WO2021121969A1 - Differenzdruckmessaufnehmer - Google Patents
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- WO2021121969A1 WO2021121969A1 PCT/EP2020/084110 EP2020084110W WO2021121969A1 WO 2021121969 A1 WO2021121969 A1 WO 2021121969A1 EP 2020084110 W EP2020084110 W EP 2020084110W WO 2021121969 A1 WO2021121969 A1 WO 2021121969A1
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- 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
- G01L13/026—Devices or apparatus for measuring differences of two or more fluid pressure values using elastically-deformable members or pistons as sensing elements using diaphragms involving double diaphragm
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- G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
- G01L19/06—Means for preventing overload or deleterious influence of the measured medium on the measuring device or vice versa
- G01L19/0618—Overload protection
Definitions
- the invention relates to a differential pressure measuring transducer for determining the differential pressure of two pressures.
- the transducer according to the invention is preferably used in the field of automation technology.
- Differential pressure measuring devices are used in particular for the continuous measurement of pressure differences in measuring media, e.g. in liquids, vapors, gases and dusts.
- the level of a product in a container or the flow of a measuring medium through a pipe can be determined from the differential pressure.
- a silicon chip is usually used as the pressure-sensitive element.
- a differential pressure measuring transducer preferably works in a range that is close to a critical limit value for the pressure (nominal pressure). If the critical limit value is exceeded, there is a risk that the chip will be destroyed. Since silicon chips in particular have a relatively low overload resistance, an overload protection device is usually assigned to a differential pressure measuring transducer. This is preferably designed in such a way that it impairs the measurement sensitivity and the measurement accuracy of the pressure-sensitive element as little as possible.
- a pressure differential measuring device which has a pressure measuring sensor device which is protected from overload.
- the measuring device has a central receiving body, which forms a pressure chamber on two opposite sides between a membrane bed and a separating membrane.
- an additional pressure chamber is provided, which is delimited by a pretensioned overload membrane.
- a measuring chamber is also located inside the receiving body, which is divided into two sub-chambers by the pressure measuring sensor device. Each of the two sub-chambers of the measuring chamber is connected to one of the two antechambers via a connecting channel. Each of the two connecting channels is connected to one of the two additional chambers via an additional channel.
- the converter chamber is integrated into the measuring mechanism in the case of the German patent application.
- WO 2018/165122 A1 has disclosed a coplanar differential pressure measuring transducer in which the pressure inputs with separating diaphragm and overload diaphragm are in one plane - namely in the one facing the process
- End area - are arranged and not on opposite, parallel planes as in the aforementioned German patent application. It is a so-called double membrane system.
- the advantage of double diaphragm systems is the significantly lower oil volume that is required for the hydraulic operation of the differential pressure sensor.
- Central membrane welding can be dispensed with, so that the measuring mechanism can be made in one piece.
- the overload protection is also arranged in the measuring mechanism in this known solution, i.e. the crossed capillaries are located in the measuring mechanism.
- the converter chamber is placed directly on the measuring mechanism or integrated into the measuring mechanism.
- the known solutions have several disadvantages: Since the crossed hydraulic pressure feedthroughs are arranged in the measuring mechanism, for example with the known coplanar design, for the purpose of oil filling, bores exposed from the outside are required, which are closed after filling. The locking areas are potential corrosion weak points. In addition, the bores are quite long, which has a negative effect on manufacturing costs. Long bores also inevitably require a larger oil volume, which in turn makes it more difficult to implement overload protection in the measuring mechanism. Since defined distances between the pressure feedthroughs have to be maintained, there are limits to minimizing the dimensions of the measuring mechanism.
- the invention is based on the object of proposing a pressure measuring transducer with overload protection and reduced oil volume.
- oil volume is selected at this point, as the hydraulic transmission fluid is usually a highly viscous oil, e.g. a silicone oil.
- a differential pressure measuring transducer for determining the differential pressure of two pressures with a measuring mechanism and a transducer chamber, with a coplanar at or in an end area of the measuring mechanism facing the process
- Double membrane system with two double membranes is provided and a differential pressure measuring cell with a pressure-sensitive element is arranged in the converter chamber.
- the two double membranes each consist of a separating membrane and an overload membrane arranged behind the separating membrane in the direction of the pressure effect.
- a first pressure chamber is formed between the first separating membrane and the first overload membrane and a first additional pressure chamber is formed between the first overload membrane and the base body.
- a second pressure chamber is formed between the second separating membrane and the second overload membrane and a second additional pressure chamber is formed between the second overload membrane and the base body.
- a first connection capillary or a second connection capillary is assigned to the first and the second pressure chamber; the first additional pressure chamber or the second additional pressure chamber is assigned a first or a second auxiliary capillary.
- the pressure-transmitting coupling between the first auxiliary capillary and the second connection capillary or between the second auxiliary capillary and the first connection capillary is located in the transducer chamber. The two pressures are transferred hydraulically to the differential pressure measuring cell via the connection capillary - protected against overpressure.
- intersections of the capillaries are arranged in the transducer chamber.
- the connection / crossing thus takes place in the converter chamber.
- the measuring mechanism Simple and symmetrical or fully symmetrical construction of the measuring mechanism, cost savings in the measuring mechanism, in particular through material savings (small dimensions) and as a result of simplified production and processing, since the transverse bores in the larger-sized measuring mechanism are omitted; the smaller capillaries can, for example, be manufactured inexpensively by drilling or eroding;
- the filling takes place - according to a preferred embodiment described in more detail below - via at least one filling opening in the converter chamber.
- the filling opening which is susceptible to corrosion, or the filling cap on the measuring mechanism, which is susceptible to corrosion, is omitted.
- it can also be filled using the measuring mechanism.
- It may also be useful to have two filling openings or access points: one on the measuring mechanism and one on the converter chamber. Due to the reduced oil volume, the measurement error caused by the temperature gradient is smaller. Furthermore, due to the smaller oil volume, smaller membranes are also possible, which is important for the realization of a coplanar sensor.
- the invention ensures that overpressure occurring on one side on the coplanar double membrane system is so limited when the pressure-sensitive element is reached that destruction of the pressure-sensitive element is excluded.
- the overload diaphragms are pretensioned in such a way that they rest essentially over the entire surface and form-fit or force-fit on the base body and only lift off the base body when a predetermined critical limit pressure is exceeded.
- at least one hydraulic channel is provided in the membrane beds and / or in the corresponding rear sides of the overload membranes. This ensures that the overload or overpressure protection is only activated when the pressure to be measured is so high that there is a risk of the pressure-sensitive element being destroyed.
- a process membrane / separating membrane that can be used in conjunction with the solution according to the invention is described, for example, in US Pat. No. 10,656,039 B2.
- the measuring pressure reaches the pressure chambers, the correspondingly coupled auxiliary and connecting capillaries to the corresponding additional pressure chamber and to the plus or minus side of the pressure-sensitive element.
- the overload membranes and the pressure-sensitive element are parallel.
- the deflection of the overload membranes is forcibly prevented as a result of their pre-tensioning up to a predetermined value or is so small that it can be neglected.
- the preload is designed so that it is larger than the measuring range of the differential pressure transducer. In particular, it is ensured that this condition occurs during the entire service life of the differential pressure measuring transducer applies, so that aging effects cannot have a negative effect on the measurement performance.
- the pressure-sensitive element receives the pressure information for the via the second pressure chamber, the second auxiliary capillary and the first connecting capillary coupled to it
- the pressure-sensitive element receives the pressure information for the minus side via the first pressure chamber, the first auxiliary capillary and the second connecting capillary coupled to it. Due to the parallel connection, the pressures on the sides of the pressure-sensitive element also act on the back of the corresponding pretensioned overload diaphragms. The pressure-sensitive element deflects according to the applied differential pressure. The effect of the parallel paths via the additional pressure chambers is, by the way, almost negligible due to the pre-tensioned and form-fitting contact of the overload membranes on the housing of the measuring mechanism.
- the pretensioning of the overload diaphragms ensures that they are only deflected when a critical overpressure occurs on one of the double diaphragms, which would entail the risk of destroying the pressure-sensitive element.
- a critical overpressure occurs on the second separating membrane
- the second separating membrane is moved against the second overload membrane until it rests against the overload membrane.
- the bias of the first overload membrane is exceeded, it is deflected and the transfer fluid pushed out of the second pressure chamber is shifted into the first additional pressure chamber via the second auxiliary capillary and the first connecting capillary coupled to it.
- the pressure in the first additional pressure chamber and in the first pressure chamber which is operatively connected to it increases. This continues until the hydraulic fluid is shifted from the high pressure side to the low pressure side. Subsequently, the hydraulic pressure in the measuring mechanism can no longer rise and the pressure limitation, i.e. the overpressure protection, takes effect.
- the measuring mechanism and the converter chamber are not only separate components, but that the measuring mechanism and the converter chamber are also spatially separated or spaced apart from one another.
- the measuring mechanism and the measuring unit in the converter chamber are mechanically decoupled from one another.
- the separation is of course designed to be pressure-resistant and gas-tight. Due to the reduced oil volume, the measurement error caused by the temperature gradient is smaller. Furthermore, due to the smaller oil volume, smaller membranes are also possible, which is important for the realization of a coplanar sensor. Small membranes, on the other hand, are required for effective overload protection. This is very important for the implementation of the coplanar sensor, since it enables small measuring ranges. By small Measurement ranges, in turn, the control or deflection of the membranes can be kept low, which is associated with smaller measurement errors
- the capillaries advantageously run essentially parallel in the measuring mechanism and possibly in the space between the measuring mechanism and the transducer chamber.
- the capillaries are arranged at an angle of less than 90 °, preferably less than 45 °, to the longitudinal axis of the measuring mechanism or the differential pressure measuring transducer.
- the connecting and auxiliary capillaries are preferably capillary tubes which are connected to the measuring mechanism and the transducer chamber in a non-positive and gas-tight manner.
- the capillary tubes open into appropriately arranged and / or configured - that is, crossed - capillary bores. Due to the separation of the measuring mechanism and the converter chamber, it is also possible in a simple manner to implement an electrically isolated separation (Exd separation) between the two components - the measuring mechanism and the converter chamber. More on this later.
- the transducer chamber can have any shape, the main thing is that it is compact.
- the transducer chamber preferably has a cube shape or a cylindrical shape.
- At their end area facing the process there are two connecting and auxiliary capillaries, which are preferably arranged parallel to one another.
- the auxiliary capillaries are arranged in a parallel plane with respect to the connecting capillaries.
- an advantageous embodiment of the differential pressure measuring transducer proposes that the connecting capillaries and / or the auxiliary capillaries are designed and / or dimensioned in such a way that an overpressure above the specified critical limit pressure is balanced by means of the overload protection before the overpressure is transmitted to the differential pressure measuring cell.
- an advantageous embodiment of the differential pressure sensor according to the invention provides that in an end area of the converter chamber facing away from the process, in particular in the front area of the converter chamber facing away from the process, at least one filling hole is arranged.
- This filling opening is used to fill the hydraulically communicating components with a hydraulic transmission fluid, usually a highly viscous silicone oil.
- Two filling bores are preferably provided, which are arranged as an extension of the bores of the connecting capillaries parallel to the longitudinal axis of the differential pressure measuring transducer, the filling bores being closed gas-tight or at least liquid-tight by means of a closure element after filling. For example, it is a ball that is pressed into the bore and then welded.
- An advantageous embodiment of the differential pressure measuring transducer according to the invention provides that the connecting and auxiliary capillaries, which are preferably capillary tubes, are designed in such a way that they electrically isolate the transducer chamber from the measuring mechanism.
- the electrical separation is preferably realized in that the connecting capillaries and the auxiliary capillaries are at least partially provided with a ceramic insulating body or an insulating glazing and are fastened via a soldered connection or a glazing in the corresponding bores of the measuring mechanism or the converter chamber.
- the ceramic insulating body or the insulating glazing can thus be provided in the converter chamber and / or in the measuring mechanism and / or in the space between the measuring mechanism and the converter chamber. Electrical insulation in the space between the measuring mechanism and the transducer chamber is preferably achieved in that the ceramic insulating body or the insulating glazing are each integrated as an intermediate piece in the connecting or auxiliary capillaries designed as small tubes. This makes it possible to separate earth and ground (circuit zero point; Ue) and to achieve the following advantages for current feedthrough:
- the previously required insulating ceramic base in the converter chamber can be omitted;
- the pressure-sensitive element is a silicon chip; the differential pressure is determined using a capacitive or resistive measuring method. It is also provided that the electrical connection pins or connection lines from the electrical converter are guided in a gas-tight manner through one of the end regions of the converter chamber facing away from the process in the direction of an electronics board. This is preferably done via glass feedthroughs. Since the converter chamber is electrically isolated from the measuring mechanism, the glass feedthroughs can be smaller and are therefore more pressure-resistant. The aim is, for example, a compressive strength in the range of 1500-2000bar. Smaller glazing elements also enable more PINs to be accommodated in the same space. This may also mean less oil volume.
- the converter chamber is designed in such a way that the same transfer fluid or oil volumes are present on the low-pressure side and the high-pressure side.
- An equalization of the oil volumes on the high pressure and low pressure side can be achieved, for example, by creating a corresponding additional volume by enlarging or lengthening one of the bores.
- a corresponding pressure-sensitive element for measuring the static pressure is provided in the converter chamber.
- the pressure-sensitive element for measuring the differential pressure and the pressure-sensitive element for measuring the static pressure are stacked on top of one another.
- the advantages of the aforementioned reduction in the size of the PINs comes into play: Since the glazing of the PINs is smaller, the four additional PINs, which provide the measured values of the static pressure element, can be accommodated in the converter chamber without enlarging them got to.
- the arrangement of the PINs is dealt with in more detail below in the description of the figures. Of course, it is also possible to arrange the pressure-sensitive element for measuring the differential pressure and the pressure-sensitive element for measuring the static pressure next to one another.
- Fig. 1a the embodiment shown in Fig. 1 in a partially exploded view
- Fig. 2 an exploded view of a preferred embodiment of the converter chamber
- 3 a view of the connections / crossings of the capillaries in the interior of the transducer chamber according to an advantageous embodiment
- FIG. 5 a plan view according to the marking A in FIG. 4,
- 6a-6c schematic representation of the course of the capillaries for pressure transmission with clarification of the mode of operation of the overload protection
- FIG. 1 shows a partial view of some of the components which are arranged in a pressure-tight or gas-tight unit, consisting of process connection 21 and housing adapter 22, according to an embodiment of the differential pressure measuring transducer 1 according to the invention.
- Fig. 1a shows the embodiment shown in Fig. 1 in a partially exploded view.
- 4 shows a further longitudinal section through the process connection 21 with the housing adapter 22 welded on.
- the differential pressure measuring transducer 1 is connected or can be connected to a customer connection 39 via the process connection 21.
- the measuring chamber 2 is arranged in the process connection 22.
- the measuring chamber 2 has a coplanar double membrane system which consists of two double membranes 4a, 4b lying in one plane.
- the process pressures p1 and p2 are applied to the separating diaphragms 5a, 5b of the double diaphragm system 4.
- the measuring mechanism 2 is preferably configured symmetrically, preferably fully symmetrically, which in particular brings with it the advantages already mentioned above.
- the structure of the double membrane system 4 described below is shown schematically in FIGS. 6a-6c.
- Both double membranes 4a, 4b each consist of a separating membrane 5a, 5b and an overload membrane 6a, 6b arranged behind the separating membrane 5a, 5b in the direction of the pressure effect.
- a first pressure chamber 7a Between the first separating diaphragm 5a and the first overload diaphragm 6a there is a first pressure chamber 7a and between the first overload diaphragm 6a and the main body 9 there is a first pressure chamber
- a second pressure chamber 7b is located between the second separating membrane 5b and the second overload membrane 6b, and a second additional pressure chamber 8b is formed between the second overload membrane 6b and the base body 9.
- the first pressure chamber 7a and the second pressure chamber 7b is a first connection capillary 10a and a second, respectively
- connection capillary 10b; the first auxiliary pressure chamber 8a and the second auxiliary pressure chamber 8b are assigned a first auxiliary capillary 11a and a second auxiliary capillary 11b, respectively.
- the pressure-transmitting coupling / crossing between the first auxiliary capillary 11a and the second connection capillary 10b or between the second auxiliary capillary 11b and the first connection capillary 10a can be found in the converter chamber 3.
- the crossed guides of the capillary bores 18 for the purpose of compensating for an overpressure that could possibly damage the pressure-sensitive element 13 are implemented in the converter chamber 3 - and not in the measuring mechanism 2 - in contrast to all previously known solutions.
- the two pressures p1, p2 are hydraulically transmitted to the differential pressure measuring cell 12 and to the pressure-sensitive element 13 via the double membrane system and the connecting capillaries 10a, 10b - protected against excess pressure by the crossing auxiliary capillaries 11a, 11a.
- all pressure-transmitting components in the interior of the differential pressure measuring transducer 1 are filled with a hydraulic transmission fluid 16, in particular a highly viscous silicone oil.
- Measuring mechanism 2 and converter chamber 3 can be arranged spatially separated from one another.
- the connecting capillaries 10a, 10b and the auxiliary capillaries 11a, 11b are in Measuring mechanism 2 or in the converter chamber 3 designed as capillary bores.
- the hydraulic connection paths are implemented via appropriately arranged capillary tubes 17.
- the capillary tubes 17 are connected to the corresponding capillary bores of the measuring mechanism 2 and traveling chamber 3 in a pressure-tight or gas-tight manner.
- the mode of operation of the overload protection can be clearly seen in FIG. 6c.
- the pressure transmission and the limitation of the overpressure to a level that does not damage or destroy the pressure-sensitive element 13 work in parallel in the solution according to the invention, with pressure-dynamically ensuring that the overpressure PeÜL is limited before it reaches the pressure measuring cell 12.
- the overpressure PeÜL is limited by means of a correspondingly predetermined pretensioning of the overload membranes 6a, 6b. These are pretensioned in such a way that in normal measuring operation they rest approximately over the entire surface and form-fit on the housing of the base body 9 and only lift off the base body 9 when the predetermined critical limit pressure is exceeded. The intactness of the pressure-sensitive element is ensured up to this limit pressure.
- an overpressure PeÜL occurs on one side of the second separating membrane 5b. Without the protective device according to the invention, the overpressure PeÜL would be transmitted to the pressure-sensitive element 13. Due to the one-sided overload, there would be the risk that the pressure-sensitive element 13, which is usually designed as a silicon chip, is destroyed. This danger is averted by a bypass.
- the bypass consists of the
- Auxiliary capillaries 11a, 11b which cross with the connecting capillaries 10a, 10b in the measuring mechanism 2 and direct the pressure or any excess pressure that occurs to the rear of the overload membranes 6a, 6b.
- the path that the overpressure PeÜL takes through the capillary system is symbolized in Fig. 6b and Figl 6c by arrows:
- the overpressure PeÜL is hydraulically via the auxiliary capillary 11b to the connecting capillary 10a and from there to the back of the overload membrane 6a of the first double membrane 4a transferred.
- the overpressure PeÜL is transmitted to the overload diaphragm 6b via the pressure chamber 7b. Since this is already applied to the housing 9, the pressure does not reach the pressure-sensitive element 13 via the connection capillary 10b.
- the overpressure PeÜL is passed to the pressure chamber 7a via the pressure chamber 7b, the auxiliary capillary 11b, the connection capillary 10a, the additional pressure chamber 8a and the overload membrane 6a .
- Overload membrane 6a and separating membrane 5a are deflected and the additional pressure chamber 8a and the Pressure chambers 7a receive the transfer fluid 16 displaced from the high pressure side 4b until the separating membrane 5b rests on the overpressure membrane 6b. A further increase in pressure is then no longer possible.
- the pressure which is always below the critical limit value, is also applied to the plus side of the pressure-sensitive element 13.
- the connecting capillaries 10a, 10b, as well as the auxiliary capillaries 11a, 11b preferably have correspondingly adapted capillary geometries that point in the direction of of the pressure-sensitive chip 13 perform a braking function.
- the connecting and auxiliary capillaries 10a, 10b, 11a, 11b in the measuring mechanism 2 and in the converter chamber 3, which are usually designed as bores, are suitably dimensioned in terms of length and diameter.
- dynamic brakes 18 connected upstream are also provided.
- the dynamic brakes 18 can be sintered metal inserts. When the differential pressure measuring transducer 1 is used in the hazardous area, the dynamic brakes 18 are made of a non-conductive material. In this case, the dynamic brakes 18 then fulfill a double function: a decelerated one
- connection / crossing of the capillary bores in the converter chamber 3 is shown in accordance with an advantageous embodiment of the invention in FIGS.
- FIGS. 7, 7a, 7b and 7c shown in different views and sections. Further information on the course of the capillary bores in the converter chamber 3 can be found in FIGS. 8, 8a and 8b. In addition, the position of the ends of the filling bores 14a, 14b in the end region of the converter chamber 3 facing away from the process can be seen, for example, from FIGS. 7, 7b and 5.
- the filling bores 14a, 14b are preferably arranged as an extension of the connecting capillaries 10a, 10b and, if applicable, the corresponding capillary tubes 17.
- FIG. 2 shows an exploded view of a cube-shaped configuration of the differential pressure measuring cell 12 and visualizes how individual components of the differential pressure measuring cell 12 are arranged in the converter chamber 3.
- An insulating base 31, for example a ceramic base or a glass base, is connected to the bottom surface of a recess in the converter chamber 3 via a suitable adhesive 30.
- the pressure measuring cell 12 which preferably has a silicon chip as a pressure-sensitive element 13, is connected to the insulating base 31 by means of an adhesive 32.
- a filling body 33 is provided which encloses the pressure measuring cell 12 as closely as possible in the side area.
- the filling body 33 is closed with a cover 34.
- the converter chamber 3 is closed to the outside with a closure cap 34 for the current feed-through 23.
- the insulation of the silicon chip 13 takes place via the insulating base 31, which has a thickness d> 0.5 mm, for example for reasons of explosion protection.
- the filling body 33 with cover 34 which is made, for example, of a suitable plastic, takes over the insulation of the silicon chip 13 and its bond connections 24.
- connection capillaries 10a designed as capillary tubes 17
- FIGS. 9 show representations of advantageous variants of how the electrical insulation between the measuring mechanism 2 and the converter chamber 3 can be implemented by means of insulation elements, preferably insulation tubes 40, adapted in or on the capillary tubes 17.
- insulation elements preferably insulation tubes 40
- the glued-in insulating base 31 in the converter chamber 3 can be dispensed with.
- the electrical insulation by means of insulating tubes 40 between measuring mechanism 2 and converter chamber 3 takes place in the area of capillary tubes 17 between the corresponding connecting capillaries 10a, 10b and auxiliary capillaries 11a, 11b, or at the transition from capillary tubes 17 to measuring mechanism 2 or to converter chamber 3.
- the electrically insulating insulating tubes 40 can be implemented in the converter chamber 3 (FIG. 9a), in the intermediate area between the converter chamber 3 and the measuring mechanism 2 (FIG. 9c) or in the measuring mechanism 2 (FIG. 9b).
- An Exd separation is preferably achieved through the insulation; thus the differential pressure measuring transducer 1 according to the invention can also be used in areas at risk of explosion.
- FIG. 10 shows a longitudinal section through a schematically illustrated differential pressure measuring transducer 1. Furthermore, the different zones AG to which the differential pressure measuring transducer 1 is exposed are listed in FIG. 10. Since the zones are listed by name in FIG. 10, a repetition is dispensed with at this point.
- the circled numbers schematically document components that characterize the basic structure of the differential pressure measuring transducer 1 according to the invention: ⁇ Internal volume, which may be filled with a potting compound
- FIG. 11a to 11f show different views of a preferred embodiment of the converter chamber 3. The figures are self-explanatory.
- Figures 12a-12d show different views and sections through a converter chamber 3 with an integrated unit or a pressure measuring cell 27 for compensating for the static pressure pstat.
- a further pressure-sensitive element 27 is stacked above the differential pressure measuring cell 12.
- the static pressure is recorded via the pressure measuring cell 27.
- the information about the static pressure (absolute pressure meter) is used to increase the measuring accuracy of the differential pressure sensor 1.
- connection pins 26 for the differential pressure measuring cell 12 with the pressure-sensitive element 13 and the pressure measuring cell 27 arranged above it for determining the static pressure.
- the PINs 26 are preferably to be found symmetrically in the edge region of the two pressure measuring cells 12, 27, which are preferably stacked one on top of the other.
- the PINs 26 either all end in one plane or in parallel planes. Two of the eight Pins 26 can be soldered in because they are at ground / housing potential.
- PIN 7 or PIN 8 can jointly form the mass, so that one of the PINs 21 can be saved.
- the PINs 21 are arranged or spaced apart so that there is sufficient dielectric strength both from PIN 21 to PIN 21 and from PIN 21 to the housing of converter chamber 3. Since the oil volume is smaller, the smaller the interior of the converter chamber 3, the interior preferably has a diameter of ⁇ 10mm, in particular ⁇ 8mm.
- FIG. 12 b shows a longitudinal section through the pressure measuring cells 12, 27 stacked on top of one another.
- the pins 26 are guided through the electrical feedthrough 23 in a manner isolated from one another.
- the electrical feedthrough 23 is designed to be pressure-resistant and gas-tight or liquid-tight.
- the pins 26 are either soldered in or glazed in. Alternatively, they are pressed in or pulse welded.
- the differential pressure measuring cell 12 with the bonding wires 24 is embedded as closely as possible in the filler body 33 and the filler body cap 37.
- the filler cap 37 has a recess for receiving the chip / the pressure measuring cell 27 for the static pressure.
- the closure cap 35 follows an insulating film 38.
- FIG. 12c shows a cross section in the area of the differential pressure measuring cell 13
- FIG. 12d shows a section in the area of the chip 25 for measuring the static pressure.
- FIGS. 13a-c show the basic circuit structure of two resistance bridges for determining the differential pressure (1.2) and for determining the static pressure (1.1). The measured values are fed to an electronic circuit board 36 for further processing.
- 13a-13c show the basic connection diagrams of the two Si chips 12, 27.
- a maximum of 8 PINs 26 are required (FIG. 13a); a minimum of six PINs 26 are required (FIG. 13b). In this case, the minus and plus sides are combined.
- the variant with seven PINs 26 represents an interim solution (FIG. 13c). This has a separate plus supply, but a common ground. The advantage of using a smaller number of PINs 26 is clearly that space can be saved.
- the PINs 26 for the ground connection can also be designed as a direct connection between the corresponding PIN 26 or the corresponding PINs 26 and the conductive housing (metal housing). The connection can be made by soldering, pressing or welding.
- a common PIN 26 can also be used for the ground connection.
- 14 shows a plan view of a filling body 33, in which the pressure measuring cell 12 and the pressure measuring cell 27 for the static pressure are arranged in one plane. The distances between the pins - only the recesses 38 for the pins from the current feedthrough can be seen in FIG. 14 - are selected in such a way that galvanic separation is ensured.
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- Measuring Fluid Pressure (AREA)
Abstract
Differenzdruckmessaufnehmer (1) zur Bestimmung des Differenzdrucks von zwei Drücken (p1, p2) mit einem Messwerk (2) und einer Wandlerkammer (3), wobei an oder in einem dem Prozess zugewandten Endbereich (14) des Messwerks (2) ein koplanares Doppelmembransystem (4) mit zwei Doppelmembranen (4a, 4b) vorgesehen ist und wobei in der Wandlerkammer (3) eine Differenzdruckmesszelle (12) mit einem drucksensitiven Element (13) angeordnet ist, wobei die beiden Doppelmembranen (4a, 4b) jeweils aus einer Trennmembrane (5a, 5b) und einer in Richtung der Druckwirkung hinter der Trennmembrane (5a, 5b) angeordneten Überlastmembrane (6a, 6b) bestehen, wobei zwischen der ersten Trennmembrane (5a) und der ersten Überlastmembrane (6a) eine erste Druckkammer (7a) und zwischen der ersten Überlastmembrane (6a) und dem Grundkörper (9) eine erste Zusatzdruckkammer (8a) ausgebildet ist, wobei zwischen der zweiten Trennmembrane (5b) und der zweiten Überlastmembrane (6b) eine zweite Druckkammer (7b) und zwischen der zweiten Überlastmembrane (6b) und dem Grundkörper (9) eine zweite Zusatzdruckkammer (8b) ausgebildet ist, wobei der ersten Druckkammer (7a) bzw. der zweiten Druckkammer (7b) eine erste Verbindungskapillare (10a) bzw. eine zweite Verbindungskapillare (10b) zugeordnet ist und wobei der ersten Zusatzdruckkammer (8a) bzw. der zweiten Zusatzdruckkammer (8b) eine erste Hilfskapillare (11a) bzw. eine zweite Hilfskapillare (11b) zugeordnet ist, wobei eine druckübertragende Kopplung zwischen der ersten Hilfskapillare (11a) und der zweiten Verbindungskapillare (10b) bzw. zwischen der zweiten Hilfskapillare (11b) und der ersten Verbindungskapillare (10a) in der Wandlerkammer (3) angeordnet ist, und wobei die beiden Drücke (p1, p2) über die Verbindungskapillare (10a, 10b) - gegen Überdruck geschützt - hydraulisch zu der Differenzdruckmesszelle (12) übertragen werden.
Description
Differenzdruckmessaufnehmer
Die Erfindung betrifft einen Differenzdruckmessaufnehmer zur Bestimmung des Differenzdrucks von zwei Drücken. Bevorzugt wird der erfindungsgemäße Aufnehmer im Bereich der Automatisierungstechnik eingesetzt.
Differenzdruckmessgeräte dienen insbesondere zur kontinuierlichen Messung von Druckdifferenzen in Messmedien, z.B. in Flüssigkeiten, Dämpfen, Gasen und Stäuben. Aus dem Differenzdruck kann z.B. der Füllstand eines Füllguts in einem Behälter oder der Durchfluss eines Messmediums durch eine Rohrleitung ermittelt werden.
Als drucksensitives Element wird üblicherweise ein Silizium-Chip verwendet. Um eine gute Messempfindlichkeit zu erreichen, arbeitet ein Differenzdruckmessaufnehmer bevorzugt in einem Bereich, der in der Nähe eines kritischen Grenzwertes für den Druck (Nenndruck) liegt. Wird der kritische Grenzwert überschritten, besteht die Gefahr, dass der Chip zerstört wird. Da insbesondere Silizium-Chips eine relativ geringe Überlastfestigkeit aufweisen, ist einem Differenzdruckmessaufnehmer üblicherweise ein Überlastschutz zugeordnet. Dieser ist bevorzugt so ausgestaltet, dass er die Messempfindlichkeit und die Messgenauigkeit des drucksensitiven Elements möglichst wenig beeinträchtigt.
Aus der DE 3 222 620 A1 ist ein Druckdifferenzmessgerät bekannt geworden, das eine vor Überlastung geschützte Druckmessaufnehmereinrichtung aufweist. Das Messgerät hat einen zentralen Aufnahmekörper, der an zwei gegenüberliegenden Seiten zwischen einem Membranbett und einer Trennmembrane jeweils eine Druckkammer ausbildet. In dem Aufnahmekörper ist jeweils hinter der vom Membranbett abgewandten Seite eine Zusatzdruckkammer vorgesehen, die durch eine vorgespannte Überlastmembrane begrenzt wird. Innerhalb des Aufnahmekörpers befindet sich weiterhin eine Messkammer, die durch die Druckmessaufnehmereinrichtung in zwei Teilkammern unterteilt ist. Jede der beiden Teilkammern der Messkammer ist über jeweils einen Verbindungskanal mit einer der beiden Vorkammern verbunden. Über jeweils einen Zusatzkanal ist jeder der beiden Verbindungskanäle an eine der beiden Zusatzkammern angeschlossen.
Ist das Gerät einem Differenzdruck unterhalb oder im Bereich des Differenzdruck- Nennwertes ausgesetzt, dann wird dieser Differenzdruck der
Druckmessaufnehmereinrichtung über die Verbindungskanäle übermittelt. Die Überlastmembranen entfalten keine Wirkung. Übersteigt die Druckdifferenz infolge einer Überlast den Druckdifferenz-Nennwert um einen vorgegebenen Wert, dann wird bei der Trennmembrane auf der Hochdruckseite die unter ihr befindliche Druckvermittler- Flüssigkeit in die ihr zugeordnete Vorkammer gedrückt. Die herausgedrückte Flüssigkeit
gelangt über den Verbindungskanal und den Zusatzkanal zur Überlastmembrane auf der Niederdruckseite und veranlasst diese, sich abzuheben. Somit befindet die sich auf der Hochdruckseite unter der Trennmembrane herausgedrückte Flüssigkeit im Überlastfall unter der sich abhebenden Überlastmembrane auf der Niederdruckseite. Eine Überlastung der Druckmessaufnehmereinrichtung wird folglich vermieden. Die
Wandlerkammer ist bei der Deutschen Patentanmeldung in das Messwerk integriert.
Aus der WO 2018/165122 A1 ist ein koplanar aufgebauter Differenzdruckmessaufnehmer bekannt geworden, bei dem die Druckeingänge mit Trennmembrane und Überlastmembrane in einer Ebene - und zwar in dem dem Prozess zugewandten
Endbereich - angeordnet sind und nicht auf gegenüberliegenden, parallelen Ebenen wie in der zuvor genannten Deutschen Patentanmeldung. Es handelt sich um ein sog. Doppelmembransystem. Der Vorteil bei Doppelmembransystemen liegt in dem deutlich geringeren Ölvolumen, das für den hydraulischen Betrieb des Differenzdruckmessaufnehmers benötigt wird. Zudem kann hier auf die druckbelastete
Mittenmembranschweißung verzichtet werden, so dass das Messwerk einteilig ausgeführt werden kann. Ebenso wie bei der zuvor genannten Patentanmeldung ist auch bei dieser bekannten Lösung der Überlastschutz im Messwerk angeordnet, d.h. die gekreuzten Kapillaren befinden sich im Messwerk. Die Wandlerkammer ist unmittelbar auf das Messwerk aufgesetzt bzw. in das Messwerk integriert.
Die bekannten Lösungen haben mehrere Nachteile: Da die gekreuzten hydraulischen Druckdurchführungen im Messwerk angeordnet sind, sind z.B. bei der bekannten Koplanar-Ausführung zwecks Ölbefüllung von außen freiliegenden Bohrungen erforderlich, die nach der Befüllung verschlossen werden. Die Verschlussbereiche sind potenzielle Korrosionsschwachstellen. Außerdem sind die Bohrungen ziemlich lang, was sich negativ auf die Fertigungskosten auswirkt. Lange Bohrungen erfordern zudem zwangsläufig ein größeres Ölvolumen, was wiederum die Umsetzung des Überlastschutzes im Messwerk erschwert. Da definierte Abstände zwischen den Druckdurchführungen eingehalten werden müssen, sind einer Minimierung der Dimensionen des Messwerks Grenzen gesetzt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Druckmessaufnehmer mit Überlastschutz und reduzierten Ölvolumen vorzuschlagen. An dieser Stelle wird der Begriff “Ölvolumen“ gewählt, da es sich bei der hydraulischen Übertragungsflüssigkeit üblicherweise um ein hochviskoses Öl, z.B. ein Silikonöl, handelt.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Differenzdruckmessaufnehmer zur Bestimmung des Differenzdrucks von zwei Drücken mit einem Messwerk und einer Wandlerkammer, wobei an oder in einem dem Prozess zugewandten Endbereich des Messwerks ein koplanares
Doppelmembransystem mit zwei Doppelmembranen vorgesehen ist und wobei in der Wandlerkammer eine Differenzdruckmesszelle mit einem drucksensitiven Element angeordnet ist. Die beiden Doppelmembranen bestehen jeweils aus einer T rennmembrane und einer in Richtung der Druckwirkung hinter der T rennmembrane angeordneten Überlastmembrane. Zwischen der ersten Trennmembrane und der ersten Überlastmembrane ist eine erste Druckkammer und zwischen der ersten Überlastmembrane und dem Grundkörper eine erste Zusatzdruckkammer ausgebildet. Weiterhin ist zwischen der zweiten Trennmembrane und der zweiten Überlastmembrane eine zweite Druckkammer und zwischen der zweiten Überlastmembrane und dem Grundkörper eine zweite Zusatzdruckkammer ausgebildet. Der ersten bzw. der zweiten Druckkammer ist eine erste Verbindungskapillare bzw. eine zweite Verbindungskapillare zugeordnet; der ersten Zusatzdruckkammer bzw. der zweiten Zusatzdruckkammer ist eine erste bzw. eine zweite Hilfskapillare zugeordnet. Die druckübertragende Kopplung zwischen der ersten Hilfskapillare und der zweiten Verbindungskapillare bzw. zwischen der zweiten Hilfskapillare und der ersten Verbindungskapillare befindet sich in der Wandlerkammer. Die beiden Drücke werden über die Verbindungskapillare - gegen Überdruck geschützt - hydraulisch zu der Differenzdruckmesszelle übertragen.
Es bestehen vier Druckverbindungen zwischen Messwerk und Wandlerkammer. Die gekreuzten hydraulischen Druckübertragungskapillaren bzw. die Verbindungen /
Kreuzungen der Kapillaren sind erfindungsgemäß in der Wandlerkammer angeordnet. Die Verbindung / Kreuzung erfolgt somit in der Wandlerkammer. Die erfindungsgemäße Lösung hat folgende Vorteile: - Einteiliges Messwerk,
Einfacher und symmetrischer bzw. vollsymmetrischer Aufbau des Messwerks, Kosteneinsparung beim Messwerk, insbesondere durch Materialeinsparung (kleine Dimensionen) und infolge einer vereinfachten Fertigung und Bearbeitung, da die Querbohrungen im größer dimensionierten Messwerk entfallen; die kleineren Kapillaren können z.B. kostengünstig durch Bohren oder Erodieren hergestellt werden;
Reduktion des benötigten Ölvolumens, da die Befüllungsbohrungen und die Querbohrungen im Messwerk entfallen. Die Befüllung erfolgt - gemäß einer nachfolgend noch näher beschriebenen bevorzugten Ausgestaltung - über zumindest eine Befüllöffnung in der Wandlerkammer. Somit entfällt die korrosionsanfällige Befüllöffnung bzw. der korrosionsanfällige Befüllverschluss am Messwerk. Alternativ ist natürlich auch die Befüllung über das Messwerk möglich. Eventuell können auch zwei Befüllungsöffnungen bzw. - Zugänge sinnvoll sein: einer am Messwerk und einer an der Wandlerkammer.
Aufgrund des reduzierten Ölvolumens ist der Messfehler, der durch den Temperaturgradienten bedingt ist, geringer. Weiterhin sind infolge des kleineren Ölvolumens auch kleinere Membranen möglich, was für die Realisierung eines koplanaren Sensors wichtig ist. Kleine Membranen wiederum sind für einen effektiven Überlastschutz erforderlich. Für die Realisierung des koplanaren Sensors ist dies sehr wichtig, da hierdurch kleine Messbereiche ermöglicht werden. Durch kleine Messbereiche wiederum lässt sich die Ansteuerung bzw. die Auslenkung der Membranen gering halten, was einhergeht mit kleineren Messfehlern
Allgemein lässt sich sagen, dass es zum Schutz des drucksensitiven Elements gegen Überdruck erfindungsgemäß sichergestellt ist, dass ein einseitig auftretender Überdruck am koplanaren Doppelmembransystem bei Erreichen des drucksensitiven Elements so beschränkt ist, dass eine Zerstörung des drucksensitiven Elements ausgeschlossen ist.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich durch die nachfolgend genannten Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Differenzdruckmessaufnehmers.
Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Differenzdruckmessaufnehmers sind die Überlastmembranen derart vorgespannt, dass sie im Wesentlichen vollflächig und formschlüssig bzw. kraftschlüssig am Grundkörper anliegen und sich erst dann von dem Grundkörper abheben, wenn ein vorgegebener kritischer Grenzdruck überschritten wird. Ev. ist in den Membranbetten und/oder in den korrespondieren Rückseiten der Überlastmembranen zumindest ein hydraulischer Kanal vorgesehen. Somit ist sichergestellt, dass der Überlast- bzw. Überdruckschutz erst dann aktiviert wird, wenn der zu messende Druck so hoch ist, dass die Gefahr einer Zerstörung des drucksensitiven Elements besteht. Eine Prozessmembrane/Trennmembrane, die u.a. in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Lösung eingesetzt werden kann, ist z.B. in der US 10,656,039 B2 beschrieben.
Infolge der vollflächigen und bevorzugt formschlüssigen Anlage der Überlastmembranen am Messwerk gelangt der Messdruck über die Druckkammern, die entsprechend gekoppelten Hilfs- und Verbindungskapillaren zu der entsprechenden Zusatzdruckkammer und zu der Plus- bzw. der Minusseite des drucksensitiven Elements. Die Überlastmembranen und das drucksensitive Element liegen druckdynamisch gesehen parallel. Die Auslenkung der Überlastmembranen wird infolge ihrer Vorspannung bis zu einem vorgegebenen Wert zwangsweise verhindert bzw. ist so gering, dass sie vernachlässigt werden kann. Die Vorspannung ist so ausgelegt, dass sie größer als der Messbereich des Differenzdruckaufnehmers ist. Insbesondere ist sichergestellt, dass diese Bedingung während der gesamten Lebenszeit des Differenzdruckmessaufnehmers
gilt, so dass sich Alterungseffekte nicht negativ auf die Messperformance auswirken können.
Das drucksensitive Element erhält über die zweite Druckkammer, die zweite Hilfskapillare und die mit ihr gekoppelte erste Verbindungskapillare die Druckinformation für die
Plusseite. Über die erste Druckkammer, die erste Hilfskapillare und die mit ihr gekoppelte zweite Verbindungskapillare erhält das drucksensitive Element die Druckinformation für die Minusseite. Aufgrund der Parallelschaltung wirken die an den Seiten des drucksensitiven Elements anliegenden Drücke auch auf die Rückseite der entsprechenden vorgespannten Überlastmembranen. Das drucksensitive Element lenkt sich entsprechend dem anliegenden Differenzdruck aus. Die Wirkung der Parallelpfade über die Zusatzdruckkammern sind übrigens aufgrund der vorgespannten und formschlüssigen Anlage der Überlastmembranen am Gehäuse des Messwerks nahezu vernachlässigbar.
Durch die Vorspannung der Überlastmembranen ist sichergestellt, dass ihre Auslenkung erst erfolgt, wenn an einer der Doppelmembranen ein kritischer Überdruck auftritt, der die Gefahr der Zerstörung des drucksensitiven Elements mit sich bringen würde. Sobald beispielsweise an der zweiten Trennmembrane ein kritischer Überdruck auftritt, wird die zweite Trennmembrane gegen die zweite Überlastmembrane bewegt, bis sie an der Überlastmembrane anliegt. Bei Überschreiten der Vorspannung der ersten Überlastmembrane wird diese ausgelenkt, und die aus der zweiten Druckkammer herausgeschobene Übertragungsflüssigkeit wird über die zweite Hilfskapillare und die mit ihr gekoppelte erste Verbindungskapillare in die erste Zusatzdruckkammer verschoben. Der Druck in der ersten Zusatzdruckkammer und in der mit ihr in Wirkverbindung stehenden ersten Druckkammer steigt an. Dies geschieht solange, bis die Hydraulikflüssigkeit von der Hochdruckseite auf die Niederdruckseite verschoben ist. Nachfolgend kann der hydraulische Druck in dem Messwerk nicht mehr ansteigen und die Druckbegrenzung, also der Überdruckschutz, greift.
Weiterhin ist vorgesehen, dass das Messwerk und die Wandlerkammer nicht nur separate Komponenten sind, sondern dass das Messwerk und die Wandlerkammer auch räumlich voneinander getrennt bzw. beabstandet sind. Hierdurch sind das Messwerk und die Messeinheit in der Wandlerkammer mechanisch voneinander entkoppelt. Die Trennung ist natürlich druckfest und gasdicht ausgestaltet. Aufgrund des reduzierten Ölvolumens ist der Messfehler, der durch den Temperaturgradienten bedingt ist, geringer. Weiterhin sind infolge des kleineren Ölvolumens auch kleinere Membranen möglich, was für die Realisierung eines koplanaren Sensors wichtig ist. Kleine Membranen wiederum sind für einen effektiven Überlastschutz erforderlich. Für die Realisierung des koplanaren Sensors ist dies sehr wichtig, da hierdurch kleine Messbereiche ermöglicht werden. Durch kleine
Messbereiche wiederum lässt sich die Ansteuerung bzw. die Auslenkung der Membranen gering halten, was einhergeht mit kleineren Messfehlern
Vorteilhafterweise verlaufen die Kapillaren im Messwerk und ggf. im Zwischenraum zwischen dem Messwerk und der Wandlerkammer im Wesentlichen parallel. Alternativ ist es auch möglich, dass die Kapillaren unter einem Winkel kleiner 90°, bevorzugt kleiner 45°, zur Längsachse des Messwerks bzw. des Differenzdruckmessaufnehmers angeordnet sind.
Sind das Messwerk und die Wandlerkammer voneinander beabstandet, so handelt es sich bei den Verbindungs- und Hilfskapillaren bevorzugt um Kapillarröhrchen, die mit dem Messwerk und der Wandlerkammer kraftschlüssig und gasdicht verbunden sind. Die Kapillarröhrchen münden in der Wandlerkammer in entsprechend angeordnete und/oder ausgestaltete - also gekreuzte - Kapillarbohrungen. Aufgrund der Trennung von Messwerk und Wandlerkammer ist es darüber hinaus auch auf einfache Art und Weise möglich, eine elektrisch isolierte Trennung (Exd-Trennung) zwischen den beiden Komponenten - Messwerk und Wandlerkammer - zu realisieren. Hierzu später mehr.
Die Wandlerkammer kann eine beliebige Form aufweisen, Hauptsache es handelt sich um eine kompakte Form. Bevorzugt hat die Wandlerkammer eine Würfelform oder eine zylindrische Form. An ihrem dem Prozess zugewandten Endbereich finden sich je zwei Verbindungs- und Hilfskapillaren, die bevorzugt parallel zueinander angeordnet sind. Die Hilfskapillaren sind bezüglich der Verbindungskapillaren in einer parallelen Ebene angeordnet.
Um sicherzustellen, dass eine Überlast ausgeglichen wird, bevor sie das drucksensitive Element erreicht, schlägt eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Differendruckmessaufnehmers vor, dass die Verbindungskapillaren und/oder die Hilfskapillaren derart ausgestaltet und/oder dimensioniert sind, dass ein über dem vorgegebenen kritischen Grenzdruck liegender Überdruck mittels des Überlastschutzes ausgeglichen ist, bevor der Überdruck an die Differenzdruckmesszelle übertragen wird.
Da sich der Überlastschutz erfindungsgemäß in der Wandlerkammer und nicht - wie im Stand der Technik - im Messwerk befindet, sieht eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Differendruckmessaufnehmers vor, dass in einem vom Prozess abgewandten Endbereich der Wandlerkammer, insbesondere in dem vom Prozess abgewandten Stirnbereich der Wandlerkammer, zumindest eine Befüllbohrung angeordnet ist. Diese Befüllöffnung dient dazu, die hydraulisch miteinander kommunizierenden Komponenten mit einer hydraulischen Übertragungsflüssigkeit, üblicherweise einem hochviskosen Silikonöl, zu befüllen.
Bevorzugt sind zwei Befüllbohrungen vorgesehen, die in Verlängerung der Bohrungen der Verbindungskapillaren parallel zur Längsachse des Differenzdruckmessaufnehmers angeordnet sind, wobei die Befüllbohrungen mittels eines Verschlusselements nach dem Befüllen gasdicht bzw. zumindest flüssigkeitsdicht verschlossen werden. Beispielsweise handelt es sich um eine Kugel, die in die Bohrung eingepresst und anschließend verschweißt wird.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Differendruckmessaufnehmers sieht vor, dass die Verbindungs- und Hilfskapillaren, bei denen es sich bevorzugt um Kapillarröhrchen handelt, derart ausgestaltet sind, dass sie die Wandlerkammer elektrisch von dem Messwerk isolieren. Bevorzugt wird die elektrische Trennung dadurch realisiert, dass die Verbindungskapillaren und die Hilfskapillaren zumindest abschnittweise mit einem Keramikisolierkörper oder einer isolierenden Einglasung versehen sind, und über eine Lötverbindung oder eine Einglasung in den entsprechenden Bohrungen des Messwerks bzw. der Wandlerkammer befestigt sind.
Zwecks elektrischer Trennung kann der Keramikisolierkörper bzw. die isolierende Einglasung also in der Wandlerkammer und/oder im Messwerk und/oder im Zwischenraum zwischen Messwerk und Wandlerkammer vorgesehen sein. Eine elektrische Isolierung im Zwischenraum zwischen Messwerk und Wandlerkammer wird bevorzugt dadurch erreicht, dass der Keramikisolierkörper oder die isolierende Einglasung jeweils als Zwischenstück in den als Röhrchen ausgestalteten Verbindungs oder Hilfskapillaren integriert sind. Hierdurch ist es möglich, Erde und Masse zu trennen (Schaltungsnullpunkt; Ue) und folgende Vorteile für die Stromdurchführung zu erreichen:
Guarding für besseres EMV (elektromagnetisches Verhalten);
Geringerer bzw. kein Fremdspannungseinfluss;
Möglichkeit einen kapazitiven Siliziumchip einzusetzen, bei dem das Guarding eine Voraussetzung ist, dass nur geringere Störkapazitäten auftreten;
Der bislang erforderliche isolierende Keramiksockel in der Wandlerkammer kann entfallen;
Der volle oder partielle Ex-Schutzverguss in der Wandlerkammer kann entfallen. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen
Differendruckmessaufnehmers handelt es sich bei dem drucksensitiven Element um einen Siliziumchip; der Differenzdruck wird über ein kapazitives oder resistives Messverfahren ermittelt.
Weiterhin ist vorgesehen, dass die elektrische Verbindungspins bzw. Verbindungsleitungen von dem elektrischen Wandler gasdicht durch einen der vom Prozess abgewandten Endbereiche der Wandlerkammer in Richtung einer Elektronikplatine geführt sind. Bevorzugt erfolgt dies über Glasdurchführungen. Da die Wandlerkammer elektrisch von dem Messwerk isoliert ist, können die Glasdurchführungen kleiner ausfallen und sind somit druckfester. Ziel ist z.B. eine Druckfestigkeit im Bereich von 1500-2000bar. Kleinere Einglasungs-Elemente ermöglichen es darüber hinaus, dass auf gleichem Raum mehr PINs untergebracht werden können. Das bedeutet u.U. auch weniger Ölvolumen.
Um die Messgenauigkeit zu erhöhen, ist die Wandlerkammer so ausgestaltet ist, dass auf der Niederdruckseite und der Hochdruckseite gleiche Übertragungsflüssigkeits- bzw. Öl- Volumina vorhanden sind. Eine Angleichung der Ölvolumina auf der Hochdruck- und Niederdruckseite kann beispielweise dadurch erreicht werden, dass ein entsprechendes Zusatzvolumen durch eine Vergrößerung oder Verlängerung einer der Bohrungen geschaffen wird.
Um den Einfluss des statischen Drucks auf die Messwerte des
Differenzdruckmessaufnehmers zu erfassen und nachfolgend zu kompensieren, ist in der Wandlerkammer ein entsprechendes drucksensitives Element zur Messung des statischen Drucks vorgesehen. Um das Ölvolumen möglichst gering zu halten, sind das das drucksensitive Element zur Messung des Differenzdrucks und das drucksensitive Element zur Messung des statischen Drucks gestapelt übereinander angeordnet. Hier kommt nur der Vorteil der zuvor genannten Verkleinerung der PINs besonders zum Tragen: Da die Einglasungen der PINs kleiner ausfallen, können die vierZusatz-PINs, die die Messwerte des statischen Druckelements zur Verfügung stellen, in der Wandlerkammer untergebracht werden, ohne dass diese vergrößert werden muss. Die Anordnung der PINs wird nachfolgend in der Figurenbeschreibung noch ausführlicher abgehandelt. Selbstverständlich ist es auch möglich, das drucksensitive Element zur Messung des Differenzdrucks und das drucksensitive Element zur Messung des statischen Drucks nebeneinander anzuordnen.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 : eine Sicht auf den Innenraum des Gehäuseadapters bei einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Differenzdruckmessaufnehmers,
Fig. 1a: die in Fig. 1 gezeigte Ausgestaltung in teilweiser Explosionsdarstellung,
Fig. 2: eine Explosionsdarstellung einer bevorzugten Ausgestaltung der Wandlerkammer,
Fig. 3: eine Sicht auf die Verbindungen / Kreuzungen der Kapillaren im Innenraum der Wandlerkammer gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung,
Fig. 4: einen Längsschnitt durch den Prozessanschluss mit angeschweißtem Gehäuseadapter,
Fig. 5: eine Draufsicht gemäß der Kennzeichnung A in Fig. 4,
Fig. 6a - Fig. 6c: schematische Darstellung des Verlaufs der Kapillaren zur Druckübertragung mit Verdeutlichung der Wirkungsweise des Überlastschutzes,
Fig. 7 und Fig. 7a - Fig. 7c: unterschiedliche Darstellungen der Wandlerkammer, die u.a. die Verläufe der Kapillaren in der Wandlerkammer verdeutlichen,
Fig. 8a - Fig. 8c: unterschiedliche Darstellungen der Wandlerkammer, die u.a. die Verläufe der Kapillaren in der Wandlerkammer zeigen,
Fig. 9a - Fig. 9c: unterschiedliche Darstellungen vorteilhafter Varianten, wie die elektrische Isolierung zwischen Messwerk und Wandlerkammer angeordnet ist,
Fig. 10: eine Ansicht eines Längsschnitts durch einen Prozessanschluss mit angeschweißtem Gehäuseanschluss,
Fig. 11a- Fig. 11 f : unterschiedliche Außenansichten einer bevorzugten Ausgestaltung der Wandlerkammer,
Fig. 12a - Fig. 12d: unterschiedliche Ansichten einer Wandlerkammer und Schnitte durch eine Wandlerkammer mit einer Einheit zur Kompensation des statischen Drucks,
Fig. 13a - Fig. 13c: unterschiedliche Ausgestaltungen der elektrischen Verschaltung der Pins von einer Differenzdruckmesszelle und einer statischen Druckmesszelle, und
Fig. 14: eine Draufsicht auf eine Wandlerkammer, bei der Differenzdruckmesszelle und statische Druckmesszelle planar in einer Ebene angeordnet sind.
Fig. 1 zeigt eine Teilsicht auf einige der Komponenten, die in einer druck- bzw. gasdichten Einheit, bestehend aus Prozessanschluss 21 und Gehäuseadapter 22, gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Differenzdruckmess-aufnehmers 1 angeordnet sind. Fig. 1a zeigt die in Fig. 1 dargestellte Ausgestaltung in teilweiser Explosionsdarstellung. In Fig. 4 ist ein weiterer Längsschnitt durch den Prozessanschluss 21 mit angeschweißtem Gehäuseadapter 22 dargestellt.
Über den Prozessanschluss 21 ist der Differenzdruckmessaufnehmer 1 mit einem Kundenanschluss 39 verbunden bzw. verbindbar. In dem Prozessanschluss 22 ist die Messkammer 2 angeordnet. Die Messkammer 2 weist ein koplanares Doppelmembransystem auf, das aus zwei in einer Ebene liegenden Doppelmembranen 4a, 4b besteht. An den Trennmembranen 5a, 5b des Doppelmembransystems 4 liegen die Prozessdrücke p1 bzw. p2 an. Das Messwerk 2 ist bevorzugt symmetrisch, bevorzugt vollsymmetrisch, ausgestaltet, was insbesondere die bereits zuvor erwähnten Vorteile mit sich bringt. Der nachfolgend beschriebene Aufbau des Doppelmembransystems 4 ist schematisch in den Fig. 6a - Fig. 6c visualisiert. Beide Doppelmembranen 4a, 4b bestehen jeweils aus einer T rennmembrane 5a, 5b und einer in Richtung der Druckwirkung hinter der Trennmembrane 5a, 5b angeordneten Überlastmembrane 6a, 6b. Zwischen der ersten Trennmembrane 5a und der ersten Überlastmembrane 6a ist eine erste Druckkammer 7a und zwischen der ersten Überlastmembrane 6a und dem Grundkörper 9 eine erste
Zusatzdruckkammer 8a ausgebildet. Zwischen der zweiten Trennmembrane 5b und der zweiten Überlastmembrane 6b befindet sich eine zweite Druckkammer 7b, und zwischen der zweiten Überlastmembrane 6b und dem Grundkörper 9 ist eine zweite Zusatzdruckkammer 8b ausgebildet. Der ersten Druckkammer 7a bzw. der zweiten Druckkammer 7b ist eine erste Verbindungskapillare 10a bzw. eine zweite
Verbindungskapillare 10b zugeordnet; der ersten Zusatzdruckkammer 8a bzw. der zweiten Zusatzdruckkammer 8b ist eine erste Hilfskapillare 11a bzw. eine zweite Hilfskapillare 11b zugeordnet. Die druckübertragende Kopplung / Kreuzung zwischen der ersten Hilfskapillare 11a und der zweiten Verbindungskapillare 10b bzw. zwischen der zweiten Hilfskapillare 11b und der ersten Verbindungskapillare 10a ist in der Wandlerkammer 3 zu finden.
Die gekreuzten Führungen der Kapillarbohrungen 18 zwecks Kompensation eines das drucksensitive Element 13 möglicherweise schädigenden Überdrucks sind in Abgrenzung zu allen bislang bekannt gewordenen Lösungen also in der Wandlerkammer 3 - und nicht im Messwerk 2 - realisiert. Die beiden Drücke p1 , p2 werden über das Doppelmembransystem und die Verbindungskapillaren 10a, 10b - durch die kreuzenden Hilfskapillaren 11a, 11a gegen einen auftretenden Überdruck geschützt - hydraulisch zu der Differenzdruckmesszelle 12 und zum drucksensitiven Element 13 übertragen. Zwecks hydraulischer Übertragung sind alle druckübertragenden Komponenten im Innenraum des Differenzdruckmessaufnehmers 1 mit einer hydraulischen Übertragungsflüssigkeit 16, insbesondere einem hochviskosen Silikonöl, gefüllt.
Messwerk 2 und Wandlerkammer 3 können räumlich voneinander getrennt angeordnet sein. Die Verbindungskapillaren 10a, 10b und die Hilfskapillaren 11a, 11b sind im
Messwerk 2 bzw. in der Wandlerkammer 3 als Kapillarbohrungen ausgeführt. Im Zwischenraum 15 zwischen dem Messwerk 2 und der Wandlerkammer 3 sind die hydraulischen Verbindungswege über entsprechend angeordnete Kapillarröhrchen 17 realisiert. Die Kapillarröhrchen 17 sind druck- bzw. gasdicht mit den entsprechenden Kapillarbohrungen von Messwerk 2 und Wanderkammer 3 verbunden.
Gut Zusehen ist die Arbeitsweise des Überlastschutzes in der Fig. 6c. Die Druckübertragung und die Begrenzung des Überdrucks auf ein Maß, durch das das drucksensitive Element 13 nicht beschädigt bzw. zerstört wird, arbeiten bei der erfindungsgemäßen Lösung parallel, wobei druckdynamisch sichergestellt ist, dass der Überdruck PeÜL begrenzt ist, bevor er die Druckmesszelle 12 erreicht. Die Begrenzung des Überdrucks PeÜL erfolgt über eine entsprechend vorgegebene Vorspannung der Überlastmembranen 6a, 6b. Diese sind so vorgespannt, dass sie im normalen Messbetrieb näherungsweise vollflächig und formschlüssig an dem Gehäuse des Grundkörpers 9 anliegen und sich erst dann von dem Grundkörper 9 abheben, wenn der vorgegebener kritischer Grenzdruck überschritten wird. Bis zu diesem Grenzdruck ist eine Unversehrtheit des drucksensitiven Elements sichergestellt.
Im dargestellten Fall tritt einseitig an der zweiten Trennmembrane 5b ein Überdruck PeÜL auf. Ohne die erfindungsgemäße Schutzvorrichtung würde der Überdruck PeÜL auf das drucksensitive Element 13 übertragen. Durch die einseitige Überlast bestände die Gefahr, dass das üblicherweise als Siliziumchip ausgebildete drucksensitive Element 13 zerstört wird. Diese Gefahr wird durch einen Bypass gebannt. Der Bypass besteht aus den
Hilfskapillaren 11a, 11 b, die sich im Messwerk 2 mit den Verbindungskapillaren 10a, 10b kreuzen und den Druck oder einen auftretenden Überdruck auf die Rückseite der Überlastmembranen 6a, 6b leiten. Den Weg, den der Überdruck PeÜL durch das Kapillarsystem nimmt, ist in Fig. 6b und Figl 6c durch Pfeile symbolisiert: Der Überdruck PeÜL wird über die Hilfskapillare 11 b hydraulisch zu der Verbindungskapillaren 10a und von dort auf die Rückseite der Überlastmembrane 6a der ersten Doppelmembrane 4a übertragen.
Tritt ein Überdruck PeÜL an der rechten Trennmembrane 5b auf, so wird der Überdruck PeÜL über die Druckkammer 7b auf die Überlastmembrane 6b übertragen. Da diese bereits am Gehäuse 9 anliegt, gelangt der Druck nicht über die Verbindungskapillare 10b zum drucksensitiven Element 13. Der Überdruck PeÜL wird über die Druckkammer 7b, die Hilfskapillare 11 b, die Verbindungskapillare 10a, die Zusatzdruckkammer 8a und die Überlastmembrane 6a zur Druckkammer 7a geleitet. Überlastmembrane 6a und Trennmembrane 5a werden ausgelenkt und die Zusatzdruckkammer 8a und die
Druckkammer 7a nehmen die von der Hochdruckseite 4b verschobene Übertragungsflüssigkeit 16 auf, bis die Trennmembrane 5b auf der Überdruckmembrane 6b anliegt. Ein weiterer Druckanstieg ist dann nicht mehr möglich. Parallel liegt der Druck, der immer unterhalb des kritischen Grenzwertes liegt, auch an der Plusseite des drucksensitiven Elements 13 an.
Um eine noch größere Sicherheit zu haben, dass der Überdruck begrenzt wird, bevor er den sensitiven Bereich des Druckchips (üblicherweise auch eine Membrane) erreicht, haben die Verbindungskapillaren 10a, 10b ebenso wie die Hilfskapillaren 11a, 11b bevorzugt entsprechend angepasste Kapillargeometrien, die in Richtung des druckempfindlichen Chips 13 eine Bremsfunktion erfüllen. Insbesondere sind die üblicherweise als Bohrungen ausgeführten Verbindungs- und Hilfskapillaren 10a, 10b, 11a, 11 b im Messwerk 2 und in der Wandlerkammer 3 geeignet in Länge und Durchmesser dimensioniert. Im dargestellten Fall sind zusätzlich noch vorgeschaltete Dynamikbremsen 18 vorgesehen. Diese sind bevorzugt in den Kapillarröhrchen 17a, 17b angeordnet, die in die Kapillarbohrungen 10a, 10b des Messwerks 2 münden. Zusätzlich oder alternativ sind in den Verbindungskapillaren 10a, 10b der Wandlerkammer 3 Dynamikbremsen 20a, 20b eingesetzt sind. Diese verzögern die Weiterleitung des Drucks, insbesondere eines Überdrucks PeÜL. Sie schützen das drucksensitive Element 13 auch vor im Prozess auftretenden Druckspitzen.
Bei den Dynamikbremsen 18 kann es sich um Sintermetalleinsätze handeln. Bei einem Einsatz des Differenzdruckmessaufnehmers 1 im explosionsgefährdeten Bereich werden die Dynamikbremsen 18 aus einem nicht leitfähigen Material gefertigt. In diesem Fall erfüllen die Dynamikbremsen 18 dann also eine Doppelfunktion: Eine verzögerte
Weiterleitung des Drucks und einen Explosionsschutz, der entsprechend der benötigten Explosionsschutzart ausgestaltet ist.
Die Verbindung / Kreuzung der Kapillarbohrungen in der Wandlerkammer 3 ist entsprechend einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung in den Figuren Fig. 3, Fig.
7, Fig. 7a, Fig. 7b und Fig. 7c in unterschiedlichen Ansichten und Schnitten dargestellt. Weitere Information zum Verlauf der Kapillarbohrungen in der Wandlerkammer 3 ist den Figuren Fig. 8, Fig. 8a und Fig. 8b zu entnehmen. Darüber hinaus ist die Lage der Enden der Befüllungsbohrungen 14a, 14b in dem vom Prozess abgewandten Stirnbereich der Wandlerkammer 3 beispielsweise aus den Figuren Fig. 7, Fig. 7b und Fig. 5 ersichtlich. Die Befüllungsbohrungen 14a, 14b sind bevorzugt in Verlängerung der Verbindungskapillaren 10a, 10b und ggf. der entsprechenden Kapillarröhrchen 17 angeordnet. Obwohl in den gezeigten Ausgestaltungen die Kapillarbohrungen und die Kapillarröhrchen 17 im Messwerk 2 und im Zwischenraum 15 zwischen Messwerk 2 und Wandlerkammer 3 parallel zueinander und zur Längsachse des
Differenzdruckmessaufnehmers 1 angeordnet sind, ist die Erfindung keineswegs auf eine derartige Ausrichtung beschränkt. Zweifellos stellt sie aber eine durchaus günstige Lösung dar. Fig. 2 zeigt eine Explosionsdarstellung einer würfelförmigen Ausgestaltung der Differenzdruckmesszelle 12 und visualisiert, wie einzelne Komponenten der Differenzdruckmesszelle 12 in der Wandlerkammer 3 angeordnet sind. Ein isolierender Sockel 31 , z.B. ein Keramiksockel oder ein Glassockel, ist mit der Bodenfläche einer Ausnehmung in der Wandlerkammer 3 über einen geeigneten Kleber 30 verbunden. Mittels eines Klebers 32 ist die Druckmesszelle 12, die bevorzugt als drucksensitives Element 13 einen Siliziumchip aufweist, mit dem isolierenden Sockel 31 verbunden. Zwecks Minimierung des benötigten Ölvolumens bzw. des Volumens der Übertragungsflüssigkeit 16 ist ein Füllkörper 33 vorgesehen, der die Druckmesszelle 12 im Seitenbereich möglichst eng umschließt. Der Füllkörper 33 wird mit einem Deckel 34 verschlossen. Nach außen ist die Wandlerkammer 3 mit einer Verschlusskappe 34 für die Stromdurchführung 23 verschlossen. Die Isolation des Siliziumchips 13 erfolgt über den isolierenden Sockel 31 , der beispielsweise aus Exschutzgründen eine Dicke d> 0,5mm hat. Weiterhin übernimmt der Füllkörper 33 mit Deckel 34, der z.B. aus einem geeigneten Kunststoff gefertigt ist, die Isolation des Siliziumchips 13 und dessen Bondverbindungen 24. Unterhalb sind die als Kapillarröhrchen 17 ausgestalteten Verbindungskapillaren 10a,
10b und Hilfskapillaren 11a, 11b gezeigt.
In den Figuren Fig. 9 sind Darstellungen vorteilhafter Varianten gezeigt, wie die elektrische Isolierung zwischen Messwerk 2 und Wandlerkammer 3 über in oder an die Kapillarröhrchen 17 adaptierte Isolationselemente, bevorzugt Isolationsröhrchen 40, realisiert werden kann. Bei diesen Ausgestaltungen kann übrigens auf den eingeklebten isolierenden Sockel 31 in der Wandlerkammer 3 verzichtet werden. Die elektrische Isolation mittels Isolationsröhrchen 40 zwischen Messwerk 2 und Wandlerkammer 3 erfolgt im Bereich der Kapillarröhrchen 17 zwischen den entsprechenden Verbindungskapillaren 10a, 10b und Hilfskapillaren 11a, 11 b, oder am Übergang der Kapillarröhrchen 17 zum Messwerk 2 oder zur Wandlerkammer 3.
Wie in der linken Darstellung zu sehen ist, können die elektrisch isolierenden Isolationsröhrchen 40 in der Wandlerkammer 3 (Fig. 9a), im Zwischenbereich zwischen Wandlerkammer 3 und Messwerk 2 (Fig. 9c) oder im Messwerk 2 (Fig. 9b) ausgeführt sein. Bevorzugt wird durch die Isolation einen Exd Trennung erreicht; somit kann der erfindungsgemäße Differenzdruckmessaufnehmer 1 auch im explosionsgefährdeten Bereich eingesetzt werden.
Fig. 10 zeigt einen Längsschnitt durch einen schematisch dargestellten Differenzdruckmesssaufnehmer 1. Weiterhin sind in der Fig. 10 die unterschiedlichen Zonen A-G aufgelistet, denen der Differenzdruckmessaufnehmer 1 ausgesetzt ist. Da die Zonen in Fig. 10 namentlich aufgeführt sind, wird an dieser Stelle auf eine Wiederholung verzichtet. Die eingekreisten Zahlen dokumentieren schematisch Komponenten, die den Prinzipaufbau des erfindungsgemäßen Differenzdruckmessaufnehmers 1 kennzeichnen: © Innenvolumen, das ev. mit einem Verguss ausgefüllt ist
© Schweißung zwischen Gehäuseadapter 22 und Prozessanschluss 21 bzw. Messwerk 2 @ Druckzuführung Wandlerkammer 3 - Messwerk 2
© Druckzuführung zur Wandlerkammer 3 © Stromdurchführung 23 mit PIN/Einglasung © Ölverschluss
© Verschlusselement (für die gekreuzten Kapillaren) ® Trennung zwischen Gehäuse und Sensorrückraum
@ Exd-Gewinde am Gehäuseadapter 2, z.B. über ein Second Containment und/oder einen Verguss
© Verschlusskappe 35 der Stromdurchführung 23 ( GDF) Die Figuren Fig. 11a bis Fig. 11 f zeigen unterschiedliche Ansichten einer bevorzugten Ausgestaltung der Wandlerkammer 3. Die Figuren sind selbsterklärend.
Die Figuren Fig. 12a -12d zeigen unterschiedliche Ansichten und Schnitte durch eine Wandlerkammer 3 mit einer integrierten Einheit bzw. einer Druckmesszelle 27 zur Kompensation des statischen Drucks pstat. Zusätzlich zu der Differenzdruckmesszelle 12 mit dem drucksensitiven Element 13 ist hier ein weiteres drucksensitives Element 27 gestapelt über der Differenzdruckmesszelle 12 angeordnet. Über die Druckmesszelle 27 wird der statische Druck erfasst. Die Information über den statischen Druck (Absolutdruckmesser) wird zur Erhöhung der Messgenauigkeit des Differenzdruckmessaufnehmers 1 verwendet.
In Fig. 12a ist die Stromdurchführung 23 mit einer vorteilhaften Anordnung der Anschluss- Pins 26 für die Differenzdruckmesszelle 12 mit dem drucksensitiven Element 13 und der darüber angeordneten Druckmesszelle 27 zur Bestimmung des statischen Drucks dargestellt. Die PINs 26 sind bevorzugt symmetrisch im Randbereich der beiden bevorzugt übereinander gestapelt angeordneten Druckmesszellen 12, 27 zu finden. Entweder enden die PINs 26 alle in einer Ebene oder in parallelen Ebenen. Zwei der acht
Pins 26 können eingelötet sein, da sie auf Masse/Gehäusepotential liegen.
Beispielsweise können PIN 7 bzw. PIN 8 gemeinsam die Masse bilden, so dass einer der PINs 21 eingespart werden kann. Um die Anforderungen für den Einsatz im explosionsgefährdeten Bereich zu erfüllen, sind die PINs 21 so angeordnet bzw. beabstandet , dass eine ausreichende Spannungsfestigkeit sowohl von PIN 21 zu PIN 21 als auch von PIN 21 zum Gehäuse der Wandlerkammer 3 vorhanden ist. Da das Ölvolumen umso geringer ist, je kleiner der Innenraum der Wandlerkammer 3 ist, hat der Innenraum bevorzugt einen Durchmesser von < 10mm, insbesondere von <8mm.
Fig. 12b zeigt einen Längsschnitt durch die übereinander gestapelten Druckmesszellen 12, 27. Die PINS 26 sind isoliert voneinander durch die Stromdurchführung 23 geführt.
Die Stromdurchführung 23 ist druckfest und gas- bzw. flüssigkeitsfest ausgestaltet. Die PINs 26 sind entweder eingelötet oder eingeglast. Alternativ sind sie eingepresst oder impulsgeschweißt.
Zwecks Minimierung des benötigten Ölvolumens, ist die Differenzdruckmesszelle 12 mit den Bonddrähten 24 möglichst eng in den Füllkörper 33 und die Füllkörperkappe 37 eingebettet. Die Füllkörperkappe 37 weist eine Ausnehmung zur Aufnahme des Chips/der Druckmesszelle 27 für den statischen Druck auf. Auf eine Isolierfolie 38 folgt die Verschlusskappe 35. Fig. 12c zeigt einen Querschnitt im Bereich der Differenzdruckmesszelle 13, während Fig. 12d einen Schnitt im Bereich des Chips 25 zur Messung des statischen Drucks zeigt.
In den Figuren Fig. 13a-c ist der prinzipielle Schaltungsaufbau zweier Widerstandsbrücken zur Bestimmung des Differenzdrucks (1.2) und zur Bestimmung des statischen Drucks (1.1) dargestellt. Die Messwerte werden einer Elektronikplatine 36 zur Weiterverarbeitung zugeleitet. Fig. 13a - Fig.13c zeigen also die prinzipiellen Anschlussschaltbilder der beiden Si-Chips 12, 27. Um die Schaltung komplett unabhängig betreiben zu können, sind maximal 8 PINs 26 erforderlich (Fig. 13a); minimal sind sechs PINs 26 erforderlich (Fig. 13b). In diesem Fall sind die Minus- und die Plusseite zusammengefasst. Eine Zwischenlösung stellt die Variante mit sieben PINs 26 dar (Fig. 13c). Diese hat eine getrennte Plus-Versorgung, aber eine gemeinsame Masse. Der Vorteil, den die Nutzung einer geringeren Zahl von PINs 26 bringt, liegt klar darin, dass Platz eingespart werden kann. Die PINs 26 für den Masseanschluss können auch als direkte Verbindung zwischen dem entsprechenden PIN 26 bzw. den entsprechenden PINs 26 und dem leitfähigen Gehäuse (Metallgehäuse) ausgeführt sein. Die Verbindung kann über Einlöten, Einpressen oder Schweißen realisiert werden.
Nachfolgend ist die Funktion der einzelnen in den Fig. 13a- Fig. 13c gezeigten PINs 26 aufgeführt:
(2), (3): PINs 26 für den Anschluss der Versorgungsspannung,
(4), (5): PINs 26 für das Brückenausgangssignal der statischen Druckmesszelle 25,
(6), (7): PINs 26 für das Brückenausgangssignal der Differenzdruckmesszelle 12,
1 = (1.1): Versorgungsspannungs-Minusanschluss (Masse), 8 = (1.2): Versorgungsspannungs-Minusanschluss (Masse).
Wie bereits zuvor beschrieben, kann für die Masseanschluss auch ein gemeinsamer PIN 26 verwendet werden. Fig.14 zeigt eine Draufsicht auf einen Füllkörper 33, bei dem die Druckmesszelle 12 und die Druckmesszelle 27 für den statischen Druck in einer Ebene angeordnet sind. Die Abstände zwischen den Pins - zu sehen sind in der Fig. 14 nur die Ausnehmungen 38 für die Pins von der Stromdurchführung - sind so gewählt, dass eine galvanische Trennung sichergestellt ist.
Bezugszeichenliste
1 Differenzdruckmessaufnehmer
2 Messwerk 3 Wandlerkammer
4 Doppelmembransystem
4a, 4b erste Doppelmembrane, zweite Doppelmembrane 5a, 5b erste Trennmembrane, zweite Trennmembrane 6a, 6b erste Überlastmembrane, zweite Überlastmembrane 7a, 7b erste Druckkammer, zweite Druckkammer
8a, 8b erste Zusatzdruckkammer, zweite Zusatzdruckkammer 9 Grundkörper
10a, 10b erste Verbindungskapillare, zweite Verbindungskapillare 11a, 11b erste Hilfskapillare, zweite Hilfskapillare 12 Differenzdruckmesszelle
13 drucksensitives Differenzdruckelement
14a, 14b Befüllungsbohrung 15a, 15b Verschlusselement 16 Hydraulikflüssigkeit 17 Kapillarröhrchen
18 Dynamikbremse
19 Zwischenbereich
20 druck- und gasdichte Verbindung 21 Prozessanschluss 22 Gehäuseadapter
23 Stromdurchführung
24 Bondverbindung
25 Isolationsröhrchen
26 PIN 27 Messzelle zur Bestimmung des Statischen Drucks
28 Füllkörperkappe mit Ausnehmung
29 Isolationsfolie / PTFE Folie
30 Kleber für Klebung des Isolationssockels (Keramiksockels)
31 Keramiksockel 32 Kleber für Klebung der Druckmesszelle
33 Füllkörper
34 Füllkörperdeckel
35 Verschlusskappe für Stromdurchführung
36 Elektronikplatine
37 Füllkörperkappe
Ausnehmung für Pin
Kundenanschluss
Isolationsröhrchen
Claims
1 .Differenzdruckmessaufnehmer (1) zur Bestimmung des Differenzdrucks von zwei Drücken (p1 , p2) mit einem Messwerk (2) und einer Wandlerkammer (3), wobei an oder in einem dem Prozess zugewandten Endbereich (14) des Messwerks (2) ein koplanares Doppelmembransystem (4) mit zwei Doppelmembranen (4a, 4b) vorgesehen ist und wobei in der Wandlerkammer (3) eine Differenzdruckmesszelle (12) mit einem drucksensitiven Element (13) angeordnet ist, wobei die beiden Doppelmembranen (4a, 4b) jeweils aus einer Trennmembrane (5a, 5b) und einer in Richtung der Druckwirkung hinter der Trennmembrane (5a, 5b) angeordneten Überlastmembrane (6a, 6b) bestehen, wobei zwischen der ersten Trennmembrane (5a) und der ersten Überlastmembrane (6a) eine erste Druckkammer (7a) und zwischen der ersten Überlastmembrane (6a) und dem Grundkörper (9) eine erste Zusatzdruckkammer (8a) ausgebildet ist, wobei zwischen der zweiten Trennmembrane (5b) und der zweiten Überlastmembrane (6b) eine zweite Druckkammer (7b) und zwischen der zweiten Überlastmembrane (6b) und dem Grundkörper (9) eine zweite Zusatzdruckkammer (8b) ausgebildet ist, wobei der ersten Druckkammer (7a) bzw. der zweiten Druckkammer (7b) eine erste Verbindungskapillare (10a) bzw. eine zweite Verbindungskapillare (10b) zugeordnet ist und wobei der ersten Zusatzdruckkammer (8a) bzw. der zweiten Zusatzdruckkammer (8b) eine erste Hilfskapillare (11a) bzw. eine zweite Hilfskapillare (11b) zugeordnet ist, wobei eine druckübertragende Kopplung zwischen der ersten Hilfskapillare (11a) und der zweiten Verbindungskapillare (10b) bzw. zwischen der zweiten Hilfskapillare (11b) und der ersten Verbindungskapillare (10a) in der Wandlerkammer (3) angeordnet ist, und wobei die beiden Drücke (p1 , p2) über die entsprechenden Hilfs- und Verbindungskapillaren (1 Oa, 10b, 11a, 11b) - gegen einseitigen Überdruck geschützt - hydraulisch zu der Differenzdruckmesszelle (12) übertragen werden.
2. Differenzdruckmessaufnehmer nach Anspruch 1 , wobei die Überlastmembranen (6a, 6b) derart vorgespannt sind, dass sie an dem
Grundkörper (9) anliegen und sich erst dann von dem Grundkörper (9) abheben, wenn ein vorgegebener kritischer Grenzdruck überschritten wird.
3. Differenzdruckmessaufnehmer nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Messwerk (2) und die Wandlerkammer (3) voneinander abgesetzt sind.
4. Differenzdruckmessaufnehmer nach Anspruch 1 , 2 oder 3, wobei die Kapillaren (10, 11 ) im Messwerk (2) und ggf. im Zwischenraum (15) zwischen dem Messwerk (2) und der Wandlerkammer (3) im Wesentlichen parallel oder unter einem Winkel kleiner 90° zur Längsachse des Messwerks (2) angeordnet sind.
5. Differenzdruckmessaufnehmer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei es sich bei den Verbindungs- und Hilfskapillaren (10, 11) um Kapillarröhrchen (16) handelt, die mit dem Messwerk (2) und Wandlerkammer (3) kraftschlüssig und gasdicht verbunden sind, wobei die Kapillarröhrchen (16) in dem Messwerk (2) und in der Wandlerkammer (3) in entsprechende angeordnete Kapillarbohrungen (17) münden.
6. Differenzdruckmessaufnehmer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wandlerkammer (3) eine beliebige Form aufweist, z.B. eine Würfelform oder eine zylindrische Form, und an ihrem dem Prozess zugewandten Endbereich die je zwei Verbindungskapillaren (10a, 10b) und Hilfskapillaren (11a, 11 b) aufweist, die bevorzugt parallel zueinander angeordnet sind, wobei die Hilfskapillaren (11a, 11 b) bezüglich der Verbindungskapillaren (10a, 10b) in einer parallelen Ebene angeordnet sind.
7. Differenzdruckmessaufnehmer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Verbindungskapillaren (10a, 10b) und/oder die Hilfskapillaren (11a, 11b) derart ausgestaltet und/oder dimensioniert sind, dass ein über dem vorgegebenen kritischen Grenzdruck liegender Überdruck mittels des Überlastschutzes ausgeglichen ist, bevor der Überdruck an die Differenzdruckmesszelle (12) übertragen wird.
8. Differenzdruckmessaufnehmer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der vom Prozess abgewandten Stirnbereich (18) der Wandlerkammer (3) zumindest eine Befüllungsbohrung (19) vorgesehen ist, die dazu dient, die hydraulisch miteinander kommunizierenden Komponenten mit einer hydraulischen Übertragungsflüssigkeit zu befüllen.
9. Differenzdruckmessaufnehmer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwei Befüllungsbohrungen (19) vorgesehen sind, die in Verlängerung der Bohrungen (17) der Verbindungskapillaren (10a, 10b) im Wesentlichen parallel zur Längsachse des Differenzdruckmessaufnehmers (1) angeordnet sind, wobei die Befüllungsbohrungen (19) mittels eines Verschlusselements (20) nach dem Befüllen gasdicht oder zumindest flüssigkeitsdicht verschlossen werden.
10. Differenzdruckmessaufnehmer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
wobei elektrische Verbindungspins (21) gasdicht durch einen der vom Prozess abgewandten Endbereiche (18) der Wandlerkammer in Richtung einer Elektronikplatine (22) geführt sind.
11. Differenzdruckmessaufnehmer nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche, wobei das Messwerk (2) und Wandlerkammer (3) räumlich voneinander getrennt angeordnet sind, und wobei die Trennung druckfest und gas- oder zumindest flüssigkeitsdicht ausgestaltet ist.
12. Differenzdruckmessaufnehmer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verbindungskapillaren (1 Oa, 10b) und Hilfskapillaren (11a, 11b) derart ausgestaltet sind, dass sie die Wandlerkammer (3) elektrisch von dem Messwerk (2) isolieren.
13. Differenzdruckmessaufnehmer nach Anspruch 12, wobei die Verbindungskapillaren (10a, 10b) und die Hilfskapillaren (11a, 11b) zumindest abschnittweise mit einem elektrischen Isolator (23), insbesondere einem Keramikisolierkörper oder einer isolierenden Einglasung, versehen sind, und über eine gasdichte Verbindung (24), insbesondere eine Lötverbindung oder eine Einglasung, in den entsprechenden Bohrungen (17) des Messwerks (2) bzw. der Wandlerkammer (3) befestigt sind.
14. Differenzdruckmessaufnehmer nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche, wobei die elektrischen Isolatoren (23) in der Wandlerkammer (3) und/oder im Messwerk (2) und/oder im Zwischenraum (15) zwischen Messwerk (2) und Wandlerkammer (3) vorgesehen sind.
15. Differenzdruckmessaufnehmer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrischen Isolatoren (23) jeweils als Zwischenstücke in die als Kapillarröhrchen (16) ausgestalteten Verbindungskapillaren (10a, 10b) oder Hilfskapillaren (11a, 11b) integriert sind.
16. Differenzdruckmessaufnehmer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
wobei es sich bei dem drucksensitiven Element (13) um einen Siliziumchip handelt, und wobei der Differenzdruck (p2-p1) über ein kapazitives oder resistives Messverfahren ermittelt wird.
17. Differenzdruckmessaufnehmer nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche, wobei die Wandlerkammer (3) so ausgestaltet ist, dass auf der Niederdruckseite (-) und der Hochdruckseite (+) gleiche Übertragungsflüssigkeits-Volumina vorhanden sind.
18. Differenzdruckmessaufnehmer nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche, wobei in der Wandlerkammer (3) ein drucksensitives Element (25) zur Messung des statischen Drucks vorgesehen ist.
19. Differenzdruckmessaufnehmer nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche, wobei das drucksensitive Element (13) zur Messung des Differenzdrucks und das drucksensitive Element (25) zur Messung des statischen Drucks übereinander gestapelt in der Wandlerkammer (3) angeordnet sind.
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