größer ist als der Nenndruck des Differenzdrucksensors und besonders bevorzugt größer ist als die bei Druckschlägen auftretenden Maximalwerte.
Der Druckspeicher weist in einer bevorzugten Ausführungsform mindestens einen elastisch verformbaren Körper auf, der geeignet ist, Volumenänderungen der Übertragungsflüssigkeit aufgrund von Temperaturschwankungen auszugleichen und den Druck in dem Druckbehälter innerhalb einer vorgegebenen Bandbreite zu halten. Außerdem kann der Druckspeicher eine pneumatische Komponente umfassen, die bei einer Volumenvergrößerung der Ubertragungsflussigkeit komprimiert wird und sich im umgekehrten Falle ausdehnt. Eine Kombination eines elastischen Körpers mit einem pneumatischen Element ist ebenfalls zur Realisierung eines Druckspeichers geeignet.
Bei einem linear elastischen Körper, beispielsweise einer Schraubenfeder oder einer anderen axial komprimierbaren Feder in einem flexiblen Balg, ist die Kraft proportional zur relativen Längenänderung des elastischen Körpers. Folglich ist bei einem Druckspeicher mit einem linear elastischen Körper die Druckzunahme proportional zu dessen relativer Volumenänderung. Daher folgt aus der zu erwartenden Volumenänderung der Übertragungsflüssigkeit über die Spanne der Betriebstemperaturen und dem zulässigen Toleranzbereich für den Druck im Druckbehälter ein Mindestvolumen für den Druckspeicher.
Der Druckspeicher kann als Alternative zu linear elastischen Körpern auch nicht linear elastische Körper mit einer degressiven Kennlinie umfassen. Dies kann einerseits durch elastische Materialien mit einer degressiven Kennlinie oder durch eine nicht lineare Anlenkung von linear elastischen Körpern erzielt werden. Zu den nicht linear elastischen Materialien gehören beispielsweise Formgedächtnis- Legierungen, z.B. kaltverformte Ni-Ti-Legierungen, die bei Auslenkung von einer austenitischen Phase einen spannungsinduzierten Martensit bilden. Der Übergang in die martensitische Phase bewirkt eine degressive Kennlinie. Eine nicht lineare Anlenkung mit resultierender degressiver Kennlinie ist beispielsweise über eine Druckfederanordnung mit zwei oder mehr Druckfedern zu realisieren, deren Längsachsen vorzugsweise symmetrisch auf der Mantelfläche eines Kegels mit variablem Öffnungswinkel liegen, dessen Symmetrieachse die Kompressionsrichtung des Druckspeichers definiert. Ähnliche Federanordnungen mit variablem Neigungswinkel oder Rollfedern sind ebenfalls geeignet, um eine degressive Kennlinie zu erzielen.
Der Druckspeicher kann ebenfalls durch kompressible oder elastische Füllkörper realisiert werden, die in den Druckbehälter eingebracht werden. Dies führt einerseits zu einer Minimierung des Restvolumens im Druckbehälter, welches mit der Übertragungsflüssigkeit zu füllen ist und andererseits ermöglicht es eine vergleichsweise einfache Anpassung eines Druckbehälters an verschiedene Sensorelemente, indem der Zwischenraum mit Füllkörpern und Übertragungsflüssigkeit in einem geeigneten Volumenverhältnis befüllt wird, wobei die Übertragungsflüssigkeit mit dem erforderlichen Druck beaufschlagt wird. Als Füllkörper, kommen z.B. massive Kugeln oder Hohlkugeln aus elastischen Werkstoffen in Frage. Durch Einsatz poröser elastischer Materialien kann ebenfalls über die Porosität der Volumenanteil der Übertragungsflüssigkeit im Druckbehälter kontrolliert werden.
Anstelle einer Vielzahl von Füllkörpern, kann das Innere des Druckbehälters auch mit einem geeigneten Schaum gefüllt werden, wobei der Anteil geschlossener Poren, offener Poren und des massiven Materials die Parameter sind, mit denen sich das für die Übertragungsflüssigkeit verbleibende Volumen kontrollieren läßt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Messen einer Druckdifferenz zwischen zwei Meßpunkten, umfasst die Schritte Bereitstellen einer Differenzdruckmeßzelle mit zwei Halbzellen und einer Trennmembran, in einem Druckbehälter; Befüllen des Druckbehälters mit einer Übertragungsflüssigkeit; Beaufschlagen der Übertragungsflüssigkeit mit einem Druck der mindestens so groß ist, wie der Nenndruck an den Meßpunkten; Anschließen der beiden Meßpunkte an jeweils eine Halbzelle; des Differenzdrucksensors; und Ausgleichen von Volumenänderungen der Übertragungsflüssigkeit mittels eines elastischen Druckspeichers, der mit der Übertragungsflüssigkeit in dem Druckbehälter kommuniziert.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 : einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Differenzdrucksensor;
Fig. 2a: einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Differenzdrucksensor mit einem linear elastischen Druckspeicher;
Fig. 2b: einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Differenzdrucksensor mit einem nicht linear elastischen Druckspeicher;
Fig. 3: einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Differenzdrucksensor mit einem aus Füllkörpern gebildeten elastischen Druckspeicher; und
Fig. 4: ein Diagramm der Druckentwicklung im Druckbehälter bei Verwendung linear elastischer und nicht linear elastischer Druckspeicher.
Der Längsschnitt in Fig. 1 zeigt die wesentlichen Komponenten eines erfindungsgemäßen Differenzdrucksensors. Die eigentliche Meßzelle umfaßt zwei Halbzellen 1 , welche durch eine Meßmembran 2 druckdicht voneinander getrennt sind. Über zwei Druckzuleitungen 7 sind die Halbzellen 1 jeweils mit einem Meßpunkt verbunden und mit dem dort anstehenden Druck beaufschlagt, wodurch die Membran 2 entsprechend der Druckdifferenz verformt wird. Die Verformung wird entweder kapazitiv, resistiv oder induktiv in eine Meßsignal umgesetzt. Die Meßzelle ist in einem Druckbehälter eingeschlossen der mit einer Übertragungsflüssigkeit, beispielsweise einem Hydrauliköl o.a., gefüllt ist. Die Übertragungsflüssigkeit sollte möglichst wenig kompressibel sein und über den gesamten Bereich der Betriebstemperaturen als flüssige Phase vorliegen. Der Druckbehälter ist vorzugsweise so dimensioniert, daß er durch Volumen- bzw. Druckänderungen der Übertragungsflüssigkeit während des Betriebs keine Verformungen erleidet.
Als Material für den Druckbehälter sind metallische Werkstoffe, insbesondere Stahl, geeignet.
Zur Befüllung des Druckbehälters 4 mit einer Übertragungsflüssigkeit ist in der gezeigtne Ausführungsform ein Füllstutzen 5 vorgesehen, der nach dem Befüllen zusammen gedrückt werden kann, um den Druck im Druckbehälter 4 weiter zu erhöhen. Optional kann auch ein Stempel oder Kolben vorgesehen sein der zur Einstellung des Drucks im Behälter, beispielsweise durch Einschrauben, variabel eingebracht wird. Sowohl ein Einfüllstutzen als auch ein Stempel oder Kolben kann prinzipiell bei jeder Ausführungsform vorgesehen sein, auch wenn dies im folgenden nicht mehr ausdrücklich erwähnt wird.
Im Druckbehälter ist außerdem ein Druckspeicher 6 angeordnet, der einen elastisch verformbaren Körper aufweist, welcher Volumenänderungen der Übertragungsflüssigkeit ausgleicht. Solche Volumenänderungen treten insbesondere aufgrund von Temperaturschwankungen im Druckbehälter 4 auf. Ohne einen Druckspeicher wäre es nicht möglich den Druck im Druckbehälter 4 in einem Toleranzbereich zu halten, da die Übertragungsflüssigkeit nicht hinreichend kompressibel ist.
Das Wirkprinzip eines Druckspeichers wird nun anhand der Skizze in Fig. 2a erläutert. Der Druckspeicher 60 umfaßt hier eine Druckfeder 61 , hier eine Spiraldruckfeder, welche die axiale Auslenkung eines Balgs 62 kontrolliert. Vorzugsweise ist die Feder 61 durch geeignete (hier nicht gezeigte) Mittel vorgespannt, so daß bei einer Beaufschlagung mit dem erforderlichen Druck bei der minimalen Betriebstemperatur des Sensors, d.h. dem minimalen Volumen der Übertragungsflüssigkeit, nur eine geringe zusätzliche Kompression erfolgt. Wenn sich die Temperatur der Übertragungsflüssigkeit erhöht, dehnt sich diese aus, und die damit einhergehende Druckerhöhung führt nun zu einer weiteren Kompression der Druckfeder 61 und des Balgs 62.
Anstelle der Spiraldruckfeder 61 , kommen auch metallische Tellerfedern sowie temperaturfeste Elastomere, beispielsweise EPDM, NBR und HMBR als Kern des Druckspeichers in Frage.
Dimensionierungerwägungen für einen Druckspeicher werden nun an einem System mit einem Silikonöl als Übertragungsflüssigkeit erläutert. Silikonöle haben beispielsweise einen Volumenausdehnungskoeffizienten von γ= 90...160 * 10'5/K. Für die folgenden Abschätzungen wird daher ausgegangen von γ = 0,1 %/K. Bei einer Schwankung der Betriebstemperatur über einen Bereich von 80 K, z.B. von -10°C und 70°C, ändert sich das Volumen um ΔVÖI =8%. Der elastische Körper sollte daher so bemessen sein, daß er diese Volumenänderung ausgleichen kann. Vorzugsweise sollte sich der Druck im Druckbehälter über den gesamten Temperaturbereich ΔT nur innerhalb einer gewissen Bandbreite ändern, um die externe Druckbeaufschlagung der Meßzelle nicht zu stark zu variieren.
Bei einem linearen elastischen Verhalten des elastischen Körpers gemäß dem Hooke'schen Gesetz ist die relative Druckänderung proportional zur relativen Volumenänderung:
ΔP/ P α ΔVKörper / VKörper-
Da aber die Volumenänderung des Körpers der temperaturbedingten Volumenänderung der Übertragungsflüssigkeit, also hier des Öls (ΔVÖI = Voi * γ * ΔT), entspricht, gilt:
ΔP/ P = γ * ΔT * Vö| /VKörper.
Bei gegebenem Ölvolumen sind die Druckschwankungen also umgekehrt proportional zum Volumen des elastischen Körpers, und bei gegebenem Körpervolumen proportional zum Volumen des Öls.
Für die Konstruktion des Differenzdrucksensors folgt damit, daß das Volumen der Übertragungsflüssigkeit bzw. das Ölvolumen zu minimieren ist, und das Volumen des elastischen Körpers im Verhältnis zum ölvolumen zu maximieren ist, wenn die Druckschwankungen im Druckbehälter mit einem linear elastischen Körper minimiert werden soll.
Zur Minimierung des Volumens der Übertragungsflüssigkeit können einerseits die Abmessungen der Druckmeßzelle und des Druckbehälters aufeinander abgestimmt werden, daß nur ein minimales Restvolumen verbleibt, das gerade hinreichend ist, die Meßzelle von außen vollständig mit dem Druck der Übertragungsflüssigkeit zu beaufschlagen.
Als eine Alternative bietet es sich an, Füllkörper in den Druckbehälter einzubringen, die das Volumen minimieren, welches für die Übertragungsflüssigkeit verbleibt. Wenn die Füllkörper ein hinreichend kompressibles oder elastisches Material aufweisen sind, können diese zugleich die Funktion eines Druckspeichers wahrnehmen, oder ein zusätzlicher Druckspeicher kann entsprechend kleiner gestaltet sein.
Ein Beispiel hierzu ist in Fig. 3 gegeben, wobei hier der gesamte Raum zwischen den Wänden des Druckbehälters 240 und der Druckmeßzelle zunächst mit kompressiblen Füllkörpern 260, beispielsweise Kugeln, Zylinder, Quader, Tetraeder, o.a. gefüllt wird, bevor das verbleibende Restvolumen zwischen den Füllkörpern mit der Übertragungsflüssigkeit gefüllt, und diese mit dem erforderlichen Druck beaufschlagt wird. Als Material für die elastischen Füllkörper kommen insbesondere hochtemperaturstabile thermoelastische Polymere wie NBR, HNBR oder EPDM in Frage. Selbstverständlich können auch verschiedene Materialien kombiniert werden, oder die Füllkörper können massiv oder mit Hohlräumen ausgestaltet werden, um die gewünschte Elastizität bzw. Kompressibilität einzustellen. Für einige Anwendungen ist es vorteilhaft, die Füllkörper miteinander zu vernetzen, um beispielsweise eine lokale Anreicherung der Füllkörper in einer Region des Druckbehälters zu vermeiden.
Anhand von Fign. 2 und 4 wird nun ein Beispiel für einen erfindungsgemäßen gekapselten Differenzdrucksensor vorgestellt, dessen Druckspeicher 160 eine degressive Kennlinie aufweist. Wie beim Beispiel aus Fig. 2a umfaßt der Druckspeicher des Beispiels aus Fig. 2b eine Federanordnung 161 in einem Balg 162. In diesem Fall sind die Druckfedern 161 jedoch nicht parallel zur Kompressionsrichtung des Balgs angeordnet. Stattdessen sind mehrere Druckfedern 161 mit ihrem jeweiligen ersten Ende symmetrisch auf einer Basisfläche und mit ihrem jeweiligen zweiten Ende zentral an der Stirnfläche des Balgs 162 verankert. Die Kompressionsrichtung der einzelnen Druckfedern 161 ist also bezüglich der Kompressionsrichtung des Balgs geneigt, wobei der Neigungswinkel mit der Kompression des Balgs zunimmt. Dies hat zwei Konsequenzen. Erstens nimmt die inkrementelle Kompression der Federn mit zunehmender Kompression des Balgs ab, und zweitens wird der Anteil der Federkraft, der als Gegenkraft zur Kompression des Balgs wirkt, immer geringer, da dies nur die Projektion der gesamten Federkraft auf die Kompressionsrichtung des Balgs ist. Durch geeignete Wahl des Neigungswinkels und der Vorspannung der Federn 161 kann das System so ausgelegt werden, daß die Veränderungen der Rückstellkraft und somit des Drucks im Druckbehälter mit zunehmender Kompression des Druckspeichers erheblich reduziert sind.
Zur Erläuterung des Effekts zeigt Fig. 4 die aus der degressive Kennlinie folgende Druckentwicklung (mit Dreiecken gekennzeichnet) einer Anordnung nach dem Prinzip der Fig. 2b im Vergleich zur Druckentwicklung (mit Quadraten gekennzeichnet) bei Verwendung einer Anordnung gemäß Fig. 2a. In beiden Fällen hat das als Übertragungsflüssigkeit verwendete Öl bei einer niedrigen Anfangstemperatur ein Minimalvolumen, welches dem 3,125 fachen Volumen des Druckspeichers in diesem Zustand entpricht. Bei einer Ausdehnung des Öls mit steigender Temperatur um 8% des Ölvolumens, wird der Druckspeicher daher um 25% seines Volumens gestaucht. Bei der Ausführungsform nach Fig. 2a wird die parallel zur Kompressionsrichtung des Druckspeichers angeordnete Feder also um 25% ihrer Anfangslänge gestaucht. Dies führt zu einem Druckanstieg auf 4/3 des Anfangswerts.
Die Federn des Ausführungsbeispiels nach Fig. 2b haben zu Anfang bei minimalem Ölvolumen einen Neigungswinkel von etwa 62° zur Kompressionsachse des Druckspeichers. Mit fortschreitender Kompression steigt der Neigungswinkel auf etwa 68°. Die Federn sind im Anfangszustand bereits um 15% auf 85% ihrer Gleichgewichtslänge gestaucht, wobei die Federn durch 25%- ige Kompression des Druckspeichers auf etwa 80% der Gleichgewichtslänge gestaucht wird. Im Ergebnis wird durch die geneigte Anordnung der Federn 161 eine degressive Kennlinie erzielt, die den Druckanstieg aufgrund der Kompression des Druckspeichers auf etwa 3,3% beschränkt, während, der Druckanstieg bei der linearen Anordnung 33% beträgt. Dies ist eine Verbesserung um einen Faktor zehn. Wenn die Federn 161 weniger stark geneigt sind, fällt die Verbesserung weniger deutlich aus. Mit einem Anfangsneigungswinkel von etwa 57° der durch die Stauchung des Druckspeichers auf etwa 64° ansteigt, resultiert bei ansonsten gleichen Bedingungen wie beim ersten Beispiel eine Druckerhöhung um etwa 10% aufgrund der 25%-igen Kompression des Druckspeichers.
Grundsätzlich können neben den Neigungswinkeln, die Anzahl und Art der Federn, ihre Vorspannung und Materialbeschaffenheit u.a. den jeweiligen Erfordernissen angepaßt werden.
Außerdem sind die zuvor beschriebenen Aspekte der Erfindung beliebig mit einander kombinierbar und variierbar, ohne vom Grundgedanken der Erfindung abzuweichen.

Claims

Patentansprüche
1. Differenzdrucksensor, zur Bestimmung des Differenzdrucks zwischen zwei Messpunkten, umfassend:
einen Druckbehälter, welcher mit einer Übertragungsflüssigkeit gefüllt ist;
eine in dem Druckbehälter angeordnete Meßzelle, die von der Übertragungsflüssigkeit umgeben ist, mit
zwei Halbzellen (1);
einen membranartigen Verformungskörper (2) welcher die beiden Halbzellen (1) druckdicht voneinander trennt;
zwei Druckzuleitungen (7), welche jeweils den Druck von einem der beiden Meßpunkte außerhalb des Druckbehälters einer der beiden Halbzellen zuführen; und
mindestens einen Druckspeicher, dessen Druck auf die Übertragungsflüssigkeit in dem Behälter wirkt.
2. Differenzdrucksensor, nach Anspruch 1 , wobei der Druckspeicher im Druckbehälter angeordnet ist.
3. Differenzdrucksensor nach Anspruch 2, wobei der Druckspeicher mindestens einen kompressiblen Körper aufweist.
4. Differenzdrucksensor nach Anspruch 3, wobei der kompressible Körper ein elastisches Element aus Metall oder einem thermoelastischen Kunststoff aufweist.
5. Differenzdrucksensor nach Anspruch 4, wobei das elastische Element eine Druckfeder ist.
6. Differenzdrucksensor nach Anspruch 4 oder 5, wobei das elastische Element von einem flexiblen Werkstoff umgeben ist.
7. Differenzdrucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Druckspeicher ein pneumatisches Element aufweist.
8. Differenzdrucksensor nach Anspruch 7, wobei der Druck im pneumatischen Element extern kontrollierbar ist.
9. Differenzdrucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend einen Füllstutzen zur Befüllung des Druckbehälters mit Übertragungsflüssigkeit.
10. Differenzdrucksensor nach Anspruch 9, wobei der Füllstutzen ein metallisches Rohr aufweist, welches bei der abquetschbar ist, um nach der Befüllung des Druckbehälters den Druck im Druckbehälter zu erhöhen.
11. Differenzdrucksensor nach einer der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend einen Verdrängungskörper, der in den Druckbehälter einbringbar ist, um den Druck im Druckbbehälter zu kontrollieren.
12. Differenzdrucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Druck im Druckbehälter für alle Betriebstemperaturen im zugelassenen Temperaturbereich größer ist als der Nenndruck für die beiden Meßpunkte.
13. Differenzdrucksensor nach Anspruch 11 , wobei der Druck im
Druckbehälter mindestens das 1 ,2-fache, bevorzugt das 1 ,5-fache, besonders bevorzugt das 2-fache des Nenndrucks beträgt. 12
14. Differenzdrucksensor nach einem der verhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß die Übertragungsflüssigkeit ein Öl ist.
15. Differenzdrucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Druckspeicher eine degressive Kennlinie aufweist.
16. Differenzdrucksensor nach Anspruch 1 , wobei der Druckspeicher durch elastische Füllkörper (260) gebildet wird, die in dem Druckbehälter angeordnet sind.
17. Verfahren zum Messen einer Druckdifferenz zwischen zwei Meßpunkten, umfassend die Schritte:
Bereitstellen einer Differenzdruckmeßzelle mit zwei Halbzellen und einer Trennmembran, in einem Druckbehälter;
Befüllen des Druckbehälters mit einer Übertragungsflüssigkeit;
Beaufschlagen der Übertragungsflüssigkeit mit einem Druck der mindestens so groß ist, wie der Nenndruck an den Meßpunkten;
Anschließen der beiden Meßpunkte an jeweils eine Halbzelle; des Differenzdrucksensors; und
Ausgleichen von Volumenänderungen der Übertragungsflüssigkeit mittels eines elastischen Druckspeichers, der mit der Übertragungsflüssigkeit in dem Druckbehälter kommuniziert.
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