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Die
Erfindung betrifft einen Differenzdruckaufnehmer mit einem Sensorelement,
mit einer ersten und einer zweiten jeweils an das Sensorelement angrenzenden
Druckmeßkammer,
einer ersten von einer ersten Trennmembran abgeschlossenen ersten Druckempfangskammer,
einer zweiten von einer zweiten Trennmembran abgeschlossenen zweiten Druckempfangskammer,
einer ersten Überlastkammer,
die mit einer ersten Leitung mit der ersten Druckempfangskammer
verbunden ist und die mit einer zweiten Leitung mit der ersten Druckmeßkammer verbunden
ist, einer zweiten Überlastkammer,
die mit einer dritten Leitung mit der zweiten Druckempfangskammer
verbunden ist und die mit einer vierten Leitung mit der zweiten
Druckmeßkammer
verbunden ist, einer die erste und die zweite Druckempfangskammer,
die erste und die zweite Überlastkammer, die
erste und die zweite Druckmeßkammer,
sowie die erste, die zweite, die dritte und die vierte Leitung ausfüllende Flüssigkeit,
und einer Überlastmembran, durch
die die erste und die zweite Überlastkammer voneinander
getrennt sind.
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Differenzdruckaufnehmer
sind üblicherweise über Prozeßanschlüsse anschließbar, so
daß ein erster
Druck auf die erste Trennmembran und ein zweiter Druck auf die zweite
Trennmembran einwirkt. Die Drücke
werden über
die Flüssigkeit
in die Druckmeßkammern übertragen
und liegen am Sensorelement an. Das Sensorelement, z.B. eine piezoresistive
Differenzdruckmeßzelle,
gibt ein Ausgangssignal ab, das proportional zu der Differenz des
ersten und des zweiten Drucks ist. Das Ausgangssignal steht zu einer
weiteren Verarbeitung, Auswertung und/oder Anzeige zur Verfügung.
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Differenzdruckaufnehmer
werden zur Messung der Prozeßgröße Differenzdruck
in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Neben der Meßgröße Differenzdruck
als solches ist mit einem Differenzdruckaufnehmer auch aufgrund
einer hydrostatitschen Druckdifferenz ein Füllstand in einem Behälter bestimmbar.
Genauso kann z.B. aus der Druckdifferenz zwischen zwei verschiedenen
Orten unterschiedlichen Querschnitts in einem Gerinne ein Durchfluß bestimmt
werden.
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In
der EP-A 1 172 640 ist ein Differenzdruckaufnehmer beschrieben mit
- – einem
Sensorelement,
- – einer
ersten und einer zweiten jeweils an das Sensorelement angrenzenden
Druckmeßkammer,
- – einer
ersten von einer ersten Trennmembran abgeschlossenen ersten Druckempfangskammer,
- – einer
zweiten von einer zweiten Trennmembran abgeschlossenen zweiten Druckempfangskammer,
- – einer
ersten Überlastkammer,
- – die
mit einer ersten Leitung mit der ersten Druckempfangskammer verbunden
ist und
- – die
mit einer zweiten Leitung mit der ersten Druckmeßkammer verbunden ist,
- – einer
zweiten Überlastkammer,
- – die
mit einer dritten Leitung mit der zweiten Druckempfangskammer verbunden
ist und
- – die
mit einer vierten Leitung mit der zweiten Druckmeßkammer
verbunden ist,
- – einer
die erste und die zweite Druckempfangskammer, die erste und die
zweite Überlastkammer,
die erste und die zweite Druckmeßkammer, sowie die erste, die
zweite, die dritte und die vierte Leitung ausfüllende Flüssigkeit, und
- – einer Überlastmembran,
- – die
einen geschlossenen äußeren Rand
und einen geschlossenen inneren Rand aufweist und entlang deren äußerem und
deren innerem Rand fest eingespannt ist,
- – durch
die die erste und die zweite Überlastkammer
voneinander getrennt sind.
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Im Überlastfall,
d.h. wenn auf eine der Trennmembranen ein Druck einwirkt, der größer als
ein zulässiger
oberer Grenzwert ist, für
den der Druckmeßaufnehmer
ausgelegt ist, wird die Trennmembran gegen deren Membranbett gedrückt. Das
durch die Auslenkung der Trennmembran verdrängte Flüssigkeitsvolumen gelangt durch
eine der Leitungen von der Druckempfangskammer in die zugeordnete Überlastkammer
und führt
zu einer Auslenkung der Überlastmembran
aus deren Nullage. In dem durch die Auslenkung der Überlastmembran
einseitig zusätzlich
zur Verfügung
stehenden Volumen wird während
der Dauer der Überlast
zumindest ein Teil des verschobenen Flüssigkeitsvolumens aufgenommen. Der
Druck der im Überlastfall
auf das Sensorelement einwirkt ist hierdurch begrenzt und das Sensorelement
vor einer Überbelastung
geschützt.
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Bei
dem beschriebenen Druckaufnehmer ist das Sensorelement in einem
massiven Block in einer Ebene, die sich zwischen der Überlastmembran
und der zweiten Trennmembran befindet eingeschlossen. Hierdurch
bedingt ist ein Abstand zwischen der Überlastmembran und der ersten
Trennmembran geringer als ein Abstand zwischen der Überlastmembran
und der zweiten Trennmembran. Enstprechend ist die erste Leitung,
die von der ersten Druckempfangskammer zur ersten Druckmeßkammer
führt,
kürzer als
die dritte Leitung von der zweiten Druckempfangskammer zur zweiten
Druckmeßkammer
führt. Die
zweite Leitung führt
von der ersten Überlastkammer
durch die Mitter der Überlastmembran
hindurch zur ersten Druckmeßkammer.
Die zweite Leitung bildet also einen Umlenkkanal, der von der einen
Seite der Überlastmembran
auf die andere führt.
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Im Überlastfall
können
schnell große
Druckstöße auf die Überlastmembran
einwirken. Solche dynamischen Überlastungen
können
bei Differenzdruckaufnehmenern, bei denen die Druckübertragungswege
von der ersten Trennmembran zur ersten Druckmeßkammer und von der zweiten
Trennmembran zur zweiten Druckmeßkammer ungleich bzw. unsymmetrisch
ausgestaltet sind zu Druckstößen am Sensorelement
führen.
Derartige Druckstöße am Sensorelement
lassen sich nur durch eine genaue Abstimmung aller in den beiden
Druckübertragungswegen
liegenden Bauelemente, z.B. hydraulischer Widerstände, hydraulischer
Kapazitäten
und hydraulischer Induktivitäten,
abfangen. Dies bedeutet in der Regel einen sehr hohen konstruktiven
Aufwand.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung einen kompakten Differenzdruckaufnehmer
mit konstruktiv einfachen und symmetrischen Aufbau anzugeben.
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Hierzu
besteht die Erfindung in einem Differenzdruckaufnehmer
- – einem
Sensorelement,
- – einer
ersten und einer zweiten jeweils an das Sensorelement angrenzenden
Druckmeßkammer,
- – einer
ersten von einer ersten Trennmembran abgeschlossenen ersten Druckempfangskammer,
- – einer
zweiten von einer zweiten Trennmembran abgeschlossenen zweiten Druckempfangskammer,
- – einer
ersten Überlastkammer,
- – die
mit einer ersten Leitung mit der ersten Druckempfangskammer verbunden
ist und
- – die
mit einer zweiten Leitung mit der ersten Druckmeßkammer verbunden ist,
- – einer
zweiten Überlastkammer,
- – die
mit einer dritten Leitung mit der zweiten Druckempfangskammer verbunden
ist und
- – die
mit einer vierten Leitung mit der zweiten Druckmeßkammer
verbunden ist,
- – einer
die erste und die zweite Druckempfangskammer, die erste und die
zweite Überlastkammer,
die erste und die zweite Druckmeßkammer, sowie die erste, die
zweite, die dritte und die vierte Leitung ausfüllende Flüssigkeit, und
- – einer Überlastmembran,
- – die
einen geschlossenen äußeren Rand
und einen geschlossenen inneren Rand aufweist und entlang deren äußerem und
deren innerem Rand fest eingespannt ist,
- – durch
die die erste und die zweite Überlastkammer
voneinander getrennt sind,
- – wobei
das Sensorelement in einer durch die Überlastmembran definierten
Ebene innerhalb des inneren Randes der Überlastmembran angeordnet ist.
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Gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung ist ein von der ersten und der zweiten Überlastkammer
eingeschlossener Abschnitt der Überlastmembran
ringscheibenförmig.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung ist jede Überlastkammer
durch die Überlastmembran
und eine dieser gegenüberliegenden
im wesentlichen konkaven Wand begrenzt.
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Gemäß einer
Weiterbildung ist die Überlastmembran
mittig zwischen der ersten und der zweiten Trennmembran angeordnet.
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Gemäß einer
weiteren Weiterbildung sind die erste Leitung und die dritte Leitung
formgleich und verlaufen symmetrisch zur Ebene der Überlastmembran.
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Gemäß einer
weiteren Weiterbildung verlaufen die erste Leitung und die dritte
Leitung gerade.
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Gemäß einer
weiteren Weiterbildung verlaufen die zweite Leitung und die vierte
Leitung gerade.
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Ein
Vorteil eines solchen Differenzdruckaufnehmers ist, daß er durch
die Anordnung des Sensorelements in der Ebene der Überlastmembran
eine hohe Symmetrie aufweist. Die Druckübertragung von der ersten Druckempfangskammer
zur ersten Druckmeßkammer
erfolgt nahezu identisch zur Druckübertragung von der zweiten
Druckempfangskammer zur zweiten Druckmeßkammer. Verfälschungen
des Meßergebnisse
durch unterschiedliche Druckübertragungswege
treten praktisch nicht mehr auf. Hierdurch wird eine hohe Meßgenauigkeit
erreicht.
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Ein
weiterer Vorteil eines erfindungsgemäßen Differenzdruckaufnehmers
besteht darin, daß durch
die Anordnung des Sensorelements in der Ebene der Überlastmembran
eine kleinere Bauform erzielt werden kann. Dies spart Material,
reduziert den Platzbedarf des Differenzdruckaufnehmers und verringert
die erforderliche Länge
der Leitungen innerhalb des Differenzdruckaufnehmers. Dadurch ist das
zur Druckübertragung
erforderliche Flüssigkeitvolumen
geringer. Entsprechend geringer sind auch durch eine thermische
Ausdehnung der Flüssigkeit bedingte
Meßfehler.
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Die
Erfindung und weitere Vorteile werden nun anhand der Zeichnung,
in der ein Ausführungsbeispiel
dargestellt ist, näher
erläutert.
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1 zeigt einen Längsschnitt
durch einen erfindungsgemäßen Differenzdruckaufnehmer.
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In 1 ist ein Längsschnitt
durch einen Differenzdruckaufnehmer dargestellt. Der Differenzdruckaufnehmer
besteht aus einer Druckaufnahmeeinheit in dem sich ein Sensorelement 1 befindet
und einem daran angrenzenden, in 1 nicht
dargestellten, Gehäuse,
z.B. zur Aufnahme einer Auswerteelektronik.
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Das
Sensorelement 1 ist z.B. ein Siliziumchip vom Membrantyp
und es grenzen eine erste und eine zweite Druckmeßkammer 2, 3 an
das Sensorelement 1 an. Ein in der ersten Druckmeßkammer 2 herrschender
Druck liegt an einer Seite der Membran, ein in der zweiten Druckmeßkammer 3 herrschender Druck
liegt an der gegenüberliegenden
Seite der Membran an. Die resultierende Durchbiegung der Membran
ist ein Maß für den auf
sie einwirkenden Differenzdruck. Als elektromechanische Wandler
dienen z.B. in die Membran integrierte zu einer Brückenschaltung
zusammengefaßte
piezoresistive Elemente, die ein differenzdruck-proportionales Ausgangssignal
erzeugen, zur Meßwerterzeugung.
Das Ausgangssignal steht über
eine Leitung 11 zu einer weiteren Verarbeitung und/oder
Anzeige zur Verfügung.
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Die
Differenzdruckaufnahmeeinheit weist eine von einer ersten Trennmembran 21 abgeschlossene
erste Druckempfangskammer 22 und eine von einer zweiten
Trennmembran 31 abgeschlossene zweiten Druckempfangskammer 32 auf.
Die Differenzdruckaufnahmeeinheit ist z.B. zwischen zwei in 1 nicht dargestellten Flanschen
eingespannt, die jeweils einen Prozeßanschluß aufweisen, durch den ein
Meßmedium
der jeweiligen Trennmembran 21, 31 zuführbar ist.
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Die
Differenzdruckaufnahmeeinheit weist zwei miteinander verbundene
massive Blocks 4, 5, auf zwischen denen eine Überlastmembran 6 eingespannt
ist. Die Überlastmembran 6 ist
mittig zwischen der ersten und der zweiten Trennmembran 21, 31 angeordnet.
Vorzugsweise ist ein Abstand zwischen der Überlastmembran 6 und
der ersten Trennmembran 21 identisch zu einem Abstand zwischen
der Überlastmembran 6 und
der zweiten Trennmembran 31. Zu beiden Seiten der Überlastmembran 6 weist
der jeweils benachbarte Block 4, 5 eine Ausnehmung aus.
Die Ausnehmungen weisen die gleiche Grundfläche auf wie die Überlastmembran 6 und
deren Wand ist im wesentlichen konkav.
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Die Überlastmembran 6 weist
einen geschlossenen äußeren Rand
und einen geschlossenen inneren Rand auf und ist entlang deren äußerem und
deren innerem Rand fest eingespannt.
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In
dem in 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel
ist ein von der ersten und der zweiten Überlastkammer 23, 33 eingeschlossener
Abschnitt der Überlastmembran 6 ringscheibenförmig. Ein
innerer und ein äußerer an
den eingeschlossenen Abschnitt angrenzender Bereich ist zwischen
dem Block 4 und dem Block 5 eingespannt.
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Differenzdruckaufnehmer
mit an deren geschlossenen äußerem und
an deren geschlossenem inneren Rand eingespannter Überlastmembran 6 weisen
gegenüber
herkömmlichen
Differenzdruckaufnehmern mit Überlastmembranen,
die lediglich einen äußeren Rand
aufweisen und bei denen lediglich der äußere Rand fest eingespannt
ist bei gleichem im Überlastfall
durch die Auslenkung der Überlastmembran 6 einseitig
zusätzlich
zur Verfügung
stehenden Volumen ein sehr viel geringeres Hysteresevolumen auf.
Dies ist in der eingangs genannten EP-A 1 172 640 ausführlich beschreiben.
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Das
Sensorelement 1 ist erfindungsgemäß in einer durch die Überlastmembran 6 definierten Ebene
innerhalb des inneren Randes der Überlastmembran 6 angeordnet
ist.
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Die Überlastmembran 6 und
die dieser gegenüberliegende
Wand der in dem Block 4 angeordneten Ausnehmung begrenzen
eine erste Überlastkammer 23,
die mit einer ersten Leitung 24 mit der ersten Druckempfangskammer 22 verbunden
ist. Eine zweite Leitung 25 bildet eine Verbindung zwischen
der ersten Überlastkammer 23 und
der ersten Druckmeßkammer 2.
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Entsprechend
begrenzen die Überlastmembran 6 und
die dieser gegenüberliegende
Wand der in dem Block 5 angeordneten Ausnehmung eine zweite Überlastkammer 33,
die mittels einer dritte Leitung 34 mit der zweiten Druckempfangskammer 32 verbunden
ist.
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Eine
vierte Leitung 35 bildet eine Verbindung zwischen der zweiten Überlastkammer 33 und
der zweiten Druckmeßkammer 3.
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Die
erste und die zweite Überlastkammer 23, 33 sind
durch die Überlastmembran 6 voneinander getrennt.
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Vorzugsweise
sind die erste Leitung 24 und die dritte Leitung 34 formgleich
und verlaufen symmetrisch zur Ebene der Überlastmembran 6.
Die erste Leitung 24 und die dritte Leitung 34 verlaufen
vorzugsweise gerade und bilden somit eine kürzest mögliche Verbindung zwischen
der ersten Druckempfangskammer 22 und der ersten Überlastkammer 23 und
zwischen der zweiten Druckempfangskammer 32 und der zweiten Überlastkammer 33.
Aufgrund der hohen Symmetrie der Anordnung der Überlastmembran 6 und
der Anordnung des Sensorelements 1 in der Ebene der Überlastmembran 6 sind hier
nur sehr kurze Leitungen 24, 34 erforderlich.
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Die
zweite Leitung 25 und die vierte Leitung 35 verlaufen
ebenfalls vorzugsweise gerade. Sie bilden somit eine kürzest mögliche Verbindung
zwischen der ersten Überlastkammer 23 und
der ersten Druckmeßkammer 2 sowie
zwischen der Überlastkammer 33 und
der zweiten Druckmeßkammer 3.
Da sich das Sensorelement 1 in der Ebene der Überlastmembran 6 innerhalb
des inneren Randes derselben befindet, liegen hier ebenfalls sehr
kurze Leitungslängen
vor.
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Die
erste und die zweite Druckempfangskammer 22, 32,
die erste und die zweite Überlastkammer 23, 33,
die erste und die zweite Druckmeßkammer 2, 3,
sowie die erste, die zweite, die dritte und die vierte Leitung 24, 25, 34, 35 sind
mit einer Flüssigkeit
ausgefüllt.
Dies ist vorzugsweise eine möglichst
inkompressible Flüssigkeit
mit einem geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, z.B. ein
Silikonöl.
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Bedingt
durch die Anordnung des Sensorelements 1 in der Mitte des
Differenzdruckaufnehmers innerhalb des inneren Randes der Überlastmembran 6 können die
Abmessungen des Differenzdruckaufnehmers sehr gering sein. Dies
geht einher mit sehr geringen Längen
der ersten, zweiten, dritten und vierten Leitung 24, 34, 25, 35 und
einer entsprechend geringen zur Druckübertragung benötigten Flüssigkeitsmenge.
Da die Flüssigkeit
immer einen endlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist
und eine temperaturbedingte Volumenänderung die Eigenschaften des
Differenzdruckaufnehmers ändert, bedeutet
eine Reduktion des Flüssigkeitsvolumens gleichzeitig
eine Verbesserung der Meßgenauigkeit.
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Ein
weiterer Vorteil besteht darin, daß alle Leitungen 24, 34, 25, 35 einen
geraden Verlauf aufweisen. Insb. sind keine Umlenkkanäle erforderlich, die
eine Änderung
der Druckübertragungsrichtung bewirken.
Hierdurch ist die Druckübertragung
zur ersten und zur zweiten Druckmeßkammer nahezu identisch. Durch überschiedliche
Druckübertragungswege
entstehende statische und dynamische Meßfehler werden hierdurch weitgehend
ausgeschlossen.