DE29711759U1

DE29711759U1 - Differenzdruck-Meßumformer

Info

Publication number: DE29711759U1
Application number: DE29711759U
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 1997-07-04
Filing date: 1997-07-04
Publication date: 1998-08-06
Anticipated expiration: 2007-07-05

Description

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Beschreibung
Differenzdruck-Meßumformer

Die Erfindung betrifft einen Differenzdruck-Meßumformer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der DE-OS 26 59 376 ist ein Differenzdruck-Meßumformer bekannt, bei welchem in einer Meßkammer eine Mittenmembran angeordnet ist. Die Meßkammer wird durch die Mittenmembran in zwei Seiten unterteilt, die jeweils über Kanäle druckleitend mit Trennmembranen verbunden sind. Die beiden Trennmembranen sind medienresistent ausgeführt und dienen als Schnittstelle zum Prozeßmedium. Unter den beiden Trennmembranen befindet sich jeweils ein Polstervolumen, das ebenso wie die beiden Seiten der Meßkammer und die Kanäle zu ihrer druckleitenden Verbindung mit der Meßkammer mit einem Druckübertragungsmedium, z. B. einem Füllöl, gefüllt ist. Die Mittenmembran dient in Verbindung mit den Trennmembranen zum Überlastschutz eines Sensors. Ist der anliegende Differenzdruck gleich Null, d. h., der Druck auf beiden Seiten ist gleich groß, so befindet sich die Mittenmembran in einer Nullage. Die Polstervolumina unter den Trennmembranen sind gleich groß. Tritt eine Druckdifferenz auf, so wird die Mittenmembran in Richtung der Seite mit dem geringeren Druck hin ausgelenkt. Entsprechend dazu werden die Trennmembranen gebogen. Die Trennmembran, an welcher der höhere Druck anliegt, wird in Richtung des Trennmembranbettes, die andere Trennmembran vom Trennmembranbett weg um den Betrag des von der Mittenmembran verschobenen Volumens ausgelenkt. Dieses Volumen wird als

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Verschiebevolumen bezeichnet. Bei Differenzdrücken innerhalb des Meßbereiches darf sich die Trennmembran, auf der Seite mit dem höheren Druck nicht an das Trennmembranbett anlegen. Steigt der Differenzdruck über den Meßbereich des Sensors an, so muß der Sensor vor Überlast geschützt werden. Hierzu ist jede Trennmembran mit einem Membranbett versehen. Die Verbindung zwischen dem Volumen, welches zwischen Trennmembran und dem Membranbett angeordnet ist, und der Meßkammer wird durch einen Kanal realisiert. Steigt der Differenzdruck über den Meßbereichsdruck an, so wird die Mittenmembran weiter ausgelenkt, bis sich die Trennmembran auf der Seite mit dem höheren Meßdruck an ihr Membranbett anlegt, die Öffnung des Kanals verschließt und so eine weitere Übertragung des außen anliegenden Differenzdruckes zum Sensor hin verhindert. Bei steigendem Differenzdruck steigt der Druck am Sensor nicht weiter an. Der Sensor ist vor Überlastung bzw. Zerstörung durch einen zu großen Differenzdruck geschützt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Differenzdruck-Meßumformer zu schaffen, der einen wirksamen Überlastschutz und eine verbesserte Meßempfindlichkeit besitzt.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist der neue Differenzdruck-Meßumformer der eingangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale auf. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen beschrieben.

Anhand der schematischen, nicht maßstabsgetreuen Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist,

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werden im folgenden Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert .

Die Figur zeigt einen Differenzdruck-Meßumformer mit einer Mittenmembran 1, welche sich in einer Meßkammer befindet und diese in zwei Seiten 2 bzw. 3 unterteilt. Die eine Seite 3 der Meßkammer ist mit einer Trennmembran 4, die andere Seite 2 mit einer Trennmembran 5 druckleitend verbunden. Diese druckleitende Verbindung besteht auf der einen Seite aus einem Kanal 6 und einem Kanal 7, auf der anderen Seite 2 aus einem Kanal 8. Als Begrenzungsmittel zur Sicherung vor einer zu hohen Druckdifferenz ist in die druckleitende Verbindung zwischen der einen Seite 3 der Meßkammer und der Trennmembran 4 eine Überlastmembran 9 eingefügt. Diese befindet sich in einer Überlastkammer, welche sie in zwei Seiten 10 und 11 unterteilt. In die eine Seite 10 der Überlastkammer mündet der Kanal 6, in die andere Seite 11 der Kanal 7. Im Überlastfall wird die Überlastmembran 9 zur einen oder anderen Seite hin verbogen, bis sie die Öffnung, mit welcher der Kanal 6 bzw. der Kanal 7 in die Überlastkammer mündet, verschließt. Damit kann die Druckdifferenz, die an der Mittenmembran anliegt, nicht mehr weiter erhöht werden. Die beschriebenen Kammern und Kanäle sind als im wesentlichen rotationssymmetrische Ausnehmungen in Gehäuseteilen aus Edelstahl ausgeführt. Kernstück des Differenzdruck-Meßumformers ist ein Sensor 12, der den an der Mittenmembran 1 anliegenden Differenzdruck in ein Signal zur Anzeige eines Meßwertes umwandelt. Beispielsweise kann dazu in dem Sensor 12 eine Membran aus Silizium vorgesehen werden, in welche Piezowiderstände 0 eindotiert sind. Wenn die Membran wegen eines Differenzdrucks

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durchgebogen wird, ändert sich der Widerstand. Diese Widerstandsänderung kann als elektrisches Signal zur Anzeige eines Meßwerts herangezogen werden.

Wenn man die Teile zwischen zwei strichpunktierten Linien 13 und 14 in der Figur entfernt und die beiden außerhalb verbleibenden Teile zusammenfügt, so daß die Kanäle 6 und 7 direkt miteinander verbunden sind, so bleibt ein Differenzdruck- Meßumformer übrig, welcher von der prinzipiellen Funktionsweise des ÜberlastSchutzes dem bekannten Differenzdruck-Meßumformer entspricht. Zur besseren Verdeutlichung der Vorteile des neuen Differenzdruck-Meßumformers werden im folgenden noch einige Betrachtungen zu dem bekannten Differenzdruck-Meßumformer durchgeführt.

Die Druckübertragung von den Trennmembranen 4 und 5 zum Sensor 12 erfolgt über ein Füllöl, z. B. Silikonöl oder ein anderes inertes Öl, das beiderseits der Mittenmembran 1 in das Meßumformergehäuse eingefüllt ist. Im Einsatz kann ein statischer Druck von z. B. 400 bar auftreten, während ein Differenzdruck von 500 mbar zu messen ist. Ein Druck wird als statisch bezeichnet, wenn er auf beide Trennmembranen 4 und 5 gleichzeitig wirkt. Da nicht ausgeschlossen werden kann, daß der statische Druck, z. B. infolge einer Fehlbedienung, auf nur einer Seite zum Anliegen kommt, wird der Sensor 12, der eine derartige Druckdifferenz nicht unbeschadet überstehen würde, mit einer Überlastsicherung versehen. Diese wird bei dem bekannten Differenzdruck-Meßumformer durch eine geeignete Bemessung der Volumen in der Meßkammer und unterhalb den Trennmembranen 4 und 5 realisiert. Herrscht keine Druckdiffe-

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renz an den beiden Trennmembranen 4 und 5, so schweben diese in gleichem Abstand über ihren Membranbetten. Wenn nun ein Überdruck beispielsweise auf der P+-Seite des Meßumformers auftritt, wird die Mittenmembran durchgebogen. Aufgrund der dabei auftretenden Volumenverschiebung werden auch die Trennmembran 4 nach innen gebogen und die Trennmembran 5 nach außen gewölbt. Wird der Druck auf der P+-Seite weiter erhöht, so kommt die Trennmembran 4 zum Anliegen an ihrem Membranbett, verschließt den Kanal 7 und es kann kein weiteres VoIumen verschoben werden. Die Druckverbindung zwischen Meßdruck und Sensor wird unterbrochen; die Druckdifferenz am Sensor wird somit auf einen Maximalwert begrenzt.

Eine bei Differenzdruck-Meßumformern gebräuchliche Größe ist die Volumensteife VS, die definiert ist als

VS = ■£
V

mit
&rgr; - Druckabfall an der Membran und

V - gegenüber der Membranmittenlage verschobenes Volumen.

Ein erreichbarer Endwert &Dgr;&rgr;_&Mgr; des Meßbereichs wird bei vernachlässigbarer Volumensteife der Trennmembranen 4 und 5 allein durch die Volumensteife VS_M der Mittenmembran und das unter einer Trennmembran 4 oder 5 verdrängbare Volumen V_p bestimmt nach der Formel:

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&Dgr;&rgr;_&Mgr; = re_M · V_p

Bei der Dimensionierung des unter einer Trennmembran verdrängbaren Volumens V_p muß also für den gesamten Einsatzbereich des Differenzdruck-Meßumformers, der beispielsweise einen Temperaturbereich von 120 ⁰K und einen zulässigen Bereich des statischen Drucks von 400 bar überstreicht, die Bedingung eingehalten werden, daß bei der Nullage das unter einer Trennmembran 4 oder 5 verdrängbare Volumen V_p nicht einen Minimalwert V_{P/ min} mit

unterschreitet. Das geringste verdrängbare Volumen wird bei minimaler Betriebstemperatur und maximalem statischen Druck erreicht. Dagegen ist es bei maximaler Betriebstemperatur und minimalem statischen Druck am größten. Anhand des folgenden Rechenbeispiels soll erläutert werden, daß der bekannte Differenzdruck-Meßumformer weit über den eigentlichen Meßbereich hinaus mit Druckschwankungen belastet wird:

Eine bei Temperatur- und Druckschwankungen auftretende Änderung &Dgr;&ngr;_&rgr; des verdrängbaren Volumens V_P kann berechnet werden

ZU:
25

Av_p = (&ggr; ■ &Dgr;&Tgr; - &khgr; · &Dgr;&rgr;&ngr;) ■ V

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&ggr; = 0,00103 · l/°K - Volumenausdehnungskoeffizient des Füllöls,

&Dgr;&Tgr; - Temperaturdifferenz in ⁰K,

&kgr;= 0,0001/bar - Kompressibilitätskonstante des Füllöls,

&Dgr;&Rgr;&Ngr; - Differenz der statischen Druckwerte in

bar und

V - Volumen des Füllöls.

Dabei ist zu beachten, daß auch das Volumen V_K in der Meßkammer eine Ausdehnung erfährt, das bei dem bekannten Differenzdruck-Meßumformer jeweils auf einer Seite etwa das Zehnfache des minimalen verdrängbaren Volumens V_P/ ,^_n beträgt. Es gilt also:

V = 11 · V_9i _min

Für einen Temperaturbereich mit einer Breite von 120 ⁰K und einen zulässigen Bereich des statischen Drucks von 400 bar erhält man daher eine maximale Änderung &Dgr;&ngr;_&Rgr;/ ^_3x des verdräng baren Volumens V_p

= 1,8 · V_p_ _min

Das maximale verdrängbare Volumen, welches somit um den Faktor 2,8 größer als das minimale verdrängbare Volumen V_P/ ^_n ist, führt zu einer wesentlich größeren Beanspruchung des Sensors 12 und bedeutet, daß die Bruchgrenze des Sensors 12 zumindest das 2,8-fache des Meßbereichsendwerts betragen muß.

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Damit Schwankungen der Temperatur und des statischen Drucks nicht bei dem bekannten Differenzdruck-Meßumformer aufgrund der Volumensteife der Trennmembranen zu einer Verfälschung des Differenzdruck-Meßwerts führen, werden auf beiden Seiten der Mittenmembran gleiche Füllvolumina vorgesehen. Daher muß bei dem bekannten Differenzdruck-Meßumformer das Volumen auf der einen Seite 3 der Meßkammer dem Volumen auf der anderen Seite 2 angepaßt werden, das aufgrund des Aufbaus des Sensors 12, der Anordnung von elektrischen Anschlüssen 15 und der Führung einer elektrischen Zuleitung 16 zu einer druckfesten Glasdurchführung 17 relativ groß ausfällt. Diese Anpassung der Füllölvolumen auf beiden Seiten der Mittenmembran wird durch speziell dafür vorgesehene Bohrungen im Gehäuse auf der einen Seite 3 der Meßkammer vorgenommen, die bei dem neuen Differenzdruck-Meßumformer nicht mehr erforderlich sind. Eine Anpassung des Volumens zur Erfüllung der Symmetriebedingung kann beim neuen Differenzdruck-Meßumformer in vorteilhafter Weise an dem Volumen unter der Meßmembran 4 vorgenommen werden. Prinzipiell kann die Gleichheit der Füllölmenge auf beiden Seiten der Mittenmembran l, die für eine von Schwankungen der Temperatur und des statischen Drucks unabhängige Messung erforderlich ist, nämlich auch durch geeignete Bemessung des Füllöls zwischen Überlastmembran 9 und Trennmembran 4 gewährleistet werden.

Die Verwendung einer Membran zur Begrenzung des verschiebbaren Volumens in der Überlastkammer hat den Vorteil, daß keinerlei Dichtungen vorhanden sind, die durch Reibung oder Materialbeanspruchung verschleißen könnten. Dichtungsprobleme 0 treten naturgemäß bei der Überlastmembran 9 nicht auf.

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Die für die Sensoranschlüsse 15, die Leiterzuführung 16, den Anschluß an der Glasdurchführung 17 und den Sensor 12 selbst erforderlichen Aussparungen in der Meßkammer können auf der der Überlastmembran 9 abgewandten Seite der Mittenmembran 1 vorgesehen werden. Dadurch wird in vorteilhafter Weise nicht das Volumen zwischen Mittenmembran 1 und Überlastmembran 9 vergrößert.

Die Erfindung hat weiterhin den Vorteil, daß aufgrund der Einfügung der Begrenzungsmittel zwischen Meßkammer und Trennmembran 4 nur die Volumenausdehnung des Füllöls zwischen Mittenmembran 1 und Überlastmembran 9 zu einer Veränderung eines verdrängbaren Volumens &Dgr;&ngr;_{&rgr; max}' beiträgt. Auch das Volumen unterhalb der Trennmembranen 4 und 5 führt nicht aufgrund von Ausdehnungen zu einer Änderung des verdrängbaren Volumens.

Eine minimale Änderung des verdrängbaren Volumens bei Schwankungen von Temperatur und statischem Druck wird erreicht, wenn das Volumen zwischen Mittenmembran 1 und Überlastmembran 9 bei größter Füllöldichte gerade gleich dem Volumen in der Überlastkammer zuzüglich eines Volumens für einen Freihub der Mittenmembran ist. Dieser Freihub gewährleistet, daß sich im Falle einer Überlast zuerst die Überlastmembran 9 anlegt. Bei dieser Bemessung wird von einem Überlastfall zum anderen das vollständige Volumen von der Überlastkammer zur einen Seite 3 der Meßkammer hin verschoben und es gibt keinerlei Totvolumen, das nicht verschoben wird. Das Volumen V_K' der Kammer auf der einen Seite 3 der Mittenmembran 1 ist in der Nullage dann gleich dem verdrängbaren Volumen, d. h., zur

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Berechnung der Änderung des verdrängbaren Volumens ist nach der obigen Formel, die für den bekannten Differenzdruck-Meßumformer entwickelt wurde, aber auch für den neuen Differenzdruck-Meßumformer mit anderen Größen Gültigkeit hat, einzusetzen:

= 2 ■ V_Pi _min-

und man erhält:
10

A^._max' = 0,33 · l^_min·

Die mit dem neuen Überlastschutz erreichte Belastungsgrenze des Sensors 12 liegt somit erheblich näher an dem Ende des Meßbereichs, da der überlastschutz wesentlich genauer dimensionierbar ist. Da nahezu der gesamte Belastungsbereich des Sensors 12 als Meßbereich ausgenutzt werden kann, wird die Sensorempfindlichkeit und damit die Meßempfindlichkeit gesteigert. Zudem ist von Vorteil, daß die Überlastmembran 9 als ebene Membran ausgeführt werden kann, welche sich bei genauer Anpassung des Überlastbettes in der Überlastkammer im Gegensatz zu einer gewellten Membran, wie sie bei dem bekannten Differenzdruck-Meßumformer zum Überlastschutz eingesetzt wurde, weniger verformt. Dadurch wird ein Hysteresefehler, der nach einer Überlastung aufgrund einer Prägung der Trennmembranen bei der bisherigen Lösung aufgetreten war, vermieden .

Die Störung der Symmetrie des Aufbaus durch die Anordnung einer zusätzlichen Überlastmembran 9 auf einer Seite der

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Mittenmembran 1 wirkt sich nicht nachteilig auf die Unempfindlichkeit des Meßumformers gegenüber Schwankungen der Temperatur und des statischen Drucks aus, wenn die Volumensteife der Überlastmembran 9 vernachlässxgbar und das Volumen des Füllöls auf beiden Seiten der Mittenmembran 1 gleich ist. Bei nicht vernachlässigbarer Volumensteife VS₉ der Überlastmembran 9 sollten die Volumina derart dimensioniert werden, daß die Bedingung

V₁ · VS₅ = V₂ · VS₉ + (V₂ + V₃) · VS₄

mit

V₁ - Volumen des Füllöls zwischen Trennmembran 5 und Mittenmembran 1,
VS₅ - Volumensteife der Trennmembran 5,

V₂ - Volumen des Füllöls zwischen Mittenmembran 1 und Überlastmembran 9,

VS₉ - Volumensteife der Überlastmembran 9, V₃ - Volumen des Füllöls zwischen Überlastmembran 9 und Trennmembran 4 und

VS₄ - Volumensteife der Trennmembran 4 erfüllt ist.

Bei dieser Bemessung wirkt sich eine Ausdehnung des Füllöls nicht auf eine Änderung der Lage der Mittenmembran 1 aus und Schwankungen der Temperatur sowie des statischen Drucks verfälschen das Meßergebnis nicht.

Claims

GR 97 G 4429 DE . ·■; ;. j . "I ; ; j 12 Schutzansprüche

1. Differenzdruck-Meßumformer

- mit einer in einer Meßkammer angeordneten Mittenmembran (1), welche die Meßkammer in zwei Kammerseiten (2, 3) unterteilt und an welcher der zu messende Differenzdruck anliegt,

- mit einem Sensor (12) zur Wandlung des an der Mittenmembran

(1) anliegenden Differenzdrucks in ein Signal zur Anzeige eines Meßwerts,

- mit zwei Trennmembranen (4, 5), mit welchen die eine Seite

(3) bzw. die andere Seite (2) der Meßkammer im Betriebsbereich über ein Druckübertragungsmedium druckleitend verbunden ist, und

- mit Mitteln zum Schutz des Sensors (12) vor starker Überlastung,
dadurch gekennzeichnet,

- daß zum Überlastschutz des Sensors (12) in die druckleitende Verbindung zwischen der einen Seite (3) der Meßkammer und einer Trennmembran (4) Begrenzungsmittel (9, 10, 11) eingefügt sind, welche eine Änderung des Volumens in der einen Seite (3) der Meßkammer sowohl in Richtung einer Vergrößerung als auch einer Verkleinerung des Volumens begrenzen.

2. Differenzdruck-Meßumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Begrenzungsmittel eine in einer Überlastkammer angeordnete Überlastmembran (9) aufweisen, welche die

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Überlastkammer in zwei Kammerseiten (10, 11) unterteilt, in welche eine Öffnung eines Kanals (6) zur druckleitenden Verbindung mit der einen Seite (3) der Meßkammer bzw. eine andere Öffnung eines anderen Kanals (7) zur druckleitenden Verbindung mit einer Trennmembran (4) münden, wobei die Überlastmembran (9) je nach Richtung des Überlastfalls die eine oder die andere Öffnung verschließt.

3. Differenzdruck-Meßumformer nach Anspruch l oder 2, dadurch gekennzeichnet,

- daß die eine Seite (3) der Meßkammer bei Nullage der Mittenmembran (l) ein kleineres Volumen als die andere Seite (2) der Meßkammer besitzt.

4. Differenzdruck-Meßumformer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

- daß das Volumen der einen Seite (3) der Meßkammer so bemessen ist, daß es bei größter Dichte des Druckübertragungsmediums und einem Überlastfall in Richtung einer Verkleinerung des Volumens auf der einen Seite (3) der Meßkammer nahezu bis auf ein für einen Freihub erforderliches Restvolumen verschwindet, welcher die Anlage der Überlastmembran (9) vor der Anlage der Mittenmembran (1) gewährleistet.