Differenzdruckzellen werden insbesondere dazu eingesetzt, geringe Druckunterschiede zwischen großen statischen Drücken zu messen. Deshalb sind die Zellen so zu bemessen, daß sie den statischen Drücken standhalten. Bei einer Meßzelle bestehend aus zwei Halbzellen, die mittels einer Mittenmembran voneinander getrennt sind, müssen daher insbesondere auch die Fügestellen zwischen der Trennmembran und den Halbzellen entsprechend stark ausgelegt werden, um beispielsweise den starken Schälspannungen standzuhalten, die aufgrund des großen Druckunterschieds zwischen dem Zelleninneren und der Umgebung auftreten. Dies führt jedoch zwangsläufig zu einer Versteifung der Meßmembran oder ähnlichen Beeinträchtigungen, die letztendlich die Meßgenauigkeit des Differenzdrucksensors beeinträchtigen.

Im Sinne einer verbesserten Meßgenauigkeit ist es wünschenswert, die Fügestellen zu entlasten und damit die Dimensionierungsanforderungen zu reduzieren. Hierzu offenbart Bonne in US Patent Nr. 5,684,253 einen Differenzdrucksensor, bei dem die Druckmeßzelle in einer Kammer eines Gehäuses angeordnet ist, wobei die Druckzuleitung zu einer Halbzelle der Druckmeßzelle eine Verzweigung aufweist so daß das Medium aus der Druckzuleitung auch die Meßzelle umgibt und diese mit dem jeweils anstehenden Meßdruck zu beaufschlagen. Auf diese Weise ist der Druckunterschied zwischen dem Inneren der Halbzelle und der Umgebung der Druckmeßzelle weitgehend eliminiert. Insofern als der Druck in der zweiten Halbzelle ähnlich groß ist wie in der ersten Halbzelle, bietet die beschriebene Anordnung für konstante Druckverhältnisse einen angemessenen Schutz. Bei Druckschwankungen bzw.- stößen erweist sich diese Anordnung jedoch als anfällig, da der Druck in einer Halbzelle den Umgebungsdruck deutlich überschreiten kann, der mit dem Druck in der anderen Halbzelle identisch ist. Deshalb ist es erforderlich, die Fügungen zwischen den Halbzellen und der Membran doch sehr widerstandsfähig auszulegen und somit die eingangs beschriebenen Kompromisse hinsichtlich der Meßgenauigkeit in Kauf zu nehmen.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Differenzdrucksensor bereitzustellen, der bei hinreichender Empfindlichkeit auch Druckschwankungen standhalten kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Differenzdrucksensor nach unabhängigen Anspruch 1 und das Verfahren nach unabhängigen Anspruch 17.

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

Der erfindungsgemäße Differenzdrucksensor zur Bestimmung des Differenzdrucks zwischen zwei Messpunkten, umfasst einen Druckbehälter, welcher mit einer Übertragungsflüssigkeit gefüllt ist ; eine in dem Druckbehälter angeordnete Meßzelle, die von der Übertragungsflüssigkeit umgeben ist, mit zwei Halbzellen und einem membranartigen Verformungskörper, welcher die beiden Halbzellen druckdicht voneinander trennt ; zwei Druckzuleitungen, welche jeweils den Druck von einem der beiden Meßpunkte einer der beiden Halbzellen zuführen ; und mindestens einen Druckspeicher, dessen Druck auf die Übertragungsflüssigkeit in dem Behälter wirkt.

Die Übertragungsflüssigkeit im Druckbehälter ist vorzugsweise mit einem Druck beaufschlagt, der größer ist als der Nenndruck des Differenzdrucksensors und besonders bevorzugt größer ist als die bei Druckschlägen auftretenden Maximalwerte.

Der Druckspeicher weist in einer bevorzugten Ausführungsform mindestens einen elastisch verformbaren Körper auf, der geeignet ist, Volumenänderungen der Übertragungsflüssigkeit aufgrund von Temperaturschwankungen auszugleichen und den Druck in dem Druckbehälter innerhalb einer vorgegebenen Bandbreite zu halten. Außerdem kann der Druckspeicher eine pneumatische Komponente umfassen, die bei einer Volumenvergrößerung der Übertragungsflüssigkeit komprimiert wird und sich im umgekehrten Falle ausdehnt. Eine Kombination eines elastischen Körpers mit einem pneumatischen Element ist ebenfalls zur Realisierung eines Druckspeichers geeignet.

Bei einem linear elastischen Körper, beispielsweise einer Schraubenfeder oder einer anderen axial komprimierbaren Feder in einem flexiblen Balg, ist die Kraft proportional zur relativen Längenänderung des elastischen Körpers. Folglich ist bei einem Druckspeicher mit einem linear elastischen Körper die Druckzunahme proportional zu dessen relativer Volumenänderung. Daher folgt aus der zu erwartenden Volumenänderung der Übertragungsflüssigkeit über die Spanne der Betriebstemperaturen und dem zulässigen Toleranzbereich für den Druck im Druckbehälter ein Mindestvolumen für den Druckspeicher.

Der Druckspeicher kann als Alternative zu linear elastischen Körpern auch nicht linear elastische Körper mit einer degressiven Kennlinie umfassen. Dies kann einerseits durch elastische Materialien mit einer degressiven Kennlinie oder durch eine nicht lineare Anlenkung von linear elastischen Körpern erzielt werden. Zu den nicht linear elastischen Materialien gehören beispielsweise Formgedächtnis- Legierungen, z. B. kaltverformte Ni-Ti-Legierungen, die bei Auslenkung von einer austenitischen Phase einen spannungsinduzierten Martensit bilden. Der Übergang in die martensitische Phase bewirkt eine degressive Kennlinie. Eine nicht lineare Anlenkung mit resultierender degressiver Kennlinie ist beispielsweise über eine Druckfederanordnung mit zwei oder mehr Druckfedern zu realisieren, deren Längsachsen vorzugsweise symmetrisch auf der Mantelfläche eines Kegels mit variablem Öffnungswinkel liegen, dessen Symmetrieachse die Kompressionsrichtung des Druckspeichers definiert. Ähnliche Federanordnungen mit variablem Neigungswinkel oder Rollfedern sind ebenfalls geeignet, um eine degressive Kennlinie zu erzielen.

Der Druckspeicher kann ebenfalls durch kompressible oder elastische Füllkörper realisiert werden, die in den Druckbehälter eingebracht werden. Dies führt einerseits zu einer Minimierung des Restvolumens im Druckbehälter, welches mit der Übertragungsflüssigkeit zu füllen ist und andererseits ermöglicht es eine vergleichsweise einfache Anpassung eines Druckbehälters an verschiedene Sensorelemente, indem der Zwischenraum mit Füllkörpern und Übertragungsflüssigkeit in einem geeigneten Volumenverhältnis befüllt wird, wobei die Übertragungsflüssigkeit mit dem erforderlichen Druck beaufschlagt wird. Als Füllkörper, kommen z. B. massive Kugeln oder Hohlkugeln aus elastischen Werkstoffen in Frage. Durch Einsatz poröser elastischer Materialien kann ebenfalls über die Porosität der Volumenanteil der Übertragungsflüssigkeit im Druckbehälter kontrolliert werden.

Anstelle einer Vielzahl von Füllkörpern, kann das Innere des Druckbehälters auch mit einem geeigneten Schaum gefüllt werden, wobei der Anteil geschlossener Poren, offener Poren und des massiven Materials die Parameter sind, mit denen sich das für die Übertragungsflüssigkeit verbleibende Volumen kontrollieren läßt.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Messen einer Druckdifferenz zwischen zwei Meßpunkten, umfasst die Schritte Bereitstellen einer Differenzdruckmeßzelle mit zwei Halbzellen und einer Trennmembran, in einem Druckbehälter ; Befüllen des Druckbehälters mit einer Übertragungsflüssigkeit ; Beaufschlagen der Übertragungsflüssigkeit mit einem Druck der mindestens so groß ist, wie der Nenndruck an den Meßpunkten ; Anschließen der beiden Meßpunkte an jeweils eine Halbzelle ; des Differenzdrucksensors ; und Ausgleichen von Volumenänderungen der Übertragungsflüssigkeit mittels eines elastischen Druckspeichers, der mit der Übertragungsflüssigkeit in dem Druckbehälter kommuniziert.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt : Fig. 1 : einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Differenzdrucksensor ; Fig. 2a : einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Differenzdrucksensor mit einem linear elastischen Druckspeicher ; Fig. 2b : einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Differenzdrucksensor mit einem nicht linear elastischen Druckspeicher ; Fig. 3 : einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Differenzdrucksensor mit einem aus Füllkörpern gebildeten elastischen Druckspeicher ; und Fig. 4 : ein Diagramm der Druckentwicklung im Druckbehälter bei Verwendung linear elastischer und nicht linear elastischer Druckspeicher.

Der Längsschnitt in Fig. 1 zeigt die wesentlichen Komponenten eines erfindungsgemäßen Differenzdrucksensors. Die eigentliche Meßzelle umfaßt zwei Halbzellen 1, welche durch eine Meßmembran 2 druckdicht voneinander getrennt sind. Über zwei Druckzuleitungen 7 sind die Halbzellen 1 jeweils mit einem Meßpunkt verbunden und mit dem dort anstehenden Druck beaufschlagt, wodurch die Membran 2 entsprechend der Druckdifferenz verformt wird. Die Verformung wird entweder kapazitiv, resistiv oder induktiv in eine Meßsignal umgesetzt. Die Meßzelle ist in einem Druckbehälter eingeschlossen der mit einer Übertragungsflüssigkeit, beispielsweise einem Hydrauliköl o. ä., gefüllt ist. Die Übertragungsflüssigkeit sollte möglichst wenig kompressibel sein und über den gesamten Bereich der Betriebstemperaturen als flüssige Phase vorliegen. Der Druckbehälter ist vorzugsweise so dimensioniert, daß er durch Volumen-bzw.

Druckänderungen der Übertragungsflüssigkeit während des Betriebs keine Verformungen erleidet.

Als Material für den Druckbehälter sind metallische Werkstoffe, insbesondere Stahl, geeignet.

Zur Befüllung des Druckbehälters 4 mit einer Übertragungsflüssigkeit ist in der gezeigtne Ausführungsform ein Füllstutzen 5 vorgesehen, der nach dem Befüllen zusammen gedrückt werden kann, um den Druck im Druckbehälter 4 weiter zu erhöhen. Optional kann auch ein Stempel oder Kolben vorgesehen sein der zur Einstellung des Drucks im Behälter, beispielsweise durch Einschrauben, variabel eingebracht wird. Sowohl ein Einfüllstutzen als auch ein Stempel oder Kolben kann prinzipiell bei jeder Ausführungsform vorgesehen sein, auch wenn dies im folgenden nicht mehr ausdrücklich erwähnt wird.

Im Druckbehälter ist außerdem ein Druckspeicher 6 angeordnet, der einen elastisch verformbaren Körper aufweist, welcher Volumenänderungen der Übertragungsflüssigkeit ausgleicht. Solche Volumenänderungen treten insbesondere aufgrund von Temperaturschwankungen im Druckbehälter 4 auf.

Ohne einen Druckspeicher wäre es nicht möglich den Druck im Druckbehälter 4 in einem Toleranzbereich zu halten, da die Übertragungsflüssigkeit nicht hinreichend kompressibel ist.

Das Wirkprinzip eines Druckspeichers wird nun anhand der Skizze in Fig. 2a erläutert. Der Druckspeicher 60 umfaßt hier eine Druckfeder 61, hier eine Spiraldruckfeder, welche die axiale Auslenkung eines Balgs 62 kontrolliert.

Vorzugsweise ist die Feder 61 durch geeignete (hier nicht gezeigte) Mittel vorgespannt, so daß bei einer Beaufschlagung mit dem erforderlichen Druck bei der minimalen Betriebstemperatur des Sensors, d. h. dem minimalen Volumen der Übertragungsflüssigkeit, nur eine geringe zusätzliche Kompression erfolgt. Wenn sich die Temperatur der Übertragungsflüssigkeit erhöht, dehnt sich diese aus, und die damit einhergehende Druckerhöhung führt nun zu einer weiteren Kompression der Druckfeder 61 und des Balgs 62.

Anstelle der Spiraldruckfeder 61, kommen auch metallische Tellerfedern sowie temperaturfeste Elastomere, beispielsweise EPDM, NBR und HMBR als Kern des Druckspeichers in Frage.

Dimensionierungerwägungen für einen Druckspeicher werden nun an einem System mit einem Silikonöl als Übertragungsflüssigkeit erläutert. Silikonöle haben beispielsweise einen Volumenausdehnungskoeffizienten von y= 90... 160 * 10-5/K.

Für die folgenden Abschätzungen wird daher ausgegangen von y = 0,1 %/K. Bei einer Schwankung der Betriebstemperatur über einen Bereich von 80 K, z. B. von - 10°C und 70°C, ändert sich das Volumen um AVO, =8%. Der elastische Körper sollte daher so bemessen sein, daß er diese Volumenänderung ausgleichen kann.

Vorzugsweise sollte sich der Druck im Druckbehälter über den gesamten Temperaturbereich AT nur innerhalb einer gewissen Bandbreite ändern, um die externe Druckbeaufschlagung der Meßzelle nicht zu stark zu variieren.

Bei einem linearen elastischen Verhalten des elastischen Körpers gemäß dem Hooke'schen Gesetz ist die relative Druckänderung proportional zur relativen Volumenänderung : AP/PaAVKörper/VKorper.

Da aber die Volumenänderung des Körpers der temperaturbedingten Volumenänderung der Übertragungsflüssigkeit, also hier des Öls (AVOI = Vol * y * AT), entspricht, gilt : AP/P=y*AT*Vö./VKörper.

Bei gegebenem Ölvolumen sind die Druckschwankungen also umgekehrt proportional zum Volumen des elastischen Körpers, und bei gegebenem Körpervolumen proportional zum Volumen des Öls.

Für die Konstruktion des Differenzdrucksensors folgt damit, daß das Volumen der Übertragungsflüssigkeit bzw. das Ölvolumen zu minimieren ist, und das Volumen des elastischen Körpers im Verhältnis zum Ölvolumen zu maximieren ist, wenn die Druckschwankungen im Druckbehälter mit einem linear elastischen Körper minimiert werden soll.

Zur Minimierung des Volumens der Übertragungsflüssigkeit können einerseits die Abmessungen der Druckmeßzelle und des Druckbehälters aufeinander abgestimmt werden, daß nur ein minimales Restvolumen verbleibt, das gerade hinreichend ist, die Meßzelle von außen vollständig mit dem Druck der Übertragungsflüssigkeit zu beaufschlagen.

Als eine Alternative bietet es sich an, Füllkörper in den Druckbehälter einzubringen, die das Volumen minimieren, welches für die Übertragungsflüssigkeit verbleibt. Wenn die Füllkörper ein hinreichend kompressibles oder elastisches Material aufweisen sind, können diese zugleich die Funktion eines Druckspeichers wahrnehmen, oder ein zusätzlicher Druckspeicher kann entsprechend kleiner gestaltet sein.

Ein Beispiel hierzu ist in Fig. 3 gegeben, wobei hier der gesamte Raum zwischen den Wänden des Druckbehälters 240 und der Druckmeßzelle zunächst mit kompressiblen Füllkörpern 260, beispielsweise Kugeln, Zylinder, Quader, Tetraeder, o. ä. gefüllt wird, bevor das verbleibende Restvolumen zwischen den Füllkörpern mit der Übertragungsflüssigkeit gefüllt, und diese mit dem erforderlichen Druck beaufschlagt wird. Als Material für die elastischen Füllkörper kommen insbesondere hochtemperaturstabile thermoelastische Polymere wie NBR, HNBR oder EPDM in Frage. Selbstverständlich können auch verschiedene Materialien kombiniert werden, oder die Füllkörper können massiv oder mit Hohlräumen ausgestaltet werden, um die gewünschte Elastizität bzw.

Kompressibilität einzustellen. Für einige Anwendungen ist es vorteilhaft, die Füllkörper miteinander zu vernetzen, um beispielsweise eine lokale Anreicherung der Füllkörper in einer Region des Druckbehälters zu vermeiden.

Anhand von Fign. 2 und 4 wird nun ein Beispiel für einen erfindungsgemäßen gekapselten Differenzdrucksensor vorgestellt, dessen Druckspeicher 160 eine degressive Kennlinie aufweist. Wie beim Beispiel aus Fig. 2a umfaßt der Druckspeicher des Beispiels aus Fig. 2b eine Federanordnung 161 in einem Balg 162. In diesem Fall sind die Druckfedern 161 jedoch nicht parallel zur Kompressionsrichtung des Balgs angeordnet. Stattdessen sind mehrere Druckfedern 161 mit ihrem jeweiligen ersten Ende symmetrisch auf einer Basisfläche und mit ihrem jeweiligen zweiten Ende zentral an der Stirnfläche des Balgs 162 verankert. Die Kompressionsrichtung der einzelnen Druckfedern 161 ist also bezüglich der Kompressionsrichtung des Balgs geneigt, wobei der Neigungswinkel mit der Kompression des Balgs zunimmt. Dies hat zwei Konsequenzen. Erstens nimmt die inkrementelle Kompression der Federn mit zunehmender Kompression des Balgs ab, und zweitens wird der Anteil der Federkraft, der als Gegenkraft zur Kompression des Balgs wirkt, immer geringer, da dies nur die Projektion der gesamten Federkraft auf die Kompressionsrichtung des Balgs ist. Durch geeignete Wahl des Neigungswinkels und der Vorspannung der Federn 161 kann das System so ausgelegt werden, daß die Veränderungen der Rückstellkraft und somit des Drucks im Druckbehälter mit zunehmender Kompression des Druckspeichers erheblich reduziert sind.

Zur Erläuterung des Effekts zeigt Fig. 4 die aus der degressive Kennlinie folgende Druckentwicklung (mit Dreiecken gekennzeichnet) einer Anordnung nach dem Prinzip der Fig. 2b im Vergleich zur Druckentwicklung (mit Quadraten gekennzeichnet) bei Verwendung einer Anordnung gemäß Fig. 2a. In beiden Fällen hat das als Übertragungsflüssigkeit verwendete Öl bei einer niedrigen Anfangstemperatur ein Minimalvolumen, welches dem 3,125 fachen Volumen des Druckspeichers in diesem Zustand entpricht. Bei einer Ausdehnung des Öls mit steigender Temperatur um 8% des Ölvolumens, wird der Druckspeicher daher um 25% seines Volumens gestaucht. Bei der Ausführungsform nach Fig. 2a wird die parallel zur Kompressionsrichtung des Druckspeichers angeordnete Feder also um 25% ihrer Anfangslänge gestaucht. Dies führt zu einem Druckanstieg auf 4/3 des Anfangswerts.

Die Federn des Ausführungsbeispiels nach Fig. 2b haben zu Anfang bei minimalem Ölvolumen einen Neigungswinkel von etwa 62° zur Kompressionsachse des Druckspeichers. Mit fortschreitender Kompression steigt der Neigungswinkel auf etwa 68°. Die Federn sind im Anfangszustand bereits um 15% auf 85% ihrer Gleichgewichtslänge gestaucht, wobei die Federn durch 25%- ige Kompression des Druckspeichers auf etwa 80% der Gleichgewichtslänge gestaucht wird. Im Ergebnis wird durch die geneigte Anordnung der Federn 161 eine degressive Kennlinie erzielt, die den Druckanstieg aufgrund der Kompression des Druckspeichers auf etwa 3,3% beschränkt, während, der Druckanstieg bei der linearen Anordnung 33% beträgt. Dies ist eine Verbesserung um einen Faktor zehn. Wenn die Federn 161 weniger stark geneigt sind, fällt die Verbesserung weniger deutlich aus. Mit einem Anfangsneigungswinkel von etwa 57° der durch die Stauchung des Druckspeichers auf etwa 64° ansteigt, resultiert bei ansonsten gleichen Bedingungen wie beim ersten Beispiel eine Druckerhöhung um etwa 10% aufgrund der 25%-igen Kompression des Druckspeichers.

Grundsätzlich können neben den Neigungswinkeln, die Anzahl und Art der Federn, ihre Vorspannung und Materialbeschaffenheit u. ä. den jeweiligen Erfordernissen angepaßt werden.

Außerdem sind die zuvor beschriebenen Aspekte der Erfindung beliebig mit einander kombinierbar und variierbar, ohne vom Grundgedanken der Erfindung abzuweichen.