DE10101180A1 - Differential pressure sensor and method for differential pressure measurement - Google Patents
Differential pressure sensor and method for differential pressure measurementInfo
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Abstract
Ein Differenzdrucksensor, zur Bestimmung des Differenzdrucks zwischen zwei Messpunkten, umfasst einen Druckbehälter 4, welcher mit einer Übertragungsflüssigkeit gefüllt ist; eine in dem Druckbehälter 4 angeordnete Messzelle, die von der Übertragungsflüssigkeit umgeben ist, mit zwei Halbzellen 1; einen membranartigen Verformungskörper 2, welcher die beiden Halbzellen 1 druckdicht voneinander trennt; und zwei Druckzuleitungen 7, welche jeweils den Druck von einem der beiden Meßpunkte außerhalb des Druckbehälters 4 einer der beiden Halbzellen zuführen; und mindestens einen Druckspeicher 6, dessen Druck auf die Übertragungsflüssigkeit in dem Behälter wirkt. Als Druckspeicher 6 sind elastische bzw. kompressible Körper mit linearer oder degressiver Kennlinie geeignet. Der Druckspeicher 6 gleicht Volumenänderungen der Übertragungsflüssigkeit aufgrund von Temperaturschwankungen aus.A differential pressure sensor, for determining the differential pressure between two measuring points, comprises a pressure container 4 which is filled with a transmission liquid; a measuring cell arranged in the pressure vessel 4 and surrounded by the transmission liquid, with two half cells 1; a membrane-like deformation body 2, which separates the two half cells 1 from one another in a pressure-tight manner; and two pressure supply lines 7, each of which feed the pressure from one of the two measuring points outside the pressure vessel 4 to one of the two half cells; and at least one pressure accumulator 6, the pressure of which acts on the transmission liquid in the container. Elastic or compressible bodies with a linear or degressive characteristic are suitable as the pressure accumulator 6. The pressure accumulator 6 compensates for changes in volume of the transmission fluid due to temperature fluctuations.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Differenzdrucksensor sowie ein Verfahren zu dessen Montage. Genauer betrifft die Erfindung einen Differenzdrucksensor mit einer isostatisch gelagerten Druckmeßzelle.The invention relates to a differential pressure sensor and a Procedure for its assembly. More specifically, the invention relates to one Differential pressure sensor with an isostatically mounted pressure measuring cell.
Differenzdruckzellen werden insbesondere dazu eingesetzt, geringe Druckunterschiede zwischen großen statischen Drücken zu messen. Deshalb sind die Zellen so zu bemessen, daß sie den statischen Drücken standhalten. Bei einer Meßzelle bestehend aus zwei Halbzellen, die mittels einer Mittenmembran voneinander getrennt sind, müssen daher insbesondere auch die Fügestellen zwischen der Trennmembran und den Halbzellen entsprechend stark ausgelegt werden, um beispielsweise den starken Schälspannungen standzuhalten, die aufgrund des großen Druckunterschieds zwischen dem Zelleninneren und der Umgebung auftreten. Dies führt jedoch zwangsläufig zu einer Versteifung der Meßmembran oder ähnlichen Beeinträchtigungen, die letztendlich die Meßgenauigkeit des Differenzdrucksensors beeinträchtigen.Differential pressure cells are used, in particular, low Measure pressure differences between large static pressures. Therefore the cells must be dimensioned so that they can withstand the static pressures. In the case of a measuring cell consisting of two half cells, which by means of a Center membrane are separated from each other, must therefore in particular the joints between the separating membrane and the half cells be interpreted accordingly strong, for example the strong Withstand peeling stresses due to the large pressure difference between the inside of the cell and the environment. However, this leads inevitably stiffen the measuring membrane or the like Impairments that ultimately affect the measurement accuracy of the Affect differential pressure sensor.
Im Sinne einer verbesserten Meßgenauigkeit ist es wünschenswert, die Fügestellen zu entlasten und damit die Dimensionierungsanforderungen zu reduzieren. Hierzu offenbart Bonne in US Patent Nr. 5,684,253 einen Differenzdrucksensor, bei dem die Druckmeßzelle in einer Kammer eines Gehäuses angeordnet ist, wobei die Druckzuleitung zu einer Halbzelle der Druckmeßzelle eine Verzweigung aufweist so daß das Medium aus der Druckzuleitung auch die Meßzelle umgibt und diese mit dem jeweils anstehenden Meßdruck zu beaufschlagen. Auf diese Weise ist der Druckunterschied zwischen dem Inneren der Halbzelle und der Umgebung der Druckmeßzelle weitgehend eliminiert. Insofern als der Druck in der zweiten Halbzelle ähnlich groß ist wie in der ersten Halbzelle, bietet die beschriebene Anordnung für konstante Druckverhältnisse einen angemessenen Schutz. Bei Druckschwankungen bzw. -stößen erweist sich diese Anordnung jedoch als anfällig, da der Druck in einer Halbzelle den Umgebungsdruck deutlich überschreiten kann, der mit dem Druck in der anderen Halbzelle identisch ist. Deshalb ist es erforderlich, die Fügungen zwischen den Halbzellen und der Membran doch sehr widerstandsfähig auszulegen und somit die eingangs beschriebenen Kompromisse hinsichtlich der Meßgenauigkeit in Kauf zu nehmen.In order to improve the measurement accuracy, it is desirable that Relieve joints and thus the dimensioning requirements to reduce. To this end, Bonne in U.S. Patent No. 5,684,253 discloses one Differential pressure sensor, in which the pressure measuring cell in a chamber Housing is arranged, the pressure supply line to a half cell of the Pressure measuring cell has a branch so that the medium from the Pressure supply line also surrounds the measuring cell and this with the respective applied pressure. In this way it is Pressure difference between the inside of the half cell and the environment the pressure measuring cell largely eliminated. Insofar as the pressure in the second half cell is similar in size to the first half cell, the offers described arrangement for constant pressure ratios adequate protection. In the event of pressure fluctuations or surges, it turns out this arrangement, however, is susceptible because the pressure in a half-cell Ambient pressure can significantly exceed that with the pressure in the other half cell is identical. That is why it is necessary to have the coincidences very resistant between the half cells and the membrane to interpret and thus the compromises described above the accuracy of measurement.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Differenzdrucksensor bereitzustellen, der bei hinreichender Empfindlichkeit auch Druckschwankungen standhalten kann.It is therefore the object of the present invention, a Provide differential pressure sensor with sufficient sensitivity can also withstand pressure fluctuations.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Differenzdrucksensor nach unabhängigen Anspruch 1 und das Verfahren nach unabhängigen Anspruch 17. Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.The object is achieved according to the invention by the differential pressure sensor according to independent claim 1 and the method according to independent Claim 17. Further configurations and advantages of the invention result itself from the dependent claims, the description and the Drawings.
Der erfindungsgemäße Differenzdrucksensor zur Bestimmung des Differenzdrucks zwischen zwei Messpunkten, umfasst einen Druckbehälter, welcher mit einer Übertragungsflüssigkeit gefüllt ist; eine in dem Druckbehälter angeordnete Meßzelle, die von der Übertragungsflüssigkeit umgeben ist, mit zwei Halbzellen und einem membranartigen Verformungskörper, welcher die beiden Halbzellen druckdicht voneinander trennt; zwei Druckzuleitungen, welche jeweils den Druck von einem der beiden Meßpunkte einer der beiden Halbzellen zuführen; und mindestens einen Druckspeicher, dessen Druck auf die Übertragungsflüssigkeit in dem Behälter wirkt.The differential pressure sensor according to the invention for determining the Differential pressure between two measuring points, includes a pressure vessel, which is filled with a transmission fluid; one in the pressure vessel arranged measuring cell, which is surrounded by the transmission liquid with two half cells and a membrane-like deformation body, which the separates the two half cells from each other in a pressure-tight manner; two pressure lines, which in each case the pressure of one of the two measuring points one of the two Feed half cells; and at least one pressure accumulator, the pressure of which the transfer liquid acts in the container.
Die Übertragungsflüssigkeit im Druckbehälter ist vorzugsweise mit einem Druck beaufschlagt, der größer ist als der Nenndruck des Differenzdrucksensors und besonders bevorzugt größer ist als die bei Druckschlägen auftretenden Maximalwerte.The transmission liquid in the pressure vessel is preferably with a Pressure that is greater than the nominal pressure of the Differential pressure sensor and is particularly preferably larger than that at Maximum pressure occurring.
Der Druckspeicher weist in einer bevorzugten Ausführungsform mindestens einen elastisch verformbaren Körper auf, der geeignet ist, Volumenänderungen der Übertragungsflüssigkeit aufgrund von Temperaturschwankungen auszugleichen und den Druck in dem Druckbehälter innerhalb einer vorgegebenen Bandbreite zu halten. Außerdem kann der Druckspeicher eine pneumatische Komponente umfassen, die bei einer Volumenvergrößerung der Übertragungsflüssigkeit komprimiert wird und sich im umgekehrten Falle ausdehnt. Eine Kombination eines elastischen Körpers mit einem pneumatischen Element ist ebenfalls zur Realisierung eines Druckspeichers geeignet.In a preferred embodiment, the pressure accumulator has at least one an elastically deformable body that is suitable Volume changes in the transmission fluid due to Compensate for temperature fluctuations and the pressure in the Keep pressure vessels within a specified range. Moreover can the pressure accumulator comprise a pneumatic component which at an increase in volume of the transmission liquid is compressed and conversely, expands. A combination of an elastic Body with a pneumatic element is also being realized suitable for a pressure accumulator.
Bei einem linear elastischen Körper, beispielsweise einer Schraubenfeder oder einer anderen axial komprimierbaren Feder in einem flexiblen Balg, ist die Kraft proportional zur relativen Längenänderung des elastischen Körpers. Folglich ist bei einem Druckspeicher mit einem linear elastischen Körper die Druckzunahme proportional zu dessen relativer Volumenänderung. Daher folgt aus der zu erwartenden Volumenänderung der Übertragungsflüssigkeit über die Spanne der Betriebstemperaturen und dem zulässigen Toleranzbereich für den Druck im Druckbehälter ein Mindestvolumen für den Druckspeicher.In the case of a linearly elastic body, for example a coil spring or another axially compressible spring in a flexible bellows the force proportional to the relative change in length of the elastic body. Consequently, in a pressure accumulator with a linearly elastic body Pressure increase proportional to its relative volume change. Therefore follows from the expected change in volume of the transmission fluid over the range of operating temperatures and the permissible Tolerance range for the pressure in the pressure vessel is a minimum volume for the Pressure accumulator.
Der Druckspeicher kann als Alternative zu linear elastischen Körpern auch nicht linear elastische Körper mit einer degressiven Kennlinie umfassen. Dies kann einerseits durch elastische Materialien mit einer degressiven Kennlinie oder durch eine nicht lineare Anlenkung von linear elastischen Körpern erzielt werden. Zu den nicht linear elastischen Materialien gehören beispielsweise Formgedächtnis-Legierungen, z. B. kaltverformte Ni-Ti-Legierungen, die bei Auslenkung von einer austenitischen Phase einen spannungsinduzierten Martensit bilden. Der Übergang in die martensitische Phase bewirkt eine degressive Kennlinie. Eine nicht lineare Anlenkung mit resultierender degressiver Kennlinie ist beispielsweise über eine Druckfederanordnung mit zwei oder mehr Druckfedern zu realisieren, deren Längsachsen vorzugsweise symmetrisch auf der Mantelfläche eines Kegels mit variablem Öffnungswinkel liegen, dessen Symmetrieachse die Kompressionsrichtung des Druckspeichers definiert. Ähnliche Federanordnungen mit variablem Neigungswinkel oder Rollfedern sind ebenfalls geeignet, um eine degressive Kennlinie zu erzielen.The pressure accumulator can also be used as an alternative to linear elastic bodies include non-linear elastic bodies with a degressive characteristic. This can be achieved on the one hand through elastic materials with a degressive characteristic or achieved by a non-linear articulation of linear elastic bodies become. Non-linear elastic materials include, for example Shape memory alloys, e.g. B. cold-formed Ni-Ti alloys, which at Deflection from an austenitic phase to a stress-induced one Form martensite. The transition to the martensitic phase causes one degressive characteristic. A non-linear articulation with resulting degressive characteristic is, for example, via a compression spring arrangement to realize two or more compression springs, the longitudinal axes of which are preferred symmetrical on the surface of a cone with a variable opening angle lie, the axis of symmetry the compression direction of the Pressure accumulator defined. Similar spring arrangements with variable Tilt angles or roller springs are also suitable to make a degressive Achieve characteristic.
Der Druckspeicher kann ebenfalls durch kompressible oder elastische Füllkörper realisiert werden, die in den Druckbehälter eingebracht werden. Dies führt einerseits zu einer Minimierung des Restvolumens im Druckbehälter, welches mit der Übertragungsflüssigkeit zu füllen ist und andererseits ermöglicht es eine vergleichsweise einfache Anpassung eines Druckbehälters an verschiedene Sensorelemente, indem der Zwischenraum mit Füllkörpern und Übertragungsflüssigkeit in einem geeigneten Volumenverhältnis befüllt wird, wobei die Übertragungsflüssigkeit mit dem erforderlichen Druck beaufschlagt wird. Als Füllkörper, kommen z. B. massive Kugeln oder Hohlkugeln aus elastischen Werkstoffen in Frage. Durch Einsatz poröser elastischer Materialien kann ebenfalls über die Porosität der Volumenanteil der Übertragungsflüssigkeit im Druckbehälter kontrolliert werden.The pressure accumulator can also be compressed or elastic Packing bodies can be realized, which are introduced into the pressure vessel. On the one hand, this leads to a minimization of the residual volume in the Pressure vessel, which is to be filled with the transmission liquid and on the other hand, it enables a comparatively simple adaptation of a Pressure vessel to various sensor elements by the gap with packing and transfer liquid in a suitable Volume ratio is filled, the transmission liquid with the required pressure is applied. As filler, z. B. massive Balls or hollow balls made of elastic materials are possible. Through commitment porous elastic materials can also about the porosity of the Volume fraction of the transmission fluid in the pressure vessel checked become.
Anstelle einer Vielzahl von Füllkörpern, kann das Innere des Druckbehälters auch mit einem geeigneten Schaum gefüllt werden, wobei der Anteil geschlossener Poren, offener Poren und des massiven Materials die Parameter sind, mit denen sich das für die Übertragungsflüssigkeit verbleibende Volumen kontrollieren läßt.Instead of a variety of packing, the inside of the pressure vessel also be filled with a suitable foam, the proportion closed pores, open pores and the massive material Are parameters with which this applies to the transmission fluid the remaining volume can be checked.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Messen einer Druckdifferenz zwischen zwei Meßpunkten, umfasst die Schritte Bereitstellen einer Differenzdruckmeßzelle mit zwei Halbzellen und einer Trennmembran, in einem Druckbehälter; Befüllen des Druckbehälters mit einer Übertragungsflüssigkeit; Beaufschlagen der Übertragungsflüssigkeit mit einem Druck der mindestens so groß ist, wie der Nenndruck an den Meßpunkten; Anschließen der beiden Meßpunkte an jeweils eine Halbzelle; des Differenzdrucksensors; und Ausgleichen von Volumenänderungen der Übertragungsflüssigkeit mittels eines elastischen Druckspeichers, der mit der Übertragungsflüssigkeit in dem Druckbehälter kommuniziert.The inventive method for measuring a pressure difference between two measuring points, comprises the steps of providing one Differential pressure measuring cell with two half cells and a separating membrane, in a pressure vessel; Fill the pressure vessel with one Transmission fluid; Applying the transmission liquid with a Pressure that is at least as high as the nominal pressure at the measuring points; Connecting the two measuring points to a half cell; of Differential pressure sensor; and compensate for changes in volume of the Transmission fluid by means of an elastic pressure accumulator, which with the Transmission fluid communicates in the pressure vessel.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:The invention is illustrated by the following drawings. It shows:
Fig. 1: einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Differenzdrucksensor; Fig. 1 shows a longitudinal section through a differential pressure sensor;
Fig. 2a: einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Differenzdrucksensor mit einem linear elastischen Druckspeicher; Fig. 2a shows a schematic longitudinal section through an inventive differential pressure sensor with a linear elastic accumulator;
Fig. 2b: einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Differenzdrucksensor mit einem nicht linear elastischen Druckspeicher; FIG. 2b shows a schematic longitudinal section through a differential pressure sensor having a non linear elastic accumulator;
Fig. 3: einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Differenzdrucksensor mit einem aus Füllkörpern gebildeten elastischen Druckspeicher; und FIG. 3 shows a schematic longitudinal section through an inventive differential pressure sensor with a carrier formed from packing elastic accumulator; and
Fig. 4: ein Diagramm der Druckentwicklung im Druckbehälter bei Verwendung linear elastischer und nicht linear elastischer Druckspeicher. FIG. 4 shows a diagram of the pressure development in the pressure vessel when using linear elastic and non-linearly elastic pressure accumulator.
Der Längsschnitt in Fig. 1 zeigt die wesentlichen Komponenten eines erfindungsgemäßen Differenzdrucksensors. Die eigentliche Meßzelle umfaßt zwei Halbzellen 1, welche durch eine Meßmembran 2 druckdicht voneinander getrennt sind. Über zwei Druckzuleitungen 7 sind die Halbzellen 1 jeweils mit einem Meßpunkt verbunden und mit dem dort anstehenden Druck beaufschlagt, wodurch die Membran 2 entsprechend der Druckdifferenz verformt wird. Die Verformung wird entweder kapazitiv, resistiv oder induktiv in eine Meßsignal umgesetzt. Die Meßzelle ist in einem Druckbehälter eingeschlossen der mit einer Übertragungsflüssigkeit, beispielsweise einem Hydrauliköl o. ä., gefüllt ist. Die Übertragungsflüssigkeit sollte möglichst wenig kompressibel sein und über den gesamten Bereich der Betriebstemperaturen als flüssige Phase vorliegen. Der Druckbehälter ist vorzugsweise so dimensioniert, daß er durch Volumen- bzw. Druckänderungen der Übertragungsflüssigkeit während des Betriebs keine Verformungen erleidet. Als Material für den Druckbehälter sind metallische Werkstoffe, insbesondere Stahl, geeignet.The longitudinal section in Fig. 1 shows the essential components of a differential pressure sensor according to the invention. The actual measuring cell comprises two half cells 1 , which are separated from one another by a measuring membrane 2 in a pressure-tight manner. The half-cells 1 are each connected to a measuring point via two pressure supply lines 7 and acted upon by the pressure present there, as a result of which the membrane 2 is deformed in accordance with the pressure difference. The deformation is converted either capacitively, resistively or inductively into a measurement signal. The measuring cell is enclosed in a pressure vessel which is filled with a transmission liquid, for example a hydraulic oil or the like. The transmission fluid should be as little compressible as possible and should be present as a liquid phase over the entire range of operating temperatures. The pressure vessel is preferably dimensioned such that it does not suffer any deformation due to changes in volume or pressure of the transmission fluid during operation. Metallic materials, in particular steel, are suitable as the material for the pressure vessel.
Zur Befüllung des Druckbehälters 4 mit einer Übertragungsflüssigkeit ist in der gezeigtne Ausführungsform ein Füllstutzen 5 vorgesehen, der nach dem Befüllen zusammen gedrückt werden kann, um den Druck im Druckbehälter 4 weiter zu erhöhen. Optional kann auch ein Stempel oder Kolben vorgesehen sein der zur Einstellung des Drucks im Behälter, beispielsweise durch Einschrauben, variabel eingebracht wird. Sowohl ein Einfüllstutzen als auch ein Stempel oder Kolben kann prinzipiell bei jeder Ausführungsform vorgesehen sein, auch wenn dies im folgenden nicht mehr ausdrücklich erwähnt wird.To fill the pressure vessel 4 with a transmission liquid, a filler neck 5 is provided in the embodiment shown, which can be pressed together after filling in order to further increase the pressure in the pressure vessel 4 . Optionally, a stamp or piston can also be provided, which is variably introduced to adjust the pressure in the container, for example by screwing it in. In principle, both a filler neck and a stamp or piston can be provided in each embodiment, even if this is no longer expressly mentioned below.
Im Druckbehälter ist außerdem ein Druckspeicher 6 angeordnet, der einen elastisch verformbaren Körper aufweist, welcher Volumenänderungen der Übertragungsflüssigkeit ausgleicht. Solche Volumenänderungen treten insbesondere aufgrund von Temperaturschwankungen im Druckbehälter 4 auf. Ohne einen Druckspeicher wäre es nicht möglich den Druck im Druckbehälter 4 in einem Toleranzbereich zu halten, da die Übertragungsflüssigkeit nicht hinreichend kompressibel ist.A pressure accumulator 6 is also arranged in the pressure container and has an elastically deformable body which compensates for changes in volume of the transmission fluid. Such volume changes occur in particular due to temperature fluctuations in the pressure vessel 4 . Without a pressure accumulator, it would not be possible to keep the pressure in the pressure vessel 4 within a tolerance range, since the transmission fluid is not sufficiently compressible.
Das Wirkprinzip eines Druckspeichers wird nun anhand der Skizze in Fig. 2a erläutert. Der Druckspeicher 60 umfaßt hier eine Druckfeder 61, hier eine Spiraldruckfeder, welche die axiale Auslenkung eines Balgs 62 kontrolliert. Vorzugsweise ist die Feder 61 durch geeignete (hier nicht gezeigte) Mittel vorgespannt, so daß bei einer Beaufschlagung mit dem erforderlichen Druck bei der minimalen Betriebstemperatur des Sensors, d. h. dem minimalen Volumen der Übertragungsflüssigkeit, nur eine geringe zusätzliche Kompression erfolgt. Wenn sich die Temperatur der Übertragungsflüssigkeit erhöht, dehnt sich diese aus, und die damit einhergehende Druckerhöhung führt nun zu einer weiteren Kompression der Druckfeder 61 und des Balgs 62.The principle of action of a pressure accumulator is now explained using the sketch in FIG. 2a. The pressure accumulator 60 here comprises a compression spring 61 , here a spiral compression spring, which controls the axial deflection of a bellows 62 . The spring 61 is preferably biased by suitable means (not shown here), so that when the required pressure is applied at the minimum operating temperature of the sensor, ie the minimum volume of the transmission liquid, only a slight additional compression takes place. When the temperature of the transmission fluid increases, it expands and the associated pressure increase now leads to a further compression of the compression spring 61 and the bellows 62 .
Anstelle der Spiraldruckfeder 61, kommen auch metallische Tellerfedern sowie temperaturfeste Elastomere, beispielsweise EPDM, NBR und HMBR als Kern des Druckspeichers in Frage.Instead of the spiral compression spring 61 , metallic disc springs and temperature-resistant elastomers, for example EPDM, NBR and HMBR, can also be used as the core of the pressure accumulator.
Dimensionierungerwägungen für einen Druckspeicher werden nun an einem System mit einem Silikonöl als Übertragungsflüssigkeit erläutert. Silikonöle haben beispielsweise einen Volumenausdehnungskoeffizienten von γ = 90. . .160.10-5/K. Für die folgenden Abschätzungen wird daher ausgegangen von γ = 0,1%/K. Bei einer Schwankung der Betriebstemperatur über einen Bereich von 80 K, z. B. von -10°C und 70°C, ändert sich das Volumen um ΔVÖl = 8%. Der elastische Körper sollte daher so bemessen sein, daß er diese Volumenänderung ausgleichen kann. Vorzugsweise sollte sich der Druck im Druckbehälter über den gesamten Temperaturbereich ΔT nur innerhalb einer gewissen Bandbreite ändern, um die externe Druckbeaufschlagung der Meßzelle nicht zu stark zu variieren.Dimensioning considerations for a pressure accumulator are now explained using a system with a silicone oil as the transmission fluid. Silicone oils, for example, have a volume expansion coefficient of γ = 90. .160.10 -5 / K. The following estimates are therefore based on γ = 0.1% / K. If the operating temperature fluctuates over a range of 80 K, e.g. B. from -10 ° C and 70 ° C, the volume changes by ΔV oil = 8%. The elastic body should therefore be dimensioned so that it can compensate for this change in volume. The pressure in the pressure vessel should preferably only change within a certain bandwidth over the entire temperature range ΔT, in order not to vary the external pressurization of the measuring cell too much.
Bei einem linearen elastischen Verhalten des elastischen Körpers gemäß dem
Hooke'schen Gesetz ist die relative Druckänderung proportional zur relativen
Volumenänderung:
With a linear elastic behavior of the elastic body according to Hooke's law, the relative pressure change is proportional to the relative volume change:
ΔP/PαΔVKörper/VKörper.ΔP / PαΔV body / V body .
Da aber die Volumenänderung des Körpers der temperaturbedingten
Volumenänderung der Übertragungsflüssigkeit, also hier des Öls (ΔVÖl = VÖl.
γ.ΔT), entspricht, gilt:
However, since the volume change in the body corresponds to the temperature-related volume change in the transmission fluid, i.e. in this case the oil (ΔV oil = V oil . Γ.ΔT), the following applies:
ΔP/P = γ.ΔT.VÖl/VKörper.ΔP / P = γ.ΔT.V oil / V body .
Bei gegebenem Ölvolumen sind die Druckschwankungen also umgekehrt proportional zum Volumen des elastischen Körpers, und bei gegebenem Körpervolumen proportional zum Volumen des Öls.For a given oil volume, the pressure fluctuations are reversed proportional to the volume of the elastic body, and for a given Body volume proportional to the volume of the oil.
Für die Konstruktion des Differenzdrucksensors folgt damit, daß das Volumen der Übertragungsflüssigkeit bzw. das Ölvolumen zu minimieren ist, und das Volumen des elastischen Körpers im Verhältnis zum Ölvolumen zu maximieren ist, wenn die Druckschwankungen im Druckbehälter mit einem linear elastischen Körper minimiert werden soll.For the construction of the differential pressure sensor it follows that the volume the transmission fluid or the oil volume is to be minimized, and that Volume of the elastic body in relation to the oil volume maximize is when the pressure fluctuations in the pressure vessel with a linear elastic body should be minimized.
Zur Minimierung des Volumens der Übertragungsflüssigkeit können einerseits die Abmessungen der Druckmeßzelle und des Druckbehälters aufeinander abgestimmt werden, daß nur ein minimales Restvolumen verbleibt, das gerade hinreichend ist, die Meßzelle von außen vollständig mit dem Druck der Übertragungsflüssigkeit zu beaufschlagen.To minimize the volume of the transmission fluid, on the one hand the dimensions of the pressure measuring cell and the pressure vessel on each other be coordinated that only a minimal residual volume remains, the is just sufficient, the measuring cell from the outside completely with the pressure of the Apply transmission fluid.
Als eine Alternative bietet es sich an, Füllkörper in den Druckbehälter einzubringen, die das Volumen minimieren, welches für die Übertragungsflüssigkeit verbleibt. Wenn die Füllkörper ein hinreichend kompressibles oder elastisches Material aufweisen sind, können diese zugleich die Funktion eines Druckspeichers wahrnehmen, oder ein zusätzlicher Druckspeicher kann entsprechend kleiner gestaltet sein. An alternative is to fill the pressure vessel that minimize the volume required for the Transmission fluid remains. If the packing is sufficient are compressible or elastic material, they can at the same time perform the function of a pressure accumulator, or a additional pressure accumulator can be made correspondingly smaller.
Ein Beispiel hierzu ist in Fig. 3 gegeben, wobei hier der gesamte Raum zwischen den Wänden des Druckbehälters 240 und der Druckmeßzelle zunächst mit kompressiblen Füllkörpern 260, beispielsweise Kugeln, Zylinder, Quader, Tetraeder, o. ä. gefüllt wird, bevor das verbleibende Restvolumen zwischen den Füllkörpern mit der Übertragungsflüssigkeit gefüllt, und diese mit dem erforderlichen Druck beaufschlagt wird. Als Material für die elastischen Füllkörper kommen insbesondere hochtemperaturstabile thermoelastische Polymere wie NBR, HNBR oder EPDM in Frage. Selbstverständlich können auch verschiedene Materialien kombiniert werden, oder die Füllkörper können massiv oder mit Hohlräumen ausgestaltet werden, um die gewünschte Elastizität bzw. Kompressibilität einzustellen. Für einige Anwendungen ist es vorteilhaft, die Füllkörper miteinander zu vernetzen, um beispielsweise eine lokale Anreicherung der Füllkörper in einer Region des Druckbehälters zu vermeiden.An example of this is given in FIG. 3, in which case the entire space between the walls of the pressure container 240 and the pressure measuring cell is initially filled with compressible fillers 260 , for example balls, cylinders, cuboids, tetrahedra, or the like, before the remaining residual volume filled with the transfer liquid between the packing elements, and this is pressurized with the required pressure. High-temperature-stable thermoelastic polymers such as NBR, HNBR or EPDM are particularly suitable as the material for the elastic fillers. Of course, different materials can also be combined, or the fillers can be made solid or with cavities in order to set the desired elasticity or compressibility. For some applications, it is advantageous to crosslink the fillers with one another, for example in order to avoid local accumulation of the fillers in a region of the pressure vessel.
Anhand von Fig. 2 und 4 wird nun ein Beispiel für einen erfindungsgemäßen gekapselten Differenzdrucksensor vorgestellt, dessen Druckspeicher 160 eine degressive Kennlinie aufweist. Wie beim Beispiel aus Fig. 2a umfaßt der Druckspeicher des Beispiels aus Fig. 2b eine Federanordnung 161 in einem Balg 162. In diesem Fall sind die Druckfedern 161 jedoch nicht parallel zur Kompressionsrichtung des Balgs angeordnet. Stattdessen sind mehrere Druckfedern 161 mit ihrem jeweiligen ersten Ende symmetrisch auf einer Basisfläche und mit ihrem jeweiligen zweiten Ende zentral an der Stirnfläche des Balgs 162 verankert. Die Kompressionsrichtung der einzelnen Druckfedern 161 ist also bezüglich der Kompressionsrichtung des Balgs geneigt, wobei der Neigungswinkel mit der Kompression des Balgs zunimmt. Dies hat zwei Konsequenzen. Erstens nimmt die inkrementelle Kompression der Federn mit zunehmender Kompression des Balgs ab, und zweitens wird der Anteil der Federkraft, der als Gegenkraft zur Kompression des Balgs wirkt, immer geringer, da dies nur die Projektion der gesamten Federkraft auf die Kompressionsrichtung des Balgs ist. Durch geeignete Wahl des Neigungswinkels und der Vorspannung der Federn 161 kann das System so ausgelegt werden, daß die Veränderungen der Rückstellkraft und somit des Drucks im Druckbehälter mit zunehmender Kompression des Druckspeichers erheblich reduziert sind. Referring to Fig. 2 and 4, an example for an inventive encapsulated differential pressure sensor will now be presented, the accumulator comprises 160 a degressive characteristic. As in the example from FIG. 2a, the pressure accumulator of the example from FIG. 2b comprises a spring arrangement 161 in a bellows 162 . In this case, however, the compression springs 161 are not arranged parallel to the direction of compression of the bellows. Instead, a plurality of compression springs 161 are anchored with their respective first ends symmetrically on a base surface and with their respective second ends centrally on the end face of the bellows 162 . The direction of compression of the individual compression springs 161 is thus inclined with respect to the direction of compression of the bellows, the angle of inclination increasing with the compression of the bellows. This has two consequences. Firstly, the incremental compression of the springs decreases with increasing compression of the bellows, and secondly, the proportion of spring force that acts as a counterforce to the compression of the bellows decreases as this is only the projection of the total spring force onto the direction of compression of the bellows. By a suitable choice of the angle of inclination and the preload of the springs 161 , the system can be designed such that the changes in the restoring force and thus the pressure in the pressure vessel are considerably reduced with increasing compression of the pressure accumulator.
Zur Erläuterung des Effekts zeigt Fig. 4 die aus der degressive Kennlinie folgende Druckentwicklung (mit Dreiecken gekennzeichnet) einer Anordnung nach dem Prinzip der Fig. 2b im Vergleich zur Druckentwicklung (mit Quadraten gekennzeichnet) bei Verwendung einer Anordnung gemäß Fig. 2a. In beiden Fällen hat das als Übertragungsflüssigkeit verwendete Öl bei einer niedrigen Anfangstemperatur ein Minimalvolumen, welches dem 3,125 fachen Volumen des Druckspeichers in diesem Zustand entpricht. Bei einer Ausdehnung des Öls mit steigender Temperatur um 8% des Ölvolumens, wird der Druckspeicher daher um 25% seines Volumens gestaucht. Bei der Ausführungsform nach Fig. 2a wird die parallel zur Kompressionsrichtung des Druckspeichers angeordnete Feder also um 25% ihrer Anfangslänge gestaucht. Dies führt zu einem Druckanstieg auf 4/3 des Anfangswerts.To explain the effect, FIG. 4 shows the pressure development (marked with triangles) resulting from the degressive characteristic curve of an arrangement according to the principle of FIG. 2b in comparison to the pressure development (marked with squares) when using an arrangement according to FIG. 2a. In both cases, the oil used as transmission fluid has a minimum volume at a low initial temperature, which corresponds to 3.125 times the volume of the pressure accumulator in this state. If the oil expands with increasing temperature by 8% of the oil volume, the pressure accumulator is therefore compressed by 25% of its volume. In the embodiment according to FIG. 2a, the spring arranged parallel to the compression direction of the pressure accumulator is compressed by 25% of its initial length. This leads to an increase in pressure to 4/3 of the initial value.
Die Federn des Ausführungsbeispiels nach Fig. 2b haben zu Anfang bei minimalem Ölvolumen einen Neigungswinkel von etwa 62° zur Kompressionsachse des Druckspeichers. Mit fortschreitender Kompression steigt der Neigungswinkel auf etwa 68°. Die Federn sind im Anfangszustand bereits um 15% auf 85% ihrer Gleichgewichtslänge gestaucht, wobei die Federn durch 25%-ige Kompression des Druckspeichers auf etwa 80% der Gleichgewichtslänge gestaucht wird. Im Ergebnis wird durch die geneigte Anordnung der Federn 161 eine degressive Kennlinie erzielt, die den Druckanstieg aufgrund der Kompression des Druckspeichers auf etwa 3, 3% beschränkt, während, der Druckanstieg bei der linearen Anordnung 33% beträgt. Dies ist eine Verbesserung um einen Faktor zehn. Wenn die Federn 161 weniger stark geneigt sind, fällt die Verbesserung weniger deutlich aus. Mit einem Anfangsneigungswinkel von etwa 57° der durch die Stauchung des Druckspeichers auf etwa 64° ansteigt, resultiert bei ansonsten gleichen Bedingungen wie beim ersten Beispiel eine Druckerhöhung um etwa 10% aufgrund der 25%-igen Kompression des Druckspeichers.The springs of the exemplary embodiment according to FIG. 2b initially have an angle of inclination of approximately 62 ° to the compression axis of the pressure accumulator with a minimal oil volume. As the compression progresses, the angle of inclination increases to approximately 68 °. In the initial state, the springs are already compressed by 15% to 85% of their equilibrium length, the springs being compressed to approximately 80% of the equilibrium length by 25% compression of the pressure accumulator. As a result, the inclined arrangement of the springs 161 achieves a degressive characteristic curve which limits the pressure increase due to the compression of the pressure accumulator to approximately 3.3%, while the pressure increase in the linear arrangement is 33%. This is an improvement by a factor of ten. If the springs 161 are less inclined, the improvement will be less pronounced. With an initial angle of inclination of approximately 57 °, which increases to approximately 64 ° as a result of the compression of the pressure accumulator, under otherwise identical conditions as in the first example, a pressure increase of approximately 10% results due to the 25% compression of the pressure accumulator.
Grundsätzlich können neben den Neigungswinkeln, die Anzahl und Art der Federn, ihre Vorspannung und Materialbeschaffenheit u. ä. den jeweiligen Erfordernissen angepaßt werden. Basically, in addition to the angle of inclination, the number and type of Springs, their preload and material properties u. the respective Be adapted to requirements.
Außerdem sind die zuvor beschriebenen Aspekte der Erfindung beliebig mit einander kombinierbar und variierbar, ohne vom Grundgedanken der Erfindung abzuweichen. In addition, the previously described aspects of the invention are arbitrary can be combined and varied without changing the basic idea of Deviate invention.
11
Halbzellen
half-cell
22
Meßmembran
diaphragm
33
Fügestellen
joints
44
Druckbehälter
pressure vessel
55
Füllstutzen
filling
66
Druckspeicher
accumulator
77
Druckzuleitung
pressure supply line
4040
Druckbehälter
pressure vessel
6060
Druckspeicher
accumulator
6161
Feder
feather
6262
Balg
bellows
140140
Druckbehälter
pressure vessel
160160
Druckspeicher
accumulator
161161
Federn
feathers
162162
Balg
bellows
240240
Druckspeicher
accumulator
241241
Füllkörper
packing
Claims (17)
einen Druckbehälter, welcher mit einer Übertragungsflüssigkeit gefüllt ist;
eine in dem Druckbehälter angeordnete Meßzelle, die von der Übertragungsflüssigkeit umgeben ist, mit
zwei Halbzellen (1);
einen membranartigen Verformungskörper (2) welcher die beiden Halbzellen (1) druckdicht voneinander trennt;
zwei Druckzuleitungen (7), welche jeweils den Druck von einem der beiden Meßpunkte außerhalb des Druckbehälters einer der beiden Halbzellen zuführen; und
mindestens einen Druckspeicher, dessen Druck auf die Übertragungsflüssigkeit in dem Behälter wirkt.1. Differential pressure sensor, for determining the differential pressure between two measuring points, comprising:
a pressure vessel which is filled with a transmission liquid;
a measuring cell arranged in the pressure vessel and surrounded by the transmission liquid
two half cells ( 1 );
a membrane-like deformation body ( 2 ) which separates the two half cells ( 1 ) from one another in a pressure-tight manner;
two pressure supply lines ( 7 ), each of which feed the pressure from one of the two measuring points outside the pressure vessel to one of the two half cells; and
at least one pressure accumulator, the pressure of which acts on the transmission liquid in the container.
Bereitstellen einer Differenzdruckmeßzelle mit zwei Halbzellen und einer Trennmembran, in einem Druckbehälter;
Befüllen des Druckbehälters mit einer Übertragungsflüssigkeit;
Beaufschlagen der Übertragungsflüssigkeit mit einem Druck der mindestens so groß ist, wie der Nenndruck an den Meßpunkten;
Anschließen der beiden Meßpunkte an jeweils eine Halbzelle; des Differenzdrucksensors; und
Ausgleichen von Volumenänderungen der Übertragungsflüssigkeit mittels eines elastischen Druckspeichers, der mit der Übertragungsflüssigkeit in dem Druckbehälter kommuniziert.17. A method for measuring a pressure difference between two measuring points, comprising the steps:
Providing a differential pressure measuring cell with two half cells and a separating membrane, in a pressure vessel;
Filling the pressure vessel with a transmission fluid;
Applying a pressure to the transmission liquid which is at least as great as the nominal pressure at the measuring points;
Connecting the two measuring points to a half cell; the differential pressure sensor; and
Compensation for changes in volume of the transmission fluid by means of an elastic pressure accumulator that communicates with the transmission fluid in the pressure vessel.
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