DE4244257A1

DE4244257A1 - Pressure and difference pressure measuring transducer

Info

Publication number: DE4244257A1
Application number: DE19924244257
Authority: DE
Inventors: Ralf Nuernberger; Roland Dr Werthschuetzky; Friedrich Dr Schwabe
Original assignee: GRW DRUCKMESTECHNIK TELTOW GMB
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 1992-12-22
Filing date: 1992-12-22
Publication date: 1994-06-23

Abstract

The transducer has respective sensor elements (2,3) for the static pressure and the difference pressure associated with a pair of separation membranes enclosing a fluid-filled measuring mechanism. The difference pressure sensor has an associated overload protection, both sensors lying vertically one above the other.Pref. the pressure reception cell is defined by two housing plates (5,6), each sealed by a separation membrane (7,8), with an intermediate overload membrane (13) lying between two partial chambers (14,15). The sensor elements are attached to a carrier (1) moulded to the pressure reception cell.

Description

Die Erfindung betrifft einen Druck-/Differenzdruckmeßumformer zur gleichzeitigen Messung der Prozeßgrößen Druck und Differenzdruck.The invention relates to a pressure / differential pressure transmitter for simultaneous measurement of the process variables pressure and differential pressure.

Derartige Meßumformer finden breite Anwendung in der MSR-Technik zur Realisierung von Durchflußmessungen von Flüssigkeiten, Gasen und Dampf bei gleichzeitiger Erfassung der Einflußgröße statischer Druck zur Berechnung des Durchflusses nach dem Wirkdruckverfahren. Des weiteren zur Durchführung von Differenzdruckmessungen bei gleichzeitiger Erfassung des statischen Druckes, um anhand geeigneter Mittel (z. B. interner Mikrorechner) eine Minimierung des statischen Druckfehlers herbeizuführen.Such transmitters are widely used in the measurement and control technology to implement Flow measurements of liquids, gases and steam while simultaneously recording the Influencing variable static pressure for calculating the flow according to the differential pressure method. Furthermore for performing differential pressure measurements with simultaneous detection the static pressure in order to use suitable means (e.g. internal microcomputer) to minimize the static printing error.

Ein bekannter Meßumformer der o. g. Art ist in dem Europäischen Patent 83 496 beschrieben. Bei diesem wird zur Erfassung des statischen Druckes eine zweite Meßbrücke auf dem festen Rand des Siliziummeßelements angeordnet.A known transmitter of the above. Art is described in European Patent 83 496. In this case, a second measuring bridge on the fixed one is used to record the static pressure Edge of the silicon measuring element arranged.

Diese Lösung, die zwar die Erfassung beider o. g. Größen mit einem einzigen Meßelement bewerkstelligt, besitzt den Nachteil, einer sehr ungenauen Erfassung des statischen Druckes. Dies beruht ursächlich auf der geringen Empfindlichkeit der statischen Druckmessung von <0,1%/10 MPa, so daß eine genaue Korrektur des statischen Druckeinflusses für gehobene Ansprüche kaum realisierbar ist.This solution, which includes both of the above. Sizes accomplished with a single measuring element, has the disadvantage of very inaccurate detection of the static pressure. This is based on the low sensitivity of the static pressure measurement of <0.1% / 10 MPa, so that an accurate correction of the static pressure influence for high Claims can hardly be realized.

Eine weitere bekannte Lösung, die o. g. Nachteil nicht aufweist, ist in dem USA Patent 4 909 083 beschrieben. Diese verwendet eine hermetisch verschweißte Meßzelle, die auf beiden Stirnseiten mit je einer Trennmembran zur Druckübertragung auf die im Inneren der Meßzelle befindliche Übertragungsflüssigkeit, abgeschlossen ist. Im Inneren der Meßzelle befindet sich eine Überlastmembran zum Schutz des Differenzdruckelements, sowie je ein Siliziummeßelement zur Erfassung der Meßgrößen Differenzdruck und Druck. Beide Meßelemente sind als Siliziumsensoren vom Membrantyp ausgeführt und besitzen somit eine hohe Empfindlichkeit. Die Meßelemente sind in der Mittelplatte der Meßzelle spannungsarm außermittig nebeneinander befestigt, wobei zwischen ihnen die Stromdurchführung zentral angeordnet ist. Bedingt durch die horizontale bzw. nebeneinanderliegende Anordnung beider Sensoren und der Stromdurchführung macht sich ein erhöhter Raumbedarf erforderlich, der in nachteiliger Weise den Durchmesser der Meßzelle vergrößert. Die genannte Anordnung der Meßelemente in unnmittelbarer Nähe der Trennmembranen und damit am Meßmedium führt zu unerwünschten Dynamik- und Überlastproblemen. Another known solution, the above. The US Pat. No. 4,909,083 has no disadvantage described. This uses a hermetically welded measuring cell on both End faces each with a separating membrane for pressure transfer to the inside of the measuring cell located transmission liquid is completed. Is located inside the measuring cell an overload membrane to protect the differential pressure element, as well as a silicon measuring element Acquisition of the measurands differential pressure and pressure. Both measuring elements are as Silicon sensors made of membrane type and therefore have a high sensitivity. The measuring elements are low-tension off-center in the middle plate of the measuring cell attached next to each other, with the current feedthrough being arranged centrally between them. Due to the horizontal or adjacent arrangement of both sensors and the Power supply requires an increased amount of space, which is disadvantageous increases the diameter of the measuring cell. The aforementioned arrangement of the measuring elements in immediate proximity of the separation membranes and thus to the measuring medium leads to undesirable Dynamic and overload problems.

Demzufolge ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine solche Anordnung der Sensorelemente zu schaffen, die gegenüber einer Ausführung mit nur einem Sensorelement ein Minimum an konstruktiven Veränderungen erfordert, die Baugröße des Meßumformers nicht vergrößert und eine Anordnung der Sensorelemente erlaubt, die vorteilhaft in Bezug auf Dynamik- und Überlastprobleme wirkt.Accordingly, it is an object of the present invention to provide such an arrangement To create sensor elements that are compared to a version with only one sensor element Minimum design changes are required, but the size of the transmitter is not enlarged and an arrangement of the sensor elements allowed, which is advantageous in terms of Dynamics and overload problems work.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in den Patentansprüchen beschriebenen Merkmale gelöst.This object is achieved by those described in the claims Features resolved.

Durch die vertikale, übereinanderliegende Anordnung der beiden Sensorelemente zur Erfassung des statischen Druckes sowie des Differenzdruckes führt die zusätzliche Aufnahme des Sensorelements für den statischen Druck im wesentlichen zu keiner baulichen Veränderung bzw. Vergrößerung des Meßwerkes. Die bewährte modulare Bauweise des Δp-Meßumformers bleibt in vollem Umfang erhalten und kann problemlos auf die Δp/p-Variante aufgerüstet werden, wodurch sich eine sehr fertigungsfreundliche und kostengünstige Lösung ergibt.Due to the vertical, superimposed arrangement of the two sensor elements for detection the static pressure as well as the differential pressure leads to the additional absorption of the Sensor element for static pressure essentially for no structural change or Enlargement of the measuring mechanism. The tried and tested modular design of the Δp transmitter remains fully preserved and can be easily upgraded to the Δp / p variant, which results in a very production-friendly and inexpensive solution.

Der verwendete p-Sensor besitzt aufgrund seiner erhöhten Empfindlichkeit eine hohe Genauigkeit bei der statischen Druckerfassung und gewährleistet somit sehr gute Korrekturmöglichkeiten für den statischen Druckfehler, insbesondere bei Verwendung eines Mikrorechners.The p-sensor used has a high sensitivity due to its increased sensitivity Accuracy in static pressure detection and thus ensures very good Correction options for the static printing error, especially when using a Microcomputer.

Die vorliegende Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die dazugehörigen Zeichnungen zeigen:The present invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment. The associated drawings show:

Fig. 1 den Schnitt durch den erfindungsgemäßen Δp/p-Meßumformer, Fig. 1 shows the section through the inventive Ap / p transmitters,

Fig. 2 den Schnitt durch den Träger für die Sensorelemente. Fig. 2 shows the section through the carrier for the sensor elements.

Wie aus Fig. 1 zu entnehmen ist, besteht der Δp/p-Meßumformer aus einer Druckaufnahmeeinheit, einem Träger 1 zur Aufnahme der Sensorelemente 2, 3 und einem Gehäuse 4, in dem die Auswerteelektronik untergebracht ist. Da letztgenanntes nicht zum Erfindungsgegenstand gehört, erübrigt sich eine Beschreibung desselben.As can be seen from FIG. 1, the Δp / p transmitter consists of a pressure recording unit, a carrier 1 for receiving the sensor elements 2, 3 and a housing 4 in which the evaluation electronics are accommodated. Since the latter is not part of the subject matter of the invention, a description of the same is unnecessary.

Die Druckaufnahmeeinheit besteht aus den Gehäuseplatten 5, 6, die auf der dem Meßmedium zugewandten Seite durch je eine Trennmembran 7, 8 abgeschlossen sind. Die Druckaufnahmeeinheit ist an beiden Stirnseiten durch je einen hochdruckseitigen sowie niederdruckseitigen Gehäusedeckel 9, 10 unter Bildung je einer Druckeinnlaßkammer 11, 12 nach außen abgeschlossen. Zwischen den beiden Gehäuseplatten 5, 6 ist eine Überlastmembran 13 angeordnet, die die zwischen den Gehäuseplatten befindliche Kammer in zwei Teilkammern 14, 15 unterteilt. Die Gehäuseplatten und die Überlastmembran sind mittels eines Schweißvorganges hermetisch miteinander verbunden.The pressure recording unit consists of the housing plates 5, 6 , which are closed off on the side facing the measuring medium by a separating membrane 7, 8 each. The pressure pick-up unit is closed on both ends by a high-pressure side and low-pressure side housing cover 9, 10 to form a pressure inlet chamber 11, 12 to the outside. An overload membrane 13 is arranged between the two housing plates 5, 6 and divides the chamber located between the housing plates into two partial chambers 14 , 15 . The housing plates and the overload membrane are hermetically connected to one another by means of a welding process.

Zwischen den Trennmembranen 7, 8 und der jeweiligen Gehäuseplatte 5, 6 befindet sich während des normalen Betriebes des Meßumformers je eine Einlaßkammer 16, 17. Die Einlaßkammer 16 ist durch Kanäle 18, 19 mit der Teilkammer 14 und die Einlaßkammer 17 ist durch Kanäle 20, 21 mit der Teilkammer 15 verbunden. In die Kanäle 19, 21 münden je eine verschließbare Einfüllöffnung 22, 23 zum Einbringen der Übertragungsflüssigkeit in die Meßzelle.Between the separating membranes 7, 8 and the respective housing plate 5, 6 there is an inlet chamber 16, 17 during normal operation of the transmitter. The inlet chamber 16 is connected to the partial chamber 14 by channels 18, 19 and the inlet chamber 17 is connected to the partial chamber 15 by channels 20, 21 . A closable fill opening 22, 23 each opens into the channels 19, 21 for introducing the transmission liquid into the measuring cell.

Wie aus Fig. 1 weiterhin zu entnehmen ist, ist der Träger 1 auf der Seite, wo der Differenzdrucksensor 2 angeordnet ist, mit der Aufnahmeeinheit hermetisch verschweißt, wobei zwischen dem Träger und der Aufnahmeeinheit eine niederdruckseitige Meßkammer 24 gebildet wird. In die Meßkammer 24 mündet ein Übertragungskanal 25, der auf seiner anderen Seite mit der Teilkammer 15 verbunden ist.As can also be seen from FIG. 1, the carrier 1 is hermetically welded to the receiving unit on the side where the differential pressure sensor 2 is arranged, a measuring chamber 24 on the low-pressure side being formed between the carrier and the receiving unit. A transmission channel 25 opens into the measuring chamber 24 and is connected on its other side to the partial chamber 15 .

Die konstruktive Gestaltung des Trägers 1 ist in Fig. 2 im Detail dargestellt. Der Träger 1 weist an seinen beiden Stirnseiten sacklochförmige Ausnehmungen 26, 27 auf, die voneinander durch einen Gehäusebereich 28 getrennt sind. In dem Gehäusebereich 28 ist eine Bohrung 29 zur Zuleitung des hochdruckseitigen Meßdruckes eingebracht. In der Ausnehmung 26 ist der Differenzdrucksensor 2 spannungsarm befestigt, zum Beispiel mittels eines Rohres 30, das am unteren Ende in die Bohrung 29 von der Ausnehmung 27 her eingeschweißt ist.The structural design of the carrier 1 is shown in detail in FIG. 2. The carrier 1 has, on its two end faces, blind holes 26, 27 which are separated from one another by a housing region 28 . In the housing area 28 , a bore 29 is introduced for supplying the high-pressure measurement pressure. The differential pressure sensor 2 is fastened in the recess 26 with low tension, for example by means of a tube 30 which is welded into the bore 29 from the recess 27 at the lower end.

Als Differenzdrucksensor 2 wird ein sehr präziser und stabiler Siliziumchip vom Membrantyp (Genauigkeit 1 · 10^-3) verwendet, der in bekannter Weise mit einem Gegenkörper aus Silizium oder Glas verbunden ist. Um den Differenzdrucksensor 2 sind in dem Träger 1 eingeglaste Stromleitstifte 31 angeordnet, die der Herausführung der elektrischen Signale des Δp-Sensors aus der niederdruckseitigen Meßkammer 24 dienen.A very precise and stable silicon chip of the membrane type (accuracy 1 × 10 ^-3 ) is used as the differential pressure sensor 2 , which is connected in a known manner to a counter body made of silicon or glass. Glazed current-conducting pins 31 are arranged in the carrier 1 around the differential pressure sensor 2 and are used to lead the electrical signals of the Δp sensor out of the low-pressure side measuring chamber 24 .

In der Ausnehmung 26 ist zur Minimierung des Volumens der Übertragungsflüssigkeit zwischen dem Siliziumchip und dem Träger 1 ein Füllkörper 32 z. B. aus Keramik vorgesehen. In der darunterliegenden Ausnehmung 27 ist der statische Drucksensor angeordnet. Diese ist durch eine Scheibe 33, die mit dem Träger 1 verschweißt ist, hermetisch abgeschlossen, wodurch eine hochdruckseitige Meßkammer 34 gebildet wird. In die Meßkammer 34 mündet seitlich ein Druckübertragungskanal 35. Die Scheibe 33 dient gleichzeitig als Träger für den statischen Drucksensor 3, der wie auch der oben beschriebene Δp-Sensor als Siliziummembrantypsensor ausgeführt ist. In der Scheibe 33 sind ebenfalls wie im Träger 1 Stromleitkräfte 36 eingeglast, die der Herausführung der elektrischen Signale des statischen Drucksensors aus der Hochdruckkammer 34 dienen.In the recess 26 in order to minimize the volume of the transfer liquid between the silicon chip and the support 1 is such a packing 32nd B. made of ceramic. The static pressure sensor is arranged in the recess 27 below. This is hermetically sealed by a disk 33 which is welded to the carrier 1 , whereby a high-pressure measuring chamber 34 is formed. A pressure transmission channel 35 opens laterally into the measuring chamber 34 . The disc 33 also serves as a carrier for the static pressure sensor 3 , which, like the Δp sensor described above, is designed as a silicon membrane type sensor. In the disk 33 , as in the carrier 1, current conductors 36 are also glazed in, which serve to lead the electrical signals of the static pressure sensor out of the high-pressure chamber 34 .

Wie aus Fig. 2 deutlich hervorgeht, besteht, abgesehen von der Auswerteelektronik, der wesentliche konstruktive Unterschied gegenüber einer Ausführung als Δp-Meßumformer darin, daß eine speziell gestaltete Scheibe 33 zum Einsatz kommt. Damit ist meßwerksseitig nur ein zusätzliches Bauteil erforderlich, um die Δp-Variante auf die Δp/p-Variante umzurüsten, wodurch insbesondere Fertigungskosten eingespart werden können. As can be clearly seen from FIG. 2, apart from the evaluation electronics, the main design difference compared to a design as a Δp measuring transducer is that a specially designed disk 33 is used. This means that only one additional component is required on the measuring unit side in order to convert the Δp variant to the Δp / p variant, which in particular can save manufacturing costs.

Die vertikal übereinander liegende Anordnung der beiden Sensorelemente in dem Träger 1 hat keinen Einfluß auf die baulichen Abmessungen sowohl des Trägers wie auch des Meßumformers. Die von der Δp-Variante bewährte modulare Bauweise bleibt mit all ihren Vorteilen erhalten, wobei das erforderliche Bauteilesortiment nur minimal vergrößert wird. Seitlich, den Träger 1 umgebend, ist eine Hülse 37 vorgesehen, die einerseits mit der Aufnahmeeinheit und andererseits mit dem Träger 1 verschweißt ist, wobei zwischen Hülse 37 und Träger 1 ein Ringspalt 38 verbleibt, in den ein Druckübertragungskanal 39 einmündet, der auf seiner anderen Seite mit der hochdruckseitigen Teilkammer 14 verbunden ist. Somit erfolgt die hochdruckseitige Zuführung des Meßdruckes von der Trennmembran 7 über den Kanal 18, die Teilkammer 14, den Kanal 39, den Ringspalt 38 und den Kanal 35 in die Hochdruckmeßkammer 34 und von dort über das Rohr 30 auf die Rückseite des Δp-Sensors. Die niederdruckseitige Zuführung des Meßdruckes erfolgt von der Trennmembran 8 über den Kanal 20, die Teilkammer 15 und den Kanal 25 in die niederdruckseitige Meßkammer 24 und somit auf die Oberseite des Δp-Sensors.The vertically superimposed arrangement of the two sensor elements in the carrier 1 has no influence on the structural dimensions of both the carrier and the transmitter. The modular design, which has been tried and tested by the Δp variant, is retained with all of its advantages, with the required range of components being increased only minimally. On the side, surrounding the carrier 1 , a sleeve 37 is provided, which is welded on the one hand to the receiving unit and on the other hand to the carrier 1 , an annular gap 38 remaining between the sleeve 37 and the carrier 1 , into which a pressure transmission channel 39 opens, which on the other Side is connected to the high-pressure side chamber 14 . Thus, the high-pressure side supply of the measuring pressure from the separating membrane 7 via the channel 18, the partial chamber 14 , the channel 39 , the annular gap 38 and the channel 35 into the high-pressure measuring chamber 34 and from there via the pipe 30 to the rear of the Δp sensor. The low-pressure side supply of the measuring pressure takes place from the separating membrane 8 via the channel 20 , the partial chamber 15 and the channel 25 into the low-pressure side measuring chamber 24 and thus onto the top of the Δp sensor.

Die Wirkungsweise des beschriebenen Δp/p-Meßumformers ist aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt und bedarf hier keiner ausführlichen Erläuterung.The mode of operation of the described Δp / p transmitter is from the prior art well known and requires no detailed explanation here.

Die beiden zu erfassenden, z. B. über einer Meßblende abgenommenen Meßdrücke werden über geeignete Meßleitungsanschlüsse in die Druckeinlaßkammern 11 und 12 geleitet. Beide Drücke werden auf die oben beschriebene Weise von den Trennmembranen 7 und 8 auf die Vor- bzw. Rückseite des Δp-Sensors zur Erfassung des Differenzdruckes übertragen. Der statische Drucksensor 3 wird in der Hochdruckkammer 34 von dem höheren der beiden Meßdrücke beaufschlagt und mißt, infolge Vakuums auf seiner Rückseite, den statischen Druck. Da dieser ebenfalls ein Membrantypsensor ist, bietet er aufgrund seiner hohen Genauigkeit, im Vergleich zu Meßanordnungen auf dem nicht abgedünnten Chiprand, sehr gute Voraussetzungen für eine hochwirksame Korrektur des statischen Druckeinflusses, insbesondere wenn ein interner Mikrorechner Verwendung findet.The two to be detected, e.g. B. taken over a measuring orifice measuring pressures are passed through suitable measuring line connections in the pressure inlet chambers 11 and 12 . Both pressures are transmitted in the manner described above from the separating membranes 7 and 8 to the front and rear of the Δp sensor for detecting the differential pressure. The static pressure sensor 3 is acted upon in the high pressure chamber 34 by the higher of the two measuring pressures and measures the static pressure due to the vacuum on its rear side. Since this is also a membrane type sensor, it offers very good preconditions for a highly effective correction of the static pressure influence, especially when an internal microcomputer is used, due to its high accuracy compared to measuring arrangements on the undiluted chip edge.

Claims

1.Pressure / differential pressure transducer with a measuring unit filled with a transmission fluid and closed off to the outside via two separating membranes, further with one sensor element each for detecting the differential pressure applied to the separating membranes and the static pressure, further with means for protecting the differential pressure sensor against overload and for Carrying out the electrical signals from the pressure chamber and with channels for transmitting the process pressures to the overload protection and the two sensor elements, characterized in that the two sensor elements are arranged vertically one above the other.

2. Pressure / differential pressure transducer with a hermetically welded pressure pick-up unit, consisting of two housing plates ( 5, 6 ), each of which is sealed off by a separating membrane ( 7, 8 ) on the side facing the measuring medium and which are interconnected with the interposition of an overload membrane ( 13 ), when two appropriately dimensioned partial chambers ( 14, 15 ) are left, are hermetically welded on their outer circumference, furthermore with a plate-shaped carrier ( 1 ) for low-stress fastening of the sensor elements ( 2, 3 ) and for receiving the current lead-through, the hermetically with the said receiving unit is welded, each with a sensor element ( 2, 3 ) for detecting the differential pressure and the static pressure and with channels ( 18, 20, 25, 39 ) in the receiving unit and in the carrier body ( 1 ) for transmitting the measuring pressures the overload membrane ( 13 ) and on the two sensor elements, characterized in that both sensor elements te ( 2, 3 ) in the carrier ( 1 ) are arranged vertically one above the other.

3. Pressure / differential pressure transducer according to claim 2, characterized in that the carrier ( 1 ) has in its central region both on the side facing the receiving unit and on its opposite side, blind-hole-shaped recesses ( 26, 27 ) which are separated from one another by a housing area ( 28 ) are spatially separated so that a bore ( 29 ) is made in the housing area ( 28 ) for the supply of the high-pressure measurement pressure,
that the sensor element ( 2 ) for detecting the differential pressure is fastened in the recess ( 26 ) facing the receiving unit with low tension, the high-pressure side supply of pressure from the underlying second recess ( 27 ) via the bore ( 29 ),
that in the underlying recess (27) the sensor element (3) is attached for sensing the static pressure, which recess (27) is hermetically closed by a washer (33) by means of welding, and that in the support (1) a channel (35 ) is introduced, which leads from the side edge of the carrier into the recess ( 27 ).

4. Pressure / differential pressure transducer according to claim 3, characterized in that the disc ( 33 ) serves at the same time as a carrier for the static pressure sensor ( 3 ) and contains current conducting pins ( 36 ) distributed around the said pressure sensor for leading out the electrical signals.

5. Pressure / differential pressure transducer according to claims 2, 3 and 4, characterized in that the carrier ( 1 ) is welded on its outer circumference to the pressure receiving unit to form a low-pressure side measuring chamber ( 24 ) into which a transmission channel ( 25 ) opens that the carrier ( 1 ) is surrounded by a sleeve ( 37 ), forming an annular gap ( 38 ), which is welded on one side to the pressure receiving unit and on the other side above the channel ( 35 ) to the carrier ( 1 ) , wherein a high-pressure transmission channel ( 39 ) opens into the annular gap ( 38 ).