DE102010003709A1

DE102010003709A1 - Relativdrucksensor

Info

Publication number: DE102010003709A1
Application number: DE102010003709A
Authority: DE
Inventors: Hansjörg Brock; Michael Hügel; Sergej Lopatin; Olaf Textor; Thomas Uehlin; Elmar Wosnitza
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2010-04-08
Filing date: 2010-04-08
Publication date: 2011-10-13

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Relativdrucksensor zur Bestimmung eines Drucks (p1) eines Mediums, mit einem Gehäuse (12), mit einem Messelement (2), welches in dem Gehäuse (12) angeordnet ist, wobei eine mit dem Medium in Kontakt stehende Außenseite des Messelements (2) mit dem zu messenden Druck (p1) beaufschlagt ist, mit einer Referenzdruckzuleitung (3), welche dem Messelement (2) Umgebungsluft zuführt und mit mindestens einer in dem Gehäuse (12) angeordneten Trocknungskammer (4) zur Aufnahme von Luftfeuchte. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Trocknungskammer (4) ein feuchteadsorbierendes Material (41) enthält oder im Wesentlichen aus dem feuchteadsorbierenden Material (41) besteht, dass das feuchteadsorbierende Material (41) zumindest abschnittsweise von einer Wandung (51) umgeben ist, welche aus einem ersten feuchtedurchlässigen Material besteht, oder zumindest abschnittsweise frei von einer Wandung ist, und dass die Referenzdruckzuleitung (3) zumindest abschnittsweise aus dem ersten oder einem zweiten feuchtedurchlässigen Material gefertigt ist oder dass die Referenzdruckzuleitung (3) eine Öffnung aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Relativdrucksensor zur Bestimmung eines Drucks eines Mediums in Bezug auf einen Atmosphärendruck, mit einem Gehäuse, mit einem Messelement, welches in dem Gehäuse angeordnet ist, wobei eine mit dem Medium in Kontakt stehende Außenseite des Messelements mit dem zu messenden Druck beaufschlagt ist, mit einer Referenzdruckzuleitung, welche einer Innenseite des Messelements den Atmosphärendruck in Form von Umgebungsluft zuführt, mit einer Auswerteeinheit, welche aus einer mit dem Messelement bestimmten Größe den Druck des Mediums bestimmt, und mit mindestens einer in dem Gehäuse angeordneten Trocknungskammer zur Aufnahme von Luftfeuchte. Das Medium, dessen Druck zu bestimmen ist, ist hierbei flüssig oder gasförmig.
In der Druckmesstechnik sind Absolutdruck-, Differenzdruck- und Relativdrucksensoren bekannt. Absolutdrucksensoren bestimmen den vorherrschenden Druck absolut, d. h. in Bezug auf Vakuum, während Differenzdrucksensoren die Differenz zwischen zwei unterschiedlichen Drücken bestimmen. Bei Relativdrucksensoren wird der zu messende Druck gegenüber einem Referenzdruck bestimmt, wobei der in der Umgebung des Sensors vorherrschende Atmosphärendruck als Referenzdruck dient. Derartige Relativdrucksensoren weisen meist eine geschlossene Messkammer mit einer druckempfindlichen Messmembran auf, welche die Messkammer an einer Seite verschließt. Auf die Außenseite der Messmembran wirkt der zu messende Druck ein. Die Messkammer ist beispielsweise über eine Kapillare mit der Umgebung verbunden, durch welche Umgebungsluft in die Messkammer eintritt, sodass im Innern der Messkammer und somit auf der Innenseite der Messmembran der Umgebungsdruck vorliegt. In Abhängigkeit des vorliegenden Relativdrucks verbiegt sich die Messmembran. Diese Verbiegung wird mittels einer elektromechanischen Wandlereinheit in elektrische Signale umgewandelt, und aus diesen der Druck des Mediums relativ zu dem Referenzdruck bestimmt.
Zur Erzeugung der elektrischen Signale, welche den Grad der Verbiegung der Messmembran widerspiegeln, wird meist die Messmembran mit einer ersten Elektrode und die der Messmembran gegenüberliegende Seite der Messkammer mit einer zweiten, und einer dritten Elektrode versehen. Die zweite Elektrode dient als Referenzelektrode und ist derart angeordnet, dass deren Kapazität nicht von der Verbiegung der Messmembran, sondern von Temperatur, Luftfeuchtigkeit und anderen Umgebungsparametern beeinflusst wird. Die dritte Elektrode bildet mit der ersten einen Messkondensator, der für Verbiegungen der Membran besonders empfindlich ist. Die Kapazität des auf diese Weise gebildeten Kondensators ändert sich in Abhängigkeit der Verbiegung der Messmembran, sodass aus dem Wert der Kapazität der Relativdruck bestimmbar ist.
Eine weitere Gruppe von bekannten Relativsensoren weist eine Membran auf, an welcher dehnungssensitive Elemente wie Dehnungsstreifen angeordnet sind. Der Widerstand der Dehnungsstreifen ist von der Verbiegung der Membran abhängig und dient als Messsignal für die Druckauswertung.
Eine weitere Gruppe von aus dem Stand der Technik bekannten Relativsensoren weisen eine Art Biegeplatte auf, an welcher drucksensitive Elemente angeordnet sind. Diese Biegeplatte ist nicht direkt mit dem Prozessdruck beaufschlagt, sondern über einen Druckmittler mit dem Prozess in Kontakt. Der Druckmittler kann ein massiver Festkörper sein oder ein mit einer inkompressiblen Flüssigkeit, z. B. Öl, befülltes Rohr, welches durch eine drucksensitive Membran gegenüber dem Prozess abgedichtet ist.
Ein allgemeines Merkmal der beschriebenen Sensoren ist eine Membran, die sich in Abhängigkeit der Druckdifferenz auf beiden Membranseiten verbiegt. Diese Verbiegung wird nach verschiedenen Verfahren – kapazitiv oder piezoresistiv – in elektrische Signale umgewandelt.
Häufig werden Relativdrucksensoren in industriellen Prozessen eingesetzt, wo sie hohen Temperaturschwankungen und hohen Temperaturdifferenzen zwischen Prozess und Umgebung ausgesetzt sind. Bei plötzlicher Abkühlung kann der Taupunkt der Luft in einem Innenraum des Sensors überschritten werden, was zur Kondensation der Luftfeuchte auf kalten Teilen des Sensors führt. Insbesondere durch die Öffnung zur Umgebung, welche zum Bereitstellen des Referenzdrucks für das Messelement notwendig ist, kann feuchte Luft in den Sensor gelangen.
Elektromechanische Wandlereinheiten sowie die Sensorelektronik sind in der Regel sehr empfindlich gegenüber Feuchte. Um eine zuverlässige Druckberechnung durchführen zu können muss daher sichergestellt sein, dass kein Feuchtekondensat in das Innere des Relativdrucksensors gelangt. Aus der EP 1070948 A1 ist ein Relativdrucksensor bekannt, bei welchem die Relativdruckzuleitung einen Abschnitt verbreiterten Querschnitts aufweist, in welchem sich ein hydrophiler Einsatz befindet. Dieser ist dazu bestimmt, feuchter Luft das Wasser zu entziehen, sodass nur trockene Luft zur Messkammer gelangt. Der Nachteil hierbei ist jedoch, dass bei einem hohen Durchsatz an Luft durch den hydrophilen Einsatz eine ausreichende Trocknung der Luft nicht gewährleistet ist. Solch ein erhöhter Durchsatz tritt insbesondere bei einem signifikanten Temperaturabfall auf, da dieser zu einer starken Kompression der in der Referenzdruckzuleitung befindlichen Luft führt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Relativdrucksensor bereit zu stellen, welcher auch bei starken Temperaturschwankungen gegenüber auskondensierender Feuchte geschützt ist.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Trocknungskammer ein feuchteadsorbierendes Material enthält oder im Wesentlichen aus dem feuchteadsorbierenden Material besteht, dass das feuchteadsorbierende Material zumindest abschnittsweise von einer Wandung umgeben ist, welche aus einem ersten feuchtedurchlässigen Material besteht, oder zumindest abschnittsweise frei von einer Wandung ist, und dass die Referenzdruckzuleitung zumindest abschnittsweise aus dem ersten oder einem zweiten feuchtedurchlässigen Material gefertigt ist oder dass die Referenzdruckzuleitung mindestens eine Öffnung aufweist, sodass feuchte Luft, welche sich in der Referenzdruckzuleitung befindet, in Kontakt mit der Trocknungskammer steht.
Das Messelement ist in einem Ausführungsbeispiel eine Messkammer mit einer Membran, deren Außenseite mit dem zu messenden Druck und deren Innenseite mit dem Referenzdruck beaufschlagt ist. In einem alternativen Ausführungsbeispiel besteht das Messelement aus einer Biegeplatte, auf welcher drucksensitive Elemente oder elektromechanische Wandler angeordnet sind und einem Druckmittler. An der Biegeplatte liegt der zu messende Druck oder ein mit dem zu messenden Druck in bekanntem Zusammenhang stehender Druck an. Mit anderen Worten bezieht sich die Erfindung auf die eingangs im Stand der Technik beschriebenen Relativdrucksensoren.
Erfindungsgemäß sind Relativdruckzuleitung und Trocknungskammer derart ausgestaltet und aufeinander abgestimmt, dass ein begrenzter Austausch des zu trocknenden Luftvolumens stattfindet. Die Trocknungskammer ist beispielsweise ein Sinterkörper aus dem feuchteadsorbierenden Material, welcher bevorzugt von einer Wandung umgeben ist. Je nach Ausgestaltung besteht die Wandung aus einem Material, das für Feuchte durchlässig, abschnittsweise durchlässig oder undurchlässig ist. In anderen Ausgestaltungen ist die Trocknungskammer mit einem Pulver, Granulat oder Gel aus feuchteadsorbierendem Material vollständig oder teilweise gefüllt.
Für die Ausgestaltung von Trocknungskammer und Referenzdruckzuleitung sind verschiedene Ausführungen denkbar. Beispielsweise umschließt die Trocknungskammer die Referenzdruckzuleitung in einem Teilbereich der Referenzdruckzuleitung, wobei eine für Feuchte permeable Membran in diesem Teilbereich die Wandung der Kapillare der Referenzdruckzuleitung und somit auch die Kontaktfläche zum Trocknungsmittel bildet. In einer anderen Ausgestaltung sind die Trocknungskammer und die Referenzdruckzuleitung so nebeneinander angeordnet, dass sie sich in einem Teilbereich berühren, wobei eine für Feuchte permeable Membran die Kontaktfläche bildet. Bei einer weiteren Ausgestaltung ist die Trocknungskammer im Gehäuse beabstandet von der Referenzdruckzuleitung angeordnet, wobei die Wandung der Trocknungskammer zumindest teilweise aus einem für Feuchte durchlässigen Material gefertigt ist, und die Referenzdruckzuleitung weist ebenfalls einen solchen Abschnitt auf, sodass Feuchte durch letztern austreten und in die Trocknungskammer eintreten kann. Bei dieser letztgenannten Ausführungsform wird nicht nur die in der Referenzdruckzuleitung befindliche Luft getrocknet, sondern der gesamte Innenraum des Gehäuses. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die Sensorelektronik vor Feuchteablagerung geschützt ist.
In einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung liegt die Referenzdruckzuleitung mit einem Abschnitt innerhalb der Trocknungskammer und der in der Trocknungskammer befindliche Abschnitt der Referenzdruckzuleitung weist das erste oder zweite feuchtedurchlässige Material auf.
Eine alternative Ausgestaltung beinhaltet, dass die Referenzdruckzuleitung mit einem Abschnitt innerhalb der Trocknungskammer liegt, und dass die Referenzdruckzuleitung auf dem Abschnitt innerhalb der Trocknungskammer die Öffnung aufweist. Bevorzugt weist die Trocknungskammer in dieser Ausgestaltung eine luftdichte Wandung auf und ist nur teilweise mit dem feuchteadsorbierenden Material gefüllt, sodass ein Hohlraum vorhanden ist, in welchen die zu trocknende Luft über die Öffnung eintritt. Durch diese Ausgestaltung ist gewährleistet, dass kein Druckverlust in der Trocknungskammer stattfindet und der Referenzdruck unverändert dem Messelement zugeführt wird. Das feuchteadsorbierende Material ist von dem Hohlraum bevorzugt durch eine feuchtedurchlässige Membran getrennt, sodass nur ein allmählicher Luftaustausch stattfindet. Die Öffnung in der Referenzdruckzuleitung ist beispielsweise eine vollständige Unterbrechung, sodass die Referenzdruckzuleitung effektiv aus zwei Teilen besteht.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen die Trocknungskammer und die Referenzdruckzuleitung abschnittsweise eine gemeinsame Grenzfläche auf, und das feuchteadsorbierende Material und/oder das erste oder zweite feuchtedurchlässige Material bilden die Grenzfläche. Die Trocknung der in der Referenzdruckzuleitung befindlichen Luft findet beschränkt auf den Bereich statt, in welchem die Referenzdruckzuleitung und die Trocknungskammer miteinander in Kontakt stehen. Wird die Grenzfläche durch ein feuchtedurchlässiges Material und nicht durch das feuchteadsorbierende Material gebildet, findet eine allmählichere Trocknung statt und eine schnelle Sättigung des Trocknungsmittels bei hohem Pumpvolumen wird vermieden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist die Dicke einer feuchtedurchlässigen Wandung, welche das feuchteadsorbierende Material zumindest teilweise umgibt, so gewählt ist, dass das feuchteadsorbierende Material eine vorgebbare Menge an Luft trocknet. Es wird also die Diffusionsrate beeinflusst. Die Wandung kann hierbei mit einer Wandung oder einem Teil einer Wandung der Trocknungskammer identisch sein oder in dem Fall, dass das feuchteadsorbierende Material die Trocknungskammer nicht vollständig ausfüllt, eine Trennschicht zwischen dem feuchteadsorbierenden Material und dem restlichen Volumen der Trocknungskammer darstellen.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Trocknungskammer in Form eines Einsatzes in das Gehäuse einbringbar und/oder austauschbar. Entweder ist die Trocknungskammer selbst austauschbar oder eine zweite austauschbare Trocknungskammer ist zusätzlich in das Gehäuse eingebracht. Dies hat den Vorteil, dass die Trocknungskammer ausgetauscht werden kann, wenn das feuchteadsorbierende Material gesättigt ist, und die Trocknungsfunktion somit durch Ersetzen der Trocknungskammer wieder herstellbar ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Trocknungskammer derart ausgestaltet, dass sie eine im Gehäuse angeordnete Sensorelektronik zumindest teilweise umgibt. Beispielsweise ist die Trocknungskammer in ihrer Form an die des Gehäuses angepasst und enthält eine Ausnehmung, in welcher die Sensorelektronik angeordnet ist. Hierdurch ist sichergestellt, dass auch die Sensorelektronik vor Feuchte geschützt ist, wenn z. B. Feuchte durch ein Leck in das Gehäuse eindringt. Es versteht sich von selbst, dass die Trocknungskammer zumindest in einem zur Sensorelektronik benachbarten Abschnitt keine Wandung oder eine feuchtedurchlässige Wandung aufzuweisen hat.
Eine weitere Ausgestaltung des Relativdrucksensors sieht vor, dass die Trocknungskammer das feuchteadsorbierende Material als Formkörper oder in granularer Form enthält oder dass die Trocknungskammer ein Sinterkörper oder ein Kompositkörper aus dem feuchteadsorbierenden Material ist. Ein Kompositkörper ist ein zweiphasiger fester Stoff, bestehend aus dem feuchteadsorbierenden Material und einem weiteren Werkstoff, insbesondere einem Polymer.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Referenzdruckzuleitung eine Länge auf, welche eine Länge des Gehäuses deutlich übersteigt. Die Trocknungskammer bzw. das Austauschvolumen hingegen sind so klein wie möglich gehalten. Hierdurch wird erreicht, dass das Rohrvolumen größer ist als das Kammervolumen, bzw. das Pumpvolumen, welches bei einer Temperaturänderung bewegt wird. Mit anderen Worten ist das Volumen, welches durch den nach außen führenden Teil der Referenzdruckzuleitung definiert ist, größer als das Volumen der Luftgefüllten Zwischenräume in der Trockenkammer. Ist diese Bedingung erfüllt, so führt eine Temperaturbedingte Volumenänderung nicht zum Eindringen großer Mengen ungetrockneter Luft in die Trockenkammer, was zu einer schnellen Sättigung des feuchteadsorbierenden Materials führen würde.
Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass die Referenzdruckzuleitung zumindest abschnittsweise spiralförmig ausgestaltet ist. Auf diese Weise lässt sich eine lange Eingangskapillare verwirklichen, welche wenig Raum einnimmt und stabil ist.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass das in der Trocknungskammer enthaltene feuchteadsorbierende Material ein Zeolith oder ein Silikagel ist. Ein Vorteil, den Zeolith oder Silikagel bietet, ist die Wiederverwendbarkeit, da diesen Werkstoffen durch Erhitzen die adsorbierte Feuchte wieder größtenteils entzogen werden kann. Ist die Trocknungskammer als austauschbarer Einsatz ausgestaltet, ist die Trocknungskammer somit wieder verwendbar.
In einer Ausgestaltung sind das erste und das zweite feuchtedurchlässige Material ausgewählt aus der Gruppe der Polymermaterialien. Insbesondere ist das erste und/oder das zweite feuchtedurchlässige Material Silikon, Silikonkautschuk, PVC, PTFE, Polyamid oder Polyimid.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist das in der Trocknungskammer enthaltene feuchteadsorbierende Material derart gewählt, dass das feuchteadsorbierende Material neben Feuchte auch O₃ (Ozon), NH₃ (Ammoniak), H₂S (Schwefelwasserstoff) und/oder HF (Fluorwasserstoff) adsorbiert. Ist die Adsorption dieser Stoffe wünschenswert, eignet sich Zeolith auf Grund seiner Hohlraumstruktur als feuchteadsorbierendes Material. Auf die Größe der in einem Sinterkörper aus Zeolith vorhandenen Hohlräume kann beim Herstellungsprozess Einfluss genommen werden. Wird Zeolith einem Sinterprozess unterzogen sind durch Beigabe anderer Stoffe in das zu sinternde Pulver Poren bestimmter Größe in den späteren Sinterkörper bzw. das gesinterte Granulat einbringbar. Die Stoffe verbrennen oder verdampfen vollständig und hinterlassen entsprechend große Hohlräume im Zeolith, in welche die zu adsorbierenden Stoffe leicht eindringen können.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist für den Fall, dass der Relativdrucksensor mehrere Gehäuse umfasst, in jedes Gehäuse mindestens eine Trocknungskammer eingebracht. Sind beispielsweise Innengehäuse in das Gehäuse des Sensors eingebracht, oder ist das Gehäuse mit einem weiteren Gehäuse verbunden, enthalten diese ebenfalls eine entsprechen ausgestaltete Trocknungskammer. Auf diese Weise ist ein umfassender Schutz aller Komponenten gewährleistet.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Trocknungssystems;
2 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Trocknungssystems;
3a und 3b zeigen eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels eines Trocknungssystems;
4 zeigt in einem Schnitt eine Detailansicht eines Drucksensors mit einem Trocknungssystem gemäß dem in 3a dargestellten dritten Ausführungsbeispiel.
In den 1 bis 3 ist jeweils schematisch ein Gehäuse 12 mit einer darin liegenden Trocknungskammer und einer Referenzdruckzuleitung 3 dargestellt. Die Figuren zeigen hierbei drei verschiedene bevorzugte Ausgestaltungen der Trocknungskammer 4 und der Referenzdruckzuleitung 3. In 4 wird der detaillierte Aufbau eines erfindungsgemäßen Relativdrucksensors 1 anhand des in 3 gezeigten Ausführungsbeispiels erläutert. Die Ausführungsbeispiele sind anhand eines kapazitiv messenden Relativdrucksensors beschrieben. Selbstverständlich beziehen sich die Ausführungen gleichermaßen auf alternativ ausgestaltete Relativdrucksensoren, beispielsweise solche mit Druckmittlern.
In 1 ist schematisch das Gehäuse 12 eines Relativdrucksensors 1 mit einem Trocknungssystem bestehend aus Trocknungskammer 4 und Referenzdruckzuleitung 31, 32 dargestellt, bei welchem die Trocknungskammer 4 vollständig von einer feuchteundurchlässigen Wandung 52 umgeben ist, welche von der Referenzdruckzuleitung 31, 32 zweimal durchstoßen wird. Die Referenzdruckzuleitung 31, 32 ist im Inneren der Trocknungskammer 4 unterbrochen, d. h. eine erste Kapillare 31 führt in die Trocknungskammer 4 hinein und eine zweite Kapillare 32 führt wieder hinaus. Die Strömungsrichtung der Luft, welche durch die erste Kapillare 31 die Trocknungskammer 4 geleitet wird, ist durch die beiden Pfeile dargestellt. Die Trocknungskammer 4 ist nur teilweise mit einem feuchteadsorbierenden Material 41 gefüllt, sodass ein Hohlraum 42 entsteht, welcher mit dem feuchteadsorbierenden Material 41 in Kontakt steht. In einer Ausgestaltung ist das feuchteadsorbierende Material 41 von dem Hohlraum 42 durch eine für Feuchte permeable Membran getrennt. Das feuchteadsorbierende Material 41 ist bevorzugt Zeolith und liegt in Form von Granulat, Pulver oder als Sinterkörper vor. Durch die Unterbrechung in der Referenzdruckzuleitung 3 gelangt die von außen in die Referenzdruckzuleitung 3 eintretende Luft in den Hohlraum 42, wo sie für eine bestimmte Zeit zirkuliert und getrocknet wird, bevor sie durch die zweite Kapillare 32 aus der Trocknungskammer 4 austritt und durch diese der Messkammer 2 zugeführt wird. Auf diese Weise wird vermieden, dass feuchte Luft in den Bereich der Messkammer 2 vordringt und die Feuchte sich dort niederschlägt.
2 offenbart eine alternative Ausgestaltung des Trocknungssystems bestehend aus Trocknungskammer 4 und Referenzdruckzuleitung 3, in welchem der gesamte Innenraum des Gehäuses 12 vor sich absetzender Feuchte geschützt ist. Die Trocknungskammer 4 ist in diesem Ausführungsbeispiel entweder von einer feuchtedurchlässigen Wandung 51a umgeben, wobei die Wandung beispielsweise ein Granulat oder Gel aus feuchteadsorbierendem Material 41 umschließt, oder die Trocknungskammer 4 umfasst keine Wandung. In letzterem Fall ist die Trocknungskammer 4 beispielsweise ein aus einem feuchteadsorbierenden Material 41 gefertigter Sinterkörper. Weitere Ausgestaltungen sind möglich, in welchen das feuchteadsorbierende Material teilweise von einer feuchtedurchlässigen Wandung 51a und teilweise von einer feuchteundurchlässigen Wandung 52 umgeben ist.
Hierdurch wird die Feuchteaufnahme des feuchteadsorbierenden Materials beschränkt und eine vorzeitige Sättigung vermieden.
Die Referenzdruckzuleitung 3 führt von der Trocknungskammer 4 beabstandet durch das Gehäuse 12 bis in die Messkammer 2 und besteht auf dem Abschnitt, welcher innerhalb des Gehäuses 12 verläuft, teilweise aus einem feuchtedurchlässigen Material. Alternativ ist die Referenzdruckzuleitung 3 auf der gesamten Länge, welche sich innerhalb des Gehäuses 12 befindet, aus einem feuchtedurchlässigen Material gefertigt. Beispielsweise ist das feuchtedurchlässige Material ein Silikon. Auf diese Weise steht die in der Referenzdruckzuleitung 3 befindliche Luft im Austausch mit der im Gehäuse 12 befindlichen Luft und wird von der Trocknungskammer 4 getrocknet. Um eine schnelle Sättigung des feuchteadsorbierenden Materials 41 der Trocknungskammer 4 zu vermeiden, ist das Gehäuse 12 des Drucksensors feuchte- und luftdicht ausgestaltet, sodass nur durch die Referenzdruckzuleitung 3 Luft in das Gehäuse 12 gelangt. Im Gegensatz zu einer aus dem Stand der Technik bekannten Variante, in welcher die Luft von der Referenzdruckzuleitung 3 in eine vollständig mit feuchteadsorbierendem Material gefüllte Trocknungskammer 4 mit dichter Wandung geführt und mittels einer zweiten Kapillare 32 von der Trocknungskammer 4 zur Messkammer 2 geleitet wird, ist in diesem Ausführungsbeispiel auch bei großem Pumpvolumen gewährleistet, dass nur trockene Luft in die Messkammer 2 gelangt.
3a zeigt eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Trocknungssystems, bei welchem die Referenzdruckzuleitung 3 durch die Trocknungskammer 4 hindurch führt.
Die Trocknungskammer 4 umfasst eine feuchteundurchlässige Wandung 52 und ein feuchteadsorbierendes Material 41, welches durch die Wandung von der Umgebung getrennt ist. Auf dem Abschnitt, welcher innerhalb der Trocknungskammer 4 liegt, weist die Referenzdruckzuleitung 3 zumindest teilweise eine feuchtedurchlässige Wandung 51b auf, sodass feuchte Luft getrocknet wird, bevor sie wieder aus der Trocknungskammer 4 austritt und der Messkammer 2 zugeführt wird. Beispielsweise ist die Referenzdruckzuleitung 3 im Wesentlichen aus zwei Kapillaren aus luft- und feuchtedichtem Material, z. B. Glas, gefertigt, welche durch ein Zwischenstück aus einem feuchtedurchlässigen Material, z. B. Silikon, miteinander verbunden sind. Dieses Zwischenstück ist von der Trocknungskammer 4 vollständig umschlossen, sodass keine Feuchte in den Innenraum des Gehäuses 12 gelangt.
In einer in der 3b dargestellten Variante des Ausführungsbeispiels aus 3a führt die Referenzdruckzuleitung 3 derart an der Trocknungskammer 4 vorbei, dass sie diese entlang einer Grenzfläche berührt. Entlang der Grenzfläche weisen die Trocknungskammer 4 und die Referenzdruckzuleitung 3 ein feuchtedurchlässiges Material auf, sodass die in der Referenzdruckzuleitung 3 befindliche Luft auf der Strecke entlang der Grenzfläche getrocknet wird.
In 4 ist ein Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Relativdrucksensor dargestellt. Die Messkammer 2 mit einer dem Prozessdruck ausgesetzten Membran bildet an einem Endbereich des rohrförmigen Gehäuses 12 den Abschluss. Oberhalb der Messkammer 2 ist ein Innengehäuse 13 in das Gehäuse 12 eingesetzt, welches die Sensorelektronik 14 sowie die Trocknungskammer 4 beherbergt. Die Referenzdruckzuleitung 3 gliedert sich in eine lange, mehrere Windungen aufweisende, Eingangskapillare 33 und einen im Wesentlichen geraden Abschnitt innerhalb des Innengehäuses 13. Durch die spiralförmige Anordnung der Eingangskapillare 33 wird erreicht, dass die Eingangskapillare 33 eine große Länge besitzen kann und trotz ihrer großen Länge auf wenig Raum unterbringbar ist. Selbstverständlich sind neben der spiralförmigen Anordnung auch andere Ausführungen der Eingangskapillare 33 innerhalb und außerhalb des Gehäuses 12 denkbar. Die große Länge der Eingangskapillare 33 dient als Puffer bei hohen Druckschwankungen, sodass vermieden wird, dass noch nicht getrocknete Luft in die Messkammer 2 gelangt. Bevorzugt schließt sich eine derartige lange Eingangskapillare 33 an alle in den vorangehenden Figuren beschriebenen Referenzdruckzuleitungen 3 an, um das jeweilige Trocknungssystem effizienter zu gestalten. Auf eine derartige Ausgestaltung kann verzichtet werden, wenn die Trocknungskammer 4 austauschbar ist und es keine Rolle spielt, wenn sie schnell gesättigt ist.
Die Trocknungskammer 4 ist in diesem Ausführungsbeispiel von zylindrischer Form und umschließt die Sensorelektronik 14. Die Form der Trocknungskammer 4 ist jedoch nicht auf die zylindrische Ausführung beschränkt. Weiterhin ist die Trocknungskammer 4 mit einem feuchteadsorbierenden Material 41 gefüllt. Alternativ ist die Trocknungskammer 4 ein Sinterkörper aus einem feuchteadsorbierenden Material 41, wobei dessen Außenflächen von einer feuchteundurchlässigen Wandung 52 umgeben sind. Diese dient dazu, dass das feuchteadsorbierende Material 41 nicht bereits bei der Montage des Messgerätes Feuchte aus der Umgebung aufnimmt. Die innere Wandung, welche der Sensorelektronik 14 zugewandt ist, ist feuchtedurchlässig, sodass der Raum um die Sensorelektronik 14 getrocknet wird.
Die Referenzdruckzuleitung 3 führt durch die Trocknungskammer 4 hindurch, wobei die Referenzdruckzuleitung 3 in dem Abschnitt, in welchem sie sich innerhalb der Trocknungskammer 4 befindet, eine feuchtedurchlässige Wandung 51b, beispielsweise aus Silikon, PVC oder PTFE aufweist. Auf der übrigen Länge besteht die Referenzdruckzuleitung 3 aus einem feuchte- und luftdichten Material. Die Luft, welche von außerhalb des Relativdrucksensors 1 in die Referenzdruckzuleitung 3 gelangt, kann daher nicht in das Gehäuse 12 gelangen, wodurch ein Niederschlag von Feuchte vermieden wird. Innerhalb der Trocknungskammer 4 wird der feuchten Luft Wasser entzogen und in dem feuchteadsorbierenden Material 41 gespeichert, sodass die Luft, welche in die Messkammer 2 gelangt, trocken ist. Da Niederschlag von Feuchte in der Messkammer 2 hiermit vermieden ist, ermöglicht dieser Aufbau eine zuverlässige und genaue Druckbestimmung.
Das Volumen, welches von der Referenzdruckzuleitung 3 im Bereich zwischen dem Eingang und dem Beginn der Trocknungskammer eingeschlossen ist, ist in dieser Ausgestaltung größer als das Volumen im Bereich der Trocknungskammer bis hin zur Messkammer. Das Volumen, welches der Referenzdruckzuleitung 3 durch die Trocknungskammer 4 hinzugefügt wird, ist sehr gering, sodass bei einer starken Luftkomprimierung auf Grund ausgeprägter Temperatursprünge die Trocknungskammer 4 nicht plötzlich eine große Menge an ungetrockneter Luft aufnimmt. Dies würde zu einer deutlichen Verringerung der Lebensdauer der Trocknungskammer 4 führen, da diese durch die Zeitdauer bis zur vollständigen Sättigung des feuchteadsorbierenden Materials bestimmt ist. Je mehr Austauschvolumen das feuchteadsorbierende Material 41 besitzt, desto schneller tritt die Sättigung ein.
Neben einem geringen Volumen der Trocknungskammer 4 lässt sich das Austauschvolumen durch eine Wandung oder Membran, welche das feuchteadsorbierende Material 41 von der Referenzdruckzuleitung 3 trennt, reduzieren. Durch die Optimierung der Wasserdurchlässigkeit bzw. der Diffusionsrate von Wassermolekülen durch die feuchtedurchlässige Wandung 51b ist zudem die Trocknungsgeschwindigkeit einer bestimmten Luftmenge einstellbar. Durch Einstellen einer optimalen Trocknungsrate ist zum einen gewährleistet, dass ein bestimmtes Luftvolumen zuverlässig getrocknet wird bevor es in die Messkammer 2 gelangt, und zum anderen ist die Lebensdauer der Trocknungskammer 4 bzw. des feuchteadsorbierenden Materials maximiert.
Das feuchteadsorbierende Material 41 ist nicht auf die Aufnahme von Feuchte beschränkt. In Abhängigkeit der Anwendung des Drucksensors 1 ist das feuchteadsorbierende Material 41 derart gewählt und/oder gefertigt, dass es neben Wasser auch andere Moleküle wie Ozon, Ammoniak, Schwefelwasserstoff, Fluorwasserstoff annimmt. Welche Moleküle adsorbiert werden hängt hierbei in erster Linie von der Größe der Hohlräume des Molekularsiebs, wie das feuchteadsorbierende Material 41 auch bezeichnet werden kann, ab. Insbesondere für den Fall, dass das feuchteadsorbierende Material 41 Zeolith ist, sind gezielt Hohlräume mit einem für die Aufnahme entsprechender Moleküle passenden Durchmesser herstellbar. Häufig wird aus in Pulverform vorliegendem Zeolith bei hohen Temperaturen von ca. 600–1000°C Granulat oder ein Sinterkörper hergestellt, da das Pulver gesundheitsschädlich ist. Eine andere Möglichkeit besteht dann, dass aus dem Zeolith- oder Silikagelpulver und einem Polymer ein Komposit, d. h. ein zweiphasiges festes Material hergestellt wird. Durch Beigabe von Stoffen, welche sich während des Sinterprozesses aus dem Material herauslösen bzw. verbrennen, kann auf die Größe der Hohlräume bzw. Poren Einfluss genommen werden. Ein solcher Stoffzusatz ist beispielsweise Ammoniumoxalat. Durch eine gezielte Porosität in der Zeolithkeramik kann die Adsorptionsgeschwindigkeit des Molekularsiebs eingestellt werden.
Das feuchteadsorbierende Material 41 der Trocknungskammer 4 ist nicht unbegrenzt lange einsetzbar, da es nach einer gewissen Zeit in Sättigung übergeht. Die Trocknungskammer 4 ist daher vorteilhaft als austauschbares Modul ausgestaltet. Alternativ oder zusätzlich ist eine zweite Trocknungskammer 4 in das Gehäuse 12 einbringbar, bevorzugt oberhalb des Innengehäuses 13, wobei die Referenzdruckzuleitung 3 an die zweite Trocknungskammer 4 entsprechend angepasst ist, damit auch hier eine Trocknung stattfindet. Der Vorteil bei einer außerhalb des Innengehäuses 13 liegenden Trocknungskammer 4 ist darin zu sehen, dass ein Austausch derselben ohne einen gleichzeitigen Austausch der Sensorelektronik erfolgen kann.
In der 4 nicht dargestellt ist der Messumformer, welcher im Wesentlichen weitere elektronische Komponenten beinhaltet, Anschlüsse zur Kommunikation zwischen dem Relativdrucksensor und einer übergeordneten Einheit, z. B. einer Leitwarte bereitstellt und bevorzugt über eine optische Anzeige zur Visualisierung z. B. des Gerätezustands oder der Messdaten verfügt. In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist im Messumformer ebenfalls eine Trocknungskammer 4 angeordnet. Somit umfasst der Relativdrucksensor 1 idealerweise drei Trocknungskammern 4, wobei jeweils eine im Messumformer, im Innengehäuse 13, und im Gehäuse 12 angeordnet ist. Ein aus einer höheren Anzahl an Gehäusen bestehender Drucksensor enthält eine entsprechend höhere Anzahl an Trocknungskammern 4, sodass die Komponenten eines jeden Gehäuses vor auskondensierender Feuchte geschützt sind.
Bezugszeichenliste

1: Relativdrucksensor
12: Gehäuse
13: Innengehäuse
14: Sensorelektronik
2: Messkammer
3: Referenzdruckzuleitung
31: erste Kapillare
32: zweite Kapillare
33: Eingangskapillare
4: Trocknungskammer
41: feuchteadsorbierendes Material
42: Hohlraum
51a: feuchtedurchlässige Wandung der Trocknungskammer/des feuchteadsorbierenden Materials
51b: feuchtedurchlässige Wandung der Referenzdruckzuleitung
52: feuchteundurchlässige Wandung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1070948 A1 [0008]

Claims

Relativdrucksensor (1) zur Bestimmung eines Drucks (p1) eines Mediums in Bezug auf einen Atmosphärendruck (p2), mit einem Gehäuse (12), mit einem Messelement (2), welches in dem Gehäuse angeordnet ist, wobei eine mit dem Medium in Kontakt stehende Außenseite des Messelements (2) mit dem zu messenden Druck (p1) beaufschlagt ist, mit einer Referenzdruckzuleitung (3), welche einer Innenseite des Messelements (2) den Atmosphärendruck (p2) in Form von Umgebungsluft zuführt, mit einer Auswerteeinheit, welche aus einer mit dem Messelement (2) bestimmten Größe den Druck (p1) des Mediums bestimmt, und mit mindestens einer in dem Gehäuse (12) angeordneten Trocknungskammer (4) zur Aufnahme von Luftfeuchte, dadurch gekennzeichnet, dass die Trocknungskammer (4) ein feuchteadsorbierendes Material (41) enthält oder im Wesentlichen aus dem feuchteadsorbierenden Material (41) besteht, dass das feuchteadsorbierende Material (41) zumindest abschnittsweise von einer Wandung (51) umgeben ist, welche aus einem ersten feuchtedurchlässigen Material besteht, oder zumindest abschnittsweise frei von einer Wandung ist, und dass die Referenzdruckzuleitung (3) zumindest abschnittsweise aus dem ersten oder einem zweiten feuchtedurchlässigen Material gefertigt ist oder mindestens eine Öffnung aufweist, sodass feuchte Luft, welche sich in der Referenzdruckzuleitung (3) befindet, in Kontakt mit der Trocknungskammer (4) steht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzdruckzuleitung (3) mit einem Abschnitt innerhalb der Trocknungskammer (4) liegt, und dass der in der Trocknungskammer (4) befindliche Abschnitt der Referenzdruckzuleitung (3) das erste oder zweite feuchtedurchlässige Material aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzdruckzuleitung (3) mit einem Abschnitt innerhalb der Trocknungskammer (4) liegt, und dass die Referenzdruckzuleitung (3) auf dem Abschnitt innerhalb der Trocknungskammer (4) die Öffnung aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trocknungskammer (4) und die Referenzdruckzuleitung (3) abschnittsweise eine gemeinsame Grenzfläche aufweisen, und dass das feuchteadsorbierende Material (41) und/oder das erste oder zweite feuchtedurchlässige Material die Grenzfläche bilden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke einer feuchtedurchlässigen Wandung (51a), welche das feuchteadsorbierende Material (41) zumindest teilweise umgibt, so gewählt ist, dass das feuchteadsorbierende Material (41) eine vorgebbare Menge an Luft trocknet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass die Trocknungskammer (4) in Form eines Einsatzes in das Gehäuse (12) einbringbar ist und/oder austauschbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trocknungskammer (4) derart ausgestaltet ist, dass sie eine im Gehäuse (12) angeordnete Sensorelektronik (14) zumindest teilweise umgibt.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trocknungskammer (4) das feuchteadsorbierende Material (41) als Formkörper oder in granularer Form enthält oder dass die Trocknungskammer (4) ein Sinterkörper oder ein Kompositkörper aus dem feuchteadsorbierenden Material (41) ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzdruckzuleitung (3) eine Länge aufweist, welche eine Länge des Gehäuses deutlich übersteigt.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzdruckzuleitung (3) zumindest abschnittsweise spiralförmig ausgestaltet ist.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das in der Trocknungskammer (4) enthaltene feuchteadsorbierende Material (41) ein Zeolith oder ein Silikagel ist.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite feuchtedurchlässige Material ausgewählt sind aus der Gruppe der Polymermaterialien.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das in der Trocknungskammer (4) enthaltene feuchteadsorbierende Material (41) neben Feuchte auch O₃, NH₃, H₂S und/oder HF adsorbiert.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass der Relativdrucksensor mehrere Gehäuse (12, 13) umfasst, in jedes Gehäuse (12, 13) mindestens eine Trocknungskammer (4) eingebracht ist.