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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Druckmittler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Druckmesszelle mit einem Druckmittler gemäß Patentanspruch 10.
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Aus dem Stand der Technik sind unter anderem kapazitive Druckmesszellen, die eine Druckänderung durch Verformung einer Membran und einer daraus resultierenden Änderung einer Kapazität erfassen, resistive und piezoresistive Druckmesszellen, bei denen Verformung einer Membran bspw. mittels Dehnungsmessstreifen erfasst und aus einer Widerstandsänderung der Dehnungsmessstreifen auf den Druck geschlossen wird, und piezoelektrische Druckmesszellen die den piezoelektrischen Effekt zur Druckbestimmung ausnutzen, bekannt.
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Die Unterscheidung nach den zum Prozess hin orientierten Materialien, also den Materialien, die mit der Prozessumgebung und den Prozessmedien in Kontakt kommen, unterscheidet in der Regel zwischen metallischen und keramischen Druckmesszellen, wobei die einen eine metallische und die anderen eine keramische Membran aufweisen. Aus fertigungs- und messtechnischen Gründen ist häufig ein Grundkörper der Druckmesszelle aus dem gleichen Material wie die Membran gefertigt. Fertigungstechnisch ist eine Verbindung zwischen gleichen oder gleichartigen Materialien häufig einfacher herzustellen als zwischen verschiedenen Materialien. Messtechnisch ist es von Vorteil, Materialien mit ähnlichen oder idealerweise identischen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu verwenden - auch dies ist bei gleichen oder gleichartigen Materialien einfacher zu erreichen.
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Ob absolute oder relative Drücke gemessen werden können, richtet sich in der Regel danach, ob einer Membranrückseite ein zweiter Druck, bspw. ein Außendruck, zugeführt wird, oder ob die Membranrückseite evakuiert ist.
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Die vorliegende Anmeldung geht von dem in 1 beispielhaft dargestellten Aufbau einer metallische Druckmesszelle mit einem metallischen Grundkörper 3, einer an dem Grundkörper 3 angeordneten metallischen Membran 5 aus. Zwischen der Membran 5 und dem Grundkörper 3 ist eine Membrankammer 51 ausgebildet, die mit einer Sensorkammer 71, in der ein Drucksensor 7 angeordnet ist, über einen Verbindungskanal 9 in Verbindung steht. Die Kammern 51/71 und der Verbindungskanal 9 sind mit einem Druckmittlermedium 13 gefüllt und wirken dementsprechend als Druckmittler, also als Anordnung, die einen auf die Membran 5 von der Prozessseite her wirkenden Druck an den eigentlichen Drucksensor, vorliegende den Sensorchip 73, übermittelt. Zur Kontaktierung des Sensorchips 73 innerhalb der Sensorkammer 71 sind Kabeldurchführungen in Form eines Vorderseitenkontakts 77 und Rückseitenkontakts 79 durch das Verschlusselement 80 geführt. Die Auswerteelektronik, die an die freien Enden der Kabelverbindungen angeschlossen wird, ist in 1 nicht dargestellt.
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Der eigentliche Drucksensor wird bei metallischen Druckmesszellen in der Regel von einem Siliziumchip gebildet. Dieser Chip besteht aus einer mit piezoresistiven Widerständen strukturierten Membran, die sich unter Druck wölbt. Der Piezochip ist sehr empfindlich gegenüber äußeren Einflüssen und muss deshalb in den meisten Fällen hermetisch gekapselt werden und wird daher druckdicht in ein Edelstahlgehäuse eingebaut, das frontseitig mit einer dünnen Edelstahlmembran verschlossen ist und damit die Membrankammer und die Sensorkammer ausbildet.
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Zudem ist es bekannt, die Einheit aus Membran und Träger auf einem Substrat anzuordnen. Dieses Substrat bildet üblicherweise den Abschluss der mit einem Gehäuse umgebenen und mit einem inkompressiblen Medium gefüllten Messkammer. Das Gehäuse weist eine äußere Membran auf, so dass ein auf das Gehäuse wirkender Druck über das Medium in der Messkammer auf die innere Membran übertragen wird.
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Die Kammern sind mit dem Druckmittlermedium, typischerweise einem synthetischen Öl, gefüllt. Bei einem solchen Sensor ist also nur die metallische, vorliegend aus Edelstahl gefertigte Membran mit dem Prozess in Kontakt und der Prozessdruck wird über das Öl an die Chipmembran übertragen.
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Dieses Druckmittlermedium dehnt sich für gewöhnlich bei Temperatureinwirkung aus und übt damit Druck auf den Drucksensor aus, so dass die Messung des Drucksensors verfälscht sein kann. Auch kann durch die Temperatureinwirkung und/oder das Anliegen eines Unterdrucks an dem Druckmittler Gas aus dem Druckmittlermedium ausgasen, so dass in der Kammer eine zusätzlich zu dem inkompressiblen flüssigen Druckmittlermedium auch eine Gasphase vorliegt. Durch diese Gasphase kann die Druckmessung negativ beeinflusst werden und es können insbesondere die dynamischen Messeigenschaften durch Gasblasen im Druckmittlermedium beeinträchtigt sein. Um dies zu verhindern ist häufig der Temperatureinsatzbereich des Drucksensors eingeschränkt.
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Daher werden je nach Einsatzzweck verschiedene Druckmittlermedien wie zum Beispiel synthetische Öle eingesetzt, die den Einsatzbereich eines speziellen Anwendungsfalls zwar abdecken, aber deren Einsatzbereich nicht alle Anwendungsfälle abdeckt.
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Die gleichen Effekte können bei Druckmittlern auftreten, die zwischen einer Messumgebung und einer mit dem Druckmittler verbundenen Druckmesszelle eingesetzt werden. Ein Druckmittler trennt im Allgemeinen das Messmittel vom zu messenden Medium. Der Druckmittler kann zum Beispiel dann eingesetzt werden, wenn das zu messende Medium nicht mit dem eigentlichen Drucksensor oder dessen Membran in Kontakt kommen soll. Das kann erforderlich sein, wenn zum Beispiel die Eigenschaften des Mediums den Drucksensor durch chemische Einwirkung, Temperatur oder abrasive Eigenschaften schädigen würden.
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Die zugrundeliegende Aufgabe der Erfindung ist es, eine Druckmesszelle und/oder einen Druckmittler zur Verfügung zu stellen, welche einen optimierten Messaufbau und einen erweiterten Einsatzbereich gegenüber dem Stand der Technik aufweist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Druckmittler und eine Druckmesszelle mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere Vorteile und praktische Ausführungsformen sind in Zusammenhang mit den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Ein erfindungsgemäßer Druckmittler weist einen Grundkörper und eine an dem Grundkörper angeordnete Membran auf, wobei zwischen der Membran und dem Grundkörper eine Membrankammer ausgebildet ist, eine Sensorkammer in der ein Drucksensor angeordnet werden kann, wobei die Membrankammer und die Sensorkammer verbunden sind und die Kammern mit einem inkompressiblen Druckmittlermedium zur Übermittlung eines auf die Membran wirkenden Drucks gefüllt sind, und dadurch gekennzeichnet, dass das Druckmittlermedium aus einer ersten Komponente und mindestens einer zweiten Komponente besteht.
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Richtungsangaben werden in der vorliegenden Anmeldung wie folgt definiert:
- Die am Grundkörper angeordnete Membran definiert eine Membranebene, die durch eine umfänglich verlaufende Verbindung der Membran mit dem Grundkörper aufgespannt wird. Ausgehend von dieser Membranebene ist eine Axialrichtung durch eine Oberflächennormale auf die Membranebene definiert. Die Radialrichtung erstreckt sich in einer Draufsicht auf die Membranebene von einem Mittelpunkt der Membran ausgehend. In Draufsicht bedeutet mit Blickrichtung in Axialrichtung auf die Membran der Messzelle. Einem Querschnitt soll ein Schnitt mit einer durch die Axialrichtung und die Radialrichtung aufgespannten Ebene verstanden werden.
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Die am Grundkörper angeordnete Membran weist in Draufsicht vorzugsweise eine kreisförmige Außenkontur auf. Die Oberflächenkontur der Membran ist dafür vorteilhafterweise wellenförmig ausgestaltet. Eine wellenförmige Kontur ermöglicht eine Flexibilität der Membran in Axialrichtung und eine Steifigkeit der Membran in Radialrichtung. Es ist vorteilhaft, wenn die Oberflächenkontur in einem Querschnitt ausgehend von einem Mittelpunkt der Membran einen Cosinus förmigen Verlauf aufweist. Das bedeutet, dass die Kontur am Mittelpunkt einen Wellenberg aufweist, was einer Abdichtung des in der Regel zentrisch in die Membrankammer mündenden Verbindungskanals entgegenwirkt
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Das Druckmittlermedium besteht erfindungsgemäß aus mindestens zwei Komponenten. Durch eine Mischung mehrerer Komponenten können Druckmittlermedien hergestellt werden, deren Eigenschaften, denen der einzelnen Komponenten überlegen sind. So ist es denkbar, dass eine temperaturstabile Komponente mit einer vakuumstabilen Komponente gemischt wird, und die Mischung sowohl temperaturbeständiger als die vakuumstabile Komponente als auch vakuumbeständiger als die temperaturstabile Komponente ist.
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Als Komponenten zur Mischung kommen im Prinzip alle Flüssigkeiten in Frage, deren Eigenschaften sich zur hydraulischen Druckweitergabe eignen. Es kann aber auch ein Feststoff beispielsweise in Pulverform als Komponente des Druckmittlermediums verwendet werden. Solch ein Feststoff oder Pulver verändert die Eigenschaften der anderen flüssigen Komponenten des Druckmittlermediums. Der Feststoff kann sich auch in der oder den flüssigen Komponenten des Druckmittlermediums lösen. Mit einem Feststoff ist jedoch kein Stoff gemeint, welcher die Eigenschaften des Druckmittlermediums nicht beeinflusst, wie dies Beispielsweise bei Verdrängungskörpern der Fall wäre, diese reduzieren zwar in vorteilhafter Weise das benötigte Volumen an Druckmittlermedium, sodass durch die Volumenreduktion mögliche negative Effekte in reduziertem Maße auftreten, verändern aber die Eigenschaften des Druckmittlermediums an sich nicht.
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Typische Flüssigkeiten die gemäß der vorliegenden Anmeldung als Druckmittlermedium eingesetzt werden können sind Hydraulik-Öl, mineralisches, synthetisches oder teilsynthetisches Öl und zum Beispiel wasserbasierte Flüssigkeiten.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Ansprüchen und der Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. So können sämtliche in der Anmeldung aufgeführten Merkmale sowohl den Druckmittler als auch die Druckmesszelle charakterisieren.
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In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gegenstandes ist der Druckmittler dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Komponenten des Druckmittlermediums eine homogene Flüssigkeit ausbilden. Durch die Mischbarkeit der Komponenten wird eine homogene Flüssigkeit erreicht, welche homogenen Eigenschaften aufweist, da es keine Ortsabhängigen Konzentrationsunterscheide der Komponenten gibt. Dies hat den Vorteil, dass der Sensor in beliebiger Orientierung eingesetzt werden kann, und das Druckmittlermedium überall im Druckmittler gleiche Eigenschaften aufweist.
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Jedoch kann es je nach verwendeten Komponenten dazu kommen, dass diese nicht eine einzige homogene Phase bilden, sondern mehrere in sich homogene Phasen. Wasser und Benzol beispielsweise bilden zwei Phasen, eine wasserreiche und eine benzolreiche. In der benzolreichen Phase ist Wasser enthalten und in der wasserreichen etwas Benzol. Damit kann auch ein solches System homogen betrachtet werden. Dies hat den Vorteil, dass in einer Einbaulage, in der die Membrankammer über der Sensorkammer liegt, eine erste homogene Phase in der Membrankammer vorliegen kann, und eine zweite homogene Phase in der Sensorkammer. So können die Eigenschaften der beiden Phasen getrennt voneinander auf die Anforderungen der jeweiligen Kammer angepasst werden.
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In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gegenstandes ist der Druckmittler dadurch gekennzeichnet, dass zwei Komponenten ineinander gelöst sind. Unter einer Lösung wird im Allgemeinen verstanden, dass ein Feststoff oder ein Gas gelöst in einer Flüssigkeit vorliegt. So könnte in einem Druckmittlermedium, welches aus mindestens einer Flüssigkeit besteht, zum Beispiel einen Feststoff in Form eines Additivs gelöst sein, wobei das Additiv dann ebenfalls flüssig im Druckmittlermedium vorliegt. Additive können die Eigenschaften des Druckmittlermediums wie zum Beispiel den Siedepunkt, die Dichte, die Wärmeleitfähigkeit, die Lösbarkeit in anderen Stoffen, die Viskosität oder Ähnliches beeinflussen.
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In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gegenstandes ist der Druckmittler dadurch gekennzeichnet, dass Ausgasungen wenigstens einer Komponente des Druckmittlermediums in wenigstens einer anderen Komponente des Druckmittlermediums lösbar sind. Es kann je nach Druck und Temperatur des Druckmittlermediums vorkommen, dass eine Komponente eine Gasphase ausbildet. Dies kann zum Beispiel bei Auftreten eines Unterdrucks in der Sensorkammer geschehen. Da Gasphasen in einem Druckmittlermedium grundsätzlich aber vermieden werden sollten, da durch die Kompressibilität des Gases eine Druckübermittlung zum Drucksensor verfälscht wird, ist es von Vorteil, wenn diese Gasphasen wieder von einer anderen Komponente aufgenommen und damit verflüssigt werden. Dieser Effekt ist zum Beispiel von Kohlenstoffdioxid und Wasser bekannt.
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In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gegenstandes ist der Druckmittler dadurch gekennzeichnet, dass das Druckmittlermedium ein binäres und/oder ein ternäres und/oder ein quartäres Gemisch aufweist. Dies ist so zu verstehen, dass einige Komponenten ein binäres/ternäres/quartäres Gemisch bilden, jedoch nicht alle Komponenten. Die Gemische müssen grundsätzlich nicht in der Anzahl der Komponenten beschränkt sein.
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Vorzugsweise ist das Druckmittlermedium ein binäres und/oder ein ternäres und/oder ein quartäres Gemisch. Dies ist so zu verstehen, dass alle Komponenten des Druckmittlermediums ein binäres/ternäres/quartäres Gemisch bilden. Auch hier muss das Gemisch jedoch nicht auf eine Anzahl an Komponenten beschränkt sein.
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In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gegenstandes ist der Druckmittler dadurch gekennzeichnet, dass die erste Komponente des Druckmittlermediums ein Silikonöl ist und die zweite Komponente des Druckmittlermediums ein Halocarbonöl ist. Silikonöle (polymerisierte Siloxane mit organischen Seitenketten) stammen aus der Gruppe der Silikone und sind synthetische siliciumbasierte Öle, welche, im Gegensatz zu Mineralölen oder Pflanzenölen, keine organischen, also kohlenstoffbasierten, sondern siloxanbasierte Ketten-Moleküle als Grundstruktur besitzen. Silikonöl weist eine hohe Temperaturstabilität auf und sorgt entsprechend für eine hohe Temperaturstabilität des Druckmittlermediums. Halocarbonöl ist sehr gut für Vakuumanwendungen geeignet und vergrößert den Einsatzbereich des Druckmittlermediums im unteren Druckbereich bzw. im Unterdruckbereich. Halocarbonöle sind Öle, die chemische Verbindungen aus Halogenkohlenwasserstoffen beinhalten.
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Vorzugsweise wird das Druckmittlermedium aus 40-60% Silikonöl und 40-60% Halocarbonöl gemischt, es kann aber auch von Vorteil sein, wenn 70-90% Silikonöl und 10-30% Halocarbonöl, oder 85-95% Silikonöl und 5-15% Halocarbonöl für das Druckmittlermedium verwendet werden. Für bestimmte Anwendungen hat sich ein Mischungsverhältnis von 80% Silikonöl und 20% Halocarbonöl als besonders vorteilhaft erwiesen.
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In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gegenstandes ist der Druckmittler dadurch gekennzeichnet, dass das Druckmittlermedium mindestens zwei getrennte Phasen ausbildet.
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In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gegenstandes ist der Druckmittler dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Komponenten des Druckmittlermediums eine heterogene Flüssigkeit ausbilden. Sofern zwei Komponenten nicht mischbar sind, kann es dennoch von Vorteil sein, beide Komponenten in einer heterogenen Flüssigkeit zu vereinen, so dass die positiven Eigenschaften beider Komponenten zum Tragen kommen.
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Insbesondere kann mithilfe eines Emulgators eine Emulsion aus mehreren Komponenten geschaffen werden. Sofern Komponenten nicht mischbar sind, kann durch einen Emulgator dennoch eine im Wesentlichen homogene Flüssigkeit erreicht werden. Eine so erzielte Mischung heißt Emulsion. Eine Emulsion ist ein fein verteiltes Gemisch zweier normalerweise nicht mischbarer Flüssigkeiten ohne eine sichtbare Entmischung. So existieren beispielsweise Emulgatoren, die es zulassen Wasser mit Öl zu mischen.
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In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gegenstandes ist in der Sensorkammer des Druckmittlers ein Verdrängungskörper angeordnet, wobei vorzugsweise auf dem Verdrängungskörper eine Auswerteelektronik angeordnet ist. Der Verdrängungskörper dient dazu das Volumen in der Sensorkammer zu reduzieren. Auf dem Verdrängungskörper kann ferner eine Auswerteelektronik angeordnet sein. Alternativ kann die Auswerteelektronik in Form von Leiterbahnen direkt auf dem Verdrängungskörper aufgebracht sein. Eine Druckmesszelle mit einem derartig funktionalisierten Verdrängungskörper beansprucht besonders wenig Bauraum.
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Die Auswerteelektronik kann dabei auf dem Verdrängungskörper in der Nähe des Sensorchips angebracht sein. Damit ist sie sensornah platziert, was die Signalwege zwischen Sensorchip und Auswerteelektronik sehr kurz macht. Die Signalwege werden beispielsweise mit einer elektrischen Verbindung mittels Bond-Drähten oder einer Verkabelung realisiert. Kurze Signalwege führen in der Regel dazu, dass der Signal-Rausch-Abstand verbessert und dadurch ebenfalls die Signalqualität verbessert wird. Durch die kürzeren Signalwege wird auch eine schnellere bzw. direktere Reaktionszeit erreicht.
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Die erfindungsgemäße Druckmesszelle umfasst einen erfindungsgemäßen Druckmittler und einen Drucksensor zur Erfassung eines Drucks. Der Druckmittler kann mithilfe eines Drucksensors zu einer Druckmesszelle komplettiert werden. Dazu wird die Sensorkammer durch den Drucksensor und seine Peripherie abgeschlossen, so dass der Druck, der von außen auf die Membran wirkt, einen Druck im Inneren der Sensorkammer hervorruft, welcher wiederum auf dem Drucksensor lastet und von ihm erfasst werden kann. Der Drucksensor selbst weist auch eine Membran auf, durch deren Verformung der Druck in der Sensorkammer aufgenommen werden kann.
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In einer weiteren Ausführungsform kann die Druckmesszelle als eine metallische Druckmesszelle ausgebildet sein. Eine metallische Druckmesszelle weist einen metallischen Druckmittler auf, der wiederum einen metallischen Grundkörper umfasst, welcher mit einer metallischen Membran verbunden ist. Auf diese Weise kommen ausschließlich metallische Bauteile in Berührung mit dem zu messenden Medium. Der Drucksensor oder auch Sensorchip kann ebenfalls metallischer Natur sein, d.h. seine Membran ist im Wesentlichen aus Metall gefertigt. Er kann aber auch keramisch aufgebaut sein.
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In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gegenstandes ist die Druckmesszelle dadurch gekennzeichnet, dass die Druckmesszelle als eine keramische Druckmesszelle ausgebildet ist. Die keramische Druckmesszelle ist dadurch charakterisiert, dass die Membran des Druckmittlers aus keramischen Werkstoffen hergestellt ist und an einem keramischen Grundkörper angebunden ist. Es ist aber möglich, dass der Grundkörper auch metallischen Werkstoffe umfasst oder im Wesentlichen aus metallischen Werkstoffen hergestellt ist.
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In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gegenstandes ist die Druckmesszelle dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Druckmesszelle um eine Druckmesszelle zur Messung eines absoluten Druckes handelt. Zur Messung eines absoluten Drucks wird ein absoluter Referenzwert benötigt. Dafür bietet sich beispielsweise ein definiertes Vakuum an. Dieses wird dazu an der Rückseite der Membran des Drucksensors angelegt, während auf der Vorderseite der Druck der Sensorkammer auf der Membran des Drucksensors lastet.
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In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gegenstandes ist die Druckmesszelle dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Druckmesszelle um eine Druckmesszelle zur Messung eines Relativdruckes handelt. Bei der Messung des Relativdrucks wird meist der Druck des zu messenden Mediums relativ zum Umgebungsdruck gemessen. Dies geschieht am einfachsten, wenn die Rückseite der Membran des Drucksensors durch eine Rohrartige nach außen zur Umgebung verbunden ist, während die Vorderseite der Membran des Drucksensors durch den Druck der Sensorkammer beaufschlagt wird.
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Weitere praktische Ausführungsformen sind im Folgenden in Zusammenhang mit den Figuren beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine Druckmesszelle gemäß dem Stand der Technik in einer schematischen Ansicht im Querschnitt (schon behandelt),
- 2 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Druckmesszelle in einer schematischen Ansicht im Querschnitt,
- 3 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Druckmittlers ohne Drucksensor.
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In den Figuren bezeichnen - soweit nicht anders angegeben - gleiche Bezugszeichen gleiche oder einander entsprechende Komponenten mit gleicher Funktion.
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer metallischen Druckmesszelle 1 gemäß der vorliegenden Anmeldung in einem Querschnitt.
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Bei der gezeigten Druckmesszelle 1 gemäß der Ausführungsform handelt es sich um eine Druckmesszelle 1 zur Messung eines Relativdruckes, da der Aufbau eine Öffnung zum Druckausgleich 72 aufweist. Darüber hinaus sind die fakultativen Merkmale betreffend einen Verdrängungskörper 61 und einer darauf befindlichen Auswerteeinheit 62 gemäß der Unteransprüche verwirklicht.
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Die Druckmesszelle 1 weist im Wesentlichen einen metallischen Grundkörper 3, eine in Axialrichtung A vorderseitig an dem Grundkörper 3 angeordnete metallische Membran 5 sowie einen in einer in dem Grundkörper 3 ausgebildeten Sensorkammer 71 angeordneten Drucksensor 7 auf.
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Die Sensorkammer 71 steht über einen Verbindungskanal 9 mit einer zwischen dem Grundkörper 3 und der Membran 5 ausgebildeten Membrankammer 51 in Fluidverbindung. Die Sensorkammer 71 ist in rückseitiger Richtung durch ein Verschlusselement 80 verschlossen, wobei das Verschlusselement 80 eine Mehrzahl von Kabeldurchführungen aufweist. In der Sensorkammer 71 ist der Drucksensor 7 angeordnet. Der Drucksensor 7 weist als drucksensitives Element einen Sensorchip 73 auf, der über einen Sensorträger 75 an dem Verschlusselement 80 angeordnet ist. Vorderseitig ist der Sensorchip 73 durch einen vorderseitigen Kontakt 77 und rückseitig durch einen Rückseitenkontakt 79, die jeweils durch eine der Durchführungen durch das Verschlusselement 80 geführt sind, kontaktiert. Ein rückseitiger Teil einer Membran des Sensorchip 73 ist vorliegend über eine Druckausgleichsleitung 72, die ebenfalls durch das Verschlusselement 80 zur Rückseite des Sensorchip 73 geführt ist, entweder mit einem Umgebungsdruck oder einem Referenzdruck beaufschlagbar. In einer alternativen Ausgestaltung als Absolutdrucksensor ist der hinter dem Sensorchip 73 liegende Hohlraum evakuiert, sodass eine absolute Druckmessung (Referenzdruck ist das Vakuum) durchgeführt werden kann.
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In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Verschlusselement 80 ferner eine Befüllöffnung 11 mit einem daran angeordneten Rohrabschnitt auf, über die die Sensorkammer 71, der Verbindungskanal 9 sowie die Membrankammer 51 mit einem Druckmittlermedium, befüllbar sind. In der Darstellung der 1 ist dieses Druckmittlermedium 13 jedoch der besseren Übersichtlichkeit halber noch nicht eingeführt.
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Die Membran 5 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel über eine umlaufende Verbindung 57, vorliegend eine Verschweißung, mit dem Grundkörper 3 verbunden. Die Membran 5 weist in der vorliegenden Querschnittsdarstellung eine wellenförmige Oberflächenkontur auf, die korrespondierend zu einer Oberflächenkontur einer der Membran 5 zugewandten Wandung des Grundkörpers 3 korrespondierend ausgebildet ist. Durch diese wellenförmige Oberflächenkontur 55 wird erreicht, dass die Membran 5 in Axialrichtung A flexibel ist, wohingegen in Radialrichtung R eine möglichst große Steifigkeit erzielt wird.
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Die Oberflächenkontur 55 der Membran 5 wird bei der Fertigung der Druckmesszelle 1 vom Grundkörper 3 auf die Membran 5 übertragen. Hierfür wird die Membran 5 nachdem sie an dem Grundkörper 3 befestigt wurde, von vorne her mit einem Überdruck beaufschlagt, sodass sie sich in das von dem Grundkörper 3 ausgebildete Membranbett abformt.
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Das Druckmittlermedium 13 besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus zwei Komponenten. Die erste Komponente des Druckmittlermediums 13 ist ein Silikonöl und die zweite Komponente ein Halocarbonöl ist. Silikonöl weist eine hohe Temperaturstabilität auf und sorgt entsprechend für eine hohe Temperaturstabilität des Druckmittlermediums 13. Halocarbonöl ist sehr gut für Vakuumanwendungen geeignet und vergrößert den Einsatzbereich des Druckmittlermediums 13 im unteren Druckbereich bzw. im Unterdruckbereich. Ein Mischverhältnis von 80% Silikonöl und 20% Halocarbonöl erzielt in dieser Ausführungsform einen guten Kompromiss aus Temperaturbeständigkeit und Vakuumbeständigkeit.
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Die 3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Druckmittlers ohne angeschlossenen Drucksensor. Der Grundkörper 3 weist einen flanschartigen Kragen 6 zur Befestigung an einem Behältnis oder Rohr auf. Der Druckmittler weist zusätzlich zum Grundkörper 3 ein in diesem Fall angeschweißten Sensoranschluss 6 auf, der den Drucksensor 7 mithilfe eins Anschlussgewindes 8 aufnimmt. Am Sensoranschluss ist die Befüllöffnung 11 in Form einer Bohrung mit Verschlussstopfen angebracht. Am oberen Ende des Verbindungskanals 9, welcher im Betrieb vollständig mit dem Druckmittlermedium 13 gefüllt ist, kann über das Druckmedium 13 der Druck vom Drucksensor erfasst werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Druckmesszelle
- 3
- Grundkörper
- 4
- Kragen
- 5
- Membran
- 6
- Sensoradapter
- 7
- Drucksensor
- 8
- Anschlussgewinde
- 9
- Verbindungskanal
- 11
- Befüllöffnung
- 13
- Druckmittlermedium
- 51
- Membrankammer
- 55
- Oberflächenkontur
- 57
- Verbindung
- 61
- Verdrängungskörper
- 62
- Auswerteelektronik
- 63
- Verbindungskabel
- 71
- Sensorkammer
- 72
- Druckausgleich
- 73
- Sensorchip
- 75
- Sensorträger
- 77
- Vorderseitenkontakt
- 79
- Rückseitenkontakt
- 80
- Verschlusselement
- 91
- Eintrittsfläche
- A
- Axialrichtung
- R
- Radialrichtung
