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Die Erfindung bezieht sich auf einen Drucksensor zum Bestimmen einer Relativdruckgröße.
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Drucksensoren dienen zur Erfassung von Drücken und werden in der industriellen Messtechnik eingesetzt. Je nach Anwendung kommen Differenzdrucksensoren oder Relativdrucksensoren zum Einsatz.
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Relativdrucksensoren dienen dazu, einen zu messenden von außen auf eine Messmembran einwirkenden Druck bezogen auf einen der Druckkammer zugeführten Referenzdruck, z.B. den Atmosphärendruck, zu messen. Sie werden insb. in der industriellen Messtechnik zur Messung von Relativdrücken eingesetzt.
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In der Druckmesstechnik werden gerne so genannte Halbleiter-Druckmesswandler, z.B. Silizium-Chips mit eindotierten Widerstandselementen, als druckempfindliche Elemente eingesetzt. Entsprechende Druckmesswandler 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 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.
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Druckmittler weisen hierzu regelmäßig einen massiven, typischerweise mehrteiligen Druckmittlerkörper auf, auf dem außenseitlich zumindest eine Trennmembrane angeordnet ist. Dabei schließt die Trennmembrane eine erste Druckempfangskammer ab, die über einen ersten hydraulischen Pfad mit einer Druckkammer verbunden ist, in die der Relativdruckmesswandler derartig angeordnet ist, dass einer ersten Seite der Messmembrane, der an dieser Trennmembran anliegende Druck zugeführt ist. Der zweiten Seite der Messmembran ist ein zweiter Druck, beispielsweise über eine Kapillare, zugeführt. Anhand der beiden zugeführten Drücke kann somit der Relativdruckmesswandler die Relativdruckgröße bestimmen.
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Druckmittler werden für gewöhnlich in Automatisierungsanlagen in der industriellen Messtechnik zum Ausführen bzw. Steuern eines Prozesses eingesetzt, kommen aber auch in anderen Bereichen zum Einsatz, bspw. in einem Schiff oder einem Flugzeug. Hier werden die Drucksensoren für die Drucküberwachung von z.B. Behältern für Gase und Flüssigkeiten wie z.B. Sauerstoff oder Wasser, Öle, Kraftstoff usw. eingesetzt.
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In derartigen Anlagen aber auch in Schiffen und Flugzeugen kann es zu ungewollten bzw. unerwünschten Änderungen des Raumdruckes in der Umgebung des Einbauorts des Druckmittlers kommen, die die Sicherheit des Prozesses und/oder der Menschen Vorort gefährden können.
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Es ist somit eine Aufgabe der Erfindung, einen Drucksensor vorzuschlagen, der auf einfache Art und Weise ungewollte bzw. unerwünschte Raumdruckänderungen erfassen kann.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Drucksensor gemäß Patentanspruch 1.
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Der erfindungsgemäße Drucksensor zum Bestimmen einer Relativdruckgröße, umfasst:
- - ein Relativdruckmesswandler mit einer ersten Messmembran und einer ersten Schaltung zum Wandeln einer druckabhängigen Verformung der ersten Messmembran in die Relativdruckgröße,
- - einen Absolutdruckmesswandler zum Ermitteln einer Absolutdruckgröße,
- - 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 Relativdruckmesswandler und Absolutdruckmesswandler auszufüllen, wobei sich ein erster druckkommunizierender Pfad zwischen einer ersten Öffnung und einer zweiten Öffnung durch den Druckmittlerkörper erstreckt, wobei die erste Öffnung mit einer Trennmembrane verschlossen ist, die mit einem ersten Druck eines Mediums beaufschlagbar ist, um den ersten Druck in den ersten Pfad einzuleiten, wobei der erste Pfad mit der Übertragungsflüssigkeit gefüllt ist und an einer der zweiten Öffnungen in der Druckkammer mündet, so dass die durch den Absolutdruckmesswandler ermittelte Absolutdruckgröße den ersten Druck repräsentiert und ferner der Relativdruckmesswandler auf einer ersten Messmembranseite der ersten Messmembran mit dem ersten Druck beaufschlagt ist, wobei eine zweite Messmembranseite der ersten Messmembran über einen zweiten druckkommunizierenden Pfad mit einem Umgebungsdruck beaufschlagt ist, so dass die Verformung der ersten Messmembran die Relativdruckgröße zwischen dem ersten Druck und dem Umgebungsdruck repräsentiert;
- - eine Signalverarbeitungseinheit, die dazu eingerichtet ist, anhand der Absolutdruckgröße und der Relativdruckgröße eine unerwünschte Änderung des Umgebungsdrucks festzustellen.
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Erfindungsgemäß wird ein Drucksensor vorgeschlagen, der neben dem Relativdruckmesswandler, der einen Prozessdruck gegenüber einem Umgebungsdruck misst, auch einen Absolutdruckmesswandler, der nur den Prozessdruck misst, umfasst, umso eine ungewollte Raumdruckänderung, bspw. bei einer Verpuffung, einen Druckabfall eines Laderaums eines Flugzeuges oder einer Überschwemmung eines Schiffsraumes festzustellen bzw. zu detektieren.
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Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass bei einer Änderung des Umgebungsdrucks, sich nur die durch den Relativdruckmesswandler erfasste Relativdruckgröße verändert, wohingegen die durch den Absolutdruckmesswandler erfasste Absolutdruckgröße des Prozessdruckes gleichbleibend ist. Somit kann eine Signalverarbeitungseinheit anhand der beiden Druckgrößen feststellen, ob eine ungewollte oder sogar gefährliche Änderung des Raumdruckes stattfindet.
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Hierzu kann die Signalverarbeitungseinheit beispielsweise dazu eingerichtet sein, kontinuierlich zu überprüfen, ob folgende Gleichung erfüllt ist:
wobei Prel die Relativdruckgröße des Relativdruckmesswandlers, Pabs die Absolutdruckgröße des Absolutdruckmesswandlers und α ein Anpassungs- oder Kalibrierungskoeffizient darstellen.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Drucksensors kann vorsehen, dass die Signalverarbeitungseinheit ferner dazu eingerichtet ist, eine Änderung des Umgebungsdrucks (
p2) festzustellen, wenn
wobei Prd ein der Signalverarbeitungseinheit zugänglich gemachter, bspw. abgespeicherter, ortsüblicher Raumdruck ist und L[%] eine Änderung des ortsüblichen Luftdrucks über die Jahreszeiten, Wetterstand, Temperatur usw.. in Prozent, wobei im Normalbetrieb vorzugsweise gilt, dass P2 = Prd.
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L[%] kann beispielsweise ca. 0,5% bei einem ortsüblichen Raumdruck von 1013 hPa (ca. 1 bar) und einer maximalen Änderung von ca. 5h Pa durch die Jahreszeiten und/oder Wetterbedingungen sein.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Drucksensors kann vorsehen, dass der Absolutdruckmesswandler eine zweite Messmembran aufweist, der an einer ersten Membranseite ebenfalls der erste Druck zugeführt ist und der an einer zweiten Membranseite ein Vakuum anliegt, wobei der Absolutdruckmesswandler ferner eine zweite Schaltung zum Wandeln einer druckabhängigen Verformung der zweiten Messmembran in eine der Signalverarbeitungseinheit zugeführt Absolutdruckgröße aufweist.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Drucksensors kann vorsehen, dass die Ausgestaltung vorsehen, dass der Absolutdruckmesswandler und/oder der Relativdruckmesswandler auf Halbleiter-Chips, insbesondere Silizium-Chips ausgebildet ist bzw. sind.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Drucksensors kann vorsehen, dass die Ausgestaltung vorsehen, dass der Absolutdruckmesswandler auf einem separaten Halbleiter-Chip, insbesondere Silizium-Chip zu dem Relativdruckmesswandler ausgebildet ist. Insbesondere kann die Ausgestaltung vorsehen, dass der Absolutdruckmesswandler auf einem separaten Halbleiter-Chip, insbesondere Silizium-Chip zu dem Relativdruckmesswandler ausgebildet ist.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Drucksensors kann vorsehen, dass der Absolutdruckmesswandler ein kapazitiver Absolutdruckmesswandler ist.
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Eine alternative Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Drucksensors kann vorsehen, dass der Absolutdruckmesswandler auf einer piezoelektrischen Schicht basiert.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
- 1: einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drucksensors zum Bestimmen einer Differenzdruckgröße.
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1 zeigt einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drucksensors 1. Dieser umfasst einen Druckmittler 30 mit einem aus mehreren Teilen aufgebauten Druckmittlerkörper 31a, 31b, 31c und einen Relativdruckmesswandler 20 sowie einen Absolutdruckmesswandler 70.
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Die beiden Druckmesswandler sind aus einem Halbleitermaterial, insb. Silizium ausgebildet, und können insb. separat voneinander als jeweils eigenständige Sensorelemente ausgebildet sein.
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Der Druckmittlerkörper 31a, 31b, 31c umfasst einen im Wesentlichen massiven Block 31a aus einem Metall, insbesondere aus einem Stahl oder Edelstahl, und einen Trägerkörper 31b der als Träger für die beiden Druckmeswandler 20, 70 dient. Der massive Block 31a weist auf einer Seitenfläche eine Trennmembran 37a auf. Die Trennmembran 37 schließt eine außenseitlich in den massiven Block integrierte Druckempfangskammer 38a ab. Im eigentlichen Messbetrieb wirkt auf die von dem massiven Block 31a abgewandte Seite der Trennmembrane 37a ein von einem Medium stammender Prozessdruck p1.
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Der Prozessdruck p1 wird über einen ersten druckkommunizierenden Pfad 34a zu dem Relativdruckmesswandler 20 geführt. Hierzu ist der erste druckkommunizierende Pfad 34a mit einer Druckübertragungsflüssigkeit gefüllt, sodass dieser im Folgenden auch als hydraulischer Pfade bezeichnet wird. Der erste hydraulische Pfad 34a erstreckt sich von einer ersten Öffnung 35a der Druckempfangskammer 38a durch den massiven Block 31a über ein Kapillarrohrsystem 31c zu einer zweiten Öffnung 36a. Über die zweite Öffnung 36a mündet der erste hydraulische Pfad 34a in einer in dem Trägerkörper 31b integrierten Druckkammer 32, die den Prozessdruck p1 einer Vorderseite 21a einer ersten Messmembran 21 des Relativdruckmesswandlers 20 zuführt. Sowohl die Druckkammer 32 als auch der erste hydraulische Pfad 34a sind zum Übertragen des entsprechenden Drucks mit einer Übertragungsflüssigkeit 39 gefüllt.
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Um das Volumen der Übertragungsflüssigkeit 39 in der Druckkammer 32 möglichst gering zu halten, weist der Drucksensor 1 ferner einen in die Druckkammer 32 eingebrachten Füllkörper 33 auf. Durch den Füllkörper 33 werden Hohlräume zwischen Wänden der Druckkammer und den Druckmesswandlern 20, 70, die jeweils in eine Aussparung des Füllkörpers 33 eingelassen sein können, ausgefüllt.
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Ein zweiter druckkommunizierender Pfad 34b erstreckt sich von einer weiteren zweiten Öffnung 36b in dem Trägerkörper 31 b über ein Kapillarrohrsystem 31c durch den massiven Block zu einer weiteren ersten Öffnung 35b. Die weitere zweite Öffnung 36b ist dabei derartig in dem Trägerkörper 31b vorgesehen, dass ein über den zweiten druckkommunizierenden Pfad 34b übertragene zweite Druck p2 einer Rückseite 21b der ersten Messmembran 21 des Differenzdruckmesswandlers 20 zugeführt ist. Das Kapillarrohrsystem 31c ist derartig ausgebildet, dass es mit der weiteren ersten Öffnung 35b in einer Umgebung einer Messstelle, in die der Druckmittler zum Steuern/Überwachen eines Prozesses eingebaut ist, mündet, sodass dem Drucksensor als zweiter Druck ein Umgebungsdruck p2 zugeführt wird.
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Durch den an der Vorderseite 21a der ersten Messmembran 21 anliegenden Prozessdruck p1 und den an der Rückseite 21b der ersten Messmembran 21 anliegenden Umgebungsdruck p2 erfährt die erste Messmembran 21 eine druckabhängige Auslenkung. Die druckabhängige Auslenkung kann wiederum beispielsweise durch in der ersten Messmembran 21 integrierte piezoresistive Elemente messtechnisch erfasst werden, so dass eine Relativdruckgröße durch eine erste Schaltung 22 zum Wandeln der druckabhängigen Auslenkung bestimmbar ist. Alternativ können statt der piezoresistiven Elemente auch kapazitive Elemente zum messtechnischen Erfassen der druckabhängigen Auslenkung eingesetzt werden.
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Über die Druckkammer 32 wird ferner der Prozessdruck p1 auch an eine Vorderseite 71a einer zweiten Messmembran 71 des Absolutdruckmesswandlers geführt. An einer Rückseite der zweiten Messmembran grenzt eine Druckkammer (Vakuumkammer) an, die durch die zweite Messkammer abgeschlossen wird, so dass die zweite Messmembran eine vom Prozessdruck p1 abhängige Auslenkung erfährt, welche wiederum messtechnisch durch eine zweite Schaltung 72 erfasst werden kann, um eine Absolutdruckmessgröße zu bestimmen. Der Absolutdruckmesswandler misst somit nur den Prozessdruck (unabhängig von dem Umgebungsdruck).
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Der Drucksensor 1 weist ferner eine Signalverarbeitungseinheit 80 auf, der die durch den jeweiligen Druckmesswandler erfassten Druckgröße (Prozessdruck und Umgebungsdruck) zugeführt ist. Die Signalverarbeitungseinheit 80 kann beispielsweise einen Mikroprozessor umfassen. Die Druckgrößen können über elektrische Leitungen 81 von der ersten und zweiten elektrischen Schaltung zu der Signalverarbeitungseinheit 80 geführt sein.
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Die Signalverarbeitungseinheit 80 ist dazu eingerichtet, eine Änderung des Umgebungsdrucks p2 anhand der Absolutdruckgröße und der Relativdruckgröße festzustellen.
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Beispielsweise kann die Signalverarbeitungseinheit dazu eingerichtet sein, kontinuierlich zu überprüfen, ob folgende Gleichung erfüllt ist:
wobei Prel die Relativdruckgröße des Relativdruckmesswandlers, Pabs die Absolutdruckgröße des Absolutdruckmesswandlers und α ein Anpassungs- oder Kalibrierungskoeffizient darstellen.
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Die Signalverarbeitungseinheit
80 kann ferner dazu eingerichtet sein, eine Änderung des Umgebungsdrucks festzustellen, wenn gilt:
wobei Prd ein der Signalverarbeitungseinheit zugänglich gemachter, bspw. abgespeicherter, ortsüblicher Raumdruck ist und L[%] eine Änderung des ortsüblichen Luftdrucks über die Jahreszeiten, Wetterstand, Temperatur usw.. in Prozent, wobei im Normalbetrieb vorzugsweise gilt, dass P2 = Prd.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Drucksensor
- 20
- Relativdruckmesswandler
- 21
- Erste Messmembran
- 21a
- Erste Seite der ersten Messmembran
- 21b
- Zweite Seite der ersten Messmembran
- 22
- Erste Schaltung zum Wandeln der druckabhängigen Verformung der ersten Messmembran in eine Differenz- oder Relativdruckgröße
- 30
- Druckmittler
- 31a
- Massiver Block des Druckmittlerkörpers
- 31b
- Trägerkörper
- 31c
- Kapillarrohrsystem
- 32
- Druckkammer
- 33
- Füllkörper
- 34a
- Erster druckkommunizierender bzw. hydraulischer Pfad
- 34b
- Zweiter druckkommunizierender Pfad
- 35a, 35b
- Erste Öffnung
- 36a, 36b
- Zweite Öffnung
- 37a
- Trennmembrane
- 38a
- Druckempfangskammer
- 39
- Druckübertragungsflüssigkeit
- 70
- Absolutdruckmesswandler
- 71
- Zweite Messmembran
- 71a
- Erste Seite der zweiten Messmembran
- 71b
- Zweite Seite der zweiten Messmembran
- 72
- Zweite Schaltung zum Wandeln der druckabhängigen Verformung der Messmembran in eine Absolutdruckgröße
- 80
- Signalverarbeitungseinheit
- 81
- Elektrische Leitungen
- p1
- Prozessdruck
- p2
- Umgebungsdruck
