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Die Erfindung betrifft einen Druckmessumformer mit einem scheibenförmigen Drucksensor-Baustein, der einen Drucksensor auf einem scheibenförmigen Sensorträger aufweist, wobei der Sensorträger im Randbereich mit einem Druckzuführungskörper fest verbunden ist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus der
DE 42 44 459 C1 ist bereits ein derartiger Druckmessumformer bekannt. Für eine kostengünstige Herstellung wird dort ein serienmäßiger Drucksensor mit einem Sockel versehen und dieser am äußeren Rand durch Schweißen mit einem Druckzuführungskörper verbunden. Zur Erhöhung der mechanischen Stabilität liegt der Drucksensor-Baustein über eine Zwischenfüllung aus Gießharz mit seiner Rückseite am Boden eines kappenartigen Bauteils an. Der Boden des kappenartigen Bauteils stützt somit den Sockel ab. Der Sockel weist Anschlussdrähte in einer räumlichen Anordnung auf, wie sie bei so genannten TO8-Sockeln üblich ist. Aus dem Sockel des serienmäßigen Drucksensors ist auch ein niederdruckseitiges Anschlussrohr zur Realisierung eines Kanals zur Verbindung der Sensorrückseite mit Atmosphärendruck herausgeführt, sowie ein Einfüllrohr, welches zur Befüllung eines Druckzuführungskanals im Druckzuführungskörper mit einem Silikonöl dient. Die gegenüberliegende Seite des Druckzuführungskanals ist durch eine Trennmembran verschlossen. Auf das niederdruckseitige Anschlussröhrchen ist ein Isolierschlauch mit seinem einen Ende aufgeschoben. Das andere Ende des Isolierschlauchs ist in eine im Wesentlichen parallel zum Druckführungskanal verlaufende Bohrung des kappenartigen Bauteils eingeführt, die über eine seitliche Öffnung nach außen führt.
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Eine entsprechende Anordnung einer Bohrung im Druckzuführungskörper, in welcher ebenfalls das andere Ende eines Schlauches zur Verbindung der Sensorrückseite mit der den Druckmessumformer umgebenden Atmosphäre angeordnet ist, beschreibt die
DE 42 44 460 C1 .
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Bei den beiden bekannten Druckmessumformern wird durch die jeweilige Anordnung des Kanals zur Verbindung der Sensorrückseite mit der den Druckmessumformer umgebenden Atmosphäre erreicht, das eine elektronische Schaltungsanordnung, die sich in einem Gehäuse des Druckmessumformers befindet, im Falle einer Drucküberlastung des Drucksensors mit einhergehendem mechanischem Durchbruch der Sensormembran vor Beschädigungen geschützt ist.
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Als Schlauchmaterial kann in Standarddruckmessumformern beispielsweise Silikon oder in Druckmessumformern mit einer druckfesten Ausführung des Messumformergehäuses Polyetheretherketon (PEEK) zum Einsatz kommen.
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Nachteilig bei den bekannten Druckmessumformern ist in jedem Fall die problematische Handhabung des Schlauchs bei der Montage und dass die Montage insbesondere in der druckfesten Ausführung mit einem gewissen Fehlerrisiko behaftet ist. Der Schlauch muss, wenn er nicht bereits in geeigneter Weise vorgeformt ist, gebogen und eingeklebt oder eingeschweißt werden. Zum einen können bei dem Biegevorgang und dem Schweißen im Drucksensor unerwünschte mechanische Spannungen entstehen, zum anderen sind diese Vorgänge bei der Montage mit erheblichem Aufwand verbunden. Eine Automatisierung der Montagevorgänge zur Verringerung der Fertigungskosten und Ausschussraten ist jedoch schwierig.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Druckmessumformer zu schaffen, dessen Herstellung mit einem geringeren Aufwand verbunden ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe weist der neue Druckmessumformer der eingangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale auf. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung beschrieben. Die Erfindung hat den Vorteil, dass bei besonders geringem Montageaufwand und hoher Fertigungssicherheit ein Schutz der elektronischen Schaltungsanordnung im Gehäuse des Druckmessumformers vor Beschädigungen bei Sensorbruch erreicht werden kann. Insbesondere ist die Montage eines Schlauchs aus Silikon oder PEEK nicht mehr erforderlich und die Anzahl der Bauteile wird somit reduziert. Die Referenzdruckanbindung der Sensorrückseite erfolgt bereits mit der Montage des Drucksensor-Bausteins auf dem Druckzuführungskörper, so dass diese als in den Drucksensor-Baustein integrierte Referenzdruckanbindung bezeichnet werden kann. Ein derartiger Drucksensor-Baustein wird als vorgefertigtes Bauteil auf dem Druckzuführungskörper montiert. Dieser Vorgang kann einfacher automatisiert werden und das Risiko eines Montagefehlers wird verringert. Es wird also die Ausbeute beim Herstellungsprozess verbessert und der mit der Herstellung verbundene Aufwand reduziert. Fertigungsschritte bei der Montage sind in geringerer Anzahl erforderlich und gleichzeitig einfacher, schneller und zuverlässiger als bisher durchführbar.
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Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass derselbe Drucksensor-Baustein sowohl in einer Standardmesszelle als auch in einer druckfesten Ausführung der Messzelle einsetzbar ist. Durch die damit erreichte Variantenreduzierung verringert sich die Anzahl der vorzuhaltenden Bauteiltypen und infolgedessen ebenfalls der Herstellungsaufwand.
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Mit dem Wegfall der Schlauchmontage entfallen zudem die bisher erforderlichen Klebeprozesse zur Befestigung des Schlauchs, die mit dem Risiko einer Kontamination des Druckmittlers, beispielsweise Silikonöls, verbunden waren. Wegen einer möglichen Silikonölkontamination insbesondere bei der druckfesten Ausführung des Druckmessumformers bisher durchgeführte Ofen- und Reinigungsprozesse sind in vorteilhafter Weise nicht mehr erforderlich.
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Durch die Erfindung sind vorteilhaft selbst Druckmessumformer mit vergleichsweise niedrigen Kosten herstellbar, in welchen wie bei den aus der eingangs erwähnten
DE 42 44 459 C1 oder
DE 42 44 460 C1 bekannten Druckmessumformern dadurch ein Schutz der elektronischen Schaltungsanordnung des Druckmessumformers vor Beschädigungen im Falle eines Durchbruchs der Drucksensormembran bei Drucküberlast erreicht wird, dass ein Abschnitt des Kanals, der zur Verbindung der Sensorrückseite mit der den Druckmessumformer umgebenden Atmosphäre dient, im Wesentlichen parallel zu dem Druckzuführungskanal im Druckzuführungskörper verläuft.
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In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der Drucksensor-Baustein einen scheibenförmigen Sensorträger aus hochfestem Stahl auf und es ist zur Verbindung der Sensorrückseite mit der Austrittsöffnung des Abschnitts des Atmosphärenverbindungskanals ein Rohr vorgesehen, dessen beide Enden jeweils auf einer Druckdurchführungsöffnung mit dem Sensorträger fest verbunden sind. Ein derartiger Baustein kann in einfacher Weise vollständig vorgefertigt werden, so dass nach dem Einschweißen des Drucksensor-Bausteins auf dem Druckzuführungskörper keinerlei weitere Fertigungsschritte zur Anbringung des Rohrs mehr durchgeführt werden müssen. Zudem ist bei dieser Ausführungsform des Bausteins in vorteilhafter Weise kein zusätzliches kappenartiges Bauteil zur Unterstützung des Drucksensor-Bausteins erforderlich, wie dies bei der eingangs genannten
DE 42 44 459 C1 bisher der Fall war. Dies führt in vorteilhafter Weise zu einer weiteren Reduzierung des Herstellungsaufwands.
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Eine Entstehung mechanischer Verspannungen im Drucksensor durch Temperatureintrag bei der Herstellung der Schweißverbindung zwischen dem Druckzuführungskörper und den Sensorträger in dessen Randbereich kann in vorteilhafter Weise nahezu vollständig ausgeschlossen werden, wenn als Schweißverfahren Kondensatorentladungsschweißen verwendet wird. Dabei wird die Energie von zuvor aufgeladenen Kondensatoren beim Schweißvorgang auf die Schweißstelle übertragen. Vorteile dieses Verfahrens sind sehr hohe Schweißströme, der steile Stromanstieg, die kurze Schweißzeit und somit die durch Energiekonzentration vergleichsweise kleine Wärmeeinflusszone um den Bereich der Schweißstelle, da kurze Schweißzeiten die Hitzeentwicklung in der Umgebung minimieren. Zudem ermöglicht dieses Verfahren das sichere Verschweißen von hochfesten Stählen oder Kovar-Legierungen, die mit Vorteil als Material für den scheibenförmigen Sensorträger zum Einsatz kommen können. Dadurch wird eine geringere Dicke des Sensorträgers ermöglicht und eine kürzere Leitungsdurchführung, wodurch ebenfalls die Herstellungskosten des Druckmessumformers verringert werden.
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Anhand der Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, werden im Folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 einen Ausschnitt eines Schnittbilds von einem Druckmessumformer,
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2 eine perspektivische Ansicht der Oberseite eines Drucksensor-Bausteins und
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3 eine perspektivische Ansicht der Unterseite des Drucksensor-Bausteins gemäß 2.
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In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Wie 1 zeigt, ist ein Drucksensor-Baustein 1 in einer topfförmigen Ausnehmung 2 eines Druckzuführungskörpers 3 angeordnet. Der Druckzuführungskörper 3 weist einen Druckzuführungskanal 4 auf, der in seinem oberen Teil 5 erweitert ist. In den oberen Teil 5 ist ein Stopfen 6 beispielsweise aus Stealit eingepresst, der gemeinsam mit dem Kanal 4 aufgrund seiner Eigenschaften und Abmessungen eine flammenrückschlagsichere Strecke bilden kann. Der Kanal 4 ist mit einem Druckmittler, beispielsweise einem Silikonöl, durch ein Füllrohr 7 befüllt, welches nach dem Füllvorgang verschlossen wurde. Die eine, untere Seite einer Membran eines Drucksensors 8 ist von dem im Kanal 4 befindlichen Druckmittler umspült, so dass der von einer Prozessseite über eine Trennmembran 9 eingeleitete Druck auf den Sensor 8 übertragen wird. Die Oberseite der Membran des Drucksensors 8 ist als Niederdruck- oder Referenzdruckseite über eine in einem scheibenförmigen Sensorträger 10 angebrachte Öffnung 11, ein Rohr 12, einen Kanal 13 und eine seitliche Austrittsöffnung 14 hindurch mit der den Druckmessumformer umgebenden Atmosphäre verbunden. Zur Vermeidung von Verunreinigungen ist im Kanal 13 ein Filter 15 angeordnet.
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Beispielsweise oberhalb des Drucksensor-Bausteins
1 befindet sich eine elektronische Schaltungsanordnung zur Auswertung der Signale des Drucksensors
8 mit dem Zweck der Berechnung eines Druckwerts, welcher beispielsweise in einer prozesstechnischen Anlage als Prozessvariable zur Prozesssteuerung verwendet wird. Elektronische Schaltungsanordnung und Gehäuse des Druckmessumformers sind für das Verständnis der Erfindung ohne Bedeutung und daher in den Zeichnungen nicht dargestellt. Sie können beispielsweise wie in der bereits eingangs genannten
DE 42 44 460 C1 ausgeführt sein. Die Zuführung der Signale vom Drucksensor
8 zur elektronischen Schaltungsanordnung erfolgt in bekannter Weise über nicht dargestellte Bonddrähte, Leitungsdurchführungen
16 und eine mehradrige Flachbandleitung
17. Die Anordnung der Leitungsdurchführungen
16 entspricht der eines üblichen TO8-Sockels, wobei eine durch das Füllrohr
7 ersetzt ist.
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Der Sensorträger 10 bildet eine spannungsarme mechanische Basis für den aufgeklebten und/oder gelöteten Drucksensor 8. Der Sensorträger 10 besteht aus einem hochfesten Stahl oder einer Kovar-Legierung und kann als scheibenförmige Platte vergleichsweise dünn ausgeführt sein. Seine Stabilität wird durch die druckdichten Leitungsdurchführungen 16 für die elektrischen Signale sowie durch die Füll- und Referenzdrucköffnungen kaum beeinträchtigt. Im Umfangsbereich kann der Sensorträger 10 beispielsweise durch Laser- oder Kondensatorentladungsschweißen dichtend und druckfest mit dem Boden der topfförmigen Ausnehmung 2 des Druckzuführungskörpers 3 fest verbunden sein. Dabei wird vorzugsweise ein Kondensatorentladungsschweißen verwendet, da dies die eingangs erläuterten Vorteile für den Druckmessumformer bietet. Damit Temperaturschwankungen des Messumformers zu keinen zusätzlichen mechanischen Spannungen in dem Sensorträger 10 führen, ist das Rohr 12 vorzugsweise aus einer VACON-Legierung mit definiertem thermischem Ausdehnungskoeffizienten gefertigt.
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Ein in den 2 und 3 dargestellter Drucksensor-Baustein 1 wird beim Montagevorgang als vorgefertigtes Bauteil bereitgestellt, in welchem das Rohr 12 bereits mit seinen beiden Enden eingeschweißt ist, bevor der Drucksensor-Baustein 1 mit dem Druckzuführungskörper 3 verschweißt wird. Dadurch ist nachträglich kein Montageschritt mehr zur Anbringung eines gesonderten Referenzdruckschlauchs und Verkleben dessen Enden erforderlich, wie es bisher der Fall war, so dass der neue Druckmessumformer, wie bereits oben ausführlich erläutert, mit einem wesentlich niedrigeren Herstellungsaufwand verbunden ist. Da der Kanal zur Verbindung der Rückseite des Drucksensors 8 mit der den Druckmessumformer umgebenden Atmosphäre dabei an der elektronischen Schaltungsanordnung vorbei nach außen weist, ist gleichzeitig sichergestellt, dass bei einem Bruch der Sensormembran aufgrund Überlast kein Prozessmedium in das Gehäuseinnere eindringt. In vorteilhafter Weise wird mit dem lagerichtigen Einschweißen des Drucksensor-Bausteins 1 im Druckzuführungskörper 3 gleichzeitig die Verbindung zwischen der Rückseite des Drucksensors 8 und dem im Wesentlichen parallel zum Druckzuführungskanal 4 verlaufenden Kanalabschnitt 13 hergestellt, da der Drucksensor-Baustein 1 mit seiner Scheibenfläche eine Austrittsöffnung 18 des im Druckzuführungskörper 3 verlaufenden Abschnitts 13 des Atmosphärenverbindungskanals überdeckt, wie es in 1 gezeigt ist. Der Drucksensor-Baustein 1, dessen Oberseite in 2 und dessen Unterseite in 3 dargestellt ist, besteht im Wesentlichen aus dem Sensorträger 10, der scheibenförmig aus hochfestem Stahl gefertigt ist, sieben druckdichten elektrischen Leitungsdurchführungen 16, einer druckdichten Durchführung mit dem Füllrohr 7 sowie dem aufgeklebten und/oder aufgelöteten Drucksensor 8. Er wird als Bauteil vorgefertigt, so dass die Fertigungsschritte bei der Montage erheblich reduziert und das Risiko von Montagefehlern aufgrund einer automatisierbaren Montage deutlich vermindert sind. In vorteilhafter Weise kann der gezeigte Drucksensor-Baustein 1 zudem sowohl bei einer Standardmesszelle als auch bei einer druckfesten Ausführung verwendet werden, so dass sich die Variantenzahl verringert, was sich ebenfalls günstig auf den Herstellungsaufwand auswirkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4244459 C1 [0002, 0011, 0012]
- DE 4244460 C1 [0003, 0011, 0021]
