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WO2022128399A1 - Koplanarer druckmessaufnehmer zur bestimmung des druckmesswertes eines mediums - Google Patents

Koplanarer druckmessaufnehmer zur bestimmung des druckmesswertes eines mediums Download PDF

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WO2022128399A1
WO2022128399A1 PCT/EP2021/083092 EP2021083092W WO2022128399A1 WO 2022128399 A1 WO2022128399 A1 WO 2022128399A1 EP 2021083092 W EP2021083092 W EP 2021083092W WO 2022128399 A1 WO2022128399 A1 WO 2022128399A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
pressure
measuring
converter chamber
measuring mechanism
capillary
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2021/083092
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Kristine Bedner
Thomas Uehlin
Alexander Beck
Michael Noack
Florian Gutmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Endress and Hauser SE and Co KG
Original Assignee
Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Endress and Hauser SE and Co KG filed Critical Endress and Hauser SE and Co KG
Publication of WO2022128399A1 publication Critical patent/WO2022128399A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L13/00—Devices or apparatus for measuring differences of two or more fluid pressure values
    • G01L13/02—Devices or apparatus for measuring differences of two or more fluid pressure values using elastically-deformable members or pistons as sensing elements
    • G01L13/025—Devices or apparatus for measuring differences of two or more fluid pressure values using elastically-deformable members or pistons as sensing elements using diaphragms
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L13/00—Devices or apparatus for measuring differences of two or more fluid pressure values
    • G01L13/02—Devices or apparatus for measuring differences of two or more fluid pressure values using elastically-deformable members or pistons as sensing elements
    • G01L13/025—Devices or apparatus for measuring differences of two or more fluid pressure values using elastically-deformable members or pistons as sensing elements using diaphragms
    • G01L13/026—Devices or apparatus for measuring differences of two or more fluid pressure values using elastically-deformable members or pistons as sensing elements using diaphragms involving double diaphragm
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    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
    • G01L19/06—Means for preventing overload or deleterious influence of the measured medium on the measuring device or vice versa
    • G01L19/0609—Pressure pulsation damping arrangements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
    • G01L19/06—Means for preventing overload or deleterious influence of the measured medium on the measuring device or vice versa
    • G01L19/0618—Overload protection
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
    • G01L19/14—Housings
    • G01L19/147—Details about the mounting of the sensor to support or covering means

Definitions

  • Coplanar pressure transducer for determining the pressure reading of a medium
  • the invention relates to a coplanar differential pressure sensor for determining the measured pressure value of a medium.
  • a pressure to be measured is absolute, i. H. detected as a pressure difference versus a vacuum.
  • a pressure to be measured in the form of a pressure difference compared to a reference pressure is determined with a relative pressure sensor. For most applications, this is the atmospheric pressure at the point of use.
  • a pressure to be measured is referred to a fixed reference pressure
  • the vacuum pressure and in the case of relative pressure measuring arrangements, a pressure to be measured is referred to a variable reference pressure, e.g. B. the ambient pressure recorded.
  • a differential pressure measuring arrangement records the difference between two process pressures. Differential pressure sensors are used, for example, in tanks to measure fill levels or in pipelines to measure flow.
  • DE 3 222 620 A1 discloses a pressure difference measuring device which has a pressure measuring device protected against overload.
  • the measuring device has a central receiving body which forms an antechamber on two opposite sides between a membrane bed and a separating membrane.
  • an additional chamber is provided in each case behind the side facing away from the membrane bed, which is delimited by a prestressed additional membrane.
  • Inside the receiving body there is also a measuring chamber, which is divided into two sub-chambers by the pressure sensor device.
  • Each of the two partial chambers of the measuring chamber is connected to one of the two antechambers via a respective connecting channel.
  • Each of the two connecting channels is connected to one of the two additional chambers via an additional channel.
  • the device If the device is exposed to a differential pressure below or in the range of the nominal differential pressure value, then this differential pressure is transmitted to the pressure sensor device via the connecting channels.
  • the additional membranes develop a small effect, which is negligible in a first approximation. If the pressure difference exceeds the nominal pressure difference value by a predetermined value as a result of an overload, then the pressure transmitter liquid located below it is pressed into the antechamber assigned to it on the high-pressure side of the separating membrane. The liquid that is pressed out passes through the connecting channel and the additional channel to the additional membrane on the low-pressure side and causes it to lift off.
  • the liquid that is pressed out on the high-pressure side under the separating diaphragm is under the lifting additional diaphragm on the low-pressure side. Consequently, an overload of the pressure sensor device is avoided.
  • the converter chamber is integrated into the measuring mechanism.
  • WO 2018/165122 A1 discloses a coplanar differential pressure sensor in which the pressure inputs with separating diaphragm and overload diaphragm are arranged in one plane - namely in the end area facing the process - and not on opposite, parallel planes as in the previously mentioned German patent application. It is a so-called
  • double membrane system The advantage of double membrane systems lies in the significantly lower oil volume that is required for the hydraulic operation of the differential pressure sensor.
  • the pressure-loaded center membrane weld can be dispensed with here, so that the measuring mechanism can be made in one piece.
  • the overload protection is also arranged in the measuring mechanism in this known solution, i.e. the crossed capillaries are located in the measuring mechanism.
  • the known solutions have several disadvantages: Since the crossed hydraulic pressure feedthroughs are arranged in the measuring mechanism, e.g. in the known coplanar design, for the purpose of oil filling, externally exposed bores are required, which are closed after filling. The closure areas are potential corrosion weak points. In addition, the holes are quite long, which has a negative impact on manufacturing costs. Long bores also inevitably require a larger oil volume, which in turn makes it difficult to implement overload protection in the measuring mechanism. Since defined distances between the pressure ducts must be maintained, there are limits to minimizing the dimensions of the measuring unit.
  • the invention is based on the object of proposing a pressure sensor which is characterized by a simple structure.
  • a coplanar pressure sensor for determining the differential pressure of two pressures with a measuring mechanism and a converter chamber, with two separating membranes that are in direct or indirect contact with the medium being provided on or in an end region of the base body of the measuring mechanism that faces the process
  • the converter chamber which has a pressure measuring cell with at least one pressure-sensitive measuring element with a first pressure application surface and a second pressure application surface, is located in an area of the measuring unit facing away from the process, with the first pressure application surface and the second pressure application surface of the pressure-sensitive measuring element being arranged one behind the other relative to the longitudinal axis of the pressure sensor, the first pressure being transmitted via a hydraulic path to the first pressure application surface and the second pressure being transmitted via a second hydraulic path to the second pressure application surface of the pressure-sensitive measuring element, with an outer surface of the converter chamber being connected in a pressure-tight and gas-tight manner to a corresponding surface of the measuring mechanism via a circumferential weld seam, with the welding beam for connecting the converter chamber
  • the base body of the measuring mechanism is in one piece, i.e. monolithic. Furthermore, it is provided that the base body of the measuring mechanism largely has a fully symmetrical structure, also with regard to the course of the capillary bores. In particular, this applies to the coplanar differential pressure sensor with overload protection, which is detailed below and in the description of the figures.
  • the capillary bores in the fully symmetrical base body of the measuring mechanism also run fully symmetrically up to the crossings/connections of the capillary bores.
  • fully symmetrical means that the base body of the measuring mechanism with the capillary bores is designed symmetrically with respect to a plane running centrally and perpendicularly between the two coplanar double membranes.
  • the coplanar differential pressure sensor - preferably with protection against overpressure occurring on one side - is used to determine the differential pressure of two pressures.
  • a coplanar double diaphragm system with two double diaphragms is provided on an end area of the measuring unit facing the process.
  • the differential pressure measuring cell with the pressure-sensitive measuring element, usually a silicon chip, is arranged in the converter chamber.
  • the two double membranes each consist of a separating membrane and an overload membrane arranged behind the separating membrane in the direction of the pressure effect, with a first pressure chamber being formed between the first separating membrane and the first overload membrane and a first additional pressure chamber being formed between the first overload membrane and the base body.
  • a second pressure chamber is formed between the second separating diaphragm and the second overload diaphragm and a second additional pressure chamber is formed between the second overload diaphragm and the base body, with the first additional pressure chamber or the second additional pressure chamber being assigned a first connecting capillary or a second connecting capillary, the Lead connecting capillaries from the measuring mechanism to the converter chamber.
  • a first auxiliary capillary or a second auxiliary capillary is assigned to the first pressure chamber or the second pressure chamber, with a pressure-transmitting coupling being arranged between the first auxiliary capillary and the second connecting capillary or between the second auxiliary capillary and the first connecting capillary in the measuring unit or in the converter chamber is.
  • the two pressures are hydraulically transmitted via the corresponding auxiliary and connecting capillaries - protected against overpressure - to the first pressure application area and the second pressure application area of the differential pressure measuring cell.
  • the advantages of this differential pressure sensor are as follows:
  • the base body of the measuring mechanism is designed in one piece.
  • the measuring mechanism has a relatively simple and largely symmetrical structure.
  • the crossing of the auxiliary capillaries with the connection capillaries preferably takes place in the measuring unit, i.e. very close to the measuring point of the pressure.
  • any overpressure occurring on one side on the high-pressure side is routed to the back of the overload diaphragm/additional diaphragm on the low-pressure side and parallel via the connecting lines to the converter chamber.
  • the converter chamber and overload diaphragm are parallel.
  • connection capillaries is greater than the length of the auxiliary capillaries and the sections of the connection capillaries of the overload protector, which ensures a fast response time of the overload protector.
  • the capillaries Due to the short capillary lengths, the oil consumption is low. Cost savings in the measuring mechanism, in particular through material savings (small dimensions) and as a result of simplified production and processing, since the number of capillaries is small; the capillaries can, for example, be manufactured inexpensively by drilling or eroding;
  • the hydraulic system is preferably filled via filling holes in the measuring unit.
  • the oil requirement in the capillary system is low due to the small size of the separating membranes and the additional pressure chambers that are unfilled during normal measurement operation.
  • the hydraulic paths to the high-pressure side (plus side) and the low-pressure side (minus side) are separated by a circumferential weld seam that goes through at least one capillary bore/stepped bore.
  • the converter chamber is integrated into the base body of the measuring mechanism, or the converter chamber is attached to the area of the measuring mechanism that is remote from the process.
  • the base body of the measuring mechanism is preferably designed as a process connection.
  • the process connection is connected to a housing adapter.
  • An advantageous embodiment of the differential pressure sensor according to the invention proposes that the hydraulic paths in the base body of the measuring mechanism and the converter chamber are capillary bores, with corresponding capillary bores in the region of their meeting boundary surfaces of the base body of the measuring mechanism and converter chamber being widened to form stepped bores or enlarged bores .
  • the capillary bores or the stepped bores or the widened capillary bores are preferably designed and/or dimensioned in such a way that the inner diameter of the capillary bores after a pressure-tight and gas-tight jet welding of the measuring mechanism and transducer chamber, also in the area of the interconnected capillary bores, is at least approximately the inner diameter of the capillary bores of the measuring mechanism and converter chamber correspond.
  • the widening of the capillary bores, e.g. to form stepped bores, in the area of the adjacent capillary bores makes it easier to connect / weld the adjacent capillary bores.
  • Beam welding in particular laser or electron beam welding—depending on the design, radially from the outside or axially from above—is regarded as the preferred joining technique.
  • the connection of measuring mechanism and converter chamber and thus also the connection of the capillary bore(s) running in the base body of the measuring mechanism and, if applicable, the corresponding capillary bore(s) running in the base body of the converter chamber is realized, for example, via a circumferential weld seam at the level of the adjoining stepped bores.
  • chamfers can be provided, which are used to absorb excess weld metal. Through this constriction of the capillary bore in the joint area is largely avoided. Furthermore, it is provided that the welding depth or the penetration thickness of the weld seam is dimensioned in such a way that the oil space is as minimal as possible. A larger weld depth allows gaps at the interfaces between the two components that are plugged together or that are adjacent to one another to be closed or reduced to a minimum. In addition, compound capillary bores can also have different diameters, which facilitates the alignment and assembly of the two components to be connected to one another.
  • a recess for the converter chamber is provided in the area of the measuring unit facing away from the process.
  • the capillary bore(s) transmitting the first pressure from the measuring unit or the corresponding hydraulic path end/ends directly on the first pressure application surface facing the measuring unit.
  • the converter chamber is connected to the measuring mechanism via a circumferential weld seam between corresponding lateral outer surfaces of the converter chamber and recess.
  • the converter chamber is protected by the housing adapter that surrounds it.
  • a first variant provides a weldable cap made of an insulating material, which covers and protects the pressure measuring cell from the measuring mechanism.
  • the two hydraulic paths to the two pressure application surfaces of the pressure-sensitive element are preferably routed laterally past the converter chamber and through the lateral surface of the converter chamber to the corresponding pressure application surfaces of the pressure measuring cell.
  • the radial welding of the converter chamber and the measuring mechanism takes place via a radially circumferential weld created using the welding beam process Weld preferably at the height of the weldable cap.
  • the weld depth is in turn dimensioned in such a way that the weld seam extends on both sides of the adjoining capillary bores or the hydraulic paths of the measuring mechanism and converter chamber.
  • the weldable cap is missing in the following configurations. Therefore, it is possible to let one of the pressure-transmitting capillary bores end directly on the first pressure-exerting surface facing the measuring unit.
  • one of the two hydraulic paths ends directly on the first pressure application surface facing the measuring unit; the second hydraulic path runs laterally past the pressure measuring cell through the main body of the converter chamber to the second pressure application surface.
  • a second embodiment proposes that the pressure measuring cell is indented into the main body of the converter chamber, with the radial weld seam running below the pressure measuring cell and on either side of the adjacent capillary bores of the second hydraulic path, which runs through the main body of the measuring mechanism and the main body of the converter chamber .
  • the first hydraulic path ends directly on the first pressure application surface facing the measuring unit.
  • the pressure measuring cell has moved out of the main body of the converter chamber in the direction of the process.
  • the first hydraulic path ends on the first pressure application surface facing the measuring unit.
  • the radial weld seam runs at the level of the outer surface of the pressure measuring cell facing away from the process and on both sides of the adjacent capillary bores of the second hydraulic path, which runs through the base body of the measuring mechanism and the base body of the converter chamber.
  • the welding depth of the weld seam is dimensioned so that it extends through the stepped bore or the widening of the adjoining capillary bores of the measuring mechanism and converter chamber.
  • the welding depth can be suitably adjusted via the power of the laser beam, for example, and/or varied via the welding depth if necessary.
  • the pressure measuring cell is either indented into the base body of the converter chamber or it projects beyond the base body. In the last case, it has moved out of the main body. In both cases, the weld seam is level with the front faces of the base body of the converter chamber and measuring mechanism. The stepped bores or the expansions of the adjacent capillary bores of measuring mechanism and converter chamber. A single welding process is sufficient to connect the converter chamber and measuring unit. Again, the radial welding takes place through the adjoining capillary bores. In this configuration, the weld seam is pressure-bearing
  • Fig. 1a the embodiment of a differential pressure sensor shown in Fig. 1, in which the mode of operation of the overload protection is outlined,
  • Fig. 1b an enlarged partial detail from Fig. 1,
  • Fig. 1c a cross-section through the measuring mechanism with an integrated converter chamber at the height of the capillary bore, which leads to the minus side,
  • Fig. 1d a longitudinal section through the measuring mechanism with an integrated converter chamber in the area of the capillary bore, which leads to the minus side,
  • Fig. 2a the embodiment of a differential pressure sensor shown in Fig. 2, in which the mode of operation of the overload protection is outlined,
  • Fig. 2b an enlarged partial detail from Fig. 2
  • Fig. 3a the embodiment of a differential pressure sensor shown in Fig. 3, in which the mode of operation of the overload protection is outlined,
  • Fig. 3b an enlarged partial detail from Fig. 3, 4: a longitudinal section through a fourth embodiment of a differential pressure sensor with a converter chamber connected to the measuring unit,
  • Fig. 4a the embodiment of a differential pressure sensor shown in Fig. 4, in which the mode of operation of the overload protection is outlined,
  • FIG. 4b an enlarged partial detail from FIG. 4.
  • Fig. 1 shows a longitudinal section through a first embodiment of a differential pressure sensor 1 with a converter chamber 3 integrated directly into the end region of the base body 9a of the measuring unit 2 facing away from the process.
  • the differential pressure sensor 1 is used to determine the differential pressure of two pressures p1, p2.
  • the measurement of the differential pressure of two pressures p1, p2 is used, e.g. in a pipeline to determine the flow rate.
  • a further application of a differential pressure measuring sensor 1 is, for example, determining the fill level of a fluid medium located in a tank.
  • a coplanar double membrane system with two double membranes 4a, 4b is provided on or in an end region of the base body 9a of the measuring unit 2 facing the process.
  • the converter chamber 3 is fixed in a recess of the base body 9a of the measuring mechanism 2 in the opposite end region of the measuring mechanism 2 .
  • a differential pressure measuring cell 12 with a pressure-sensitive measuring element 13 is arranged in the converter chamber 3, the pressure-sensitive measuring element 13 having a first pressure-loading surface 13a and a second pressure-loading surface 13b.
  • the measuring unit 2 with the integrated converter chamber 3 forms the process adapter 21.
  • the two double diaphragms 4a, 4b each consist of a process diaphragm 5a, 5b or a separating diaphragm 5a, 5b and an overload diaphragm 6a, 6b arranged behind the separating diaphragm 5a, 5b in the direction of the pressure effect.
  • a first pressure chamber 7a is formed between the first separating membrane 5a and the first overload membrane 6a, and a first additional pressure chamber 8a or overpressure chamber 8a is formed between the first overload membrane 6a and the base body 9a.
  • a second pressure chamber 7b is formed between the second separating membrane 5b and the second overload membrane 6b and a second additional pressure chamber 8b or a second overpressure chamber 8b is formed between the second overload membrane 6b and the base body 9a.
  • the first additional pressure chamber 8a is assigned a first connecting capillary 10a and the second additional pressure chamber 8b is assigned a second connecting capillary 10b.
  • a first auxiliary capillary 11a is assigned to the first pressure chamber 7a.
  • a second auxiliary capillary 11b is assigned to the second pressure chamber 7b.
  • the pressure-transmitting coupling/crossing between the first auxiliary capillary 11a and the second connecting capillary 10b or between the second auxiliary capillary 11b and the first connecting capillary 10a is realized in the measuring unit 2 between the double membranes 4a, 4b and the converter chamber 3.
  • the pressure transmission and the limitation of the overpressure to a level that does not damage or destroy the pressure-sensitive measuring element 13 work in parallel in the solution shown, with pressure-dynamics ensuring that the overpressure PeÜL is limited before it reaches the pressure measuring cell 12 arranged pressure-sensitive measuring element 13 is reached.
  • the overpressure PeÜL is limited via a correspondingly predetermined prestressing of the overload diaphragms 6a, 6b. These are prestressed in such a way that during normal measuring operation they are in full contact with the base body 9 and form-fittingly, in particular in the corresponding bed of the base body 9, and only lift off from the base body 9 when the specified critical limit pressure is exceeded. The integrity of the pressure-sensitive measuring element 13 is ensured up to this limit pressure.
  • the overload diaphragms 6a, 6b are in contact with the base body 9 of the measuring mechanism 2 essentially over their entire surface.
  • the system is largely form-fitting, the overload diaphragms 6a, 6b are correspondingly prestressed.
  • the measured pressure p1, p2 reaches the back of the additional pressure chambers 8a, 8b and parallel to the converter chamber 3 or the pressure-sensitive measuring element 13.
  • the overload diaphragms 6a, 6b and the pressure-sensitive measuring element 13 are hydraulically parallel, so the same pressure acts on both.
  • the differential pressure dp is formed from P1-P2.
  • the pressure-sensitive measuring element 13 deflects depending on the differential pressure. Since the overload membranes 6a, 6b are prestressed, their deflection is prevented up to a specified value. Of course, the preload is also larger than the measuring range of the differential pressure sensor.
  • the pressure-sensitive measuring element 13 receives the pressure information for the plus side via the pressure chamber 7b and the connecting capillaries 11b, 10a. About the pressure chamber 7a and the connecting capillaries 11a, 10b, the pressure information Transfer negative side of the pressure-sensitive measuring element 13. The effect of the parallel paths via the additional pressure chambers 8a, 8b is almost negligible due to the prestressed and approximately form-fitting contact of the overload membranes 6a, 6b on the base body 9a of the measuring unit 2.
  • FIG. 1a shows the embodiment of a differential pressure sensor 1 shown in FIG. 1 in the event of overload or overpressure.
  • an overpressure PeÜL occurs on one side on the right-hand separating membrane 5b. Without the overload protection, the overpressure PeÜL would be transferred to the pressure-sensitive measuring element 13 . Due to the one-sided overload there is a risk that the pressure-sensitive element 13, z. B. a silicon chip is destroyed.
  • the connecting capillaries 10a, 10b like the auxiliary capillaries 11a, 11b, preferably have appropriately adapted capillary geometries, which point in the direction of the pressure-sensitive chip 13 perform the braking function.
  • the connecting and auxiliary capillaries 10a, 10b, 11a, 11b which are usually designed as capillary bores, are in the base body 9a of measuring mechanism 2 and suitably dimensioned in length and diameter in the base body 9b of the converter chamber 3.
  • a dynamic brake 18 is connected upstream of the two pressure-loading surfaces 13a, 13b of the pressure-sensitive measuring element as an alternative or in addition.
  • the dynamic brakes 18 are arranged in the capillary bores, preferably relatively close to the pressure-sensitive measuring element 13.
  • the dynamic brakes 18 delay the transmission of the pressure, in particular an overpressure PeÜL. They protect the pressure-sensitive measuring element 13 from pressure peaks occurring in the process.
  • the dynamic brakes 18 can be sintered metal inserts. If the differential pressure sensor 1 is used in a potentially explosive area, the dynamic brakes 18 are made from a non-conductive material. In this case, the dynamic brakes 18 then fulfill a dual function: delayed transmission of the pressure and explosion protection, which is designed according to the required type of explosion protection.
  • the filling holes 14a, 14b can be seen.
  • the capillary system of the differential pressure sensor 1 is filled with a hydraulic transmission fluid 16 via these filling bores 14a, 14b.
  • the filling bores 14a, 14b run laterally in the measuring mechanism 2. In the configurations shown, the filling bores 14a, 14b run essentially parallel to the base of the process connection 21 or the measuring mechanism 2.
  • the filling bores 14a, 14b are sealed by closure elements 15a, 15b.
  • the end regions of the filling bores 14a, 14b are protected against corrosion in the mounted differential pressure sensor 1 by the housing adapter 22.
  • the capping of the filling bores 14a, 14b to the environment, which is usually required, can be omitted due to the covering by the housing adapter 22.
  • closure elements 15a, 15b are provided as close as possible to the crossing points of the capillaries 10a, 10b, 11a, 11b. Filling elements may also be introduced into the filling bores 14a, 14b for the purpose of minimizing oil.
  • a preferably spherical closure element 15a, 15b is provided as a pressure-tight, gas-tight or at least liquid-tight closure, which is pressed into the respective filling bore 14a, 14b and then caulked.
  • other methods for closing the openings are also available.
  • welding is regarded as critical insofar as negative repercussions on the defined properties of the transmission liquid 16 can occur as a result of the temperature increase.
  • the 1b shows the connection of the converter chamber 3 to the measuring unit 2 in an enlarged view.
  • the converter chamber 3 is located in the end area of the base body 9a of the measuring unit 2 facing away from the process.
  • the two pressure application surfaces 13a, 13b of the pressure-sensitive measuring element 13 of the pressure measuring cell 12 are arranged one behind the other in the longitudinal direction L of the differential pressure measuring sensor 1 . With this arrangement, a plus-minus separation of the first pressurizing surface 13a from the second pressurizing surface 13b can be achieved in a simple manner.
  • the pressure p1 applied to the separating membrane 5a is transmitted hydraulically via the auxiliary capillary 11a and the connecting capillary 10b which is coupled to it to the minus side or to the second pressure application surface 13b.
  • the capillaries 10a, 10b, 11a, 11b and the corresponding connections/couplings run almost completely in the monolithically constructed base body 9a of the measuring unit 2.
  • Four longitudinal bores and two coupling transverse bores are therefore provided in the base body 9a of the measuring unit 2.
  • the cross bores are preferably located in the narrower neck of measuring unit 2.
  • capillary bore 26b runs in the converter chamber 3, which in the case shown consists of a transverse bore and a longitudinal bore.
  • the pressure p1 is transmitted to the second pressure application surface 13b via the capillary bore 26b. Due to the small number of capillary holes, production is considerably simplified. The oil volume required is small or minimized due to the small dimensioning of the longitudinal and transverse bores.
  • the base body 9a of the measuring mechanism 2, designed as a process connection 21 of the differential pressure sensor 1, is connected to the housing adapter 22 via the circumferential welded connection or joint 20 in a pressure-tight and gas-tight manner. In the case of a weld, this is preferably done radially from the side by rotating the welding apparatus and the components to be welded relative to one another.
  • the converter chamber 3 is arranged in a recess of the base body 9a of the measuring mechanism 2 and is fastened there in a pressure-tight and gas-tight manner by means of a circumferential weld seam 19 .
  • the capillary bore 11b, 26b preferably points from the base body 9a of the measuring unit 2 into the base body 9b of the converter chamber 3 and from there to the second Pressure application surface 13b leads, at least in the transition area of measuring mechanism 2 and converter chamber 3, to an enlarged diameter.
  • the capillary bore 26b in the converter chamber 3 is widened to form a stepped bore 19 .
  • no expansion is used. It is also possible to use a chamfer or other configurations already mentioned above, which ensure that the capillary bore is not overwelded during the welding process, but remains open.
  • pressure-permeable elements are built into the capillary bore before and after the joint. These elements are designed in such a way that they absorb and fix in place any accumulations that occur during the joining process, in particular welding beads, which could possibly become detached.
  • dynamic brakes can be considered for this application.
  • the welding takes place by means of a beam welding process, laser welding is preferably used, specifically from the front side of the measuring unit 2 facing away from the process.
  • the welding from above takes place axially via direct access in the lateral edge area of the converter chamber 3 and the adjacent side wall of the recess for receiving the converter chamber 3 in the base body 9a of the measuring unit 2.
  • the welding beam is guided through the stepped capillary bore 26 or the stepped bore 19 .
  • the stepped bore is omitted, or a chamfer is provided in which excess material can be absorbed.
  • the welding depth is designed in such a way that a pressure-tight and gas-tight connection between the converter chamber 3 and the measuring mechanism 2 is ensured.
  • a cross section at the height of the capillary bore/stepped bore 19 and a partial longitudinal section of the measuring mechanism 2 and converter chamber 3 can be seen in FIGS. 1c and 1d.
  • the capillary bore 26b or the stepped bore 19 in the area of the weld seam 17 prevents the capillary bore 26 from being closed by the welding process.
  • the capillary bore 26b or, in the case shown, with stepped bore 19 is designed and/or dimensioned in such a way that the inner diameter of the capillary bore 11b, 26b after the pressure-tight and gas-tight welding is also in the area of the interconnected capillary bores 11b, 26b of measuring mechanism 2 and converter chamber 3 corresponds at least approximately to the inside diameter of the coupled capillary bores 11b, 26. through the Expansion of the capillary bore 26b in measuring unit 2 also creates volume compensation for the minus side.
  • a further filling access for filling the capillary system with hydraulic fluid 16 is available with the access hole 24 , which is subsequently sealed with a closure element 25 .
  • e-beam or laser welding in a vacuum or in a normal atmosphere.
  • the welding beam and here in particular its power - if necessary - can be varied in terms of time and location. It must also be taken into account that a capillary bore with a stepped bore absorbs less hydraulic fluid than a capillary bore that is widened to the stepped bore. It should also be noted that a larger bore diameter in the joining area simplifies positioning and assembly.
  • the differential pressure sensor 1 shown in the following figures Fig. 2, Fig. 3 and Fig. 4 differ from the configuration shown in Fig. 1 by the arrangement of the converter chamber 3. While the converter chamber 3 in the embodiment of Fig. 1 in the measuring unit 2 is integrated, in the further configurations it is attached to the end face of the base body 9a of the measuring unit 2 facing away from the process, so to speak the converter chamber 3 is placed on the measuring unit 2.
  • the pressure measuring cell 12 is sealed in a pressure-tight manner by a cap 27 in the end region (plus side) which faces the measuring unit 2 .
  • the cap 27 serves to protect the pressure measuring cell 12 during the manufacturing process.
  • the converter chamber 3 is protected by the housing adapter 22 from the outside.
  • the welding preferably by means of a laser beam, does not take place here as in the previously described embodiment from above, but from the side.
  • the weld depth is dimensioned such that the weld seam 17 is level with the peripheral surface of the cap 27 and extends through the capillary bores or the stepped bores 19 .
  • the cap 27 can be designed in such a way (ceramic disc coated with metal and weldable) that it ensures electrical insulation of the plus and minus sides in all the configurations of the converter chamber 3 and measuring mechanism shown.
  • the capillary bores 10a, 10b running essentially parallel to the longitudinal axis L of the differential pressure sensor 1 in the base body 9a of the measuring unit 2 continue in the capillary bores 26a, 26b in the base body 9b of the converter chamber 3.
  • the capillary bores 10a, 10b, 26a, 26b are widened. in the In the case shown, the widening preferably takes place via stepped bores 19.
  • the power of the laser beam and the widening of the capillary bores 10a, 10b, 26a, 26b are coordinated in such a way that the inner diameter of the capillary bores 10a, 10b, 26a, 26b is not closed by the welding process .
  • the two entrances 24 to the transverse bores 26a, 26b, which lead to the minus side and to the plus side, are in turn each sealed by a closure element 25.
  • the differential pressure measuring cell 12 is the end face of the base body 9b of the converter chamber 3 facing the measuring unit 2 is offset.
  • the welding beam must not melt the filling body 31 that laterally surrounds the pressure measuring cell.
  • Deeper welding into measuring unit 2 avoids notch effects and thus increases the pressure resistance and the degree of utilization of the weld.
  • the gap between filling body 31 and the adjoining components must be dimensioned in such a way that when filling with hydraulic fluid 16 it can first be evacuated in an air-free manner.
  • the positive side of the differential pressure cell 12 is shifted upwards by a predetermined distance with respect to the end face of the base body 9b of the converter chamber 3; the differential pressure cell 12 is thus indented in relation to the end face of the base body 9b in the converter chamber 3 or the base body 9b of the converter chamber 3 projects beyond the differential pressure cell 12 .
  • the plus side of the differential pressure cell 12 is shifted downwards by a predetermined distance, ie in the direction of the process, with respect to the end face of the base body 9b of the converter chamber 3 .
  • the differential pressure measuring cell 12 is preferably located outside of the base body 9b of the converter chamber 3. In both cases, the beam welding takes place radially. In contrast to the previous variant, the weld seam is pressure-bearing in this configuration. Since the pressure measuring cell 12 is below or above the welding beam, it is not damaged by the welding process.
  • insulating cap e.g. metal-coated ceramic

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Druckmessaufnehmer (1) zur Bestimmung des Druckmesswertes (p1) eines Mediums bezüglich eines weiteren Druckwertes (p2) mit einem Messwerk (2) und einer Wandlerkammer (3), wobei an oder in einem dem Prozess zugewandten Endbereich des Grundkörpers (9a) des Messwerks (2) mindestens eine mit dem Medium direkt oder indirekt in Kontakt stehende Trennmembrane (5) vorgesehen ist, wobei die Wandlerkammer (3), die eine Druckmesszelle (12) mit zumindest einem drucksensitiven Messelement (13) mit einer ersten Druckbeaufschlagungsfläche (13a) und einer zweiten Druckbeaufschlagungsfläche (13b) aufweist, sich an den vom Prozess abgewandten Bereich des Messwerks (2) anschließt oder sich in dem vom Prozess abgewandten Bereich des Messwerks (2) befindet, wobei die erste Druckbeaufschlagungsfläche (13a) und die zweite Druckbeaufschlagungsfläche (13b) des drucksensitiven Messelements (13) relativ zur Längsachse (L) der Wandlerkammer (3) bzw. des Druckmessaufnehmers (1) hintereinanderliegend angeordnet sind, wobei der Druck (p1) des Mediums hydraulisch zu der ersten Druckbeaufschlagungsfläche (13a) und der weitere Druck (p2) hydraulisch zu der zweiten Druckbeaufschlagungsfläche (13b) des drucksensitiven Messelements (13) übertragen wird, wobei mindestens eine erste Kapillarbohrung (10a, 10b, 11a, 11b) vorgesehen ist, die von der Trennmembrane (5) über den Grundkörper (9a) des Messwerks (2) zur ersten Druckbeaufschlagungsfläche (13a) des drucksensitiven Messelements (13) geführt ist oder die von der Trennmembrane (5) über den Grundkörper (9) des Messwerks (2) und eine korrespondierende erste Kapillarbohrung (26a) im Grundkörper (9) der Wandlerkammer (3) zur ersten Druckbeaufschlagungsfläche (13a) des drucksensitiven Messelements (13) geführt ist.

Description

Koplanarer Druckmessaufnehmer zur Bestimmung des Druckmesswertes eines Mediums
Die Erfindung betrifft einen koplanaren Differenzdruckmessaufnehmer zur Bestimmung des Druckmesswertes eines Mediums.
In der Automatisierungstechnik werden z. B. Absolutdruck-, Relativdruck- und Differenzdruckmessaufnehmer verwendet. Bei Absolutdruckmessaufnehmern wird ein zu messender Druck absolut, d. h. als ein Druckunterschied gegenüber einem Vakuum erfasst. Mit einem Relativdruckmessaufnehmer wird ein zu messender Druck in Form eines Druckunterschiedes gegenüber einem Referenzdruck bestimmt. Bei den meisten Anwendungen ist dies der Atmosphärendruck am Einsatzort. Es wird also bei Absolutdruckmessanordnungen ein zu messender Druck bezogen auf einen festen Bezugsdruck, den Vakuumdruck, und bei Relativdruckmessanordnungen ein zu messender Druck bezogen auf einen variablen Bezugsdruck, z. B. den Umgebungsdruck, erfasst. Eine Differenzdruckmessanordnung erfasst die Differenz zwischen zwei Prozessdrücken. Differenzdruckmessaufnehmer kommen beispielsweise in Tanks zur Füllstandsmessung oder in Rohrleitungen zur Durchflussmessung zum Einsatz.
Aus der DE 3 222 620 A1 ist ein Druckdifferenzmessgerät bekannt geworden, das eine vor Überlastung geschützte Druckmessaufnehmereinrichtung aufweist. Das Messgerät hat einen zentralen Aufnahmekörper, der an zwei gegenüberliegenden Seiten zwischen einem Membranbett und einer Trennmembrane 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 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 vorzuschlagen, der sich durch einen einfachen Aufbau auszeichnet.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen koplanaren Druckmessaufnehmer zur Bestimmung des Differenzdrucks von zwei Drücken mit einem Messwerk und einer Wandlerkammer, wobei an oder in einem dem Prozess zugewandten Endbereich des Grundkörpers des Messwerks zwei mit dem Medium direkt oder indirekt in Kontakt stehende Trennmembranen vorgesehen sind, wobei die Wandlerkammer, die eine Druckmesszelle mit zumindest einem drucksensitiven Messelement mit einer ersten Druckbeaufschlagungsfläche und einer zweiten Druckbeaufschlagungsfläche aufweist, sich in einem vom Prozess abgewandten Bereich des Messwerks befindet, wobei die erste Druckbeaufschlagungsfläche und die zweite Druckbeaufschlagungsfläche des drucksensitiven Messelements relativ zur Längsachse des Druckmessaufnehmers hintereinanderliegend angeordnet sind, wobei der erste Druck über einen hydraulischen Pfad zu der ersten Druckbeaufschlagungsfläche und der zweite Druck über einen zweiten hydraulischen Pfad zu der zweiten Druckbeaufschlagungsfläche des drucksensitiven Messelements übertragen wird, wobei eine Außenfläche der Wandlerkammer druck- und gasdicht mit einer korrespondierenden Fläche des Messwerks über eine umlaufende Schweißnaht verbunden ist, wobei der Schweißstrahl zum Verbinden von Wandlerkammer und Messwerk im Wesentlichen quer durch zumindest einen der beiden hydraulischen Pfade (26a, 26b) geführt wird, so dass sich die Schweißnaht zu beiden Seiten des zumindest einen hydraulischen Pfades erstreckt.
Die sehr einfache Konstruktion sieht vor, dass der Grundkörper des Messwerks einteilig, also monolithisch ist. Weiterhin ist vorgesehen, dass der Grundkörper des Messwerks weitgehend - auch was den Verlauf der Kapillarbohrungen betrifft - einen vollsymmetrischen Aufbau aufweist. Insbesondere trifft dies zu auf den nachfolgend und in der Figurenbeschreibung detailliert dargestellten koplanaren Differenzdruckmessaufnehmer mit Überlastschutz zu. Hier verlaufen die Kapillarbohrungen in dem vollsymmetrischen Grundkörper des Messwerks bis zu den Kreuzungen/Verbindungen der Kapillarbohrungen ebenfalls vollsymmetrisch. Vollsymmetrisch heißt hierbei, dass der Grundkörper des Messwerks mit den Kapillarbohrungen bezüglich einer mittig und senkrecht zwischen den beiden koplanaren Doppelmembranen verlaufenden Ebene symmetrisch ausgestaltet ist.
Der koplanare Differenzdruckmessaufnehmer - bevorzugt mit Schutz gegen einen einseitig auftretenden Überdruck - dient zur Bestimmung des Differenzdrucks von zwei Drücken. Hierzu sind an einem dem Prozess zugewandten Endbereich des Messwerks ein koplanares Doppelmembransystem mit zwei Doppelmembranen vorgesehen. In der Wandlerkammer ist die Differenzdruckmesszelle mit dem drucksensitiven Messelement, üblicherweise einem Silizium-Chip, angeordnet. Die beiden Doppelmembranen bestehen jeweils aus einer Trennmembrane und einer in Richtung der Druckwirkung hinter der Trennmembrane angeordneten Überlastmembrane, wobei zwischen der ersten Trennmembrane und der ersten Überlastmembrane eine erste Druckkammer und zwischen der ersten Überlastmembrane und dem Grundkörper eine erste Zusatzdruckkammer ausgebildet ist. Zwischen der zweiten Trennmembrane und der zweiten Überlastmembrane ist eine zweite Druckkammer und zwischen der zweiten Überlastmembrane und dem Grundkörper eine zweite Zusatzdruckkammer ausgebildet, wobei der ersten Zusatzdruckkammer bzw. der zweiten Zusatzdruckkammer eine erste Verbindungskapillare bzw. eine zweite Verbindungskapillare zugeordnet ist, wobei die Verbindungskapillaren von dem Messwerk zur Wandlerkammer führen. Der ersten Druckkammer bzw. der zweiten Druckkammer ist eine erste Hilfskapillare bzw. eine zweite Hilfskapillare zugeordnet ist, wobei eine druckübertragende Kopplung zwischen der ersten Hilfskapillare und der zweiten Verbindungskapillare bzw. zwischen der zweiten Hilfskapillare und der ersten Verbindungskapillare in dem Messwerk oder in der Wandlerkammer angeordnet ist. Die beiden Drücke werden über die entsprechenden Hilfs- und Verbindungskapillaren - gegen Überdruck geschützt - hydraulisch zu der ersten Druckbeaufschlagungsfläche und der zweiten Druckbeaufschlagungsfläche der Differenzdruckmesszelle übertragen.
Die Vorteile dieses Differenzdruckmessaufnehmers sind die folgenden: Der Grundkörper des Messwerks ist einteilig ausgestaltet. Das Messwerk hat einen relativ einfachen und in weiten Teilen symmetrischen Aufbau.
Die Kreuzung der Hilfskapillaren mit den Verbindungskapillaren erfolgt bevorzugt im Messwerk, also sehr nahe am Messort des Drucks.
Ein einseitig auftretender Überdruck auf der Hochdruckseite wird auf die Rückseite der Überlastmembrane/Zusatzmembrane der Niederdruckseite und parallel über die Verbindungsleitungen zur Wandlerkammer geleitet. Wandlerkammer und Überlastmembrane liegen druckdynamisch parallel.
Die Länge der Verbindungskapillaren ist größer als die Länge der Hilfskapillaren und der Teilstücke der Verbindungskapillaren des Überlastschutzes, was eine schnelle Reaktionszeit des Überlastschutzes sicherstellt.
Aufgrund der geringen Kapillarlängen ist der Ölverbrauch gering. Kosteneinsparung beim Messwerk, insbesondere durch Materialeinsparung (kleine Dimensionen) und infolge einer vereinfachten Fertigung und Bearbeitung, da die Anzahl der Kapillaren gering ist; die Kapillaren können z.B. kostengünstig durch Bohren oder Erodieren hergestellt werden;
Die Befüllung des hydraulischen Systems erfolgt bevorzugt über Befüllungsbohrungen im Messwerk.
Der Ölbedarf in dem Kapillarsystem ist infolge der geringen Größe der Trennmembranen und der im normalen Messbetrieb ungefüllten Zusatzdruckkammern gering.
Die Trennung der hydraulischen Pfade zur Hochdruckseite (Plusseite) und zur Niederdruckseite (Minusseite) erfolgt über eine umlaufende und durch zumindest eine Kapillarbohrung /Stufen boh rung hindurchgehende Schweißnaht.
Aufgrund des reduzierten Ölvolumens ist der Messfehler, der durch den Temperaturgradienten bedingt ist, entsprechend geringer. Weiterhin sind infolge des geringeren Ölbedarfs auch kleinere Trennmembranen und Überlastmembranen möglich, was für die Realisierung eines koplanaren Sensors wichtig und vorteilhaft ist. Kleine Membranen wiederum sind für einen effektiven Überlastschutz bestens geeignet, da hierdurch kleine Messbereiche realisiert werden können. Durch kleine Messbereiche wiederum lässt sich die Ansteuerung bzw. die Auslenkung der Membranen gering halten, was einhergeht mit kleineren Messfehlern.
Im Prinzip gibt es zwei Möglichkeiten der Anordnung der Wandlerkammer: Entweder ist die Wandlerkammer in den Grundkörper des Messwerks integriert, oder die Wandlerkammer schließt sich an den vom Prozess abgewandten Bereich des Messwerks an. Bevorzugt ist übrigens der Grundkörper des Messwerks als Prozessanschluss ausgestaltet. Der Prozessanschluss ist mit einem Gehäuseadapter verbunden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Differenzdrucksensors schlägt vor, dass es sich bei den hydraulischen Pfaden im Grundkörper des Messwerks und der Wandlerkammer um Kapillarbohrungen handelt, wobei korrespondierende Kapillarbohrungen im Bereich ihrer aufeinandertreffenden Grenzflächen von Grundkörper des Messwerks und Wandlerkammer zu Stufenbohrungen bzw. zu vergrößerten Bohrungen erweitert sind. Bevorzugt sind die Kapillarbohrungen oder die Stufenbohrungen oder die aufgeweiteten Kapillarbohrungen so ausgestaltet und/oder dimensioniert sind, dass die Innendurchmesser der Kapillarbohrungen nach einem druck- und gasdichten Strahlverschweißen von Messwerk und Wandlerkammer auch im Bereich der miteinander verbundenen Kapillarbohrungen zumindest näherungsweise dem Innendurchmesser der Kapillarbohrungen von Messwerk und Wandlerkammer entsprechen. Durch die Aufweitung der Kapillarbohrungen, z.B. zu Stufenbohrungen, im Bereich der angrenzenden Kapillarbohrungen wird das Verbinden / Verschweißen der aneinanderstoßenden Kapillarbohrungen erleichtert.
Als bevorzugte Verbindungstechnik wird das Strahlschweißen, insbesondere ein Laseroder auch ein Elektronenstrahlschweißen - je nach Ausgestaltung radial von außen oder axial von oben - angesehen. Die Verbindung von Messwerk und Wandlerkammer und damit auch die Verbindung der im Grundkörper des Messwerks verlaufenden Kapillarbohrung(en) und ggf. der korrespondierenden im Grundkörper der Wandlerkammer verlaufenden Kapillarbohrung(en) ist beispielsweise über eine auf der Höhe der aneinandergrenzenden Stufenbohrungen umlaufende Schweißnaht realisiert. Infolge des Strahlschweißprozesses durch die zu verbindenden Kapillarbohrungen hindurch - ohne die Kapillarbohrung selbst zu verschließen-, wird eine gas- und druckdichte Trennung der beiden hydraulischen Pfade erreicht.
Zusätzlich oder additiv zu erweiterten Kapillarbohrungen im Fügebereich können Fasen vorgesehen sein, die dazu dienen, überschüssiges Schweißgut aufzunehmen. Hierdurch wird eine Einschnürung der Kapillarbohrung im Fügebereich weitgehend vermieden. Weiterhin ist vorgesehen, die Schweißtiefe bzw. die Durchführungsdicke der Schweißnaht so zu bemessen, dass der Ölraum möglichst minimal ausfällt. Durch eine größere Schweißtiefe lassen sich Spalte an den Grenzflächen der beiden zusammengesteckten oder aneinandergrenzenden Komponenten verschließen bzw. auf ein Minimum begrenzen. Darüber hinaus können zusammengesetzte Kapillarbohrungen auch unterschiedliche Durchmesser aufweisen, wodurch das Ausrichten und die Montage der beiden miteinander zu verbindenden Komponenten erleichtert wird.
Nachfolgend wird eine beispielhafte Ausgestaltung einer in das Messwerk integrierten Wandlerkammer beschrieben. In dem vom Prozess abgewandten Bereich des Messwerks eine Ausnehmung für die Wandlerkammer vorgesehen. Die den ersten Druck vom Messwerk übertragende Kapillarbohrung(en) bzw. der entsprechende hydraulische Pfad enden/endet unmittelbar auf der ersten dem Messwerk zugewandten Druckbeaufschlagungsfläche. Die Wandlerkammer ist über eine umlaufende Schweißnaht zwischen korrespondierenden seitlichen Außenflächen von Wandlerkammer und Ausnehmung mit dem Messwerk verbunden. Mittels eines axial von oben ausgeführten Schweißstrahls erfolgt die Schweißung im Bereich der aneinandergrenzenden Kapillarbohrungen von Messwerk und Wandlerkammer durch die Kapillarbohrung bzw. die Aufweitung der Kapillarbohrung oder die Stufenbohrung hindurch. Die Energie/Leistung des Schweißstrahls ist so bemessen, dass sich die Schweißnaht zu beiden Seiten der Kapillarbohrung bzw. des hydraulischen Pfades erstreckt. Das Strahlschweißen ermöglicht es, durch die Kapillarbohrung hindurchzuschweißen, ohne diese zu verschließen.
Die nachfolgenden Ausgestaltungen wenden sich einer alternativen Anordnung der Wandlerkammer zu. Bei diesen Ausgestaltungen ist die Wandlerkammer an das Messwerk angeschweißt. Die entsprechenden Stirnflächen von Wandlerkammer und Messwerk grenzen aneinander.
Wiederum wird ein Strahlschweißverfahren verwendet. Die Wandlerkammer wird durch den sie umgebenden Gehäuseadapter geschützt.
Eine erste Variante sieht eine verschweißbare Kappe aus einem isolierenden Material vor, die die Druckmesszelle zum Messwerk hin abdeckt und schützt. Bevorzugt sind die beiden hydraulischen Pfade zu den beiden Druckbeaufschlagungsflächen des drucksensitiven Elements seitlich an Wandlerkammer vorbeigeführt und durch die Mantelfläche der Wandlerkammer zu den entsprechenden Druckbeaufschlagungsflächen der Druckmesszelle geführt. Die radiale Verschweißung von Wandlerkammer und Messwerk erfolgt über eine im Schweißstrahlverfahren erzeugte radial umlaufende Schweißnaht bevorzugt auf der Höhe der verschweißbaren Kappe. Die Schweißtiefe ist wiederum so bemessen, dass sich die Schweißnaht zu beiden Seiten der aneinandergrenzenden Kapillarbohrungen bzw. der hydraulischen Pfade von Messwerk und Wandlerkammer erstreckt.
Bei den nachfolgenden Ausgestaltungen fehlt die verschweißbare Kappe. Daher ist es möglich, eine der den Druck übertragenden Kapillarbohrungen unmittelbar auf der ersten dem Messwerk zugewandten Druckbeaufschlagungsfläche enden zu lassen.
Nach einer ersten Ausführungsform endet also einer der beiden hydraulischen Pfade unmittelbar auf der ersten dem Messwerk zugewandten Druckbeaufschlagungsfläche; der zweite hydraulische Pfad ist seitlich an der Druckmesszelle vorbei durch den Grundkörper der Wandlerkammer zur zweiten Druckbeaufschlagungsfläche geführt.
Eine zweite Ausführungsform schlägt vor, dass die Druckmesszelle in den Grundkörper der Wandlerkammer eingerückt ist, wobei die radiale Schweißnaht unterhalb der Druckmesszelle und zu beiden Seiten der aneinandergrenzenden Kapillarbohrungen des zweiten hydraulischen Pfades verläuft, der durch den Grundkörper des Messwerks und den Grundkörper der Wandlerkammer geführt ist. Auch hier endet der erste hydraulische Pfad unmittelbar auf der ersten dem Messwerk zugewandten Druckbeaufschlagungsfläche.
Gemäß einer dritten Ausführungsform ist die Druckmesszelle aus dem Grundkörper der Wandlerkammer in Richtung des Prozesses herausgerückt. Der erste hydraulische Pfad endet auf der ersten dem Messwerk zugewandten Druckbeaufschlagungsfläche. Die radiale Schweißnaht verläuft auf der Höhe der vom Prozess abgewandten Außenfläche der Druckmesszelle und zu beiden Seiten der aneinandergrenzenden Kapillarbohrungen des zweiten hydraulischen Pfades, der durch den Grundkörper des Messwerks und den Grundkörper der Wandlerkammer geführt ist. Die Schweißtiefe der Schweißnaht ist so bemessen, dass sie durch die Stufenbohrung bzw. die Aufweitung der aneinandergrenzenden Kapillarbohrungen von Messwerk und Wandlerkammer hindurchreicht. Die Schweißtiefe lässt sich auch hier über die Leistung des z.B. Laserstrahls geeignet einstellen und/oder bei Bedarf über die Schweißtiefe variieren.
Damit die ungeschützte Druckmesszelle nicht durch die Wärmeentwicklung beim Schweißen beschädigt oder zerstört wird, ist die Druckmesszelle also entweder in den Grundkörper der Wandlerkammer eingerückt oder sie steht über den Grundkörper vor. Im letzten Fall ist sie also aus dem Grundkörper herausgerückt. In beiden Fällen liegt die Schweißnaht auf der Höhe der Stirnflächen der Grundkörper von Wandlerkammer und Messwerk. Hier befinden sich ggf. auch die Stufenbohrungen bzw. der Aufweitungen der aneinandergrenzenden Kapillarbohrungen von Messwerk und Wandlerkammer. Zur Verbindung von Wandlerkammer und Messwerk genügt ein einziger Schweißprozess. Wiederum erfolgt die radiale Verschweißung durch die aneinandergrenzenden Kapillarbohrungen hindurch. Die Schweißnaht ist bei dieser Ausgestaltung drucktragend
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 : einen Längsschnitt durch eine erste Ausgestaltung eines Differenzdruckmessaufnehmers mit in das Messwerk integrierter Wandlerkammer,
Fig. 1a: die in Fig. 1 gezeigte Ausgestaltung eines Differenzdruckmessaufnehmers, bei dem die Arbeitsweise des Überlastschutzes skizziert ist,
Fig. 1 b: ein vergrößerter Teilausschnitt aus Fig. 1 ,
Fig. 1c: einen Querschnitt durch das Messwerk mit integrierter Wandlerkammer auf der Höhe der Kapillarbohrung, die zur Minusseite geführt ist,
Fig. 1d: einen Längsschnitt durch das Messwerk mit integrierter Wandlerkammer im Bereich der Kapillarbohrung, die zur Minusseite geführt ist,
Fig. 2: einen Längsschnitt durch eine zweite Ausgestaltung eines Differenzdruckmessaufnehmers mit einer sich an das Messwerk anschließenden Wandlerkammer,
Fig. 2a: die in Fig. 2 gezeigte Ausgestaltung eines Differenzdruckmessaufnehmers, bei dem die Arbeitsweise des Überlastschutzes skizziert ist,
Fig. 2b: einen vergrößerten Teilausschnitt aus Fig. 2
Fig. 3: einen Längsschnitt durch eine dritten Ausgestaltung eines Differenzdruckmessaufnehmers mit einer sich an das Messwerk anschließenden Wandlerkammer,
Fig. 3a: die in Fig. 3 gezeigte Ausgestaltung eines Differenzdruckmessaufnehmers, bei dem die Arbeitsweise des Überlastschutzes skizziert ist,
Fig. 3b: einen vergrößerten Teilausschnitt aus Fig. 3, Fig. 4: einen Längsschnitt durch eine vierte Ausgestaltung eines Differenzdruckmessaufnehmers mit einer sich an das Messwerk anschließenden Wandlerkammer,
Fig. 4a: die in Fig. 4 gezeigte Ausgestaltung eines Differenzdruckmessaufnehmers, bei dem die Arbeitsweise des Überlastschutzes skizziert ist,
Fig. 4b: einen vergrößerten Teilausschnitt aus Fig. 4 .
Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine erste Ausgestaltung eines Differenzdruckmessaufnehmers 1 mit einer direkt bzw. unmittelbar in den vom Prozess abgewandten Endbereich des Grundkörpers 9a des Messwerks 2 integrierten Wandlerkammer 3. 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 ist beispielsweise die Bestimmung des Füllstandes eines in einem Tank befindlichen fluiden Mediums.
Wesentliche Komponenten des Differenzdruckmessaufnehmers 1 sind das Messwerk 2 und die Wandlerkammer 3. An oder in einem vom Prozess zugewandten Endbereich des Grundkörpers 9a des Messwerks 2 ist ein koplanares Doppelmembransystem mit zwei Doppelmembranen 4a, 4b vorgesehen. Im entgegengesetzten Endbereich des Messwerks 2 ist die Wandlerkammer 3 in einer Ausnehmung des Grundkörpers 9a des Messwerks 2 fixiert. In der Wandlerkammer 3 ist eine Differenzdruckmesszelle 12 mit einem drucksensitiven Messelement 13 angeordnet, wobei das drucksensitive Messelement 13 eine erste Druckbeaufschlagungsfläche 13a und eine zweite Druckbeaufschlagungsfläche 13b aufweist. Das Messwerk 2 mit integrierter Wandlerkammer 3 bildet den Prozessadapter 21.
Die beiden Doppelmembranen 4a, 4b bestehen jeweils aus einer Prozessmembrane 5a, 5b bzw. einer Trennmembrane 5a, 5b und einer in Richtung der Druckwirkung hinter der Trennmembrane 5a, 5b angeordneten Überlastmembrane 6a, 6b. Zwischen der ersten T rennmembrane 5a und der ersten Überlastmembrane 6a ist eine erste Druckkammer 7a und zwischen der ersten Überlastmembrane 6a und dem Grundkörper 9a eine erste Zusatzdruckkammer 8a bzw. Überdruckkammer 8a ausgebildet. Weiterhin ist zwischen der zweiten Trennmembrane 5b und der zweiten Überlastmembrane 6b eine zweite Druckkammer 7b und zwischen der zweiten Überlastmembrane 6b und dem Grundkörper 9a eine zweite Zusatzdruckkammer 8b bzw. eine zweite Überdruckkammer 8b ausgebildet. Der ersten Zusatzdruckkammer 8a ist eine erste Verbindungskapillare 10a und der zweiten Zusatzdruckkammer 8b ist eine zweite Verbindungskapillare 10b zugeordnet. Der ersten Druckkammer 7a ist eine erste Hilfskapillare 11 a zugeordnet. Der zweiten Druckkammer 7b ist eine zweite Hilfskapillare 11 b zugeordnet. Die druckübertragende Kopplung/Kreuzung zwischen der ersten Hilfskapillare 11a und der zweiten Verbindungskapillare 10b bzw. zwischen der zweiten Hilfskapillare 11 b und der ersten Verbindungskapillare 10a ist in dem Messwerk 2 zwischen den Doppelmembranen 4a, 4b und der Wandlerkammer 3 realisiert.
Die Druckübertragung und die Begrenzung des Überdrucks auf ein Maß, durch das das drucksensitive Messelement 13 nicht beschädigt bzw. zerstört wird, arbeiten bei der gezeigten Lösung parallel, wobei druckdynamisch sichergestellt ist, dass der Überdruck PeÜL begrenzt ist, bevor er das in der Druckmesszelle 12 angeordnete drucksensitive Messelement 13 erreicht. Die Begrenzung des Überdrucks PeÜL erfolgt über eine entsprechend vorgegebene Vorspannung der Überlastmembranen 6a, 6b. Diese sind so vorgespannt, dass sie im normalen Messbetrieb vollflächig und formschlüssig an dem Grundkörper 9, insbesondere in dem entsprechenden Bett des Grundkörpers 9, anliegen und sich erst dann von dem Grundkörper 9 abheben, wenn der vorgegebene kritische Grenzdruck überschritten wird. Bis zu diesem Grenzdruck ist eine Unversehrtheit des drucksensitiven Messelements 13 sichergestellt.
Im regulären Messbetrieb liegen - wie bereits erwähnt - die Überlastmembranen 6a, 6b am Grundkörper 9 des Messwerks 2 im Wesentlichen vollflächig an. Die Anlage ist weitgehend formschlüssig, die Überlastmembranen 6a, 6b sind entsprechend vorgespannt. Der Messdruck p1 , p2 gelangt über die Trennmembranen 5a, 5b, die Druckkammern 7a, 7b, die Verbindungskapillaren 10a, 10b und die Hilfskapillaren 11a, 11 b an die Rückseite der Zusatzdruckkammern 8a, 8b und parallel zu der Wandler- Kammer 3 bzw. zu dem drucksensitive Messelement 13.
Die Überlastmembranen 6a, 6b und das drucksensitive Messelement 13 liegen hydraulisch parallel, es wirkt daher an beiden jeweils der gleiche Druck. An den Überlastmembranen 6a, 6b und dem Messelement 13 bildet sich der Differenzdruck dp aus P1-P2. Das drucksensitive Messelement 13 lenkt sich in Abhängigkeit von dem Differenzdruck aus. Da die Überlastmembranen 6a, 6b vorgespannt sind, wird ihre Auslenkung bis zu einem festgelegten Wert zwangsweise verhindert. Natürlich ist die Vorspannung auch größer als der Messbereich des Differenzdruckmessaufnehmers.
Das drucksensitive Messelement 13 erhält über die Druckkammer 7b und die Verbindungskapillaren 11 b, 10a die Druckinformation für die Plusseite. Über die Druckkammer 7a und die Verbindungskapillaren 11a, 10b wird die Druckinformation zur Minusseite des drucksensitiven Messelementes 13 übertragen. Die Wirkung der Parallelpfade über die Zusatzdruckkammern 8a, 8b sind aufgrund der vorgespannten und der näherungsweisen formschlüssigen Auflage der Überlastmembranen 6a, 6b auf dem Grundkörper 9a des Messwerks 2 nahezu vernachlässigbar.
Fig. 1a zeigt die in Fig. 1 dargestellte Ausgestaltung eines Differenzdruckmessaufnehmers 1 im Überlast- bzw. Überdruckfall. Im dargestellten Fall tritt einseitig an der rechten Trennmembrane 5b ein Überdruck PeÜL auf. Ohne den Überlastschutz würde der Überdruck PeÜL auf das drucksensitive Messelement 13 übertragen. Durch die einseitige Überlast bestände die Gefahr, dass das drucksensitive Element 13, z. B. ein Siliziumchip, zerstört wird.
Diese Gefahr wird gebannt durch den Bypass aus den Hilfskapillaren 11 a, 11 b, die sich im Messwerk 2 (möglich ist auch eine Kreuzung in der Wandlerkammer 3) mit den Verbindungskapillaren 10a, 10b kreuzen und den Druck oder einen auftretenden Überdruck auf die Rückseite der Überlastmembranen 6a, 6b leiten. Den Weg, den der Überdruck PeÜL durch das Kapillarsystem nimmt, ist in Fig. 1 b durch Pfeile symbolisiert: Der Überdruck PeÜL wird über die Hilfskapillare 11 b hydraulisch zu der Verbindungskapillaren 10a und von dort auf die Rückseite der Überlastmembrane 6a der ersten Doppelmembrane 4a übertragen.
Tritt ein Überdruck PeÜL an der rechten Trennmembrane 5b auf, so wird der Überdruck PeÜL über die Druckkammer 7b auf die Überlastmembrane 6b übertragen. Da diese bereits weitgehend am Grundkörper 9a anliegt, gelangt der Druck nicht über die Verbindungskapillare 10b zum drucksensitiven Messelement 13. Der Überdruck PeÜL wird über die Druckkammer 7b, die Hilfskapillare 11 b, die Verbindungskapillare 10a, die Zusatzdruckkammer 8a und die Überlastmembrane 6a zur Druckkammer 7a geleitet. Überlastmembrane 6a und Trennmembrane 5a werden ausgelenkt und die Zusatzdruckkammer 8a und die Druckkammer 7a nehmen die von der Hochdruckseite 4b verschobene Übertragungsflüssigkeit 16 auf, bis die Trennmembrane 5b auf der Überdruckmembrane 6b anliegt. Ein weiterer Druckanstieg ist dann nicht mehr möglich. Parallel liegt der Druck, der immer unterhalb des kritischen Grenzwertes liegt, auch an der Plusseite des drucksensitiven Messelements 13 an.
Um eine noch größere Sicherheit zu haben, dass der Überdruck begrenzt wird, bevor er den sensitiven Bereich des Druckchips erreicht, haben die Verbindungskapillaren 10a, 10b ebenso wie die Hilfskapillaren 11a, 11 b bevorzugt entsprechend angepasste Kapillargeometrien, die in Richtung des druckempfindlichen Chips 13 eine Bremsfunktion erfüllen. Insbesondere sind die üblicherweise als Kapillarbohrungen ausgeführten Verbindungs- und Hilfskapillaren 10a, 10b, 11a, 11 b im Grundkörper 9a von Messwerk 2 und im Grundkörper 9b von der Wandlerkammer 3 geeignet in Länge und Durchmesser dimensioniert. Im dargestellten Fall ist den beiden Druckbeaufschlagungsflächen 13a, 13b des drucksensitiven Messelements alternativ oder zusätzlich jeweils eine Dynamikbremse 18 vorgeschaltet. Die Dynamikbremsen 18 sind in den Kapillarbohrungen angeordnet, bevorzugt relativ nahe an dem drucksensitiven Messelement 13. Die Dynamikbremsen 18 verzögern die Weiterleitung des Drucks, insbesondere eines Überdrucks PeÜL. Sie schützen das drucksensitive Messelement 13 vor im Prozess auftretenden Druckspitzen.
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 ausgestaltet ist.
Weiterhin sind die Befüllungsbohrungen 14a, 14b zu sehen. Über diese Befüllungsbohrungen 14a, 14b wird das Kapillarsystem des Differenzdruckmesssaufnehmers 1 mit einer hydraulischen Übertragungsflüssigkeit 16 befüllt. Die Befüllungsbohrungen 14a, 14b verlaufen seitlich im Messwerk 2. In den gezeigten Ausgestaltungen verlaufen die Befüllungsbohrungen 14a, 14b im Wesentlichen parallel zur Grundfläche des Prozessanschlusses 21 bzw. des Messwerks 2. Die Befüllungsbohrungen 14a, 14b sind durch Verschlusselemente 15a, 15b abgedichtet. Die Endbereiche der Befüllungsbohrungen 14a, 14b sind im montierten Differenzdruckmessaufnehmer 1 durch den Gehäuseadapter 22 korrosionsgeschützt. Das üblicherweise erforderliche Verkappen der Befüllungsbohrungen 14a, 14b zur Umwelt hin kann aufgrund der Abdeckung durch den Gehäuseadapter 22 entfallen.
Um den Bedarf an Hydraulikflüssigkeit gering zu halten, sind die Verschlusselemente 15a, 15b möglichst nahe an den Kreuzungspunkten der Kapillaren 10a, 10b, 11a, 11 b vorgesehen. Eventuell werden auch zwecks Ölminimierung noch Füllelemente in die Befüllungsbohrungen 14a, 14b eingebracht. Als druckdichter, gas- oder zumindest flüssigkeitsdichter Verschluss ist jeweils ein bevorzugt kugelförmiges Verschlusselement 15a, 15b vorgesehen, das in die jeweilige Befüllungsbohrung 14a, 14b gedrückt und anschließend verstemmt wird. Prinzipiell stehen auch andere Verfahren 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. Fig. 1 b zeigt in vergrößerter Ansicht die Anbindung der Wandlerkammer 3 an das Messwerk 2. Im vom Prozess abgewandten Endbereich des Grundkörpers 9a des Messwerks 2 befindet sich die Wandlerkammer 3. Sie ist in eine entsprechende Ausnehmung möglichst passgenau eingefügt. Die beiden Druckbeaufschlagungsflächen 13a, 13b des drucksensitiven Messelements 13 der Druckmesszelle 12 sind in Längsrichtung L des Differenzdruckmessaufnehmers 1 hintereinander angeordnet. Durch diese Anordnung lässt sich auf eine einfache Art und Weise eine Plus-Minus-T rennung der ersten Druckbeaufschlagungsfläche 13a von der zweiten Druckbeaufschlagungsfläche 13b erreichen.
Der an der Trennmembrane 5a anliegende Druck p1 wird über die Hilfskapillare 11a und die mit ihr koppelnde Verbindungskapillare 10b hydraulisch zur Minusseite bzw. zur zweiten Druckbeaufschlagungsfläche 13b übertragen. Der an der zweiten
T rennmembrane 5b anliegende Druck p2 wird über die Hilfskapillare 11 b und die Kopplung zur Verbindungskapillare 10a unmittelbar durch eine Öffnung in der Stirnseite der Wandlerkammer 3 zur Plusseite bzw. zur ersten Druckbeaufschlagungsfläche 13a des drucksensitiven Messelements 13 übertragen. Die Kapillaren 10a, 10b, 11 a, 11 b und die entsprechenden Verbindungen / Kopplungen verlaufen nahezu vollständig im monolithisch aufgebauten Grundkörper 9a des Messwerks 2. Somit sind in dem Grundkörper 9a des Messwerks 2 vier Längsbohrungen und zwei koppelnde Querbohrungen vorgesehen. Die Querbohrungen befinden sich bevorzugt im schmäler dimensionierten Hals des Messwerks 2.
In der Wandlerkammer 3 verläuft lediglich eine Kapillarbohrung 26b, die im gezeigten Fall aus einer Querbohrung und einer Längsbohrung besteht. Über die Kapillarbohrung 26b wird der Druck p1 zur zweiten Druckbeaufschlagungsfläche 13b übertragen. Durch die geringe Anzahl an Kapillarbohrungen wird die Fertigung erheblich vereinfacht. Das benötigte Ölvolumen ist aufgrund der geringen Dimensionierung der Längs- und Querbohrungen gering bzw. minimiert.
Der als Prozessanschluss 21 des Differenzdruckmessaufnehmers 1 ausgestaltete Grundkörper 9a des Messwerks 2 ist mit dem Gehäuseadapter 22 über die umlaufende Schweißverbindung bzw. Fügung 20 druck- und gasdicht verbunden. Im Falle einer Schweißung erfolgt diese bevorzugt radial von der Seite her, indem die Schweißapparatur und die zu schweißenden Komponenten relativ zueinander gedreht werden.
Die Wandlerkammer 3 ist in einer Ausnehmung des Grundkörpers 9a des Messwerks 2 angeordnet und dort mittels einer umlaufenden Schweißnaht 19 druck- und gasdicht befestigt. Bevorzugt weist die Kapillarbohrung 11 b, 26b, die vom Grundkörper 9a des Messwerks 2 in den Grundkörper 9b der Wandlerkammer 3 und von dort zur zweiten Druckbeaufschlagungsfläche 13b führt, zumindest im Übergangsbereich von Messwerk 2 und Wandlerkammer 3 einen vergrößerten Durchmesser auf. Im gezeigten Fall ist die Kapillarbohrung 26b in der Wandlerkammer 3 zu einer Stufenbohrung 19 aufgeweitet. Alternativ wird keine Aufweitung verwendet. Möglich ist auch die Verwendung einer Fase, oder anderweitiger bereits zuvor genannter Ausgestaltungen, die sicherstellen, dass die Kapillarbohrung während des Schweißprozesses nicht zu geschweißt wird, sondern offen bleibt.
Auch kann bei allen Schweißungen, bei denen der Schweißstrahl durch die Kapillarbohrung hindurchgeführt wird, vorgesehen sein, dass druckdurchlässige Elemente vor und nach der Fügestelle in die Kapillarbohrung eingebaut werden. Diese Elemente sind so ausgestaltet, dass sie beim Fügeprozess entstandene Aufwerfungen, insbesondere Schweißperlen, welche sich ggf. ablösen könnten, aufnehmen und örtlich fixieren. Beispielsweise kommen Dynamikbremsen für diese Anwendung in Frage.
Die Verschweißung erfolgt mittels eines Strahlschweißprozesses, bevorzugt wird Laserschweißen eingesetzt, und zwar von der vom Prozess abgewandten Stirnseite des Messwerks 2 her. Die Schweißung von oben erfolgt axial über einen direkten Zugang im seitlichen Randbereich von Wandlerkammer 3 und angrenzender Seitenwand der Ausnehmung zur Aufnahme der Wandlerkammer 3 im Grundkörper 9a des Messwerks 2. Der Schweißstrahl wird im gezeigten Fall durch die gestufte Kapillarbohrung 26 bzw. die Stufenbohrung 19 hindurchgeführt. Alternativen sind: die Stufenbohrung entfällt, öder es ist eine Fase vorgesehen, in der überschüssiges Material aufgenommen werden kann. Hat beispielsweise die Kapillarbohrung einen Durchmesser von a = 1 ,3mm, so ist sie im Bereich der Stufenbohrung bzw. der Aufweitung z.B. auf b = 2mm aufgeweitet. Beträgt der Abstand c von der Oberseite der Wandlerkammer 3 beispielsweise ca. 2,0mm ... 2,3 mm, so wird die Energie des Schweißstrahls so bemessen, dass die Schweißtiefe d = 4- 5mm beträgt. Die Schweißtiefe ist so ausgelegt, dass eine druck- und gasdichte Verbindung von Wandlerkammer 3 und Messwerk 2 sichergestellt ist. Ein Querschnitt auf der Höhe der Kapillarbohrung / Stufenbohrung 19 und ein Teil-Längsschnitt von Messwerk 2 und Wandlerkammer 3 sind in den Figuren Fig. 1c und Fig. 1 d zu sehen.
Durch die Erweiterung der Kapillarbohrung 26b bzw. durch die Stufenbohrung 19 wird im Bereich der Schweißnaht 17 vermieden, dass die Kapillarbohrung 26 durch den Schweißprozess verschlossen wird. Insbesondere ist die Kapillarbohrung 26b bzw. im gezeigten Fall mit Stufenbohrung 19 so ausgestaltet und/oder dimensioniert, dass der Innendurchmesser der Kapillarbohrung 11 b, 26b nach dem druck- und gasdichten Schweißen auch im Bereich der miteinander verbundenen Kapillarbohrungen 11 b, 26b von Messwerk 2 und Wandlerkammer 3 zumindest näherungsweise dem Innendurchmesser der gekoppelten Kapillarbohrungen 11 b, 26 entspricht. Durch die Erweiterung der Kapillarbohrung 26b im Messwerk 2 wird auch ein Volumenausgleich für die Minusseite geschaffen. Zudem steht mit der Zugangsbohrung 24, die nachfolgend mit einem Verschlusselement 25 abgedichtet wird, ein weiterer Befüllzugang für die Befüllung des Kapillarsystems mit Hydraulikflüssigkeit 16 zur Verfügung.
Wie bereits zuvor gesagt, ist ein Durchschweißen durchaus auch möglich, ohne dass die Kapillarbohrungen im Fügebereich aufgeweitet werden. Eine Aufweitung vereinfacht allerdings die Fügung.
Generell können in Verbindung mit der Erfindung unterschiedliche Schweißtechnologie zur Anwendung kommen: E-Beam oder Laserschweißen im Vakuum oder in üblicher Atmosphäre. Weiterhin kann der Schweißstrahl, und hier insbesondere seine Leistung - falls nötig - zeitlich und örtlich variiert werden. Zu berücksichtigen ist weiterhin, dass eine Kapillarbohrung mit Stufenbohrung weniger Hydraulikflüssigkeit aufnimmt als eine auf die Stufenbohrung aufgeweitete Kapillarbohrung. Weiterhin ist zu beachten, dass ein größerer Bohrungsdurchmesser im Fügebereich die Positionierung und die Montage vereinfacht.
Die in den nachfolgenden Figuren Fig. 2, Fig. 3 und Fig. 4 gezeigten Differenzdruckmessaufnehmer 1 unterschieden sich von der in Fig. 1 gezeigten Ausgestaltungen durch die Anordnung der Wandlerkammer 3. Während die Wandlerkammer 3 in der Ausgestaltung der Fig. 1 in das Messwerk 2 integriert ist, ist sie in den weiteren Ausgestaltungen an die vom Prozess abgewandte Stirnfläche des Grundkörpers 9a des Messwerks 2 angebaut, quasi ist die Wandlerkammer 3 auf das Messwerk 2 aufgesetzt. Die Druckmesszelle 12 ist in dem Endbereich (Plusseite), der dem Messwerk 2 zugewandt ist, durch eine Kappe 27 druckfest verschlossen. Die Kappe 27 dient dem Schutz der Druckmesszelle 12 während des Fertigungsvorgangs. Zum Außenraum hin ist die Wandlerkammer 3 durch den Gehäuseadapter 22 geschützt. Die Schweißung, bevorzugt mittels Laserstrahl, erfolgt hier nicht wie in der zuvor beschriebenen Ausgestaltung von oben, sondern von der Seite her. Die Schweißtiefe ist so bemessen, dass die Schweißnaht 17 auf der Höhe der Umfangsfläche der Kappe 27 liegt und durch die Kapillarbohrungen bzw. die Stufenbohrungen 19 hindurchreicht. Die Kappe 27 kann so ausgestaltet sein (mit Metall beschichtete und schweißbare Keramikscheibe), dass sie bei allen gezeigten Anordnungen von Wandlerkammer 3 und Messwerk eine elektrische Isolierung von Plus- und Minusseite sicherstellt.
Bei der in Fig. 2 und Fig. 2a gezeigten Lösung setzen sich die im Wesentlichen parallel zur Längsachse L des Differenzdruckmessaufnehmers 1 verlaufenden Kapillarbohrungen 10a, 10b im Grundkörper 9a des Messwerks 2 in den Kapillarbohrungen 26a, 26b im Grundkörper 9b der Wandlerkammer 3 fort. Am Übergang von Messwerk 2 und Wandlerkammer 3 sind die Kapillarbohrungen 10a, 10b, 26a, 26b aufgeweitet. Im gezeigten Fall erfolgt die Aufweitung bevorzugt über Stufenbohrungen 19. Wiederum sind die Leistung des Laserstrahls und die Aufweitung der Kapillarbohrungen 10a, 10b, 26a, 26b so aufeinander abgestimmt, dass der Innendurchmesser der Kapillarbohrungen 10a, 10b, 26a, 26b durch den Schweißvorgang nicht verschlossen wird. Die beiden Zugänge 24 zu den Querbohrungen 26a, 26b, die zur Minusseite und zur Plusseite führen, sind wiederum jeweils durch ein Verschlusselement 25 abgedichtet.
Bei den in den Figuren Fig. 3 und Fig. 4 gezeigten Ausgestaltungen eines Differenzdruckmessaufnehmers 1 entfällt die zuvor beschriebene, die Druckmesszelle 12 schützende Kappe 27. Um eine Schädigung der temperaturempfindlichen Komponenten der Druckmesszelle 12 während des Schweißprozesses zu vermeiden, ist die Differenzdruckmesszelle 12 bezüglich der dem Messwerk 2 zugewandten Stirnfläche des Grundkörpers 9b der Wandlerkammer 3 versetzt angeordnet. Beim Schweißprozess darf der Schweißstrahl den Füllkörper 31 , der die Druckmesszelle seitlich umgibt, nicht aufschmelzen. Generell gilt für den Schweißprozess durch eine Kapillarbohrung hindurch: Das Tieferschweißen in das Messwerk 2 vermeidet Kerbwirkungen und erhöht damit die Druckfestigkeit und den Ausnutzungsgrad der Schweißung. Der Spalt, der zwischen Füllkörper 31 und den angrenzenden Komponenten ist, muss so dimensioniert sein, dass er beim Befüllen mit Hydraulikflüssigkeit 16 zuerst luftfrei evakuiert werden kann.
Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausgestaltung ist die Plusseite der Differenzdruckzelle 12 bezüglich der Stirnfläche des Grundkörpers 9b der Wandlerkammer 3 um eine vorgegebene Strecke nach oben verschoben; die Differenzdruckzelle 12 ist also in Bezug zur Stirnfläche des Grundkörpers 9b in die Wandlerkammer 3 eingerückt bzw. der Grundkörper 9b der Wandlerkammer 3 steht über die Differenzdruckzelle 12 über.
Bei der in Fig. 4 gezeigten Ausgestaltung ist die Plusseite der Differenzdruckzelle 12 bezüglich der Stirnfläche des Grundkörpers 9b der Wandlerkammer 3 um eine vorgegebene Strecke nach unten, also in Richtung des Prozesses, verschoben. Die Differenzdruckmesszelle 12 befindet sich vorzugsweise außerhalb des Grundkörpers 9b der Wandlerkammer 3. In beiden Fällen erfolgt das Strahlschweißen radial. Im Gegensatz zur vorherigen Variante ist die Schweißnaht bei dieser Ausgestaltung drucktragend. Da die Druckmesszelle 12 unterhalb oder oberhalb des Schweißstrahls liegt, wird sie durch den Schweißprozess nicht beschädigt. 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
9a Grundkörper des Messwerks
9b Grundkörper der Wandlerkammer
10a, 10b erste Verbindungskapillare, zweite Verbindungskapillare
11a, 11 b erste Hilfskapillare, zweite Hilfskapillare,
12 Differenzdruckmesszelle
13 drucksensitives Messelement
14a, 14b Befüllungsbohrung
15a, 15b Verschlusselement
16 Übertragungsflüssigkeit
17 Schweißung
18 Dynamikbremse
19 Stufenbohrung
20 Fügung
21 Prozessanschluss
22 Gehäuseadapter
23 Stromdurchführung
24 Zugangsbohrung zu Kapillarbohrung
25 Verschlusselement der Zugangsbohrung
26a, 26b Kapillarbohrung im Grundkörper der Wandlerkammer
27 isolierende Kappe, z.B. metallbeschichtete Keramik
28 Sensorelektronik
29 Ausnehmung im Grundkörper des Messwerks
30 Ausnehmung im Grundkörper des Gehäuseadapters
31 Füllkörper

Claims

Patentansprüche
1 . Koplanarer Druckmessaufnehmer (1) zur Bestimmung des Differenzdrucks von zwei Drücken (p1 , p2) mit einem Messwerk (2) und einer Wandlerkammer (3), wobei an oder in einem dem Prozess zugewandten Endbereich des Grundkörpers (9a) des Messwerks (2) zwei mit dem Medium direkt oder indirekt in Kontakt stehende Trennmembranen (5a, 5b) vorgesehen sind, wobei die Wandlerkammer (3), die eine Druckmesszelle (12) mit zumindest einem drucksensitiven Messelement (13) mit einer ersten Druckbeaufschlagungsfläche (13a) und einer zweiten Druckbeaufschlagungsfläche (13b) aufweist, sich in einem vom Prozess abgewandten Bereich des Messwerks (2) befindet, wobei die erste Druckbeaufschlagungsfläche (13a) und die zweite Druckbeaufschlagungsfläche (13b) des drucksensitiven Messelements (13) relativ zur Längsachse (L) des Druckmessaufnehmers (1) hintereinanderliegend angeordnet sind, wobei der erste Druck (p1) über einen hydraulischen Pfad (26a) zu der ersten Druckbeaufschlagungsfläche (13a) und der zweite Druck (p2) über einen zweiten hydraulischen Pfad (26b) zu der zweiten Druckbeaufschlagungsfläche (13b) des drucksensitiven Messelements (13) übertragen wird, wobei eine Außenfläche der Wandlerkammer (3) druck- und gasdicht mit einer korrespondierenden Fläche des Messwerks über eine umlaufende Schweißnaht verbunden ist, wobei der Schweißstrahl zum Verbinden von Wandlerkammer (3) und Messwerk (2) im Wesentlichen quer durch zumindest einen der beiden hydraulischen Pfade (26a, 26b) geführt wird, so dass sich die Schweißnaht zu beiden Seiten des zumindest einen hydraulischen Pfades (26a, 26b) erstreckt.
2. Druckmessaufnehmer nach Anspruch 1 , wobei die Wandlerkammer (3) in den Grundkörper (9a) des Messwerks (2) integriert ist.
3. Druckmessaufnehmer nach Anspruch 1 , wobei sich die Wandlerkammer (3) an den vom Prozess abgewandten Bereich des Messwerks (2) anschließt.
4. Druckmessaufnehmer nach zumindest einem der Ansprüche 1-3, wobei der Grundkörper (9a) des Messwerks (2) als Prozessanschluss (21) ausgestaltet ist, und wobei Prozessanschluss (21) und Gehäuseadapter (22) miteinander verbunden sind.
5. Druckmessaufnehmer nach zumindest einem der Ansprüche 1-4, wobei es sich bei den hydraulischen Pfaden (26a, 26b) im Grundkörper (9) des Messwerks (2) und der Wandlerkammer (3) um Kapillarbohrungen (10a, 10b, 11a, 11 b) handelt, wobei korrespondierende Kapillarbohrungen im Bereich ihrer aufeinandertreffenden Grenzflächen von Grundkörper (9a) des Messwerks (2) und Wandlerkammer (3) zu Stufenbohrungen (19) bzw. zu vergrößerten Bohrungen erweitert sind.
6. Druckmessaufnehmer nach Anspruch 5, wobei die Kapillarbohrungen oder die Stufenbohrungen (19) oder die aufgeweiteten Kapillarbohrungen (10a, 10b, 11 a, 11 b, 26a, 26b) so ausgestaltet und/oder dimensioniert sind, dass die Innendurchmesser der Kapillarbohrungen (10a, 10b, 11a, 11 b, 26a, 26b) nach einem druck- und gasdichten Strahlverschweißen von Messwerk (2) und Wandlerkammer (3) auch im Bereich der miteinander verbundenen Kapillarbohrungen zumindest näherungsweise dem Innendurchmesser der Kapillarbohrungen von Messwerk (2) und Wandlerkammer (3) entsprechen.
7. Druckmessaufnehmer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1-6, wobei in dem vom Prozess abgewandten Bereich des Messwerks (2) eine Ausnehmung (29) für die Wandlerkammer (3) vorgesehen ist, wobei eine der den Druck (p1 ) vom Messwerk (2) übertragenden Kapillarbohrungen (10a, 10b, 11a, 11 b) unmittelbar auf der ersten dem Messwerk (2) zugewandten Druckbeaufschlagungsfläche (13a) endet, wobei die Wandlerkammer (3) über eine umlaufende Schweißnaht (17) zwischen korrespondierenden seitlichen Außenflächen von Wandlerkammer (3) und Ausnehmung (29) mit dem Messwerk (2) verbunden ist, wobei über einen Strahlschweißprozess axial von oben im Bereich der aneinandergrenzenden Kapillarbohrungen (10a, 10b, 11a, 11 b, 26b) von Messwerk (2) und Wandlerkammer (3) durch die Kapillarbohrung bzw. die Aufweitung der Kapillarbohrung oder die Stufenbohrung hindurchgeweißt ist.
8. Druckmessaufnehmer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1-7, wobei im dem Prozess bzw. dem Messwerk (2) zugewandten Bereich des Gehäuseadapters (22) eine Ausnehmung (30) zur Aufnahme der sich an das Messwerk anschließenden Wandlerkammer (3) vorgesehen ist.
9. Druckmessaufnehmer nach Ansprüche 8, wobei eine verschweißbare Kappe (27) vorgesehen ist, die die erste Druckbeaufschlagungsfläche (13a) des drucksensitiven Messelements (13) der Druckmesszelle (13) zum Messwerk hin abdeckt.
10. Druckmessaufnehmer nach Ansprüche 8 oder 9, wobei die beiden hydraulischen Pfade (26a, 26b) zu den beiden Druckbeaufschlagungsflächen (13a, 13b) des drucksensitiven Elements (13) seitlich an Wandlerkammer (3) vorbeigeführt und in die Wandlerkammer (3) hineingeführt sind, und wobei die Strahlverschweißung der Wandlerkammer (3) mit dem Messwerk (2) über eine radial umlaufende Schweißnaht (17) auf der Höhe der verschweißbaren Kappe (27) erfolgt, wobei die Schweißtiefe so bemessen ist, dass sich die Schweißnaht zu beiden Seiten der aneinandergrenzenden Kapillarbohrungen von Messwerk (2) und Wandlerkammer (3) erstreckt.
11. Druckmessaufnehmer nach Anspruch 2 und/oder 10, wobei ein hydraulischer Pfad unmittelbar auf der ersten dem Messwerk (2) zugewandten Druckbeaufschlagungsfläche (13a) endet und wobei der zweite hydraulische Pfad seitlich an der Druckmesszelle (12) vorbei durch den Grundkörper der Wandlerkammer (3) zur zweiten Druckbeaufschlagungsfläche (13b) geführt ist.
12. Druckmessaufnehmer nach zumindest einem der Ansprüche 11 , wobei die Druckmesszelle (12) in den Grundkörper (9b) der Wandlerkammer (3) eingerückt ist, und wobei die radiale Schweißnaht (17) unterhalb der Druckmesszelle (12) und zu beiden Seiten der aneinandergrenzenden Kapillarbohrungen (10a, 10b, 11a, 11 b, 26b) des zweiten hydraulischen Pfades verläuft, der durch den Grundkörper (9a) des Messwerks (2) und den Grundkörper (9b) der Wandlerkammer (3) geführt ist.
13. Druckmessaufnehmer nach zumindest einem der Ansprüche 11 , wobei die Druckmesszelle (13) aus dem Grundkörper (9b) der Wandlerkammer (3) in Richtung des Prozesses herausgerückt ist, und wobei die radiale Schweißnaht (17) auf der Höhe der vom Prozess abgewandten Außenfläche der Druckmesszelle (12) ) und zu beiden Seiten der aneinandergrenzenden Kapillarbohrungen (10a, 10b, 11a, 11 b, 26b) des zweiten hydraulischen Pfades verläuft, der durch den Grundkörper (9a) des Messwerks (2) und den Grundkörper (9b) der Wandlerkammer (3) geführt ist.
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