Dannhauer, Wolfgang (Heinersdorfer Weg 38A, Teltow, 14513, DE)
Burczyk, Dietfried (Iserstrasse 97, Teltow, 14513, DE)
Dannhauer, Wolfgang (Heinersdorfer Weg 38A, Teltow, 14513, DE)
Differenzdruckaufnehmer mit dynamischem Überlastschutz [001] Die vorliegende Erfindung betrifft Differenzdruckaufnehmer mit hydraulischer Druckübertragung zu einem Messelement mittels einer Übertragungsflüssigkeit, ins¬ besondere solche Differenzdruckaufnehmer mit einer Überlastmembran. Ein derartiger Differenzdruckaufnehmer ist beispielsweise in der Offenlegungsschrift DE 19608 321 Al offenbart. Differenzdruckaufnehmer weisen einen Hydraulikkörper auf, in dem eine Überlastkammer mit einer Überlastmembran ausgebildet ist, welche die Über¬ lastkammer in eine Hochdruckhalbkammer und in eine Niederdruckhalbkammer teilt, wobei die Hochdruckhalbkammer mit einem ersten hydraulischen Pfad kommuniziert, der sich zwischen einem ersten Druckmittler mit einer Trennmembran über einem Membranbett und der Hochdruckseite einer Druckmesszelle erstreckt, und die Nieder¬ druckhalbkammer mit einem zweiten hydraulischen Pfad kommuniziert, der sich zwischen einem zweiten Druckmittler mit einer Trennmembran über einem Membranbett und der Niederdruckseite dem Messelement erstreckt. [002] Bei großen Überlasten wird die Übertragungsflüssigkeit vollständig aus dem Druckmittler herausgedrückt, und die Trennmembran liegt an dem Membranbett an. Die bei Überlastdruck in den betreffenden hydraulischen Pfad verschobene Übertra¬ gungsflüssigkeit führt zu einer Auslenkung der Überlastmembran, um das zusätzliche Volumen aufzunehmen und den Überlastdruck abzubauen. [003] Je steifer die Überlastmembran ist, desto schneller reagiert die Messzelle auf Druck¬ schwankungen. Das ist besonders bedeutend bei Sensoren mit Druckmittleranbauten, die über eine lange Kapillarleitung mit dem Sensor verbunden sind. Die lange Kapil¬ larleitung hat einen großen hydraulischen Widerstand und bildet mit der Über¬ lastmembran ein RC-Glied, wobei eine weiche Überlastmembran mit einer großen hy¬ draulischen Kapazität C zu großen Zeitkonstanten bzw. langen Ansprechzeiten führen kann. Prinzipiell bildet jedoch auch bereits ein kurzer hydraulischer Messpfad, der einen ggf. sogar in einen Hydraulikkörper integrierten Druckmittler mit einer Druck¬ messzelle koppelt, gemeinsam mit einer Überlastmembran ein RC-Glied, welches die Dynamik der Messung beeinträchtigen kann. [004] Die gängigen Überlastmembranen weisen in erster Näherung eine konstante Kapazität bzw. lineare Kennlinie auf. D.h. die Volumenaufnahme dV ist proportional zur Druckänderung dP. Auf diese Weise wird bereits im Messbereich die Dynamik des Differenzdruckaufnehmers durch die Überlastmembran beeinträchtigt. Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen Differenzdruckaufnehmer bereitzustellen, der die be¬ schriebenen Nachteile überwindet. [005] Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Differenzdruckaufnehmer gemäß des unabhängigen Patentanspruchs 1. [006] Der erfindungsgemäße Differenzdruckaufnehmer, umfasst: [007] einen Hydraulikkörper, in dem eine Überlastkammer mit einer Überlastmembran ausgebildet ist, welche die Überlastkammer in eine erste Halbkammer und in eine zweite Halbkammer teilt, wobei [008] die erste Halbkammer mit einem ersten hydraulischen Messpfad kommuniziert, der sich zwischen einem ersten Druckmittler mit einer ersten Trennmembran und einer ersten Seite einer Differenzdruckmesszelle erstreckt, und die zweite Halbkammer mit einem zweiten hydraulischen Pfad kommuniziert, der sich zwischen einem zweiten Druckmittler und der einer zweiten Seite der Druckmesszelle erstreckt, wobei ferner [009] zwischen mindestens der ersten Halbkammer und dem ersten hydraulischen Messpfad ein erstes hydraulisches Überlastelement mit einem Schnappscheiben¬ verhalten gegen einen Überdruck auf der Seite des ersten hydraulischen Messpfads und ein parallel dazu geführter erster hydraulischer Ausgleichspfad angeordnet ist. [010] Das Schnappscheibenverhalten bezeichnet ein Verhalten, bei dem bis zu einem bestimmten Grenzwert eines Überdrucks von der Seite des ersten hydraulischen Messpfades nur eine vernachlässigbar kleine Auslenkung des Überlastelements erfolgt, und bei dem bei Überschreiten des Grenzwertes eine große Auslenkung des Überla¬ stelements erfolgt, indem es durchschnappt. Der Grenzwert liegt vorzugsweise außerhalb des Messbereichs der Differenzdruckaufnehmers. [011] Das Überlastelement bewirkt, dass die Dynamik des hydraulischen Messpfades im Messbereich kaum beeinträchtigt wird, da Auslenkungen des Überlastelementes weitgehend vermieden werden. Wenn sich dagegen eine Differenzdrucküberlast schnell aufbaut, dann wird der Grenzwert für das Schnappen des Überlastelements erreicht, worauf die erforderliche Volumenverschiebung der Übertragungsflüssigkeit stattfinden kann, um die erste Trennmembran zur Anlage zu bringen und einen weiteren Druckanstieg zu verhindern. [012] Zur Realisierung dieses Schnappscheibenverhaltens weist das erste hydraulische Überlastelement eine erste zumindest abschnittsweise gewölbte Membran auf. [013] Das erste Überlastelement des Differenzdruckaufnehmers sollte eine Auslenkung der Überlastmembran bei Überdruck von der Seite des zweiten hydraulischen Messpfades möglichst wenig behindern. Insoweit weist das erste hydraulische Überla¬ stelement, gegen Überdruck aus Richtung der ersten Überlastkammer eine hy¬ draulische Kapazität auf, die mindestens das einfache der hydraulischen Kapazität der Überlastmembran, vorzugsweise mindestens das zweifache, weiter bevorzugt mindestens das vierfache der hydraulischen Kapazität der Überlastmembran in der Ruhelage beträgt. Demnach kann das erste hydraulische Überlastelement das bei einer Auslenkung der Überlastmembran in Richtung des ersten hydraulischen Überlast- elementes verschobene Volumen der Übertragungsflüssigkeit ohne erheblichen Druckanstieg aufnehmen. [014] Zu diesem Zweck kann das erste hydraulische Überlastelement eine in der Ruhelage zumindest abschnittsweise gegen Überdruck von der Seite des ersten hydraulischen Messpfads abgestützte Membran aufweisen. [015] In einer ersten Ausgestaltung des Differenzdruckaufnehmers gemäß dieses Ge¬ sichtspunkts der Erfindung weist die erste zumindest abschnittsweise gewölbte Membran einen zentralen gewölbten Abschnitt auf, welcher von einem ringförmigen Abschnitt umgeben ist, der in der Ruhelage gegen Überdruck von der Seite des ersten hydraulischen Messpfads abgestützt ist. [016] In einer zweiten Ausgestaltung sind die beiden Membranen entkoppelt, d.h., das erste hydraulische Überlastelement umfasst neben einer ersten zumindest ab¬ schnittsweise gewölbten Membran beispielsweise eine erste ringförmige Membran, welche die erste zumindest abschnittsweise gewölbte Membran umgibt, wobei die erste Ringmembran in der Ruhelage gegen Überdruck von der Seite des ersten hy¬ draulischen Messpfads abgestützt ist. [017] In einer Abwandlung der zweiten Ausgestaltung des Differenzdruckaufnehmers gemäß dieses Gesichtspunkts der Erfindung ist parallel zu der ersten zumindest ab¬ schnittsweise gewölbte Membran einen zweite Membran angeordnet, welche in ihrer Ruhelage gegen Überdruck von der Seite des ersten hydraulischen Messpfads abgestützt ist. [Ol8] Der erste hydraulische Ausgleichspfad dient dazu, der temperaturabhängigen Volu¬ menschwankung der Übertragungsflüssigkeit gerecht zu werden. Das eingeschlossene Volumen zwischen der Überlastmembran und dem ersten hydraulischen Überla¬ stelement bleibt daher im wesentlichen unabhängig von der Temperatur der Übertra¬ gungsflüssigkeit, und temperaturabhängige Auslenkungen des Überlastelementes werden vermieden. Dies ist insoweit vorteilhaft, als eine temperaturabhängige Auslenkung des Überlastelementes bei einer Erwärmung des Überlastelementes das Schnappscheibenverhalten des Überlastelementes unterlaufen würde. [019] Derzeit ist es bevorzugt, dass der hydraulische Widerstand des ersten hydraulischen Ausgleichspfades größer ist als der Widerstand des ersten hydraulischen Messpfades. Dies bewirkt insbesondere dass bei schnellen Differenzdruckschwankungen, im Messbereich des Differenzdruckaufnehmers die Dynamik des ersten hydraulischen Messpfads durch den ersten hydraulischen Ausgleichspfad kaum beeinträchtigt wird. [020] Der erste hydraulische Ausgleichspfad kann beispielsweise einen Durchlass in einer Membran, beispielsweise der ersten gewölbten Membran, oder einen Kanal im Hy¬ draulikkörper umfassen, wobei letzterer an der ersten gewölbten Membran vorbei geführt ist. [021] Es ist zweckmäßig, wenn ebenfalls zwischen dem zweiten Druckmittler und der zweiten Überlastkammer ein zweites hydraulisches Überlastelement angeordnet ist. Die Ausführungen für das erste hydraulische Überlastelement gelten sinngemäß für das zweite hydraulische Überlastelement. [022] Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem in der Zeichnung dar¬ gestellten Ausführungsbeispiel. [023] Fig. 1. eine Schnittzeichnung durch einen erfindungsgemäßen [024] Differenzdruckaufnehmer. [025] Der in Fig. 1 gezeigte Differenzdruckaufnehmer umfasst einen im wesentlichen zy¬ lindrischen Hydraulikkörper 1, welcher an seinen Stirnflächen ein Membranbett 4, 5 aufweist, über dem eine Trennmembran 10, 11 befestigt ist. Zwischen den Trenn¬ membranen und den Membranbetten ist jeweils eine Druckmittlerkammern 10, 11 ausgebildet, von der sich jeweils ein hydraulischer Messpfad 8, 8', 9, 9' in das Innere des Hydraulikkörpers 1 und zu einer hier nicht dargestellten Messzelle erstreckt Die Messzelle kann, wie in der Zeichnung angedeutet außerhalb des Hydraulikkörpers angeordnet oder an geeigneter Stelle im Hydraulikkörper positioniert sein. Die hy¬ draulischen Messpfade sind dabei jeweils über einen ersten bzw. zweiten Über¬ lastkanal 8", 9" mit einer ersten bzw. zweiten Überlasthalbkammer 2, 3 hydraulisch gekoppelt, wobei zwischen der ersten und der zweiten Überlasthalbkammer eine Über¬ lastmembran 13 angeordnet ist. [026] Zwischen den hydraulischen Messpfaden 8, 9 und den Überlasthalbkammern 2, 3 ist jeweils ein Überlastelement mit Schnappscheibenverhalten angeordnet. [027] Die Überlastelemente umfassen jeweils eine gewölbte Membran 14, 15, und eine Ringmembran 18, 19. [028] Die Ringmembranen sind an ihrem inneren Rand und ihrem äußeren Rand am Hy¬ draulikkörper fixiert, und sie kommunizieren jeweils über einen Entlastungskanal 20, 21 mit einer der Überlastkammern 2, 3. Die Ringmembranen 18,19 sind einerseits weich und andererseits in der Ruhelage gegen Überdruck von der Seite des jeweiligen Messpfades durch ein Membranbett abgestützt. D.h. sie haben an sich eine große hy¬ draulische Kapazität, die aber wegen der Abstützung nur für Überdruck von der Seite der jeweiligen Überlastkammer bereitsteht, und im Ergebnis eine hydraulische Kapazität von null gegen Überdruck von der Seite des jeweiligen Messpfades. [029] Die gewölbten Membranen 14, 15 weisen ein Schnappscheibenverhalten auf und sind so abgestimmt, dass sie bis zu einem Grenzwert des Überdrucks von der Seite des jeweiligen Messpfades eine vernachlässigbar geringe hydraulische Kapazität aufweisen und bei Überschreiten des Grenzwertes durchschnappen, was einer sehr großen Kapazität entspricht. Das Durchschnappen bewirkt, dass sämtliches Öl aus der jeweiligen Druckmittlerkammer verdrängt werden kann und damit ein weiterer Druckanstieg verhindert wird. Das Durchschnappen der gewölbten Membran (14, 15) geht zudem mit einer Volumenverschiebung der Übertragungsflüssigkeit in die jeweilige Überlastkammer und einer Auslenkung der Überlastmembran 13 einher. In¬ folgedessen wird aus der anderen Überlastkammer Übertragungsflüssigkeit in Richtung des anderen Überlastelementes verschoben. Diese Übertragungsflüssigkeit wird durch den Entlastungskanal 20, 21 unter die weiche Ringmembran 18, 19 verschoben. [030] Die Membranbetten der gewölbten Membranen 14,15 sind vorzugsweise jeweils so geformt, dass die gewölbten Membranen im Überlastfall nicht vollständig durch schnappen, sondern von dem Membranbett in einer solchen Lage abgestützt werden, dass sie nach Wegfall der Überlast alsbald von alleine ausschnappen können, um eine Fortsetzung der Messung zu ermöglichen. [031] Die gewölbten Membranen 14, 15, weisen zudem jeweils einen kleinen Durchlass 16, 17, auf, welcher einen Volumenausgleich bei Temperaturschwankungen der Über¬ tragungsflüssigkeit ermöglicht. Der Durchlass 16, 17 weist jeweils einen erheblich größeren hydraulischen Widerstand als der Messpfad auf, so die Dynamik des jeweiligen Messpfades durch den Durchlass kaum beeinträchtigt wird. [032] Die Messzelle kann jede geeignete Differenzdruckmesszelle sein, die dem Fachmann geläufig ist. Auf den Typ der Messzelle kommt es im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung nicht an.