DANNHAUER WOLFGANG (DE)
DE10234754A1 | 2004-02-19 | |||
GB832540A | 1960-04-13 | |||
US4135408A | 1979-01-23 |
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 016, no. 032 (P - 1303) 27 January 1992 (1992-01-27)
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 2000, no. 26 1 July 2002 (2002-07-01)
[0014] Daraus folgt unter der Annahme dass mi+ιτi2 = m, wobei m die Gesamtmasse der eingefüllten Übertragungsflüssigkeit ist, und Vi+V2 = V, wobei V das Gesamtvolumen des ersten und hydraulischen Pfades zusammen ausmacht: [0015]
äp(dT) = [mr(σι + σ2) -pVσ2)]- l + a ' dT -[Vr(σ] +σ2)- V- σ2] P (D [0016] Fordert man, dass der Nullpunktfehler für alle dT verschwinden soll, so gilt: [0017]
m, = p - V -^- σt + σ2 (IIa) und
(Hb). [0018] Dies entspricht der Symmetrisierung der Produkte, gemäß der Offenlegungsschrift [0019] DE 102 34 754 A1 , für den Fall identischer Füllflüssigkeitsparameter in dem ersten und zweiten hydraulischen Pfad. Wie an den Gleichungen IIa und IIb ersichtlich, muss die Füllflüssigkeitsverteilung auf die beiden hydraulischen Pfade exakt das gleiche Verhältnis aufweisen, wie das Volumenverhältnis der beiden hydraulischen Pfade, wobei sich das Verteilungsverhältnis aus dem Verhältnis der Membransteifigkeiten ergibt. [0020] Die vollständige Symmetrisierung ist sehr aufwendig, dagegen ermöglicht die vorliegende Erfindung eine relative Minimierung des Nullpunktfehlers und des Temperaturkoeffizienten Tk des Nullpunktfehlers. Dies erfolgt durch einen Druckausgleich bei einer ausgewählten Temperatur, beispielsweise der Temperatur der maximalen Trennmembranfehler dp(dT). [0021 ] Eine Freigabe des Ausgleichskanals bei einer Temperatur dTAusgieich bewirkt eine Verschiebung des Übertragungsfluids, bis der Nullpunktfehler bei dTAuSgieich verschwindet. Ein anschließendes Blockieren des Ausgleichskanals fixiert die erzielte Verteilung des Übertragungsfluids. [0022] Seien beispielsweise die folgenden konstruktiven Randbedingungen gegeben Vi=V2= V/2, dann bewirkt der Ausgleich bei dTAusgieich eine Massenverschiebung der Übertragungsflüssigkeit zwischen dem ersten und dem zweiten Volumen, so dass gilt: [0023] \ + ry ■ HT ■ 2σ2 «ι (dTAusgleιch) = pV, — 2- L + OC - UJ- Ausgleich (III) [0024] Der Temperaturkoeffizient Tkdes Nullpunktfehlers erhält damit die Form: [0025] τ = dApjdT) = a p σ, - σ2 1 * SdT 2 l + a - dTAusgleιch (IV) [0026] Dieser Ausdruck zeigt, dass der Temperaturkoeffizient des Nullpunktfehlers um so geringer ist, je höher die Ausgleichstemperatur dTAuSgieich war, bei welcher ein Druckausgleich zwischen dem ersten und dem zweiten hydraulischen Pfad durch den Ausgleichskanal erfolgte, bevor letzterer verschlossen wurde. [0027] Wie eingangs erwähnt, geht die obige Abschätzung von konstanten Membransteifigkeiten aus. In den meisten realen Systemen ist diese Annahme jedoch nur in erster Näherung gültig. Stattdessen nimmt die Membransteifigkeit mit der Auslenkung der Trennmembran zu. Dies führt zu einer Abhängigkeit höherer Ordnung des Nullpunktfehlers von der Temperatur. Es ist offensichtlich dass der Vorteil eines Druckausgleichs bei erhöhter Temperatur für Systeme mit Abhängigkeiten höherer Ordnung zwischen Nullpunktfehler und Temperatur noch ausgeprägter ist. [0028] Im Ergebnis ist dann der verbleibende rechnerisch oder elektronisch zu kompensierende Nullpunktfehler deutlich verringert. [0029] Zudem erlaubt es die Erfindung bei der Fertigung der hydraulischen Pfade mit größeren Toleranzen zu arbeiten, denn Asymmetrien aufgrund von größeren kontrollierten Fertigungstoleranzen werden nach der Befüllung ohne weiteres durch den Druckausgleich zwischen dem ersten und dem zweiten hydraulischen Pfad kompensiert. Auf diese Weise lassen sich Fertigungskosten erheblich reduzieren. [0030] In der obigen Abschätzung war der Einfachheit halber davon ausgegangen worden, dass nach der ursprünglichen Befüllung der hydraulischen Pfade mit Übertragungsflüssigkeit bei der Befüllungstemperatur jeweils ein Membranfehler von Null vorliegt. Darauf kommt es selbstverständlich beim erfindungsgemäßen Differenzdruckaufnehmer nicht an, denn die endgültige Verteilung der Übertragungsflüssigkeit zwischen den Volumina der hydraulischen Pfade stellt sich erst nach dem Druckausgleich über den Ausgleichskanal ein. [0031] Nach einem weiteren Gesichtspunkt kann die Gesamtmenge der Übertragungsflüssigkeit so gewählt werden, dass die temperaturabhängige Auslenkungen der beiden Trennmembranen so abgestimmt sind, dass die Funktion des Nullpunktfehlers über der Temperatur in dem für den Differenzdruckaufnehmer definierten Temperaturbereich hinreichend genau als Funktion zweiter Ordnung beschrieben werden kann, oder dass die Ableitung des Nullpunktfehlers nach der Temperatur in dem für den Differenzdruckaufnehmer definierten Temperaturbereich eine vorzugsweise monotone Funktion ist. [0032] Hierzu ist in einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Differenzdruckaufnehmers die Gesamtmenge der Übertragungsflüssigkeit so auf die Volumina des ersten und zweiten hydraulischen Pfades abgestimmt, dass bei einem Druckausgleich über den Ausgleichskanal bei einer Nulllagenausgleichstemperatur nicht nur der Nullpunktfehler verschwinden würde sondern auch die individuellen Auslenkungen bzw. Trennmembranfehler der ersten und der zweiten Trennmembran vernachlässigbar klein bzw. verschwinden würden. Die Nulllagenausgleichstemperatur liegt in den oberen oder unteren 5% des für den Differenzdruckaufnehmer spezifizierten Temperaturbereichs, weiter bevorzugt in den oberen oder unteren 2% des für den Differenzdruckaufnehmer spezifizierten Temperaturbereichs und besonders bevorzugt außerhalb des für den Differenzdruckaufnehmer spezifizierten Temperaturbereichs. Der tatsächliche Druckausgleich über den Ausgleichskanal erfolgt jedoch bei einer tatsächlichen Ausgleichstemperatur, die in einem von der Nulllagenausgleichstemperatur abgewandten Endabschnitt des Temperaturbereichs liegt. Der Differenzdruckaufnehmer weist daher eine Verteilung der Übertragungsflüssigkeit zwischen dem ersten und zweiten hydraulischen Pfad auf, die sich bei einem Druckausgleich über den Ausgleichskanal bei einer effektiven Ausgleichstemperatur ergibt, die in einem von der Nulllagenausgleichstemperatur abgewandten Endabschnitt des Temperaturbereichs liegt. [0033] Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigt: [0034] Fig. 1 : ein Diagramm mit den Trennmembranfehlern eines Differenzdruckaufnehmers mit einer Nulllagenausgleichstemperatur bei Raumtemperatur mit und ohne Druckausgleich als Funktion der Temperatur; [0035] Fig. 2: ein Diagramm mit dem Nullpunktfehler eines Differenzdruckaufnehmers mit einer Nulllagenausgleichstemperatur bei Raumtemperatur mit und ohne Druckausgleich als Funktion der Temperatur; [0036] Fig. 3: ein Diagramm mit den Trennmembranfehlern eines Differenzdruckaufnehmers mit einer Nulllagenausgleichstemperatur am unteren Rand des Messbereichs mit und ohne Druckausgleich am oberen Rand des Messbereichs als Funktion der Temperatur; [0037] Fig. 4: ein Diagramm mit dem Nullpunktfehler eines Differenzdruckaufnehmers mit einer Nulllagenausgleichstemperatur am unteren Rand des Messbereichs mit und ohne Druckausgleich am oberen Rand des Messbereichs als Funktion der Temperatur; [0038] Fig. 5: ein Diagramm mit den Trennmembranfehlern eines Differenzdruckaufnehmers mit einer Nulllagenausgleichstemperatur am oberen Rand des Messbereichs mit und ohne Druckausgleich am unteren Rand des Messbereichs als Funktion der Temperatur; [0039] Fig. 6: ein Diagramm mit dem Nullpunktfehler eines Differenzdruckaufnehmers mit einer Nulllagenausgleichstemperatur am oberen Rand des Messbereichs mit und ohne Druckausgleich am unteren Rand des Messbereichs als Funktion der Temperatur; und [0040] Fig. 7: eine schematische Schnittzeichnung durch einen erfindungsgemäßen Differenzdruckaufnehmer. [0041] Der in Fig. 7 gezeigte erfindungsgemäße Differenzdruckaufnehmer umfasst einen im wesentlichen zylindrischen metallischen Grundkörper 1 mit einer ersten Stirnfläche 2 und einer zweiten Stirnfläche 3. An der ersten Stirnfläche ist eine erste Trennmembran 4 unter Bildung einer ersten Membrankammer zwischen der ersten Trennmembran 4 und der ersten Stirnfläche 2 druckdicht befestigt. Zwischen der ersten Membrankammer und einer ersten Seite einer Differenzdruckmesszelle 10, welche in dem Grundkörper angeordnet ist, erstreckt sich ein erster hydraulischer Pfad 6, über den die Differenzdruckmesszelle 10 mit dem in der ersten Membrankammer vorherrschenden ersten Druck beaufschlagbar ist. Entsprechend ist an der zweiten Stirnfläche 3 eine zweite Trennmembran 5 unter Bildung einer zweiten Membrankammer zwischen der zweiten Trennmembran 5 und der zweiten Stirnfläche 3 druckdicht befestigt. Zwischen der zweiten Membrankammer und einer zweiten Seite der Differenzdruckmesszelle 10, welche in dem Grundkörper angeordnet ist, erstreckt sich ein zweiter hydraulischer Pfad 7, über den die Differenzdruckmesszelle 10 mit dem in der zweiten Membrankammer vorherrschenden zweiten Druck beaufschlagbar ist. Das Signal der Differenzdruckmesszelle 10 ist abhängig von der Differenz zwischen dem ersten Druck und dem zweiten Druck. [0042] In der ersten und der zweiten Stirnfläche 2, 3 des Grundkörpers 1 können Membranbetten ausgebildet sein, die hier nicht im Detail dargestellt sind. Die Tiefe der Membranbetten hängt u.a. von der zu erwartenden Auslenkung der Trennmembranen im Messbetrieb ab. Soll die Nulllagenausgleichstemperatur bei der minimalen Betriebstemperatur des Differenzdruckaufnehmers liegen, so ist keine temperaturbedingte Auslenkung der Trennmembranen in Richtung der Membranbetten zu erwarten. Entsprechend flach können die Membranbetten bei dieser Varianten gewählt sein. Wenn die Nulllagenausgleichstemperatur bei der maximalen Betriebstemperatur liegen soll, dann ist es vorteilhaft entsprechend tiefere Membranbetten vorzusehen, da die temperaturabhängigen Auslenkungen der Trennmembranen in Richtung der Membranbetten erfolgt. [0043] In jedem Fall ist zu gewährleisten, dass die Trennmembranen nicht schon aufgrund von Temperaturänderungen zur Anlage am Membranbett kommen, da auf diese Weise die Druckübertragung zum Differenzdruckmesszelle unterbrochen wäre. [0044] Zwischen dem ersten hydraulischen Pfad 6 und dem zweiten hydraulischen Pfad 7 erstreckt sich ein Ausgleichskanal 12, welcher mit einer Verschlussschraube 11 druckdicht verschließbar ist. Der Ausgleichskanal 12 kann beispielsweise mit Abschnitten des ersten und/oder zweiten hydraulischen Pfades 6, 7 In einem Fertigungsschritt als durchgehende Bohrung gefertigt werden. Grundsätzlich sind aber hinsichtlich des Verlaufs des Ausgleichskanals und dessen Herstellung keinerlei Beschränkungen gegeben. Es ist lediglich erforderlich, dass er eine Kommunikation zwischen dem ersten und dem zweiten hydraulischen Pfad ermöglicht, die durch ein geeignetes Absperrelement, beispielsweise eine Verschlussschraube, unterbrochen werden kann. [0045] Der erste und der zweite hydraulische Pfad 6, 7 weisen jeweils einen ersten bzw. zweiten Füllkanal 8, 9 auf, die sich zur Mantelfläche des Grundkörpers 1 erstrecken. Über die Füllkanäle 8, 9 sind die hydraulischen Pfade mit einer Übertragungsflüssigkeit befüllbar. Die Füllkanäle weisen dem Fachmann geläufige, geeignete Verschlussmittel auf, mit denen die Füllkanäle nach der Befüllung druckdicht abgeschlossen werden. [0046] Ggf. kann der Differenzdruckaufnehmer zudem eine Überlastkammer mit einer Überlastmembran aufweisen, wobei die Überlastmembran die Überlastkammer teilt und jeweils ein Teil der Überlastkammer mit dem ersten bzw. zweiten hydraulischen Pfad kommuniziert. Im Falle einer Differenzdrucküberlast wird die Überlastmembran ausgelenkt und die Überlastkammer nimmt das Volumen aus der hochdruckseitigen Membrankammer auf, bis die Trennmembran zur Anlage kommt, wodurch ein weiterer Druckanstieg verhindert ist. Einzelheiten hierzu sind dem Fachmann bekannt und müssen hier nicht vertieft werden. [0047] [0048] Hinsichtlich der Wahl der Differenzdruckmesszelle sind keine Beschränkungen gegebnen. Sie kann nach allen gängigen Messprinzipien arbeiten, beispielsweise resistiv, insbesondere piezoresistiv oder mit Dehnungsmessstreifen, kapazitiv mit Einkammer- oder Zweikammer- Messzellen oder nach einem Resonanzverfahren. [0049] Die Auswirkung des Druckausgleichs in dem erfindungsgemäßen Differenzdruckaufnehmer soll nun anhand der Fign. 1 bis 6 erläutert werden. Fign. 1 , 3 und 5 zeigen jeweils die individuellen Trennmembranfehler der beiden Trennmembranen eines Differenzdruckaufnehmers für verschiedene Füllmengen bzw. Nulllagenausgleichstemperaturen. Hierbei stellen die' Quadrate und Rauten stets die Trennmembranfehler ohne nachträglichen Druckausgleich dar, während die x-Smbole und +-Symbole die entsprechenden Trennmembranfehler nach erfolgtem Druckausgleich bei ausgelenkten Trennmembranen angeben. [0050] Die entsprechenden Nullpunktfehler sind jeweils den Figuren mit dem nächst höheren Zähler zu entnehmen, also den Fign. 2, 4 und 6, wobei die Dreiecke den Nullpunktfehler ohne Druckausgleich und die *-Symbole den Nullpunktfehler nach erfolgten Druckausgleich bei ausgelenkten Trennmembranen zeigen. [0051] Das Beispiel der Fign. 1 und 2 betrifft eine Befüllung mit einer Füllmenge die einer Nulllagenausgleichstemperatur von etwa Raumtemperatur entspricht. D.h., beide hydraulischen Pfade wurden bei Raumtemperatur mit einer solchen Füllmenge befüllt, dass die Trennmembranen nicht ausgelenkt wurden, dementsprechend verschwand der Trennmembranfehler für beide Trennmembranen bei Raumtemperatur. Die Trennmembranen zeigen ansonsten eine Abhängigkeit zweiter Ordnung von der Temperatur der Übertragungsflüssigkeit. Der Nullpunktfehler ohne Druckausgleich der eine Differenz zweier dieser Kurven ist, hat selbverständlich den gleichen allgemeinen Verlauf. Ein Druckausgleich bei erhöhter Temperatur, hier etwa 125°C, bewirkt eine erhebliche Verringerung des Nullpunktfehlers. Allerdings ist der Verlauf der Steigung der Kurve nicht mehr monoton, und die mathematische Modellierung zur rechnerischen Kompensation des verbleibenden Nullpunktfehlers erfordert einen gewissen Aufwand. [0052] Das Ausführungsbeispiel in Fign. 3 und 4 vermeidet diese Schwierigkeit, indem die Füllmenge an Übertragungsflüssigkeit auf eine Nulllagenausgleichstemperatur von etwa -2O0C abgestimmt ist, welches der unteren Grenze des angestrebten Messbereichs entspricht. Ein Druckausgleich bei etwa 1250C bewirkt dann erstens eine erhebliche Verminderung des Nullpunktfehlers und zweitens einen einfacher modellierbaren Verlauf des Nullpunktfehlers über den gesamten Messbereich. [0053] Das Ausführungsbeispiel in Fign. 5 und 6 greift den Lösungsansatz des vorigen Ausführungsbeispiels auf und modifiziert ihn, indem die Füllmenge an Übertragungsflüssigkeit auf eine Nulllagenausgleichstemperatur von etwa 1000C abgestimmt ist, welches der oberen Grenze des angestrebten Messbereichs entspricht. Ein Druckausgleich an der unteren Grenze des Messbereichs bei etwa O0C bewirkt wie zuvor eine erhebliche Verminderung des Nullpunktfehlers sowie einen gutmütigeren Verlauf des Nullpunktfehlers über den gesamten Messbereich. [0054] Wenn also ein gut modellierbarer Verlauf für einen reduzierten Nullpunktfehler angestrebt wird, dann ist im Ergebnis die Befüllmenge auf eine Nulllagenausgleichtemperatur an einer ersten Grenze oder nahe der ersten Grenze außerhalb des angestrebten Messbereichs des Differenzdruckaufnehmers abzustimmen, und der Druckausgleich ist anschließend bei einer Temperatur an oder nahe der zweiten Grenze innerhalb oder außerhalb des Messbereichs durchzuführen. Nahe einer Grenze bedeutet beispielsweise nicht mehr als 15 % des Messbereichs von der Grenze entfernt, vorzugsweise nicht mehr als 10% des Messbereichs von der Grenze entfernt und besonders bevorzugt nicht mehr als 5% des Messbereichs von der Grenze entfernt. Der Begriff Messbereich bezieht sich hier auf den für den Differenzdruckaufnehmer im Messbetrieb spezifizierten Temperaturbereich.
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