DE102011005705B4 - Capacitive pressure sensor - Google Patents

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Abstract

Drucksensor zum Erfassen eines Mediendrucks, umfassend – eine Druckmesszelle (10) mit einer mit dem Medium beaufschlagbaren Stirnfläche (11), – ein Gehäuse (2) mit einer Medienöffnung und eine ringförmige axiale Anschlagfläche (4), welche die Medienöffnung umschließt, und – eine Einspannvorrichtung (20); wobei die Druckmesszelle (10) zwischen der Anschlagfläche (4) und der Einspannvorrichtung (20) axial eingespannt ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Druckmesszelle (10) und der Einspannvorrichtung (20) ein Mittel (30) zur thermischen Entkopplung vorgesehen ist, das die Wärmeabfuhr von der Druckmesszelle (10) über die Einspannvorrichtung (20) in das Sensorgehäuse (2) erschwert, wobei das Mittel (30) aus einem Kunststoff besteht, dessen Wärmeleitfähigkeit im Bereich 0,1 bis 0,5 W/(K m) liegt und der im Bereich –40 bis +300°C temperaturbeständig ist.Pressure sensor for detecting a media pressure, comprising - a pressure measuring cell (10) with an end face (11) which can be acted upon by the medium, - a housing (2) with a media opening and an annular axial stop face (4) which surrounds the media opening, and - one Jig (20); wherein the pressure measuring cell (10) is clamped axially between the stop surface (4) and the clamping device (20), characterized in that a means (30) for thermal decoupling is provided between the pressure measuring cell (10) and the clamping device (20) the heat dissipation from the pressure measuring cell (10) via the clamping device (20) into the sensor housing (2) is made more difficult, the means (30) consisting of a plastic whose thermal conductivity is in the range 0.1 to 0.5 W / (K m) and which is temperature-resistant in the range of -40 to + 300 ° C.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drucksensor zum Erfassen eines Mediendrucks nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The present invention relates to a pressure sensor for detecting a media pressure according to the preamble of claim 1.

Kapazitive Drucksensoren werden in vielen Industriebereichen zur Druckmessung eingesetzt. Sie weisen häufig eine keramische Druckmesszelle, als Messwandler für den Prozessdruck, und einen Auswerteelektronik zur Signalverarbeitung auf.Capacitive pressure sensors are used in many industries for pressure measurement. They often have a ceramic pressure measuring cell, as a transducer for the process pressure, and an evaluation for signal processing.

Typische Messzellen bestehen aus einem keramischen Grundkörper und einer Membran, wobei zwischen dem Grundkörper und der Membran ein Glaslotring angeordnet ist. Der sich dadurch ergebende Hohlraum zwischen Grundkörper und Membran ermöglicht die längsgerichtete Beweglichkeit der Membran infolge eines Druckeinflusses. An der Unterseite der Membran und an der gegenüberliegenden Oberseite des Grundkörpers sind jeweils Elektroden vorgesehen, die zusammen einen Messkondensator bilden. Durch Druckeinwirkung kommt es zu einer Verformung der Membran, was eine Kapazitätsänderung des Messkondensators zur Folge hat. Mit Hilfe einer Auswerteeinheit wird die Kapazitätsänderung erfasst und in einen Druckmesswert umgewandelt. In der Regel dienen diese Drucksensoren zur Überwachung oder Steuerung von Prozessen. Sie sind deshalb häufig mit übergeordneten Steuereinheiten (SPS) verbunden.Typical measuring cells consist of a ceramic base body and a membrane, wherein a glass solder ring is arranged between the base body and the membrane. The resulting cavity between the body and membrane allows the longitudinal mobility of the membrane due to a pressure influence. On the underside of the membrane and on the opposite upper side of the main body electrodes are provided, which together form a measuring capacitor. Pressure causes a deformation of the membrane, which results in a capacitance change of the measuring capacitor. With the aid of an evaluation unit, the capacitance change is detected and converted into a pressure measurement value. Typically, these pressure sensors are used to monitor or control processes. They are therefore often connected to higher-level control units (PLC).

Meist bestehen solche Drucksensoren aus einem als Prozessanschluss bezeichneten Unterteil und einem darauf aufgesetzten Gehäuse als Oberteil, das vorrangig zum Schutz des Sensors und der dazu gehörenden Elektronik dient. Der Prozessanschluss stellt so die Verbindung des Messgeräts mit einem Behälter oder einer Rohrleitung bzw. einem Anschlussstutzen her und beinhaltet die Messzelle. Der Prozessanschluss weist an seinem unteren Ende radial nach innen verlaufende Anschlagflächen bzw. Dichtstege auf, auf denen die Messzelle angeordnet ist. Abhängig von der Anwendung können zwischen diesen Dichtstegen und der Messzelle Dichtelemente angeordnet werden, die bspw. aus Polyetheretherketon (PEEK) oder aus Polytetrafluorethylen (PTFE) bestehen. Um die Messzelle im Sensorgehäuse zu befestigen wird sie zwischen den Dichtstegen, die dann als Anschlagflächen fungieren, und einer Einspannvorrichtung, die bspw. als metallischer Gewindering ausgeführt ist, eingespannt. Most such pressure sensors consist of a designated as a process connection lower part and an attached housing as the upper part, which primarily serves to protect the sensor and the associated electronics. The process connection thus establishes the connection of the measuring instrument with a container or a pipe or a connecting piece and contains the measuring cell. The process connection has at its lower end radially inwardly extending abutment surfaces or sealing webs on which the measuring cell is arranged. Depending on the application, sealing elements can be arranged between these sealing webs and the measuring cell, which consist, for example, of polyetheretherketone (PEEK) or of polytetrafluoroethylene (PTFE). To secure the measuring cell in the sensor housing, it is clamped between the sealing webs, which then act as abutment surfaces, and a clamping device, which is designed, for example, as a metallic threaded ring.

Ein Problem derartiger Drucksensoren ist, dass bei Temperaturänderungen des zu messenden Mediums die Wärmeenergie von der Druckmesszelle über die Einspannvorrichtung in das Sensorgehäuse abgeführt wird. Aus diesem Grunde dauert es unverhältnismäßig lange, bis die Messzelle eine gleichmäßige Durchwärmung erfährt. Bei sehr schnellen Temperaturänderungen verschärft sich das Problem noch. Problem dieser über längere Zeiträume ungleichmäßigen Temperaturverteilung im Zellenkörper ist die thermische Verformung, die zu Schubkräften auf die über das Glaslot verbundene Membrane führt. Im Ergebnis führt dies zu einer Verfälschung der Messwerte. Vorrangig tritt dieses Problem bei frontbündigen Sensoren auf, da die Messzelle direkt mit dem Medium in Kontakt steht. Bei nicht-frontbündigen Sensoren ergibt sich durch die zurückversetzte Messzelle ein Hohlraum, der wie ein Puffer wirkt. Eine plötzlich eintretende Temperaturänderung des Mediums wirkt sich in dem Hohlraum nur sehr langsam aus, weil hier die Vermischung der Temperaturen innerhalb des Mediums träger erfolgt. Temperaturänderungen haben bei nicht-frontbündigen Drucksensoren daher nur einen geringen bis keinen Einfluss auf Abweichungen der Messergebnisse, die durch eine unterschiedlich erwärmte Messzelle bedingt sind.A problem of such pressure sensors is that the heat energy is dissipated by the pressure measuring cell via the clamping device in the sensor housing with temperature changes of the medium to be measured. For this reason, it takes a disproportionately long time until the measuring cell undergoes a uniform heating. At very rapid temperature changes, the problem is exacerbated. The problem of this uneven temperature distribution over long periods of time in the cell body is the thermal deformation, which leads to shear forces on the membrane connected via the glass solder. As a result, this leads to a falsification of the measured values. Primarily, this problem occurs with flush-mounted sensors, since the measuring cell is in direct contact with the medium. With sensors that are not flush with the front, the recessed measuring cell results in a cavity that acts like a buffer. A suddenly occurring change in temperature of the medium affects in the cavity only very slowly, because here the mixing of the temperatures within the medium is carried carrier. Temperature changes in non-flush pressure sensors therefore have little or no influence on deviations of the measurement results, which are due to a differently heated measuring cell.

Aus dem Stand der Technik ist bekannt, die Temperatur des zu messenden Mediums mittels eines Temperatursensors zu ermitteln, um dann die temperaturbedingte Verfälschung der Druckmesswerte zu berechnen. Anschließend können die von der Druckmesszelle gelieferten Druckmesswerte um die berechnete Verfälschung korrigiert werden. Ein derartiges Verfahren ist bspw. aus der EP 1 857 800 B1 bekannt. Nachteilig an einer derartigen Lösung ist der vergleichsweise aufwendige Aufbau der Messvorrichtung, bedingt durch den Temperatursensor und der damit verbundenen Verarbeitungseinheit. Insbesondere bei sehr preiswerten und im Aufbau weniger aufwendigen Drucksensoren ist eine derartige Lösung unwirtschaftlich.It is known from the prior art to determine the temperature of the medium to be measured by means of a temperature sensor in order then to calculate the temperature-related falsification of the pressure measurement values. Subsequently, the pressure measured values supplied by the pressure measuring cell can be corrected by the calculated adulteration. Such a method is, for example, from the EP 1 857 800 B1 known. A disadvantage of such a solution is the comparatively complicated structure of the measuring device, due to the temperature sensor and the associated processing unit. Such a solution is uneconomical, especially in the case of very inexpensive and less expensive pressure sensors.

Des Weiteren ist aus der DE 102 43 079 A1 ein Drucksensor bekannt, bei dem mittels eines Entkopplungselement neben dem, bedingt durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten der verschiedenen Bestandteile zur axialen Fixierung der Messzelle, Spannenfehler aufgrund der Veränderung der axialen Einspannung auch die Temperaturhysterese reduziert werden soll.Furthermore, from the DE 102 43 079 A1 a pressure sensor is known in which by means of a decoupling element in addition to, due to different thermal expansion coefficients of the various components for axial fixing of the measuring cell, span error due to the change in the axial clamping and the temperature hysteresis to be reduced.

Aus der EP 0 759 547 A1 ist ferner ein Drucksensor bekannt, der eine Flüssigkeit als Druckmittler verwendet. Da eine temperaturbedingte Volumenänderung der Flüssigkeit zu Messfehlern führt, ist die Druckmesszelle bis auf die dem Messmedium ausgesetzte Fläche von der Flüssigkeit umgeben, wobei in der Flüssigkeit ein einem auf den Drucksensor einwirkenden Druck entsprechender isostatischer Gegendruck herrscht, durch den die Messzelle in seiner Lage gehalten wird.From the EP 0 759 547 A1 Furthermore, a pressure sensor is known which uses a liquid as a pressure transmitter. Since a temperature-induced change in volume of the liquid leads to measurement errors, the pressure measuring cell is surrounded by the liquid except for the surface exposed to the measuring medium, wherein the liquid is subjected to a pressure acting on the pressure sensor corresponding isostatic counter-pressure, through which the measuring cell is held in its position ,

Darüber hinaus ist aus der EP 0757 237 A2 ein Druckaufnehmer bekannt, der, um temperaturbedingte Messfehler zu minimieren, vorschlägt, zwischen einer das Gehäuse abschließenden Membran und der Druckmesszelle einen Festkörper, z. B. in Form einer Vergussmasse, mit einem geeigneten Elastizitätsmodul vorzusehen.In addition, from the EP 0757 237 A2 a pressure transducer is proposed which, in order to minimize temperature-related measurement errors, proposes between a housing terminating membrane and the pressure measuring cell a solid, z. B. in the form of a potting compound to provide with a suitable modulus of elasticity.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Drucksensor mit vorzuschlagen, der auf einfache Weise die Verfälschung der Messergebnisse aufgrund eines Temperatureinflusses minimiert.The object of the invention is to provide a pressure sensor, which minimizes the falsification of the measurement results due to a temperature influence in a simple manner.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.This object is achieved by the features specified in claim 1. Advantageous developments of the invention are specified in the subclaims.

Erfindungsgemäß ist zwischen der Druckmesszelle und der Einspannvorrichtung ein Mittel zur thermischen Entkopplung vorgesehen ist, das die Wärmeabfuhr von der Druckmesszelle über die Einspannvorrichtung in das Sensorgehäuse erschwert. Das Mittel besteht dabei aus einem Kunststoff, dessen Wärmeleitfähigkeit im Bereich 0,1 bis 0,5 W/(K m) liegt und der im Bereich –40 bis +300°C temperaturbeständig ist.According to the invention, a means for thermal decoupling is provided between the pressure measuring cell and the clamping device, which impedes the heat dissipation from the pressure measuring cell via the clamping device into the sensor housing. The agent consists of a plastic whose thermal conductivity is in the range 0.1 to 0.5 W / (K m) and which is temperature-resistant in the range -40 to + 300 ° C.

Der wesentliche Gedanke der Erfindung ist, die gesamte Messzelle in möglichst kurzer Zeit in ein thermisches Gleichgewicht mit dem zu messenden Medium zu bringen. Dazu ist es wichtig, die Ableitung der Wärme von der Messzelle zum Sensorgehäuse zu erschweren bzw. weitestgehend zu verhindern, so dass die auf die Messzelle übergehende Wärmeenergie in einem hohen Maß in der Messzelle verbleibt und die Messzelle somit in kürzestmöglicher Zeit die gleiche Temperatur aufweist, wie die des anliegenden Mediums. Maßgeblich verantwortlich für die temperaturbedingte Verfälschung ist der Wärmeausdehnungskoeffizient, welcher die Zelle infolge von Temperaturänderung verformt. Entscheidend für den Wahrheitsgehalt der Messergebnisse ist somit die Zeit, bis sich ein thermisches Gleichgewicht einstellt. Je kürzer die Zeit ist, bis sich ein thermisches Gleichgewicht einstellt, desto geringer ist die Zeitspanne, in der ein Fehler das eigentliche Messergebnis beeinflusst. Versuchsmessungen haben ergeben, dass bei einer Messzelle mit thermischer Entkopplung nach einem Temperaturanstieg von 20°C auf 70°C kurzfristig eine Abweichung des Messergebnisses um 6% vorlag, sich diese aber bereits nach etwa 30 Sekunden auf nahezu 0% reduzierte. Ohne diese thermische Entkopplung lag nach über 2 Minuten immer noch eine Abweichung von 1% vor.The essential idea of the invention is to bring the entire measuring cell in the shortest possible time in a thermal equilibrium with the medium to be measured. For this purpose, it is important to make the dissipation of the heat from the measuring cell to the sensor housing more difficult or to the greatest possible extent, so that the heat energy transferred to the measuring cell remains to a high degree in the measuring cell and the measuring cell thus has the same temperature in the shortest possible time, like the attached medium. Significantly responsible for the temperature-related distortion is the thermal expansion coefficient, which deforms the cell due to temperature change. Decisive for the truth content of the measurement results is therefore the time until a thermal equilibrium sets in. The shorter the time until a thermal equilibrium sets in, the lower the time span in which an error influences the actual measurement result. Experimental measurements have shown that a measuring cell with thermal decoupling after a temperature rise of 20 ° C to 70 ° C short-term deviation of the measurement result by 6%, but this already reduced to almost 0% after about 30 seconds. Without this thermal decoupling there was still a deviation of 1% after more than 2 minutes.

Bevorzugt besteht das Mittel aus einem Kunststoff, dessen Wärmeleitfähigkeit im Bereich < 0,3 W/(K m) liegt und der im Bereich zwischen –20 und +150°C temperaturbeständig ist. Der Kunststoff wirkt somit als Wärmeisolator und verhindert die Wärmeabfuhr, während er eine gute Temperaturbeständigkeit aufweist. Grundsätzlich muss der Kunststoff auch sehr stabil in Bezug auf sein Langzeit-Setz-Verhalten sein (Relaxation), um die Dichtwirkung an der Mediumsseite der Messzelle nicht mittel- bis langfristig zu beeinflussen.Preferably, the means consists of a plastic whose thermal conductivity is in the range of <0.3 W / (K m) and which is temperature-resistant in the range between -20 and + 150 ° C. The plastic thus acts as a heat insulator and prevents heat dissipation, while having a good temperature resistance. In principle, the plastic must also be very stable with regard to its long-term settling behavior (relaxation) so as not to influence the sealing effect on the medium side of the measuring cell in the medium to long term.

In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Mittel eine Folie. Idealerweise weist die Folie annähernd die gleiche runde Kontur wie die Messzelle auf, so dass sie beim Montieren einfach auf die bereits im Sensorgehäuse befindliche Messzelle angeordnet werden und die Einspannvorrichtung in Form eines Gewinderings in das Sensorgehäuse ein- und auf die Messzelle aufgeschraubt werden kann. Die Folie kann als Scheibe oder als Ring oder als Scheibe mit Aussparungen ausgeführt sein und hat eine Dicke von 40 bis 200 μm, bevorzugt 100 bis 150 μm und besonders bevorzugt 125 μm.In a first advantageous embodiment of the invention, the agent is a film. Ideally, the film has approximately the same round contour as the measuring cell, so that they are simply mounted on the already located in the sensor housing measuring cell during mounting and the clamping device in the form of a threaded ring in the sensor housing and can be screwed onto the measuring cell. The film may be designed as a disk or as a ring or as a disk with recesses and has a thickness of 40 to 200 .mu.m, preferably 100 to 150 .mu.m and particularly preferably 125 .mu.m.

In einer zweiten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Mittel eine Beschichtung, mit der die Einspannvorrichtung und/oder die Druckmesszelle zumindest teilweise umschlossen ist. Die Beschichtung kann bei Fertigung von großen Stückzahlen an Messzellen oder Einspannvorrichtungen von Vorteil sein, weil der Prozess weitgehend automatisiert werden kann. Ferner kann es bei bestimmten Anwendungen von Vorteil sein, dass für die Isolierung kein zusätzliches Bauteil notwendig ist. Eine Reduzierung der Teileanzahl kann einen Fertigungsprozess verbessern bzw. verschlanken.In a second advantageous embodiment of the invention, the agent is a coating with which the clamping device and / or the pressure measuring cell is at least partially enclosed. The coating can be advantageous in the production of large numbers of measuring cells or clamping devices, because the process can be largely automated. Furthermore, it may be advantageous in certain applications that no additional component is necessary for the insulation. A reduction in the number of parts can improve or reduce a manufacturing process.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass auf dem Mittel eine Platte zum Übertragen des beim Einschrauben der Einspannvorrichtung in das Sensorgehäuse ausgehenden Anzugsmoments auf die Messzelle angeordnet ist. Vor dem Einschrauben der Einspannvorrichtung in das Sensorgehäuse wird die Einspannvorrichtung auf die beschichtete oder mit der Folie bedeckte Messzelle aufgesetzt und durch Verklipsen, Verklemmen oder dergleichen derart miteinander verbunden, dass sie relativ zueinander nicht mehr beweglich sind, da ansonsten die Pins zur elektrischen Kontaktierung der Messzelle abgedreht werden können, wenn die Einspannvorrichtung in das Sensorgehäuse eingeschraubt wird. Hierbei hilft die Platte, die das Drehmoment sicher auf die Messzelle überträgt, da sie formschlüssig mit der Einspannvorrichtung und stoffschlüssig mit der Oberseite der Messzelle verbunden ist.An advantageous development of the invention provides that on the means a plate for transmitting the outgoing when screwing the jig in the sensor housing torque is arranged on the measuring cell. Before screwing the clamping device into the sensor housing, the clamping device is placed on the coated or covered with the film measuring cell and connected by clipping, jamming or the like so that they are no longer movable relative to each other, otherwise the pins for electrical contacting of the measuring cell can be turned off when the clamping device is screwed into the sensor housing. The plate, which transmits the torque safely to the measuring cell, helps with this because it is positively connected to the clamping device and firmly bonded to the top of the measuring cell.

In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Mittel aus Polyimid (PI), auch unter dem Namen Kapton® bekannt, oder Polyetheretherketon (PEEK) oder Polyphenylensulfon (PPSU) oder Polyetherimid (PEI) oder Polyethersulfon (PES) besteht. Bevorzugt ist Polyimid (PI), d. h. Kapton® HN geeignet, wegen seiner schlechten Wärmeleitfähigkeit bei gleichzeitig hoher Kriechbeständigkeit und Temperaturbeständigkeit.In a particularly advantageous embodiment of the invention, the agent of polyimide (PI), also known under the name Kapton ® , or polyetheretherketone (PEEK) or polyphenylene sulfone (PPSU) or polyetherimide (PEI) or polyethersulfone (PES) exists. Preferably polyimide (PI), that Kapton ® HN suitable because of its poor thermal conductivity and high creep resistance and temperature resistance.

Nachfolgend wird die Erfindung im Zusammenhang mit Figuren anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. The invention will be explained in more detail in connection with figures with reference to embodiments.

Es zeigen:Show it:

1 einen erfindungsgemäßen Drucksensor, teilweise geschnitten, 1 a pressure sensor according to the invention, partially cut,

2 eine Explosionszeichnung eines metallischen Gewinderings und einer Druckmesszelle vor dem Zusammenbau und 2 an exploded view of a metallic threaded ring and a pressure measuring cell before assembly and

3 ein Schnittbild durch das Sensorgehäuse bzw. den Prozessanschluss mit eingeschraubtem Gewindering und Druckmesszelle. three a sectional view through the sensor housing or the process connection with screwed threaded ring and pressure measuring cell.

In den nachfolgenden Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.In the following figures, unless otherwise stated, like reference numerals designate like parts with the same meaning.

Der in 1 gezeigte erfindungsgemäße Drucksensor 1 umfasst ein Sensorgehäuse 2, in dem eine Druckmesszelle 10 eingefasst ist. Der untere Teil des Drucksensors 1 wird als Prozessanschluss 3 bezeichnet, der die Verbindung des Drucksensors 1 mit einem das zu messende Medium führenden – hier nicht gezeigten – Behälter oder Rohrleitung bzw. einem Anschlussstutzen herstellt und die Messzelle 10 beinhaltet. Der Prozessanschluss 3 ist bevorzugt aus Edelstahl (V4A, V2A) ausgeführt, da Edelstahl für Anwendungen in der Lebensmittelindustrie sehr gut geeignet ist. Die Messzelle 10 arbeitet nach dem kapazitiven Prinzip und besteht aus einem keramischen Grundkörper. An der Stirnseite 11 kommt die Messzelle 10 mit dem zu messenden Medium in Berührung. Wie eingangs bereits erläutert, kommt es durch die Druckeinwirkung zu einer Verformung der Membran der Messzelle 10, was eine mess- und auswertbare Kapazitätsänderung zur Folge hat.The in 1 shown pressure sensor according to the invention 1 includes a sensor housing 2 in which a pressure measuring cell 10 is enclosed. The lower part of the pressure sensor 1 is called process connection three denotes the connection of the pressure sensor 1 with a leading the medium to be measured - not shown here - container or pipe or a connecting piece produces and the measuring cell 10 includes. The process connection three is preferably made of stainless steel (V4A, V2A), since stainless steel is very well suited for applications in the food industry. The measuring cell 10 works on the capacitive principle and consists of a ceramic body. At the front 11 comes the measuring cell 10 in contact with the medium to be measured. As already explained, it comes through the pressure to a deformation of the membrane of the measuring cell 10 , which results in a measurable and evaluable capacity change.

Die Messzelle 10 liegt axial auf einer Anschlagsfläche 4 auf, die als Dichtstege oder im Falle einer federnden Eigenschaft auch als Dichtfederstege ausgeführt sein können. Hierbei handelt es sich um einen axialen Anschlag für die Druckmesszelle 10, welche gleichzeitig durch die federnde Eigenschaft als dynamischer Kraftpuffer fungiert, womit insbesondere temperaturbedingte axiale Längenänderungen ausgeglichen werden können. Somit ist eine dauerhafte Dichtigkeit zwischen der Anschlagsfläche 4 und der Messzelle 10 mit oder ohne zusätzlichem Dichtelement, wie bspw. Dichtringe aus PTFE oder PEEK, auch bei wechselnden Temperatureinflüssen gewährleistet. Hinsichtlich einer diesbezüglichen Offenbarung wird auf die DE 196 28 551 B4 und die DE 10 2009 028 663 A1 der Anmelderin verwiesen.The measuring cell 10 lies axially on a stop surface 4 on, which can be designed as sealing webs or in the case of a resilient property as sealing spring webs. This is an axial stop for the pressure measuring cell 10 , which simultaneously acts by the resilient property as a dynamic force buffer, which in particular temperature-induced axial length changes can be compensated. Thus, a permanent tightness between the stop surface 4 and the measuring cell 10 with or without additional sealing element, such as. Sealing rings made of PTFE or PEEK, guaranteed even with changing temperature influences. With regard to a disclosure in this regard is on the DE 196 28 551 B4 and the DE 10 2009 028 663 A1 referred to the applicant.

2 zeigt in einer Explosionszeichnung, wie sich der Aufbau von Druckmesszelle 10 und Einspannvorrichtung 20 sowie den dazwischen angeordneten Isolationsmittel 30 und einer Montageplatte 40 dargestellt. Die Abbildung zeigt die Erfindung gemäß einer ersten Ausführungsform, in dem das Isolationsmittel 30 als scheibenförmige Folie 30a auf die Oberseite der Messzelle 10 aufgesetzt ist. Vorteilhafterweise entspricht die Außenkontur der Folienscheibe 30 näherungsweise dem Außendurchmesser der Messzelle 10. Die Folienscheibe 30 weist mehrere Aussparungen auf, die zum einen Freiraum für die Pins 12 zur elektrischen Kontaktierung der Messzelle 10 und zum anderen Platz zum Aufbringen von Klebemitteln bieten. Die Montageplatte wird auf die Isolationsfolie 30 bzw. die Oberseite der Messzelle 10 aufgesetzt und ist vorzugsweise durch eine Klebung mit ihr verbunden. Auf den Verbund von Messzelle 10, Isolationsfolie 30 und Montageplatte 40 wird dann die vorzugsweise als metallischer Gewindering ausgeführte Einspannvorrichtung 20 aufgesetzt. Der Gewindering 20 weist in einem Oberteil ein Außengewinde auf, das mit einem Innengewinde an der Innenseite des Sensorgehäuses 2 in Eingriff kommt. In einem unteren Teil weist der Gewindering 20 einen umlaufenden Ring auf, der durch einzelne Aussparungen unterbrochen ist. Diese Aussparungen werden wegen den am äußeren Rand der Messzelle 10 angeordneten Pins 12 und einem oder mehreren Kanälen 13 zur Entlüftung der Messzelle 10 benötigt. 2 shows in an exploded view, how the construction of pressure measuring cell 10 and clamping device 20 and the insulating means disposed therebetween 30 and a mounting plate 40 shown. The figure shows the invention according to a first embodiment, in which the insulating means 30 as a disk-shaped film 30a on the top of the measuring cell 10 is attached. Advantageously, the outer contour corresponds to the foil pane 30 approximately the outer diameter of the measuring cell 10 , The foil disc 30 has several recesses, which is a free space for the pins 12 for electrical contacting of the measuring cell 10 and on the other hand provide space for applying adhesives. The mounting plate is placed on the insulation film 30 or the top of the measuring cell 10 attached and is preferably connected by a bond with her. On the compound of measuring cell 10 , Insulation film 30 and mounting plate 40 is then the running preferably as a metallic threaded ring jig 20 placed. The threaded ring 20 has an external thread in an upper part, which has an internal thread on the inside of the sensor housing 2 engages. In a lower part, the threaded ring 20 a circumferential ring, which is interrupted by individual recesses. These recesses are due to the outer edge of the measuring cell 10 arranged pins 12 and one or more channels 13 for venting the measuring cell 10 needed.

Dieser so zusammengebaute Aufbau kann dann in das Sensorgehäuse 2 des Drucksensors 1 eingeschraubt werden bis die Unterseite der Messzelle 10 auf der Anschlagfläche 4 aufliegt. Das auf den Gewindering 20 aufgebrachte Drehmoment muss auf die Messzelle 10 übertragen werden, damit die Kontaktierungspins 12 nicht abgedreht werden. Hierfür dient die Montageplatte, die einerseits mit dem Gewindering 20 verklemmt und andererseits mit der Messzelle 10 durch die Klebung verbunden ist. So kann auf einfache Weise das Drehmoment übertragen werden.This assembly assembled in this way can then into the sensor housing 2 of the pressure sensor 1 be screwed to the bottom of the measuring cell 10 on the stop surface 4 rests. That on the threaded ring 20 Applied torque must be on the measuring cell 10 be transferred so that the Kontaktierungspins 12 not be turned off. For this purpose, the mounting plate, on the one hand with the threaded ring 20 jammed and on the other hand with the measuring cell 10 connected by the bond. Thus, the torque can be transmitted in a simple manner.

Die Folienscheibe besteht bevorzugt aus Polyimid (PI), d. h. Kapton® HN. Es sind aber noch andere Materialien wie Polyetheretherketon (PEEK), Polyphenylensulfon (PPSU), Polyetherimid (PEI) oder Polyethersulfon (PES) denkbar. Polyimid (PI) bzw. Kapton® HN ist deswegen am besten geeignet, da es eine sehr schlechte Wärmeleitfähigkeit bei gleichzeitig hoher Kriechbeständigkeit und Temperaturbeständigkeit aufweist. Grundsätzlich denkbar ist auch Polytetrafluorethylen (PTFE), was aber aufgrund der hohen Kriechneigung weniger geeignet ist.The foil disc is preferably made of polyimide (PI), that is Kapton ® HN. But there are also other materials such as polyetheretherketone (PEEK), polyphenylene sulfone (PPSU), polyetherimide (PEI) or polyethersulfone (PES) conceivable. Polyimide (PI) or Kapton ® HN is therefore the most suitable because it has a very poor thermal conductivity with high creep resistance and temperature resistance. In principle, polytetrafluoroethylene (PTFE) is also conceivable, but this is less suitable because of the high creep tendency.

Den in das Sensorgehäuse 2 eingeschraubten Verbund von Messzelle 10, Montageplatte 40 und Gewindering 20 ist in 3 abgebildet. Hier ist die Isolationsschicht 30 schematisch als breiter schwarzer Strich dargestellt, um sowohl die erste Ausführungsform der Erfindung – die Isolationsschicht ist eine scheibenförmige Folie, wie in 2 dargestellt – als auch eine zweite Ausführungsform der Erfindung – die Isolationsschicht ist eine Beschichtung der Messzelle 10 – abzubilden. Sofern es sich bei der Isolationsschicht um eine Beschichtung handelt ist die Erfindung nicht nur auf die in 3 dargestellte Beschichtung der Messzelle 10 beschränkt. Sowohl die Messzelle 10 als auch der Gewindering 20 können wahlweise einzeln oder beide zusammen und vollständig oder nur teilweise beschichtet sein. Wichtig ist in jedem Fall, dass sich zumindest im Bereich der Kontaktfläche zwischen Gewindering 20 und Messzelle 10 flächendeckend das Isolierungsmittel 30 befindet. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass Wärme, die aufgrund der Temperatur des zu messenden Mediums über die Stirnseite 11 auf die Messzelle 10 übertragen wird, weitestgehend in der Messzelle 10 bzw. deren keramischen Gehäuse verbleibt und nicht in den Gewindering 20 abgeleitet wird. Da die Anschlagflächen 4 direkt mit dem Medium in Verbindung stehen, werden sie vom Medium auch direkt aufgewärmt. Über die Anschlagflächen 4 kann somit keine Wärme abfließen. Nahezu die gesamte Wärme, die vom Medium auf die Messzelle 10 übergeht, verbleibt so im Messzellengehäuse, so dass Abweichungen von Messergebnissen aufgrund von Temperaturunterschieden innerhalb der Messzelle nur während eines im Vergleich zu bekannten Messgeräten ohne thermische Entkopplung sehr kurzen Zeitraums vorliegen. Versuchsmessungen haben ergeben, dass bei einer Messzelle mit einer derartigen thermischen Entkopplung nach einem Temperaturanstieg von 20°C auf 70°C kurzfristig eine Abweichung des Messergebnisse s um 6% vorlag, sich diese aber bereits nach etwa 30 Sekunden auf nahezu 0% reduzierte. Ohne diese thermische Entkopplung lag nach über 2 Minuten noch eine Abweichung im Bereich von 1% vor.The into the sensor housing 2 screwed composite of measuring cell 10 , Mounting plate 40 and threaded ring 20 is in three displayed. Here is the isolation layer 30 schematically illustrated as a broad black line to both the first embodiment of the invention - the insulating layer is a disc-shaped film, as in 2 shown - as well as a second embodiment of the invention - the insulation layer is a coating of the measuring cell 10 - depict. Insofar as the insulating layer is a coating, the invention is not limited to those in three illustrated coating of the measuring cell 10 limited. Both the measuring cell 10 as well as the threaded ring 20 may optionally be single or both together and completely or partially coated. It is important in any case that at least in the area of the contact surface between threaded ring 20 and measuring cell 10 nationwide the insulating agent 30 located. In this way it can be ensured that heat due to the temperature of the medium to be measured on the front side 11 on the measuring cell 10 transmitted as far as possible in the measuring cell 10 or their ceramic housing remains and not in the threaded ring 20 is derived. Because the stop surfaces 4 directly in contact with the medium, they are also warmed up directly by the medium. About the stop surfaces 4 thus no heat can flow away. Almost all the heat that goes from the medium to the measuring cell 10 passes so remains in the measuring cell housing, so that deviations from measurement results due to temperature differences within the measuring cell only during a very short compared to known measuring devices without thermal decoupling period. Experimental measurements have shown that in a measuring cell with such a thermal decoupling after a temperature increase from 20 ° C to 70 ° C for a short time a deviation of the measurement results s by 6% was present, but this already after about 30 seconds reduced to nearly 0%. Without this thermal decoupling there was still a deviation in the range of 1% after more than 2 minutes.

Claims (7)

Drucksensor zum Erfassen eines Mediendrucks, umfassend – eine Druckmesszelle (10) mit einer mit dem Medium beaufschlagbaren Stirnfläche (11), – ein Gehäuse (2) mit einer Medienöffnung und eine ringförmige axiale Anschlagfläche (4), welche die Medienöffnung umschließt, und – eine Einspannvorrichtung (20); wobei die Druckmesszelle (10) zwischen der Anschlagfläche (4) und der Einspannvorrichtung (20) axial eingespannt ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Druckmesszelle (10) und der Einspannvorrichtung (20) ein Mittel (30) zur thermischen Entkopplung vorgesehen ist, das die Wärmeabfuhr von der Druckmesszelle (10) über die Einspannvorrichtung (20) in das Sensorgehäuse (2) erschwert, wobei das Mittel (30) aus einem Kunststoff besteht, dessen Wärmeleitfähigkeit im Bereich 0,1 bis 0,5 W/(K m) liegt und der im Bereich –40 bis +300°C temperaturbeständig ist.Pressure sensor for detecting a media pressure, comprising - a pressure measuring cell ( 10 ) with an end face which can be acted upon by the medium ( 11 ), - a housing ( 2 ) with a media opening and an annular axial abutment surface ( 4 ), which encloses the media opening, and - a clamping device ( 20 ); the pressure measuring cell ( 10 ) between the stop surface ( 4 ) and the clamping device ( 20 ) is clamped axially, characterized in that between the pressure measuring cell ( 10 ) and the clamping device ( 20 ) a means ( 30 ) is provided for thermal decoupling, the heat dissipation from the pressure measuring cell ( 10 ) via the clamping device ( 20 ) into the sensor housing ( 2 ), where the means ( 30 ) consists of a plastic whose thermal conductivity is in the range of 0.1 to 0.5 W / (K m) and which is temperature-resistant in the range -40 to + 300 ° C. Drucksensor nach Anspruch 1, wobei das Mittel (30) aus einem Kunststoff besteht, dessen Wärmeleitfähigkeit im Bereich < 0,3 W/(K m) liegt und der zwischen –20 und +150°C temperaturbeständig ist.A pressure sensor according to claim 1, wherein said means ( 30 ) consists of a plastic whose thermal conductivity is in the range of <0.3 W / (K m) and which is temperature-resistant between -20 and + 150 ° C. Drucksensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Mittel (30) eine Folie ist.Pressure sensor according to claim 1 or 2, wherein the means ( 30 ) is a foil. Drucksensor nach Anspruch 3, wobei die Folie (30) eine Dicke von 40 bis 500 μm aufweist, bevorzugt 100 bis 150 μm aufweist und besonders bevorzugt 125 μm aufweist.Pressure sensor according to claim 3, wherein the film ( 30 ) has a thickness of 40 to 500 microns, preferably 100 to 150 microns and more preferably 125 microns. Drucksensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Mittel (30) eine Beschichtung ist, mit der die Einspannvorrichtung (20) und/oder die Druckmesszelle (10) zumindest teilweise umschlossen ist.Pressure sensor according to claim 1 or 2, wherein the means ( 30 ) is a coating, with which the clamping device ( 20 ) and / or the pressure measuring cell ( 10 ) is at least partially enclosed. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf dem Mittel (30) eine Platte (40) zum Übertragen des beim Einschrauben der Einspannvorrichtung (20) in das Sensorgehäuse (2) ausgehenden Anzugsmoments auf die Messzelle (10) angeordnet ist.Pressure sensor according to one of the preceding claims, wherein on the means ( 30 ) a plate ( 40 ) for transmitting the when screwing the jig ( 20 ) into the sensor housing ( 2 ) outgoing torque on the measuring cell ( 10 ) is arranged. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Mittel (30) aus Polyimid oder PEEK oder PPSU oder PEI oder PES besteht.Pressure sensor according to one of the preceding claims, wherein the means ( 30 ) consists of polyimide or PEEK or PPSU or PEI or PES.
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