DE2344530A1

DE2344530A1 - Druckwandler

Info

Publication number: DE2344530A1
Application number: DE19732344530
Authority: DE
Inventors: Roger L Frick
Original assignee: Rosemount Inc
Current assignee: Rosemount Inc
Priority date: 1972-09-05
Filing date: 1973-09-04
Publication date: 1974-03-14
Also published as: US3793885A; BR7306896D0; HK18377A; GB1384226A

Description

PATENTANWÄLTE oiPu-ΐΝβ. R. SPLANEMANN dipl-chem. dr. B. REITZNER - dipu-inq. J. RICHTER

MÖNCHEN HAMBURa

•ooo München 2 4. Sept. 1973

Tal 13

.ρ. Telefon (089) 226207/226209

J) Irma Tetegramme: Inventius MOnchen

ROSEMOUNT INC.

Eden Prairie, Minnesota,

USA un-r-Akh, 4121 - I - 8432

Ihr Zeichen:

Patentanmeldung

Druckwandler

Die Erfindung betrifft die Konstruktion der Membran von Druckwandlern.

Die Erfindung verbessert die Membrankonstruktion der US-PS 3 618 390. Der dort beschriebene Differentialdruckwandler hat eine Membran, die gegen überdruck von inneren Flächen der Druckkammer unterstützt wird. Die gleiche Überdruckunterstützung wird bei der vorliegenden Erfindung angewandt, jedoch ermöglichen die Verbesserungen der Membrankonstruktion die Verwendung einer dickeren Membran, so daß höhere Druckbereiche ermittelt werden können, während die nachteiligen Wir~ kungen der sehr hohen Biegemomente der Membran nahe den Befestigungsrändern verringert werden.

Aus der üS-PS 3 505 875 ist eine Membrankonstruktion bekannt, die den Hauptteil der Membran von dem Befestigungsring isolieren soll. Die Form dieser Membran ist jedoch ziemlich kompliziert und schwierig herzustellen.

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Konten D«uf«di· Bank AG, München, Konto Nr. 20/H009 . Posljdiedc: MOnchen 60060-807

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Aus der US-PS 3 360 664 ist ebenfalls eine Membran bekannt, die in einem akustischen Strahlungswandler verwendet wird und die einen schwenkbaren Abschnitt hat, um zu versuchen, die Hauptmembran von den Befestigungsrändern zu isolieren. Die bei dieser Membran verwendete besondere Form eignet sich nicht für die Anwendung auf einen Differentialdruckwandler.

Die US-PS 2 161 9 80 zeigt einen elastisch schwingenden Oszillator, der eine plattenartige Vorrichtung mit verminderten Querschnittsbereichen zwischen den zentralen Teilen und den äußeren Teilen hat.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die zuvor erwähnten Nachteile zu beseitigen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale. Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Durch die Erfindung wird eine Membran für einen Differentialdruckwandler geschaffen, die einen verringerten Querschnittsbereich in Form eines Steges nahe ihren Befestigungsrändern aufweist, um die Biegespannung in der Membran von dem Ümfangsbefestigungsring der Membran zu isolieren. Die Membran wird in einem Kapazitätsdrucksensor verwendet, bei dem der Druck die Membran zu wenigstens einer stationären Kondensatorplatte hin oder von dieser weg durchbiegt, die in einer Fläche des Druckwandlers ausgebildet ist. Die stationäre Kondensatorplatte hat eine Oberflächenform entsprechend der durchgebogenen Fläche der Membran unter Druck, und die Fläche der stationären Kondensatorplatte ist so angeordnet, daß sie im wesentlichen die Membran unterstützt, wenn die Membran ihrem maximal bemessenen Druck ausgesetzt wird, so daß Überdrücke die Membran nicht zerstören oder beschädigen. Die Membran wird somit an der stationären Kondensatorplatte bei

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irgendeinem überdruck ohne überbeanspruchung der Membran voll unterstützt.

Mit der erfindungsgemäßen Membrankonstruktion kann die Membran zufriedenstellend in einem Hochdruckbereich betrieben werden, ohne daß sie übermäßig beansprucht wird. Der Steg, der den äußeren Befestigungsring der Membran mit dem zentralen Teil verbindet, wird viel stärker beansprucht, als eine Plattenmembran gleichmäßiger Dicke, jedoch ist die Gesamtleistung der Membrankonstruktion gegenüber einer Membran mit gleichmäßiger Dicke erheblich verbessert. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Spannungen von dem Befestigungsring isoliert sind, sowie auf die sich ergebende Verringerung der Hysterese und der Instabilität der Membran.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren 1 bis beispielsweise erläutert. Es zeigt:

Figur 1 einen Vertikalschnitt durch einen Sensorteil eines typischen Differentialdruckwandler mit einer Membran gemäß der Erfindung,

Figur 2 einen Vertikalschnitt einer Membran gemäß der Erfindung, wobei Teile des zentralen Teils weggebrochen sind, und

Figur 3 einen Vertikalschnitt einer abgewandelten Form der Membran der Fig. 1 und 2.

Die US-PS 3 618 390 zeigt einen typischen Differentialdruckwandler, in dem die erfindungsgemäße Membran verwendet werden kann. Der Aufbau des äußeren Gehäuses des Druckwandlers und die Befestigung der Sensorkammer und der Anschluß der Sensorschaltungsanordnung werden daher nicht beschrieben.

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Fig. 1 entspricht allgemein Fig. 4 der US-PS 3 618 390 zusammen mit der neuen Sensormembrankonstruktion und zeigt die Sensorkammer 10, die aus einem großen Metallgehäuse 11 besteht, das aus zwei Abschnitten HA und HB besteht, die längs einer Trennlinie aneinander angeordnet und durch eine Meß- bzw. Sensormembran 12 gemäß der Erfindung getrennt sind. Die Metallabschnitte HA und HB haben becherförmige Hohlräume 13 mit kreisförmigem Querschnitt, die mit einem festen Isolierungsmaterial wie Glas- oder Keramikmaterial gefüllt sind. Die Isolierungsfüllung dieser Hohlräume wird in den Hohlräumen 13 angeordnet und mit den Metallwänden der Abschnitte HA und HB verschmolzen. Da die dargestellte Druckwandlerkammer mit isolierenden Membranen verwendet wird, die mit dem untersuchten Strömungsmittel in Kontakt stehen, und die Sensormembran 12 isoliert ist, haben die Hohlraumabschnitte HA und HB jeweils Kanäle, die aus dem Inneren aus den glasgefüllten Hohlräumen 13 zu flachen Hohlräumen 14 an den gegenüberliegenden Seiten eines jeden Gehäuseabschnitts führen. Ein gesondertes Keramikrohr 15 mit mehreren axial verlaufenden Kanälen 16 wird in jeden der Kanäle in den Gehäuseabschnitten HA und HB angeordnet, bevor die Glasfüllung in den Hohlräumen 13 geschmolzen wird. Diese Kanäle 16 in Verbindung mit einer öffnung 17 bilden Wege für das Strömungsmittel bzw. die Flüssigkeit, damit diese zwischen den Hohlräumen 14 und den durch die Membran 12 gebildeten Drucksensorkammern strömen kann.

Kleine Metallrohre 20 sind durch öffnungen in jedem der Gehäuseabschnitte HA und HB geführt und mit dem Keramikfüllmaterial in den Hohlräumen 13 verschmolzen. Die Rohre 20 und die Keramikrohre 15 erstrecken sich über die Glasfüllung heraus, wenn die Hohlräume 13 gefüllt werden (das Gehäuse besteht in diesem Stadium noch aus zwei Abschnitten), und die Metallrohre 20 erstrecken

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sich ebenfalls über die Umfangswand der Gehäuseabschnitte hinaus.

Jeder der einzelnen Gehäuseabschnitte HA und HB sind beschliffen und haben eine konkave Fläche, die zum Teil im wesentlichen kugelförmigisfcundin. jedaider der Gehäuseabschnitte geschliffenisfc.n»ese konkaven Flächen sind in Fig. 1 gezeigt, und nachdem die Form entsprechend der Durchbiegungskrümmung der Membran ausgebildet wurde, werden die konkaven Flächen mit geeigneten dünnen Metallüberzügen bedeckt, die Kondensatorplatten 21 bzw. 22 bilden. Die Metallrohre 20 sind elektrisch mit ihren jeweiligen Kondensatorplatten verbunden und bilden elektrische Leitungen für die Kondensatorplatten 21 und 22, die die stationären Kondensatorplatten für die gezeigte Differentialdrucksensorkammer vom Kapazitätstyp bilden. Die Kanäle 16 in den Rohren 15 münden durch die Kondensatorplatten, und die öffnungen bzw. Kanäle der Rohre münden ebenfalls durch die Kondensatorplatten.

Nachdem die beiden Gehäuseabschnitte HA und Hb einzeln hergestellt wurden, wird die Metallmembran 12 zwischen den Abschnitten angeordnet und durch eine kontinuierliche ümfangsschweißraupe 23 festgeschweißt, die die beiden Gehäuseabschnitte HA und HB verbindet und die Membran hält. Die Schweißraupe 23 dichtet auch die Kammern im Inneren des Gehäuses hermetisch ab, die zwischen den stationären Kondensatorplatten 21 bzw. 22 und der Membran gebildet werden. Die erste und die zweite Isolierungsmembran 24 und 25 werden dann an den Umfangen der Hohlräume 14 festgeschweißt, die in jedem der Gehäuseabschnitte gebildet sind. Die Isolierungsmembrane können aus dünnem, rostfreiem Stahl hergestellt werden und sind so gewellt, daß sie sich leicht biegen. Die Außenseiten dieser Isolierungsmembrane liegen zu dem zu ermittelnden Druck hin durch ein Gehäuse frei, das in der US-PS 3 618 gezeigt ist.

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Montiert bilden die Sensormembran 12 und die Isoliermembrane 24 und 25 zwei Kammern, die abgedichtete Sensorkammern sind, die aus einer ersten Kammer 26 und einer zweiten Kammer 27 bestehen. Diese Sensorkammern 26 und 27 werden mit einer Flüssigkeit, die ein öl auf Silikonbasis ist, durch die jeweiligen Rohre 2O gefüllt und dann werden die Rohre 20 an ihren äußeren Enden abgedichtet. Die Rohre 20 werden als Leitungen in den Kondensatorplatten verwendet, nachdem die Kammern gefüllt wurden. Die elektrische Leitung zu der Membran 12, die die bewegliche Kondensatorplatte ist, kann an das Gehäuse 11 angeschlossen werden. Da die Kammern 26 und 27 vollständig gefüllt sind und ebenso die Kanäle 16 in den Rohren 15 sowie die Kammern 14, verursacht jeder Differentialdruck an den Isolierungsmembranen 24 und 25 eine Durchbiegung der Hauptsensormembran 12 gegenüber der äußeren der stationären Kondensatorplatten 21 oder 22. Nach, der Füllung am Anfang und bei gleichem Dniclc an dem Isoliermembranen erstreckt sich die Membran 12 im wesentlichen gerade und in der Mitte zwischen den stationären Kondensatorplatten 21 und 22.

Die Anordnung ist so aufgebaut, daß die stationären Kondensatorplatten 21 und 22 allgemein der Durchbiegungskrümmung der Hauptsensormembran 12 angepaßt und so angeordnet sind, daß sie die Membran 12 über ihre gesamte Arbeitsfläche im wesentlichen tragen, wenn die Membran 12 ihrem maximal bemessenen Druck ausgesetzt ist.

Es ist ersichtlich, daß die Hauptsensormembran 12 an ihrem äußeren Rand und an dem gesamten Umfang getragen wird. Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Membran, die einen mittleren Sensorteil 30 aufweist.

Der mittlere Teil 30 der Sensormembran 12 ist in Aufsicht kreisförmig. Auch der äußere Umfang der Membran 12 ist

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kreisförmig. Wie gezeigt ist, hat die Membran 12 einen äußeren Befestigungsring 31, der mit den Abschnitten HA und HB an seinen äußeren Kanten mit der Schweißraupe 23 verbunden ist, und dieser Ring (der ein kreisförmiger Ring ist) ist mit dem zentralen Sensorteil 30mit einem Steg 32 verbunden. Wenn der zentrale Membranteil 30 unter Druck durchgebogen wird, sind die radialen Biegespannungen an der äußeren Ecke, wo die Randfläche 3OA mit der Sensorfläche des zentralen Teils 30 verbunden ist, im wesentlichen Null und daher arbeitet der zentrale Hauptteil 30 nahezu wie eine Membran mit tatsächlich freiem Rand in ihren Druckdurchbiegungseigenschaften. Die Membran mit freiem Rand zeichnet sich dadurch aus, daß sie an ihrem Rand ein radiales Null-Biegemoment hat. Der Zustand, der es dem mittleren'Teil 30 erlaubt, als eine Membran mit freiem Rand zu wirken, wird erreicht, wenn die Steigung..der Durchbiegungskurve an der Ecke, wo die Randfläche 3OA mit der Sensorfläche des zentralen Teils 30 verbunden ist (bzw. der Winkel der Randfläche 3OA gegenüber einer Bezugsebene parallel zu der nicht durchgebogenen Membran) im wesentlichen die gleiche ist wie die Steigung der Durchbiegungskurve des Stegs 32 bei Druckbelastung der gesamten Membrananordnung, wo er mit der Randfläche 3OA verbunden ist.

Dadurch, daß man einen äußeren Befestigungsring 31 hat, der mit dem Gehäuse verbunden ist, sowie einen dünnen Steg 32 mit einer bestimmten radialen Länge, der den äußeren Ring 31 und den zentralen Membranteil 30 verbindet, ist der zentrale Membranteil 30 von seinem Befestigungsring im wesentlichen isoliert, so daß Hysterese- und Instabilitätseffekte auf ein Minimum gebracht werden. Die Biegemomente an den äußeren Befestigungsrändern werden erheblich verringert und der zentrale Teil 30 wirkt wie eine Membran mit freien Rand.

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Fig. 3 zeigt eine abgewandelte Sensormeitibran 12. Bei dieser besonderen Form hat die Sensormembran 12 einen zentralen Sensorteil 35, einen Befestigungsring 36 und einen Verbindungssteg 37. Der Steg 37 hat eine ungleichmäßige Dicke, die sich von ihrer größten Dicke T an seinemäußeren Rand, wo er mit dem Ring 36 verbunden ist, zu einer minimalen Dicke t ändert, wo er mit dem zentralen Teil 35 verbunden ist. Die Ecken, wo die Randfläche 35A des zentralen Membranteils 35 auf die Sensorflachen des zentralen Teils 35A trifft, bewegen sich ebenfalls wie eine Membran mit freiem Rand, und der sich verjüngende bzw. eine unterschiedliche Dicke aufweisende Steg 37 bildet einen Abschnitt, wo die Biegespannungen gleichmäßiger über die Länge (radiale Länge) des Stegs verteilt sind, so daß die maximale Spannung geringer ist als die bei dem gleichmäßig dicken Steg 32 der Fig. 2. Die in Fig. 3 gezeigte Konstruktion ist für sehr hohe Druckbereiche vorzuziehen, ist jedoch in der Herstellung komplizierter. Sie hat den Vorteil der Verringerung der maximalen Spannung und daher kann der Druckbereich der Sensormembrananordnung 12 erhöht werden, während die Vorteile des zentralen Teils 35, der sich im wesentlichen wie- eine Membran mit freiem Rand verhält, und auch die Isolierung des festgeklemmten Rings von dem Hauptmembranteil 35 beibehalten werden.

Bei einer radialen Länge L der Stege, wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt, und einem typischen Membrandurchmesser D von etwa 38, 1 mm, kann das Verhältnis D/L zwischen 6 und 60 schwanken. Das Verhältnis L/T ist typischerweise größer als 0,5 und kleiner als 5,0. Für die Konstruktion der Fig. 3 ist das Verhältnis T/t gleich oder größer als 1 und vorzugsweise nicht größer als 4.

Es ist zu beachten, daß die Membrankonstruktionen der Fig. 2 und 3 der Membran in differentieller Form bzw.

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bedeutet dies, daß die Durchbiegungseigenschaften in beiden Durchbiegungsrichtungen der Membran in Betrieb im wesentlichen die gleichen sind.

Zu beachten ist, daß die Randflächen 3OA und 35A zylindrisch sind und rechte Winkel mit den Sensorflächen an den zentralen Teilen 30 und 35 bilden. Der Steg verbindet die Randflächen nur mit einem sehr geringen Streifen bzw. Radius.

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Claims

Patentansprüche

1. Kapazitätsdruckwandler, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (11), eine eine erste Kondensatorplatte (21) begrenzende Fläche und eine Membran (12), die unter Druck gegenüber der ersten Kondensatorplatte durchgebogen wird und die einen zentralen Sensorteil (30), einen Umfangsbefestigungsring (31) , der fest und starr an dem Gehäuse befestigt ist, und einen dünnen Steg (32) aufweist, der den Ring und den zentralen Teil verbindet, wobei der Steg in Richtung zwischen dem Ring und dem zentralen Teil relativ zu der Größe des zentralen Teils eine solche Länge hat, daß die Durchbiegung des zentralen Teils unter Druck im wesentlichen der Durchbiegung einer Membran mit freiem Rand entspricht.

2. Druckwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse aus einer Metallkonstruktion besteht, und daß der Ring (31) an dem Gehäuse angeschweißt ist, um die Bewegung des Rings relativ zu dem Gehäuse während der Durchbiegung des zentralen Teils (30) zu verhindern.

3. Druckwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptteil der Randfläche des zentralen Teils (30) im wesentlichen senkrecht zu der Sensorfläche der Membran 12 verläuft.

4. Druckwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die erste Kondensatorplatte (21) begrenzende Fläche so geformt ist, daß sie im wesentlichen der Form de.r Membran (12) entspricht, wenn diese zn der ersten Kondensatorplatte verformt wird, wobei die Kondensatorplätte von der Membran um eine Strecke entfernt ist, so daß der zentrale Teil (3O) im wesent-

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lichen über seine gesamte Sensorfläche von der ersten Kondensatorplatte getragen wird, wenn die Membran einem bestimmten maximalen Druck ausgesetzt ist.

5. Druckwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse aus zwei Abschnitten (HA, HB) besteht, daß die erste Kondensatorplatte (21) an dem ersten Gehäuseabschnitt (HA) angeordnet ist, daß eine zweite Fläche des zweiten Gehäuseabschnitts (HB) eine zweite Kondensatorplatte (22) begrenzt, daß die Membran (12) an dem Gehäuse (11) zwischen der ersten und zweiten Kondensatorplatte (21, 22) angeordnet ist, und daß eine Einrichtung vorgesehen ist, die es ermöglicht, die Membran Differentialdrücken an gegenüberliegenden Seiten auszusetzen.

6. Druckwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zentrale Teil kreisförmig ist und einen Durchmesser D hat, daß der Steg (32) ringförmig ausgebildet ist und sich in radialer Richtung zwischen dem zentralen Teil (30) und dem Ring (31) um eine Strecke

L erstreckt, und daß das Verhältnis D/L zwischen 6 und 60 liegt.

7. Druckwandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Steg (32) sich in radialer Richtung um eine Strecke (L) erstreckt, eine im wesentlichen gleichmäßige Dicke (t) hat und so konstruiert ist, daß das Verhältnis L/T größer als 0,5 und kleiner als 5,0 ist.

8. Druckwandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Steg (37) sich ringsförmig um den zentralen Teil (35) erstreckt und in der Dicke radial nach außen von einer Dicke t nahe dem Rand des zentralen Teils zu einer Dicke T nahe dem Ring zunimmt, und daß das Verhältnis T/t gleich oder größer als 1

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und nicht größer als 4 ist, wobei T nicht größer als die Dicke de· zentralen Teil· ist.

9. Druckwandler, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (11)» eine Membran (12), die unter Druck durchgebogen wird, eine Einrichtung zur Ermittlung der Durchbiegung der Membran unter Druck, wobei die Membran au· einem zentralen Sensorteil (30)_r einem Umfangebefeetigungering (31, 36) besteht, der fest und starr an dem Gehäuse befestigt 1st, und einem Steg (32, 37), der.den Ring und den zentralen Teil verbindet, daß der Steg wenigstens dort wesentlich dünner als der zentrale Teil ist, wo der Steg und der zentrale Teil verbunden sind, und in Richtung zwischen dem Ring und dem zentralen Teil relativ zu der Größe des zentralen Teils eine solche Länge hat, daß die Durchbiegung des zentralen Teils unter Druck im wesentlichen der Durchbiegung einer Membran mit freiem Rand entspricht. .

10. Druckwandler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Stegs (37) radial nach außen von dem zentralen Teil (35) zum Ring (36)-hin zunimmt.

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