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Title:
DIFFERENTIAL PRESSURE SENSOR COMPRISING AN OVERLOAD MEMBRANE THAT HAS THE SHAPE OF AN ANNULAR DISK
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2005/017481
Kind Code:
A1
Abstract:
Disclosed is a compact differential pressure sensor that has a simple structure and a symmetrical design. Said differential pressure sensor comprises a sensor element (1), two pressure measurement chambers (2, 3) that are located next to said sensor element (1), two pressure-absorbing chambers (22, 32) which are closed by two separating membranes (21, 31), and two overload chambers (23, 33) separated from each other by means of an overload membrane (6). Said overload membrane (6) is provided with a closed outer edge and a closed inner edge and is clamped in a fixed manner along the outer and inner edge thereof. The sensor element (1) is disposed within the inner edge of the overload membrane (6) when projected onto a plane that is defined by the overload membrane (6).

Inventors:
BURCZYK DIETFRIED (DE)
DANNHAUER WOLFGANG (DE)
NUERNBERGER RALF (DE)
Application Number:
PCT/EP2004/007973
Publication Date:
February 24, 2005
Filing Date:
July 16, 2004
Export Citation:
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Assignee:
ENDRESS & HAUSER GMBH & CO KG (DE)
BURCZYK DIETFRIED (DE)
DANNHAUER WOLFGANG (DE)
NUERNBERGER RALF (DE)
International Classes:
G01L13/02; G01L19/06; (IPC1-7): G01L13/02; G01L19/06
Foreign References:
EP1172640A12002-01-16
DE2360276A11975-06-12
DE2712846A11977-11-24
US4713969A1987-12-22
Other References:
See also references of EP 1649258A1
Attorney, Agent or Firm:
Andres, Angelika c/o Endress + Hauser Holding GmbH (PatServe Colmarer Strasse 6, Weil am Rhein, DE)
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Claims:
Patentansprüche
1. Differenzdruckaufnehmer mit einem Sensorelement (1), einer ersten und einer zweiten jeweils an das Sensorelement (1) angrenzenden Druckmeßkammer (2,3), einer ersten von einer ersten Trennmembran (21) abgeschlossenen ersten Druckempfangskammer (22), einer zweiten von einer zweiten Trennmembran (31) abgeschlossenen zweiten Druckempfangskammer (32), einer ersten Überlastkammer (23), die mit einer ersten Leitung (24) mit der ersten Druckempfangskammer (22) verbunden ist und die mit einer zweiten Leitung (25) mit der ersten Druckmeßkammer (2) verbunden ist, einer zweiten Überlastkammer (33), die mit einer dritten Leitung (34) mit der zweiten Druckempfangskammer (32) verbunden ist und die mit einer vierten Leitung (35) mit der zweiten Druckmeßkammer (3) verbunden ist, einer die erste und die zweite Druckempfangskammer (2,3), die erste und die zweite Überlastkammer (23,33), die erste und die zweite Druckmeß kammer (2,3), sowie die erste, die zweite, die dritte und die vierte Leitung (24,25, 34,35) ausfüllende Flüssigkeit, und einer Überlastmembran (6), die einen geschlossenen äußeren Rand und einen geschlossenen inneren Rand aufweist und entlang deren äußerem und deren innerem Rand fest eingespannt ist, durch die die erste und die zweite Überlastkammer (23,33) voneinander getrennt sind, wobei das Sensorelement (1) in einer durch die Überlastmembran (6) definierten Ebene innerhalb des inneren Randes der Überlastmembran (6) angeordnet ist.
2. Differenzdruckaufnehmer nach Anspruch 1, bei dem ein von der ersten und der zweiten Überlastkammer (23,33) eingeschlossener Abschnitt der Überlastmembran (6) ringscheibenförmig ist.
3. Differenzdruckaufnehmer nach Anspruch 1, bei dem jede Überlastkammer (23,33) durch die Überlastmembran (6) und eine dieser gegenüberliegenden im wesentlichen konkaven Wand begrenzt ist.
4. Differenzdruckaufnehmer nach Anspruch 1, bei dem die Überlastmembran (6) mittig zwischen der ersten und der zweiten Trennmembran (21,31) angeordnet ist.
5. Differenzdruckaufnehmer nach Anspruch 4, bei dem die erste Leitung (24) und die dritte Leitung (34) formgleich sind und symmetrisch zur Ebene der Überlastmembran (6) verlaufen.
6. Differenzdruckaufnehmer nach Anspruch 1, bei dem die erste Leitung (24) und die dritte Leitung (34) gerade verlaufen.
7. Differenzdruckaufnehmer nach Anspruch 1, bei dem die zweite Leitung (25) und die vierte Leitung (35) gerade verlaufen.
Description:
DIFFERENZDRUCKAUFNEHMER MIT RINGSCHEIBENFÖRMIGER ÜBERLASTMEMBRAN Die Erfindung betrifft einen Differenzdruckaufnehmer mit einem Sensorelement, mit einer ersten und einer zweiten jeweils an das Sensorelement angrenzenden Druckmeßkammer, einer ersten von einer ersten Trennmembran abgeschlossenen ersten Druckempfangskammer, einer zweiten von einer zweiten Trennmembran abgeschlossenen zweiten Druckempfangskammer, einer ersten Überlastkammer, die mit einer ersten Leitung mit der ersten Druckempfangskammer verbunden ist und die mit einer zweiten Leitung mit der ersten Druckmeßkammer verbunden ist, einer zweiten Überlastkammer, die mit einer dritten Leitung mit der zweiten Druckempfangskammer verbunden ist und die mit einer vierten Leitung mit der zweiten Druckmeßkammer verbunden ist, einer die erste und die zweite Druckempfangskammer, die erste und die zweite Überlastkammer, die erste und die zweite Druckmeßkammer, sowie die erste, die zweite, die dritte und die vierte Leitung ausfüllende Flüssigkeit, und einer Überlastmembran, durch die die erste und die zweite Überlastkammer voneinander getrennt sind.

Differenzdruckaufnehmer sind üblicherweise über Prozeßanschlüsse anschließbar, so daß ein erster Druck auf die erste Trennmembran und ein zweiter Druck auf die zweite Trennmembran einwirkt. Die Drücke werden über die Flüssigkeit in die Druckmeßkammern übertragen und liegen am Sensorelement an. Das Sensorelement, z. B. eine piezoresistive Differenzdruckmeßzelle, gibt ein Ausgangssignal ab, das proportional zu der Differenz des ersten und des zweiten Drucks ist. Das Ausgangssignal steht zu einer weiteren Verarbeitung, Auswertung und/oder Anzeige zur Verfügung.

Differenzdruckaufnehmer werden zur Messung der Prozeßgröße Differenzdruck in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Neben der Meßgröße Differenzdruck als solches ist mit einem Differenzdruckaufnehmer auch aufgrund einer hydrostatischen Druckdifferenz ein Füllstand in einem Behälter bestimmbar. Genauso kann z. B. aus der Druckdifferenz zwischen zwei

verschiedenen Orten unterschiedlichen Querschnitts in einem Gerinne ein Durchfluß bestimmt werden.

In der EP-A 1 172 640 ist ein Differenzdruckaufnehmer beschrieben mit - einem Sensorelement, - einer ersten und einer zweiten jeweils an das Sensorelement angrenzenden Druckmeßkammer, - einer ersten von einer ersten Trennmembran abgeschlossenen ersten Druckempfangskammer, - einer zweiten von einer zweiten Trennmembran abgeschlossenen zweiten Druckempfangskammer, - einer ersten Überlastkammer, -- die mit einer ersten Leitung mit der ersten Druckempfangskammer verbunden ist und -- die mit einer zweiten Leitung mit der ersten Druckmeßkammer verbunden ist, - einer zweiten Überlastkammer, -- die mit einer dritten Leitung mit der zweiten Druckempfangskammer verbunden ist und -- die mit einer vierten Leitung mit der zweiten Druckmeßkammer verbunden ist, - einer die erste und die zweite Druckempfangskammer, die erste und die zweite Überlastkammer, die erste und die zweite Druckmeß- kammer, sowie die erste, die zweite, die dritte und die vierte Leitung ausfüllende Flüssigkeit, und -einer Überlastmembran, -- die einen geschlossenen äußeren Rand und einen geschlossenen inneren Rand aufweist und entlang deren äußerem und deren innerem Rand fest eingespannt ist, -- durch die die erste und die zweite Überlastkammer voneinander getrennt sind.

Im Überlastfall, d. h. wenn auf eine der Trennmembranen ein Druck einwirkt, der größer als ein zulässiger oberer Grenzwert ist, für den der Druckmeßaufnehmer ausgelegt ist, wird die Trennmembran gegen deren Membranbett gedrückt. Das durch die Auslenkung der Trennmembran verdrängte Flüssigkeitsvolumen gelangt durch eine der Leitungen von der Druckempfangskammer in die zugeordnete Überlastkammer und führt zu einer Auslenkung der Überlastmembran aus deren Nullage. In dem durch die Auslenkung der Überlastmembran einseitig zusätzlich zur Verfügung stehenden Volumen wird während der Dauer der Überlast zumindest ein Teil des verschobenen Flüssigkeitsvolumens aufgenommen. Der Druck der im Überlastfall auf das Sensorelement einwirkt ist hierdurch begrenzt und das Sensorelement vor einer Überbelastung geschützt.

Bei dem beschriebenen Druckaufnehmer ist das Sensorelement in einem massiven Block in einer Ebene, die sich zwischen der Überlastmembran und der zweiten Trennmembran befindet eingeschlossen. Hierdurch bedingt ist ein Abstand zwischen der Überlastmembran und der ersten Trennmembran geringer als ein Abstand zwischen der Überlastmembran und der zweiten Trennmembran. Enstprechend ist die erste Leitung, die von der ersten Druckempfangskammer zur ersten Druckmeßkammer führt, kürzer als die dritte Leitung von der zweiten Druckempfangskammer zur zweiten Druckmeßkammer führt. Die zweite Leitung führt von der ersten Überlastkammer durch die Mitter der Überlastmembran hindurch zur ersten Druckmeßkammer. Die zweite Leitung bildet also einen Umlenkkanal, der von der einen Seite der Überlastmembran auf die andere führt.

Im Überlastfall können schnell große Druckstöße auf die Überlastmembran einwirken. Solche dynamischen Überlastungen können bei Differenzdruckaufnehmenern, bei denen die Druckübertragungswege von der ersten Trennmembran zur ersten Druckmeßkammer und von der zweiten Trennmembran zur zweiten Druckmeßkammer ungleich bzw. unsymmetrisch ausgestaltet sind zu Druckstößen am Sensorelement führen. Derartige

Druckstöße am Sensorelement lassen sich nur durch eine genaue Abstimmung aller in den beiden Druckübertragungswegen liegenden Bauelemente, z. B. hydraulischer Widerstände, hydraulischer Kapazitäten und hydraulischer Induktivitäten, abfangen. Dies bedeutet in der Regel einen sehr hohen konstruktiven Aufwand.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung einen kompakten Differenzdruckaufnehmer mit konstruktiv einfachen und symmetrischen Aufbau anzugeben.

Hierzu besteht die Erfindung in einem Differenzdruckaufnehmer - einem Sensorelement, - einer ersten und einer zweiten jeweils an das Sensorelement angrenzenden Druckmeßkammer, - einer ersten von einer ersten Trennmembran abgeschlossenen ersten Druckempfangskammer, - einer zweiten von einer zweiten Trennmembran abgeschlossenen zweiten Druckempfangskammer, - einer ersten Überlastkammer, -- die mit einer ersten Leitung mit der ersten Druckempfangskammer verbunden ist und -- die mit einer zweiten Leitung mit der ersten Druckmeßkammer verbunden ist, - einer zweiten Überlastkammer, -- die mit einer dritten Leitung mit der zweiten Druckempfangskammer verbunden ist und -- die mit einer vierten Leitung mit der zweiten Druckmeßkammer verbunden ist, - einer die erste und die zweite Druckempfangskammer, die erste und die zweite Überlastkammer, die erste und die zweite Druckmeß- kammer, sowie die erste, die zweite, die dritte und die vierte Leitung ausfüllende Flüssigkeit, und -einer Überlastmembran,

-- die einen geschlossenen äußeren Rand und einen geschlossenen inneren Rand aufweist und entlang deren äußerem und deren innerem Rand fest eingespannt ist, -- durch die die erste und die zweite Überlastkammer voneinander getrennt sind, - wobei das Sensorelement in einer durch die Überlastmembran definierten Ebene innerhalb des inneren Randes der Überlastmembran angeordnet ist.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist ein von der ersten und der zweiten Überlastkammer eingeschlossener Abschnitt der Überlastmembran ringscheibenförmig.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist jede Überlastkammer durch die Überlastmembran und eine dieser gegenüberliegenden im wesentlichen konkaven Wand begrenzt.

Gemäß einer Weiterbildung ist die Überlastmembran mittig zwischen der ersten und der zweiten Trennmembran angeordnet.

Gemäß einer weiteren Weiterbildung sind die erste Leitung und die dritte Leitung formgleich und verlaufen symmetrisch zur Ebene der Überlastmembran.

Gemäß einer weiteren Weiterbildung verlaufen die erste Leitung und die dritte Leitung gerade.

Gemäß einer weiteren Weiterbildung verlaufen die zweite Leitung und die vierte Leitung gerade.

Ein Vorteil eines solchen Differenzdruckaufnehmers ist, daß er durch die Anordnung des Sensorelements in der Ebene der Überlastmembran eine hohe Symmetrie aufweist. Die Druckübertragung von der ersten Druckempfangskammer zur ersten Druckmeßkammer erfolgt nahezu identisch zur Druckübertragung von der zweiten Druckempfangskammer zur zweiten Druckmeßkammer. Verfälschungen des Meßergebnisse durch unterschiedliche Druckübertragungswege treten praktisch nicht mehr auf. Hierdurch wird eine hohe Meßgenauigkeit erreicht.

Ein weiterer Vorteil eines erfindungsgemäßen Differenzdruckaufnehmers besteht darin, daß durch die Anordnung des Sensorelements in der Ebene der Überlastmembran eine kleinere Bauform erzielt werden kann. Dies spart Material, reduziert den Platzbedarf des Differenzdruckaufnehmers und verringert die erforderliche Länge der Leitungen innerhalb des Differenzdruckaufnehmers. Dadurch ist das zur Druckübertragung erforderliche Flüssigkeitvolumen geringer. Entsprechend geringer sind auch durch eine thermische Ausdehnung der Flüssigkeit bedingte Meßfehler.

Die Erfindung und weitere Vorteile werden nun anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist, näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen erfindungs- gemäßen Differenzdruckaufnehmer.

In Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch einen Differenzdruckaufnehmer dargestellt.

Der Differenzdruckaufnehmer besteht aus einer Druckaufnahmeeinheit in dem sich ein Sensorelement 1 befindet und einem daran angrenzenden, in Fig. 1 nicht dargestellten, Gehäuse, z. B. zur Aufnahme einer Auswerteelektronik.

Das Sensorelement 1 ist z. B. ein Siliziumchip vom Membrantyp und es grenzen eine erste und eine zweite Druckmeßkammer 2,3 an das Sensorelement 1 an.

Ein in der ersten Druckmeßkammer 2 herrschender Druck liegt an einer Seite

der Membran, ein in der zweiten Druckmeßkammer 3 herrschender Druck liegt an der gegenüberliegenden Seite der Membran an. Die resultierende Durchbiegung der Membran ist ein Maß für den auf sie einwirkenden Differenzdruck. Als elektromechanische Wandler dienen z. B. in die Membran integrierte zu einer Brückenschaltung zusammengefaßte piezoresistive Elemente, die ein differenzdruck-proportionales Ausgangssignal erzeugen, zur Meßwerterzeugung. Das Ausgangssignal steht über eine Leitung 11 zu einer weiteren Verarbeitung und/oder Anzeige zur Verfügung.

Die Differenzdruckaufnahmeeinheit weist eine von einer ersten Trennmembran 21 abgeschlossene erste Druckempfangskammer 22 und eine von einer zweiten Trennmembran 31 abgeschlossene zweiten Druckempfangskammer 32 auf. Die Differenzdruckaufnahmeeinheit ist z. B. zwischen zwei in Fig. 1 nicht dargestellten Flanschen eingespannt, die jeweils einen Prozeßanschluß aufweisen, durch den ein Meßmedium der jeweiligen Trennmembran 21,31 zuführbar ist.

Die Differenzdruckaufnahmeeinheit weist zwei miteinander verbundene massive Blocks 4,5, auf zwischen denen eine Überlastmembran 6 eingespannt ist. Die Überlastmembran 6 ist mittig zwischen der ersten und der zweiten Trennmembran 21,31 angeordnet. Vorzugsweise ist ein Abstand zwischen der Überlastmembran 6 und der ersten Trennmembran 21 identisch zu einem Abstand zwischen der Überlastmembran 6 und der zweiten Trennmembran 31.

Zu beiden Seiten der Überlastmembran 6 weist der jeweils benachbarte Block 4,5 eine Ausnehmung aus. Die Ausnehmungen weisen die gleiche Grundfläche auf wie die Überlastmembran 6 und deren Wand ist im wesentlichen konkav.

Die Überlastmembran 6 weist einen geschlossenen äußeren Rand und einen geschlossenen inneren Rand auf und ist entlang deren äußerem und deren innerem Rand fest eingespannt.

In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein von der ersten und der zweiten Überlastkammer 23,33 eingeschlossener Abschnitt der Überlastmembran 6 ringscheibenförmig. Ein innerer und ein äußerer an den eingeschlossenen Abschnitt angrenzender Bereich ist zwischen dem Block 4 und dem Block 5 eingespannt.

Differenzdruckaufnehmer mit an deren geschlossenen äußerem und an deren geschlossenem inneren Rand eingespannter Überlastmembran 6 weisen gegenüber herkömmlichen Differenzdruckaufnehmern mit Überlastmembranen, die lediglich einen äußeren Rand aufweisen und bei denen lediglich der äußere Rand fest eingespannt ist bei gleichem im Überlastfall durch die Auslenkung der Überlastmembran 6 einseitig zusätzlich zur Verfügung stehenden Volumen ein sehr viel geringeres Hysteresevolumen auf. Dies ist in der eingangs genannten EP-A 1 172 640 ausführlich beschreiben.

Das Sensorelement 1 ist erfindungsgemäß in einer durch die Überlastmembran 6 definierten Ebene innerhalb des inneren Randes der Überlastmembran 6 angeordnet ist.

Die Überlastmembran 6 und die dieser gegenüberliegende Wand der in dem Block 4 angeordneten Ausnehmung begrenzen eine erste Überlastkammer 23, die mit einer ersten Leitung 24 mit der ersten Druckempfangskammer 22 verbunden ist. Eine zweite Leitung 25 bildet eine Verbindung zwischen der ersten Überlastkammer 23 und der ersten Druckmeßkammer 2.

Entsprechend begrenzen die Überlastmembran 6 und die dieser gegenüberliegende Wand der in dem Block 5 angeordneten Ausnehmung eine zweite Überlastkammer 33, die mittels einer dritte Leitung 34 mit der zweiten Druckempfangskammer 32 verbunden ist.

Eine vierte Leitung 35 bildet eine Verbindung zwischen der zweiten Überlastkammer 33 und der zweiten Druckmeßkammer 3.

Die erste und die zweite Überlastkammer 23,33 sind durch die Überlastmembran 6 voneinander getrennt.

Vorzugsweise sind die erste Leitung 24 und die dritte Leitung 34 formgleich und verlaufen symmetrisch zur Ebene der Überlastmembran 6. Die erste Leitung 24 und die dritte Leitung 34 verlaufen vorzugsweise gerade und bilden somit eine kürzest mögliche Verbindung zwischen der ersten Druckempfangskammer 22 und der ersten Überlastkammer 23 und zwischen der zweiten Druckempfangskammer 32 und der zweiten Überlastkammer 33.

Aufgrund der hohen Symmetrie der Anordnung der Überlastmembran 6 und der Anordnung des Sensorelements 1 in der Ebene der Überlastmembran 6 sind hier nur sehr kurze Leitungen 24,34 erforderlich.

Die zweite Leitung 25 und die vierte Leitung 35 verlaufen ebenfalls vorzugsweise gerade. Sie bilden somit eine kürzest mögliche Verbindung zwischen der ersten Überlastkammer 23 und der ersten Druckmeßkammer 2 sowie zwischen der Überlastkammer 33 und der zweiten Druckmeßkammer 3.

Da sich das Sensorelement 1 in der Ebene der Überlastmembran 6 innerhalb des inneren Randes derselben befindet, liegen hier ebenfalls sehr kurze Leitungslängen vor.

Die erste und die zweite Druckempfangskammer 22,32, die erste und die zweite Überlastkammer 23,33, die erste und die zweite Druckmeßkammer 2,3, sowie die erste, die zweite, die dritte und die vierte Leitung 24,25, 34,35 sind mit einer Flüssigkeit ausgefüllt. Dies ist vorzugsweise eine möglichst inkompressible Flüssigkeit mit einem geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, z. B. ein Silikonöl.

Bedingt durch die Anordnung des Sensorelements 1 in der Mitte des Differenzdruckaufnehmers innerhalb des inneren Randes der Überlastmembran 6 können die Abmessungen des Differenzdruckaufnehmers sehr gering sein.

Dies geht einher mit sehr geringen Längen der ersten, zweiten, dritten und

vierten Leitung 24,34, 25,35 und einer entsprechend geringen zur Druckübertragung benötigten Flüssigkeitsmenge. Da die Flüssigkeit immer einen endlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist und eine temperaturbedingte Volumenänderung die Eigenschaften des Differenzdruckaufnehmers ändert, bedeutet eine Reduktion des Flüssigkeitsvolumens gleichzeitig eine Verbesserung der Meßgenauigkeit.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß alle Leitungen 24,34, 25,35 einen geraden Verlauf aufweisen. Insb. sind keine Umlenkkanäle erforderlich, die eine Änderung der Druckübertragungsrichtung bewirken. Hierdurch ist die Druckübertragung zur ersten und zur zweiten Druckmeßkammer nahezu identisch. Durch überschiedliche Druckübertragungswege entstehende statische und dynamische Meßfehler werden hierdurch weitgehend ausgeschlossen.