DE102021113679A1

DE102021113679A1 - Druckmessgerät

Info

Publication number: DE102021113679A1
Application number: DE102021113679.2A
Authority: DE
Inventors: Guido Knoll; Hans-Peter Müller
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2020-05-28
Filing date: 2021-05-27
Publication date: 2021-12-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Druckmessgerät, bei dem die Druckmesszelle (10) eine auslenkbare Messmembran (11) und einen außenumfänglichen ringförmigen Ansatz (12) umfasst und eine erste Seite (11a) der Messmembran (11) vollständig mit dem Medium in Kontakt steht und auf einer von dem Medium abgewandten zweiten Seite (11b) ein elektromechanischer Wandler (15) angeordnet ist. Der durch den ringförmigen Ansatz (12) begrenzte Bereich (13) weist zumindest partiell eine Glasbeschichtung auf, in der der als Halbleiter-Dehnungsmessstreifen ausgeführte elektromechanische Wandler (15) eingebettet ist. Der Prozessanschluss (3) sitzt auf dem distalen Ende (12a) des ringförmigen Ansatzes (12) der Druckmesszelle (10) auf, so dass die Druckmesszelle (10) zumindest teilweise Teil der äußeren Oberfläche des Prozessanschlusses (3) ist und somit nicht von dem Prozessanschluss (3) umschlossen wird, sondern so zum Prozessanschluss (3) angeordnet ist, dass der dem zu überwachenden Medium abgewandte ringförmige Ansatz (12) der Druckmesszelle (10) mit der dem Ansatz (12) zugeordneten Stirnseite (3a) des Prozessanschlusses (3) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Druckmessgerät zur Messung des Drucks eines flüssigen, fließfähigen oder gasförmigen Mediums.
Druckmessgeräte bzw. Drucksensoren werden zur Überwachung und Messung des Systemdrucks in hydraulischen und pneumatischen Applikationen eingesetzt. Ein Einsatzbereich solcher Druckmessgeräte ist beispielsweise die Lebensmittelindustrie, in der der Druck verschiedener Medien, insbesondere verschiedener Flüssigkeiten überwacht oder gemessen wird. Dabei gibt es je nach Anwendungsgebiet eine Vielzahl unterschiedlicher Ausführungsvarianten, wobei sich der Aufbau und die Auslegung der Druckmessgeräte in Abhängigkeit des erwarteten maximalen Nenndrucks des zu überwachenden Mediums unterscheiden.
Typischerweise bestehen derartige Druckmessgeräte aus einem metallischen Prozessanschluss zur mechanischen Verbindung des Messgeräts mit dem das Medium beinhaltenden Behältnis und einem auf dem Prozessanschluss aufgesetzten Gehäuse, das im Wesentlichen die Auswerteelektronik beinhaltet. Des Weiteren ist eine zumeist metallische oder keramische Druckmesszelle zur Umwandlung des zu überwachenden Drucks mittels eines elektromechanischen Wandlers in ein proportionales Messsignal vorgesehen. Die Druckmesszelle weist zumindest eine auslenkbare Messmembran auf, deren eine Seite mit dem Medium in Kontakt steht und auf deren anderen, vom Medium abgewandten Seite der elektromechanische Wandler angeordnet ist.
Für bestimmte Anwendungen, insbesondere in der Prozess- und Lebensmitteltechnik, ist ein frontbündiger Sensor bzw. Messgerät vorteilhaft, bei dem sich kein Medium in dem sonst üblichen Verbindungskanal zu dem Verformungskörper der Vorrichtung sammeln kann. Üblicherweise wird bei solchen Sensoren die Verformung eines frontbündigen Verformungskörpers, beispielsweise einer frontbündigen Membran, über ein nicht-kompressibles Übertragungsmedium, bspw. Öl, an die eigentliche Druckaufnehmerstruktur in Form eines elektromechanischen Wandlers, welcher bspw. einen Folien-, Draht- oder Halbleiter-Dehnungsmessstreifen aufweist, weitergeleitet. Derartige Sensoren sind herstellungstechnisch im Hinblick auf die erforderliche Ölfüllung aufwendig und weisen weitere Nachteile auf, beispielsweise den unerwünschten Einfluss der Ausdehnung des Übertragungsmediums im Falle einer Temperaturerhöhung auf das Sensorsignal.
Die EP 1 662 242 B1 sowie die EP 1 943 493 B1 offenbaren jeweils einen frontbündigen Drucksensor, bei dem der einwirkende Druck von der Membran über ein stößelartiges Übertragungsmittel an den zurückversetzten Dehnungsmessstreifen übertragen wird.
Des Weiteren ist aus der DE 1648745 A1 eine Druckmessvorrichtung mit einem Halbleiter-Wandler bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es, den konstruktiven Aufbau eines frontbündigen Druckmessgeräts zu verbessern.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Druckmessgerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß weist die Messmembran der Druckmesszelle einen außenumfänglichen ringförmigen Ansatz auf, der auf der dem Medium abgewandten Seite der Messmembran angeordnet ist. Der elektromechanische Wandler, der als Halbleiter-Dehnungsmessstreifen, vorzugsweise als Siliziumelement ausgeführt ist, befindet sich in dem durch den ringförmigen Ansatz begrenzten Bereich unmittelbar auf der Innenseite der Messmembran. Dieser durch den ringförmigen Ansatz begrenzte Bereich weist zumindest partiell eine Glasbeschichtung auf, in der der Halbleiter-Dehnungsmessstreifen eingebettet ist. Über die Glasbeschichtung wird eine zuverlässige Verbindung zwischen dem Halbleiter-Dehnungsmessstreifen und der Messmembran erreicht. Darüber hinaus wirkt die Glasbeschichtung isolierend und ist langzeitstabil.
Schließlich setzt der Prozessanschluss auf dem distalen Ende des ringförmigen Ansatzes der Druckmesszelle auf, so dass die Druckmesszelle zumindest teilweise Teil der äußeren Oberfläche des Prozessanschlusses ist und somit nicht von dem Prozessanschluss umschlossen wird, sondern so zum Prozessanschluss angeordnet ist, dass der dem zu überwachenden Medium abgewandte ringförmige Ansatz der Druckmesszelle mit der ihm zugeordneten Stirnfläche des Prozessanschlusses verbunden ist. Die Verbindung zwischen dem distalen Ende des ringförmigen Ansatzes der Druckmesszelle und dem Prozessanschluss wird vorteilhaft über eine Schweißverbindung realisiert.
Da die Druckmesszelle nicht vom Prozessanschluss umschlossen ist, die Messmembran damit vollständig mit dem Medium in Kontakt steht, kann auf diese Weise ein absolut frontbündiges Druckmessgerät geschaffen werden, das keine Druckmittlerflüssigkeit als Übertragungsmedium benötigt, zudem eine sehr kompakte Bauform aufweist sowie eine hohe Temperaturbeständigkeit von bspw. 150°C aufweist und somit ideal für den Einsatz unter Hygienebedingungen, d.h. insbesondere in der Lebensmittelindustrie geeignet ist.
In vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindung ist vorgesehen, dass der elektromechanische Wandler außermittig auf der Innenseite der Messmembran angeordnet ist und dass auf der dem Medium abgewandten Seite der Membran ein Abstützelement von der Membran derart beabstandet angeordnet ist, dass die Membran bei Überlast an dem Abstützelement zumindest teilweise anliegt. Das erhöht die Überlastfestigkeit des Druckmessgeräts, da neben der „normalen“ Beanspruchung des Druckmessgeräts, insbesondere der Druckmesszelle, durch den Nenndruck des zu überwachenden Mediums in vielen Einsatzbereichen häufig auch kurzzeitige Überdrücke bzw. Druckspitzen auftreten können, die wesentlich größer als der maximale Nenndruck des Mediums sind. Ein solcher Überdruck kann beispielsweise in großvolumigen Rohrleitungen und bei schnell schaltenden Ventilen erzeugt werden, insbesondere bei Notabschaltungen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind hinsichtlich der Hygienetauglichkeit die Druckmesszelle und/oder der Prozessanschluss aus Edelstahl ausgeführt.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen schematisch:

1 ein erfindungsgemäßes Druckmessgerät,
2 ein Schnittbild durch den Prozessanschluss samt Druckmesszelle eines erfindungsgemäßen Druckmessgeräts gemäß einer ersten Ausführungsform und
3 ein Schnittbild durch den Prozessanschluss samt Druckmesszelle eines erfindungsgemäßen Druckmessgeräts gemäß einer zweiten Ausführungsform.

Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
In 1 ist ein erfindungsgemäßes, für den Einsatz in der Prozessmesstechnik vorgesehenes Druckmessgerät 1 dargestellt. Es besteht im Wesentlichen aus einem Prozessanschluss 3, einem darauf aufgesetzten Gehäuse 2 sowie einem Steckeranschluss 4. Über diesen Steckeranschluss 4 ist das Druckmessgerät 1 mit einer Stromversorgung und/oder mit einer Datenverarbeitungseinheit bzw. Steuereinheit verbunden, die die Messsignale empfängt und auswertet.
Unmittelbar an den Prozessanschluss 5 angefügt ist der eigentliche Messaufnehmer in Gestalt einer Druckmesszelle 10, die vorliegend als resistiv, d.h. mittels Dehnungsmessstreifen, arbeitende Druckmesszelle ausgeführt ist. Innerhalb des Gehäuses 2 ist eine Auswerteelektronik (nicht dargestellt) angeordnet, um das Messsignal auszuwerten und in einer im Gehäuse 2 integrierten Anzeigevorrichtung (sofern vorhanden) darzustellen und/oder in der nachgelagerten Steuerungseinheit verarbeiteten lassen zu können.
Das Druckmessgerät 1, d.h. insbesondere das Gehäuse 2 und der Prozessanschluss 3, ist aus Metall, vorzugsweise aus Edelstahl. Die Druckmesszelle 10 kann aus einem Metall, wie bspw. Edelstahl, Titan, Tantal, oder aus Keramik, einem Sinterwerkstoff, Kunststoff oder auch aus einem 3D-gedrucktem Kombinationserzeugnis sein.
Die Druckmesszelle 10 kann einen Durchmesser von etwa 10 mm, 18 mm, aber auch größer sein, je nachdem in welcher Bauform und für welchen Einsatz, insbesondere hinsichtlich des Nenndrucks von etwa 1 bis 600 bar und der Empfindlichkeit das Druckmessgerät 1 vorgesehen ist.
In 2 ist ein Schnittbild durch den Prozessanschluss 3 samt Druckmesszelle 10 eines erfindungsgemäßen Druckmessgeräts 1 gemäß einer ersten Ausführungsform dargestellt. Der einwirkende Druck des Prozessmediums ist mit p und einem Pfeil symbolisiert. Die Druckmesszelle umfasst eine auslenkbare Messmembran 11 und einen außenumfänglichen ringförmigen Ansatz 12 auf. Eine erste Seite 11a der Messmembran 11 steht vollständig mit dem Medium in Kontakt und auf der gegenüberliegenden, von dem Medium abgewandten zweiten Seite 11b ist in einem durch den ringförmigen Ansatz 12 begrenzten Bereich 13 ein elektromechanischer Wandler 15 in Form eines Halbleiter-Dehnungsmessstreifens 15 angeordnet. Der Halbleiter-Dehnungsmessstreifen 15 ist vorzugsweise als Siliziumelement ausgeführt.
Der Prozessanschluss 3 und die Druckmesszelle 10 sind stirnseitig miteinander verbunden, vorteilhafterweise mittels einer Schweißverbindung, d.h. der Prozessanschluss 3 sitzt auf dem distalen Ende 12a des ringförmigen Ansatzes 12 der Druckmesszelle 10 auf. Die Druckmesszelle 10 wird also von dem Prozessanschluss 3 nicht umschlossen, so dass die Außenseite der Druckmesszelle 10 damit quasi, zumindest teilweise, Teil der äußeren Oberfläche des Prozessanschlusses 3 wird.
Der durch den ringförmigen Ansatz 12 begrenzte Bereich 13 weist zumindest partiell eine Glasbeschichtung auf, in der der in Chip-Form ausgeführte Halbleiter-Dehnungsmessstreifen 15 eingebettet ist. Über die Glasbeschichtung wird eine zuverlässige Verbindung zwischen dem Halbleiter-Dehnungsmessstreifen 15 und der Messmembran 11 erreicht. Darüber hinaus wirkt die Glasbeschichtung isolierend und ist langzeitstabil.
In 3 ist ein Schnittbild durch den Prozessanschluss 3 samt Druckmesszelle 10 eines erfindungsgemäßen Druckmessgeräts 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform dargestellt. Der einzige Unterschied zur ersten Ausführungsform gemäß 3 besteht darin, dass ein Abstützelement 20 auf der dem Medium abgewandten Seite 11b von der Messmembran 11 beabstandet vorgesehen ist. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird im Folgenden nur auf diesen Unterschied eingegangen.
Die Ausführungsform gemäß 3 bietet sich an, wenn kurzzeitige Überdrücke bzw. Druckspitzen zu erwarten sind, die wesentlich größer als der maximale Nenndruck des Mediums sind. Ein solcher Überdruck kann beispielsweise in großvolumigen Rohrleitungen und bei schnell schaltenden Ventilen erzeugt werden, insbesondere bei Notabschaltungen.
In dieser Ausführungsform ist der Halbleiter-Dehnungsmessstreifen 15 außermittig auf der Innenseite 11b der Messmembran 11 angeordnet, so dass die Messmembran 11 bei Überlast an dem Abstützelement 20 zumindest teilweise anliegt. Mit dieser Maßnahme wird die Überlastfestigkeit des Druckmessgeräts 1 erhöht.
Bezugszeichenliste

1: Druckmessgerät
2: Gehäuse
3: Prozessanschluss
3a: Stirnseite des Prozessanschlusses
4: Steckeranschluss
10: Druckmesszelle
11: Messmembran
11a: erste Seite der Messmembran
11b: zweite Seite der Messmembran
12: ringförmiger Ansatz
12a: distalen Ende des ringförmigen Ansatzes
13: Bereich auf der Messmembran
15: elektromechanischer Wandler, Dehnungsmessstreifen
20: Abstützelement

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

EP 1662242 B1 [0005]
EP 1943493 B1 [0005]
DE 1648745 A1 [0006]

Claims

Druckmessgerät zur Messung des Drucks eines flüssigen, fließfähigen oder gasförmigen Mediums, mit - einem Gehäuse (2), - einem metallischen Prozessanschluss (3) zur mechanischen Verbindung mit dem das Medium beinhaltenden Behältnis und - einer Druckmesszelle (10), die den zu überwachenden Druck mittels eines elektromechanischen Wandlers 15) in ein proportionales Messsignal umwandelt, wobei die Druckmesszelle (10) eine auslenkbare Messmembran (11) und einen außenumfänglichen ringförmigen Ansatz (12) umfasst, wobei eine erste Seite (11a) der Messmembran (11) vollständig mit dem Medium in Kontakt steht und auf einer von dem Medium abgewandten zweiten Seite (11b) der elektromechanische Wandler (15) angeordnet ist, wobei der ringförmige Ansatz (12) auf der dem Medium abgewandten Seite (11b) der Messmembran (11) angeordnet ist und sich der elektromechanische Wandler (15) in dem durch den ringförmigen Ansatz (12) begrenzten Bereich (13) befindet, wobei der durch den ringförmigen Ansatz (12) begrenzte Bereich (13) zumindest partiell eine Glasbeschichtung aufweist, in der der als Halbleiter-Dehnungsmessstreifen ausgeführte elektromechanische Wandler (15) eingebettet ist, wobei der Prozessanschluss (3) auf dem distalen Ende (12a) des ringförmigen Ansatzes (12) der Druckmesszelle (10) aufsetzt, so dass die Druckmesszelle (10) zumindest teilweise Teil der äußeren Oberfläche des Prozessanschlusses (3) ist und somit nicht von dem Prozessanschluss (3) umschlossen wird, sondern so zum Prozessanschluss (3) angeordnet ist, dass der dem zu überwachenden Medium abgewandte ringförmige Ansatz (12) der Druckmesszelle (10) mit der dem Ansatz (12) zugeordneten Stirnseite (3a) des Prozessanschlusses (3) verbunden ist.
Druckmessgerät nach Anspruch 1, wobei der elektromechanische Wandler (15) außermittig auf der der dem Medium abgewandten Seite (11b) der Messmembran (11) angeordnet ist.
Druckmessgerät nach Anspruch 2, wobei auf der dem Medium abgewandten Seite (11b) der Membran (11) ein Abstützelement (20) von der Membran (11) derart beabstandet angeordnet ist, dass die Membran (11) bei Überlast an dem Abstützelement (20) zumindest teilweise anliegt.
Druckmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (2) und/oder der Prozessanschluss (3) aus Edelstahl ausgeführt sind.
Druckmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Druckmesszelle (10) aus einem Metall oder aus Keramik oder einem Sinterwerkstoff oder einem Kunststoff oder aus einem 3D-gedrucktem Kombinationserzeugnis ausgeführt ist.
Druckmessgerät nach Anspruch 5, wobei die Druckmesszelle (10) aus Edelstahl, Titan oder Tantal besteht.
Druckmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Halbleiter-Dehnungsmessstreifen (15) als Siliziumelement ausgeführt ist.