WO2016037817A1 - Drucksensor - Google Patents

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WO2016037817A1
WO2016037817A1 PCT/EP2015/069052 EP2015069052W WO2016037817A1 WO 2016037817 A1 WO2016037817 A1 WO 2016037817A1 EP 2015069052 W EP2015069052 W EP 2015069052W WO 2016037817 A1 WO2016037817 A1 WO 2016037817A1
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WO
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layers
measuring
thermal expansion
pressure
layer
Prior art date
Application number
PCT/EP2015/069052
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English (en)
French (fr)
Inventor
Ulfert Drewes
Andreas Rossberg
Anh Tuan Tham
Original Assignee
Endress+Hauser Gmbh+Co. Kg
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Endress+Hauser Gmbh+Co. Kg filed Critical Endress+Hauser Gmbh+Co. Kg
Publication of WO2016037817A1 publication Critical patent/WO2016037817A1/de

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0042—Constructional details associated with semiconductive diaphragm sensors, e.g. etching, or constructional details of non-semiconductive diaphragms
    • G01L9/0048—Details about the mounting of the diaphragm to its support or about the diaphragm edges, e.g. notches, round shapes for stress relief
    • 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
    • G01L19/14—Housings
    • G01L19/145—Housings with stress relieving means
    • 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
    • G01L19/14—Housings
    • G01L19/145—Housings with stress relieving means
    • G01L19/146—Housings with stress relieving means using flexible element between the transducer and the support
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • 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
    • G01L19/14—Housings
    • G01L19/147—Details about the mounting of the sensor to support or covering means

Definitions

  • the present invention relates to a pressure sensor, comprising a housing, in particular a metallic housing, a pressure measuring cell, in particular a ceramic pressure measuring cell, which is mounted on a base body, enclosed between a shoulder which encloses an opening of the housing on all sides and an abutment a pressure measuring chamber arranged
  • Measuring membrane, and the measuring membrane is acted upon via the opening with a pressure.
  • Pressure sensors are widely used in almost all areas of industrial metrology.
  • These pressure sensors include equipped with absolute pressure cells
  • Absolute pressure sensors measuring the absolute vacuum pressure applied to the diaphragm, equipped with relative pressure cells
  • Differential pressure sensors which measure a pressure difference between a first pressure acting on the measuring diaphragm pressure and acting on a second measuring diaphragm of the differential pressure measuring cell second pressure.
  • Ceramic pressure measuring cells regularly have a ceramic body arranged on a ceramic base body, including a pressure measuring chamber
  • Ceramic pressure cells offer the advantage that they are not only thermally, chemically and mechanically very resistant, but also have a very high compressive strength. Ceramic pressure cells must be mounted on site and pressurized with the pressure to be measured. For this purpose, they are regularly used in a housing having an opening through which the measuring diaphragm can be acted upon by the pressure to be measured. In this case, the pressure measuring cell in the housing is arranged such that an outer edge of the pressure measuring cell between a the outside on all sides enclosing paragraph and a shoulder on one of the
  • Measuring diaphragm facing away from the back of the measuring cell arranged abutment is clamped.
  • the housing used for this purpose are regularly made of metal. This has the consequence that due to the different thermal expansion coefficients of ceramic pressure measuring cell and metallic housing thermomechanical
  • DE 10 2004 057 A1 and DE 103 34 854 A1 each describe a pressure sensor with
  • the measuring membrane is acted upon by the opening with a pressure
  • a seal is arranged between the decoupling ring and the measuring diaphragm and between the decoupling ring and the shoulder.
  • the described decoupling rings are made of ceramic or another material having a coefficient of thermal expansion adapted to the thermal expansion coefficient of the ceramic pressure measuring cell.
  • Measuring diaphragm is thus a body, namely the decoupling ring, with in
  • the measuring diaphragm is thus spatially separated by the decoupling ring from the place where the jump from the thermal expansion coefficient of the measuring diaphragm to the thermal expansion coefficient of the shoulder of the housing.
  • the decoupling ring causes a shift of forming in the radial direction thermo-mechanical stresses on the of the Measuring membrane facing away from the paragraph facing side of the decoupling ring.
  • This arrangement causes forming in the radial direction
  • PTFE Polytetrafluoroethylene
  • Decoupling ring each to provide an annular projection projecting in the axial direction, the end face of which forms the respective sealing surface.
  • a housing in particular a metallic housing
  • Pressure measuring cell in particular a ceramic pressure measuring cell
  • the measuring membrane can be acted upon via the opening with a pressure which is characterized in that between an outer edge of the measuring diaphragm and the paragraph, a matching body is arranged, the thermal
  • a seal in particular a seal made of an elastomer or a seal, in particular a flat seal, made of a thermoplastic material, in particular of polytetrafluoroethylene (PTFE), is provided between the adapter body and the measuring diaphragm and between the adapter body and the shoulder ).
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • the adaptation body is a fitting body closed in a ring and having a rectangular cross section.
  • PTFE Polytetrafluoroethylene
  • the fitting body is a body closed to a ring
  • the adjustment body on whose the measuring diaphragm facing front side and the paragraph facing the end face has structural elements.
  • the adaptation body has layers applied to one another,
  • PTFE Polytetrafluoroethylene
  • the fitting body is a body closed to a ring
  • the adjustment body on the end face facing the measuring diaphragm and the end face facing the shoulder each have a protruding projection in the axial direction, esp.
  • a closed loop to a ring has.
  • the adaptation body has layers applied to one another, and
  • the protrusion facing the measuring membrane forms the outermost membrane-facing layer of the matching body, and the protrusion facing the shoulder the opposite outermost layer facing the shoulder
  • Matching body forms, or the projections consist of several superimposed layers of the adapter body.
  • a preferred embodiment provides that the matching body arranged on each other layers of different composition, esp. By laser sintering of metallic and / or ceramic parts containing powder layers
  • the layers have a ceramic content that is greater than or equal to 0% and less than 100%, and have a metal content greater than or equal to 0% and less than 100%, wherein
  • Another training provides that
  • the adaptation body has layers applied to one another, and
  • the adaptation body has layers applied to one another, and
  • the layers have a layer thickness of not less than 10 ⁇ , in particular not less than 20 ⁇ , esp. Not less than 40 ⁇ have, and of not more than
  • the adjustment body comprises a body having a substantially rectangular cross-section which has a height in perpendicular to a direction from the paragraph to the measuring diaphragm and a width, and
  • Measuring diaphragm and the paragraph is smaller than a constant with the dimension 1 / K, where
  • the constant is less than 0.1% / K, in particular less than 500 ppm / K, in particular less than 250 ppm / K, in particular less than 125 ppm / K, in particular less than 60 ppm / K, and / or - the constant is equal to a quotient of a dimensionless one
  • Deformation parameters and a temperature difference between a maximum and a minimum temperature at which the pressure sensor is to be used is, and the deformation parameter is less than 4%, esp. Less than 2%, esp. Less than 1%.
  • the adaptation body comprises a body of substantially rectangular cross-section constructed from layers arranged on one another,
  • the individual layers each have a parallel to the surface normal to the layer extending layer thickness and perpendicular to the surface normal to the
  • Expansion coefficient of the layers adjacent to this layer is smaller than a constant with the dimension 1 / K, where
  • the constant is less than 0.1% / K, in particular less than 500 ppm / K, in particular less than 250 ppm / K, in particular less than 125 ppm / K, in particular less than 60 ppm / K, and / or
  • Deformation parameters and a temperature difference between a maximum and a minimum temperature at which the pressure sensor is to be used is, and the deformation parameter is less than 4%, esp. Less than 2%, esp. Less than 1%.
  • a further embodiment of the pressure sensors according to the invention provides that - the pressure measuring cell is a differential pressure measuring cell
  • a second adjustment body is arranged, which has a coefficient of thermal expansion, along the second fitting body in from the second paragraph to the second
  • the invention comprises a method for producing a layered adaptation body for a pressure sensor according to the invention, which is characterized in that
  • the individual layers are produced by a metal powder and ceramic powder in a composition corresponding to the respective layer
  • the individual layers are produced by a composition of the respective layer corresponding amount of metal powder and one of
  • composition of each layer corresponding amount of ceramic powder each applied as a powder layer to each other, and the two
  • Powder layers are mixed by laser sintering and solidified.
  • the invention has the advantage that the thermal expansion coefficient of the heel is gradually transferred by the fitting body in the axial direction in the thermal expansion coefficient of the measuring diaphragm. As a result, larger jumps between the thermal expansion coefficients of adjacent components, in which voltage spikes in radial
  • thermo-mechanical stresses forming in the radial direction have lower maximum values, and overall in the
  • Adjustment bodies are shifted into where they spread evenly over its entire height. Accordingly, the thermo-mechanical stresses acting at any height along the fitting body are correspondingly small and are absorbed by the fitting body.
  • the pressure measuring cell, esp. The measuring diaphragm is thus protected against acting in the radial direction of thermo-mechanical stresses.
  • Fig. 1 shows: a pressure sensor with a matching body with rectangular
  • Fig. 2 shows: a pressure sensor with a matching body on the
  • Fig. 3 shows: a pressure sensor with a matching body on whose end faces in each case an annular projection is provided;
  • Fig. 1 shows a section through a first embodiment of a
  • inventive pressure sensor This comprises a pressure measuring cell 1 with a ceramic base body 3 and a measuring diaphragm 7 mounted thereon with the inclusion of a pressure measuring chamber 5.
  • the base body 3 and the measuring diaphragm 7 are made of ceramic, eg of alumina ceramic (Al 2 O 3 ).
  • the pressure measuring cell 1 may be formed, for example, as an absolute pressure measuring cell.
  • the pressure measuring chamber 5 enclosed under the measuring diaphragm 7 is evacuated.
  • the pressure measuring chamber 5 is supplied with a reference pressure p ref , for example an ambient pressure, via a pressure supply line 9, which extends through the main body 3 through-shown as a dashed line here as an option.
  • the measuring diaphragm 7 is sensitive to pressure, ie a pressure p acting from outside causes a pressure-dependent deflection of the measuring diaphragm 7. This pressure-dependent deflection is detected by means of an electromechanical transducer which converts the pressure-dependent deflection into a primary electrical signal.
  • a capacitive transducer for example, a capacitive transducer is suitable, which comprises an electrode 1 1 applied to an end face of the base body 3 facing the measuring diaphragm 7 and a counter electrode 13 applied to an inner side of the measuring diaphragm 7 facing the base body 3.
  • the electrode 1 1 is electrically connected to a measuring electronics, not shown here, via a primary signal path 15, which is guided through the base body 3 outwardly, for example a tantalum pin inserted into the base body 3, which is determined by the pressure-dependent Deflection of the measuring membrane 7 dependent capacity of the capacitor formed by the electrode 1 1 and the counter electrode 13 determines the pressure acting on the measuring diaphragm 7 to be measured pressure p.
  • the ceramic pressure measuring cell 1 is clamped in a housing 17.
  • the housing 17 consists for example of a metal, for example of a stainless steel. It has an opening 19 on the front, via which the measuring diaphragm 7 of the pressure measuring cell 1 can be acted upon by the pressure p to be measured.
  • a clamping device is provided, in which an outer edge of the pressure measuring cell 1 in the axial direction, ie parallel to the surface normal to the measuring diaphragm 7, between a shoulder 21 of the housing 17 and an abutment 23 is clamped.
  • the shoulder 21 surrounds the opening 19 on all sides, and is formed in the embodiment shown here by a front of the housing 17 integrally formed, radially inwardly extending shoulder of the housing 17.
  • the anvil 23 is e.g. formed as a pressure ring which is screwed into the housing 17 such that the paragraph 21 facing the end face a
  • the clamping device preferably comprises at least one spring-elastic element.
  • the resilient element can be arranged on the rear side remote from the measuring diaphragm 7 and / or the front side of the pressure measuring cell 1 opposite this.
  • An embodiment of a provided on the back elastic element is shown in the right half of Fig. 1.
  • There is a tension spring 25 is disposed between the thrust bearing formed as an abutment 23 and the back of the pressure measuring cell 1, which is stretched by screwing the pressure ring.
  • the shoulder 21 may be formed as a resilient element.
  • a closed to a ring fitting body 27 is clamped between the outer edge of the measuring diaphragm 7 and the shoulder 21.
  • the matching body 27 is formed, for example, as a circular ring with a rectangular cross-section.
  • the adjustment body 27 has a coefficient of thermal expansion along the adjustment body 27 in the direction from the paragraph 21 to the measuring membrane 7 extending direction z of a thermal expansion coefficient o M of paragraph 21 corresponding expansion coefficient to a thermal
  • the adaptation body 27 preferably consists of a number N for this purpose
  • the composition of the individual layers S is set such that the paragraph 21 facing outermost layer Si of the matching body 27 has a thermal expansion coefficient CH, the thermal
  • Expansion coefficient a M of paragraph 21 corresponds, and starting from this outermost layer Si from layer to layer gradually decreases in such a way to the thermal expansion coefficient a M of the paragraph 21 that the measuring membrane 7 facing outermost layer S N has a thermal expansion coefficient a N , the expansion coefficient ⁇ of the measuring membrane 7 corresponds.
  • the layers S each having a ceramic fraction which is greater than or equal to 0% and less than or equal to 100%, and a metal content which is greater than or equal to 0% and less than or equal to 100%.
  • the proportions are preferably predetermined in such a way that the ceramic content of the layers S increases from layer to layer in the direction z extending from the shoulder 21 to the measuring diaphragm 7, while the metal portion of the layers S in the direction z extending from the shoulder 21 to the measuring diaphragm 7 extends from layer to layer Layer decreases.
  • gradient materials are used.
  • An example of this is the infiltration of a ceramic body having pores of different pore size described in EP 0984839 B1 with metal.
  • layers of different compositions arranged on one another can be produced by layer pressing, sedimentation or wet-powder spraying and subsequently sintered.
  • the adaptation body 27 is preferably a sintered body whose layers S, for example, are produced by laser sintering of powder layers corresponding from layer to layer of different composition.
  • layers S for example, are produced by laser sintering of powder layers corresponding from layer to layer of different composition.
  • laser sintering method for example, in the IMW Indus- try Communication No. 29 (2004) of Trenke with the title "selective laser sintering of metallic / ceramic layer structures" described laser sintering method can be used.
  • the components are e.g. provided in the form of microscale particles whose grain size is preferably not more than 20 ⁇ and more preferably not more than 10 ⁇ .
  • the desired composition of the respective layer S can be produced by applying a metal powder and ceramic powder in the desired mixing ratio in powdery layer containing mixed form and solidified by laser sintering.
  • the desired composition of the respective layer S can be produced by applying a metal powder and ceramic powder in the desired mixing ratio in powdery layer containing mixed form and solidified by laser sintering.
  • composition achieved by the appropriate amount
  • Metal powder and the appropriate amount of ceramic powder are applied to each other as a powder layer of appropriate thickness, and the two
  • Powder layers are mixed by laser sintering and solidified.
  • the differences in the coefficients of thermal expansion asi, asi + i of adjacent layers S ,, S i + of the adaptation body 27 are the lower, the greater the number N of layers S is. The smaller these differences are, the lower are the differences due to the different thermal properties Expansion coefficients forming temperarturjon voltages.
  • the adaptation body 27 has, in cross-section, a height h in a direction parallel to the surface normal to the layers S, from the shoulder 21 to the measuring diaphragm 7, and a width d in a direction perpendicular to the surface normal to the layers S.
  • the dimensions of the adaptation body 27 are preferably set such that the product of the ratio of the width d of the matching body 27 to its height h and the amount of the difference ⁇ of the thermal expansion coefficient ⁇ ⁇ , ⁇ ⁇ the measuring membrane 7 and paragraph 21, less than is a given constant ⁇ with the dimension 1 / K, for which the following applies: ⁇
  • ⁇ 0.1% / K in particular ⁇ 500 ppm / K, preferably ⁇ 250 ppm / K, more preferably ⁇ 125 ppm / K and particularly preferably ⁇ 60 ppm / K:
  • the constant ⁇ is preferably a quotient of a dimensionless
  • C is a dimensionless deformation parameter for which C ⁇ 4%, in particular C ⁇ 2% and preferably C ⁇ 1%.
  • the individual layers S, of the adaptation body 27 are preferably dimensioned such that the product of the ratio of the width d s of the respective layer Si to the layer thickness s and the amount of the difference ⁇ 5 of the thermal expansion coefficients a Si- i, a S i + i is also smaller than the abovementioned constant, preferably determined as a quotient of the dimensionless deformation parameter C and the temperature difference ⁇ , relative to this layer S, adjacent layers Si-i, Si + i. D. h .: - ⁇
  • the individual layers S preferably a layer thickness s of not less than 10 ⁇ , in particular not less than 20 ⁇ and preferably not less than 40 ⁇ , and of not more than 400 ⁇ , in particular not more than 200 ⁇ and preferably not more than 100 ⁇ on.
  • the width d of the adaptation body 27, which can be calculated via the above-mentioned design rule d / h ⁇ ⁇ , is preferably below 4.8 mm at a height h of 640 ⁇ m.
  • a seal 29 is provided in each case between the adaptation body 27 and the outer edge of the measuring diaphragm 7 and between the adaptation body 27 and the shoulder 21.
  • the seals 29 are made of an elastomer, for example, and are preferably designed as molded seals, in particular as flat molded seals with a spherical contour.
  • the thermal expansion coefficient a M of paragraph 21 in the axial direction is gradually in the thermal
  • thermomechanical stresses have lower maximum values, and away from the measuring membrane 7 and the shoulder 21 and into the fitting body 27 where they spread evenly over its entire height h. Accordingly, the thermo-mechanical stresses acting at any height along the fitting body 27 are correspondingly small and are absorbed by the fitting body 27.
  • seals 29 made of an elastomer instead of seals 29 made of an elastomer, seals made of a thermoplastic material, such as, for example, polytetrafluoroethylene (PTFE), can also be used in conjunction with the pressure sensors according to the invention. These sealants have the advantage over elastomers of a higher thermal and chemical resistance. Two embodiments of this are shown in FIGS. 2 and 3. she
  • the flat gaskets are preferably made of a thermoplastic material, e.g. B. of polytetrafluoroethylene (PFTE). Incidentally, reference is made to the description of FIG. 1.
  • PFTE polytetrafluoroethylene
  • the adaptation body 31 provided in the exemplary embodiment illustrated in FIG. 2 is a body of rectangular cross-section closed to a ring, on the front side facing the measuring diaphragm 7 and its front side facing the shoulder 21 each being provided with structural elements 37.
  • Structural elements 37 serve to limit a radial movement of the seals 35, in particular a cold flow under pressure. Structural elements 37 of low overall height are already sufficient for this purpose. So can be used in conjunction with flat gaskets
  • PTFE Polytetrafluoroethylene
  • Structural elements 37 are used with a height of 0.1 mm. Deviations from these numerical values are of course possible.
  • the fitting body 31 shown in FIG. 2 also has a thermal expansion coefficient corresponding to the thermal expansion coefficient OM of the shoulder 21 along the fitting body 31 in the direction z extending from the shoulder 21 to the diaphragm 7 coefficient of thermal expansion to a coefficient of thermal expansion Ok the measuring diaphragm 7 corresponding expansion coefficient decreases.
  • the adaptation body 31 can be constructed to the same extent as the adaptation body 27 shown in FIG. 1.
  • the protruding structural elements 37 may e.g. as a ring, e.g. be formed annular concentric webs. These are e.g. produced by means of micromechanical processing respectively adjacent webs of mutually separating grooves are generated with a height corresponding to the height of the webs groove depth. In that case, the grooves penetrate a number of the outer layers of the layer applied to each other corresponding to the groove depth
  • Adaptation body 31 This variant is shown in the left half of Fig. 2.
  • an outermost layer 39, 41 which has thicker structural elements 37 than the other layers, can be provided on the end side facing the measuring diaphragm 7 and the end face of the adaptation body 31 facing the shoulder 21.
  • these outermost layers 39, 41 have a layer thickness which is greater than or equal to the overall height of the structural element 37. This variant is shown in the right half of Fig. 2. It has the
  • the adaptation body 33 shown in FIG. 3 comprises a body of rectangular cross-section closed to a ring, on whose front face facing the measuring diaphragm 7 and its front side facing the shoulder 21 an annular projection 43, 45 or 47, 49 projecting in the axial direction , eg a web closed to a ring is provided.
  • the end faces of the projections 43, 45 and 47, 49 form the sealing surfaces of the adapter body 33. Due to the projections 43, 45 and 47, 49 reduced sealing surfaces, offer the advantage that with the same clamping force in the axial direction, a higher surface pressure of the gasket is achieved.
  • the projections 43, 45 and 47, 49 preferably have a height that is greater than or equal to a thickness of the seal 35.
  • the projections 43, 45 and 47, 49 have in the radial direction, for example, a width of the order of one to two tenths of a millimeter up to one to two millimeters, and in the axial direction, for example, a height of one to a few tenths of a millimeter, e.g. 0.3 mm, on.
  • the two projections 43, 45 can each, for example, by a single layer applied to the interposed body layer with corresponding
  • the shoulder 21 facing the projection 45 forms the opposite outermost the paragraph 21 facing layer of the adapter body 33 and has a thermal expansion coefficient a M of the paragraph 21 corresponding thermal expansion coefficient. It is preferably made of the metal of paragraph 21.
  • the protrusions 47, 49 may consist of several layers of the matching body 33 applied to each other. This variant is shown in the right half of FIG. 3.
  • the coefficient of thermal expansion of the adaptation body 33 over all layers thereof, including the layers forming the projections 47, 49 decreases from layer to layer in the direction extending from the shoulder 21 to the measuring diaphragm 7 to that corresponding to the thermal expansion coefficient o k of the measuring diaphragm 7 Expansion coefficients.
  • the invention is completely analogous also in connection with differential pressure sensors with a clamped in a metallic housing 51 differential pressure measuring cell 53, esp. A ceramic differential pressure measuring cell 53, can be used. An embodiment of this is shown in Fig. 4.
  • the differential pressure measuring cell 53 differs from the pressure measuring cells 1 shown in FIGS. 1 to 3 in that it comprises a second measuring diaphragm applied with the inclusion of a pressure measuring chamber 5 on the rear side of the main body 3 opposite the first measuring measuring diaphragm 7 7 has.
  • the second measuring membrane 7 can be acted upon via a second opening 21 in the housing 51 with a second pressure p 2 .
  • the two pressure measuring chambers 5 are filled with a pressure-transmitting liquid, and connected to each other via a pressure transmission line 55.
  • the deflection of the first and / or the second measuring membrane 7, which is dependent on the pressure difference ⁇ to be measured, is also described here as e.g. by means of a capacitive
  • Measuring electronics is connected, which determines the differential pressure ⁇ based on the measured capacitances.
  • the differential pressure measuring cell 53 is clamped in the housing 51 in the axial direction, that is parallel to the surface normal to the two measuring membranes 7.
  • the housing 51 has e.g. two in each case one of the openings 19 having housing segments 57, which are connected to each other by means of a mechanical connection device 59 shown only schematically here.
  • Each of the openings 19 is surrounded on the outside by a shoulder 21 of the respective housing segment 57.
  • the differential pressure measuring cell 53 is clamped between the shoulder 21 of one of the housing segments 57 and an abutment, the abutment here by the shoulder 21 of the opposite housing segment 57 and the two housing segments 57 connecting
  • Connecting device 59 is formed. Between the outer edges of the measuring membranes 7 and the opening 21, via which the respective measuring membrane 7 with the first and the second pressure pi, p 2 can be acted upon, outside surrounding paragraph 21 of the respective
  • Housing segments 57 each have a matching body 27 is arranged, which has a thermal expansion coefficient along each of the respective
  • Adaptation body 27 in each of the paragraph 21 to the respective diaphragm 7 extending direction of a coefficient of thermal expansion OM of the respective paragraph 21 corresponding thermal expansion coefficient to a coefficient of thermal expansion Ok of the respective diaphragm 7 corresponding expansion coefficient decreases.
  • Differential pressure sensor is also provided here between each of the adjustment body 27 and the outer edge of the measuring membrane facing this 7 and between each of the adjustment body 27 and the facing this paragraph 21 each have a seal 29.
  • the adjustment body 27 and the seals 29 may - as shown in Fig. 4 -darkar be formed in the manner described with reference to FIG. 1.
  • the adjustment body 31 or 33 and seals 35 described with reference to FIGS. 2 and 3 can be used.

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Abstract

Es ist ein Drucksensor, mit einem Gehäuse (17, 51), insb. einem metallischen Gehäuse (17, 51), einer in dem Gehäuse (17, 51) zwischen einem eine Öffnung (19) des Gehäuses (17) außenseitlich allseitig umschließenden Absatz (21) und einem Gegenlager (23) eingespannten Druckmesszelle (1), insb. einer keramischen Druckmesszelle (1), die eine auf einem Grundkörper (3) unter Einschluss einer Druckmesskammer (5) angeordnete Messmembran (7) aufweist, und deren Messmembran (7) über die Öffnung (21) mit einem Druck (p) beaufschlagbar ist, beschrieben, dessen Druckmesszelle (1), insb. dessen Messmembran (7), vor in radialer Richtung wirkenden thermomechanischen Spannungen geschützt ist, indem zwischen einem äußeren Rand der Messmembran (7) und dem Absatz (21) ein Anpassungskörper (27, 31, 33) angeordnet ist, der einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der entlang des Anpassungskörper (27, 31, 33) in vom Absatz (21) zur Messmembran (7) verlaufender Richtung von einem einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten (α M ) des Absatzes (21) entsprechenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf einen einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten (α k ) der Messmembran (7) entsprechenden Ausdehnungskoeffizienten absinkt.

Description

Drucksensor
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drucksensor, mit einem Gehäuse, insb. einem metallischen Gehäuse, einer in dem Gehäuse zwischen einem eine Öffnung des Gehäuses außenseitlich allseitig umschließenden Absatz und einem Gegenlager eingespannten Druckmesszelle, insb. einer keramischen Druckmesszelle, die eine auf einem Grundkörper unter Einschluss einer Druckmesskammer angeordnete
Messmembran aufweist, und deren Messmembran über die Öffnung mit einem Druck beaufschlagbar ist.
Drucksensoren finden weit gefächerte Anwendung in nahezu allen Bereichen der industriellen Messtechnik.
Zu diesen Drucksensoren zählen mit Absolutdruckmesszellen ausgestatteten
Absolutdrucksensoren, die den absoluten, auf die Messmembran einwirkenden Druck gegen Vakuum messen, mit Relativdruckmesszellen ausgestattete
Relativdrucksensoren, die den auf die Messmembran einwirkenden Druck bezogen auf einen der Druckmesskammer zugeführten Referenzdruck, z.B. dem aktuellen
Atmosphärendruck, messen, sowie mit Differenzdruckmesszellen ausgestatte
Differenzdrucksensoren, die eine Druckdifferenz zwischen einem ersten auf die Messmembran einwirkenden Druck und einem auf eine zweite Messmembran der Differenzdruckmesszelle einwirkenden zweiten Druck messen.
Keramische Druckmesszellen weisen regelmäßig eine auf einem keramischen Grundkörper unter Einschluss einer Druckmesskammer angeordnete keramische
Messmembran auf. Keramische Druckmesszellen bieten den Vorteil, dass sie nicht nur thermisch, chemisch und mechanisch sehr beständig sind, sondern darüber hinaus auch eine sehr hohe Druckfestigkeit aufweisen. Keramische Druckmesszellen müssen am Einsatzort montiert und mit dem zu messenden Druck beaufschlagt werden. Hierzu werden sie regelmäßig in ein Gehäuse eingesetzt, das eine Öffnung aufweist, über die die Messmembran mit dem zu messenden Druck beaufschlagbar ist. Dabei ist die Druckmesszelle im Gehäuse derart angeordnet, dass ein äußerer Rand der Druckmesszelle zwischen einem die Öffnung außenseitlich allseitig umschließenden Absatz und einem auf einer von der
Messmembran abgewandten Rückseite der Messzelle angeordneten Gegenlager eingespannt ist.
Die hierzu verwendeten Gehäuse bestehen regelmäßig aus Metall. Das hat zur Folge, dass aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von keramischer Druckmesszelle und metallischem Gehäuse thermomechanische
Spannungen innerhalb des Drucksensors entstehen.
Während in axialer Richtung, also parallel zur Flächennormale auf die Messmembran, verlaufende temperaturabhängige Spannungen durch eine elastische Einspannung der Druckmesszelle aufgefangen werden können, führen in radialer Richtung, also in senkrecht zur Flächennormale auf die Messmembran verlaufender Richtung, entstehende thermomechanische Spannungen regelmäßig zu einer Verspannung der Messmembran, die sich nachteilig auf die Messgenauigkeit des Drucksensors auswirkt, und insb. eine temperaturabhängige Hysterese der Messergebnisse bewirkt.
Zur Reduktion der nachteiligen Auswirkungen der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Gehäuse und Druckmesszelle ist in der DE 10 2004 057 A1 und der DE 103 34 854 A1 jeweils ein Drucksensor beschrieben, mit
- einem Gehäuse,
- einer in dem Gehäuse zwischen einem eine Öffnung des Gehäuses außenseitlich allseitig umschließenden Absatz und einem Gegenlager eingespannten
Druckmesszelle,
- die eine auf einem Grundkörper unter Einschluss einer Druckmesskammer
angeordnete Messmembran aufweist, und
- deren Messmembran über die Öffnung mit einem Druck beaufschlagbar ist, und
- einem zwischen einem äußeren Rand der Messmembran und dem Absatz
eingespannten Entkopplungsring. Dabei ist zwischen dem Entkopplungsring und der Messmembran sowie zwischen dem Entkopplungsring und dem Absatz jeweils eine Dichtung angeordnet.
Die beschriebenen Entkopplungsringe bestehen aus Keramik oder einem anderen Werkstoff mit einem an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der keramischen Druckmesszelle angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Der
Messmembran wird also ein Körper, nämlich der Entkopplungsring, mit im
Wesentlichen gleichem thermischem Ausdehnungskoeffizienten vorgelagert. Die Messmembran ist somit durch den Entkopplungsring räumlich getrennt von dem Ort an dem der Sprung vom thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Messmembran auf den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Absatzes des Gehäuses erfolgt.
Dieser Ort wird durch den Entkopplungsring auf die von der Messmembran
abgewandte Seite des Entkopplungsrings verschoben.
Entsprechend bewirkt der Entkopplungsring eine Verschiebung der sich in radialer Richtung ausbildenden thermomechanischen Verspannungen auf die von der Messmembran abgewandte dem Absatz zugewandte Seite des Entkopplungsrings. Diese Anordnung bewirkt, dass sich in radialer Richtung ausbildende
thermomechanische Spannungen am Übergang vom Entkopplungsring zum Absatz konzentrieren, und dort Spannungsspitzen ausbilden, die über die Dichtung zwischen dem Entkopplungsring und dem Absatz abgebaut werden müssen.
In der DE 103 34 845 A1 ist beschrieben, als Dichtungen Flachdichtungen aus
Polytetrafluorethylen (PTFE) einzusetzen, und auf den Stirnflächen des
Entkopplungsrings, auf denen diese Dichtungen aufliegen, Strukturelemente vorzusehen, die eine radiale Bewegung der Dichtungen, insb. ein Kaltfließen unter Druck, begrenzen.
In der DE 10 2004 057 967 A1 ist beschrieben, als Dichtungen Flachdichtungen aus Polytetrafluorethylen (PTFE) einzusetzen, und auf den Stirnflächen des
Entkopplungsrings jeweils einen ringförmigen, in axialer Richtung vorstehenden Vorsprung vorzusehen, dessen Stirnfläche die jeweilige Dichtfläche bildet. Die
Vorsprünge bewirken eine Verkleinerung der Dichtflächen, so dass durch die
Vorsprünge bei gleicher Einspannkraft in axialer Richtung eine höhere
Flächenpressung der Flachdichtung erzielt wird.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Drucksensor mit einer in einem Gehäuse eingespannten Druckmesszelle, anzugeben, bei dem die Druckmesszelle, insb. die Messmembran, vor in radialer Richtung wirkenden thermomechanischen Spannungen geschützt ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Drucksensor gelöst, mit
- einem Gehäuse, insb. einem metallischen Gehäuse,
- einer in dem Gehäuse zwischen einem eine Öffnung des Gehäuses außenseitlich allseitig umschließenden Absatz und einem Gegenlager eingespannten
Druckmesszelle, insb. einer keramischen Druckmesszelle,
- die eine auf einem Grundkörper unter Einschluss einer Druckmesskammer
angeordnete Messmembran aufweist, und
- deren Messmembran über die Öffnung mit einem Druck beaufschlagbar ist, der sich dadurch auszeichnet, dass zwischen einem äußeren Rand der Messmembran und dem Absatz ein Anpassungskörper angeordnet ist, der einen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der entlang des Anpassungskörper in vom Absatz zur Messmembran verlaufender Richtung von einem einem thermischen
Ausdehnungskoeffizienten des Absatzes entsprechenden thermischen
Ausdehnungskoeffizienten auf einen einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Messmembran entsprechenden Ausdehnungskoeffizienten absinkt. Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen dem Anpassungskörper und der Messmembran und zwischen dem Anpassungskörper und dem Absatz jeweils eine Dichtung, insb. eine Dichtung aus einem Elastomer oder eine Dichtung, insb. eine Flachdichtung, aus einem thermoplastischen Material, insb. aus Polytetrafluorethylen (PTFE), angeordnet.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist der Anpassungskörper ein zu einem Ring geschlossener Anpassungskörper mit rechteckigem Querschnitt. Eine Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass
- zwischen dem Anpassungskörper und der Messmembran und zwischen dem
Anpassungskörper und dem Absatz jeweils eine Dichtung, insb. eine Flachdichtung, insb. eine Dichtung aus einem thermoplastischen Material, insb. aus
Polytetrafluorethylen (PTFE), angeordnet ist,
- der Anpassungskörper ein zu einem Ring geschlossenen Körper ist, und
- der Anpassungskörper auf dessen der Messmembran zugewandten Stirnseite und dessen dem Absatz zugewandten Stirnseite Strukturelemente aufweist.
Eine Ausgestaltung dieser Weiterbildung sieht vor, dass
- der Anpassungskörper aufeinander aufgebrachte Schichten aufweist,
- die Strukturelemente zu Ringen geschlossene, insb. kreisringförmige, insb.
konzentrische, Stege sind, und
- benachbarte Stege durch Nuten voneinander getrennt sind,
- die durch eine der Bauhöhe der Strukturelemente entsprechende Anzahl von aufeinander aufgebrachten äußeren Schichten des Anpassungskörpers verlaufen, oder
- die in den beiden äußersten Schichten des Anpassungskörpers verlaufen, wobei die äußersten Schichten eine Schichtdicke aufweisen, die größer gleich der Bauhöhe der Strukturelemente ist.
Eine andere Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass
- zwischen dem Anpassungskörper und der Messmembran und zwischen dem
Anpassungskörper und dem Absatz jeweils eine Dichtung, insb. eine Flachdichtung, insb. eine Dichtung aus einem thermoplastischen Material, insb. aus
Polytetrafluorethylen (PTFE), angeordnet ist,
- der Anpassungskörper ein zu einem Ring geschlossenen Körper ist, und
- der Anpassungskörper auf dessen der Messmembran zugewandten Stirnseite und dessen dem Absatz zugewandten Stirnseite jeweils einen in axialer Richtung vorstehenden Vorsprung, insb. einen Vorsprung, der eine Bauhöhe aufweist, die größer gleich einer Dicke der Dichtung ist, insb. einen zu einem Ring geschlossenen Steg, aufweist.
Eine Ausgestaltung dieser anderen Weiterbildung sieht vor, dass
- der Anpassungskörper aufeinander aufgebrachte Schichten aufweist, und
- der der Messmembran zugewandte Vorsprung die äußerste membran-zugewandte Schicht des Anpassungskörpers bildet, und der dem Absatz zugewandte Vorsprung die gegenüberliegende äußerste dem Absatz zugewandte Schicht des
Anpassungskörpers bildet, oder die Vorsprünge aus mehreren aufeinander aufgebrachten Schichten des Anpassungskörpers bestehen.
Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass der Anpassungskörper aufeinander angeordnete Schichten unterschiedlicher Zusammensetzung, insb. durch Lasersintern von metallische und/oder keramische Anteile enthaltenden Pulverschichten
aufeinander aufgebrachte Schichten, aufweist, und
- die Schichten einen Keramikanteil aufweisen, der größer gleich 0 % und kleiner gleich 100 % ist, und einen Metallanteil aufweisen, der größer gleich 0 % und kleiner gleich 100 % ist, wobei
- der Keramikanteil in vom Absatz zur Messmembran verlaufender Richtung von
Schicht zu Schicht zunimmt, und
- der Metallanteil in vom Absatz zur Messmembran verlaufender verlaufender Richtung von Schicht zu Schicht abnimmt.
Eine weitere Weiterbildung sieht vor, dass
- der Anpassungskörper aufeinander aufgebrachte Schichten aufweist, und
- eine Anzahl der Schichten größer gleich einer Differenz zwischen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Messmembran und dem thermischen
Ausdehnungskoeffizienten des Absatzes geteilt durch
2 ppm/K, insbesondere größer gleich der Differenz geteilt durch 1 ppm/K, insb.
größer gleich dem zweifachen der Differenz geteilt durch 1 ppm/K, ist.
Eine weitere Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass
- der Anpassungskörper aufeinander aufgebrachte Schichten aufweist, und
- die Schichten eine Schichtdicke von nicht weniger als 10 μιη, insbesondere nicht weniger als 20 μιη, insb. nicht weniger als 40 μιη aufweisen, und von nicht mehr als
400 μιη, insbesondere nicht mehr als 200 μιη, insb. nicht mehr als 100 μιη aufweisen.
Eine weitere Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass - der Anpassungskörper einen Körper mit im Wesentlichen rechteckigem Querschnitt umfasst, der in vom Absatz zur Messmembran verlaufender Richtung eine Höhe, und senkrecht dazu eine Breite aufweist, und
- ein Produkt aus einem Verhältnis von der Breite des Körpers zur Höhe des Körpers und dem Betrag der Differenz der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der
Messmembran und des Absatzes kleiner als eine Konstante mit der Dimension 1/K ist, wobei
- die Konstante kleiner als 0, 1 %/K, insbesondere kleiner 500 ppm/K, insb. kleiner als 250 ppm/K, insb. kleiner als 125 ppm/K, insb. kleiner als 60 ppm/K ist, und/oder - die Konstante gleich einem Quotient aus einem dimensionslosen
Verformungsparameter und einer Temperaturdifferenz zwischen einer maximalen und einer minimalen Temperatur, bei der der Drucksensor eingesetzt werden soll, ist, und der Verformungsparameter kleiner als 4%, insb. kleiner als 2%, insb. kleiner als 1 % ist.
Eine weitere Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass
- der Anpassungskörper einen aus aufeinander angeordneten Schichten aufgebauten Körper mit im Wesentlichen rechteckigem Querschnitt umfasst,
- die einzelnen Schichten jeweils eine sich parallel zur Flächennormalen auf die Schicht erstreckende Schichtdicke und eine sich senkrecht zur Flächennormalen auf die
Schicht erstreckende Breite aufweisen, und
- ein Produkt aus dem Verhältnis der Breite der jeweiligen Schicht zu deren
Schichtdicke und dem Betrag der Differenz der thermischen
Ausdehnungskoeffizienten der an diese Schicht angrenzenden Schichten kleiner als eine Konstante mit der Dimension 1/K ist, wobei
- die Konstante kleiner als 0, 1 %/K, insbesondere kleiner 500 ppm/K, insb. kleiner als 250 ppm/K, insb. kleiner als 125 ppm/K, insb. kleiner als 60 ppm/K ist, und/oder
- die Konstante gleich einem Quotient aus einem dimensionslosen
Verformungsparameter und einer Temperaturdifferenz zwischen einer maximalen und einer minimalen Temperatur, bei der der Drucksensor eingesetzt werden soll, ist, und der Verformungsparameter kleiner als 4%, insb. kleiner als 2%, insb. kleiner als 1 % ist.
Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Drucksensoren sieht vor, dass - die Druckmesszelle eine Differenzdruckmesszelle ist,
- die eine zweite auf dem Grundkörper unter Einschluss einer Druckmesskammer angeordnete über eine zweite Öffnung im Gehäuse mit einem zweiten Druck beaufschlagbare Messmembran aufweist, und
- zwischen einem äußeren Rand der zweiten Messmembran und einem die zweite
Öffnung außenseitlich umgebenden zweiten Absatz ein zweiter Anpassungskörper angeordnet ist, der einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der entlang des zweiten Anpassungskörpers in vom zweiten Absatz zur zweiten
Messmembran verlaufender Richtung von einem dem thermischen
Ausdehnungskoeffizienten des zweiten Absatzes entsprechenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf einen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der zweiten Messmembran entsprechenden Ausdehnungskoeffizienten absinkt.
Weiter umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines aus Schichten aufgebauten Anpassungskörpers für einen erfindungsgemäßen Drucksensor, das sich dadurch auszeichnet, dass
- die einzelnen Schichten erzeugt werden, indem eine Metallpulver und Keramikpulver in einem der Zusammensetzung der jeweiligen Schicht entsprechenden
Mischungsverhältnis in durchmischter Form enthaltende Pulverschicht aufgebracht, und durch Lasersintern verfestigt wird, oder
- die einzelnen Schichten erzeugt werden, indem eine der Zusammensetzung der jeweiligen Schicht entsprechende Menge Metallpulver und eine der
Zusammensetzung der jeweiligen Schicht entsprechende Menge Keramikpulver jeweils als Pulverschicht aufeinander aufgebracht werden, und die beiden
Pulverschichten durch Lasersintern durchmischt und verfestigt werden.
Die Erfindung weist den Vorteil auf, das der thermische Ausdehnungskoeffizient des Absatzes durch den Anpassungskörper in axialer Richtung schrittweise in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Messmembran überführt wird. Hierdurch werden größere Sprünge zwischen den thermischen Ausdehnungskoeffizienten aneinander angrenzender Bauteile, an denen sich Spannungsspitzen in radialer
Richtung wirkender thermomechanischer Spannungen ausbilden würden, vermieden. Das bietet den Vorteil, dass sich in radialer Richtung ausbildende thermomechanische Spannungen geringere Maximalwerte aufweisen, und insgesamt in den
Anpassungskörper hinein verlagert werden, wo sie sich gleichmäßig über dessen gesamte Höhe hinweg verteilen. Dementsprechend sind die auf jeder Höhe entlang des Anpassungskörpers wirkenden thermomechanischen Spannungen entsprechend gering, und werden vom Anpassungskörper aufgenommen. Die Druckmesszelle, insb. deren Messmembran ist somit vor in radialer Richtung wirkenden thermomechanischen Spannungen geschützt.
Da der Abbau der in radialer Richtung wirkenden thermomechanischen Spannungen über den Anpassungskörper erfolgt, sind die Dichtungen vor Belastungen durch in radialer Richtung wirkende thermomechanische Spannungen geschützt. Die Erfindung und deren Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen vier Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher erläutert. Gleiche Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Fig. 1 zeigt: einen Drucksensor mit einem Anpassungskörper mit rechteckigem
Querschnitt;
Fig. 2 zeigt: einen Drucksensor mit einem Anpassungskörper auf dessen
Stirnflächen Strukturelemente vorgesehen sind;
Fig. 3 zeigt: einen Drucksensor mit einem Anpassungskörper auf dessen Stirnflächen jeweils ein ringförmiger Vorsprung vorgesehen ist; und
Fig. 4 zeigt: einen Differenzdrucksensor mit einer Differenzdruckmesszelle mit zwei
Messmembranen und diesen vorgelagerten Anpassungskörpern.
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Drucksensors. Dieser umfasst eine Druckmesszelle 1 mit einem keramischen Grundkörper 3 und einer unter Einschluss einer Druckmesskammer 5 darauf aufgebrachten Messmembran 7. Grundkörper 3 und Messmembran 7 bestehen aus Keramik, z.B. aus Aluminiumoxid-Keramik (Al203).
Die Druckmesszelle 1 kann beispielsweise als Absolutdruckmesszelle ausgebildet sein. In dem Fall ist die unter der Messmembran 7 eingeschlossene Druckmesskammer 5 evakuiert. Alternativ kann sie als Relativdruckmesszelle ausgebildet sein. Hierzu wird der Druckmesskammer 5 über eine durch den Grundkörper 3 hindurch verlaufende - hier als Option gestrichelt dargestellte -Druckzuleitung 9 ein Referenzdruck pref, z.B. ein Umgebungsdruck, zugeführt. Die Messmembran 7 ist druckempfindlich, d.h. ein von außen auf sie einwirkender Druck p bewirkt eine druckabhängige Durchbiegung der Messmembran 7. Diese druckabhängige Durchbiegung wird mittels eines elektromechanischen Wandlers erfasst, der die druckabhängige Durchbiegung in ein elektrisches Primärsignal umwandelt. Als Wandler eignet sich z.B. ein kapazitiver Wandler, der eine auf einer der Messmembran 7 zugewandten Stirnseite des Grundkörpers 3 aufgebrachte Elektrode 1 1 und eine auf einer dem Grundkörper 3 zugewandten Innenseite der Messmembran 7 aufgebrachte Gegenelektrode 13 umfasst. Die Elektrode 1 1 ist über einen durch den Grundkörper 3 hindurch nach außen geführten Primärsignalpfad 15, z.B. einen in den Grundkörper 3 eingesetzten Tantalstift, elektrisch an eine hier nicht dargestellte Messelektronik angeschlossen, die anhand der von der druckabhängigen Durchbiegung der Messmembran 7 abhängigen Kapazität des durch die Elektrode 1 1 und die Gegenelektrode 13 gebildeten Kondensators den auf die Messmembran 7 einwirkenden zu messenden Druck p bestimmt. Die keramische Druckmesszelle 1 ist in einem Gehäuse 17 eingespannt. Das Gehäuse 17 besteht beispielsweise aus einem Metall, z.B. aus einem Edelstahl. Es weist frontseitig eine Öffnung 19 auf, über die die Messmembran 7 der Druckmesszelle 1 mit dem zu messenden Druck p beaufschlagbar ist. Zur Einspannung der Druckmesszelle 1 ist eine Einspannvorrichtung vorgesehen, in der ein äußerer Rand der Druckmesszelle 1 in axialer Richtung, also parallel zur Flächennormalen auf die Messmembran 7, zwischen einem Absatz 21 des Gehäuses 17 und einem Gegenlager 23 eingespannt ist. Der Absatz 21 umschließt die Öffnung 19 allseitig, und ist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel durch eine frontseitig an das Gehäuse 17 angeformte, sich radial nach innen erstreckende Schulter des Gehäuses 17 gebildet.
Das Gegenlager 23 ist z.B. als Druckring ausgebildet, der in das Gehäuse 17 derart eingeschraubt wird, dass dessen dem Absatz 21 zugewandte Stirnseite einen
Einspanndruck auf einen äußeren Rand der vom Absatz 21 abgewandten Rückseite der Druckmesszelle 1 ausübt.
Um eine Mindestgröße des auf die Druckmesszelle 1 wirkenden Einspanndrucks sowohl bei veränderlichen Temperaturen als auch bei auf die Druckmesszelle 1 einwirkenden Druckstößen zu gewährleisten, umfasst die Einspannvorrichtung vorzugsweise mindestens ein federelastisches Element. Das federelastische Element kann auf der von der Messmembran 7 abgewandten Rückseite und/oder der dieser gegenüberliegenden Frontseite der Druckmesszelle 1 angeordnet sein. Ein Ausführungsbeispiel eines auf der Rückseite vorgesehenen federelastischen Elements ist in der rechten Hälfte von Fig. 1 dargestellt. Dort ist zwischen dem als Druckring ausgebildeten Gegenlager 23 und der Rückseite der Druckmesszelle 1 eine Spannfeder 25 angeordnet, die durch das Einschrauben des Druckrings gespannt wird. Alternativ oder zusätzlich kann der Absatz 21 als federelastisches Element ausgebildet sein. Hierzu weist er z.B. eine Dicke auf, die derart bemessen ist, dass der Absatz 21 federelastisch ist. Alternativ hierzu können in den erfindungsgemäßen Drucksensoren auch andere aus dem Stand der Technik bekannte Einspannungvorrichtungen verwendet werden, die eine axiale Einspannung der Druckmesszelle 1 bewirken. Erfindungsgemäß ist zwischen dem äußeren Rand der Messmembran 7 und dem Absatz 21 ein zu einem Ring geschlossener Anpassungskörper 27 eingespannt. Der Anpassungskörper 27 ist zum Beispiel als Kreisring mit rechteckigem Querschnitt ausgebildet. Der Anpassungskörper 27 weist einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, der entlang des Anpassungskörper 27 in vom Absatz 21 zur Messmembran 7 verlaufender Richtung z von einem einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten oM des Absatzes 21 entsprechenden Ausdehnungskoeffizienten auf einen einem thermischen
Ausdehnungskoeffizienten Ok der Messmembran 7 entsprechenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten absinkt.
Der Anpassungskörper 27 besteht hierzu vorzugsweise aus einer Anzahl N
aufeinander angeordneten Schichten S, unterschiedlicher Zusammensetzung. Die einzelnen Schichten S, verlaufen parallel zueinander und parallel zur Messmembran 7. Die Zusammensetzung der einzelnen Schichten S, wird derart vorgegeben, dass die dem Absatz 21 zugewandte äußerste Schicht Si des Anpassungskörpers 27 einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten CH aufweist, der dem thermischen
Ausdehnungskoeffizienten aM des Absatzes 21 entspricht, und ausgehend von dieser äußersten Schicht Si von Schicht zu Schicht schrittweise derart auf den thermischen Ausdehnungskoeffizienten aM des Absatzes 21 abfällt, dass die der Messmembran 7 zugewandte äußerste Schicht SN einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aN aufweist, der dem Ausdehnungskoeffizienten ακ der Messmembran 7 entspricht.
Hierzu weisen die Schichten S, jeweils einen Keramikanteil auf, der größer gleich 0% und kleiner gleich 100 % ist, und einen Metallanteil auf, der größer gleich 0% und kleiner gleich 100 % ist. Die Anteile sind vorzugsweise derart vorgegeben, dass der Keramikanteil der Schichten S, in vom Absatz 21 zur Messmembran 7 verlaufender Richtung z von Schicht zu Schicht ansteigt, während der Metallanteil der Schichten S, in vom Absatz 21 zur Messmembran 7 verlaufender Richtung z von Schicht zu Schicht abnimmt.
Ordnet man der dem Absatz 21 zugewandten äußersten Schicht Si die Koordinate z=0, und der der Messmembran 7 zugewandten äußersten Schicht SN des
Anpassungskörpers 27 die Koordinate z=h zu, wobei h gleich der Höhe des Anpassungskörpers 27 ist, beträgt der Metallanteil einer Schicht S, mit der mittleren axialen Koordinate z beispielsweise
100% x (1 -z/h) und der Keramikanteil dieser Schicht Si beträgt 100% x (z/h). Zur Herstellung des Anpassungskörpers 27 können bekannte Verfahren zur
Herstellung von Gradientenwerkstoffen eingesetzt werden. Ein Beispiel hierzu ist die in der EP 0984839 B1 beschriebene Infiltration eines Poren unterschiedlicher Porengröße aufweisenden Keramikkörpers mit Metall. Alternativ können aufeinander angeordnete Schichten unterschiedlicher Zusammensetzung durch Schichtpressen, Sedimentation oder Naßpulversprühen erzeugt und anschließend gesintert werden.
Vorzugsweise ist der Anpassungskörper 27 ein Sinterkörper, dessen Schichten S, zum Beispiel durch Lasersintern von Pulverschichten entsprechender von Schicht zu Schicht unterschiedlicher Zusammensetzung erzeugt werden. Hierzu kann zum Beispiel das in der IMW- Industriemitteilung Nr. 29 (2004) von Trenke mit dem Titel „Selektives Lasersintern von metallisch/keramischen Schichtstrukturen" beschriebene Laser-Sinterverfahren eingesetzt werden.
Bei diesem Verfahren werden die Komponenten z.B. in Form von mikroskaligen Teilchen bereitgestellt, deren Korngröße vorzugsweise nicht mehr als 20 μιη und besonders bevorzugt nicht mehr als 10 μιη beträgt.
Zum Präparieren einer Schicht wird die koordinaten-abhängige Mischung der
Komponenten auf die bereits verfestigten Schichten aufgetragen und durch
Lasersintern verfestigt. Die gewünschte Zusammensetzung der jeweiligen Schicht S, kann dadurch erzeugt werden, dass eine Metallpulver und Keramikpulver im gewünschten Mischungsverhältnis in durchmischter Form enthaltende Pulverschicht aufgebracht und durch Lasersintern verfestigt wird. Alternativ kann die
Zusammensetzung dadurch erzielt werden, dass die entsprechende Menge
Metallpulver und die entsprechende Menge Keramikpulver jeweils als Pulverschicht entsprechender Dicke aufeinander aufgebracht werden, und die beiden
Pulverschichten durch Lasersintern durchmischt und verfestigt werden.
Ggf. kann der Sinterkörper nach erfolgter Präparation unter Druck bei hoher
Temperatur gehalten werden, um das Gefüge zu verdichten.
Die Unterschiede der thermischen Ausdehnungskoeffizienten asi, asi+i aneinander angrenzender Schichten S,, Si+ des Anpassungskörpers 27 sind umso geringer, je größer die Anzahl N der Schichten S ist. Je geringer diese Unterschiede sind, umso geringer sind auch die sich aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten ausbildenden temperarturabhängigen Spannungen. Die Anzahl N der Schichten wird daher in Abhängigkeit von der Differenz Δα = αΜ - ακ der über den Anpassungskörper 27 schrittweise aneinander anzupassenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten αΜ, ακ des Absatzes 21 bzw. des Gehäuses 17 und der Messmembran 7 vorzugsweise derart vorgegeben, das die Anzahl N nicht weniger als (Δα)/(2 ppm/K), insbesondere nicht weniger als
(Δα)/(1 ppm/K) und bevorzugt nicht weniger als (2Δα)/(1 ppm/K) beträgt.
Der Anpassungskörper 27 weist im Querschnitt in einer parallel zur Flächennormalen auf die Schichten S, vom Absatz 21 zur Messmembran 7 verlaufenden Richtung z eine Höhe h und in einer senkrecht zur Flächennormalen auf die Schichten S, verlaufenden Richtung eine Breite d auf. Die Abmessungen des Anpassungskörpers 27 werden vorzugsweise derart vorgegeben, dass das Produkt aus dem Verhältnis der Breite d des Anpassungskörpers 27 zu dessen Höhe h und dem Betrag der Differenz Δα der thermischen Ausdehnungskoeffizienten ακ, αΜ der Messmembran 7 und des Absatzes 21 , kleiner als eine vorgegebene Konstante ξ mit der Dimension 1/K ist, für die gilt: ξ
< 0,1 %/K, insbesondere < 500 ppm/K, vorzugsweise < 250 ppm/K, weiter bevorzugt < 125 ppm/K und besonders bevorzugt < 60 ppm/K:
— · \Α \ < ξ ,
h 1 1
Die Konstante ξ wird vorzugsweise als Quotient aus einem dimensionslosen
Verformungsparameter C und einer Temperaturdifferenz ΔΤ gemäß:
Figure imgf000014_0001
bestimmt, wobei
- die Temperaturdifferenz ΔΤ gleich der Differenz Tmax - Tmin der maximalen und der minimalen Temperatur Tmax, Tmin ist, bei der der Drucksensor eingesetzt werden soll, und
- C ein dimensionsloser Verformungsparameter ist, für den gilt: C< 4%, insbesondere C< 2% und bevorzugt C<1 %.
Dabei werden die einzelnen Schichten S, des Anpassungskörpers 27 vorzugsweise derart bemessen, dass das Produkt aus dem Verhältnis der Breite ds der jeweiligen Schicht Si zu deren Schichtdicke s und dem Betrag der Differenz Δα5 der thermischen Ausdehnungskoeffizienten aSi-i, aSi+i der an diese Schicht S, angrenzenden Schichten Si-i, Si+i ebenfalls kleiner als die oben genannte vorzugsweise als Quotient aus dem dimensionslosen Verformungsparameter C und der Temperaturdifferenz ΔΤ bestimmte Konstante ξ ist. D. h.: — · |Δα4 | <
s
Dabei weisen die einzelnen Schichten S, vorzugsweise eine Schichtdicke s von nicht weniger als 10 μιη, insbesondere nicht weniger als 20 μιη und bevorzugt nicht weniger als 40 μιη auf, und von nicht mehr als 400 μιη, insbesondere nicht mehr als 200 μιη und bevorzugt nicht mehr als 100 μιη auf.
Nimmt man als Beispiel eine Messmembran 7 aus Aluminiumoxid-Keramik mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten ακ von 8 ppm/K und ein Gehäuse 17 aus Edelstahl mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten aM von 16 ppm/K, dann beträgt die Differenz Δα der thermischen Ausdehnungskoeffizienten 8 ppm/K. Hieraus ergibt sich eine bevorzugte Mindestanzahl N > 2 Δα /(1 ppm/K) von 16 Schichten. Bei den oben angegebenen besonders bevorzugten Schichtdicken von 40 μιη bis 100 μιη ergibt sich hieraus eine bevorzugte Mindesthöhe h des Anpassungskörpers 27 von 640 μιη bis 1 ,6 mm. Geht man von einem Temperaturbereich von - 40°C bis + 130 °C aus, in dem der Drucksensor eingesetzt werden soll, erhält man unter Anwendung des besonders bevorzugten Verformungsparameters C von 1 % für die Konstante ξ gemäß ξ = C/ΔΤ einen Wert von 58,88 ppm/K. Damit liegt die über die oben angeführte Bemessungsregel d/h ΙΔαΙ < ξ berechenbare Breite d des Anpassungskörpers 27 bei einer Höhe h von 640 μιη vorzugweise unterhalb von 4,8 mm.
Zur Abdichtung des Gehäuseinnenraums gegenüber der Umgebung des Drucksensors ist zwischen dem Anpassungskörper 27 und dem äußeren Rand der Messmembran 7 und zwischen dem Anpassungskörper 27 und dem Absatz 21 jeweils eine Dichtung 29 vorgesehen. Die Dichtungen 29 bestehen zum Beispiel aus einem Elastomer, und sind vorzugsweise als Formdichtungen, insb. als flache Formdichtungen mit balliger Kontur ausgebildet.
Durch den Anpassungskörper 27 wird der thermische Ausdehnungskoeffizient aM des Absatzes 21 in axialer Richtung schrittweise in den thermischen
Ausdehnungskoeffizienten ακ der Messmembran 7 überführt. Hierdurch werden größere Sprünge zwischen den thermischen Ausdehnungskoeffizienten aneinander angrenzender Bauteile, an denen sich Spannungsspitzen in radialer Richtung wirkender thermomechanischer Spannungen ausbilden würden, vermieden.
Hierdurch wird erreicht, dass die sich in radialer Richtung ausbildenden
thermomechanischen Spannungen geringere Maximalwerte aufweisen, und von der Messmembran 7 und dem Absatz 21 weg und in den Anpassungskörper 27 hinein verlagert werden, wo sie sich gleichmäßig über dessen gesamte Höhe h hinweg verteilen. Dementsprechend sind die auf jeder Höhe entlang des Anpassungskörpers 27 wirkenden thermomechanischen Spannungen entsprechend gering, und werden vom Anpassungskörper 27 aufgenommen.
Im Unterschied zum eingangs genannten Stand der Technik, wo die Spannungsspitzen der in radialer Richtung wirkenden thermomechanischen Spannungen über die Dichtung zwischen dem Entkopplungsring und dem Absatz abgebaut werden müssen, sind die Dichtungen 29 zwischen Anpassungskörper 27 und Absatz 21 und zwischen Anpassungskörper 27 und Messmembran 7 des erfindungsgemäßen Drucksensors vor Belastungen durch in radialer Richtung wirkende thermomechanische Spannungen geschützt.
Auch wenn die Erfindung vorliegend am Beispiel der im metallischen Gehäuse 17 eingespannten keramischen Druckmesszelle 1 beschrieben ist, ist sie völlig analog auch in Verbindung mit anderen Materialkombinationen von Druckmesszelle und Gehäuse einsetzbar.
Anstelle von Dichtungen 29 aus einem Elastomer können in Verbindung mit den erfindungsgemäßen Drucksensoren auch Dichtungen aus einem thermoplastischen Material, wie zum Beispiel Polytetrafluorethylen (PTFE), eingesetzt werden. Diese Dichtwerkstoffe weisen gegenüber Elastomeren den Vorteil einer höheren thermischen und chemischen Beständigkeit auf. Zwei Ausführungsbeispiele hierzu sind in den Fig. 2 und 3 dargestellt. Sie
unterscheiden sich von dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel durch deren Anpassungskörper 31 bzw. 33 und die als Flachdichtungen ausgebildeten Dichtungen 35 zwischen Anpassungskörper 31 bzw. 33 und Messmembran 7 und zwischen Anpassungskörper 31 bzw. 33 und Absatz 21. Die Flachdichtungen bestehen vorzugsweise aus einem thermoplastischen Material, z. B. aus Polytetrafluorethylen (PFTE). Im Übrigen wird auf die Beschreibung zu Fig. 1 verwiesen.
Der in dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel vorgesehene Anpassungskörper 31 ist ein zu einem Ring geschlossenen Körper mit rechteckigem Querschnitt, auf dessen der Messmembran 7 zugewandten Stirnseite und dessen dem Absatz 21 zugewandten Stirnseite jeweils Strukturelemente 37 vorgesehen sind. Die
Strukturelemente 37 dienen dazu eine radiale Bewegung der Dichtungen 35, insb. ein Kaltfließen unter Druck, begrenzen. Hierzu genügen bereits Strukturelemente 37 geringer Bauhöhe. So können in Verbindung mit Flachdichtungen aus
Polytetrafluorethylen (PTFE) mit einer Dicke von 0,2 mm zum Beispiel Strukturelemente 37 mit einer Bauhöhe von 0,1 mm eingesetzt werden. Abweichungen von diesen Zahlenwerten sind selbstverständlich möglich.
Genau wie der in Fig. 1 dargestellte Anpassungskörper 27 weist auch der in Fig. 2 dargestellte Anpassungskörper 31 einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, der entlang des Anpassungskörper 31 in vom Absatz 21 zur Messmembran 7 verlaufender Richtung z von einen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten OM des Absatzes 21 entsprechenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf einen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten Ok der Messmembran 7 entsprechenden Ausdehnungskoeffizienten absinkt. Der Anpassungskörper 31 kann insoweit auf die gleiche Weise aufgebaut sein, wie der in Fig. 1 dargestellte Anpassungskörper 27.
Die vorstehenden Strukturelemente 37 können z.B. als zu Ringen geschlossene, z.B. kreisringförmige konzentrische Stege ausgebildet sein. Diese werden z.B. dadurch erzeugt, dass mittels mikromechanischer Bearbeitung jeweils benachbarte Stege voneinander trennende Nuten mit einer der Bauhöhe der Stege entsprechenden Nuttiefe erzeugt werden. In dem Fall durchdringen die Nuten eine der Nuttiefe entsprechende Anzahl der aufeinander aufgebrachten äußeren Schichten des
Anpassungskörpers 31. Diese Variante ist in der linken Hälfte von Fig. 2 dargestellt.
Alternativ kann auf der der Messmembran 7 zugewandten Stirnseite und der dem Absatz 21 zugewandten Stirnseite des Anpassungskörpers 31 jeweils eine im Vergleich zu den übrigen Schichten dickere die Strukturelemente 37 aufweisende äußerste Schicht 39, 41 vorgesehen werden. Diese äußersten Schichten 39, 41 weisen hierzu eine Schichtdicke auf, die größer gleich der Bauhöhe der Strukturelement 37 ist. Diese Variante ist in der rechten Hälfte von Fig. 2 dargestellt. Dabei weist die der
Messmembran 7 zugewandte dickere Schicht 39 einen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten auf, der dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten aMder Messmembran 7 entspricht, und die dem Absatz 21 zugewandte dickere Schicht 41 weist einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, der dem thermischen
Ausdehnungskoeffizienten OM des Absatzes 21 entspricht.
Der in Fig. 3 dargestellte Anpassungskörper 33 umfasst einen zu einem Ring geschlossenen Körper mit rechteckigem Querschnitt, auf dessen der Messmembran 7 zugewandten Stirnseite und dessen dem Absatz 21 zugewandten Stirnseite jeweils ein ringförmiger, in axialer Richtung vorstehender Vorsprung 43, 45 bzw. 47, 49, z.B. ein zu einem Ring geschlossener Steg, vorgesehen ist.
Bei dieser Variante bilden die Stirnflächen der Vorsprünge 43, 45 bzw. 47, 49 die Dichtflächen des Anpassungskörpers 33. Die aufgrund der Vorsprünge 43, 45 bzw. 47, 49 verkleinerten Dichtflächen, bieten den Vorteil, dass bei gleicher Einspannkraft in axialer Richtung eine höhere Flächenpressung der Flachdichtung erzielt wird. Dabei weisend die Vorsprünge 43, 45 bzw. 47, 49 vorzugsweise eine Bauhöhe auf, die größer gleich einer Dicke der Dichtung 35 ist.
Die Vorsprünge 43, 45 bzw. 47, 49 weisen in radialer Richtung beispielsweise eine Breite in der Größenordnung von ein bis zwei Zehntelmillimetern bis zu ein bis zwei Millimetern, und in axialer Richtung beispielsweise eine Höhe von einem bis zu einigen wenigen Zehntelmillimetern, z.B. 0,3 mm, auf.
Die beiden Vorsprünge 43, 45 können zum Beispiel jeweils durch eine einzelne auf den dazwischen angeordneten Körper aufgebrachte Schicht mit entsprechender
Grundfläche und Dicke gebildet sein. Diese Variante ist in der linken Hälfte von Fig. 3 dargestellt. In dem Fall entspricht der der Messmembran 7 zugewandte Vorsprung 43 der äußersten membran-zugewandten Schicht des Anpassungskörpers 33 und weist einen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten ακ der Messmembran 7
entsprechenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf. Er besteht vorzugsweise aus der Keramik der Messmembran 7. Der dem Absatz 21 zugewandte Vorsprung 45 bildet die gegenüberliegende äußerste dem Absatz 21 zugewandte Schicht des Anpassungskörpers 33 und weist einen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten aM des Absatzes 21 entsprechenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf. Er besteht vorzugsweise aus dem Metall des Absatzes 21 .
Alternativ können die Vorsprünge 47, 49 genau wie der dazwischen befindliche Körper aus mehreren aufeinander aufgebrachten Schichten des Anpassungskörpers 33 bestehen. Diese Variante ist in der rechte Hälfte von Fig. 3 dargestellt. In dem Fall sinkt der thermische Ausdehnungskoeffizient des Anpassungskörper 33 über alle Schichten desselben, also auch die die Vorsprünge 47, 49 bildenden Schichten, in vom Absatz 21 zur Messmembran 7 verlaufender Richtung von Schicht zu Schicht auf den dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten ok der Messmembran 7 entsprechenden Ausdehnungskoeffizienten ab.
Die Erfindung ist völlig analog auch in Verbindung mit Differenzdrucksensoren mit einer in einem metallischen Gehäuse 51 eingespannten Differenzdruckmesszelle 53, insb. einer keramischen Differenzdruckmesszelle 53, einsetzbar. Ein Ausführungsbeispiel hierzu ist in Fig. 4 dargestellt. Die Differenzdruckmesszelle 53 unterscheidet sich von den in Fig. 1 bis 3 dargestellten Druckmesszellen 1 dadurch, dass sie eine unter Einschluss einer Druckmesskammer 5 auf die der ersten Messmessmembran 7 gegenüberliegende Rückseite des Grundkörpers 3 aufgebrachte zweite Messmembran 7 aufweist. Die zweite Messmembran 7 ist über eine zweite Öffnung 21 im Gehäuse 51 mit einem zweiten Druck p2 beaufschlagbar.
Die beiden Druckmesskammern 5 sind mit einer Druck übertragenden Flüssigkeit gefüllt, und über eine Druckübertragungsleitung 55 miteinander verbunden. Die von der zu messenden Druckdifferenz Δρ abhängige Auslenkung der ersten und/oder der zweiten Messmembran 7 wird auch hier z.B. mittels eines kapazitiven
elektromechanischen Wandlers erfasst, der an eine hier nicht dargestellte
Messelektronik angeschlossen ist, die anhand der gemessenen Kapazitäten den Differenzdruck Δρ bestimmt.
Die Differenzdruckmesszelle 53 ist im Gehäuse 51 in axialer Richtung, also parallel zu den Flächennormalen auf die beiden Messmembranen 7 eingespannt. Hierzu weist das Gehäuse 51 z.B. zwei jeweils eine der Öffnungen 19 aufweisende Gehäusesegmente 57 auf, die miteinander mittels einer hier nur schematisch dargestellten mechanischen Verbindungsvorrichtung 59 verbunden sind. Jede der Öffnungen 19 ist außenseitlich von einem Absatz 21 des jeweiligen Gehäusesegments 57 umgeben.
Genau wie die Druckmesszellen 1 von Fig. 1 bis 3 ist auch die Differenzdruckmesszelle 53 zwischen dem Absatz 21 eines der Gehäusesegmente 57 und einem Gegenlager eingespannt, wobei das Gegenlager hier durch den Absatz 21 des gegenüberliegenden Gehäusesegments 57 und die die beiden Gehäusesegmente 57 verbindende
Verbindungsvorrichtung 59 gebildet wird. Zwischen den äußeren Rändern der Messmembranen 7 und dem die Öffnung 21 , über die die jeweilige Messmembran 7 mit dem ersten bzw. dem zweiten Druck p-i , p2 beaufschlagbar ist, außenseitlich umgebenden Absatz 21 des jeweiligen
Gehäusesegments 57 ist jeweils ein Anpassungskörper 27 angeordnet, der einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der entlang des jeweiligen
Anpassungskörpers 27 in vom jeweiligen Absatz 21 zur jeweiligen Messmembran 7 verlaufender Richtung von einem dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten OM des jeweiligen Absatzes 21 entsprechenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf einen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten Ok der jeweiligen Messmembran 7 entsprechenden Ausdehnungskoeffizienten abfällt.
Zur Abdichtung des Gehäuseinnenraums gegenüber der Umgebung des
Differenzdrucksensors ist auch hier zwischen jedem der Anpassungskörper 27 und dem äußeren Rand der diesem zugewandten Messmembran 7 und zwischen jedem der Anpassungskörper 27 und dem diesem zugewandten Absatz 21 jeweils eine Dichtung 29 vorgesehen. Die Anpassungskörper 27 und die Dichtungen 29 können - wie in Fig. 4 -dargestellt auf die anhand von Fig. 1 beschriebene Weise ausgebildet sein. Alternativ können stattdessen auch die anhand von Fig. 2 und 3 beschriebenen Anpassungskörper 31 bzw. 33 und Dichtungen 35 eingesetzt werden.
I Druckmesszelle
3 Grundkörper
5 Druckmesskammer
7 Messmembran
9 Druckzuleitung
I I Elektrode
13 Gegenelektrode
15 Primärsignalpfad
17 Gehäuse
19 Öffnung
21 Absatz
23 Gegenlager
25 Spannfeder
27 Anpassungskörper 29 Dichtung
31 Anpassungskörper
33 Anpassungskörper
35 Dichtung
37 Strukturelemente 39 Schicht
41 Schicht
43 Vorsprung
45 Vorsprung
47 Vorsprung
49 Vorsprung
51 Gehäuse
53 Differenzdruckmesszelle
55 Druckübertragungsleitung
57 Gehäusesegment 59 Verbindungsvorrichtung

Claims

Patentansprüche
1. Drucksensor, mit
- einem Gehäuse (17, 51 ), insb. einem metallischen Gehäuse (17, 51 ),
- einer in dem Gehäuse (17, 51 ) zwischen einem eine Öffnung (19) des Gehäuses (17) außenseitlich allseitig umschließenden Absatz (21 ) und einem Gegenlager (23) eingespannten Druckmesszelle (1 ), insb. einer keramischen Druckmesszelle (1 ),
- die eine auf einem Grundkörper (3) unter Einschluss einer Druckmesskammer (5) angeordnete Messmembran (7) aufweist, und
- deren Messmembran (7) über die Öffnung (21 ) mit einem Druck (p)
beaufschlagbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
zwischen einem äußeren Rand der Messmembran (7) und dem Absatz (21 ) ein Anpassungskörper (27, 31 , 33) angeordnet ist, der einen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der entlang des Anpassungskörper (27, 31 , 33) in vom Absatz (21 ) zur Messmembran (7) verlaufender Richtung von einem einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten (OM) des Absatzes (21 ) entsprechenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf einen einem thermischen
Ausdehnungskoeffizienten (Ok) der Messmembran (7) entsprechenden
Ausdehnungskoeffizienten absinkt.
2. Drucksensor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass
zwischen dem Anpassungskörper (27, 31 , 33) und der Messmembran (7) und zwischen dem Anpassungskörper (27, 31 , 33) und dem Absatz (21 ) jeweils eine
Dichtung (29, 35), insb. eine Dichtung (29) aus einem Elastomer oder eine Dichtung (35), insb. eine Flachdichtung, aus einem thermoplastischen Material, insb. aus Polytetrafluorethylen (PTFE), angeordnet ist.
3. Drucksensor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass
der Anpassungskörper (27) ein zu einem Ring geschlossener Anpassungskörper (27) mit rechteckigem Ouerschnitt ist.
4. Drucksensor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass
- zwischen dem Anpassungskörper (31 ) und der Messmembran (7) und zwischen dem Anpassungskörper (31 ) und dem Absatz (21 ) jeweils eine Dichtung (35), insb. eine Flachdichtung, insb. eine Dichtung (35) aus einem thermoplastischen
Material, insb. aus Polytetrafluorethylen (PTFE), angeordnet ist,
- der Anpassungskörper (31 ) ein zu einem Ring geschlossenen Körper ist, und - der Anpassungskörper (31 ) auf dessen der Messmembran (7) zugewandten Stirnseite und dessen dem Absatz (21 ) zugewandten Stirnseite Strukturelemente (37) aufweist.
5. Drucksensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass
- der Anpassungskörper (31 ) aufeinander aufgebrachte Schichten (S,) aufweist,
- die Strukturelemente (37) zu Ringen geschlossene, insb. kreisringförmige, insb. konzentrische, Stege sind, und
- benachbarte Stege durch Nuten voneinander getrennt sind,
- die durch eine der Bauhöhe der Strukturelemente (37) entsprechende Anzahl von aufeinander aufgebrachten äußeren Schichten des Anpassungskörpers (27) verlaufen, oder
- die in den beiden äußersten Schichten (39, 41 ) des Anpassungskörpers (31 ) verlaufen, wobei die äußersten Schichten (39, 41 ) eine Schichtdicke aufweisen, die größer gleich der Bauhöhe der Strukturelemente (37) ist.
6. Drucksensor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass
- zwischen dem Anpassungskörper (33) und der Messmembran (7) und zwischen dem Anpassungskörper (33) und dem Absatz (21 ) jeweils eine Dichtung (35), insb. eine Flachdichtung, insb. eine Dichtung (35) aus einem thermoplastischen
Material, insb. aus Polytetrafluorethylen (PTFE), angeordnet ist,
- der Anpassungskörper (33) ein zu einem Ring geschlossenen Körper ist, und
- der Anpassungskörper (33) auf dessen der Messmembran (7) zugewandten
Stirnseite und dessen dem Absatz (21 ) zugewandten Stirnseite jeweils einen in axialer Richtung vorstehenden Vorsprung (43, 45; 47, 49), insb. einen Vorsprung
(43, 45; 47, 49), der eine Bauhöhe aufweist, die größer gleich einer Dicke der Dichtung (25) ist, insb. einen zu einem Ring geschlossenen Steg, aufweist.
7. Drucksensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass
- der Anpassungskörper (33) aufeinander aufgebrachte Schichten (S,) aufweist, und
- der der Messmembran (7) zugewandte Vorsprung (43) die äußerste membranzugewandte Schicht des Anpassungskörpers (33) bildet, und der dem Absatz (21 ) zugewandte Vorsprung (45) die gegenüberliegende äußerste dem Absatz (21 ) zugewandte Schicht des Anpassungskörpers (33) bildet, oder die Vorsprünge (47, 49) aus mehreren aufeinander aufgebrachten Schichten des Anpassungskörpers
(33) bestehen.
8. Drucksensor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass
der Anpassungskörper (27, 31 , 33) aufeinander angeordnete Schichten (S,) unterschiedlicher Zusammensetzung, insb. durch Lasersintern von metallische und/oder keramische Anteile enthaltenden Pulverschichten aufeinander
aufgebrachte Schichten, aufweist, und
- die Schichten (S,) einen Keramikanteil aufweisen, der größer gleich 0 % und kleiner gleich 100 % ist, und einen Metallanteil aufweisen, der größer gleich 0 % und kleiner gleich 100 % ist, wobei
- der Keramikanteil in vom Absatz (21 ) zur Messmembran (7) verlaufender Richtung (z) von Schicht zu Schicht zunimmt, und
- der Metallanteil in vom Absatz (21 ) zur Messmembran (7) verlaufender
verlaufender Richtung (z) von Schicht zu Schicht abnimmt.
9. Drucksensor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass
- der Anpassungskörper (27, 31 , 33) aufeinander aufgebrachte Schichten aufweist, und
- eine Anzahl (N) der Schichten (S,) größer gleich einer Differenz (Δα) zwischen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten (aM) der Messmembran (7) und dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten (ακ) des Absatzes (21 ) geteilt durch 2 ppm/K, insbesondere größer gleich der Differenz (Δα) geteilt durch 1 ppm/K, insb. größer gleich dem zweifachen der Differenz (Δα) geteilt durch 1 ppm/K, ist.
10. Drucksensor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass
- der Anpassungskörper (27, 31 , 33) aufeinander aufgebrachte Schichten (S,) aufweist, und
- die Schichten (S,) eine Schichtdicke (s) von nicht weniger als 10 μιη,
insbesondere nicht weniger als 20 μιη, insb. nicht weniger als 40 μιη aufweisen, und von nicht mehr als 400 μιη, insbesondere nicht mehr als 200 μιη, insb. nicht mehr als 100 μιη aufweisen.
1 1. Drucksensor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass
- der Anpassungskörper (27, 31 , 33) einen Körper mit im Wesentlichen
rechteckigem Querschnitt umfasst, der in vom Absatz (21 ) zur Messmembran (7) verlaufender Richtung eine Höhe (h), und senkrecht dazu eine Breite (d) aufweist, und
- ein Produkt aus einem Verhältnis von der Breite (d) des Körpers zur Höhe (h) des Körpers und dem Betrag der Differenz (Δα) der thermischen
Ausdehnungskoeffizienten (ακ, OM) der Messmembran (7) und des Absatzes (21 ) kleiner als eine Konstante ( ξ) mit der Dimension 1/K ist, wobei
- die Konstante ( ξ) kleiner als 0,1 %/K, insbesondere kleiner 500 ppm/K, insb. kleiner als 250 ppm/K, insb. kleiner als 125 ppm/K, insb. kleiner als 60 ppm/K ist, und/oder - die Konstante ( ξ) gleich einem Quotient aus einem dimensionslosen
Verformungsparameter (C) und einer Temperaturdifferenz (ΔΤ) zwischen einer maximalen und einer minimalen Temperatur (Tmax, Tmin), bei der der
Drucksensor eingesetzt werden soll, ist, und der Verformungsparameter kleiner als 4%, insb. kleiner als 2%, insb. kleiner als 1 % ist.
12. Drucksensor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass
- der Anpassungskörper (27, 31 , 33) einen aus aufeinander angeordneten
Schichten (S,) aufgebauten Körper mit im Wesentlichen rechteckigem
Querschnitt umfasst,
- die einzelnen Schichten (S,) jeweils eine sich parallel zur Flächennormalen auf die Schicht (Si) erstreckende Schichtdicke (s) und eine sich senkrecht zur
Flächennormalen auf die Schicht (S,) erstreckende Breite (ds) aufweisen, und
- ein Produkt aus dem Verhältnis der Breite (ds) der jeweiligen Schicht (S,) zu deren Schichtdicke (s) und dem Betrag der Differenz (Δα5 ) der thermischen
Ausdehnungskoeffizienten der an diese Schicht (S,) angrenzenden Schichten (S,. -I , Sj+i) kleiner als eine Konstante ( ξ) mit der Dimension 1/K ist, wobei
- die Konstante ( ξ) kleiner als 0, 1 %/K, insbesondere kleiner 500 ppm/K, insb. kleiner als 250 ppm/K, insb. kleiner als 125 ppm/K, insb. kleiner als 60 ppm/K ist, und/oder
- die Konstante ( ξ) gleich einem Quotient aus einem dimensionslosen
Verformungsparameter (C) und einer Temperaturdifferenz (ΔΤ) zwischen einer maximalen und einer minimalen Temperatur (Tmax, Tmin), bei der der
Drucksensor eingesetzt werden soll, ist, und der Verformungsparameter kleiner als 4%, insb. kleiner als 2%, insb. kleiner als 1 % ist.
13. Drucksensor nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Druckmesszelle eine Differenzdruckmesszelle (53) ist,
- die eine zweite auf dem Grundkörper (3) unter Einschluss einer
Druckmesskammer (5) angeordnete über eine zweite Öffnung (21 ) im Gehäuse
(51 ) mit einem zweiten Druck (p2) beaufschlagbare Messmembran (7) aufweist, und
- zwischen einem äußeren Rand der zweiten Messmembran (7) und einem die zweite Öffnung (21 ) außenseitlich umgebenden zweiten Absatz (21 ) ein zweiter Anpassungskörper (27, 31 , 33) angeordnet ist, der einen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der entlang des zweiten Anpassungskörpers (27, 31 , 33) in vom zweiten Absatz (21 ) zur zweiten Messmembran (7) verlaufender Richtung von einem dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten {OM) des zweiten Absatzes (21 ) entsprechenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf einen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten (afc) der zweiten Messmembran (7) entsprechenden Ausdehnungskoeffizienten absinkt.
14. Verfahren zur Herstellung eines aus Schichten aufgebauten Anpassungskörpers (27, 31 , 33) für einen Drucksensor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass
- die einzelnen Schichten (S,) erzeugt werden, indem eine Metallpulver und
Keramikpulver in einem der Zusammensetzung der jeweiligen Schicht (S,) entsprechenden Mischungsverhältnis in durchmischter Form enthaltende Pulverschicht aufgebracht, und durch Lasersintern verfestigt wird, oder
- die einzelnen Schichten (S,) erzeugt werden, indem eine der Zusammensetzung der jeweiligen Schicht (S,) entsprechende Menge Metallpulver und eine der Zusammensetzung der jeweiligen Schicht (S,) entsprechende Menge
Keramikpulver jeweils als Pulverschicht aufeinander aufgebracht werden, und die beiden Pulverschichten durch Lasersintern durchmischt und verfestigt werden.
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