DE60032779T2

DE60032779T2 - Temperatur-management in einem druckwandler

Info

Publication number: DE60032779T2
Application number: DE60032779T
Authority: DE
Inventors: M. Steven White Bear Lake BEHM; B. William Bloomington KRUEGER; M. Kelly Apple Valley ORTH; C. Jeffrey Richfield BREKKEN
Original assignee: Rosemount Inc
Current assignee: Rosemount Inc
Priority date: 1999-09-28
Filing date: 2000-09-26
Publication date: 2007-11-08
Anticipated expiration: 2020-09-27
Also published as: JP2003532865A; US6510740B1; AU7720200A; DE60032779D1; BR0014360A; JP3699396B2; EP1216403B1; CN1153960C; CN1373849A; EP1216403A1; WO2001023857A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Druckmessumformer, die zum Messen von Fluiddrücken in industriellen Fluidverarbeitungsanlagen verwendet werden. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die Wärmeleistung solcher Druckmessumformer.
Druckmessumformer haben bekanntlich unerwünschte Ausgangssignaländerungen, wenn es zu Änderungen der Prozessfluidtemperatur, der Umgebungslufttemperatur oder sogar zu Änderungen der Temperatur infolge von Regen, der auf die Messumformergehäuse fällt, kommt. Erwärmungsfehler infolge örtlicher interner Energiedissipation sind sowohl unter Übergangs- als auch unter stabilen Wärmebedingungen besonders schwierig zu korrigieren.
In Hochgenauigkeits-Druckmessumformern wird diesen Ausgangssignaländerungen elektronisch durch Ausgleichen der Temperatur und mechanisch durch Verwendung zweiteiliger Messumformergehäuse mit relativ großen Oberflächen, die mittels eines Gewindehalses miteinander verbunden werden, entgegengewirkt. Der Gewindehals trennt und wärmeisoliert den Drucksensor und den Fluidisolator von der Wärme, die in einem Schaltkreis entsteht, der einen Ausgangsstrom steuert.
Hochgenauigkeitsschaltkreise, Sensoren und Isolatoren werden zunehmend miniaturisiert. Es besteht der Wunsch nach einem entsprechend miniaturisierten Hochgenauigkeitsmessumformer in einem einzelnen Gehäuse ohne die Notwendigkeit eines Gewindehalses, um die Wärme, die durch den Schaltkreis erzeugt wird, von dem Drucksensor und dem Fluidisolator abzukoppeln.
Es ist jedoch schwierig, thermische Probleme in solchen Miniaturgehäusen zu lösen, wo weniger Gehäuseoberfläche zum Dissipieren von wärme zur Verfügung steht. Zu Problemen kommt es auch, weil der Sensor und der Isolator viel näher an den Wärme dissipierenden Ausgangsschaltkreiskomponenten liegen. Es besteht Bedarf an einem Verfahren und einer Vorrichtung zum Bereitstellen eines hochgenauen, temperaturkompensierten Druckmessumformers in einem einzelnen miniaturisierten Gehäuse.
Die US-Patente Nr. 3,968,694 und 4,125,027 offenbaren einen Drucksensor, der einen Temperatursensor enthält, zum Betrieb in unterirdischen Bohrlöchern. Der Sensor umfasst eine Membran zum Messen des Drucks und zugehörige Schaltungen, die in einem separaten Gehäuse untergebracht sind.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt einen miniaturisierten Druckmessumformer gemäß Anspruch 1 bereit.
Bevorzugte, aber optionale Merkmale sind in den Ansprüchen 2 bis 22 definiert. Zum Beispiel kann das Gehäuse aus einer Edelstahllegierung hergestellt sein. Außerdem kann das Gehäuse an einem ersten und einem zweiten Ende eine größere Dicke haben und entlang einer integralen Wand eine geringere Dicke haben.
Ein Druckmessumformer gemäß der vorliegenden Erfindung enthält ein Miniaturmessumformergehäuse mit einer Außenwand, die einen Wärmewiderstand bildet. Die Außenwand trennt eine isothermische Insel an einem ersten Ende des Gehäuses von einer Wärme ableitenden Wärmeinsel an einem zweiten Ende des Gehäuses.
Die isothermische Insel enthält einen Fluideinlass, einen Drucksensor zum Detektieren des Fluiddrucks von dem Einlass und einen Temperatursensor.
Die Wärme ableitende Wärmeinsel enthält einen elektrischen Anschluss mit einer Außenschale und eine Durchführung mit Kontakten. Die Wärme ableitende Insel enthält auch eine Primärwärmebelastungsvorrichtung, die durch eine Wärmesenke mit der Außenschale verbunden ist. Die Kontakte führen einen Strom, der durch den Messumformer gesteuert wird. Ein großer Teil dieses Stroms wird unter normalen Betriebsbedingungen durch die Primärwärmebelastungsvorrichtung geleitet.
Der Druckmessumformer steuert dem Strom so, dass eine temperaturkompensierte, hochgenaue Darstellung des Drucks gegeben wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Konzeptschaltbild einer ersten Ausführungsform eines Druckmessumformers;
2 ist ein Konzeptschaltbild einer zweiten Ausführungsform eines Druckmessumformers;
3 ist ein schematisches Wärmeschaubild einer dritten Ausführungsform eines Druckmessumformers;
4 ist eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform eines Differenzialdruckmessumformers;
5 ist eine Schnittansicht von vorn einer zweiten Ausführungsform eines Differenzialdruckmessumformers.
6 ist eine seitliche Schnittansicht allgemein entlang der Linie 6-6 in 5.
7 ist eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform eines Einzeleinlass-Druckmessumformers;
8 ist eine Schnittansicht von vorn einer zweiten Ausführungsform eines Einzeleinlass-Druckmessumformers;
9 ist eine seitliche Schnittansicht allgemein entlang der Linie 9-9 in 8; und
10 veranschaulicht die Temperaturverfolgung eines Temperatursensors.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERLÄUTERTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
In der vorliegenden Erfindung wird ein Miniaturdruckmessumformer bereitgestellt, indem zwei Wärmeinseln unter Verwendung eines Miniaturmessumformergehäuses geschaffen werden, das auch dazu dient, einen Wärmewiderstand zwischen den Wärmeinseln zu bilden. Eine Außenwand des Gehäuses trennt thermisch den Drucksensor und den Fluiddruckeinlass von einer Primärwärmebelastungsvorrichtung, die einen Teil des Ausgangsstroms des Messumformers führt. Der Drucksensor und der Einlass bilden eine der Wärmeinseln und enthalten einen Temperatursensor, der zum Messen der Temperatur des Drucksensors dient, damit der gemessene Drucktemperatur kompensiert werden kann. Die andere Wärmeinsel ist eine Wärme ableitende Insel, die durch eine Wärmebelastungsvorrichtung gebildet wird, die Wärme ableitend mit der Außenschale eines elektrischen Durchführungsverbinders verbunden ist. Ein einzelnes miniaturisiertes Gehäuse dient der Unterbringung des gesamten Messumformers, der einen hochgenauen Ausgangsstrom ausgibt.
Oder anders ausgedrückt: Es wird ein einzelnes Miniaturgehäuse verwendet, und es wird kein Gewindehals zwischen dem Sensor und den Schaltkreiskomponenten, die Wärme erzeugen, benötigt, um einen hochgenauen Ausgangsstrom zu steuern. Mit der vorliegenden Erfindung zum Beispiel kann ein einzelnes Miniaturgehäuse für einen Einzeleinlassmessumformer verwendet werden, der ungefähr 12,4 cm (4,88 Inch) hoch und 6,1 cm (2,4 Inch) breit. Des weiteren kann auch ein einzelnes Miniaturgehäuse für einen Doppeleinlassmessumformer verwendet werden, der ungefähr 11,7 cm (4,6 Inch) hoch und 7,6 cm (3,0 Inch) breit ist.
1 veranschaulicht schematisch einen Miniaturdruckmessumformer 20. Der Druckmessumformer 20 hat ein einzelnes Miniaturmessumformergehäuse 22, das sowohl die Sensoren als auch die Schaltungen des Messumformers 20 beherbergt. Der Messumformer 20 hat einen oder mehrere Einlässe 38, die einen oder mehrere Drücke an einem oder mehreren Drucksensoren 34 empfangen. Die Drucksensoren 34 können kapazitative oder piezoresistive Drucksensoren sein. Ein Temperatursensor 42 ist zum Zweck der Temperaturkompensation thermisch an den Drucksensor 34 gekoppelt. Die Einlässe 38, der Drucksensor 34 und der Temperatursensor 42 sind thermisch miteinander zu einer "isothermischen Insel" gekoppelt, wie in Verbindung mit den 3-9 noch näher erläutert wird.
Der Messumformer 20 gibt an den Kontakten 24, 26 einen hochgenauen Ausgangsstrom I aus, der einen Druck darstellt. Der Begriff "hochgenau" meint im Sinne der vorliegenden Anmeldung einen Messumformer mit einem Gesamtausgangsfehler von plus oder minus 0,4 % oder besser für plus oder minus 28 Grad Celsius (plus oder minus 50 Grad Fahrenheit) Umgebungstemperaturänderung.
Elektrische Durchführungsverbinderkontakte 24, 26 dienen zum Verbinden des Messumformers 20 mit einem externen Stromschleifenschaltkreis 28, der eine Stromversorgung 30 und einen Lastabnehmer 32 umfasst, bei dem es sich um eine Steuerung oder ein Anzeigegerät handeln kann. Der Strom I in der Schleife 28 fließt durch die Kontakte 24, 26 und kann einen analogen Strom von 4-20 mA mit einer Größenordnung, die durch den Messumformer 20 gesteuert wird, umfassen, um einen Druck darzustellen. Der Messumformer kann auch ein digitales Signal, das einen Druck und andere Parameter darstellt, mit Hilfe von HART, Foundation Fieldbus oder anderen Schleifenprotokollen für eine bidirektionale digitale Kommunikation, die man in der Prozesssteuerungsbranche kennt, über den analogen Schleifenstrom legen. Alternativ kann der Messumformer seinen Schleifenstrom auf einer festen Größenordnung, wie zum Beispiel 4 mA, halten, und ein überlagertes Signal kann einen Druck und andere Informationen in einer sogenannten "Mehrpunkt"-Anordnung, in der mehrere Messumformer mit einer einzigen Stromschleife verbunden sind, übermitteln. Der Messumformer 20 wird vorzugsweise über den Schleifenstrom I mit Energie versorgt.
Die Kontakte 24, 26 verlaufen durch eine metallische äußere Anschlussschale (in 1 nicht veranschaulicht) hindurch, die als eine Wärmesenke für eine Primärwärmebelastungsvorrichtung 40 dient. Die Primärwärmebelastungsvorrichtung 40 kann ein bipolarer Leistungstransistor, wie veranschaulicht, sein, oder kann ein anderer Typ einer Stromsteuervorrichtung sein, wie zum Beispiel ein FET oder ein Festkörperschalter. Die Primärwärmebelastungsvorrichtung 40 leitet und steuert einen ersten Teil des Schleifenstroms I.
Die Primärwärmebelastungsvorrichtung 40 und die Anschlussschale sind thermisch miteinander gekoppelt und bilden eine Wärmeinsel, die eine "Wärme ableitende Insel" ist, wie unten in Verbindung mit den 3-9 näher erläutert wird.
Ein Messumformerwandlungsschaltkreis 44 koppelt den Drucksensor 34 und den Temperatursensor 42, wie gezeigt. Der Wandlungsschaltkreis 44 berechnet eine temperaturkompensierte Darstellung des Drucks am Einlass 38. Der Wandlungsschaltkreis 44 verbraucht einen zweiten Teil des Schleifenstroms I bei der Ausführung dieser Berechnungen. Der Wandlungsschaltkreis 44 ist auch an den Widerstand 47 gekoppelt, um die Größenordnung des ersten Teils des Schleifenstroms zu messen, der durch die Primärwärmebelastungsvorrichtung 40 fließt. Der Wandlungsschaltkreis 44 gibt auf Leitung 46 ein Steuerausgangssignal aus, das den Transistor 48 steuert, der seinerseits die Primärwärmebelastungsvorrichtung 40 so steuert, dass der Gesamtstrom I die gewünschte Größenordnung hat. Der Transistor 48 dissipiert weniger Wärme als die Primärwärmebelastungsvorrichtung 40 und umfasst eine Sekundärwärmebelastungsvorrichtung. Im Fall einer 4-20 mA-Schleife ist die gewünschte Größenordnung des Stroms I ein variabler analoger Betrag, der den Druck darstellt, gegebenenfalls mit überlagerten digitalen Signalen. Im Fall einer Mehrpunktschleife ist die gewünschte Größenordnung des Stroms I eine feste analoge Größenordnung, wobei digitale Signale über die feste analoge Größenordnung gelegt sind.
Der Wandlungsschaltkreis 44 enthält vorzugsweise einen eingebetteten MOS-Mikroprozessor mit niedrigem Stromverbrauch und einen MOS-Delta-Sigma-A/D-Wandler mit niedrigem Stromverbrauch, um die Wärmeerzeugung zu verringern.
Der Messumformer 20 enthält auch eine Zener-Diode 50, die einen Polaritätsumkehrschutz bietet, und einen Transistor 52, der das Leiten der Primärwärmebelastungsvorrichtung 40 momentan verzögert, wenn die Stromversorgung 30 eingeschaltet wird. Der Wandlungsschaltkreis 44 und der Transistor 48 und die Zener-Diode 50 und der Transistor 52 sind auf einer Leiterplatte (in 1 nicht veranschaulicht) angeordnet.
Wie in Verbindung mit den 3-9 näher erläutert wird, bringt das Miniaturmessumformergehäuse 22 die Primärwärmebelastungsvorrichtung 40 näher an den Drucksensor 34 heran. Durch diese größere Nähe entsteht das Risiko, dass die hohe Genauigkeit des Messumformers aufgrund von Erwärmungseffekten verloren geht. Das Miniaturmessumformergehäuse 22 ist jedoch speziell mit einer Außenwand versehen, die einen Wärmewiderstand zwischen der Wärme ableitenden Insel an einem Ende des Gehäuses und der isothermischen Insel am anderen Ende des Gehäuses bildet. Die Wärme ableitende Insel und die isothermische Insel sind thermisch genügend durch die Außenwand voneinander getrennt, um die hohe Genauigkeit trotz der großen baulichen Nähe wiederherzustellen.
Der Wärmewiderstand wird in der Außenwand durch einen oder mehrere Techniken verstärkt. Die Wärmewand ist vorzugsweise entlang einer Hauptachse des Miniaturmessumformergehäuses 22 so lang wie möglich. Die Wärmewand hat vorzugsweise einen dünnen Querschnitt. Die Wärmewand besteht vorzugsweise aus einem Material mit einer relativ geringen Wärmeleitfähigkeit, wie zum Beispiel Edelstahllegierung oder Kunstharz. Die Wärmewand kann auch balgförmige Faltungen enthalten, um ihre effektive thermische Länge zu vergrößern. Die Wärmewand kann auch verlängerte Abschnitte enthalten, die sich von der Außenwand des Messumformers nach außen erstrecken, um Rippen, Stifte oder Keilprofile mit radialen oder polyhedralen Formen zu bilden, die den Wärmefluss verstärken.
In 2 ist ein Messumformer 21 veranschaulicht, der dem Messumformer 20 von 1 ähnelt, und in den 1 und 2 werden die gleichen Bezugszahlen verwendet, um gleiche oder ähnliche Merkmale zu bezeichnen. In 2 sind die Zener-Diode 50, der Transistor 52, der Darlingtontransistor 49 und der Widerstand 47 in der Primärwärmebelastungsvorrichtung 41 enthalten, die wärme ableitend mit einer elektrischen Anschlussschale um die Kontakte 24, 26 herum verbunden ist. Dem Fachmann ist klar, dass die Anzahl der Komponenten, von denen Wärme abgeleitet wird, je nach den anwendungsspezifischen Erfordernissen von einer einzelnen Komponente 40, wie in 1 veranschaulicht, bis zu einer größeren Anzahl von Komponenten, wie in 2 veranschaulicht, reichen kann.
In 3 ist ein Miniaturdruckmessumformer 60 schematisch im Querschnitt veranschaulicht, wobei Wärmeknoten (Punkte, Quadrate, Sternsymbole) und Wärmewiderstände (Zickzacksymbole) über den Querschnitt gelegt sind, um ein diskretes Wärmemodell eines Wärmemanagementsystems für einen Miniaturmessumformer zu veran schaulichen. Die Topologien der elektrischen Schaltkreise, die zum Beispiel in den 1-2 veranschaulicht sind, können thermisch wie in 3 gezeigt angeordnet werden.
Der Miniaturdruckmessumformer 60 hat ein Miniaturmessumformergehäuse 62, das eine Außenwand 64 enthält, die einen Wärmewiderstand 66 bildet. Die Außenwand 64 trennt eine isothermische Insel 68, die in einem ersten Ende 70 des Gehäuses 62 ausgebildet ist, von einer Wärme ableitenden Wärmeinsel 72, die in einem zweiten Ende 74 des Gehäuses 62 ausgebildet ist.
Die isothermische Insel 68 enthält einen Fluideinlass 76, einen Drucksensor 78, der einen Druck von dem Fluideinlass 76 empfängt, und einen Temperatursensor 80. Der Fluideinlass 76 enthält in der Regel eine Fluidisolatormembran, die über ein Isolatorfluid, wie zum Beispiel Silikonöl, einen Druck an den Drucksensor 78 koppelt. Die Wärmemasse 82 des Einlasses 76, die Wärmemasse 84 des Drucksensors, die Wärmemasse 86 des Temperatursensors und die relativ große Wärmemasse 88 eines Metallblocks 90, der das erste Ende des Miniaturgehäuses bildet, sind alle durch relativ niedrige Wärmewiderstände 89, 91, 92, 94 thermisch dicht aneinander gekoppelt, so dass die isothermische Insel 68 entsteht. Die Komponenten in der isothermischen Insel 68 sind alle auf ungefähr der gleichen Temperatur, und diese Temperatur wird durch den Temperatursensor 80 erfasst, so dass zugehörige Schaltungen eine elektronische Temperaturkompensation des Ausgangsstroms auf der Grundlage der durch den Temperatursensor 80 erfassten Temperatur vornehmen können. Die isothermische Insel 68 wird thermisch durch Wärmewiderstände 96, 98 mit einer Prozesstemperatur 100 des zugeführten druckbeaufschlagten Prozessfluids gekoppelt. Die Prozesstemperatur 100 kann als eine Wärmemasse mit sehr großer oder unendlicher Masse relativ zu den Wärmemassen des Miniaturmessumformers modelliert werden. Dem Fachmann ist klar, dass die isothermische Insel 68 effektiv thermisch von der Prozesstemperatur 100 mittels eines Flansches, eines Verteilers oder einer entfernt angeordneten oder Remote-Dichtung entkoppelt oder isoliert werden kann, wenn das in einer bestimmten Anwendung erforderlich ist.
Die Wärme ableitende Wärmeinsel 72 enthält einen elektrischen Anschluss 102 mit einer mit Außengewinde versehenen Außenschale 104 und eine Durchführung 106 mit Kontakten 108. Die Wärme ableitende Insel 72 enthält auch eine Primärwärmebelastungsvorrichtung 110, deren wärme zur Außenschale 104 abgeleitet wird. Zwei der Kontakte 108 führen einen Strom I, der durch den Messumformer 60 gesteuert wird, und ein Teil des Stroms 2 wird durch die Primärwärmebelastungsvorrichtung 110 geleitet. Die Primärwärmebelastungsvorrichtung 110 erzeugt einen Wärmefluss 112 (durch einen Stern dargestellt) zum Messumformer 60 infolge elektrischer Verluste i2R. Der Wärmefluss 112 ist durch einen relativ kleinen Wärmewiderstand 116 thermisch an eine Wärmemasse 114 des zweiten Endes des Miniaturmessumformergehäuses 62 gekoppelt, um die Wärme ableitende Insel 72 zu bilden.
Die Wärme ableitende Insel 72 ist durch den Wärmewiderstand 66 der Außenwand, der relativ groß ist, an die isothermische Insel 68 gekoppelt, so dass die Wärme ableitende Insel 72 thermisch von der isothermischen Insel 72 entkoppelt ist. Die Wärme ableitende Insel 72 ist thermisch an die Umgebungstemperatur 118 gekoppelt, so dass Wärme in die Umgebung dissipiert werden kann.
Wenn der Messumformer 60 zum ersten Mal mit Strom beaufschlagt wird, nachdem er eine Weile abgeschaltet war, so steigt die Temperatur der wärme ableitenden Insel 72 relativ rasch, aber die isothermische Insel 68 spricht aufgrund der guten thermischen Entkopplung, die durch den Wärmewiderstand 66 der Außenwand bereitgestellt wird, nur langsam und schwach auf diese Änderung an.
Der Messumformer 60 enthält auch eine Leiterplatte 120, die elektrisch an den Drucksensor 78 und den Temperatursensor 80 und an die Primärwärmebelastungsvorrichtung 110 gekoppelt ist. Die Leiterplatte steuert den Ausgangsstrom I an den Kontakten 108 so, dass eine temperaturkompensierte, hochgenaue Stromdarstellung des Drucks am Einlass 76 gegeben wird. Die Leiterplatte 120 hat eine Wärmemasse 121, die durch relativ große Wärmewiderstände 122, 124, 126 an die isothermische Insel 68 und die Wärme ableitende Insel 72 gekoppelt ist. Der Messumformer 60 kann mit Luft, Trockenstickstoff oder Isolierfasern oder Isolierschaumstoff gefüllt sein, um die Wärmeisolation im Inneren der Außenwand 64 zu erhöhen.
Wärme, die in der Leiterplatte 120 erzeugt wurde, wird über die Außenwand 64 an die Umgebung geleitet und mittels Konvektion von der Außenwand 64 an die Umgebung 118 abgegeben. Der Wärmefluss von der Leiterplatte erfolgt jedoch allgemein quer zu der Außenwand 64, und die Wand bietet eine relativ gute Wärmeleitung in dieser Querrichtung. Die Außenwand 64 ist somit für eine thermische Entkopplung entlang ihrer Länge und eine gute Wärmeübertragung in einer Querrichtung angeordnet.
Der Fluideinlass 76 kann auch so verlängert werden, dass er eine entfernt angeordnete oder Remote-Dichtung bildet, die dafür geeignet ist, heißes Prozessfluid zu empfangen, und der Einlass 76 wird dann thermisch von dem heißen Prozessfluid (nicht veranschaulicht) isoliert.
4 veranschaulicht eine perspektivische, teilweise weggeschnittene Ansicht einer Ausführungsform eines Differenzialdruckmessumformers 150. Der Messumformer 150 enthält ein Miniaturmessumformergehäuse 152 mit einer Außenwand 154, die einen Wärmewiderstand bildet. Die Außenwand 154 trennt eine isothermische Insel 156, die in einem ersten Ende des Gehäuses ausgebildet ist, von einer Wärme ableitenden Insel 159, die in einem zweiten Ende des Gehäuses ausgebildet ist. Die isothermische Insel 156 enthält zwei koplanare Fluideinlässe 158 (von denen einer in 4 dem Blick verborgen ist), die Isolatormembranen 160 und Isolatorfluid 162, das in Durchgängen abgedichtet ist, enthalten. Die isothermische Insel 156 enthält auch einen kapazitativen Differenzialdrucksensor 164, der Differenzialdruck von dem Fluideinlass 158 empfängt. Die isothermische Insel 156 enthält auch einen Temperatursensor 166, der an dem kapazitativen Drucksensor 164 montiert ist.
Die Wärme ableitende Insel 159 enthält einen elektrischen Anschluss 168 mit einer mit Gewinde versehenen Außenschale 170 und einer abgedichteten Durchführung mit Kontakten 172 und eine Primärwärmebelastungsvorrichtung 174, deren Wärmesenke an die Außenschale 170 abgeleitet wird. Die Kontakte 172 führen einen Strom, der durch den Messumformer 150 gesteuert wird, und ein Teil des Stroms wird durch die Primärwärmebelastungsvorrichtung 174 geleitet und gesteuert.
Eine Leiterplatte 176 ist elektrisch an den Drucksensor 164 und den Temperatursensor 166 und an die Primärwärmebelastungsvorrichtung 174 gekoppelt. Die Leiterplatte 176 steuert den Strom an den Kontakten 172 so, dass eine temperaturkompensierte, hochgenaue Darstellung des Drucks gegeben wird.
Der Miniaturdruckmessumformer 150 enthält auch eine Wärme leitende Vergießmasse 178 (die mit einer Strichlinie dargestellt ist), welche die Primärwärmebelastungsvorrichtung 174 thermisch an die Anschlussschale 170 koppelt. Die Wärme leitende Vergießmasse 178 ist elektrisch isoliert, so dass sie die Stifte 172 nicht kurzschließt. Die Primärwärmebelastungsvorrichtung 174 ist wenigstens teilweise in der Anschlussschale 170 angeordnet, um die Wärmeableitung zu verbessern. Gewünschtenfalls kann ein flacher Vorsprung oder ein Fach 180 im Inneren der Anschlussschale 170 ausgebildet oder angepasst sein, um eine gute Wärmeableitung an eine entsprechend flache Wärmeableitungsfläche der Primärwärmebelastungsvorrichtung 174 zu ermöglichen. Eine elektrisch isolierende Schicht kann auf dem flachen Vorsprung oder dem Fach 180 oder auf der flachen Wärmeableitungsfläche der Primärwärmebelastungsvorrichtung 174 ausgebildet sein, um eine elektrische Isolierung zu bilden, die in eigen-sicheren oder nicht-brandauslösenden Schaltkreisen erwünscht ist. Wärmeableitungsvorrichtun gen wie zum Beispiel keramische Heatspreader oder Wärmeverteiler, Silikon-Isolierscheiben und Metallringe können ebenfalls zur Verbesserung der Wärmeableitung verwendet werden.
Wärmeisolierende Vergießmasse 182 kann in dem Gehäuse 152 über wenigstens einen Abschnitt der ersten isothermischen Insel 156, wie in 4 veranschaulicht, gegossen werden. Des Weiteren ist ein wärmeisolierender Kunstharzmantel 184 um wenigstens einen Abschnitt der ersten isothermischen Insel 156. Der Mantel 184 hemmt den Wärmefluss durch Konvektion, Leitung oder Abstrahlung und unterstützt das Wärmemanagement in dem Messumformer 150. Ein Wärmemantel 186 ist ebenfalls über der Leiterplatte 176 angeordnet.
Das Gehäuse 152 hat eine Mittelachse 188, die vom ersten Ende zum zweiten Ende verläuft. Die Leiterplatte 176 ist quer zur Mittelachse angeordnet und bildet eine zweite isothermische Insel. Die Temperaturen auf der Leiterplatte neigen aufgrund der Queranordnung zu einer höheren Gleichmäßigkeit. Ein Wärmefluss von Quellen außerhalb der Leiterplatte erfolgt allgemein im rechten Winkel zu der flachen Oberfläche der Leiterplatte und ist gleichmäßig verteilt. Die Leiterplatte 176 enthält stromführende Leiter mit Querschnittsflächen von wenigstens dem 1,25-fachen der Querschnittsflächen, die für die Ströme benötigt werden. Die Leiter sind thermisch an eine Sekundärwärmebelastungsvorrichtung auf der Leiterplatte 176, wie zum Beispiel die in 1 veranschaulichte Sekundärwärmebelastungsvorrichtung 48, gekoppelt. Die vergrößerten Querschnittsflächen der Leiter machen allgemein die Temperaturen auf der Leiterplatte 176 gleichmäßiger und unterstützen die Wärmeableitung von der Sekundärwärmebelastungsvorrichtung 48. Die Leiter der Leiterplatte bestehen vorzugsweise aus Kupfer, Aluminium oder Silber und können sogenannte "Massefläche"-Leiter enthalten, die zum Zweck der elektrischen Abschirmung enthalten sind. Die Leiterplatte kann auch unter Verwendung eines Keramiksubstrats hergestellt sein, um die Wärmeleitfähigkeit zu erhöhen.
5-6 veranschaulichen eine weitere Ausführungsform eines Differenzialdruckmessumformers 190, wobei 6 eine Schnittansicht entlang der Linie 6-6 in 5 ist. Der in den 5-6 veranschaulichte Differenzialdruckmessumformer 190 ähnelt dem in 4 veranschaulichten Differenzialdruckmessumformer 150, und in den 5-6 dienen die gleichen Bezugszahlen zur Kennzeichnung von Merkmalen, die den Merkmalen in 4 ähneln oder mit ihnen identisch sind. In den 5-6 ist das Gehäuse an einer Schweißnaht 192 zusammengeschweißt. Die Leiterplatte 176 schnappt im Inneren der Mäntel 184, 186 ein, und die Mäntel 184, 186 dienen als eine Ausrichtungsvorrichtung zum Ausrichten der Gehäuseteile vor dem Schweißen und während des Schweißens. Es sind Schraubenlöcher 194 vorhanden, um einen Flansch, einen Verteiler oder eine entfernt angeordnete oder Remote-Dichtung an die koplanaren Einlässe 158 on die Basis des Messumformers zu schrauben. Das mit Gewinde versehene Anschlussstück 170 dient als Träger zum Hinzufügen eines optionalen Verdrahtungsgehäuses (hier nicht veranschaulicht) zu dem Messumformer 190. Das optionale Verdrahtungsgehäuse kann dazu dienen, wärme, die in die Anschlussschale 170 abgeleitet wird, in die Umgebung abzustrahlen. Ein Rohr 196 ist in dem elektrischen Durchführungsverbinder angeordnet, um vor dem Versiegeln des Rohres auf Leckstellen zu testen, um einen hermetisch abgedichteten, hochgenauen Miniaturdifferentialdruckmessumformer 190 bereitzustellen.
7 veranschaulicht eine perspektivische weggeschnittene Ansicht einer Ausführungsform eines Miniaturdruckmessumformers 200 mit einem einzelnen mit Gewinde versehenen Prozessfluideinlass 202. Der Druckmessumformer 200 kann entweder den absoluten Druck (AP) oder den Manometerdruck (GP) am Einlass 202 erfassen. Der in 7 veranschaulichte Einzeleinlass-Druckmessumformer 200 ähnelt dem in 4 veranschaulichten Differenzialdruckmessumformer 150, und die gleichen Bezugszahlen dienen zum Kennzeichnen von Merkmalen in 7, die den Merkmalen in 4 ähneln oder mit ihnen identisch sind. Die Leiterplatte 176 enthält Leiterplattenleiter 204 mit einer vergrößerten Dicke, die über den Strombelastbarkeitsanforderungen des Schaltkreises liegen, um eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit auf der Leiterplatte zu erreichen, wie oben erläutert. Der Messumformer 200 enthält auch eine Metall-"Spitze" 206, die aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, wie zum Beispiel Kupfer, besteht und die Wärmewiderstände zwischen dem Drucksensor 164 und der Isolatormembran 160 verringert. Die Metallspitze 206 hilft bei der Ausbildung einer isothermischen Insel am unteren Ende des Messumformers 200.
Die 8-9 veranschaulichen eine Manometerdruckausführungsform eines Einzelprozesseinlass-Druckmessumformers 210, wobei die 9 eine Schnittansicht allgemein entlang der Linie 9-9 in 8 ist. Der in den 8-9 veranschaulichte Einzelprozesseinlass-Druckmessumformer 210 ähnelt dem in 7 veranschaulichten Messumformer 200, und die gleichen Bezugszahlen dienen dem Kennzeichnen von Merkmalen in den 8-9, die den Merkmalen in den 4-7 ähneln oder mit ihnen identisch sind. Wie in 8 veranschaulicht, enthält der Messumformer 210 eine Entlüftung 212, die an die "Rückseite" des Drucksensors 164 der 8-9 gekoppelt ist, so dass der Manometerdruck gemessen werden kann.
10 veranschaulicht ein Zeitsteuerungsdiagramm 220 einer Temperaturverfolgung für einen Temperatursensor (wie zum Beispiel den Temperatursensor 42, 80 oder 166), der an einem Drucksensor (wie zum Beispiel dem Drucksensor 34, 78, oder 164) montiert ist. In dem Zeitsteuerungsdiagramm 220 stellen die horizontalen Achsen 222 die Zeit dar. Die vertikale Achse 224 stellt die Umgebungstemperatur um einen Messumformer herum dar. Die vertikale Achse 226 stellt eine Temperatur eines Drucksensors im Inneren des Messumformers dar. Die vertikale Achse 228 stellt eine Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur des Drucksensors und einer Temperatur eines Temperatursensors dar, der an dem Drucksensor montiert ist. Bei Zeit t = 0 findet bei 230 eine abrupte Verschiebung von 10 Grad Celsius in der Umgebungstemperatur statt. Die Temperatur des Drucksensors reagiert auf diese abrupte Änderung wie bei 232 gezeigt und steigt langsam an und erreicht schließlich die gleiche Temperaturverschiebung von 10 Grad Celsius, wie bei 234 gezeigt. Der Temperatursensor hat jedoch eine extrem kleine Wärmemasse im Vergleich zu der Wärmemasse des Drucksensors. Der Temperatursensor befindet sich in engem thermischen Kontakt mit dem Drucksensor. Der Temperatursensor verfolgt die Temperatur des Drucksensors genauestens. Wie bei 236 gezeigt, gibt es ein sehr kurzes Zeitintervall, während dem die Temperaturdifferenz geringfügig zunimmt. Die maximale Spitze der Temperaturdifferenz bei 236 liegt in der Größenordnung von etwa 0,1 Grad Celsius. Die Spitze klein zu halten, hilft eine gute Übergangswärmeleistung des Messumformers zu gewährleisten, weil die Temperaturkompensation selbst während Übergangstemperaturereignissen präzise ausgeführt werden kann.
Obgleich die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen beschrieben wurde, erkennt der Fachmann, dass Änderungen an der Form und am Detail dieser Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne vom Geltungsbereich der Erfindung, der von den Ansprüchen definiert wird, abzuweichen. Es können auch andere Drucksensoren anstelle von kapazitativen Drucksensoren verwendet werden, zum Beispiel Widerstandsdehnungsmesser. In einigen Fällen gibt ein einzelner Sensor sowohl ein Druck- als auch ein Temperaturausgangssignal. Merkmale, die in einer Ausführungsform veranschaulicht sind, können entsprechend an andere Ausführungsformen angepasst werden.

Claims

Druckmessumformer (20; 21; 60; 150; 190; 200; 210), dadurch gekennzeichnet, dass er Folgendes aufweist: zumindest erste (68; 156) und zweite (72; 159) Wärmeinseln in einem einzelnen Gehäuse (22; 62; 152), welches einen Drucksensor (34; 78; 164) in der ersten Wärmeinsel von einem wärmeerzeugenden Elektronikschaltkreis (40; 41, 110; 174), welcher einer Primärwärme-Belastungsvorrichtung entspricht, isoliert, wobei die Primärwärme-Belastungsvorrichtung in der zweiten Wärmeinsel enthalten ist, wobei die erste Wärmeinsel einen Fluideinlass (38; 76; 158; 202) aufweist, der Drucksensor derart konfiguriert ist, dass er einen Druck von dem Fluideinlass empfängt, und weiter ein Temperatursensor (42; 80; 166) die Temperatur des Drucksensors misst; und wobei die zweite Wärmeinsel einen elektrischen Anschluss (102; 168) an eine Außenschale (104; 170) und eine Durchführung (106) mit Kontakten (24; 26; 108; 172) aufweist, die Primärwärme-Belastungsvorrichtung durch eine Wärmesenke mit der Außenschale verbunden ist, die Kontakte derart konfiguriert sind, dass sie einen Messumformer-Ausgangsstrom führen, und die Primärwärme-Belastungsvorrichtung derart konfiguriert ist, dass sie einen Teil des Messumformer-Ausgangsstroms leitet.
Druckmessumformer nach Anspruch 1, welcher weiter wärmeleitfähige Vergießmasse (178) aufweist, welche die Primärwärme-Belastungsvorrichtung mit der Außenschale wärmekoppelt.
Druckmessumformer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wärmeleitfähige Vergießmasse elektrisch isolierend ist.
Druckmessumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärewärme-Belastungsvorrichtung zumindest teilweise in der Außenschale angeordnet ist.
Druckmessumformer nach Anspruch 4, welcher weiter einen in der Innenseite der Außenschale ausgebildeten flachen Vorsprung (180) und eine elektrisch isolierende und wärmeleitfähige dünne oder flache Schicht darauf aufweist, wobei die dünne oder flache Schicht mit einer entsprechend dünnen oder flachen Oberfläche auf der Primärwärme-Belastungsvorrichtung zusammenpasst.
Druckmessumformer nach Anspruch 1, welcher weiter eine in der Außenschale ausgebildetes Fach (180) aufweist, wobei das Fach eine Form aufweist, die für die Aufnahme der Primärwärme-Belastungsvorrichtung ausgelegt ist.
Druckmessumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärwärme-Belastungsvorrichtung mit der Außenschale über eine Wärmeübertragungsvorrichtung, welche aus der Gruppe bestehend aus wärmeleitfähiger Vergießmasse, keramischen Heatspreadern oder Wärmeverteilern, Silikon-Isolierscheiben und Metallringen ausgewählt wird, wärmegekoppelt ist.
Druckmessumformer nach Anspruch 1, welcher weiter eine wärmeisolierende Vergießmasse (182) aufweist, welche in dem Gehäuse über zumindest einem Abschnitt der ersten Wärmeinsel angeordnet ist.
Druckmessumformer nach Anspruch 1, welcher weiter einen wärmeisolierendem Kunstharzmantel (184, 186) aufweist, welcher zumindest um einen Abschnitt der ersten Wärmeinsel herum angeordnet ist.
Drucksender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse eine Zentralachse (188) aufweist, welche sich von einem esten Ende zu einem zweiten Ende erstreckt, und der Elektronikschaltkreis eine Leiterplatte (120; 176) einschließt, welche diagonal zur Mittelachse angeordnet ist.
Druckmessumformer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte eine Sekundärwärme-Belastungsvorrichtung einschließt.
Druckmessumformer nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte stromführende Leiter mit Querschnittsflächen aufweist, welche mindestens das 1,25-fache der für die Ströme erforderlichen Querschnittsflächen haben, und die Leiter mit der Sekundärwärme-Belastungsvorrichtung wärmegekoppelt sind.
Druckmessumformer nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte ein keramisches Substrat aufweist.
Druckmessumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Messumformer-Ausgangsstrom ein 4-20 mA starker Schleifenstrom ist, welcher den Druckmessumformer erregt.
Druckmessumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Druckmessumformer um einen Mehrpunkt-Messumformer handelt, und der Messumformer-Ausgangstrom eine festgelegte Erregerstromkomponente und eine überlagerte digitale Stromkomponente aufweist, wobei die überlagerte digitale Komponente den Druck darstellt.
Druckmessumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse aus einer Edelstahllegierung gebildet ist.
Druckmessumformer nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse an ersten und zweiten Enden eine größere Dicke und entlang einer integralen Wand eine verringerte Dicke aufweist.
Druckmessumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse weiter externe Wärmeableitungs- oder Kühlungsvorrichtungen aufweist, bei welchen es sich um Oberflächen handelt, die sich von dem Messumformer aus nach außen erstrecken.
Druckmessumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Einlass um eine entfernt angeordnete oder Remote-Dichtung handelt, welche derart ausgelegt ist, dass sie heisses Prozessfluid aufnimmt, und dass der Einlass von dem heissen Prozessfluid wärmeisoliert ist.
Druckmessumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass ein Fluid-Trennglied (160) aufweist.
Druckmessumformer nach Anspruch 1 und welcher weiter Folgendes aufweist: eine Leiterplatte, welche mit den Druck- und Temperatursensoren sowie der Primärwärme-Belastungsvorrichtung gekoppelt ist, wobei die Leiterplatte derart konfiguriert ist, dass sie den Strom zur Bereitstellung einer temperaturkompensierten, hochgenauen Druckwiedergabe steuert.
Druckmessumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärwärme-Belastungsvorrichtung einen Transistor einschließt, welcher einen Teil des gesteuerten Stroms leitet, und mit der Anschluss- oder Verbindungsschale über eine Wärmesenke verbunden ist, wobei die integrale Wand eine Länge aufweist, die ausreicht, um den Wandler thermisch von dem Transistor zu trennen.