DE102011004999A1

DE102011004999A1 - Drucksensormodul und Behälter mit einem solchen Drucksensormodul

Info

Publication number: DE102011004999A1
Application number: DE201110004999
Authority: DE
Inventors: Marc Schlachter; Udo Grittke
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2010-12-27
Filing date: 2011-03-02
Publication date: 2012-06-28
Also published as: WO2012089437A1

Abstract

Ein Drucksensormodul 10 umfasst einen Trägerkörper 11 mit einer Montagefläche zur mediendichten Verbindung 24 des Trägerkörpers 11 mit einem Behälter 20; einen druckabhängigen Verformungskörper 13, welcher mit dem Trägerkörper 11 druckdicht verbunden ist und medienseitig mit einem Druck beaufschlagbar ist, wobei der Verformungskörper eine medienabgewandte erste Reflexionsfläche 14 aufweist, welche über einen Lichtdurchgang, der sich von einer medienabgewandten Seite des Trägerkörpers 11 durch den Trägerkörper zur ersten Reflexionsfläche 14 verläuft, mit Weißlicht beleuchtbar ist, mindestens eine zweite Reflexionsfläche 15, welche in dem Lichtdurchgang, angeordnet ist und von welcher ein Teil des in den Lichtdurchgang eingestrahlten Weißlichts reflektiert wird, wobei das von der ersten Reflexionsfläche 14 reflektierte Licht einen druckabhängigen Gangunterschied zu dem an der zweiten Reflexionsfläche 15 reflektierten Licht aufweist, welcher interferometrisch auswertbar ist, und welcher von dem medienseitigen Druck abhängt; und wobei der Trägerkörper eine Anschlusseinheit 18 zum Anschließen eines Lichtleiters 32 aufweist durch den die erste und die zweite Reflexionsfläche beleuchtbar sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Drucksensormodul, insbesondere ein faseroptischen weißlicht-interferometrisches Drucksensormodul für Einwegbehälter.
Drucksensoren, die ein Weißlicht-Interferometer zum Erfassen einer druckabhängigen Verformung einer Messmembran umfassen, sind an sich bekannt. Einen guten Überblick zum Messprinzip geben Rao und Jackson in "Measuring Science and Technology" 7 (1996) 981–999.
In der Biotechnologie ist ein steigender Bedarf nach sterilen Behältern, insbesondere Einwegbehältern festzustellen, in welchen Chargen von Produkten biotechnologisch, insbesondere mikrobiologisch hergestellt werden. Nach der Entnahme des Produkts aus dem Behälter wird letzterer in aller Regel entsorgt und nicht mehr für eine Charge durch erneute Reinigung und Sterilisation vorbereitet. Aufgrund der extrem strengen Hygieneanforderungen ist es nicht praktikabel, dass die Behälter Öffnungen aufweisen, durch welche permanent im Betrieb befindliche Sensoren ohne großen Sterilisationsaufwand medienberührend eingesetzt werden.
Es besteht daher Bedarf an geeigneten Anschlüssen von Sensoren an Einwegbehältern.
Allgemein wird eine solche Schnittstelle beispielsweise in der Offenlegungsschrift WO 2008/016411 A1 beschrieben. In dieser Offenlegungsschrift wird die Schnittstelle auch für einen Drucksensor beansprucht. Wie der Drucksensor jedoch mit dem Mediendruck beaufschlagt werden soll und welches Wandlerprinzip zum Einsatz kommen soll, ist der Offenlegungsschrift nicht zu entnehmen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Drucksensormodul für Behälter, und Behälter, insbesondere Einwegbehälter mit einem solchen Drucksensormodul bereitzustellen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das Drucksensormodul gemäß Anspruch 1 und den Einwegbehälter gemäß Anspruch 10.
Das erfindungsgemäße Drucksensormodul umfasst:
einen Trägerkörper mit einer Montagefläche zur mediendichten Verbindung des Trägerkörpers mit einem Behälter;
einen druckabhängigen Verformungskörper, welcher mit dem Trägerkörper druckdicht verbunden ist und medienseitig mit einem Druck beaufschlagbar ist, wobei der Verformungskörper eine medienabgewandte erste Reflexionsfläche aufweist,
welche über einen Lichtdurchgang, der sich von einer medienabgewandten Seite des Trägerkörpers durch den Trägerkörper zur ersten Reflexionsfläche verläuft, mit Weißlicht beleuchtbar ist,
mindestens eine zweite Reflexionsfläche, welche in dem Lichtdurchgang, angeordnet ist und von welcher ein Teil des in den Lichtdurchgang eingestrahlten Weißlichts reflektiert wird,
wobei das von der ersten Reflexionsfläche reflektierte Licht einen druckabhängigen Gangunterschied zu dem an der zweiten Reflexionsfläche reflektierten Licht aufweist, welcher interferometrisch auswertbar ist, und welcher von dem medienseitigen Druck abhängt; und
wobei der Trägerkörper eine Anschlusseinheit zum Anschließen eines Lichtleiters aufweist durch den die erste und die zweite Reflexionsfläche beleuchtbar sind.
Vorzugsweise wird auch das von den Reflexionsflächen reflektierte Licht durch den an die Anschlusseinheit angeschlossenen Lichtleiter zu einem Auswerteinterferometer geleitet.
In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst die Anschlusseinheit eine mit dem Trägerkörper fest verbundene Ferulle, in welcher ein faseroptischer Lichtleiter fixiert ist.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Anschlusseinheit eine Ferullenaufnahme, in welcher eine Ferulle, die einen Lichtleiter führt, befestigt werden kann, wobei die Ferulle im befestigten Zustand vorzugsweise eine definierte axiale Position und Ausrichtung bezüglich der ersten und zweiten Reflexionsflächen aufweist.
Die Ferulle kann beispielsweise mittels Magneten, durch eine reibschlüssige Steckverbindung, mittels einer Überwurfmutter oder mittels eines Bajonettverschlusses lösbar an dem Trägerkörper befestigt werden.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung umfasst der Trägerkörper einen Kunststoff, insbesondere einen medienkompatiblen Kunststoff, welcher vorzugsweise mit einem Einwegbehälter der ebenfalls Kunststoff aufweist verklebbar oder thermisch verbindbar ist, beispielsweise durch Ultraschallschweißen.
Sofern das Material des Trägerkörpers hinreichend transparent ist, kann der Lichtdurchgang durch das Material des Trägerkörpers verlaufen. Anderenfalls kann der Lichtdurchgang eine Bohrung umfassen.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung umfasst das Sensormodul eine Sensorinterferometerkapsel, welche den Verformungskörper und die zweite Reflexionsfläche umfasst, wobei die Sensorinterferometerkapsel zum Medium hin hermetisch dicht ist, und welche mit dem Trägerkörper druckdicht verbunden ist.
Die Sensorinterferometerkapsel kann integral aufgebaut sein und insbesondere einen Grundkörper umfassen, der mit einem Membrankörper druckdicht verbunden ist. In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst der Grundkörper Glas und der Membrankörper Silizium.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung umfasst der Verformungskörper eine Messmembran.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung umfasst das Sensormodul einen Temperaturfühler. Dieser wird dadurch realisiert, dass das Sensormodul eine insbesondere teilreflektierende, dritte Reflexionsfläche, wobei das von der dritten Reflexionsfläche reflektierte Licht einen temperaturabhängigen Gangunterschied zu dem von einer anderen Reflexionsfläche reflektierten Licht aufweist, wobei die andere Reflexionsfläche insbesondere die erste Reflexionsfläche oder die zweite Reflexionsfläche sein kann. Die dritte Reflexionsfläche kann dementsprechend insbesondere einen im wesentlichen druckunabhängigen Abstand zur ersten Reflexionsfläche oder zur zweiten Reflexionsfläche aufweisen. In der ersten Alternative ist die dritte Reflexionsfläche am Verformungskörper, insbesondere der Messmembran, und in der zweiten Alternative insbesondere an einem nicht durch den Druck auslenkbaren Teil der Sensorinterferometerkapsel angeordnet. In der zweiten Alternative können die zweite und die dritte Reflexionsfläche die parallelen, insbesondere die planparallelen, Oberflächen eines transparenten Körpers sein.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weist das Drucksensormodul einen Datenträger auf, welcher Kalibrierdaten des Drucksensormoduls enthält, also Daten, welche einen funktionalen Zusammenhang zwischen dem Gangunterschied zwischen dem an der ersten bzw. der zweiten Reflexionsfläche reflektierten Licht und dem Mediendruck beschreiben.
Die Daten können insbesondere in einem RFID Chip, einem anderem Halbleiterdatenpeicher oder graphisch, insbesondere in einem ein- oder zweidimensionalen Barcode bereitgestellt sein.
Der Verformungskörper bzw. die Sensorinterferometerkapsel können Glas, einen Halbleiter, Metall und/oder Kunststoff aufweisen.
Der erfindungsgemäße Behälter, insbesondere Einwegbehälter umfasst eine Behälterwand mit einer Öffnung, und ein erfindungsgemäßes Drucksensormodul, wobei die Montagefläche des Trägerkörpers mit einer die Öffnung umgebenden Fügestelle druckdicht verbunden ist, und wobei der Verformungskörper durch die Öffnung mit dem Mediendruck beaufschlagbar ist.
In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst der Behälter, einen Beutel, eine Rohrleitung, einen Schlauch einen Tank, ein Fass oder einen Kanister.
In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst die Behälterwand einen Kunststoff.
Die Erfindung wird nun anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigt
1: eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Drucksensormoduls; und
2: eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Drucksensormoduls.
Das in 1 dargestellte Drucksensormodul 10 umfasst einen plattenförmigen Trägerkörper 11 aus Kunststoff, der eine Sensorinterferometerkapsel 12 trägt. Die Sensorinterferometerkapsel 12 umfasst einen Grundkörper 12a der insbesondere Glas aufweist und einen Messmembrankörper 12b, welcher vorzugsweise Silizium aufweist. Der Messmembrankörper 12b umfasst eine Messmembran 13 als Verformungskörper wobei der Messmembrankörper eine zwischen der Messmembran 13 und dem Grundkörper 12a gebildete Messkammer druckdicht verschließt. Die Messmembran 13 weist eine erste Reflexionsfläche 14 auf, welche der Messkammer zugewandt ist. Eine der Messkammer zugewandte Oberfläche des Grundkörpers 12a dient als zweite Reflexionsfläche 15.
Eine der zweiten Reflexionsfläche 15 abgewandte Basisfläche des Grundkörpers 12a dient als dritte Reflexionfläche 16, wobei der Gangunterschied zwischen Reflexionen an der zweiten und dritten Reflexionsfläche ein Maß für die Temperatur ist Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Messkammer evakuiert, um eine Absolutdruckmessung zu ermöglichen. Über eine hier nicht dargestellte rückseitige Öffnung kann die Messkammer aber auch mit einem Referenzdruck, beispielsweise Atmosphärendruck beaufschlagt werden.
Die Sensorinterferometerkapsel 12 ist mit ihrer der Messmembran abgewandten Oberfläche, also der Basisfläche des Grundkörpers an dem Trägerkörper druckdicht befestigt. Auf dem Trägerkörper 11 ist weiterhin eine Anschlussbuchse 18 angeordnet, welche eine Führung zur Aufnahme einer Ferulle 30 mit einem Lichtleiter 32 aufweist, um den Lichtleiter bezüglich eines Lichtdurchgangs durch den Trägerkörper zu positionieren, wodurch ein Bestrahlen der Reflexionsflächen mit Weißlicht und Erfassen des von den Reflexionsflächen reflektierten Lichts mittels der Faser ermöglicht wird.
Der Trägerkörper ist mit einem Kunststoffbeutel 20, der eine Öffnung 22 aufweist, in welcher die Sensorinterferometerkapsel 12 angeordnet ist, mittels einer umlaufenden Ultraschallschweißnaht 24 druckdicht verbunden.
2. zeigt eine Ausgestaltung bei der ein Drucksensormodul 110 anstelle der Anschlussbuchse 18 eine fest mit dem Trägerkörper verbundene Ferulle 118 aufweist, von der eine Lichtleiterfaser 130 zu einer abgesetzten Anschlussbuchse 130 verläuft. Bezüglich der Sensorinterferometerkapsel 12 gelten die Erläuterungen für das erste Ausführungsbeispiel entsprechend.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2008/016411 A1 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Rao und Jackson in ”Measuring Science and Technology” 7 (1996) 981–999 [0002]

Claims

Drucksensormodul (10), umfassend: einen Trägerkörper (11) mit einer Montagefläche zur mediendichten Verbindung des Trägerkörpers mit einem Behälter (20); einen druckabhängigen Verformungskörper (13), welcher mit dem Trägerkörper (11) druckdicht verbunden ist und medienseitig mit einem Druck beaufschlagbar ist, wobei der Verformungskörper eine medienabgewandte erste Reflexionsfläche (14) aufweist, welche über einen Lichtdurchgang, der sich von einer medienabgewandten Seite des Trägerkörpers (11) durch den Trägerkörper zur ersten Reflexionsfläche verläuft, mit Weißlicht beleuchtbar ist, mindestens eine zweite Reflexionsfläche (15), welche in dem Lichtdurchgang, angeordnet ist und von welcher ein Teil des in den Lichtdurchgang eingestrahlten Weißlichts reflektiert wird, wobei das von der ersten Reflexionsfläche reflektierte Licht einen druckabhängigen Gangunterschied zu dem an der zweiten Reflexionsfläche reflektierten Licht aufweist, welcher interferometrisch auswertbar ist, und welcher von dem medienseitigen Druck abhängt; und wobei der Trägerkörper eine Anschlusseinheit (18) zum Anschließen eines Lichtleiters aufweist durch den die erste und die zweite Reflexionsfläche beleuchtbar sind.
Drucksensormodul nach Anspruch 1, wobei die Anschlusseinheit eine mit dem Trägerkörper fest verbundene Ferulle umfasst, in welcher ein faseroptischer Lichtreiter fixiert ist.
Drucksensormodul nach Anspruch 1, wobei die Anschlusseinheit eine Ferullenaufnahme umfasst, in welcher eine Ferulle, die einen Lichtleiter führt, befestigt werden kann, wobei die Ferulle im befestigten Zustand vorzugsweise eine definierte axiale Position und Ausrichtung bezüglich der ersten und zweiten Reflexionsflächen aufweist
Drucksensormodul nach Anspruch 3, wobei die Ferulle mittels Magneten, durch eine reibschlüssige Steckverbindung, mittels einer Überwurfmutter oder mittels eines Bajonettverschlusses lösbar an dem Trägerkörper befestigt werden.
Drucksensormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Trägerkörper einen Kunststoff aufweist, welcher vorzugsweise mit einem Einwegbehälter der ebenfalls Kunststoff aufweist verklebbar oder thermisch verbindbar ist, beispielsweise durch Ultraschallschweißen.
Drucksensormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches eine integrale Sensorinterferometerkapsel umfasst, wobei die Sensorinterferometerkapsel den Verformungskörper und die zweite Reflexionsfläche umfasst, wobei die Sensorinterferometerkapsel zum Medium hin hermetisch dicht ist, und wobei die Sensorinterferometerkapsel mit dem Trägerkörper druckdicht verbunden ist
Drucksensormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verformungskörper eine Messmembran umfasst.
Drucksensormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Drucksensormodul einen Datenträger aufweist, welcher Kalibrierdaten des Drucksensormoduls enthält, also Daten, welche einen funktionalen Zusammenhang zwischen dem Gangunterschied zwischen dem an der ersten bzw. der zweiten Reflexionsfläche reflektierten Licht und dem Mediendruck beschreiben.
Drucksensormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verformungskörper bzw. die Sensorinterferometerkapsel Glas, einen Halbleiter, Metall und/oder Kunststoff aufweisen.
Drucksensormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensorinterferometerkapsel einen Grundkörper und einen Membrankorper aufweist, der druckdicht mit dem Grundkörper verbunden ist
Drucksensormodul nach Anspruch 10 wobei der Grundkörper Glas und der Membrankörper Silizium aufweisen.
Drucksensormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches weiterhin einen Temperaturfühler aufweist der eine dritte Reflexionsfläche umfasst, wobei das von der dritten Reflexionsfläche reflektierte Licht einen temperaturabhängigen Gangunterschied zu dem von einer anderen Reflexionsfläche reflektierten Licht aufweist.
Behälter, insbesondere Einwegbehälter umfassend eine Behälterwand mit einer Öffnung, und ein Drucksensormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Montagefläche des Trägerkörpers mit einer die Öffnung umgebenden Fügestelle druckdicht verbunden ist, und wobei der Verformungskörper durch die Öffnung mit dem Mediendruck beaufschlagbar ist.
Behälter nach Anspruch 13, umfassend einen Beutel, ein Sack, eine Rohrleitung, einen Schlauch einen Tank, ein Fass oder einen Kanister, oder ein beliebiger anderer Behälter zum Führen oder halten, von fließendem oder stehenden Medium.
Behälter nach Anspruch 13 oder 14, wobei die Behälterwand einen Kunststoff aufweist