DE102009027592A1

DE102009027592A1 - Drucksensor mit interferometrischem Wandler und Druckmessgerät mit einem solchen Drucksensor

Info

Publication number: DE102009027592A1
Application number: DE102009027592A
Authority: DE
Inventors: Udo Grittke; Dietmar Dr. Frühauf; Eberhard Manske
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2009-07-09
Filing date: 2009-07-09
Publication date: 2011-05-12
Also published as: WO2011003730A1; EP2452173A1

Abstract

Ein Drucksensor 1 umfasst einen keramischen Grundkörper 2; eine Messmembran 3, welche Al2O3 aufweist, und welche mit dem Grundkörper entlang einer umlaufenden Fügestelle 4 druckdicht gefügt ist; mindestens ein Sensorinterferometer, wobei das mindestens eine Sensorinterferometer mindestens eine erste Reflexionsfläche 5, 6, und eine zweite Reflexionsfläche 6, 7 aufweist, zum Erzeugen eines messgrößenabhängigen Gangunterschieds zwischen der ersten und der zweiten Reflexionsfläche, wobei die Messmembran 3 mindestens eine der Reflexionsflächen 5, 6, 7 aufweist; mindestens einen Lichtpfad 9, durch welchen Licht durch den Grundkörper 2 zur ersten und zweiten Reflexionsfläche verlaufen kann, und welcher im Wesentlichen senkrecht zu der ersten und der zweiten Reflexionsfläche und senkrecht zur Ebene der Messmembran verläuft.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drucksensor mit einem interferometrischen Wandler, insbesondere einen Druck- und Temperatursensor mit einem interferometrischen Wandler für die industrielle Prozessmesstechnik, und ein Druckmessgerät mit einem Solchen Drucksensor.
Das Europäische Patent EP 1 078 227 B1 betrifft ein optisch adressierbares Sensorsystem auf Basis eines Weißlichtinterferometers, welches zur Realisierung eines Drucksensors oder eines Temperatursensors eingesetzt wird. Insoweit als dieses Sensorelement auf einem Siliziumsubstrat aufbaut, ist es jedoch nicht für die industrielle Prozessmesstechnik geeignet, da Silizium nicht über die gewünschte Medienbeständigkeit verfügt.
Sensoren aus Silizium, die in den meisten Fällen einen piezoresistiven oder kapazitiven Wandler umfassen, werden gewöhnlich über einen Druckmittler mit einem zu messenden Prozessdruck beaufschlagt. Dieser weit verbreitete Ansatz weist jedoch in zweierlei Hinsicht Einschränkungen auf. Ein Druckmittler umfasst einen geschlossenen hydraulischen Pfad, der sich zwischen einer mit dem Messmedium beaufschlagbaren metallischen Trennmembran und dem Sensorelement erstreckt und mit einer Übertragungsflüssigkeit, beispielsweise einem Silikonöl, gefüllt ist. Nun dehnt sich das Volumen der Übertragungsflüssigkeit temperaturabhängig aus, was eine Auslenkung der Trennmembran und damit einen Messfehler in Abhängigkeit der Membransteifigkeit bewirkt.
Ein von dem Sensorelement gelieferter Temperaturmesswert ist insoweit fehlerhaft, als er durch den Druckmittler vom Prozessmedium getrennt ist. Ein Druckmittler dient häufig zur thermischen Entkopplung des Sensorelements, weshalb die Temperatur bestenfalls ein Schätzwert sein kann.
Schließlich würde die Übertragungsflüssigkeit beim Ausfall der Trennmembran in ein Messmedium eindringen und dieses kontaminieren.
Andererseits sind durchaus „trockene” Drucksensoren bekannt, beispielsweise keramische Drucksensoren, deren Messmembran medienberührend ist, und die deshalb keine Übertragungsflüssigkeit enthalten. Zudem enthalten diese Drucksensoren, die gewöhnlich einen keramischen Grundkörper und eine keramische Messmembran aufweisen, auf der Rückseite des Grundkörpers einen Temperatursensor, dessen Messwert aber bereits durch einen Temperaturgradienten zwischen Messmedium und Umgebung verfälscht sein kann.
Die Offenlegungsschrift DE 100 44 078 A1 offenbart einen kapazitiven keramischen Drucksensor, bei dem die Messmembran mittels eines dünnen Glasrings mit dem Grundkörper gefügt ist, wobei in dem Glasring ein Temperatursensor angeordnet ist. Das Signal dieses Temperatursensors liefert im Vergleich mit einem Temperatursensor auf der Rückseite des Grundkörpers Informationen über einen Temperaturgradienten dem der Drucksensor ausgesetzt ist, was eine Kompensation von Druckmessfehlern aufgrund von mechanischen Spannungen, die durch den Temperaturgradienten bedingt sind, ermöglicht. Die Anordnung des Temperatursensors in dem Glasring stellt einerseits aufgrund der in das Glas eingebrachten Materialinhomogenität ein Stabilitätsrisiko für die Verbindung zwischen der Messmembran und dem Grundkörper dar, und andererseits ist der Temperatursensor bereits in einem Gradientenfeld angeordnet, so dass die Temperatur nicht mehr mit der Medientemperatur identisch ist.
Keramische Drucksensoren mit kapazitiven Wandlern weisen zwar grundsätzlich eine beachtliche Temperaturbeständigkeit auf, jedoch sind die Primärsignale der kapazitiven Wandler sehr störanfällig, weshalb nahe an diesem Wandler, beispielsweise auf der Rückseite des Grundkörpers, eine Vorverarbeitungsschaltung vorzusehen ist, welche die Primärsignale zu robusteren Signalen aufbereitet. Diese Vorverarbeitungsschaltung begrenzt wiederum den möglichen Temperatureinsatzbereich der keramischen Drucksensoren.
Es ist die Aufgabe der Erfindung einerseits einen medienberührenden Drucksensor mit einem verbesserten Temperatureinsatzbereich und ein Druckmessgerät mit einem solchen Drucksensor bereitzustellen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Drucksensor gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 und das Druckmessgerät gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 15.
Der erfindungsgemäße Drucksensor umfasst
einen keramischen Grundkörper;
eine Messmembran, welche Al2O3 aufweist, und welche mit dem Grundkörper entlang einer umlaufenden Fügestelle druckdicht gefügt ist;
mindestens ein Sensorinterferometer, wobei das mindestens eine Sensorinterferometer mindestens eine erste Reflexionsfläche und eine zweite Reflexionsfläche aufweist, zum Erzeugen eines messgrößenabhängigen Gangunterschieds OPDS (nach dem Englischen: Optical Path Difference Sensorinterferometer) zwischen der ersten und der zweiten Reflexionsfläche, wobei die Messmembran mindestens eine der Reflexionsflächen aufweist;
mindestens einen Lichtpfad, durch welchen Licht durch den Grundkörper zur ersten und zweiten Reflexionsfläche verlaufen kann, und welcher im wesentlichen senkrecht zu der ersten und der zweiten Reflexionsfläche und senkrecht zur Ebene der Messmembran verläuft.
Das erfindungsgemäße Druckmessgerät umfasst einen erfindungsgemäßen Drucksensor;
wenigstens eine Breitband-Lichtquelle; und
wenigstens ein Auswerteinterferometer zum Erzeugen eines veränderlichen Gangunterschieds OPDA, mit dessen Hilfe der Gangunterschied OPDS, zu bestimmen ist, wobei das Sensorinterferometer über den Lichtpfad optisch mit dem Auswerteinterferometer und der Lichtquelle verbunden ist.
In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist die erste Reflexionsfläche an einer dem Grundkörper zugewandten Oberfläche der Messmembran angeordnet und die zweite Reflexionsfläche an dem Grundkörper, insbesondere an einer der Messmembran zugewandten Oberfläche des Grundkörpers.
In diesem Falle enthält der Gangunterschied OPDS eine Information über den Abstand zwischen Grundkörper und Messmembran und damit über den Druck welcher die Messmembran auslenkt.
Die Reflexionsfläche an dem Grundkörper ist im einfachsten Fall durch die Stirnfläche einer optischen Faser gebildet, die in einer definierten Position in einer Bohrung durch den Grundkörper fixiert ist.
Ggf. kann an dem Grundkörper auch ein transparenter Körper, beispielsweise ein transparenter Körper aus Saphir oder einer hochreinen Al2O3-Keramik angeordnet sein, welcher zwei Reflexionsflächen aufweist. Ggf. kann zusätzlich auch der Gangunterschied ausgewertet werden; der durch Reflexionen an den beiden Oberflächen erzeugt wird. Dieser Wert würde eine Temperaturinformation über den Grundkörper enthalten, wobei diese Information über die Temperatur des Messmediums weniger aussagekräftig ist, die aber ggf. zur Kompensation des Druckmesswerts herangezogen werden kann.
In einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Drucksensor eine erste dem Grundkörper zugewandte Reflexionsfläche in einem ersten Oberflächenabschnitt der Messmembran und eine zweite dem Grundkörper zugewandte Reflexionsfläche in einem zweiten Oberflächenabschnitt der Messmembran wobei der erste Oberflächenabschnitt und der zweite Oberflächenabschnitt auf einem unterschiedliche druckabhängige Auslenkungen aufweisen. Hierzu können der erste und der zweite Oberflächenabschnitt beispielsweise bei einer Kreisscheibenförmigen Messmembran in unterschiedlichen radialen Abschnitten angeordnet sein. Beispielsweise können der erste Oberflächenabschnitt in einem Radialbereich maximaler druckabhängiger Auslenkung, also im Zentrum der Messmembran und der zweite Oberflächenabschnitt in einem Radialbereich minimaler druckabhängiger Auslenkung angeordnet sein, beispielsweise im Randbereich der Messmembran.
Offensichtlich können die beiden Reflexionsflächen in diesem Fall nicht aus einem einzigen Lichtleiterende beleuchtet werden. Daher ist gegenüber beiden Reflexionsflächen an der Messmembran, jeweils ein Lichtleiterendabschnitt anzuordnen, um die Reflexionsflächen zu beleuchten und das reflektierte Licht zurückzuführen. Die Lichtleiterendabschnitte können beispielsweise als Y-Spleiss am Ende eines Lichtleiters ausgebildet sein.
Der Gangunterschied zwischen dem von der ersten Reflexionsfläche reflektierten Licht und dem von der zweiten Reflexionsfläche reflektierten Licht ist ein Maß für die Druckabhängige Verformung der Messmembran, wobei über die Festlegung unterschiedlicher Längen der Lichtpfade vom Spleisspunkt bis zu den beiden Reflexionsflächen in Ruhelage ein Offset vorgegeben werden kann.
Anstelle der direkten Erfassung des Gangunterschieds zwischen der ersten Reflexionsfläche an der Messmembran und der zweiten Reflexionsfläche an der Messmembran können die Gangunterschiede der Lichtpfade beider Reflexionsflächen an der Messmembran jeweils bezüglich einer dritten Reflexionsfläche am Grundkörper bestimmt werden.
Schließlich können am Grundkörper eine dritte und eine vierte Reflexionsfläche vorgesehen sein; wobei ein erster Gangunterschied OPDS1 zwischen der ersten Reflexionsfläche an der Messmembran und der dritten Reflexionsfläche am Grundkörper bestimmt wird und ein zweiter Gangunterschied OPDS2 zwischen der zweiten Reflexionsfläche an der Messmembran und der vierten Reflexionsfläche am Grundkörper, bestimmt wird, und wobei die erste Reflexionsfläche durch die dritte Reflexionsfläche beleuchtet wird und die zweite Reflexionsfläche durch die vierte Reflexionsfläche beleuchtet wird. OPDS1 enthält bereits eine Information über die druckabhängige Verformung der Messmembran, wobei die Differenz zwischen OPDS1 und OPDS2, bei Kenntnis des druckabhängigen Verlaufs der Biegelinie eine genauere Bestimmung der druckabhängigen Verformung der Messmembran und insbesondere die Korrektur von Temperatureinflüssen auf den Druckmesswert ermöglicht. Dies ist insoweit beachtlich, als sich der Abstand zwischen der Messmembran und dem Grundkörper auch in der Ruhelage der Messmembran aufgrund der temperaturabhängig verändert.
In einer dritten Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Messmembran eine erste Reflexionsfläche und eine zweite Reflexionsfläche, wobei die Beleuchtung der zweiten Reflexionsfläche durch die erste Reflexionsfläche erfolgt. In diesem Fall ist der Gangunterschied zwischen einer Reflexion an der ersten Reflexionsfläche und einer Reflexion an der zweiten Reflexionsfläche praktisch unabhängig vom Druck und weist dagegen eine Temperaturabhängigkeit auf.
In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst die Messmembran eine hochreine Al2O3-Keramik, welche sich durch eine hinreichend gute optische Qualität für Einsatz in einem optischen Pfad auszeichnet.
Beispielsweise kann die Messmembran eine Biegebruchspannung σ_c aufweisen, deren Verteilung F(σ_c) durch die Weibull-Parameter σ₀ ≥ 700 MPa, insbesondere σ₀ ≥ 750 MPa, bevorzugt σ₀ ≥ 800 MPa, und m ≥ 24 gegeben ist, mit einer mittleren Korngröße des gesinterten Materials von nicht mehr als 2 μm, vorzugsweise nicht mehr als 1,75 μm und besonders bevorzugt nicht mehr als 1,5 μm. Die Herstellung eines entsprechenden Membranmaterials ist beispielsweise in der noch nicht veröffentlichten Patentanmeldung 10 2008 036381 offenbart. Insbesondere das dort beschriebene Membranmaterial zeichnet sich durch eine hinreichend geringe Zahl an Streuzentren aus, dass es als Element in einem optischen Pfad einsetzbar ist. Daher eignet sich dieses Material dazu, die erste Reflexionsfläche auf der dem Grundkörper zugewandten Seite der Messmembran und die zweite Reflexionsfläche auf der dem Grundkörper abgewandten Seite der Messmembran anzuordnen.
Weiterhin kann anstelle einer Messmembran aus einer Al2O3-Keramik eine Messmembran aus einkristallinem Al2O3 bzw. Saphir verwendet werden.
In einer vierten Ausgestaltung der Erfindung kann an einer Messmembran aus einer Al2O3-Keramik ein transparentes optisches Element, beispielsweise ein Glas oder Saphirkörper, befestigt sein, welches die erste und die zweite Reflexionsfläche aufweist. Die Befestigung kann beispielsweise mittels eines Aktivhartlots erfolgen, welches ggf. auch dazu eingesetzt wird, um die Messmembran mit dem Grundkörper zu verbinden.
In den genannten Ausführungsformen, bei denen die erste und die zweite Reflexionsfläche an der Messmembran angeordnet sind, enthält der Gangunterschied OPDS eine Information über die Temperatur des an der Messmembran anstehenden Messmediums. In einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung sind die beiden Reflexionsflächen in einem Zentralbereich der Membranfläche angeordnet, wodurch sie von den wärmeleitenden Verbindungen zum Grundkörper entfernt sind und damit eine genaue Bestimmung des Temperaturmesswerts ermöglichen.
Für einen Kombinierten Druck- und Temperatursensor können die zuvor beschriebenen Anordnungen zur Druck- und Temperaturmessung miteinander kombiniert werden.
Beispielsweise ist es möglich, eine erste und eine zwei Reflexionsfläche an der Messmembran und mindestens eine dritte Reflexionsfläche an dem Grundkörper vorzusehen, und einen temperaturabhängigen Gangunterschied OPDT zwischen der ersten und der zweiten Reflexionsfläche, sowie einen druckabhängigen Gangunterschied OPDP zwischen der dritten Reflexionsfläche und der dem Grundkörper zugewandten zweiten Reflexionsfläche auszuwerten.
Selbstverständlich kann auch eine Anordnung der Reflexionsflächen Druckmessung gemäß einer der Varianten zur zweiten Ausgestaltung der Erfindung zum Zweck der Temperaturmessung um eine weitere Reflexionsfläche an der Messmembran ergänzt werden, welche durch die erste Reflexionsfläche an der Messmembran oder die zweite Reflexionsfläche an der Messmembran beleuchtet wird. Der Gangunterschied zwischen der Reflexion an der weiteren Reflexionsfläche und der Reflexion an der ersten bzw. zweiten Reflexionsfläche ist ein Maß für die Temperatur.
Wenn zudem, wie skizziert, auch der Grundkörper einen transparenten Körper mit zwei Oberflächen aufweist, kann damit auch die Temperatur des Grundkörpers erfasst werden, um eine genauere Kompensation von Temperatureinflüssen zu ermöglichen.
Um die Gangunterschiede den einzelnen Quellen zuordnen zu können, ist es vorteilhaft, wenn sie durch Grundwerte voneinander getrennt sind.
Beispielsweise hat eine Messmembran eine Stärke von 150 μm, so dass sie bei Referenzbedingungen einen Gangunterschied von 300 μm durch Reflexionen an ihren Oberflächen hervorbringt. Der Hub der Messmembran kann beispielsweise den Abstand zwischen der dritten Reflexionsfläche am Grundkörper und der zweiten Reflexionsfläche an der Trennmembran zwischen 100 μm und beispielsweise 10 μm variieren. Da der resultierende Gangunterschied zwischen 20 μm und 200 μm zu gering wäre für eine zuverlässige Detektion, kann ein geeigneter Offset dadurch erzielt werden, dass die dritte Reflexionsfläche gegenüber der Oberfläche des Grundkörpers tiefer abgesenkt wird, beispielsweise um 160 μm. Der Gangunterschied würde dann 340 μm bis 520 μm betragen und läge außerhalb des Gangunterschieds aufgrund der Reflektionen an der ersten und zweiten Reflexionsfläche. Ein transparenter Körper zum Erfassen der Temperatur des Grundkörpers würde beispielsweise bei einer Materialstärke von 130 μm dann bei Referenzbedingungen einen Gangunterschied von 260 μm erzeugen. Das Auswerteinterferometer, kann nun für dieses Beispiel einen Gangunterschiedsbereich OPDA über beispielsweise 300 μm zwischen 240 μm und 540 μm erzeugen, um die Gangunterschiede der verschiedenen Reflexionsflächen erfassen und identifizieren zu können.
Die Reflexionsflächen können ggf. eine teilreflektierende Schicht aufweisen, beispielsweise eine metallische Schicht, wobei der Schichtstärke so zu wählen ist, dass noch eine hinreichende Transmission zu nachfolgenden Reflexionsflächen erfolgen kann.
Ungeachtet dessen erfolgt an einer Grenzfläche zwischen zwei optischen Medien abhängig von den Brechzahlen der Medien anteilig eine Reflexion, dessen Stärke von dem Brechungsindex der beteiligten Medien abhängt.
Damit kann die Stärke der Reflexion an einer medienberührenden Reflexionsfläche, beispielsweise an einer Reflexionsfläche, die an einer dem Grundkörper abgewandten Oberfläche der Messmembran angeordnet ist, zur Detektion eines Mediums verwandt werden. Beispielsweise bei Anwesenheit eines wässrigen Mediums ist eine geringere Reflexion zu erwarten als bei Anwesenheit von Luft.
Die Erfindung wird nun anhand der in Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.
Es zeigt:
1: einen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drucksensors;
2: einen Längsschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drucksensors; und
3: eine erfindungsgemäße Druckmessanordnung.
Der in 1 dargestellte Drucksensor 1 umfasst einen keramischen Grundkörper 2 und eine Messmembran 3, die mittels eines ringförmigen Verbindungskörpers 4 druckdicht mit dem Grundkörper 2 verbunden ist. Der Grundkörper 2 und die Messmembran 3 können beispielsweise AL2O3 aufweisen, wobei die Messmembran eine Reinheit von nicht weniger als 99,9% aufweist und sich durch eine hinreichend gute optische Qualität für Einsatz in einem optischen Pfad auszeichnet. Ein Verfahren zur Herstellung eines geeigneten Membranmaterials ist beispielsweise in der Patentanmeldung 10 2008 036381 offenbart. Der Verbindungskörper 4 kann beispielsweise ein Aktivhartlot oder Glas umfassen, wobei derzeit ein Zr-Ni-Ti-Aktivhartlot bevorzugt ist.
Zur Druckmessung ist die druckabhängige Auslenkung der Messmembran 3 zu erfassen. Dies erfolgt mittels einer interferometrischen Abstandsmessung zwischen einer ersten Reflexionsfläche 5, die ortsfest am Grundkörper 2 angeordnet ist, und einer zweiten Reflexionsfläche 6, an der dem Grundkörper 2 zugewandten Oberfläche der Messmembran 3. Die erste und die zweite Reflexionsfläche bilden also ein erstes Sensorinterferometer.
In den Abstand zwischen der ersten Reflexionsfläche und der zweiten Reflexionsfläche geht neben dem Druck außerdem die temperaturabhängige Stärke des Verbindungskörpers 4 ein. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ist zur Temperaturmessung ein zweites Sensorinterferometer vorgesehen. Hierzu ist eine dritte Reflexionsfläche an der dem Grundkörper 2 abgewandten Oberfläche 7 der Messmembran 3 angeordnet, die ggf. verspiegelt oder teilverspiegelt sein kann, um hinsichtlich der Intensität der Reflexion eine größere Unabhängigkeit vom Brechungsindex des Messmediums zu erzielen.
Der Abstand zwischen der zweiten Reflexionsfläche 6 und der dritten Reflexionsfläche 7 ist ein Maß für die Temperatur der Messmembran 3. Auf Basis des so ermittelten Temperaturwerts, der in erster Nahrung auch für die Temperatur des Verbindungskörpers 4 gilt, kann der Abstand zwischen der ersten Reflexionsfläche 5 und der zweiten Reflexionsfläche 6 in der Gleichgewichtslage bzw. Ruhelage der Messmembran bestimmt werden. Abweichungen von diesem Gleichgewichtsabstand bzw. Ruheabstand sind dann der druckabhängigen Auslenkung der Messmembran zuzuordnen.
Die ermittelte Temperatur der Messmembran ergibt zudem einen hinreichend genauen Messwert für die Temperatur eines an er Messmembran anstehenden Messmediums, da die Temperatur der Messmembran im Hinblick auf die große Kontaktfläche zum Messmedium in Abhängigkeit von der Wärmekapazität des Messmediums und den Wärmeleitungseigenschaften des Messmediums weitgehend von der Temperatur des Messmediums bestimmt ist.
Die erste Reflexionsfläche 5 umfasst die Stirnfläche einer Lichtleiterfaser 9, die in einer axialen Bohrung 8 durch den Grundkörper 2 in einer definierten axialen Position fixiert ist, die gegenüber der Stirnfläche des Grundkörpers zurückgesetzt ist, um beispielsweise eine Beschädigung der Reflexionsfläche durch Anlage der Messmembran im Überlastfall zu vermeiden. Die Lichtleiterfaser kann insbesondere mittels einer hier nicht näher dargestellten Ferulle in der Bohrung 8 fixiert sein.
Die Messung der Abstände erfolgt mittels eines Auswerteinterferometers, durch Bestimmung der Gangunterschiede zwischen Reflexionen an den jeweiligen Reflexionsflächen.
Der in 2 dargestellte Drucksensor 11 umfasst wie das erste Ausführungsbeispiel einen keramischen Grundkörper 12 und eine Messmembran 13, die mittels eines ringförmigen Verbindungskörpers 14 druckdicht mit dem Grundkörper 2 verbunden ist. Die Werkstoffe der vorgenannten Komponenten sind die gleichen wie beim ersten Ausführungsbeispiel. Die druckabhängige Verformung der Messmembran wird wieder interferometrisch über zwei Abstandsmessungen erfasst, von denen eine erste im Zentrum der Messmembran 13 und eine zweite im Randbereich der Messmembran erfolgt. Hierzu weist der Drucksensor eine erste zentrale Reflexionsfläche 15a und eine erste periphere Reflexionsfläche 15b auf, wobei die beiden ersten Reflexionsflächen bezüglich des Grundkörpers ortsfest sind. Weiterhin weist die Messmembran 13 eine zweite zentrale Reflexionsfläche 16a im Zentrum der dem Grundkörper zugewandten Oberfläche und eine zweite periphere Reflexionsfläche 16b am Rand der dem Grundkörper zugewandten Oberfläche auf, wobei die zweiten Reflexionsflächen mit den ersten Reflexionsflächen fluchten. Anhand der Gangunterschiede zwischen den Reflexionen von den beiden zentralen Reflexionsflächen (15a, 16a) und von den beiden peripheren Reflexionsflächen (15b, 16b) lassen sich die temperaturabhängige Ruhelage und die druckabhängige Auslenkung der Messmembran 13 gegenüber dieser Ruhelage bestimmen. Hier bilden also die beiden zentralen Reflexionsflächen ein erste Sensorinterferometer und die beiden peripheren Reflexionsflächen ein zweites Sensorinterferometer.
Ggf. kann die Messmembran 13 auf ihrer dem Grundkörper abgewandten Oberfläche eine dritte zentrale Reflexionsfläche 17a und/oder eine dritte periphere Reflexionsfläche 17b aufweisen, wobei über den Gangunterschied zwischen den Reflexionen an den zweiten und dritten Reflexionsflächen die temperaturabhängige Stärke der Messmembran bestimmt werden kann. Die zentralen bzw. peripheren Reflexionsflächen bilden insoweit jeweils ein weiteres Sensorinterferometer. Die Stärke der Messmembran ist wiederum ein Indiz für die Medientemperatur und für die Temperatur des Drucksensors. Damit liegt ein weiterer Messwert vor, der – wie beim ersten Ausführungsbeispiel – zum Bestimmen der temperaturabhängigen Ruhelage der Messmembran herangezogen werden kann.
Zur Beleuchtung der Reflexionsflächen sind eine zentrale Bohrung 18a in axialer Richtung und eine periphere Bohrung 18b in axialer Richtung durch den Grundkörper 12 vorgesehen, wobei in den Bohrungen jeweils ein Endabschnitt 19a, 19b eines Y-Übergangs einer Lichtleiterfaser fixiert ist.
In den Bohrungen 18a und 18b ist jeweils ein Glaskörper 20a, 20b vakuumdicht befestigt wodurch der Raum zwischen der Messmembran und dem Grundkörper 12 vakuumdicht verschlossen ist. Sofern die Glaskörper in einem Vakuumprozess befestigt werden, bei dem der Raum zwischen der Messmembran 13 und dem Grundkörper 12 evakuiert ist, kann der Drucksensor als langzeitstabiler Absolutdrucksensor eingesetzt werden. Die der Messmembran 13 zugewandten Oberflächen der Glaskörper 20a, 20b bilden die erste zentrale Reflexionsfläche 15a und die zweite zentrale Reflexionsfläche 15b.
Bei zusätzlicher Auswertung des temperaturabhängigen Abstands zwischen mindestens einer der ersten Reflexionsflächen (15a, 15b) und einer vierten zentralen Reflexionsfläche 21a bzw. einer vierten peripheren Reflexionsfläche 21b, wobei die vierten Reflexionsflächen durch die der Messmembran 13 abgewandten Oberflächen der Glaskörper 20a, 20b gebildet sind, kann zudem die Temperatur des Grundkörpers ermittelt und beispielsweise zur Kompensation von temperaturabhängigem Messfehlern aufgrund von temperaturbedingten mechanischen Spannungen verwendet werden.
Die Messung der Abstände erfolgt mittels eines Auswerteinterferometers, durch Bestimmung der Gangunterschiede zwischen Reflexionen an den jeweiligen Reflexionsflächen
Um eine eindeutige Identifizierbarkeit der Gangunterschiede und Zuordnung zu den verursachenden Paaren von Reflexionsflächen zu ermöglichen, sind die Abstände zwischen den Reflexionsflächen vorzugsweise so zu bemessen, dass die im Messbetrieb auftreten Gangunterschiede nicht überlappen. Deshalb weisen beispielsweise der zentrale Glaskörper 20a, der periphere Glaskörper 20b und die Messmembran 13 jeweils andere Materialstärken auf, und die erste periphere Reflexionsfläche 15b weist über den ganzen Arbeitsbereich des Drucksensors einen größeren Abstand zur zweiten peripheren Reflexionsfläche 16b auf als der Abstand zwischen der ersten zentralen Reflexionsfläche 15a und der zweiten zentralen Reflexionsfläche 16a. Dies wird dadurch erzielt, dass die erste periphere Reflexionsfläche 15b bezüglich der membranseitigen Stirnfläche des Grundkörpers 12 weiter zurückversetzt ist als die erste zentrale Reflexionsfläche 15a.
Ein erfindungsgemäßes Druckmessgerät umfasst neben einem der beschriebenen Drucksensoren wenigstens eine Breitband-Lichtquelle; und ein Auswerteinterferometer zum Erzeugen eines veränderlichen Gangunterschieds mit dessen Hilfe die Gangunterschiede zwischen den Reflexionsflächen zu bestimmen sind, hierzu sind die Lichtleiterfasern 9, 19a, 19b des Drucksensors mit dem Auswerteinterferometer und der Lichtquelle zu verbinden, wie beispielsweise in ...
Das in 3 gezeigte Druckmessgerät umfasst den Drucksensor 1, dessen Lichtleiterfaser 9 über einen ersten Zweig eines Y-Übergangs 31 und eine erste Lichtleiterfaser 32 an eine Breitbandlichtquelle 33 angeschlossen ist. Der zweite Zweig des Y-Übergangs führt über eine zweite Lichtleiterfaser 34 und ein Auswerteinterferometer 35 zu einem Photodetektor 36. Das Auswerteinterferometer kann beispielsweise – wie dargestellt – ein Michelson-Interferometer oder ein Mach-Zehnder-Interferometer sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1078227 B1 [0002]
DE 10044078 A1 [0007]

Claims

Drucksensor (1), umfassend einen keramischen Grundkörper (2); eine Messmembran (3), welche Al2O3 aufweist, und welche mit dem Grundkörper (2) entlang einer umlaufenden Fügestelle (4) druckdicht gefügt ist; mindestens ein Sensorinterferometer, wobei das mindestens eine Sensorinterferometer mindestens eine erste Reflexionsfläche (5, 6) und eine zweite Reflexionsfläche (6, 7) aufweist, zum Erzeugen eines messgrößenabhängigen Gangunterschieds zwischen der ersten und der zweiten Reflexionsfläche, wobei die Messmembran mindestens eine der Reflexionsflächen aufweist; mindestens einen Lichtpfad (9), durch welchen Licht durch den Grundkörper zur ersten und zweiten Reflexionsfläche verlaufen kann, und welcher im wesentlichen senkrecht zu der ersten und der zweiten Reflexionsfläche und senkrecht zur Ebene der Messmembran verläuft.
Drucksensor nach Anspruch 1, wobei die erste Reflexionsfläche an einer dem Grundkörper zugewandten Oberfläche der Messmembran angeordnet ist und die zweite Reflexionsfläche an dem Grundkörper angeordnet ist, wobei der Gangunterschied OPDS eine Information über den Abstand zwischen Grundkörper und Messmembran enthält.
Drucksensor nach Anspruch 2, wobei die Reflexionsfläche an dem Grundkörper durch die Stirnfläche einer optischen Faser gebildet ist, die in einer definierten Position in einer Bohrung durch den Grundkörper fixiert ist.
Drucksensor nach Anspruch 2, wobei an dem Grundkörper ein transparenter Körper, insbesondere ein transparenter Körper aus Glas, Saphir oder einer hochreinen Al2O3-Keramik angeordnet ist, welcher zwei Reflexionsflächen aufweist.
Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend: eine erste, dem Grundkörper zugewandte Reflexionsfläche in einem ersten Oberflächenabschnitt der Messmembran und eine zweite dem Grundkörper zugewandte Reflexionsfläche in einem zweiten Oberflächenabschnitt der Messmembran wobei der erste Oberflächenabschnitt und der zweite Oberflächenabschnitt unterschiedliche druckabhängige Auslenkungen aufweisen, wobei gegenüber den beiden Reflexionsflächen der Messmembran, jeweils ein Lichtleiterendabschnitt angeordnet ist, um die Reflexionsflächen zu beleuchten und das reflektierte Licht zurückzuführen.
Drucksensor nach Anspruch 5, wobei der Gangunterschied zwischen dem von der ersten Reflexionsfläche reflektierten Licht und dem von der zweiten Reflexionsfläche reflektierten Licht ein Maß für die druckabhängige Verformung der Messmembran ist.
Drucksensor nach Anspruch 5, weiterhin umfassend eine dritte Reflexionsfläche an dem Grundkörper, wobei die Gangunterschiede der Lichtpfade beider Reflexionsflächen an der Messmembran jeweils bezüglich der dritten Reflexionsfläche am Grundkörper bestimmbar sind.
Drucksensor nach Anspruch 5, weiterhin umfassend eine dritte am Grundkörper und eine vierte Reflexionsfläche am Grundkörper, wobei ein erster Gangunterschied OPDS1 zwischen der ersten Reflexionsfläche an der Messmembran und der dritten Reflexionsfläche am Grundkörper bestimmt wird und ein zweiter Gangunterschied OPDS2 zwischen der zweiten Reflexionsfläche an der Messmembran und der vierten Reflexionsfläche am Grundkörper, bestimmbar sind, wobei die erste Reflexionsfläche durch die dritte Reflexionsfläche beleuchtet wird und die zweite Reflexionsfläche durch die vierte Reflexionsfläche beleuchtet wird.
Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messmembran eine erste Reflexionsfläche und eine zweite Reflexionsfläche umfasst, und wobei die Beleuchtung der zweiten Reflexionsfläche durch die erste Reflexionsfläche erfolgt, wobei der Gangunterschied zwischen einer Reflexion an der ersten Reflexionsfläche und einer Reflexion an der zweiten Reflexionsfläche ein Maß für die Temperatur der Messmembran ist.
Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messmembran eine hochreine Al2O3-Keramik mit einer Reinheit von mindestens 99,9% aufweist.
Drucksensor nach Anspruch 11, wobei die Messmembran eine Biegebruchspannung σ_c aufweist, deren Verteilung T(σ_c) durch die Weibull-Parameter σ₀ ≥ 700 MPa, insbesondere σ₀ ≥ 750 MPa, bevorzugt σ₀ ≥ 800 MPa, und m ≥ 24 gegeben ist, mit einer mittleren Korngröße des gesinterten Materials von nicht mehr als 2 μm, vorzugsweise nicht mehr als 1,75 μm und besonders bevorzugt nicht mehr als 1,5 μm.
Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Messmembran einkristallines Al2O3 bzw. Saphir aufweist.
Drucksensor nach Anspruch 9, wobei an einer Messmembran aus einer Al2O3-Keramik ein transparentes optisches Element, beispielsweise ein Saphirkörper, befestigt ist, welches optische Element die erste und die zweite Reflexionsfläche aufweist.
Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Reflexionsflächen eine teilreflektierende Schicht aufweisen, beispielsweise eine metallische Schicht.
Druckmessgerät, umfassend einen Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche; wenigstens eine Breitband-Lichtquelle; und wenigstens ein Auswerteinterferometer zum Erzeugen eines veränderlichen Gangunterschieds OPDA, mit dessen Hilfe der mindestens eine Gangunterschied OPDS, zu bestimmen ist, wobei das Sensorinterferometer über den Lichtpfad optisch mit dem Auswerteinterferometer und der Lichtquelle verbunden ist.