Die vorliegende Erfindung betrifft einen Differenzdruckmessaufnehmer mit Überlastschutz. Gattungsgemäße Differenzdruckmessaufnehmer umfassen gewöhnlich einen Messwerkkörper mit einer ersten Druckeingangsöffnung und einer zweiten Druckeingangsöffnung, von der sich jeweils ein hydraulischer Pfad zu einem Differenzdruckmesswandler erstreckt, um den Differenzdruckmesswandler mit dem ersten Druck und dem zweiten Druck zu beaufschlagen, deren Differenz durch den Differenzdruckmesswandler zu messen ist. Ein Differenzdruckmesswandler weist allgemein einen Verformungskörper, insbesondere eine Messmembran auf, deren Seiten jeweils mit einem der beiden Drücke beaufschlagbar ist, so dass die Messmembran eine von der Differenz der beiden Drücke abhängige, elastische Verformung aufweist. Die Druckeingangsöffnungen des Messwerkkörpers sind gewöhnlich durch flexible metallische Trennmembranen unter Bildung von Trennmembrankammern verschlossen, welche jeweils einen an einer Außenseite der Trennmembran anstehenden Druck in die Trennmembrankammern und den angeschlossenen hydraulischen Pfad einleiten. Bei Messwerken mit koplanaren Druckeingangsöffnungen liegen die Druckeingänge nebeneinander auf einer Prozessanschlussfläche des Messwerkkörpers. Solche Messwerke mit koplanaren Druckeingängen sind beispielsweise in EP 0 370 013 B1 , EP 0 560 875 B1 , EP 0 774652 B2, EP 1 216 404 B1 und WO 2014/095417 A1 offenbart. Differenzdruckmesszellen sind gewöhnlich darauf optimiert geringe Druckdifferenzen p1-p2 bei großen statischen Drücken p1 , p2 zu messen. Hierbei ist es wichtig, die richtige Balance zwischen Empfindlichkeit und Überlastfestigkeit zu finden. So kann beispielsweise für den Messbereich der Druckdifferenz |p1-p2| gelten

2 |p1-p2|/(p1+p2) < 1%.

Wenn in einer Prozessanlage einer der Drücke p1 , p2 entfällt, wird die Messzelle mit dem 100-fachen des Messbereichs belastet, was den Druckmesswandler zerstören könnte, weshalb er zu schützen ist. Ein bewährter Schutz beruht darauf, eine beidseitig auslenkbare Überlastmembran zum Messzelle parallel zu schalten. Eine solche Überlastmembran weist eine hinreichend große hydraulische Kapazität auf, um im Falle einer einseitigen Überlast das Volumen einer Übertragungsflüssigkeit in einem hydraulischen Pfad so weit aufzunehmen, dass die Trennmembran dieses hydraulischen Pfads an einem Membranbett zur Anlage kommt, so dass ein weiterer Anstieg des auf die Differenzdruckmesszelle wirkenden Differenzdrucks zuverlässig verhindert ist. Beispiele für Differenzdruckmessaufnehmern mit beidseitig wirksamen Überlastmembranen sind in EP 1 299 701 B1 , DE 102006 040 325 A1 , DE 102006 057 828 A1 , WO 2014/095417 A1 und US 10,627,302 B2 offenbart.

Als Alternative zu einer beidseitig auslenkbaren Überlastmembran sind zwei entgegengesetzt vorgespannte Überlastmembranen beschrieben, die jeweils auf eine einseitige Überlast reagieren, wie in DD 279 065 A1 , DD 287 328 A5, DD 290 716 A5, DE 32 22620 A1 und US 10,656,039 B2 beschrieben ist. Um dieses Prinzip zuverlässig umzusetzen, muss gewährleistet werden, dass die Überlastmembran möglichst erst bei Druckdifferenzen außerhalb des Messbereichs ausgelenkt werden, wobei der erforderliche Volumenhub der Überlastmembran dann dem gesamten Volumen der Trennmembrankammer entspricht, wobei durch die erforderliche Auslenkung allenfalls vernachlässigbare plastische Verformungen auftreten dürfen. Weiterhin soll die Überlastmembran die Trennmembran im Fall einer einseitigen Überlast auf der Hochdruckseite abstützen, wenn alles Öl aus der hochdruckseitigen Trennmembrankammer verdrängt ist, um eine plastische Verformung der Trennmembran zu verhindern. Hierzu muss die Überlastmembran eine der Kontur der Trennmembran entsprechende Kontur aufweisen, die beispielsweise durch Prägen einer Überlastmembranronde mit einer Matrize präpariert wird, wie dies für die Überlastmembranen gemäß US 10,656,039 B2 der Fall sein dürfte. Die resultierende Wellenkontur der Überlastmembran soll nach US 10,656,039 B2 zudem einen größeren axialen Hub aufweisen als eine koaxiale Wellenkontur an der Oberfläche des Messwerkkörpers, an welcher die Überlastmembran abschnittsweise anliegt. Dies erfordert erstens einen sehr aufwändigen Herstellungsprozess und zweitens sind die verschiedenen Anforderungen an die Überlastmembran kaum miteinander vereinbar, insbesondere dann, wenn der Differenzdruckmessaufnehmer so kompakt gebaut sein soll, dass er zürn koplanaren Prozessanschluss des Differenzdruckmessaufnehmers 3051 der Firma Rosemount kompatibel ist. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Differenzdruckmessaufnehmer bereitzustellen, der einen zuverlässigen Überlastschutz gewährleistet. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Differenzdruckmessaufnehmer nach Patentanspruch 1 .

Der erfindungsgemäße Differenzdruckmessaufnehmer mit Überlastschutz, umfasst: einen Messwerkkörper; eine erste Trennmembran; eine zweite Trennmembran; eine erste Überlastmembran; eine zweite Überlastmembran; einen Differenzdruckmesswandler zum Wandeln einer Druckdifferenz in ein elektrisches Signal; einen ersten hydraulischen Pfad; und einen zweiten hydraulischen Pfad; wobei die erste Überlastmembran unter Bildung einer ersten Überlastkammer mit variablem Volumen entlang eines umlaufenden ersten Überlastmembranrandes mit dem Messwerkkörper verbunden ist; wobei die zweite Überlastmembran unter Bildung einer zweiten Überlastkammer mit variablem Volumen entlang eines umlaufenden zweiten Überlastmembranrandes mit dem Messwerkkörper verbunden ist; wobei die erste Trennmembran unter Bildung einer ersten Trennmembrankammer entlang eines umlaufenden ersten Trennmembranrandes mit dem Messwerkkörper verbunden ist, wobei die erste Überlastmembran zwischen dem Messwerkkörper und der ersten T rennmembran eingeschlossen ist; wobei die zweite T rennmembran unter Bildung einer zweiten Trennmembrankammer entlang eines umlaufenden zweiten Trennmembranrandes mit dem Messwerkkörper verbunden ist, wobei die zweite Überlastmembran zwischen dem Messwerkkörper und der zweiten Trennmembran eingeschlossen ist; wobei die erste Trennmembrankammer über den ersten hydraulischen Pfad, der zumindest abschnittsweise durch den Messwerkkörper verläuft, mit der zweiten Überlastkammer hydraulisch verbunden ist; wobei die zweite Trennmembrankammer über den zweiten hydraulischen Pfad, der zumindest abschnittsweise durch den Messwerkkörper verläuft, mit der ersten Überlastkammer hydraulisch verbunden ist; wobei der Differenzdruckmesswandler mit der ersten Trennmembrankammer und der zweiten Trennmembrankammer hydraulisch verbunden ist; wobei die erste Überlastmembran eine erste Basisfläche aufweist, welche einer ersten Gegenfläche in der ersten Überlastkammer zugewandt ist; wobei die zweite Überlastmembran eine zweite Basisfläche aufweist, welche einer zweiten Gegenfläche in der zweiten Überlastkammer zugewandt ist; wobei die erste Überlastmembran im betriebsbereiten Zustand bei Druckgleichgewicht, also einer Druckdifferenz von Null gegen die erste Gegenfläche vorgespannt ist, so dass die erste Basisfläche zumindest abschnittsweise an der ersten Gegenfläche anliegt; wobei die zweite Überlastmembran gegen die zweite Gegenfläche vorgespannt ist, so dass die zweite Basisfläche zumindest abschnittsweise an der zweiten Gegenfläche anliegt; wobei die erste Überlastmembran eine radial veränderliche erste Materialstärke h(r) aufweist; und wobei die zweite Überlastmembran eine radial veränderliche erste Materialstärke h(r) aufweist.

In einer Weiterbildung der Erfindung weist die erste Überlastmembran eine der Trennmembran zugewandte Membranbettfläche mit einer durch spanende oder umformende Bearbeitung präparierten Kontur k(r) auf. Diese Art der Präparation gewährt mehr Freiheitsgrade als das übliche Abprägen eines Membranrohlings auf einer Matrize, wobei naturgemäß der axiale Abstand zwischen lokalen Maxima und benachbarten lokalen Minima durch die ursprüngliche Stärke des Materials der Überlastmembran beschränkt ist.

In einer Weiterbildung der Erfindung weist die Materialstärke h(r) der ersten Überlastmembran in einem radialen Bereich 0 < r < 0,9 R, lokale Maxima und Minima auf, wobei eine Differenz zwischen einem lokalen Maximum und einem lokalen Minimum der Materialstärke der Überlastmembran nicht weniger als zwei, insbesondere nicht weniger als drei Materialstärken der ersten Trennmembran beträgt, und/oder wobei ein Betrag einer Differenz eines lokalen Maximums der Materialstärke der Überlastmembran und einer über den radialen Bereich entlang des Radius gemittelten Materialstärke der Überlastmembran nicht weniger als eine Materialstärke, insbesondere nicht weniger als drei halbe Materialstärken der Trennmembran beträgt.

In einer Weiterbildung der Erfindung weist die Materialstärke h(r) der Überlastmembran nicht weniger als 4, insbesondere nicht weniger als 6 lokale Maxima auf. In einer Weiterbildung der Erfindung weist die erste Überlastmembran eine der ersten Gegenfläche zugewandte erste Basisfläche und eine der ersten Trennmembran zugewandte erste Membranbettfläche auf, wobei die erste Membranbettfläche eine erste Membranbettkontur mit einer axialen Koordinate k(r) aufweist um die erste Trennmembran im Falle einer einseitigen Überlast abzustützen, wobei im betriebsbereiten Zustand bei Druckgleichgewicht, also einer Druckdifferenz von Null für die zweite Ableitung der axialen Koordinate k(r) der ersten Membranbettkontur nach dem Radius d ² k/dr ² und die zweite Ableitung der ersten Materialstärke h(r) der ersten Überlastmembran nach dem Radius d ² h/dz ² gilt: wobei g ein Faktor ist, der eine Schranke für die Integration definiert, wobei gilt 0,9 < g < 1 wobei T eine dimensionslose Kennzahl ist, die nicht weniger als 0,9 und insbesondere nicht weniger als 0,95 beträgt.

In einer Weiterbildung der Erfindung weist die erste Basisfläche eine axiale Koordinate b(r) auf, wobei im betriebsbereiten Zustand bei Druckgleichgewicht, also einer Druckdifferenz von Null für die zweite Ableitung der axialen Koordinate b(r) nach dem Radius d ² b/dr ² gilt: wobei U eine dimensionslose Kennzahl ist, die nicht mehr als 0,2, beispielsweise nicht mehr als 0,1 und insbesondere nicht mehr als 0,05 beträgt.

In einer Weiterbildung der Erfindung weist die erste Überlastmembran, einen ersten zentralen Bereich (C) auf, dessen äußerer Radius r nicht weniger als 30% insbesondere nicht weniger als 40% des Radius R der Überlastmembran beträgt, wobei an den zentralen Bereich (C) ein erster Übergangsbereich (B) anschließt, der sich über nicht weniger als 20%, beispielsweise nicht weniger als 30% des Radius (R) der ersten Überlastmembran erstreckt, wobei die axiale Koordinate der Basisfläche b(r) im nicht eingebauten Gleichgewichtszustand der ersten Überlastmembran im erste Übergangsbereich (B) eine größere mittlere dimensionslose Steigung R / hmax(B) • db(r)/dr aufweist als der erste zentrale Bereich, wobei h _ma x(B) die maximale Stärke der Überlastmembran im Übergangsbereich (B) ist. In einer Weiterbildung der Erfindung beträgt eine mit linearer Regression im nicht eingebauten Gleichgewichtszustand der ersten Überlastmembran ermittelte dimensionslose mittlere Steigung R / h _ma x(B) • db(r)/dr des ersten Übergangsbereichs nicht weniger als 1 ,5 insbesondere nicht weniger als 2.

In einer Weiterbildung der Erfindung weist der erste Übergangsbereich (B) im nicht eingebauten Gleichgewichtszustand der ersten Überlastmembran eine Kegelstumpfform auf.

In einer Weiterbildung der Erfindung schließt an den ersten Übergangsbereich radial auswärts ein erster Randbereich (A) an, wobei der erste Randbereich im nicht eingebauten Gleichgewichtszustand der ersten Überlastmembran eine mittlere Steigung 1/(h R) dz(r)/dr aufweist, die nicht mehr als ein Viertel, beispielsweise nicht mehr als ein Achtel der mittleren Steigung des Übergangsbereichs beträgt.

In einer Weiterbildung der Erfindung weist die erste Basisfläche im nicht eingebauten Zustand der ersten Überlastmembran eine Gleichgewichtsform auf, für deren radiusabhängige axiale Koordinate g(r) eine mit linearer Regression ermittelte Gleichgewichtsnäherungsfunktion GN(r) existiert; wobei die erste Basisfläche im eingebauten betriebsbereiten Zustand der Überlastmembran eine Form aufweist, für deren radiusabhängige axiale Koordinate b(r) eine mit linearer Regression ermittelte Betriebsnäherungsfunktion BN(r) existiert; wobei die Steigung der Betriebsnäherungsfunktion BN(r) nicht mehr als drei Viertel, und insbesondere nicht mehr als die Hälfte der Steigung der Gleichgewichtsnäherungsfunktion GN(r) beträgt.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist für den Differenzdruckmessaufnehmer ein Differenzdruckmessbereich spezifiziert, wobei die erste Überlastmembran in einem solchen Maß gegen die Gegenfläche vorgespannt ist, dass bei einer Temperatur von 300 K und einem Differenzdruck, der dem Maximalwert des Differenzdruckmessbereichs entspricht, ein Volumenhub der ersten Überlastmembran nicht mehr als 10% insbesondere nicht mehr als 5% des bei Druckgleichgewicht und Normaldruck in der zweiten Trennmembrankammer enthaltenen Ölvolumens entspricht.

In einer Weiterbildung der Erfindung weist die erste Überlastmembran einen Stahl, insbesondere einen kalt gewalzten Stahl der Sorte 1.4310 oder 1.8159 auf.

In einer Weiterbildung der Erfindung In einer Weiterbildung der Erfindung ist die die erste Überlastmembran erhältlich durch ein Verfahren, das Vergüten, also Glühen und Abschrecken umfasst. In einer Weiterbildung der Erfindung weist die erste Überlastmembran einen wirksamen Durchmesser von nicht mehr als 27 mm, insbesondere nicht mehr als 25 mm auf. Der wirksame Durchmesser begrenzt den auslenkbaren Bereich der Überlastmembran. Er ist durch einen Innenrand einer Fügestelle definiert, mit dem die Überlastmembran am Gegenkörper befestigt ist.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist die zweite Überlastmembran im Wesentlichen baugleich mit der ersten Überlastmembran.

In einer Weiterbildung der Erfindung verlaufen die Gegenflächen jeweils im Wesentlichen parallel zu den Basisflächen der Überlastmembranen.

In einer Weiterbildung der Erfindung betragen die zwischen den Gegenflächen und den Basisflächen eingeschlossenen im betriebsbereiten Zustand bei Druckgleichgewicht, also einer Druckdifferenz von Null jeweils nicht mehr als 20 pl, insbesondere nicht mehr als 10 pl.

In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Messwerkkörper eine Prozessanschlussfläche mit einer ersten Drucköffnung und einer zweiten Drucköffnung auf, wobei die erste Trennmembran durch die erste Drucköffnung mit einem ersten Mediendruck beaufschlagbar ist, und wobei die zweite Trennmembran durch die zweite Drucköffnung mit einem zweiten Mediendruck beaufschlagbar ist, und wobei die beiden T rennmembranen koplanar zueinander angeordnet sind.

In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Messwerkkörper eine erste Membranträgerfläche und eine zweite Membranträgerfläche auf, wobei die erste Trennmembran auf der ersten Membranträgerflächen und die zweite Trennmembran 240 auf der zweiten Membranträgerfläche angeordnet ist, wobei die beiden Membranträgerflächen einander abgewandt sind.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Wirkprinzips des erfindungsgemäßen Differenzdruckmessaufnehmers;

Fig. 2a: einen Längsschnitt einer Überlastmembran in der Gleichgewichtslage;

Fig. 2b: einen Längsschnitt einer über dem Gegenkörper positionierten Überlastmembran in der Gleichgewichtslage;

Fig. 2c: einen Längsschnitt einer Trennmembrankammer und einer Überlastkammer im betriebsbereiten Zustand bei Druckgleichgewicht, also einer Druckdifferenz von Null; Fig. 2d: einen Längsschnitt einer Trennmembrankammer und einer Überlastkammer im Überlastfall;

Fig. 3a: ein Diagramm des Volumenhubs der Überlastmembran als Funktion einer Druckdifferenz an der Überlastmembran;

Fig. 3b: ein Diagramm der maximalen mechanischen Spannungen der Überlastmembran als Funktion einer Druckdifferenz an der Überlastmembran.

Die schematische Darstellung in Fig. 1 zeigt, wie die verschiedenen Komponenten eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Messaufnehmers hydraulisch gekoppelt sind, um ihre Wirkung zu entfalten. Der Differenzdruckmessaufnehmer 100 weist einen metallischen Messwerkkörper 110 auf, an dem, eine erste Trennmembran 130 und eine zweite Trennmembran 140 unter Bildung einer ersten bzw. zweiten Trennmembrankammer 132, 142 mit einer umlaufenden Fügestelle befestigt sind. Innerhalb der Trennmembrankammern 132, 142, ist jeweils eine erste bzw. zweite Überlastmembran 150, 170 angeordnet, die unter Bildung einer ersten bzw. zweiten Überlastkammer 152, 172 mit einer umlaufenden Fügestelle an dem Messwerkkörper 110 befestigt sind. Die beiden Trennmembranen 130, 140 weisen einen Stahl insbesondere einen Edelstahl oder Federstahl in einer Materialstärke von weniger als 100 pm, beispielsweise 30 pm auf, wobei den Membranen eine Kontur aufgeprägt, um die Linearität des Zusammenhangs einer Druckdifferenz zwischen den beiden Trennmembran und dem resultierenden Volumenhub der Trennmembran zu verbessern. Der Durchmesser der Trennmembranen kann beispielsweise 25 bis 30 mm betragen. Im Ergebnis sind die Trennmembranen sehr weich und können mit geringen geringen Druckdifferenzen abhängig von deren Vorzeichen zu beiden Seiten hin ausgelenkt werden.

Die beiden Überlastmembranen 150, 170 weisen einen etwas kleineren Durchmesser auf als die Trennmembranen 130, 140, wobei der wirksame Durchmesser insbesondere 22 bis 26 mm betragen kann. Sie weisen zudem eine größere Ausgangsmaterialstärke auf, je nach Messbereich beispielsweis 200 bis 1000 pm, im Beispiel 700 pm, so dass die Überlastmembranen 150, 170 um ein Vielfaches, steifer sind als die Trennmembranen 130, 140, insbesondere mehr als das 1000- fache. Zudem sind die Überlastmembranen 150, 170, gegen den Messwerkkörper 110 vorgespannt, so dass erstens eine Auslenkung zum Messwerkkörper 110 hin nicht möglich ist und zweitens eine Auslenkung vom Messwerkkörper 110 weg erst dann erfolgt, wenn die Druckdifferenz zwischen der Überlastkammer und der angrenzenden T rennmembrankammer ausreicht, um die Vorspannung der Überlastmembran zu überwinden. Die Überlastmembranen 150, 170 weisen jeweils auf ihrer einer Trennmembran 130, 140 zugewandten Seite ein konturiertes Membranbett auf, um die Trennmembran 130, 140 im Überlastfall abzustützen.

Die Trennmembrankammern 130, 140 und die Überlastkammern 152, 172 sind über hydraulische Pfade gekoppelt, wie folgt. Von der ersten Trennmembrankammer 132 erstreckt sich ein erster hydraulischer Pfad 200, der zumindest abschnittsweise Bohrungen in dem Messwerkkörper 110 umfasst, zur zweiten Überlastkammer 172. Entsprechend erstreckt sich ein zweiter hydraulischer Pfad 210, der zumindest abschnittsweise Bohrungen in dem Messwerkkörper umfasst 110, zur zweiten Überlastkammer 172. Entsprechend erstreckt sich von der zweiten Trennmembrankammer 142 ein zweiter hydraulischer Pfad 210 zur ersten Überlastkammer 152.

Der Differenzdruckmessaufnehmer 100 umfasst weiterhin einen Differenzdruckmesswandler 190, beispielweise eine (piezo-)resistiven Messwandler oder einen kapazitiven Messwandler, der über erste und zweite Kapillarleitungen 202, 212 mit dem ersten hydraulischen Pfad and die beiden hydraulischen Pfade 202, 212 angeschlossen ist, um eine Druckdifferenz zwischen den beiden hydraulischen Pfaden zu erfassen und ein diese Druckdifferenz repräsentierendes elektrisches Primärsignal bereitzustellen.

Für den Differenzdruckmesswandler 190, ist ein Messbereich definiert, der gewöhnlich kleiner ist als ein maximaler Differenzdruck, dem der Differenzdruckmesswandler 190 standhalten kann. Die Vorspannung der Überlastmembranen 150, 170 ist so gewählt, dass sie bei Druckdifferenzen innerhalb des Messbereichs allenfalls vernachlässigbar gering ausgelenkt werden. Wenn jedoch eine Druckdifferenz den Messbereich übersteigt, setzt die Auslenkung der Überlastmembran auf der Seite des kleineren Drucks ein, um Volumen der Übertragungsflüssigkeit der hochdruckseitigen Trennmembrankammer aufzunehmen, so dass die hochdruckseitige Trennmembran an dem hochdruckseitigen Membranbett zur Anlage kommt, wodurch ein weiterer Anstieg der Druckdifferenz am Differenzdruckmesswandler verhindert ist. Die Überlastmembran ist dabei so dimensioniert, dass dieser Zustand eintritt, bevor die Festigkeitsgrenzen des Differenzdruckmesswandlers erreicht werden.

In der Zeichnung sind die Trennmembranen 130, 140 und Überlastmembranen 150, 170 durch Kreisbögen dargestellt. Diese Darstellung hat nichts mit ihrer konkreten Gestalt zu tun, da es in Fig. 1 nur um die funktionale Anordnung der Komponenten des Differenzdruckmessaufnehmers zueinander geht.

Fign. 2a bis 2d zeigen ein Ausführungsbeispiel einer Überlastmembran 150 eines erfindungsgemäßen Differenzdruckmessaufnehmers in verschiedenen Einbau- und Betriebssituationen. In Fig. 2a ist die freie Überlastmembran 150 im Gleichgewichtszustand, also frei von äußeren Kräften und Momenten gezeigt. Die Überlastmembran ist im wesentlichen Rotationssymmetrisch um die Achse Z. Sie weist einen Radius R zwischen 11 mm und 14 mm auf und hat eine maximale Materialstärke h _ma x von 0,6 mm bis 0,8 mm. Die Überlastmembran 150 weist einen planaren Zentralbereich C und einen planaren Randbereich A auf, wobei sich zwischen beiden ein insbesondere zumindest abschnittsweise kegelstumpfförmiger Übergangsbereich B erstreckt. Die Überlastmembran 150 weist daher eine Basisfläche 150 auf, deren axiale Koordinate b(r) im Gleichgewichtszustand im Zentralbereich konstant ist, beispielsweise Null, und die im Übergangsbereich B gleichmäßig ansteigt auf einen Wert, der etwa 60% bis 80% der maximalen Materialstärke hmax der Überlastmembran 150 beträgt. Dieser Wert für b(r) ist dann im Randbereich A konstant und entspricht damit auch dem Wert b(R) am Radius R. Der Übergangsbereich B beginnt bei einem Radius R _k der etwa die Hälfte des Radius R beträgt. Die der Basisfläche 155 abgewandte Oberseite der Überlastmembran weist ein Membranbett mit einer (hier wellenförmigen) Kontur k(r) auf, die durch spanende oder umformende Bearbeitung präpariert ist. Die Tiefe der Kontur beträgt hier bis zu etwas mehr als die Hälfte der maximalen Materialstärke hmax der Überlastmembran 150. Dem entsprechend beträgt die minimale Materialstärke hmin der Überlastmembran 150, etwas weniger als die maximalen Materialstärke hmax. Die Materialstärke h(r) als Funktion des Radius ergibt sich als Differenz der Kontur k(r) und der axialen Koordinate der Basisfläche b(r), also h(r) = k(r) - b(r). Es ist ersichtlich, dass die Materialstärke h(r) mit der Kontur k(r) und praktisch nicht durch b(r) beeinflusst ist. Es wird also mit dem Verlauf der Koordinate b(r) der Basisfläche die elastische Charakteristik der Membran grundsätzlich vorgegeben, wobei die unabhängig davon gestaltete Kontur k(r) dazu dient, einerseits das Membranbett zu bilden und andererseits die Spannungen und Steifigkeit der Überlastmembran zu modellieren.

Fig. 2b zeigt die Überlastmembran 150 über der Gegenfläche 115 eines Messwerkkörpers 110. Hier kommt es im Wesentlichen darauf an, dass die Gegenfläche nicht planar ist, sondern im Zentrum ein Maximum aufweist und nach außen abfällt. Dieser Verlauf der Gegenfläche entspricht ungefähr einer Biegelinie der Überlastmembran 150, wenn die Überlastmembran 150 auf einer planaren Unterlage aufliegt und mit der Basisfläche im Randbereich gegen die planare Unterlage gespannt wird. Tatsächlich wirkt nur in der Umgebung des Radius R _k ein Druck auf die Unterlage. Wenn das Zentrum der Gegenfläche 115 also genau der Biegelinie der Basisfläche bei oben beschriebenen Verformung folgt, wird die Überlastmembran dadurch noch nicht abgestützt. Erst eine weitere Erhöhung des Zentrums der Gegenfläche 115 entlastet die Überlastmembran in der Umgebung des Radius R _k . Unbeschadet der Frage, ob diese Entlastung erstrebenswert ist, ist eine Annäherung der Gegenfläche 115 an die Biegelinie b(r) erstrebenswert, um die Menge an Übertragungsflüssigkeit in der Überlastkammer zu minimieren. Diesen Erwägungen folgend ist die Gegenfläche 115 gestaltet.

Fig. 2c zeigt einen Ausschnitt des erfindungsgemäßen Differenzdruckmessaufnehmers (100) im betriebsbereiten Zustand bei Druckgleichgewicht. Die Überlastmembran ist 150 ist über einer gemäß den obigen Überlegungen geformten Gegenfläche 115 gespannt und in ihrem Randbereich mit einer umlaufenden Schweißnaht 154 am Messwerkkörper 100 befestigt, so dass zwischen der Überlastmembran 150 und dem Messwerkkörper 100 eine Überlastkammer 152 gebildet ist, die jedoch bei Druckgleichgewicht durch die Vorspannung der Überlastmembran 150 bis auf ein hier nicht dargestelltes Restvolumen zusammengedrückt ist. Über der Überlastmembran 150 ist eine Trennmembran 130 angeordnet die mit einer umlaufenden Schweißnaht 134 am Messwerkkörper 110 fixiert ist, wobei zwischen Messwerkkörper 110 und der Trennmembran 130 eine Trennmembrankammer 132 gebildet ist. Die Trennmembran 130 ist auf dem Membranbett 153 der Überlastmembran abgeprägt. Die Trennmembrankammer 132 kommuniziert ist mit einer hydraulischen Übertragungsflüssigkeit gefüllt und kommuniziert über einen ersten hydraulischen Pfad 210 mit einer zweiten Überlastkammer 172 die baugleich mit der ersten Überlastkammer 152 ist. Die erste Überlastkammer 152 kommuniziert über einen zweiten hydraulischen Pfad 212 mit einer zweiten Trennmembrankammer 142, die baugleich mit der ersten Trennmembrankammer 132 ist.

Fig. 2d zeigt schließlich den Überlastfall, wenn die Differenz zwischen dem Druck in der zweiten Trennmembrankammer 142 bzw. im zweiten hydraulischen Pfad 212 und dem Druck in der ersten Trennmembrankammer 132 einen Grenzwert außerhalb eines für den Differenzdruckmessaufnehmer spezifizierten Messbereich übersteigt. In diesem Fall wird die erste Überlastmembran ausgelenkt und nimmt ein aus der zweiten Trennmembrankammer 142 verdrängtes Volumen an Übertragungsflüssigkeit auf, so dass die zweite Trennmembran an der zweiten Überlastmembran zur Anlage kommt.

Um eine zuverlässige Auslenkung der Überlastmembran 150 zu erleichtern, ist es vorteilhaft, wenn die Gegenfläche 115 der Biegelinie der Basisfläche 155 bei Druckgleichgewicht nur näherungsweise folgt, sodass immer noch eine Restmenge Übertragungsflüssigkeit in der Überlastkammer 152 verbleibt, um den Druck auf die Überlastmembran 150 zu übertragen. Zur Unterstützung können Kanäle in Form von Nuten in der Gegenfläche und/oder der Basisfläche präpariert sein, um die Verteilung der Übertragungsflüssigkeit unter der Überlastmembran zu erleichtern.

Die Diagramme in Fign. 3a und 3b zeigen Ergebnisse von FEM-Berechnungen zur Überlastmembran aus Fign. 2a bis 2d. Die Überlastmembran weist hierbei einen Federstahl der Sorte 1.8159 auf mit einem experimentell bestimmten Elastizitätsmodul von 195 GPa und einem R _P 02 von 1 ,3 GPa. Die Ausgangsmaterialstärke h _ma x wurde mit 700 pm angesetzt und der wirksame Durchmesser der Überlastmembran mit 23,6 mm. Fig. 3a zeigt den Volumenhub der Überlastmembran als Funktion eines Differenzdrucks zwischen den beiden Seiten der Überlastmembran. Demnach ist der Volumenhub bis zu einem Differenzdruck von etwa 1 ,8 MPa praktisch vernachlässigbar, um dann im Überlastfall sprunghaft anzusteigen, so dass er bei etwa 3,9 MPa etwa 55 pl erreicht. Dies reicht aus, um das vollständige Volumen an Übertragungsflüssigkeit aus der mit der Überlastkammer verbundenen T rennmembrankammer aufzunehmen, um damit einen weiteren Anstieg des Differenzdrucks zu verhindern und den Differenzdruckmesswandler zu schützen. Es hat sich gezeigt, dass es vorteilhaft ist, die Überlastmembran vor der Inbetriebnahme des Differenzdruckmessaufnehmers, beispielsweise bei der Befüllung des Messwerks mit Übertragungsflüssigkeit, einmal mit einem solchen einseitigen Überlastdruck zu beaufschlagen, der den maximal erforderlichen Volumenhub herbeiführt. Dies führt zu leichten Modifikationen der Kennlinie des Volumenhubs als Funktion des Differenzdrucks. Die Überlastmembran wird also marginal plastisch verformt. Die durchgezogene Kennlinie in Fig. 3a repräsentiert diese erste Auslenkung der Überlastmembran, während die gestrichelte Kennlinie für alle weiteren Auslenkungen gilt. Der Effekt dieser ersten Auslenkung wird in Fig. 3b deutlich, welche Resultate von FEM-Berechnungen zu den maximalen Von-Mises-Spannungen in der Überlastmembran als Funktion des Differenzdrucks zeigt. Wiederum gilt die durchgezogene Linie für die erste Auslenkung der Überlastmembran, während die gestrichelte Linie alle weiteren Auslenkungen beschreibt. Bei der ersten Auslenkung sind Spannungsspitzen erkennbar, welche R _p0 2 für den Werkstoff der Überlastmembran überschreiten. Dies führt zu minimalen plastischen Verformungen der Überlastmembran bei der ersten Auslenkung. Bei wiederholten Auslenkungen sind die Spannungsspitzen jedoch weitgehend eliminiert, weshalb damit eine konstante Beziehung zwischen Volumenhub und Differenzdruck erreicht ist. Damit kann der Differenzdruckmesswandler zuverlässig gegen einseitige Überlasten geschützt werden.