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Meßkapsel für einen Differenzdruck-Neßumformer
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßkapsel für einen Differenzdruck-Meßumformer
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Eine Meßkapsel dieser Art ist aus der DE-PS 26 59 376 bekannt. Die
Meßkapsel weist zwei rotationssymmetrische Meßkapselscheiben auf, zwischen denen
eine Meßmembran angeordnet ist. Auf den äußeren Stirnflächen der Meßkapselscheiben
sind Je eine Trennmembran angeordnet. Die Trennmembranen bilden zusammen mit einer
der beiden Meßkapselscheiben Je eine Trennkammer, und die Meßmembran bildet zusammen
mit einer der beiden Meßkapselscheiben Je eine Meßkammer. In jeder Meßkapselscheibe
befindet sich eine Durchgangsöffnung, die die Meßkammer mit der Trennkammer verbindet.
Die Räume zwischen der Meßmembran und den Trennmembranen sind mit einer im wesentlichen
inkompressiblen Plüssigkeit gefüllt. Die den Innenflächen der Trennmembranen gegenüberliegenden
Wandungen der Meßkapselscheiben sind als Membranbetten ausgebildet. Bei einseitiger
Überlast kommt die mit dieser beaufschlagte Trennmembran an ihrem Membranbett zur
Anlage, bevor die Meßmembran eine zu große mechanische Belastung erfährt. Die Meßmembran
besteht aus einer zwischen den Meßkapselßcheiben eingespannten ersten Membran und
einer Halbleitermembran, die zentrisch in der ersten
Membran angebracht
ist und einen Teil ihrer Wandfläche bildet. Bei der Halbleitermembran handelt es
sich um diewenige Membran, deren Auslenkung ein Maß für den zu messenden Differenzdruck
ist. Dagegen ist die Federcharakteristik der ersten Membran so abgestimmt, daß ihre
Auslenkung erst bei einem Druck beginnt, der zwischen dem dem Meßbereichsendwert
entsprechenden Wirkdruck und dem der Uberlastbarkeit der Halbleitermembran entsprechenden
Druck liegt. Damit die Halbleitermembran von beiden Seiten mit Druck beaufschlagt
werden kann, ist es erforderlich, daß die erste Membran in ihrer Mittelebene eine
Öffnung aufweist. Die Halbleitermembran überdeckt diese Öffnung, und ist in einem
ringförmigen Bereich mit der ersten Membran zusammengefügt. Diese Fügestelle bringt
fertigungstechnische Probleme mit sich, da sie druckbelastet ist. Außerdem treten
bei einseitiger Belastung der Meßmembran Scherspannungen in der Fügestelle zwischen
der ersten Membran und der Halbleitermembran auf.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßkapsel der eingangs
genannten Art zu schaffen bei der die zwischen den Meßkapselscheiben angeordnete
Meßmembran keine Öffnung aufweist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs
1 angegebenen Merkmale gelöst. Bei der Meßkapsel nach der Erfindung beinhaltet die
in ihrer Mitteil ebene aus einem Stück bestehende Meßmembran in ihrem ringförmigen
Außenbereich die überlastschutzfunktion und in ihrem kreisförmigen Zentralbereich
die Meßfunktion.
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Damit sind keine Fügestellen zwischen dem Zentralbereich und dem ringförmigen
Außenbereich erforderlich. Die Erfindung ermöglicht einen symmetrischen Aufbau der
Meßkapsel in bezug auf die Mittelebene der Meßmembran, und erlaubt damit eine wechselseitige
Beaufschlagung der Meßkapsel mit dem Differenzdruck bei gleicher Meßwerkskenn-
linie.
Es ergeben sich kleinste Innenvolumina des Differenzdruck-Meßumformers und damit
optimale Voraussetzungen für kleine Sensorfehler, wie Fehler in Abhängigkeit von
Temperaturänderungen, Linearitätsfehler und Fehler in Abahängigkeit vom statischen
Druck.
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Aus der europäischen Patentanmeldung 0 059 488 ist eine kapazitive
Druckmeßkapsel für einen Differenzdruck-Meßumformer mit zwei Meßkapselscheiben und
einer zwischen diesen angeordneten Meßmembran bekannt. Sowohl die Meßkapselscheiben
als auch die Meßmembran bestehen aus Silizium.
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Wie insbesondere die Figur 4 dieser Veröffentlichung in Verbindung
mit dem Anspruch 2 zeigt, besteht zwar die Meßmembran in ihrer Mittelebene aus einem
Stück, auch ist der zentrale Bereich der Meßmembran dicker als der diesen konzentrisch
umgebende ringförmige Bereich. Wie sich Jedoch insbesondere dem Anspruch 2 entnehmen
läßt, ist der zentrale Bereich so dick gewählt, daß er keine Durchbiegung erfährt,
während der den zentralen Bereich umgebende ringförmige Bereich die Meßfunktion
übernimmt. Durch diese Maßnahme soll die Linearität der Verschiebung der Meßmembran
in Abhängigkeit von der auf sie einwirkende Druckdifferenz verbessert werden. Die
Frage des Schutzes der Meßmembran bei einseitiger ffberlast ist in dieser Druckschrift
nicht behandelt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Meßkapsel sind
in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die Merkmale des Anspruchs 2 geben eine vorteilhafte Ausgestaltung
der im Anspruch 1 genannten entkoppelnden Abstandseinrichtungen zwischen dem zentralen
Bereich der Meßmembran und den Referenzplatten an.
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Entkoppelnde Abstandseinrichtungen zwischen einer Druckmeßmembran
und einer Referenzplatte sind aus der DE-OS 29 48 165 bekannt.
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Die Ansprüche 3 bis 10 geben Meßkapseln nach der Erfindung an, bei
der sowohl die tragenden als auch die messenden Komponenten dieselbe Temperaturabhängigkeit
aufweisen.
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Die Erfindung wird im folgenden mit ihren weiteren Einzelheiten und
Vorteilen anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher
erläutert. Es zeigt Figur 1 einen Schnitt durch einen ersten Differenzdruck-Meßumformer
mit einer aus Keramik hergestellten Meßkapsel nach der Erfindung, Figur 2 einen
Schnitt durch die Meßmembran des in der Figur 1 dargestellten ersten Differenzdruck-Meßumformers,
Figur 3 eine Draufsicht auf die Meßmembran des in der Figur 1 dargestellten ersten
Differenzdruck-Meßumformers, Figur 4 eine räumliche Darstellung der Meßmembran und
einer Referenzplatte des in der Figur 1 dargestellten ersten Differenzdruck-Meßumformers,
Figur 5a eine prinzipielle Darstellung der Ruhelage der Meßmembran, Figur 5b eine
prinzipielle Darstellung der Auslenkung der Meßmembran bei dem Differenzdruck, der
dem Meßbereichsendwert entspricht, Figur 5c eine prinzipielle Darstellung der Auslenkung
der Meßmembran bei einseitiger Überlast, Figur 6a einen Schnitt durch einen Teil
der Meßmembran und die Referenzplatten einer weiteren Meßkapsel nach der Erfindung,
Figur 6b eine Draufsicht auf die Referenzplatte und einen Teil der Meßmembran entsprechend
Figur 6a, Figur 7 einen Schnitt durch einen Meßumformer mit einer weiteren Meßkapsel
nach der Erfindung, Figur 8 einen Schnitt durch eine dritte, aus Metall hergestellte
Meßkapsel nach der Erfindung, Figur 9a eine Draufsicht auf die Meßmembran und eine
Referenzplatte der in der Figur 8 dargestellten
Meßkapsel, Figur
9b einen gegenüber der Figur 8 in der Breite vergrößer dargestellten Schnitt durch
die Meßmembran und die an ihr gehaltenen Referenzplatten, Figur 10a zeigt einen
vergrößerten Ausschnitt aus den Figuren 9a und 9b, Figur lOb eine der Figur 10a
entsprechende Darstellung mit nach innen geschwenkten Torsionsstegen und Figur 10c
eine der Figur 10a entsprechende Darstellung mit nach außen geschwenkten Torsionsstegen.
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Gleiche Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die Figur 1 zeigt einen Schnitt durch einen Differenzdruck-Meßumformer
mit einer Meßkapsel nach der Erfindung.
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Eine Meßmembran aus Keramik mit den Bereichen 1a, 1b und 1c, die im
folgenden als Meßmembran 1 bezeichnet ist, ist zwischen zwei rotationssymmetrischen
Meßkapselscheiben 2 und 3, die aus demselben keramischen Material wie die Meßmembran
bestehen, gehalten. Die Meßkapselscheiben 2 und 3 weisen-konkave Seitenflächen auf,
die zusammen mit der Meßmembran 1 zwei Meßkammern 4 bzw. 5 und zusammen mit zwei
Trennmembranen 6 und 7 zwei Trennkammern 8 bzw.
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9 bilden. Die Meßkammer 4 ist über eine Durchgangsöffnung 10 mit der
Trennkammer 8 verbunden, und die Meßkammer 5 ist über eine weitere Durchgangsöffnung
11 mit der Trennkammer 9 verbunden. Der Raum zwischen der Trennmembran 6 und der
Meßmembran 1 (Trennkammer 8, Durchgangsöffnung 10, Meßkammer 4) und der Raum zwischen
der Trennmembran 7 und der Meßmembran 1 (Trennkammer 9, Durchgangsöffnung 11, Meßkammer
5) sind mit einer im wesentlichen inkompressiblen Flüssigkeit, z.B. Silikonöl, gefüllt.
Diese Flüssigkeit überträgt die auf die Trennmembranen 6 und 7 einwirkenden Drücke
auf die Meßmembran 1, wobei die Durchbiegung der Meßmembran 1 ein Maß für den zu
messenden Differenzdruck ist. Die Füllung mit der im wesentlichen inkompressiblen
Flüssigkeit erfolgt für den
einen Raum über ein Füllrohr 12, das
in die Meßkapselscheibe 2 eingelassen ist, und für den anderen Raum über ein Füllrohr
13, das in die Meßkapselscheibe 3 eingelassen ist. Nach der Füllung werden die Fallrohre
12 und 13 in bekannter Weise, z.B. durch Schweißen, gasdicht verschlossen.
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An der Meßmembran 1 ist auf jeder Seite eine Referenzplatte 14 bzw.
15 aus Keramik gehalten. Da die Meßmembran 1 und die Referenzplatten 14 und 15 sowie
die Meßkapselscheiben 2 und 3 aus demselben keramischen Material bestehen, ergeben
sich für diese Teile der Meßkapsel dieselben temperaturabhängigen Formänderungen.
Anstelle von Keramik kann z.B. auch Quarzglas verwendet werden. Die Meßmembran 1
und die Referenzplatten 14 und 15 sind mit elektrisch leitenden Schichten versehen.
Diese Schichten bilden auf jeder Seite der Meßmembran mindestens einen Kondensator.
Bei einer Durchbiegung der Meßmembran ändern sich die Kapazitäten dieser Kondensatoren
in gegenläufiger Richtung. Als elektrische Zuleitungen dienen Leiterbahnen, die
in radialer Richtung auf der Meßmembran aufgebracht sind und von den Meßkammern
4 und 5 nach außen in einen Anschlußraum 16 führen. Dort sind - nur schematisch
dargestellte - Anschlußleitungen 17 mit den Leiterbahnenden verbunden. Die AnschluBleitungen
17 führen zu einer hier nicht dargestellten elektronischen Schaltung, die die Kapazitätswerte
der Kondensatoren auswertet. Einzelheiten der Meßmembran 1 und der an ihr befestigten
Referenzplatten 14 und 15 sind weiter unten im Zusammenhang mit den Figuren 2 und
3 beschrieben.
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Die oben beschriebene Meßkapsel ist in einem Meßumformergehäuse gehalten,
das aus zwei Kappen 18 und 19 sowie einem Ring 20 besteht. Die Kappen 18 und 19
sowie der Ring 20 bestehen aus Metall. Die Kappen 18 und 19 sind miteinander verschraubt,
wobei der Ring 20, der im Be-
reich des Anschlußraumes 16 unterbrochen
ist, als Distanzausgleich dient. In eine Ringnut der Kappen 18 und 19 ist ein Dichtring
21 bzw. 22 eingelegt, so daß die Kappe 18 zusammen mit der Außenfläche der Trennmembran
6 einen ersten Druckraum bildet und die Kappe 19 zusammen mit der Außenfläche der
Trennmembran 7 einen zweiten Druckraum bildet.
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Die Figur 2 zeigt - in einer gegenüber der Figur 1 in der Breite vergrößerten
Darstellung - einen Schnitt durch die Meßmembran und die Figur 3 eine entsprechende
Draufsicht auf die Meßmembran 1 und die Referenzplatte 15. Die Meßmembran 1 weist
einen zentralen Bereich 1a, einen diesen konzentrisch umgebenden ringförmigen Bereich
1b sowie einen weiteren ringförmigen Bereich 1c auf. Der ringförmige Bereich 1c
ist mit den Meßkapselscheiben 2 und 3 durch Kleben oder Löten druckfest und gasdicht
verbunden.
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Der ringförmige Bereich 1b ist nicht so dick wie der zentrale Bereich
1a, der die Referenzplatten 14 und 15 trägt.
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An dem zentralen Bereich 1a der Meßmembran sind die Referenzplatten
14 und 15 an Jeweils drei gleichmäßig über den Umfang verteilten Abstandselementen
aus einem in Dickschichttechnik aufgebrachten Widerstandsmaterial gehalten. Von
den Abstandselementen sind in der Figur 2 auf jeder Seite der Meßmembran 1 nur zwei
zu erkennen, die mit den Bezugszeichen 23, 24 sowie 25, 26 versehen sind.
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Diese Abstands elemente bestimmen den Abstand zwischen den Referenzplatten
14 und 15 und dem zentralen Bereich 1a der Meßmembran 1 im nicht ausgelenkten Zustand.
Sie sind Bestandteil einer entkoppelnden Abstandseinrichtung, die eine Durchbiegung
der Referenzplatten bei einer Auslenkung der Meßmembran 1 verhindert. Der zentrale
Bereich 1a der Meßmembran 1 und die Referenzplatten 14 und 15 sind mit elektrisch
leitenden Schichten 27 bis 30 versehen, von denen die Schichten 27 und 28 sowie
die Schichten 29 und 30 zwei Kondensatoren bilden, deren Kapazitäten sich
bei
Durchbiegung der Meßmembran gegenläufig ändern. Die Abstandselemente 24 und 26 bestehen
aus einem elektrisch leitfähigen Widerstandsmaterial, das in Dickschichttechnik
auf die Meßmembran aufgebracht ist. Durch diese Maßnahme ist es möglich, die elektrischen
Anschlüsse der Kondensatorbeläge 27 bis 30 auf der Meßmembran nach außen zu führen.
Hierzu dienen in radialer Richtung angeordnete Leiterbahnen, die mit den leitenden
Schichten auf dem zentralen Bereich 1a der Meßmembran und den Abstandselementen
24 und 26 verbunden sind. Von diesen Leiterbahnen sind in der Figur 2 nur die mit
den Bezugszeichen 31 und 32 versehenen Leiterbahnen und in der Figur 3 nur die mit
den Bezugszeichen 32 und 33 versehenen Leiterbahnen sichtbar. Die in der Figur 3
sichtbaren Teile der Leiterbahnen 32 und 33 sind schwarz dargestellt, während die
von der Referenzplatte 15 -verdeckte leitende Schicht 29 sowie die ebenfalls verdeckten
Teile der Leiterbahnen 32 und 33 auf dem zentralen Bereich 1a der Meßmembran 1 durch
senkrechte Schraffur dargestellt sind.
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Die Figur 4 zeigt eine räumliche Darstellung der Meßmembran 1 und
der Referenzplatte 15, bevor beide unter Wärmeeinwirkung miteinander verbunden worden
sind. Die einzelnen Bauelemente sind anhand der Figuren 2 und 3 bereits erläutert
worden.
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Die Figuren 5a, 5b und 5c zeigen nebeneinander von links nach rechts
eine prinzipielle Darstellung der Auslenkung der eingespannten Meßmembran. Die Figur
5a zeigt die Ruhelage der Meßmembran, die Figur 5b zeigt die Auslenkung der Meßmembran
bei dem Differenzdruck, der dem Meßbereichsendwert entspricht, und die Figur 5c
zeigt die Auslenkung bei dem Differenzdruck, der sich einstellt, wenn eine der Trennmembranen
bei einseitiger überlast an dem zugehörigen Membranbett anliegt. Wie insbesondere
die Figur 5c für den Uberlastfall zeigt, ist die Auslenkung
der
Meßmembran in dem zentralen Bereich 1a der Meßmembran geringer als in dem diesen
ringförmig umgebenden Bereich 1b der Meßmembran. Die entkoppelnden Abstandseinrichtungen
zwischen dem zentralen Bereich 1a der Meßmembran 1 und den Referenzplatten 14 bzw.
15, von denen in den Figuren 5a, 5b und 5c nur die Abstandselemente 23 bis 26 sichtbar
sind, nehmen die bei der Auslenkung der Meßmembran auftretenden Torsionskräfte auf,
so daß die beiden Referenzplatten 14 und 15 keine Durchbiegung erfahren Ünd plan
sowie parallel zueinander bleiben. Einzelheiten der Abstandseinrichtungen zwischen
der Meßmembran und den Referenzplatten sind weiter unten anhand der Figuren 9a und
9b sowie 1Oa, 1Ob und 10c beschrieben.
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Bei der erfindungsgemäßen Meßkapsel übernimmt der ringförmige Bereich
1b der Meßmembran den Schutz gegen Beschädigung bei einseitiger überlast. Das durch
bei überlast aus der Trennkammer verdrängte Püllvolumen wird durch Auslenkung der
Meßmembran aufgenommen. Der dabei entstehende Innendruck ist ein Produkt aus dem
verdrängten Volumen und der Membransteifigkeit, die durch die Membrandicke in dem
ringförmigen Bereich 1b der Meßmembran beeinflußbar ist. Unabhängig hiervon kann
die Membrandicke in dem zentralen Bereich 1a der Meßmembran 1 im Hinblick auf den
Nennmeßbereich des Differenzdruck-Meßumformers gewählt werden. Der symmetrische
Aufbau der Meßkapsel erlaubt eine wechselseitige Beaufschlagung mit dem Differenzdruck
bei gleicher Meßkapselkennlinie.
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Die Figuren 6a und 6b zeigen einen Ausschnitt aus einer Meßmembran,
an der die Referenzplatten an jeweils nur einem Punkt mit der Meßmembran verbunden
sind. Die Figur 6a zeigt als Schnitt den zentralen Bereich 1a und einen Teil des
diesen ringförmig umgebenden Bereichs 1b der Meßmembran. An dem zentralen Bereich
1a sind über Abstandselemente 34 und 35 Referenzplatten 36 bzw. 37 ge-
halten.
Die Auslenkung der Meßmembran und der Referenzplatten bei Beaufschlagung mit einem
von Null verschiedenen Differenzdruck ist in gestrichelten Linien dargestellt. Die
Referenzplatten 36 und 37 werden um den Steigungswinkel der Membranbiegelinie in
ihrem Anlenkungspunkt 34 bzw. 35 gedreht, d.h. die Referenzplatten 36 und 37 sind
parallel zu der Tangente an die Membranbiegelinie im Anlenkungspunkt. Es wirken
somit keine Torsionsmomente auf die Referenzplatten 36 und 37 ein. Die Figur 6b
zeigt eine Draufsicht auf den in der Figur 6a dargestellten Bereich der Meßmembran.
Der zentrale Bereich 1a ist von der Referenzplatte 36 verdeckt. Die auf den zentralen
Bereich 1a aufgebrachte leitende Schicht 38 ist ebenfalls durch die Referenzplatte
36 verdeckt. Eine Leiterbahn 39 stellt die elektrische Verbindung zum hier nicht
dargestellten Anschlußraum (16 in Figur 1) her. Die elektrische Verbindung von der
leitenden Schicht auf der Referenzplatte 36 zu dem Anschlußraum erfolgt über eine
weitere Leiterbahn 40 und das Abstandselement 34, das wie die Abstandselemente 23
bis 26 in der Figur 2 elektrisch leitfähig ist.
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Die Figur 7 entspricht der Figur 1. In dieser Figur sind nur die Teile
mit Bezugszeichen versehen, die zusätzlich zu denjenigen der Figur 1 vorhanden sind.
Nach dem Zusammenfügen der Meßmembran 1 und der Meßkapselscheiben 2 und 3, z.B.
durch Kleben oder Löten, wird über die so entstandene Meßkapsel von jeder Seite
aus ein metallischer Stützring 41 bzw. 42 über die Meßkapsel geschoben, bis beide
Stützringe aneinanderstoßen, wobei für die Füllrohre (12, 13 in Figur 1) und das
die Leiterbahnen tragende Teil der Meßmembran 1 Aussparungen vorgesehen sind.
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Die metallischen Stützringe 41 und 42 werden dann durch eine Schweißnaht
43 miteinander verbunden. Diese Maßnahme bewirkt eine mechanische Entlastung der
Fügestelle, an der die Meßkapselscheiben und die Meßmembran miteinander verbunden
sind.
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Die Figur 8 zeigt einen Schnitt durch eine aus Metall hergestellte
Meßkapsel nach der Erfindung. Eine Meßmembran 44 mit den Bereichen 44a, 44b und
44c ist mit ihrem äußeren ringförmigen Bereich 44c zwischen zwei Meßkapselscheiben
45 und 46 gehalten. In dem Ausführungsbeispiel bestehen die Meßmembran 44 sowie
die Meßkapselscheiben 45 und 46 aus einem austenitischen Chrom-Nickel-Stahl, wobei
das Material der Meßmembran 44 federelastisch ist. Bei der Wahl des Materials von
Meßmembran und Meßkapselscheiben ist darauf zu achten, daß sie den gleichen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten aufweisen und daß das Material der Meßmembran federelastisch
ist. Der äußere ringförmige Bereich 44c der Meßmembran ist mit den beiden Meßkapselscheiben
45 und 46 durch eine Schweißnaht 47 verbunden. Die Meßkapselscheiben 45 und 46 weisen
auf ihrer der Meßmembran 44 zugewandten Seite Je eine zylinderförmige Ausnehmung
auf, in die jeweils ein keramischer Einsatz 48 bzw. 49 eingesetzt ist. Der Raum
zwischen dem keramischen Einsatz 48 und der Meßmembran 44 bildet eine erste Meßkammer
50, und der Raum zwischen dem keramischen Einsatz 49 und der Meßmembran 44 bildet
eine zweite Meßkammer 51. Die Meßkammer 50 ist über einen Kanal 52 des keramischen
Einsatzes 48 und eine Durchgangs öffnung 53 mit einer ersten Trennkammer 54 verbunden,
die von einer ersten Trennmembran 55 und der Meßkapselscheibe 45 begrenzt ist. Die
Trennmembran 55 ist in üblicher Weise mit der Meßkapselscheibe 45 verschweißt. In
entsprechender Weise ist die Meßkammer 51 über einen Kanal 56 des keramischen Einsatzes
49 und eine Durchgangsöffnung 57 mit einer zweiten Trennkammer 58 verbunden, die
von einer zweiten Trennmembran 59 und der Meßkapselscheibe 46 begrenzt ist. Der
Raum zwischen der Trennmembran 55 und der Meßmembran 44 (Trennkammer 54, Durchgangsöffnung
53, Kanal 52, Meßkammer 50) ist mit einer im wesentlichen inkompressiblen Flüssigkeit,
z.B. Silikonöl, gefüllt. Mit der gleichen Flüssigkeit ist auch der Raum zwischen
der
Trennmembran 59 und der Meßmembran 44 (Trennkammer 58, Durchgangsöffnung
57, Kanal 56, Meßkammer 51) gefüllt.
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Diese Flüssigkeit überträgt die auf die Trennmembranen 55 und 59 einwirkenden
Drücke auf die Meßmembran 44, wobei die Durchbiegung der Meßmembran 44 ein Maß für
den zu messenden Differenzdruck ist. Die Füllung mit der im wesentlichen inkompressiblen
Flüssigkeit erfolgt für den einen Raum über ein metallisches Füllrohr 60, das in
eine Glasdurchführung 61 eingeschmolzen ist, die ihrerseits druckdicht in der Meßkapselscheibe
45 gehalten ist. Die Füllung mit der im wesentlichen inkompressiblen Flüssigkeit
erfolgt für den anderen Raum über ein weiteres metallisches Füllrohr 62, das in
eine weitere Glasdurchführung 63 eingeschmolzen ist, die ihrerseits druckdicht in
der Meßkapselscheibe 46 gehalten ist. Nach der Füllung werden die Füllrohre 60 und
62 in bekannter Weise, z.B.
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durch Schweißen, gasdicht verschlossen.
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An der Meßmembran 44 ist auf jeder Seite eine Referenzplatte 64 bzw.
65 gehalten. Die Referenzplatten 64 und 65 sind über jeweils drei gleichmäßig über
den Umfang verteilte Abstands elemente aus einem elektrisch isolierenden Material,
z.B. Glas, an dem zentralen Bereich 44a der Meßmembran gehalten. Die Abstandselemente
sind Bestandteile von entkoppelnden Abstandseinrichtungen, die bei einer Durchbiegung
des zentralen Bereichs 44a der Meßmembran eine Durchbiegung der Referenzplatten
64 und 65 verhindern. Einzelheiten der Abstandseinrichtungen zwischen dem zentralen
Bereich 44a der Meßmembran und den Referenzplatten 64 und 65 sind weiter unten anhand
der Figuren 9a und 9b sowie 1Oa, 1Ob und 10c beschrieben. Der zentrale Bereich 44a
der Meßmembran und die Referenzplatten 64 und 65 bilden zwei in Reihe geschaltete
Kondensatoren, wobei die Meßmembran als gemeinsame Mittelelektrode dient. Bei einer
Durchbiegung der Meßmembran 44 ändern sich die Kapazitäten dieser Kondensatoren
in gegenläufiger Richtung.
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Als elektrische Zuleitungen zu den Referenzplatten 64 und 65 dienen
Kontaktfedern 66 bzw. 67. Die Kontaktfeder 66 verbindet die Referenzplatte 64 mit
dem gegenüber der Meßkapselscheibe 45 elektrisch isolierten Füllrohr 60, und die
Kontaktfeder 67 verbindet die Referenzplatte 65 mit dem gegenüber der Meßkapselscheibe
46 elektrisch isolierten Füllrohr 62. Die Kontaktfedern 66 und 67 sind so ausgelegt,
daß sie den größten in axialer Richtung auftretenden Auslenkungen folgen können,
ohne die Federcharakteristik der Meßmembran 44 zu beeinflussen. Die Meßmembran 44
ist durch die Schweißnaht 47 auch elektrisch mit den Meßkapselscheiben 45 und 46
verbunden. Die Meßkapsel sowie die Füllrohre 60 und 62 sind mit einer hier nicht
dargestellten elektronischen Schaltung elektrisch verbunden, die die Kapazitätswerte
der beiden Kondensatoren auswertet und in ein elektrisches Ausgangssignal umformt,
das ein Maß für den auf die Meßmembran 44 einwirkenden Differenzdruck ist. Die oben
beschriebene Meßkapsel ist in an sich bekannter Weise in einem Meßumformergehäuse
gehalten.
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Die Figur 9a zeigt eine Draufsicht auf die Meßmembran 44 und die Referenzplatte
64, und die Figur 9b zeigt - in einer gegenüber der Figur 8 in der Breite vergrößerten
Darstellung - einen Schnitt durch die Meßmembran 44 und die an ihr gehaltenen Referenzplatten
64 und 65. Die Meßmembran 44 weist einen zentralen Bereich 44a auf, dessen Auslenkung
in Abhängigkeit von dem auf die Meßmembran 44 einwirkenden Druck in ein elektrisches
Ausgangssignal umgesetzt wird. Dieser Bereich ist ungefähr doppelt so dick wie der
ihn konzentrisch umgebende rin'gförmige Bereich 44b der Meßmembran 44. Der ringförmige
Bereich 44b wird aufgrund der geringeren Dicke stärker ausgelenkt als der zentrale
Bereich 44a, und dient zusammen mit der sich bei einseitiger Überlast an das zugehörige
Membranbett anlegenden Trennmembran als Überlastschutz. Der ringförmige Bereich
44b ist von dem ringförmigen Bereich 44c umgeben,
über den die
Meßmembran mit den hier nicht dargestellten Meßkapselscheiben 45 und 46 verbunden
ist. Die Referenzplatten 64 und 65 sind über je drei gleichmäßig über ihren Umfang
verteilte und untereinander gleich aufgebaute Abstandseinrichtungen mit dem zentralen
Bereich 44a der Meßmembran 44 verbunden. Im folgenden wird daher nur der Aufbau
einer Abstandseinrichtung beschrieben. Die Referenzplatte 64 ist mit zwei Ausnehmungen
68 und 69 versehen. Diese Ausnehmungen bilden ein Auflageplättchen 70 und zwei Torsionsstege
71 und 72. Die Torsionsstege 71 und 72 verbinden das Auflageplättchen 70 mit dem
restlichen Teil der Referenzplatte 64. Die Torsionsstege 71 und 72 liegen dabei
tangential zu einem konzentrisch zur Mittelachse 73 der Meßmembran 44 verlaufenden
Kreis, der in der Figur 9a mit dem Bezugszeichen 74 versehen ist, in der Ebene der
Referenzplatte 64. Zwischen dem zentralen Bereich 44a der Meßmembran 44 und dem
Auflageplättchen 70 ist ein Abstandselement 75 aus Glas angeordnet, dessen Dicke
den Abstand zwischen dem zentralen Bereich 44a der Meßmembran 44 und der Referenzplatte
64 in der Ruhelage der Meßmembran bestimmt. Weitere Abstandselemente zwischen dem
zentralen Bereich 44a der Meßmembran 44 und den Referenzplatten 64 bzw. 65, die
in den Figuren 8, 9a oder 9b dargestellt sind, sind mit den Bezugszeichen 76 bis
79 versehen.
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Die Figuren 10a, lOb und 10c zeigen Einzelheiten der Abstandseinrichtungen.
In jeder der drei Figuren sind eine Draufsicht und ein Schnitt nebeneinander gestellt,
wobei in den drei Figuren Jeweils von derselben Aus lenkung der Meßmembran ausgegangen
wird. Die Figur 10a zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus den Figuren 9a und 9b.
Aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit wurden die Kontaktfeder 66, die in den
Figuren 9a und 9b mit dem Auflageplättchen 70 verbunden ist, und die rechte Hälfte
des zentralen Bereichs 44a der Meßmembran 44, an der die Re-
ferenzplatte
65 gehalten ist, nicht dargestellt. Wie die Draufsicht der Figur 10a zeigt, liegen
die Torsionsstege 71 und 72 in Richtung einer Tangente 80 an den konzentrisch zu
der Mittelachse der Meßmembran 44 verlaufenden Kreis 74. Während in der Ruhelage
der Meßmembran die Meßmembran parallel zu den Referenzplatten liegt, weicht bei
der angenommenen Auslenkung der Meßmembran 44 die Senkrechte auf die Meßmembran
im Bereich des Abstandselementes 75 um einen Winkel « von der Senkrechten auf die
Referenzplatte 64 ab. Wie die Schnittdarstellung der Figur 10a zeigt, folgen das
Abstandselement 75 und das Auflageplättchen 70 der Auslenkung der Meßmembran. Die
Torsionsstege 71 und 72 nehmen die Drehung um den Winkel N auf, und die Referenzplatte
64 bleibt eben. Jedoch verringert sich der Abstand zwischen dem zentralen Bereich
44a der Meßmembran 44 und der Referenzplatte 64. Der Abstand zwischen dem zentralen
Bereich 44a der Meßmembran 44 und der hier nicht dargestellten Referenzplatte 65
(vergl. Figur 9b) vergrößert sich in entsprechender Weise gegenüber der Ruhelage
der Meßmembran 44. In der Figur 1Ob sind die Torsionsstege 71' und 72' gegenüber
der Tangente 80 an den Kreis 74 leicht zur Mittelachse der Meßmembran 44 hin geschwenkt.
Diese Schwenkung der Torsionsstege führt bei gleichem Winkel CC zu einem um den
Wert Ils vergrößerten Abstand zwischen dem zentralen Bereich 44a der Meßmembran
44 und der Referenzplatte 64 gegenüber der in der Figur 10a dargestellten Ausführungsform,
bei der die Torsionsstege 71 und 72 in Richtung der Tangente 80 an den Kreis 74
liegen. In der Figur 10c sind die Torsionsstege 71" und 72'' gegenüber der Tangente
80 an den Kreis 74 leicht von der Mittelachse der Meßmembran 44 weg geschwenkt.
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Diese Schwenkung der Torsionsetege führt bei gleichem Winkell zu einem
um den Wert As verkleinerten Abstand zwischen dem zentralen Bereich 44a der Meßmembran
44 und der Referenzplatte 64 gegenüber der in der Figur 10a dargestellten Ausführungsform,
bei der die Torsionsstege 71
und 72 in Richtung der Tangente 80
an den Kreis 74 liegen. Durch die Ausgestaltung der Torsionsstege 71' und 72' entsprechend
der Figur 1Ob und durch die Ausgestaltung der Torsionsstege 71 " und 72" entsprechend
der Figur 10c lassen sich eine Verstärkung bzw. eine Abschwächung des Meßeffektes
erreichen.
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Die in der Figur 8 dargestellten keramischen Einsätze 48 und 49 dienen
mehreren Zwecken gleichzeitig. Da die Meßkapselscheiben 45 und 46 aus Metall bestehen,
bilden die keramischen Einsätze 48 und 49 eine kapazitive Entkopplung der Referenzplatten
64 und 65 von den Meßkapselscheiben 45 bzw. 46. Außerdem kompensieren die keramischen
Einsätze 48 und 49 aufgrund ihrer geringen thermischen Ausdehnung einen wesentlichen
Teil der temperaturbedingten Ölvolumenänderung. Weiterhin erlauben die keramischen
Einsätze 48 und 49 eine einfache Einstellung der Sensordämpfung durch entsprechende
Ausgestaltung der Kanäle 52 und 56. Wird in die an die Meßkapselscheiben angrenzende
Stirnfläche der keramischen Einsätze eine spiralförmig von der Durchgangsöffnung
53 bzw. 57 zu den Kanälen 52 bzw. 56 führende Rille eingeformt, so können Anforderungen
des Explosionsschutzes nach Ex d und DIN EN 50018 auf einfache Weise erfüllt werden.
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Bei den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen wurde
von einem Elektrodenabstand von 25 Um und einem Nennhub von 5 pm für einen Differenzdruck
von 100 % des Meßbereiches ausgegangen. Da diese geringen Abstände sich nicht maßstabsgetreu
darstellen lassen, mußte insbesondere der Elektrodenabstand stark verzerrt gezeichnet
werden. Die Membrandicke liegt in der Größenordnung von 1 mm sowohl für die Keramikausführung
als auch für die Metallausführung. Der Außendurchmesser des zentralen Bereichs der
Meßmembran liegt in der Größenordnung von 24 mm, der Außendurchmesser des diesen
konzentrisch umge-
benden ringförmigen Bereichs liegt in der Größenordnung
von 44 mm und der Außendurchmesser des zwischen den Meßkapselscheiben gehaltenen
Bereichs der Meßmembran liegt in der Größenordnung von 50 mm. Auch diese Angaben
gelten sowohl für die Keramikausführung als auch für die Metallausführung.
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Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Meßkapsel sieht
die Fertigung von Meßmembran und Referenzplatten aus Silizium und die Fertigung
der Meßkapselscheiben aus Metall vor. Wie bei der reinen Metallausführung der Meßkapsel
dienen keramische Einsätze zwischen den Meßkapselscheiben und den an der Meßmembran
gehaltenen Referenzplatten zur kapazitiven Entkopplung der Referenzplatten von den
Meßkapselscheiben. Bei dieser Ausführungsform wird die Meßmembran aus Silizium mit
einem Haltering aus Metall verklebt, der denselben Außendurchmesser wie die Meßkapselscheiben
aufweist, und der Haltering wird mit den Meßkapselscheiben verschweißt. Diese Ausführungsform
erlaubt eine weitere Miniaturisierung von Meßkapsel und diese enthaltenden Differenzdruck-Meßumformer.