WO2013160019A2 - Druckmessaufnehmer - Google Patents

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WO2013160019A2
WO2013160019A2 PCT/EP2013/055630 EP2013055630W WO2013160019A2 WO 2013160019 A2 WO2013160019 A2 WO 2013160019A2 EP 2013055630 W EP2013055630 W EP 2013055630W WO 2013160019 A2 WO2013160019 A2 WO 2013160019A2
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WO
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pressure
measuring
housing
measuring cell
counter
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PCT/EP2013/055630
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French (fr)
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WO2013160019A3 (de
Inventor
Ulfert Drewes
Nils Ponath
Michael Hügel
Thomas Uehlin
Original Assignee
Endress+Hauser Gmbh+Co. Kg
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Publication date
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Priority to EP13709934.7A priority patent/EP2841899B1/de
Priority to US14/395,848 priority patent/US10330547B2/en
Publication of WO2013160019A2 publication Critical patent/WO2013160019A2/de
Publication of WO2013160019A3 publication Critical patent/WO2013160019A3/de

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    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a pressure transducer.
  • Generic pressure transducers comprise a substantially cylindrical pressure measuring cell, a substantially cylindrical housing, and an electronic circuit, wherein the pressure measuring cell has at least one circular disk-shaped measuring membrane and at least one counter body, wherein between the measuring diaphragm and the counter body, a first pressure chamber is formed, which by a
  • Pressure channel which extends through the counter body, with a pressure
  • the pressure measuring cell is an electrical converter for
  • Pressure measuring cell is arranged in the measuring cell chamber, wherein the housing has a pressure receiving opening at one end face, wherein the pressure channel of the pressure measuring cell communicates with the pressure receiving opening and can be acted upon by this with a pending at the pressure receiving opening media pressure, and wherein the electronic circuit for operating the electrical converter of Pressure measuring cell, and is provided for processing the primary electrical signal, wherein the electronic circuit disposed in the housing and is electrically connected to the converter via at least one connecting line.
  • a generic pressure transducer is disclosed, for example, in European Patent EP 1 128 172 B1.
  • the pressure measuring transducer shown there has a pressure measuring cell in a housing, wherein the pressure measuring cell is aligned substantially coaxially with the housing, and wherein the pressure chamber of the pressure measuring cell via the pressure channel and a hydraulic path of a pressure transmitter with a media pressure can be acted upon.
  • the pressure measuring cell comprises a capacitive transducer whose electrodes are arranged in the pressure chamber and thus surrounded by the transmission fluid. This protects the electrodes when using the pressure transducer as
  • At least one electrode of the capacitive transducer which is arranged opposite the measuring diaphragm on the counter body, is contacted via an electrical leadthrough which, like the pressure channel, emerges at that end side from the counter body, which is the
  • the primary signals must be conditioned as close to the electrodes as possible by a preprocessing circuit. Therefore must between a
  • the lateral surface of the pressure measuring cell and the housing wall remain sufficient space to lead the connection lines for the preprocessing circuit past the pressure measuring cell to a main electronics. Therefore, for a given size of the pressure cell, the housing must be sufficiently large, or for a given housing size, the
  • Pressure measuring cell should be sufficiently small to meet the above requirements.
  • the increased distance between the pressure measuring cell and the diaphragm seal body also causes a contribution to a temperature-dependent measurement error on the associated larger amount of hydraulic transfer fluid. In addition, it contributes to a hydrostatic measurement error, which depends on both the location and the temperature. It is therefore the object of the present invention to provide a pressure transducer, which overcomes the disadvantages described.
  • the Duckmessaufrent invention comprising a substantially cylindrical pressure measuring cell; wherein the pressure measuring cell has at least one circular disk-shaped measuring membrane and at least one counter body, wherein between the measuring diaphragm and the counter body, a first pressure chamber is formed, which is acted upon by a pressure channel which extends through the counter body, with a pressure, wherein the pressure measuring cell is an electric transducer for converting a pressure-dependent deflection of the measuring diaphragm into at least one pressure-dependent, electrical primary signal, a substantially cylindrical housing, the housing having in its interior a measuring cell chamber, wherein the pressure measuring cell in the
  • Measuring cell chamber is arranged, wherein the housing has at one end face a pressure receiving opening, wherein the pressure channel of the pressure measuring cell communicates with the pressure receiving opening and via this with a pressure at the pressure and a first electronic circuit for operating the electrical transducer of the pressure measuring cell, and for processing the primary electrical signal, and for outputting a signal dependent on the primary signal, the first electronic circuit disposed in the housing and connected to the transducer via at least a
  • Connecting line is electrically connected, according to the invention the
  • Cylinder axis of the pressure measuring cell with the cylinder axis of the housing forms an angle which is not less than 80 °, preferably not less than 85 °, and is particularly preferably a right angle.
  • the pressure measuring transducer comprises a separating membrane which is pressure-tightly connected to the housing at the end face of the housing to form a pressure receiving chamber between the housing and the separating membrane along a peripheral edge, the pressure receiving opening opens into the pressure receiving chamber, and a hydraulic path extending from the pressure receiving chamber through the
  • Pressure measuring cell extends to transmit the pressure applied to the separation membrane pressure in the pressure chamber.
  • the converter is formed as a capacitive transducer and has at least one first electrode, which is arranged on the measuring membrane, and at least one second electrode, which is arranged on the counter body, wherein the capacitance between the first electrode and the second Electrode is pressure dependent.
  • the converter via electrical
  • Passages is contacted by the counter body, wherein the electrical feedthroughs on one of the measuring membrane facing away from the end face of
  • the pressure channel likewise emerges from the counter body on the end face of the counterpart body facing away from the measuring diaphragm.
  • the pressure measuring transducer further comprises a second electronic circuit which is connected to the first electronic circuit to receive and process the measuring signal, and which is arranged on the side facing away from the pressure input opening of the measuring cell in the housing.
  • the second electronic circuit outputs an output signal dependent on the measurement signal to a signal output, the signal output being connected to a signal path, the housing having a signal path opening through which the signal path runs.
  • Pressure input opening facing away from the front side of the housing.
  • the pressure measuring cell further comprises a second counter body, wherein the measuring diaphragm is arranged between the first counter body and the second counter body, wherein between the measuring diaphragm and the second counter body, a second pressure chamber is formed, wherein the second pressure chamber is evacuated or via a second pressure channel, which extends through the second counter body, can be acted upon by atmospheric pressure.
  • the outer diameter of the first lens in one embodiment of the invention, the outer diameter of the first lens
  • Pressure measuring cell in particular not less than 80%, in particular not less than 90% of the outer diameter of the housing in the axial portion of the
  • the pressure measuring transducer further comprises a carrier body, wherein the carrier body is arranged in the housing and pressure-bearing connected to the housing, wherein the pressure measuring cell is held by the carrier body and is pressure-bearing connected thereto, wherein a connecting channel runs through the carrier body, each pressure-tight to the
  • Pressure input port and connected to the pressure channel.
  • the connecting channel has a first section and a second section, which adjoin one another and comprise bores communicating with one another in the carrier body, and extend substantially perpendicular to one another.
  • the carrier body has at least one first pin-shaped connecting piece, through which the connecting channel extends, wherein the connecting piece is arranged in a bore in the counter body, through which the pressure passage, arranged and pressure-bearing joined.
  • At least one counter-body has on its end face remote from the measuring membrane at least in sections a chamfer whose maximum cross-sectional area is not less than 0.5%, in particular not less than 2%, preferably not less than 4%, and more preferably not less is 6% of the square of the axial dimension of the counter body.
  • FIGS. 1 a and 1 b First, a first embodiment of the invention with reference to FIGS. 1 a and 1 b explained, wherein for the arrangement of the components in
  • Pressure transducer occasionally anticipating Fign. 2a and 2b is referenced.
  • a pressure measuring cell 10 of the first embodiment of a pressure measuring transducer according to the invention comprises a circular disk-shaped measuring membrane 1 1 and a first and a second circular counter-body 12, 13, which have a greater bending stiffness than the measuring diaphragm 1 1.
  • the counter-bodies 12, 13 and the measuring membrane have a ceramic material,
  • the measuring membrane 1 1 each by means of a peripheral joint, which has an active brazing, in particular a Zr-Ni-Ti active brazing, is pressure-tightly connected to the two counter-bodies.
  • a first pressure chamber is formed, which through a pressure channel 14a (shown only in Fig. 2a), which extends through the counter body 12th extends, can be acted upon with a pressure.
  • a second pressure chamber is formed, which is acted upon by a pressure channel 14b, which extends through the counter body 12, with a pressure.
  • the respective displacement deflection of the measuring diaphragm 1 1 depends on the difference between the pressure in the first measuring chamber and in the second measuring chamber.
  • the pressure measuring cell 10 further includes a capacitive transducer not shown in detail here for converting the pressure-dependent deflection of
  • Capacitive transducers are preferably realized as differential capacitors having at least two capacitances of different pressure dependence, wherein the two capacitances should have the same capacitance in equal pressure in both pressure chambers. For this purpose, for example, in both pressure chambers
  • Electrode pair may be arranged, of which in each case one electrode to the
  • Measuring diaphragm and an electrode of the measuring diaphragm opposite to the counter body is arranged. This is a common converter circuit for
  • Differential pressure transducer which usually have to detect a relatively small difference between two high static pressures.
  • Absolute pressure transducers in which the difference between a medium pressure and the surrounding atmospheric pressure or vacuum is to be detected.
  • the capacitive transducer preferably comprises two capacitors with different pressure dependence in the same pressure chamber.
  • the capacities are exposed to uniform environmental conditions. Common to this are a circular area electrode and a circular electrode on the counter body, wherein the circular ring electrode surrounds the circular area electrode, and wherein the capacitance is in each case to be measured with respect to a full-surface membrane electrode.
  • the capacitive transducer is arranged in the first pressure chamber, which is acted upon by means of a transmission fluid with a media pressure. In this way, the capacities are freed, for example, from cross sensitivities to the humidity.
  • the pressure transducer 1 further comprises a diaphragm seal assembly 20 having a diaphragm seal body 21, which has a metallic end wall 22 on a first end side, which is pressure-tight welded to the diaphragm seal body along a peripheral edge, the diaphragm separating a Pressure input port 24 covered, which extends through the diaphragm seal body 21.
  • the pressure measuring cell 10 is connected via a connecting piece 17 to the diaphragm seal body, wherein the connecting piece 17 has a first connecting pin 18 with a first pin channel which is inserted into the first pressure channel 14a of the first counter body 12 and joined pressure-tight with the counter-body.
  • the connecting piece 17 further has a second connecting pin 19 with a second pin channel, the longitudinal axes of the two connecting pins 18, 19 perpendicular to each other, the second connecting pin 19 is inserted into the pressure input port 24 of the diaphragm seal body 21 and pressure-tightly joined to the diaphragm seal body 21.
  • the connecting piece 17 preferably comprises a material whose
  • Thermal expansion coefficient is compatible with the coefficient of thermal expansion of the counter body, such as Kovar. This preferably has
  • the fitting 17 positions the pressure measuring cell 10 with respect to
  • Diaphragm seal assembly 20 holds it in position.
  • Measuring membrane 1 1 enclosed and pressure-tight closed volume formed, which defines a hydraulic path through which the measuring membrane can be acted upon by the pending on the separation membrane 22 pressure.
  • the hydraulic path is filled with a transfer fluid through an opening 25 in the diaphragm housing 21, which extends radially inwardly from the lateral surface of the diaphragm seal body and communicates with the hydraulic path, wherein the opening 25 after filling with a closure 26, which is a sealing ball, includes a biasing spring and a grub screw, pressure-tight.
  • a filling opening 25a extends in the axial direction through a diaphragm seal body 21a, wherein in the filling opening 25a, a capillary tube 25b used and with the
  • Diaphragm body 21 a is soldered.
  • the capillary tube 25b is to close pressure-tight after filling the hydraulic path, for example, by pinching and subsequent welding of the capillary tube 25b.
  • the embodiment corresponds to FIGS. 2a and 2b substantially the embodiment of FIGS. 1 a and 1 b.
  • To operate the pressure measuring cell 10 as a relative pressure measuring cell is a
  • connection body 17 is substantially identical in construction to the first connection body 17, wherein a (not shown here) reference air line, for example a reference air hose is connected to the second connection pin of the second connection body 17.
  • the housing may further be arranged a drying body comprising, for example, zeolite or silica gel in an organic matrix comprising, for example, PFA, PTFE, silicone or other polymers. Suitable materials for such drying bodies are described in German Patent Applications Nos. 102010038986, 102010062295 and 10201 1080142.
  • the pressure transducer further comprises a circuit assembly 30 having an electronic circuit for operating the capacitive transducer, processing the primary signals of the capacitive transducer, and outputting a measurement signal dependent on the primary signals.
  • the measuring signal can
  • the electronic circuit is housed in a hermetically sealed ceramic capsule 31, which in turn is arranged on the outer end face of the counter body 12, wherein the electronic circuit to the electrodes of the capacitive transducer via electrical
  • the circuit package 30 further includes a series of first contact pins 32 on which a terminal module 34 is mounted, which comprises a printed circuit board and second contact pins 36 in a larger pitch than the first contact pins.
  • the pressure transducer 1 of the invention further comprises a housing 40, which is a cylindrical, metallic housing tube 41, the metallic
  • Pressure medium body 21 as a media-side housing closure and further comprises a media-facing housing closure 44.
  • the housing tube 40 is placed on the diaphragm seal 21 and pressure-tight welded thereto along a circumferential weld,
  • Circuit assembly 30 and the connection module 34 forms.
  • the housing closure 44 as a metallic sleeve 45, in which a glass body 46 is inserted pressure-tight and pressure-bearing, which passes through the glass body feedthrough contacts 47 and a (not shown here)
  • Reference air duct pipe extend.
  • the feedthrough contacts 47 are connected to the second contact pins 38 via a flexible conductor strip 38.
  • the reference air channel pipe is connected to the second via a reference air hose
  • connection pin of the second connector 17 is connected.
  • the components of the reference air path are not shown in FIG. 2a for the sake of clarity.
  • the measuring cell chamber can be filled with a soft potting compound or a foam or contain one or more plastic moldings in order to damp any vibrations of the measuring cell 10 that may occur.
  • the inner radius of the housing tube 41 comprises at least one step 42, so that the measuring cell chamber in the axial section in which the pressure measuring cell 10 is arranged has a larger inner diameter above this axial section.
  • the pressure measuring cell 10 is given sufficient space, as shown in the cross section in Fig. 2b, which extends in the plane of the largest dimension of the pressure measuring cell.
  • Electronics housing are placed in which a so-called main electronics is arranged, which supplies the circuit assembly 30 with energy, and their Signals are processed, for example, a measured value-dependent current signal (4 ... 20 mA) or a digital signal in one of the common fieldbus protocols
  • the main electronics can also be integrated into the housing 40, which then requires a larger housing volume, which can be provided, for example, by extending the housing tube 41.
  • the housing 40 adjacent to the bushing may carry a terminal block in galvanic contact with the feedthrough contacts 47, the pressure transducer being connectable to a control system via the terminal block.

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Abstract

Ein Druckmessaufnehmer (1) umfasst: eine Druckmesszelle (10) mit einer kreisscheibenförmige Messmembran (11) und mindestens einem Gegenkörper (12) und einer Druckkammer dazwischen, welche über einen Druckkanal (14a), durch den Gegenkörper, mit einem Druck beaufschlagbar ist, wobei die Druckmesszelle einen elektrischen Wandler zum Wandeln einer Auslenkung der Messmembran in ein druckabhängiges Primärsignal aufweist; ein zylindrisches Gehäuse (40) mit einer Messzellenkammer in welcher die Druckmesszelle (10) in der Messzellenkammer angeordnet ist, und einer stirnflächenseitigen Druckempfangsöffnung (24), in Kommunikation mit dem Druckkanal (14a); und eine elektronische Schaltung (31) in dem Gehäuse zum Betreiben des elektrischen Wandlers, und zum Verarbeiten des Primärsignals, und zum Ausgeben eines Messsignals, wobei erfindungsgemäß die Zylinderachse der Druckmesszelle (10) mit der Zylinderachse des Gehäuses (40) einen Winkel einschließt, der nicht weniger als 80° beträgt, und der besonders bevorzugt ein rechter Winkel ist.

Description

Druckmessaufnehmer
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Druckmessaufnehmer. Gattungsgemäße Druckmessaufnehmer umfassen eine im wesentlichen zylindrische Druckmesszelle, ein im wesentlichen zylindrisches Gehäuse, und eine elektronische Schaltung, wobei die Druckmesszelle mindestens eine kreisscheibenförmige Messmembran und mindestens einen Gegenkörper aufweist, wobei zwischen der Messmembran und dem Gegenkörper eine erste Druckkammer gebildet ist, welche durch einen
Druckkanal, der sich durch den Gegenkörper erstreckt, mit einem Druck
beaufschlagbar ist, wobei die Druckmesszelle einen elektrischen Wandler zum
Wandeln einer druckabhängigen Auslenkung der Messmembran in ein elektrisches Primärsignal aufweist; ein im wesentlichen zylindrisches Gehäuse, wobei das Gehäuse in seinem Inneren eine Messzellenkammer aufweist, wobei die
Druckmesszelle in der Messzellenkammer angeordnet ist, wobei das Gehäuse an einer Stirnfläche eine Druckempfangsöffnung aufweist, wobei der Druckkanal der Druckmesszelle mit der Druckempfangsöffnung kommuniziert und über diese mit einem an der Druckempfangsöffnung anstehenden Mediendruck beaufschlagbar ist, und wobei die elektronische Schaltung zum Betreiben des elektrischen Wandlers der Druckmesszelle, und zum Verarbeiten des elektrischen Primärsignals vorgesehen ist, wobei die elektronische Schaltung in dem Gehäuse angeordnet und mit dem Wandler über mindestens eine Verbindungsleitung elektrisch verbunden ist.
Ein gattungsgemäßer Druckmessaufnehmer ist beispielsweise in dem Europäischen Patent EP 1 128 172 B1 offenbart. Der dort gezeigte Druckmessaufnehmer weist eine Druckmesszelle in einem Gehäuse auf, wobei die Druckmesszelle im wesentlichen koaxial zu dem Gehäuse ausgerichtet ist, und wobei die Druckkammer der Druckmesszelle über den Druckkanal und einen hydraulischen Pfad eines Druckmittlers mit einem Mediendruck beaufschlagbar ist. Die Druckmesszelle umfasst einen kapazitiven Wandler dessen Elektroden in der Druckkammer angeordnet und somit von der Übertragungsflüssigkeit umgeben sind. Dies schützt die Elektroden bei einer Verwendung des Druckmessaufnehmers als
Relativdrucksensor vor Feuchteeinflüssen denen sie bei einer Anordnung außerhalb der Druckkammer ausgesetzt wären. Zumindest eine Elektrode des kapazitiven Wandlers, welche gegenüber der Messmembran an dem Gegenkörper angeordnet ist, ist über eine elektrische Durchführungen kontaktiert, die - ebenso wie der Druckkanal - an jener Stirnseite aus dem Gegenkörper austritt, die der
Messmembran abgewandt und dem Druckmittler zugewandt ist. Insofern, als die kapazitätsabhängigen Primärsignale empfindlich gegen Störungen sind, müssen die Primärsignale möglichst nahe an den Elektroden durch eine Vorverarbeitungsschaltung aufbereitet werden. Daher muss zwischen einem
Druckmittlerkörper und dem der Druckmesszelle hinreichend Platz für eine solche Vorverarbeitungsschaltung vorgesehen sein. Außerdem muss zwischen der
Mantelfläche der Druckmesszelle und der Gehäusewand hinreichend Platz bleiben um die Anschlussleitungen für die Vorverarbeitungsschaltung an der Druckmesszelle vorbei zu einer Hauptelektronik zu führen. Daher muss bei einer gegebenen Größe der Druckmesszelle das Gehäuse hinreichend groß sein, oder bei einer gegebenen Gehäusegröße muss die
Druckmesszelle hinreichend klein sein, um den obigen Anforderungen zu genügen.
Der vergrößerte Abstand zwischen der Druckmesszelle und dem Druckmittlerkörper, bewirkt zudem auf der damit einhergehenden größeren Menge an hydraulischer Übrtragungsflüssigkeit einen Beitrag zu einem temperaturabhängigen Messfehler. Zudem trägt er zu einem hydrostatischen Messfehler bei, der sowohl von der Lage als auch von der Temperatur abhängt. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Druckmessaufnehmer bereitzustellen, der die beschriebenen Nachteile überwindet.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Druckmessaufnehmer gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1.
Der erfindungsgemäße Duckmessaufnehmer, umfasst eine im wesentlichen zylindrische Druckmesszelle; wobei die Druckmesszelle mindestens eine kreisscheibenförmige Messmembran und mindestens einen Gegenkörper aufweist, wobei zwischen der Messmembran und dem Gegenkörper eine erste Druckkammer gebildet ist, welche durch einen Druckkanal, der sich durch den Gegenkörper erstreckt, mit einem Druck beaufschlagbar ist, wobei die Druckmesszelle einen elektrischen Wandler zum Wandeln einer druckabhängigen Auslenkung der Messmembran in mindestens ein druckabhängiges, elektrisches Primärsignal aufweist, ein im wesentlichen zylindrisches Gehäuse, wobei das Gehäuse in seinem Inneren eine Messzellenkammer aufweist, wobei die Druckmesszelle in der
Messzellenkammer angeordnet ist, wobei das Gehäuse an einer Stirnfläche eine Druckempfangsöffnung aufweist, wobei der Druckkanal der Druckmesszelle mit der Druckempfangsöffnung kommuniziert und über diese mit einem an der Druckemp- fangsöffnung anstehenden Mediendruck beaufschlagbar ist, und eine erste elektronische Schaltung zum Betreiben des elektrischen Wandlers der Druckmesszelle, und zum Verarbeiten des elektrischen Primärsignals, und zum Ausgeben eines vom Primärsignal abhängigen Messssignals, wobei die erste elektronische Schaltung in dem Gehäuse angeordnet und mit dem Wandler über mindestens eine
Verbindungsleitung elektrisch verbunden ist, wobei erfindungsgemäß die
Zylinderachse der Druckmesszelle mit der Zylinderachse des Gehäuses einen Winkel einschließt, der nicht weniger als 80° , bevorzugt nicht weniger als 85° beträgt, und der besonders bevorzugt ein rechter Winkel ist.
In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst der Druckmessaufnehmer eine Trennmembran, welche an der Stirnseite des Gehäuses unter Bildung einer Druckempfangskammer zwischen dem Gehäuse und der Trennmembran entlang eines umlaufenden Randes druckdicht mit dem Gehäuse verbunden ist, wobei die Druckempfangsöffnung in die Druckempfangskammer mündet, und einen hydraulischen Pfad der sich von der Druckempfangskammer durch die
Druckempfangsöffnung und den Druckkanal bis in die Druckkammer der
Druckmesszelle erstreckt, um den an der Trennmembran anstehenden Druck in die Druckkammer zu übertragen.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist der Wandler als kapazitiver Wandler gebildet ist und mindestens eine erste Elektrode aufweist, die an der Messmembran angeordnet ist, und mindestens eine zweite Elektrode, die an dem Gegenkörper angeordnet ist, wobei die Kapazität zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode druckabhängig ist.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist der Wandler über elektrische
Durchführungen durch den Gegenkörper kontaktiert ist, wobei die elektrischen Durchführungen an einer der Messmembran abgewandten Stirnfläche des
Gegenkörpers aus dem Grundkörper austreten.
In einer Weiterbildung der Erfindung tritt der Druckkanal ebenfalls an der der Messmembran abgewandten Stirnfläche des Gegenkörpers aus dem Gegenkörper. In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst der Druckmessaufnehmer weiterhin eine zweite elektronische Schaltung, welche an die erste elektronische Schaltung angeschlossen ist, um das Messssignal zu empfangen und zu verarbeiten, und welche auf der der Druckeingangsöffnung abgewandten Seite der Messzelle in dem Gehäuse angeordnet ist.
In einer Weiterbildung der Erfindung gibt die zweite elektronische Schaltung ein von dem Messssignal abhängiges Ausgangssignal an einen Signalausgang aus, wobei der Signalausgang an einen Signalpfad angeschlossen ist, wobei das Gehäuse eine Signalpfadöffnung aufweist, durch welche de Signalpfad verläuft.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Signalpfadöffnung an der der
Druckeingangsöffnung abgewandten Stirnseite des Gehäuses angeordnet.
In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst die Druckmesszelle weiterhin einen zweiten Gegenkörper, wobei die Messmembran zwischen dem ersten Gegenkörper und dem zweiten Gegenkörper angeordnet ist, wobei zwischen der Messmembran und dem zweiten Gegenkörper eine zweite Druckkammer gebildet ist, wobei die zweite Druckkammer evakuiert ist oder über einen zweiten Druckkanal, der sich durch den zweiten Gegenkörper erstreckt, mit Atmosphärendruck beaufschlagbar ist.
In einer Weiterbildung der Erfindung beträgt der Außendurchmesser der
Druckmesszelle insbesondere nicht weniger als 80% insbesondere nicht weniger als 90% des Außendurchmessers des Gehäuses in dem axialen Abschnitt der
Messzellenkammer.
In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst der Druckmessaufnehmer weiterhin einen Trägerkörper, wobei der Trägerkörper in dem Gehäuse angeordnet und mit dem Gehäuse drucktragend verbunden ist, wobei die Druckmesszelle von dem Trägerkörper gehalten wird und mit ihm drucktragend verbunden ist, wobei durch den Trägerkörper ein Verbindungskanal verläuft, der jeweils druckdicht an die
Druckeingangsöffnung und an den Druckkanal angeschlossen ist.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Verbindungskanal einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt auf, die aneinander anschließen und miteinander kommunizierende Bohrungen in dem Trägerkörper umfassen, und im wesentlichen senkrecht zueinander verlaufen.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Trägerkörper mindestens ein erstes zapfenförmiges Anschlussstück auf, durch welches der Verbindungskanal verläuft, wobei das Anschlussstück in einer Bohrung in dem Gegenkörper, durch welche der Druckkanal verläuft, angeordnet und drucktragend gefügt ist.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist mindestens ein Gegenkörper an seiner der Messmembran abgewandten Stirnfläche zumindest abschnittsweise eine Fase auf, deren maximale Querschnittsfläche nicht weniger als 0,5% insbesondere nicht weniger als 2%, bevorzugt nicht weniger als 4%, und weiter bevorzugt nicht weniger als 6% des Quadrats der axialen Dimension des Gegenkörpers beträgt. Die Erfindung wird nun anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigt: eine Explosionszeichen einiger Komponenten eines ersten
Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen
Druckmessaufnehmers; eine räumliche Ansicht der Komponenten aus Fig. 1 a im zusammengebauten Zustand; einen Längsschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Druckmessaufnehmers; und einen Querschnitt durch das zweite Ausführungsbeispiel aus Fig. 2a. Zunächst werden eines ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Fign. 1 a und 1 b erläutert, wobei für die Anordnung der Komponenten im
Druckmessaufnehmer gelegentlich vorgreifend auf Fign. 2a und 2b verwiesen wird.
Eine Druckmesszelle 10 des ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Druckmessaufnehmers umfasst eine kreisscheibenförmige Messmembran 1 1 sowie einen ersten und einen zweiten kreisplattenförmigen Gegenkörper 12, 13, welche eine Größere Biegesteifigkeit als die Messmembran 1 1 aufweisen. Die Gegenkörper 12, 13 und die Messmembran weisen einen keramischen Werkstoff auf,
insbesondere Korund, wobei die Messmembran 1 1 jeweils mittels einer umlaufenden Fügestelle, die ein Aktivhartlot, insbesondere ein Zr-Ni-Ti-Aktivhartlot aufweist, mit den beiden Gegenkörpern druckdicht verbunden ist. Zwischen der Messmembran 1 1 und dem ersten Gegenkörper 12 ist eine erste Druckkammer gebildet, welche durch einen Druckkanal 14a (nur in Fig. 2a dargestellt), der sich durch den Gegenkörper 12 erstreckt, mit einem Druck beaufschlagbar ist. Entsprechend ist zwischen der Messmembran 1 1 und dem zweiten Gegenkörper 13 eine zweite Druckkammer gebildet, welche durch einen Druckkanal 14b, der sich durch den Gegenkörper 12 erstreckt, mit einem Druck beaufschlagbar ist. Die jeweilige Auslenkung Auslenkung der Messmembran 1 1 hängt von der Differenz zwischen dem Druck in der ersten Messkammer und in der zweiten Messkammer ab.
Die Druckmesszelle 10 umfasst weiterhin einen hier nicht im Detail dargestellten kapazitiven Wandler zum Wandeln der druckabhängigen Auslenkung der
Messmembran 1 1 in mindestens ein druckabhängiges, elektrisches Primärsignal. Kapazitive Wandler sind vorzugsweise als Differentialkondensatoren mit mindestens zwei Kapazitäten unterschiedlicher Druckabhängigkeit realisiert, wobei die beiden Kapazitäten bei Druckgleichheit in beiden Druckkammern die gleiche Kapazität aufweisen sollen. Hierzu kann beispielsweise in beiden Druckkammern ein
Elektrodenpaar angeordnet sein, von denen jeweils eine Elektrode an der
Messmembran und eine Elektrode der Messmembran gegenüberliegend am Gegenkörper angeordnet ist. Dies ist eine gängige Wandlerschaltung für
Differenzdruckmessaufnehmer, welche gewöhnlich eine vergleichsweise kleine Differenz zwischen zwei hohen statischen Drücken zu erfassen haben.
Die vorliegende Erfindung betrifft jedoch insbesondere Relativ- bzw.
Absolutdruckmessaufnehmer, bei denen die Differenz zwischen einem Mediendruck und dem umgebenden Atmosphärendruck bzw. Vakuum zu erfassen ist. In diesem Fall umfasst der kapazitive Wandler vorzugsweise zwei Kapazitäten mit unterschiedlicher Druckabhängigkeit in derselben Druckkammer. Damit sind die Kapazitäten einheitlichen Umgebungsbedingungen ausgesetzt. Gängig sind hierzu eine Kreisflächenelektrode und eine Kreisringelektrode am Gegenkörper, wobei die Kreisringelektrode die Kreisflächenelektrode umgibt, und wobei deren Kapazität jeweils gegenüber einer vollflächigen Membranelektrode zu messen ist. Der kapazitive Wandler ist in der ersten Druckkammer angeordnet, welche mittels einer Übertragungsflüssigkeit mit einem Mediendruck beaufschlagt wird. Auf diese weise sind die Kapazitäten beispielsweise von Querempfindlichkeiten gegenüber der Luftfeuchtigkeit befreit. Der Druckmessaufnehmer 1 umfasst weiterhin eine Druckmittlerbaugruppe 20 mit einem Druckmittlerkörper 21 , welcher an einer ersten Stirnseite eine metallische Trennmembran 22 aufweist, die entlang eines umlaufenden Randes druckdicht mit dem Druckmittlerkörper verschweißt ist, wobei die Trennmembran eine Druckeingangsöffnung 24 überdeckt, die sich durch den Druckmittlerkörper 21 erstreckt.
Die Druckmesszelle 10 ist über ein Anschlussstück 17 an den Druckmittlerkörper angeschlossen, wobei das Anschlussstück 17 einen ersten Anschlusszapfen 18 mit einem ersten Zapfenkanal aufweist der in den ersten Druckkanal 14a des ersten Gegenkörpers 12 eingesetzt und mit dem Gegenkörper druckdicht gefügt ist.
Das Anschlussstück 17 weist weiterhin einen zweiten Anschlusszapfen 19 mit einem zweiten Zapfenkanal auf, wobei die Längsachsen der beiden Anschlusszapfen 18, 19 senkrecht zueinander verlaufen, wobei der zweite Anschlusszapfen 19 in die Druckeingangsöffnung 24 des Druckmittlerkörpers 21 eingesetzt und mit dem Druckmittlerkörper 21 druckdicht gefügt ist. Das Anschlussstück 17 weist vorzugsweise einen Werkstoff auf, dessen
Wärmeausdehnungskoeffizient mit dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Gegenkörpers kompatibel ist, beispielsweise Kovar. Bevorzugt weist das
Anschlussstück den gleichen Werkstoff wie der Gegenkörper auf, nämlich Korund. Das Anschlussstück 17 positioniert die Druckmesszelle 10 bezüglich der
Druckmittlerbaugruppe 20 und hält sie in der Position fest.
Über das Anschlussstück ist ein zwischen der Trennmembran 22 und der
Messmembran 1 1 eingeschlossenes und druckdicht abgeschlossenes Volumen gebildet, welches einen hydraulischen Pfad definiert, über den die Messmembran mit dem an der Trennmembran 22 anstehenden Druck beaufschlagt werden kann.
Der hydraulische Pfad ist durch eine Öffnung 25 im Druckmittlerkörper 21 , die sich von der Mantelfläche des Druckmittlerkörpers radial einwärts erstreckt und mit dem hydraulischen Pfad kommuniziert, mit einer Übertragungsflüssigkeit befüllt, wobei die Öffnung 25 nach der Befüllung mit einem Verschluss 26, der eine Dichtungskugel, eine Vorspannfeder und eine Madenschraube umfasst, druckdicht verschlossen ist.
In Fig. 2a ist anhand einer anderen Ausführung einer Druckmittlerbaugruppe 20a eine Alternative für die Gestaltung der Befüllöffnung gezeigt, bei dem sich eine Befüllöffnung 25a in axialer Richtung durch einen Druckmittlerkörper 21 a erstreckt, wobei in die Befüllöffnung 25a ein Kapillarrohr 25b eingesetzt und mit dem
Druckmittlerkörper 21 a verlötet ist. Das Kapillarrohr 25b ist nach dem Befüllen des hydraulischen Pfades druckdicht zu verschließen, beispielsweise durch Kneifen und anschließenden Verschweißen des Kapillarrohres 25b. Abgesehen von dieser Variation entspricht das Ausführungsbeispiel der Fign. 2a und 2b im wesentlichen dem Ausführungsbeispiel aus Fign. 1 a und 1 b. Um die Druckmesszelle 10 als Relativdruckmesszelle zu betreiben, ist eine
Referenzluftzufuhr erforderlich, wozu ein erster Anschlusszapfen eines zweiten Verbindungsstücks 17 in den Druckkanal 14b des zweien Gegenkörpers 13 eingesetzt und mit dem zweiten Gegenkörper 13 druckdicht gefügt ist. Der zweite Anschlusskörper ist im wesentlichen baugleich mit dem ersten Anschlusskörper 17, wobei an den zweiten Anschlusszapfen des zweiten Anschlusskörpers 17 eine (hier nicht dargestellte) Referenzluftleitung, beispielsweise ein Referenzluftschlauch angeschlossen ist.
In dem Gehäuse kann weiterhin ein Trocknungskörper angeordnet werden, der beispielsweise Zeolith oder Silicagel in einer organischen Matrix, die beispielsweise PFA, PTFE, Silicon oder andere Polymere aufweist. Geeignete Materialien für solche Trocknungskörper sind in den deutschen Patentanmeldungen mit den Aktenzeichen 102010038986, 102010062295 und 10201 1080142 beschrieben. Der Druckmessaufnehmer umfasst weiterhin eine Schaltungsbaugruppe 30, welche eine elektronische Schaltung aufweist zum Betreiben des kapazitiven Wandlers, zum Verarbeiten der Primärsignale des kapazitiven Wandlers, und zum Ausgeben eines von den Primärsignalen abhängigen Messsignals. Das Messsignal kann
insbesondere ein Digitalsignal sein. Die elektronische Schaltung ist in einer hermetisch dichten keramischen Kapsel 31 eingehaust, die wiederum an der äußeren Stirnseite des Gegenkörpers 12 angeordnet ist, wobei die elektronische Schaltung an die Elektroden des kapazitiven Wandlers über elektrische
Durchführungen durch die Kapsel 31 und den ersten Gegenkörper 12 angeschlossen ist.
Die Schaltungsbaugruppe 30 weist weiterhin eine Reihe von ersten Kontaktstiften 32 auf, auf weiche ein Anschlussmodul 34 aufgesteckt ist, welches eine Leiterplatte und zweite Kontaktstifte 36 in einem größeren Rastermaß als die ersten Kontaktstifte umfasst.
Für die weitere Beschreibung wird nun auf Fign. 2a und 2b verwiesen. Der erfindungsgemäße Druckmessaufnehmer 1 umfasst weiterhin ein Gehäuse 40, welches ein zylindrisches, metallisches Gehäuserohr 41 , den metallischen
Druckmittlerkörper 21 als medienseitigen Gehäuseverschluss und weiterhin einen medienabgewandten Gehäuseverschluss 44 aufweist.
Das Gehäuserohr 40 ist auf den Druckmittlerköper 21 aufgesetzt und mit diesem entlang einer umlaufenden Schweißnaht druckdicht verschweißt,
wobei die dem Druckmittlerkörper 21 abgewandte Stirnseite des Gehäuserohrs 41 mit einem Gehäuseverschluss 44 dicht verschweißt ist, so dass das Gehäuse 40 eine geschlossene Messzellenkammer um die Druckmesszelle 10 und die
Schaltungsbaugruppe 30 sowie das Anschlussmodul 34 bildet.
Der Gehäuseverschluss 44 wie eine metallische Manschette 45 auf, in welche ein Glaskörper 46 druckdicht und drucktragend eingelassen ist, wobei sich durch den Glaskörper Durchführungskontakte 47 und ein (hier nicht dargestellter)
Referenzluftkanalrohr erstrecken.
Die Durchführungskontakte 47 sind über ein Flexleiterband 38 mit den zweiten Kontaktstiften 38 verbunden. Das Referenzluftkanalrohr ist über einen Referenzluftschlauch an den zweiten
Anschlusszapfen des zweiten Anschlussstücks 17 angeschlossen. Die genannten Komponenten des Referenzluftpfads sind jedoch im Sinne der Übersichtlichkeit in Fig. 2a nicht dargestellt. Die Messzellenkammer kann ggf. mit einer weichen Vergussmasse oder einem Schaum gefüllt sein bzw. oder ein oder mehrere Kunststoffformteile enthalten, um ggf. auftretende Vibrationen der Messzelle 10 zu dämpfen.
Wie in Fig 2a dargestellt, umfasst der Innenradius des Gehäuserohrs 41 mindestens eine Stufe 42, so dass die Messzellenkammer in dem axialen Abschnitt, in welchem die Druckmesszelle 10 angeordnet ist, einen größeren Innendurchmesser aufweist oberhalb dieses axialen Abschnitts. Auf diese Weise wird der Druckmesszelle 10 hinreichend Raum gegeben, wie in dem Querschnitt in Fig. 2b dargestellt ist, der in der Ebene der größten Ausdehnung der Druckmesszelle verläuft.
Auf das Gehäuse 40 kann weiterhin auf ein hier nicht dargestelltes
Elektronikgehäuse aufgesetzt werden, in dem eine so genannte Hauptelektronik angeordnet ist, welche die Schaltungsbaugruppe 30 mit Energie versorgt, und deren Signale aufbereitet, beispielsweise um ein messwertabhängiges Stromsignal (4 ... 20 mA) oder ein digitales Signal in einem der gängigen Feldbus-Protokolle
bereitzustellen. Ggf. kann die Hauptelektronik auch in das Gehäuse 40 integriert werden, wozu dann ein größeres Gehäusevolumen erforderlich ist, das beispielsweise durch Verlängern des Gehäuserohrs 41 bereitgestellt werden kann. In diesem Fall kann das Gehäuse 40 angrenzend an die Durchführung einen Klemmenblock im galvanischen Kontakt mit den Durchführungskontakten 47 tragen, wobei der Druckmessaufnehmer über den Klemmenblock an ein Leitsystem anzuschließen ist.

Claims

Patentansprüche
Druckmessaufnehmer (1 ), umfassend: eine im wesentlichen zylindrische Druckmesszelle (10), wobei die Druckmesszelle mindestens eine kreisscheibenförmige
Messmembran (11 ) und mindestens einen Gegenkörper (12) aufweist, wobei zwischen der Messmembran (11 )und dem Gegenkörper (12) eine erste Druckkammer gebildet ist, welche durch einen Druckkanal (14a), der sich durch den Gegenkörper erstreckt, mit einem Druck beaufschlagbar ist, wobei die Druckmesszelle einen elektrischen Wandler zum Wandeln einer druckabhängigen Auslenkung der Messmembran in mindestens ein druckabhängiges, elektrisches Primärsignal aufweist, ein im wesentlichen zylindrisches Gehäuse (40), wobei das Gehäuse (40) in seinem Inneren eine Messzellenkammer aufweist, wobei die Druckmesszelle (10) in der Messzellenkammer angeordnet ist, wobei das Gehäuse an einer Stirnfläche eine Druckempfangsöffnung (24) aufweist, wobei der Druckkanal (14a) der Druckmesszelle (10) mit der Druckempfangsöffnung (24) kommuniziert und über diese mit einem an der Druckempfangsöffnung anstehenden Mediendruck beaufschlagbar ist, und eine erste elektronische Schaltung (31 ) zum Betreiben des elektrischen Wandlers der Druckmesszelle (10), und zum Verarbeiten des elektrischen Primärsignals, und zum Ausgeben eines vom Primärsignal abhängigen Messsignals, wobei die erste elektronische Schaltung (31 ) in dem Gehäuse angeordnet und mit dem Wandler über mindestens eine Verbindungsleitung elektrisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderachse der Druckmesszelle (10) mit der Zylinderachse des Gehäuses (40) einen Winkel einschließt, der nicht weniger als 80°, bevorzugt nicht weniger als 85° beträgt, und der besonders bevorzugt ein rechter Winkel ist.
Druckmessaufnehmer nach Anspruch 1 , weiter umfassend: eine Trennmembran, welche an der Stirnseite des Gehäuses unter Bildung einer Druckempfangskammer zwischen dem Gehäuse und der
Trennmembran entlang eines umlaufenden Randes druckdicht mit dem Gehäuse verbunden ist, wobei die Druckempfangsöffnung in die
Druckempfangskammer mündet, und einen hydraulischen Pfad der sich von der Druckempfangskammer durch die Druckempfangsöffnung und den Druckkanal bis in die Druckkammer der Druckmesszelle erstreckt, um den an der Trennmembran anstehenden Druck in die Druckkammer zu übertragen.
Druckmessaufnehmer nach Anspruch 1oder 2, wobei der Wandler als kapazitiver Wandler gebildet ist und mindestens eine erste Elektrode aufweist, die an der Messmembran angeordnet ist, und mindestens eine zweite Elektrode, die an dem Gegenkörper angeordnet ist, wobei die Kapazität zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode druckabhängig ist.
Druckmessaufnehmer nach Anspruch 1 , 2 oder 3, wobei der Wandler über elektrische Durchführungen durch den Gegenkörper kontaktiert ist, wobei die elektrischen Durchführungen an einer der Messmembran abgewandten Stirnfläche des Gegenkörpers aus dem Grundkörper austreten. Druckmessaufnehmer nach Anspruch 4, wobei der Druckkanal ebenfalls an der der Messmembran abgewandten Stirnfläche des Gegenkörpers aus dem Gegenkörper austritt.
Druckmessaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, weiterhin umfassend, eine zweite elektronische Schaltung, welche an die erste elektronische Schaltung angeschlossen ist, um das Messssignal zu empfangen und zu verarbeiten, und welche auf der der
Druckeingangsöffnung abgewandten Seite der Messzelle in dem Gehäuse angeordnet ist.
Druckmessaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die zweite elektronische Schaltung ein von dem Messssignal abhängiges
Ausgangssignal an einen Signalausgang ausgibt, und wobei der
Signalausgang an einen Signalpfad angeschlossen ist, wobei das Gehäuse eine Signalpfadöffnung aufweist, durch welche de Signalpfad verläuft.
Druckmessaufnehmer nach Anspruch 7, wobei die Signalpfadöffnung an der der Druckeingangsöffnung abgewandten Stirnseite des Gehäuses angeordnet ist.
Druckmessaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche wobei die Druckmesszelle weiterhin einen zweiten Gegenkörper umfasst, und wobei die Messmembran zwischen dem ersten Gegenkörper und dem zweiten
Gegenkörper angeordnet ist, wobei zwischen der Messmembran und dem zweiten Gegenkörper eine zweite Druckkammer gebildet ist, wobei die zweite Druckkammer evakuiert ist oder über einen zweiten Druckkanal, der sich durch den zweiten Gegenkörper erstreckt, mit Atmosphärendruck beaufschlagbar ist.
Druckmessaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche wobei der Außendurchmesser der Druckmesszelle insbesondere nicht weniger als 80% insbesondere nicht weniger als 90% des Außendurchmessers des Gehäuses in dem axialen Abschnitt der Messzellenkammer beträgt.
Druckmessaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend einen Trägerkörper, wobei der Trägerkörper in dem Gehäuse angeordnet und mit dem Gehäuse drucktragend verbunden ist, wobei die Druckmesszelle von dem Trägerkörper gehalten wird und mit ihm drucktragend verbunden ist, wobei durch den Trägerkörper ein
Verbindungskanal verläuft, der jeweils druckdicht an die
Druckeingangsöffnung und an den Druckkanal angeschlossen ist.
Druckmessaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verbindungskanal einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt aufweist, die aneinander anschließen und miteinander kommunizierende Bohrungen in dem Trägerkörper umfassen, und im wesentlichen senkrecht zueinander verlaufen.
Druckmessaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Trägerkörper mindestens ein erstes zapfenförmiges Anschlussstück durch welches der Verbindungskanal verläuft, wobei das Anschlussstück in einer Bohrung in dem Gegenkörper, durch welche der Druckkanal verläuft, angeordnet und drucktragend gefügt ist.
Druckmessaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Gegenkörper an seiner der Messmembran abgewandten Stirnfläche zumindest abschnittsweise eine Fase aufweist, deren maximale Querschnittsfläche nicht weniger als 0,5% insbesondere nicht weniger als 2%, bevorzugt nicht weniger als 4%, und weiter bevorzugt nicht weniger als 6% des Quadrats der axialen Dimension des Gegenkörpers beträgt.
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