DE102004047419A1

DE102004047419A1 - Hydraulischer Druckmittler und Drucksensor mit hydraulischem Druckmittler

Info

Publication number: DE102004047419A1
Application number: DE200410047419
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dannhauer
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2004-09-28
Filing date: 2004-09-28
Publication date: 2006-04-06
Anticipated expiration: 2024-09-29
Also published as: WO2006051012A1; DE102004047419B4

Abstract

Der erfindungsgemäße Druckmittler umfasst einen Druckmittlerkörper mit einer Druckkammer; eine Trennmembran, welche die Druckkammer druckdicht verschließt, wobei die Trennmembran von der der Druckkammer abgewandten Seite mit einem Mediendruck beaufschlagbar ist, welcher durch die Trennmembran in die Druckkammer übertragen wird; und einen hydraulischen Pfad, der sich von der Druckkammer erstreckt und mit einer Druckmesszelle verbindbar ist, um die Druckmesszelle mit dem in der Druckkammer vorherrschenden Druck zu beaufschlagen; wobei der Druckmittler ferner einen Druckspeicher aufweist, welcher mit der Druckkammer kommuniziert, und bei einem Kammerdruck in der Druckkammer, der einem unteren Messbereichsgrenzwert entspricht, maximal ausgelenkt ist und eine hydraulische Kapazität von Null aufweist und unterhalb davon eine hydraulische Kapazität aufweist, die ausreicht, eine Auslenkung der Trennmembran zu bewirken zur Verminderung eines Absinkens des Kammerdrucks bei fallendem Mediendruck mittels eines steigenden Trennmembranfehlers.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft hydraulische Druckmittler sowie Drucksensoren mit hydraulischen Druckmittlern.
Hydraulische Druckmittler im hier verwendeten Sinne umfassen einen Druckmittlerkörper in dem eine Druckkammer ausgebildet ist, und eine Trennmembran, welche die Druckkammer druckdicht verschließt. Die Trennmembran ist von der Druckkammer abgewandten Seite mit einem zu messenden Mediendruck beaufschlagbar, welcher durch die Trennmembran in die Druckkammer übertragen wird. Von der Druckkammer erstreckt sich ein hydraulischer Pfad zu einer Druckmesszelle eines Drucksensors, um die Druckmesszelle mit dem in der Druckkammer vorherrschenden Druck zu beaufschlagen. Der hydraulische Pfad umfasst ein definiertes Volumen, welches beispielsweise durch Kanäle, Leitungen oder Kammern gebildet und mit einer Übertragungsflüssigkeit gefüllt ist.
Die Trennmembranen sind vorzugsweise möglichst weich, um einen minimalen Trennmembranfehler bei der Übertragung des Drucks in die Druckkammer zu bewirken, wobei der Trennmembranfehler der Beitrag zum Kammerdruck in der Druckkammer aufgrund einer Auslenkung der Trennmembran ist. Der verbleibende Trennmembranfehler kann gewöhnlich mit einer Trennmembrankennlinie gut beschrieben und kompensiert werden, wobei die Kompensation des Trennmembranfehlers in der Praxis oft nicht gesondert erfolgt sondern gemeinsam mit anderen Fehlern, beispielsweise Temperaturabhängigkeiten der Druckmesszelle. Die oben geforderte Weichheit der Trennmembran ist insofern problematisch, als beispielsweise die nachfolgend geschilderte Situation zu einer anhaltenden Verstimmung der Kennlinie der Trennmembran führen kann.
Die Übertragungsflüssigkeit weist, einen temperaturabhängigen Dampfdruck auf, der gewöhnlich geringer ist als der zu messende Mediendruck. Wenn nun beispielsweise aufgrund eines Bedienfehlers die Trennmembran mit einem Druck unterhalb des Dampfdrucks beaufschlagt wird, so kann es zu einem sehr schnellen Ausgasen der Übertragungsflüssigkeit kommen, was eine bleibende Verformung der Trennmembran bewirken kann.
Dieser unerwünschte Effekt kann noch verstärkt werden, wenn in der Übertragungsflüssigkeit aufgrund von Alterungsprozessen Reaktionsprodukte in einer schlimmstenfalls übersättigten Lösung gelöst sind, und diese bei einer durch das Ausgasen der regulären Bestandteile der Übertragungsflüssigkeit eingeleiteten Störung irreversibel und ggf. in einer lawinenartigen Kettenreaktion freigesetzt werden.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen Druckmittler bereitzustellen, welcher die beschriebenen Nachteile überwindet. diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Druckmittler gemäß des unabhängigen Patentanspruchs 1.
Der erfindungsgemäße Druckmittler umfasst
einen Druckmittlerkörper mit einer Druckkammer;
eine Trennmembran, welche die Druckkammer druckdicht verschließt, wobei die Trennmembran von der der Druckkammer abgewandten Seite mit einem Mediendruck beaufschlagbar ist, welcher durch die Trennmembran in die Druckkammer übertragen wird; und
einen hydraulischen Pfad der sich von der Druckkammer erstreckt und mit einer Druckmesszelle verbindbar ist, um die Druckmesszelle mit dem in der Druckkammer vorherrschenden Druck zu beaufschlagen; wobei
der Druckmittler ferner einen Druckspeicher aufweist, welcher mit der Druckkammer, und bei einem Kammerdruck in der Druckkammer der einem unteren Messbereichsgrenzwert entspricht maximal ausgelenkt ist und eine hydraulische Kapazität von Null aufweist und unterhalb davon eine hydraulische Kapazität aufweist, die ausreicht, eine Auslenkung der Trennmembran zu bewirken zur Verminderung eines Absinkens des Kammerdrucks bei fallendem Mediendruck mittels eines steigenden Trennmembranfehlers.
Der Trennmembranfehler ist der Beitrag zum Kammerdruck in der Druckkammer aufgrund einer Auslenkung der Trennmembran.
Die beschriebene Anordnung führt im Ergebnis also dazu, dass unterhalb des Messbereichs durch das Auslenken der Trennmembran diese einen größeren Beitrag zum Kammerdruck leistet, so dass der Kammerdruck zu einem gewissen Grade von dem Mediendruck entkoppelt ist.
Der Druckspeicher kann beispielsweise eine elastische Druckspeichermembran umfassen, die über einem evakuierten konkaven Membranbett gespannt ist, welches durch die Trennmembran von dem hydraulischen Pfad getrennt ist. Dabei ist Steifigkeit der Druckspeichermembran so bemessen, dass Sie bei einem Kammerdruck, der dem unteren Messbereichsgrenzwert entspricht, maximal ausgelenkt ist und gerade an dem Membranbett anliegt. Unterhalb dieses Drucks hebt sich die Druckspeichermembran aus Membranbett und verdrängt die Übertragungsflüssigkeit, bis der resultierende Kammerdruck, der gleich der Summe aus dem Trennmembranfehler der aufgrund der Verdrängung ausgelenkten Trennmembran und dem herrschenden Mediendruck ist, der Position der Druckspeichermembran entspricht.
Die Druckspeichermembran kann sowohl als Kreisscheibenmembran als auch als Ringmembran ausgeführt sein.
Anstelle einer Druckspeichermembran kann auch ein elastischer Balg vorgesehen sein der bei einem Kammerdruck, der dem unteren Messbereichsgrenzwert entspricht, maximal komprimiert ist und gerade an einem Anschlag anliegt. Unterhalb dieses Drucks dehnt sich der elastische Balg in das mit dem hydraulischen Pfad kommunizierende Volumen hinein aus, bis der resultierende Kammerdruck, der gleich der Summe aus dem Trennmembranfehler der aufgrund der Verdrängung ausgelenkten Trennmembran und dem herrschenden Mediendruck ist, der Position des Balgs entspricht.
Der Druckspeicher kann generell an einem beliebigen Ort innerhalb oder außerhalb des Druckmittlerkörpers angeordnet sein. Innerhalb des Druckmittlerkörpers oder eines damit verbundenen Körpers, kann der Druckspeicher beispielsweise in die Druckkammer integriert oder in einer gesondert dafür vorgesehenen Kammer angeordnet sein.
Der Druckspeicher kann über den hydraulischen Pfad mit der Druckkammer kommunizieren oder über einen parallelen Pfad.
Der hydraulische Widerstand der Kommunikation zwischen dem Druckspeicher und der Druckkammer wird bevorzugt so niedrig gestaltet, beispielsweise durch ausreichende Strömungsquerschnitte, dass der Druckspeicher auch bei einem schnellen Abfall des Mediendrucks das Absinken des Kammerdrucks vermindern kann.
Der erfindungsgemäße Drucksensor umfasst einen Druckmittler der zuvor beschriebenen Art und eine Druckmesszelle, wobei Druckmittler und Druckmesszelle zu einer Einheit kombiniert sind.
Der erfindungsgemäße Drucksensor umfasst also
einen Drucksensorkörper mit einer Druckkammer;
eine Trennmembran, welche die Druckkammer druckdicht verschließt, wobei die Trennmembran von der der Druckkammer abgewandten Seite mit einem Mediendruck beaufschlagbar ist, welcher durch die Trennmembran in die Druckkammer übertragen wird;
eine Druckmesszelle, die über einen hydraulischen Pfad der sich zwischen der Druckkammer und der Druckmesszelle erstreckt, mit dem in der Druckkammer vorherrschenden Druck beaufschlagbar ist; dadurch gekennzeichnet, dass
der Drucksensor ferner einen Druckspeicher aufweist, welcher mit der Druckkammer kommuniziert, und bei einem Kammerdruck in der Druckkammer der einem unteren Messbereichsgrenzwert entspricht maximal ausgelenkt ist und eine hydraulische Kapazität von Null aufweist und unterhalb davon eine hydraulische Kapazität aufweist, die ausreicht, eine Auslenkung der Trennmembran zu bewirken zur Verminderung eines Absinkens des Kammerdrucks bei fallendem Mediendruck mittels eines steigenden Trennmembranfehlers.
In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Drucksensors wird das Unterschreiten des unteren Messbereichsgrenzwertes oder die resultierende Bewegung des Druckspeichers mittels geeigneter elektronischer Schaltungen erfasst und registriert. Ggf. kann die Anzahl und die Dauer der Messbreichsunterschreitungen oder die Dauer und Amplitude der Druckspeicherbewegungen erfasst und registriert werden. Daraus lassen sich im Sinne einer vorausschauender Überwachung Rückschlüsse auf die Alterung des Drucksensors ableiten. Die Temperatur der Übertragungsflüssigkeit kann ggf. mit einem nicht näher dargestellten Temperatursensor erfasst und zur Überwachung des Drucksensors herangezogen werden.
Die Erfindung wird nun anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigt:
1: Einen erfindungsgemäßen Drucksensor mit einer als Ringmembran ausgeprägten Druckspeichermembran.
2: Den Verlauf des Kammerdrucks als Funktion des Mediendrucks für einen erfindungsgemäßen Drucksensor.
Der in 1a und 1b gezeigte Drucksensor umfasst einen Druckmittlerkörper 4, der einstückig mit einem dem Messzellenträgerkörper 8 zu einem Sensorkörper 1 mit einem zumindest abschnittsweise zylindrischen Aufbau ausgebildet ist. Der Druckmittlerkörper und der Messzellenträgerkörper weisen einen metallischen Werkstoff auf, insbesondere Edelstahl oder Aluminium.
Der zylindrische Druckmittlerkörper 4 weist an einer ersten Stirnfläche ein Membranbett auf, welches unter Ausbildung einer Druckkammer 3 mit einer Trennmembran druckdicht verschlossen ist. Von der Druckkammer 3 erstreckt sich eine zentrale Bohrung 5 zur zweiten Stirnfläche des Druckmittlerkörpers 4, wobei die zentrale Bohrung 5 in eine Messzellenkammer 14 mündet, die als Vertiefung in einer dritten Stirnfläche des Messzellenträgerkörpers 8 ausgebildet ist. Die zweite Stirnfläche des Druckmittlerkörpers 4 ist entlang ihres Umfangs druckdicht mit dem Umfang der dritten Stirnfläche des Messzellenträgerkörpers 8 verschweißt.
In der Messzellenkammer 14 ist eine Druckmesszelle 6 angeordnet, die im Ausführungsbeispiel eine piezoresistive Siliziumzelle ist. Von der Messzellenkammer 14 erstrecken sich elektrische Durchführungen 7 und bei Relativdrucksensoren ein Referenzluftkanal 15 zu einer Oberfläche des Messzellenträgerkörpers 8.
Von der Druckkammer 3 erstreckt sich weiterhin eine periphere Bohrung 12 in axialer Richtung zur zweiten Stirnfläche des Druckmittlerkörpers 4, wobei die periphere Bohrung in einer Ringkammer mündet, die als Vertiefung in der dritten Stirnfläche des Messzellenträgerkörpers 8 ausgebildet ist. Die vertiefte Oberfläche der Ringkammer dient als Druckspeichermembranbett 11 für eine ringförmige elastische Druckspeichermembran 10, die mit ihrem inneren Rand und ihrem äußeren Rand druckdicht an der dritten Stirnfläche des Messzellenträgerkörpers 8 befestigt ist, beispielsweise mittels Schweißverbindungen.
Der Raum zwischen dem Druckspeichermembranbett 11 und der Druckspeichermembran 10 ist über einen Kanal 16 evakuiert wobei der Kanal 16, nach der Evakuierung druckdicht verschlossen wurde.
Das Wirkprinzip des Drucksensors ergibt sich nun aus der Zusammenschau der 1a und 1b mit 2. 1a zeigt den Sensor bei einem Mediendruck oberhalb der Messbereichsuntergrenze P^min _M bzw. bei einem Kammerdruck oberhalb von P^min _K in der Druckkammer 3. In diesem Druckbereich ist die Druckspeichermembran 10 vollständig in das Druckspeichermembranbett 11 gedrückt. In diesem Zustand verhält sich die Druckspeichermembran 10 wie das sie abstützende Druckspeichermembranbett 11, d.h. sie ist für alle praktischen Belange unendlich steif. Sie hat bei diesem Druck also eine hydraulische Kapazität von Null und beeinträchtigt somit die Druckmessung in keiner Weise. Gleichermaßen befindet sich die Trennmembran 2 in ihrer Gleichgewichtslage oder zumindest in einem Zustand geringer Auslenkung, so dass der Mediendruck ohne größere Trennmembranfehler in die Druckkammer 3 übertragen wird.
Wenn nun der Mediendruck unter die Messbereichsuntergrenze P^min _M bzw. der Kammerdruck unterhalb P^min _K sinkt, so reicht der Druck nicht mehr aus, um die Druckspeichermembran 10 vollständig in ihr Druckspeichermembranbett zu pressen. Die Druckspeichermembran strebt also ihrer Gleichgewichtsposition entgegen und verdrängt dabei so lange Übertragungsflüssigkeit aus der Ringkammer in die Druckkammer, bis die Summe des Mediendrucks und des Drucks aufgrund der Auslenkung der Trennmembran gleich dem Druck aufgrund der verbleibenden Auslenkung der Druckspeichermembran ist. Dieser Druck ist zugleich der verbleibende Kammerdruck.
Die Druckspeichermembran und die Trennmembran sind vorzugsweise so aufeinander abgestimmt, dass der resultierende Kammerdruck stets größer ist als ein kritischer Kammerdruck P^krit _K, bei dem Bestandteile der Übertragungsflüssigkeit ausgasen könnten.

Claims

Der erfindungsgemäße Druckmittler umfasst einen Druckmittlerkörper (4) mit einer Druckkammer (3); eine Trennmembran (2), welche die Druckkammer (3) druckdicht verschließt, wobei die Trennmembran von der der Druckkammer abgewandten Seite mit einem Mediendruck beaufschlagbar ist, welcher durch die Trennmembran in die Druckkammer übertragen wird; und einen hydraulischen Pfad (5) der sich von der Druckkammer erstreckt und mit einer Druckmesszelle (6) verbindbar ist, um die Druckmesszelle mit dem in der Druckkammer (3) vorherrschenden Druck zu beaufschlagen; dadurch gekennzeichnet dass der Druckmittler ferner einen Druckspeicher (10) aufweist, welcher mit der Druckkammer (3) kommuniziert, und bei einem Kammerdruck in der Druckkammer der einem unteren Messbereichsgrenzwert entspricht maximal ausgelenkt ist und eine hydraulische Kapazität von Null aufweist und unterhalb davon eine hydraulische Kapazität aufweist, die ausreicht, eine Auslenkung der Trennmembran (2) zu bewirken zur Verminderung eines Absinkens des Kammerdrucks bei fallendem Mediendruck mittels eines steigenden Trennmembranfehlers.
Druckmittler nach Anspruch 1, wobei der Druckspeicher eine elastische Druckspeichermembran umfasst.
Druckmittler nach Anspruch 2, wobei die Druckspeichermembran über einem evakuierten konkaven Membranbett gespannt ist, welches durch die Druckspeichermembran von dem hydraulischen Pfad getrennt ist.
Druckmittler nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Druckspeichermembran eine Kreisscheibenmembran oder eine Ringmembran umfasst.
Druckmittler nach Anspruch 1, wobei der Druckspeicher einen elastischen Balg umfasst, der bei einem Kammerdruck, der dem unteren Messbereichsgrenzwert entspricht, maximal komprimiert ist und an einem Anschlag anliegt.
Drucksensor, mit einem Druckmittler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, und einer Druckmesszelle die mit dem Druckmittler verbunden und über den hydraulischen Pfad mit dem Kammerdruck beaufschlagbar ist.
Drucksensor nach Anspruch 6, wobei der Druckmittler und Druckmesszelle in einem Gerät integriert sind.
Drucksensors nach Anspruch 6 oder 7, weiterhin umfassend eine elektronische Schaltung mit welcher das Unterschreiten des unteren Messbereichsgrenzwertes oder die resultierende Bewegung des Druckspeichers erfasst und registriert wird.
Drucksensor oder Druckmittler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend einen Temperatursensor zum Erfassen der Temperatur der Übertragungsflüssigkeit in der Druckkammer.