DE10231010A1

DE10231010A1 - Druckmeßwerk

Info

Publication number: DE10231010A1
Application number: DE2002131010
Authority: DE
Inventors: Dietfried Burczyk; Wolfgang Dannhauer; Ralf Nürnberger; Friedrich Schwabe
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2002-07-09
Filing date: 2002-07-09
Publication date: 2004-01-22
Anticipated expiration: 2022-07-10
Also published as: DE10231010B4

Abstract

Es ist ein Druckmeßwerk vorgesehen, das einfach aufgebaut ist und kostengünstig herstellbar ist, mit einer Druckmeßzelle (3) und einem Gehäuse (1), das eine erste Gehäusehälfte (5) aufweist, die eine Ausnehmung (9) aufweist, in der die Druckmeßzelle (3) angeordnet ist, das eine zweite Gehäusehälfte (7) aufweist, die an die erste Gehäusehälfte (5) anschließt und auf der die Druckmeßzelle (3) aufliegt, bei der die Druckmeßzelle (3) mechanisch durch die zweite Gehäusehälfte (7) im Druckmeßwerk befestigt ist, und bei dem zwischen der Ausnehmung (9) und der Druckmeßzelle (3) eine Abdichtung (21) besteht, durch die die beiden Gehäusehälften (5, 7) druckdicht voneinander abgetrennt sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Druckmeßwerk.
In der Druckmeßtechnik werden zur Differenzdruckmessung und auch zur Relativdruckmessung Druckmeßzellen eingesetzt. Bei der Relativdruckmessung wird ein zu messender Druck in Form eines Druckunterschiedes gegenüber einem Referenzdruck, z.B. einem Druck, der dort herrscht, wo sich der Sensor befindet, aufgenommen. Bei den meisten Anwendungen ist dies der Atmosphärendruck am Einsatzort. Bei der Differenzdruckmessung wird eine Differenz zwischen einem ersten und einem zweiten an der Druckmeßzelle anliegenden Druck erfaßt.
Als Druckmeßzellen werden häufig Halbleitersensoren, z.B. piezoresistive Sensorelemente verwendet. Diese weisen druckempfindliche auf einem Grundkörper aufgebracht Membranen auf, auf die im Betrieb die zu messenden Drücke einwirken. Da Halbleitersensoren und insb. die Membranen für sich genommen mechanisch empfindlich sind, werden derartige Sensoren in ein massives Gehäuse, z.B. aus einem Stahl oder Edelstahl eingesetzt. Sensor und Gehäuse bilden ein Druckmeßwerk, an das zwei Druckanschlußleitungen anschließbar sind. Eine der Anschlußleitungen wird an eine Hochdurckseite und die andere an eine Niederdruckseite des Druckmeßwerks angeschlossen. Das Gehäuse weist Bohrungen auf, durch die über die Anschlußleitungen zugeführte Drücke zu den Membranen geführt werden.
Im Gehäuse muß eine druckdichte Abtrennung der Hochseite von der Niederdruckseite des Druckmeßwerks erfolgen. Außerdem dient das Gehäuse der mechanischen Befestigung der Druckmeßzelle.
Bei herkömmlichen Druckmeßwerken dieser Art sind daher eine Vielzahl von Fügestellen vorgesehen, die in mehreren aufeinanderfolgenden Arbeitsschritten hergestellt werden.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Druckmeßzelle anzugeben, die einfach aufgebaut ist und kostengünstig herstellbar ist.
Hierzu besteht die Erfindung in einem Druckmeßwerk mit

– einer Druckmeßzelle und
– einem Gehäuse,
– das eine erste Gehäusehälfte aufweist,
– die eine Ausnehmung aufweist, in der die Druckmeßzelle angeordnet ist,
– das eine zweite Gehäusehälfte aufweist,
– die an die erste Gehäusehälfte anschließt und auf der die Druckmeßzelle aufliegt,
– bei der die Druckmeßzelle mechanisch durch die zweite Gehäusehälfte im Druckmeßwerk befestigt ist, und
– bei dem zwischen der Ausnehmung und der Druckmeßzelle eine Abdichtung besteht, durch die die beiden Gehäusehälften druckdicht voneinander abgetrennt sind.

Gemäß einer Ausgestaltung sind die beiden Gehäusehälften miteinander verschweißt.
Gemäß einer Weiterbildung erfolgt die Abdichtung durch Einkleben der Druckmeßzelle in die Ausnehmung.
Gemäß einer Ausgestaltung ist die Druckmeßzelle ein Halbleitersensor, der auf eine Durchführung aufgesetzt ist.
Gemäß einer Ausgestaltung sind in der Ausnehmung auf einer von der zweiten Gehäusehälfte abgewandten Seite der Druckmeßzelle Füllkörper vorgesehen.
Gemäß einer Weiterbildung ist durch die Durchführung ein Röhrchen durchgeführt, das von der Druckmeßzelle in die zweite Gehäusehälfte hinein führt.
Gemäß einer Weiterbildung der letztgenannten Weiterbildung ist das Röhrchen in der zweiten Gehäusehälfte eingeklebt.
Weiter besteht die Erfindung in einem Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Druckmeßwerks, bei dem

– die Druckmeßzelle in die Ausnehmung eingesetzt wird,
– Kleber zwischen der Druckmeßzelle und der Ausnehmung oder zwischen der Druckmeßzelle und der Ausnehmung und zwischen dem Röhrchen und der zweiten Gehäusehälfte eingebracht wird,
– die erste und die zweite Gehäusehälfte miteinander verschweißt werden, und
– der Kleber aushärtet.

Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens wird eine durch das Verschweißen der Gehäusehälften bedingte Restwärme zur Aushärtung des Klebers eingesetzt.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß das Druckmeßwerk sehr einfach und kompakt aufgebaut ist und dadurch entsprechend kostengünstig und mit geringem Materialaufwand herstellbar ist.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die einzelnen Fügestellen, zwischen Druckmeßzelle und Ausnehmung, zwischen Röhrchen und zweiter Gehäusehälfte und zwischen der ersten und der zweiten Gehäusehälfte, jeweils entweder nur eine abdichtende oder eine der mechanischen Befestigung dienende Funktion haben. Da die Abdichtungen keine Befestigungsfunktion haben ist man hier sehr frei in der Wahl der Abdichtung.
Der Erfindungsgemäß hierzu eingesetzte Kleber bietet den großen Vorteil, daß die Klebeverbindungen nach dem Einbringen des Klebers keinen zusätzlichen Arbeitsgang erfordern. Der Kleber kann mittels der beim Verschweißen der beiden Gehäusehälften auftretenden Wärme bzw. Restwärme ausgehärtet werden. Dies bietet den zusätzlichen Vorteil, das die Druckmeßzelle während des Schweißvorgangs in dem noch flüssigen Kleber quasi schwimmend gelagert ist. Spannungen, wie sie z.B. durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten einzelner Bauteil beim Schweißen auftreten können, wirken sich somit nicht auf die Druckmeßzelle aus.
Die Erfindung und weitere Vorteile werden nun anhand der Figur der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist, näher erläutert. Gleiche Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Druckmeßwerk.
In 1 ist ein erfindungsgemäßes Druckmeßwerk dargestellt. Es umfaßt eine in ein Gehäuse 1 eingebaute Druckmeßzelle 3.
Die Druckmeßzelle 3 ist ein Differenzdrucksensor aus einem Halbleiter. Derartige Halbleitersensoren weisen z.B. auf einem Träger aufgebrachte Membranen auf, in die piezoresistive Elemente eingebracht sind. Die Elemente können, z.B. in Form von Widerstandsmeßbrücken zusammengeschaltet werden und über Anschlußleitungen an eine Meßschaltung angeschlossen werden. Die Meßschaltung ermittelt z.B. eine Brückenspannung der Widerstandsmeßbrücke, die ein Maß für eine Durchbiegung der jeweiligen Membran ist, welche wiederum ein Maß für die auf sie einwirkenden Drücke ist.
Heutzutage sind mechanisch sehr robuste piezoresistive Chips, wie sie für die Membranen verwendet werden, erhältlich, so daß derartige Differenzdrucksensoren ohne vorgeschalteten mechanischen Überlastschutz verwendet werden können.
Das Gehäuse 1 umfaßt eine erste und eine zweite Gehäusehälfte 5, 7. Die erste Gehäusehälfte 5 weist eine Ausnehmung 9 auf, in der die Druckmeßzelle 3 angeordnet ist. Die zweite Gehäusehälfte 7 schließt unmittelbar an die erste Gehäusehälfte 5 an und die Druckmeßzelle 3 liegt auf der zweiten Gehäusehälfte 7 auf.
In der Ausnehmung 9 sind auf einer von der zweiten Gehäusehälfte 7 abgewandten Seite der Druckmeßzelle 3 Füllkörper 10 vorgesehen. Diese umgeben die Druckmeßzelle 3 unter Freilassung einer Druckzufuhr allseitig. Sie dienen dazu einen in der Ausnehmung 9 nach Einbringen der Druckmeßzelle 3 verbleibenden Hohlraum zu reduzieren.
Im Betrieb werden die Hohlräume sowie die Druckzufuhr mit einer möglichst inkompressiblen Flüssigkeit, z.B. einem Silikonöl, ausgefüllt, das den der jeweiligen Membran zuzuführenden Druck überträgt. Je weniger Flüssigkeit benötigt wird, umso geringer sind Fehler, die z.B. durch eine thermische Ausdehnung der Flüssigkeit auftreten.
Die Druckmeßzelle 3 ist auf eine Durchführung 11 aufgesetzt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Durchführung 11 eine Glasdurchführung mit einem in einen metallischen Zylinder 13 eingefaßten Glaskern 15.
Durch die Durchführung 11 ist ein Röhrchen 17 durchgeführt, das von der Druckmeßzelle 3 in die zweite Gehäusehälfte 7 hinein führt. Dort ist es vorzugsweise in eine Bohrung in der zweiten Gehäusehälfte 7 eingeklebt.
Das Röhrchen 17 mündet vor der niederdruckseitigen Membran der Druckmeßzelle 3 und dient der Druckzufuhr.
Die Druckmeßzelle 3 ist mechanisch durch die zweite Gehäusehälfte 7 im Druckmeßwerk befestigt. Hierzu liegt die Druckmeßzelle 3 mit dem Zylinder 13 der Durchführung 11 auf einer der ersten Gehäusehälfte 5 zugewandten Stirnfläche der zweiten Gehäusehälfte 7 auf. Die erste und die zweite Gehäusehälfte 5, 7 sind miteinander verschweißt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel verläuft eine Schweißnaht 18 außen um die beiden Gehäusehälften 5, 7 herum.
Zusätzlich ist ein Gegenlager vorgesehen. Das Gegenlager ist durch einen sich radial ins Innere der Ausnehmung 9 erstreckenden Absatz 19 gebildet, auf dem eine Absatzfläche der Durchführung 11 aufliegt. Weiter als bis zu dem durch den Absatz 19 gebildeten Anschlag kann die Druckmeßzelle 3 nicht in die erste Gehäusehälfte 5 eindringen.
Zwischen der Ausnehmung 9 und der Druckmeßzelle 3 besteht eine Abdichtung 21, durch die die beiden Gehäusehälften 5, 7 druckdicht voneinander abgetrennt sind. Vorzugsweise erfolgt die Abdichtung 21 durch Einkleben der Druckmeßzelle 3 in die Ausnehmung 9. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel besteht eine solche Klebverbindung zwischen einer zylindrischen äußeren Mantelfläche des Zylinders 13 der Durchführung 11 und einer zylindrischen inneren Mantelfläche der ersten Gehäusehälfte 5.
Hergestellt werden erfindungsgemäße Druckmeßwerke vorzugsweise indem zunächst die Druckmeßzelle 3 in die Ausnehmung 9 eingesetzt wird. In einem weiteren Arbeitsgang wird Kleber zwischen der Druckmeßzelle 3 und der Ausnehmung 9 eingebracht. Sofern das Röhrchen 17 in die Bohrung in der zweiten Gehäusehälfte 7 eingeklebt wird ist natürlich auch zwischen dem Röhrchen 17 und der zweiten Gehäusehälfte 7 Kleber einzubringen. Als Kleber eignet sich besonders ein Zweikomponentenkleber, der durch Wärmeeinwirkung aushärtet.
Es kann beispielsweise ein Epoxidharzkleber eingesetzt werden. Anschließend werden die erste und die zweite Gehäusehälfte 5, 7 miteinander verschweißt.
Ganz zum Schluß wird der Kleber ausgehärtet. Vorzugsweise wird dabei so verfahren, daß eine durch das Verschweißen der Gehäusehälften 5, 7 bedingte Restwärme zur Aushärtung des Klebers eingesetzt wird. Das bietet den Vorteil, daß der Kleber zwangsläufig erst nach dem Schweißvorgang aushärtet. Dadurch wird verhindert, daß beim Schweißvorgang auftretende mechanische Spannungen zur Druckmeßzelle 3 gelangen. Ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, daß alle Fügestellen, hier die Klebung zwischen Ausnehmung 9 und Druckmeßzelle 3, die Klebung zwischen dem Röhrchen 17 und der zweiten Gehäusehälfte 7 und die Verschweißung der beiden Gehäusehälften 5, 7 in einem einzigen Arbeitsgang vorgenommnen werden.

Claims

Druckmeßwerk mit – einer Druckmeßzelle (3) und – einem Gehäuse (1), – das eine erste Gehäusehälfte (5) aufweist, – die eine Ausnehmung (9) aufweist, in der die Druckmeßzelle (3) angeordnet ist, – das eine zweite Gehäusehälfte (7) aufweist, – die an die erste Gehäusehälfte (5) anschließt und auf der die Druckmeßzelle (3) aufliegt, – bei der die Druckmeßzelle (3) mechanisch durch die zweite Gehäusehälfte (7) im Druckmeßwerk befestigt ist, und – bei dem zwischen der Ausnehmung (9) und der Druckmeßzelle (3) eine Abdichtung (21) besteht, durch die die beiden Gehäusehälften (5, 7) druckdicht voneinander abgetrennt sind.
Druckmeßwerk nach Anspruch 1, bei dem die beiden Gehäusehälften (5, 7) miteinander verschweißt sind.
Druckmeßwerk nach Anspruch 1, bei dem die Abdichtung (21) durch Einkleben der Druckmeßzelle (3) in die Ausnehmung (9) erfolgt.
Druckmeßwerk nach Anspruch 1, bei dem die Druckmeßzelle (3) ein Halbleitersensor ist, der auf eine Durchführung (11) aufgesetzt ist.
Druckmeßwerk nach Anspruch 4, bei dem in der Ausnehmung (9) auf einer von der zweiten Gehäusehälfte (7) abgewandten Seite der Druckmeßzelle (3) Füllkörper (10) vorgesehen sind.
Druckmeßwerk nach Anspruch 4, bei dem durch die Durchführung (11) ein Röhrchen (17) durchgeführt ist, das von der Druckmeßzelle (3) in die zweite Gehäusehälfte (7) hinein führt.
Druckmeßwerk nach Anspruch 6, bei dem das Röhrchen (17) in der zweiten Gehäusehälfte (7) eingeklebt ist.
Verfahren zur Herstellung eines Druckmeßwerks nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem – die Druckmeßzelle (3) in die Ausnehmung (9) eingesetzt wird, – Kleber zwischen der Druckmeßzelle (3) und der Ausnehmung (9) eingebracht wird, – die erste und die zweite Gehäusehälfte (5, 7) miteinander verschweißt werden, und – der Kleber aushärtet.
Verfahren zur Herstellung eines Druckmeßwerks nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem – die Druckmeßzelle (3) in die Ausnehmung (9) eingesetzt wird, – Kleber zwischen der Druckmeßzelle (3) und der Ausnehmung (9) und zwischen das Röhrchen (17) und die zweite Gehäusehälfte (7) eingebracht wird, – die erste und die zweite Gehäusehälfte (5, 7) miteinander verschweißt werden, und – der Kleber aushärtet.
Verfahren zur Herstellung eines Druckmeßwerks nach Anspruch 8 oder 9, bei dem eine durch das Verschweißen der Gehäusehälften (5, 7) bedingte Restwärme zur Aushärtung des Klebers eingesetzt wird.