DE102014214866A1

DE102014214866A1 - pressure sensor

Info

Publication number: DE102014214866A1
Application number: DE201410214866
Authority: DE
Inventors: Walter Reichart
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2013-07-29
Filing date: 2014-07-29
Publication date: 2015-01-29

Abstract

Dargestellt und beschrieben ist ein Drucksensor mit einer Druckmesszelle (10) und einer Zellenhalterung (2). Um die Überlastfestigkeit der Druckmesszelle zu verbessern und gleichzeitig eine höhere Empfindlichkeit zu erreichen sowie eine Einschraubdrift zu vermeiden, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Druckmesszelle (10) aus einem ersten Substratkörper (12) und einem zweiten Substratkörper (13) besteht, beide Substratkörper (12, 13) übereinanderliegend angeordnet sind, zwischen dem ersten Substratkörper (12) und dem zweiten Substratkörper (13) ein Abstandshalter (14) mit einer ringförmigen Aussparung (14a) angeordnet ist, so dass beide Substratkörper (12, 13) im Bereich der Aussparung (14a) membranmäßig relativ zueinander beweglich sind, und beide Substratkörper (12, 13) jeweils im Bereich der Aussparung (14a) Mittel (21, 22, 23, 25) zur Erfassung dieser Membranbewegung (12a, 13a) aufweisen. Weiter ist die Druckmesszelle (10) als Verbund aus erstem und zweitem Substratkörper (12, 13) und dem dazwischenliegenden Abstandshalter (14) als flacher, länglicher, quaderförmiger Block ausgebildet, wobei dieser Block einen spiegelsymmetrischen Aufbau aufweist. Schließlich umgreift die Zellenhalterung (2) einen Randabschnitt des quaderförmigen Blocks, so dass der überwiegende Teil des Blocks frei dem Messmedium ausgesetzt ist und die Einspannkräfte zu keiner Relativbewegung der Membranbereiche (12a, 13a) der Substratkörper (12, 13) führen.Shown and described is a pressure sensor with a pressure measuring cell (10) and a cell holder (2). In order to improve the overload resistance of the pressure measuring cell and at the same time to achieve a higher sensitivity and to prevent a screwdrift in accordance with the invention, the pressure measuring cell (10) consists of a first substrate body (12) and a second substrate body (13), both substrate bodies (12 , 13) are arranged one above the other, between the first substrate body (12) and the second substrate body (13) a spacer (14) with an annular recess (14a) is arranged, so that both substrate body (12, 13) in the region of the recess ( 14a) are movable relative to each other in terms of membrane, and both substrate bodies (12, 13) each have in the region of the recess (14a) means (21, 22, 23, 25) for detecting this membrane movement (12a, 13a). Next, the pressure measuring cell (10) is formed as a composite of first and second substrate body (12, 13) and the intermediate spacer (14) as a flat, elongated, cuboid block, said block having a mirror-symmetrical structure. Finally, the cell holder (2) engages around an edge portion of the block-shaped block, so that the majority of the block is exposed freely to the measuring medium and the clamping forces do not lead to a relative movement of the membrane regions (12a, 13a) of the substrate body (12, 13).

Description

Die Erfindung betrifft einen Drucksensor mit einer Druckmesszelle und einer Zellenhalterung.The invention relates to a pressure sensor with a pressure measuring cell and a cell holder.

Druckmessgeräte bzw. Drucksensoren werden in vielen Industriebereichen zur Druckmessung eingesetzt. Der elementare Bestandteil dieser Messgeräte ist eine Druckmesszelle. Bei der Druckmessung soll häufig der Druck innerhalb eines an dieser Messzelle angrenzenden Mediums erfasst werden, wobei die Messzelle eine Membran aufweist, deren eine Seite zumindest teilweise mit dem Medium in Kontakt steht und deren andere Seite von dem Medium abgewandt ist. Der Druck innerhalb des üblicherweise gasförmigen, flüssigen, pastösen oder zumindest schüttfähigen Mediums wird dadurch ermittelt, dass das Medium die Membran in Abhängigkeit von dem innerhalb des Mediums herrschenden Drucks verschieden stark auslenkt. In der Regel dienen diese Druckmessgeräte zur Überwachung oder Steuerung von Prozessen. Sie sind deshalb häufig mit übergeordneten Steuereinheiten (SPS) verbunden.Pressure gauges or pressure sensors are used in many industrial areas for pressure measurement. The elementary component of these measuring instruments is a pressure measuring cell. In pressure measurement, the pressure within a medium adjoining this measuring cell is frequently to be detected, the measuring cell having a membrane, one side of which is at least partially in contact with the medium and the other side facing away from the medium. The pressure within the usually gaseous, liquid, pasty or at least free-flowing medium is determined by the fact that the medium deflects the membrane differently depending on the pressure prevailing within the medium. As a rule, these pressure gauges are used to monitor or control processes. They are therefore often connected to higher-level control units (PLC).

Die gebräuchlichsten Formen sind Messgeräte mit kapazitiven, (piezo-)resistiven oder piezoelektrischen Druckmesszellen.The most common forms are measuring devices with capacitive, (piezo) resistive or piezoelectric pressure measuring cells.

Kapazitive Druckmesszellen bestehen zumeist aus einem keramischen Grundkörper und einer Membran, wobei zwischen dem Grundkörper und der Membran ein zumeist als Glaslotring ausgeführter isolierender Abstandshalter angeordnet ist. Der sich dadurch ergebende Hohlraum zwischen Grundkörper und Membran ermöglicht die längsgerichtete Beweglichkeit der Membran, d.h. in Richtung des Grundkörpers, 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. Capacitive pressure measuring cells usually consist of a ceramic base body and a membrane, wherein between the base body and the membrane, a mostly designed as a glass solder ring insulating spacer is arranged. The resulting cavity between the body and the membrane allows for the longitudinal mobility of the membrane, i. in the direction of the body, 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.

Resistive und piezoelektrische Druckmesszellen weisen eine elastische Membran auf, auf der elektromechanische Wandler angeordnet sind, beispielsweise Dehnungsmessstreifen oder Piezoelemente. Als Material für die Druckmesszelle wird typischerweise Metall oder auch Keramik verwendet. Die druckabhängige Auslenkung bzw. reversible Deformation der Membran wird von dem elektromechanischen Wandler in ein korrespondierendes Messsignal umgewandelt, d.h. in einen entsprechenden Widerstandswert bzw. Spannungs- oder Stromwert, da der elektromechanischen Wandler mit der ausgelenkten Membran verformt wird.Resistive and piezoelectric pressure measuring cells have an elastic membrane on which electromechanical transducers are arranged, for example strain gauges or piezoelements. The material used for the pressure measuring cell is typically metal or ceramic. The pressure-dependent deflection or reversible deformation of the membrane is converted by the electromechanical transducer into a corresponding measurement signal, i. in a corresponding resistance or voltage or current value, since the electromechanical transducer is deformed with the deflected membrane.

Drucksensoren bzw. -messgeräte der in Rede stehenden Art sind seit längerem bekannt und werden beispielsweise in vielen Bereichen der Prozessmesstechnik zur messtechnischen Prozessbeobachtung eingesetzt. Die Messzelle ist Bestandteil des Messgeräts, wobei ihr die elementare Aufgabe zukommt, die zu bestimmende physikalische Größe Druck unmittelbar oder mittelbar zu erfassen und in ein korrespondierendes Messsignal umzuwandeln. Derartige Messgeräte werden von der Anmelderin bspw. unter den Gerätebezeichnungen PTxx und PNxx hergestellt und in Verkehr gebracht. Die Messbereiche gehen derzeit üblicherweise bis 400 bar.Pressure sensors or measuring devices of the type in question have long been known and are used, for example, in many areas of process measurement technology for metrological process monitoring. The measuring cell is part of the measuring device, where it has the elementary task of directly or indirectly detecting the physical quantity to be determined pressure and converting it into a corresponding measurement signal. Such measuring devices are manufactured and placed on the market by the applicant, for example, under the device designations PTxx and PNxx. The measuring ranges are currently usually up to 400 bar.

Jede Messzelle hat eine durch ihren Aufbau und dem Material bestimmte Überlastfestigkeit, bis zu deren Höhe anliegende Drücke schadlos vertragen werden. Problematisch sind dabei insbesondere kurzzeitige Druckspitzen, die in einer Anlage meist unvermeidlich sind. Liegen diese betragsmäßig über der Überlastfestigkeit der Messzelle kann es zu einer Beschädigung oder einer kompletten Zerstörung der Membran und damit der gesamten Messzelle kommen. Bei keramischen Messzellen kann es aufgrund der geringen Elastizität von Keramik zu Rissen und Brüchen kommen, während Messzellen aus Metall elastischer sind und deshalb plastisch verformt werden können. Dadurch wird die Messzelle entweder zerstört oder die Genauigkeit der Messwerte wird beeinträchtigt.Each measuring cell has an overload resistance determined by its structure and the material, up to the level of which compressive loads are tolerated. In particular, short-term pressure peaks, which are usually unavoidable in a plant, are a problem. If these are greater than the overload resistance of the measuring cell, damage or complete destruction of the membrane and thus of the entire measuring cell can occur. With ceramic measuring cells, cracks and fractures can occur due to the low elasticity of ceramic, while measuring cells made of metal are more elastic and therefore can be plastically deformed. As a result, the measuring cell is either destroyed or the accuracy of the measured values is impaired.

Eine Erhöhung der Überlastfestigkeit durch einen entsprechend robusteren Aufbau der Messzelle – d.h. vor allem der Membran – wirkt sich aber nachteilig auf die Empfindlichkeit aus, d.h. beim Messen kleinerer Drücke sowie beim Erkennen kleiner Druckunterschiede.An increase in overload resistance due to a correspondingly more robust construction of the measuring cell - i. especially the membrane - but adversely affects the sensitivity, i. when measuring smaller pressures and when detecting small pressure differences.

Ein weiterer Aspekt ist der Einbau der bekannten Messzellen innerhalb der Druckmessgeräte. Werden die Messzellen in den Prozessanschluss des Druckmessgeräts eingeschraubt oder durch einen Gewindering axial fixiert, ergibt sich dadurch eine Signaldrift, die aufwendig kompensiert werden muss.Another aspect is the installation of the known measuring cells within the pressure gauges. If the measuring cells are screwed into the process connection of the pressure gauge or axially fixed by a threaded ring, this results in a signal drift, which must be compensated consuming.

Aus der DE 10 2011 051 441 A1 ist bekannt, die Messzelle als Block auszuführen und randseitig einzuspannen. Da nun kein Einschraubvorgang notwendig ist, gibt es folglich auch keine durch ein Einschrauben hervorgerufene Signaldrift und die Einspannung erfolgt in einem Bereich, der mechanisch derart von der eigentlichen Druckmessung entfernt ist, dass die Einspannkräfte keinen Einfluss auf die Membranbewegung haben.From the DE 10 2011 051 441 A1 is known to perform the measuring cell as a block and clamp edge. Since now no screwing is necessary, there is consequently no signal drift caused by screwing in and the clamping takes place in a region which is mechanically removed from the actual pressure measurement in such a way that the clamping forces have no influence on the membrane movement.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Druckmessgerät vorzuschlagen, deren Messzelle eine bessere Überlastfestigkeit und gleichzeitig eine höhere Empfindlichkeit aufweist. Darüber hinaus soll der Einbau der Messzelle innerhalb des Messgeräts erleichtert werden, indem eine Einschraubdrift vermieden wird.The object of the invention is to propose a pressure gauge whose measuring cell has a better overload resistance and at the same time a higher sensitivity. In addition, the installation should the measuring cell within the measuring device can be facilitated by avoiding a drifting drift.

Die aufgezeigte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Drucksensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den rückbezogenen Ansprüchen angegeben.The indicated object is achieved by a pressure sensor having the features of claim 1. Advantageous embodiments are specified in the dependent claims.

Erfindungsgemäß besteht die Druckmesszelle aus einem ersten Substratkörper und einem zweiten Substratkörper, wobei beide Substratkörper übereinanderliegend angeordnet sind und zwischen dem ersten Substratkörper und dem zweiten Substratkörper ein bevorzugt als Glaslotring ausgeführter Abstandshalter mit einer ringförmigen Aussparung angeordnet ist, so dass beide Substratkörper im Bereich dieser Aussparung membranmäßig relativ zueinander beweglich sind. Zur Erfassung dieser Membranbewegung weisen beide Substratkörper jeweils im Bereich der Aussparung je nach Art der Druckmesszelle Mittel zur Messung der Kapazitätsänderung zwischen den beiden Substratkörpern bzw. Membranen oder Mittel zur Messung der Durchbiegung der Membrane auf.According to the invention, the pressure measuring cell consists of a first substrate body and a second substrate body, wherein both substrate bodies are arranged one above the other and between the first substrate body and the second substrate body a preferably designed as a glass solder ring spacer is arranged with an annular recess, so that both substrate body in the region of this recess in the membrane are movable relative to each other. In order to detect this membrane movement, both substrate bodies each have in the region of the recess, depending on the type of pressure measuring cell, means for measuring the change in capacitance between the two substrate bodies or membranes or means for measuring the deflection of the membrane.

Die Druckmesszelle ist dabei als Verbund aus erstem und zweitem Substratkörper und dem dazwischenliegenden Abstandshalter als flacher, länglicher, quaderförmiger Block ausgebildet. Wesentlich ist zudem, dass dieser Block einen spiegelsymmetrischen Aufbau aufweist, wodurch eine Druckeinwirkung und damit eine Druckerfassung von beiden Seiten möglich ist. Die Zellenhalterung umgreift einen Randabschnitt des quaderförmigen Blocks, so dass der überwiegende Teil des Blocks frei dem Messmedium ausgesetzt ist und die Einspannkräfte zu keiner Relativbewegung der Membranbereiche der Substratkörper führen.The pressure measuring cell is designed as a composite of the first and second substrate body and the intermediate spacer as a flat, elongated, block-shaped block. It is also essential that this block has a mirror-symmetrical structure, whereby a pressure and thus a pressure detection from both sides is possible. The cell holder surrounds an edge portion of the block-shaped block, so that the major part of the block is exposed to the measuring medium and the clamping forces do not lead to any relative movement of the membrane areas of the substrate body.

Durch ihren spiegelsymmetrischen Aufbau und da die Druckmesszelle frei ins Medium hineinragt, wird sie von allen Seiten gleichermaßen mit Druck beaufschlagt. Wenn nach einer Weiterbildung der Erfindung beide Substratkörper die gleiche Stärke bzw. Dicke haben, werden beide Substartkörper bzw. die jeweiligen Membranbereiche infolge des Druckeinflusses in gleicher Weise bewegt. Diese Bewegung ist dann genau entgegengesetzt, d.h. auf einander zu gerichtet. Somit verdoppelt sich die auswertbare Membranbewegung, weil im Gegensatz zum Stand der Technik nicht nur eine Membran, sondern nun zwei Membrane beweglich sind. Infolge der doppelt auswertbaren Membranbewegung verdoppelt sich auch der Signalhub, so dass die Empfindlichkeit der Druckmesszelle erhöht wird und auch kleinste Druckeinflüsse oder Druckunterschiede erkannt werden.Due to its mirror-symmetrical design and because the pressure measuring cell protrudes freely into the medium, it is equally pressurized from all sides. If, according to a development of the invention, both substrate bodies have the same thickness or thickness, both substrate bodies or the respective membrane areas are moved in the same way as a result of the pressure influence. This movement is then exactly opposite, i. towards each other. Thus, the evaluable membrane movement doubles because, in contrast to the prior art, not only one membrane, but now two membranes are movable. As a result of the double-valued membrane movement, the signal stroke is doubled, so that the sensitivity of the pressure cell is increased and even the smallest pressure influences or pressure differences are detected.

Der erfindungsgemäße Drucksensor weist darüber hinaus auch eine hohe Überlastfestigkeit auf, da sich der Grundkörper und die Membran bei Druckeinfluss aufeinander zubewegen. Im Falle der Überschreitung eines zulässigen Drucks liegen beide Keramikplatten direkt aneinander und können somit nicht zerbersten. The pressure sensor according to the invention also has a high overload resistance, since the base body and the membrane move towards each other under the influence of pressure. If an allowable pressure is exceeded, both ceramic plates are directly adjacent to each other and thus can not burst.

Durch die randseitige Einspannung der Druckmesszelle außerhalb des druckkritischen Bereichs, wird eine Einschraubdrift – die Beeinflussung der Einspannkräfte auf das Messergebnis – vermieden.Due to the marginal clamping of the pressure measuring cell outside the pressure-critical range, a drift drift - the influence of the clamping forces on the measurement result - is avoided.

Wie bereits einleitend ausgeführt sind auf den Substratkörpern im Membranbereich je nach Art der Druckmesszelle Mittel zur Messung der Kapazitätsänderung zwischen den beiden Substratkörpern bzw. Membranen oder Mittel zur Messung der Durchbiegung der Membrane angeordnet. As already stated in the introduction, means for measuring the change in capacitance between the two substrate bodies or membranes or means for measuring the deflection of the membrane are arranged on the substrate bodies in the membrane region, depending on the type of pressure measuring cell.

Im Falle eines kapazitiven Drucksensors mit einer keramischen Druckmesszelle sind die beiden Substratkörper als Keramiksubstratkörper ausgebildet und als Mittel zur Erfassung der Membranbewegung im Bereich der Aussparung weist der erste Substratkörper eine Mess- und eine Referenzelektrode und der zweite Substratkörper eine Gegenelektrode auf. Die Funktionsweise kapazitiv arbeitender Druckmesszellen ist an sich bekannt, bspw. aus der DE 198 51 506 C1 .In the case of a capacitive pressure sensor with a ceramic pressure measuring cell, the two substrate bodies are formed as ceramic substrate body and as a means for detecting the membrane movement in the recess, the first substrate body has a measuring and a reference electrode and the second substrate body on a counter electrode. The operation of capacitive pressure measuring cells is known per se, for example. From the DE 198 51 506 C1 ,

Im Falle eines resistiven oder piezoelektrischen Drucksensors mit einer keramischen oder metallischen Druckmesszelle sind die beiden Substratkörper als Keramiksubstratkörper oder Metallsubstratkörper ausgebildet und als Mittel zur Erfassung der Membranbewegung im Bereich der Aussparung weisen die beiden Substratkörper jeweils Dehnungsmesstreifen oder Piezoelemente auf.In the case of a resistive or piezoelectric pressure sensor with a ceramic or metallic pressure measuring cell, the two substrate bodies are embodied as ceramic substrate bodies or metal substrate bodies and as means for detecting the membrane movement in the region of the recess, the two substrate bodies each have strain gauges or piezoelectric elements.

Durch eine Metallisierung auf den Substratkörpern können die Elektroden, Dehnungsmessstreifen oder Piezoelemente kontaktiert werden. Die Kontaktierung ist demnach besonders einfach und vor allem außerhalb des druckkritischen Bereichs realisierbar. Der Anschluss der Metallisierung kann über Steckkontakte erfolgen, die durch einen automatischen Bestückungsvorgang aufgebracht werden können.By a metallization on the substrate bodies, the electrodes, strain gauges or piezoelectric elements can be contacted. The contacting is therefore particularly simple and especially outside the pressure-critical area feasible. The connection of the metallization can be made via plug contacts, which can be applied by an automatic assembly process.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass zwischen den Substratkörpern ein Entlüftungskanal angeordnet ist, über den der Innenraum der Druckmesszelle mit der Umgebung verbunden und somit ein Druckausgleich bzw. eine Entlüftung möglich ist. Der Entlüftungskanal kann als Kapillare ausgeführt sein, bspw. in Form einer Freifläche innerhalb des Glaslots.An advantageous development of the invention provides that between the substrate bodies, a vent channel is arranged, via which the interior of the pressure measuring cell connected to the environment and thus a pressure equalization or venting is possible. The vent channel can be designed as a capillary, for example. In the form of an open space within the glass solder.

Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist ein Prozessanschluss zur mechanischen Verbindung mit einer Behälterwand des Prozessmediums vorgesehen, wobei der Prozessanschluss einen zurückversetzten Bereich aufweist und die Zellenhalterung in diesem zurückversetzten Bereich angeordnet ist. Idealerweise ist die Tiefe des zurückversetzten Bereichs größer als die Abmessung des in das Medium hineinragenden Teils der Druckmesszelle. Auf diese Weise sind die Keramikplatten vor mechanischen Einflüssen geschützt, d.h. sie sind nicht in der unmittelbaren Strömung des Mediums angeordnet und kommen auch nicht mit eventuell im Medium vorhandenen Teilchen, Partikeln oder anderen Verunreinigungen in Berührung. In a further advantageous embodiment of the invention, a process connection for mechanical connection to a container wall of the process medium is provided, wherein the process connection has a set-back region and the cell holder is arranged in this set-back region. Ideally, the depth of the recessed area is greater than the dimension of the portion of the pressure cell protruding into the medium. In this way, the ceramic plates are protected from mechanical influences, ie they are not arranged in the immediate flow of the medium and are also not in contact with any particles, particles or other impurities present in the medium.

Die Einspannung der Druckmesszelle im Prozessanschluss kann vergleichsweise einfach gestaltet werden, da nur ein flacher, länglicher, quaderförmiger Block gehalten werden muss. Die Einspannung von herkömmlichen runden Druckmesszellen unmittelbar im druckkritischen Bereich hat eine komplexe Gestaltung des Prozessanschlusses erfordert. Auf eine derartig aufwendige Gestaltung kann nunmehr verzichtet werden.The clamping of the pressure measuring cell in the process connection can be made relatively simple, since only a flat, elongated, block-shaped block must be kept. The clamping of conventional round pressure cells directly in the pressure critical area has required a complex design of the process connection. On such a complex design can now be dispensed with.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Druckmesszelle mit einer Beschichtung umspritzt ist, vorzugsweise aus Polyvinylidenfluorid (PVDF) oder Polyetheretherketon (PEEK). Neben einer Schutzfunktion soll hierdurch insbesondere eine Abdichtungsfunktion erreicht werden. Um den Bereich, in dem die Messzelle in dem Prozessanschluss eingespannt ist, besser abdichten zu können, weist die Beschichtung der Druckmesszelle im Bereich, in dem die Zellenhalterung einen Randabschnitt des quaderförmigen Blocks umgreift, eine keilförmige Kontur auf.A particularly advantageous embodiment of the invention provides that the pressure measuring cell is encapsulated with a coating, preferably of polyvinylidene fluoride (PVDF) or polyetheretherketone (PEEK). In addition to a protective function, in particular a sealing function is thereby to be achieved. In order to better seal the region in which the measuring cell is clamped in the process connection, the coating of the pressure measuring cell in the region in which the cell holder engages around an edge portion of the block-shaped block, a wedge-shaped contour.

Kern der Erfindung ist es also, die bisher vorhandenen Nachteile hinsichtlich Einschraubdrift, Überlastfestigkeit und Empfindlichkeit auf einfache Weise zu beheben und dabei eine kostengünstige Möglichkeit zu bieten, auf vorhandener Dickschicht- oder Dünnschichttechnologie einen Drucksensor aufzubauen. Darüber hinaus ist der erfindungsgemäße Drucksensor auch kombinierbar mit anderen Messverfahren, bei denen eine Sonde, ein Messstab oder dergleichen in das Medium eingetaucht wird, wie bspw. bei thermischen Strömungswächtern.The essence of the invention is therefore to remedy the disadvantages so far with respect to Einschraubdrift, overload resistance and sensitivity in a simple manner and thereby offer a cost-effective way to build on existing thick-film or thin-film technology, a pressure sensor. In addition, the pressure sensor according to the invention can also be combined with other measuring methods in which a probe, a dipstick or the like is immersed in the medium, such as in thermal flow monitors.

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 in Schnittdarstellung, 1 a pressure sensor according to the invention in sectional view,

2a einen ersten Substratkörper einer erfindungsgemäßen kapazitiven Druckmesszelle als ein Ausführungsbeispiel in Draufsicht, 2a a first substrate body of a capacitive pressure measuring cell according to the invention as an exemplary embodiment in plan view,

2b einen zweiten Substratkörper einer erfindungsgemäßen kapazitiven Druckmesszelle als ein Ausführungsbeispiel in Draufsicht 2 B a second substrate body of a capacitive pressure measuring cell according to the invention as an embodiment in plan view

3a einen ersten Substratkörper einer erfindungsgemäßen resistiven oder piezoelektrischen Druckmesszelle als ein weiteres Ausführungsbeispiel in Draufsicht, 3a a first substrate body of a resistive or piezoelectric pressure measuring cell according to the invention as a further exemplary embodiment in plan view,

3b einen zweiten Substratkörper einer erfindungsgemäßen resistiven oder piezoelektrischen Druckmesszelle als ein weiteres Ausführungsbeispiel in Draufsicht, 3b a second substrate body of a resistive or piezoelectric pressure measuring cell according to the invention as a further exemplary embodiment in plan view,

4 eine erfindungsgemäße Druckmesszelle mit einer Beschichtung. 4 a pressure measuring cell according to the invention with a coating.

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.

In 1 ist schematisch ein unterer Teil eines erfindungsgemäßen Drucksensors 1 für den Einsatz in der Prozessmesstechnik dargestellt, bestehend aus einem Prozessanschluss 3 und einer Druckmesszelle 10. Der obere, nicht gezeigte Teil besteht bspw. aus einer Metallhülse zur Aufnahme der Mess- und Auswerteelektronik, einem Kabelanschluss und einem Display, wie z.B. aus der DE 197 24 309 B4 bekannt. Der Prozessanschluss 3 unterscheidet sich jedoch wesentlich von diesem bekannten Drucksensor. Während bekannte Druckmesszellen üblicherweise rund und im Prozessanschluss quer eingespannt sind, ist die erfindungsgemäße Druckmesszelle 10 als flacher, länglicher, quaderförmiger Block ausgeführt und ist längs im Prozessanschluss 3 an der Zellenhalterung 2 eingespannt.In 1 is schematically a lower part of a pressure sensor according to the invention 1 presented for use in process measuring technology, consisting of a process connection 3 and a pressure measuring cell 10 , The upper, not shown part consists, for example, of a metal sleeve for receiving the measuring and evaluation electronics, a cable connection and a display, such as from DE 197 24 309 B4 known. The process connection 3 However, it differs significantly from this known pressure sensor. While known pressure measuring cells are usually clamped transversely around and in the process connection, the pressure measuring cell according to the invention is 10 designed as a flat, elongated, block-shaped block and is longitudinal in the process connection 3 at the cell holder 2 clamped.

Die Druckmesszelle 10 arbeitet nach dem kapazitiven, resistiven oder piezoelektrischen Prinzip und besteht aus zwei übereinanderliegenden Substratkörpern 12, 13. Zwischen den Substratkörpern 12, 13 befindet sich ein Glaslotring 14 als Abstandshalter, der eine ringförmige Aussparung 14a aufweist, so dass sich beide Substratkörper 12, 13 in diesem Bereich relativ zueinander bewegen können und damit jeweils einen Membranbereich 12a, 13a bilden. Die Druckmesszelle 10 ist dabei nur in einem Abschnitt der Schmalseite – dem Einspannbereich 17 – eingespannt, so dass der überwiegende Teil der Druckmesszelle 10 und dabei insbesondere die Membranbereiche 12a, 13a frei dem Messmedium ausgesetzt ist bzw. frei in das Messmedium hineinragt. Da der Druck, wie durch die Angabe „P“ und die dazugehörigen Pfeile angedeutet, die Messzelle 10 beidseitig beeinflusst, bewegen sich infolge des Drucks die Membrane 12a, 13a beider Substratkörper 12, 13 aufeinander zu. Diese Bewegung wird von den in 1 nicht dargestellten Elektroden 21, 22, 23 bzw. Dehnungsmessstreifen 25 oder Piezoelementen 25 in Form einer Kapazitätsänderung, Widerstandsänderung oder Strom-/Spannungsänderung erfasst und mit Hilfe einer Mess- und Auswerteelektronik in ein dem anliegenden Druck proportionales Spannungs- bzw. Stromsignal umgewandelt. The pressure measuring cell 10 works on the capacitive, resistive or piezoelectric principle and consists of two superimposed substrate bodies 12 . 13 , Between the substrate bodies 12 . 13 there is a glass solder ring 14 as a spacer, which has an annular recess 14a has, so that both substrate body 12 . 13 in this area can move relative to each other and thus each a membrane area 12a . 13a form. The pressure measuring cell 10 is only in one section of the narrow side - the clamping area 17 - clamped, so that the vast majority of the pressure measuring cell 10 and in particular the membrane areas 12a . 13a is exposed freely to the measuring medium or projects freely into the measuring medium. Since the pressure, as indicated by the indication "P" and the associated arrows, the measuring cell 10 influenced on both sides, move as a result of pressure the membrane 12a . 13a both substrate body 12 . 13 towards each other. This movement is by the in 1 not shown electrodes 21 . 22 . 23 or strain gauges 25 or piezo elements 25 recorded in the form of a change in capacitance, resistance change or current / voltage change and converted by means of a measuring and evaluation in a voltage proportional to the applied pressure voltage or current signal.

Deutlich zu erkennen ist, dass die Zellenhalterung 2 außerhalb des druckkritischen Membranbereichs 12a, 13a erfolgt und demnach das Problem einer Beeinflussung des Messwertes aufgrund der Einspannung, sog. Signaldrift, minimal ist bzw. vermieden werden kann. Die Einspannung kann durch eine einfache Klemmung, bspw. mittels zweier Backen erfolgen.It can be clearly seen that the cell holder 2 outside the pressure-critical membrane area 12a . 13a takes place and therefore the problem of influencing the measured value due to the clamping, so-called signal drift, is minimal or can be avoided. The clamping can be done by a simple clamping, for example. By means of two jaws.

In 1 ist ein spezielles Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, bei dem der Prozessanschluss 3 zur mechanischen Verbindung mit einer Behälterwand des Prozessmediums einen zurückversetzten Bereich 3a aufweist und die Messzelle 10 in diesem zurückversetzten Bereich 3a angeordnet ist. Die Tiefe dieses zurückversetzten Bereichs 3a ist dabei größer als die Abmessung des in das Medium hineinragenden Teils der Druckmesszelle 10, so dass sich die Messzelle 10 nicht in der unmittelbaren Strömung des Mediums (sofern vorhanden) befindet und somit auch nicht mit eventuell im Medium vorhandenen Teilchen, Partikeln oder anderen Verunreinigungen unmittelbar in Berührung kommt. Auf diese Weise ist die Druckmesszelle 10 vor mechanischen Einflüssen geschützt. In 1 a special embodiment of the invention is shown in which the process connection 3 for mechanical connection to a container wall of the process medium, a recessed area 3a has and the measuring cell 10 in this recessed area 3a is arranged. The depth of this recessed area 3a is greater than the dimension of the projecting into the medium part of the pressure measuring cell 10 so that the measuring cell 10 is not in the immediate flow of the medium (if any) and thus does not come into direct contact with any particles, particles or other impurities present in the medium. This is the pressure cell 10 protected against mechanical influences.

Die 2a und 2b zeigen jeweils die Innenseiten der beiden Substratkörper 12, 13 einer kapazitiven Druckmesszelle 10. Im unteren Bereich, dem Membranbereich 12a des ersten Substratkörpers 12 befindet sich die Messelektrode 21 und die Referenzelektrode 22. Im unteren Bereich, dem Membranbereich 13a des zweiten Substratkörpers 13 befindet sich die Gegenelektrode 23. Die Funktionsweise kapazitiv arbeitender Druckmesszellen ist an sich bekannt, bspw. aus der DE 198 51 506 C1 und bedarf daher hier keiner weiteren Erläuterung. The 2a and 2 B each show the insides of the two substrate body 12 . 13 a capacitive pressure measuring cell 10 , In the lower area, the membrane area 12a of the first substrate body 12 is the measuring electrode 21 and the reference electrode 22 , In the lower area, the membrane area 13a of the second substrate body 13 is the counter electrode 23 , The operation of capacitive pressure measuring cells is known per se, for example. From the DE 198 51 506 C1 and therefore needs no further explanation here.

Durch die Metallisierung 20 auf den beiden Substratkörpern 12, 13 können die Elektroden 21, 22, 23 kontaktiert werden. Die Kontaktierung ist besonders einfach und vor allem außerhalb des druckkritischen Bereichs realisierbar. Der Anschluss der Metallisierung 20 kann über Steckkontakte erfolgen, die durch einen automatischen Bestückungsvorgang aufgebracht werden können.Through the metallization 20 on the two substrate bodies 12 . 13 can the electrodes 21 . 22 . 23 be contacted. The contacting is particularly simple and especially outside the pressure critical area feasible. The connection of the metallization 20 Can be done via plug contacts that can be applied by an automatic assembly process.

Weiterhin ist auf dem zweiten Substratkörper 13 schematisch der Entlüftungskanal 15 abgebildet, über den der Innenraum der Druckmesszelle mit der Umgebung verbunden und somit ein Druckausgleich bzw. eine Entlüftung möglich ist. Der Entlüftungskanal 15 kann als Kapillare ausgeführt sein, bspw. in Form einer Freifläche, und ist zumeist innerhalb des Glaslots 14 angeordnet.Furthermore, on the second substrate body 13 schematically the vent channel 15 shown, via which the interior of the pressure cell connected to the environment and thus a pressure equalization or venting is possible. The ventilation duct 15 can be designed as a capillary, for example. In the form of an open space, and is usually within the glass solder 14 arranged.

Die 3a und 3b zeigen jeweils die Innenseiten der beiden Substratkörper 12, 13 einer resistiven oder piezoelektrischen Druckmesszelle 10. In den unteren Bereichen, den Membranbereichen 12a, 13a der beiden Substratkörper 12, 13 befinden sich Dehnungsmesstreifen 25 oder Piezoelemente 25, durch die die Durchbiegung der Membranbereiche 12a, 13a erfasst wird. Die Funktionsweise derartiger Druckmesszellen ist ebenfalls bekannt und bedarf daher hier keiner weiteren Erläuterung. The 3a and 3b each show the insides of the two substrate body 12 . 13 a resistive or piezoelectric pressure measuring cell 10 , In the lower areas, the membrane areas 12a . 13a the two substrate body 12 . 13 there are strain gauges 25 or piezo elements 25 through which the deflection of the membrane areas 12a . 13a is detected. The operation of such pressure measuring cells is also known and therefore needs no further explanation here.

Auch bei dieser Ausführungsform erfolgt die Kontaktierung der Dehnungsmessstreifen 25 oder Piezoelemente 25 durch die Metallisierung 20 auf den beiden Substratkörpern 12, 13. Aus Gründend er einfachen Darstellung wurde die Kontaktierung der Dehnungsmessstreifen 25 oder Piezoelemente 25 nur angedeutet. Dem Fachmann ist klar, wie diese vier gezeigten Elemente 25 bspw. als Vollbrücke miteinander verschaltet werden. Die Kontaktierung ist besonders einfach und vor allem außerhalb des druckkritischen Bereichs realisierbar. Der Anschluss der Metallisierung 20 kann über Steckkontakte erfolgen, die durch einen automatischen Bestückungsvorgang aufgebracht werden können.Also in this embodiment, the contacting of the strain gauges takes place 25 or piezo elements 25 through the metallization 20 on the two substrate bodies 12 . 13 , For reasons he simple representation was the contacting of the strain gauges 25 or piezo elements 25 only hinted. Those skilled in the art will appreciate how these four elements shown 25 For example, be interconnected as a full bridge. The contacting is particularly simple and especially outside the pressure critical area feasible. The connection of the metallization 20 Can be done via plug contacts that can be applied by an automatic assembly process.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in 3 dargestellt. Die Druckmesszelle 10 ist mit einer Beschichtung 18 umspritzt ist, vorzugsweise aus Polyvinylidenfluorid (PVDF) oder Polyetheretherketon (PEEK). Neben einer Schutzfunktion soll hierdurch insbesondere eine Abdichtungsfunktion erreicht werden. Um die Zellenhalterung 2, in dem die Messzelle 10 in dem Prozessanschluss 3 eingespannt ist, besser abdichten zu können, weist die Beschichtung 18 im Einspannbereich 17 eine keilförmige Verbreiterung auf. Dabei kann sich – abhängig von welcher Seite die Messzelle 10 in den Prozessanschluss 3 eingeführt wird – die Keilform der Verbreiterung, wie in 3 dargestellt, sowohl von oben nach unten erstrecken als auch umgekehrt von unten nach oben. Die Öffnung des Prozessanschlusses 3 weist im Bereich der Zellenhalterung 2 eine entsprechend komplementäre Gestaltung auf.Another embodiment of the invention is in 3 shown. The pressure measuring cell 10 is with a coating 18 encapsulated, preferably polyvinylidene fluoride (PVDF) or polyetheretherketone (PEEK). In addition to a protective function, in particular a sealing function is thereby to be achieved. To the cell holder 2 in which the measuring cell 10 in the process connection 3 is clamped to better seal, the coating has 18 in the clamping area 17 a wedge-shaped broadening. This can - depending on which side of the measuring cell 10 in the process connection 3 is introduced - the wedge shape of the widening, as in 3 shown extending both from top to bottom and vice versa from bottom to top. The opening of the process connection 3 points in the area of the cell holder 2 a correspondingly complementary design.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102011051441 A1 [0010]
DE 19851506 C1 [0019, 0040]
DE 19724309 B4 [0036]

Claims

Pressure sensor with a pressure measuring cell ( 10 ) and a cell holder ( 2 ), wherein the pressure measuring cell ( 10 ) from a first substrate body ( 12 ) and a second substrate body ( 13 ), both substrate bodies ( 12 . 13 ) are arranged one above the other, between the first substrate body ( 12 ) and the second substrate body ( 13 ) a spacer ( 14 ) with an annular recess ( 14a ) is arranged so that both substrate body ( 12 . 13 ) in the region of the recess ( 14a ) are movable relative to each other in terms of membrane, and both substrate bodies ( 12 . 13 ) in each case in the region of the recess ( 14a ) Medium ( 21 . 22 . 23 . 25 ) for detecting this membrane movement ( 12a . 13a ), wherein the pressure measuring cell ( 10 ) as a composite of first and second substrate body ( 12 . 13 ) and the intermediate spacer ( 14 ) is formed as a flat, elongated, block-shaped block and this block has a mirror-symmetrical structure and wherein the cell holder ( 2 ) surrounds an edge portion of the block-shaped block, so that the major part of the block is exposed freely to the measuring medium and the clamping forces to no relative movement of the membrane areas ( 12a . 13a ) of the substrate body ( 12 . 13 ) to lead.

Pressure sensor according to claim 1, characterized in that the pressure sensor ( 1 ) as a capacitive pressure sensor ( 1 ) with a ceramic pressure measuring cell ( 10 ), wherein the two substrate bodies ( 12 . 13 ) are formed as a ceramic substrate body and as a means for detecting the membrane movement ( 12a . 13a ) in the region of the recess ( 14a ) of the first substrate body ( 12 ) a measuring and a reference electrode ( 21 . 22 ) and the second substrate body ( 13 ) a counterelectrode ( 23 ) having.

Pressure sensor according to claim 1, characterized in that the pressure sensor ( 1 ) as a resistive pressure sensor ( 1 ) with a ceramic or metallic pressure measuring cell ( 10 ), wherein the two substrate bodies ( 12 . 13 ) are formed as a ceramic substrate body or metal substrate body and as a means for detecting the membrane movement ( 12a . 13a ) in the region of the recess ( 14a ) the two substrate bodies ( 12 . 13 ) each strain gauge ( 25 ) exhibit.

Pressure sensor according to claim 1, characterized in that the pressure sensor ( 1 ) as a piezoelectric pressure sensor ( 1 ) with a ceramic or metallic pressure measuring cell ( 10 ), wherein the two substrate bodies ( 12 . 13 ) are formed as a ceramic substrate body or metal substrate body and as a means for detecting the membrane movement ( 12a . 13a ) in the region of the recess ( 14a ) the two substrate bodies ( 12 . 13 ) each piezoelectric sensors ( 25 ) exhibit.

Pressure sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the distance between the cell holder ( 2 ) and the annular recess ( 14a ) of the spacer ( 14 ) at least twice greater than the diameter of the recess ( 14a ).

Pressure sensor according to one of the preceding claims, characterized in that between the substrate bodies ( 12 . 13 ) a venting channel ( 15 ) is arranged.

Pressure sensor according to one of the preceding claims, characterized in that both substrate bodies ( 12 . 13 ) have the same strength.

Pressure sensor according to one of the preceding claims, characterized in that a process connection ( 3 ) is provided for mechanical connection to a container wall of the process medium, wherein the process connection ( 3 ) a recessed area ( 3a ) and the cell holder ( 2 ) is disposed in this recessed area.

Pressure sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the pressure measuring cell ( 10 ) with a coating ( 18 ), preferably of polyvinylidene fluoride (PVDF) or polyetheretherketone (PEEK).

Pressure sensor according to claim 9, characterized in that the coating ( 18 ) of the pressure measuring cell ( 10 ) in the area in which the cell holder ( 2 ) encompasses an edge portion of the block-shaped block, a wedge-shaped contour ( 18a ) having.