WO2022037859A1 - Differenzdruckmessaufnehmer zur bestimmung des differenzdrucks von zwei drücken - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen. Differenzdruckmessaufnehmer (1) zur Bestimmung des Differenzdrucks von zwei Drücken (p1, p2) mit einem Messwerk (2) und einer Wandlerkammer (3), wobei in der Wandlerkammer (3) eine Differenzdruckmesszelle (12) mit einem drucksensitiven Element (13) angeordnet ist und wobei an oder in einem dem Prozess zugewandten Endbereich des Messwerks (2) ein koplanares Doppelmembransystem mit zwei Doppelmembranen (4a, 4b) vorgesehen ist, wobei die beiden Doppelmembranen (4a, 4b) jeweils aus einer Trennmembrane (5a, 5b) und einer in Richtung der Druckwirkung hinter der Trennmembrane (5a, 5b) angeordneten Überlastmembrane (6a, 6b) bestehen, wobei zwischen der ersten Trennmembrane (5a) und der ersten Überlastmembrane (6a) eine erste Druckkammer (7a) und zwischen der ersten Überlastmembrane (6a) und dem Grundkörper (9) eine erste Zusatzdruckkammer (8a) ausgebildet ist, wobei zwischen der zweiten Trennmembrane (5b) und der zweiten Überlastmembrane (6b) eine zweite Druckkammer (7b) und zwischen der zweiten Überlastmembrane (6b) und dem Grundkörper (9) eine zweite Zusatzdruckkammer (8b) ausgebildet ist, wobei der ersten Druckkammer (7a) eine erste Verbindungskapillare (10a) und der zweiten Druckkammer (8b) eine zweite Verbindungskapillare (10b) zugeordnet ist, über die die Drücke (p1, p2) hydraulisch zu dem drucksensitiven Element (13) übertragen werden, wobei der ersten Zusatzdruckkammer (8a) eine erste Hilfskapillare (11a) und der zweiten Zusatzdruckkammer (8b) eine zweite Hilfskapillare (11b) zugeordnet ist, wobei - zum Schutz vor einem einseitig auftretenden Überdruck (PeÜL) - die erste Verbindungskapillare (10a) hydraulisch mit der zweiten Hilfskapillare (11b) und die zweite Verbindungskapillare (10b) mit der ersten Hilfskapillare (11a) gekoppelt ist, und wobei die Verbindungsstellen/Kreuzungen zwischen der ersten Verbindungskapillare (10a) und der zweiten Hilfskapillare (11b) und der zweiten Verbindungskapillare (10b) und der ersten Hilfskapillare (11a) in einem Raumbereich angeordnet sind, der sich hinter dem vom Prozess abgewandten Bereich der Wandlerkammer (3) befindet.

Description

Differenzdruckmessaufnehmer zur Bestimmung des Differenzdrucks von zwei Drücken

Die Erfindung betrifft einen Differenzdruckmessaufnehmer zur Bestimmung des Differenzdrucks von zwei Drücken. Bevorzugt wird der erfindungsgemäße Differenzdruckmessaufnehmer im Bereich der Automatisierungstechnik eingesetzt.

Differenzdruckmessgeräte dienen insbesondere zur kontinuierlichen Messung von Druckdifferenzen in Messmedien, z.B. in Flüssigkeiten, Dämpfen, Gasen und Stäuben. Aus dem Differenzdruck kann z.B. der Füllstand eines Füllguts in einem Behälter oder der Durchfluss eines Messmediums durch eine Rohrleitung ermittelt werden.

Als drucksensitives Element wird üblicherweise ein Silizium-Chip verwendet. Um eine gute Messempfindlichkeit zu erreichen, arbeitet ein Differenzdruckmessaufnehmer bevorzugt in einem Bereich, der in der Nähe eines kritischen Grenzwertes für den Druck (Nenndruck) liegt. Wird der kritische Grenzwert überschritten, besteht die Gefahr, dass der Chip zerstört wird. Da insbesondere Silizium-Chips eine relativ geringe Überlastfestigkeit aufweisen, ist einem Differenzdruckmessaufnehmer üblicherweise ein Überlastschutz zugeordnet. Dieser ist bevorzugt so ausgestaltet, dass er die Messempfindlichkeit und die Messgenauigkeit des drucksensitiven Elements möglichst wenig beeinträchtigt.

Aus der DE 3 222 620 A1 ist ein Druckdifferenzmessgerät bekannt geworden, das eine vor Überlastung geschützte Druckmessaufnehmereinrichtung aufweist. Das Messgerät hat einen zentralen Aufnah me körper, der an zwei gegenüberliegenden Seiten zwischen einem Membranbett und einer T rennmembrane jeweils eine Vorkammer ausbildet. In dem Aufnahmekörper ist jeweils hinter der vom Membranbett abgewandten Seite eine Zusatzkammer vorgesehen, die durch eine vorgespannte Zusatzmembrane begrenzt wird. Innerhalb des Aufnahmekörpers befindet sich weiterhin eine Messkammer, die durch die Druckmessaufnehmereinrichtung in zwei Teilkammern unterteilt ist. Jede der beiden Teilkammern der Messkammer ist über jeweils einen Verbindungskanal mit einer der beiden Vorkammern verbunden. Über jeweils einen Zusatzkanal ist jeder der beiden Verbindungskanäle an eine der beiden Zusatzkammern angeschlossen.

Ist das Gerät einem Differenzdruck unterhalb oder im Bereich des Differenzdruck- Nennwertes ausgesetzt, dann wird dieser Differenzdruck der Druckmessaufnehmereinrichtung über die Verbindungskanäle übermittelt. Die Zusatzmembranen entfalten eine geringe Wirkung, die in erster Näherung vernachlässigbar ist. Übersteigt die Druckdifferenz infolge einer Überlast den Druckdifferenz-Nennwert um einen vorgegebenen Wert, dann wird bei der Trennmembrane auf der Hochdruckseite die unter ihr befindliche Druckvermittler- Flüssigkeit in die ihr zugeordnete Vorkammer gedrückt. Die herausgedrückte Flüssigkeit gelangt über den Verbindungskanal und den Zusatzkanal zur Zusatzmembrane auf der Niederdruckseite und veranlasst diese, sich abzuheben. Somit befindet die sich auf der Hochdruckseite unter der Trennmembrane herausgedrückte Flüssigkeit im Überlastfall unter der sich abhebenden Zusatzmembrane auf der Niederdruckseite. Eine Überlastung der Druckmessaufnehmereinrichtung wird folglich vermieden. Die Wandlerkammer ist bei der Deutschen Patentanmeldung in das Messwerk integriert.

Aus der WO 2018/165122 A1 ist ein koplanar aufgebauter Differenzdruckmessaufnehmer bekannt geworden, bei dem die Druckeingänge mit Trennmembrane und Überlastmembrane in einer Ebene - und zwar im dem Prozess zugewandten Endbereich - angeordnet sind und nicht auf gegenüberliegenden, parallelen Ebenen wie in der zuvor genannten Deutschen Patentanmeldung. Es handelt sich um ein sog.

Doppelmembransystem. Der Vorteil bei Doppelmembransystemen liegt in dem deutlich geringeren Ölvolumen, das für den hydraulischen Betrieb des Differenzdruckmessaufnehmers benötigt wird. Zudem kann hier auf die druckbelastete Mittenmembranschweißung verzichtet werden, so dass das Messwerk einteilig ausgeführt werden kann. Ebenso wie bei der zuvor genannten Patentanmeldung ist auch bei dieser bekannten Lösung der Überlastschutz im Messwerk angeordnet, d.h. die gekreuzten Kapillaren befinden sich im Messwerk. Die Wandlerkammer ist unmittelbar auf das Messwerk aufgesetzt bzw. in das Messwerk integriert.

Die bekannten Lösungen haben mehrere Nachteile: Da die gekreuzten hydraulischen Druckdurchführungen im Messwerk angeordnet sind, sind z.B. bei der bekannten Koplanar-Ausführung zwecks Ölbefüllung von außen freiliegenden Bohrungen erforderlich, die nach der Befüllung verschlossen werden. Die Verschlussbereiche sind potenzielle Korrosionsschwachstellen. Außerdem sind die Bohrungen ziemlich lang, was sich negativ auf die Fertigungskosten auswirkt. Lange Bohrungen erfordern zudem zwangsläufig ein größeres Ölvolumen, was wiederum die Umsetzung des Überlastschutzes im Messwerk erschwert. Da definierte Abstände zwischen den Druckdurchführungen eingehalten werden müssen, sind einer Minimierung der Dimensionen des Messwerks Grenzen gesetzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Druckmessaufnehmer mit Überlastschutz und reduzierten Ölvolumen vorzuschlagen. An dieser Stelle wird der Begriff “Ölvolumen“ gewählt, da es sich bei der hydraulischen Übertragungsflüssigkeit üblicherweise um ein im spezifizierten Messbereich annähernd inkompressibles Öl, z.B. ein Silikonöl, handelt. Die Aufgabe wird gelöst durch Differenzdruckmessaufnehmer zur Bestimmung des Differenzdrucks von zwei Drücken mit einem Messwerk und einer Wandlerkammer. In der Wandlerkammer ist eine Differenzdruckmesszelle mit einem drucksensitiven Element angeordnet. Die Bevorzugt handelt es sich bei dem drucksensitiven Element um einen Siliziumchip. Der Differenzdruck wird über ein kapazitives oder resistives Messverfahren oder einen Resonator ermittelt.

An oder in einem dem Prozess zugewandten Endbereich des Messwerks ist ein koplanares Doppelmembransystem mit zwei Doppelmembranen vorgesehen. Jede der beiden Doppelmembranen besteht aus einer Trennmembrane und einer in Richtung der Druckwirkung hinter der Trennmembrane angeordneten Überlastmembrane. Zwischen der ersten Trennmembrane und der ersten Überlastmembrane ist eine erste Druckkammer und zwischen der ersten Überlastmembrane und dem Grundkörper eine erste Zusatzdruckkammer ausgebildet. Zwischen der zweiten Trennmembrane und der zweiten Überlastmembrane ist eine zweite Druckkammer und zwischen der zweiten Überlastmembrane und dem Grundkörper eine zweite Zusatzdruckkammer ausgebildet. Der ersten Druckkammer ist eine erste Verbindungskapillare und der zweiten Druckkammer ist eine zweite Verbindungskapillare zugeordnet. Weiterhin ist der ersten Zusatzdruckkammer eine erste Hilfskapillare und der zweiten Zusatzdruckkammer eine zweite Hilfskapillare zugeordnet. Die Druckübertragung zu dem drucksensitiven Element erfolgt hydraulisch über das Kapillarsystem. Zum Schutz vor einem einseitig auftretenden Überdruck ist die erste Verbindungskapillare hydraulisch mit der zweiten Hilfskapillare und die zweite Verbindungskapillare mit der ersten Hilfskapillare gekoppelt. Die Verbindungsstellen/Kreuzungen zwischen der ersten Verbindungskapillare und der zweiten Hilfskapillare und der zweiten Verbindungskapillare und der ersten Hilfskapillare sind in einem Raumbereich angeordnet, der sich hinter dem vom Prozess abgewandten Bereich der Wandlerkammer befindet.

Die erfindungsgemäße Lösung hat folgende Vorteile:

Das Messwerk ist einteilig ausgestaltet.

Das Messwerk hat einen einfachen und in weiten Teilen symmetrischen Aufbau. Kosteneinsparung beim Messwerk werden insbesondere durch Materialeinsparungen (kleine Dimensionen) und eine vereinfachte Fertigung und Bearbeitung erreicht: Die Anzahl der Bohrungen ist gering, sie können z.B. kostengünstig durch Erodieren hergestellt werden.

Aufgrund des Abstands zwischen Messwerk und Wandlerkammer lässt sich eine gute mechanische und thermische Entkopplung zwischen Messwerk und Wandlerkammer erreichen.

Ein einseitig auftretender Überdruck auf der Hochdruckseite wird hydraulisch auf die Rückseite der Überlastmembrane/Zusatzmembrane der Niederdruckseite und parallel zur Wandlerkammer geleitet. Wandlerkammer und Überlastmembrane liegen druckdynamisch parallel. Je geringer das zu verschiebende Ölvolumen ist (das Ölvolumen in der Zusatzdruckkammer ist im normalen Messbetrieb bevorzugt vernachlässigbar), desto effektiver arbeitet der Überdruckschutz. Eine schnelle Reaktionszeit des Überlastschutzes wird weiterhin über die Dimensionierung der Hilfs- und Verbindungsleitungen und ggf. über in die Kapillaren eingebrachte Dynamikbremsen erreicht.

Aufgrund der günstigen Lage der Befüllungsöffnungen bevorzugt im Messwerk und/oder in der Wandlerkammer lässt sich die Menge der Hydraulikflüssigkeit, insbesondere des Silikonöls, zusätzlich minimieren.

Messwerk und Wandlerkammer, beides separate Komponenten, können über eine weitere Komponente, ein Zwischenmodul, räumlich voneinander getrennt sein bzw. beide Komponenten können über ein Zwischenmodul voneinander abgesetzt sein. Hierdurch wird eine mechanische Entkopplung zwischen dem Messwerk und der sensitiven Differenzdruckmesszelle, die sich in der Wandlerkammer befindet, erreicht. Die Fügestellen zwischen den Komponenten sind natürlich druckfest und gasdicht ausgestaltet.

Aufgrund des reduzierten Ölvolumens ist auch der Messfehler des erfindungsgemäßen Differenzdruckaufnehmers, der durch den Temperaturgradienten erzeugt wird, relativ gering. Weiterhin ermöglicht ein kleines Ölvolumen auch die Verwendung kleinerer Membrandurchmesser, was für die Realisierung eines koplanaren Differenzdruckmessaufnehmers mit einem effektiven Überlastschutz sehr vorteilhaft ist. Der Grund dafür ist darin zu sehen, dass bei einem kleinen Messbereich die Ansteuerung bzw. die Auslenkung der Membranen geringgehalten werden kann, was sich in kleineren Messfehlern niederschlägt.

Allgemein lässt sich sagen, dass es zum Schutz des drucksensitiven Elements gegen Überdruck erfindungsgemäß sichergestellt ist, dass ein einseitig auftretender Überdruck am koplanaren Doppelmembransystem so beschränkt wird, dass eine Zerstörung des drucksensitiven Elements ausgeschlossen ist.

Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Differenzdruckmessaufnehmers sind die Zusatzmembranen derart vorgespannt, dass sie sich erst dann von dem Grundkörper abheben, wenn ein vorgegebener kritischer Grenzdruck überschritten wird. Somit ist sichergestellt, dass der Überlastschutz erst dann aktiviert wird, wenn die Gefahr eines das drucksensitive Element schädigenden Überdrucks an dem drucksensitiven Element auftritt. Durch das quasi Nichtvorhandensein der Überlastkammern im normalen Messbetrieb lässt sich das benötigte Ölvolumen wiederum noch einmal reduzieren, was die entsprechenden bereits zuvor beschriebenen Vorteile mit sich bringt.

Prozessmembrane/Trennmembrane, die in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Lösung eingesetzt werden kann, ist aus der US 10,656,039 B2 bekannt geworden.

Infolge der möglichst vollflächigen und bevorzugt formschlüssigen Anlage der Überlastmembranen am Gehäuse des Messwerks gelangt der Messdruck über die Druckkammern, die entsprechend gekoppelten Hilfs- und Verbindungskapillaren zu den entsprechenden Überdruckkammern und zu der Minus- bzw. der Plusseite des drucksensitiven Elements. Ev. ist in den Membranbetten oder an den Rückseiten der Überlastmembranen ein hydraulischer Kanal vorgesehen. Die Überlastmembranen und das drucksensitive Element liegen druckdynamisch gesehen parallel. Die Auslenkung der Überlastmembranen wird infolge ihrer Vorspannung bis zu einem vorgegebenen Wert zwangsweise verhindert. Die Vorspannung der Überlastmembranen ist so ausgelegt, dass sie größer als der Messbereich des Differenzdruckaufnehmers ist.

Das drucksensitive Element erhält über die zweite Druckkammer, die zweite Verbindungskapillare und die mit ihr gekoppelte erste Hilfskapillare die Druckinformation für die Plusseite. Über die erste Druckkammer, die erste Verbindungskapillare und die mit ihr gekoppelte zweite Hilfskapillare erhält das drucksensitive Element die Druckinformation für die Minusseite. Aufgrund der Parallelschaltung wirken die an den Seiten des drucksensitiven Elements anliegenden Drücke auch auf die Rückseite der entsprechenden Überlastmembranen. Das drucksensitive Element lenkt sich entsprechend dem anliegenden Differenzdruck aus. Die Wirkung der Parallelpfade über die Überlastdruckkammern sind übrigens aufgrund der vorgespannten, im Wesentlichen vollflächigen und/oder formschlüssigen bzw. kraftschlüssigenAnlage der Überlastmembranen am Gehäuse des Messwerks nahezu vernachlässigbar.

Durch die Vorspannung der Überlastmembranen ist sichergestellt, dass ihre Auslenkung erst erfolgt, wenn an einer der Doppelmembranen ein kritischer Überdruck auftritt, der die Gefahr der Zerstörung des drucksensitiven Elements mit sich bringen würde. Sobald beispielsweise an der zweiten Trennmembrane ein kritischer Überdruck auftritt, wird die zweite Trennmembrane gegen die zweite Überlastmembrane bewegt, bis sie an der Überlastmembrane anliegt. Bei Überschreiten der Vorspannung wird die erste Überlastmembrane ausgelenkt, und die aus der zweiten Druckkammer herausgeschobene Übertragungsflüssigkeit wird über die zweite Verbindungskapillare und die mit ihr gekoppelte erste Hilfskapillare in die erste Zusatzdruckkammer verschoben. Der Druck in der ersten Zusatzdruckkammer und in der mit ihr in Wirkverbindung stehenden ersten Druckkammer steigt an. Dies geschieht solange, bis die Hydraulikflüssigkeit von der Hochdruckseite auf die Niederdruckseite verschoben ist. Nachfolgend kann der hydraulische Druck in dem Messwerk nicht mehr ansteigen und die Druckbegrenzung, also der Überdruckschutz, greift.

Weiterhin handelt es sich auch bei den Verbindungskapillaren und den Hilfskapillaren im Messwerk und in der Wandlerkammer, ggf. in dem Zwischenmodul 19 bevorzugt um Kapillarbohrungen. Diese verlaufen im Wesentlichen parallel zur Längsachse des Differenzdruckaufnehmers. Bevorzugt sind die Übergänge zwischen den Verbindungskapillaren und den Hilfskapillaren zwischen Messwerk und Wandlerkammer ebenso wie im Bereich hinter der Wandlerkammer über Kapillarröhrchen realisiert, die in den Bohrungen druckfest, kraftschlüssig und gasdicht befestigt sind.

Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass das Messwerk in einem Prozessanschluss angeordnet ist, wobei der Prozessanschluss im dem Prozess zugewandten Bereich einen Durchmesser aufweist der größer ist als der Durchmesser im vom Prozess abgewandten Bereich, in dem er mit dem Gehäuseadapter druck-, gas- und/oder flüssigkeitsdicht verbunden ist. Aufgrund der Trennung von Messwerk und Wandlerkammer ist es darüber hinaus auch auf einfache Art und Weise möglich, eine elektrisch isolierte Trennung zwischen den beiden Komponenten - Messwerk und Wandlerkammer - zu realisieren. Hierzu später mehr.

Es versteht sich, dass die Verbindungskapillaren und den Hilfskapillaren im Bereich hinter der Wandlerkammer auch ggf. als Kapillarbohrungen realisiert sein können.

Um darüber hinaus sicherzustellen, dass eine einseitige Überdruck begrenzt wird, bevor er das drucksensitive Element erreicht, schlägt eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Differenzdruckmessaufnehmers vor, dass die Verbindungskapillaren und/oder die Hilfskapillaren derart ausgestaltet und/oder dimensioniert sind, dass ein über dem vorgegebenen kritischen Grenzdruck liegender Überdruck mittels des Überlastschutzes ausgeglichen ist, bevor er an die Differenzdruckmesszelle übertragen wird. Um das drucksensitive Element zusätzlich vor Druckspitzen zu schützen, sind gemäß einer Ausgestaltung des Differenzdruckmessaufnehmers in die Verbindungsleitungen bzw. in die Verbindungskapillare zwischen Messwerk und Zwischenmodul oder zwischen Zwischenmodul und Wandlerkammer Dynamikbremsen eingebaut. Bei den Dynamikbremsen handelt es sich um Strömungswiderstände, z.B. um Sintermetalleinsätze. Die Dynamikbremsen können auch so ausgestaltet sein, dass sie zusätzlich die Funktion des Explosionsschutzes übernehmen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung es erfindungsgemäßen Differenzdruckmessaufnehmers sieht vor, dass am Messwerk zwei Befüllungsbohrungen zur Befüllung des Hydrauliksystems des Differenzdrucksensors mit einer Hydraulikflüssigkeit vorhanden sind. Die Befüllungsbohrungen verlaufen im Wesentlichen parallel zu den Verbindungskapillaren und den Hilfskapillaren. Alternativ oder additiv ist noch mindestens eine Befüllungsbohrung an der Wandlerkammer vorgesehen. Die Befüllungsbohrungen sind mit einem zugeordneten Verschlusselement nach dem Befüllen mit der Hydraulikflüssigkeit druckdicht und gasdicht oder zumindest flüssigkeitsdicht verschlossen. Beispielsweise handelt es sich bei einem Verschlusselement um eine Kugel, die in die Bohrung eingepresst und anschließend verstemmt wird. Auch ist es möglich, das Verschlusselement in der Bohrung zu verschweißen. Die Menge der benötigten Hydraulikflüssigkeit lässt sich durch das Einbringen von Füllelementen, z.B. von Füllstäben, in die Befüllungsbohrungen reduzieren.

Durch die Anordnung der Ausgänge der Befüllungsöffnungen im Sensorrückraum und damit im Innenraum des Differenzdruckmessaufnehmers sind die Befüllungsbohrungen - hinter den Verschlusselementen - korrosionsgeschützt. Weiterhin können die entsprechenden Bereiche der Befüllungsbohrungen nach außen hin auch noch vergossen sein; dies ist jedoch aufgrund der vom Außenraum abgeschlossenen Lage der Befüllungsbohrungen innerhalb des Gehäuseadapters nicht unbedingt erforderlich.

Auch können die Verbindungs- und Hilfskapillaren derart ausgestaltet sein, dass sie die Wandlerkammer elektrisch von dem Messwerk isolieren. Bevorzugt erfolgt die elektrische Isolierung der Wandlerkammer vom Messwerk über Zusatzelemente. Diese können an unterschiedlichen Stellen in den Verbindungs- oder Hilfskapillaren angeordnet sein. Bei einem isolierenden Zusatzelement kann es sich insbesondere einem Keramikisolierkörper oder um eine isolierende Einglasung handeln. Die Verbindung muss gasdicht ausgestaltet sein: entweder handelt es sich um eine Lötverbindung oder eine Einglasung. Wie gesagt, können die elektrischen Isolatoren in der Wandlerkammer und/oder im Messwerk oder im Zwischenbereich von Messwerk und Wandlerkammer und/oder im Bereich hinter der Wandlerkammer vorgesehen sein. Insbesondere können die elektrischen Isolatoren auch als Zwischenstücke in die als Kapillarröhrchen ausgestalteten Verbindungs- und Hilfskapillaren integriert sein.

Hierdurch ist es möglich, Erde und Masse zu trennen (Schaltungsnullpunkt; Ue = Bezugspunkt der elektrischen Versorgung = Masse) und folgende Vorteile für die Stromdurchführung zu erreichen:

Guarding für besseres EMV (elektromagnetisches Verhalten);

Geringerer bzw. kein Fremdspannungseinfluss;

Möglichkeit einen kapazitiven Siliziumchip einzusetzen, bei dem das Guarding eine Voraussetzung ist, dass nur geringere Störkapazitäten auftreten;

Der bislang erforderliche isolierende Keramiksockel in der Wandlerkammer kann entfallen; Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Differenzdrucksensor wird das drucksensitive Element, üblicherweise ein Silizium- Chip, bevorzugt auf einen Silizium-Sockel aufgebracht. Nimmt man einen Silizium-Sockel anstelle des sonst üblichen Glassockels, so lässt sich ein günstigeres thermisches Verhalten (T-Hysterese) erreichen, was sich in einem geringeren statischen Druckfehler niederschlägt. Erklärung: Der E-Modul von Glas ist verschieden von dem E-Modul von Silizium. Bei Glas tritt eine größere Verformung und somit ein größerer Fehler infolge eines statischen Drucks auf als bei Silizium. Da Silizium jedoch kein Isolator ist, sondern eine gewisse Leitfähigkeit aufweist, sind für den sicheren elektrischen Betrieb Mindestisolationsstrecken erforderlich. Diese können z.B. durch in die Verbindungsleitungen eingesetzte keramische Isolierkörper und/oder entsprechend ausgestaltete Dynamikbremsen realisiert werden.

Der volle oder partielle Ex-Schutzverguss in der Wandlerkammer, der bislang bei Differenzdrucksensoren erforderlich war, kann entfallen. Bislang wurde der Verguss genutzt, um die Mindestabstände der stromführenden Elemente zum Massepotential möglichst gering halten zu können. Diese Abstandsreduzierung kann bei der Ausgestaltung der Erfindung entfallen, wo die Isolationselemente in den Verbindungskapillaren angeordnet sind. Zwecks Erzielung einer sicheren elektrischen Isolierung können die erforderlichen Mindestabstände um einiges kleiner ausfallen als beiden bislang bekannt gewordenen Lösungen. Auch lassen sich diese Mindestabstände ohne großen Aufwand erreichen.

Weiterhin ist vorgesehen, dass die elektrische Verbindungspins bzw. Verbindungsleitungen von dem elektrischen Wandler gasdicht durch einen der vom Prozess abgewandten Endbereiche der Wandlerkammer in Richtung einer Elektronikplatine geführt sind. Bevorzugt wird die Gasdichtigkeit über Glasdurchführungen erreicht. Da die Wandlerkammer elektrisch von dem Messwerk isoliert ist, kann die Wandstärke der Glasdurchführungen dünner ausgeführt werden. Dadurch kann der Abstand der Pins voneinander verkleinert werden. Ziel ist insbesondere, eine Druckfestigkeit zu erreichen, die größer ist als 1280 bar. Kleinere Einglasungs-Elemente ermöglichen es, dass auf gleichem Raum mehr PINs untergebracht werden können. Das bedeutet u.U. auch, dass weniger Ölvolumen benötigt wird.

Um die Messgenauigkeit zu erhöhen, ist die Wandlerkammer so ausgestaltet ist, dass auf der Niederdruckseite und der Hochdruckseite gleiche Übertragungsflüssigkeits- bzw. Öl- Volumina vorhanden sind. Eine Angleichung der Ölvolumina auf der Hochdruck- und Niederdruckseite kann beispielweise dadurch erreicht werden, dass ein entsprechendes Zusatzvolumen durch eine Vergrößerung oder Verlängerung einer der Bohrungen geschaffen wird.

Um den Einfluss des statischen Drucks auf die Messwerte des Differenzdruckmessaufnehmers zu erfassen und nachfolgend zu kompensieren, ist in der Wandlerkammer ein entsprechendes drucksensitives Element zur Messung des statischen Drucks vorgesehen. Um das Ölvolumen möglichst gering zu halten, sind das drucksensitive Element zur Messung des Differenzdrucks und das drucksensitive Element zur Messung des statischen Drucks gestapelt übereinander anageordnet. Hier kommt nur der Vorteil der zuvor genannten Verkleinerung der Durchführungen für die PINs besonders zum Tragen: Da diese kleiner ausfallen, können die vier Zusatz-PINs, die die Messwerte des statischen Druckelements zur Verfügung stellen, in der Wandlerkammer untergebracht werden, ohne dass diese vergrößert werden müsste. Die Anordnung der PINs wird nachfolgend in der Figurenbeschreibung noch ausführlicher abgehandelt.

Möglich ist es jedoch auch, das drucksensitive Element zur Messung des Differenzdrucks und das drucksensitive Element zur Messung des statischen Drucks nebeneinander, also quasi in einer Ebene, anzuordnen.

Fig. 1 a: eine Darstellung, die den Aufbau eines erfindungsgemäßen Differenzdruckaufnehmers schematisch skizziert,

Fig. 1 b: der Weg des Drucks/Überdrucks im Kapillarsystem des in Fig. 1 a gezeigten Differenzdruckaufnehmers,

Fig. 2: eine realistischere Darstellung der in den Figuren Fig. 1 a und Fig. 1 b gezeigten Ausgestaltung bei Anliegen eines Überdrucks,

Fig. 3a: eine Variante zu der in Fig. 3a gezeigten Ausgestaltung mit zusätzlichen Befüllungsöffnungen in der Wandlerkammer,

Fig. 3b: die in Fig. 2 gezeigte Ausgestaltung mit Pfeilen, die die Übertragung des Drucks anzeigen,

Fig. 4: eine Explosionsdarstellung einer bevorzugten Ausgestaltung der Wandlerkammer mit Stromdurchführung,

Fig. 5: unterschiedliche Darstellungen vorteilhafter Varianten, wie die elektrische Isolierung zwischen Messwerk und Wandlerkammer erreicht wird, Fig. 6: unterschiedliche Ansichten und Schnitte durch eine Wandlerkammer mit einer Einheit zur Kompensation des statischen Drucks,

Fig. 7: die Schaltung der elektrischen Anschlüsse von Differenzdruckmesszelle und statischer Druckmesszelle, und

Fig. 8: einen Längsschnitt durch einen schematisch dargestellten Differenzdruckmesssaufnehmer, und

Fig. 9: eine Draufsicht auf einen Füllkörper, bei dem die Druckmesszelle und die Druckmesszelle für den statischen Druck in einer Ebene angeordnet sind.

In Fig. 1a ist der Aufbau eines erfindungsgemäßen Differenzdruckaufnehmers 1 schematisch skizziert. Fig. 2a skizziert den Weg, den ein einseitig auftretender Überdruck in dem Kapillarsystem des Differenzdruckaufnehmers 1 nimmt. Der Differenzdruckmessaufnehmer 1 dient zur Bestimmung des Differenzdrucks von zwei Drücken p1 , p2. Zur Anwendung kommt die Messung des Differenzdruckes zweier Drücke p1 , p2 z.B. in einer Rohrleitung zur Durchflussbestimmung. Ein weiterer Anwendungsfall eines Differenzdruckmessaufnehmers 1 stellt beispielsweise die Bestimmung des Füllstandes eines in einem Tank befindlichen fluiden Mediums dar.

Der koplanare Differenzdruckmessaufnehmer 1 besteht aus den Komponenten: Messwerk 2 und Wandlerkammer 3. Das Messwerk 2 ist in dem Prozessanschluss 21 angeordnet. Der Prozessanschluss 21 hat im dem Prozess zugewandten Bereich eine größere Dimensionierung als im vom Prozess abgewandten Bereich. Die Wandlerkammer 3 ist in den Gehäuseadapter 22 integriert. Prozessanschluss 21 und Gehäuseadapter 22 sind druck-, gas- und/oder flüssigkeitsdicht über die Fügung 20 miteinander verbunden. Ggf. ist zwischen dem Messwerk 2 und der Wandlerkammer 3 ein Zwischenmodul 19 vorgesehen, das in den Figuren nicht dargestellt ist.

Das Messwerk 2 weist in seinem dem Prozess zugewandten Endbereich zwei in einer Ebene liegende Doppelmembranen 4a, 4b auf, die zusammen ein koplanares Doppelmembransystem bilden. Jede der beiden Doppelmembranen 4a, 4b besteht aus einer Trennmembrane bzw. einer Prozessmembrane 5a, 5b und einer in Richtung der Druckwirkung hinter der Trennmembrane 5a, 5b angeordneten Überlastmembrane 6a, 6b. Zwischen der ersten Trennmembrane 5a und der ersten Überlastmembrane 6a ist eine erste Druckkammer 7a und zwischen der ersten Überlastmembrane 6a und dem Grundkörper 9 eine erste Zusatzdruckkammer 8a ausgebildet. Zwischen der zweiten Trennmembrane 5b und der zweiten Überlastmembrane 6b ist eine zweite Druckkammer 7b und zwischen der zweiten Überlastmembrane 6b und dem Grundkörper 9 eine zweite Zusatzdruckkammer 8b ausgebildet. Die Überlastmembranen 6a, 6b sind bevorzugt derart vorgespannt, dass sie im regulären Messbetrieb im Wesentlichen am Grundkörper 9 anliegen und sich erst dann von dem Grundkörper 9 abheben, wenn ein vorgegebener kritischer Grenzdruck einseitig - also an einer der beiden T rennmembranen 5a, 5b - überschritten wird. Denn nur wenn dafür Sorge getragen wird, dass der Druck, der zu dem in der Druckmesszelle 12 angeordneten drucksensitiven Element 13 übertragen wird, stets unterhalb dieses kritischen Grenzdrucks liegt, kann eine Zerstörung des drucksensitiven Elements 13 ausgeschlossen werden.

Der ersten Druckkammer 7a ist eine erste Verbindungskapillare 10a und der zweiten Druckkammer 8b ist eine zweite Verbindungskapillare 10b zugeordnet. Der ersten Zusatzdruckkammer 8a ist eine erste Hilfskapillare 11a und der zweiten Zusatzdruckkammer 8b eine zweite Hilfskapillare 11 b zugeordnet ist. Zum Schutz vor einem einseitig auftretenden Überdruck PeÜL ist die erste Verbindungskapillare 10a hydraulisch mit der zweiten Hilfskapillare 11 b und die zweite Verbindungskapillare 10b mit der ersten Hilfskapillare 11a gekoppelt. Die Verbindungsstellen/Kreuzungen zwischen der ersten Verbindungskapillare 10a und der zweiten Hilfskapillare 11 b und der zweiten Verbindungskapillare 10b und der ersten Hilfskapillare 11a sind in einem Raumbereich angeordnet, der sich hinter dem vom Prozess abgewandten Bereich der Wandlerkammer 3 befindet. Die Drücke p1 , p2 werden über die Kapillaren 10a, 10b, 11 a, 11 b hydraulisch zur Minusseite bzw. Plusseite des drucksensitiven Elements 13 übertragen.

Als hydraulisches Übertragungsmedium befindet sich in dem Kapillarsystem eine im spezifizierten Messbereich des Differenzdruckmessaufnehmers 1 weitegehend inkompressible Flüssigkeit 16, z.B. ein Silikonöl.

Bevorzugt sind die Verbindungs- und Hilfskapillaren 10a, 10b, 11a, 11 b im Messwerk 2 und in der Wandlerkammer 3 übrigens als Kapillarbohrungen ausgeführt. Möglich ist es jedoch auch die Kapillarbohrungen zumindest stückweise als Kapillarröhrchen 17 auszugestalten. Im gezeigten Fall sind Kapillarröhrchen 17 jeweils zwischen den Kapillarbohrungen von Messwerk 2 und Wandlerkammer 3 und ev. im Bereich hinter der Wandlerkammer 3 vorgesehen.

Um sicherzustellen, dass der Überlastschutz greift, bevor ein einseitig auftretender Überdruck PeÜL zu dem drucksensitiven Element 13 übertragen wird, sind die Kapillaren 10a, 10b, 11a, 11 b geeignet dimensioniert. Zusätzlich sind Dynamikbremsen 18 vorgesehen. Im gezeigten Fall sind die Dynamikbremsen 18 in den Kapillaren vorgesehen, die zu der Minus- und Plusseite des drucksensitiven Elements 13 führen. Bei den Dynamikbremsen 18 kann es sich um Sintermetalleinsätze handeln. Bei einem Einsatz des Differenzdruckmessaufnehmers 1 im explosionsgefährdeten Bereich werden die Dynamikbremsen 18 aus einem nicht leitfähigen Material gefertigt. In diesem Fall erfüllen die Dynamikbremsen 18 dann also eine Doppelfunktion: Eine verzögerte Weiterleitung des Drucks und einen Explosionsschutz, der entsprechend der benötigten Explosionsschutzart ausgelegt ist. Es versteht sich von selbst, dass Dynamikbremsen 18 in den beiden zuvor beschriebenen Varianten an alle Stellen innerhalb des Kapillarsystems integriert werden können, an denen ihr Einsatz das korrekte Funktionieren des Überlastschutzes sicherstellt. Additiv oder alternativ sind - wie bereits erwähnt - die Dimensionen (Länge und Durchmesser) der Verbindungs- und Hilfskapillaren so ausgestaltet, dass der Überlastschutz seine Wirkung entfalten kann.

Über die Befüllungsbohrungen 14a, 14b wird das Kapillarsystem des Differenzdruckmesssaufnehmers 1 mit einer hydraulischen Übertragungsflüssigkeit 16 befüllt. Die Anordnung und Lage der Befüllungsbohrungen 14a, 14b ist so gewählt, dass das zum Befüllen benötigte Ölvolumen möglichst gering ist.

Die Befüllungsbohrungen und die Verschlusselemente 15a, 15b sind möglichst so ausgestaltet und angeordnet, dass sich die verschlossenen Befüllungsbohrungen 14a, 14b im Messwerk (Fig. 1a, Fig. 1 b, Fig 2, Fig. 3b) oder in der Wandlerkammer 3 und im Messwerk 2 befinden (Fig. 3a). Durch diese Anordnung im Innenraum des Differenzdruckmessaufnehmers 1 sind die Befüllungsbohrungen 14a, 14b - auch außerhalb der Verschlusselemente 15a, 15b - korrosionsgeschützt. Weiterhin können die entsprechenden Bereiche der Befüllungsbohrungen 14a, 14b nach außen vergossen werden; dies ist jedoch aufgrund der vom Außenraum abgeschlossenen Lage der Befüllungsbohrungen 14a, 14b nicht unbedingt erforderlich.

Als druckdichter, gas- oder zumindest flüssigkeitsdichter Verschluss ist jeweils ein bevorzugt kugelförmiges Verschlusselement 15a, 15b vorgesehen, das von außen in die Befüllungsbohrung 14a, 14b gedrückt und anschließend verstemmt wird. Prinzipiell stehen auch anderen Verfahrens zum Verschließen der Öffnungen zur Verfügung. Schweißen wird allerdings insofern als kritisch angesehen, da infolge der Temperaturerhöhung negative Rückwirkungen auf die definierten Eigenschaften der Übertragungsflüssigkeit 16 auftreten können.

Die Figuren Fig. 3a und Fig. 3b zeigen die Aktivierung des Überdruckschutzes bei Auftreten eines einseitigen Überdrucks an der Doppelmembrane 4b. Analog arbeitet der Überdruckschutz, wenn ein Überdruck an der Doppelmembrane 4a auftritt. Beide Figuren unterscheiden sich - wie bereits gesagt - lediglich in der Anordnung der Befüllungsbohrungen 14a, 14b. Während bei der in Fig. 3a gezeigten Ausgestaltung die Befüllung über das Messwerk 2 erfolgt, wird in Fig. 3b zusätzlich noch eine Befüllung über die Wandlerkammer 3 vorgenommen. Die Überlastmembranen 5a, 5b ist so vorgespannt, dass sie im normalen Betriebsfall an dem Gehäuse 9 formschlüssig bzw. vollflächig anliegen. Hierdurch ist in der Überlastkammer 8b nahezu kein Ölvolumen, das verschoben werden kann. Tritt an der Prozessmembrane 4b ein Überdruck PeÜL auf, wird die Prozessmembrane 5b gegen die Überdruckmembrane 6b bewegt und Überdruck PeÜL wird über die Verbindungskapillare 10b und die Hilfskapillare 10a auf die Rückseite der Überlastmembran 6a übertragen. Sobald der Überdruck PeÜL größer ist als die Vorspannung der Überdruckmembrane 6a, wird diese ebenso wie die Prozessmembrane 5a ausgelenkt. Das Doppelmembransystem 4a auf der Niederdruckseite nimmt alle Übertragungsflüssigkeit auf, die auf der Hochdruckseite aus dem Doppelmembransystem 4b herausgedrückt wird.

Erfindungsgemäß wird die Übertragungsflüssigkeit 16 von der Hochdruckseite des Doppelmembransystems 4b auf die Niederdruckseite des Doppelmembransystems 4a übertragen, bis auf der Hochdruckseite keine Übertragungsflüssigkeit 16 mehr verschoben werden kann, da die Trennmembrane 5b auf der sich an dem Grundkörper des Messwerks 2 abstützenden Überlastmembrane 6b anliegt. Der maximale Druck, welcher an der Plusseite (+) des drucksensitiven Elements 15 anliegt, lässt sich über die Rückstellkraft der Überlastmembrane 6a, 6b (Feder im ausgelenkten Zustand) festlegen bzw. dimensionieren. Aufgrund der Parallelschaltung von Überlastmembranen 6a, 6b und drucksensitiven Element 13 übersteigt der Druck am drucksensitiven Element 13 im Überdruckfall nicht den kritischen Grenzwert. So wird einer Zerstörung des drucksensitiven Elements 13, üblicherweise eines Siliziumchips, effektiv entgegengewirkt.

Um zu unterstützen, dass der Überdruck PeÜL zuerst die Überlastmembrane 6a auslenkt, bevor er die Membrane des drucksensitiven Elements 13 erreicht, sind die Kapillargeometrien ggf. entsprechend angepasst. Zusätzlich sind an den Zugangskapillaren zu dem drucksensitiven Element 13 ggf. noch Dynamikbremsen 18 vorgeschaltet (Fig. 3a). Insbesondere sind die Verbindungskapillaren 10a, 10b und die Hilfskapillaren 11 a, 11 b geeignet in Länge und Durchmesser derart dimensioniert, dass die Funktion des Überlastschutzes sicher greift.

Fig. 4 zeigt eine Explosionsdarstellung einer würfelförmigen Ausgestaltung der Differenzdruckmesszelle 12 und visualisiert, wie die Einzelkomponenten der Differenzdruckmesszelle 12 bzw. der Stromdurchführung 23 in der Wandlerkammer 3 angeordnet sind. Ein isolierender Sockel (z.B. ein Keramiksockel) 31 ist mit der Bodenfläche einer Ausnehmung in der Wandlerkammer 3 über einen geeigneten Kleber 30 verbunden. Mittels eines Klebers 32 ist die Differenzdruckmesszelle 12, die bevorzugt als drucksensitives Element 13 einen Siliziumchip aufweist, mit dem Keramiksockel 31 verbunden. Zwecks Minimierung des benötigten Ölvolumens bzw. des Volumens der Übertragungsflüssigkeit 21 ist ein Füllkörper 33 vorgesehen, der die Druckmesszelle 13 im Seitenbereich möglichst eng umschließt. Der Füllkörper 33 wird mit einem Deckel 34 verschlossen. Nach außen ist die Wandlerkammer 3 mit einer Verschlusskappe 34 für die Stromdurchführung 23 verschlossen. Die Isolation des Siliziumchips 13 erfolgt über den Isolationssockel, z.B. einen Keramiksockel 31 oder Glas-Sockel, der beispielsweise aus Exschutzgründen eine Dicke von d> 0,5mm hat. Weiterhin übernimmt 24 der Füllkörper 33 mit Deckel 34, der z.B. aus einem geeigneten Kunststoff gefertigt ist, die Isolation des Siliziumchips 15 und dessen Bondverbindungen. Unterhalb sind die als Kapillarröhrchen ausgestalteten Verbindungskapillaren 10a, 10b und die Hilfskapillaren 11a, 11 b gezeigt.

Fig. 5 zeigt unterschiedliche Darstellungen vorteilhafter Varianten, wie die elektrische Isolierung zwischen Messwerk 2 und Wandlerkammer 3 über in oder an die Kapillarröhrchen adaptierte Isolationselemente 25, bevorzugt Isolationsröhrchen 25, realisiert werden kann. Bei diesen Ausgestaltungen kann übrigens auf den zuvor beschriebenen eingeklebten Keramiksockel 31 in der Wandlerkammer 3 verzichtet werden. Die elektrische Isolation zwischen Messwerk 2 und Wandlerkammer 3 erfolgt im Bereich der Kapillarröhrchen zwischen den entsprechenden Verbindungskapillaren 10a, 10b oder am Übergang der Kapillarröhrchen zum Messwerk 2 oder zur Wandlerkammer 3.

Wie in der linken Darstellung Fig. 5 zu sehen ist, können die elektrisch isolierenden Keramikröhrchen 25 in der Wandlerkammer 3 (Fig. 5a), im Zwischenbereich zwischen Wandlerkammer 3 und Messwerk 2 (Fig. 5c) oder im Messwerk 2 (Fig. 5b) ausgeführt sein. Bevorzugt wird durch die Isolation eine Potentialtrennung zur Erde bzw. der internen Masse erreicht. Dies ist erforderlich für die Sicherheitsstufe Ex ia und die elektrische Sicherheit. Die Alternative, dass die Ex-Trennung auch durch entsprechende Ausgestaltung der Dynamikbremsen 22 erreicht werden kann, wurde ja zuvor bereits erwähnt. Der erfindungsgemäße Differenzdruckmessaufnehmer i kann auch im explosionsgefährdeten Bereich eingesetzt werden. Hierzu muss er den Sicherheitsanforderungen ex d genügen, wozu weitere Sicherheitsmaßnahmen erforderlich sind.

Fig. 6 zeigt eine Wandlerkammer 3 oder deren Komponenten und unterschiedliche Schnitte durch die Wandlerkammer 3. Bei dieser Ausgestaltung ist auch eine Messzelle 27 zur Bestimmung des statischen Drucks vorgesehen. In Fig. 6a ist die Stromdurchführung 23 mit einer vorteilhaften Anordnung der Anschluss-Pins 26 für die Differenzdruckmesszelle 14 mit dem drucksensitiven Element 15 und der darüber angeordneten Messzelle 27 zur Bestimmung des statischen Drucks dargestellt. Die PINs 26 sind bevorzugt symmetrisch im Randbereich der beiden bevorzugt übereinander gestapelt angeordneten Druckmesszellen 14, 27 zu finden. Es kann jedoch auch durchaus von Vorteil sein, mindestens einen PIN asymmetrisch zu positionieren, um im späteren Prozess die Weiterverarbeitung, z.B. das Anlöten der Platine sicher zu machen (Poka-Yoke- Prinzip). Entweder enden die PINs 26 alle in einer Ebene oder in parallelen Ebenen. Zwei Pins 1.1 , 1.2 der acht Pins 26 (Fig. 7c) können ohne Isolierung z. B. gelötet sein, da sie auf Masse/Gehäusepotential liegen.

Die PINS 2 und 3 könnten elektrisch zusammen, also in einem gemeinsamen PIN, auf Potenzial gelegt werden (Fig. 7b). Die elektrische Isolation erfolgt dann bevorzugt über eine Einglasung. Wenn die Masse-PINS 1.1 , 1.2, die den PINs 1 , 8 entsprechen, und die PINS 2, 3 für die Spannungsversorgung zusammengefasst sind, liegen die beiden Brücken parallel an der Spannungsversorgung. Gezeigt ist diese Schaltung in Fig. 7c.

Um die Anforderungen der elektrischen Sicherheit und für den Einsatz im explosionsgefährdeten Bereich zu erfüllen, sind alle PINs 26 so angeordnet bzw. beabstandet, dass eine ausreichende Spannungsfestigkeit sowohl von PIN 26 zu PIN 26 als auch von PIN 26 zum Gehäuse/Masse der Wandlerkammer 3 vorhanden ist. Da das Ölvolumen umso geringer ist, je geringer der Innenraum der Wandlerkammer 3 dimensioniert ist, hat der Innenraum bevorzugt einen Durchmesser von < 10, insbesondere von <8mm.

Fig. 6b zeigt einen Längsschnitt durch die übereinander gestapelten Druckmesszellen 14, 27. Bei der Druckmesszelle 27 handelt es sich um eine Absolutdruckmesszelle. Die PINS 26 sind isoliert voneinander durch die Stromdurchführung 30 geführt. Die Stromdurchführung 23 ist druckfest und gas- bzw. flüssigkeitsfest ausgestaltet. Die PI Ns 26 sind entweder eingelötet oder eingeglast. Alternativ sind sie eingepresst oder impulsgeschweißt. Nur die Masse-PINS sind ohne Isolierung im Gehäuse angeordnet, alle anderen müssen isoliert sein. Dies ist dann möglich, wenn das Gehäuse isoliert über die Kapillaren am Messwerk angebunden ist. Ansonsten müssen alle PINs (auch die Masse-PINS) elektrisch isoliert sein.

Zwecks Minimierung des benötigten Ölvolumens, ist die Differenzdruckmesszelle 14 mit den Bonddrähten 24 möglichst eng in den Füllkörper 33 und die Füllkörperkappe 37 eingebettet. Die Füllkörperkappe 37 weist eine Ausnehmung zur Aufnahme des Chips/der Druckmesszelle 27 für den statischen Druck auf. Auf eine Isolierfolie 29 folgt die Verschlusskappe 35. Fig. 6c zeigt einen Querschnitt im Bereich der Differenzdruckmesszelle 14, während Fig. 6d einen Schnitt im Bereich des Chips 27 zur Messung des statischen Drucks zeigt.

In den Figuren Fig. 7a, Fig. 7b und Fig. 7c sind die Schaltungen zu den bereits zuvor erwähnten Anordnungen der PINs 26 gezeigt. Über zwei Widerstandsbrücken werden der Differenzdruck (1 .2) und der statische Druck (1.1) gemessen. Die Messwerte werden einer Elektronikplatine 36 zur Weiterverarbeitung zugeleitet. Fig. 7a zeigt das prinzipielle Anschlussbild der beiden Si-Chips 15, 27. Um die Schaltung komplett unabhängig betreiben zu können, sind acht PINs 26 erforderlich; minimal sind sechs PINs 26 (Fig. 7b) erforderlich. Fig. 7c zeigt eine Schaltung mit 7 PINs 26. Diese Zwischenlösung hat eine getrennte Plus-Versorgung, aber eine gemeinsame Masse. Der Vorteil, den die Nutzung einer geringeren Zahl von PINs 26 bringt, liegt klar darin, dass Platz eingespart werden kann. Die PINs 26 für den Masseanschluss können auch als direkte Verbindung zwischen dem entsprechenden PIN 26 bzw. den entsprechenden PINs 26 und dem leitfähigen Gehäuse (Metallgehäuse) ausgeführt sein. Die Verbindung kann über Einlöten, Einpressen oder Schweißen realisiert werden.

Nachfolgend ist die Funktion der einzelnen in Fig. 7 gezeigten PINs 26 aufgeführt: (2), (3): PINs 26 für den Anschluss der Versorgungsspannung,

(4), (5): PINs 26 für das Brückenausgangssignal der statischen Druckmesszelle 27, (6), (7): PINs 26 für das Brückenausgangssignal der Differenzdruckmesszelle 14, 1 = (1.1): Versorgungsspannungs-Minusanschluss (Masse),

8 = (1.2): Versorgungsspannungs-Minusanschluss (Masse).

Wie bereits zuvor beschrieben, kann für die Masseanschluss auch ein gemeinsamer PIN 26 verwendet werden.

Fig. 8 zeigt einen Längsschnitt durch einen schematisch dargestellten Differenzdruckmesssaufnehmer 1. Weiterhin sind in der Fig. 8 die unterschiedlichen Zonen A-G aufgelistet, denen der Differenzdruckmessaufnehmer 1 ausgesetzt ist. Da die Zonen in der Figur namentlich aufgeführt sind, wird an dieser Stelle auf eine Wiederholung verzichtet. Die eingekreisten Zahlen dokumentieren schematisch Komponenten, die den Prinzipaufbau des erfindungsgemäßen Differenzdruckmessaufnehmers 1 kennzeichnen:

(1) Innenvolumen, das ev. mit einem Verguss ausgefüllt ist

@ Schweißung zwischen Gehäuseadapter und Messwerk 2

@ Druckzuführung Wandlerkammer 3 - Messwerk 2

© Druckzuführung zur Wandlerkammer 3

@ Stromdurchführung 23 mit PIN/Einglasung

@ Ölverschluss 20

® Trennung zwischen Gehäuse und Sensorrückraum 16

@ Exd-Gewinde Gehäuse-Sensor, z.B. über ein Second Containment und/oder einen Verguss

® Verschlusskappe 35 Stromdurchführung 23 ( GDF) Fig. 9 zeigt eine Draufsicht auf einen Füllkörper 33, bei dem die Druckmesszelle 12 und die Druckmesszelle 27 für den statischen Druck in einer Ebene angeordnet sind. Die Abstände zwischen den Pins - zu sehen sind in der Fig. 9 nur die Ausnehmungen 38 für die Pins von der Stromdurchführung - sind so gewählt, dass eine galvanische Trennung sichergestellt ist.

Bezugszeichenliste

1 Differenzdruckmessaufnehmer

2 Messwerk

3 Wandlerkammer

4 Doppelmembransystem

4a, 4b erste Doppelmembrane, zweite Doppelmembrane

5a, 5b erste Trennmembrane, zweite Trennmembrane

6a, 6b erste Überlastmembrane, zweite Überlastmembrane

7a, 7b erste Druckkammer, zweite Druckkammer

8a, 8b erste Zusatzdruckkammer, zweite Zusatzdruckkammer

9 Grundkörper

10a, 10b erste Verbindungskapillare, zweite Verbindungskapillare

11 a, 11 b erste Hilfskapillare, zweite Hilfskapillare,

12 Differenzdruckmesszelle

13 drucksensitives Differenzdruckelement

14a, 14b Befüllungsbohrung

15a, 15b Verschlusselement

16 Übertragungsflüssigkeit

17 Kapillarröhrchen

18 Dynamikbremse

19 Zwischenmodul

20 Fügung

21 Prozessanschluss

22 Gehäuseadapter

23 Stromdurchführung

24 Bondverbindung

25 Isolationsröhrchen

26 PIN

27 Messzelle zur Bestimmung des Statischen Drucks

28 Füllkörperkappe mit Ausnehmung

29 Isolationsfolie / PTFE Folie

30 Kleber für Klebung des Isolationssockels (Keramiksockels)

31 Keramiksockel

32 Kleber für Klebung der Druckmesszelle 33 Füllkörper

34 Füllkörperdeckel

35 Verschlusskappe für Stromdurchführung

36 Elektronikplatine 37 Füllkörperkappe

38 Ausnehmung für Pin

Claims

Patentansprüche

1. Differenzdruckmessaufnehmer (1) zur Bestimmung des Differenzdrucks von zwei Drücken (p1 , p2) mit einem Messwerk (2) und einer Wandlerkammer (3), wobei in der Wandlerkammer (3) eine Differenzdruckmesszelle (12) mit einem drucksensitiven Element (13) angeordnet ist und wobei an oder in einem dem Prozess zugewandten Endbereich des Messwerks (2) ein koplanares Doppelmembransystem mit zwei Doppelmembranen (4a, 4b) vorgesehen ist, wobei die beiden Doppelmembranen (4a, 4b) jeweils aus einer Trennmembrane (5a, 5b) und einer in Richtung der Druckwirkung hinter der Trennmembrane (5a, 5b) angeordneten Überlastmembrane (6a, 6b) bestehen, wobei zwischen der ersten Trennmembrane (5a) und der ersten Überlastmembrane (6a) eine erste Druckkammer (7a) und zwischen der ersten Überlastmembrane (6a) und dem Grundkörper (9) eine erste Zusatzdruckkammer (8a) ausgebildet ist, wobei zwischen der zweiten Trennmembrane (5b) und der zweiten Überlastmembrane (6b) eine zweite Druckkammer (7b) und zwischen der zweiten Überlastmembrane (6b) und dem Grundkörper (9) eine zweite Zusatzdruckkammer (8b) ausgebildet ist, wobei der ersten Druckkammer (7a) eine erste Verbindungskapillare (10a) und der zweiten Druckkammer (7b) eine zweite Verbindungskapillare (10b) zugeordnet ist, wobei der ersten Zusatzdruckkammer (8a) eine erste Hilfskapillare (11 a) und der zweiten Zusatzdruckkammer (8b) eine zweite Hilfskapillare (11 b) zugeordnet ist, wobei - zum Schutz vor einem einseitig auftretenden Überdruck (PeÜL) - die erste Verbindungskapillare (10a) hydraulisch mit der zweiten Hilfskapillare (11 b) und die zweite Verbindungskapillare (1 Ob) mit der ersten Hilfskapillare (11 a) gekoppelt ist, wobei die Drücke (p1 , p2) hydraulisch zu dem drucksensitiven Element (13) übertragen werden, wobei die Verbindungsstellen/Kreuzungen zwischen der ersten Verbindungskapillare (10a) und der zweiten Hilfskapillare (11 b) und der zweiten Verbindungskapillare (10b) und der ersten Hilfskapillare (11a) in einem Raumbereich angeordnet sind, der sich hinter dem vom Prozess abgewandten Bereich der Wandlerkammer (3) befindet.

2. Differenzdruckmessaufnehmer nach Anspruch 1 , wobei die Überlastmembranen (6a, 6b) derart vorgespannt sind, dass sie im Normalbetrieb an dem Grundkörper anliegen und sich erst dann von dem Grundkörper (9) abheben, wenn ein vorgegebener kritischer Grenzdruck überschritten wird.

3. Differenzdruckmessaufnehmer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei es sich bei den Verbindungskapillaren (10a, 10b) und den Hilfskapillaren (11a, 11 b) im Messwerk (2) und in der Wandlerkammer (3) um Kapillarbohrungen handelt, die im Wesentlichen parallel zur Längsachse des Differenzdruckaufnehmers (1) verlaufen.

4. Differenzdruckmessaufnehmer nach einem oder mehreren der vorhergehenden

Ansprüche, wobei die Verbindungskapillaren (10a, 10b) und die Hilfskapillaren (11a, 11 b) in dem vom Prozess abgewandten Raumbereich der Wandlerkammer (3) als Kapillarbohrungen oder als Kapillarröhrchen ausgestaltet sind.

5. Differenzdruckmessaufnehmer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verbindungskapillaren (10a, 10b) und die Hilfskapillaren (11 a, 11 b) im Zwischenbereich von Messwerk (2) und Wandlerkammer (3) als Kapillarröhrchen (17) ausgestaltet sind, die mit den korrespondierenden Kapillarbohrungen in Messwerk (2) und Wandlerkammer (3) druck- und gasdicht verbunden sind.

6. Differenzdruckmessaufnehmer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-5, wobei das Messwerk (2) in einem Prozessanschluss (21) angeordnet ist, wobei der Prozessanschluss (21) im dem Prozess zugewandten Bereich einen Durchmesser aufweist der größer ist als der Durchmesser in dem vom Prozess abgewandten Bereich, in dem er mit dem Zwischenmodul (19) bzw. dem Gehäuseadapter (22) druck-, gas- und/oder flüssigkeitsdicht verbunden ist.

7. Differenzdruckmessaufnehmer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Verbindungskapillaren (10a, 10b) und/oder die Hilfskapillaren (11a, 11 b) derart ausgestaltet und/oder dimensioniert sind, dass ein über dem vorgegebenen kritischen Grenzdruck liegender Überdruck (PeÜL) mittels des Überlastschutzes begrenzt wird, bevor der Überdruck an das drucksensitive Element (13) übertragen wird.

8. Differenzdruckmessaufnehmer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, wobei in jede der Verbindungskapillaren (10a, 10b) mindestens eine Druckdynamikbremse (18) eingesetzt ist, wobei die Druckdynamikbremsen (18) bevorzugt vor dem drucksensitiven Element angeordnet und/oder ausgestaltet sind, dass ein über dem vorgegebenen kritischen Grenzdruck liegender Überdruck (peÜL) begrenzt wird, bevor der Überdruck hydraulisch an das drucksensitive Element (13) übertragen wird.

9. Differenzdruckmessaufnehmer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei am Messwerk (2) zwei Befüllungsbohrungen (14a, 14b) zur Befüllung des Hydrauliksystems des Differenzdrucksensors (1) mit einer Hydraulikflüssigkeit (16) vorgesehen sind, wobei die Befüllungsbohrungen (14a, 14b) im Wesentlichen parallel zu den Verbindungskapillaren (10a, 10b) und den Hilfskapillaren (11 a, 11 b) verlaufen, und wobei die Befüllungsbohrungen (14a, 14b) jeweils mittels eines Verschlusselements (15a, 15b) nach dem Befüllen mit der Hydraulikflüssigkeit (16) druckdicht und gasdicht oder zumindest flüssigkeitsdicht verschlossen werden.

10. Differenzdruckmessaufnehmer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei elektrische Verbindungspins gasdicht durch einen der vom Prozess abgewandten Endbereiche der Wandlerkammer (3) in Richtung einer Elektronikplatine (36) geführt sind.

11 . Differenzdruckmessaufnehmer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei in den Verbindungskapillaren (10a, 10b; 17) und den Hilfskapillaren (11a, 11 b) elektrische Isolatoren (25) vorgesehen sind, die die Wandlerkammer (3) elektrisch von dem Messwerk (2) isolieren.

12. Differenzdruckmessaufnehmer nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1-11 , wobei die Verbindungskapillaren (10a, 10b, 17a, 17b) zumindest abschnittweise mit einem elektrischen Isolator (25), insbesondere einem Keramikisolierkörper oder einer isolierenden Einglasung, versehen sind, und/oder über eine gasdichte Verbindung in den entsprechenden Kapillaren des Messwerks (2) und/oder der Wandlerkammer (3) oder den Kapillarröhrchen (17) befestigt sind.

13. Differenzdruckmessaufnehmer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrischen Isolatoren (25) in der Wandlerkammer (3) und/oder im Messwerk (2) und/oder im Zwischenraum zwischen Messwerk (2) und Wandlerkammer (3) vorgesehen sind.

14. Differenzdruckmessaufnehmer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrischen Isolatoren (25) jeweils als Zwischenstücke in die als Kapillarröhrchen (17a, 17b) ausgestalteten Verbindungskapillaren (10a, 10b) integriert sind.

15. Differenzdruckmessaufnehmer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei dem drucksensitiven Element (13) um einen Siliziumchip handelt, und wobei der Differenzdruck (p2-p1 ) über ein kapazitives oder resistives Messverfahren oder Resonator ermittelt wird.

16. Differenzdruckmessaufnehmer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wandlerkammer (3) so ausgestaltet ist, dass auf der Niederdruckseite (-) und der Hochdruckseite (+) gleiche Übertragungsflüssigkeits-Volumina vorhanden sind.

17. Differenzdruckmessaufnehmer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der Wandlerkammer (3) ein drucksensitives Element (27) zur Messung des statischen Drucks vorgesehen ist.

18. Differenzdruckmessaufnehmer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei das drucksensitive Element (13) zur Messung des Differenzdrucks und das drucksensitive Element (27) zur Messung des statischen Drucks übereinandergestapelt oder nebeneinander in der Wandlerkammer (3) angeordnet sind.