Differenzdrucksensor, insbesondere mit hydraulischer Druckübertragung.

Derartige Drucksensoren mit hydraulischer Druckübertragung umfassen in der Regel ein Meßwerk mit zwei Halbkammern, die jeweils von einer Trennmembran verschlossen sind und mit einem Übertragungsmedium gefüllt sind. Die Trennmembranen werden jeweils mit einem Meßdruck bzw.

Referenzdruck beaufschlagt, der über die Trennmembranen in die jeweilige Halbkammer übertragen wird. Die Halbkammern sind voneinander durch einen Elementarsensor getrennt, wobei der Elementarsensor ein druckempfindliches Element, insbesondere eine Meßmembran, aufweist, die auf ihrer ersten Oberfläche mit dem hydraulischen Druck in der ersten Halbzelle und auf ihrer zweiten Oberflächen mit dem hydraulischen Druck in der zweiten Halbzelle beaufschlagt wird.

Die Trennmembranen weisen eine endliche Steifigkeit auf, so daß der Druck in den Halbzellen jeweils um einen Druck dPm von den an der Trennmembran anstehenden Druck abweicht, wobei die Druckabweichung dPm von der Auslenkung der Trennmembran abhängt.

Insofern als das Meßelement des Elementarsensors gewöhnlich sehr steif ist, kann die Auslenkung der Trennmembran aufgrund von Schwankungen des externen Drucks in erster Linie vernachlässigt werden. Die wesentlichen Auslenkungen sind durch die thermische Ausdehnung des Übertragungsmediums in den Halbkammern des Meßwerks bedingt.

Aufgrund von konstruktiven Randbedingungen und Fertigungstoleranzen ist es sehr schwierig, bzw. praktisch unmöglich, ein Meßwerk mit perfekt symmetrischen Halbkammern aufzubauen. Das heißt, es verbleiben geringe Abweichungen zwischen den Volumina der beiden Halbkammern, und die Steifigkeit der beiden Trennmembranen ist nicht absolut identisch. Dies hat

zur Folge, daß beispielsweise bei einer Erwärmung der Übertragungsflüssigkeit in den beiden Halbkammern das Meßelement von seinen beiden druckempfindlichen Seiten mit einem unterschiedlichen hydrostatischen Druck beaufschlagt wird, obwohl beispielsweise extern ein identischer Druck auf beide Trennmembranen wirkt. Dies führt zu einer temperaturabhängigen Nullpunktverschiebung des Meßsignals. Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Differenzdrucksensor bereitzustellen, der die beschriebenen Nachteile überwindet.

Die Aufgabe wird gelöst durch den Differenzdrucksensor gemäß Anspruch 1.

Weitere Vorteile und Gesichtspunkte der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.

Der erfindungsgemäße Differenzdrucksensor umfaßt ein Meßwerk mit einer ersten Halbkammer mit einem ersten Volumen V1, die von einer ersten Membransteifigkeit EI verschlossen ist und einer zweiten Halbkammer, mit einem zweiten Volumen V2, die von einer zweiten Trennmembran mit einer zweiten Membransteifigkeit E2 verschlossen ist, wobei die erste Halbkammer von der zweiten Halbkammer durch ein druckempfindliches Element, insbesondere einer Meßmembran, getrennt ist und die erste Halbkammer mit einer ersten Übertragungsflüssigkeit mit einem ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten ai und die zweite Halbkammer mit einer zweiten Übertragungsflüssigkeit mit einem zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten a2 gefüllt sind, wobei ein erstes Produkt aus der ersten Membransteifigkeit mit dem erste Volumen und dem ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten im wesentlichen gleich einem zweiten Produkt aus der zweiten Membransteifigkeit mit dem zweiten Volumen und dem zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten ist (Ei * V1 * ai = E2 * V2 * a2), wobei ferner mindestens ein Faktor des ersten Produktes konstruktiv von dem entsprechenden Faktor des zweiten Produkts abweicht.

Die absolute Gleichheit zweier Produktes deren jeweilige Faktoren durch technische Größen gegeben sind ist in der technischen Realisierung praktisch nie zu erreichen, wenngleich sie anzustreben ist.

Im wesentlichen gleich soll heißen, daß die Produkte um nicht mehr als 1%, bevorzugt nicht mehr als 0,3% und besonders bevorzugt nicht mehr als 0, 1% voneinander abweichen. Die Gleichheit der Produkte bis auf die beschriebenen Abweichungen muß mindestens bei 20°C, bevorzugt zwischen 0°C und 40°C, weiter bevorzugt zwischen-20°C und 60°C und besonders bevorzugt zwischen 40°C und 80°C erfüllt sein.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Meßwerk zumindest einen abstimmbaren Füllkörper auf, der das Volumen der ersten oder der zweiten Halbkammer soweit verändert, daß die zuvor definierten Produkte erfindungsgemäß iedentisch sind. Optional weisen beide Halbkammern jeweils einen abstimmbaren Füllkörper auf.

Anstelle des beschriebenen abstimmbaren Füllkörpers bzw. der abstimmbaren Füllkörper, die beispielsweise als Stempel, Schrauben oder Kolben realisiert sind, die das Volumen der Halbkammern kontinuierlich verändern können, sind gleichermaßen Lösungen denkbar, bei denen mehrere Füllkörper in eine entsprechende Aufnahme eingesetzt werden, die jeweils mit einer Halbkammer kommuniziert. Diese Füllkörper können beispielsweise Zylinder oder Scheiben sein, die in ausreichender Menge in eine entsprechende Bohrung eingelegt werden, bis das Volumen der jeweiligen Halbkammer auf den gewünschten Wert angepaßt ist. Zur Sicherung der Füllkörper kann beispielsweise auch eine Druckfeder dienen, die selbst ein Füllkörper ist und zwischen den Zylindern bzw. Scheiben und einem Verschluß, der jeweils eine Halbkammer druckdicht abschließt, axial eingespannt ist.

Im Normalfall wird in beiden Halbkammern das gleiche hydraulische Übertragungsmedium zum Einsatz kommen, so daß der erste Wärmeausdehnungskoeffizient ai gleich dem zweiten Wärmeausdehungskoeffizient a2 ist.

Im allgemeinen ist es jedoch auch möglich, den Wärmeausdehnungskoeffizienten mindestens einer Obertragungsflüssigkeit so anzupassen, daß die erfindungsgemäße gewünschte Identität der Produkte erzielt wird. Bei einer Mischung von beispielsweise einem Silikonöl und einem Mineralöl ist der Wärmeausdehnungskoeffizient eine Funktion der jeweiligen Ölanteile. Somit kann der gewünschte Wärmeausdehnungskoeffizient durch eine entsprechende Mischung der Öle eingestellt werden. Gleichermaßen läßt sich der Wärmeausdehnungskoeffizient durch Mischung von Silikonölen verschiedener Molekulargewichte einstellen. Diese Alternative ist insbesondere dann zu wählen, wenn die konstruktive Freiheit bei anderen Parametern eingeschränkt ist, d. h. wenn das Volumen nur in engen Grenzen variiert werden kann, und die Volumina der ersten Halbkammer und der zweiten Halbkammer in einem solchen Maße voneinander abweichen, daß dies nicht in sinnvoller Weise durch eine angepaßte Membransteifigkeit kompensiert werden kann.

Selbstverständlich ist jedoch auch die Steifigkeit der Trennmembranen ein Parameter, der bei gegebenem Membrandurchmesser und gegebenem Membranmaterial sowohl über die Membranstärke als auch über das Ausmaß der Korrugation einstellbar ist.

Zur Umsetzung der vorliegenden Erfindung kann daher unter konstruktiven Randbedingungen, die unterschiedliche Volumina in der ersten und der zweiten Halbkammer zwingend erforderlich machen, eine erste konstruktive Angleichung durch Einstellung der Membransteifigkeit erfolgen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Produkt der ersten Membransteifigkeit

mit dem ersten Volumen gleich dem Produkt der zweiten Membransteifigkeit mit dem zweiten Volumen. Wenn eine Gleichheit der genannten Produkte hier auch nicht zu erzielen ist, kann eine weitere Angleichung noch durch die Auswahl von Übertragungsmedien mit einem geeigneten Wärmeausdehnungskoeffizienten erfolgen. Während die beschriebene Abstimmung konstruktiver Natur ist und gewöhnlich eine gesamte Fertigungsserie von Drucksensoren betreffen wird, so kann abschließend noch eine Feinabstimmung der Halbkammervolumina in beschriebener Weise durch Füllkörper erfolgen, um individuelle thermische Nullpunktschwankungen aufgrund von Fertigungstoleranzen auszugleichen.

Die Erfindung wird nun anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschrieben.

Es zeigt : Fig. 1 : Einen Querschnitt durch einen Differenzdrucksensor mit einer hydrostatisch eingespannten Meßzelle ; Fig. 2 : einen Relativdrucksensor mit einem asymmetrischen Aufbau ; Fig. 3a : eine Detailansicht einer ersten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Kontrolle des Volumens einer Halbkammer, und Fig. 3b : eine Detailansicht einer zweiten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Kontrolle des Volumens einer Halbkammer.

Der in Fig. 1 gezeigte Differenzdrucksensor umfaßt ein Meßwerk 1 mit einem zylindrischen Grundkörper 6, an dessen beiden Stirnseiten jeweils ein Membranbett ausgebildet ist. Über dem Membranbett auf der linken Seite der Figur erstreckt sich eine Trennmembran 3, welche mit ihrem Rand an der Stirnfläche des Grundkörpers 6 befestigt ist. Gleichermaßen ist über einem

Membranbett an der gegenüberliegenden Stirnfläche des Grundkörpers 6 eine Trennmembran 2 befestigt. Von den Stirnflächen erstreckt sich jeweils ein Druckkanal 4,5 axial einwärts in den Grundkörper, wobei die beiden Druckkanäle bei dieser Ausführungsform jeweils in einem Teilkammerabschnitt münden, der nahezu den gesamten Querschnitt des Grundkörpers 6 einnimmt. Zwischen den beiden Teilkammerabschnitten 10, 11 ist eine Überlastmembran 8 angeordnet, die erheblich steifer ist, als die beiden Trennmembranen 2,3. Von den beiden Teilkammerabschnitten 10, 11 erstreckt sich jeweils ein Kanal 12,13 zur Hochdruckseite bzw. zur Niederdruckseite einer Meßmembran 7, eines Elementarsensors, der in einem Elementarsensorgehäuse 9 angeordnet ist, welches an der Mantelfläche des Grundkörpers montiert ist. Somit trennt die Meßmembran die Halbkammern voneinander. Der Elementarsensor ist in dem Elementarsensorgehäuse 9 isostatisch gelagert, d. h., der Elementarsensor ist nicht nur im Bereich der Meßmembran, sondern auch im Bereich seiner Mantelfläche mit dem Druck der Übertragungsflüssigkeiten beaufschlagt.

Hierbei wirkt der Druck der Hochdruckseite über den Kanal 12 auf die äußere Oberfläche der Meßmembran 7 und die äußeren Mantelflächen des Elementarsensors. Der Druck der Niederdruckseite wird über den Kanal 13 auf die Innenfläche der Meßmembran 7 und die inneren Mantelflächen des Elementarsensors geleitet. Es ist unmittelbar einsichtig, daß die isostatische Einspannung des beschriebenen Elementarsensors nicht ohne weiteres zu gleichem Volumina auf der Hochdruck-und der Niederdruckseite führt. Durch geeignete Anordnung der Kanäle, d. h. durch die Auswahl der Kanallänge und des Kanaldurchmessers, können jedoch wieder identische Volumina erzielt werden. Insbesondere bei einem Differenzdrucksensor sollten im Idealfall identische Trennmembranen auf der Hochdruck-und auf der Niederdruckseite verwendet werden. Gleichermaßen ist es wünschenswert, auf der Hochdruckseite und auf der Niederdruckseite die gleiche Obertragungsflüssigkeiten verwenden, da diese neben einem identischen Wärmeausdehnungskoeffizienten auch eine identische Viskosität aufweist.

D. h., soweit möglich, ist die konstruktive Angleichung der Volumina in den

Teilkammern die zu bevorzugende Lösung. Hierzu kann der in Fig. 1 gezeigte Differenzdrucksensor noch mit mindestens einem abstimmbaren Füllkörper ausgestattet sein, um die Angleichung der Volumina der ersten und der zweiten Teilkammer ggfs. zu optimieren. Einzelheiten zur Feinabstimmung der Volumina werden weiter unten anhand von Figuren 3a und 3b erörtert. Sollte die Angleichung der Volumina aufgrund konstruktiver Randbedingungen nicht möglich sein, so sind bei im wesentlichen gleicher Membransteifigkeit Übertragungsmedien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten einzusetzen.

Fig. 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Drucksensor, insbesondere einen Relativdrucksensor. Das Meßwerk 21 umfaßt einen Grundkörper 26 mit im wesentlichen axialsymmetrischer Struktur, wobei an einer ersten Stirnseite des Grundkörpers 26 ein Membranbett ausgebildet ist, über dem eine Trennmembran 22 mit ihrem Rand am Grundkörper 26 befestigt ist. Von dem Membranbett erstreckt sich ein Meßdruckkanal 24 in eine Elementarsensorkammer 30, in welcher der Elementarsensor 27 angeordnet ist. Im Grundkörper ist ebenfalls ein Befüllungskanal 31 ausgebildet, der mit der Druckkammer 30 kommuniziert und über ein Verschlußelement 28 druckdicht verschließbar ist. In der gezeigten Ausführungsform ist das Verschlußelement eine Stahlkugel, die eine definierte Tiefe in den Befüllungskanal 31 eingebracht wird, jedoch sind an dieser Stelle auch andere Verschlußformen einsetzbar, die weiter unten im Zusammenhang mit Figuren 3a und 3b beschrieben werden. Der Elementarsensor ist an seiner Basisfläche druckdicht in der Druckkammer 30 montiert und isostatisch eingespannt. Die erste Halbkammer dieses Meßwerks umfaßt somit das zwischen der Trennmembran 22 und dem Membranbett eingeschlossene Volumen, den Meßdruckkanal 24, das den Elementarsensor 27 umgebende Volumen der Sensorkammer 30 und den Befüllungskanal 31 bis zum Verschluß 28. Insofern als der vorliegende Relativdrucksensor temperaturkompensiert sein soll, wird der Atmosphärendruck nicht direkt auf die Rückseite der Meßmembran des Elementarsensors 27 geführt, sondern

es erfolgt eine hydraulische Druckübertragung des Atmosphärendrucks, der über ein Rohr 33 auf eine atmosphärenseitige Trennmembran 23 wirkt, die über einem Membranbett an der zweiten Stirnseite des Grundkörpers 26 befestigt ist. Von dem Membranbett unter der atmosphärenseitigen Trennmembran 23 erstreckt sich ein Referenzdruckkanal 25 bis zur Rückseite der Membran des Elementarsensors 27. Von dem Referenzdruckkanal 25 erstreckt sich in radialer Richtung ein Füllkanal 29 zur Mantelfläche des Grundkörpers 26, wobei der Kanal mittels eines Verschlußelements 29 verschlossen ist, welches zur Kontrolle des Volumens in beliebiger Tiefe positionierbar ist. Anstelle der hier gezeigten Kugel 29 sind wiederum andere Verschlußelemente denkbar, die weiter unten im Zusammenhang mit Figuren 3a und 3b beschrieben werden.

Das zwischen der atmosphärenseitigen Trennmembran 23 und der Rückseite der Meßmembran des Elementarsensors 27 eingeschlossene Volumen definiert die zweite Halbkammer. Insofern, als bei dieser Ausgestaltung konstruktive Randbedingungen die vollständige Angleichung der Produkte von der Membransteifigkeit mit dem jeweiligen Volumen erschweren können, ist hier ggfs. eine Auswahl geeigneter Silikonöle mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zu erwägen, um die Unterschiede zu kompensieren.

Geeignet sind beispielsweise Silikonöle der Reihe AK, welche von Wacker Chemie erhältlich sind. Die in der nachfolgenden Tabelle angegebenen Silikonöle (Dimethylpolysiloxane) weisen die gleiche Grundstruktur auf und unterscheiden sich lediglich in der Kettenlänge, Bezeichnung Viskosität Ausdehnungskoeffizient AK 10 10 mm/s 10, 0 cm/ (cm'°C) x10" AK 20 20 mm2/s 9, 7 cm3/(cm3°C) x104 AK 35 35 mm2/s 9, 5 cm'/ (cm'°C) x10" AK 100 | 100 mm2/s 9, 4 cm3/(cm3°C) x104 AK 500 500 mm Js 9, 25 cm l (cm C x1

Im Idealfall sollte die Konstruktion so abgestimmt werden, daß das Verhältnis der Produkte aus Membransteifigkeit und zugehörigem Volumen dem Verhältnis der Ausdehnungskoeffizienten zweier Ölsorten entspricht. Hierbei ist zu beachten, daß die Zähigkeit der Silikonöle mit geringem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Wahifreiheit enge Grenzen setzt. Zur Feinabstimmung sind theoretisch Silikonöle mit unterschiedlichem Wärmeausdehnungskoeffizienten rnischbar, um einen Zwischenwert von ihrem Wärmeausdehnungskoeffizienten zu erzielen. Fertigungstechnisch wird jedoch derzeit einer Feinabstirnmung der Volumina mittels einstellbarer Füllkörper bzw. Verschlußelemente jedoch der Vorzug gegenüber einer Anpassung des Wärmeausdehnungskoeffizienten der Übertragungsflüssigkeit durch Mischung gegeben.

Anhand von Figuren 3a und 3b werden nun zwei Einrichtungen zur Feinabstimmung der Volumina der Halbkammern erläutert. Fig. 3a zeigt einen Detailschnitt durch den Grundkörper 36 eines Meßwerks im Bereich seiner Mantelfläche. Von der Mantelfläche erstreckt sich ein Füllkanat 42 radial einwärts und mündet in einen Kanal, 43 der Bestandteil einer der beiden Halbkammern ist. Der Füllkanal 42 weist kurz vor der Einmündung in den Kanal 43 einen verengten Querschnitt auf, wodurch eine axiale Anschlagfläche 41 ausgebildet ist, auf der Füllkörperelemente 39,40 aufsetzen können. Die Füllkörperelemente 39,40 weisen jeweils ein definiertes Volumen auf, welches beispielsweise bei konstanter Höhe und konstantem Außendurchmesser durch Variation des Durchmessers einer zentralen Bohrung durch den Füllkörper einstellbar ist. Durch Auswahl geeigneter Füllkörper können selbst kleinste Abweichungen zwischen den Produkten der genannten Größen ausgeglichen werden. Die Füllkörper werden durch eine Druckfeder 38, die zwischen den Füllkörpern und einem Schraubverschluß 37 axial eingespannt ist, in Position gehalten.

Selbstverständlich dient die Feder 38 zugleich als Füllkörper. Der Vorzug der soeben beschriebenen Anordnung besteht darin, daß die von den Füllkörpern verdrängte Übertragungsflüssigkeit aus der gleichen Öffnung entweichen kann, in welche die Füllkörper eingesetzt werden. Insofern ist bei dieser Lösung keine zusätzliche Gehäuseöffnung erforderlich, da eine Öffnung zum Befüllen der Teilkammern ohnehin erforderlich ist. Diese Lösung ist jedoch insofern aufwendig, als je nach der angestrebten Genauigkeit der Kompensation eine Vielzahl von unterschiedlichen Füllkörpern bereitzuhalten ist, oder eine Maßanfertigung eines Füllkörpers mit definiertem Volumen erfolgen muß.

Fig. 3b zeigt dagegen eine Variante einer Einrichtung zur Abstimmung des Volumens einer Teilkammer, die keine Bevorratung von unterschiedlichen Füllkörpern oder gar einer Maßanfertigung von Füllkörpern erfordert. Bei dieser Variante weist der Grundkörper 46 eine Bohrung 51 mit einem Feingewinde auf, welche in einen Kanal 52 mündet, welcher Teil einer Halbkammer ist. In das Feingewinde ist ein Kolben 51 eingeschraubt, wobei das Gewinde des Kolbens so gearbeitet ist, und so stramm mit dem Gewinde der Gewindebohrung 51 in Eingriff sitzt, daß praktisch keine Übertragungsflüssigkeit durch die Gewindegänge am Kolben vorbeifließen kann. Optional ist die Mantelfläche des Kolbens noch mit einer Dichtmasse beschichtet, die ggfs. thermisch aushärtbar ist. Von dem Kanal 52 erstreckt sich ein Füllkanal 55 zur Mantelfläche des Grundkörpers 46, wobei der Füllkanal 55 in einem ersten Abschnitt einen geringeren Durchmesser aufweist, als in einem zweiten Abschnitt, der an den ersten Abschnitt anschließt und sich bis zur Mantelfläche des Grundkörpers 46 erstreckt.

Zwischen dem zweiten Abschnitt und dem ersten Abschnitt ist daher eine Stufe ausgebildet, welche eine Stahlkugel 53 axial abstützt, die einen geringeren Durchmesser aufweist als der zweite Abschnitt und einen größeren Durchmesser als der erste Abschnitt. Die Kugel wird mittels einer durchbohrten Schraube 54, die mit einem Gewinde in der Wand des zweiten Abschnitts in Eingriff steht, druckdicht gegen die axiale Anschlagfläche

gepresst. Zur Feinabstimmung des Volumens wird zunächst die durchbohrte Schraube 54 gelockert, dann wird der Kolben 50 zur Korrektur des Volumens in die Bohrung 51 geschraubt, wobei die verdrängte Übertragungsflüssigkeit durch den Austrittskanal 55 an der Kugel 53 vorbei durch die durchbohrte Schraube 54 abfließen kann. Nach der Einstellung des gewünschten Volumens wird die Schraube 54 wieder fest angezogen. Zur Fixierung der Schraube 50 ist ggfs. ein Verguß 48 vorzusehen. Zudem kann die Bohrung 51 an der Mantelfläche des Grundkörpers 46 mit einer Abdeckschraube 47 verschlossen werden, um ein versehentliches Verstellen des Volumens zu vermeiden.