WO2021213764A1 - Differenzdruckmessaufnehmer zur bestimmung des differenzdrucks von zwei drücken - Google Patents

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WO2021213764A1
WO2021213764A1 PCT/EP2021/057454 EP2021057454W WO2021213764A1 WO 2021213764 A1 WO2021213764 A1 WO 2021213764A1 EP 2021057454 W EP2021057454 W EP 2021057454W WO 2021213764 A1 WO2021213764 A1 WO 2021213764A1
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pressure
chamber
differential pressure
measuring
capillary
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PCT/EP2021/057454
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Thomas Uehlin
Florian Gutmann
Alexander Beck
Igor Getman
Benjamin Mack
Michael Noack
Michael Hügel
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Endress+Hauser SE+Co. KG
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
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    • G01L19/06—Means for preventing overload or deleterious influence of the measured medium on the measuring device or vice versa
    • G01L19/0618—Overload protection
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
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    • 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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    • G01L19/0007—Fluidic connecting means
    • G01L19/0046—Fluidic connecting means using isolation membranes

Definitions

  • Differential pressure transducer for determining the differential pressure of two
  • the invention provides a differential pressure transducer for determining the differential pressure of two pressures.
  • the differential pressure measuring 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 that forms an antechamber on two opposite sides between a membrane bed and a separating membrane.
  • An additional chamber which is delimited by a pretensioned additional membrane, is provided in the receiving body behind the side facing away from the membrane bed.
  • 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 device If the device is exposed to a differential pressure below or in the range of the nominal differential pressure value, then this differential pressure is transmitted to the pressure measuring device via the connecting channels.
  • the additional membranes develop a small effect, which is negligible in a first approximation. If the pressure difference exceeds the nominal pressure difference value by a specified value as a result of an overload, then the Separating membrane on the high pressure side, the pressure transmitter fluid located under it is pressed into the antechamber assigned to it. The squeezed out liquid reaches the additional membrane on the low-pressure side via the connecting channel and the additional channel and causes it to lift off.
  • WO 2018/165122 A1 has disclosed a coplanar differential pressure measuring transducer in which the pressure inputs with separating diaphragm and overload diaphragm are arranged in one plane - namely in the end area facing the process - 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.
  • the pressure-loaded central membrane weld 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, ie 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 chosen because the hydraulic transmission fluid is usually an oil, e.g. a silicone oil.
  • the object is achieved by a differential pressure measuring transducer for determining the differential pressure of two pressures p1, p2 with one measuring mechanism and one Converter chamber, the measuring mechanism and converter chamber being separated from one another via an intermediate area or an intermediate module.
  • a coplanar double diaphragm system with two double diaphragms is provided on or in an end area of the measuring mechanism facing the process.
  • a differential pressure measuring cell with a pressure-sensitive element is arranged in the converter chamber.
  • Double diaphragms 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 being formed between the first separating membrane and the first overload membrane and a first additional pressure chamber being 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 additional pressure chamber or the second additional pressure chamber. The pressures p1, p2 applied to the separating membranes reach the converter chamber hydraulically via the two connecting capillaries.
  • a first auxiliary capillary or a second auxiliary capillary is assigned to the first auxiliary pressure chamber or the second auxiliary pressure chamber and a third auxiliary capillary or a fourth auxiliary capillary is assigned to the first pressure chamber or the second pressure chamber, the connections / crossings are arranged between the first auxiliary capillary and the third auxiliary capillary or between the second auxiliary capillary and the fourth auxiliary capillary for the purpose of a pressure-transmitting coupling in the intermediate region of the measuring mechanism and transducer chamber.
  • the measuring mechanism is one-piece, almost monolithic, designed,
  • the measuring mechanism has a relatively simple and symmetrical or fully symmetrical structure, cost savings in the measuring mechanism, in particular by saving material
  • the transverse bores can, for example, be produced inexpensively by eroding or drilling;
  • a further reduction in the required oil volume is possible because the filling bores and the long cross bores in the measuring mechanism, which is larger in relation to the converter chamber, may be omitted.
  • 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 thus 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.
  • connection to the converter chamber takes place as a series circuit; the pressure is first directed from the high pressure side to the back of the overload diaphragm on the low pressure side and only then reaches the connecting lines that lead to the converter chamber.
  • This has considerable advantages with regard to the pressure dynamic protection of the pressure-sensitive element, which is also called the primary sensor element.
  • This advantage can be further increased by varying the capillary diameter or using additional elements such as sintered elements. This is described in more detail at a following point.
  • 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 from one another or at a distance 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 and enables small measuring ranges. In turn, the activation of the membranes can be kept low by means of small measuring ranges, which is associated with smaller measuring errors.
  • the additional diaphragms are pretensioned in such a way that they rest essentially over the entire surface and / or in a form-fitting manner on the base body and only then move away from the Lift off the base body when a specified critical limit pressure is exceeded.
  • at least one hydraulic channel is provided in the membrane beds and / or on 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 which 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 capillaries advantageously run essentially parallel in the measuring mechanism.
  • the capillaries may be 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 measuring mechanism and converter chamber are spaced apart from one another.
  • the connecting and auxiliary capillaries are designed as capillary tubes in the intermediate area and are connected to the measuring mechanism and the transducer chamber in a pressure-tight, non-positive and gas-tight manner.
  • the capillary tubes open into correspondingly arranged and / or configured capillary bores in the converter chamber and in the measuring mechanism.
  • the connections / crossings of the auxiliary capillaries as well as the implementation of the
  • connection capillaries implemented as capillary bores in an intermediate module. Due to the separation of the measuring mechanism and the converter chamber, it is also possible in a simple manner to achieve an electrically isolated 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 or a cylindrical shape with flattened, opposite regions. At their end area facing the process there are two connection capillaries, which are preferably arranged parallel to one another.
  • 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.
  • the connection lines / connection capillary between the measuring mechanism and the transducer chamber Dynamic brakes built in.
  • the dynamic brakes are flow resistances, eg the dynamic brakes are sintered metal inserts.
  • the dynamic brakes can also be designed in such a way that they also take on the function of explosion protection.
  • two filling bores are provided in an end region of the converter chamber facing away from the process, in particular in the end region facing away from the process or the side wall of the converter chamber.
  • the hydraulically communicating components are connected to a hydraulic one via the filling bores which open into the connecting lines leading to the converter chamber
  • the transmission fluid is preferably an approximately incompressible fluid, e.g. a silicone oil, with a low coefficient of thermal expansion.
  • 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.
  • closure element After filling, filling bores are closed in a pressure-tight, gas-tight or at least liquid-tight manner by means of a closure element.
  • the closure element is a ball that is pressed into the bore and then caulked. It is also possible to weld the closure element in the bore.
  • two additional filling holes are provided in the measuring mechanism.
  • the two filling bores are provided essentially parallel to the connecting lines and auxiliary lines and symmetrically to one another in the measuring unit. They preferably extend between the end face of the end area of the measuring mechanism facing away from the process and one of the two additional pressure chambers in each case.
  • an advantageous embodiment of the differential pressure measuring transducer according to the invention provides that the connecting capillaries, which - as already described - 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. Since only the connection capillaries open into the converter chamber, it is of course sufficient to isolate only these - as described above.
  • 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 converter chamber is preferably achieved in that the ceramic insulating body or the insulating glazing are each integrated as an intermediate piece in the connecting capillaries designed as capillary tubes.
  • the previously required insulating ceramic base in the converter chamber can be omitted;
  • the pressure-sensitive element usually a silicon chip, is preferably applied to a silicon base. Do you take one
  • Silicon base instead of the otherwise usual glass base, a more favorable thermal behavior (T-hysteresis) can be achieved, which is reflected in a lower static printing error.
  • T-hysteresis Thermal behavior
  • the modulus of elasticity of glass is different from the modulus of elasticity of silicon. Glass is more deformed and therefore has a larger error due to static pressure than silicon.
  • silicon is not an insulator, but rather has a certain conductivity, minimum insulation distances are required for safe electrical operation. These can be implemented, for example, by means of ceramic insulators inserted in the connecting lines and / or appropriately designed dynamic brakes.
  • the full or partial explosion-proof encapsulation in the converter chamber which was previously required for differential pressure sensors, can be omitted. So far, the encapsulation has been used to keep the minimum distances between the current-carrying elements and the ground potential as small as possible. This reduction in distance can be omitted in the embodiment of the invention where the insulation elements are arranged in the connecting capillaries. In order to achieve reliable electrical insulation, the required minimum distances can turn out to be somewhat smaller than the two solutions that have become known so far. These minimum distances can also be achieved without great effort.
  • the pressure-sensitive element is a silicon chip; the differential pressure is determined using a capacitive or resistive measuring method. A resonator can also be used above this.
  • 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 electronic circuit board. This is preferably done via glass feedthroughs. Since the converter chamber is electrically isolated from the measuring mechanism, the
  • Glass feedthroughs for the PINs are smaller; they are therefore more pressure-resistant.
  • the aim is in particular to achieve a pressure resistance that is greater than 1280 bar.
  • 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 or also arranged next to one another.
  • the advantage of the aforementioned reduction in the size of the PINs comes into play: Since the glass feedthroughs for the PINs are smaller, the four additional PINs, which provide the measured values of the static pressure element (absolute pressure measuring cell), can be accommodated in the converter chamber without that this would have to be enlarged.
  • the arrangement of the PINs is dealt with in more detail below in the description of the figures.
  • 1 an illustration which schematically outlines the structure of a differential pressure sensor according to the invention
  • 2 a sketch of the course of the connecting and auxiliary connecting lines in an embodiment of the differential pressure sensor according to the invention
  • Fig. 5 Different representations of advantageous variants of how the electrical insulation between the measuring mechanism and converter chamber is achieved
  • Fig. 7 the circuit of the electrical connections of the differential pressure measuring cell and the static pressure measuring cell
  • Fig. 1 the structure of a differential pressure transducer 1 according to the invention is sketched.
  • the differential pressure measuring transducer 1 is composed of a measuring mechanism 2 with the coplanar double membrane system 4a, 4b and a converter chamber 3 in which the differential pressure measuring cell 14 is arranged.
  • the differential pressure measuring cell 14 converts the pressures p1, p2 hydraulically transmitted by the process diaphragms or the separating diaphragms 5a, 5b into an electrical differential pressure signal and generates a corresponding measured value.
  • Measuring mechanism 2 and converter chamber 3 are separated from one another by an intermediate area 13. According to the invention, the intersection of the auxiliary capillaries 11a, 11b, 11c, 11d serving as overpressure protection is realized in the intermediate area 13.
  • FIG. 1 shows the course of the connecting capillaries 10a, 10b, the auxiliary capillaries 11a, 11b, 11c, 11d and the coupling capillaries 12.1, 12.2 according to an embodiment of the differential pressure sensor 1 according to the invention.
  • the differential pressure sensor 1 is used to determine the differential pressure of two pressures p1, p2.
  • the measurement of the differential pressure of two pressures p1, p2, for example in a pipeline, is used to determine the flow rate.
  • a further application of a differential pressure measuring transducer 1 is, for example, the determination of the fill level of a fluid medium located in a tank.
  • the differential pressure measuring transducer 1 consists of a measuring mechanism 2 and a converter chamber 3, with the measuring mechanism 2 and converter chamber 3 being separated from one another by an intermediate region 19.
  • a coplanar double membrane system 4 with two double membranes 4a, 4b is provided on or in an end region 14 of the measuring mechanism 2 facing the process.
  • a differential pressure measuring cell 12 with a pressure-sensitive element 13 is arranged in the converter chamber 3.
  • the two double membranes 4a, 4b each consist of a process membrane 5a, 5b or a separation membrane 5a, 5b and an overload membrane 6a, 6b arranged in the direction of the pressure effect behind the separation membrane 5a, 5b.
  • a first pressure chamber 7a is formed between the first separating diaphragm 5a and the first overload diaphragm 6a
  • a first additional pressure chamber 8a is formed between the first overload diaphragm 6a and the base body 9.
  • a second pressure chamber 7b is formed between the second separating membrane 5b and the second overload membrane 6b
  • a second additional pressure chamber 8b is formed between the second overload membrane 6b and the base body 9.
  • the first additional pressure chamber 7a and the second additional pressure chamber 7b are assigned a first connection capillary 10a and a second connection capillary 10b, via which the pressures p1, p2 applied to the separating membranes 5a, 5b are hydraulically transmitted to the converter chamber 3.
  • the first additional pressure chamber 8a or the second additional pressure chamber 8b is a first auxiliary capillary 11a or a second auxiliary capillary 11b and the first pressure chamber 7a or the second pressure chamber 7b is a third auxiliary capillary 11c or a assigned fourth auxiliary capillary 11d.
  • the connections / crossings of the auxiliary capillaries 11a, 11b, 11c, 11d for the purpose of a pressure-transmitting coupling between the first auxiliary capillary 11a and the fourth auxiliary capillary 11d or between the second auxiliary capillary 11b and the third auxiliary capillary 11c are in the intermediate area 19 of Measuring mechanism 2 and converter chamber 3 are arranged.
  • the capillaries are preferably designed as capillary tubes.
  • the pressure p1 is transmitted to the minus side of the pressure-sensitive element 13 via the separating membrane 5a, the auxiliary capillary 11c, the auxiliary capillary 11b and the connecting capillary 10b.
  • the pressure p2 is transmitted to the plus side of the pressure-sensitive element 13 via the separating membrane 5b, the auxiliary capillary 11d, the auxiliary capillary 11a and the connecting capillary 10a.
  • FIGS. 3a, 3b and 3c embodiments of the differential pressure sensor 1 according to the invention are shown in the event of an overload or overpressure. The figures differ only with regard to the arrangement and / or configuration of the filling bores 14a, 14b. A description of FIG. 3a is therefore essentially sufficient.
  • an overpressure peÜL occurs at the separating membrane 5b. Without the overpressure protection device according to the invention, the overpressure peÜL would be transmitted to the plus side of the pressure-sensitive element 13. As a result of the one-sided overload, there would be the risk that the silicon chip 13 will be destroyed.
  • the overpressure PeÜL according to the invention, the separating membrane 5b is moved against the overload membrane 6b, which rests against the base body 9 in an essentially form-fitting manner. The movement is stopped when the separating diaphragm 5b is pressed against the overload diaphragm 6b. Since there is hardly any transmission fluid 16 behind the overload membrane 6b that can be displaced, the overpressure does not find its way via the connecting capillary 10b to the minus side of the pressure-sensitive element. Of the
  • Overpressure peÜL is hydraulically transferred from the pressure chamber 7b via the auxiliary capillary 11d and the auxiliary capillary 11a coupled to it via a transverse bore to the rear of the overload membrane 6a of the first coplanar double membrane 4a.
  • the overpressure PeÜL exceeds the bias of the overload diaphragm 6a, it detaches from its diaphragm bed on the base body 9 and transfer fluid 16 is shifted from the pressure chamber 7b on the high pressure side into the additional pressure chamber 8a. Due to the deflection of the overload diaphragm 6a and the separating diaphragm 5a, the additional pressure chamber 8a and the pressure chamber 7a can accommodate transmission fluid 16.
  • so much transmission liquid 21 is from the right side of the Transferring the double membrane system 4b to the left side of the double membrane system 4a until transfer fluid 16 can no longer be displaced on the right side of the double membrane system 4b, since the process membrane 5b rests on the overload membrane 6b, which in turn is supported on the base body 9 of the measuring mechanism 2.
  • the maximum pressure which is applied to the left side of the pressure-sensitive element 13 can be determined or dimensioned via the restoring force of the overload diaphragms 6a, 6b (spring in the deflected state). Destruction of the pressure-sensitive element 13, usually a silicon chip, is thus effectively counteracted.
  • the hydraulic paths are routed in series.
  • the pressure-sensitive chip 15 is only at the end of the series connection. This is supported or ensured by appropriately adapted capillary geometries, which fulfill a braking function in the direction of the pressure-sensitive chip 13.
  • dynamic brakes connected upstream can also be provided.
  • the connecting and auxiliary capillaries 10a, 10b, 11a, 11b, 11c, 11d are suitably dimensioned in terms of length and diameter.
  • dynamic brakes 22 are additionally or alternatively used in the connecting capillaries 10a, 10b. These delay the forwarding of the pressure, in particular an excess pressure PeÜL, and protect the pressure-sensitive element 13 in particular from pressure peaks occurring in the process.
  • the dynamic brakes 18 can be sintered metal inserts.
  • the dynamic brakes 18 are made of a non-conductive material. In this case, the dynamic brakes 18 then fulfill a double function: Delayed forwarding of the pressure and explosion protection in accordance with a required explosion protection type.
  • the capillary system is filled with a transmission fluid via the converter chamber 3.
  • the filling bores 14a, 14b are closed in a gas- or liquid-tight and pressure-tight manner with closure elements 15a, 15b.
  • the closure elements 15a, 15b are arranged close to the pressure-sensitive element 13.
  • the closure elements 15a, 15b are located in the area of the converter chamber 3 facing away from the process.
  • additional filling bores 14a, 14b are provided on the measuring mechanism 2.
  • the filling takes place here via two separate filling bores 14, 14b, which are arranged parallel to the connecting capillaries 10a, 10b or the auxiliary capillaries 11a, 11b, 11c, 11d.
  • the filling bores 14a, 14b open into the corresponding ones Additional pressure chamber 8a, 8b.
  • a preferably spherical closure element 15a, 15b is provided as a pressure-tight, gas-tight or at least liquid-tight closure, which is pressed into the filling bore 14a, 14b and then caulked.
  • other methods are also available for closing the openings.
  • welding is viewed as critical insofar as negative repercussions on the defined properties of the transmission fluid 16 can occur as a result of the temperature increase.
  • the filling can take place via the converter chamber 3.
  • the filling bores 18a, 18b preferably run from the end face of the converter chamber 3 facing away from the process to the connecting capillaries 10a, 10b.
  • the filling bores 14a, 14b are closed in the manner already described above. Incidentally, the arrows each indicate the direction of filling.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of the converter chamber 3 with the two connecting capillaries 10a, 10b.
  • the pressures p1, p2 applied to the separating membranes 5a, 5b are hydraulically transmitted to the pressure-sensitive element 13 via the connecting capillaries 10a, 10b.
  • two vertical (that is, parallel to the longitudinal axis of the differential pressure measuring transducer 1) bores and one horizontal bore are required in the converter chamber 3. It may also make sense to have two filling and locking accesses in order to be able to carry out the filling more easily.
  • the dynamic brakes 18 could make filling more difficult or significantly increase the filling times.
  • FIG. 4a shows an exploded view of a cube-shaped configuration of the differential pressure measuring cell 12 and visualizes how the individual components of the differential pressure measuring cell 12 or the current feedthrough 23 are arranged in the converter chamber 3.
  • An insulating base (e.g. ceramic base) 31 is connected to the bottom surface of a recess in the transducer 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 ceramic 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 insulation base 31 (for example a ceramic base or a glass base) which, for example, has a thickness d> 0.7 mm. Furthermore, the insulation of the silicon chip 13 and takes over its bond connections 24, the filling body 33 with cover 34, which is made, for example, of a suitable plastic.
  • the connecting capillaries 10a, 10b designed as capillary tubes are shown below. 5 shows different 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 25, preferably insulation tubes 25, adapted in or on the capillary tubes 17.
  • the previously described cemented ceramic base 31 in the converter chamber 3 can be dispensed with.
  • the electrical insulation between the measuring mechanism 2 and the converter chamber 3 takes place in the area of the capillary tubes between the corresponding connecting capillaries 10a, 10b or at the transition between the capillary tubes and the measuring mechanism 2 or the converter chamber 3. As can be seen in the illustration on the left in FIG.
  • Ceramic tube 25 in the converter chamber 3 (Fig. 5a), in the intermediate area between the converter chamber 3 and the measuring mechanism 2 (Fig. 5c) or in the measuring mechanism 2 (Fig. 5b).
  • a potential separation to earth or the internal ground is preferably achieved through the insulation. This is required for the Ex ia security level and electrical safety.
  • the alternative, that the Ex-separation also by appropriate
  • the differential pressure measuring transducer 1 according to the invention can also be used in potentially explosive areas. To do this, it must meet the security requirements ex d, for which additional security measures are required.
  • FIG. 6 shows a converter chamber 3 or its components and different sections through the converter chamber 3 or its components.
  • a measuring cell 27 is also provided for determining the static pressure.
  • the current feedthrough 23 is shown with an advantageous arrangement of the connection pins 26 for the differential pressure measuring cell 14 with the pressure-sensitive element 15 and the 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 14, 27, which are preferably stacked one on top of the other. However, it can also be of advantage to position at least one PIN asymmetrically in order to make further processing, for example soldering the circuit board, safe in the later process (poka-yoke principle).
  • the PINs 26 either all end in one plane or in parallel planes.
  • Two pins 1.1, 1.2 of the eight pins 26 (Fig. 7c) can be used without isolation, for. B. be soldered because they are at ground / housing potential.
  • the PINS 2 and 3 could be electrically connected to one another, that is to say in a common PIN (FIG. 7b). The electrical insulation then preferably takes place via glazing.
  • the ground PINS 1.1, 1.2 which correspond to PINs 1, 8, and PINS 2, 3 for the power supply are combined, the two bridges are connected to the power supply in parallel. This circuit is shown in FIG. 7c.
  • all PINs 26 are arranged or spaced apart so that there is sufficient dielectric strength both from PIN 26 to PIN 26 and from PIN 26 to the housing / ground of converter chamber 3 is. Since the oil volume is smaller, the smaller the interior space of the converter chamber 3 is dimensioned, the interior space preferably has a diameter of ⁇ 10, in particular ⁇ 8 mm.
  • 6b shows a longitudinal section through the pressure measuring cells 12, 27 stacked on top of 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. Only the ground PINS are arranged in the housing without insulation, all others must be insulated. This is possible if the housing is connected to the measuring mechanism in an isolated manner via the capillaries. Otherwise, all PINs (including the ground PINS) must be electrically isolated.
  • 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 29.
  • FIG. 6c shows a cross section in the area of the differential pressure measuring cell 12, while FIG. 6d shows a section in the area of the chip 27 for measuring the static pressure.
  • FIGS. 7a, 7b and 7c the circuits for the arrangements of the PINs 26 already mentioned above are shown.
  • the differential pressure (1 .2) and the static pressure (1.1) are measured via two resistance bridges.
  • the measured values are fed to an electronic circuit board 36 for further processing.
  • 7a shows the basic connection diagram of the two Si chips 15, 27.
  • eight PINs 26 are required; a minimum of six PINs 26 (FIG. 7b) are required.
  • 7c shows a circuit with 7 pins 26.
  • This intermediate solution has a separate plus supply, but a common ground. The advantage of using a smaller number of PINs 26 is clearly that space is saved can.
  • 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.
  • Fig. 8 shows a longitudinal section through a shown schematically
  • Differential pressure measuring transducer 1 Differential pressure measuring transducer 1. Furthermore, the different zones A-G to which the differential pressure measuring transducer 1 is exposed are listed in FIG. 8. Since the zones are listed by name in the figure, 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:
  • Exd thread housing sensor e.g. via a second containment and / or potting
  • FIG. 9 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. 9 - are selected in such a way that galvanic separation is ensured.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Differenzdruckmessaufnehmer (1) zur Bestimmung des Differenzdrucks von zwei Drücken (p1, p2) mit einem Messwerk (2) und einer Wandlerkammer (3), wobei Messwerk (2) und einer Wandlerkammer (3) über einen Zwischenbereich (15) voneinander abgesetzt sind, 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 Zusatzdruckkammer (8a) bzw. der zweiten Zusatzdruckkammer (8b) eine erste Verbindungskapillare (10a) bzw. eine zweite Verbindungskapillare (10b) zugeordnet ist, wobei die beiden Verbindungskapillaren (10a, 10b) den Druck hydraulisch zu der Wandlerkammer (3) übertragen, und wobei als Schutz des drucksensitiven Elements (13) gegen Überdruck der ersten Zusatzdruckkammer (8a) bzw. der zweiten Zusatzdruckkammer (8b) eine erste Hilfskapillare (11a) bzw. eine zweite Hilfskapillare (11b) zugeordnet ist, wobei der ersten Druckkammer (7a) bzw. der zweiten Druckkammer (7b) eine dritte Hilfskapillare (11c) bzw. eine vierte Hilfskapillare (11d) zugeordnet sind, wobei die hydrauliscshen Verbindungen / Kreuzungen der ersten Hilfskapillare (11a) mit der vierten Hilfskapillare (11d) und der zweiten Hilfskapillare (11b) und der dritten Hilfskapillare (11c) in dem Zwischenbereich (14) von Messwerk (2) und Wandlerkammer (3) angeordnet ist.

Description

Differenzdruckmessaufnehmer zur Bestimmung des Differenzdrucks von zwei
Drücken
Die Erfindung einen Differenzdruckmessaufnehmer zur Bestimmung des Differenzdrucks von zwei Drücken. Bevorzugt wird der erfindungsgemäße Differenzdruckmessaufnehmer 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 T rennmembrane jeweils eine Vorkammer ausbildet. In dem Aufnahmekörper ist jeweils hinter der vom Membranbett abgewandten Seite eine Zusatzkammer vorgesehen, die durch eine vorgespannte Zusatzmembrane 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 Zusatzmembranen entfalten eine geringe Wirkung, die in erster Näherung vernachlässigbar ist. 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 Zusatzmembrane auf der Niederdruckseite und veranlasst diese, sich abzuheben. Somit befindet die sich auf der Hochdruckseite unter der T rennmembrane herausgedrückte Flüssigkeit im Überlastfall unter der sich abhebenden Zusatzmembrane 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 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 Öl, z.B. ein Silikonöl, handelt.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Differenzdruckmessaufnehmer zur Bestimmung des Differenzdrucks von zwei Drücken p1 , p2 mit einem Messwerk und einer Wandlerkammer, wobei Messwerk und Wandlerkammer über einen Zwischenbereich oder ein Zwischenmodul voneinander abgesetzt sind. An oder in einem dem Prozess zugewandten Endbereich des Messwerks ist ein koplanares Doppelmembransystem mit zwei Doppelmembranen vorgesehen. In der Wandlerkammer ist eine Differenzdruckmesszelle mit einem drucksensitiven Element angeordnet. Die beiden
Doppelmembranen bestehen jeweils aus einer Trennmembrane und einer in Richtung der Druckwirkung hinter der Trennmembrane angeordneten Überlastmembran, wobei zwischen der ersten Trennmembrane und der ersten Überlastmembrane eine erste Druckkammer und zwischen der ersten Überlastmembrane und dem Grundkörper eine erste Zusatzdruckkammer ausgebildet ist. Zwischen der zweiten Trennmembrane und der zweiten Überlastmembrane ist eine zweite Druckkammer und zwischen der zweiten Überlastmembrane und dem Grundkörper ist eine zweite Zusatzdruckkammer ausgebildet. Der ersten Zusatzdruckkammer bzw. der zweiten Zusatzdruckkammer eine erste Verbindungskapillare bzw. eine zweite Verbindungskapillare zugeordnet. Über die beiden Verbindungskapillaren gelangen die an den Trennmembranen anliegenden Drücke p1 , p2 hydraulisch zu der Wandlerkammer. Um das drucksensitive Element gegen Überdruck zu schützen, sind der ersten Zusatzdruckkammer bzw. der zweiten Zusatzdruckkammer eine erste Hilfskapillare bzw. eine zweite Hilfskapillare zugeordnet und der ersten Druckkammer bzw. der zweiten Druckkammer eine dritte Hilfskapillare bzw. eine vierte Hilfskapillare, wobei die Verbindungen/Kreuzungen zwischen der ersten Hilfskapillare und der dritten Hilfskapillare bzw. zwischen der zweiten Hilfskapillare und die vierten Hilfskapillare zum Zwecke einer druckübertragenden Kopplung in dem Zwischenbereich von Messwerk und Wandlerkammer angeordnet sind. Die erfindungsgemäße Lösung hat folgende Vorteile:
Das Messwerk ist einteilig, quasi monolithisch, ausgestaltet,
Das Messwerk hat einen relativ einfachen und symmetrischen bzw. vollsymmetrischen Aufbau, - Kosteneinsparung beim Messwerk, insbesondere durch Materialeinsparung
(kleine Dimensionen) und infolge einer vereinfachten Fertigung und Bearbeitung, da die Querbohrungen entfallen; die kleineren Bohrungen können z.B. kostengünstig durch Erodieren oder durch Bohren hergestellt werden;
Als Verbindung zwischen Messwerk und Wandlerkammer gibt es nur die beiden Verbindungsleitungen;
Durch das quasi Nichtvorhandensein der Zusatzdruckkammern im normalen Messbetrieb, ist das benötigte Ölvolumen erheblich reduziert;
Eine weitere Reduktion des benötigten Ölvolumens ist dadurch möglich, da ggf. die Befüllungsbohrungen und die langen Querbohrungen im - relativ zur Wandlerkammer größer dimensionierten - Messwerk entfallen. Die Befüllung erfolgt - gemäß einer nachfolgend noch näher beschriebenen bevorzugten Ausgestaltung - über zumindest eine Befüllungsöffnung in der Wandlerkammer. Somit entfällt die korrosionsanfällige Befüllungsöffnung 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.
Der Anschluss an die Wandlerkammer erfolgt als Reihenschaltung; der Druck wird von der Hochdruckseite zuerst auf die Rückseite der Überlastmembrane der Niederdruckseite geleitet und gelangt erst dann zu den Verbindungsleitungen, die zur Wandlerkammer führen. Dies hat erhebliche Vorteile bezüglich des Druckdynamikschutzes des drucksensitiven Elements, das auch Primärsensorelement genannt wird. Durch Variation der Kapillardurchmesser oder durch Zusatzelemente, wie z.B. Sinterelemente, lässt sich dieser Vorteil noch verstärken. Dies wird an einer nachfolgenden Stelle noch näher beschrieben.
Erfindungsgemäß 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. Dies ist sehr wichtig für die Realisierung des koplanaren Sensors und ermöglicht kleine Messbereiche. Durch kleine Messbereiche wiederum lässt sich die Ansteuerung der Membranen gering halten, was einhergeht mit kleineren Messfehlern.
Allgemein lässt sich sagen, dass zum Schutz des drucksensitiven Elements gegen Überdruck erfindungsgemäß sichergestellt ist, dass ein einseitig auftretender Überdruck am drucksensitiven Element 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 Zusatzmembranen derart vorgespannt, dass sie im Wesentlichen vollflächig und/oder formschlüssig 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 an den entsprechenden 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. Vorteilhafterweise verlaufen die Kapillaren im Messwerk im Wesentlichen parallel.
Alternativ ist es natürlich auch möglich, dass die Kapillaren unter einem Winkel kleiner 90°, bevorzugt kleiner 45°, zur Längsachse des Messwerks bzw. des Differenzdruckmessaufnehmers angeordnet sind. Messwerk und Wandlerkammer sind voneinander beabstandet. Die Verbindungs- und Hilfskapillaren sind im Zwischen Bereich als Kapillarröhrchen ausgebildet und mit dem Messwerk und der Wandlerkammer druckfest, kraftschlüssig und gasdicht verbunden. Die Kapillarröhrchen münden in der Wandlerkammer und im Messwerk in entsprechend angeordnete und/oder ausgestaltete Kapillarbohrungen. Alternativ sind die Verbindungen/Kreuzungen der Hilfskapillaren ebenso wie die Durchführung der
Verbindungskapillaren in einem Zwischenmodul als Kapillarbohrungen realisiert. Aufgrund der T rennung von Messwerk und Wandlerkammer ist es darüber hinaus auch auf einfache Art und Weise möglich, eine elektrisch isolierte 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 oder eine zylindrische Form mit abgeflachten, einander gegenüberliegenden Bereichen. An ihrem dem Prozess zugewandten Endbereich finden sich zwei Verbindungskapillaren, die bevorzugt parallel zueinander angeordnet sind.
Um sicherzustellen, dass eine Überlast ausgeglichen wird, bevor sie das drucksensitive Element erreicht, schlägt eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Differenzdruckmessaufnehmers 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. Um das drucksensitive Element zusätzlich vor Druckspitzen zu schützen, sind gemäß einer Ausgestaltung des Differenzdruckmessaufnehmers in die Verbindungsleitungen/Verbindungskapillare zwischen Messwerk und Wandlerkammer Dynamikbremsen eingebaut. Bei den Dynamikbremsen handelt es sich um Strömungswiderstände, z.B. Bei den Dynamikbremsen um Sintermetalleinsätze. Die Dynamikbremsen können auch so ausgestaltet sein, dass sie zusätzlich die Funktion des Explosionsschutzes übernehmen.
In einem vom Prozess abgewandten Endbereich der Wandlerkammer, insbesondere in dem vom Prozess abgewandten Stirnbereich oder der Seitenwand der Wandlerkammer, sind zwei Befüllungsbohrungen vorgesehen. Über die Befüllungsbohrungen, die in den zur Wandlerkammer führenden Verbindungsleitungen münden, werden die hydraulisch miteinander kommunizierenden Komponenten mit einer hydraulischen
Übertragungsflüssigkeit gefüllt. Bei der Übertragungsflüssigkeit handelt es sich bevorzugt um eine annähernd inkompressible Flüssigkeit, z.B. ein Silikonöl, mit einem geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Bevorzugt sind zwei Befüllungsbohrungen vorgesehen, die in Verlängerung der Bohrungen der Verbindungskapillaren parallel zur Längsachse des Differenzdruckmessaufnehmers angeordnet sind. Die
Befüllungsbohrungen werden mittels eines Verschlusselements nach dem Befüllen druckfest, gasdicht bzw. zumindest flüssigkeitsdicht verschlossen. Beispielsweise handelt es sich bei dem Verschlusselement um eine Kugel, die in die Bohrung eingepresst und anschließend verstemmt wird. Auch ist es möglich, das Verschlusselement in der Bohrung zu verschweißen.
Alternativ ist vorgesehen, dass zwei zusätzliche Befüllungsbohrungen im Messwerk vorgesehen sind. Die beiden Befüllungsbohrungen sind im Wesentlichen parallel zu den Verbindungsleitungen und Hilfsleitungen und symmetrisch zueinander im Messwerk vorgesehen. Sie erstrecken sich bevorzugt zwischen der Stirnseite des vom Prozess abgewandten Endbereichs des Messwerks und jeweils einer der beiden Zusatzdruckkammern.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Differenzdruckmessaufnehmers sieht vor, dass die Verbindungskapillaren, bei denen es sich - wie bereits beschrieben - 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. Da nur die Verbindungskapillaren in der Wandlerkammer münden, genügt es natürlich nur diese - wie zuvor beschrieben - zu isolieren. 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 Kapillarröhrchen ausgestalteten Verbindungskapillaren integriert sind.
Hierdurch ist es möglich, Erde und Masse zu trennen (Schaltungsnullpunkt; Ue = Bezugspunkt der elektrischen Versorgung = Masse) 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;
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Differenzdrucksensor wird das drucksensitive Element, üblicherweise ein Silizium- Chip, bevorzugt auf einen Silizium-Sockel aufgebracht. Nimmt man einen
Silizium-Sockel anstelle des sonst üblichen Glassockels, so lässt sich ein günstigeres thermisches Verhalten (T-Hysterese) erreichen, was sich in einem geringeren statischen Druckfehler niederschlägt. Erklärung: Der E-Modul von Glas ist verschieden von dem E-Modul von Silizium. Bei Glas tritt eine größere Verformung und somit ein größerer Fehler infolge eines statischen Drucks auf als bei Silizium. Da Silizium jedoch kein Isolator ist, sondern eine gewisse Leitfähigkeit aufweist, sind für den sicheren elektrischen Betrieb Mindestisolationsstrecken erforderlich. Diese können z.B. durch in die Verbindungsleitungen eingesetzte keramische Isolierkörper und/oder entsprechend ausgestaltete Dynamikbremsen realisiert werden.
Der volle oder partielle Ex-Schutzverguss in der Wandlerkammer, der bislang bei Differenzdrucksensoren erforderlich war, kann entfallen. Bislang wurde der Verguss genutzt, um die Mindestabstände der stromführenden Elemente zum Massepotential möglichst gering halten zu können. Diese Abstandsreduzierung kann bei der Ausgestaltung der Erfindung entfallen, wo die Isolationselemente in den Verbindungskapillaren angeordnet sind. Zwecks Erzielung einer sicheren elektrischen Isolierung können die erforderlichen Mindestabstände um einiges kleiner ausfallen als beiden bislang bekannt gewordenen Lösungen. Auch lassen sich diese Mindestabstände ohne großen Aufwand erreichen. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Differenzdruckmessaufnehmers handelt es sich bei dem drucksensitiven Element um einen Siliziumchip; der Differenzdruck wird über ein kapazitives oder resistives Messverfahren ermittelt. Darüber kann auch ein Resonator eingesetzt werden.
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 der PINs kleiner ausfallen; sie sind somit druckfester. Ziel ist insbesondere, eine Druckfestigkeit zu erreichen, die größer ist als 1280 bar. 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 oder auch nebeneinander angeordnet. Hier kommt nur der Vorteil der zuvor genannten Verkleinerung der PINs besonders zum Tragen: Da die Glasdurchführungen für die PINs kleiner ausfallen, können die vierZusatz-PINs, die die Messwerte des statischen Druckelements (Absolutdruckmesszelle) zur Verfügung stellen, in der Wandlerkammer untergebracht werden, ohne dass diese vergrößert werden müsste. Die Anordnung der PINs wird nachfolgend in der Figurenbeschreibung noch ausführlicher abgehandelt.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 : eine Darstellung, die den Aufbau eines erfindungsgemäßen Differenzdruckaufnehmers schematisch skizziert, Fig. 2: eine Skizze des Verlaufs der Verbindungs- und Hilfsverbindungsleitungen bei einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Differenzdrucksaufnehmers,
Fig. 3a - Fig. 3c: eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Differenzdruckmessaufnehmers im Überdruck- bzw. Überlastfall mit unterschiedlichen Varianten an Befüllungsbohrungen zur Befüllung des Hydrauliksystems mit Übertragungsflüssigkeit,
Fig. 4: eine schematische Darstellung der Wandlerkammer mit dem Verlauf der beiden Verbindungskapillaren,
Fig. 4a: eine Explosionsdarstellung einer bevorzugten Ausgestaltung der Wandlerkammer mit Stromdurchführung,
Fig. 5: unterschiedliche Darstellungen vorteilhafter Varianten, wie die elektrische Isolierung zwischen Messwerk und Wandlerkammer erreicht wird,
Fig. 6: unterschiedliche Ansichten und Schnitte durch eine Wandlerkammer mit einer Einheit zur Kompensation des statischen Drucks,
Fig. 7: die Schaltung der elektrischen Anschlüsse von Differenzdruckmesszelle und statischer Druckmesszelle,
Fig. 8: einen Längsschnitt durch einen schematisch dargestellten Differenzdruckmesssaufnehmer, und
Fig. 9: eine Draufsicht auf einen Füllkörper, bei dem die Druckmesszelle und die Druckmesszelle für den statischen Druck in einer Ebene angeordnet sind.
In Fig. 1 ist der Aufbau eines erfindungsgemäßen Differenzdruckaufnehmers 1 skizziert. Der Differenzdruckmessaufnehmer 1 setzt sich zusammen aus einem Messwerk 2 mit dem koplanaren Doppelmembransystem 4a, 4b und einer Wandlerkammer 3, in der die Differenzdruckmesszelle 14 angeordnet ist. Die Differenzdruckmesszelle 14 wandelt die von den Prozessmembranen bzw. den Trennmembranen 5a, 5b hydraulisch übertragenen Drücke p1 , p2 in ein elektrisches Differenzdrucksignal und generiert einen entsprechenden Messwert. Messwerk 2 und Wandlerkammer 3 sind durch einen Zwischenbereich 13 voneinander abgesetzt. Im Zwischenbereich 13 ist erfindungsgemäß die als Überdruckschutz dienende Kreuzung der Hilfskapillaren 11a, 11b, 11c, 11 d realisiert. Verbindungskapillaren und Hilfskapillaren sind in Fig. 1 nur skizzenhaft angedeutet und daher auch nicht mit Bezugszeichen versehen. In Fig. 2 ist der Verlauf der Verbindungskapillaren 10a, 10b, der Hilfskapillaren 11a, 11b, 11c, 11d und der Kopplungskapillaren 12.1 , 12.2 gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Differenzdruckaufnehmers 1 zu sehen. Der Differenzdruckmessaufnehmer 1 dient zur Bestimmung des Differenzdrucks von zwei Drücken p1 , p2. Zur Anwendung kommt die Messung des Differenzdruckes zweier Drücke p1 , p2 z.B. in einer Rohrleitung zur Durchflussbestimmung. Ein weiterer Anwendungsfall eines Differenzdruckmessaufnehmers 1 ist beispielsweise die Bestimmung des Füllstandes eines in einem Tank befindlichen fluiden Mediums.
Der Differenzdruckmessaufnehmer 1 besteht aus einem Messwerk 2 und einer Wandlerkammer 3, wobei Messwerk 2 und Wandlerkammer 3 über einen Zwischenbereich 19 voneinander abgesetzt sind. An oder in einem dem Prozess zugewandten Endbereich 14 des Messwerks 2 ist ein koplanares Doppelmembransystem 4 mit zwei Doppelmembranen 4a, 4b vorgesehen. In der Wandlerkammer 3 ist eine Differenzdruckmesszelle 12 mit einem drucksensitiven Element 13 angeordnet.
Die beiden Doppelmembranen 4a, 4b bestehen jeweils aus einer Prozessmembrane 5a, 5b bzw. 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. Weiterhin ist 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. Der ersten Zusatzdruckkammer 7a bzw. der zweiten Zusatzdruckkammer 7b ist eine erste Verbindungskapillare 10a bzw. eine zweite Verbindungskapillare 10b zugeordnet, über welche die an den Trennmembranen 5a, 5b anliegenden Drücke p1 , p2 hydraulisch zu der Wandlerkammer 3 übertragen werden.
Zum Schutz des drucksensitiven Elements 15 vor Überdruck / Überlast ist der ersten Zusatzdruckkammer 8a bzw. der zweiten Zusatzdruckkammer 8b eine erste Hilfskapillare 11a bzw. eine zweite Hilfskapillare 11b und der ersten Druckkammer 7a bzw. der zweiten Druckkammer 7b eine dritte Hilfskapillare 11 c bzw. eine vierte Hilfskapillare 11d zugeordnet. Die Verbindungen/Kreuzungen der Hilfskapillaren 11a, 11b, 11c, 11 d zum Zwecke einer druckübertragenden Kopplung zwischen der ersten Hilfskapillare 11a und der vierten Hilfskapillare 11 d bzw. zwischen der zweiten Hilfskapillare 11 b und der dritten Hilfskapillare 11 c sind in dem Zwischenbereich 19 von Messwerk 2 und Wandlerkammer 3 angeordnet. Zumindest im Zwischenbereich 19 sind die Kapillaren bevorzugt als Kapillarröhrchen ausgestaltet. Im normalen Messbetrieb wird der Druck p1 über die Trennmembrane 5a, die Hilfskapillare 11c, die Hilfskapillare 11b und die Verbindungskapillare 10b zur Minusseite des drucksensitiven Elements 13 übertragen. Der Druck p2 wird über die Trennmembrane 5b, die Hilfskapillare 11 d, die Hilfskapillare 11a und die Verbindungskapillare 10a zur Plusseite des drucksensitiven Elements 13 übertragen. Liegen die Überlastmembranen 6a, 6b formschlüssig an dem Grundkörper 9 des Messwerks 2 an, ist ggf. ein hydraulischer Kanal in den Überlastmembranen 6a, 6b oder in den beiden Membranbetten im Grundkörper eingebracht. In den Figuren Fig. 3a, Fig. 3b und Fig. 3c sind Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Differenzdruckaufnehmers 1 im Überlast- bzw. Überdruckfall dargestellt. Die Figuren unterscheiden sich lediglich im Hinblick auf die Anordnung und/oder Ausgestaltung der Befüllungsbohrungen 14a, 14b. Daher genügt im Wesentlichen eine Beschreibung der Fig. 3a.
Im dargestellten Fall tritt an der Trennmembrane 5b ein Überdruck peÜL auf. Ohne die erfindungsgemäße Überdruck-Schutzvorrichtung würde der Überdruck peÜL auf die Plusseite des drucksensitiven Elements 13 übertragen. Durch die einseitige Überlast bestände die Gefahr, dass der Siliziumchip 13 zerstört wird. Infolge des Überdrucks PeÜL wird erfindungsgemäß die Trennmembrane 5b gegen die Überlastmembrane 6b bewegt, welche im Wesentlichen formschlüssig an dem Grundkörper 9 anliegt. Die Bewegung wird gestoppt, wenn die Trennmembrane 5b gegen die Überlastmembrane 6b angedrückt ist. Da hinter der Überlastmembrane 6b kaum Übertragungsflüssigkeit 16 ist, die verschoben werden kann, findet der Überdruck keinen Weg über die Verbindungskapillare 10b zu der Minusseite des drucksensitiven Elements. Der
Überdruck peÜL wird von der Druckkammer 7b über die Hilfskapillare 11 d und die mit ihr über eine Querbohrung gekoppelte Hilfskapillare 11a hydraulisch auf die Rückseite der Überlastmembrane 6a der ersten koplanaren Doppelmembrane 4a übertragen. Sobald der Überdruck PeÜL die Vorspannung der Überlastmembrane 6a übersteigt, löst sich diese von ihrem Membranbett am Grundkörper 9 und es wird Übertragungsflüssigkeit 16 von der Druckkammer 7b der Hochdruckseite in die Zusatzdruckkammer 8a verschoben. Aufgrund der Auslenkung von Überlastmembrane 6a und Trennmembrane 5a können die Zusatzdruckkammer 8a und die Druckkammer 7a Übertragungsflüssigkeit 16 aufnehmen. Diese Verschiebung von Übertragungsflüssigkeit 16 endet, sobald die Trennmembrane 5b auf der Hochdruckseite auf der Überlastmembrane 6b zur Anlage kommt. Nachfolgend kann der Druck im Kapillarsystem des Differenzdruckaufnehmers nicht weiter ansteigen. Da die Überlastmembranen 6a, 6b und das drucksensitive Element 13 druckdynamisch in Reihe geschaltet sind, gelangt über die Verbindungskapillare 10a nur ein Druck zur Plusseite des drucksensitiven Elements 13, der unterhalb des kritischen Grenzwertes liegt. Erfindungsgemäß wird so viel Übertragungsflüssigkeit 21 von der rechten Seite des Doppelmembransystems 4b auf die linke Seite des Doppelmembransystems 4a übertragen, bis auf der rechten Seite des Doppelmembransystems 4b keine Übertragungsflüssigkeit 16 mehr verschoben werden kann, da die Prozessmembrane 5b auf der Überlastmembrane 6b anliegt, welche sich ihrerseits wiederum auf dem Grundkörper 9 des Messwerkes 2 abstützt. Der maximale Druck, welcher an der linken Seite des drucksensitiven Elements 13 anliegt, lässt sich über die Rückstellkraft der Überlastmembranen 6a, 6b (Feder im ausgelenkten Zustand) festlegen bzw. dimensionieren. So wird einer Zerstörung des drucksensitiven Elements 13, üblicherweise eines Siliziumchips, effektiv entgegengewirkt.
Um sicherzustellen, dass der Überdruck zuerst die Überlastmembrane 6a auslenkt, bevor er den sensitiven Bereich des Druckchips (üblicherweise auch eine Membrane) erreicht, sind die hydraulischen Pfade in Serie geführt. Der druckempfindliche Chip 15 befindet sich erst am Ende der Reihenschaltung. Unterstützt bzw. sichergestellt wird dies durch entsprechend angepasste Kapillargeometrien, die in Richtung des druckempfindlichen Chips 13 eine Bremsfunktion erfüllen. Zusätzlich oder alternativ können auch vorgeschaltete Dynamikbremsen vorgesehen sein. Insbesondere sind die Verbindungs und Hilfskapillaren 10a, 10b, 11a, 11 b, 11c, 11 d geeignet in Länge und Durchmesser dimensioniert. Als vorteilhaft wird es gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Differenzdruckmessaufnehmers 1 angesehen, wenn zusätzlich oder alternativ in den Verbindungskapillaren 10a, 10b sog. Dynamikbremsen 22 eingesetzt sind. Diese verzögern die Weiterleitung des Drucks, insbesondere eines Überdrucks PeÜL, und schützen das drucksensitive Element 13 insbesondere vor im Prozess auftretenden Druckspitzen. Bei den Dynamikbremsen 18 kann es sich um Sintermetalleinsätze handeln. Bei Einsatz des Differenzdruckmessaufnehmers 1 im explosionsgeschützten Bereich werden die Dynamikbremsen 18 aus einem nicht leitfähigen Material gefertigt. In diesem Fall erfüllen die Dynamikbremsen 18 dann also eine Doppelfunktion: Verzögerte Weiterleitung des Drucks und Explosionsschutz entsprechend einer benötigten Explosionsschutzart.
Bei Fig. 3a erfolgt die Befüllung des Kapillarsystems mit einer Übertragungsflüssigkeit über die Wandlerkammer 3. Die Befüllungsbohrungen 14a, 14b sind mit Verschlusselementen 15a, 15b gas- oder flüssigkeitsdicht und druckdicht verschlossen. Die Verschlusselemente 15a, 15b sind nahe bei dem drucksensitiven Element 13 angeordnet. Bei der Fig. 3c befinden sich die Verschlusselemente 15a, 15b am vom Prozess abgewandten Bereich der Wandlerkammer 3. In Fig. 3c sind zusätzlich nach Befüllungsbohrungen 14a, 14b an dem Messwerk 2 vorgesehen. Die Befüllung erfolgt hier über zwei separate Befüllungsbohrungen 14, 14b vorgesehen, die parallel zu den Verbindungskapillaren 10a, 10b bzw. den Hilfskapillaren 11a, 11b, 11c, 11 d angeordnet sind. Die Befüllungsbohrungen 14a, 14b münden in die entsprechenden Zusatzdruckkammer 8a, 8b. Als druckdichter, gas- oder zumindest flüssigkeitsdichter Verschluss ist jeweils ein bevorzugt kugelförmiges Verschlusselement 15a, 15b vorgesehen, das in die Befüllungsbohrung 14a, 14b gedrückt und anschließend verstemmt wird. Prinzipiell stehen auch anderen Verfahrens zum Verschließen der Öffnungen zur Verfügung. Schweißen wird allerdings insofern als kritisch angesehen, da infolge der Temperaturerhöhung negative Rückwirkungen auf die definierten Eigenschaften der Übertragungsflüssigkeit 16 auftreten können.
Alternativ kann die Befüllung über die Wandlerkammer 3 erfolgen. Bevorzugt verlaufen die Befüllungsbohrungen 18a, 18b von der vom Prozess abgewandten Stirnfläche der Wandlerkammer 3 zu den Verbindungskapillaren 10a, 10b. Möglich ist es aber auch, die Befüllungsbohrungen 19a, 19b von der Seitenfläche der Wandlerkammer 3 zu den Verbindungskapillaren 10a, 10b zu führen. Das Verschließen der Befüllungsbohrungen 14a, 14b erfolgt in der bereits zuvor beschriebenen Art und Weise. Die Pfeile deuten übrigens jeweils die Befüllrichtung an.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung der Wandlerkammer 3 mit den beiden Verbindungskapillaren 10a, 10b. Über die Verbindungskapillaren 10a, 10b werden die an den Trennmembranen 5a, 5b anliegenden Drücke p1 , p2 hydraulisch zum drucksensitiven Element 13 übertragen. Bei dieser Ausgestaltung sind in der Wandlerkammer 3 zwei vertikale (also parallel zur Längsachse des Differenzdruckmessaufnehmers 1) Bohrungen und eine horizontale Bohrung erforderlich. Eventuell kann es auch sinnvoll sein, zwei Befüll- und Verschlusszugänge zu haben, um die Befüllung leichter durchführen zu können. Die Dynamikbremsen 18 könnten das Befüllen erschweren bzw. die Befüllzeiten stark verlängern.
Fig. 4a zeigt eine Explosionsdarstellung einer würfelförmigen Ausgestaltung der Differenzdruckmesszelle 12 und visualisiert, wie die Einzelkomponenten der Differenzdruckmesszelle 12 bzw. der Stromdurchführung 23 in der Wandlerkammer 3 angeordnet sind. Ein isolierender Sockel (z.B. Keramiksockel) 31 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 Keramiksockel 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 Isolationssockel 31 (z.B. einen Keramiksockel oder einen Glassockel), der beispielsweise eine Dicke d> 0,7mm hat. Weiterhin übernimmt die Isolation des Siliziumchips 13 und dessen Bondverbindungen 24 der Füllkörper 33 mit Deckel 34, der z.B. aus einem geeigneten Kunststoff gefertigt ist. Unterhalb sind die als Kapillarröhrchen ausgestalteten Verbindungskapillaren 10a, 10b gezeigt. Fig. 5 zeigt unterschiedliche Darstellungen vorteilhafter Varianten, wie die elektrische Isolierung zwischen Messwerk 2 und Wandlerkammer 3 über in oder an die Kapillarröhrchen 17 adaptierte Isolationselemente 25, bevorzugt Isolationsröhrchen 25, realisiert werden kann. Bei diesen Ausgestaltungen kann übrigens auf den zuvor beschriebenen eingeklebten Keramiksockel 31 in der Wandlerkammer 3 verzichtet werden. Die elektrische Isolation zwischen Messwerk 2 und Wandlerkammer 3 erfolgt im Bereich der Kapillarröhrchen zwischen den entsprechenden Verbindungskapillaren 10a, 10b oder am Übergang der Kapillarröhrchen zum Messwerk 2 oder zur Wandlerkammer 3. Wie in der linken Darstellung Fig. 5 zu sehen ist, können die elektrisch isolierenden
Keramikröhrchen 25 in der Wandlerkammer 3 (Fig. 5a), im Zwischenbereich zwischen Wandlerkammer 3 und Messwerk 2 (Fig. 5c) oder im Messwerk 2 (Fig. 5b) ausgeführt sein. Bevorzugt wird durch die Isolation eine Potentialtrennung zur Erde bzw. der internen Masse erreicht. Dies ist erforderlich für die Sicherheitsstufe Ex ia und die elektrische Sicherheit. Die Alternative, dass die Ex-Trennung auch durch entsprechende
Ausgestaltung der Dynamikbremsen 18 erreicht werden kann, wurde ja zuvor bereits erwähnt. Der erfindungsgemäße Differenzdruckmessaufnehmer 1 kann auch im explosionsgefährdeten Bereich eingesetzt werden. Hierzu muss er den Sicherheitsanforderungen ex d genügen, wozu weitere Sicherheitsmaßnahmen erforderlich sind.
Fig. 6 zeigt eine Wandlerkammer 3 oder deren Komponenten und unterschiedliche Schnitte durch die Wandlerkammer 3 oder deren Komponenten. Bei dieser Ausgestaltung ist auch eine Messzelle 27 zur Bestimmung des statischen Drucks vorgesehen. In Fig. 6a ist die Stromdurchführung 23 mit einer vorteilhaften Anordnung der Anschluss-Pins 26 für die Differenzdruckmesszelle 14 mit dem drucksensitiven Element 15 und der darüber angeordneten Messzelle 27 zur Bestimmung des statischen Drucks dargestellt. Die PINs 26 sind bevorzugt symmetrisch im Randbereich der beiden bevorzugt übereinander gestapelt angeordneten Druckmesszellen 14, 27 zu finden. Es kann jedoch auch durchaus von Vorteil sein, mindestens einen PIN asymmetrisch zu positionieren, um im späteren Prozess die Weiterverarbeitung, z.B. das Anlöten der Platine sicher zu machen (Poka-Yoke- Prinzip). Entweder enden die PINs 26 alle in einer Ebene oder in parallelen Ebenen. Zwei Pins 1.1 , 1.2 der acht Pins 26 (Fig. 7c) können ohne Isolierung z. B. gelötet sein, da sie auf Masse/Gehäusepotential liegen. Die PINS 2 und 3 könnten elektrisch zusammen, also in einem gemeinsamen PIN, auf Potenzial gelegt werden (Fig. 7b). Die elektrische Isolation erfolgt dann bevorzugt über eine Einglasung. Wenn die Masse-PINS 1.1 , 1.2, die den PINs 1 , 8 entsprechen, und die PINS 2, 3 für die Spannungsversorgung zusammengefasst sind, liegen die beiden Brücken parallel an der Spannungsversorgung. Gezeigt ist diese Schaltung in Fig. 7c.
Um die Anforderungen der elektrischen Sicherheit und für den Einsatz im explosionsgefährdeten Bereich zu erfüllen, sind alle PINs 26 so angeordnet bzw. beabstandet, dass eine ausreichende Spannungsfestigkeit sowohl von PIN 26 zu PIN 26 als auch von PIN 26 zum Gehäuse/Masse der Wandlerkammer 3 vorhanden ist. Da das Ölvolumen umso geringer ist, je geringer der Innenraum der Wandlerkammer 3 dimensioniert ist, hat der Innenraum bevorzugt einen Durchmesser von < 10, insbesondere von <8mm. Fig. 6b zeigt einen Längsschnitt durch die übereinander gestapelten Druckmesszellen 12, 27. Die PINS 26 sind isoliert voneinander durch die Stromdurchführung 30 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. Nur die Masse-PINS sind ohne Isolierung im Gehäuse angeordnet, alle anderen müssen isoliert sein. Dies ist dann möglich, wenn das Gehäuse isoliert über die Kapillaren am Messwerk angebunden ist. Ansonsten müssen alle PINs (auch die Masse-PINS) elektrisch isoliert sein.
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 29 folgt die Verschlusskappe 35. Fig. 6c zeigt einen Querschnitt im Bereich der Differenzdruckmesszelle 12, während Fig. 6d einen Schnitt im Bereich des Chips 27 zur Messung des statischen Drucks zeigt.
In den Figuren Fig. 7a, Fig. 7b und Fig. 7c sind die Schaltungen zu den bereits zuvor erwähnten Anordnungen der PINs 26 gezeigt. Über zwei Widerstandsbrücken werden der Differenzdruck (1 .2) und der statische Druck (1.1) gemessen. Die Messwerte werden einer Elektronikplatine 36 zur Weiterverarbeitung zugeleitet. Fig. 7a zeigt das prinzipielle Anschlussbild der beiden Si-Chips 15, 27. Um die Schaltung komplett unabhängig betreiben zu können, sind acht PINs 26 erforderlich; minimal sind sechs PINs 26 (Fig. 7b) erforderlich. Fig. 7c zeigt eine Schaltung mit 7 PINs 26. Diese Zwischenlösung 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 Fig. 7 gezeigten PINs 26 aufgeführt:
(2), (3): PINs 26 für den Anschluss der Versorgungsspannung,
(4), (5): PINs 26 für das Brückenausgangssignal der statischen Druckmesszelle 27,
(6), (7): PINs 26 für das Brückenausgangssignal der Differenzdruckmesszelle 14, 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. 8 zeigt einen Längsschnitt durch einen schematisch dargestellten
Differenzdruckmesssaufnehmer 1. Weiterhin sind in der Fig. 8 die unterschiedlichen Zonen A-G aufgelistet, denen der Differenzdruckmessaufnehmer 1 ausgesetzt ist. Da die Zonen in der Figur namentlich aufgeführt sind, wird an dieser Stelle auf eine Wederholung 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 Messwerk 2
@ Druckzuführung Wandlerkammer 3 - Messwerk 2 © Druckzuführung zur Wandlerkammer 3
© Stromdurchführung 23 mit PIN/Einglasung
© Ölverschluss 15
® Trennung zwischen Gehäuse und Sensorrückraum
@ Exd-Gewinde Gehäuse-Sensor, z.B. über ein Second Containment und/oder einen Verguss
© Verschlusskappe 35 Stromdurchführung 23 ( GDF)
Fig. 9 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. 9 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 Doppelmembran, zweite Doppelmembran 5a, 5b erste Trennmembran, zweite Trennmembran 6a, 6b erste Überlastmembran, zweite Überlastmembran 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, 11c, 11d dritte Hilfskapillare, vierte Hilfskapillare
12 Differenzdruckmesszelle 13 drucksensitives Differenzdruckelement
14a, 14b Befüllungsbohrung 15a, 15b Verschlusselement 16 Übertragungsflüssigkeit
17 Kapillarröhrchen
18 Dynamikbremse
19 Zwischenbereich / Zwischenmodul
20 Fügung 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
38 Ausnehmung für Pin

Claims

Patentansprüche
1. Differenzdruckmessaufnehmer (1) zur Bestimmung des Differenzdrucks von zwei Drücken (p1 , p2) mit einem Messwerk (2) und einer Wandlerkammer (3), wobei Messwerk (2) und einer Wandlerkammer (3) über einen Zwischenbereich (15) voneinander abgesetzt sind, 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 T rennmembrane (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 Zusatzdruckkammer (8a) bzw. der zweiten Zusatzdruckkammer (8b) eine erste Verbindungskapillare (10a) bzw. eine zweite Verbindungskapillare (10b) zugeordnet ist, wobei die beiden
Verbindungskapillaren (10a, 10b) den Druck hydraulisch zu der Wandlerkammer (3) übertragen, und wobei als Schutz des drucksensitiven Elements (13) gegen Überdruck der ersten Zusatzdruckkammer (8a) bzw. der zweiten Zusatzdruckkammer (8b) eine erste Hilfskapillare (11a) bzw. eine zweite Hilfskapillare (11b) zugeordnet ist, wobei der ersten Druckkammer (7a) bzw. der zweiten Druckkammer (7b) eine dritte Hilfskapillare (11 c) bzw. eine vierte Hilfskapillare (11 d) zugeordnet sind, wobei die hydraulischen Verbindungen / Kreuzungen der ersten Hilfskapillare (11a) mit der vierten Hilfskapillare (11 d) und der zweiten Hilfskapillare (11b) und der dritten Hilfskapillare (11c) in dem Zwischenbereich (14) von Messwerk (2) und Wandlerkammer (3) angeordnet ist.
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 die Verbindungskapillaren (1 Oa, 10b) und die Hilfskapillaren (11a, 11b, 11c, 11 d) im Wesentlichen parallel zur Längsachse (L) des Differenzdruckaufnehmers (1) angeordnet sind, und wobei die Kopplungskapillaren (12.1 , 12.2 zwischen den Hilfskapillaren (11a, 11c; 11b, 11 d) im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse (L) des Differenzdruckaufnehmers (1) verlaufen.
4. Differenzdruckmessaufnehmer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem Zwischenbereich (19) von Messwerk (2) und Wandlerkammer (3) ein Zwischenmodul (19) angeordnet ist, und wobei es sich bei den im Zwischenmodul (19) angeordneten Verbindungs- und Hilfskapillaren (10a, 10b, 11a, 11b, 11c, 11 d) und den Verbindungen/Kreuzungen der Hilfskapillaren (11a, 11b, 11c, 11 d) bevorzugt um Kapillarbohrungen handelt.
5. Differenzdruckmessaufnehmer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei den im Messwerk (2) und in der Wandlerkammer (3) angeordneten Verbindungs- und/oder Hilfskapillaren (10a, 10b, 11a, 11b, 11c, 11d) und den
Verbindungen/Kreuzungen der Hilfskapillaren (11a, 11 b, 11c, 11 d) um Kapillarbohrungen und/oder Kapillarröhrchen (17) handelt.
6. Differenzdruckmessaufnehmer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wandlerkammer (3) an ihrem dem Prozess zugewandten Endbereich zwei Verbindungskapillaren (10a, 10b) aufweist, die bevorzugt parallel zueinander angeordnet sind und die deckungsgleich mit den als Kapillarbohrungen ausgebildeten Verbindungskapillaren (10a, 10b) im Zwischenmodul (19) und im Messwerk (2) sind.
7. Differenzdruckmessaufnehmer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Verbindungskapillaren (10a, 10b) und/oder die Hilfskapillaren (11a, 11b, 11c,
11 d) derart ausgestaltet und/oder dimensioniert sind, dass ein über dem vorgegebenen kritischen Grenzdruck liegender Überdruck (peÜL) mittels des Überdruckschutzes begrenzt wird, bevor der Überdruck an die Differenzdruckmesszelle (12) bzw. das drucksensitive Element (13) übertragen wird.
8. Differenzdruckmessaufnehmer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest eine Befüllungsbohrung (14) vorgesehen ist, die dazu dient, die hydraulisch miteinander kommunizierenden Komponenten mit einer hydraulischen Übertragungsflüssigkeit (16) zu befüllen, wobei jede Befüllungsbohrung (14a, 14b) nach dem Befüllen über ein Verschlusselement (15a, 15b) druckfest, gasdicht oder zumindest flüssigkeitsdicht verschlossen ist.
9. Differenzdruckmessaufnehmer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei elektrische Verbindungspins (26) in der Wandlerkammer (3) gasdicht durch einen der vom Prozess abgewandten Endbereiche der Wandlerkammer (3) in Richtung einer Elektronikplatine (36) geführt sind.
10. Differenzdruckmessaufnehmer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verbindungskapillaren (10a, 10b) und Hilfskapillaren (11a, 11 b, 11c, 11 d) derart ausgestaltet sind, dass sie die Wandlerkammer (3) elektrisch von dem Messwerk (2) isolieren.
11 . Differenzdruckmessaufnehmer nach Anspruch 10, wobei die Verbindungskapillaren (1 Oa, 10b) und die Hilfskapillaren (11a, 11 b, 11c, 11 d) zumindest abschnittweise mit einem elektrischen Isolator (25), insbesondere einem
Keramikisolierkörper oder einer isolierenden Einglasung, versehen sind, und über eine gasdichte Verbindung, insbesondere eine Lötverbindung oder eine Einglasung, in den entsprechenden Bohrungen Kapillarbohrungen des Messwerks (2) bzw. des Zwischenmoduls (19) bzw. der Wandlerkammer (3) befestigt sind.
12. Differenzdruckmessaufnehmer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrischen Isolatoren (25) in der Wandlerkammer (3) und/oder im Messwerk (2) und/oder im Zwischenraum (19) bzw. im Zwischenmodul (19) zwischen Messwerk (2) und Wandlerkammer (3) vorgesehen sind.
13. 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 oder einen Resonator ermittelt wird.
14. 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.
15. Differenzdruckmessaufnehmer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der Wandlerkammer (3) ein drucksensitives Element (27) zur Messung des statischen Drucks (pstat) vorgesehen ist.
16. Differenzdruckmessaufnehmer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei das drucksensitive Element (13) zur Messung des Differenzdrucks (dp) und das drucksensitive Element (27) zur Messung des statischen Drucks (pstat) übereinandergestapelt oder nebeneinander angeordnet in der Wandlerkammer (3) angeordnet sind.
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