DE102021118954A1

DE102021118954A1 - Druckmesseinrichtung

Info

Publication number: DE102021118954A1
Application number: DE102021118954.3A
Authority: DE
Inventors: Timo Kober; Andreas Rossberg
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2021-07-22
Filing date: 2021-07-22
Publication date: 2023-01-26

Abstract

Es ist eine Druckmesseinrichtung beschrieben, die als Drucksensor ausgebildet ist oder einen Drucksensor (1, 33) umfasst, wobei der Drucksensor (1, 33) eine unmittelbar mit einem unter einem zu messenden Druck (p) stehenden Medium beaufschlagbare, durch den darauf einwirkenden Druck (p) auslenkbare Messmembran (3, 35) umfasst. Die Druckmesseinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Messmembran (3, 35) aus einem Verbundwerkstoff besteht, der einen keramischen Anteil und einen homogen innerhalb des Verbundwerkstoffs verteilten metallischen Anteil umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft eine Druckmesseinrichtung, die als Drucksensor ausgebildet ist oder einen Drucksensor umfasst, wobei der Drucksensor eine unmittelbar mit einem unter einem zu messenden Druck stehenden Medium beaufschlagbare, durch den darauf einwirkenden Druck auslenkbare Messmembran umfasst.
Druckmesseinrichtungen werden z.B. in der Messtechnik, sowie in der Prozess- und Automatisierungstechnik zur messtechnischen Erfassung von Drücken eingesetzt.
In bzw. als Druckmesseinrichtungen der eingangs genannten Art werden regelmäßig keramische Drucksensoren eingesetzt, deren keramische Messmembran aufgrund der hohen mechanischen und chemischen Beständigkeit von Keramik unmittelbar dem unter dem zu messenden Druck stehenden Medium ausgesetzt werden kann. Entsprechende Druckmesseinrichtungen sind z.B. in der DE 103 34 854 A1 beschrieben.
Keramische Drucksensoren bieten gegenüber Halbleiter-Sensoren den Vorteil, dass sie ohne einen dem Drucksensor vorgeschalteten, mit einer Druck übertragenden Flüssigkeit befüllten, den zu messenden Druck auf die Messmembran übertragenden Druckmittler betrieben werden können. Hierdurch werden durch das unter Umständen temperaturabhängige Druckübertragungsverhalten von Druckmittlern bedingte Messfehler vermieden.
Trotz der vergleichsweise hohen mechanischen Stabilität von Keramik, kann auch bei keramischen Drucksensoren nicht gänzlich ausgeschlossen werden, dass die keramische Messmembran beschädigt oder sogar zerstört wird. Dieser Fall kann z.B. eintreten, wenn die Messmembran durch eine Fehlbedienung einer den Druckmessbereich der Druckmesseinrichtung bei weitem übersteigenden Überlast ausgesetzt wird, oder wenn die Messmembran durch unsachgemäße Behandlung oder Fremdeinwirkung einer punktuellen Überbelastung ausgesetzt wird.
Derartige Überbeanspruchungen der Messmembran können dazu führen, dass die Messmembran bricht und Keramiksplitter in das unter dem zu messenden Druck stehende Medium gelangen. Keramiksplitter im Medium sind insbesondere in Messanwendungen problematisch, bei denen hohe Anforderungen an die Reinheit des Mediums gestellt werden. Letzteres ist z.B. in der Lebensmittelindustrie der Fall. Dieses Problem wird zusätzlich dadurch verschärft, dass Keramiksplitter in vielen Medien, z.B. in Lebensmitteln, nicht ohne Weiteres detektierbar sind. Ein Grund hierfür besteht darin, dass Keramiksplitter elektrische Isolatoren sind und dementsprechend nicht mit Metalldetektoren detektiert werden können. Des Weiteren liefern auch mit Röntgendetektoren ausgeführte Detektionsverfahren, wie z.B. ein Durchleuchten des Mediums, nur dann zuverlässige Ergebnisse, wenn sich die Durchlässigkeit bzw. die Reflektivität der Keramik in ausreichend großem Maß von der des Mediums unterscheidet. Diese Voraussetzung ist jedoch, insb. aufgrund der vergleichsweise geringen Dichte von Keramik, längst nicht in allen Anwendungen erfüllt.
In der EP 0 424 483 B1 ist ein Drucksensor mit einer keramischen Messmembran beschrieben, bei dem auf einer Außenseite der Messmembran durch chemische Gasphasenabscheidung eine dünne Schicht aus Siliziumkarbid abgeschieden worden ist. Die Schicht weist vorzugsweise eine Schichtdicke von 1 µm bis 10 µm auf und bewirkt eine Erhöhung der Widerstandsfähigkeit der Messmembran gegenüber Einwirkungen des Mediums, insb. gegenüber Säuren, Laugen und Lösungsmitteln. Gemäß der EP 0 424 483 B1 kann die Schicht zur elektrostatischen Abschirmung eingesetzt werden, indem sie derart dotiert wird, dass sie elektrisch leitfähig ist.
Die elektrisch leitfähige Schicht bewirkt jedoch nur eine geringfügige Verbesserung hinsichtlich der oben genannten Detektionsverfahren. Aufgrund der geringen Schichtdicke der Schicht, besteht immer noch die Gefahr, dass bei einem Membranbruch zumindest einige Membransplitter ausschließlich aus Keramik bestehen oder nur einen Schichtbereich der Schicht enthalten, der zu klein ist, um mittels eines der oben genannten Detektionsverfahren zuverlässig erkannt zu werden.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine Druckmesseinrichtung mit einer unmittelbar mit einem unter einem zu messenden Druck stehenden Medium beaufschlagbaren Messmembran anzugeben, die eine zuverlässige Detektion von bei einer Beschädigung der Messmembran ggfs. in das Medium gelangenden Membransplittern ermöglicht.
Zur Lösung dieser Aufgabe umfasst die Erfindung eine Druckmesseinrichtung, die als Drucksensor ausgebildet ist oder einen Drucksensor umfasst, wobei der Drucksensor eine unmittelbar mit einem unter einem zu messenden Druck stehenden Medium beaufschlagbare, durch den darauf einwirkenden Druck auslenkbare Messmembran umfasst,
die sich dadurch auszeichnet, dass die Messmembran aus einem Verbundwerkstoff besteht, der einen keramischen Anteil und einen homogen innerhalb des Verbundwerkstoffs verteilten metallischen Anteil umfasst.
Die homogene Verteilung des metallischen Anteils des Verbundwerkstoff innerhalb der Messmembran bietet den Vorteil, dass im Falle einer Beschädigung der Messmembran in das Medium eindringende Membransplitter zwangsläufig einen dem metallischen Anteil des Verbundwerkstoffs entsprechenden metallischen Anteil umfassen. Das bietet den Vorteil, dass aufgrund einer Beschädigung der Messmembran in das Medium gelangende Membransplitter durch Detektionsverfahren, wie z.B. mittels eines Metalldetektors oder eines Röntgendetektors ausgeführte Detektionsverfahren, im Medium detektiert werden können. Dabei kann durch das Detektionsverfahren zwischen Membransplitter enthaltendem Medium und nicht durch Membransplitter verunreinigtem Medium unterschieden werden. Das bietet zum einen den Vorteil, dass bei intakter Messmembran über das Detektionsverfahren ein Nachweis erbracht werden kann bzw. wird, dass das Medium frei von Membransplittern ist. Darüber hinaus bietet es den Vorteil, dass bei einer Beschädigung der Messmembran nur eine tatsächlich mit Membransplittern verunreinigte Teilmenge des Medium aus dem Verkehr gezogen werden muss, während keine Membransplitter enthaltende Teilmengen weiter verwendet werden können.
Eine erste Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass der Verbundwerkstoff ein Keramik-Metall Verbundwerkstoff ist, dessen keramischer Anteil größer gleich 50 Volumenprozent beträgt.
Eine zweite Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass der metallische Anteil des Verbundwerkstoffs größer gleich 30 Volumenprozent beträgt und/oder derart bemessen ist, dass bei einer Beschädigung der Messmembran in das Medium eintretende Membransplitter mittels eines Metalldetektors und/oder eines Röntgendetektors detektierbar sind.
Eine dritte Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass
der keramische Anteil größer gleich 70 Volumenprozent beträgt, und
der metallische Anteil derart ausgebildet und bemessen ist, dass bei einer Beschädigung der Messmembran in das Medium eintretende Membransplitter mittels eines Metalldetektors und/oder mittels eines Röntgendetektors detektierbar sind.
Eine vierte Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass der metallische Anteil Gold, Titan oder Tantal umfasst.
Eine Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass der keramische Anteil eine Oxidkeramik oder Aluminiumoxid (Al₂O₃) umfasst.
Eine weitere Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass der Drucksensor einen Grundkörper umfasst, und die Messmembran mit dem Grundkörper unter Einschluss einer Druckkammer druckdicht verbunden ist.
Eine Weiterbildung der weiteren Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass
der Verbundwerkstoff elektrisch leitfähig ist,
der Drucksensor einen Messkondensator mit einer von der druckabhängigen Durchbiegung der Messmembran abhängigen Messkapazität aufweist, und
der Messkondensator eine Messelektrode und eine durch die aus dem elektrisch leitfähigen Verbundwerkstoff bestehende Messmembran gebildete Gegenelektrode umfasst.
Eine alternative Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass der Drucksensor einen Messkörper oder einen im Wesentlichen topfförmigen Messkörper umfasst, der die Messmembran und einen an einen äußeren Rand der Messmembran angrenzenden Membranträger umfasst.
Eine Ausgestaltung der alternativen Ausgestaltung zeichnen sich dadurch aus, dass
der Membranträger einen endseitig von der Messmembran abgeschlossenen Innenraum des Messkörpers außenseitlich allseitig umgibt, und/oder
der Messkörper entweder als einteiliger aus dem Verbundwerkstoff bestehender Körper ausgebildet ist oder die aus dem Verbundwerkstoff bestehende Messmembran mittels einer Fügung mit dem Membranträger verbunden ist.
Eine fünfte Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass die Messmembran oder ein die Messmembran umfassender einteiliger Messkörper der Druckmesseinrichtung als aus einem keramische Partikel und metallische Partikel in einem einer Zusammensetzung des Verbundwerkstoffs entsprechenden Verhältnis enthaltenden Pulver durch ein Sinterverfahren hergestellter Sinterkörper ausgebildet ist.
Eine sechste Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass die Messmembran oder ein die Messmembran umfassender einteiliger Messkörper der Druckmesseinrichtung als ein durch ein Infiltrationsverfahren aus einem porösen keramischen Ausgangskörper hergestellter Körper ausgebildet ist, in dessen Poren der metallische Anteil in aufgeschmolzener, flüssiger Form unter Druckeinwirkung eingebracht wurde.
Eine Weiterbildung der sechsten Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass der poröse keramische Ausgangskörper aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) besteht, und der metallische Anteil aus Gold, Titan, Silber oder Kupfer besteht.
Weitere Ausgestaltungen zeichnen sich dadurch aus, dass
der Drucksensor derart in einem Sensorgehäuse angeordnet ist, dass die Messmembran durch eine Öffnung des Sensorgehäuses hindurch mit dem unter dem zu messenden Druck stehenden Medium beaufschlagbar ist,
der Drucksensor einen elektromechanischen Wandler und eine an den elektromechanischen Wandler angeschlossene Messelektronik umfasst, wobei der elektromechanische Wandler dazu ausgestaltet ist, eine vom auf die Messmembran einwirkenden Druck abhängige Durchbiegung der Messmembran in eine elektrische Größe umzuwandeln, anhand derer mittels der Messelektronik der zu messende Druck bestimmt und ausgebeben wird, und/oder
die Druckmesseinrichtungen einen Prozessanschluss umfasst, mittels dessen die Druckmesseinrichtung auf einem hierzu komplementären, an einem Einsatzort vorgesehenen Anschluss montierbar ist und/oder an einen hierzu komplementären Anschluss einer Wirkdruckleitung anschließbar ist.
Die Erfindung und deren Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen zwei Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher erläutert. Gleiche Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Um Elemente sehr unterschiedlicher Abmessungen darstellen zu können, wurde eine nicht immer maßstabsgetreue Darstellung gewählt.

1 zeigt: eine als Drucksensor ausgebildete Druckmesseinrichtung;
2 zeigt: eine den Drucksensor von 1 umfassende Druckmesseinrichtung; und
3 zeigt: ein weiteres Beispiel eines Drucksensors.

Die Erfindung betrifft eine Druckmesseinrichtung zur Messung eines Druck p. 1 zeigt eine als Drucksensor 1 ausgebildete Druckmesseinrichtung. 2 zeigt eine Druckmesseinrichtung, die den in 1 dargestellten Drucksensor 1 umfasst. In beiden Varianten weist der Drucksensor 1 jeweils eine unmittelbar mit einem unter einem zu messenden Druck p stehenden Medium beaufschlagbare Messmembran 3 auf, die durch den darauf einwirkenden Druck p auslenkbar ist.
Erfindungsgemäß besteht die Messmembran 3 aus einem Verbundwerkstoff, der einen keramischen Anteil und einen homogen innerhalb der Messmembran 3 verteilten metallischen Anteil umfasst. Entsprechend weist die Messmembran 3 einen gleichmäßig innerhalb der Messmembran 3 verteilten, dem metallischen Anteil des Verbundwerkstoffs entsprechenden Metallgehalt auf.
Die Erfindung weist die eingangs genannten Vorteile auf. Dabei können einzelne Bestandteile erfindungsgemäßer Druckmesseinrichtungen unterschiedliche einzeln oder in Kombination miteinander einsetzbare Ausgestaltungen aufweisen. Beispiele hierzu sind nachfolgend anhand der Figuren beschrieben.
Der in 1 und 2 als ein Beispiel dargestellte Drucksensor 1 umfasst einen Grundkörper 5 mit dem die Messmembran 3 unter Einschluss einer Druckkammer 7 druckdicht verbunden ist. Als Verbindung eignet sich z.B. eine einen äußeren Rand der Messmembran 3 mit einem äußeren Rand des Grundkörpers 5 verbindende, die Druckkammer 7 außenseitlich allseitig umgebenden Fügung 9. Der Grundkörper 5 ist z.B. als keramischer Grundkörper ausgebildet. In dem Fall eignet sich als Fügung 9 z.B. eine Aktivhartlötung.
Bei der in 2 dargestellten Druckmesseinrichtung ist der Drucksensor 1 derart in einem Sensorgehäuse 11 angeordnet, dass dessen Messmembran 3 durch eine Öffnung 13 des Sensorgehäuses 11 hindurch mit dem unter dem zu messenden Druck p beaufschlagbar ist. Das wird in 2 dadurch bewirkt, dass ein äußerer Rand des Drucksensors 1 unter Zwischenfügung einer Dichtung 15 zwischen einem die Öffnung 13 außenseitlich umgebenden Absatz des Sensorgehäuses 11 und einem in das Sensorgehäuse 11 eingesetzten Gegenlager 17 eingespannt ist. Alternativ kann der Drucksensor 1 aber auch auf andere, dessen Messmembran 3 freigebende Weise montiert sein.
Erfindungsgemäße Druckmesseinrichtung können einen Prozessanschluss 19 umfassen, mittels dessen die Druckmesseinrichtung auf einem hierzu komplementären, an einem Einsatzort vorgesehenen Anschluss montierbar ist und/oder an einen hierzu komplementären Anschluss einer Wirkdruckleitung anschließbar ist. 2 zeigt als Beispiel einen im Wesentlichen zylindrischen, mit einem Außengewinde ausgestatteten Prozessanschluss 19. Dieser Prozessanschluss 19 umfasst einen durch den Prozessanschluss 19 hindurch zur Öffnung 13 verlaufenden Druckübertragungskanal 21, über den die Messmembran 3 mit dem unter dem zu messenden Druck stehenden Medium beaufschlagbar ist. Alternativ können natürlich auch andere Prozessanschlussvarianten, wie z.B. Flansche eingesetzt werden.
Der Drucksensor 1 kann z.B. als Absolutdrucksensor ausgebildet sein, der einen auf eine Außenseite der Messmembran 3 einwirkenden Druck p messtechnisch erfasst. In dem Fall ist die unter der Messmembran 3 eingeschlossene Druckkammer 7 evakuiert. Alternativ kann der Drucksensor 1 als Relativdrucksensor ausgebildet sein, der einen auf die Außenseite der Messmembran 3 einwirkenden Druck p bezogen auf einen der Druckkammer 7 über eine durch den Grundkörper 5 hindurch verlaufende, in 1 als Alternative gestrichelt gezeichnete Referenzdruckzuleitung 23 zugeführten Referenzdruck p_ref erfasst.
Der dargestellte Drucksensor 1 umfasst einen elektromechanischen Wandler, der dazu ausgestaltet ist, eine vom auf die Messmembran 3 einwirkenden Druck p abhängige Durchbiegung der Messmembran 3 in eine elektrische Größe umzuwandeln, anhand derer dann mittels einer an den elektromechanischen Wandler anschließbaren oder angeschlossenen Messelektronik 25 der zu messende Druck p bestimmt und ausgebeben wird. Die Ausgabe kann z.B. in Form eines den gemessenen Druck wiedergebenden Druckmesssignals p_gem erfolgen.
1 und 2 zeigen als ein Beispiel einen kapazitiven Wandler, der einen Messkondensator mit einer von der druckabhängigen Durchbiegung der Messmembran 3 abhängigen Messkapazität aufweist. Der Messkondensator umfasst eine auf einer membran-zugewandten Stirnseite des Grundkörpers 5 angeordnete Messelektrode 27 und eine auf einer dem Grundkörper 5 zugewandten Innenseite der Messmembran 3 angeordnete Gegenelektrode 29.
Anstelle der auf der Messmembran 3 angeordneten Gegenelektrode 29 kann der Messkondensator alternativ eine durch die Messmembran 3 gebildete Gegenelektrode umfassen. In dem Fall ist der Verbundwerkstoff, aus dem die Messmembran 3 besteht als elektrisch leitfähiger Verbundwerkstoff ausgebildet.
Die Messelektrode 27 ist z.B. über einen durch den Grundkörper 5 hindurch verlaufenden Kontaktstift 31 mit einem auf der membran-abgewandten Stirnseite des Grundkörpers 5 angeordneten Anschluss verbunden, über den die Messelektrode 27 an die Messelektronik 25 anschließbar oder angeschlossen ist. Die auf der Messmembran 3 angeordnete Gegenelektrode 29 oder die durch die Messmembran 3 gebildete Gegenelektrode ist z.B. über die daran angrenzende, in dem Fall elektrisch leitfähige Fügung 9 und einen elektrisch leitend mit der Fügung 9 verbundenen, durch den Grundkörper 5 hindurch verlaufenden Kontaktstift 31 mit einem auf der membran-abgewandten Stirnseite des Grundkörpers 5 angeordneten Anschluss verbunden, über den die Gegenelektrode 29 an die Messelektronik 25 anschließbar oder angeschlossen ist.
Alternativ können anstelle des hier dargestellten Drucksensors 1 natürlich auch einen anderen mechanischen Aufbau aufweisende, auf andere Weise elektrisch anschließbare und/oder einen nach einem anderen Wandlerprinzip arbeitenden elektromechanischen Wandler, wie z.B. einen optischen oder einen piezoresistiven Wandler, umfassende Drucksensoren eingesetzt werden.
3 zeigt ein weiteres Bespiel eines Drucksensors 33 mit einer unmittelbar mit dem unter dem zu messenden Druck p stehenden Medium beaufschlagbaren Messmembran 35. Dieser Drucksensor 33 umfasst einen Messkörper 37, der die Messmembran 35 und einen an einen äußeren Rand der Messmembran 35 angrenzenden Membranträger 39 umfasst. Der Messkörper 37 ist z.B. als im Wesentlichen topfförmiger Messkörper 37 ausgebildet. Optional ist der Membrankörper 37 z.B. derart ausgebildet, dass der Membranträger 39 einen endseitig von der Messmembran 35 abgeschlossenen, mit dem zu messenden Druck p beaufschlagbaren Innenraum des Messkörpers 35 außenseitlich allseitig umgibt.
Bei dieser Ausführungsform ist der Messkörper 37 vorzugsweise als einteiliger, aus dem Verbundwerkstoff bestehender Körper ausgebildet. Alternativ können Messmembran 35 und Membranträger 39 aber auch als über eine Fügung miteinander verbundene Sensorkomponenten ausgebildet sein. In dem Fall besteht zumindest die Messmembran 35 aus dem Verbundwerkstoff.
Auch der in 3 dargestellte Drucksensor 1 umfasst einen elektromechanischen Wandler, der dazu ausgestaltet ist, eine vom auf die Messmembran 35 einwirkenden Druck p abhängige Durchbiegung der Messmembran 35 in eine elektrische Größe umzuwandeln, anhand derer dann mittels der an den Wandler angeschlossenen Messelektronik 25 der zu messende Druck p bestimmt und ausgeben wird. Als elektromechanischer Wandler eignet sich hier z.B. ein Wandler, der mindestens einen auf einer von dem mit dem Druck p beaufschlagten Innenraum des Messkörpers 35 abgewandten Rückseite der Messmembran 35 aufgebrachten Dehnungsmessstreifen 41 und/oder auf der Rückseite angeordnete, als Bestandteils einer Wheatstone-Brückenschaltung ausgebildete piezoresistive Elemente umfasst. Alternativ kann natürlich auch hier ein auf einem anderen Wandlerprinzip basierender Wandler eingesetzt werden.
Genau wie der in 1 dargestellte Drucksensor 1 bildet auch der in 3 dargestellte Drucksensor 33 bereits für sich genommen eine erfindungsgemäße Druckmesseinrichtung. Alternativ kann der in 3 dargestellte Drucksensor 33 aber auch als ein Bestandteil einer Druckmesseinrichtung eingesetzt werden. Analog zu dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel kann auch der in 3 dargestellte Drucksensor 33 z.B. derart in dem in 2 dargestellten Sensorgehäuse 11 angeordnet sein oder werden, dass der Innenraum des Messkörpers 35 und damit auch die Messmembran 35 durch die Öffnung 13 des Sensorgehäuses 11 hindurch mit dem unter dem zu messenden Druck p stehenden Medium beaufschlagbar ist. Optional ist der den äußeren Rand des Drucksensors 33 bildende Membranträger 39 hierzu z.B. unter Zwischenfügung der Dichtung 15 zwischen dem die Öffnung 13 außenseitlich umgebenden Absatz des Sensorgehäuses 11 und dem in das Sensorgehäuse 11 eingesetzten Gegenlager 17 eingespannt. Alternativ kann sowohl der in 2 dargestellte Drucksensor 1, als auch der in 3 dargestellte Drucksensor 33 auch auf andere, die Druckbeaufschlagung der Messmembran 3, 35 ermöglichende Weise in dem Sensorgehäuse 11 befestigt sein oder werden.
Unabhängig von den zuvor beschriebenen Ausgestaltungen des Drucksensors 1, 33 sind auch in Hinblick auf den Verbundwerkstoff, aus dem die Messmembran 3, 35 bzw. der einteilige Messkörper 37 besteht, unterschiedliche Ausführungsformen einsetzbar.
Grundsätzlich können als Verbundwerkstoff aus dem Stand der Technik unter dem englischen Begriff „Metall Matrix Composite“ (MMC) bekannte, im Leichtmetallbau eingesetzte Werkstoffe eingesetzt werden. Diese Werkstoffe weisen in der Regel einen Metallanteil von über 50 Volumenprozent auf. Bei einer Beschädigung dieser Verbundwerkstoffe entstehende, in das Medium eintretende Splitter können aufgrund des hohen Metallanteils ohne weiteres mittels eines Metalldetektors oder eines Röntgendetektors detektiert werden.
Eine derzeit besonders bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass der Verbundwerkstoff ein Keramik-Metall Verbundwerkstoff ist, der zum überwiegenden Teil aus Keramik besteht. In dem Fall ist der Verbundwerkstoff vorzugsweise ein Keramik-Metall Verbundwerkstoff, dessen keramischer Anteil größer gleich 50 Volumenprozent beträgt. Das bietet den Vorteil, dass die Eigenschaften der aus dem Verbundwerkstoff bestehenden Messmembran 3, 35 durch die eingangs genannten vorteilhaften Eigenschaften keramischer Werkstoffe dominiert werden. Damit wird erreicht, dass auch die aus dem Verbundwerkstoff bestehende Messmembran 3 die von keramischen Messmembranen bekannten vorteilhaften Eigenschaften aufweist. Bei dieser Variante ist der Volumenanteil des metallischen Anteils des Verbundwerkstoffs derart bemessen, dass bei einer Beschädigung der Messmembran 3, 35 in das Medium eintretende Membransplitter mittels eines Metalldetektors und/oder mittels eines Röntgendetektors detektierbar sind. Das kann z.B. dadurch sichergestellt werden, dass der Verbundwerkstoff einen metallischen Anteil von größer gleich 30 Volumenprozent aufweist. Bei entsprechender Wahl der Komponenten und der anteiligen Zusammensetzung des Verbundwerkstoffs kann auch ein metallischer Anteil von weniger als 30 Volumenprozent ausreichend sein, um eine zuverlässige Detektierbarkeit der Membransplittern im Medium durch einen Metalldetektor und/oder durch einen Röntgendetektor sicher zu stellen. In dem Fall beträgt der keramische Anteil größer gleich 70 Volumenprozent und der metallische Anteil ist derart ausgebildet und bemessen, dass in das Medium eintretende Membransplitter detektierbar sind.
Je geringer der metallische Anteil ist, umso ausgeprägter sind die auf die vorteilhaften mechanischen Eigenschaften der Keramik zurückzuführenden Eigenschaften der Messmembran 3, 35. Insoweit bietet der dementsprechend hohe keramische Anteil der Messmembran 1, 33, insb. ein keramischer Anteil von größer gleich 70 Volumenprozent, den Vorteil, dass die Messmembran 3, 35 eine entsprechend hohe Bruchfestigkeit und eine entsprechend hohe Abrasionsfestigkeit aufweist.
Unabhängig von der Größe des keramischen Anteils eignen sich als keramischer Anteil des Verbundwerkstoffs insb. heute bereits in aus dem Stand der Technik bekannten keramischen Drucksensoren eingesetzte Keramiken. Beispiele hierfür sind Oxidkeramiken, wie z.B. Aluminiumoxid (Al₂O₃).
Der metallische Anteil des Verbundwerkstoffs umfasst mindestens ein Metall. Grundsätzlich können hierfür z.B. in den zuvor genannten, im dem Stand der Technik unter dem englischen Begriff „Metall Matrix Composite“ (MMC) bekannten Verbundwerkstoffen eingesetzte Metalle, wie z.B. Aluminium eingesetzt werden.
Im Hinblick auf die Funktion der Messmembran 3, 35 besser geeignet sind allerdings Metalle, wie z.B. Gold, Titan oder Tantal. Sowohl Gold, als auch Titan und Tantal passen chemisch sehr gut zu keramischen Werkstoffen, wie z.B. Oxidkeramiken, wie z.B. Aluminiumoxid (Al₂O₃). Darüber hinaus bieten sie den Vorteil, dass mit diesen Metallen nur sehr geringe Veränderungen des thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Messmembran 3, 35 verbunden sind. Gold weist darüber hinaus den Vorteil auf, dass es chemisch gegenüber vielen Medien korrosionsbeständig ist und eine vergleichsweise hohe Dichte aufweist. Die hohe Dichte bietet den Vorteil, dass auch sehr geringe Mengen an Gold enthaltende Membransplitter mit den eingangs genannten Detektionsverfahren, insb. mit den mittels eines Röntgendetektors ausgeführten Detektionsverfahren, zuverlässig detektiert werden können.
Optional ist die Messmembran 3, 35 bzw. der die Messmembran 35 umfassende einteilige Messkörper 37 z.B. als durch ein Sinterverfahren hergestellter Sinterkörper ausgebildet. In dem Fall erfolgt deren Herstellung z.B. indem keramische Partikel und metallische Partikel in einem der Zusammensetzung des Verbundwerkstoffs entsprechenden Verhältnis zu einem Pulver vermischt werden, dass dann in die entsprechende Form gebracht und anschließend gesintert wird.
Alternativ ist die Messmembran 3, 35 bzw. der die Messmembran 35 umfassende einteilige Messkörper 37 z.B. als durch ein Infiltrationsverfahren aus einem porösen keramischen Ausgangskörper hergestellte Körper ausgebildet. In dem Fall erfolgt deren Herstellung z.B. indem der metallische Anteil aufgeschmolzen und in flüssiger Form unter Druckeinwirkung in die Poren des porösen keramischen Ausgangskörper eingebracht wird.
Voraussetzung für das Infiltrationsverfahren ist, dass der poröse keramische Ausgangskörper einen Schmelzpunkt aufweist, der größer als ein Schmelzpunkt des metallischen Anteils ist. So kann in einen porösen keramischen Ausgangskörper aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) mit einem Schmelzpunkt von 2050°C z.B. ein metallischer Anteil aus Gold mit einem Schmelzpunkt von 1064°C, aus Titan mit einem Schmelzpunkt von 1670°C, aus Silber mit einem Schmelzpunkt von 960°C oder aus Kupfer mit einem Schmelzpunkt von 1085° C infiltriert werden.
Dabei kann es je nach Wahl der metallischen Komponenten des Verbundwerkstoffs unter Umständen erforderlich oder zumindest förderlich sein, das Sinterverfahren bzw. das Infiltrationsverfahren im Vakuum oder unter einer Schutzgasatmosphäre auszuführen.
Bezugszeichenliste

1: Drucksensor
3: Messmembran
5: Grundkörper
7: Druckkammer
9: Fügung
11: Sensorgehäuse
13: Öffnung
15: Dichtung
17: Gegenlager
19: Prozessanschluss
21: Druckübertragungskanal
23: Referenzdruckzuleitung
25: Messelektronik
27: Messelektrode
29: Gegenelektrode
31: Kontaktstift
33: Drucksensor
35: Messmembran
37: Messkörper
39: Membranträger
41: Dehnungsmessstreifen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10334854 A1 [0003]
EP 0424483 B1 [0007]

Claims

Druckmesseinrichtung, die als Drucksensor ausgebildet ist oder einen Drucksensor (1, 33) umfasst, wobei der Drucksensor (1, 33) eine unmittelbar mit einem unter einem zu messenden Druck (p) stehenden Medium beaufschlagbare, durch den darauf einwirkenden Druck (p) auslenkbare Messmembran (3, 35) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Messmembran (3, 35) aus einem Verbundwerkstoff besteht, der einen keramischen Anteil und einen homogen innerhalb des Verbundwerkstoffs verteilten metallischen Anteil umfasst.
Druckmesseinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff ein Keramik-Metall Verbundwerkstoff ist, dessen keramischer Anteil größer gleich 50 Volumenprozent beträgt.
Druckmesseinrichtung gemäß Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Anteil des Verbundwerkstoffs größer gleich 30 Volumenprozent beträgt und/oder derart bemessen ist, dass bei einer Beschädigung der Messmembran (3, 35) in das Medium eintretende Membransplitter mittels eines Metalldetektors und/oder eines Röntgendetektors detektierbar sind.
Druckmesseinrichtung gemäß Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Anteil größer gleich 70 Volumenprozent beträgt, und der metallische Anteil derart ausgebildet und bemessen ist, dass bei einer Beschädigung der Messmembran (3, 35) in das Medium eintretende Membransplitter mittels eines Metalldetektors und/oder mittels eines Röntgendetektors detektierbar sind.
Druckmesseinrichtung gemäß Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Anteil Gold, Titan oder Tantal umfasst.
Druckmesseinrichtung gemäß Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Anteil eine Oxidkeramik oder Aluminiumoxid (Al₂O₃) umfasst.
Druckmesseinrichtung gemäß Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor (1) einen Grundkörper (5) umfasst, und die Messmembran (3) mit dem Grundkörper (5) unter Einschluss einer Druckkammer (7) druckdicht verbunden ist.
Druckmesseinrichtung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff elektrisch leitfähig ist, der Drucksensor (1) einen Messkondensator mit einer von der druckabhängigen Durchbiegung der Messmembran (3) abhängigen Messkapazität aufweist, und der Messkondensator eine Messelektrode (27) und eine durch die aus dem elektrisch leitfähigen Verbundwerkstoff bestehende Messmembran (3) gebildete Gegenelektrode umfasst.
Druckmesseinrichtung gemäß Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor (33) einen Messkörper (37) oder einen im Wesentlichen topfförmigen Messkörper (37) umfasst, der die Messmembran (35) und einen an einen äußeren Rand der Messmembran (35) angrenzenden Membranträger (39) umfasst.
Druckmesseinrichtung gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Membranträger (39) einen endseitig von der Messmembran (35) abgeschlossenen Innenraum des Messkörpers (37) außenseitlich allseitig umgibt, und/oder der Messkörper (37) entweder als einteiliger aus dem Verbundwerkstoff bestehender Körper ausgebildet ist oder die aus dem Verbundwerkstoff bestehende Messmembran (35) mittels einer Fügung mit dem Membranträger (39) verbunden ist.
Druckmesseinrichtung gemäß Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Messmembran (3, 35) oder ein die Messmembran (35) umfassender einteiliger Messkörper (37) der Druckmesseinrichtung als aus einem keramische Partikel und metallische Partikel in einem einer Zusammensetzung des Verbundwerkstoffs entsprechenden Verhältnis enthaltenden Pulver durch ein Sinterverfahren hergestellter Sinterkörper ausgebildet ist.
Druckmesseinrichtung gemäß Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Messmembran (3, 35) oder ein die Messmembran (35) umfassender einteiliger Messkörper (37) der Druckmesseinrichtung als ein durch ein Infiltrationsverfahren aus einem porösen keramischen Ausgangskörper hergestellter Körper ausgebildet ist, in dessen Poren der metallische Anteil in aufgeschmolzener, flüssiger Form unter Druckeinwirkung eingebracht wurde.
Druckmesseinrichtung gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der poröse keramische Ausgangskörper aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) besteht, und der metallische Anteil aus Gold, Titan, Silber oder Kupfer besteht.
Druckmesseinrichtung gemäß Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor (1, 33) derart in einem Sensorgehäuse (11) angeordnet ist, dass die Messmembran (3, 35) durch eine Öffnung (13) des Sensorgehäuses (11) hindurch mit dem unter dem zu messenden Druck (p) stehenden Medium beaufschlagbar ist, der Drucksensor (1, 33) einen elektromechanischen Wandler und eine an den elektromechanischen Wandler angeschlossene Messelektronik (25) umfasst, wobei der elektromechanische Wandler dazu ausgestaltet ist, eine vom auf die Messmembran (3, 35) einwirkenden Druck (p) abhängige Durchbiegung der Messmembran (3, 35) in eine elektrische Größe umzuwandeln, anhand derer mittels der Messelektronik (25) der zu messende Druck (p) bestimmt und ausgebeben wird, und/oder die Druckmesseinrichtungen einen Prozessanschluss (19) umfasst, mittels dessen die Druckmesseinrichtung auf einem hierzu komplementären, an einem Einsatzort vorgesehenen Anschluss montierbar ist und/oder an einen hierzu komplementären Anschluss einer Wirkdruckleitung anschließbar ist.