DE102019133325A1

DE102019133325A1 - Druckmessaufnehmer

Info

Publication number: DE102019133325A1
Application number: DE102019133325.3A
Authority: DE
Inventors: Andreas Rossberg; Nils Ponath
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2019-12-06
Filing date: 2019-12-06
Publication date: 2021-06-10
Also published as: US20220404223A1; EP4070059A1; CN114746733A; WO2021110433A1

Abstract

Es ist ein Druckmessaufnehmer, mit einem in einem Gehäuse (1) angeordneten keramischen Drucksensor (3), wobei der Drucksensor (3) eine durch eine Öffnung (5) des Gehäuses (1) hindurch mit einem Druck (p) beaufschlagbare Messmembran (7) und einen Wandler zur Erfassung einer vom Druck (p) abhängigen Auslenkung der Messmembran (7) umfasst, einem auf einem äußeren Rand einer membranabgewandten Rückseite des Drucksensors (3) angeordneten Stützring (21), einer Einspannvorrichtung, mittels der der Drucksensors (3) zusammen mit dem Stützring (21) im Gehäuse (1) eingespannt ist, und einem Temperaturmesswandler zur Bereitstellung einer von einem Temperaturgradienten (ΔT) abhängigen Thermospannung (Uth), der zwei in Reihe geschaltete Thermoelemente umfasst, die jeweils einen galvanischen Kontakt (K1, K2) zwischen einem Leiter (31, 33) des jeweiligen Thermoelements und einem die galvanischen Kontakte (K1, K2) der beiden Thermoelemente miteinander verbindenden Verbindungsleiter (35) umfassen, beschrieben, der eine Kompensation eines durch einen entlang des Druckmessaufnehmers auftretenden Temperaturgradienten verursachten Messfehlers ermöglicht, ohne dass sich hierdurch Einschränkungen hinsichtlich des Sensoraufbaus und/oder der im Drucksensor eingesetzten Werkstoffe ergeben. Hierzu ist auf einer Mantelfläche des Stützrings (21) eine sich in parallel zur Flächennormale auf die Messmembran (7) verlaufender Richtung erstreckende leitfähige Schicht (37) angeordnet, die den Verbindungsleiter (35) oder einen Leitungsabschnitt (39) des Verbindungsleiters (35) bildet oder umfasst, und die beiden galvanischen Kontakte (K1, K2) umfassen einen prozesszugewandten und einen prozessabgewandten Kontakt (K1, K2), die beide im Gehäuse (1) außerhalb des Drucksensors (3) angeordnet sind und in parallel zur Flächennormale auf die Messmembran (7) verlaufender Richtung voneinander beabstandet sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Druckmessaufnehmer, mit
einem in einem Gehäuse angeordneten keramischen Drucksensor,
wobei der Drucksensor eine durch eine Öffnung des Gehäuses hindurch mit einem Druck beaufschlagbare Messmembran und einen elektromechanischen Wandler zur messtechnischen Erfassung einer vom auf die Messmembran einwirkenden Druck abhängigen Auslenkung der Messmembran umfasst,
einem auf einem äußeren Rand einer membranabgewandten Rückseite des Drucksensors angeordneten Stützring, und
einer Einspannvorrichtung, mittels der ein äußerer Randbereich des Drucksensors zusammen mit dem darauf angeordneten Stützring im Gehäuse eingespannt ist.
Die eingangs genannten Merkmale aufweisende Druckmessaufnehmer sind z.B. in der DE 103 34 854 A1 , in der DE 10 2004 057 967 A , sowie in der EP 0 995 979 A1 beschrieben und werden in der Druckmesstechnik zur messtechnischen Erfassung von Drücken eingesetzt.
Keramische Drucksensoren können aufgrund der chemischen und mechanischen Beständigkeit von Keramik unmittelbar mit einem unter einem messtechnisch zu erfassenden Druck stehenden Medium beaufschlagt werden. Das führt jedoch zwangsläufig dazu, dass sich sowohl die Umgebungstemperatur in der Umgebung des Druckmessaufnehmers als auch die Mediumstemperatur des unter dem zu messenden Druck stehenden Mediums auf die Messeigenschaften des Drucksensors und damit auch auf die mit dem Druckmessaufnehmer erzielbare Messgenauigkeit auswirken.
Problematisch sind insoweit insb. Anwendungen, in denen der Drucksensor einem Temperaturunterschied zwischen der auf dessen Messmembran einwirkenden Mediumstemperatur und der auf dessen membranabgewandte Rückseite einwirkenden Umgebungstemperatur ausgesetzt sind. In diesen Anwendungen führt der Temperaturunterschied zur Ausbildung eines Temperaturgradienten entlang des Drucksensors, der die Messeigenschaften des Drucksensors verändernde thermische Ausdehnungen und/oder die Messeigenschaften des Drucksensors verändernde thermomechanische Spannungen verursachen kann. Durch Temperaturgradienten entlang des Drucksensors verursachte Messfehler können nicht ohne Weiteres anhand einer einfachen Temperaturmessung kompensiert werden.
Zur Lösung dieses Problems umfasst der Drucksensor des in der eingangs genannten DE 10 2015 122 220 A beschriebenen Druckmessaufnehmers einen Temperaturmesswandler zur Bereitstellung eines von der Temperatur des Drucksensors oder von einem Temperaturgradienten entlang des Drucksensors abhängigen elektrischen Größe. Dieser Temperaturmesswandler umfasst mindestens ein Thermoelement, das einen galvanischen Kontakt zwischen einem ersten Leiter und einem zweiten Leiter aufweist. Dabei kann mit einem im Drucksensor nahe der Messmembran angeordneten Thermoelement eine schnelle Registrierung von membranseitig auftretenden Temperatursprüngen erfolgen. Darüber hinaus kann mit einem Temperaturmesswandler mit zwei in Reihe geschalteten Thermoelementen, die jeweils einen galvanischen Kontakt zwischen einem Leiter des jeweiligen Thermoelements und einem die Kontakte beider Thermoelemente miteinander verbindenden Verbindungsleiter umfassen, eine direkte Messung eines im Drucksensor bzw. entlang des Drucksensors vorliegenden Temperaturgradienten durchgeführt werden. Anhand dieses Temperaturgradienten kann gemäß der DE 10 2015 122 220 A mittels einer an den elektromechanischen Wandler des Drucksensors und den Temperaturmesswandler angeschlossenen Betriebsschaltung eine Temperaturgradientenkompensation des mittels des Drucksensors gemessenen Drucks ausgeführt werden.
Zur Durchführung dieser Temperaturgradientenkompensation ist es jedoch erforderlich, die Thermoelemente im Drucksensor zu integrieren und den Temperaturmesswandler des Drucksensors und den elektromechanischen Wandler des Drucksensors an die Betriebsschaltung anzuschließen. Beides führt zu Einschränkungen hinsichtlich des Sensoraufbaus, sowie ggfs. auch hinsichtlich der im Drucksensor eingesetzten Werkstoffe, die die diesbezügliche Gestaltungsfreiheit einschränken.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Druckmessaufnehmer der eingangs genannten Art anzugeben, der eine Kompensation eines durch einen entlang des Druckmessaufnehmers auftretenden Temperaturgradienten verursachten Messfehlers ermöglicht, ohne dass sich hierdurch Einschränkungen hinsichtlich des Sensoraufbaus und/oder der im Drucksensor eingesetzten Werkstoffe ergeben.
Hierzu umfasst die Erfindung einen Druckmessaufnehmer, mit
einem in einem Gehäuse angeordneten keramischen Drucksensor,
wobei der Drucksensor eine durch eine Öffnung des Gehäuses hindurch mit einem Druck beaufschlagbare Messmembran und einen elektromechanischen Wandler zur messtechnischen Erfassung einer vom auf die Messmembran einwirkenden Druck abhängigen Auslenkung der Messmembran umfasst,
einem auf einem äußeren Rand einer membranabgewandten Rückseite des Drucksensors angeordneten Stützring,
einer Einspannvorrichtung, mittels der ein äußerer Randbereich des Drucksensors zusammen mit dem darauf angeordneten Stützring im Gehäuse eingespannt ist, und
einem Temperaturmesswandler zur Bereitstellung einer von einem Temperaturgradienten entlang des Druckmessaufnehmers abhängigen Thermospannung, der zwei in Reihe geschaltete Thermoelemente umfasst, die jeweils einen galvanischen Kontakt zwischen einem elektrischen Leiter des jeweiligen Thermoelements und einem die galvanischen Kontakte der beiden Thermoelemente miteinander verbindenden elektrischen Verbindungsleiter umfassen,
der sich dadurch auszeichnet, dass
auf einer Mantelfläche des Stützrings eine sich in parallel zur Flächennormale auf die Messmembran verlaufender Richtung erstreckende elektrisch leitfähige Schicht angeordnet ist, die den Verbindungsleiter oder einen Leitungsabschnitt des Verbindungsleiters bildet oder umfasst, und
die beiden galvanischen Kontakte einen prozesszugewandten und einen prozessabgewandten Kontakt umfassen, die beide im Gehäuse außerhalb des Drucksensors angeordnet sind und in parallel zur Flächennormale auf die Messmembran verlaufender Richtung voneinander beabstandet sind.
Bei erfindungsgemäßen Druckmessaufnehmern ist der Temperaturmesswandler derart ausgebildet, dass die zwischen den Leitern abgreifbare Thermospannung und entsprechend auch der mittels des Temperaturmesswandlers messtechnisch erfassbare Temperaturgradient einem innerhalb des Druckmessaufnehmers entlang des Temperaturmesswandlers oder zumindest entlang eines Abschnitts des Temperaturmesswandlers in parallel zur Flächennormale auf die Messmembran verlaufender Richtung auftretenden Temperaturgradienten entspricht. Dieser Temperaturgradient ist abhängig von einem Temperaturprofil, dass sich beim Vorliegen eines Temperaturunterschieds zwischen der Mediumstemperatur und der Umgebungstemperatur aufgrund der Gegebenheiten innerhalb des Druckmessaufnehmers entlang des Druckmessaufnehmers ausbildet. Entsprechend kann anhand des Temperaturgradienten eine Kompensation eines durch das Temperaturprofil verursachten Messfehlers der mittels des Drucksensors ausführbaren Druckmessung durchgeführt werden.
Dabei bietet die Anordnung des Temperturmesswandlers außerhalb des Drucksensors den Vorteil, dass sich durch den Temperturmesswandler, sowie auch dessen Kontaktierung keinerlei Einschränkungen hinsichtlich des Sensoraufbaus und/oder der im Drucksensor eingesetzten Werkstoffe ergeben.
Darüber hinaus bietet die durch die Positionierung der beiden Kontakte vorgegebene Erstreckung des Temperaturmesswandlers in parallel zur Flächennormale auf die Messmembran verlaufender Richtung den Vorteil, dass dieser Temperaturgradient in derjenigen Raumrichtung erfasst wird, in der beim Vorliegen eines Temperaturunterschieds zwischen der Mediumstemperatur und der Umgebungstemperatur das größte Temperaturgefälle auftritt.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der mittels des Temperaturmesswandlers erfassbare Temperaturgradient aufgrund der räumlichen Nähe zwischen dem Drucksensor und dem sich über den auf dem Drucksensor angeordneten Stützkörper ersteckenden Verbindungsleiter mit dem entlang des Drucksensors anliegenden Temperaturgradienten korreliert. Entsprechend bildet der mittels des Temperaturmesswandlers erfassbare Temperaturgradient in Anwendungen, in denen sich das entlang des Druckmessaufnehmers ausgebildete Temperaturprofil zeitlich gar nicht oder nur vergleichsweise langsam verändert, ein direktes Maß für den entlang des Drucksensors auftretenden, den durch das Temperaturprofil verursachten Messfehler maßgeblich mitbestimmenden Temperaturgradienten. Ein sich zeitlich gar nicht oder nur langsam veränderliches Temperaturprofil liegt z.B. in Anwendungen vor, denen sich die Mediumstemperatur und die Umgebungstemperatur jeweils zeitlich betragsmäßig um weniger als ein Grad Celsius pro Minute oder wenige Grad Celsius pro Minute verändern. In diesen Anwendungen führt eine anhand des erfindungsgemäß außerhalb des Drucksensors messtechnisch erfassten Temperaturgradienten ausgeführte Kompensation des durch das Temperaturprofil verursachen Messfehlers der Druckmessung zu einer Verbesserung der Messgenauigkeit, die der mit dem in der DE 10 2015 122 220 A beschriebenen im Drucksensor integrierten Temperaturmesswandler erzielbaren Verbesserung vergleichbar ist.
Optional können erfindungsgemäße Druckmessaufnehmer natürlich auch in Anwendungen eingesetzt werden, in denen sich die Mediumstemperatur und/oder die Umgebungstemperatur und damit auch das Temperaturprofil entlang des Druckmessaufnehmers zeitlich schneller verändern. Auch in diesen Anwendungen kann anhand des mittels des Temperaturmesswandlers erfassten Temperaturgradienten eine Kompensation eines von dem Temperaturprofil verursachten Messfehlers durchgeführt werden. Dabei besteht auch in diesen Anwendungen eine Korrelation zwischen dem entlang des Temperaturmesswandlers auftretenden Temperaturgradienten und dem entlang des Drucksensors auftretende Temperaturgradienten. Allerdings können sich in diesen Anwendungen unter Umständen Einschränkungen hinsichtlich erzielbaren Verbesserung der Messgenauigkeit ergeben, wenn der Temperaturgradient entlang des außerhalb des Drucksensors angeordneten Temperaturmesswandlers dem entlang des Drucksensors auftretenden Temperaturgradienten zeitlich verzögert folgt.
Eine erste Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass
mindestens einer der beiden galvanische Kontakten auf der leitfähigen Schicht des Stützrings angeordnet ist, und/oder
der prozessabgewandte galvanische Kontakt auf einem vom Drucksensor abgewandten Bereich der leitfähigen Schicht und der prozesszugewandte galvanische Kontakt auf einem dem Drucksensor zugewandten Bereich der leitfähigen Schicht angeordnet ist.
Eine zweite Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass
der Verbindungsleiter zusätzlich zu dem durch die Schicht gebildeten oder von der Schicht umfassten Leitungsabschnitt mindestens einen weiteren Leitungsabschnitt umfasst, und
mindestens einer der beiden Kontakte auf dem weiteren Leitungsabschnitt oder auf einem der weiteren Leitungsabschnitte angeordnet ist.
Eine dritte Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass
auf einer vom Drucksensor abgewandten Stirnseite des Stützrings ein Anschlussring angeordnet ist,
auf dem Anschlussring eine einen weiteren Leitungsabschnitt der Verbindungsleitung bildende oder umfassende leitfähige Beschichtung angeordnet ist, die in elektrisch leitender Verbindung zu der auf dem Stützring angeordneten Schicht steht, und
der prozessabgewandte galvanische Kontakt auf der Beschichtung des Anschlussrings angeordnet ist.
Weiterbildungen der dritten Weiterbildung zeichnen sich dadurch aus, dass
die auf dem Stützring angeordnete Schicht einen sich über eine dem Anschlussring zugewandte Stirnseite des Stützrings erstreckenden Schichtbereich umfasst, auf dem ein sich über eine dem Stützring zugewandte Stirnseite des Anschlussrings erstreckender Beschichtungsbereich der Beschichtung des Anschlussrings aufliegt,
der prozessabgewandte galvanische Kontakt auf einem sich über eine innere Mantelfläche des Anschlussrings erstreckenden Schichtbereich der Beschichtung des Anschlussrings angeordnet ist, und/oder
der Anschlussring mittels der Einspannvorrichtung im Gehäuse eingespannt ist.
Eine vierte Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass
auf einer membranabgewandten Rückseite des Drucksensors eine elektrisch leitfähige, einen weiteren Leitungsabschnitt des Verbindungsleiters bildende oder umfassende Sensorbeschichtung angeordnet ist,
die Sensorbeschichtung in elektrisch leitender Verbindung zu der auf dem Stützring angeordneten Schicht steht, und
der prozesszugewandte galvanische Kontakt auf der Sensorbeschichtung angeordnet ist.
Weiterbildungen der vierten Weiterbildung zeichnen sich dadurch aus, dass
die Schicht einen sich über eine dem Drucksensor zugewandte Stirnseite des Stützkörpers erstreckenden Schichtbereich umfasst, die auf einem Beschichtungsbereich der Sensorbeschichtung aufliegt,
der prozesszugewandte galvanische Kontakt auf einem vom Stützkörper beabstandeten Schichtbereich der Sensorbeschichtung angeordnet ist, und/oder
die Sensorbeschichtung als elektromagnetische Abschirmung des elektromechanischen Wandlers des Drucksensors ausgebildet ist, die einen Beschichtungsbereich umfasst, der eine außenseitliche Mantelfläche des Drucksensors außenseitlich allseitig umgibt.
Eine fünfte Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass
mindestens einer der beiden Leiter jeweils

a) als Kontakt-Pad ausgebildet ist,
b) ein elektrisch leitfähiges Metall, eine metallische Legierung und/oder ein Metalloxid umfasst,
c) ein Titanoxid (TiOx) oder ein Titan-Wolfram Oxid (TiWOx) umfasst, und/oder
d) ein elektrisch leitfähiges Leiter-Material umfasst dessen Seebeck-Koeffizient von dem Seebeck-Koeffizienten des Materials des mit dem jeweiligen Leiter in unmittelbarem Kontakt stehenden Leitungsabschnitts verschieden ist.

Eine sechste Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass
mindestens ein Leitungsabschnitt des Verbindungleiters, die Schicht, die Beschichtung des Anschlussrings und/oder die Sensorbeschichtung jeweils

a1) ein elektrisch leitfähiges Material umfasst, das gegenüber Platin einen Seebeck-Koeffizienten mit einem Betrag von größer gleich 6 µV/K oder von größer gleich 10 µV/K aufweist,
a2) ein elektrisch leitfähiges Metall, eine metallische Legierung und/oder ein Metalloxid umfasst,
a3) ein Titanoxid (TiOx), eine Kuper-Nickel Verbindung (CuNi), eine Nickel-Vanadium Verbindung (NiV) oder eine Nickel-Vanadium und Gold umfassende Verbindung (NiV/Au) umfasst, und/oder
a4) als durch Sputtern oder durch Abscheidung aus der Gasphase aufgebrachte und/oder als eine Schichtdicke von größer gleich 100 nm oder von 1 µm bis 2 µm aufweisende Schicht ausgebildet ist.

Eine siebte Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass
der Verbindungsleiter den durch die Schicht gebildeten oder von der Schicht umfassten Leitungsabschnitt und mindestens einen weiteren Leitungsabschnitt umfasst,
diese Leitungsabschnitte des Verbindungsleiters entweder alle aus dem gleichen Material bestehen oder zwei oder mehr Leitungsabschnitte aus unterschiedlichen Materialien umfassen, und
eine Kombination der gleichen oder verschiedenen Seebeck-Koeffizienten der Materialien der Leitungsabschnitte des Verbindungsleiters und/oder eine räumliche Erstreckung des weiteren Leitungsabschnitts oder mindestens eines der weiteren Leitungsabschnitte in parallel und/oder senkrecht zur Flächennormale auf die Messmembran verlaufender Richtung derart ausgebildet ist, dass eine Summe aller sich entlang des Temperaturmesswandlers ausbildenden Teil-Thermospannungen, dem in parallel zur Flächennormale auf die Messmembran des Drucksensors verlaufender Richtung im Druckmessaufnehmer entlang des Temperaturmesswandlers oder zumindest entlang eines Abschnitts des Temperaturmesswandlers vorliegenden Temperaturgradienten entspricht.
Eine achte Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass
der Stützkörper und/oder der Anschlussring aus Keramik bestehen, und/oder
ein Abstand zwischen dem prozesszugewandten und dem prozessabgewandten galvanischen Kontakt in parallel zur Flächennormale auf die Messmembran verlaufender Richtung größer gleich einem Mindestabstand von einem einfachen einer parallel zur Flächennormale auf die Messmembran verlaufenden Bauhöhe des Drucksensors und/oder kleiner gleich einem Maximalabstand von einem dreifachen dieser Bauhöhe ist.
Eine neunte Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass
der Temperaturmesswandler derart ausgebildet, dass die zwischen den Leitern abgreifbare Thermospannung dem mittels des Temperaturmesswandlers messtechnisch erfassbaren Temperaturgradient entspricht,
wobei der Temperaturgradient einem innerhalb des Druckmessaufnehmers entlang des Temperaturmesswandlers oder zumindest entlang eines Abschnitts des Temperaturmesswandlers in parallel zur Flächennormale auf die Messmembran verlaufender Richtung auftretenden Temperaturgradienten entspricht.
Eine zehnte Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass der Druckmessaufnehmer
eine Kompensationseinrichtung umfasst, die derart ausgebildet ist, dass sie anhand des mittels des Drucksensors messtechnisch erfassten Drucks und des mittels des Temperaturmesswandlers messtechnisch erfassten Temperaturgradienten anhand von in einem Speicher abgelegten Kalibrationsdaten und/oder Kennlinien ein bezüglich eines von dem Temperaturgradienten abhängigen Messfehlers kompensiertes Druckmessergebnis bestimmt und zur Verfügung stellt,
wobei die Kompensationseinrichtung entweder unmittelbar oder über eine an den Wandler des Drucksensors angeschlossene Druckmessschaltung, die dazu ausgebildet ist ein dem mittels des Wandlers des Drucksensors messtechnisch erfassten Druck entsprechendes Druckmesssignal zu erzeugen und zur Verfügung zu stellen, an den Wandler des Drucksensors angeschlossen ist, und
wobei die Kompensationseinrichtung entweder unmittelbar oder über eine an den Temperaturmesswandler angeschlossene Temperaturmessschaltung, die dazu ausgestaltet ist ein dem mittels des Temperaturmesswandlers messtechnisch erfassten Temperaturgradienten entsprechendes Temperaturmesssignal zu erzeugen und zur Verfügung zu stellen, an den Temperaturmesswandler angeschlossen ist.
Eine Weiterbildung des Druckmessaufnehmer gemäß der dritten Weiterbildung und der vierten Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass die Beschichtung des Anschlussrings aus einem eine Nickel-Vanadium Verbindung umfassenden Material besteht, die Schicht des Stützkörpers aus einem mindestens ein Titanoxid umfassenden Material besteht und die Sensorbeschichtung aus einem eine Nickel-Vanadium Verbindung umfassenden Material besteht.
Die Erfindung und deren Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen zwei Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher erläutert. Gleiche Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Um Komponenten mit zum Teil sehr unterschiedlichen Abmessungen darstellen zu können, wurde auf eine maßstabsgetreue Darstellung verzichtet.

1 zeigt: einen Druckmessaufnehmer;
2 zeigt: ein Ersatzschaltbild des Temperaturmesswandlers von 1;
3 zeigt. einen Druckmessaufnehmer, bei dem der prozessabgewandte Kontakt auf einem Anschlussring angeordnet ist und der prozesszugewandte Kontakt auf einer membranabgewandten Rückseite des Drucksensors angeordnet ist, und
4 zeigt: ein Ersatzschaltbild des Temperaturmesswandlers von 3.

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Druckmessaufnehmers mit einem in einem Gehäuse 1 angeordneten keramischen Drucksensor 3. Der Drucksensor 3 umfasst eine durch eine Öffnung 5 des Gehäuses 1 hindurch mit einem Druck p beaufschlagbare Messmembran 7 und einen elektromechanischen Wandler zur messtechnischen Erfassung einer vom auf die Messmembran 7 einwirkenden Druck p abhängigen Durchbiegung der Messmembran 7.
Als Drucksensor 3 können aus dem Stand der Technik bekannte keramische Drucksensoren eingesetzt werden. 1 zeigt als Beispiel einen Drucksensor 3, dessen Messmembran 7 mittels einer Fügung 9, wie z.B. einer Aktivhartlötung, unter Einschluss einer Druckkammer 11 mit einem Grundkörper 13 verbunden ist.
Als elektromechanischer Wandler können aus dem Stand der Technik bekannte Wandler eingesetzt werden. 1 zeigt als Beispiel einen kapazitiven Wandler, der eine auf einer der Messmembran 7 zugewandten Oberfläche des Grundkörpers 13 angeordnete Messelektrode 15 umfasst, die zusammen mit einer auf einer dem Grundkörper 13 zugewandten Innenseite der Messmembran 7 angeordneten Gegenelektrode 17 einen Kondensator mit einer von der druckabhängigen Durchbiegung der Messmembran 7 abhängigen Messkapazität bildet. Optional kann der Wandler zusätzlich einen Referenzkondensator mit einer im wesentlichen druckunabhängigen Referenzkapazität umfassen. 1 zeigt als Beispiel einen durch eine die Messelektrode 15 außenseitlich umgebende, von der Messelektrode 15 beabstandete Referenzelektrode 19 und die Gegenelektrode 17 gebildeten Referenzkondensator.
Anstelle des hier dargestellten Drucksensors 3 können in erfindungsgemäßen Druckmessaufnehmern aber auch einen anders ausgebildeten kapazitiven Wandler, einen auf einem anderen Wandlerprinzip basierenden Wandler, z.B. einen resistiven oder einen optischen Wandler, und/oder einen anderen Sensoraufbau aufweisende keramische Drucksensoren eingesetzt werden.
Zusätzlich umfasst der Druckmessaufnehmer einen auf einem äußeren Rand einer membranabgewandten Rückseite des Drucksensors 3 angeordneten Stützring 21 und eine Einspannvorrichtung mittels der ein äußerer Randbereich des Drucksensors 3 zusammen mit dem darauf angeordneten Stützring 21 im Gehäuse 1 eingespannt ist.
Als Einspannvorrichtung eignet sich z.B. eine Vorrichtung, in der der Drucksensor 3 und der Stützkörper 21 zwischen einem Lager 23, wie z.B. der in 1 dargestellten, sich radial nach innen erstreckenden, die Öffnung 5 außenseitlich allseitig umgebenden Schulter des Gehäuses 1, und einem auf der membranabgewandten Seite des Drucksensors 3 in das Gehäuse 1 eingesetzten Gegenlager 25, wie z.B. einem in 1 dargestellten Druckring, in parallel zur Flächennormale auf die Messmembran 7 verlaufender Richtung eingespannt ist. Dabei ist zwischen dem äußeren Rand der Messmembran 7 und dem Lager 23 eine den Gehäuseinnenraum gegenüber dem Medium abdichtende Prozessdichtung 27 eingespannt. Optional ist zwischen der vom Drucksensor 3 abgewandten Stirnseite des Stützrings 21 und dem Gegenlager 25 vorzugsweise ebenfalls eine Dichtung 29, wie z.B. eine Flachdichtung, angeordnet.
Darüber hinaus umfasst der Druckmessaufnehmer einem Temperaturmesswandler zur Bereitstellung einer von einem Temperaturgradienten entlang des Druckmessaufnehmers abhängigen Thermospannung U_th, der zwei in Reihe geschaltete Thermoelemente umfasst. Diese Thermoelemente umfassen jeweils einen galvanischen Kontakt K1, K2 zwischen einem elektrischen Leiter 31, 33 des jeweiligen Thermoelements und einem die galvanischen Kontakte K1, K2 der beiden Thermoelemente elektrisch leitend miteinander verbindenden Verbindungsleiter 35.
Erfindungsgemäß ist auf einer Mantelfläche des Stützrings 21 eine sich in parallel zur Flächennormale auf die Messmembran 7 verlaufender Richtung erstreckende, elektrisch leitfähige Schicht 37 angeordnet. Diese Schicht 37 ist derart ausgebildet, dass sie den Verbindungsleiter 35 oder einen Leitungsabschnitt 39 des Verbindungsleiters 35 bildet oder umfasst. Dabei umfassen die beiden über die Schicht 37 miteinander verbundenen galvanischen Kontakte K1, K2 einen prozesszugewandten Kontakt K1 und einen prozessabgewandten Kontakt K2. Diese beiden Kontakte K1, K2 sind beide im Gehäuse 1 außerhalb des Drucksensors 3 angeordnet und in parallel zur Flächennormale auf die Messmembran 7 verlaufender Richtung voneinander beabstandet.
Betrachtet man eine Messsituation bei der die Messmembran 7 prozessseitig einer Mediumstemperatur des unter dem zu messenden Druck p stehenden Mediums ausgesetzt ist, die von einer Umgebungstemperatur des Druckmessaufnehmers verschieden ist, so bildet sich entlang des Druckmessaufnehmers in parallel zur Flächennormale auf die Messmembran 7 verlaufender Richtung z ein von den Gegebenheiten innerhalb des Druckmessaufnehmers abhängiges Temperaturprofil T(z) aus. Dabei herrscht an der Position des prozesszugewandten Kontakts K1 eine dem Temperaturprofil T(z) entsprechende Temperatur T1, die von einer dem Temperaturprofil T(z) entsprechenden an der Position des prozessabgewandten Kontakts K2 herrschenden Temperatur T2 verschieden ist. Entsprechend steht über die in Reihe geschalteten Thermoelemente eine zwischen den beiden Leitern 31, 33 abgreifbare Thermospannung U_th zur Verfügung, die einem im Druckmessaufnehmer entlang des von dem Temperaturmesswandler in parallel zur Flächennormale auf die Messmembran 7 verlaufender Richtung abgedeckten Bereichs des Druckmessaufnehmers vorliegenden Temperaturgradienten ΔT entspricht. Folglich kann die z.B. über an die Leiter 31, 33 angeschlossene Anschlussleitungen L1, L2 abgreifbare Thermospannung U_th und/oder der anhand der Thermospannung U_th messtechnisch erfassbare oder erfasste Temperaturgradient ΔT zur Kompensation eines durch das Temperaturprofil T(z) verursachten Messfehlers der mittels des Drucksensors 3 ausführbaren oder ausgeführten Druckmessung herangezogen werden.
Erfindungsgemäße Druckmessaufnehmer weisen die eingangs genannten Vorteile auf. Dabei können einzelne Komponenten jeweils einzeln und/oder in Kombination miteinander einsetzbare unterschiedliche Ausgestaltungen aufweisen. Einige derzeit bevorzugte optionale Ausgestaltungen sind nachfolgend anhand der in den 1 und 3 dargestellten, auf die zuvor beschriebene Weise ausgebildeten Druckmessaufnehmern beschrieben.
Eine Ausführungsvariante sieht vor, dass mindestens einer der beiden Kontakte K1, K2 auf der leitfähigen Schicht 37 des Stützrings 21 angeordnet ist.

1 zeigt hierzu ein Beispiel, bei dem der prozesszugewandte galvanische Kontakt K1 auf einem dem Drucksensor 3 zugewandten Bereich der leitfähigen Schicht 37 des Stützkörpers 21 angeordnet ist und der prozessabgewandte Kontakt K2 auf einem vom Drucksensor 3 abgewandten Bereich der leitfähigen Schicht 37 des Stützrings 21 angeordnet ist. Bei dieser Variante bildet oder umfasst die leitfähige Schicht 37 den Verbindungsleiter 35 mit dem die Leiter 31, 33 der beiden Thermoelemente verbunden sind. Entsprechend umfasst der Verbindungsleiter 35 hier nur einen einzigen, durch die Schicht 37 gebildeten oder von der Schicht 37 umfassten Leitungsabschnitt 39.
2 zeigt ein Ersatzschaltbild des in 1 dargestellten Temperaturmesswandlers. Dort ist die zwischen den beiden Leitern 31, 33 über die daran angeschlossenen Anschlussleitungen L1, L2 abgreifbare Thermospannung U_th gleich der Summe der sich über die Kontakte K1, K2 ausbildenden, temperaturabhängigen Teil-Thermospannungen. Folglich entspricht der mittels der Thermospannung U_th messtechnisch erfassbare oder erfasste Temperaturgradient ΔT hier der Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur T1 an der Position des prozesszugewandten Kontakts K1 und der Temperatur T2 an der Position des prozessabgewandten Kontakts K2.

Bei erfindungsgemäßen Druckmessaufnehmern umfassen die Leiter 31, 33 jeweils ein Leiter-Material, dessen Seebeck-Koeffizient von einem Seebeck-Koeffizienten des Materials des unmittelbar daran angrenzenden Leitungsabschnitts 39 des Verbindungsleiters 35 verschieden ist.
Optional umfasst die leitfähige Schicht 37 vorzugsweise ein Material, das gegenüber Platin einen Seebeck-Koeffizienten aufweist, dessen Betrag möglichst groß ist. Hierzu eignen sich insb. Materialien, die gegenüber Platin einen Seebeck-Koeffizienten mit einem Betrag von größer gleich 6 µV/K, besonders bevorzugt von größer gleich 10 µV/K aufweisen. Insoweit besonders geeignete Materialien sind mindestens ein Titanoxid TiOx umfassende Materialien, eine Kuper-Nickel Verbindung CuNi umfassende Materialien, eine Nickel-Vanadium Verbindung NiV umfassende Materialien, sowie eine Nickel-Vanadium und Gold umfassende Verbindung NiV/Au umfassende Materialien. Alternativ können aber auch andere Materialien mit entsprechendem Seebeck-Koeffizienten, wie z.B. elektrisch leitfähige Metalle, metallische Legierungen und/oder Metalloxide umfassende Materialien mit entsprechendem Seebeck-Koeffizienten eingesetzt werden.
Alternativ oder zusätzlich hierzu wird in erfindungsgemäßen Druckmessaufnehmern vorzugsweise eine Materialkombination eingesetzt, bei der der Betrag der Differenz der Seebeck-Koeffizienten des jeweiligen Leiter-Materials und des Materials des mit dem jeweiligen Leiter 31, 33 in unmittelbarem Kontakt stehenden Leitungsabschnitts 39 des Verbindungsleiters 35 möglichst groß ist. In Verbindung mit den zuvor als Beispiel für das Material der Schicht 37 genannten Materialien eignen sich insb. ein Titanoxid TiOx oder ein Titan-Wolfram Oxid TiWOx umfassende Leiter-Materialien. Alternativ können aber auch andere Leiter-Materialien mit entsprechendem Seebeck-Koeffizienten, wie z.B. elektrisch leitfähige Metalle, metallische Legierungen und/oder Metalloxide umfassende Materialien mit entsprechendem Seebeck-Koeffizienten eingesetzt werden.
Optional können die beiden Leiter 31, 33 aus verschiedenen Leiter-Materialien bestehen. Vorzugsweise bestehen sie jedoch aus dem gleichen Leiter-Material.
Sowohl der gegenüber Platin betragsmäßig große Seebeck-Koeffizient des Materials der leitfähigen Schicht 37 als auch die alternativ oder zusätzlich hierzu vorgesehenen betragsmäßig großen Differenzen zwischen dem Seebeck-Koeffizienten des Materials der Schicht 37 und den Seebeck-Koeffizienten der Leiter-Materialien der an die Schicht 37 angrenzenden Leiter 31, 33 bewirken jeweils eine Vergrößerung der über die beiden Leiter 31, 33 abgreifbaren Thermospannung U_th und verbessern somit die Messempfindlichkeit und die Messgenauigkeit des Temperturmesswandler.
Alternativ zu der in 1 dargestellten Positionierung beider Kontakte K1, K2 auf der Schicht 37 kann der prozessabgewandte und/oder der prozesszugewandte Kontakt K1, K2 erfindungsgemäßer Druckmessaufnehmer aber auch an andere Stelle innerhalb des Gehäuses 1 angeordnet sein. In dem Fall umfasst der die beiden Kontakte K1, K2 verbindende Verbindungsleiter 35 zusätzlich zu dem durch die Schicht 37 gebildeten oder von der Schicht 37 umfassten Leitungsabschnitt 39 mindestens einen weiteren Leitungsabschnitt 41, 43 und mindestens einer der beiden Kontakte K1, K2 ist auf einem der weiteren Leitungsabschnitte 41, 43 angeordnet. 3 zeigt ein Beispiel eines Druckmessaufnehmers dessen Verbindungsleiter 35 drei Leitungsabschnitte 39, 41, 43 umfasst.
Bei dieser Ausführungsvariante bestehen die weiteren Leitungsabschnitte 41, 43 vorzugsweise jeweils aus dem gleichen Material, wie der durch die Schicht 37 gebildete oder von der Schicht 37 umfasste Leitungsabschnitt 39. Das bietet den Vorteil, dass sich der zwei oder mehr Leitungsabschnitte 39, 41, 43 aufweisende Verbindungsleiter 35 hinsichtlich der über die beiden Leiter 31, 33 abgreifbaren Thermospannung U_th zumindest näherungsweise wie der zuvor anhand von 1 und 2 beschriebene, nur einen einzigen Leitungsabschnitt 39 umfassende Verbindungsleiter 35 verhält.
Alternativ können die Leitungsabschnitte 39, 41, 43 des Verbindungsleiters 35 aber auch zwei oder mehr Leitungsabschnitte 39, 41, 43 aus unterschiedlichen Materialien umfassen. Als Materialien für die einzelnen weiteren Leitungsabschnitte 41, 43 eignen sich z.B. die zuvor als Beispiele für das Material der Schicht 37 genannten Materialien. In diesem Fall wirkt jeder Bereich des Verbindungsleiters 35, in dem zwei Leitungsabschnitte 39, 41, 43 aus Materialien mit unterschiedlichen Seebeck-Koeffizienten aneinander angrenzen, jeweils wie ein zusätzliches zu den beiden die galvanischen Kontakte K1, K2 umfassende Thermoelementen in Reihe geschaltetes Thermoelement, über das sich eine Teil-Thermospannung ausbildet. Dabei ist die Größe und die Polarität dieser Teil-Thermospannungen abhängig von dem in dem Bereich des jeweiligen zusätzlichen Thermoelements vorliegenden Temperaturprofil T(z) und der Differenz der Seebeck-Koeffizienten der Materialien der jeweiligen aneinander angrenzenden Leitungsabschnitte 39, 41, 43. Auch bei dieser Ausführungsvariante ist der Temperaturmesswandler derart auszubilden, dass die Summe aller sich entlang des Temperaturmesswandlers ausbildenden Teil-Thermospannungen dem in parallel zur Flächennormale auf die Messmembran 7 des Drucksensors 3 verlaufender Richtung im Druckmessaufnehmer entlang des Temperaturmesswandlers oder zumindest entlang eines Abschnitts des Temperaturmesswandlers vorliegenden Temperaturgradienten ΔT entspricht. Das kann z.B. durch eine dementsprechende Kombination der Seebeck-Koeffizienten der Materialien der Leitungsabschnitte 39, 41, 43 des Verbindungsleiters 35 und/oder eine dementsprechende räumliche Erstreckung mindestens eines der weiteren Leitungsabschnitte 41, 43 in parallel und/oder senkrecht zur Flächennormale auf die Messmembran 7 verlaufender Richtung bewirkt werden.
Auch in Verbindung mit zwei oder mehr Leitungsabschnitte 39, 41, 43 aufweisenden Verbindungsleitern 35 werden Materialkombinationen eingesetzt, bei denen die Leiter 31, 33 jeweils ein Leiter-Material umfassen, dessen Seebeck-Koeffizient von einem Seebeck-Koeffizienten des Materials des unmittelbar daran angrenzenden Leitungsabschnitts 41, 43 des Verbindungsleiters 35 verschieden ist. Dabei werden auch hier vorzugsweise Materialkombinationen eingesetzt, bei denen der Betrag der Differenz der Seebeck-Koeffizienten des jeweiligen Leiter-Materials und des Materials des mit dem jeweiligen Leiter 31, 33 in unmittelbarem Kontakt stehenden Leitungsabschnitts 41, 43 des Verbindungsleiters 35 möglichst groß ist. In Verbindung mit dem zuvor als Beispiel für die Materialien der Leitungsabschnitte 39, 41, 43 genannten Materialien eignen sich auch hier die zuvor bereits in Verbindung mit dem in 1 dargestellten Druckmessaufnehmer genannten Leiter-Materialien.
Der in 3 dargestellte Druckmessaufnehmer umfasst einen auf einer vom Drucksensor 3 abgewandten Stirnseite des Stützrings 21 angeordneten Anschlussring 45. Auf dem Anschlussring 45 ist eine leitfähige Beschichtung 47 angeordnet, die in elektrisch leitender Verbindung zu der auf dem ersten Stützring 21 angeordneten Schicht 37 steht. Diese Verbindung wird in dem in 3 gezeigten Beispiel dadurch erzielt, dass die auf dem Stützring 21 angeordnete Schicht 37 einen sich über eine dem Anschlussring 45 zugewandte Stirnseite des Stützrings 21 erstreckenden Schichtbereich umfasst, auf dem ein sich über eine dem Stützring 21 zugewandte Stirnseite des Anschlussrings 45 erstreckender Beschichtungsbereich der Beschichtung 47 des Anschlussrings 45 aufliegt. Die durch das Aufliegen bewirkte elektrisch leitfähige Verbindung wird hier zusätzlich dadurch verstärkt, dass der Schichtbereich und der darauf aufliegende Beschichtungsbereich durch die hier zusätzlich auch die Einspannung des Anschlussrings 45 bewirkende Einspannvorrichtung gegeneinandergepresst werden.
Bei diesem Beispiel bildet oder umfasst die Beschichtung 47 des Anschlussrings 45 den weiteren Leitungsabschnitt 41 des Verbindungsleiters 35, auf dem der prozessabgewandte galvanische Kontakt K2 des Temperaturmesswandlers angeordnet ist. 3 zeigt hierzu ein Beispiel, bei dem der prozessabgewandte galvanische Kontakt K2 auf einem sich über eine innere Mantelfläche des Anschlussrings 45 erstreckenden Schichtbereich der Beschichtung 47 des Anschlussrings 45 angeordnet ist. Entsprechend ist der zugehörige Leiter 33 auf dem sich über die innere Mantelfläche des Anschlussrings 45 erstreckenden Beschichtungsbereich angeordnet.
Alternativ oder zusätzlich zu der Anordnung des prozessabgewandten Kontakts K2 auf dem weiteren Leitungsabschnitt 41, kann natürlich auch der prozesszugewandte Kontakt K1 auf einem weiteren Leitungsabschnitt 43 des Verbindungsleiters 35 angeordnet sein. 3 zeigt hierzu ein Beispiel, bei dem auf einer membranabgewandten Rückseite des Drucksensors 3 eine leitfähige Sensorbeschichtung 49 angeordnet, die in elektrisch leitender Verbindung zu der auf dem Stützring 21 angeordneten Schicht 37 steht. Hier bildet oder umfasst die Sensorbeschichtung 49 den weiteren Leitungsabschnitt 43 des Verbindungsleiters 35, auf der der prozesszugewandte galvanische Kontakt K1 des Temperaturmesswandlers angeordnet ist. Entsprechend ist der zugehörige Leiter 33 hier auf einem vom Stützkörper 21 beabstandeten Schichtbereich der Sensorbeschichtung 49 angeordnet.
Dabei wird die elektrisch leitende Verbindung zwischen der Sensorbeschichtung 49 und der auf dem Stützkörper 21 angeordneten Schicht 37 vorzugsweise dadurch erzielt, dass die Schicht 37 einen sich über eine dem Drucksensor 3 zugewandte Stirnseite des Stützkörpers 21 erstreckenden Schichtbereich umfasst, der auf einem Beschichtungsbereich der Sensorbeschichtung 49 aufliegt. Dabei werden der Beschichtungsbereich der Sensorbeschichtung 49 und der darauf aufliegende Schichtbereich der Schicht 37 durch die Einspannvorrichtung gegeneinandergepresst.
Bestehen die Leitungsabschnitte 39, 41, 43 des Verbindungsleiters 35 des in 3 dargestellten Druckmessaufnehmers aus dem gleichen Material, so ergibt sich auch hier zumindest näherungsweise das in 2 dargestellte Ersatzschaltbild.
Umfassen die Materialien der Leitungsabschnitte 39, 41, 43 des Verbindungsleiters 35 zwei oder mehr Materialien mit unterschiedlichem Seebeck-Koeffizienten, so ergibt sich das in 4 dargestellte Ersatzschaltbild. Bei dieser Ausführungsform eignet sich z.B. eine Materialkombination, bei der die Beschichtung 47 des Anschlussrings 45 aus einem eine Nickel-Vanadium Verbindung NiV umfassenden Material besteht, die Schicht 37 des Stützkörpers 21 aus einem mindestens ein Titanoxid TiOx umfassenden Material besteht und die Sensorbeschichtung 49 aus einem eine Nickel-Vanadium Verbindung NiV umfassenden Material besteht.
Geht man davon aus, dass im Bereich des prozesszugewandten galvanischen Kontakts K1 eine Temperatur T1' herrscht, die aufgrund der senkrecht zur Flächennormale auf die Messmembran 7 verlaufenden Ausrichtung der Sensorbeschichtung 49 auf der Rückseite des Drucksensors 3 zumindest näherungsweise gleich der im Bereich der elektrisch leitfähigen Verbindung zwischen der Schicht 37 und der Sensorbeschichtung 49 herrschenden Temperatur T1 ist, so kann der Beitrag des durch die Sensorbeschichtung 49 gebildeten oder von der Sensorbeschichtung 49 umfassten Leitungsabschnitts 43 zur Thermospannung U_th als vernachlässigbar gering angesehen werden. Diese Annahme ist zumindest beim Vorliegen eines zumindest näherungsweise stationären Temperaturprofils T(z) regelmäßig erfüllt und ermöglicht einen größeren Gestaltungspielraum hinsichtlich des Materials der Sensorbeschichtung 49.
Optional kann die Sensorbeschichtung 49 zugleich auch als elektromagnetische Abschirmung des elektromechanischen Wandlers des Drucksensors 3 ausgebildet sein. In dem Fall umfasst die Sensorbeschichtung 49 vorzugsweise einen in 3 als Option ebenfalls dargestellten Beschichtungsbereich 51, der eine außenseitliche Mantelfläche des Drucksensors 3 außenseitlich allseitig umgibt.
In Abwandlung des in 3 dargestellten Beispiels ist es natürlich auch möglich anstelle eines der beiden in 3 dargestellten Kontakte K1, K2 den entsprechenden in 1 dargestellten Kontakt K1, K2 einzusetzen, in dem der zugehörige Leiter 31, 33 auf der Schicht 37 des Stützkörpers 21 angeordnet wird.
Unabhängig von der Position der beiden galvanischen Kontakte K1, K2 ist die Formgebung der zugehörigen Leiter 31, 33 innerhalb vergleichsweise weiter Grenzen frei wählbar und somit flexibel an die Gegebenheiten im Gehäuse 1 anpassbar. 1 und 3 zeigen ein Beispiel, bei dem die Leiter 31, 33 jeweils als Kontakt-Pads ausgebildet sind. Das bietet den Vorteil, dass sie nur sehr wenig Platz im Gehäuse 1 beanspruchen und jeweils problemlos auf dem Verbindungsleiter 35, z.B. auf der Schicht 37, auf der Beschichtung 47 des Anschlussrings 45, bzw. auf der Sensorbeschichtung 49 aufgebracht, z.B. aufgelötet, werden können.
Alternativ oder zusätzlich hierzu ist der Abstand zwischen dem prozesszugewandten und dem prozessabgewandten Kontakt K1, K2 in parallel zur Flächennormale auf die Messmembran 7 verlaufender Richtung vorzugsweise größer gleich einem Mindestabstand von einem einfachen einer parallel zur Flächennormale auf die Messmembran 7 verlaufenden Bauhöhe des Drucksensors 3 und/oder kleiner gleich einem Maximalabstand von einem dreifachen dieser Bauhöhe. Dabei kann der Drucksensor 3 eine für keramische Drucksensoren 3 durchaus übliche Bauhöhe, wie z.B. eine Bauhöhe in der Größenordnung von einem oder mehreren Zentimetern aufweisen. Der Mindestabstand bietet den Vorteil, dass hierdurch sichergestellt ist, dass beim Vorliegen eines die Messgenauigkeit der Druckmessung beeinträchtigenden Temperaturprofils T(z) entlang des Temperaturmesswandlers ein ausreichend großer mittels des Temperaturmesswandlers erfassbarer Temperaturgradient ΔT auftritt. Der Maximalabstand bietet den Vorteil, dass die Ausdehnung des Temperaturmesswandlers hierdurch auf einen Bereich des Druckmessaufnehmers beschränkt ist, in dem das Temperaturprofil T(z) in enger Beziehung zu dem sich über den Drucksensor 3 ausbildenden Temperaturgradient steht.
Alternativ oder zusätzlich zu den zuvor beschriebenen Ausgestaltungen besteht der Stützkörper 21 vorzugsweise aus einem Material, dessen thermische Eigenschaften im Wesentlichen gleich den thermischen Eigenschaften des keramischen Drucksensors 3 oder diesen zumindest möglichst ähnlich sind. Hierzu besteht der Stützkörper 21 vorzugsweise aus Keramik, wobei er vorzugsweise aus der gleichen Keramik besteht, wie der Drucksensors 3, insb. dessen Messmembran 7 und dessen Grundkörper 13. Genauso besteht auch der optional ggfs. vorgesehene Anschlussring 45 vorzugsweise aus diesem Material.
Optional ist mindestens ein Leitungsabschnitt 39, 41, 43 des Verbindungsleiters 35, die Schicht 37 des Stützkörpers 21, die Beschichtung 47 des Anschlussrings 45 und/oder die Sensorbeschichtung 49 jeweils als durch Sputtern oder durch Abscheidung aus der Gasphase aufgebrachte und/oder eine Schichtdicke von größer gleich 100 nm, vorzugsweise von 1 µm bis 2 µm, aufweisende Schicht ausgebildet.
Wie bereits zuvor beschrieben, ist der mittels des Temperaturmesswandlers ermittelbare oder ermittelte Temperaturgradient ΔT abhängig von dem entlang des Druckmessaufnehmers ausgebildeten Temperaturprofil T(z) und korreliert aufgrund der zeitlich unveränderlichen baulichen Gegebenheiten innerhalb des Druckmessaufnehmers mit dem entlang des Drucksensors 3 vorliegenden Temperaturgradienten. Entsprechend kann anhand der mittels des Temperaturmesswandlers bereitgestellten Thermospannung U_th und/oder dem der Thermospannung U_th entsprechenden Temperaturgradienten ΔT eine Kompensation des durch das Temperaturprofil T(z) verursachten Messfehlers des mittels des Drucksensor 3 messtechnisch erfassbaren oder erfassten Drucks p ausgeführt werden.
Diese Kompensation kann natürlich außerhalb des Druckmessaufnehmers vorgenommen werden. Vorzugsweise wird sie jedoch mittels einer im Druckmessaufnehmer integrierten Kompensationseinrichtung 53 ausgeführt. 1 und 3 zeigen hierzu ein Beispiel, bei dem die Kompensationseinrichtung 53 im Gehäuse 1 des Druckmessaufnehmers angeordnet ist. Die Kompensationseinrichtung 53 ist an den Temperaturmesswandler und an den elektromechanischen Wandler angeschlossen. Zusätzlich ist die Kompensationseinrichtung 53 derart ausgebildet, dass sie anhand des mittels des Drucksensors 3 messtechnisch erfassten Drucks p und des mittels des Temperaturmesswandlers messtechnisch erfassten Temperaturgradienten ΔT ein bezüglich eines von dem Temperaturgradienten ΔT abhängigen Messfehlers kompensiertes Druckmessergebnis bestimmt und zur Verfügung stellt. Dabei wird die Kompensation vorzugsweise anhand von in einem Speicher 55 des Druckmessaufnehmers abgelegten Kalibrationsdaten und/oder Kennlinien ausgeführt, die die Abhängigkeit des mittels des Drucksensors 3 messtechnisch erfassten Drucks p von dem mittels des Temperaturmesswandles erfassten Temperaturgradienten ΔT wiedergeben. Diese Kalibrationsdaten und/oder Kennlinien umfassend vorzugsweise in einem Kalibrationsverfahren ermittelte Kalibrationsdaten und/oder Kennlinien, die während des Vorliegens unterschiedlicher jeweils im Wesentlichen stationärer Temperaturprofile T(z) entlang des Druckmessaufnehmers aufgezeichnet wurden.
Der Anschluss der Kompensationseinrichtung 53 an den Wandler des Drucksensors 3 kann unmittelbar erfolgen. Vorzugsweise erfolgt dieser Anschluss jedoch über eine an den Wandler des Drucksensors 3 angeschlossene Druckmessschaltung 57, die ein dem mittels des Wandlers des Drucksensors 3 messtechnisch erfassten Druck p entsprechendes Druckmesssignal S(P) erzeugt und zur Verfügung zu stellt.
Analog kann auch der Anschluss der Kompensationseinrichtung 53 an den Temperaturmesswandler unmittelbar erfolgen. Vorzugsweise erfolgt dieser Anschluss jedoch über eine über die Anschlussleitungen L1, L2 an die Leiter 31, 33 des Temperaturmesswandlers angeschlossene Temperaturmessschaltung 59, die derart ausgebildet ist, dass sie anhand der zwischen den beiden Leitern 31, 33 anliegenden Thermospannung U_th ein dem Temperaturgradienten ΔT entsprechendes Temperaturmesssignal S(ΔT) erzeugt und zur Verfügung stellt.
Das bietet den Vorteil, dass die Druckmessschaltung 57 in geringem Abstand zum Drucksensor 3 und/oder die Temperaturmessschaltung 59 in geringem Abstand zum Temperaturmesswandler angeordnet werden können. Hierdurch werden durch lange Übertragungswege oder äußere Störeinflüsse verursachte Beeinträchtigungen der von dem jeweiligen Wandler bereitgestellten elektrischen Größe(n) weitgehend vermieden.
Bezugszeichenliste

1: Gehäuse
3: Drucksensor
5: Öffnung
7: Messmembran
9: Fügung
11: Druckkammer
13: Grundkörper
15: Messelektrode
17: Gegenelektrode
19: Referenzelektrode
21: Stützring
23: Lager
25: Gegenlager
27: Prozessdichtung
29: Dichtung
31: Leiter
33: Leiter
35: Verbindungsleiter
37: Schicht
39: Leitungsabschnitt
41: Leitungsabschnitt
43: Leitungsabschnitt
45: Anschlussring
47: Beschichtung
49: Sensorbeschichtung
51: Beschichtungsbereich
53: Kompensationseinrichtung
55: Speicher
57: Druckmessschaltung
59: Temperturmessschaltung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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.
Zitierte Patentliteratur

DE 10334854 A1 [0002]
DE 102004057967 A [0002]
EP 0995979 A1 [0002]
DE 102015122220 A [0005, 0012]

Claims

Druckmessaufnehmer, mit einem in einem Gehäuse (1) angeordneten keramischen Drucksensor (3), wobei der Drucksensor (3) eine durch eine Öffnung (5) des Gehäuses (1) hindurch mit einem Druck (p) beaufschlagbare Messmembran (7) und einen elektromechanischen Wandler zur messtechnischen Erfassung einer vom auf die Messmembran (7) einwirkenden Druck (p) abhängigen Auslenkung der Messmembran (7) umfasst, einem auf einem äußeren Rand einer membranabgewandten Rückseite des Drucksensors (3) angeordneten Stützring (21), einer Einspannvorrichtung, mittels der ein äußerer Randbereich des Drucksensors (3) zusammen mit dem darauf angeordneten Stützring (21) im Gehäuse (1) eingespannt ist, und einem Temperaturmesswandler zur Bereitstellung einer von einem Temperaturgradienten (ΔT) abhängigen Thermospannung (U_th), der zwei in Reihe geschaltete Thermoelemente umfasst, die jeweils einen galvanischen Kontakt (K1, K2) zwischen einem elektrischen Leiter (31, 33) des jeweiligen Thermoelements und einem die galvanischen Kontakte (K1, K2) der beiden Thermoelemente miteinander verbindenden elektrischen Verbindungsleiter (35) umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Mantelfläche des Stützrings (21) eine sich in parallel zur Flächennormale auf die Messmembran (7) verlaufender Richtung erstreckende elektrisch leitfähige Schicht (37) angeordnet ist, die den Verbindungsleiter (35) oder einen Leitungsabschnitt (39) des Verbindungsleiters (35) bildet oder umfasst, und die beiden galvanischen Kontakte (K1, K2) einen prozesszugewandten und einen prozessabgewandten Kontakt (K1, K2) umfassen, die beide im Gehäuse (1) außerhalb des Drucksensors (3) angeordnet sind und in parallel zur Flächennormale auf die Messmembran (7) verlaufender Richtung voneinander beabstandet sind.
Druckmessaufnehmer gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der beiden galvanische Kontakten (K1, K2) auf der leitfähigen Schicht (37) des Stützrings (21) angeordnet ist, und/oder der prozessabgewandte galvanische Kontakt (K2) auf einem vom Drucksensor (3) abgewandten Bereich der leitfähigen Schicht (37) und der prozesszugewandte galvanische Kontakt (K1) auf einem dem Drucksensor (3) zugewandten Bereich der leitfähigen Schicht (37) angeordnet ist.
Druckmessaufnehmer gemäß Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsleiter (35) zusätzlich zu dem durch die Schicht (37) gebildeten oder von der Schicht (37) umfassten Leitungsabschnitt (39) mindestens einen weiteren Leitungsabschnitt (41, 43) umfasst, und mindestens einer der beiden Kontakte (K1, K2) auf dem weiteren Leitungsabschnitt (41, 43) oder auf einem der weiteren Leitungsabschnitte (41, 43) angeordnet ist.
Druckmessaufnehmer gemäß Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer vom Drucksensor (3) abgewandten Stirnseite des Stützrings (21) ein Anschlussring (45) angeordnet ist, auf dem Anschlussring (45) eine einen weiteren Leitungsabschnitt (41) der Verbindungsleitung (35) bildende oder umfassende leitfähige Beschichtung (47) angeordnet ist, die in elektrisch leitender Verbindung zu der auf dem Stützring (21) angeordneten Schicht (37) steht, und der prozessabgewandte galvanische Kontakt (K2) auf der Beschichtung (47) des Anschlussrings (45) angeordnet ist.
Druckmessaufnehmer gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die auf dem Stützring (21) angeordnete Schicht (37) einen sich über eine dem Anschlussring (45) zugewandte Stirnseite des Stützrings (21) erstreckenden Schichtbereich umfasst, auf dem ein sich über eine dem Stützring (21) zugewandte Stirnseite des Anschlussrings (45) erstreckender Beschichtungsbereich der Beschichtung (47) des Anschlussrings (45) aufliegt, der prozessabgewandte galvanische Kontakt (K2) auf einem sich über eine innere Mantelfläche des Anschlussrings (45) erstreckenden Schichtbereich der Beschichtung (47) des Anschlussrings (45) angeordnet ist, und/oder der Anschlussring (45) mittels der Einspannvorrichtung im Gehäuse (1) eingespannt ist.
Druckmessaufnehmer gemäß Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer membranabgewandten Rückseite des Drucksensors (3) eine elektrisch leitfähige, einen weiteren Leitungsabschnitt (43) des Verbindungsleiters (35) bildende oder umfassende Sensorbeschichtung (49) angeordnet ist, die Sensorbeschichtung (49) in elektrisch leitender Verbindung zu der auf dem Stützring (21) angeordneten Schicht (37) steht, und der prozesszugewandte galvanische Kontakt (K1) auf der Sensorbeschichtung (49) angeordnet ist.
Druckmessaufnehmer gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (37) einen sich über eine dem Drucksensor (3) zugewandte Stirnseite des Stützkörpers (21) erstreckenden Schichtbereich umfasst, die auf einem Beschichtungsbereich der Sensorbeschichtung (49) aufliegt, der prozesszugewandte galvanische Kontakt (K1) auf einem vom Stützkörper (21) beabstandeten Schichtbereich der Sensorbeschichtung (49) angeordnet ist, und/oder die Sensorbeschichtung (49) als elektromagnetische Abschirmung des elektromechanischen Wandlers des Drucksensors (3) ausgebildet ist, die einen Beschichtungsbereich (51) umfasst, der eine außenseitliche Mantelfläche des Drucksensors (3) außenseitlich allseitig umgibt.
Druckmessaufnehmer gemäß Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der beiden Leiter (31, 33) jeweils a) als Kontakt-Pad ausgebildet ist, b) ein elektrisch leitfähiges Metall, eine metallische Legierung und/oder ein Metalloxid umfasst, c) ein Titanoxid (TiOx) oder ein Titan-Wolfram Oxid (TiWOx) umfasst, und/oder d) ein elektrisch leitfähiges Leiter-Material umfasst dessen Seebeck-Koeffizient von dem Seebeck-Koeffizienten des Materials des mit dem jeweiligen Leiter (31, 33) in unmittelbarem Kontakt stehenden Leitungsabschnitts (39, 41, 43) verschieden ist.
Druckmessaufnehmer gemäß Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Leitungsabschnitt (39, 41, 43) des Verbindungleiters (35), die Schicht (37), die Beschichtung (47) des Anschlussrings (45) und/oder die Sensorbeschichtung (49) jeweils a1) ein elektrisch leitfähiges Material umfasst, das gegenüber Platin einen Seebeck-Koeffizienten mit einem Betrag von größer gleich 6 µV/K oder von größer gleich 10 µV/K aufweist, a2) ein elektrisch leitfähiges Metall, eine metallische Legierung und/oder ein Metalloxid umfasst, a3) ein Titanoxid (TiOx), eine Kuper-Nickel Verbindung (CuNi), eine Nickel-Vanadium Verbindung (NiV) oder eine Nickel-Vanadium und Gold umfassende Verbindung (NiV/Au) umfasst, und/oder a4) als durch Sputtern oder durch Abscheidung aus der Gasphase aufgebrachte und/oder eine Schichtdicke von größer gleich 100 nm oder von 1 µm bis 2 µm aufweisende Schicht ausgebildet ist.
Druckmessaufnehmer gemäß Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsleiter (35) den durch die Schicht (37) gebildeten oder von der Schicht (37) umfassten Leitungsabschnitt (39) und mindestens einen weiteren Leitungsabschnitt (41, 43) umfasst, diese Leitungsabschnitte (39, 41, 43) des Verbindungsleiters (35) entweder alle aus dem gleichen Material bestehen oder zwei oder mehr Leitungsabschnitte (39, 41, 43) aus unterschiedlichen Materialien umfassen, und eine Kombination der gleichen oder verschiedenen Seebeck-Koeffizienten der Materialien der Leitungsabschnitte (39, 41, 43) des Verbindungsleiters (35) und/oder eine räumliche Erstreckung des weiteren Leitungsabschnitts (41, 43) oder mindestens eines der weiteren Leitungsabschnitte (41, 43) in parallel und/oder senkrecht zur Flächennormale auf die Messmembran (7) verlaufender Richtung derart ausgebildet ist, dass eine Summe aller sich entlang des Temperaturmesswandlers ausbildenden Teil-Thermospannungen, dem in parallel zur Flächennormale auf die Messmembran (7) des Drucksensors (3) verlaufender Richtung im Druckmessaufnehmer entlang des Temperaturmesswandlers oder zumindest entlang eines Abschnitts des Temperaturmesswandlers vorliegenden Temperaturgradienten (ΔT) entspricht.
Druckmessaufnehmer gemäß Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützkörper (21) und/oder der Anschlussring (45) aus Keramik bestehen, und/oder ein Abstand zwischen dem prozesszugewandten und dem prozessabgewandten galvanischen Kontakt (K1, K2) in parallel zur Flächennormale auf die Messmembran (7) verlaufender Richtung größer gleich einem Mindestabstand von einem einfachen einer parallel zur Flächennormale auf die Messmembran (7) verlaufenden Bauhöhe des Drucksensors (3) und/oder kleiner gleich einem Maximalabstand von einem dreifachen dieser Bauhöhe ist.
Druckmessaufnehmer gemäß Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturmesswandler derart ausgebildet, dass die zwischen den Leitern (31, 33) abgreifbare Thermospannung (U_th) dem mittels des Temperaturmesswandlers messtechnisch erfassbaren Temperaturgradient (ΔT) entspricht, wobei der Temperaturgradient (ΔT) einem innerhalb des Druckmessaufnehmers entlang des Temperaturmesswandlers oder zumindest entlang eines Abschnitts des Temperaturmesswandlers in parallel zur Flächennormale auf die Messmembran (7) verlaufender Richtung auftretenden Temperaturgradienten entspricht.
Druckmessaufnehmer gemäß Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckmessaufnehmer eine Kompensationseinrichtung (53) umfasst, die derart ausgebildet ist, dass sie anhand des mittels des Drucksensors (3) messtechnisch erfassten Drucks (p) und des mittels des Temperaturmesswandlers messtechnisch erfassten Temperaturgradienten (ΔT) anhand von in einem Speicher (55) abgelegten Kalibrationsdaten und/oder Kennlinien ein bezüglich eines von dem Temperaturgradienten (ΔT) abhängigen Messfehlers kompensiertes Druckmessergebnis bestimmt und zur Verfügung stellt, wobei die Kompensationseinrichtung (53) entweder unmittelbar oder über eine an den Wandler des Drucksensors (3) angeschlossene Druckmessschaltung (57), die dazu ausgebildet ist ein dem mittels des Wandlers des Drucksensors (3) messtechnisch erfassten Druck (p) entsprechendes Druckmesssignal (S(P)) zu erzeugen und zur Verfügung zu stellen, an den Wandler des Drucksensors (3) angeschlossen ist, und wobei die Kompensationseinrichtung (53) entweder unmittelbar oder über eine an den Temperaturmesswandler angeschlossene Temperaturmessschaltung (59), die dazu ausgestaltet ist ein dem mittels des Temperaturmesswandlers messtechnisch erfassten Temperaturgradienten (ΔT) entsprechendes Temperaturmesssignal (S(ΔT)) zu erzeugen und zur Verfügung zu stellen, an den Temperaturmesswandler angeschlossen ist.
Druckmessaufnehmer gemäß mindestens einem der Ansprüche 4 und 5 und gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (47) des Anschlussrings (45) aus einem eine Nickel-Vanadium Verbindung (NiV) umfassenden Material besteht, die Schicht (37) des Stützkörpers (21) aus einem mindestens ein Titanoxid (TiOx) umfassenden Material besteht und die Sensorbeschichtung (49) aus einem eine Nickel-Vanadium Verbindung (NiV) umfassenden Material besteht.