Differenzdrucksensor mit einem solchen Messwerk

Die vorliegende Erfindung betrifft ein hydraulisches Messwerk zum Aufnehmen von Differenzdrücken und einen Differenzdrucksensor mit einem solchen Messwerk.

Hydraulische Messwerke zum Aufnehmen von Differenzdrücken, umfassen gewöhnlich einen Messwerkkörper mit einer ersten Druckeingangsöffnung und einer zweiten Druckeingangsöffnung, von der sich jeweils ein hydraulischer Pfad zu einer

Differenzdruckmesszelle erstreckt, um die Differenzdruckmesszelle mit dem ersten Druck und dem zweiten Druck zu beaufschlagen, deren Differenz durch die

Differenzdruckmesszelle zu messen ist. Eine Differenzdruckmesszelle weist allgemein einen Messzellenkörper mit zwei Messkammern in seinem Innern auf, die durch eine Messmembran voneinander getrennt sind. Die beiden Messkammern sind jeweils durch eine Messkammeröffnung mit einem der beiden Drücke beaufschlagbar, so dass die Messmembran eine von der Differenz der beiden Drücke abhängige, elastische

Verformung aufweist.

Die Druckeingangsöffnungen des Messwerkkörpers sind gewöhnlich durch flexible metallische Trennmembranen verschlossen, welche jeweils einen an einer Außenseite der Trennmembran anstehenden Druck in den hydraulischen Pfad einleiten. Bei Messwerken mit koplanaren Druckeingangsöffnungen liegen die die Druckeingänge nebeneinander auf einer Prozessanschlussfläche des Messwerkkörpers. Solche Messwerke mit koplanaren Druckeingängen sind beispielsweise in EP 0 370 013 B1 , EP 0 560 875 B1 , EP 0 774 652 B2, und EP 1 216 404 B1 offenbart. Die hydraulischen Pfade umfassen beispielsweise Kapillarleitungen, die sich von einer rückseitigen Oberfläche des Prozessanschlusskörpers, welche der Prozessanschlussfläche abgewandt ist, zur Druckmesszelle erstrecken.

Die Kapillarleitungen sind beispielsweise durch eine umlaufende Schweißnaht druckdicht mit dem Messwerkkörper verbunden und damit jeweils an eine der

Druckeingangsöffnungen hydraulisch gekoppelt. Differenzdruckmesszellen sind gewöhnlich darauf optimiert geringe Druckdifferenzen p1- p2 bei großen statischen Drucken p1 , p2 zu messen. Hierbei ist es wichtig, die richtige Balance zwischen Empfindlichkeit und Überlastfestigkeit zu finden. So kann

beispielsweise für den Messbereich der Druckdifferenz |p1-p2| gelten |p1-p2|/p1 < 1 %. Wenn in einer Prozessanlage einer der Drücke p1 , p2 entfällt, wird die Messzelle mit dem 100-fachen des Messbereichs belastet. Es sind Differenzdruckmesszellen bekannt, die solchen überlasten standhalten, beruht ein bewährter Schutz der empfindlichen Differenzdruckmesszellen darauf, eine Überlastmembran zur Messzelle parallel zu schalten. Eine Überlastmembran weist eine hinreichend große hydraulische Kapazität auf, um im Falle einer einseitigen Überlast das Volumen einer Übertragungsflüssigkeit in einem hydraulischen Pfad so weit aufzunehmen, dass die Trennmembran dieses hydraulischen Pfads an einem Membranbett zur Anlage kommt, so dass ein weiterer Anstieg des auf die Differenzdruckmesszelle wirkenden Differenzdrucks zuverlässig verhindert ist. Beispiele für Differenzdrucksensoren mit Überlastmembranen sind in EP 1 299 701 B1 , DE 10 2006 040 325 A1 und DE 10 2006 057 828 A1 offenbart.

Die genannten Schutzrechte betreffen Differenzdrucksensoren deren hydraulisches Messwerk zwei Trennmembranen an gegenüberliegenden Stirnseiten eines

Messwerkkörpers aufweist, wobei eine Überlastmembran zwischen den

Trennmembranen angeordnet ist. Dieses Konstruktionsprinzip ist nicht ohne weiteres auf hydraulische Messwerke mit koplanaren Trennmembranen übertragbar. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, hier Abhilfe zu schaffen, und ein hydraulisches Messwerk mit koplanaren Trennmembranen und einer Überlastmembran bereitzustellen, welches einfach und zuverlässig herzustellen ist. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das Messwerk gemäß dem

unabhängigen Patentanspruch 1 und den Differenzdrucksensor gemäß dem

unabhängigen Patentanspruch 8.

Das erfindungsgemäße hydraulische Messwerk zum Aufnehmen von Differenzdrücken, umfasst: einen Messwerkkörper mit einer in eine Richtung orientierten Prozessanschlussfläche, wobei der Messwerkkörper einen ersten hydraulischen Pfad aufweist, der sich von der Prozessanschlussfläche durch den Messwerkkörper zu einer rückseitigen Oberfläche des Messwerkkörpers erstreckt, wobei der Messwerkkörper einen zweiten hydraulischen Pfad aufweist, der sich von der Prozessanschlussfläche durch den Messwerkkörper zu der rückseitigen Oberfläche des Messwerkkörpers erstreckt; eine erste Trennmembran, welche den ersten hydraulishcen Pfad auf der Seite der Prozessanschlussf lache verschließt; eine zweite Trennmembran, welche den zweiten hydraulischen Pfad auf der Seite der Prozessanschlussf lache verschließt; wobei der erste hydraulische Pfad ein erstes Druckrohr aufweist, welches mit aus der rückseitigen Oberfläche des Messwerkkörpers herausragt; wobei der zweite hydraulische Pfad ein zweites Druckrohr aufweist, welches aus der rückseitigen Oberfläche des Messwerkkörpers herausragt; wobei das erste und das zweite Druckrohr druckdicht mit dem Messwerkkörper verbunden sind; dadurch gekennzeichnet, dass der Messwerkkörper eine erste Überlastkammer; eine zweite Überlastkamme; und eine elastische Überlastmembran aufweist, wobei die Überlastmembran die erste

Überlastkammer von der zweiten Überlastkammer trennt, wobei die erste

Überlastkammer mit dem ersten hydraulischen Pfad kommuniziert, und wobei die zweite Überlastkammer mit dem zweiten hydraulischen Pfad kommuniziert.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Überlastmembran mit einer umlaufenden Fügestelle mit einem Trägerkörper verbunden, wobei die Fügestelle in einer zur Prozessanschlussf läche parallelen Ebene verläuft. In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst der Messwerkkörper einen Grundkörper, einen ersten Trennmembrankorper und einen zweiten Trennmembrankorper, wobei die erste Trennmembran mit dem ersten Trennmembrankorper unter Bildung einer ersten Trennmembrankammer zwischen dem ersten Trennmembrankorper und der ersten Trennmembran mit einer umlaufenden Fügestelle druckdicht verbunden ist, wobei die zweite Trennmembran mit dem zweiten Trennmembrankorper unter Bildung einer zweiten Trennmembrankammer zwischen dem zweiten Trennmembrankorper und der zweiten Trennmembran mit einer umlaufenden Fügestelle druckdicht verbunden ist, wobei der erste Trennmembrankorper mit einer der ersten Trennmembran abgewandten Rückseite voran in einer ersten Aufnahme des Grundkörpers angeordnet und mit dem Grundkörper entlang einer umlaufenden Fügestelle druckdicht verbunden ist, wobei der erste hydraulische Pfad eine Bohrung umfasst, die sich von der ersten

Trennmembrankammer durch den ersten Trennmembrankörper erstreckt, und wobei der zweite Trennmembrankörper mit einer der zweiten Trennmembran abgewandten Rückseite voran in einer zweiten Aufnahme des Grundkörpers angeordnet und mit dem Grundkörper entlang einer umlaufenden Fügestelle druckdicht verbunden ist, wobei der zweite hydraulische Pfad eine Bohrung umfasst, die sich von der zweiten Trennmembrankammer durch den zweiten Trennmembrankörper erstreckt.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weisen der erste und der zweite

Trennmembrankörper jeweils ein korrugiertes Membranbett auf.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sind die Trennmembranen jeweils auf dem Membranbett eines Trennmembrankörpers abgeprägt.

In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst der Messwerkkörper einen Verschlusskörper, der in einer komplementären Aufnahme des Grundkörpers angeordnet und mit dem Grundkörper entlang einer umlaufenden Fügestelle druckdicht verbunden ist, wobei der Verschlusskörper eine Querschnittsfläche aufweist, die größer ist als eine auslenkbare Fläche der Überlastmembran, und wobei durch den Verschlusskörper eine der beiden Überlastkammern verschlossen wird.

Insbesondere der Grundkörper oder der Verschlusskörper können als Trägerkörper für die Überlastmembran dienen.

In einer Weiterbildung der Erfindung verläuft zumindest einer der hydraulischen Pfade durch eine Überlastkammer, d.h. die Überlastkammer weist eine erste Öffnung auf, über welche sie mit einer Trennmembran kommuniziert, und eine zweite Öffnung, über welche sie mit einem Druckrohr kommuniziert. In einer Weiterbildung der Erfindung ragt eines der Druckrohre auf der Rückseite des Messwerkkörpers aus dem Verschlusskörper heraus, wobei ein anderes der Druckrohre auf der Rückseite des Messwerkkörpers aus dem Grundkörper herausragt, wobei der Abstand der Druckrohre an der Rückseite des Messwerkkörpers geringer ist als der Durchmesser der auslenkbaren Fläche der Überlastmembran, insbesondere geringer als der halbe Durchmesser und bevorzugt geringer als ein Viertel des Durchmessers. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sind das erste Druckrohr und das zweite Druckrohr von der Seite der Prozessanschlussfläche her druckdicht mit dem

Messwerkkörper verbunden, insbesondere im Bereich der ersten und der zweiten Aussparung. Durch das Herstellen der druckdichten Verbindung zwischen einem Druckrohr und dem Messwerkkörper von der Seite der Prozessanschlussfläche her, werden insbesondere umlaufende Verbindungsverfahren wie beispielsweise Schweißen nicht durch das jeweils andere Rohr, welches rückseitig aus dem Messwerkkörper herausragt, behindert.

Der erfindungsgemäße Differenzdrucksensor umfasst ein erfindungsgemäßes hydraulisches Messwerk; und eine Differenzdruckmesszelle, wobei die

Differenzdruckmesszelle einen Messzellenkörper mit zwei Messkammern in seinem Innern aufweist, die durch eine Messmembran voneinander getrennt sind, wobei die Messkammern jeweils eine Messkammeröffnung aufweisen, wobei eine erste der Messkammern druckdicht an das erste Druckrohr angeschlossen und durch das erste Druckrohr mit einem ersten Druck beaufschlagbar ist, wobei eine zweite der

Messkammern druckdicht an das zweite Druckrohr angeschlossen und durch das zweite Druckrohr mit einem zweiten Druck beaufschlagbar ist, wobei die Messmembran in Abhängigkeit von einer Differenz zwischen dem ersten Druck und dem zweiten Druck elastisch verformbar ist, wobei die Differenzdruckmesszelle einen Wandler aufweist, zum Bereitstellen eines von der Verformung der Messmembran abhängigen Signals.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird die Differenzdruckmesszelle von den Druckrohren gehalten.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weisen die beiden Druckrohre jeweils eine Verzweigung auf, wobei jeweils ein Zweig eines Druckrohrs an eine der Messkammern angeschlossen ist, und wobei der jeweils andere Zweig eines Druckrohrs eine verschließbare Befüllöffnung zum Befüllen der jeweils mit dem Zweig kommunizierenden Volumina des Differenzdrucksensors mit einer Übertragungsflüssigkeit aufweist.

Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung weist der Messwerkkörper zwei verschließbare Befüllöffnungen auf, von denen jeweils eine mit einer

Druckeingangsöffnung kommuniziert, wobei die Befüllöffnungen vorgesehen sind zum Befüllen der jeweils mit ihnen kommunizierenden Volumina des Differenzdrucksensors mit einer Übertragungsflüssigkeit. Die Erfindung wird nun anhand der in den Zeichnungen dargestellten

Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 : einen schematischen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Differenzdrucksensors; Fig. 2: einen schematischen Längsschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Differenzdrucksensors; und

Fig. 3 einen schematischen Längsschnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Differenzdrucksensors.

Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen

Differenzdrucksensors 1 umfasst ein Hydraulisches Messwerk mit einem

Messwerkkörper welcher einen Grundkörper 10 sowie einen ersten und einen zweiten scheibenförmigen Trennmembrankörper 12, 14, wobei die Trennmembrankörper in Prozessanschlussfläche 16 des Grundkörpers 10 eingesetzt und mit diesem Druckdicht verschweißt sind. Die Trennmembrankörper tragen Trennmembranen 28, 30, die jeweils mit einer umlaufenden Schweißnaht druckdicht mit einem der Trennmembrankörper verbunden sind. Die Trennmembrankörper 12, 14, weisen zudem ein Membranbett auf, auf dem die Trennmembranen nach dem Verbinden mit dem Trennmembrankörper abgeprägt sind. Die beiden Trennmembranen 28, 30 verschließen jeweils den Eingang eines ersten bzw. zweiten hydraulischen Pfads 32, 33 wobei die hydraulischen Pfade Kanäle aufweisen, die von der Prozessanschlussfläche 16 zu einer Rückseite des Messwerkkörpers verlaufen. Der erste und der zweite hydraulische Pfad 32, 33 weisen weiterhin jeweils ein erstes bzw. zweites Druckrohr 20, 22 auf, welches druckdicht mit dem Messwerkkörper verschweißt ist und jeweils mit einem der Kanäle durch den Messwerkkörper kommuniziert. Die beiden Metallischen Druckrohre 20, 22 tragen jeweils einen nitridkeramischen Versteifungskörper 42, 44, wobei zwischen den beiden nitridkeramischen Versteifungskörpern eine mikromechanische Differenzdruckmesszelle 40 gehalten ist, die insbesondere Silizium aufweist. Durch die Versteifungskörper 42, 44 verlaufen Druckkanäle, über welche zwei Messkammern der Differenzdruckmesszelle 40 jeweils mit einem der beiden hydraulischen Pfade 32, 33 kommunizieren. Um die

Differenzdruckmesszelle vor Überlasten zu schützen, weist das hydraulische Messwerk eine erste Überlastkammer 34 und eine zweite Überlastkammer 35 auf, die voneinander durch eine Überlastmembran 36 getrennt sind. Die beiden Überlastkammern kommunizieren jeweils mit einem der hydraulischen Pfade 32, 33, wobei der erste hydraulische Pfad durch die erste Überlastkammer verläuft.

Die zweite Überlastkammer 35 ist gebildet durch Einschweißen der Überlastmembran 36 in eine Aussparung im Grundkörper, Die erste Überlastkammer 34 ist gebildet durch Einschweißen eines Verschlusskörpers 38 in die Aussparung oberhalb der

Überlastmembran 36. Der Kanal des ersten hydraulischen Pfads 32 umfasst somit einen ersten Verschlusskörperabschnitt, über den die erste Überlastkammer 34 mit der ersten Trennmembran 28 kommuniziert und einen zweiten Verschlusskörperabschnitt, über den die erste Überlastkammer 34 mit dem ersten Druckrohr bzw. einer der Messkammern der Differenzdruckmesszelle kommuniziert. Der zweite hydraulische Pfad 33 kommuniziert dagegen über eine Stichleitung mit der zweiten Überlastkammer.

Die asymmetrische Führung der hydraulischen Pfade 32, 33 ermöglicht, die Druckrohre an der Rückseite des Messwerkkörpers mit geringem Abstand zueinander

herauszuführen, was einerseits die Montage der mikromechanischen

Differenzdruckmesszelle 40 erleichtert, andererseits jedoch mit Asymmetrien in der Dynamik des hydraulischen Messwerks einhergehen kann.

Das Ausführungsbeispiel in Fig. 2 strebt dagegen eine Symmetrie der hydraulischen Pfade an. Ein Messwerkkörper weist wiederum einen Grundkörper 110 auf an dessen Prozessanschlussf lache 1 16 zwei Trennmembrankörper 112 114 angeordnet sind, von denen sich jeweils ein erster bzw. zweiter hydraulischer Pfad im wesentlichen gerade zu einer rückseitigen Oberfläche des Grundkörpers 1 10 erstreckt, wobei die hydraulischen Pfade in ersten und zweiten metallischen Druckrohren 120, 122 fortgesetzt werden, die jeweils einen nitridkeramischen Versteifungskörper 142, 144 tragen, wobei zwischen den beiden nitridkeramischen Versteifungskörpen eine mikromechanische

Differenzdruckmesszelle 140 gehalten ist, die insbesondere Silizium aufweist. Durch die Versteifungskörper 142, 144 verlaufen Druckkanäle, über welche zwei Messkammern der Differenzdruckmesszelle 140 jeweils mit einem der beiden hydraulischen Pfade 132, 133 kommunizieren. Um die Differenzdruckmesszelle 140 vor Überlasten zu schützen, weist das hydraulische Messwerk eine erste Überlastkammer 134 und eine zweite Überlastkammer 135 auf, die voneinander durch eine Überlastmembran 136 getrennt sind. Die beiden Überlastkammern kommunizieren jeweils über eine Stichleitung mit einem der hydraulischen Pfade 132, 133.

Die zweite Überlastkammer 135 ist gebildet durch Einschweißen der Überlastmembran 136 in eine Aussparung im Grundkörper, Die erste Überlastkammer 134 ist gebildet durch Einschweißen eines Verschlusskörpers 138 in die Aussparung oberhalb der Überlastmembran 136. Diese Konstruktion hat einen einfachen hydraulischen Aufbau. Die Druckrohre 120, 122 weisen einen Abstand auf, der größer ist als der Durchmesser der Überlastmembran 136 dies ermöglicht einerseits eine ggf. eine leichtere Montage der Druckrohre am Grundkörper 1 10, andererseits ist der Abstand zwischen den Druckrohren zu überbrücken, ggf. durch größere Versteifungskörper 140, 142.

Das dritte Ausführungsbeispiel entspricht im wesentlichen dem zweiten

Ausführungsbeispiel, weshalb die Ausführungen zum zweiten Ausführungsbeispiel entsprechend für das dritte Ausführungsbeispiel gelten, wobei sich die Bezugszeichen entsprechender Komponenten des dritten Ausführungsbeispiels von denen des zweiten Ausführungsbeispiels um 100 unterscheiden. Der Unterschied zwischen den

Ausführungsbeispielen besteht nun darin dass im dritten Ausführungsbeispiel die Druckrohre 220, 222 ganz durch den Grundkörper 210 geführt sind und von der Seite der Prozessanschlussfläche 216 des hydraulischen Messwerks mittels umlaufender Schweißnähte druckdicht mit dem Grundkörper 210 verbunden sind. Dies ermöglicht ggf. die Komplettmontage eines Moduls bestehend aus den Druckrohren 220, 222, der

Differenzdruckmesszelle 240 und den Versteifungskörpern 242, 244 im Grundkörper, da die genannten Komponenten beim Verschweißen der Druckrohre 242, 244 von der Seite Prozessanschlussfläche 216, den Schweißprozess topologisch nicht beeinträchtigen.