WO2012055605A2 - Druckmesswandler - Google Patents

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WO2012055605A2
WO2012055605A2 PCT/EP2011/064666 EP2011064666W WO2012055605A2 WO 2012055605 A2 WO2012055605 A2 WO 2012055605A2 EP 2011064666 W EP2011064666 W EP 2011064666W WO 2012055605 A2 WO2012055605 A2 WO 2012055605A2
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WO
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pressure
transducer
elastic body
channel
core
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WO2012055605A3 (de
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Anh Tuan Tham
Rafael Teipen
Dieter Stolze
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Endress+Hauser Gmbh+Co.Kg
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    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L13/00—Devices or apparatus for measuring differences of two or more fluid pressure values
    • G01L13/02—Devices or apparatus for measuring differences of two or more fluid pressure values using elastically-deformable members or pistons as sensing elements
    • G01L13/025—Devices or apparatus for measuring differences of two or more fluid pressure values using elastically-deformable members or pistons as sensing elements using diaphragms
    • G—PHYSICS
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    • G01L13/025—Devices or apparatus for measuring differences of two or more fluid pressure values using elastically-deformable members or pistons as sensing elements using diaphragms
    • G01L13/026—Devices or apparatus for measuring differences of two or more fluid pressure values using elastically-deformable members or pistons as sensing elements using diaphragms involving double diaphragm
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
    • G01L19/04—Means for compensating for effects of changes of temperature, i.e. other than electric compensation

Definitions

  • the present invention relates to a pressure transducer, in particular a differential pressure transducer or a relative pressure transducer, which in particular has an overload resistant transducer core.
  • the problem underlying the invention relates primarily to differential pressure transducers and will first be explained with reference to differential pressure transducers. In principle, however, it may also be important for relative pressure transducers.
  • a typical type of differential pressure gauge is usually a hydraulic pressure gauge which applies a first pressure and a second pressure to the transducer core, for which a hydraulic gauge is a first separation membrane and second separation membrane ewe i ls leave a hydraulic path that extends to the wall.
  • Such prior art hydraulic metering devices further include a so-called overload diaphragm which is deflected in a one-sided overload until the higher pressure side separation diaphragm engages a diaphragm bed, thereby preventing further pressure increase and damage to the transducer core ,
  • overload membranes inevitably lead to an increase in the volume of the transfer fluid and thus to a limited Dynam ik and tends to a greater Tem peraturcite due to the thermal expansion of the larger volume of the transfer fluid.
  • the design volume of the hydraulic measuring unit is considerably increased by the overload diaphragm, whereby the mass of installed steel compared to a construction without overload membrane is significantly increased.
  • the pressure transducer comprises a housing and a transducer core, wherein the housing in its interior a
  • Transducer chamber wherein the transducer chamber a first
  • Stop surface and has a second stop surface, wherein the first stop surface of the second stop surface is opposite, wherein at least in the first stop surface, a first channel opens, through which a first pressure can be introduced and wherein in the converter chamber at least a second channel opens, through which a second pressure can be introduced into the converter chamber, according to the invention
  • Transducer core is clamped between a first elastic body and a second elastic body, wherein the first elastic body between a first surface of the transducer core and the first stop surface is arranged, and wherein the second elastic Body is arranged between a second surface with the transducer core and the second stop surface, wherein at least the first elastic body having an opening which is aligned with the at least one channel, via which the transducer core is acted upon by a first pressure.
  • the elastic body serve to support the transducer core, and they can due to their elasticity thermal expansion differences between the transducer core and the abutment surfaces or the
  • At least the first elastic body also serves as a sealing element through the opening of the first pressure from the first channel the
  • Transducer core is supplied, wherein the sealing function serves to hold the pressure within the area enclosed by the sealing element.
  • Stop surface at least one axial contour, which is in engagement with the first elastic body to oppose a radial deflection of the first elastic body to a resistance.
  • the at least one axial contour may in particular be annular and aligned with the first elastic body.
  • the first one has or points
  • the second channel opens into the second stop surface, wherein the second elastic body has an opening which is aligned with the second channel, and through which the
  • Transducer core can be acted upon by the second pressure.
  • the second elastic body as the first elastic body may serve as a sealing member to the pressure within the of
  • Sealing element enclosed area to keep.
  • the sealing function of the second elastic body is not required when quasi-isostatic mounting of the transducer core in the transducer chamber is desired, that is, when the second pressure is also to surround the transducer core from the outside, as explained below.
  • Abutment surface on two substantially coaxial annular contours which are aligned with the first elastic body and are engaged therewith, to oppose a radial deflection of the elastic body, a resistance.
  • the second stop surface also has at least one contour, which is in engagement with the second elastic body in order to resist a radial deflection of the second elastic body.
  • the second abutment surface may also have two coaxial annular contours engaged with the second elastic body to resist resistance to radial deflection of the second elastic body.
  • the transducer core may have at least one measuring membrane, which can be acted upon by a first side with the first pressure, and from a second side, which faces away from the first side, with the second pressure can be acted upon.
  • the measuring diaphragm can be arranged in particular in the interior of the converter core.
  • the converter core has in a currently preferred embodiment in its interior on at least one side of the
  • Measuring membrane preferably on both sides of the measuring membrane, a Membrane bed on which the measuring membrane comes in the event of a one-sided overload to the plant and is supported.
  • the pressure transducer is a
  • Differential pressure transducer for detecting the difference between a first media pressure and a second media pressure.
  • differential pressure transducer of this comprises a first separation membrane, which with the first media pressure
  • a separating diaphragm chamber is pressure-tightly secured along a peripheral edge to a first surface portion of a support body, wherein from the first separation membrane chamber through the support body, a first hydraulic path extends to apply the first pressure to the transducer core, wherein the first hydraulic path comprises the first channel; and a second separation membrane, which can be acted upon by the second medium pressure, and which is attached pressure-tightly to a second surface section of a carrier body along a peripheral edge, forming a separation membrane chamber, wherein a second hydraulic path extends from the second separation membrane chamber through the support body to pressurize the transducer core with the second pressure, the second hydraulic path comprising the second channel.
  • the housing may serve as a support body for the separation membranes, in which case the separation membrane is preferably fastened to a first surface portion of the housing in which the first channel exits the housing, the first separation membrane
  • Separating membrane is preferably attached to a second surface portion of the housing in which the second channel exits the housing, wherein the second separation membrane covers the outlet opening of the second channel.
  • first and the second hydraulic path each comprise a capillary extending between the support bodies and the housing to the first and the second separation diaphragm chamber respectively to the first and second to hydraulically connect the second channel.
  • the pressure transducer is a relative pressure transducer for detecting the difference between a fluid pressure and the atmospheric pressure in the environment of the
  • the relative pressure transducer comprises a separating membrane, which can be acted upon by the media pressure, and which forms a separating diaphragm chamber along a
  • circumferential edge is pressure-tightly secured to a first surface portion of a support body, wherein from the separation membrane chamber through the support body extends a hydraulic path to the Transducer core to pressurize with the media pressure, wherein the hydraulic path to one of the two channels in the
  • the housing may serve as a support body for the separation membrane, in which case the separation membrane preferably at one
  • the atmospheric pressure can be supplied to the transducer core of the relative pressure transducer both by a direct contact of the other channel, in particular the first channel to the ambient air or by a further hydraulic path.
  • FIG. 1 shows a schematic longitudinal section through a first
  • the illustrated in Fig. 1 differential pressure transducer 1 comprises a housing 10, which may for example comprise a metallic material, in particular stainless steel.
  • a housing 10 which has, for example, a cylindrical structure, is a
  • Transducer chamber 12 is formed, which is bounded on both end sides by walls whose inside serve as opposed first axial abutment surface 14 and second axial abutment surface 16, wherein through the first end wall, a first channel 18 extends in the axial direction and wherein through the second end face Wall, a second channel 20 extends in the axial direction to the converter chamber each with a pressure to apply.
  • first and second axial stop surface 14 16 respectively annular axial projections 15 a, 15 b, 17 a, 17 b are formed, which extend concentrically around the channels 18 and 20.
  • the annular axial projections are formed, for example, blade-shaped in order to be able to engage in an elastic sealing ring which is pressed against the abutment surfaces in order to counteract a radial movement of the sealing ring.
  • Wandlertalk 12 is a transducer core 30 between a first elastic sealing ring 22 which abuts against the first stop surface 14, and a second elastic sealing ring 24, which on the second
  • the sealing rings 24, 22 have in particular an elastomer, for example rubber.
  • the converter core 30 comprises a main body, which essentially comprises a semiconductor material, which may in particular be silicon, the main body being clamped between the sealing rings.
  • the base body is constructed in two parts and comprises a first half body 38 and a second half body 40, wherein between the half bodies, a measuring membrane 36 is arranged, which in particular likewise comprises silicon.
  • the measuring diaphragm 36 is pressure-tightly connected to the two half-bodies 38, 40 in each case forming a first or second pressure chamber, wherein the
  • capacitive transducer has a dependent on the difference between the first and the second pressure pi, p 2
  • capacitive transducer may also be provided another electrical or optical converter. As another electric
  • the measuring diaphragm 36 facing surfaces of the base body 30 in the pressure chambers may (unlike shown here) have a contour which corresponds in particular to the bending line of the measuring diaphragm to support the measuring diaphragm in the event of a one-sided overload can, and so a breakage of the measuring diaphragm prevent.
  • Housing influences are significantly reduced. This applies, for example, to influences due to the different thermal expansion properties of the housing material and the material of the transducer core 30.
  • the elastic sealing rings which allow the soft bearing are at risk of having a large radial compliance radially and when subjected to high pressures pi, p 2 to evade the outside.
  • the already discussed radial projections 15a, 15b, 17a, 17b are arranged on the abutment surfaces, which are in engagement with the sealing rings in order to counteract a radial movement.
  • this measure is sufficient, however, for even greater pressures, a quasi-isostatic support of the elastic sealing rings may be advantageous.
  • Embodiment of FIG. 1 correspond, wherein the
  • Differential pressure transducer 101 in Fig. 2 from the reference numerals of the corresponding components of the differential pressure transducer 1 in FIG. 1 differ by the constant addend 100.
  • the differential pressure transducer 101 of the second embodiment differs from the differential pressure transducer 1 of the first embodiment in that branches off from the second channel 120, a side channel 121 which opens outside the second elastic sealing ring 124 in the converter chamber.
  • the introduced via the second channel pressure P2 is on all surfaces in the transducer chamber 1 12 outside of the first sealing ring 122 at. This first causes the radial pressure on the inside of the second sealing ring and on the outside of the second sealing ring is equal to the pressure P2 and that a radial displacement of the second sealing ring 124 is excluded due to pressure differences.
  • the pressure difference between the inside of the first sealing ring 122 and the outside of this sealing ring is equal to the pressure difference P1 - P2, where P1 is the pressure which is introduced through the first channel in the region of the converter chamber 1 12 bounded by the first sealing ring 122.
  • P1 is the pressure which is introduced through the first channel in the region of the converter chamber 1 12 bounded by the first sealing ring 122.
  • Typical differential pressure transducers have, for example, a measuring range for the differential pressure of a few tens to a few 100 mbar, wherein the static pressures between which the difference is to be determined may well be some 10 bar to 100 bar.
  • the elastic sealing rings 122, 124 are significantly relieved by the side channel 121 and the resulting quasi-isostatic mounting of the sealing rings and the transducer core.
  • the differential pressure transducer is to be arranged so that the expected greater pressure is introduced through the second channel, so that the greater pressure on the outside of the first sealing ring is present.
  • the larger pressure considered here is not necessarily the larger pressure to be expected in the measuring operation, but in particular a greater overload pressure, which in the operation of the
  • Differential pressure transducer can occur.
  • the housing has an additional chamber (not shown here) on the side of the first channel in order to provide a volume which corresponds to the volume which corresponds in the side channel 121 and the volume outside the two sealing rings 122, 124 , and which communicates with the first channel.
  • the volume on both sides of the measuring diaphragm 136 is symmetrized in order to realize the same volume of transmission fluid on both sides of the measuring diaphragm 136. In this way, with the same rigidity of
  • Differential pressure transducer is introduced to minimize a temperature-dependent error due to the rigidity of the measuring membranes.
  • Separating membranes for pressure introduction can - as shown here - be arranged for example directly on the housing.
  • a first and second separation membrane 126, 127 each attached to a front side of the housing 1 10 with a peripheral weld pressure-tight.
  • the end faces of the housing each have a recess in the surface section covered by the separating membranes, so that the between the separating membranes 126, 127 and the Surface sections formed separating diaphragm chambers 128, 129 have an adequate working volume.
  • the first channel 1 18 extends into the converter chamber 1 12, and from the second separation membrane chamber 129, the second channel 120 extends into the converter chamber 1 12, wherein through the two channels in each case a pending on the respective separation membranes media pressure in the Transformer chamber is to initiate.

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Abstract

Ein Druckmesswandler, umfasst: ein Gehäuse 10 mit einer Wandlerkammer 12, welche erste und zweite Anschlagflächen 14, 16 aufweist, die einander gegenüberliegen; und einen Wandlerkern 30, wobei zumindest in der ersten Anschlagfläche 14 ein erster Kanal 18 mündet, wobei in der Wandlerkammer zumindest ein zweiter Kanal 20 mündet, wobei durch die Kanäle ein erster und zweiter Druck in die Wandlerkammer einleitbar sind, wobei der Wandlerkern 30 zwischen einem ersten elastischen Körper 22 und einem zweiten elastischen Körper 24 eingespannt ist, wobei die elastischen Körper 22, 24 jeweils zwischen einer Oberfläche 32, 34 des Wandlerkerns und der beiden Anschlagflächen 14, 16 angeordnet ist, wobei zumindest der erste elastische Körper 22 eine Öffnung aufweist, welche mit dem zumindest einem Kanal 18 fluchtet, über welchen der Wandlerkern 30 mit einem ersten Druck beaufschlagbar ist.

Description

Druckmesswandler
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Druckmesswandler, insbesondere einen Differenzdruckmesswandler oder einen Relativdruckmesswandler, welcher insbesondere einen überlastfesten Wandlerkern aufweist.
Das der Erfindung zugrunde l iegende Problem betrifft vordringlich Differenzdruckmesswandler und wird zunächst anhand von Differenzdruckmesswandlern erläutert. Grundsätzlich kann es aber auch bei Relativdruckmesswandlern von Bedeutung sein.
Typ ische D ifferenzd ruckm esswand ler, we isen gewöhnlich ein hydraulisches Druckmesswerk auf, über welches der Wandlerkern mit einem ersten Druck und mit einem zweiten Druck beaufschlagt wird, wozu ein hydraulisches Messwerk eine erste Trennmem bran und zweite Tren n m em bran aufwe ist, d i e j ewe i ls e i nen hyd raulischen Pfad versch l ießen , der sich bis zum Wand lerkern erstreckt. Derartige hydraulische Messwerke nach dem Stand der Technik umfassen weiterhin eine so genannte Überlastmembran, welche bei einer einseitigen Überlast ausgelenkt wird, bis die Trennmembran auf der Seite des höheren Drucks zur Anlage an einem Membranbett kommt, wodurch ein weiterer Druckanstieg und eine Beschädigung des Wandlerkerns verhindert wird. Derartige Überlastmembranen führen allerdings zwingend zu einer Vergrößerung des Volumens der Übertragungsflüssigkeit und damit zu einer eingeschränkten Dynam ik sowie tendenziell zu einem größeren Tem peraturfehler aufgrund der Wärmeausdehnung des größeren Volumens der Übertragungsflüssigkeit. Zudem wird durch die Überlastmembran das Konstruktionsvolumen des hydraulischen Messwerks erheblich vergrößert, wodurch auch die Masse an verbautem Stahl gegenüber einer Konstruktion ohne Überlastmembran erheblich vermehrt ist. Im Allgemeinen sind zur Vereinfachung von Konstruktionen Bemühungen bekannt, Differenzdruckwandler, ohne Überlastmembran herzustellen, wozu die Wandlerkerne mit einem intrinsischen Überlastschutz auszustatten sind. Demnach soll die Messmembran eines Wandlerkerns im Falle einer Überlast an einem Membranbett im Wandlerkern zur Anlage kommen, sodass ein weiterer Anstieg des Drucks die Messmembran nicht beschäd igen kann . D ies bed i ngt j edoch , dass d ie Aufbau- und Verbindungstechnik, mit welcher der Wandlerkern im hydraulischen Messwerk gehalten wird, dem gesamten Überlastdruck ohne Schädigung standhalten muss. Dabei sind bei der Integration in ein Messwerk bzw. Gehäuse, welches metallische Werkstoffe aufweist, die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der beteiligten Werkstoffe zu berücksichtigen. E s i st d a h e r d i e Aufg a b e d e r v o r l i egenden Erfindung, einen Druckmesswandler mit einer entsprechenden Aufbau- und Verbindungstechnik bereit zu stellen. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den D ruckm esswand ler gem äß dem unabhäng igen Patentanspruch 1 .
Der erfindungsgemäße Druckmesswandler umfasst ein Gehäuse und einen Wandlerkern, wobei das Gehäuse in seinem Innern eine
Wandlerkammer aufweist, wobei die Wandlerkammer eine erste
Anschlagfläche und eine zweiten Anschlagfläche aufweist, wobei die erste Anschlagfläche der zweiten Anschlagfläche gegenüberliegt, wobei zumindest in der ersten Anschlagfläche ein erster Kanal mündet, durch welchen ein erster Druck einleitbar ist und wobei in der Wandlerkammer zumindest ein zweiter Kanal mündet, durch welchen ein zweiter Druck in die Wandlerkammer einleitbar ist, wobei erfindungsgemäß der
Wandlerkern zwischen einem ersten elastischen Körper und einem zweiten elastischen Körper eingespannt ist, wobei der erste elastische Körper zwischen einer ersten Oberfläche des Wandlerkerns und der ersten Anschlagfläche angeordnet ist, und wobei der zweite elastische Körper zwischen einer zweiten Oberfläche mit dem Wandlerkern und der zweiten Anschlagfläche angeordnet ist, wobei zumindest der erste elastische Köper eine Öffnung aufweist, welche mit dem zumindest einem Kanal fluchtet, über welchen der Wandlerkern mit einem ersten Druck beaufschlagbar ist.
Die elastischen Körper dienen zur Lagerung des Wandlerkerns, und sie können aufgrund ihrer Elastizität Wärmeausdehnungsunterschiede zwischen dem Wandlerkern und den Anschlagflächen bzw. der
Wandlerkammer ausgleichen.
Zumindest der erste elastische Körper dient zudem als Dichtelement durch dessen Öffnung der erste Druck aus dem ersten Kanal dem
Wandlerkern zugeführt wird, wobei die Dichtfunktion dazu dient, den Druck innerhalb des vom Dichtelement umschlossenen Bereichs zu halten.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist mindestens die erste
Anschlagfläche mindestens eine axiale Kontur auf, welche mit dem ersten elastischen Köper sich in Eingriff befindet, um einer radialen Auslenkung des ersten elastischen Körpers einen Widerstand entgegenzusetzen. Die mindestens eine axiale Kontur kann insbesondere ringförmig ausgebildet sein und mit dem ersten elastischen Köper fluchten.
In einer Weiterbildung der Erfindung weisen bzw. weist der erste
elastische Körper und/oder der zweite elastische Körper ein Elastomer auf, insbesondere Kautschuk.
In einer Weiterbildung der Erfindung mündet der zweite Kanal in der zweiten Anschlagfläche, wobei der zweite elastische Körper eine Öffnung aufweist, die mit dem zweiten Kanal fluchtet, und durch welche der
Wandlerkern mit dem zweiten Druck beaufschlagbar ist. In diesem Fall kann der zweite elastische Körper wie der erste elastische Körper als Dichtelement dienen, um den Druck innerhalb des vom
Dichtelement umschlossenen Bereichs zu halten. Die Dichtfunktion des zweiten elastischen Körpers ist jedoch dann nicht erforderlich, wenn eine quasi-isostatische Lagerung des Wandlerkerns in der Wandlerkammer angestrebt ist, d.h., wenn der zweite Druck den Wandlerkern auch von außen umgeben soll, wie weiter unten erläutert wird.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist zumindest die erste
Anschlagfläche zwei im wesentlichen koaxiale ringförmige Konturen auf, welche mit dem ersten elastischen Körper fluchten und sich mit diesem im Eingriff befinden, um einer radialen Auslenkung des elastischen Körpers einen Widerstand entgegenzusetzen. In einer Weiterbildung der Erfindung weist auch die zweite Anschlagfläche mindestens eine Kontur auf, welche sich mit dem zweiten elastischen Körper in Eingriff befindet, um einer radialen Auslenkung des zweiten elastischen Körpers einen Widerstand entgegenzusetzen. Insbesondere kann auch die zweite Anschlagfläche zwei koaxiale ringförmige Konturen aufweisen, welche sich mit dem zweiten elastischen Körper in Eingriff befinden, um einer radialen Auslenkung des zweiten elastischen Körper einen Widerstand entgegenzusetzen.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann der Wandlerkern mindestens eine Messmembran aufweisen, die von einer ersten Seite mit dem ersten Druck beaufschlagbar ist, und von einer zweiten Seite, welche der ersten Seite abgewandt ist, mit dem zweiten Druck beaufschlagbar ist.
Die Messmembran kann insbesondere im Inneren des Wandlerkerns angeordnet sein. Der Wandlerkern weist in einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung in seinem Innern auf mindestens einer Seite der
Messmembran, bevorzugt auf beiden Seiten der Messmembran, ein Membranbett auf, an welchen die Messmembran im Falle einer einseitigen Überlast zur Anlage kommt und abgestützt wird.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung können die Oberflächen des Wandlerkerns außerhalb der von den elastischen Körpern
eingeschlossenen Bereiche mit dem zweiten Kanal in hydraulischer Kommunikation stehen und mit dem zweiten Druck beaufschlagbar sein. Auf diese Weise ist das erste elastische Element zwischen seiner
Innenseite und seiner Außenseite nur der Druckdifferenz zwischen dem ersten Druck und dem zweiten Druck ausgesetzt, und das zweite elastische Element ist auf der Innenseite und der Außenseite mit dem zweiten Druck beaufschlagt. Eine radiale Verformung der elastischen Körper aufgrund der Druckbeaufschlagung fällt insoweit geringer aus als im Falle einer ausschließlich auf der Innenseite der elastischen Körper erfolgenden Druckbeaufschlagung mit dem ersten bzw. dem zweiten Druck.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist der Druckmesswandler ein
Differenzdruckmesswandler zum Erfassen der Differenz zwischen einem ersten Mediendruck und einem zweiten Mediendruck.
In einer Ausgestaltung des Differenzdruckmesswandlers umfasst dieser eine erste Trennmembran, welche mit dem ersten Mediendruck
beaufschlagbar ist, und welche unter Bildung einer
Trennmembrankammer entlang eines umlaufenden Randes druckdicht an einem ersten Oberflächenabschnitt eines Trägerkörpers befestigt ist, wobei von der ersten Trennmembrankammer durch den Trägerkörper sich ein erster hydraulischer Pfad erstreckt, um den Wandlerkern mit dem ersten Druck zu beaufschlagen, wobei der erste hydraulische Pfad den ersten Kanal umfasst; und eine zweite Trennmembran, welche mit dem zweiten Mediendruck beaufschlagbar ist, und welche unter Bildung einer Trennmembrankammer entlang eines umlaufenden Randes druckdicht an einem zweiten Oberflächenabschnitt eines Trägerkörpers befestigt ist, wobei von der zweiten Trennmembrankammer durch den Trägerkörper sich ein zweiter hydraulischer Pfad erstreckt, um den Wandlerkern mit dem zweiten Druck zu beaufschlagen, wobei der zweite hydraulische Pfad den zweiten Kanal umfasst.
Als Trägerkörper für die Trennmembranen kann in einer Ausgestaltung des Differenzdruckmesswandlers beispielsweise das Gehäuse dienen, wobei in diesem Fall die Trennmembran vorzugsweise an einem ersten Oberflächenabschnitt des Gehäuses befestigt ist, in dem der erste Kanal aus dem Gehäuse austritt, wobei die erste Trennmembran die
Austrittsöffnung des ersten Kanals überdeckt, und wobei die zweite
Trennmembran vorzugsweise an einem zweiten Oberflächenabschnitt des Gehäuses befestigt ist, in dem der zweite Kanal aus dem Gehäuse austritt, wobei die zweite Trennmembran die Austrittsöffnung des zweiten Kanals überdeckt.
In einer anderen Ausgestaltung des Differenzdruckmesswandlers können separate Trägerkörper für die Trennmembranen vorgesehen sein, wobei der erste und der zweite hydraulische Pfad jeweils eine kapillrleitung umfassen, die sich zwischen den Trägerkörpern und dem Gehäuse erstrecken, um die erste und die zweite Trennmembrankammer jeweils an den ersten bzw. zweiten Kanal hydraulisch anzuschließen.
In einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist der Druckmesswandler ein Relativdruckmesswandler zum Erfassen der Differenz zwischen einem Mediendruck und dem Atmosphärendruck in der Umgebung des
Relativdruckmesswandlers.
In einer Weiterbildung des Relativdruckmesswandlers umfasst dieser eine Trennmembran, welche mit dem Mediendruck beaufschlagbar ist, und welche unter Bildung einer Trennmembrankammer entlang eines
umlaufenden Randes druckdicht an einem ersten Oberflächenabschnitt eines Trägerkörpers befestigt ist, wobei von der Trennmembrankammer durch den Trägerkörper sich ein hydraulischer Pfad erstreckt, um den Wandlerkern mit dem Mediendruck zu beaufschlagen, wobei der hydraulische Pfad den einen der beiden Kanäle, die in die
Wandlerkammer führen, insbesondere den zweiten Kanal umfasst. Als Trägerkörper für die Trennmembran kann in einer Ausgestaltung des Relativdruckmesswandlers beispielsweise das Gehäuse dienen, wobei in diesem Fall die Trennmembran vorzugsweise an einem
Oberflächenabschnitt des Gehäuses befestigt ist, in dem ein Kanal, insbesondere der zweite Kanal aus dem Gehäuse austritt, wobei die Trennmembran die Austrittsöffnung des zweiten Kanals überdeckt. Der Atmosphärendruck kann dem Wandlerkern des Relativdruckmesswandlers sowohl durch einen direkten Kontakt des anderen Kanals, insbesondere des ersten Kanals zur Umgebungsluft oder durch einen weiteren hydraulischen Pfad zugeführt werden. Die Erfindung wird nun anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 : einen schematischen Längsschnitt durch ein erstes
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 2: einen schematischen Längsschnitt durch ein zweites
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Der in Fig. 1 dargestellte Differenzdruckmesswandler 1 umfasst ein Gehäuse 10, welches beispielsweise einen metallischen Werkstoff, insbesondere Edelstahl aufweisen kann. In dem Gehäuse 10, welches beispielsweise eine zylindrische Struktur aufweist, ist eine
Wandlerkammer 12 ausgebildet, die an beiden Stirnseiten durch Wände begrenzt ist, deren Innenseite als einander gegenüberliegende erste axiale Anschlagfläche 14 und zweite axiale Anschlagfläche 16 dienen, wobei durch die erste stirnseitige Wand sich ein erster Kanal 18 in axialer Richtung erstreckt und wobei durch die zweite stirnseitige Wand ein zweiter Kanal 20 sich in axialer Richtung streckt, um die Wandlerkammer jeweils mit einem Druck zu beaufschlagen. An der ersten und zweiten axialen Anschlagfläche 14, 16 sind jeweils ringförmige axiale Vorsprünge 15a, 15b, 17a, 17b ausgebildet, die konzentrisch um die Kanäle 18 und 20 verlaufen. Die ringförmigen axialen Vorsprünge sind beispielsweise schneidenförmig ausgebildet, um in einen elastischen Dichtring, der gegen die Anschlagsflächen gedrückt wird, eingreifen zu können, um damit einer radialen Bewegung des Dichtrings entgegenzuwirken. In der
Wandlerkammer 12 ist ein Wandlerkern 30 zwischen einem ersten elastischen Dichtring 22, welcher an der ersten Anschlagfläche 14 anliegt, und einem zweiten elastischen Dichtring 24, welcher an der zweiten
Anschlagfläche 16 anliegt, axial eingespannt, wobei die zuvor erwähnten ringförmigen radialen Vorsprünge 15a, 15b, 17a, 17b sich in der Weise mit den Dichtringen in Eingriff befinden, dass sie einer radialen Bewegung der Dichtringe unter Druckbeaufschlagung entgegenwirken. Die Dichtringe 24, 22 weisen insbesondere ein Elastomer auf, beispielsweise Kautschuk. Der Wandlerkern 30 umfasst einen Grundkörper, welcher im Wesentlichen ein Halbleitermaterial aufweist, welches insbesondere Silizium sein kann, wobei der Grundkörper zwischen den Dichtringen eingespannt ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Grundkörper zweiteilig aufgebaut und umfasst einen ersten Halbkörper 38 sowie einen zweiten Halbkörper 40, wobei zwischen den Halbkörpern eine Messmembran 36 angeordnet ist, welche insbesondere ebenfalls Silizium aufweist. Die Messmembran 36 ist mit den beiden Halbkörpern 38, 40 jeweils unter Bildung einer ersten bzw. zweiten Druckkammer druckdicht verbunden, wobei die
Druckkammern über eine Bohrung mit dem ersten pi bzw. zweiten Druck p2 beaufschlagbar sind, und wobei der Wandlerkern 30 einen
insbesondere kapazitiven Wandler aufweist, um eine von der Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Druck p-i , p2 abhängige
Verformung der Messmembran 36 in ein elektrisches Signal zu wandeln.
An die Stelle des kapazitiven Wandlers kann auch ein anderer elektrischer oder optischer Wandler vorgesehen sein. Als weiterer elektrischer
Wandler ist insbesondere ein (piezo-)resistiver Wandler geeignet. Die der Messmembran 36 zugewandten Oberflächen des Grundkörpers 30 in den Druckkammern können (anders als hier dargestellt) eine Kontur aufweisen, welche insbesondere der Biegelinie der Messmembran entspricht, um die Messmembran im Falle einer einseitigen Überlast abstützen zu können, und so einen Bruch der Messmembran zu verhindern.
Durch die weiche Lagerung des Wandlerkerns 30 zwischen dem ersten elastischen Dichtring 22 und dem zweiten elastischen Dichtring 24 können mechanische Verspannungen des Wandlerkerns 30 aufgrund von
Gehäuseeinflüssen erheblich reduziert werden. Dies betrifft beispielsweise Einflüsse aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungseigenschaften des Gehäusematerials und des Materials des Wandlerkerns 30. Die elastischen Dichtringe, welche die weiche Lagerung ermöglichen, sind jedoch der Gefahr ausgesetzt, radial eine große Nachgiebigkeit aufzuweisen und bei einer Beaufschlagung mit großen Drücken p-i , p2 nach außen auszuweichen. Um dem entgegenzuwirken, sind an den Anschlagflächen die bereits diskutierten radialen Vorsprünge 15a, 15b, 17a, 17b angeordnet, welche sich mit den Dichtringen in Eingriff befinden, um einer radialen Bewegung entgegenzuwirken. Für weitere Druckbereiche ist diese Maßnahme ausreichend, jedoch kann für noch größere Drücke eine quasi-isostatische Abstützung der elastischen Dichtringe von Vorteil sein.
Eine solche quasi-isostatische Abstützung ist im Einzelnen beim
Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 verwirklicht, dessen Komponenten, wenn nicht ausdrücklich anders erwähnt, den Komponenten des
Ausführungsbeispiels aus Fig. 1 entsprechen, wobei sich die
Bezugszeichen für die entsprechenden Komponenten des
Differenzdruckmesswandlers 101 in Fig. 2 von den Bezugszeichen der entsprechenden Komponenten des Differenzdruckmesswandlers 1 in Fig. 1 um den konstanten Summanden 100 unterscheiden. Insoweit wird für die Diskussion der Komponenten des zweiten Ausführungsbeispiels auf die entsprechenden Komponenten des ersten Ausführungsbeispiels verwiesen.
Der Differenzdruckmesswandler 101 des zweiten Ausführungsbeispiels unterscheidet sich von dem Differenzdruckmesswandler 1 des ersten Ausführungsbeispiels dadurch, dass von dem zweiten Kanal 120 ein Seitenkanal 121 abzweigt, welcher außerhalb des zweiten elastischen Dichtrings 124 in die Wandlerkammer mündet. Auf diese Weise steht der über den zweiten Kanal eingeleitete Druck P2 auf sämtlichen Oberflächen in der Wandlerkammer 1 12 außerhalb des ersten Dichtrings 122 an. Dies bewirkt zunächst, dass der radiale Druck auf der Innenseite des zweiten Dichtrings und auf der Außenseite des zweiten Dichtrings gleich dem Druck P2 ist und dass eine radiale Verschiebung des zweiten Dichtrings 124 aufgrund von Druckunterschieden ausgeschlossen ist. Zudem ist der Druckunterschied zwischen der Innenseite des ersten Dichtrings 122 und der Außenseite dieses Dichtrings gleich der Druckdifferenz P1 - P2, wobei P1 der Druck ist, welcher durch den ersten Kanal in dem von dem ersten Dichtring 122 begrenzten Bereich der Wandlerkammer 1 12 eingeleitet wird. Eine radiale Verschiebung des ersten Dichtrings 122 aufgrund von Druckdifferenzen zwischen der Innenseite und der Außenseite kann nun ausschließlich durch die Druckdifferenz P1 - P2 bewirkt werden, welche im typischen Messbetrieb eines Differenzdrucksensors erheblich kleiner ist als die Drücke P1 und P2. Typische Differenzdruckmesswandler weisen beispielsweise einen Messbereich für den Differenzdruck von einigen 10 bis einigen 100 mbar auf, wobei die statischen Drücke, zwischen denen die Differenz zu ermitteln ist, durchaus einige 10 bar bis 100 bar betragen können. Somit werden die elastischen Dichtringe 122, 124 durch den Seitenkanal 121 und die damit erzielte quasi-isostatische Lagerung der Dichtringe und des Wandlerkerns erheblich entlastet. Vorzugsweise ist der Differenzdruckmesswandler so anzuordnen, dass der erwartungsgemäß größere Druck durch den zweiten Kanal eingeleitet wird, so dass der größere Druck auf der Außenseite des ersten Dichtrings ansteht. Bei dem hier betrachteten größeren Druck handelt es sich nicht zwingend um den größeren Druck der im Messbetrieb zu erwarten ist, sondern insbesondere um einen größeren Überlastdruck, welcher beim Betreiben des
Differenzdruckmesswandlers auftreten kann.
In Fig. 2 ist nur die mit dem zweiten Kanal kommunizierende Seite der Wandlerkammer 1 12 mit einer Übertragungsflüssigkeit gefüllt dargestellt. Selbstverständlich ist im Betrieb auch die mit dem ersten Kanal kommunizierende Seite mit einer Übertragungsflüssigkeit gefüllt, welche in dieser Darstellung jedoch im Sinne der Übersichtlichkeit weggelassen wurde, um die Bereiche, die mit dem ersten Druck beaufschlagt werden, von den Bereichen, die mit dem zweiten Druck beaufschlagt werden, deutlich unterscheiden zu können. In einer Weiterbildung der Erfindung weist das Gehäuse auf der Seite des ersten Kanals eine zusätzliche (hier nicht gezeigte) Kammer auf, um ein Volumen bereitzustellen, welches dem Volumen entspricht, das in dem Seitenkanal 121 und dem Volumen außerhalb der beiden Dichtringe 122, 124 entspricht, und welches mit dem ersten Kanal kommuniziert. Auf diese Weise wird das Volumen auf beiden Seiten der Messmembran 136 symmetrisiert, um das gleiche Volumen an Übertragungsflüssigkeit auf beiden Seiten der Messmembran 136 zu realisieren. Auf diese Weise ist bei gleicher Steifigkeit von
Trennmembranen, über die gewöhnlich der Druck in einen
Differenzdruckmesswandler eingeleitet wird, ein temperaturabhängiger Fehler aufgrund der Steifigkeit der Messmembranen zu minimieren.
Trennmembranen zur Druckeinleitung können - wie hier dargestellt - beispielsweise unmittelbar am Gehäuse angeordnet sein. Hier sind eine erste und zweite Trennmembran 126, 127 jeweils an einer Stirnseite des Gehäuses 1 10 mit einer umlaufenden Schweißnaht druckdicht befestigt. Die Stirnseiten des Gehäuses weisen in dem von den Trennmembranen überdeckten Oberflächenabschnitt jeweils eine Ausnehmung auf, so dass die zwischen den Trennmembranen 126, 127 und den Oberflächenabschnitten gebildeten beiden Trennmembrankammern 128, 129 ein angemessenes Arbeitsvolumen aufweisen. Von der ersten Trennmembrankammer 128 erstreckt sich der erste Kanal 1 18 in die Wandlerkammer 1 12, und von der zweiten Trennmembrankammer 129 erstreckt der zweite Kanal 120 in die Wandlerkammer 1 12, wobei durch die beiden Kanäle jeweils ein an den entsprechenden Trennmembranen anstehender Mediendruck in die Wandlerkammer einzuleiten ist.
Weitere Abwandlungen und Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich für den Fachmann in nahe liegender Weise, ohne von der Lehre der Erfindung abzuweisen, welche in den nun folgenden
Patentansprüchen definiert ist.

Claims

Patentansprüche
1 . Druckmesswandler, umfassend: ein Gehäuse (10); und
einen Wandlerkern (30), wobei das Gehäuse (10) in seinem Innern eine Wandlerkammer (12) aufweist, wobei die Wandlerkammer eine erste Anschlagfläche (14) und eine zweiten Anschlagfläche (16) aufweist, wobei die erste Anschlagfläche (14) der zweiten Anschlagfläche (16) gegenüberliegt, wobei zumindest in der ersten Anschlagfläche (14) ein erster Kanal (18) mündet, durch welchen ein erster Druck einleitbar ist und wobei in der Wandlerkammer zumindest ein zweiter Kanal (20) mündet, durch welchen ein zweiter Druck in die Wandlerkammer einleitbar ist, dadurch die kennzeichnet, dass:
Der Wandlerkern (30) zwischen einem ersten elastischen Körper (22) und einem zweiten elastischen Körper (24) eingespannt ist, wobei der erste elastische Körper (22) zwischen einer ersten
Oberfläche (32) des Wandlerkerns (30) und der ersten Anschlagfläche (14) angeordnet ist, und wobei der zweite elastische Körper (24) zwischen einer zweiten Oberfläche (34) mit dem Wandlerkern (30) und der zweiten Anschlagfläche (16) angeordnet ist, wobei zumindest der erste elastische Körper (22) eine Öffnung aufweist, welche mit dem zumindest einem Kanal (18) fluchtet, über welchen der Wandlerkern (30) mit einem ersten Druck beaufschlagbar ist. 2. Druckmesswandler nach Anspruch 1 , wobei mindestens die erste Anschlagfläche (14) mindestens eine axiale Kontur (15) aufweist, welche mit dem ersten elastischen Köper (22) sich in Eingriff befindet, um einer radialen Auslenkung des ersten elastischen Körpers (22) einen Widerstand entgegenzusetzen.
Druckmesswandler nach Anspruch 2, wobei die mindestens eine axiale Kontur (15) ringförmig ausgebildet ist und mit dem ersten elastischen Köper (22) fluchtet.
Druckmesswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste elastische Körper und/oder der zweite elastische Körper ein Elastomer, insbesondere Kautschuk, aufweisen bzw. aufweist.
Druckmesswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Kanal (20) in der zweiten Anschlagfläche mündet, und wobei der zweite elastische Körper (24) eine Öffnung aufweist, die mit dem zweiten Kanal (20) fluchtet, durch welche der
Wandlerkern (30) mit dem zweiten Druck beaufschlagbar ist.
Druckmesswandler nach Anspruch 2 oder einen davon abhängigen Anspruch, wobei zumindest die erste Anschlagfläche zwei im wesentlichen koaxiale, ringförmige Konturen (15a, 15b) aufweist, welchen mit dem ersten elastischen Körper fluchten und sich mit diesem im Eingriff befinden, um einer radialen Auslenkung des elastischen Körpers (22) einen Widerstand entgegenzusetzen.
Druckmesswandler nach Anspruch 2 oder einen davon abhängigen Anspruch, wobei auch die zweite Anschlagfläche (16) mindestens eine Kontur (17) aufweist, welche sich mit dem zweiten elastischen Körper (24) in Eingriff befindet, um einer radialen Auslenkung des zweiten elastischen Körpers (24) einen Widerstand
entgegenzusetzen.
8. Druckmesswandler nach Anspruch 7, wobei die zweite
Anschlagfläche (16) zwei im wesentlichen koaxiale, ringförmige Konturen (17 a, 17b) aufweist, welche sich mit dem zweiten elastischen Körper (24) in Eingriff befinden, um einer radialen Auslenkung des zweiten elastischen Körpers (24) einen Widerstand entgegenzusetzen.
9. Druckmesswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wandlerkern (30) eine Messmembran (36) aufweist, die von einer ersten Seite mit dem ersten Druck der beaufschlagbar ist, und von einer zweiten Seite (38), welche der ersten Seite
abgewandt ist, mit dem zweiten Druck beaufschlagbar ist.
10. Druckmesswandler nach Anspruch 9, wobei die Messmembran (36) im Inneren des Wandlerkerns (30) angeordnet ist, und wobei der Wandlerkern (30) in seinem Innern auf jeder Seite der
Messmembran (36) jeweils ein Membranbett (38, 40) aufweist, an welchen die Messmembran im Falle einer einseitigen Überlast zur Anlage kommt und abgestützt wird.
1 1 . Druckmesswandler nach Anspruch 9, wobei die Oberflächen des Wandlerkerns (30) außerhalb der von den elastischen Körpern (22,
24) eingeschlossenen Bereiche mit dem zweiten Kanal (20) in hydraulischer oder pneumatischer Kommunikation stehen und mit dem zweiten Druck beaufschlagbar sind. 12. Druckmesswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Druckmesswandler ein Differenzdruckmesswandler zum Erfassen der Differenz zwischen einem ersten Mediendruck und einem zweiten Mediendruck ist. 13. Differenzdruckmesswandler nach Anspruch 12, weiterhin
umfassend: eine erste Trennmembran, welche mit dem ersten Mediendruck beaufschlagbar ist, und welche unter Bildung einer
Trennmembrankammer entlang eines umlaufenden Randes druckdicht an einem ersten Oberflächenabschnitt eines
Trägerkörpers befestigt ist, wobei sich von der ersten
Trennmembrankammer durch den Trägerkörper ein erster hydraulischer Pfad erstreckt, um den Wandlerkern mit dem ersten Druck zu beaufschlagen, wobei der erste hydraulische Pfad den ersten Kanal umfasst; und eine zweite Trennmembran, welche mit dem zweiten Mediendruck beaufschlagbar ist, und welche unter Bildung einer
Trennmembrankammer entlang eines umlaufenden Randes druckdicht an einem zweiten Oberflächenabschnitt eines
Trägerkörpers befestigt ist, wobei sich von der zweiten
Trennmembrankammer durch den Trägerkörper ein zweiter hydraulischer Pfad erstreckt, um den Wandlerkern mit dem zweiten Druck zu beaufschlagen, wobei der zweite hydraulische Pfad den zweiten Kanal umfasst.
14. Druckmesswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 wobei der Druckmesswandler ein Relativdruckmesswandler zum Erfassen der Differenz zwischen einem Mediendruck und dem Atmosphärendruck in der Umgebung des Druckmesswandlers ist.
15. Relativdruckmesswandler nach Anspruch 14, weiterhin umfassend, eine Trennmembran, welche mit dem Mediendruck beaufschlagbar ist, und welche unter Bildung einer Trennmembrankammer entlang eines umlaufenden Randes druckdicht an einem ersten
Oberflächenabschnitt eines Trägerkörpers befestigt ist, wobei sich von der Trennmembrankammer durch den Trägerkörper ein hydraulischer Pfad erstreckt, um den Wandlerkern mit dem Mediendruck zu beaufschlagen, wobei der hydraulische Pfad den einen der beiden Kanäle, die in die Wandlerkammer führen, insbesondere den zweiten Kanal umfasst.
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