DE102011111558B4

DE102011111558B4 - Dry transducer

Info

Publication number: DE102011111558B4
Application number: DE102011111558.0A
Authority: DE
Inventors: Andreas Grunert; Dr.-Ing. Schönfelder Gert
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-08-26
Filing date: 2011-08-26
Publication date: 2020-10-15
Anticipated expiration: 2031-08-27
Also published as: DE102011111558A1

Abstract

Trockener Messwertaufnehmer mit einem Gehäuse (16), einer Messzelle (20), welche einen Messzellengrundkörper (28) und eine Messmembran (22) aufweist, und mindestens einer ersten Sensoreinheit (32), wobei die Messmembran (22) einen innerhalb des Gehäuses (16) angeordneten übertragungsflüssigkeitsfreien Auswerteraum (14) von einem zu überwachenden Prozess (1) trennt, und wobei die mindestens eine erste Sensoreinheit (32) auf einer vom zu überwachenden Prozess (1) abgewandten Seite (26) der Messmembran (22) angeordnet ist und durch Druckbeaufschlagung über ein Prozessmedium bewirkte Verformungen der Messmembran (22) erfasst, wobei im übertragungsflüssigkeitsfreien Auswerteraum (14) eine zweite Sensoreinheit (34) angeordnet ist und eine physikalische Größe erfasst, welche eine Auswerte- und Steuereinheit (30) zur Erkennung einer Leckage auswertet; dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Steuereinheit (30) einen über eine elektronische Schnittstelle (36) ausgebbaren Messwert in einem Fehlermodus auf einen vorgegebenen Kurzschlusswert und/oder Leitungsbruchwert und/oder Frequenzwert und/oder Binärwert setzt, wobei der Fehlermodus bei Auftreten einer Leckage aktiviert ist, und wobei die Auswerte- und Steuereinheit (30) das Auftreten einer Leckage erkennt, wenn die erfasste Druckänderung einen vorgegebenen Schwellwert übersteigt.Dry transducer with a housing (16), a measuring cell (20) which has a measuring cell base body (28) and a measuring membrane (22), and at least one first sensor unit (32), the measuring membrane (22) having one inside the housing (16) ) arranged transmission fluid-free evaluation space (14) separates from a process (1) to be monitored, and wherein the at least one first sensor unit (32) is arranged on a side (26) of the measuring membrane (22) facing away from the process (1) to be monitored and through The application of pressure via a process medium detects deformations of the measuring membrane (22), a second sensor unit (34) being arranged in the evaluation space (14) free of transmission fluid and recording a physical variable which an evaluation and control unit (30) evaluates to detect a leak; characterized in that the evaluation and control unit (30) sets a measured value that can be output via an electronic interface (36) in an error mode to a specified short-circuit value and / or line break value and / or frequency value and / or binary value, the error mode when a leak occurs is activated, and wherein the evaluation and control unit (30) recognizes the occurrence of a leak when the detected pressure change exceeds a predetermined threshold value.

Description

Die Erfindung betrifft einen trockenen Messwertaufnehmer der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art.The invention relates to a dry transducer of the type mentioned in the preamble of claim 1.

Elektronische Messaufnehmer sind in der Automatisierungs- und Prozesstechnik weit verbreitet. Speziell in Prozessen der pharmazeutischen Industrie, im Bereich der Schüttgutverwertung, im Reinstgasebereich und/oder für öl- und fettfreie Anwendungen, wie z.B. für Anwendungen mit reinem Sauerstoff, sind frontbündige Membransysteme mit hydraulisch gekoppelter Flüssigkeitsfüllung nicht einsetzbar. Der Bruch der Messmembran hätte zur Folge, dass die hydraulische Übertragungsflüssigkeit aus dem Messsystem expandiert und das Messmedium konterminiert bzw. eine unerwünschte Reaktion auslöst.Electronic sensors are widely used in automation and process technology. Especially in processes in the pharmaceutical industry, in the field of bulk material recycling, in the ultra-pure gas sector and / or for oil and grease-free applications, such as For applications with pure oxygen, flush membrane systems with hydraulically coupled liquid filling cannot be used. The rupture of the measuring membrane would result in the hydraulic transmission fluid expanding out of the measuring system and contaminating the measuring medium or triggering an undesired reaction.

Üblicherweise werden in diesen Prozessen so genannte trockene Messaufnehmer mit keramisch kapazitiver oder piezoresistiver Dickschicht-Messzelle verwendet, da diese trocken, d.h. ohne hydraulische Übertragungsflüssigkeit arbeiten. Der Nachteil dieser Messtechnik kann darin gesehen werden, dass die keramischen Messzellen über eine Dichtung, wie beispielsweise eine polymere O-Ring-, Flach- oder Form-Dichtung kraftschlüssig in den jeweiligen Prozessanschluss adaptiert werden müssen. Da diese Dichtungen prozessbedingt ein schnelles Alterungsverhalten, wie beispielsweise Versprödung, Leckage, Setzen usw., aufweisen, welches zur Diffusion des Messmediums in die Atmosphäre und zur Verschlechterung der Nullpunktstabilität des Messsignales führen kann, werden die Dichtungen im Revisions- oder Kalibrierungsintervall prophylaktisch ausgetauscht. Dieser Tauschprozess ist mit erheblichem Arbeitsaufwand verbunden und daher kostenintensiv. Zudem ist eine Erkennung von auftretenden Diffusionen mit kleinen Leckageraten nur schwer umsetzbar. Die durch die Diffusion eintretenden Störfaktoren bei laufendem Prozess ergeben erhebliche Mehrkosten und Risiken.So-called dry sensors with ceramic capacitive or piezoresistive thick-film measuring cells are usually used in these processes, as these are dry, i.e. work without hydraulic transmission fluid. The disadvantage of this measurement technology can be seen in the fact that the ceramic measuring cells have to be adapted to the respective process connection in a force-locking manner via a seal, such as a polymer O-ring, flat or form seal. As these seals show rapid aging behavior due to the process, such as embrittlement, leakage, settling, etc., which can lead to the diffusion of the measuring medium into the atmosphere and to a deterioration in the zero point stability of the measuring signal, the seals are replaced prophylactically in the revision or calibration interval. This exchange process involves a considerable amount of work and is therefore cost-intensive. In addition, it is difficult to detect any diffusions that occur with low leakage rates. The disruptive factors caused by diffusion while the process is running result in considerable additional costs and risks.

Für die physikalischen Messgrößen Druck, Kraft, Gewicht, Masse, Moment, Dichte, Länge, Füllstand, Temperatur, Durchfluss usw. werden neben der reinen elektronischen Messung, diverse mechanische Messgrößenumformer angeboten, welche auf verschiedensten Messprinzipien beruhen.For the physical measured variables pressure, force, weight, mass, moment, density, length, level, temperature, flow rate, etc., in addition to pure electronic measurement, various mechanical measuring transducers are offered, which are based on a wide variety of measurement principles.

In der Offenlegungsschrift DE 10 2008 000 439 A1 wird beispielsweise ein trockener Druckwandler mit einer Membran beschrieben. Der beschriebene Druckwandler umfasst eine Membran, auf welcher mindestens ein Sensor zur Erfassung von durch Druckbeaufschlagung der Membran auftretenden Verformungen angebracht ist. Hierbei ist der Sensor an einer dem zu messenden Druck abgewandten Seite der Membran angeordnet, wobei die Membran durch ein Prozessmedium mit Druck beaufschlagt ist. Ferner hat die Membran mindestens einen Verstärkungsbereich, in dem eine die Kontur des Verstärkungsbereichs durchbrechende Ausnehmung ausgebildet ist, in welcher der Sensor zumindest teilweise aufgenommen ist.In the Offenlegungsschrift DE 10 2008 000 439 A1 for example, a dry pressure transducer with a membrane is described. The pressure transducer described comprises a membrane on which at least one sensor for detecting deformations that occur when the membrane is pressurized is attached. Here, the sensor is arranged on a side of the membrane facing away from the pressure to be measured, with the membrane being pressurized by a process medium. Furthermore, the membrane has at least one reinforcement area in which a recess is formed which breaks through the contour of the reinforcement area and in which the sensor is at least partially accommodated.

In der Offenlegungsschrift DE 34 47 397 A1 wird ein Druckgeber zur Erzeugung von elektrischen Signalen mit einer mindestens ein Sensorelement tragenden, druckabhängig verformbaren Membran beschrieben, welche eine übertragungsflüssigkeitsfreie Referenzdruckkammer zu einem unter Druck stehenden Medium hin abschließt. Zur Lecküberwachung der übertragungsflüssigkeitsfreien Referenzdruckkammer ist eine zweite Membran vorgesehen, welche die Referenzdruckkammer zu einem Prüfdruck hin abschließt und die mindestens ein Prüfsensorelement trägt, das bei einem Leck in der übertragungsflüssigkeitsfreien Referenzdruckkammer ein Signal zur Fehleranzeige an eine geschlossene Auswerteschaltung abgibt. Dabei kann der Druckgeber so ausgebildet sein, dass die zweite Membran bei einer druckdichten Referenzdruckkammer mit einer großen Druckdifferenz beaufschlagt ist, oder aber die Druckdifferenz an der Membran trifft nach einem Leck in der übertragungsflüssigkeitsfreien Referenzdruckkammer auf.In the Offenlegungsschrift DE 34 47 397 A1 describes a pressure transducer for generating electrical signals with a pressure-dependent deformable membrane carrying at least one sensor element, which closes a reference pressure chamber free of transmission fluid from a pressurized medium. A second membrane is provided for leak monitoring of the reference pressure chamber free of transmission fluid, which closes the reference pressure chamber to a test pressure and which carries at least one test sensor element which, in the event of a leak in the reference pressure chamber free of transmission fluid, sends a signal to a closed evaluation circuit to indicate an error. The pressure transducer can be designed such that the second membrane has a large pressure difference applied to it in the case of a pressure-tight reference pressure chamber, or the pressure difference on the membrane occurs after a leak in the reference pressure chamber that is free of transmission fluid.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen trockenen Messwertaufnehmer der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art, dahingehend weiterzuentwickeln, dass auftretende Leckagen im Messwertaufnehmer schnell und sicher erkannt und die angegebenen Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten trockenen Messwertaufnehmer vermieden werden können.The object of the invention is to develop a dry transducer of the type mentioned in the preamble of claim 1 in such a way that leaks occurring in the transducer can be detected quickly and reliably and the stated disadvantages of the dry transducers known from the prior art can be avoided.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen trockenen Messwertaufnehmer mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere die Ausführungsformen der Erfindung in vorteilhafter Weise ausgestaltende Merkmale enthalten die Unteransprüche.According to the invention, this object is achieved by a dry measuring transducer with the features of claim 1. The subclaims contain further features which design the embodiments of the invention in an advantageous manner.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht darin, dass über eine in einem trockenen Auswerteraum angeordnete zweite Sensoreinheit eventuell durch einen Bruch der Messmembran auftretende Leckagen schnell und sicher erkannt werden können, so dass entsprechende Maßnahmen zum Schutz eines zu überwachenden Prozesses eingeleitet werden können.The advantage achieved with the invention is that a second sensor unit arranged in a dry evaluation room can be used to quickly and reliably detect any leaks that may occur due to a rupture of the measuring membrane, so that appropriate measures to protect a process to be monitored can be initiated.

Ein solcher Bruch der Messmembran kann beispielsweise aufgrund dynamischer Wechselbelastungen entstehen, welche eine Ermüdung der vorzugsweise metallischen Messmembran bewirken können. Ein Ausweichen des Messmediums in die Atomsphäre ist dann die Folge. Diese Undichtigkeit bzw. Leckage kann bei Haarrissen oder in Folge von Spaltkorrossion verursachten winzigen Löchern einen schleichenden unbemerkten Austritt des Messmediums zur Folge haben. Weiterhin ist es möglich, dass die gebrochene medienseitige Messmembran eine Stellung einnimmt, welche der Prozesssteuerung oder Prozessregelung einen Gutzustand signalisiert, wodurch der Prozess weitergeführt werden würde. Dies kann dann zu einer nicht bemerkten Messungenauigkeit und zu Umweltschäden führen. Durch die schnelle und sichere Leckageerkennung von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können diese negativen Folgen in vorteilhafter Weise vermieden werden.Such a break in the measuring membrane can arise, for example, due to dynamic alternating loads, which can cause fatigue of the preferably metallic measuring membrane. The result is an evasion of the measuring medium into the atmosphere. This leak In the case of hairline cracks or tiny holes caused by crevice corrosion, leakage can result in a creeping and unnoticed escape of the measuring medium. Furthermore, it is possible that the broken measuring membrane on the media side assumes a position which signals a good state to the process control or process regulation, whereby the process would be continued. This can then lead to an unnoticed measurement inaccuracy and damage to the environment. These negative consequences can advantageously be avoided by the rapid and reliable leak detection of embodiments of the present invention.

Ein erfindungsgemäßer trockener Messwertaufnehmer umfasst ein Gehäuse, eine Messzelle, welche einen Messzellengrundkörper und eine Messmembran aufweist, und mindestens eine erste Sensoreinheit. Hierbei trennt die Messmembran einen innerhalb des Gehäuses angeordneten trockenen Auswerteraum von einem zu überwachenden Prozess und die mindestens eine erste Sensoreinheit ist auf einer vom zu überwachenden Prozess abgewandten Seite der Messmembran angeordnet und erfasst durch Druckbeaufschlagung über ein Prozessmedium bewirkte Verformungen der Messmembran. Zudem ist eine zweite Sensoreinheit vorgesehen, welche im trockenen Auswerteraum angeordnet ist und eine physikalische Größe erfasst, welche eine Auswerte- und Steuereinheit zur Erkennung einer Leckage auswertet.A dry measured value pickup according to the invention comprises a housing, a measuring cell which has a measuring cell base body and a measuring membrane, and at least one first sensor unit. Here, the measuring membrane separates a dry evaluation space arranged inside the housing from a process to be monitored and the at least one first sensor unit is arranged on a side of the measuring membrane facing away from the process to be monitored and detects deformations of the measuring membrane caused by pressurization via a process medium. In addition, a second sensor unit is provided, which is arranged in the dry evaluation room and records a physical variable which an evaluation and control unit evaluates to detect a leak.

Erfindungsgemäß setzt die Auswerte- und Steuereinheit ein über eine elektronische Schnittstelle ausgebbaren Messwert in einem Fehlermodus auf einen vorgegebenen Kurzschlusswert und/oder Leitungsbruchwert und/oder Frequenzwert und/oder Binärwert, wobei der Fehlermodus bei Auftreten einer Leckage aktiviert ist. Die Auswerte- und Steuereinheit erkennt das Auftreten einer Leckage, wenn die erfasste Druckänderung einen vorgegebenen Schwellwert übersteigt.According to the invention, the evaluation and control unit sets a measured value that can be output via an electronic interface in an error mode to a specified short-circuit value and / or line break value and / or frequency value and / or binary value, the error mode being activated when a leak occurs. The evaluation and control unit recognizes the occurrence of a leak when the detected pressure change exceeds a predetermined threshold value.

In vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messwertaufnehmers ist die zweite Sensoreinheit als Drucksensor implementiert, welcher eine Druckänderung im trockenen Auswerteraum detektiert bzw. misst. Vorzugsweise ist der Drucksensor als Absolutdrucksensor implementiert, welcher eine absolute Druckänderung im trockenen Auswerteraum gegenüber der Atmosphäre detektiert bzw. misst. Der innerhalb des Gehäuses im trockenen Auswerteraum angeordnete Drucksensor, der vorzugsweise als Absolutdrucksensor ausgeführt ist, überwacht den Innendruck des Auswerteraums und reagiert auf sprunghaften oder schleichenden Druckanstieg im Falle eines eventuell auftretenden medienseitigen Membranbruchs, ohne Zwischenschaltung irgendeiner aufwendigen Übertragungsbrücke.In an advantageous embodiment of the measured value recorder according to the invention, the second sensor unit is implemented as a pressure sensor which detects or measures a change in pressure in the dry evaluation room. The pressure sensor is preferably implemented as an absolute pressure sensor which detects or measures an absolute change in pressure in the dry evaluation room relative to the atmosphere. The pressure sensor located inside the housing in the dry evaluation room, which is preferably designed as an absolute pressure sensor, monitors the internal pressure of the evaluation room and reacts to sudden or gradual pressure increases in the event of a media-side diaphragm rupture, without the interposition of any complex transmission bridge.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messwertaufnehmers empfängt die Auswerte- und Steuereinheit Ausgabesignale der zweiten Sensoreinheit und wertet diese aus. Vorzugsweise ist der Fehlermodus auch bei einer zu niedrigen Energieversorgung und/oder bei einem erkannten Fehler in der mindestens einen ersten Sensoreinheit und/oder bei einem erkannten Fehler in der zweiten Sensoreinheit aktiviert. Die Sensoreinheiten sind vorzugsweise so ausgeführt und ausgewählt, dass der aufgenommene Strom bei einem Messwert von „Null“ kleiner oder gleich 4mA ist.In a further advantageous embodiment of the measured value sensor according to the invention, the evaluation and control unit receives output signals from the second sensor unit and evaluates them. The error mode is preferably also activated when the energy supply is too low and / or when an error is detected in the at least one first sensor unit and / or when an error is detected in the second sensor unit. The sensor units are preferably designed and selected in such a way that the current consumed is less than or equal to 4 mA for a measured value of “zero”.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messwertaufnehmers ist die Messmembran an einer ersten Verbin-(Weiter mit Seite 5) dungsstelle dichtungsfrei durch einen Stoffschluss mit dem Messzellenkörper verbunden. Des Weiteren ist ein Prozessanschluss vorgesehen, welcher ein prozessseitiges Anschlusselement, ein messseitiges Anschlusselement und ein Verbindungselement umfasst und den zu überwachenden Prozess mit der Messzelle koppelt, wobei der Messzellenkörper an einem zweiten Verbindungsbereich dichtungsfrei durch einen Stoffschluss mit dem messseitigen Anschlusselement des Prozessanschlusses verbunden ist. Zudem ist das Gehäuse an einem dritten Verbindungsbereich dichtungsfrei durch einen Stoffschluss mit einem messseitigen Anschlusselement des Prozessanschlusses verbunden. Dadurch kann bei Ausführungsformen des erfindungsgemäßen trockenen Messwertaufnehmers zur Adaption in/an den jeweiligen vorgeschriebenen bzw. verwendeten Prozessanschluss vollständig auf Dichtungen verzichtet werden. Die Messzelle wird mit dem Prozessanschluss stoffschlüssig vorzugsweise durch Schweißen oder Löten bzw. durch andere geeignete Verbindungstechnologien verbunden.In a further advantageous embodiment of the measured value sensor according to the invention, the measuring membrane is on a first connection (continue with page 5 ) joint without a seal and connected to the measuring cell body by a material bond. Furthermore, a process connection is provided, which comprises a process-side connection element, a measurement-side connection element and a connection element and couples the process to be monitored with the measuring cell, the measuring cell body being connected to the measurement-side connection element of the process connection without a seal at a second connection area. In addition, the housing is connected in a seal-free manner to a connection element on the measuring side of the process connection by means of a material connection in a third connection area. As a result, in the case of embodiments of the dry measured value sensor according to the invention for adaptation in / to the respective prescribed or used process connection, seals can be completely dispensed with. The measuring cell is materially connected to the process connection, preferably by welding or soldering or by other suitable connection technologies.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messwertaufnehmers weist die mindestens eine erste Sensoreinheit ein Koppelelement auf, welches die Verformungen der Messmembran mechanisch über ein Brückenelement und/oder eine Schubstange erfasst und an die erste Sensoreinheit überträgt.In a further advantageous embodiment of the transducer according to the invention, the at least one first sensor unit has a coupling element which mechanically detects the deformations of the measuring membrane via a bridge element and / or a push rod and transmits it to the first sensor unit.

Die mindestens eine erste Sensoreinheit erfasst die Verformungen der Messmembran beispielsweise kapazitiv und/oder resistiv und/oder induktiv und/oder optisch und/oder akustisch und/oder pneumatisch.The at least one first sensor unit detects the deformations of the measuring membrane, for example capacitively and / or resistively and / or inductively and / or optically and / or acoustically and / or pneumatically.

Ausführungsformen des erfindungsgemäßen trockenen Messwertaufnehmers werden vorzugsweise in Prozessen der pharmazeutischen Industrie, im Bereich der Schüttgutverwertung, im Reinstgasebereich und/oder für öl- und fettfreie Anwendungen, wie z.B. für Anwendungen mit reinem Sauerstoff, eingesetzt. Embodiments of the dry transducer according to the invention are preferably used in processes in the pharmaceutical industry, in the field of bulk material recycling, in the high-purity gas area and / or for oil and fat-free applications, such as e.g. for applications with pure oxygen.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer zeichnerischen Darstellung näher erläutert.An exemplary embodiment of the invention is explained in more detail below with the aid of a drawing.

Die einzige Figur zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen trockenen Messwertaufnehmers.The single figure shows a schematic sectional illustration of an exemplary embodiment of a dry measured value sensor according to the invention.

Wie aus der Figur ersichtlich ist, umfasst ein trockener Messwertaufnehmer 10 ein Gehäuse 16, eine Messzelle 20, welche einen Messzellengrundkörper 28 und eine Messmembran 22 aufweist, und mindestens eine erste Sensoreinheit 32. Hierbei trennt die Messmembran 22 einen innerhalb des Gehäuses 16 angeordneten trockenen Auswerteraum 14 von einem zu überwachenden Prozess 1. Hierzu ist eine Seite 26 der Messmembran 22 dem trockenen Auswerteraum 14 zugewandt und eine Seite 24 der Messmembran 22 ist dem zu überwachenden Prozess 1 zugewandt. Die mindestens eine erste Sensoreinheit 32 ist auf der vom zu überwachenden Prozess 1 abgewandten Seite 26 der Messmembran 22 angeordnet und erfasst durch Druckbeaufschlagung über ein Prozessmedium bewirkte Verformungen der Messmembran 22.As can be seen from the figure, comprises a dry transducer 10 a housing 16 , a measuring cell 20th , which have a measuring cell body 28 and a measuring membrane 22nd having, and at least one first sensor unit 32 . The measuring membrane separates here 22nd one inside the case 16 arranged dry evaluation room 14th of a process to be monitored 1 . There is one page for this 26th the measuring membrane 22nd the dry evaluation room 14th facing and one side 24 the measuring membrane 22nd is the process to be monitored 1 facing. The at least one first sensor unit 32 is on the process to be monitored 1 remote side 26th the measuring membrane 22nd arranged and detects deformations of the measuring membrane caused by the application of pressure via a process medium 22nd .

Erfindungsgemäß ist im trockenen Auswerteraum 14 eine zweite Sensoreinheit 34 angeordnet, welche eine physikalische Größe erfasst und an eine Auswerte- und Steuereinheit 30 weiterleitet. Die Auswerte- und Steuereinheit 30 wertet die erfasste physikalische Größe zur Erkennung einer Leckage aus.According to the invention is in the dry evaluation room 14th a second sensor unit 34 arranged, which records a physical variable and to an evaluation and control unit 30th forwards. The evaluation and control unit 30th evaluates the recorded physical variable to detect a leak.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die zweite Sensoreinheit 34 als Absolutdrucksensor implementiert, welcher eine absolute Druckänderung im trockenen Auswerteraum 14 gegenüber der Atmosphäre detektiert bzw. misst. Alternativ kann die zweite Sensoreinheit 34 als einfacher Drucksensor implementiert werden, welcher eine Druckänderung im trockenen Auswerteraum 14 detektiert bzw. misst.In the illustrated embodiment, the second sensor unit is 34 implemented as an absolute pressure sensor, which shows an absolute pressure change in the dry evaluation room 14th detects or measures against the atmosphere. Alternatively, the second sensor unit 34 be implemented as a simple pressure sensor, which shows a pressure change in the dry evaluation room 14th detects or measures.

Wie aus der Figur weiter ersichtlich ist, sind die Auswerte- und Steuereinheit 30 und die zweite Sensoreinheit 34 im dargestellten Ausführungsbeispiel auf einer gemeinsamen Leiterplatte 38 angeordnet, wobei die Auswerte- und Steuereinheit 30 auf einer Oberseite der Leiterplatte 38 angeordnet ist und die zweite Sensoreinheit 34 auf einer Unterseite der Leiterplatte 38 angeordnet ist. Bei einer alternativen nicht dargestellten Ausführungsform ist die zweite Sensoreinheit 34 auf einer weiteren im trockenen Auswerteraum 14 angeordneten Leiterplatte angeordnet. Zudem kann die zweite Sensoreinheit 34 auch auf der Oberseite der gemeinsamen Leiterplatte 38 bzw. auf der gleiche Seite der gemeinsamen Leiterplatte 38 wie die Auswerte- und Steuereinheit 30 angeordnet werden.As can also be seen from the figure, the evaluation and control unit 30th and the second sensor unit 34 in the illustrated embodiment on a common circuit board 38 arranged, the evaluation and control unit 30th on a top of the circuit board 38 is arranged and the second sensor unit 34 on an underside of the circuit board 38 is arranged. In an alternative embodiment, not shown, the second sensor unit is 34 on another in the dry evaluation room 14th arranged printed circuit board. In addition, the second sensor unit 34 also on top of the common circuit board 38 or on the same side of the common circuit board 38 like the evaluation and control unit 30th to be ordered.

Die Auswerte- und Steuereinheit 30 empfängt Ausgabesignale der zweiten Sensoreinheit 34 über eine entsprechende Kommunikationsverbindung und wertet die empfangenen Signale zur Leckageerkennung aus. Des Weiteren empfängt die Auswerte- und Steuereinheit 30 die von der ersten Sensoreinheit 32 erfassten Messwerte und leitet diese über eine elektronische Schnittstelle 36 an eine übergeordnete Prozesssteuerung 7 weiter. In einem Fehlermodus setzt die Auswerte- und Steuereinheit 30 den auszugebenden Messwert auf einen vorgegebenen Kurzschlusswert und/oder Leitungsbruchwert und/oder Frequenzwert und/oder Binärwert. Die Auswerte- und Steuereinheit 30 aktiviert den Fehlermodus vorzugsweise bei einer zu niedrigen Energieversorgung und/oder bei einem erkannten Fehler in der mindestens einen ersten Sensoreinheit 32 und/oder bei einem erkannten Fehler in der zweiten Sensoreinheit 34 und/oder bei Auftreten einer Leckage. Das Auftreten einer Leckage erkennt die Auswerte- und Steuereinheit 30, wenn die über die zweite Sensoreinheit 34 erfasste Druckänderung im trockenen Auswerteraum 14 einen vorgegebenen Schwellwert übersteigt.The evaluation and control unit 30th receives output signals from the second sensor unit 34 via a corresponding communication link and evaluates the received signals for leak detection. The evaluation and control unit also receives 30th that of the first sensor unit 32 recorded measured values and forwards them via an electronic interface 36 to a higher-level process control 7th continue. The evaluation and control unit sets in an error mode 30th the measured value to be output to a specified short-circuit value and / or line break value and / or frequency value and / or binary value. The evaluation and control unit 30th activates the error mode preferably when the energy supply is too low and / or when an error is detected in the at least one first sensor unit 32 and / or if a fault is detected in the second sensor unit 34 and / or if a leak occurs. The evaluation and control unit recognizes the occurrence of a leak 30th when the over the second sensor unit 34 recorded pressure change in the dry evaluation room 14th exceeds a predetermined threshold.

In anderen Worten ausgedrückt, die Erfindung bezieht sich auf einen trockenen Messwertaufnehmer 10, welcher unmittelbar und direkt ohne hydraulische Übertragungsflüssigkeit vorzugsweise Druck, Füllstand, Temperatur, Durchfluss, Kraft und/oder Weg misst und auswertet und damit einen sicherheitstechnologischen Fortschritt darstellt.In other words, the invention relates to a dry transducer 10 which measures and evaluates pressure, fill level, temperature, flow rate, force and / or path directly and directly without hydraulic transmission fluid and thus represents a safety-technological advance.

Die Messwerte werden in analoger oder digitaler Form einer übergeordneten Prozesssteuerung 7 übergeben. Die medienseitig metallische Messzelle 20 ist dichtungsfrei durch Stoffschluss mit einem Prozessanschluss 3 verbunden. Die innerhalb des Gehäuses 16 als Drucksensor, vorzugsweise als Absolutdrucksensor, auf der Leiterplatte 38 aufgebrachte zweite Sensoreinheit 34, überwacht den Innendruck des trockenen Auswerteraums 14 und reagiert auf sprunghaften oder schleichenden Druckanstieg im Falle eines eventuell auftretenden medienseitigen Membranbruchs, ohne Zwischenschaltung irgendeiner Übertragungsbrücke.The measured values are sent in analog or digital form to a higher-level process control 7th to hand over. The metallic measuring cell on the media side 20th is seal-free due to a material connection with a process connection 3 connected. The inside of the case 16 as a pressure sensor, preferably as an absolute pressure sensor, on the circuit board 38 applied second sensor unit 34 , monitors the internal pressure of the dry evaluation room 14th and reacts to sudden or creeping pressure increases in the event of a media-side membrane rupture, without the interposition of any transmission bridge.

Die Detektion erfolgt über die Auswerte- und Steuereinheit 30, welche den Ausgangssignalstrom entweder auf einen vom Anwender vorgegebenen und/oder eingestellten Kurzschluss- oder Leitungsbruchwert und/oder Frequenzwert und/oder Binärwert setzt. Kurzschluss- und Leitungsbruchwerte werden beispielsweise von der NAMUR (Normenarbeitsgemeinschaft für Mess- und Regeltechnik in der chemischen Industrie) festgelegt. Diese können im Falle der NAMUR-Empfehlung NE 043 bei 21mA als Kurzschlusswert oder 3,6mA bei Leitungsbruch liegen.The detection takes place via the evaluation and control unit 30th which sets the output signal current either to a short-circuit or line break value and / or frequency value and / or binary value specified and / or set by the user. Short-circuit and line break values are specified, for example, by the NAMUR (standards working group for measurement and control technology in the chemical industry). In the case of NAMUR recommendation NE 043, these can be 21mA as a short-circuit value or 3.6mA in the event of a line break.

Aufgrund der Energiebilanz von Messwertaufnehmern 10 bzw. Mess- und Regelgeräten mit Signalausgang von 4 bis 20 mA bzw. mit einer Schnittstelle zu einem Bussystem, wird die Gesamtenergiebilanz der beiden Sensoreinheiten 32, 34 und der nachgeschalteten Auswerte- und Steuereinheit 30 unter dem Leitungsbruchwert von 3,6 mA gehalten.Due to the energy balance of transducers 10 or measuring and control devices with a signal output of 4 to 20 mA or with an interface to a bus system, the total energy balance of the two sensor units 32 , 34 and the downstream evaluation and control unit 30th kept below the line break value of 3.6 mA.

Stellt die Auswerte- und Steuereinheit 30 im laufenden Betrieb fest, dass ein korrektes Ausgeben des Messwertes aufgrund einer zu niedrigen Versorgungsspannung nicht möglich ist, so wechselt die Auswerte- und Steuereinheit 30 in den Fehlermodus und setzt die Stromaufnahme unabhängig von eventuell vorgenommenen Fehlerstromeinstellungen auf 3,6 mA und/oder 21 mA gemäß der NAMUR Empfehlung NE 043.Provides the evaluation and control unit 30th determines during operation that correct outputting of the measured value is not possible due to a supply voltage that is too low, the evaluation and control unit changes 30th into error mode and sets the current consumption to 3.6 mA and / or 21 mA in accordance with NAMUR recommendation NE 043 regardless of any fault current settings that may have been made.

Wie aus der Figur weiter ersichtlich ist, verzichten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zur Adaption in/an den jeweilig vorgeschriebenen Prozessanschluss 3 vollständig auf zusätzliche Dichtungen. Daher ist die Messmembran 22 an einer ersten Verbindungsstelle 5.1 dichtungsfrei durch einen mittels Schweißen oder Löten hergestellten Stoffschluss mit dem Messzellenkörper 28 verbunden. Der Prozessanschluss 3 umfasst ein prozessseitiges Anschlusselement 3.1, ein messseitiges Anschlusselement 3.2 und ein Verbindungselement 3.3 und koppelt den zu überwachenden Prozess 1 mit der Messzelle 20. Hierbei ist der Messzellenkörper 28 an einem zweiten Verbindungsbereich 5.2 dichtungsfrei durch einen mittels Schweißen oder Löten hergestellten Stoffschluss mit dem messseitigen Anschlusselement 3.2 des Prozessanschlusses 3 verbunden. Des Weiteren ist das Gehäuse 16 des Messwertaufnehmers 10 an einem dritten Verbindungsbereich 5.3 dichtungsfrei durch einen mittels Schweißen oder Löten hergestellten Stoffschluss mit dem messseitigen Anschlusselement 3.2 des Prozessanschlusses 3 verbunden.As can also be seen from the figure, embodiments of the present invention for adaptation in / to the respectively prescribed process connection are dispensed with 3 completely on additional seals. Hence the measuring membrane 22nd at a first connection point 5.1 seal-free due to a material connection with the measuring cell body produced by welding or soldering 28 connected. The process connection 3 includes a process-side connection element 3.1 , a connection element on the measuring side 3.2 and a connector 3.3 and couples the process to be monitored 1 with the measuring cell 20th . Here is the measuring cell body 28 at a second connection area 5.2 seal-free thanks to a material connection with the connection element on the measuring side, which is produced by welding or soldering 3.2 of the process connection 3 connected. Furthermore, the housing 16 of the transducer 10 at a third connection area 5.3 seal-free thanks to a material connection with the connection element on the measuring side, which is produced by welding or soldering 3.2 of the process connection 3 connected.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Prozessanschluss 3 als dichtungsfreie Klemmverbindung ausgeführt und umfasst ein als erster Kragen ausgeführtes prozessseitiges Anschlusselement 3.1 und ein als zweiter Kragen ausgeführtes messseitiges Anschlusselement 3.2, welche über ein als Klammer ausgeführtes Verbindungselement 3.3 mit einander verbunden sind. Alternativ können die beiden Anschlusselemente 3.1, 3.2 als dichtungsfreie Nut- und Federelemente ausgeführt werden, welche von einer Überwurfmutter als Verbindungselement 3.3 mit einander verbunden werden können. Als weitere Alternative können die beiden Anschlusselemente 3.1, 3.2 als Flansche ausgeführt werden, die über Schraubverbindungen als Verbindungselemente 3.3 mit einander verbunden werden können. Zudem können auch andere dem Fachmann bekannte Einschraubvarianten und/oder Schneidring- und/oder Quetschverbindungstechniken eingesetzt werden.In the illustrated embodiment, the process connection is 3 designed as a seal-free clamp connection and comprises a process-side connection element designed as a first collar 3.1 and a connection element on the measuring side designed as a second collar 3.2 , which via a connecting element designed as a bracket 3.3 are connected to each other. Alternatively, the two connection elements 3.1 , 3.2 are designed as seal-free tongue and groove elements, which are supported by a union nut as a connecting element 3.3 can be connected to each other. As a further alternative, the two connection elements 3.1 , 3.2 are designed as flanges, which are screwed as connecting elements 3.3 can be connected to each other. In addition, other screw-in variants and / or cutting ring and / or crimp connection techniques known to the person skilled in the art can also be used.

Eine erste Ausführungsform der Messzelle 20 umfasst einen Messzellenkörper 28, welcher auf einer Seite durch die vorzugweise metallische Messmembran 22 abgeschlossen wird, welche konzentrisch oder stufig geformt oder glatt sein kann. Auf der vom zu überwachenden Prozess 1 abgewandten Rückseite 26 der Messmembran 22 wird die Hubbewegung der Messmembran 22 mechanisch über ein als Brücke und/oder Schubstange ausgeführtes Koppelelement 32.1 auf die erste Sensoreinheit 32 übertragen, die eine Messbrücke aufweist. Bedingt durch die direkte Kopplung zwischen der Messmembran 22 und Messbrücke in der ersten Sensoreinheit 32 wird eine Verformung der Messbrücke proportional zur Wegänderung der Messmembran 22 erreicht. Ein hydraulisches Übertragungsmedium in Fluidform ist hier nicht erforderlich. Dadurch kann diese Fehlerquelle vollständig beseitigt und die Sicherheit erhöht werden.A first embodiment of the measuring cell 20th comprises a measuring cell body 28 , which on one side through the preferably metallic measuring membrane 22nd is completed, which can be concentric or stepped or smooth. On the process to be monitored 1 facing away from the rear 26th the measuring membrane 22nd becomes the stroke movement of the measuring membrane 22nd mechanically via a coupling element designed as a bridge and / or push rod 32.1 on the first sensor unit 32 transmitted, which has a measuring bridge. Due to the direct coupling between the measuring membrane 22nd and measuring bridge in the first sensor unit 32 a deformation of the measuring bridge is proportional to the change in travel of the measuring membrane 22nd reached. A hydraulic transmission medium in fluid form is not required here. As a result, this source of error can be completely eliminated and safety can be increased.

Eine zweite mögliche Ausführungsform der Messzelle 20 umfasst ebenfalls einen Messzellenkörper 28, welcher auf einer Seite durch die vorzugweise metallische Messmembran 22 abgeschlossen wird, welche konzentrisch oder stufig geformt oder glatt sein kann. Auf der vom zu überwachenden Prozess 1 abgewandten Rückseite 26 der Messmembran 22 befindet sich die erste Sensoreinheit 32 mit einer aufgebrachten optisch, akustisch, kapazitiv, resistiv oder induktiv arbeitenden Brückenschaltung, welche durch Hubänderungen bewirkte korrespondierende Änderungen der optischen bzw. akustischen Eigenschaften, der Kapazität, Resistivität oder Induktivität erfasst und verstärkt. Bedingt durch die direkte Kopplung zwischen der Messmembran 22 und der Messbrücke in der ersten Sensoreinheit 32 wird eine Verformung der Messbrücke proportional zur Wegänderung der Messmembran 22 erreicht. Ein hydraulisches Übertragungsmedium in Fluidform ist ebenfalls nicht erforderlich. Dadurch kann auch hier diese Fehlerquelle vollständig beseitigt und die Sicherheit erhöht werden.A second possible embodiment of the measuring cell 20th also includes a measuring cell body 28 , which on one side through the preferably metallic measuring membrane 22nd is completed, which can be concentric or stepped or smooth. On the process to be monitored 1 facing away from the rear 26th the measuring membrane 22nd is the first sensor unit 32 with an applied optically, acoustically, capacitively, resistively or inductively operating bridge circuit which detects and amplifies corresponding changes in the optical or acoustic properties, capacitance, resistivity or inductance caused by changes in stroke. Due to the direct coupling between the measuring membrane 22nd and the measuring bridge in the first sensor unit 32 a deformation of the measuring bridge is proportional to the change in travel of the measuring membrane 22nd reached. A hydraulic transmission medium in fluid form is also not required. As a result, this source of error can also be completely eliminated here and safety can be increased.

Aufgrund dynamischer Wechselbelastungen kann eine Ermüdung der metallischen Messmembran 22 bis hin zum Bruch der Messmembran 22 entstehen. Ein Ausweichen des Messmediums in die Atomsphäre kann die Folge sein. Diese Undichtigkeit kann bei Haarrissen oder in Folge von durch Spaltkorrossion verursachten winzigen Löchern einen schleichenden unbemerkten Austritt des Messmediums zur Folge haben.Due to dynamic alternating loads, the metallic measuring membrane can become fatigued 22nd up to the rupture of the measuring membrane 22nd arise. This can result in the measuring medium escaping into the atmosphere. In the case of hairline cracks or as a result of tiny holes caused by crevice corrosion, this leakage can result in a creeping and unnoticed leakage of the measuring medium.

Weiterhin ist es möglich, dass die gebrochene medienseitige Messmembran 22 eine Stellung einnimmt, die der Anlagensteuerung oder Anlagenregelung einen Gutzustand signalisiert.It is also possible that the broken measuring membrane on the media side 22nd assumes a position that signals the system control or system regulation that the system is in a good state.

Der Prozess würde weitergeführt, führt aber zur nicht bemerkten Messungenauigkeit und zu Umweltschäden. Aus diesem Grund verfügt der trockene Messwertaufnehmer 10 erfindungsgemäß über die im trockenen Aufnahmeraum 14 implementierte zweite Sensoreinheit 34.The process would be continued, but would lead to unnoticed measurement inaccuracies and environmental damage. For this reason, the dry sensor has 10 according to the invention on the in the dry receiving room 14th implemented second sensor unit 34 .

Im Falle eines sprungartig oder schleichend ansteigenden Druckwertes in Folge eines mediumseitigen Membranbruches, ist das Gehäuse 16 des trockenen Messwertaufnehmers 10 so gestaltet, dass es kurzfristig einen Druckausgleich von mindestens 25 bar standhält. Bedingt durch Ausführungsformen des erfindungsgemäßen trockenen Messwertaufnehmers kann in Folge der Signalauswertung eine sofortige Anlagen- oder Anlagenteilabfahrung eingeleitet werden. Die Fehleranalyse ist bedingt durch die Signalerkennung sehr schnell möglich. Der Fehler kann durch Austausch des erfindungsgemäßen trockenen Messwertaufnehmers 10 erfolgen, der schnell durchgeführt werden kann. Durch die schnelle Fehlerursachenermittlung und Fehlerbehebung werden kurze Anlagenstillstände mit äußerst wenig Servicedienstleistung ermöglicht und die monetären und umwelttechnischen Schäden minimiert. Somit werden Umweltschäden und lange Anlagenstillstandzeiten ebenso vermieden, wie aufwändige Wartungsarbeiten. Gleichzeitig können die Prozesskosten erheblich minimiert und vor allem die Betriebssicherheit erhöht werden. In the event of a sudden or gradual increase in pressure as a result of a diaphragm rupture on the medium side, the housing is 16 of the dry transducer 10 designed so that it can withstand a pressure equalization of at least 25 bar for a short time. Due to the embodiments of the dry measured value sensor according to the invention, an immediate system or system part run-down can be initiated as a result of the signal evaluation. The error analysis is possible very quickly due to the signal detection. The error can be caused by exchanging the dry transducer according to the invention 10 which can be done quickly. The rapid determination of the cause of the error and the elimination of errors enable short system downtimes with extremely little service and minimize monetary and environmental damage. This avoids environmental damage and long system downtimes as well as costly maintenance work. At the same time, process costs can be minimized considerably and, above all, operational reliability can be increased.

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung messen und regeln physikalische Größen, vorzugsweise Druck, Füllstand, Temperatur, Durchfluss, Kraft, Weg usw., und ermöglichen in vorteilhafter Weise durch direkten Stoffschluss einen frontbündigen und dichtungslosen Verbund einer metallischen Messzelle in einem Prozessanschluss ohne hydraulischer Übertragungsflüssigkeit mit Erkennung eines eventuell auftretenden Bruches der Messmembran über eine zweite Sensoreinheit, welche als Drucksensor, vorzugsweise Absolutdrucksensor implementiert ist, bei einer Gesamtenergiebilanz die deutlich kleiner als der erforderliche Signalstrom ist.Embodiments of the present invention measure and regulate physical variables, preferably pressure, level, temperature, flow rate, force, distance, etc., and advantageously enable a front-flush and sealless connection of a metallic measuring cell in a process connection without hydraulic transmission fluid with detection of a Any breakage of the measuring membrane that occurs via a second sensor unit, which is implemented as a pressure sensor, preferably an absolute pressure sensor, with an overall energy balance that is significantly smaller than the required signal current.

Claims

Dry transducer with a housing (16), a measuring cell (20) which has a measuring cell base body (28) and a measuring membrane (22), and at least one first sensor unit (32), the measuring membrane (22) having one inside the housing (16) ) arranged transmission fluid-free evaluation space (14) separates from a process (1) to be monitored, and wherein the at least one first sensor unit (32) is arranged on a side (26) of the measuring membrane (22) facing away from the process (1) to be monitored and through The application of pressure via a process medium detects deformations of the measuring membrane (22), a second sensor unit (34) being arranged in the evaluation space (14) free of transmission liquid and recording a physical variable which an evaluation and control unit (30) evaluates to detect a leak; characterized in that the evaluation and control unit (30) sets a measured value that can be output via an electronic interface (36) in an error mode to a specified short-circuit value and / or line break value and / or frequency value and / or binary value, the error mode when a leak occurs is activated, and wherein the evaluation and control unit (30) recognizes the occurrence of a leak when the detected pressure change exceeds a predetermined threshold value.

Sensor according to Claim 1 , characterized in that the second sensor unit (34) is implemented as a pressure sensor which detects a change in pressure in the evaluation space (14) free of transmission fluid.

Sensor according to Claim 2 , characterized in that the second sensor unit (34) is implemented as an absolute pressure sensor which detects an absolute pressure change in the transmission fluid-free evaluation space (14) relative to the atmosphere.

Transducer according to one of the Claims 1 to 3 , characterized in that the evaluation and control unit (30) receives and evaluates output signals from the second sensor unit (34), the failure mode in the event of a too low energy supply and / or in the event of a detected fault in the at least one first sensor unit (32) and / or is activated when a fault is detected in the second sensor unit (34).

Transducer according to one of the Claims 1 to 4th , characterized in that the first sensor unit (32) and the second sensor unit (34) are designed so that the current consumed is less than or equal to 4mA for a measured value of “zero”.

Transducer according to one of the Claims 1 to 5 , characterized in that the measuring membrane (22) at a first connection point (5.1) is connected to the measuring cell body (28) without a seal by a material bond.

Transducer according to one of the Claims 1 to 6th , characterized by a process connection (3) which comprises a process-side connection element (3.1), a measurement-side connection element (3.2) and a connection element (3.3) and couples the process (1) to be monitored with the measuring cell (20), the measuring cell body ( 28) is connected to the measuring-side connection element (3.2) of the process connection (3) without a seal at a second connection area (5.2).

Sensor according to Claim 7 , characterized in that the housing (16) is connected to the measuring-side connection element (3.2) of the process connection (3) without a seal at a third connection area (5.3).

Transducer according to one of the Claims 1 to 8th , characterized in that the at least one first sensor unit (32) has a coupling element (32.1) which mechanically detects the deformations of the measuring membrane (22) via a bridge element and / or a push rod and transmits them to the first sensor unit (32).

Transducer according to one of the Claims 1 to 9 , characterized in that the at least one first sensor unit (32) detects the deformations of the measuring membrane (22) capacitively and / or resistively and / or inductively and / or optically and / or acoustically and / or pneumatically.