DE102019133808A1 - Pressure sensor for determining a differential or relative pressure variable - Google Patents
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Abstract
Drucksensor (1) zum Bestimmen einer Differenz- oder Relativdruckgröße, umfassend:- ein Differenz- oder Relativdruckmesswandler (20) zum Ermitteln einer Differenz- oder Relativdruckgröße,- einen Absolutdruckmesswandler (70) zum Ermitteln einer Absolutdruckgröße,- einen Druckmittler (30),- eine Signalverarbeitungseinheit, die dazu eingerichtet ist, anhand einer Absolutdruckgröße und/oder deren zeitlicher Ableitung und einer Differenz- oder Relativdruckgröße und/oder deren zeitlicher Ableitung eine Selbstüberwachungsfunktion des Drucksensors durchzuführen.Pressure sensor (1) for determining a differential or relative pressure variable, comprising: - a differential or relative pressure transducer (20) for determining a differential or relative pressure variable, - an absolute pressure transducer (70) for determining an absolute pressure variable, - a diaphragm seal (30), - a signal processing unit which is set up to carry out a self-monitoring function of the pressure sensor on the basis of an absolute pressure variable and / or its time derivative and a differential or relative pressure variable and / or its time derivative.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Drucksensor zum Bestimmen einer Differenz- oder Relativdruckgröße.The invention relates to a pressure sensor for determining a differential or relative pressure variable.
Drucksensoren dienen zur Erfassung von Drücken und werden in der industriellen Messtechnik eingesetzt. Je nach Anwendung kommen Differenzdrucksensoren oder Relativdrucksensoren zum Einsatz. Beispielsweise werden sie zur Füllstandsmessung oder zur Durchflussmessung verwendet. Bei der Füllstandsmessung wird beispielsweise die Differenz zwischen einem unten in einem Behälter wirkenden ersten Druck und einem oberhalb des Füllguts herrschenden zweiten Druck gemessen. Die Differenz ist proportional zu einem füllstandsabhängigen hydrostatischen Druck im Behälter und damit zum Füllstand. Bei der Durchflussmessung wird beispielsweise ein Strömungswiderstand in eine Leitung eingesetzt und mittels eines Differenzdruckmessaufnehmers eine Differenz eines vor dem Widerstand herrschenden ersten hochdruckseitigen Druck und eines hinter dem Widerstand herrschenden zweiten niederdruckseitigen Druck ermittelt. Dieser Differenzdruck ist ein Maß für den Durchfluss durch die Leitung.Pressure sensors are used to record pressures and are used in industrial measurement technology. Depending on the application, differential pressure sensors or relative pressure sensors are used. For example, they are used for level measurement or for flow measurement. When measuring the fill level, for example, the difference between a first pressure acting at the bottom of a container and a second pressure prevailing above the filling material is measured. The difference is proportional to a level-dependent hydrostatic pressure in the container and thus to the level. In flow measurement, for example, a flow resistance is inserted into a line and a difference between a first high-pressure side pressure prevailing upstream of the resistor and a second low-pressure side pressure prevailing downstream of the resistor is determined by means of a differential pressure sensor. This differential pressure is a measure of the flow through the line.
In der Druckmesstechnik werden gerne so genannte Halbleiter-Druckmesswandler, z.B. Silizium-Chips mit eindotierten Widerstandselementen, als druckempfindliche Elemente eingesetzt. Entsprechende Differenzdruckmesswandler weisen typischer Weise eine Messmembran auf, deren eine Seite im Messbetrieb einem ersten Druck und deren zweite Seite einem zweiten Druck ausgesetzt wird. Die einwirkenden Drücke bewirken eine resultierende Auslenkung der Messmembran, die dem zu messenden Differenz- oder Relativdruck entspricht. Halbleiter-Druckmesswandler sind für gewöhnlich sehr empfindlich und werden deshalb nicht direkt einem Medium ausgesetzt, dessen Druck aufgenommen werden soll. Stattdessen werden mit einer Übertragungsflüssigkeit gefüllte Druckmittler vorgeschaltet.In pressure measurement technology, so-called semiconductor pressure transducers, e.g. silicon chips with doped resistance elements, are often used as pressure-sensitive elements. Corresponding differential pressure transducers typically have a measuring membrane, one side of which is exposed to a first pressure and the second side of which is subjected to a second pressure during measuring operation. The acting pressures cause a resulting deflection of the measuring membrane, which corresponds to the differential or relative pressure to be measured. Semiconductor pressure transducers are usually very sensitive and are therefore not directly exposed to a medium whose pressure is to be recorded. Instead, diaphragm seals filled with a transmission fluid are connected upstream.
Druckmittler weisen hierzu regelmäßig einen massiven, typischerweise mehrteiligen Druckmittlerkörper auf, auf dem außenseitlich zumindest eine Trennmembrane angeordnet ist. Dabei schließt die Trennmembrane eine Druckempfangskammer ab, die über einen druckkommunizierenden Pfad mit einer Druckkammer verbunden ist, in die der Differenz- oder Relativdruckmesswandler derartig angeordnet ist, dass einer ersten Seite der Messmembrane, der an dieser Trennmembran anliegende Druck zugeführt ist.For this purpose, diaphragm seals regularly have a massive, typically multi-part diaphragm seal body on which at least one separating membrane is arranged on the outside. The separating membrane closes off a pressure receiving chamber which is connected via a pressure-communicating path to a pressure chamber in which the differential or relative pressure transducer is arranged in such a way that the pressure applied to this separating membrane is fed to a first side of the measuring membrane.
In dem Fall, dass es sich bei dem Drucksensor um einen Differenzdrucksensor handelt, können zwei Trennmembrane vorgesehen sein. Die zweite Trennmembrane ist ebenfalls außenseitlich parallel und gegenüberliegende zu der ersten Trennmembrane an dem Druckmittlerkörper angeordnet. Die zweite Trennmembrane schließt eine zweite Druckempfangskammer ab, über die mittels eines zweiten druckkommunizierenden Pfads der an dieser Trennmembran anliegende Druck einer zweiten Seite der Messmembran zugeführt wird. Anhand der beiden zugeführten Drücke kann somit der Differenzdruckmesswandler die Differenzdruckgröße bestimmen.In the event that the pressure sensor is a differential pressure sensor, two separating membranes can be provided. The second separating membrane is also arranged on the outside parallel and opposite to the first separating membrane on the pressure transmitter body. The second separating membrane closes off a second pressure receiving chamber via which the pressure applied to this separating membrane is fed to a second side of the measuring membrane by means of a second pressure-communicating path. The differential pressure transducer can thus determine the differential pressure variable on the basis of the two pressures supplied.
In dem Fall, dass es sich bei dem Drucksensor um einen Relativdrucksensor handelt, kann der zweiten Seite der Messmembran ein zweiter Druck, beispielsweise über eine Kapillare, zugeführt sein. Anhand der beiden zugeführten Drücke kann somit der Relativdruckmesswandler die Relativdruckgröße bestimmen.In the event that the pressure sensor is a relative pressure sensor, the second side of the measuring membrane can be supplied with a second pressure, for example via a capillary. The relative pressure transducer can thus determine the relative pressure variable on the basis of the two pressures supplied.
Beim Einsatz derartiger Drucksensoren in der industriellen Messtechnik, beispielsweise in einer Automatisierungsanlage um einen Prozess auszuführen bzw. zu steuern/überwachen, müssen diese regelmäßig überprüft und ggfls. gewartet werden, da diese mit fortschreitender Lebensdauer an Messgenauigkeit verlieren.When using such pressure sensors in industrial measurement technology, for example in an automation system in order to execute or control / monitor a process, they must be checked regularly and, if necessary. must be maintained, as these lose their measuring accuracy as the service life progresses.
Hierzu wird für gewöhnlich der Prozess gestoppt bzw. unterbrochen. Anschließend werden die Drucksensoren ausgebaut, überprüft und ggfls. gewartet. Das kurzfristige Unterbrechen des Prozesses bedeutet jedoch einen Anlagenstillstand, welcher, je nach Prozess der ausgeführt wird, mit erheblichen Kosten für den Anlagenbetreiber verbunden ist.To do this, the process is usually stopped or interrupted. Then the pressure sensors are removed, checked and, if necessary. waited. The short-term interruption of the process, however, means a system standstill, which, depending on the process being carried out, is associated with considerable costs for the system operator.
Es ist somit eine Aufgabe der Erfindung, einen Drucksensor vorzuschlagen, der auf einfachere Art und Weise überprüft werden kann.It is therefore an object of the invention to propose a pressure sensor which can be checked in a simpler manner.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Drucksensor gemäß Patentanspruch 1 und die Druckmessanordnung gemäß Patentanspruch 7.The object is achieved according to the invention by the pressure sensor according to
Der erfindungsgemäße Drucksensor zum Bestimmen einer Differenz- oder Relativdruckgröße, umfassend:
- - ein Differenz- oder Relativdruckmesswandler mit einer ersten Messmembran und einer ersten Schaltung zum Wandeln einer druckabhängigen Verformung der ersten Messmembran in die Differenz- oder Relativdruckgröße,
- - einen Absolutdruckmesswandler mit einer zweiten Messmembran und einer zweiten Schaltung zum Wandeln einer druckabhängigen Verformung der zweiten Messmembran in eine Absolutdruckgröße, wobei der Absolutdruckmesswandler separat zu dem Differenz- oder Relativdruckmesswandler ausgebildet ist,
- - einen Druckmittler mit einem Druckmittlerkörper in dem sich eine mit einer Übertragungsflüssigkeit gefüllte Druckkammer befindet, in der ein Füllkörper mit zwei Aussparung angeordnet ist, um Hohlräume zwischen Wänden der Druckkammer und den in den Aussparungen angeordneten Differenz- oder Relativdruckmesswandler und Absolutdruckmesswandler auszufüllen, wobei sich ein erster und ein zweiter druckkommunizierender Pfad jeweils zwischen einer ersten Öffnung und einer zweiten Öffnung durch den Druckmittlerkörper erstrecken, wobei zumindest eine der beiden ersten Öffnungen mit einer ersten Trennmembrane verschlossen ist, die mit einem ersten Druck eines Mediums beaufschlagbar ist, um den ersten Druck in den ersten Pfad einzuleiten, wobei zumindest der erste Pfad mit der Übertragungsflüssigkeit gefüllt ist und an einer der zweiten Öffnungen in der Druckkammer mündet, so dass die erste Messmembran des Differenz- oder Relativdruckmesswandlers auf einer ersten Messmembranseite mit dem ersten Druck beaufschlagt ist und eine zweite Messmembranseite der ersten Messmembran über den zweiten Pfad mit einem an der anderen der beiden ersten Öffnungen herrschendem zweiten Druck beaufschlagt ist, so dass die Verformung der zweiten Messmembran die Absolutdruckgröße repräsentiert;
- - eine Signalverarbeitungseinheit, die dazu eingerichtet ist, anhand der Absolutdruckgröße und/oder deren zeitlicher Ableitung und der Differenz- oder Relativdruckgröße und/oder deren zeitlicher Ableitung eine Selbstüberwachungsfunktion des Drucksensors durchzuführen.
- - a differential or relative pressure transducer with a first measuring membrane and a first circuit for converting a pressure-dependent deformation of the first measuring membrane into the differential or relative pressure variable,
- - An absolute pressure transducer with a second measuring membrane and a second circuit for converting a pressure-dependent deformation of the second measuring membrane into an absolute pressure variable, the absolute pressure transducer being designed separately from the differential or relative pressure transducer,
- - A diaphragm seal with a diaphragm seal body in which there is a pressure chamber filled with a transmission fluid, in which a filling body with two recesses is arranged to fill cavities between the walls of the pressure chamber and the differential or relative pressure transducer and absolute pressure transducer arranged in the recesses, with a first and a second pressure-communicating path each extend between a first opening and a second opening through the pressure transmitter body, wherein at least one of the two first openings is closed with a first separating membrane to which a first pressure of a medium can be applied to the first pressure in the initiate first path, wherein at least the first path is filled with the transmission fluid and opens at one of the second openings in the pressure chamber, so that the first measuring membrane of the differential or relative pressure transducer on a first measuring membrane side with the first D. jerk is applied and a second measuring membrane side of the first measuring membrane is acted upon via the second path with a second pressure prevailing at the other of the two first openings, so that the deformation of the second measuring membrane represents the absolute pressure variable;
- a signal processing unit which is set up to carry out a self-monitoring function of the pressure sensor on the basis of the absolute pressure variable and / or its time derivative and the differential or relative pressure variable and / or its time derivative.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass neben dem Differenz- oder Relativdruckmesswandler zum Bestimmen des Differenz- oder Relativdruckes auch ein Absolutdruckmesswandler zum Bestimmen eines absoluten Drucks in einem Drucksensor integriert wird. Die beiden Druckmesswandler werden dabei separat voneinander ausgebildet, d.h. als zwei voneinander unterschiedliche Einheiten. Beispielweise werden die beiden Druckmesswandler, in dem Fall, dass diese als Halbleiter-Druckmesswandler ausgebildet sind, auf unterschiedlichen Substraten ausgebildet. Durch das separate Ausbilden kann eine gegenseitige Beeinflussung der beiden Druckmesswandler reduziert werden. Erfindungsgemäß wird ferner vorgeschlagen, dass durch die beiden erfassten Druckgrößen eine Selbstüberwachung des Drucksensors durchgeführt wird.According to the invention, it is proposed that, in addition to the differential or relative pressure transducer for determining the differential or relative pressure, an absolute pressure transducer for determining an absolute pressure is also integrated in a pressure sensor. The two pressure transducers are designed separately from one another, i.e. as two different units. For example, the two pressure transducers, in the event that they are designed as semiconductor pressure transducers, are formed on different substrates. Due to the separate design, mutual influencing of the two pressure transducers can be reduced. According to the invention, it is further proposed that self-monitoring of the pressure sensor is carried out by means of the two detected pressure variables.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Drucksensors kann vorsehen, dass zum Erkennen der fehlerhaften ersten und/oder zweiten Messmembran die Signalverarbeitungseinheit folgende Gleichung oder eine davon abgeleitete Gleichung ausführt:
Insbesondere kann die vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Drucksensors vorsehen, dass die Selbstüberwachungsfunktion das Erkennen einer fehlerhaften ersten und/oder zweiten Messmembran umfasst. Insbesondere kann die Ausgestaltung vorsehen, dass zum Erkennen der fehlerhaften ersten und/oder zweiten Messmembran die Signalverarbeitungseinheit folgende Gleichung ausführt:
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Drucksensors kann vorsehen, dass die Selbstüberwachungsfunktion das Erkennen eines Drifts der ersten und/oder zweiten Messmembran umfasst. Insbesondere kann die Ausgestaltung vorsehen, dass zum Erkennen des Drifts der ersten und/oder zweiten Messmembran die Signalverarbeitungseinheit prüft, vorzugsweise kontinuierlich während eines Messbetriebes, ob folgende Gleichung erfüllt ist:
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Drucksensors kann vorsehen, dass der Differenz- oder Relativdruckmesswandler und der Absolutdruckmesswandler als Halbleiter-Druckmesswandler, insbesondere als Silizium-Chip-Druckmesswandler ausgebildet sind, die jeweils auf einem unterschiedlichen Substrat ausgebildet sind.A further advantageous embodiment of the pressure sensor according to the invention can provide that the differential or relative pressure transducer and the absolute pressure transducer are designed as semiconductor pressure transducers, in particular as silicon-chip pressure transducers, each of which is designed on a different substrate.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Druckmessanordnung, umfassend einen Drucksensor gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausgestaltungen ein Messrohr, eine in dem Messrohr angeordnete Blende durch die das Medium strömt und eine Ventilanaordnung, wobei ein in Strömungsrichtung des Mediums vor der Blende herrschender Druck als erster Druck dem Drucksensor zugeführt ist und wobei die Ventilanordnung derartig ausgebildet ist, dass in einer ersten Ventilstellung der über den zweiten Pfad geleitete zweite Druck einem in Strömungsrichtung hinter der Blende herrschender Druck des Mediums und in einer zweiten Ventilstellung der über den zweiten Pfad geleitete zweite Druck einem Umgebungsdruck einer Umgebung entspricht, wobei die Signalverarbeitungseinheit ferner dazu eingerichtet ist, die Differenz- oder Relativdruckgröße und die Absolutdruckgröße bei der zweiten Ventilstellung miteinander zu vergleichen und basierend darauf eine Aussage über eine mögliche Abweichung der beiden Größen zu treffen. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Signalverarbeitungseinheit ferner dazu eingerichtet ist, bei der zweiten Ventilstellung zu überprüfen, ob folgende Gleichung erfüllt ist:
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
-
1 : einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drucksensors zum Bestimmen einer Differenzdruckgröße, -
2 : einen Schnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drucksensors zum Bestimmen einer Relativdruckgröße, und -
3 : eine Druckmessanordnung mit einem Drucksensor und einer Ventilanordnung.
-
1 : a section through a first embodiment of a pressure sensor according to the invention for determining a differential pressure variable, -
2 : a section through a second embodiment of a pressure sensor according to the invention for determining a relative pressure variable, and -
3rd : a pressure measuring arrangement with a pressure sensor and a valve arrangement.
Der Druckmittlerkörper umfasst in dem in
Um das Volumen der Übertragungsflüssigkeit
Der zweite hydraulische Pfad
Durch den an der Vorderseite
Über die Druckkammer
Durch den an der Vorderseite
Über die Druckkammer
Hierzu weisen sowohl der in
Erfindungsgemäß ist die Signalverarbeitungseinheit
Die Selbstüberwachungsfunktion kann zunächst, dass Erkennen einer fehlerhaften ersten und/oder zweiten Messmembran vorsehen. Grundsätzlich geht die Erfindung hierbei von der Überlegung aus, dass in dem Fall, dass eine fehlerhafte erste und/oder zweite Messmembran vorliegt, die nachfolgende Gleichung nicht erfüllt ist:
Beispielsweise kann durch die Signalverarbeitungseinheit folgende Gleichung ausgeführt werden:
Die Selbstüberwachungsfunktion kann ferner das Erkennen eines Drifts der ersten und/oder zweiten Messmembran umfassen. Hierzu prüft die Signalverarbeitungseinheit kontinuierlich im eigentlichen Messbetrieb die aus der Gleichung (1) abgeleitete nachfolgende Gleichung:
In dem Fall, dass die gemessene Druckänderung der Differenz- oder Relativdruckgröße über die Zeiteinheit Δt und/oder die gemessene Druckänderung der Absolutdruckgröße über eine Zeiteinheit Δt unterhalb einer festgelegten, dem Drucksensor zugeführten Toleranzgrenze fällt, ist die Signalverarbeitungseinheit dazu eingerichtet, einen konstanten Messbetrieb festzustellen. In dem Fall, dass die gemessene Druckänderung der Differenz- oder Relativdruckgröße über die Zeiteinheit Δt und/oder die gemessene Druckänderung der Absolutdruckgröße über eine Zeiteinheit Δt oberhalb der Toleranzgrenze liegt, ist die Signalverarbeitungseinheit dazu eingerichtet, einen Drift der ersten und/oder zweiten Messmembran zu erkennen. In dem Fall, dass die Signalverarbeitungseinheit einen Drift der ersten und/oder zweiten Messmembran erkannt, kann ferner eine Fehlermeldung ausgeben werde.In the event that the measured pressure change of the differential or relative pressure variable over the time unit Δt and / or the measured pressure change of the absolute pressure variable over a time unit Δt falls below a specified tolerance limit supplied to the pressure sensor, the signal processing unit is set up to determine a constant measuring operation. In the event that the measured pressure change of the differential or relative pressure variable over the time unit Δt and / or the measured pressure change of the absolute pressure variable over a time unit Δt is above the tolerance limit, the signal processing unit is set up to add a drift to the first and / or second measuring membrane detect. In the event that the signal processing unit detects a drift in the first and / or second measuring membrane, an error message can also be output.
Die zuvor beschriebenen Selbstüberwachungsfunktionen können dabei durch die Signalverarbeitungseinheit
Drucksensoren gemäß dem ersten und/oder zweiten Ausführungsbeispiel sind üblicherweise in Druckmessanordnungen zur Bestimmung einer Flussrate eines Mediums vorzufinden.
Die Ventilanordnung ist dabei derartig ausgebildet, dass in einer ersten Ventilstellung der über den zweiten Pfad (
Die Signalverarbeitungseinheit
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- DifferenzdrucksensorDifferential pressure sensor
- 2020th
- Differenz- oder RelativdruckmesswandlerDifferential or relative pressure transducer
- 2121
- Erste MessmembranFirst measuring membrane
- 21a21a
- Erste Seite der ersten MessmembranFirst side of the first measuring membrane
- 21b21b
- Zweite Seite der ersten MessmembranSecond side of the first measuring membrane
- 2222nd
- Erste Schaltung zum Wandeln der druckabhängigen Verformung der ersten Messmembran in eine Differenz- oder RelativdruckgrößeFirst circuit for converting the pressure-dependent deformation of the first measuring membrane into a differential or relative pressure variable
- 3030th
- DruckmittlerDiaphragm seal
- 31a31a
- Massiver Block des DruckmittlerkörpersMassive block of the diaphragm seal body
- 31b31b
- TrägerkörperCarrier body
- 31c31c
- KapillarrohrsystemCapillary tube system
- 3232
- DruckkammerPressure chamber
- 3333
- FüllkörperPacking
- 34a34a
- Erster druckkommunizierender PfadFirst pressure communicating path
- 34b34b
- Zweiter druckkommunizierender PfadSecond pressure communicating path
- 35a, 35b35a, 35b
- Erste ÖffnungFirst opening
- 36a, 36b36a, 36b
- Zweite ÖffnungSecond opening
- 37a, 37b37a, 37b
- Erste TrennmembraneFirst separating membrane
- 38a, 38b38a, 38b
- Erste DruckempfangskammerFirst pressure receiving chamber
- 3939
- DruckübertragungsflüssigkeitPressure transmission fluid
- 7070
- AbsolutdruckmesswandlerAbsolute pressure transducer
- 7171
- Zweite MessmembranSecond measuring membrane
- 71a71a
- Erste Seite der zweiten MessmembranFirst side of the second measuring membrane
- 7272
- Zweite Schaltung zum Wandeln der druckabhängigen Verformung der Messmembran in eine AbsolutdruckgrößeSecond circuit for converting the pressure-dependent deformation of the measuring membrane into an absolute pressure variable
- 8080
- SignalverarbeitungseinheitSignal processing unit
- 8181
- Elektrische LeitungenElectric lines
- 9191
- Erstes VentilFirst valve
- 9292
- Zweites VentilSecond valve
- 9393
- Drittes VentilThird valve
- 100100
- Blendecover
- 200200
- MessrohrMeasuring tube
- p1p1
- Erster DruckFirst print
- p2p2
- Zweiter DruckSecond print
- PRelPRel
- p1-p2p1-p2
- PBereich,relP area, rel
- Messbereich des Differenz- oder RelativdruckmesswandlersMeasuring range of the differential or relative pressure transducer
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-
2019
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Legal Events
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