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Die Erfindung bezieht sich auf einen Druckmessaufnehmer mit einem Drucksensor und mindestens einem Druckübertragungssystem.
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Druckmessaufnehmer werden heute in einer Vielzahl von Anwendungen in der Mess- und Regeltechnik in nahezu allen Industriezweigen zur Erfassung von Drücken eingesetzt. Je nach Anwendung werden hierzu Absolutdruck-, Relativdruck- oder Differenzdruckmessaufnehmer eingesetzt.
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Bei der Erfassung eines einzelnen Drucks wird der zu messende Druck eines Mediums der Trennmembran zugeführt und über ein Druckübertragungssystem mittels einer Übertragungsflüssigkeit, die sich in einem fluidischen Kanal befindet, auf den Drucksensor, z.B. einen mikromechanisch gefertigten Drucksensor, übertragen. Der Drucksensor gibt einen Druckmesswert ab, der proportional zu dem zu messenden Druck ist. Der Druckmesswert steht somit zu einer weiteren Verarbeitung, Auswertung und/oder Anzeige zur Verfügung.
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Analog weisen Differenzdruckmessaufnehmer üblicherweise ein erstes und ein zweites Druckübertragungssystem mit einer ersten und einer zweiten Trennmembran auf. Im Betrieb wirken ein erster Druck auf die erste Trennmembran und ein zweiter Druck auf die zweite Trennmembran ein. Der erste und zweite Druck wird jeweils über das der entsprechenden Trennmembran zugeordnete Druckübertragungssystem auf den Drucksensor übertragen. Der Drucksensor gibt ein Ausgangssignal ab, das proportional zu dem zu messenden Differenzdruck ist. Das Ausgangssignal steht zu einer weiteren Verarbeitung, Auswertung und/oder Anzeige zur Verfügung.
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Derartige Druckübertragungssysteme werden eingesetzt, da die typischerweise eingesetzten mikromechanisch gefertigten Drucksensoren aufgrund ihrer Beschaffenheit nicht direkt dem Medium, dessen Druck bestimmt werden soll, aussetzbar sind.
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Um die Drucksensoren vor einer Beaufschlagung mit einseitig unzulässig hohen Drücken zu schützen und somit eine Zerstörung zu vermeiden, werden sogenannte Überlastmembrane eingesetzt. Diese Überlastmembranen werden zur Messmembran des Drucksensors hydraulisch bzw. fluidisch parallel geschaltet, und weisen eine größere hydraulische bzw. fluidische Kapazität als die Messmembran des Differenzdrucksensors auf. Im Falle einer einseitigen Überlast nimmt nun die Überlastmembran durch Auslenkung das Volumen unter der mit der Überlast beaufschlagten Trennmembran auf, bis letztere an ihrem Membranbett zur Anlage kommt, wodurch ein weiterer Druckanstieg an der Messmembran verhindert wird. Auf diese Weise wird der Drucksensor bzw. die Messmembran des Drucksensors vor einseitigen Überlasten geschützt.
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Derartige Aufbauten weisen jedoch den Nachteil auf, dass aufgrund ihrer konstruktiven Realisierungen ein großes Volumen an Übertragungsflüssigkeit benötigt wird. Als Übertragungsflüssigkeiten werden dabei typischerweise spezielle Silikonöle verwendet, welche einer nicht unerheblichen thermischen Ausdehnung unterliegen. Aufgrund dieser temperaturbedingen Ausdehnungen kommt es vermehrt zu Messfehlern.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Druckmessaufnehmer zu optimieren.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Druckmessaufnehmer mit einem Drucksensor, insbesondere einem mikromechanisch gefertigten Drucksensor und mindestens einem ersten Druckübertragungssystem gelöst, wobei das erste Druckübertragungssystem dazu dient, einen auf eine erste Trennmembran einwirkenden ersten Druck eines Mediums über einen ersten fluidischen Kanal mittels einer in dem ersten fluidischen Kanal befindlichen Übertragungsflüssigkeit dem Drucksensor zur Ermittlung eines Druckmesswertes zu übertragen, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein erstes Ventil, insbesondere ein mikromechanisch gefertigtes Ventil vorgesehen ist, mittels dessen eine hydraulische Kopplung zwischen der ersten Trennmembran und dem Drucksensor drosselbar oder unterbrechbar ist, sodass bei einem kritischen Druckanstieg bzw. einem kritischen Druck eine Zerstörung des Drucksensors verhinderbar ist.
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Erfindungsgemäß wird also ein Druckmessaufnehmer vorgeschlagen, der anstatt einer Überlastmembran zumindest ein erstes Ventil, insbesondere ein mikromechanisch gefertigtes Ventil zum Schutz des Drucksensors vor Überlasten vorsieht. Das erste Ventil ist dabei in einem mit einer Übertragungsflüssigkeit gefüllten ersten fluidischen Kanal, der die erste Trennmembran und den Drucksensor hydraulisch bzw. fluidisch verbindet, angeordnet. Im Fall eines kritischen Druckanstiegs bzw. bei Erreichen eines kritischen Drucks drosselt oder sperrt das erste Ventil den fluidischen Kanal, sodass der Drucksensor den kritischen Druckanstieg bzw. den kritischen Druck nicht erfährt bzw. nicht ausgesetzt ist.
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Als kritischer Druckanstieg kann bspw. eine Druckanstiegsrate definiert sein. Diese Druckanstiegsrate kann dann individuell, je nach konkreter Ausgestaltung des Drucksensors festgelegt werden. Als kritischer Druck kann bspw. ein maximal zulässiger Druck definiert sein, welcher wiederum je nach konkreter Ausgestaltung des Drucksensors unterschiedlich sein kann. So kann der maximal zulässige Druck bspw. anhand des Messbereiches des Drucksensors definiert werden, in dem dieser bspw. ein x-faches des Messendbereiches darstellt.
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Durch den Einsatz eines Ventiles, insbesondere eines mikromechanisch gefertigten Ventiles, kann auf den Einsatz einer Überlastmembran verzichtet werden. Dies bietet den Vorteil, dass der Druckmessaufnehmer konstruktiv derartig verändert werden kann, dass eine geringere Menge bzw. weniger Volumen an Übertragungsflüssigkeit benötigt wird. Dies führt wiederum zur Reduzierung von durch die thermische Ausdehnung der Übertragungsflüssigkeit bedingten Messfehlern.
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Unter dem Begriff der Mikromechanik wird in der vorliegenden Patentanmeldung ein Teilbereich der Mikrosystemtechnik verstanden, der sich mit Konstruktion, Herstellung und Anwendung mechanischer Bauteile, in diesem Fall insbesondere des Drucksensors und/oder des ersten bzw. zweiten Ventils, mit Abmessungen von wenigen bis zu mehreren 100 Mikrometern (µm) befasst. Zur Herstellung derartiger Bauteile werden Technologien eingesetzt, die auch in der Mikrochip-Fertigung zum Einsatz kommen, bspw. galvanische Verfahren, Ätzverfahren, Lasertechnik, aber auch Verfahren wie Photolithographie und Dünnschichttechniken kommen zum Einsatz. Entsprechend ist unter einem mikromechanisch gefertigtem Drucksensor bzw. Ventil ein Bauteil mit Maßen von wenigen bis zu mehreren 100 Mikrometern (µm) zu verstehen.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das erste Druckübertragungssystem einen ersten Übertragungsdrucksensor aufweist, der einen ersten Übertragungsdruck im Bereich der ersten Trennmembran erfasst und den ersten Übertragungsdruck einer Regeleinheit zuführt, die dazu dient, die hydraulische Kopplung mit dem ersten Ventil im Fall eines kritischen Druckanstieges bzw. bei einem kritischen Druck zu drosseln oder zu unterbrechen. Insbesondere sieht die Weiterbildung vor, dass der erste Übertragungsdrucksensor ein piezoelektrischer Drucksensor ist. Durch den Einsatz eines piezoelektrischen Drucksensors lässt sich aufgrund der schnellen Ansprechzeiten eine besonders schnelle Schalt- bzw. Reaktionszeit von der Erfassung des kritischen Druckanstieges bis zur entsprechenden Schaltung des ersten Ventiles realisieren.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass ein zweites Druckübertragungssystem vorgesehen ist, das dazu dient, einen auf eine zweite Trennmembran einwirkenden zweiten Druck des Mediums über einen zweiten fluidischen Kanal mittels einer in dem zweiten fluidischen Kanal befindlichen Übertragungsflüssigkeit dem Drucksensor zur Ermittlung eines Differenzdruckmesswertes zu übertragen. Vorzugsweise sieht die Weiterbildung vor, dass ein zweites, insbesondere ein mikromechanisch gefertigtes Ventil vorgesehen ist, mittels dessen eine hydraulische Kopplung zwischen der zweiten Trennmembran und dem Drucksensor drosselbar oder unterbrechbar ist, sodass bei einem kritischen Druckanstieg bzw. einem kritischen Druck eine Zerstörung des Drucksensors verhinderbar ist.
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Besonders bevorzugt sieht die Weiterbildung vor, dass das zweite Druckübertragungssystem einen zweiten Übertragungsdrucksensor aufweist, der einen zweiten Übertragungsdruck im Bereich der zweiten Trennmembran erfasst und den zweiten Übertragungsdruck einer Regeleinheit zuführt, die dazu dient, die hydraulische Kopplung mit dem zweiten Ventil im Fall eines kritischen Druckanstieges bzw. bei einem kritischen Druck zu drosseln oder zu unterbrechen. Vorzugsweise ist der zweite Übertragungsdrucksensor ebenfalls ein piezoelektrischer Drucksensor.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
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1: schematisch einen erfindungsgemäßen Druckmessaufnehmer.
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1 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Druckmessaufnehmer 1. Dieser weist einen Drucksensor 2, ein erstes Druckübertragungssystem 3, 4, 5 und ein zweites Druckübertragungssystem 5, 9, 10 auf. Der Drucksensor 2 ist vorzugsweise ein mikromechanisch gefertigter Drucksensor. Also bspw. ein auf Siliziumtechnik basierender Drucksensor. Derartige Drucksensoren umfassen typischerweise zumindest einen Grundkörpern entlang dessen umlaufenden Randbereiches eine Messmembran druckdicht verbunden ist. Mittels der Messmembran wird ein Druckmesswert anhand zweier Drücke, von denen jeder an einer Seite der Messmembran anliegt bzw. zugeführt wird, ermittelt.
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Das erste Drückübertragungssystem 3, 4, 5 umfasst dabei eine erste Trennmembran 3, welche an einer ersten Seite dem Medium mit einem ersten Druck p1 ausgesetzt ist und welche an einer zweiten Seite an einen ersten fluidischen Kanal 4 angebunden ist. Über den ersten fluidischen Kanal 4, der mit einer Übertragungsflüssigkeit 5, bspw. einem Silikonöl, gefüllt ist, lässt sich der seitens des Mediums an der ersten Seite der ersten Trennmembran 3 anliegende erste Druck p1 in Form eines ersten Übertragungsdruckes mittels der Übertragungsflüssigkeit 5 an den Drucksensor übertragen. Es entsteht somit eine erste hydraulische Kopplung bzw. ein erster Druckpfad zwischen der ersten Trennmembran 3 und dem Drucksensor 2.
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Das in 1 dargestellte zweite Druckübertragungssystem 5, 9, 10 umfasst analog wie das erste Druckübertragungssystem 3, 4, 5 eine zweite Trennmembran 9, welche an einer ersten Seite dem Medium ausgesetzt ist und welche an der zweiten Seite an einen zweiten fluidischen Kanal 10 angebunden ist. Über den zweiten fluidischen Kanal 10, der ebenfalls mit einer Übertragungsflüssigkeit 5 (typischerweise der gleichen, wie in dem ersten Druckübertragungssystem) gefüllt ist, lässt sich der seitens des Mediums an der ersten Seite der zweiten Trennmembran 9 anliegende zweite Druck p2 in Form eines zweiten Übertragungsdruckes mittels der Übertragungsflüssigkeit 5 an den Drucksensor 2 übertragen. Es entsteht somit eine zweite hydraulische Kopplung bzw. ein zweiter Druckpfad zwischen der zweiten Trennmembran 9 und dem Drucksensor 2.
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In Abhängigkeit der beiden Übertragungsdrücke, welche den ersten bzw. den zweiten Druck repräsentieren, erfolgt eine Ermittlung eines Druckmesswertes mittels des Drucksensors 2. Hierbei findet eine druckabhängige Auslenkung der Messmembran des Drucksensors 2 statt. Anhand dieser druckabhängigen Auslenkung findet die Bestimmung bzw. Ermittlung des Druckmesswertes, der im gezeigten Fall eine Differenz zwischen dem ersten Druck p1 und dem zweiten Druck p2 darstellt, statt.
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Je nach Ausgestaltung des Drucksensors 2 weist dieser piezoresistive Mittel oder kapazitive Mittel zur Erfassung der druckabhängigen Auslenkung der Messmembran und somit zur Bestimmung des Druckmesswertes auf.
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Erfindungsgemäß weist der in 1 dargestellte Druckmessaufnehmer 1 ein erstes Ventil 6 und ein zweites Ventil 12 auf. Das erste Ventil 6 ist dabei dem ersten fluidischen Kanal 4 zugeordnet und das zweite Ventil 12 ist dem zweiten fluidischen Kanal 10 zugeordnet. Das erste Ventil 6 ist dabei so angeordnet, dass sich mit Hilfe dieses Ventiles 6 die erste hydraulische Kopplung zwischen der ersten Trennmembran 3 und dem Drucksensor 2 beeinflussen lässt. Das zweite Ventil ist entsprechend angeordnet, sodass sich mit Hilfe dieses Ventiles 12 die zweite hydraulische Kopplung zwischen der zweiten Trennmembran 9 und dem Drucksensor 2 beeinflussen lässt.
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In dem Fall, dass ein kritischer Druckanstieg erfolgt oder ein maximal zulässiger Druck erreicht ist, drosselt oder unterbricht das erste Ventil 6 die erste hydraulische Kopplung, sodass ein Zerstörung des Drucksensors 2 aufgrund des kritischen Druckanstieges bzw. des Überschreitens des maximal zulässigen Drucks vermieden werden kann. Auf diese Weise wird eine von dem Medium bzw. dem ersten Druck p1 ausgehende Überlast entsprechend abgefangen bzw. unterdrückt. Entsprechende Ausführungen gelten analog für das zweite Ventil 12.
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Um den kritischen Druckanstieg bzw. das Erreichen des maximal zulässigen Druckes zu erkennen bzw. erfassen, befindet sich ein erster piezoelektrischer Übertragungsdrucksensor 7 im Bereich der ersten Trennmembran 3 und ein zweiter piezoelektrischer Übertragungsdrucksensor 11 im Bereich der zweiten Trennmembran 9. Vorzugsweise sind die beiden Übertragungsdrucksensoren 7, 11 dabei möglichst nahe der entsprechenden Trennmembran 3, 9 angeordnet. Die auf diese Weise erfassten Übertragungsdrücke werden einer Regeleinheit 8 zugeführt, die wiederum dazu dient, das erste Ventil 6 und das zweite Ventil 12 entsprechend anzusteuern, sodass eine Drosselung oder auch eine Unterbrechung der ersten bzw. zweiten hydraulischen Kopplung erfolgt.
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Der in 1 dargestellte Druckmessaufnehmer stellt ein Differenzdruckmessaufnehmer dar. Die erfindungsgemäße Lehre lässt sich jedoch auch auf andere Formen von Druckmessaufnehmern, wie Absolutdruckmessaufnehmer oder Relativdruckmessaufnehmer, übertragen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Druckmessaufnehmer
- 2
- Drucksensor
- 3
- Erste Trennmembran
- 4
- Erster fluidischer Kanal
- 5
- Übertragungsflüssigkeit
- 6
- Erstes Ventil
- 7
- Erster Übertragungsdrucksensor
- 8
- Regeleinheit
- 9
- Zweite Trennmembran
- 10
- Zweiter fluidischer Kanal
- 11
- Zweiter Übertragungsdrucksensor
- 12
- Zweites Ventil
- p1
- Erster Druck
- p2
- Zweiter Druck
