WO2016102121A1 - Differenzdrucksensor und differenzdruckmessaufnehmer mit einem solchen differenzdrucksensor - Google Patents

Differenzdrucksensor und differenzdruckmessaufnehmer mit einem solchen differenzdrucksensor Download PDF

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WO2016102121A1
WO2016102121A1 PCT/EP2015/076917 EP2015076917W WO2016102121A1 WO 2016102121 A1 WO2016102121 A1 WO 2016102121A1 EP 2015076917 W EP2015076917 W EP 2015076917W WO 2016102121 A1 WO2016102121 A1 WO 2016102121A1
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WO
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measuring
pressure
differential pressure
chamber
diaphragm
Prior art date
Application number
PCT/EP2015/076917
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English (en)
French (fr)
Inventor
Timo Kober
Rafael Teipen
Anh Tuan Tham
Roland WERTHSCHÜTZKY
Original Assignee
Endress+Hauser Gmbh+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
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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
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a differential pressure sensor, in particular a differential pressure sensor for measuring a pressure difference at high static pressure.
  • Differential pressure sensors are known per se, they include in a first
  • measuring diaphragm between two counter-bodies, in each of which a cavity for a measuring chamber is formed on the front side, the cavities of the two counter-bodies facing each other, and wherein the measuring diaphragm is pressure-tightly connected to both counter-bodies along a peripheral joint, around the Close cavities to form the measuring chambers and separate from each other.
  • a deflection of the measuring diaphragm which depends on a difference between a first fluid pressure introduced into the first measuring chamber and a second fluid pressure introduced into the second measuring chamber, is detected by means of one or more electrical transducers. Examples of this are u.a. described in
  • a second variant comprises two measuring membranes and a counter-body, on the surfaces of which two cavities for measuring chambers are formed, wherein the two cavities each with one of the two measuring membranes along a circumferential
  • each a measuring chamber Between the two measuring chambers extends through the counter body, a channel, wherein the measuring chambers and the channel are filled with a transmission fluid to the
  • Coupling measuring membranes The outer sides of the measuring diaphragms facing away from the counter body can each be acted upon by a first or second media pressure, wherein the deflection of the measuring diaphragms depends on the difference between the two media pressures.
  • the deflection of the measuring membranes is detected by means of one or more capacitive transducers.
  • An example of this variant is disclosed, for example, in EP 0 420 105 B1 and DE 10 2008 019 054 A1.
  • the first variant is metrologically advantageous, at least at moderate static pressures, since it has only one measuring diaphragm whose deflection is to be detected. However, when the static pressures increase whose difference is to be detected, the static pressures increase whose difference is to be detected.
  • the second variant is less sensitive to high static pressure, as with uniform pressurization no notch stresses occur at the joints. Even when subjected to a pressure difference, the notch stresses on the low-pressure side are limited by the fact that the measuring diaphragm comes to rest on the high-pressure side.
  • the disadvantage is that the transfer fluid has a variable volume, which depends on both the temperature and the static pressure.
  • the present invention is based on the object, a simple
  • the differential pressure sensor according to the invention comprises a first differential pressure measuring cell having a first measuring diaphragm and two counter-body, wherein the first measuring diaphragm between the two counter-bodies and arranged is pressure-tightly connected with two counter-bodies, wherein between the two counter-bodies and the first measuring diaphragm in each case a measuring chamber is formed, wherein the two
  • Measuring chambers are separated from each other by the first measuring diaphragm, wherein in each case a pressure channel extends through the two counter-body from an outer surface into the measuring chamber, via which the measuring chamber can be acted upon with a pressure, so that the first measuring diaphragm in dependence on a difference between the in the two measuring bodies each have a diaphragm bed to limit the deflection of the first measuring diaphragm, and to support the first measuring diaphragm in the event of a one-sided overload, the first differential pressure measuring cell providing at least one first electrical transducer having a first electrical signal dependent on a deflection of the first measuring diaphragm; a second differential pressure measuring cell, which has a second measuring diaphragm and two
  • the second measuring diaphragm is arranged between the two counter-bodies and pressure-tightly connected to both counter-bodies, wherein in each case a measuring chamber is formed between the two counter-bodies and the second measuring diaphragm, wherein the two measuring chambers are separated from each other by the second measuring diaphragm, wherein in each case a pressure channel from an outer through the two counter-body
  • the second measuring diaphragm extends into the measuring chamber, via which the measuring chamber can be acted upon with a pressure, so that the second measuring diaphragm is deflectable in dependence on a difference between the prevailing pressure values in the two measuring chambers, wherein the two counter-bodies each have a membrane bed to the deflection of the Limit second measuring diaphragm, and support the second measuring diaphragm in the event of a one-sided overload wherein the second differential pressure measuring cell at least one second electrical converter for providing one of a deflection of the second
  • Measuring membrane-dependent first electrical signal has; and a measuring cell housing, which has a housing body with a first measuring cell chamber and a second measuring cell chamber, wherein a coupling channel extends between the first measuring cell chamber and the second measuring cell chamber, wherein the first differential pressure measuring cell arranged in the first measuring cell chamber and pressure-bearing connected to the housing body by means of a first joint wherein a first pressure channel of the first differential pressure measuring cell communicates hydraulically with the coupling channel through a first opening in the first joint, the first opening being surrounded by the first joint in a pressure-tight manner, the second differential pressure measuring cell being arranged in the second measuring cell chamber and communicating with the housing body is connected by a second joint pressure-bearing, wherein a second pressure channel of the second differential pressure cell with the
  • Coupling channel hydraulically communicates through a second opening in the second joint, wherein the second opening is surrounded pressure-tight by the second joint, so that a first measuring chamber of the first differential pressure cell via the first pressure channel, the coupling channel and the second pressure channel with a second measuring chamber of the second differential pressure measuring cell is hydraulically coupled, wherein the housing body has a first fluid pressure opening which extends from an outer surface of the housing body in the first measuring cell chamber, wherein located outside of the first joint surfaces of the counter body of the first
  • Differential pressure measuring cell with the first medium pressure port communicate hydraulically, and wherein a third of the measuring chambers, in the first differential pressure cell is formed and separated from the first measuring chamber by the first measuring diaphragm, hydraulically communicates via a third of the pressure channels with the first fluid pressure port, wherein the housing body has a second fluid pressure opening extending from an outer surface of the housing body in the second measuring cell chamber, wherein outside the surface of the second body of the second differential pressure cell located at the second joint, and wherein a fourth of the measuring chambers formed in the second differential pressure cell and separated from the second measuring chamber by the second measuring diaphragm communicates with the second fluid pressure port via a third one of the pressure channels ,
  • the first medium pressure opening and the second medium pressure opening are arranged coplanar with one another, in particular on a side of the measuring cell chambers facing away from the joints, relative to the differential pressure measuring cells
  • the counter-bodies comprise glass or silicon.
  • the housing body has a metallic
  • Material in particular Kovar, a ceramic material, in particular a LTCC material, glass or silicon. It is advantageous if the material of the
  • Housing body has a coefficient of thermal expansion, which differs by not more than 5 ppm / K, preferably not more than 2 ppm / K from the coefficient of thermal expansion of the material of the counter body.
  • the first joint and / or the second joint comprises an adhesive, a solder an active solder or nanoreactive material.
  • the coupling channel has a filling body and / or a throttle.
  • the first differential pressure measuring cell and the second differential pressure measuring cell each have at least two capacitive transducers with opposite dependence on the difference between a first pressure and a second pressure.
  • the differential pressure sensor further comprises at least one temperature sensor whose measured value is the temperature of a hydraulic transmission fluid depends, with which the first measuring diaphragm is coupled to the second measuring diaphragm via the coupling channel.
  • the differential pressure transducer comprises a differential pressure sensor according to one of the preceding claims; a sensor housing having a Meßmess confusegephasephaseissonraj having a preferably substantially flat pad, and which has in its interior a sensor chamber, wherein the differential pressure sensor is arranged, extending from the pad a first media pressure channel and a second media pressure channel into the sensor chamber, wherein the first Ruletikö réelle is pressure-tight hydraulically coupled to the first media pressure channel, and wherein the second media pressure port is pressure-tight hydraulically coupled to the second media pressure channel; and an operating circuit for operating the electrical converters, and for providing at least one
  • Measured value which depends on the difference between a prevailing in the first measuring cell chamber first pressure and prevailing in the second measuring cell chamber second pressure.
  • the two media pressure ports are each coupled via a capillary tube with the respective media pressure channel.
  • the differential pressure transducer further comprises at least one first separation membrane, which the mouth of the first
  • Sensor housing body is connected, wherein preferably further comprises a second separation membrane covers the mouth of the second media pressure channel in the connection surface and along a peripheral joint to form a second
  • 1 shows a schematic longitudinal section through an embodiment of a differential pressure measuring cell, as used in the differential pressure sensor according to the invention
  • 2 shows a schematic longitudinal section through an exemplary embodiment of a differential pressure sensor according to the invention with two differential pressure measuring cells from FIG. 1;
  • FIG. 3 shows a schematic longitudinal section through an exemplary embodiment of a differential pressure measuring transducer according to the invention with the differential pressure sensor from FIG. 2;
  • FIG. 4 shows a schematic diagram with transfer functions for different circuits of the differential pressure sensor according to the invention.
  • Fig. 1 An example of such a differential pressure measuring cell 100 is now shown in Fig. 1, which has a measuring diaphragm 1 10 between a first counter-body 120 and a second counter-body 130, the two counter-bodies 120,130 each have one
  • the first mating body has a first membrane bed 124, from which a pressure channel 125 extends to the back of the first mating body 120.
  • the second mating body has a second diaphragm bed 134 from which a second pressure channel 135 extends to the rear of the second mating body.
  • the counter-bodies are made of glass in the present embodiment. They each have a metallic coating which comprises an outer region 126, 136, which is arranged in each case in a transition zone between the membrane bed and a planar edge region surrounding the membrane bed.
  • the metallic coating furthermore comprises an inner region 127, 137, which is separated from the outer region by an insulation region 129, 139.
  • the metallic coating also extends from the inner region over the wall of the pressure channel 125, 135 to the back of the counter body, in order to form a contact surface 128, 138 there.
  • the metallic coating comprises in the outer region 126, 136 a bonding agent, for example 20 nm chromium and a copper layer in a thickness of about 80-100 nm, which is deposited on the previously deposited chromium. The remaining part of the metallic
  • Coating which in each case comprises the inner region 127, 137, the wall of the pressure channel 125, 135 and the contact surface 128, 138 on the rear side of the counter body, furthermore has a nickel layer in a thickness of, for example, 100-150 nm, which is electrodeposited on the copper layer.
  • the outer area is free of the
  • the measuring membrane 1 10 has, in particular, highly doped silicon and is joined in a pressure-tight manner both to the first mating body 120 and to the second mating body 130 along an encircling joint by anodic bonding.
  • the joints each extend to the outer edge of the outer region 126,136. Since the outer region 126, 136 in each case extends into the planar edge region of the surface of the counter body, in this way the joint is defined defined in the planar region, so that the measuring diaphragm 110 has a defined mechanical clamping between the counter bodies 120, 130.
  • a first measuring chamber 1 12 is formed, and between the measuring diaphragm 1 10, and the second counter body 130, a second measuring chamber 113th
  • the first measuring chamber 112 and the first measuring chamber facing side of the measuring diaphragm 110 can be acted upon by the first pressure channel 125 with a first pressure.
  • the second measuring chamber 113 and the second measuring chamber facing side of the measuring diaphragm 1 10 are acted upon by the second pressure channel 135 with a second pressure, wherein the first pressure counteracts the second pressure, and the measuring diaphragm in response to a difference between the first pressure and the second Pressure is deflectable.
  • the inner region 127 of the first metallic coating of the first mating body 120 forms, together with the measuring diaphragm 110, a first capacitive transducer for detecting a deflection of the measuring diaphragm 110.
  • the first capacitive converter and the second capacitive converter are in
  • Differential pressure transducers which have only one differential pressure cell connected as a differential capacitor to the difference between the first pressure and the to determine second pressure. This circuit is preferably also maintained in the differential pressure sensor according to the invention, wherein for determining the differential pressure, the differential capacitors of both differential pressure measuring cells
  • the inner regions of the metallic coatings which respectively form first and second electrodes of the first and second capacitive transducer, can be contacted via the contact surfaces 128, 138 on the rear side of the first or second counter body.
  • a metallized bore 140 with a metallic contact surface on the rear side of the counter body is provided, which extends from the rear side of a counter body to the measuring diaphragm 110.
  • a differential pressure sensor 200 comprises a housing 210 with a two-part housing body, wherein a first housing body part 212, with a second housing body part 214 by soldering or gluing pressure-tight are joined together.
  • recesses are for a first measuring cell chamber 216a and a second
  • Measuring cell chamber 216b arranged.
  • the two measuring cell chambers 216a, 216b are pressure-tightly sealed by means of the first housing body part 212 and are connected in each case via a first or second medium pressure opening 218a, 218b which extends through the first housing
  • Casing body part 212 extend, can be acted upon with a media pressure.
  • a differential pressure measuring cell 100a, 100b of the type described above with reference to FIG. 1 is arranged, whereby the differential pressure measuring cells 100a, 100b each have a rear side facing away from their measuring membrane of a bottom-side counter body with a planar counter surface of the second housing body part 214, which forms a bottom of the measuring cell chamber 216a, 216b, by means of a metallic joining, a glass solder or an Epoxidharz Stirgung pressure-tight and pressure-bearing attached.
  • the second housing body part 214 extend two electrical feedthroughs 226a, 226b each one of the metallic joints between the differential pressure cells 100a, 100b and the bottom of the
  • Counter-body electrodes of the bottom-side counter body is made.
  • Two further electrical feedthroughs 228a, 228b with two conductors each contact two contact pads on the back side of the other via bonding wires, remote bottom counterpart of the respective differential pressure measuring cell 100a, 100b in the measuring cell chamber 216a, 216b.
  • the contact pads 138a, 138b on the one hand to
  • the measuring chambers of the bottom-side counter-bodies of the two differential pressure measuring cells 100a, 100b communicate via a hydraulic path, each one
  • Blind hole 220a, 220b in the bottom of the measuring cell chambers 216a, 216b and a coupling channel 222 between the blind holes comprises.
  • the coupling channel has a filling opening which can be closed pressure-tight with a closure element 224.
  • the volume of the coupling channel 222 and the blind holes 220a, 220b is to be kept as low as possible, since the thermal expansion of a transmission liquid trapped in the two bottom measuring chambers, in the coupling channel 222 and in the blind holes 220a, 220b is taken up by deflections or volume lift of the two measuring membranes got to.
  • the used volume stroke is no longer available for measuring the differential pressure.
  • volume expansion coefficient of about 700 ppm / K for transmission fluids and a temperature change range of 140 K results in a volume change of about 10%.
  • this corresponds to a volume stroke of 125 * 10 ⁇ 12 m 3
  • the coupling channel has ⁇ a length of 25 mm and a diameter of 60, this results in a coupling channel volume of about 70 * 10 -12 m 3, it again sets for the two blind holes along a volume of 80 * 10 -12 m 3 on, that results in a
  • the filling can be carried out, for example, at the maximum permissible operating temperature.
  • differential pressure measuring cells apart from the region of the joint at the bottom of the measuring cell chambers, are each surrounded isostatically by the medium pressure introduced into the measuring cell chambers, and the pressurization of the
  • Membrane bed is limited, in the differential pressure measuring cells no destructive overpressures occur more.
  • the capacitance signals of both differential pressure measuring cells are used to determine the differential pressure.
  • the coupling channel also acts as a throttle against fast overload peaks, associated with the disadvantage that the time constant of the sensor is high.
  • the exact dimensioning of the coupling channel can be adapted to the requirements of the dynamics.
  • Shorter connecting channels can be realized in particular in that the measuring cell chambers are arranged coaxially with one another, the bottoms of the two Measuring cell chambers are formed by a partition wall between the measuring cell chambers, on which the ground-near counter-body are respectively pressure-bearing and pressure-tight secured by a joint.
  • the length of the coupling channel then corresponds substantially to the wall thickness of the partition wall.
  • the bottom-side counter-body are each shown with a full-surface connection to the bottom of the measuring cell chambers.
  • a reduced connection area can be provided here in order to minimize in particular thermo-mechanical interactions between the differential pressure measuring cells and the housing.
  • the bottoms of the measuring cell chambers for example, each have a protruding into the measuring cell chamber base with reduced cross-sectional area formed either monolithically with the housing body or on the housing body by means of a metallic joint, a glass solder or a
  • Epoxy resin attachment pressure-tight and pressure-bearing is attached.
  • the differential pressure cells are then connected to the sockets accordingly.
  • the pedestals each have an axial bore through which the bottom-side measuring chambers are hydraulically coupled to the coupling channel 222. The electrical contacting of a bottom side
  • Counter-body electrode can also be done via the base.
  • FIG. 3 shows an embodiment of an inventive device
  • Differential pressure measuring transducer 300 which has a differential pressure sensor 200 according to the invention, as discussed with reference to FIG. 2.
  • Differential pressure sensor 200 further comprises an operating and evaluation circuit 310, which is connected to the electrical feedthroughs of the differential pressure sensor 200
  • the measured values are provided in particular in digital form.
  • the Differenz horrinsetzillon 300 further comprises a metallic housing 320, which in particular has stainless steel, preferably the type of protection Ex-d is sufficient, and in its interior has a sensor chamber 322, in which the
  • Differential pressure sensor 200 and the operation and evaluation circuit 310 are arranged.
  • the housing 320 in particular has an at least partially cylindrical construction and comprises on a first end face a sleeve 324, which has a glass feedthrough 326 with metallic contact pins.
  • the operation and evaluation circuit 310 is particularly In particular, it is connected to the feedthrough metal contacts via a flexible conductor strip in order to be fed through the feedthrough and output the measured values.
  • the differential pressure measuring transducer 300 furthermore comprises a process connection flange 330, with which the housing 320 is welded hermetically sealed on its base facing away from the first end face.
  • the process connection flange 330 has two metallic ones on its process connection surface facing away from the housing 320
  • Separation membranes 340a, 340b each of which a separation membrane chamber 342a, 342b close, which are formed as depressions in the process interface.
  • the separation membrane chambers 342a, 342b are each provided with a measuring cell chamber of the
  • Differential pressure sensor hydraulically coupled to pressurize the differential pressure measuring cells 100a, 100b contained in the measuring cell chambers each with a media pressure.
  • the hydraulic coupling takes place in each case via a bore 344a, 344b, which extends through the process connection flange 330, and a capillary tube 346a, 346b adjoining the bore 344a, 344b, which is joined to the process connection flange 330 in a pressure-carrying and pressure-tight manner at a first end , and a second
  • Differential pressure sensor 200 is joined.
  • the curves in FIG. 4 schematically show the transfer functions F (C1, C2) for the four possible combinations of the capacitances of the two differential pressure measuring cells to differential capacitors, in which transfer functions a zero shift of the measuring diaphragms by 16% of the equilibrium distance to
  • Diaphragm bed or by 30% of the differential pressure measuring range due to a reduction in volume of the transmission fluid in the coupling channel and the thus communicating ground-level measuring chambers is received.
  • the curves Z1 and Z2 show transfer functions in which the capacities of a differential pressure measuring cell are evaluated against each other.
  • the slopes dF / dAp are the same for both functions Z1, Z2, but the zero points are shifted against each other.
  • Transfer fluid which is to win with a suitably positioned temperature sensor, then the static pressure can be determined at least approximately.
  • the curves P and B in FIG. 4 show transfer functions when the process-side capacities (P) or the near-bottom capacities (B) of the two differential pressure measuring cells are evaluated against each other. Insofar as the zero point shift of the measuring membranes has the same effect on the evaluated capacities, the zero point of the transfer function is not distorted here, but the slope is changed in opposite directions.
  • the determination of the static pressure can be carried out with knowledge of the temperature in turn based on the difference of the transfer functions taking into account the current differential pressure value, however, the problem is, the smaller the respective differential pressure is.
  • the degree of spreading of the transfer functions depends on the zero offset of the separation membranes. In the event that no
  • the bottom-facing counter-body with a corresponding filling of the coupling channel hardly any support function for the measuring membrane, but they are as a carrier of measuring capacitors for accurate measurement of the differential pressure and to determine the static pressure of advantage.

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Abstract

Ein Differenzdrucksensor (200), umfasst zwei Differenzdruckmesszellen (100a,100b), die jeweils eine Messmembran zwischen zwei Gegenkörpern aufweisen, wobei die Messmembranen jeweils zwei Messkammern voneinander trennen; und ein Messzellengehäuse (210), welches einen Gehäusekörper (212, 214) mit zwei Messzellenkammern (216a, 216b) aufweist, zwischen denen sich ein Koppelkanal (222) erstreckt, wobei jeweils eine Differenzdruckmesszelle (100a, 100b,) in einer der beiden Messzellenkammern (216a, 216b) angeordnet und mit dem Gehäusekörper (212, 214) mittels einer Fügestelle verbunden ist, wobei die Messkammern der beiden Differenzdruckmesszellen, welche der Fügestelle zugewandt sind über den Koppelkanal (222) miteinander hydraulisch gekoppelt sind, wobei der Gehäusekörper zwei Mediendrucköffnungen (218a, 218b) aufweist, die sich jeweils von einer äußeren Oberfläche des Gehäusekörpers in eine der Messzellenkammern (216a, 216b) erstrecken, wobei die außerhalb der Fügestelle gelegenen Oberflächen der Differenzdruckmesszellen (100a,100b) mit einer Mediendrucköffnung kommunizieren, und wobei jeweils eine den Fügestellen abgewandte Messkammer der Differenzdruckmesszellen über einen Druckkanal mit der Mediendrucköffnungen kommuniziert.

Description

Differenzdrucksensor und Differenzdruckmessaufnehmer mit einem solchen
Differenzdrucksensor
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Differenzdrucksensor, insbesondere einen Differenzdrucksensor zum Messen einer Druckdifferenz bei hohem statischen Druck. Differenzdrucksensoren sind an sich bekannt, sie umfassen in einer ersten
grundlegenden Variante im Wesentlichen eine Messmembran zwischen zwei Gegenkörpern, in denen jeweils stirnseitig eine Kavität für eine Messkammer ausgebildet ist, wobei die Kavitäten der beiden Gegenkörper einander zugewandt sind, und wobei die Messmembran mit beiden Gegenkörpern jeweils entlang einer umlaufenden Fügestelle druckdicht verbunden ist, um die Kavitäten unter Bildung der Messkammern zu verschließen und voneinander zu trennen. Eine Auslenkung der Messmembran, welche von einer Differenz zwischen einem in die erste Messkammer eingeleiteten ersten Mediendruck und einem in die zweite Messkammer eingeleiteten zweiten Mediendruck abhängt, wird mittels eines oder mehrerer elektrischer Wandler erfasst. Beispiele hierfür sind u.a. beschrieben in
US 4 370 890, EP 1 128 172 B1. EP 1 373 852 B1. EP 1 883 797 B1 , EP 2 516 979 A1 , EP 2 691 754 A1.
Eine zweite Variante umfasst zwei Messmembranen und einen Gegenkörper, an dessen Oberflächen zwei Kavitäten für Messkammern ausgebildet sind, wobei die beiden Kavitäten jeweils mit einer der beiden Messmembranen entlang einer umlaufenden
Fügestelle unter Bildung jeweils einer Messkammer druckdicht verschlossen sind. Zwischen den beiden Messkammern erstreckt sich durch den Gegenkörper ein Kanal, wobei die Messkammern und der Kanal mit einer Übertragungsflüssigkeit gefüllt sind, um die
Messmembranen zu koppeln. Die dem Gegenkörper abgewandten Außenseiten der Messmembranen sind jeweils mit einem ersten bzw. zweiten Mediendruck beaufschlagbar, wobei die Auslenkung der Messmembranen von der Differenz zwischen den beiden Mediendrücken abhängt. Die Auslenkung der Messmembranen wird mittels eines oder mehrerer kapazitiver Wandler erfasst. Ein Beispiel für diese Variante ist beispielsweise in EP 0 420 105 B1 und DE 10 2008 019 054 A1 offenbart.
Die erste Variante ist zumindest bei moderaten statischen Drücken messtechnisch vorteilhaft, da sie nur eine Messmembran aufweist, deren Auslenkung zu erfassen ist. Wenn jedoch die statischen Drücke ansteigen, deren Differenz zu erfassen ist werden die
Gegenkörper verformt, was, einerseits einen erhöhten Kompensationsaufwand bedeutet und andererseits, aufgrund hoher Kerbspannungen an der Fügestellen den Differenzdrucksensor beschädigen kann.
Die zweite Variante ist unempfindlicher gegenüber hohem statischen Druck, da bei gleichmäßiger Druckbeaufschlagung keine Kerbspannungen an den Fügestellen auftreten. Auch bei Beaufschlagung mit einer Druckdifferenz sind die Kerbspannungen auf der Niederdruckseite dadurch begrenzt, dass die Messmembran auf der Hochdruckseite zur Anlage kommt. Nachteilig ist jedoch, dass die Übertragungsflüssigkeit ein veränderliches Volumen aufweist, das sowohl von der Temperatur als auch vom statischen Druck abhängt.
Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen einfach
herzustellenden, verbesserten Differenzdrucksensor für hohen statischen Druck
bereitzustellen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Differenzdrucksensor gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 und durch den Differenzdruckmessaufnehmer gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 10. Der erfindungsgemäße Differenzdrucksensor umfasst eine erste Differenzdruckmesszelle, die eine erste Messmembran und zwei Gegenkörper aufweist, wobei die erste Messmembran zwischen den beiden Gegenkörpern angeordnet und mit beiden Gegenkörpern druckdicht verbunden ist, wobei zwischen den beiden Gegenkörpern und der ersten Messmembran jeweils eine Messkammer gebildet ist, wobei die beiden
Messkammern durch die erste Messmembran voneinander getrennt sind, wobei sich durch die beiden Gegenkörper jeweils ein Druckkanal von einer äußeren Oberfläche in die Messkammer erstreckt, über den die Messkammer mit einem Druck beaufschlagbar ist, so dass die erste Messmembran in Abhängigkeit von einer Differenz zwischen den in den beiden Messkammern herrschenden Druckwerten auslenkbar ist, wobei die beiden Gegen- körper jeweils ein Membranbett aufweisen, um die Auslenkung der ersten Messmembran zu begrenzen, und die erste Messmembran im Falle einer einseitigen Überlast abzustützen, wobei die erste Differenzdruckmesszelle mindestens einen ersten elektrischen Wandler zum Bereitstellen eines von einer Auslenkung der ersten Messmembran abhängigen ersten elektrischen Signals aufweist; eine zweite Differenzdruckmesszelle, die eine zweite Messmembran und zwei
Gegenkörper aufweist, wobei die zweite Messmembran zwischen den beiden Gegenkörpern angeordnet und mit beiden Gegenkörpern druckdicht verbunden ist, wobei zwischen den beiden Gegenkörpern und der zweiten Messmembran jeweils eine Messkammer gebildet ist, wobei die beiden Messkammern durch die zweite Messmembran voneinander getrennt sind, wobei sich durch die beiden Gegenkörper jeweils ein Druckkanal von einer äußeren
Oberfläche in die Messkammer erstreckt, über den die Messkammer mit einem Druck beaufschlagbar ist, so dass die zweite Messmembran in Abhängigkeit von einer Differenz zwischen den in den beiden Messkammern herrschenden Druckwerten auslenkbar ist, wobei die beiden Gegenkörper jeweils ein Membranbett aufweisen, um die Auslenkung der zweiten Messmembran zu begrenzen, und die zweite Messmembran im Falle einer einseitigen Überlast abzustützen wobei die zweite Differenzdruckmesszelle mindestens einen zweiten elektrischen Wandler zum Bereitstellen eines von einer Auslenkung der zweiten
Messmembran abhängigen ersten elektrischen Signals aufweist; und ein Messzellengehäuse, welches einen Gehäusekörper mit einer ersten Messzellenkammer und einer zweiten Messzellenkammer aufweist, wobei sich zwischen der ersten Messzellenkammer und der zweiten Messzellenkammer ein Koppelkanal erstreckt, wobei die erste Differenzdruckmesszelle in der ersten Messzellenkammer angeordnet und mit dem Gehäusekörper mittels einer ersten Fügestelle drucktragend verbunden ist, wobei ein erster Druckkanal der ersten Differenzdruckmesszelle mit dem Koppelkanal durch eine erste Öffnung in der ersten Fügestelle hydraulisch kommuniziert, wobei die erste Öffnung von der ersten Fügestelle druckdicht umgeben ist, wobei die zweite Differenzdruckmesszelle in der zweiten Messzellenkammer ange- ordnet und mit dem Gehäusekörper mittels einer zweiten Fügestelle drucktragend verbunden ist, wobei ein zweiter Druckkanal der zweiten Differenzdruckmesszelle mit dem
Koppelkanal durch eine zweite Öffnung in der zweiten Fügestelle hydraulisch kommuniziert, wobei die zweite Öffnung von der zweiten Fügestelle druckdicht umgeben ist, so dass eine erste Messkammer der ersten Differenzdruckmesszelle über den ersten Druckkanal, den Koppelkanal und den zweiten Druckkanal mit einer zweiten Messkammer der zweiten Differenzdruckmesszelle hydraulisch gekoppelt ist, wobei der Gehäusekörper eine erste Mediendrucköffnung aufweist, die sich von einer äußeren Oberfläche des Gehäusekörpers in die erste Messzellenkammer erstreckt, wobei außerhalb der ersten Fügestelle gelegene Oberflächen der Gegenkörper der ersten
Differenzdruckmesszelle mit der ersten Mediendrucköffnung hydraulisch kommunizieren, und wobei eine dritte der Messkammern, die in der ersten Differenzdruckmesszelle ausgebildet und von der ersten Messkammer durch die erste Messmembran getrennt ist, über einen dritten der Druckkanäle mit der ersten Mediendrucköffnung hydraulisch kommuniziert, wobei der Gehäusekörper eine zweite Mediendrucköffnung aufweist, die sich von einer äußeren Oberfläche des Gehäusekörpers in die zweite Messzellenkammer erstreckt, wobei außerhalb der zweiten Fügestelle gelegene Oberflächen der Gegenkörper der zweiten Differenzdruckmesszelle mit der zweiten Mediendrucköffnung kommunizieren, und wobei eine vierte der Messkammern, die in der zweiten Differenzdruckmesszelle ausgebildet und von der zweiten Messkammer durch die zweite Messmembran getrennt ist, über einen dritten der Druckkanäle mit der zweiten Mediendrucköffnung kommuniziert.
In einer Weiterbildung der Erfindung sind die erste Mediendrucköffnung und die zweite Mediendrucköffnung koplanar zueinander angeordnet, insbesondere an einer, bezogen auf die Differenzdruckmesszellen, den Fügestellen abgewandten Seite der Messzellenkammern
In einer Weiterbildung der Erfindung weisen die Gegenkörper Glas oder Silizium auf. In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Gehäusekörper einen metallischen
Werkstoff, insbesondere Kovar, einen keramischen Werkstoff, insbesondere einen LTCC- Werkstoff, Glas oder Silizium auf. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn der Werkstoff des
Gehäusekörpers einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der um nicht mehr als 5 ppm/K vorzugsweise nicht mehr als 2 ppm/K vom Wärmeausdehnungskoeffizienten des Werkstoffs der Gegenkörper abweicht.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist die erste Fügestelle und/oder die zweite Fügestelle einen Kleber, ein Lot ein Aktivlot oder nanoreaktives Material auf.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Koppelkanal einen Füllkörper und/oder eine Drossel auf. In einer Weiterbildung der Erfindung weisen die erste Differenzdruckmesszelle und die zweite Differenzdruckmesszelle jeweils mindestens zwei kapazitive Wandler mit entgegengesetzter Abhängigkeit von der Differenz zwischen einem ersten Druck und einem zweiten Druck auf.
In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst der Differenzdrucksensor weiterhin mindestens einen Temperatursensor dessen Messwert von der Temperatur einer hydraulischen Übertragungsflüssigkeit abhängt, mit welcher die erste Messmembran mit der zweiten Messmembran über den Koppelkanal gekoppelt ist.
Der erfindungsgemäße Differenzdruckmessaufnehmer umfasst einen Differenzdrucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche; ein Messaufnehmergehäuse mit einem Messaufnehmergehäusekörper, welcher eine vorzugsweise im Wesentlichen ebene Anschlussfläche aufweist, und welcher in seinem Innern eine Sensorkammer aufweist, worin der Differenzdrucksensor angeordnet ist, wobei sich von der Anschlussfläche ein erster Mediendruckkanal und ein zweiter Mediendruckkanal in die Sensorkammer erstrecken, wobei die erste Mediendrucköffnung mit dem ersten Mediendruckkanal druckdicht hydraulisch gekoppelt ist, und wobei die zweite Mediendrucköffnung mit dem zweiten Mediendruckkanal druckdicht hydraulisch gekoppelt ist; und eine Betriebsschaltung zum Betreiben der elektrischen Wandler, und zum Bereitstellen mindestens eines
Messwerts, der von der Differenz zwischen einem in der ersten Messzellenkammer herrschenden ersten Druck und einem in der zweiten Messzellenkammer herrschenden zweiten Druck abhängt.
In einer Weiterbildung der Erfindung sind die beiden Mediendrucköffnungen jeweils über ein Kapillarrohr mit dem jeweiligen Mediendruckkanal gekoppelt.
In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst der Differenzdruckmessaufnehmer weiterhin mindestens eine erste Trennmembran, welche die Mündung des ersten
Mediendruckkanals in der Anschlussfläche überdeckt und entlang einer umlaufenden Fügestelle unter Bildung einer ersten Trennmembrankammer druckdicht mit dem
Messaufnehmergehäusekörper verbunden ist, wobei vorzugsweise weiterhin eine zweite Trennmembran die Mündung des zweiten Mediendruckkanals in der Anschlussfläche überdeckt und entlang einer umlaufenden Fügestelle unter Bildung einer zweiten
Trennmembrankammer druckdicht mit dem Gehäusekörper verbunden ist.
Die Erfindung wird nun anhand des in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispiels erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 : einen schematischen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer Differenzdruckmesszelle, wie sie im erfindungsgemäßen Differenzdrucksensor verwendet wird; Fig. 2: einen schematischen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Differenzdrucksensors mit zwei Differenzdruckmesszellen aus Fig. 1 ;
Fig. 3: einen schematischen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Differenzdruckmessaufnehmers mit dem Differenzdrucksensor aus Fig. 2; und
Fig. 4: ein schematisches Diagramm mit Übertragungsfunktionen für verschiedene Beschaltungen des erfindungsgemäßen Differenzdrucksensors.
Differenzdruckmesszellen mit Gegenkörpern aus Glas für erfindungsgemäße
Differenzdrucksensoren sind beispielsweise in den Offenlegungsschriften
DE 10 2009 046 229 A1 , DE 10 201 1 084 457 A1 , und in der noch unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10 2013 1 13 594.3 (EH 1356) beschrieben. Differenzdruckmesszellen mit Gegenkörpern aus Silizium sind beispielsweise in den Offenlegungsschriften DE 10 2010 028 773 A1 (EH 1086) und DE 10 2012 109 587 A1 (EH1267) beschrieben. Diese Differenzdruckmesszellen weisen eine Messmembran zwischen zwei Gegenkörpern mit asphärischen Membranbetten auf, welche die
Messmembran im Falle einer einseitigen Überlast abstützen.
Ein Beispiel einer solchen Differenzdruckmesszelle 100 ist nun in Fig. 1 gezeigt, welche eine Messmembran 1 10 zwischen einem ersten Gegenkörper 120 und einen zweiten Gegenkörper 130 aufweist, die beiden Gegenkörper 120,130 weisen jeweils ein
Membranbett zum Abstützen der Messmembran 1 10 im Falle einer einseitigen Überlast auf. Insbesondere weist der erste Gegenkörper ein erstes Membranbett 124 auf, von dem sich ein Druckkanal 125 zur Rückseite des ersten Gegenkörpers 120 erstreckt. Gleichermaßen weist der zweite Gegenkörper ein zweites Membranbett 134 auf, von dem sich ein zweiter Druckkanal 135 zur Rückseite des zweiten Gegenkörpers erstreckt. Die Gegenkörper sind beim vorliegenden Ausführungsbeispiel aus Glas gefertigt. Sie weisen jeweils eine metallische Beschichtung auf, die einen äußeren Bereich 126,136 umfasst, welcher jeweils in einer Übergangszone zwischen dem Membranbett und einem das Membranbett umgebenden planaren Randbereich angeordnet ist. Die metallische Beschichtung umfasst weiterhin einen inneren Bereich 127,137, welcher von dem äußeren Bereich jeweils durch einen Isolationsbereich 129,139 getrennt ist. Die metallische Beschichtung erstreckt sich weiterhin jeweils von dem inneren Bereich über die Wand des Druckkanals 125, 135 zur Rückseite des Gegenkörpers, um dort eine Kontaktfläche 128,138 zu bilden. Die metallische Beschichtung umfasst im äußeren Bereich 126, 136 einen Haftvermittler, beispielsweise 20 nm Chrom und eine Kupferschicht in einer Stärke von etwa 80-100 nm, welches auf dem zuvor deponierten Chrom abgeschieden ist. Der restliche Teil der metallischen
Beschichtung, welcher jeweils den inneren Bereich 127,137, die Wand des Druckkanals 125,135 und die Kontaktfläche 128,138 auf der Rückseite des Gegenkörpers umfasst, weist weiterhin eine Nickelschicht in einer Stärke von beispielsweise 100-150 nm auf, welche auf der Kupferschicht galvanisch abgeschieden ist. Der äußere Bereich ist frei von der
Nickelschicht.
Die Messmembran 1 10 weist insbesondere hoch dotiertes Silizium auf und ist sowohl mit dem ersten Gegenkörper 120 als auch mit dem zweiten Gegenkörper 130 jeweils entlang einer umlaufenden Fügestelle durch anodisches Bonden druckdicht gefügt. Hierbei erstrecken sich die Fügestellen jeweils bis zum äußeren Rand des äußeren Bereichs 126,136. Da sich der äußere Bereich 126, 136 jeweils bis in den planaren Randbereich der Oberfläche des Gegenkörpers hinein erstreckt, wird auf diese Weise die Fügestelle definiert im planaren Bereich begrenzt, so dass die Messmembran 110 eine definierte mechanische Einspannung zwischen den Gegenkörpern 120, 130 aufweist.
Zwischen der Messmembran 1 10 und dem ersten Gegenkörper 120 ist also eine erste Messkammer 1 12 gebildet, sowie zwischen der Messmembran 1 10, und dem zweiten Gegenkörper 130 eine zweite Messkammer 113.
Die erste Messkammer 112 und die der ersten Messkammer zugewandte Seite der Messmembran 110 sind durch den ersten Druckkanal 125 mit einem ersten Druck beaufschlagbar. Die zweite Messkammer 113 und die der zweiten Messkammer zugewandte Seite der Messmembran 1 10 sind durch den zweiten Druckkanal 135 mit einem zweiten Druck beaufschlagbar, wobei der erste Druck dem zweiten Druck entgegenwirkt, und die Messmembran in Abhängigkeit einer Differenz zwischen dem ersten Druck und dem zweiten Druck auslenkbar ist. Der innere Bereich 127 der ersten metallischen Beschichtung des ersten Gegenkörpers 120 bildet zusammen mit der Messmembran 110 einen ersten kapazitiven Wandler zum Erfassen einer Auslenkung der Messmembran 110. Gleichermaßen bildet der innere Bereich 137 der zweiten metallischen Beschichtung des zweiten
Gegenkörpers 130 zusammen mit der Messmembran 110 einen zweiten kapazitiven Wandler zum Erfassen einer Auslenkung der Messmembran 110.
Der erste kapazitive Wandler und der zweite kapazitive Wandler werden in
Differenzdruckmessaufnehmern, die nur eine Differenzdruckmesszelle aufweisen als Differentialkondensator geschaltet, um die Differenz zwischen dem ersten Druck und dem zweiten Druck zu ermitteln. Diese Schaltung wird vorzugsweise auch beim erfindungsgemäßen Differenzdrucksensor beibehalten, wobei zur Bestimmung des Differenzdrucks die Differentialkondensatoren beider Differenzdruckmesszellen
heranzuziehen sind, wie weiter unten im Zusammenhang mit Fig. 4. näher erläutert wird. Die inneren Bereiche der metallischen Beschichtungen, welche jeweils erste bzw. zweite Elektroden des ersten bzw. zweiten kapazitiven Wandlers bilden, sind über die Kontaktflächen 128,138 auf der Rückseite des ersten bzw. zweiten Gegenkörpers kontaktierbar. Um die Messmembran 1 10 kontaktieren zu können, ist eine metallisierte Bohrung 140 mit einer metallischen Kontaktfläche an der Rückseite des Gegenkörpers vorgesehen, welche sich von der Rückseite eines Gegenkörpers bis zur Messmembran 1 10 erstreckt.
Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Differenzdrucksensors 200 umfasst ein Gehäuse 210 mit einem zweiteiligen Gehäusekörper, wobei ein erstes Gehäusekörperteil 212, mit einem zweiten Gehäusekörperteil 214 durch Löten oder Kleben druckdicht miteinander gefügt sind. In dem zweiten Gehäusekörperteil 214, sind Vertiefungen für eine erste Messzellenkammer 216a und eine zweite
Messzellenkammer 216b angeordnet. Die beiden Messzellenkammern 216a, 216b sind mittels des ersten Gehäusekörperteils 212 druckdicht verschlossen und über jeweils eine erste bzw. zweite Mediendrucköffnung 218a, 218b die sich durch das erste
Gehäusekörperteil 212 erstrecken, mit einem Mediendruck beaufschlagbar.
In den beiden Messzellenkammern 216a, 216b ist jeweils eine Differenzdruckmesszelle 100a, 100b der anhand von Fig. 1 weiter oben beschriebenen Art angeordnet, wobei die Differenzdruckmesszellen 100a, 100b, jeweils mit einer ihrer Messmembran abgewandten Rückseite eines bodenseitigen Gegenkörpers mit einer ebenen Gegenfläche des zweiten Gehäusekörperteils 214, welche einen Boden der Messzellenkammer 216a, 216b bildet, mittels einer metallischen Fügung, einem Glaslot oder einer Epoxidharzfügung druckdicht und drucktragend befestigt. Durch das zweite Gehäusekörperteil 214 erstrecken sich zwei elektrische Durchführungen 226a, 226b die jeweils eine der metallischen Fügungen zwischen den Differenzdruckmesszellen 100a, 100b und dem Boden der
Messzellenkammern kontaktieren, worüber jeweils ein elektrischer Kontakt zu den
Gegenkörperelektroden der bodenseitigen Gegenkörper hergestellt ist.
Zwei weitere elektrische Durchführungen 228a, 228b mit jeweils zwei Leitern kontaktieren über Bonddrähte jeweils zwei Kontaktpads an der Rückseite des anderen, bodenfernen Gegenkörpers der jeweiligen Differenzdruckmesszelle 100a, 100b in der Messzellenkammer 216a, 216b. Wobei die Kontaktpads 138a, 138b einerseits zur
Kontaktierung der Gegenkörperelektroden der bodenfernen Gegenkörper und andererseits zur Kontaktierung der Messmembran über eine Bohrung 140a, 140b, durch den bodenfernen Gegenkörper dienen.
Die Messkammern der bodennahen Gegenkörper der beiden Differenzdruckmesszellen 100a, 100b kommunizieren über einen hydraulischen Pfad, der jeweils eine
Sacklochbohrung 220a, 220b im Boden der Messzellenkammern 216a, 216b sowie einen Koppelkanal 222 zwischen den Sacklochbohrungen umfasst. Der Koppelkanal weist eine Befüllöffnung auf, die mit einem Verschlusselement 224 druckdicht verschließbar ist.
Das Volumen des Koppelkanals 222 und der Sacklochbohrungen 220a, 220b ist möglichst gering zu halten, da die thermische Volumenausdehnung einer in den beiden bodennahen Messkammern, im Koppelkanal 222 und in den Sacklochbohrungen 220a, 220b eingeschlossenen Übertragungsflüssigkeit durch Auslenkungen bzw. Volumenhub der beiden Messmembranen aufgenommen werden muss. Der hierfür verbrauchte Volumenhub steht nicht mehr zur Messung des Differenzdrucks zur Verfügung.
Bei einem Volumenausdehnungskoeffizienten von etwa 700 ppm/K für Übertragungsflüssigkeiten und einem Temperaturänderungsbereich von 140 K ergibt sich eine Volumenänderung von etwa 10%. Hierzu ein Zahlenbeispiel: Wenn beispielsweise der auslenkbare Bereich einer Messmembran einen Radius von 5 mm und einen Hub von 5 μιη hat, bevor er am Membranbett zur Anlage kommt, dann entspricht dies einem Volumenhub von 125 * 10~12 m3 Geht man nun davon aus, dass der Koppelkanal eine Länge von 25 mm und einen Durchmesser von 60 μιη hat, so ergibt sich ein Koppelkanalvolumen von etwa 70 * 10~12 m3 Setzt man für die beiden Sacklöcher zusammen noch einmal ein Volumen von 80 * 10~12 m3 an, so ergibt sich ein
Gesamtvolumen von 400 * 10~12 m3, das zwischen den beiden Messmembranen
eingeschlossen ist, und dessen thermische Volumenausdehnung von den Messmembranen aufzunehmen ist. Nach der obigen Annahme einer 10%-igen Volumenausdehnung müsste jede Messmembran dann etwa 20 * 10~12 m3 aufnehmen, was 16% des Volumenhubs bis zur Anlage am Membranbett entspricht. Geht man weiter davon aus, dass gewöhnlich die Hälfte des Volumenhubs der Messmembran für den Differenzdruckmessbereich zur Verfügung steht, dann ist ein Drittel dieses Bereichs durch thermische Volumenausdehnung verbraucht. Dies ist eine vertretbare Einschränkung. Die Befüllmenge der Übertragungsflüssigkeit in den beiden bodennahen Messkammern und des sie koppelnden hydraulischen Pfades sollte so gewählt sein, dass die
Messmembranen bei der maximal zulässigen Betriebstemperatur des Differenzdrucksensors und einer symmetrischen Druckbeaufschlagung der bodenabgewandten Messkammern mit Atmosphärendruck (1013 mbar), im wesentlichen ihre Ruhelage einnehmen. Bei einer einseitigen Überlast, welche eine hochruckseitige Messmembran in das Membranbett des bodennahen hochdruckseitigen Gegenkörpers drückt, wird selbst bei der maximal zulässigen Betriebstemperatur die niederdruckseitige Messmembran nicht weiter ausgelenkt als gerade bis zur Anlage am Membranbett des niederdruckseitigen bodenabgewandten Membranbetts, wenn das obige Befüllungskriterium eingehalten wird. Bei niedrigeren Betriebstemperaturen kommt die niederdruckseitige Messmembran nicht zur Anlage.
Um dies zu erreichen, kann die Befüllung beispielsweise bei der maximal zulässigen Betriebstemperatur durchgeführt werden.
Insofern, als die Differenzdruckmesszellen, abgesehen von dem Bereich der Fügung am Boden der Messzellenkammern, jeweils isostatisch von dem in die Messzellenkammern eingeleiteten Mediendruck umgeben sind, und die Druckbeaufschlagung der
niederdruckseitigen Differenzdruckmesszelle über den Koppelkanal durch die Anlage der Messmembran der hochdruckseitigen Differenzdruckmesszelle am bodennahen
Membranbett begrenzt ist, können in den Differenzdruckmesszellen keine zerstörerischen Überdrücke mehr auftreten.
Die temperaturabhängige Variation des zwischen den Messmembranen eingeschlossenen Volumens der Übertragungsflüssigkeit, führt dazu, dass die Ruhelagen der beiden Messmembranen für einen Differenzdruck von Null veränderlich sind. Die isolierte Auswertung der Kapazitätssignale nur einer Differenzdruckmesszelle ohne
Zusatzinformationen ist damit nicht zur Differenzdruckbestimmung geeignet. Vorzugsweise werden die Kapazitätssignale beider Differenzdruckmesszellen herangezogen, um den Differenzdruck zu bestimmen.
In dem beschriebenen Aufbau des Differenzdrucksensors wirkt der Koppelkanal zugleich als Drossel gegen schnelle Überlastspitzen, verbunden mit dem Nachteil, dass die Zeitkonstante des Sensors hoch ist. Die genaue Dimensionierung des Koppelkanals kann den Erfordernissen der Dynamik angepasst werden.
Kürzere Verbindungskanäle lassen sich insbesondere dadurch realisieren, dass die Messzellenkammern koaxial zueinander angeordnet sind, wobei die Böden der beiden Messzellenkammern durch eine Trennwand zwischen den Messzellenkammern gebildet werden, an welcher die bodennahen Gegenkörper jeweils drucktragend und druckdicht mittels einer Fügestelle befestigt sind. Die Länge des Koppelkanals entspricht dann im Wesentlichen der Wandstärke der Trennwand.
In Fig. 2 sind die bodenseitigen Gegenkörper jeweils mit einer vollflächigen Verbindung mit dem Boden der Messzellenkammern dargestellt. Selbstverständlich kann hier eine reduzierte Verbindungsfläche vorgesehen sein, um insbesondere thermomechanische Wechselwirkungen zwischen den Differenzdruckmesszellen und dem Gehäuse zu minimieren. Hierzu können die Böden der Messzellenkammern beispielsweise jeweils einen in die Messzellenkammer hervorstehenden Sockel mit reduzierter Querschnittsfläche aufweisen, der entweder monolithisch mit dem Gehäusekörper ausgebildet oder an dem Gehäusekörper mittels einer metallischen Fügung, einem Glaslot oder einer
Epoxidharzfügung druckdicht und drucktragend befestigt ist. Die Differenzdruckmesszellen sind dann entsprechend mit den Sockeln verbunden. Die Sockel weisen jeweils eine axiale Bohrung auf, durch welche die bodenseitigen Messkammern mit dem Koppelkanal 222 hydraulisch gekoppelt sind. Die elektrische Kontaktierung einer bodenseitigen
Gegenkörperelektrode kann ebenfalls über den Sockel erfolgen.
Fig. 3 zeigt schließlich ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Differenzdruckmessaufnehmers 300, welcher einen erfindungsgemäßen Differenzdrucksensor 200 aufweist, wie er anhand von Fig. 2 diskutiert wurde. Der
Differenzdruckmessaufnehmer 200 umfasst weiterhin eine Betriebs- und Auswerteschaltung 310, welche an die elektrische Durchführungen des Differenzdrucksensors 200
angeschlossen ist, um die Kapazitäten der Kondensatoren der Messzellen 100a, 100b zu ermitteln und Messwerte bereitzustellen, welche von den ermittelten Kapazitäten abhängig sind. Die Messwerte werden insbesondere in digitaler Form bereitgestellt.
Der Differenzdruckmessaufnehmer 300 umfasst weiterhin ein metallisches Gehäuse 320, welches insbesondere Edelstahl aufweist, vorzugsweise der Zündschutzart Ex-d genügt, und in seinem Innern eine Sensorkammer 322 aufweist, in welcher der
Differenzdrucksensor 200 und die Betriebs- und Auswerteschaltung 310 angeordnet sind. Das Gehäuse 320 hat insbesondere einen zumindest abschnittsweise zylindrischen Aufbau und umfasst an einer ersten Stirnseite eine Muffe 324, welche eine Glasdurchführung 326 mit metallischen Kontaktstiften aufweist. Die Betriebs- und Auswerteschaltung 310 ist insbe- sondere über ein Flex-Leiterband an die metallischen Kontakte der Durchführung angeschlossen, um über die Durchführung gespeist zu werden und die Messwerte auszugeben.
Der Differenzdruckmessaufnehmer 300 umfasst weiterhin einen Prozessan- schlussflansch 330, mit dem das Gehäuse 320 an seiner der ersten Stirnseite abgewandten Basis hermetisch dicht verschweißt ist. Der Prozessanschlussflansch 330 weist an seiner dem Gehäuse 320 abgewandten Prozessanschlussfläche zwei metallische
Trennmembranen 340a, 340b auf, welche jeweils eine Trennmembrankammer 342a, 342b verschließen, die als Vertiefungen in der Prozessanschlussfläche ausgebildet sind. Die Trennmembrankammern 342a, 342b sind jeweils mit einer Messzellenkammer des
Differenzdrucksensors hydraulisch gekoppelt, um die in den Messzellenkammern enthaltenen Differenzdruckmesszellen 100a, 100b jeweils mit einem Mediendruck zu beaufschlagen. Die hydraulische Kopplung erfolgt jeweils über eine Bohrung 344a, 344b, die sich durch den Prozessanschlussflansch 330 erstreckt, und ein an die Bohrung 344a, 344b anschließendes Kapillarröhrchen 346a, 346b, das an einem ersten Ende mit dem Prozess- anschlussflansch 330 drucktragend und druckdicht gefügt ist, und das an einem zweiten
Ende, jeweils mit einer Mediendruckoffnung des Gehäusekörpers des Differenzdrucksensors 200 fluchtend, drucktragend und druckdicht mit dem Gehäusekörper des
Differenzdrucksensors 200 gefügt ist.
Ein vorteilhafter Gesichtspunkt betrifft die Verwendung von gewöhnlichen
Differenzdruckmesszellen, die für moderate statische Drücke von beispielsweise nicht mehr als 100 bar bzw. 150 bar geeignet sind, zur Realisierung eines Differenzdrucksensors, für den Einsatz bei statischen Drücken von 250 bar oder mehr. Diese wird dadurch erreicht, dass die Differenzdruckmesszellen, mediendruckseitig isostatisch gelagert und nur auf Druck belastet werden, so dass in den Messkammern der Differenzdruckmesszellen übermäßige Kerbspannungen vermieden werden. Voraussetzung hierfür ist, wie oben diskutiert, eine rückseitige hydraulische Kopplung mit einer definierten Menge an Übertragungsflüssigkeit die bewirkt, dass praktisch bei allen Temperaturen, der Nullpunkt des Differenzdrucks (p p2=0) nicht mit der Gleichgewichtslage der Messmembranen zusammenfällt. Damit scheidet eine hinreichend genaue die Bestimmung des Differenzdrucks mit nur einer
Differenzdruckmesszelle aus. Es sind also die Kapazitäten beider Differenzdruckmesszellen heranzuziehen, für deren Auswertung zwei Alternativen anhand von Fig. 4 vorgestellt werden.
Zur Bestimmung eines Differenzdrucks dp hat es sich bewährt zwei Kapazitäten C1 , C2 mit gegenläufiger Differenzdruckabhängigkeit als Differentialkondensator zu beschälten, wobei die Kapazitäten vorzugsweise bei Δρ=0 den gleichen Kapazitätswert aufweisen. Für den Differenzdruck dp gilt dann
Ap = dp(F(C1 (Ap),C2(Ap))), wobei C1 , C2 die ermittelten gegenläufigen Kapazitäten sind und F(C1 ,C2)= 2*(C1-C2)/(C1+C2).
Die Kurven in Fig. 4 zeigen schematisch die Übertragungsfunktionen F(C1 ,C2) für die vier möglichen Kombinationen der Kapazitäten der beiden Differenzdruckmesszellen zu Differentialkondensatoren, wobei in diese Übertragungsfunktionen eine Nullpunktverschiebung der Messmembranen um 16% des Gleichgewichtsabstands zum
Membranbett bzw. um 30% des Differenzdruckmessbereichs aufgrund einer Volumenreduzierung der Übertragungsflüssigkeit im Koppelkanal und den damit kommunizierenden bodennahen Messkammern eingegangen ist. Die Kurven Z1 und Z2 zeigen Übertragungsfunktionen, bei denen jeweils die Kapazitäten einer Differenzdruckmesszelle gegeneinander ausgewertet sind. Hier sind die Steigungen dF/dAp für beide Funktionen Z1 , Z2 gleich, aber die Nullpunkte sind gegeneinander verschoben. Die Korrekte Übertragungsfunktion Z ergibt sich als arithmetrisches Mittel, also Z = (Z1 + Z2) / 2. Hier ist zudem ein Ansatz gegeben den statischen Druck zu ermitteln, denn die halbe Differenz der Übertragungsfunktionen ermöglicht eine Ermittlung der Nullpunktverschiebung N(T,p), in welche die Temperatur T der koppelnden Übertragungsflüssigkeit und der statische Druck pstat eingehen, also N(T, pstat) = (Z1 - Z2) / 2. Bei Kenntnis der Temperatur der koppelnden
Übertragungsflüssigkeit, die mit einem geeignet positionierten Temperatursensor zu gewinnen ist, kann dann der statische Druck zumindest näherungsweise ermittelt werden.
Die Kurven P und B in Fig. 4 zeigen Übertragungsfunktionen wenn die prozessseitigen Kapazitäten (P) bzw. die bodennahen Kapazitäten (B) der beiden Differenzdruckmesszellen gegeneinander ausgewertet werden. Insofern als sich hier die Nullpunktverschiebung der Messmembranen auf die ausgewerteten Kapazitäten gleichartig auswirkt, wird hier der Nullpunkt der Übertragungsfunktion nicht verfälscht, jedoch wird die Steigung gegenläufig verändert. Eine geeignetere Übertragungsfunktion F lässt sich als arithmetrisches bzw. geometrisches Mittel bestimmen, also F = (B + P) / 2 oder F = (B * P) 2. Die Bestimmung des statischen Drucks kann bei Kenntnis der Temperatur wiederum anhand der Differenz der Übertragungsfunktionen unter Berücksichtigung des aktuellen Differenzdruckwerts erfolgen, jedoch ist die problematisch, je kleiner der jeweilige Differenzdruck gerade ist. Das Maß der Aufspreizung der Übertragungsfunktionen hängt von der Nullpunktverschiebung der Trennmembranen ab. Für den Fall, dass keine
Nullpunktverschiebung der Messmembranen vorliegt, was hier nur bei der spezifizierten Maximaltemperatur gegeben ist, fallen die vier Kurven Z1 , Z2, P und B zusammen, sofern nicht hohe statische Drücke eine Nullpunktverschiebung bewirken.
Im Ergebnis haben die bodenabgewandten Gegenkörper bei entsprechender Befüllung des Koppelkanals kaum noch eine Stützfunktion für die Messmembran, jedoch sind sie als Träger von Messkondensatoren für eine genaue Messung des Differenzdrucks und zu einer Ermittlung des statischen Drucks von Vorteil.

Claims

Patentansprüche
1. Differenzdrucksensor (200), umfassend: eine erste Differenzdruckmesszelle (100a), die eine erste Messmembran und zwei Gegenkörper aufweist, wobei die erste Messmembran zwischen den beiden Gegenkörpern angeordnet und mit beiden Gegenkörpern druckdicht verbunden ist, wobei zwischen den beiden Gegenkörpern und der ersten Messmembran jeweils eine Messkammer gebildet ist, wobei die beiden Messkammern durch die erste Messmembran voneinander getrennt sind, wobei sich durch die beiden Gegenkörper jeweils ein Druckkanal von einer äußeren
Oberfläche in die Messkammer erstreckt, über den die Messkammer mit einem Druck beaufschlagbar ist, so dass die erste Messmembran in Abhängigkeit von einer Differenz zwischen den in den beiden Messkammern herrschenden Druckwerten auslenkbar ist, wobei die beiden Gegenkörper jeweils ein Membranbett aufweisen, um die Auslenkung der erste Messmembran zu begrenzen, und die erste Messmembran im Falle einer einseitigen Überlast abzustützen, wobei die erste Differenzdruckmesszelle mindestens einen ersten elektrischen Wandler zum Bereitstellen eines von einer Auslenkung der ersten
Messmembran abhängigen ersten elektrischen Signals aufweist; eine zweite Differenzdruckmesszelle (100b), die eine zweite Messmembran und zwei Gegenkörper aufweist, wobei die zweite Messmembran zwischen den beiden Gegenkörpern angeordnet und mit beiden Gegenkörpern druckdicht verbunden ist, wobei zwischen den beiden Gegenkörpern und der zweiten Messmembran jeweils eine Messkammer gebildet ist, wobei die beiden Messkammern durch die zweite Messmembran voneinander getrennt sind, wobei sich durch die beiden Gegenkörper jeweils ein Druckkanal von einer äußeren
Oberfläche in die Messkammer zweitreckt, über den die Messkammer mit einem Druck beaufschlagbar ist, so dass die zweite Messmembran in Abhängigkeit von einer Differenz zwischen den in den beiden Messkammern herrschenden Drücken auslenkbar ist, wobei die beiden Gegenkörper jeweils ein Membranbett aufweisen, um die Auslenkung der zweite Messmembran zu begrenzen, und die zweite Messmembran im Falle einer einseitigen Überlast abzustützen, wobei die zweite Differenzdruckmesszelle mindestens einen zweiten elektrischen Wandler zum Bereitstellen eines von einer Auslenkung der zweiten
Messmembran abhängigen zweiten elektrischen Signals aufweist; und ein Messzellengehäuse (210), welches einen Gehäusekörper (212, 214) mit einer ersten Messzellenkammer (216a) und einer zweiten Messzellenkammer (216b) aufweist, wobei sich zwischen der ersten Messzellenkammer und der zweiten Messzellenkammer ein Koppelkanal (222) erstreckt, wobei die erste Differenzdruckmesszelle (100a) in der ersten Messzellenkammer (216a) angeordnet und mit dem Gehäusekörper (212, 214) mittels einer ersten Fügestelle drucktragend verbunden ist, wobei ein erster Druckkanal der ersten Differenzdruckmesszelle (100a) mit dem
Koppelkanal (222) durch eine erste Öffnung in der ersten Fügestelle kommuniziert, wobei die erste Öffnung von der ersten Fügestelle druckdicht umgeben ist, wobei die zweite Differenzdruckmesszelle (100b) in der zweiten Messzellenkammer (216b) angeordnet und mit dem Gehäusekörper (212, 214) mittels einer zweiten Fügestelle drucktragend verbunden ist, wobei ein zweiter Druckkanal der zweiten Differenzdruckmesszelle mit dem
Koppelkanal (222) durch eine zweite Öffnung in der zweiten Fügestelle kommuniziert, wobei die zweite Öffnung von der zweiten Fügestelle druckdicht umgeben ist, so dass eine erste Messkammer der ersten Differenzdruckmesszelle (100a) über den ersten Druckkanal, den Koppelkanal und den zweiten Druckkanal mit einer zweiten Messkammer der zweiten Differenzdruckmesszelle (100b) hydraulisch gekoppelt ist, wobei der Gehäusekörper eine erste Mediendrucköffnung (218a) aufweist, die sich von einer äußeren Oberfläche des Gehäusekörpers in die erste Messzellenkammer (216a) erstreckt, wobei außerhalb der ersten Fügestelle gelegene Oberflächen der Gegenkörper der ersten Differenzdruckmesszelle (100a) mit der ersten Mediendrucköffnung kommunizieren, und wobei eine dritte der Messkammern, die in der ersten Differenzdruckmesszelle ausgebildet und von der ersten Messkammer durch die erste Messmembran getrennt ist, über einen dritten der Druckkanäle mit der ersten Mediendrucköffnung (21 ba) kommuniziert, wobei der Gehäusekörper eine zweite Mediendrucköffnung (218b) aufweist, die sich von einer äußeren Oberfläche des Gehäusekörpers (212, 214) in die zweite Messzellenkammer (216b) erstreckt, wobei außerhalb der zweiten Fügestelle gelegene Oberflächen der Gegenkörper der zweiten Differenzdruckmesszelle mit der zweiten Mediendrucköffnung kommunizieren, und wobei eine vierte der Messkammern, die in der zweiten Differenzdruck- messzelle ausgebildet und von der zweiten Messkammer durch die zweite Messmembran getrennt ist, über einen dritten der Druckkanäle mit der zweiten Mediendrucköffnung hydraulisch kommuniziert.
2. Differenzdrucksensor nach Anspruch 1 , wobei die erste Differenzdruckmesszelle und die zweite Differenzdruckmesszelle koplanar zueinander angeordnet sind.
3. Differenzdrucksensor nach Anspruch 2, wobei die erste Mediendrucköffnung und die zweite Mediendrucköffnung koplanar zueinander angeordnet sind, insbesondere an einer, bezogen auf die
Differenzruckmesszellen, den Fügestellen abgewandten Seite der Messzellenkammern.
4. Differenzdrucksensor nach Anspruch 1 , 2 oder 3, wobei die Gegenkörper Glas oder Silizium aufweisen.
5. Differenzdrucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Gehäusekörper einen metallischen Werkstoff, insbesondere Kovar, einen keramischen Werkstoff, Glas oder Silizium aufweist.
6. Differenzdrucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Fügestelle und/oder die zweite Fügestelle einen Kleber, ein Lot, ein Aktivlot oder nanoreaktives Material aufweist.
7. Differenzdrucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Koppelkanal einen Füllkörper und/oder eine Drossel aufweist.
8. Differenzdrucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Differenzdruckmesszelle und die zweite Differenzdruckmesszelle jeweils mindestens zwei kapazitive mit entgegengesetzter Abhängigkeit von der Differenz zwischen einem ersten Druck und einem zweiten Druck aufweisen.
9. Differenzdrucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend einen Temperatursensor dessen Messwert von der Temperatur einer hydraulischen Übertragungsflüssigkeit abhängt, mit welcher die erste Messmembran mit der zweiten Messmembran über den Koppelkanal hydraulisch gekoppelt sind.
10. Differenzdruckmessaufnehmer, umfassend: einen Differenzdrucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche; ein Messaufnehmergehäuse mit einem Gehäusekörper, welcher eine vorzugsweise im Wesentlichen ebene Anschlussfläche aufweist, und welcher in seinem Innern eine Sensorkammer aufweist, worin der Differenzdrucksensor angeordnet ist, wobei sich von der Anschlussfläche ein erster Mediendruckkanal und ein zweiter Mediendruckkanal in die Sensorkammer erstrecken, wobei die erste Mediendrucköffnung mit dem ersten
Mediendruckkanal druckdicht hydraulisch gekoppelt ist, und wobei die zweite
Mediendrucköffnung mit dem zweiten Mediendruckkanal druckdicht hydraulisch gekoppelt ist; und eine Betriebsschaltung zum Betreiben der elektrischen Wandler, und zum Bereitstellen mindestens eines Messwerts, der von der Differenz zwischen einem in der ersten
Messzellenkammer herrschenden ersten Druck und einem in der zweiten
Messzellenkammer herrschenden zweiten Druck abhängt.
1 1. Differenzdruckmessaufnehmer nach Anspruch 10, wobei die beiden Mediendrucköffnungen jeweils über ein Kapillarrohr mit dem jeweiligen Mediendruckkanal gekoppelt sind.
12. Differenzdruckmessaufnehmer, nach Anspruch 10 oder 1 1 , weiterhin umfassend mindestens eine erste Trennmembran, welche die Mündung des ersten Mediendruckkanals in der Anschlussfläche überdeckt und entlang einer umlaufenden Fügestelle unter Bildung einer ersten Trennmembrankammer druckdicht mit dem
Gehäusekörper verbunden ist, wobei vorzugsweise weiterhin eine zweite Trennmembran die Mündung des zweiten Mediendruckkanals in der Anschlussfläche überdeckt und entlang einer umlaufenden Fügestelle unter Bildung einer zweiten Trennmembrankammer druckdicht mit dem Gehäusekörper verbunden ist.
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