DE102020132687A1

DE102020132687A1 - Druckmessaufnehmer

Info

Publication number: DE102020132687A1
Application number: DE102020132687.4A
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: 2020-12-08
Filing date: 2020-12-08
Publication date: 2022-06-09
Also published as: CN116670481A; US20240019329A1; EP4260034A1; WO2022122397A1

Abstract

Es ist ein Druckmessaufnehmer, insb. ein überlastfester Druckmessaufnehmer, zur Messung eines Drucks (p) beschrieben, der einen in einem Innenraum (3) eines Sensorgehäuses (1) angeordneten Drucksensor (5) umfasst, der durch eine Öffnung (7) des Sensorgehäuses (1) hindurch mit einem unter dem zu messenden Druck (p) stehenden Medium beaufschlagbar ist, und mit dem große Drücke, insb. auch Drücke von bis zu 1000 bar, eines unter dem zu messenden Druck stehenden Mediums, insb. eines wasserstoffhaltigen Mediums, mit hoher Messgenauigkeit gemessen werden können. Dieser Druckmessaufnehmer zeichnet sich dadurch aus, dass der Drucksensor (5) auf in den Innenraum (3) hineinragenden, im Innenraum (3) freistehenden Anschlusselementen (9) derart montiert ist, dass der Drucksensor (5) allseitig dem im Innenraum (3) herrschenden Druck (p) ausgesetzt ist, zwei unter Einschluss einer Druckkammer (11) miteinander verbundene, jeweils durch den darauf einwirkenden Druck (p) verformbare keramische Messkörper (13, 15, 13', 15') umfasst, und einen elektromechanischen Wandler umfasst, der eine von einer Summe der druckabhängigen Verformungen beider Messkörper (13, 15, 13', 15') abhängige mechanische Größe in eine messtechnisch erfassbare elektrische Messgröße umwandelt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Druckmessaufnehmer zur Messung eines Drucks mit einem Drucksensor, wobei der Drucksensor in einem Innenraum eines Sensorgehäuses angeordnet ist und durch eine Öffnung des Sensorgehäuses hindurch mit einem unter dem zu messenden Druck stehenden Medium beaufschlagbar ist.
Druckmessaufnehmer werden insb. in der Mess- und Regeltechnik, sowie auch in der Prozessautomatisierung zur Messung von Drücken eingesetzt.
Druckmessaufnehmer lassen sich in zwei Gruppen unterteilen. Eine Gruppe umfasst Druckmessaufnehmer, deren Drucksensor unmittelbar mit einem zu messenden Druck beaufschlagbar ist. Diese Druckmessaufnehmer umfassen keramische Drucksensoren mit einem starren Grundkörper und einer unter Einschluss einer Druckkammer auf dem Grundkörper angeordneten, durch einen darauf einwirkenden Druck verformbaren Messmembran. Keramische Drucksensoren sind aufgrund der hohen chemischen und mechanischen Beständigkeit von Keramik unmittelbar dem unter dem zu messenden Druck stehende Medium aussetzbar. Die andere Gruppe umfasst Druckmessaufnehmer, deren Drucksensor über einen dem Drucksensor vorgeschalteten Druckmittler mit dem zu messenden Druck beaufschlagt wird. Druckmittler umfassen eine außenseitlich mit Druck beaufschlagbare Trennmembran, unter der eine mit einer Druck übertragenden Flüssigkeit befüllte Druckempfangskammer eingeschlossen ist. An die Druckempfangskammer ist eine ebenfalls mit der Flüssigkeit befüllte Druckübertragungsleitung angeschlossen, über die der Druck auf den Drucksensor übertragen wird.
Es gibt Anwendungen, bei denen das unter dem zu messenden Druck stehende Medium Wasserstoff enthält. Beispiele hierfür sind Anwendungen in der chemischen Industrie, in der Halbleiterindustrie, sowie in steigendem Umfang auch Anwendungen in Verbindung mit der Nutzung erneuerbarer Energiequellen. Letztere umfassen z.B. Anwendungen in Verbindung mit der Erzeugung von Wasserstoff durch Elektrolyse von Wasser, der Lagerung von Wasserstoff in Wasserstofftanks, der Abfüllung von Wasserstoff, sowie in Verbindung mit der Erzeugung von Energie mittels Brennstoffzellen, wie sie z.B. in der Fahrzeugindustrie, insb. in Automobilen, Bussen, Lastkraftwagen und in Zügen, eingesetzt werden. In diesen Anwendungen können unter Umständen auch sehr große zu messenden Drücke auftreten.
Bei Druckmittlern mit metallischen Trennmembranen, wie z.B. Edelstahl-Trennmembranen, besteht regelmäßig das Problem, dass im Medium enthaltener Wasserstoff durch die Trennmembran hindurch diffundieren kann. In den Druckmittler eindringender Wasserstoff führt zu einer Veränderung der Druckübertragungseigenschaften des Druckmittlers, die wiederum einen entsprechenden Messfehler von unter Verwendung des Druckmittlers ausgeführten Druckmessungen zur Folge hat. Darüber hinaus führt in metallische Trennmembranen eindringender Wasserstoff regelmäßig zu einer Versprödung der Trennmembranen, die wiederum eine erhebliche Verschlechterung der mechanischen Stabilität zur Folge hat. Auf die Versprödung zurückzuführende Risse oder sogar ein Membranbruch der Trennmembran führen zum Ausfall des Druckmittlers und unter Umständen auch zu einer Kontamination des unter dem zu messenden Druck stehenden Mediums mit der Druck übertragenden Flüssigkeit.
Diesem Problem kann mittels einer auf die Außenseite der Trennmembran aufgebrachten, als Wasserstoffdiffusionssperre ausgebildeten Schicht, wie z.B. einer Goldschicht oder einer Gold-Rhodium Schicht, entgegen gewirkt werden. Als weitere Alternative ist in der DE 10 2006 056 173 A1 ein Druckmittler mit einer Trennmembran aus Edelstahl beschrieben, auf deren Außenseite eine Schicht aus Aluminiumoxid angeordnet ist. Aluminiumoxid weist einen Wasserstoffdiffusionskoeffizienten auf, der deutlich geringer ist als die Wasserstoffdiffusionskoeffizienten metallischer Schichten. Entsprechend wirkt die Schicht aus Aluminiumoxid als hochwirksame Wasserstoffdiffusionssperre.
Unabhängig von der Wahl des Schichtmaterials kann jedoch nicht völlig ausgeschlossen werden, dass mit der Zeit, insb. durch unsachgemäße Behandlung, punktuelle Beschädigungen oder sogar Risse in der Schicht auftreten können, die deren Funktion als Wasserstoffdiffusionssperre beeinträchtigen.
Insoweit bilden vollständig aus Keramik bestehende Messmembranen von keramischen Drucksensoren aufgrund der geringen Wasserstoffdiffusionsrate in Keramik einen deutlich besseren und langlebigeren Schutz vor Wasserstoffdiffusion. Keramische Drucksensoren werden üblicher Weise derart in einem Sensorgehäuse eingespannt, dass ausschließlich deren Messmembran durch eine Öffnung des Sensorgehäuses hindurch mit dem unter dem zu messenden Druck stehenden Medium beaufschlagbar ist. Um zu verhindern, dass sich durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des metallischen Sensorgehäuses und des keramischen Drucksensors bedingte thermomechanische Spannungen nachteilig auf die erzielbare Messgenauigkeit auswirken, wird hierzu üblicher Weise eine Einspannvorrichtung eingesetzt, in der ein äußerer Rand des Drucksensors unter Zwischenfügung einer den Innenraum des Sensorgehäuses gegenüber dem Medium abdichtenden Dichtung derart im Sensorgehäuse eingespannt wird, dass die Messmembran durch eine Öffnung des Sensorgehäuses hindurch mit dem unter dem zu messenden Druck stehenden Medium beaufschlagbar ist. Ein Beispiel hierzu ist in der DE 103 34 854 A1 beschrieben.
Der Druckmessbereich dieser Druckmessaufnehmer ist jedoch aufgrund der Verformbarkeit der Dichtungen und der mit steigendem zu messendem Druck ansteigenden Größe der zur Einspannung des Drucksensors erforderlichen Einspannkräfte begrenzt. So können z.B. sehr große auf einen O-Ring einwirkende Kräfte dazu führen, dass Dichtungsmaterial des O-Rings irreversibel in einen den Drucksensor im Sensorgehäuse umgebenden Spalt extrudiert, was letztendlich zum Versagen der Dichtung führt. Entsprechend können mit diesen Druckmessaufnehmern in der Regel nur Drücke in einem Druckmessbereich von kleiner gleich 100 bar gemessen werden. Durch besondere Vorkehrungen, insb. bezüglich der Einspannung, sind unter Umständen auch größere Drücke, z.B. Drücke von bis zu 400 bar, messbar.
Ein weiteres Problem besteht darin, dass zur Abdichtung des Innenraums des Sensorgehäuses gegenüber dem auf die Messmembran einwirkenden Medium einsetzbare Dichtungsmaterialien, wie z.B. Elastomere oder Thermoplaste, nicht diffusionsdicht sind. Das bedeutet, dass in dem Medium enthaltener Wasserstoff nahezu ungehindert in den Innenraum des Sensorgehäuses eindringen kann. Das ist insb. bei in explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzten Druckmessaufnehmern aus Explosionsschutzgründen unerwünscht oder sogar unzulässig.
Dem Problem der Diffusionsdichtheit kann dadurch begegnet werden, dass der Drucksensor mittels einer diffusionsdichten Fügung im Sensorgehäuse montiert wird. Ein Beispiel hierzu ist in der Deutschen Patentanmeldung DE 10 2018 123041 A beschrieben. Der dort beschriebene Druckmessaufnehmer umfasst einen keramischen Drucksensor, der in einem Innenraum eines Sensorgehäuses angeordnet ist, und durch eine Öffnung des Sensorgehäuses hindurch mit einem unter dem zu messenden Druck stehenden Medium beaufschlagbar ist.
Bei diesem Druckmessaufnehmer ist das Sensorgehäuse ein Träger aus Titan, der einen freistehenden, rohrförmigen, parallel zur Flächennormale auf die Messmembran verlaufenden Trägerbereich umfasst. Ein Ausführungsbeispiel sieht vor, dass der der Öffnung gegenüberliegende Endbereich des Trägers eine endseitig an den rohrförmigen Trägerbereich anschließende, sich radial nach innen erstreckende Schulter aufweist. Bei dieser Variante ist ein äußerer Rand einer der Schulter zugewandten Stirnseite eines unter Einschluss einer Druckkammer mit einer Messmembran verbundenen, starren Grundkörpers mittels einer diffusionsdichten Fügung mit einem von dem rohrförmigen Trägerbereich beabstandeten, inneren Randbereich der Schulter verbunden. Ein der Schulter gegenüberliegender Endbereich des Trägers ist mit einem Prozessanschluss aus Edelstahl verbunden, über den der Innenraum des Träger mit dem zu messenden Druck beaufschlagbar ist. Dabei dient der rohrförmige Trägerbereich der thermomechanischen Entkopplung von Drucksensor und Prozessanschluss. Hierzu weist er vorzugsweise eine geringe Wandstärke von 1 mm bis 2 mm auf.
Der Druckmessbereich dieses Druckmessaufnehmers ist jedoch auf geringe Drücke, wie z.B. Drücken von kleiner gleich einem Bar, begrenzt. Ein Grund hierfür ist die begrenzte Druckfestigkeit der ringförmigen, nur außenseitlich dem zu messenden Druck ausgesetzten Fügung.
Grundsätzlich ist es möglich, keramische Drucksensoren mit einem starren Grundkörper und einer unter Einschluss einer Druckkammer auf dem Grundkörper montierten Messmembran durch eine entsprechende Dimensionierung derart auszubilden, dass damit auch sehr große Drücke, wie z.B. Drücke von größer gleich 400 bar, gemessen werden können. Damit der Drucksensor darüber hinaus auch zumindest kurzfristig, die Messbereichsobergrenze des Drucksensors übersteigenden Überlasten standhalten kann, sollte deren Membrandicke größer sein, als das für Druckmessungen innerhalb des Druckmessbereichs erforderlich ist. Eine solche überdimensionierte Membrandicke führt jedoch bei einer Druckbeaufschlagung der Messmembran mit innerhalb des Druckmessbereichs liegenden Drücken zwangsläufig zu einer Verringerung der häufig auch als Membranhub bezeichneten druckabhängigen Verformung der Messmembran. Entsprechend geht die durch die Vergrößerung der Membrandicke hinzugewonnene Überlastfestigkeit zulasten der innerhalb des Druckmessbereichs erzielbaren Druckmessgenauigkeit.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung einen Druckmessaufnehmer, insb. eine überlastfesten Druckmessaufnehmer, anzugeben, mit dem große Drücke, insb. auch Drücke von bis zu 1000 bar, eines unter dem zu messenden Druck stehenden Mediums, insb. eines wasserstoffhaltigen Mediums, mit hoher Messgenauigkeit gemessen werden können.
Hierzu umfasst die Erfindung einen Druckmessaufnehmer zur Messung eines Drucks mit einem Drucksensor, wobei der Drucksensor in einem Innenraum eines Sensorgehäuses angeordnet ist und durch eine Öffnung des Sensorgehäuses hindurch mit einem unter dem zu messenden Druck stehenden Medium beaufschlagbar ist, der sich dadurch auszeichnet, dass der Drucksensor:

auf in den Innenraum hineinragenden, im Innenraum freistehenden Anschlusselementen derart montiert ist, dass der Drucksensor allseitig dem im Innenraum herrschenden Druck ausgesetzt ist,
zwei unter Einschluss einer Druckkammer miteinander verbundene, jeweils durch den darauf einwirkenden Druck verformbare Messkörper umfasst, und
einen elektromechanischen Wandler umfasst, der eine von einer Summe der druckabhängigen Verformungen beider Messkörper abhängige mechanische Größe in eine messtechnisch erfassbare elektrische Messgröße umwandelt.

Erfindungsgemäße Druckmessaufnehmer bieten aufgrund des im Innenraum im Wesentlichen isostatisch allseitig auf den Drucksensor und gleichermaßen außenseitlich allseitig auf die im Innenraum freistehenden, mit dem Drucksensor verbundenen Anschlusselemente einwirkenden Drucks den Vorteil, dass die mechanischen Verbindungen zwischen dem Drucksensor und den Anschlusselementen auch bei sehr hohen Drücken praktisch keinen nennenswerten oder nur sehr geringen Kräften ausgesetzt sind. Das ist insb. deshalb der Fall, weil dem außenseitlich auf eine Seite der Anschlusselemente, sowie der mechanischen Verbindungen einwirkenden Druck der auf die gegenüberliegende Seite des jeweiligen Anschlusselements bzw. der jeweiligen mechanischen Verbindung einwirkende Druck gleicher Größe entgegenwirkt. Dieser Druck wirkt gleichermaßen auch auf den Drucksensor, so dass auch durch den auf den Drucksensor einwirkenden Druck praktisch keine Zug- oder Scherbelastungen auf die mechanischen Verbindungen ausgeübt werden.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass bei entsprechender Dimensionierung der beiden miteinander verbundenen Messkörper auch sehr große Drücke, z.B. Drücke in einem Druckmessbereich von bis zu 1000 bar, oder sogar darüber gemessen werden können. Da der Drucksensor im Innenraum unmittelbar dem unter dem zu messenden Druck stehenden Medium ausgesetzt ist, wird die erzielbare Messgenauigkeit nicht durch das ggfs. druck- und temperaturabhängige Druckübertragungsverhalten eines dem Drucksensor vorgeschalteten Druckmittlers verschlechtert.
Zusätzlich bieten die beiden, jeweils durch den darauf einwirkenden Druck verformbaren Messkörper den Vorteil, dass die Druckmessung anhand der Summe der druckabhängigen Verformungen beider Messkörper erfolgt. Damit ist auch dann noch eine hohe Messgenauigkeit erzielbar, wenn die Dicke beider Messkörper jeweils derart bemessen ist, dass die Messkörper eine Messbereichsobergrenze eines Druckmessbereichs des Drucksensors übersteigenden Überlasten standhalten können. Alternativ kann natürlich auch eine höhere Messbereichsobergrenze angesetzt werden. In dem Fall reduziert sich die Überlastfestigkeit bezüglich der die höhere Messbereichsobergrenze übersteigenden Überlasten entsprechend.
Eine erste Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass
mindestens eines der Anschlusselemente oder jedes Anschlusselement jeweils als elektrisch leitfähige Anschlussleitung ausgebildet ist, deren Ende jeweils mittels einer elektrisch leitfähigen mechanischen Verbindung mit einem zugehörigen, jeweils auf einer Außenseite des Drucksensors angeordneten, elektrischen Anschluss des Drucksensors verbunden ist, und
jedes als Anschlussleitung ausgebildetes Anschlusselement jeweils durch eine in eine Gehäusewand des Sensorgehäuses eingesetzte druckfeste Durchführung hindurch elektrisch isoliert gegenüber der Gehäusewand durch die Gehäusewand hindurch geführt ist.
Eine Weiterbildung der ersten Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass jede Durchführung jeweils: als wasserstoffdiffusionsdichte Durchführung ausgebildet ist, als keramische Durchführung oder als Glasdurchführung ausgebildet ist, und/oder als gegenüber eine Messbereichsobergrenze des Drucksensors übersteigenden Drücken, als gegenüber eine Überlastfestigkeit des Drucksensors übersteigenden Drücken und/oder als gegenüber Drücken von bis zu 1700 bar oder bis zu 2000 bar druckfeste Durchführung ausgebildet ist.
Eine Ausgestaltung der ersten Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass jede Durchführung jeweils in einem der Öffnung gegenüberliegenden Gehäusewandbereich des Sensorgehäuses angeordnet ist.
Eine zweite Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass das den Innenraum umgebende Sensorgehäuse: aus Metall oder Edelstahl besteht, wasserstoffdiffusionsdicht ist, und/oder als gegenüber eine Messbereichsobergrenze des Drucksensors übersteigenden Drücken, als gegenüber eine Überlastfestigkeit des Drucksensors übersteigenden Drücken und/oder als gegenüber Drücken von bis zu 2000 bar druckfestes Sensorgehäuse ausgebildet ist.
Eine dritte Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass der Drucksensor mit einem Ende eines jeden Anschlusselements jeweils mittels einer mechanischen Verbindung, mittels einer mechanischen, elektrisch leitfähigen Verbindung oder einer als Lötung ausgebildeten Verbindung derart verbunden ist, dass die Verbindung außenseitlich allseitig dem im Innenraum herrschenden Druck ausgesetzt ist.
Eine vierte Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass die Anschlusselemente: als gerade, gebogene oder eine andere Formgebung aufweisende stabförmige Elemente ausgebildet sind, eine im Innenraum freistehende Länge von 1 mm bis 10 mm aufweisen, einen Durchmesser von 0,25 mm bis 3 mm und/oder eine Querschnittsfläche von 0,05 mm² bis 7 mm² aufweisen, als metallische Anschlusselemente ausgebildet sind, aus Kovar^®, Edelstahl, Nickel, Kupfer, einer Nickel-Eisen-Legierung, einer Kupfer-Nickel-Legierung, Molybdän, Alumel^® oder Constantan bestehen, und/oder von einer Ummantelung oder einer Isolation umgeben sind.
Eine fünfte Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass
der Drucksensor als Absolutdrucksensor ausgebildet ist, der den auf die beiden Messkörper einwirkenden Druck als Absolutdruck gegenüber einem in der Druckkammer herrschenden Innendruck, einem als Vakuumdruck ausgebildeten Innendruck oder einem Innendruck in der Größenordnung von 1 bar messtechnisch erfasst, und
die beiden Messkörper über eine druckfeste Verbindung oder eine druckfeste und wasserstoffdiffusionsdichte Verbindung miteinander verbunden sind, wobei die Verbindung die Druckkammer außenseitlich allseitig umgibt.
Weitere Weiterbildungen zeichnet sich dadurch aus, dass
die beiden Messkörper aus Glas bestehen und über eine die Druckkammer außenseitlich allseitig umgebende Verbindung oder eine die Druckkammer außenseitlich allseitig umgebende, einen Glasring und/oder eine Glaslötung umfassende Verbindung miteinander verbunden sind, oder
die beiden Messkörper aus Metall oder Edelstahl bestehen und über eine die Druckkammer außenseitlich allseitig umgebende Verbindung oder eine die Druckkammer außenseitlich allseitig umgebende, eine Schweißung umfassende Verbindung miteinander verbunden sind, oder
die beiden Messkörper aus Keramik bestehen und über eine die Druckkammer außenseitlich allseitig umgebende Verbindung miteinander verbunden sind, wobei die Verbindung:

als Aktivhartlötung oder als Glaslötung ausgebildet ist, oder
einen Ring oder einen als Keramikring ausgebildeten Ring umfasst, wobei der Ring:
- entweder mit jedem der beiden Messkörper jeweils über eine wasserstoffdiffusionsdichte Fügung oder eine als mittels eines Laserschweißverfahrens erzeugte Schweißung ausgebildete Fügung wasserstoffdiffusionsdicht verbunden ist,
- oder als Bestandteil eines der beiden Messkörper ausgebildet ist und mit dem anderen Messkörper über eine wasserstoffdiffusionsdichte Fügung oder eine als mittels eines Laserschweißverfahrens erzeugte Schweißung ausgebildete Fügung wasserstoffdiffusionsdicht verbunden ist.

Eine sechste Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass der Wandler des Drucksensors über die Anschlusselemente an eine außerhalb des Sensorgehäuses angeordnete Sensorelektronik angeschlossen ist, die dazu ausgebildet ist ein einen mittels des Drucksensors messtechnisch erfassten Druck wiedergebendes Messsignal zur Verfügung zu stellen.
Eine siebte Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass
der Wandler eine auf einer Innenseite eines der beiden Messkörper angeordnete Messelektrode umfasst, die zusammen mit einer auf einer diesem Messkörper zugewandten Innenseite des anderen Messkörpers angeordneten Gegenelektrode einen Kondensator mit einer von der Summe der druckabhängigen Verformungen beider Messkörper abhängigen Messkapazität bildet, und
die Messelektrode und die Gegenelektrode jeweils über eine durch einen der beiden Messkörper hindurch verlaufende Anschlussleitung oder einen durch einen der beiden Messkörper hindurch verlaufenden Kontaktstift elektrisch leitend mit einem auf einer Außenseite des Drucksensors angeordneten Anschluss verbunden ist.
Eine Weiterbildung der siebten Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass der elektrisch leitend mit der auf der Innenseite eines der beiden Messkörper angeordneten Gegenelektrode verbundene Kontaktstift: durch den der Gegenelektrode gegenüberliegenden, anderen Messkörper hindurch verläuft, und entweder über eine die beiden Messkörper miteinander verbindende elektrisch leitfähige Verbindung elektrisch leitend mit der Gegenelektrode verbunden ist, oder sich durch eine die beiden Messkörper miteinander verbindende Verbindung hindurch bis zu einem Bereich der Gegenelektrode erstreckt, der an eine von dem den Kontaktstift umgebenden Messkörper abgewandte Stirnseite der Verbindung angrenzt.
Eine achte Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass die Messkörper aus Keramik, aus Glas, aus Metall oder aus Edelstahl bestehen.
Eine weitere Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass der Drucksensor dazu ausgebildet ist, Drücke in einem Druckmessbereich von größer gleich 400 bar und/oder von kleiner gleich 1000 bar zu messen, und/oder der Drucksensor als gegenüber eine Messbereichsobergrenze des Drucksensors übersteigenden Überlasten von bis zu 1800 bar oder bis zu 5500 bar überlastfester Drucksensor ausgebildet ist.
Eine weitere Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass die Messkörper jeweils als im Wesentlichen scheibenförmige oder als baugleiche im Wesentlichen scheibenförmige Messkörper ausgebildet sind, die jeweils eine Grundfläche von 200 mm² bis 1300 mm² und/oder eine Dicke von 5 mm bis 10 mm aufweisen.
Die Erfindung und deren Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in der zwei Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher erläutert. Gleiche Komponenten sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen. Um Komponenten sehr unterschiedlicher Größe darstellen zu können, wurde auf eine maßstabsgetreue Darstellung verzichtet.

1 zeigt: einen Druckmessaufnehmers;
2 zeigt: eine alternative Ausgestaltung einer Verbindung der beiden Messkörper von 1;
3 zeigt: eine Innenseite eines der Messkörper von 1;
4 zeigt: einen weiteren Druckmessaufnehmer; und
5 zeigt: einen metallischen Drucksensor.

1 zeigt einen Druckmessaufnehmer mit einem Sensorgehäuse 1 und einem in einem Innenraum 3 des Sensorgehäuses 1 angeordneten Drucksensor 5. Der Drucksensor 5 ist durch eine Öffnung 7 des Sensorgehäuses 1 hindurch mit einem unter dem zu messenden Druck p stehenden Medium beaufschlagbar.
Darüber hinaus ist der Drucksensor 5 im Innenraum 3 auf in den Innenraum 3 hineinragenden, im Innenraum 3 freistehenden Anschlusselementen 9 derart montiert, dass der Drucksensor 5 allseitig dem im Innenraum 3 herrschenden Druck p ausgesetzt ist.
Der Drucksensor 5 umfasst zwei unter Einschluss einer Druckkammer 11 miteinander verbundene, jeweils durch den darauf einwirkenden Druck p verformbare Messkörper 13, 15. 1 zeigt als ein Beispiel zwei im Wesentlichen baugleiche, scheibenförmige Messkörper 13, 15 gleicher Dicke d. Dieser in hohem Maß symmetrische Sensoraufbau bietet den Vorteil, dass beide Messkörper 13, 15 gleichermaßen zur Überlastfestigkeit des Drucksensors 5 beitragen, so dass bei entsprechender Dimensionierung beider Messkörper 13, 15 eine entsprechend höhere Überlastfestigkeit des Drucksensors 5 erzielbar ist. Alternativ können aber auch innerhalb des Druckmessbereichs des Druckmessaufnehmers jeweils druckabhängig verformbare Messkörper unterschiedlicher Dicke eingesetzt werden.
Der in 1 als Beispiel dargestellte Drucksensor 5 ist als keramischer Drucksensor ausgebildet. Als Keramik des Drucksensors 5 eignet sich z.B. eine Oxidkeramik, wie z.B. Aluminiumoxid (Al₂O₃), wobei beide Messkörper 13, 15 vorzugsweise aus der gleichen Keramik bestehen.
Unabhängig von der diesbezüglichen Ausgestaltung der Messkörper 13, 15 umfasst der Drucksensor 5 einen elektromechanischen Wandler, der eine von einer Summe der druckabhängigen Verformungen beider Messkörper 13, 15 abhängige mechanische Größe in eine messtechnisch erfassbare elektrische Messgröße umwandelt.
Diese elektrische Messgröße ist z.B. mittels einer an den Wandler anschließbaren oder angeschlossenen Sensorelektronik 17 messtechnisch erfassbar und in ein den messtechnisch erfassten Druck wiedergebendes Messsignal umwandelbar. Dabei kann die Sensorelektronik 17 wahlweise entweder innerhalb oder, wie in 1 dargestellt, außerhalb des Innenraums 3 des Sensorgehäuses 1 angeordnet sein oder werden. Eine Anordnung der Sensorelektronik 17 außerhalb des Sensorgehäuses 1 bietet den Vorteil, dass die Sensorelektronik 17 nicht den im Sensorgehäuse 1 herrschenden Drücken ausgesetzt ist und somit keine entsprechend druckfeste Kapselung der Sensorelektronik 17 erforderlich ist.
1 zeigt als Beispiel einen kapazitiven Wandler, der eine auf einer Innenseite eines der beiden Messkörper 13 angeordnete Messelektrode 19 umfasst, die zusammen mit einer auf einer diesem Messkörper 13 zugewandten Innenseite des anderen Messkörpers 15 angeordneten Gegenelektrode 21 einen Kondensator mit einer von der Summe der druckabhängigen Verformungen beider Messkörper 13, 15 abhängigen Messkapazität C_p bildet. In dem Fall umfasst die Sensorelektronik 17 z.B. eine an den Kondensator angeschlossene Kapazitätsmessschaltung, die ein der gemessenen Messkapazität C_p entsprechendes Messsignal ausgibt. Optional kann der Wandler zusätzlich einen Referenzkondensator mit einer im wesentlichen druckunabhängigen Referenzkapazität Cref umfassen. 1 zeigt als Beispiel einen durch eine die Messelektrode 19 außenseitlich umgebende, von der Messelektrode 19 beabstandete Referenzelektrode 23 und die Gegenelektrode 21 gebildeten Referenzkondensator. In dem Fall entspricht das Messsignal einer anhand Messkapazität C_p und der Referenzkapazität Cref bestimmbaren, den messtechnisch erfassten Druck wiedergebenden Messgröße, wie z.B. einer als Produkt aus einer Konstanten k und einer Differenz der Kehrwerte der beiden Kapazitäten gemäß: f = k (C_p-C_ref)/ C_p bestimmbaren Messgröße. Diese Messgröße weist ein linearere Abhängigkeit vom zu messenden Druck p und eine geringere Temperaturabhängigkeit auf als die Messkapazität C_p.
Alternativ kann anstelle des hier dargestellten Wandlers auch ein anders ausgebildeter kapazitiver Wandler oder ein auf einem anderen Wandlerprinzip basierender Wandler, z.B. ein resistiver oder ein optischer Wandler, eingesetzt werden.
Erfindungsgemäße Druckmessaufnehmer weisen die eingangs bereits genannten Vorteil auf. Dabei können einzelne Komponenten des Druckmessaufnehmers jeweils unterschiedliche einzeln oder in Kombination miteinander einsetzbare Ausgestaltungen aufweisen.
Optional besteht das Sensorgehäuse 1 z.B. aus einem Metall, wie z.B. einem Edelstahl. Alternativ oder zusätzlich hierzu ist der Innenraum 3 des Sensorgehäuses 1 z.B. von einer wasserstoffdiffusionsdichten, druckfesten Gehäusewand 25 umgeben. Die Druckfestigkeit des Sensorgehäuses 1 ist umso höher, je größer die Wandstärke der Gehäusewand 25 ist. Optional kann die Druckfestigkeit zusätzlich durch die Formgebung der Gehäusewand 25 erhöht werden. Insoweit ist das Sensorgehäuse 1 z.B. als gegenüber eine Messbereichsobergrenze des Drucksensors 5 übersteigenden Drücken p, als gegenüber eine Überlastfestigkeit des Drucksensors 5 übersteigenden Drücken p und/oder als gegenüber Drücken p von bis zu 2000 bar druckfestes Sensorgehäuse 1 ausgebildet. Hierzu weist die Gehäusewand 25 vorzugsweise eine in Abhängigkeit von deren Geometrie und vom Material der Gehäusewand 25 vorgegebene Wandstärke auf, durch die eine der gewünschten Druckfestigkeit des Sensorgehäuses 1 entsprechende Druckfestigkeit gewährleistet ist. Eine die Überlastfestigkeit des Drucksensors 5 übersteigende Druckfestigkeit des Sensorgehäuses 1 bietet den Vorteil, dass das Sensorgehäuse 1 Drücken p standhalten kann, die zur Zerstörung des Drucksensors 5 führen. Hierdurch ist sichergestellt, dass diese extremen Überlasten nicht durch das Sensorgehäuse 1 hindurchschlagen können und somit auch keine Schäden außerhalb des Sensorgehäuses 1 bzw. in der Umgebung des Druckmessaufnehmers anrichten können.
Je größer die Wandstärke der Gehäusewand 25 ist, umso geringer ist auch die Wasserstoffdiffusionsrate, mit der im Innenraum 3 in dem Medium ggfs. enthaltener Wasserstoff durch die Gehäusewand 25 hindurch diffundieren kann. Entsprechend kann über eine entsprechende Bemessung der Wandstärke zugleich auch die gewünschte Wasserstoffdiffusionsdichtheit des Sensorgehäuses 1 sicher gestellt werden. Die durch eine entsprechende Dimensionierung der Wandstärke des Sensorgehäuses 1 erzielbare Wasserstoffdiffusionsdichtheit des Sensorgehäuses 1 bietet den Vorteil, dass ggfs. im Medium enthaltener Wasserstoff nicht durch das Sensorgehäuse 1 hindurch treten kann und somit auch keine Beeinträchtigungen außerhalb des Sensorgehäuses 1 verursachen kann.
Zur Druckbeaufschlagung kann der Druckmessaufnehmer z.B. einen Prozessanschluss 27, wie z.B. den in 1 dargestellten dort an das Sensorgehäuse 1 angeformten Flansch, umfassen, mittels dessen der Druckmessaufnehmer auf einem hierzu komplementären, am Einsatzort vorgesehenen, das Medium führenden Prozessanschluss montierbar ist. Alternativ sind aber auch andere aus dem Stand der Technik, bekannte zur Montage des Druckmessaufnehmers und/oder zur Druckbeaufschlagung des Innenraums 3 geeignete Prozessanschlussvarianten einsetzbar.
Des Weiteren ist der Drucksensor 5 z.B. als Absolutdrucksensor ausgebildet, der den auf die beiden Messkörper 13, 15 einwirkenden Druck p als Absolutdruck gegenüber einem in der Druckkammer 11 herrschenden Innendruck messtechnisch erfasst. Als Innendruck eignet sich insb. ein Vakuumdruck. In dem Fall ist die zwischen den Messkörpern 13, 15 eingeschlossene Druckkammer 11 evakuiert. Alternativ kann als Innendruck aber auch ein im Vergleich zu dem zu messenden Druck p geringer Innendruck, wie z.B. ein Innendruck in der Größenordnung von 1 bar, eingesetzt werden. Ein von der Größenordnung her einem Atmosphärendruck entsprechender Innendruck von 1 bar bietet den Vorteil, dass er fertigungstechnisch sehr viel leichter einstellbar ist, als ein Vakuumdruck. Im Unterschied zu Druckmessaufnehmern mit als Relativdrucksensor ausgebildetem Drucksensor ist in Absolutdrucksensoren keine durch die Gehäusewand 25 und einen der beiden Messkörper 13, 15 hindurch verlaufende Referenzdruckzufuhr zur Druckbeaufschlagung der Druckkammer 11 mit einem Referenzdruck erforderlich. Das bietet den Vorteil, dass bei entsprechender Druckfestigkeit des Sensorgehäuses 1 sogar eine zur Zerstörung des Drucksensors 5 führende Überlast nicht durch das Sensorgehäuse 1 hindurch schlagen kann.
Die beiden Messkörper 13, 15 sind z.B. mittels einer einen äußeren Rand des einen Messkörpers 13 mit einem äußeren Rand des anderen Messkörpers 15 verbindenden, die Druckkammer 11 außenseitlich allseitig umgebenden, druckfesten Verbindung 29 verbunden.
Als druckfeste Verbindung 29 eignet sich in Verbindung mit Messkörpern 13, 15 aus Keramik z.B. eine Aktivhartlötung, wie z.B. eine mittels eines Zirkonium-Nickel-Titan - Aktivhartlots erzeugte Aktivhartlötung.
Alternativ ist die Verbindung 29 z.B. als druckfeste und wasserstoffdiffusionsdichte Verbindung ausgebildet. Hierzu ist die Verbindung 29 z.B. als Glaslötung ausgebildet.
Als weitere Alternative kann die druckfeste und wasserstoffdiffusionsdichte Verbindung 29' der beiden Messkörper 13, 15 z.B. auf die in 2 dargestellte Weise dadurch erzielt werden, dass die beiden Messkörper 13, 15 über einen wasserstoffdiffusionsdichten Ring 31, wie z.B. einen Keramikring, miteinander verbunden sind, der mit beiden Messkörpern 13, 15 jeweils durch eine wasserstoffdiffusionsdichte Fügung 33, wie z.B. eine mittels eines Keramik-Schweißverfahren, wie z.B. dem Laserschweißen, hergestellte Schweißung, verbunden ist. Ein zum Laserschweißen keramischer Messkörper 13, 15 einsetzbares Laserschweißverfahren ist z.B. in der DE 10 2011 004 722 A1 beschrieben. Alternativ kann der Ring 31 als integraler Bestandteil eines der beiden Messkörper 13 oder 15 ausbildet sein, der mit dem anderen Messkörper 15 bzw. 13 durch die wasserstoffdiffusionsdichte Fügung 33 verbunden ist.
Die Ausgestaltung der Verbindung 29, 29' als wasserstoffdiffusionsdichte Verbindung ist insb. dann von Vorteil, wenn der Drucksensor 5 als Absolutdrucksensor ausgebildet ist, und der Druckmessaufnehmer zur Messung von Drücken von wasserstoffhaltigen Medien eingesetzt wird. Dort bietet sie in Kombination mit den vergleichsweise dicken und somit aufgrund der extrem geringen Wasserstoffdiffusionsrate von Wasserstoff in Keramik ebenfalls eine langzeitstabile, hochwertige Wasserstoffdiffusionssperre bildenden Messkörpern 13, 15 den Vorteil, dass ein hochwertiger, dauerhafter Schutz der Druckkammer 11 vor in die Druckkammer 11 eindringendem Wasserstoff gegeben ist. Das bietet den Vorteil, dass auch über sehr lange Zeiträume hinweg Drücke p von Wasserstoff enthaltenden Medien gemessen werden können, ohne dass die erzielbare Messgenauigkeit hierdurch beeinträchtigt wird.
Optional ist der Druckmessumformer dazu ausgebildet sehr große Drücke p, wie z.B. Drücke p von größer gleich 400 bar und/oder Drücke von bis zu 1000 bar oder sogar darüber, zu messen. Hierzu werden Grundfläche und Dicke d der beiden Messkörper 13, 15 vorzugsweise in Abhängigkeit vom Druckmessbereich, sowie ggfs. auch einer gewünschte Überlastfestigkeit des Drucksensors 5, bemessen. In Verbindung mit zu messenden Drücken p von bis zu 1000 bar weist jeder der beiden scheibenförmigen Messkörper 13, 15 z.B. jeweils eine Grundfläche von 200 mm² bis 1300 mm² und/oder eine Dicke d von 5 mm bis 10 mm auf. In Verbindung mit einer Grundfläche von 200 mm² bis 1300 mm² bietet eine Dicke d von größer gleich 5 mm den Vorteil, dass die Messkörper 13, 15 ohne Weiteres auch die Druckmessbereichsobergrenze von 1000 bar übersteigenden Überlasten standhalten. Dabei ist die Überlastfestigkeit umso größer, je kleiner die auslenkbare Grundfläche und je größer die Dicke d der Messkörper 13, 15 ist. Umgekehrt ist durch eine Dicke d von kleiner gleich 10 mm sichergestellt, dass die Summe der druckabhängigen Verformungen beider Messkörper 13, 15 groß genug ist, um auch weit unterhalb der Druckmessbereichsobergrenze liegende Drücke p, wie z.B. Drücke p von 400 bar bis 1000 bar, mit vergleichsweise hoher Messgenauigkeit messen zu können.
Betrachtet man als Beispiel zwei jeweils kreisscheibenförmige Messkörper 13, 15 mit einem Durchmesser von 17,5 mm und einer Dicke d von 5 mm auf, deren äußeren Ränder durch eine ringförmige Verbindung 29, 29' mit einem rechteckigen Querschnitt mit einer Höhe von 0,018 mm und einer radialen Breite von 3,3 mm miteinander verbunden sind, so beträgt der Abstand der beiden Messkörpermitten bei einer Druckbeaufschlagung mit 400 bar 15 µm und bei einer Druckbeaufschlagung mit 1000 bar 10,7 µm. Mit diesem Drucksensor 5 ist eine Überlastfestigkeit gegenüber sehr hohen Überlasten, wie z.B. Überlasten von bis zu 5500 bar, erzielbar.
Betrachtet man als zweites Beispiel zwei jeweils kreisscheibenförmige Messkörper 13, 15 mit einem Durchmesser von 40 mm und einer Dicke d von 10 mm, deren äußeren Ränder durch eine ringförmige Verbindung 29, 29' mit einem rechteckigen Querschnitt mit einer Höhe von 0,028 mm und einer radialen Breite von 6,6 mm miteinander verbunden sind, so beträgt der Abstand der beiden Messkörpermitten bei einer Druckbeaufschlagung mit 400 bar 18,7 µm und bei einer Druckbeaufschlagung mit 1000 bar 4,8 µm. Mit diesem Drucksensor 5 ist z.B. eine Überlastfestigkeit gegenüber Überlasten von bis zu 1800 bar erzielbar.
Wie die sich im ersten Beispiel bei einer Druckänderung von 400 bar auf 1000 bar ergebende Abstandsänderung von 4,3 µm, bzw. die sich im zweiten Beispiel bei einer Druckänderung von 400 bar auf 1000 bar ergebende Abstandsänderung von 13, 9 µm exemplarisch zeigen, sind die über den Druckmessbereich auftretenden Abstandsänderungen der Messkörpermitten groß genug, um z.B. mittels des kapazitiven Wandlers anhand der vom Abstand der beiden Messkörper 13, 15 abhängigen Messkapazität Cp eine vergleichsweise hohe Messgenauigkeit zu erzielen.
Insb. bei Drucksensoren 5 deren Messkörper 13, 15 eine vergleichsweise große Grundfläche aufweisen, kann die Überlastfestigkeit z.B. durch eine Vergrößerung der Dicke d der Messkörper 13, 15 auf Dicken d von größer gleich 10 mm und/oder durch eine Verkleinerung der druckabhängig verformbaren Bereiche der Messkörper 13, 15 erzielt werden. Die Verkleinerung der druckabhängig verformbaren Bereiche der Messkörper 13, 15 kann z.B. durch eine entsprechende Vergrößerung der radialen Breite der die äußeren Ränder der Messkörper 13, 15 verbindenden ringförmigen Verbindung 29, 29' erzielt werden. Eine solche Verbreiterung der Verbindung 29, 29' bietet zugleich den Vorteils, dass sich hierdurch die Wasserstoffdiffusionsdichtheit der Verbindung 29, 29' erhöht. Letzteres ist insb. dann von Vorteil, wenn die Verbindung 29 als Aktivhartlötung ausgebildet ist.
Wie zuvor erwähnt, ist der Drucksensor 5 auf den im Innenraum 3 freistehenden Anschlusselementen 9 montiert. Hierzu ist der Drucksensor 5 z.B. mit einem Ende eines jeden Anschlusselements 9 jeweils mittels einer mechanischen Verbindung 35, derart verbunden, dass die Verbindung 35 außenseitlich allseitig dem im Innenraum 3 herrschenden Druck p ausgesetzt ist. Als mechanische Verbindung 35 eignet sich z.B. eine Fügung, wie z.B. eine Lötung.
Die Anschlusselemente 9 sind z.B. als, gerade, gebogene oder eine andere Formgebung aufweisende stabförmige Elemente ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich hierzu, weisen die Anschlusselemente 9 z.B. eine im Innenraum 3 des Sensorgehäuses 1 freistehende Länge L von 1 mm bis 10 mm und/oder eine einem Durchmesser von 0,25 mm bis 3 mm entsprechende Querschnittsfläche von 0,05 mm² bis 7 mm² auf.
Optional wird mindestens eines oder jedes der zur Montage des Drucksensors 5 eingesetzten Anschlusselemente 9 zugleich auch für den elektrischen Anschluss des Drucksensors 5 genutzt. Hierzu sind diese Anschlusselemente 9 jeweils als elektrisch leitfähige Anschlussleitungen ausgebildet, deren Enden jeweils mittels der in dem Fall als elektrisch leitfähige Verbindung ausgebildeten mechanischen Verbindung 35 mit einem zugehörigen, im Innenraum 3 angeordneten elektrischen Anschluss 37 des Drucksensors 5 verbunden sind.
1 sind die Anschlüsse 37 auf einer Außenfläche des Drucksensors 5 angeordnete elektrische Anschlüsse 37 des elektromechanischen Wandlers. Bei Ausführungsformen, bei denen die Sensorelektronik 17 im Sensorgehäuse 1 angeordnet ist, können die Anschlüsse aber auch mindestens einen Anschluss der an den Wandler angeschlossenen Sensorelektronik 17 umfassen.
Als Anschlussleitungen eignen sich insb. Anschlusselemente 9 aus einem Metall, wie z.B. Anschlusselemente 9 aus Kovar^®, Edelstahl, Nickel, Kupfer, einer Nickel-Eisen-Legierung, einer Kupfer-Nickel-Legierung, Molybdän, Alumel^® oder Constantan. Optional ist die im Innenraum freistehende Länge L der als Anschlussleitungen ausgebildeten Anschlusselemente 9 außenseitlich von einer Ummantelung, wie z.B. einer Isolation umgeben.
Unabhängig von der diesbezüglichen Ausgestaltung, sind die als Anschlussleitungen ausgebildeten Anschlusselemente 9 jeweils durch eine in die Gehäusewand 25 eingesetzte druckfeste, elektrische Durchführung 39 elektrisch isoliert gegenüber der Gehäusewand 25 durch die Gehäusewand 25 hindurch geführt.
Als druckfeste Durchführungen 39 eignen sich insb. gegenüber eine Messbereichsobergrenze des Drucksensors 5 übersteigenden Drücken p, gegenüber eine Überlastfestigkeit des Drucksensors 5 übersteigenden Drücken p und/oder gegenüber Drücken p von bis zu 2000 bar druckfeste Durchführungen 39.
Die Durchführungen 39 sind z.B. jeweils in einem der Öffnung 7 gegenüberliegenden Gehäusewandbereich 41 des Sensorgehäuses 1 angeordnet. 1 zeigt hierzu ein Beispiel, bei dem das Sensorgehäuse 1 als im Wesentlichen topförmiges Gehäuse ausgebildet ist, in dessen der Öffnung 7 gegenüberliegenden Gehäuseboden die Durchführungen 39 eingesetzt sind.
Als druckfeste Durchführung 39 eignen sich insb. Durchführungen, wie z.B. keramische Durchführungen oder Glas-Durchführungen, die zugleich auch wasserstoffdiffusionsdicht sind. Glas- und Keramik-Durchführungen sind aus dem Stand der Technik bekannt und bieten neben deren durch die geringe Diffusionsrate von Wasserstoff in Keramik bzw. in Glas gegebenen hohen Wasserstoffdiffusionsdichtheit den Vorteil, dass sie je nach Ausgestaltung sehr hohen Drücken, wie z.B. Drücken von bis zu 1700 bar oder sogar bis zu 2000bar standhalten können. Entsprechende keramische Durchführungen werden z.B. von der in Deutschland in Redwitz ansässigen Firma Alumina Systems GmbH, sowie von der in Plochingen in Deutschland ansässigen CeramTec GmbH angeboten. Geeignete Glasdurchführungen werden z.B. von der in Deutschland in Würzburg ansässigen Firma HaTec Halebi Technik angeboten.
In 1 ist der Wandler des Drucksensors 5 über die als Anschlussleitungen ausgebildeten Anschlusselemente 9 an die hier außerhalb des Sensorgehäuses 1 angeordnete Sensorelektronik 17 angeschlossen. Diese Variante bietet den Vorteil, dass der Druckmessbereich nicht durch die Druckbeständigkeit der Sensorelektronik 17 begrenzt wird, die in der Regel geringer als die Druckbeständigkeit des Drucksensor 5 und des Sensorgehäuses 1 ist. Dabei ist die Sensorelektronik 17 vorzugsweise unmittelbar auf der vom Innenraum 3 abgewandten Außenseite des Sensorgehäuses 1 angeordnet. Hierdurch wird die Leitungslänge der elektrisch leitenden Verbindung zwischen Wandler und Sensorelektronik 17 gering gehalten. Kürzere Leitungslängen bieten den Vorteil, dass hierdurch der Einfluss von elektromagnetischen Störsignalen und/oder parasitären Kapazitäten auf die erzielbare Messgenauigkeit reduziert wird.
3 zeigt eine Ansicht der Innenseite des mit der Messelektrode 19 und der Referenzelektrode 23 ausgestatteten Messkörpers 13 von 1, in der zugleich auch ein Beispiel für Positionen von durch diesen Messkörper 13 hindurch verlaufenden Kontaktstiften Km, Kref zur Kontaktierung von Messelektrode 19 und Referenzelektrode 23 dargestellt ist. Sofern die in 3 gestrichelt angezeigte Verbindung 29 zwischen den beiden Messkörper 13, 15 elektrisch leitfähig ist, kann auch die auf dem der Messelektrode 19 gegenüberliegenden Messkörper 15 angeordnete, mit der Verbindung 29 in elektrisch leitfähigem Kontakt stehende Gegenelektrode 21 über einen durch den in 3 dargestellten Messkörper 13 hindurch bis zur Verbindung 29 verlaufenden Kontaktstift Kg kontaktiert werden. Sind die beiden Messkörper 13, 15 über eine elektrisch isolierende Verbindung 29, 29', wie z.B. eine Glaslötung oder den in 2 dargestellten Ring 31, miteinander verbunden, so kann die elektrische Kontaktierung der Gegenelektrode 21 z.B. auf die in 2 als Option dargestellte Weise erfolgen. Dort erstreckt sich der Kontaktstift Kg zur Kontaktierung der Gegenelektrode 21 durch einen der beiden Messkörper 13 und die elektrisch isolierende Verbindung 29' hindurch bis zu einem Bereich der Gegenelektrode 21, der an eine von dem den Kontaktstift Kg umgebenden Messkörper 13 abgewandte Stirnseite der Verbindung 29' angrenzt.
Bei den in 1 bis 3 dargestellten Varianten sind alle, jeweils endseitig auf einem der Kontaktstifte Km, Kr, Kg angeordneten Anschlüsse 37 des Drucksensors 5 in einer Ebene nebeneinander auf ein und derselben Außenseite des Drucksensors 5 angeordnet.
4 zeigt eine Abwandlung des Druckmessaufnehmers von 1, bei der die Anschlüsse 37 des Drucksensors 5 auf einander gegenüberliegenden Außenseiten des Drucksensors 5 angeordnet sind. In diesem Beispiel ist die Messelektrode 19 über den durch einen der Messkörper 13 hindurch verlaufenden Kontaktstift Km mit dem auf der Außenseite dieses Messkörpers 13 angeordneten Anschluss 37 verbunden und die Gegenelektrode 21 ist über den durch den anderen Messkörper 15 hindurch verlaufenden Kontaktstift Kg mit dem auf der Außenseite des anderen Messkörpers 15 angeordneten Anschluss 37 verbunden. Anlog zu dem in 1 dargestellten Beispiel kann natürlich auch die in 4 dargestellte Abwandlung mit einem Referenzkondensator mit im Wesentlichen druckunabhängiger Kapazität ausgestattet sein, der mindestens eine Elektrode umfasst, die über einen durch einen der Messkörper 13, 15 hindurch verlaufenden Kontaktstift an einen auf einer Außenseite des Drucksensors 5 angeordneten Anschluss angeschlossen ist.
Optional umfasst der Druckmessaufnehmer eine an die Sensorelektronik 17 angeschlossene Messelektronik 43, die dazu ausbildet ist anhand des Messsignal ein Druckmessergebnis p_gem zu bestimmen und zur Verfügung zu stellen. Hierzu können aus dem Stand der Technik bekannte Messelektroniken eingesetzt werden. Die in 1 als Beispiel dargestellte Messelektronik 43 umfasst eine Signalaufbereitung 45 und eine der Signalaufbereitung 45 nachgeschaltete Signalauswertung 47. Die Signalaufbereitung 45 ist z.B. dazu ausgebildet das Messsignal zu verstärken, im Messsignal enthaltene Störsignale herauszufiltern und/oder das Messsignal zu glätten. Die Signalauswertung 47 ist dazu ausbildet anhand des aufbereiteten Messsignal das Druckmessergebnis p_gem zu bestimmen und zur Verfügung zu stellen.
Auch wenn die Erfindung zuvor am Beispiel von Druckmessaufnehmern mit Drucksensoren 5 mit keramischen Messkörpern 13, 15 beschrieben wurde, so können alternativ auch Drucksensoren mit aus anderen Werkstoffen bestehenden Messkörpern 13, 15 eingesetzt werden. So können die Messkörper 13, 15 der anhand von 1 bis 4 beschriebenen Druckmessaufnehmer z.B. aus einem anderen Isolator, wie z.B. Glas, bestehen. In dem Fall ist die in 1 dargestellte Verbindung 29 z.B. eine Glaslötung. Alternativ können Messkörper 13, 15 aus Glas z.B. über die anhand von 2 beschriebene Verbindung 29' verbunden sein. In dem Fall ist der Ring 31 z.B. ein Glasring, der mit einem der beiden Messkörper 13, 15 oder mit beiden Messkörpern 13, 15 jeweils über eine der in 2 dargestellten Fügungen 33, wie z.B. eine als Glaslötung ausgebildete Fügung, verbunden ist.
Je nach Einsatzort, können unter Umständen sogar Drucksensoren eingesetzt werden, deren Messkörper 13', 15' aus einem Metall, wie z.B. einem Edelstahl, bestehen. 5 zeigt hierzu ein Beispiel eines Drucksensors mit zwei unter Einschluss der Druckmesskammer 11 über eine Verbindung 49, wie z.B. eine Schweißung, miteinander verbundenen metallischen Messkörpern 13', 15'. Auch dieser Drucksensor ist z.B. als kapazitiver Drucksensor ausgebildet. Insoweit unterscheidet sich der in 5 dargestellte Drucksensor von den 1 und 4 dargestellten Drucksensoren 5 im Wesentlichen lediglich dadurch, dass die Elektroden des Wandlers, wie z.B. die in 5 dargestellte Messelektrode 19 und die in 5 dargestellte Gegenelektrode 21, jeweils unter Zwischenfügung eines Isolators 51 auf einer der beiden einander gegenüberliegenden Innenseiten der metallischen Messkörper 13', 15' angeordnet sind. 5 zeigt als Beispiel Isolatoren 51, die jeweils als ein in einen der beiden Messkörper 13', 15' eingesetztes Inlay, wie z.B. ein Inlay aus Glas oder aus Keramik, ausgebildet sind. In Analogie zu den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen erfolgt der elektrische Anschluss des Wandlers z.B. über an die Elektroden, wie z.B. die Messelektrode 19 und die Gegenelektrode 21, angeschlossene Anschlussleitungen 53, die jeweils durch eine die jeweilige Anschlussleitung 53 elektrisch gegenüber dem jeweiligen Messkörper 13', 15' isolierende Durchführung 55 hindurch mit einem der jeweils auf einer der Außenseiten des Drucksensors angeordneten Anschlüsse 37 verbunden ist.
Bezugszeichenliste

1: Sensorgehäuse
3: Innenraum
5: Drucksensor
7: Öffnung
9: Anschlusselement
11: Druckkammer
13, 13': Messkörper
15, 15': Messkörper
17: Sensorelektronik
19: Messelektrode
21: Gegenelektrode
23: Referenzelektrode
25: Gehäusewand
27: Prozessanschluss
29, 29': Verbindung
31: Ring
33: Schweißung
35: Fügung
37: Anschluss
39: Durchführung
41: Gehäusewandbereich
43: Messelektronik
45: Signalaufbereitung
47: Signalauswertung
49: Verbindung
51: Isolator
53: Anschlussleitung
55: Durchführung

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 102006056173 A1 [0006]
DE 10334854 A1 [0008]
DE 102018123041 A [0011]
DE 102011004722 A1 [0051]

Claims

Druckmessaufnehmer zur Messung eines Drucks (p) mit einem Drucksensor (5), wobei der Drucksensor (5) in einem Innenraum (3) eines Sensorgehäuses (1) angeordnet ist und durch eine Öffnung (7) des Sensorgehäuses (1) hindurch mit einem unter dem zu messenden Druck (p) stehenden Medium beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor (5): auf in den Innenraum (3) hineinragenden, im Innenraum (3) freistehenden Anschlusselementen (9) derart montiert ist, dass der Drucksensor (5) allseitig dem im Innenraum (3) herrschenden Druck (p) ausgesetzt ist, zwei unter Einschluss einer Druckkammer (11) miteinander verbundene, jeweils durch den darauf einwirkenden Druck (p) verformbare Messkörper (13, 15, 13' 15') umfasst, und einen elektromechanischen Wandler umfasst, der eine von einer Summe der druckabhängigen Verformungen beider Messkörper (13, 15, 13', 15') abhängige mechanische Größe in eine messtechnisch erfassbare elektrische Messgröße umwandelt.
Druckmessaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Anschlusselemente (9) oder jedes Anschlusselement (9) jeweils als elektrisch leitfähige Anschlussleitung ausgebildet ist, deren Ende jeweils mittels einer elektrisch leitfähigen mechanischen Verbindung (35) mit einem zugehörigen, jeweils auf einer Außenseite des Drucksensors (5) angeordneten elektrischen Anschluss (37) des Drucksensors (5) verbunden ist, und jedes als Anschlussleitung ausgebildetes Anschlusselement (9) jeweils durch eine in eine Gehäusewand (25) des Sensorgehäuses (1) eingesetzte druckfeste Durchführung (39) hindurch elektrisch isoliert gegenüber der Gehäusewand (25) durch die Gehäusewand (25) hindurch geführt ist.
Druckmessaufnehmer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Durchführung (39) jeweils: als wasserstoffdiffusionsdichte Durchführung (39) ausgebildet ist, als keramische Durchführung (39) oder als Glasdurchführung ausgebildet ist, und/oder als gegenüber eine Messbereichsobergrenze des Drucksensors (5) übersteigenden Drücken (p), als gegenüber eine Überlastfestigkeit des Drucksensors (5) übersteigenden Drücken (p) und/oder als gegenüber Drücken (p) von bis zu 1700 bar oder bis zu 2000 bar druckfeste Durchführung (39) ausgebildet ist.
Druckmessaufnehmer nach Anspruch 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jede Durchführung (39) jeweils in einem der Öffnung (7) gegenüberliegenden Gehäusewandbereich (41) des Sensorgehäuses (1) angeordnet ist.
Druckmessaufnehmer nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das den Innenraum (3) umgebende Sensorgehäuse (1): aus Metall oder Edelstahl besteht, wasserstoffdiffusionsdicht ist, und/oder als gegenüber eine Messbereichsobergrenze des Drucksensors (5) übersteigenden Drücken (p), als gegenüber eine Überlastfestigkeit des Drucksensors (5) übersteigenden Drücken (p) und/oder als gegenüber Drücken (p) von bis zu 2000 bar druckfestes Sensorgehäuse (1) ausgebildet ist.
Druckmessaufnehmer nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor (5) mit einem Ende eines jeden Anschlusselements (9) jeweils mittels einer mechanischen Verbindung (35), mittels einer mechanischen, elektrisch leitfähigen Verbindung (35) oder einer als Lötung ausgebildeten Verbindung (35) derart verbunden ist, dass die Verbindung (35) außenseitlich allseitig dem im Innenraum (3) herrschenden Druck (p) ausgesetzt ist.
Druckmessaufnehmer nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlusselemente (9): als gerade, gebogene oder eine andere Formgebung aufweisende stabförmige Elemente ausgebildet sind, eine im Innenraum (3) freistehende Länge (L) von 1 mm bis 10 mm aufweisen, einen Durchmesser von 0,25 mm bis 3 mm und/oder eine Querschnittsfläche von 0,05 mm² bis 7 mm² aufweisen, als metallische Anschlusselemente (9) ausgebildet sind, aus Kovar^®, Edelstahl, Nickel, Kupfer, einer Nickel-Eisen-Legierung, einer Kupfer-Nickel-Legierung, Molybdän, Alumel^® oder Constantan bestehen, und/oder von einer Ummantelung oder einer Isolation umgeben sind.
Druckmessaufnehmer nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor (5) als Absolutdrucksensor ausgebildet ist, der den auf die beiden Messkörper (13, 15, 13', 15') einwirkenden Druck (p) als Absolutdruck gegenüber einem in der Druckkammer (11) herrschenden Innendruck, einem als Vakuumdruck ausgebildeten Innendruck oder einem Innendruck in der Größenordnung von 1 bar messtechnisch erfasst, und die beiden Messkörper (13, 15, 13', 15') über eine druckfeste Verbindung (29, 29') oder eine druckfeste und wasserstoffdiffusionsdichte Verbindung (29, 29') miteinander verbunden sind, wobei die Verbindung (29, 29') die Druckkammer (11) außenseitlich allseitig umgibt.
Druckmessaufnehmer nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass: die beiden Messkörper (13, 15) aus Glas bestehen und über eine die Druckkammer (11) außenseitlich allseitig umgebende Verbindung (29, 29') oder eine die Druckkammer (11) außenseitlich allseitig umgebende, einen Glasring und/oder eine Glaslötung umfassende verbindende Verbindung (29, 29') miteinander verbunden sind, oder die beiden Messkörper (13', 15') aus Metall oder Edelstahl bestehen und über eine die Druckkammer (11) außenseitlich allseitig umgebende Verbindung oder eine die Druckkammer (11) außenseitlich allseitig umgebende, eine Schweißung (49) umfassende Verbindung miteinander verbunden sind, oder die beiden Messkörper (13, 15) aus Keramik bestehen und über eine die Druckkammer (11) außenseitlich allseitig umgebende Verbindung (29, 29') miteinander verbunden sind, wobei die Verbindung (29, 29'): als Aktivhartlötung oder als Glaslötung ausgebildet ist, oder einen Ring (31) oder einen als Keramikring ausgebildeten Ring (31) umfasst, wobei der Ring (31): entweder mit jedem der beiden Messkörper (13, 15) jeweils über eine wasserstoffdiffusionsdichte Fügung (33) oder eine als mittels eines Laserschweißverfahrens erzeugte Schweißung ausgebildete Fügung (33) wasserstoffdiffusionsdicht verbunden ist, oder als Bestandteil eines der beiden Messkörper ausgebildet ist und mit dem anderen Messkörper über eine wasserstoffdiffusionsdichte Fügung oder eine als mittels eines Laserschweißverfahrens erzeugte Schweißung ausgebildete Fügung wasserstoffdiffusionsdicht verbunden ist.
Druckmessaufnehmer nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler des Drucksensors (5) über die Anschlusselemente (9) an eine außerhalb des Sensorgehäuses (1) angeordnete Sensorelektronik (17) angeschlossen ist, die dazu ausgebildet ist, ein einen mittels des Drucksensors (5) messtechnisch erfassten Druck wiedergebendes Messsignal zur Verfügung zu stellen.
Druckmessaufnehmer nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler eine auf einer Innenseite eines der beiden Messkörper (13, 13') angeordnete Messelektrode (19) umfasst, die zusammen mit einer auf einer diesem Messkörper (13, 13') zugewandten Innenseite des anderen Messkörpers (15, 15') angeordneten Gegenelektrode (21) einen Kondensator mit einer von der Summe der druckabhängigen Verformungen beider Messkörper (13, 15, 13', 15') abhängigen Messkapazität (C_p) bildet, und die Messelektrode (19) und die Gegenelektrode (21) jeweils über eine durch einen der beiden Messkörper (13', 15') hindurch verlaufende Anschlussleitung (53) oder über einen durch einen der beiden Messkörper (13, 15) hindurch verlaufenden Kontaktstift (Km, Kg) elektrisch leitend mit einem auf einer Außenseite des Drucksensors (5) angeordneten Anschluss (37) verbunden ist.
Druckmessaufnehmer nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch leitend mit der auf der Innenseite eines der beiden Messkörper (15) angeordneten Gegenelektrode (21) verbundene Kontaktstift (Kg): durch den der Gegenelektrode (21) gegenüberliegenden, anderen Messkörper (13) hindurch verläuft, und entweder über eine die beiden Messkörper (13, 15) miteinander verbindende elektrisch leitfähige Verbindung (29) elektrisch leitend mit der Gegenelektrode (21) verbunden ist, oder sich durch eine die beiden Messkörper (13, 15) miteinander verbindende Verbindung (29') hindurch bis zu einem Bereich der Gegenelektrode (21) erstreckt, der an eine von dem den Kontaktstift (Kg) umgebenden Messkörper (13) abgewandte Stirnseite der Verbindung (29') angrenzt.
Druckmessaufnehmer nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Messkörper (13, 15, 13', 15') aus Keramik, aus Glas, aus Metall oder aus Edelstahl bestehen.
Druckmessaufnehmer nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor (5) dazu ausgebildet ist, Drücke (p) in einem Druckmessbereich von größer gleich 400 bar und/oder von kleiner gleich 1000 bar zu messen, und/oder der Drucksensor (5) als gegenüber eine Messbereichsobergrenze des Drucksensors (5) übersteigenden Überlasten von bis zu 1800 bar oder bis zu 5500 bar überlastfester Drucksensor (5) ausgebildet ist.
Druckmessaufnehmer nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Messkörper (13, 15, 13', 15') jeweils als im Wesentlichen scheibenförmige oder als baugleiche im Wesentlichen scheibenförmige Messkörper (13, 15) ausgebildet sind, die jeweils eine Grundfläche von 200 mm² bis 1300 mm² und/oder eine Dicke (d) von 5 mm bis 10 mm aufweisen.