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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Differenzdruckmessung zwischen zwei Medienleitungen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Verwendung einer solchen Anordnung.
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Die in Rede stehende Anordnung ist eine weit verbreitete Ausführung zur Differenzdruckmessung von Flüssigkeiten oder Gasen. Der eigentliche Sensor, d. h. die Messzelle, besteht aus einer (durch Druck) elastisch verformbare Membran, die bspw. aus Silizium besteht. Allerdings soll sich die Erfindung auch auf ähnlich aufgebaute Sensoren mit in eine Membran eindiffundierten Widerständen oder mit einer Trägerplatte bspw. aus Glas erstrecken, wobei die
DE 101 30 375 B4 hier ausdrücklich zu nennen wäre. Denkbar sind in diesem Zusammenhang auch kapazitiv arbeitende Druckmesszellen mit Keramikmembranen. Dabei kann der Differenzdrucksensor, wie in der o.g. Schrift gezeigt, auch zwei Membranen aufweisen. Im Fokus der Erfindung stehen dabei vor allem Differenzdrucksensoren, die von beiden Seiten mit Druck beaufschlagt werden und unmittelbar einen Differenzdruck erfassen, d.h. diesen nicht durch eine Verrechnung zweier separat erfasster Druckwerte mathematisch ermittelt wird.
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Die Membran des Drucksensors biegt sich infolge eines Druckunterschieds zwischen ihren beiden Seiten durch, wobei auf ihrer Oberfläche Dehnungen in radialer und in tangentialer Richtung entstehen, die am Rande des durchgebogenen Bereichs besonders ausgeprägt sind.
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Die Membran trägt (eindiffundierte) Dehnungsmessstreifen (DMS). Von denen sind in der Regel zwei auf Dehnungen in radialer Richtung empfindlich und zwei auf Dehnungen in tangentialer Richtung, und zwar so, dass sich deren elektrische Widerstände linear mit der erfassten Dehnung ändern. Die vier Widerstände werden vorteilhaft in einer Wheatstone'sehen Messbrücke angeordnet, die bei Widerstandsänderungen ihre elektrische Ausgangsspannung ändert. Die Messbrücke arbeitet per se differenzbildend, wodurch nur die Unterschiede in den Widerstandsänderungen erfasst werden. Temperatureinflüsse sind somit auf alle DMS gleich groß und heben sich auf. Denkbar sind auch einzelne Dehnungsmessstreifen, die entweder nur eine Dehnung oder nur eine Stauchung erfassen.
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Die zuvor beschriebenen Differenzdrucksensoren werden häufig zur Überwachung von Filteranlagen in der Prozessmesstechnik, insbesondere zur Überwachung von Luftfiltern eingesetzt, wobei der Druck vor und nach dem Filter bzw. gleich die Druckdifferenz gemessen wird. Dafür geeignete Drucksensoren werden unter anderem auch von der Anmelderin hergestellt und beispielsweise unter der Bezeichnung PQxxxx vertrieben.
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Bekannt sind in diesem Zusammenhang Differenzdrucksensoren mit einer Membran und einem darauf befindlichem Messelement sowie einer elektronischen Schaltung zur Erfassung der Membranauslenkung. Die Membran und das darauf befindliche Messelement, sowie die darauf befindlichen Elektronikteile werden durch eine elektrisch isolierende Schicht geschützt.
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Bei der Überwachung oder Steuerung der genannten Filteranlagen ergibt sich ein Problem mit der mehr oder wenig stark verunreinigten Luft schon daraus, dass es die Aufgabe eines Filters ist, den mitgeführten Partikelzustrom aus der geförderten Luft (Förderluft) abzutrennen.
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Aus der
DE 10 2018 218 695 A1 ist bspw. eine Filterüberwachung mittels Differenzdruckmessung bekannt. Hierbei sind jedoch die Druckkanäle, die die Medienleitung mit dem Differenzdrucksensor verbinden, als dünne, abgewinkelte Stichleitungen ausgebildet, wodurch die Gefahr besteht, dass sich Staub- und Rußpartikel an den Wänden der Druckkanäle absetzen und dann ein stabiles Gewölbe bilden, auch Brückenbildung genannt.
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Die
DE 10 2013 209 385 A1 zeigt eine mikromechanische Differenzdrucksensoranordnung, bei der mindestens ein Durchgang mit Schutzmasse vergossen ist, welche den betreffenden Membranbereich bedeckt. Als Schutzmasse wird ein Gel vorgeschlagen, damit sich Partikel und Wasser nicht auf dem Membranbereich ansammeln [0021].
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Auch ist bekannt, eine elektrisch leitende amorphe Metallschicht nicht nur zur Abschirmung der elektronischen Bauteile, sondern auch zur Hemmung oder Minderung der Korrosion und von Ablagerungen einzusetzen, indem sie mit einem elektrischen Potential beaufschlagt wird.
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Wie sich gezeigt hat, reichen die oben genannten Maßnahmen bei der Förderung von stark verschmutzter Luft in manchen Fällen nicht aus, weil sich die Staubanteile derart aufbauen, dass sie einen Pfropfen bilden, der eine Messung schließlich sogar unterbinden kann.
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Die
DE1 01 14648C2 beschreibt einen Differenzdrucksensor zur Volumenstrommessung für Flüssigkeiten und Gase. Zunächst wird vorgeschlagen, den Mess-Chip direkt im Medium anzuordnen. Dadurch können sich weder Luftblasen anlagern, noch besteht die Gefahr des Verschließens durch Schmutz. [0010] und [0013]. Weiterhin wird vorgeschlagen, in dem Träger, insbesondere in dem vorderen Trägerteil aus Silizium, eine Fensteröffnung auszubilden, in welcher der Differenzdrucksensor integriert ist. Da die Membran des Differenzdrucksensors von der einen Seite her vom Medium angeströmt wird, entsteht ein Überdruck und bezüglich der Rückseite der Membran eine Druckdifferenz.
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Diese Lehre ist jedoch nicht ohne weiteres auf die Überwachung eines Luftfilters mit einem Differenzdrucksensor anwenden, weil hierzu zwei Sensoren erforderlich wären, nämlich einer vor dem Filter und einer danach, was wegen der Addition der Messfehler von zwei Sensoren weder eine befriedigende Messgenauigkeit bietet noch wirtschaftlich vertretbar ist.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, den genannten Nachteil zu überwinden, und ein Druckmessgerät anzugeben, bei dem die Pfropfen- und Brückenbildung verhindert wird. Die Anordnung soll einfach aufgebaut, kostengünstig und mit geringem Aufwand in einer pneumatischen Filteranlage montierbar sein. Außerdem soll die Anordnung für sämtliche Anlagen mit einem Druckabfall an einem Strömungswiderstand anwendbar sein
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Die Aufgabe der Erfindung wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Der Anspruch 4 betrifft deren Verwendung in einer (Luft-) Filteranlage. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Der erste Erfindungsgedanke besteht darin, mindestens eine Seite des Differenzdrucksensors so zu gestalten, dass es zu keiner Beruhigung oder gar zum Stillstand der kontaminierten Luft im Sensor oder in dem zum Sensor führenden Druckkanal kommen kann. Das wird erreicht, indem wenigstens dieser eine Druckkanal einen geraden, winkellosen Verlauf aufweist und sich zur Öffnung in der Gehäuseblockwandung hin konisch erweitert. Dadurch entsteht eine permanente turbulente Verwirbelung in dem wenigstens einem Druckkanal, so dass die Schwebepartikel in Bewegung gehalten werden und sich dadurch weder festsetzen noch im ungünstigsten Fall zu einem Pfropfen aushärten. Auch wird dadurch vermieden, dass sich eine langsam aufbauende Partikelschicht beim Ablösen dergestalt abstützen könnte, dass Zugangsöffnungen durch eine Brückenbildung dauerhaft blockiert wären.
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In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird der Sensor direkt auf die Hauptleitung montiert (aufgeschraubt, aufgespannt etc.), so dass über eine Bohrung in der Hauptleitung und eine entsprechende Abdichtung als Fortführung des konisch ausgestalteten Druckkanals zum Sensorelement ein direkter Zugang vom Hauptstrom zum Sensor möglich wird, was per se zu einer Verwirbelung im Sensorbereich führt und eine Partikelablagerung mit Schichtenaufbau erschwert, wenn nicht sogar ganz verhindert.
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Der zweite Erfindungsgedanke besteht darin, das Messelement zum einen senkrecht zur Wand des Gehäuseblocks aufzustellen, so dass beide Seiten der Differenzdruckmesszelle jeweils einen Zugang zu einem der beiden Luftströme in den Medienleitungen vor und hinter dem Strömungswiderstand erhalten, und zum anderen die Zugangsöffnung zur Messzelle derart zu gestalten, dass sich keine Verjüngungen ergeben, wo sich Partikel festsetzen könnten. Vielmehr soll der Zugang zum Medienstrom hin konisch ausgestaltet sein, vorteilhafterweise kegelförmig konisch.
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Durch Turbulenzen in der Druckmesszelle und einer die Schwerkraft berücksichtigende Montage sowie durch eine Aktivierung des Sensorumfeldes durch einen Piezoschwinger soll eine Ablagerung bzw. ein Aufbau vom Schmutzpartikeln in beiden Pfaden verhindert werden. Damit könnte ein langzeitstabiler Betrieb unabhängig vom Reinigungsgrad der Filteranlage gewährleistet werden. Der piezoresistive Aktor versetzt dabei das gesamte System oder die gesamte Anlage in Schwingung, um auf dieser Weise die Ablagerung von im gefilterten Medienstrom noch mitgeführten (Schmutz-) Partikeln zumindest zu erschweren.
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Im Gegensatz zu den in der
DE 10 2007 016 792 A1 vorgeschlagenen Reinigungsimpulsen [0028] könnte der Piezoschwinger auch permanent betrieben werden, was Ablagerungen bzw. bereits eine Belagsbildung wirkungsvoll unterbinden würde.
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Insbesondere vor einem Luftfilter hinter Trocknungsanlagen wäre dieser Ansatz angesichts einer möglicherweise unzureichenden Filterwirkung oder bei Havarie desselben mit erhöhter Schmutzfracht auch hinter dem Filter eine ordnungsgemäße Funktion sichergestellt.
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Darüber hinaus wird bei geringem Systemdruck eine zusätzliche Druckmesszelle zur Ausgabe des Systemdrucks neben dem Differenzdruck vorgeschlagen, weil bei Systemdrücken „gegen Null“ keine Differenzierung zum Systemdruck möglich wäre, was den Verschmutzungsgrad angeht. Eine Verstopfungsneigung ist bei geringen Systemdrücken und den damit einhergehenden beruhigten Förderströmen deutlich höher, so dass eine ordnungsgemäße Funktion ohne die eben genannte Maßnahme nicht sichergestellt werden könnte. Zum anderen kann die Erfassung des Systemdrucks auch deswegen wichtig sein, da aus dem Differenzdruck nicht unmittelbar auf den Systemdruck zurückgeschlossen werden kann, dies aber für die Bewertung einer ordnungsgemäßen Differenzdruckauswertung notwendig ist. Die zusätzliche Druckmesszelle ist in einem der beiden Pfade integriert und misst gegen die Umgebung. Damit kann bewertet werden, ob ein Differenzdruck „gegen Null“ aus den tatsächlichen Förderbedingungen oder aus einem fehlenden Systemdruck resultiert.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen stark schematisiert:
- 1 ein Schnittbild der Druckmesszelle mit einem vergrößerten Ausschnitt,
- 2 eine erfindungsgemäße Anordnung zur Differenzdruckmessung in Seitenansicht,
- 3 die Anordnung aus der 2 in Vorderansicht.
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Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
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Die 1 zeigt auf der linken Seite eine Druckmesszelle 2 mit dem Differenzdrucksensor, der rechts als vergrößerter Ausschnitt dargestellt ist.
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Die Druckmesszelle 2 weist in der Mitte eine elastisch verformbare Membran 7 mit zwei medienberührenden Flächen auf, die in die beiden Druckkanäle 5 und 6 münden.
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Die Druckmesszelle 2 wird von Schneiden geklemmt und ist mit zwei Dichtungen 8, die vorteilhafterweise als Dichtringe, insbesondere als O-Ringe ausgeführt sind, abgedichtet, wobei die beiden O-Ringe 8 den Differenzdrucksensor nicht umschließen, sondern auf den in die Druckkanäle 5 und 6 mündenden medienberührenden Flächen aufliegen und die auf der Druckmesszelle 2 angeordneten elektronischen Bauelemente sowie deren Kontaktstellen (Bonding) abdichten.
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Die Vorteile dieser Anordnung werden darin gesehen, dass die Kontaktstellen (Bonding) nicht vom Medium berührt werden, so dass stromführende Elemente unter einer Beschichtung und der Dichtung (den O-Ringen 8) „durchtauchen“, und so ohne Probleme weggeführt werden.
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Die 2 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung zur Differenzdruckmessung geschnitten in Seitenansicht.
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Der Gehäuseblock 1 trägt die Druckmesszelle 2 mit dem Differenzdrucksensor. Ein als Leiterplatte dargestellte elektronische Schaltung 3 dient zur Auswertung und Aufbereitung der Messsignale.
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Die Druckmesszelle 2 wird erfindungsgemäß zumindest teilweise so durch eine Halterung 4 geführt, dass deren Austrittsflächen mit den medienberührenden Flächen der Druckmesszelle 2 und mit je einem in dieser Ansicht nicht erkennbaren - und deshalb in der 3 dargestellten - O-Ring 8 fluchten.
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Der konisch ausgebildete erste Druckkanal 5 stellt die Verbindung zur ersten Medienleitung 9a her. Vorzugsweise ist das Maß der Öffnung des Druckkanals 5 breiter als hoch. Der vorteilhafterweise ebenfalls konisch ausgebildete zweite Druckkanal 6, der die Verbindung zur zweiten Medienleitung 9b herstellt, ist hier nicht sichtbar. Es wird auf die 3 verwiesen. Die Druckkanäle 5, 6 sind dabei vorzugsweise kegelförmig konisch ausgestaltet, d.h. sie verbreitern sich sowohl in der Breite als auch in der Tiefe.
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Schematisch ist der Medienstrom in der Medienleitung 9a angedeutet sowie die sich im Bereich der Öffnung des Druckkanals 5 ergebende turbulente Verwirbelung, durch die die Schwebepartikel im Medienstrom in Bewegung gehalten werden.
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Die elastisch verformbare Membran 7 steht erfindungsgemäß senkrecht zur Wand des Gehäuseblocks 1 und damit auch senkrecht zum Medium, um Ablagerungen zu erschweren.
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Zu erwähnen ist noch die optionale zweite Druckmesszelle 11 zur Erfassung des Systemdrucks, was bei einer sehr geringen Druckdifferenz an den beiden Seiten des als Strömungswiderstand wirkenden Filters 10 sowie bei geringem Systemdruck von Bedeutung ist. Hierzu ist eine Öffnung 13 zur Atmosphäre vorgesehen.
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Schließlich ist noch ein piezoresistiver Aktor 12 dargestellt, der das Medium in Bewegung halten soll, um die Ablagerung von Schmutzpartikeln zu erschweren, wobei es unwesentlich ist, ob er sich im Medienstrom vor oder nach dem Filter 10 oder sogar auf jeder Seite angeordnet ist.
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Die 3 zeigt die Anordnung aus 2 in Vorderansicht, wo neben dem Gehäuseblock 1, der Druckmesszelle 2, dem ersten Druckkanal 5 der elastisch verformbaren Membran 7 und der Medienleitung 9 der in der 2 nicht sichtbare zweite Druckkanal 6 und die O-Ringe 8 dargestellt sind.
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Alle gezeigten Anordnungen, sind einfach aufgebaut, kostengünstig herstellbar und leicht zu handhaben.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gehäuseblock
- 2
- Druckmesszelle, Differenzdrucksensor
- 3
- Elektronische Schaltung zur Auswertung und Aufbereitung der Messsignale
- 4
- Halterung
- 5
- erster Druckkanal
- 6
- zweiter Druckkanal
- 7
- elastisch verformbare Membran (mit piezoresistiven Messelementen)
- 8
- O-Ring
- 9a
- erste Medienleitung (Hauptleitung)
- 9b
- zweite Medienleitung
- 10
- Strömungswiderstand, Filter
- 11
- zweite Druckmesszelle für den Systemdruck
- 12
- piezoresistiver Aktor
- 13
- Öffnung zur Atmosphäre
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10130375 B4 [0002]
- DE 102018218695 A1 [0008]
- DE 102013209385 A1 [0009]
- DE 10114648 C2 [0012]
- DE 102007016792 A1 [0020]
