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Dokumentenidentifikation DE10031135A1 17.01.2002
Titel Druckmeßvorrichtung
Anmelder VEGA Grieshaber KG, 77709 Wolfach, DE
Erfinder Böhler, Ewald, 77709 Wolfach, DE;
Jörn, Jakob, 77709 Wolfach, DE;
Liehr, Manfred, 77709 Wolfach, DE
Vertreter Patentanwälte Westphal, Mussgnug & Partner, 78048 Villingen-Schwenningen
DE-Anmeldedatum 30.06.2000
DE-Aktenzeichen 10031135
Offenlegungstag 17.01.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 17.01.2002
IPC-Hauptklasse G01L 19/06
IPC-Nebenklasse G01L 19/12   
Zusammenfassung Die vorliegende Erfindung betrifft eine Druckmeßvorrichtung mit einem Drucksensor (1) zur Messung des Druckes von flüssigen oder gasförmigen Medien und mit einem Druckmittler (2), der die Meßmembran (11) des Drucksensors (1) mit einem zu messenden Druck beaufschlagt. Der Drucksensor (1) weist ein Verbindungsteil (12) aus einem keramischen Werkstoff auf, das membranseitig mit der Meßmembran (11) über eine nach außen hin diffusionsdichte Verbindung (14) verbunden ist und das druckmittlerseitig diffusionsdicht mit dem Druckmittler (2) gekoppelt ist. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß über den Drucksensor (1) keinerlei Gase bzw. Wasserdampf in das Druckübertragungsmedium gelangen können. Die Funktionsweise des Druckmeßumformers bleibt über lange Zeit hinweg und insbesondere bei hohen Temperaturen funktionsfähig.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Druckmeßvorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art.

In Fig. 1 ist ein Teilschnitt einer bekannten Druckmeßvorrichtung dargestellt. Derartige Druckmeßvorrichtungen weisen zwischen dem Druckmittlergehäuse 20 des Druckmittlers 2 und dem Grundkörper 10 des Drucksensors 1 stirnseitig eine Elastomerdichtung 3 aufweist. Als Druckübertragungsmedium zwischen Druckmittler 2 und der Meßmembran 11 des Drucksensors 1 ist eine Flüssigkeit, typischerweise Silikonöl oder Hydrauliköl, vorgesehen und die in gut entgastem und nahezu wasserfreien Zustand in den Druckmeßumformer eingefüllt wird.

Problematisch bei solchen Druckmeßvorrichtungen ist jedoch die mit der Zeit zunehmende Undichtigkeit der Elastomerdichtung zwischen Druckmittler und Drucksensor. Insbesondere kommt es bei solchen Druckmeßvorrichtungen mit der Zeit und vor allem bei steigenden Temperaturen zu einer erhöhten Gasdurchlässigkeit der Elastomerdichtung. Diese Undichtigkeit der Elastomerdichtung führt dann zu einem immer größer werdenden Meßfehler. Die Gasdurchlässigkeit der Elastomerdichtung resultiert in einem Gasaustausch mit der Umgebung, der dazu führen kann, daß so viel Gas aus der Umgebung in den Drucksensor eindringen und im Druckübertragungsmedium in Lösung gehen kann, bis der Dampfdruck der in diesem Druckübertragungsmedium gelösten Gase dem Außendruck der Gase vor der Elastomerdichtung entspricht. Tritt das im Druckübertragungsmedium gelöste Gas, beispielsweise bei einer Druckentlastung, wieder aus und füllt damit den Innenraum des Druckmittlers aus, so entsteht ein undefiniert erhöhtes und zeitlich instabiles Drucksignal, welches durch den Drucksensor gemessen wird und welches eine genaue und verlässliche Druckmessung unmöglich macht.

Zusätzlich zu dem Gas kann natürlich auch Wasserdampf - beispielsweise feuchte Luft - durch die Elastomerdichtung in den Druckmeßumformer eindringen. Bei Temperaturen über 100°C ist der Dampfdruck des eingedrungenen Wassers größer als der Atmosphärendruck und führt ebenfalls zu der bereits erwähnten Innendruckerhöhung des Sensors und damit zu Meßfehlern.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Druckmeßvorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, die insbesondere bei höheren Temperaturen eine höhere Dichtigkeit zwischen Druckmittler und Drucksensor aufweist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Druckmeßumformer mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Demgemäß ist eine gattungsgemäße Druckmeßvorrichtung vorgesehen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß der Drucksensor ein Verbindungsteil aus einem keramischen Werkstoff aufweist, das membranseitig mit der Meßmembran über eine zweite diffusionsdichte Verbindung gekoppelt ist und das druckmittlerseitig über eine dritte Verbindung diffusionslicht mit dem Druckmittler gekoppelt ist.

Durch die vorliegende Erfindung wird gewährleistet, daß die Meßmembran sowohl druckmittlerseitig als auch sensorseitig über jeweils eine diffusionslichte Verbindung abgedichtet ist. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß über den Drucksensor keinerlei Gase bzw. Wasserdampf in das Druckübertragungsmedium gelangen können. Dadurch bleibt die Funktionsweise des Druckmeßumformers über lange Zeit hinweg und insbesondere bei hohen Temperaturen funktionsfähig.

Vorzugsweise sind die Verbindungen zwischen Meßmembran und Verbindungsteil bzw. Grundkörper als kreisringförmige Glaslotverbindungen ausgeführt. Diese Glaslotringe weisen den Vorteil auf, daß sie elektrisch isolierend sind, auch bei hohen Temperaturen temperaturbeständig sind und keinerlei Diffusion von Gasen bzw. Wasserstoff von außen nach innen zulassen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist zwischen dem Verbindungsteil und dem Druckmittlergehäuse ein Adapter vorgesehen, der über Flansche und diffusionsdichte Verbindungen mit diesen verbunden ist.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Adapter und das Verbindungsteil einen gleichen oder sehr ähnlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten aufweisen. In einer typischen Ausgestaltung bestehen sowohl der Grundkörper als auch das Verbindungsteil und der Adapter aus einem keramischen Werkstoff, daß heißt sie weisen jeweils einen ähnlichen Temperaturkoeffizienten von etwa 8 × 10-6/K auf.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht der Grundkörper und/oder das Verbindungsteil und/oder der Adapter und/oder die Meßmembran aus einem oxidischen Werkstoff wie z. B. Al2O3-Keramik, SiC-Keramik, Glaskeramik, Quarz oder ZrO2-Keramik.

Der Adapter ist zweckmäßigerweise über einen ringförmigen Flansch mit dem Verbindungsteil des Drucksensors spannungsfrei Hartlotverbunden. Da das Verbindungsteil und der Adapter typischerweise aus einem Material mit einem ähnlichen oder identischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, ist damit eine langzeitstabile und diffusionsdichte Verbindung zwischen eben diesen Teilen gewährleistet. Der Adapter ist auf seiner gegenüberliegenden Stirnseite zum Druckmittlergehäuse mittels Schweißnaht an einen vorstehenden Flansch des aus Edelstahl bestehenden Druckmittlergehäuses angeschweißt. Die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Adapter und dem Druckmittlergehäuse werden hier von der Schweißnaht ausgeglichen. Die ringförmig umlaufende Schweißnaht hat vorzugsweise einen kleineren Durchmesser als der ringförmige Flansch für die Hartlotverbindung. Dadurch können Spannungen zwischen dem Drucksensor und dem Druckmittler bereits durch die Schweißnahtverbindung abgebaut werden können.

Als Druckübertragungsmedium wird typischerweise ein Öl, beispielsweise Hydrauliköl oder Silikonöl, verwendet.

Der Drucksensor ist vorteilhafterweise als kapazitiver Drucksensor oder als DMS-Drucksensor ausgebildet. Dabei bildet die Meßmembran entweder die Schichtelektrode selbst oder eine kreisförmige oder kreisringförmige Schichtelektrode ist auf der Meßmembran aufgebracht worden. Die jeweils andere Schichtelektrode des Meßkondensators ist dann in der Kammer zwischen Meßmembran und Grundkörper angeordnet, wobei als Dielektrikum typischerweise Vakuum oder ein gängiges, durchschlagfestes Gas verwendet wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, der folgenden Beschreibung und den Figuren entnehmbar.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Teilschnitt einer bekannten Druckmeßvorrichtung mit einem Drucksensor und einem Druckmittler;

Fig. 2 einen Teilschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Druckmeßvorrichtung mit einem Drucksensor und einem Druckmittler; und

Fig. 3 einen Teilschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Druckmeßvorrichtung, bei dem zwischen Drucksensor und Druckmittler ein Adapter vorgesehen ist.

In allen Figuren der Zeichnung sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen worden.

Fig. 2 zeigt in einem Teilschnitt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Druckmeßvorrichtung. In Fig. 2 ist mit 1 ein Drucksensor bezeichnet, der über einen Flansch 23 mit einem Druckmittler 2 verbunden ist. Der Drucksensor 1 weist einen Grundkörper 10, eine druckempfindliche Meßmembran 11 sowie ein Verbindungsteil 12 auf. Die Meßmembran 11 ist dabei zwischen dem Grundkörper 10 und dem Verbindungsteil 12 jeweils mittels einer kreisringförmigen, nach außen hin diffusionsdichten Verbindung 13, 14 gekoppelt. Typischerweise ist diese diffusionsdichte Verbindung 13, 14 als Glaslotverbindung ausgebildet. Druckmittlerseitig wird zwischen Meßmembran 11 und Verbindungsteil 12 somit eine Kammer 15 gebildet, die über eine Bohrung 16 im Verbindungsteil 12 mit dem Druckmittler 2 gekoppelt ist. Die Bohrung 16 und die Kammer 15 enthalten ein Druckübertragungsmedium - beispielsweise Silikonöl oder Hydrauliköl -, über das die Meßmembran 11 mit einem zu messenden Druck beaufschlagbar ist. Zwischen der Meßmembran 11 und dem Grundkörper 10 ist eine zweite, typischerweise evakuierte oder gasgefüllte Kammer 17 vorgesehen. Der Drucksensor 1 ist derart ausgelegt, daß der über die Meßmembran 11 einen zu messenden Druck erfaßt und in ein elektrisches Signal umwandelt, welches über elektrische Anschlußstifte 18 aus dem Drucksensor 1 auskoppelbar sind.

Der Druckmittler 2 weist ein Druckmittlergehäuse 20 auf, in das eine Bohrung 21 eingebracht ist. Sensorseitig ist der Druckmittler 2 über einen Flansch 23 an den Drucksensor 1 angekoppelt, wobei der Flansch 23 mittels einer diffusionsdichten Verbindung 24 mit dem Verbindungsteil 12 verbunden ist. Die diffusionsdichte Verbindung 24 kann dabei als Hartlotverbindung oder als Schweißnaht ausgebildet sein. An der gegenüberliegenden Seite ist an dem Druckmittlergehäuse 20 in bekannter Weise großflächig eine druckempfindliche Trennmembran angebracht, über die der Druckmittler 2 einen zu messenden Außendruck erfassen kann. Die Bohrung 21 ist formschlüssig mit der Bohrung 16 verbunden, so daß ein von der Trennmembran 22 erfaßter Druck über das Druckübertragungsmedium in den Bohrungen 16, 21 und der Kammer 15 auf die Meßmembran 11 beaufschlagbar ist.

Fig. 3 zeigt in einem Teilschnitt eine zweite, gegenüber der Druckmeßvorrichtung entsprechend Fig. 2 weiterentwickelten Druckmeßvorrichtung. In Fig. 3 ist zwischen dem Drucksensor 1 und dem Druckmittler 2 ein Adapter 4 vorgesehen. Der Adapter 4 ist hier über einen ersten Flansch 41 und einer ersten diffusionsdichten Verbindung 42 mit dem Verbindungsteil 12 des Drucksensors 1 und über einen zweiten Flansch 43 und eine zweite diffusionsdichte Verbindung 44 mit dem Druckmittlergehäuse 20 des Druckmittlers 2 verbunden. Der Adapter 4 weist ebenfalls eine durchgängige Bohrung 45 auf, die formschlüssig mit den Bohrungen 16, 21 verbunden ist.

Nachfolgend werden die bei den in den Fig. 2 und 3 gezeigten Druckmeßvorrichtungen verwendeten Werkstoffe näher bezeichnet:

Der Grundkörper 10 und das Verbindungsteil 12 des Drucksensors 1 sind in den vorliegenden Ausführungsbeispielen aus einem keramischen Werkstoff gebildet, d. h. sie weisen einen Temperaturausdehnungkoeffizienten von etwa 8 × 10-6/K auf. Das Druckmittlergehäuse 20 besteht aus einem korrosionsbeständigem Material, z. B. ebenfalls Keramik oder beispielsweise aus Edelstahl und weist somit einen Temperaturkoeffizienten von etwa 16 × 10-6/K auf.

Der Adapter 4 zwischen dem Drucksensor 1 und Druckmittler 2 besteht im Ausführungsbeispiel in Fig. 3 aus einem metallischen Werkstoff mit einem ähnlichen Temperaturkoeffizienten wie das Verbindungsteil 12.

Es wäre jedoch auch denkbar, daß der Adapter 4 aus einer Eisennickellegierung besteht. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der erste Flansch 41 zwischen dem keramischen Verbindungsteil 12 und dem metallischen Adapter 4 mittels einer ringförmigen Hartlotverbindung, Glaslotverbindung, Diffusionsschweißverbindung oder ähnliche Verbindungen, spannungsfrei verbunden. Auf der anderen Seite des Adapters 4 ist der zweite Flansch 43 zwischen dem Adapter 4 und dem Edelstahl- Druckmittlergehäuse 20 mittels einer ringförmigen Schweißnaht 44 verbunden. Besonders vorteilhaft ist es - wie in Fig. 3 angedeutet - wenn der Durchmesser D1 des ersten Flansches 41 sehr viel größer ist als der Durchmesser D2 des zweiten Flansches 43. Spannungen, die zwischen dem Drucksensor 1 und dem Druckmittler 2 entstehen, können somit bereits durch den ersten Flansch 43 abgebaut werden, was langfristig zu einer verbesserten Dichtigkeit des Druckmeßumformers führt.

Die Meßmembran 11 besteht aus einem gängigen Werkstoff mit ähnlichem Ausdehnungskoeffizienten wie der Grundkörper 10 oder das Verbindungsteil 12, daß heißt die Meßmembran 11 besteht zumindest zum Teil aus einem keramischen Werkstoff. Wie bereits erwähnt, sind in den vorliegenden Ausführungsbeispielen die diffusionsdichten Verbindungen 13, 14 als Glaslotverbindung ausgebildet. Selbstverständlich lassen sich diese Verbindungen auch durch jedes anderes Verbindungsmaterial realisieren, das eine ähnlich akzeptable diffusionsverhindernde Wirkung wie Glas besitzt. Bezugszeichenliste 1 Drucksensor

10 Grundkörper

11 Meßmembran

12 Verbindungsteil

13 diffusionsdichte Verbindung, Glaslotverbindung

14 diffusionsdichte Verbindung, Glaslotverbindung

15 erste Kammer

16 Bohrung

17 zweite Kammer

18 elektrische Anschlußstifte

2 Druckmittler

20 Druckmittlergehäuse

21 Bohrung

22 Trennmembran

23 Flansch

24 diffusionsdichte Verbindung

3 Elastomerdichtung

4 Adapter

41 erster Flansch

42 Hartlotverbindung, Diffusionslotverbindung

43 zweiter Flansch

44 Schweißnaht

45 Bohrung

D1 erster Durchmesser

D2 zweiter Durchmesser


Anspruch[de]
  1. 1. Druckmeßvorrichtung

    mit einem Drucksensor (1) zur Messung des Druckes von flüssigen oder gasförmigen Medien, der einen Grundkörper (10) aufweist, an dessen einen Seite eine Meßmembran (11) angeordnet ist, die mit dem Grundkörper (10) über eine erste diffusionsdichte Verbindung (13) gekoppelt ist,

    mit einem Druckmittler (2), der über ein Druckübertragungsmedium die Meßmembran (11) mit einem zu messenden Druck beaufschlagt,

    dadurch gekennzeichnet,

    daß der Drucksensor (1) ein Verbindungsteil (12) aus einem keramischen Werkstoff aufweist, das membranseitig mit der Meßmembran (11) über eine zweite diffusionsdichte Verbindung (14) gekoppelt ist und das druckmittlerseitig über eine dritte Verbindung (24) diffusionsdicht mit dem Druckmittler (2) gekoppelt ist.
  2. 2. Druckmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und/oder die zweite Verbindung (13, 14) als kreisringförmige Glaslotverbindung ausgebildet ist/sind.
  3. 3. Druckmeßvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Adaptervorrichtung (4) zwischen Druckmittler (2) und Drucksensor (1) angeordnet ist und über diffusionsdichte Verbindungsmittel (41. .44) sowohl mit der druckempfindlichen Seite des Grundkörpers (10) als auch mit dem Druckmittlergehäuse (20) verbunden ist.
  4. 4. Druckmeßvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Adaptervorrichtung (4) einen gleichen oder zumindest ähnlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten wie das Verbindungsteil (12) aufweist.
  5. 5. Druckmeßvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (10) und/oder das Verbindungsteil (12) und/oder die Adaptervorrichtung (4) und/oder die Meßmembran (11) aus einem keramischen Werkstoff besteht/bestehen.
  6. 6. Druckmeßvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (10) und/oder das Verbindungsteil (12) und/oder die Adaptervorrichtung (4) und/oder die Meßmembran (11) zumindest zum Teil aus Al2O3-Keramik, SiC-Keramik, Glaskeramik, Quarz oder ZrO2-Keramik besteht/bestehen.
  7. 7. Druckmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Adaptervorrichtung (4) zumindest zum Teil aus einer Eisennickellegierung besteht.
  8. 8. Druckmeßvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckmittlergehäuse (20) zumindest zum Teil aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere aus Edelstahl, besteht.
  9. 9. Druckmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Adaptervorrichtung (4) über einen ersten ringförmigen Flansch (41) und eine ringförmig den ersten Flansch (41) umumlaufende Hartlotverbindung (42) oder Diffusionslotverbindung mit dem Verbindungsteil (12) gekoppelt ist.
  10. 10. Druckmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Adaptervorrichtung (4) über einen zweiten ringförmigen Flansch (43) und einer ringförmig den zweiten Flansch (43) umlaufenden Schweißnaht (44) mit dem Druckmittlergehäuse (20) verbunden ist.
  11. 11. Druckmeßvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser (D1) der Hartlotverbindung (42) bzw. Diffusionslotverbindung größer ist als der Durchmesser (D2) der ringförmigen Schweißnaht (44).
  12. 12. Druckmeßvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Druckübertragungsmedium ein Öl, insbesondere Hydrauliköl oder Silikonöl, vorgesehen ist.
  13. 13. Druckmeßvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Drucksensor (1) als kapazitiver Drucksensor ausgebildet ist, bei dem die Meßmembran (11) eine Schichtelektrode des Meßkondensators bildet oder auf der Meßmembran (11) eine kreisförmige oder kreisringförmige Schichtelektrode angeordnet ist.






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