Beschreibung Differenzdruckaufnehmer mit Überlastmembran [001] Die vorliegende Erfindung betrifft Differenzdruckaufnehmer mit hydraulischer Druckübertragung zu einem Messelement mittels einer Übertragungsflüssigkeit, ins- besondere solche Differenzdruckaufnehmer mit einer Überlastmembran. Ein derartiger Differenzdruckaufnehmer ist beispielsweise in der Offenlegungsschrift DE 196 08 321 Al offenbart. Differenzdruckaufnehmer weisen einen Hydraulikkörper auf, in dem eine Überlastkammer mit einer Überlastmembran ausgebildet ist, welche die Über- lastkammer in eine Hochdruckhalbkammer und in eine Niederdruckhalbkammer teilt, wobei die Hochdruckhalbkammer mit einem ersten hydraulischen Pfad kommuniziert, der sich zwischen einem ersten Druckmittler mit einer Trennmembran über einem Membranbett und der Hochdruckseite einer Druckmesszelle erstreckt, und die Nieder- druckhalbkammer mit einem zweiten hydraulischen Pfad kommuniziert, der sich zwischen einem zweiten Druckmittler mit einer Trennmembran über einem Membranbett und der Niederdruckseite dem Messelement erstreckt.

[002] Bei großen Überlasten wird die Übertragungsflüssigkeit vollständig aus dem Druckmittler herausgedrückt, und die Trennmemban liegt an dem Membranbett an.

Die bei Überlastdruck in den betreffenden hydraulischen Pfad verschobene Übertra- gungsflüssigkeit führt zu einer Auslenkung der Überlastmembran, um das zusätzliche Volumen aufzunehmen und den Überlastdruck abzubauen.

[003] Die Federsteifigkeit der Überlastmembran richtet sich nach dem Temperaturein- satzbereich, dem möglichen Systemdruck, dem Volumen der hydraulischen Übertra- gungsflüssigkeit und dem Überlastfaktor des Messelementes. Der Überlastfaktor definiert, um welchen Faktor der Überlastdruck den Messbereich übersteigen kann, bevor die Trennmembran zur Anlage kommt und keine weitere Druckerhöhmg am Meßchip auftritt. Je größer der Überlastfaktor des Messelementes ist, desto steifer kann die Überlastmembran ausgeführt werden. Je steifer die Überlastmembran ist, desto schneller reagiert die Messzelle auf Druckschwankungen, d. h. die Zelle reagiert dann schneller auf Druckschwankungen. Das ist besonders bedeutend bei Sensoren mit Druckmittleranbauten, die über eine lange Kapillarleitung mit dem Sensor verbunden sind. Die lange Kapillarleitung hat einen großen hydraulischen Widerstand und bildet mit der Überlastmembran ein RC-Glied, wobei eine weiche Überlastmembran mit einer großen hydraulischen Kapazität C zu großen Zeitkonstanten bzw. langen An- sprechzeiten führen kann.

[004] Die Federsteifigkeit der Überlastmembran ist im allgemeinen symmetrisch in HP- und LP-Richtung. Der Überlastfaktor des Messelementes ist zwischen HP-und LP- Belastung deutlich unterschiedlich. Die Auslegung der symmetrischen Über- lastmembran richtet sich nach dem niedrigeren Berstwert des Messelementes, was die hochdruckseitige Zeitkonstante des Differenzdruckaufnehmers unnötig vergrößert. Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen Differenzdruckaufnehmer bereitzustellen, der die beschriebenen Nachteile überwindet.

[005] Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Druckaufnehmer gemäß des unabhängigen Patentanspruchs 1.

[006] Der erfindungsgemäße Differenzdruckaufnehmer weist einen Hydraulikkörper auf, in dem eine Überlastkammer mit einer Überlastmembran ausgebildet ist, welche die Überlastkammer in eine Hochdruckhalbkammer und in eine Niederdruckhalbkammer teilt, wobei die Hochdruckhalbkammer mit einem ersten hydraulischen Pfad kom- muniziert, der sich zwischen einem ersten Druckmittler und der Hochdruckseite eines Druckmesselements erstreckt, und die Niederdruckhalbkammer mit einem zweiten hy- draulischen Pfad kommuniziert, der sich zwischen einem zweiten Druckmittler und der Niederdruckseite einer Druckmesszelle erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass die Niederdruckhalbkammer ein im wesentlichen konvexes Membranbett aufweist, an welchem die Überlastmembran in der Ruhelage anliegt, d. h. in der Niederdruck- halbkammer ist in der Ruhelage zwischen dem Membranbett und der Über- lastmembran praktisch kein Übertragungsmedium eingeschlossen, welches im Überlastfall verdrängt werden könnte. Im Ergebnis bewirkt dies, dass die Über- lastmembran bei hochdruckseitigen Überlasten praktisch nicht mehr ausgelenkt wird und somit gegen hochdruckseitige Überlasten im wesentlichen eine hydraulische Kapazität von null aufweist. (Die hydraulische Kapazität aufgrund der Kompres- sibilität des Übertragungsmediums wird bei dieser Betrachtung vernachlässigt. ) Zum Abbau von niederdruckseitigen Überlasten kann die Überlastmembran ausgelenkt werden, wobei in Abhängigkeit von einer ggf. vorgesehenen Vorspannung der Über- lastmembran über dem konvexen Membranbett die Auslenkung erst oberhalb eines gewissen niederdruckseitigen Überlastschwellwertes auftritt.

[007] Der Begriffes konvex bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die kürzeste Verbin- dungslinie zwischen zwei beliebigen Punkten an der Oberfläche des nieder- druckseitigen Membranbetts durch den Körper verläuft, in dem das Membranbett ausgebildet ist, oder entlang der Oberfläche des Membranbetts. D. h. das Nieder- druckseite ist im wesentlichen planar oder nach außen gewölbt, oder es weist eine Kombination dieser Eigenschaften auf, wobei in diesem Fall ein planarer Bereich von einem gewölbten Bereich umgeben ist. Gegebenenfalls können von der Verbin- dungslinie optional vorhandene Nertiefungen bzw. hydraulische Kanäle geschnitten werden. Diese Vertiefungen bzw. Kanäle können in der Oberfläche des Membranbetts ausgebildet sein, um den niederseitigen Druck unter der Überlastmembran zu verteilen und im Überlastfall eine schnellere Auslenkung der Überlastmembran zu ermöglichen.

Gleichermaßen kann die Druckzuleitmg zur Niederdruckseite der Druckmesszelle von einer derartigen Vertiefung abgezweigt sein. Dies ist insofern vorteilhaft, als die Entlastung der Druckmesszelle im niederdruckseitigen Überlastfall bei dem Auslenken der Überlastmembran unmittelbar wirksam wird. Die genannten Vertiefungen und Kanäle sind so bemessen dass, es bei hochdruckseitigen Überlasten jedenfalls nicht zu hydraulisch relevanten Auslenkungen der die Vertiefungen überdeckenden Abschnitte der Überlastmembran kommt, d. h., sie bewirken keine relevante Kapazität gegen hoch- druckseitige Überlasten.

[008] [009] Die Erfindung ist insbesondere geeignet um Differenzdrucksensoren für hohe Druckdifferenzen, beispielsweise mit Messbereichen bis zu 16 bar, 40 bar oder bis zu 100 bar bei Systemdrücken von einigen 100 bar, beispielsweise bis zu 400 bar, bereit- zustellen.

[010] Die Vorspannung der Überlastmembran über dem konvexen Membranbett kann gemäß einer Weiterbildung der Erfindung so erfolgen, dass die Auslenkung der'Über- lastmembran bei niederdruckseitigen Überlasten erst bei Überschreiten des Messbereichs erfolgt. Es ist jedoch auch möglich, ein ebenes Membranbett auszubilden, bei dem die Überlastmembran bei LP-Belastung bereits im Meßbereich mitläuft.

[011] Die Überlastmembran kann sowohl als vollflächige Membran oder als mitten- gefesselte Ringmembran gestaltet sein. Mittengefesselte Ringmembranen erlauben bei gegebenem Überlasthub einen kompakteren Aufbau des Hydraulikkörpers, als vollflächige Membranen, zudem-weisen sie bei gegebenem Volumenhub eine geringere Hystereseanfälligkeit auf.

[012] Ein Druckmittler im Sinne der Erfindung umfasst beispielsweise einen Drucicmitt- lerkörper welcher ein Membranbett aufweist, über dem eine mit einem Messdruck be- aufschlagbare Trennmembran befestigt ist, wobei zwischen der Trennmembran und dem Druckmittlerkörper eine Druckkammer ausgebildet ist, welche mit einem hy- draulischen Pfad komrmniziert über den eine Druckmesszelle mit dem in der Druckkammer vorherrschenden Druck beaufschlagbar ist. Der Druckmittlerkörper kann in den Hydraulikkörper integriert oder von diesem getrennt angeordnet sein.

[013] Im Nenndruckbereich des Druckaufnehmers wird die Trennmembran druckabhängig ausgelenkt, ohne an dem Membranbett anzuliegen. Bei großen Überlasten wird die Übertragungsflüssigkeit vollständig aus der Druckkammer her- ausgedrückt, und die Trennmemban liegt an dem Membranbett an. Ein weiterer Druckanstieg in dem jeweiligen hydraulischen Pfad ist somit ausgeschlossen.

[014] Die beschriebene asymmetrische Gestaltung der Überlastkammer bewirkt ohne Kompensationsmaßnahmen eine Asymmetrie hinsichtlich der Volumina der Übertra- gungsflüssigkeit. Dies kann zu unterschiedlichen temperaturabhängigen Auslenkingen der Trennmembranen führen, was aufgrund der endlichen Steifigkeit der Trenn- membranen zu einem Nullpunktfehler führen kann. Insofern als jedoch die vorliegende Erfindung, insbesondere für Differenzdrucksensoren mit einem Messbereich von 10 bar und darüber, von Bedeutung ist, kann der Nullpunktfehler aufgrund der asym- metrischen Auslenkung der Trennmembranen in den meisten Fällen vernachlässigt werden, da die Steifigkeit der Trennmembranen im Vergleich zum Messbereich sehr gering ist. Für den Fall, dass dieser Nullpunktfehler dennoch vermieden werden soll, ist entsprechend für eine Symmetrisierung der jeweiligen Produkte von Füllvolumina und Wärmeausdehnungskoeffizient der Übertragungsflüssigkeit mit der Steifigkeit der Trennmembranen auf der Hochdruckseite und der Niederdruckseite vorzusehen.

Hierzu kann jeder der Faktoren, entsprechend angepasst werden. D. h. es kann bei- spielsweise auf der Niederdruckseite eine Kammer für ein zusätzliches Füllvolumen vorgesehen sein, ohne jedoch die Abstützung der Überlastmembran durch das konvexe Membranbett zu beeinträchtigen. Gleichermaßen kann auf der Hochdruckseite eine weichere Trennmembran vorgesehen sein, um das größere Füllvolumen auf der Hoch- druckseite zu kompensieren. Schließlich kann auf der Hochdruckseite eine Übertra- gungsflüssigkeit mit einem geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten eingesetzt werden.

[015] Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem in der Zeichnung dar- gestellten Ausführungsbeispiel.

[016] Fig. 1. eine Schnittzeichnung durch einen erfindungsgemäßen Differenzdruck- aufnehmer.

[017] Der in Fig. 1 gezeigte Differenzdruckaufnehmer umfasst einen im wesentlichen zy- lindrischen Hydraulikkörper 1 welcher einen ersten Halbkörper 2 und einen zweiten Halbkörper 3 aufweist. Die Halbkörper weisen jeweils an einer Stirnfläche ein Membranbett 18,19 auf, über dem eine Trennmembran 4,5 befestigt ist. Zwischen den Trennmembranen und den Membranbetten ist jeweils eine Druckkammer 16,17 ausgebildet, von der sich jeweils ein Druckkanal 8,9 in das Innere des Hydrau- likkörpers 1 erstreckt. Im einzelnen erstreckt sich ein erster Druckkanal 8 von der ersten Druckkammer 16 zu einer Hochdruckhalbkammer 20, die zwischen der von der ersten Druckkammer 16 abgewandten Stirnfläche des ersten Halbkörpers 2 und einer Überlastmembran ausgebildet ist, und ein zweiter Druckkanal 9 von der zweiten Druckkammer 17 zu einer Niederdruckhalbkammer 21, die zwischen der von der zweiten Druckkammer 17 abgewandten Stirnfläche des zweiten Halbkörpers 3 und der Überlastmembran 13 ausgebildet ist. Die Hochdruckhalbkammer 20 weist eine konkave Halbkammerwand 22 auf, welches in der entsprechenden Stirnfläche des ersten Halbkörpers 2 ausgebildet ist. Die Niederdruckhalbkammer 21 weist eine Halb- kammerwand auf, welche als konvexes Membranbett 23 in der entsprechenden Stirnfläche des zweiten Halbkörpers ausgebildet ist. Die Überlastmembran 13 ist über dem Membranbett 23 vorgespannt. D. h. das Volumen der Niederhalbkammer 21 ist in der Ruhelage der Überlastmembran praktisch null. Insoweit kann die Über- lastmembran bei hochdruckseitigen Überlasten auch nicht ausgelenkt werden, um diese Überlasten abzubauen. Andererseits kann die Überlastmembran bei nieder- druckseitigen Überlasten ausgelenkt werden, wenn diese einen durch die Vorspannung vorgegebenen Schwellwert übersteigen. Somit wird die Niederdruckseite effektiv vor Überlasten geschützt, ohne das dynamische Verhalten des Differenzdruckaufnehmers zu beinträchtigen.

[018] [019] Von der Hochdruckhalbkammer 20 zweigt ein erster Kanal 10 ab, über den die Hochdruckseite einer Differenzdruckmesszelle 12 mit dem in der Hochdruck- halbkammer 20 herrschenden Druck beaufschlagt wird. Gleichermaßen erstreckt sich von der Niederdruckhalbkammer 21 ein zweiter Kanal 11 zur Niederdruckseite der Differenzdruckmesszelle 12. Hierzu ist ein Verbindmgskanal 25 als Vertiefung in der Oberfläche des Membranbetts 23 ausgebildet, der sich zwischen dem zweiten Druckkanal 9 und dem zweiten Kanal 11 erstreckt.

[020] Die Differenzdruckmesszelle kann jede geeignete Differenzdruckmesszelle sein, die dem Fachmann geläufig ist. Auf den Typ der Messzelle kommt es im Zu- sammenhang mit der vorliegenden Erfindung nicht an. Im Ausführungsbeispiel umfasst die Differenzdruckmesszelle 12 eine Halbleitermembran mit einem flexiblen Bereich in einer Stärke von beispielsweise 30 um und integrierten piezoresistiven Wi- derstandselementen. Die Halbleitermembran weist einen ringförmigen Randbereich auf, der auf der Niederdruckseite erheblich stärker ist als 30 Ilm, beispielsweise einige 100 um. Mit dem niederdruckseitigen Randbereich ist die Membran auf einem Ge- genkörper entlang einer Fügestelle druckdicht befestigt. Bei einer Drucküberlast auf die Hochdruckseite der Halbleitermembran wird der Randbejeich der Membran daher gegen den Gegenkörper gedrückt. Es besteht kaum eine Gefahr dass die Fügestelle versagen könnte. Wenn umgekehrt eine Drucküberlast auf die Niederdruckseite der Halbleitermembran wirkt, treten Zugkräfte in der Fügestelle und ggf. Kerbspannungen zwischen dem niederdruckseitigen Randbereich und dem flexiblen Bereich der Halb- leitermembran auf.

[021] Es ist daher eine geringere Überlastfestigkeit der Differenzdruckmesszelle gegen niederdruckseitige Überlasten gegeben. Dies ist bei der Konstruktion einer Über- lastkammer, welche die Hochdruckhalbkammer 20 und die Miederdruckhalbkammer 21 sowie eine Überlastmembran 13 umfasst, berücksichtigt.

[022] Die Überlastmembran 13 kann damit frühzeitig auf niederdruckseitige Überlasten reagieren, ohne die Dynamik des Differenzdruckaufnehmers bei der Detektion von schnellen hochdruckseitigen Druckschwankungen zu beeinträchtigen.