DE102011119588A1

DE102011119588A1 - Method for pressure measuring by pressure measuring system, involves utilizing gas as transmission medium and detecting position of diaphragm as deviation from its resting position

Info

Publication number: DE102011119588A1
Application number: DE201110119588
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Wiegand Alexander
Original assignee: WIKA Alexander Wiegand SE and Co KG
Current assignee: WIKA Alexander Wiegand SE and Co KG
Priority date: 2011-11-29
Filing date: 2011-11-29
Publication date: 2013-05-29

Abstract

The method involves utilizing gas as a transmission medium and detecting a position of a diaphragm as a deviation from its resting position. The position of the diaphragm is detected, when the diaphragm takes a position outside a positioning area assumes around a resting position of the diaphragm. The pressure of the transferring gas is changed in a measuring space, such that the diaphragm is returned to a position inside the position area around the resting position. An independent claim is included for a pressure measuring system with a pressure measuring element.

Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA

Die Erfindung bezieht sich auf ein Messsystem zur Erfassung von Druck mit einem elastischen Messglied, welches an einen mit einer Membran abgedeckten Messraum angeschlossen ist.The invention relates to a measuring system for detecting pressure with an elastic measuring element, which is connected to a covered with a membrane measuring space.

AUFGABE DER ERFINDUNGOBJECT OF THE INVENTION

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine kostengünstige Lösung für ein Druckmesssystem zu schaffen, welches möglichst fehlerfrei die zu messende physikalische Größe wiedergibt. Darüber hinaus soll ein Aufbau geschaffen werden, welcher möglichst unempfindlich auf Temperatureinflüsse reagiert und insbesondere für hohe Temperaturen geeignet ist. Diese Aufgaben werden mit einem Verfahren und System gelöst, wie in den Ansprüchen beschrieben.It is the object of the invention to provide a cost-effective solution for a pressure measuring system which reproduces the physical variable to be measured as error-free as possible. In addition, a structure is to be created which reacts as insensitive to temperature influences and is particularly suitable for high temperatures. These objects are achieved by a method and system as described in the claims.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION

Erfindungsgemäß weist das System einen Messraum mit einem angeschlossenen Sensor auf, welcher zum Prozess eine bündige, abschliessende Membran aufweist, wobei die Druckmessung durch eine indirekte Druckausgleichsmessung realisiert ist, welche mittels eines Druckausgleichssystem realisiert ist, welches an den Messraum angeschlossen ist.According to the invention, the system has a measuring chamber with a connected sensor, which has a flush, terminating membrane to the process, wherein the pressure measurement is realized by an indirect pressure compensation measurement, which is realized by means of a pressure compensation system, which is connected to the measuring space.

Beschreibung:Description:

Druckmittler sind Messstellen, bei denen mittels einer Membran der Messraum, welcher meistens als toter Hohlraum ausgeführt ist, vom Prozessraum getrennt ist. Die Trennmembran verhindert das Eindringen von z. B. Lebensmitteln in den toten Messraum, welcher im weiteren den Prozess mit Keimen verunreinigen würde, da er schlecht zugänglich, zu reinigen ist. Auch andere Stoffe könnten in solche einem toten Messraum z. B. verkoken, nachfolgende Chargen verunreinigen.Diaphragm seals are measuring points in which the measuring space, which is usually designed as a dead cavity, is separated from the process space by means of a membrane. The separation membrane prevents the penetration of z. For example, food in the dead measuring space, which would contaminate the process with germs, since it is difficult to access, clean. Other substances could be in such a dead measuring room z. Coking, contaminating subsequent batches.

Die Membran überträgt bei üblichen Druckmittlern den Druck auf den Messabschnitt oder Messraum, welcher z. B. mit einem Öl gefüllt ist, um eine gute Druckübertragung an das Messglied, den Drucksensor zu gewährleisten. Da der Messraum aber meist ausserhalb des Prozesses gelagert ist, wirkt die Prozesstemperatur auf die Füllflüssigkeit des Druckmittlers und führt über den Ausdehnungskoeffizienten einen Messfehler herbei. Besonders kritisch ist jedoch die Dampftemperatur der Füllflüssigkeit: Möchte man den Prozess in Temperaturbereichen nahe der Dampftemperatur der Füllflüssigkeit fahren, kommt es beispielsweise bei Ölen schon weit vor dieser Temperatur zu Ausgasungen und Messfehlern. Ein Messen oder Fahren des Prozesses über diese Temperatur ist nicht möglich, da die Übertragungsflüssigkeit anfängt auszugasen oder gar zu kochen.The membrane transmits the usual pressure seals on the measuring section or measuring space, which z. B. is filled with an oil to ensure a good pressure transfer to the measuring element, the pressure sensor. However, since the measuring space is usually stored outside the process, the process temperature acts on the filling liquid of the diaphragm seal and leads to a measuring error via the expansion coefficient. However, the steam temperature of the filling liquid is particularly critical: If one wishes to drive the process in temperature ranges close to the steam temperature of the filling liquid, gasification and measurement errors occur, for example, far ahead of this temperature. It is not possible to measure or drive the process above this temperature as the transfer fluid starts to outgas or even cook.

Aufgabe dieser Erfindung ist es, ein Messsystem bereitzustellen, welches ohne eine Füllflüssigkeit auskommt.The object of this invention is to provide a measuring system which manages without a filling liquid.

Hierzu wird vorgeschlagen den Messraum hinter der Membran mit einem Gas zu füllen. über eine Regelung wird die Membranlage abgefragt und hiernach wird solange der Druck des Übertragungsgases im Messraum angepasst, bis die Ideallage oder Ruhelage der Membran wieder erreicht ist, bei der auf beiden Seiten der Membran Druckgleichheit besteht. Diese Mittelage oder Ruhelage kann meistens nicht absolut erreicht werden, sondern ist als ein Bereich oder Zustand anzusehen, bei dem auf beiden Seiten der Membran die Druckgleichheit besteht. Günstigerweise ist dies eine Lage, in welcher die Membran weitestgehend reaktionsfrei, elastisch sich deformieren läßt und also nahezu keinen Messfehler durch ihr eigenes Verhalten, z. B. durch Eigenspannungen der Membran, in das Druckverhältnis der beiden Seiten impliziert. Hierzu ist die Membran in ihrer Messkammer eingespannt oder befestigt und sowie optional mit konzentrischen Wellen ausgebildet, sodaß diese zumindest in ihrer Ideallage oder in dem Bereich ihrer Ruhelage nahezu den Prozessdruck verlustfrei auf die Messkammer, den Messraum übertragen kann. Die Membran kann in Ihrer Stärke hierbei wie üblich eher dünnwandig ausgeführt sein, jedoch erlaubt diese Messmethode auch dicke Membranstärken, die dann besonders langlebig oder widerstandsfähig gegenüber z. B. abrasiven Medien sein können. Auch im Durchmesser erlaubt diese Messmethode auch deutlich kleinere Durchmesser, wodurch deutlich weniger Bauraum in der Applikation benötigt wird.For this purpose it is proposed to fill the measuring space behind the membrane with a gas. The membrane layer is interrogated via a regulation and thereafter the pressure of the transfer gas in the measuring chamber is adjusted until the ideal position or rest position of the membrane is reached again, in which there is pressure equality on both sides of the membrane. This center or rest position can not usually be achieved absolutely, but is to be regarded as an area or state in which the pressure equality exists on both sides of the membrane. Conveniently, this is a situation in which the membrane largely free of reaction, elastic deforms and thus almost no measurement error by their own behavior, eg. B. by residual stresses of the membrane, implied in the pressure ratio of the two sides. For this purpose, the membrane is clamped or secured in its measuring chamber and optionally formed with concentric shafts, so that they can transfer almost the process pressure lossless on the measuring chamber, the measuring space at least in its ideal position or in the region of its rest position. As usual, the thickness of the membrane in this case can be rather thin-walled, but this measuring method also permits thick membrane thicknesses, which are then particularly durable or resistant to z. B. may be abrasive media. Even in the diameter of this measurement method also allows much smaller diameter, which significantly less space is required in the application.

Wird eine Verschiebung der Membran aus der Mittenlage durch Änderung des Prozessdrucks herbeigeführt und durch die Sensorik detektiert, wird mittels der Druckregelung der Druck des Übertragungsgases wieder so ausgeglichen, daß die Membran wieder in ihre Ruhelage zurückgeführt wird.If a displacement of the membrane from the center position brought about by changing the process pressure and detected by the sensor, the pressure of the transfer gas is compensated by the pressure control again so that the membrane is returned to its rest position.

Der sich hierbei einstellende Druck des Übertragungsgases ist dann gleich dem des Prozessdrucks, und kann am Messraum mittels eines Sensors vom Übertragungsgas abgenommen werden. Um bei besonders schnell steigendem oder fallendem Druck eine Membranüberlastung zu verhindern, ist die Membran bzw. die Messkammer vorzugsweise auf beiden Seiten mit einem Membranbett ausgestattet, in welchem die Membran schadensfrei zur Anlage kommen kann. Die ”Druckausgleichsmessung” wird also nach Ausgleich des Drucks vorgenommen. Der Drucksensor kann hierbei ein metallischer Dünnfilmsensor, eine keramische Druckmesszelle mit Dickschichtwiderständen oder ein Piezokristallsensor sein. Desweiteren ist jeder andere Sensor wie z. B. auch ein kapazitiver oder induktiver Sensor anwendbar. Ausregelzeiten für den Druckausgleich werden dadurch minimal gehalten, indem das Innenvolumen des Sensors/der Messraum klein gehalten bzw. mittels Ausgleichskörper reduziert wird. Darüber hinaus ist die Druckregelung durch eine geeignete Ansteuerung mittels Mikroprozessortechnik so schnell, dass die Messverzögerung/Trägheit besser oder gleich der von bestehenden Sensormessystemen ist bzw. vernachlässigbar ist. Eine weitere Beschleunigung dieser Messmethode ist weiterhin dadurch möglich, dass bei einer Druckänderung des Prozesses der Wert der Auslenkung der Membran gemessen, ausgewertet wird, und je nach aktuellem Druckniveau ein analog der Auslenkung berechneter Druckanstiegs- oder Druckabfallbeiwert berechnet wird, und sogleich als Korrekturwert mit dem Messwert verrechnet und ausgegeben werden kann. Dieser Beiwert kann solange dynamisch ermittelt und verrechnet werden, bis die Druckregelung wieder einen Druckausgleich bewirkt und die Membran wieder Ihre Ruhelage erreicht.The pressure of the transfer gas which is established in this case is then equal to that of the process pressure and can be removed from the transfer gas at the measuring space by means of a sensor. In order to prevent a membrane overload at particularly fast rising or falling pressure, the membrane or the measuring chamber is preferably equipped on both sides with a membrane bed, in which the membrane can come to rest without damage. The "pressure compensation measurement" is thus made after balancing the pressure. The pressure sensor can hereby be a metallic thin-film sensor, a ceramic Be a pressure measuring cell with thick-film resistors or a piezoelectric crystal sensor. Furthermore, every other sensor such. B. also a capacitive or inductive sensor applicable. Settling times for pressure compensation are kept to a minimum by keeping the internal volume of the sensor / measuring chamber small or reducing it by means of compensating bodies. In addition, the pressure control by a suitable control by means of microprocessor technology is so fast that the measurement delay / inertia is better than or equal to that of existing sensor measuring systems or is negligible. A further acceleration of this measurement method is further possible in that the value of the deflection of the membrane is measured in a pressure change of the process, evaluated, and depending on the current pressure level a calculated analog pressure deflection or Druckabfallbeiwert calculated, and immediately as a correction value with the Measured value can be calculated and output. This coefficient can be dynamically determined and calculated until the pressure control again effects a pressure equalization and the membrane reaches its rest position again.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

1 zeigt eine Prinzipdarstellung mit optionaler Druckversorgung und Körper zur Reduzierung des Sensorinnenvolumens 1 shows a schematic diagram with optional pressure supply and body to reduce the sensor internal volume

2 ist eine Ausgestaltung mit Druckregler und optischer Membransensorik 2 is an embodiment with pressure regulator and optical membrane sensor

3 zeigt eine Prinzipdarstellung mit einer Druckausgleichsregelung mittels Exzenter und Balg 3 shows a schematic diagram with a pressure compensation control by means of eccentric and bellows

Die in 1 gezeigte erfindungsgemäße Ausführung zeigt rechts einen Prozessbehälter mit Messstoff auf dessen Öffnung, Flansch die Sensoranordnung montiert ist.In the 1 embodiment of the invention shown on the right shows a process container with medium on the opening, flange the sensor assembly is mounted.

Das Sensorsystem enthält die vorgelagerte Mess-Membran, die den hinteren Messraum abtrennt. Es ist hierbei von Vorteil wenn die Membran beidseitig eine Abstützungsmöglichkeit, z. B. ein rotationssymetrisches Membranbett beidseitig angeordnet hat, welches die Membran abstützt und vor Membranriss schützt, wenn auf einer Seite der Druck plötzlich abfällt oder in unzulässiger Weise die Druckdifferenz zwischen den beiden Seiten zu gross wird. Dann legt sich die Membran einseitig an bis wieder ein Druckausgleich herbeigeführt wird. Desweiteren ist am Sensorraum ein Sensor MS1 angekoppelt, welcher die Membranlage abfragt. Dies kann beispielsweise optisch, akustisch oder auch über Dehnmessstreifen erfolgen. Dem Sensor MS1 ist im Sensorraum optional ein Körper vorgelagert, welcher das Innenvolumen des Sensorkörpers reduziert. Der Körper kann einerseits das Innenvolumen des Messraums reduzieren, andererseits temperaturkompensatorische Effekte herbeiführen und beispielsweise volumenausgleichend wirken, wenn sich der Messraum durch temperaturbedingte Materialausdehnung vergrößert. Ein Sensor MS2 kann optional parallel zu Sensor MS1 angeordnet sein und hierbei Fehler aus der Messung der Membranlage durch Sensor MS1 ausgleichen, welche z. B. durch temperaturbedingte Längenausdehnungen entstehen können. Angeschlossen ist desweiteren ein Drucksensor PS1, welcher den Innendruck im Messraum misst.The sensor system contains the upstream measuring membrane, which separates the rear measuring chamber. It is advantageous if the membrane on both sides a support option, eg. B. has arranged a rotationally symmetrical membrane bed on both sides, which supports the membrane and protects against membrane tear, when suddenly drops on one side of the pressure or in an inadmissible way, the pressure difference between the two sides is too large. Then the membrane settles on one side until a pressure equalization is brought about again. Furthermore, a sensor MS1 is coupled to the sensor space, which interrogates the membrane layer. This can be done for example optically, acoustically or via strain gauges. The sensor MS1 is optionally preceded by a body in the sensor space, which reduces the internal volume of the sensor body. On the one hand, the body can reduce the internal volume of the measuring space, on the other hand, it can bring about temperature-compensating effects and, for example, have a volume-compensating effect if the measuring space increases due to temperature-induced material expansion. A sensor MS2 can optionally be arranged parallel to sensor MS1 and thereby compensate for errors from the measurement of the membrane layer by sensor MS1, which z. B. can arise due to temperature-related linear expansion. Connected further is a pressure sensor PS1, which measures the internal pressure in the measuring chamber.

Zur Druckmessung wird die schematisch dargestellte Druckversorgung DR solange von der Steuerung S so angesteuert, bis sich die Membran wieder in ihrer Ausgleichslage, Nulllage befindet. Dann ist Druckausgleich herbeigeführt und die Messung des Drucksensors PS entspricht der des Messtoffs, des Prozessdrucks im Behälter rechts. Die Steuerung übernimmt hierbei den Regelkreis, innerhalb welchem immer die Membranlage detektiert wird und bei detektierter Verschiebung der Membran wird die Druckregelung so gesteuert, daß ein Druckausgleich bzw. eine Wiederkehr der Membran zur Nulllage erreicht wird. Nach Wiedererreichung der Nulllage wird dann der Druckwert des Drucksensors PS an eine Anzeige, z. B. in bar, ausgegeben.For pressure measurement, the schematically represented pressure supply DR is controlled by the controller S until the membrane is again in its equilibrium position, zero position. Then pressure equalization is brought about and the measurement of the pressure sensor PS corresponds to that of the measuring substance, the process pressure in the container on the right. The control takes over the control loop, within which the membrane layer is always detected and when detected displacement of the membrane, the pressure control is controlled so that a pressure equalization or a return of the membrane is reached to zero position. After re-achievement of the zero position then the pressure value of the pressure sensor PS to a display, for. B. in cash.

Da der Drucksensor im Bereich des Membrananschlusses durch eine Materialreduzierung oder Einschnürung oder Kühlung oder mittels Kühlrippen thermisch entkoppelt ist, kann auf diesem Weg auch an sehr heissen Prozessen präzise der Prozessdruck ermittelt werden.Since the pressure sensor in the region of the membrane connection is thermally decoupled by a material reduction or constriction or cooling or by means of cooling ribs, the process pressure can be precisely determined even in very hot processes in this way.

Die Druckregelung DR kann auch dadurch bewerkstelligt werden, dass ein Vorrat einer Flüssigkeit innerhalb der Regelung oder des Sensorraums gelagert ist, welche mittels eines Heizelementes auf Anforderung erhitzt wird, und dann so teilweise in Dampf bzw. Gas umgesetzt werden kann. Hierzu eignen sich beispielsweise flüssige Kohlenwasserstoffverbindungen. Je nach Zufuhr einer elektrischen Leistung kann so der Druck im Sensorraum hergestellt werden. Wenn der Messraum so ausgelegt ist, daß die Umgebung ständig Wärme entzieht, muss also stets so nachgeheizt werden, daß sich ein gewünschter Druck einstellt. Soll der Druck verringert werden, wird die Heizung abgeschaltet. Durch Abgabe der Wärme, z. B. an die Umgebungsluft, kühlt das Gas ab, kondensiert an den Wänden, läuft zurück in den Vorrat, das Heizbecken. Für eine besonders schnelle Regelung ist bei notwendiger Verringerung des Drucks nach Abschaltung der Heizung auch denkbar, dass mittels eines Kondensators das Druckabsenken beschleunigt wird.The pressure control DR can also be accomplished by storing a supply of liquid within the control or sensor space, which is heated by a heating element on demand and then partially converted into steam or gas. For example, liquid hydrocarbon compounds are suitable for this purpose. Depending on the supply of electrical power, the pressure in the sensor room can thus be established. If the measuring chamber is designed so that the environment constantly withdraws heat, so must always be heated so that sets a desired pressure. If the pressure is to be reduced, the heater is switched off. By giving off the heat, for. B. to the ambient air, the gas cools, condenses on the walls, runs back into the supply, the heating. For a particularly fast control, it is also conceivable, if the pressure is necessary to be reduced after switching off the heating, that the pressure lowering is accelerated by means of a condenser.

Die 2 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführung bei welcher die Druckregelung mit einem servomotorisch angesteuerten Balg bewerkstelligt wird.The 2 shows an embodiment of the invention in which the pressure control is accomplished with a servomotor driven bellows.

Die 3 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführung, bei welcher die Druckregelung mit einem Doppelventilblock bewerkstelligt wird, wobei ein Ventil von einer Druckversorgung Druck in den Messraum einströmen lassen kann und ein anderes Ventil für Druckentlastung des Messraums verwendet wird.The 3 shows an embodiment according to the invention, in which the pressure control is accomplished with a double valve block, wherein a valve can flow from a pressure supply pressure in the measuring chamber and another valve for pressure relief of the measuring chamber is used.

Die Erfindung ist nicht auf die gezeigten ausführlichen Ausführungsbeispiele beschränkt. Sie kann in dem Umfang der nachfolgenden Ansprüche modifiziert werden.The invention is not limited to the detailed embodiments shown. It may be modified within the scope of the following claims.

Claims

Method for pressure measurement by means of a pressure measuring system comprising a pressure measuring element, a diaphragm seal having a plate-shaped or tubular membrane and having a measuring medium filled with a measuring medium comprising a membrane bounded by the measuring chamber and to which the pressure measuring element is connected, wherein the pressure measurement is effected in that the pressure measuring element measures the pressure of the transmission medium, while the membrane is acted upon on its side facing away from the measuring chamber with the pressure of a medium, characterized in that a gas and thus a transfer gas is used as the transmission medium, that the position the diaphragm is detected as a deviation from the rest position that, depending on the detected position of the membrane when the membrane occupies a position outside a position range around the rest position of the membrane, the pressure of the transfer gas in the measuring space is changed so that the membrane in e Ine position is returned to the rest position within the position range and that serves as a measurement result of the pressure measurement, the pressure of the transfer gas after the return of the membrane in the position within the position range.

A method according to claim 1, characterized in that the pressure of the transfer gas is selectively changed by supplying or discharging transfer gas to and from the measuring space.

A method according to claim 1 or 2, characterized in that at a pressure change of the medium, the value of the deflection of the membrane is evaluated and a correction value is determined and calculated with the measurement result of the pressure measurement and output.

Pressure measuring system with a pressure measuring element, a diaphragm seal having a plate-shaped or tubular membrane and a filled with a transmission medium measuring chamber, which comprises a membrane bounded by the measuring chamber and the pressure measuring element is connected to that in the measuring chamber prevailing pressure of the transmission medium is applied, characterized that the measuring space is filled with a transmission medium serving as a transmission medium, in that a pressure adjusting device is connected to the measuring chamber, by means of which the pressure of the transfer gas in the measuring chamber can be set, that a position detection device is provided which can detect the position of the membrane and in that a control device is provided which, as a function of the position of the diaphragm detected by the position detection device, actuates the pressure adjusting device such that the position of the diaphragm within the positional area around or in its rest position or center position is effected by means of the set pressure of the transfer gas.

Pressure measuring system according to claim 4, characterized in that the pressure adjusting means comprises a filled with the transmission medium bellows, which can be compressed and stretched by means of an actuator.

Pressure measuring system according to claim 4, characterized in that the pressure adjusting device comprises a compressed gas source and a valve arrangement, by means of the transmission gas from the compressed gas source can be admitted into the measuring chamber or drained from it.

Pressure measuring system according to claim 4, characterized in that the pressure adjusting means an evaporator, by means of which a liquid for forming the transfer gas can be converted into its gaseous state.

Pressure measuring system according to claim 4, characterized in that the position detection device comprises capacitive, inductive, acoustic or optical means for position detection.

Pressure measuring system according to claim 4, characterized in that the measuring space is reduced by filling elements in its volume.

Pressure measuring system according to claim 4, characterized in that the position detection device comprises strain gauges attached to the membrane.

Pressure measuring system according to one of claims 4 to 10, characterized in that the membrane is plate-shaped and that on each side of the membrane, the deflection of the Membrane is arranged from its rest position limiting membrane support.