DE102021132433A1

DE102021132433A1 - Pressure measuring cell and method for calibrating a pressure measuring cell

Info

Publication number: DE102021132433A1
Application number: DE102021132433.5A
Authority: DE
Inventors: Florian Burgert; Manuel HARTER
Original assignee: Vega Grieshaber KG
Current assignee: Vega Grieshaber KG
Priority date: 2021-12-09
Filing date: 2021-12-09
Publication date: 2023-06-15

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Druckmesszelle (10) zur Messung eines Relativdrucks, mit einer Membran (14) und einem Grundkörper (18), wobei der Grundkörper (18) einen Kanal (24) aufweist, der in einem Betriebsmodus der Druckmesszelle (10) eine Druckkammer (20) mit der Umgebung (26) verbindet, wobei die Druckkammer (20) in einem Kalibriermodus der Druckmesszelle (10) über den Kanal (24) mit einem Druckreservoir (42) verbunden ist.Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Kalibrierung einer Druckmesszelle (10).The invention relates to a pressure measuring cell (10) for measuring a relative pressure, having a membrane (14) and a base body (18), the base body (18) having a channel (24) which, in an operating mode of the pressure measuring cell (10), forms a pressure chamber (20) to the environment (26), the pressure chamber (20) being connected to a pressure reservoir (42) via the channel (24) in a calibration mode of the pressure measuring cell (10). The invention also relates to a method for calibrating a pressure measuring cell (10).

Description

Die Erfindung betrifft eine Druckmesszelle gemäß Patentanspruch 1. Insbesondere handelt es sich um eine kapazitive Druckmesszelle oder eine piezoresistive Druckmesszelle. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Kalibrierung einer Druckmesszelle gemäß Patentanspruch 6.The invention relates to a pressure measuring cell according to patent claim 1. In particular, it is a capacitive pressure measuring cell or a piezoresistive pressure measuring cell. The invention also relates to a method for calibrating a pressure measuring cell according to patent claim 6.

Druckmesszellen sind in vielfältiger Ausbildung aus dem Stand der Technik bekannt. Druckmesszellen wandeln einen Druck in ein elektrisches Signal um, das anschließend weiterverarbeitet werden kann. Druckmesszellen werden nach dem zugrundeliegenden Messprinzip, den zum Prozess hin orientierten Materialien sowie danach unterschieden, ob absolute oder relative Drücke gemessen werden.Pressure measuring cells are known in a variety of forms from the prior art. Pressure measuring cells convert pressure into an electrical signal that can then be processed further. Pressure measuring cells are differentiated according to the underlying measuring principle, the materials oriented towards the process and whether absolute or relative pressures are measured.

Eines der Messprinzipien beruht dabei auf einer Kapazitätsänderung, wobei eine Druckänderung eine Verformung einer Membran bewirkt und sich daraus resultierend eine Kapazität ändert. Bei resistiven Drucksensoren wird die Verformung einer Membran bspw. mittels Dehnungsmessstreifen erfasst und aus einer Widerstandsänderung der Dehnungsmessstreifen auf den Druck geschlossen. Piezoresistive Druckmesszellen nutzen Drucksensoren mit piezoelektrischen Eigenschaften.One of the measuring principles is based on a change in capacitance, with a change in pressure causing a deformation of a membrane and a change in capacitance as a result. In the case of resistive pressure sensors, the deformation of a membrane is detected, for example, by means of strain gauges and the pressure is deduced from a change in resistance of the strain gauges. Piezoresistive pressure measuring cells use pressure sensors with piezoelectric properties.

Die Unterscheidung nach den zum Prozess hin orientierten Materialien, also den Materialien, die mit der Prozessumgebung und den Prozessmedien in Kontakt kommen, erfolgt in der Regel zwischen metallischen und keramischen Druckmesszellen, wobei die einen eine metallische und die anderen eine keramische Membran auf der zum Prozess gewandten Seite aufweisen.The distinction between the materials oriented towards the process, i.e. the materials that come into contact with the process environment and the process media, is usually made between metal and ceramic pressure measuring cells, with one metal membrane and the other a ceramic membrane on the process have facing side.

Ob absolute oder relative Drücke gemessen werden können, richtet sich in der Regel danach, ob einer Membranrückseite ein zweiter Druck, bspw. ein Umgebungsdruck, zugeführt wird, oder ob die Membranrückseite evakuiert ist.Whether absolute or relative pressures can be measured usually depends on whether a second pressure, for example an ambient pressure, is supplied to the back of the membrane, or whether the back of the membrane is evacuated.

Die Druckmesszellen werden üblicherweise vor dem Einbau bzw. vor ihrem Einsatz kalibriert, sodass die ermittelten Messwerte in ihren absoluten Werten möglichst genau sind. Gegebenenfalls wird auch eine Kompensation von z.B. Druck- oder Temperatureinflüssen vorab ermittelt und in der Druckmesszelle gespeichert. Dazu weist die Druckmesszelle insbesondere eine Kompensationseinrichtung bzw. einen weiteren Sensor auf, um - wie im Beispiel - den Druck oder eine Temperatur zu messen, welche einen parasitären Einfluss auf den eigentlichen, primären Messwert der Druckmesszelle haben.The pressure measuring cells are usually calibrated before installation or before use, so that the measured values determined are as accurate as possible in their absolute values. If necessary, a compensation of e.g. pressure or temperature influences is determined in advance and stored in the pressure measuring cell. For this purpose, the pressure measuring cell has in particular a compensation device or a further sensor in order—as in the example—to measure the pressure or a temperature which has a parasitic influence on the actual, primary measured value of the pressure measuring cell.

Um fertigungsbedingte oder einbaubedingte Spannungen in der Druckmesszelle abzubauen, die ebenfalls zu einer Verfälschung der Messwerte führen können, kann die Druckmesszelle zudem einem Voralterungsprozess unterzogen werden. Die Druckmesszelle kann hierzu bspw. verschiedenen Temperatur- oder Druckzyklen ausgesetzt werden, um eine dadurch bedingte Messwertdrift schon vor einer Auslieferung der Druckmesszelle vorwegzunehmen. Intrinsische Spannungen können weiterhin durch einen Einbau oder durch Schweißprozesse abgebaut werden. Idealerweise wird dies für Alterungsprozesse durchgeführt, die mit der Zeit abnehmen, d.h. deren Einfluss mit zunehmender Zeit oder bspw. Häufigkeit des Auslösers des Effekts, geringer wird.In order to reduce production-related or installation-related stresses in the pressure measuring cell, which can also lead to a falsification of the measured values, the pressure measuring cell can also be subjected to an aging process. For this purpose, the pressure measuring cell can, for example, be exposed to various temperature or pressure cycles in order to anticipate a measured value drift caused by this even before the pressure measuring cell is delivered. Intrinsic stresses can also be reduced by installation or by welding processes. Ideally, this is carried out for aging processes that decrease over time, i.e. whose influence decreases with increasing time or, for example, the frequency of the trigger of the effect.

In der Regel werden sämtliche Kalibrierungen und auch die Werte zur Kompensation der bekannten, im Prozess vorliegenden parasitären Einflüsse vor dem Einsatz der Druckmesszelle ermittelt und festgelegt. Es können so auch bekannte Alterungsprozesse in der Druckmesszelle hinterlegt und eine darauf basierende Messwertdrift kompensiert werden. Allerdings gibt es auch Prozesse, die eine Messwertdrift auslösen und in keinem vorher bekannten Zusammenhang stehen. Solche Ereignisse, die ebenfalls eine Messwertdrift auslösen, aber vorab nicht bekannt sind, können auf die aus dem Stand der Technik bekannte Art nicht vorab in der Druckmesszelle hinterlegt werden.As a rule, all calibrations and also the values for compensating for the known parasitic influences present in the process are determined and specified before the pressure measuring cell is used. Known aging processes can also be stored in the pressure measuring cell and a measured value drift based on this can be compensated for. However, there are also processes that trigger a measured value drift and are not related in advance. Such events, which also trigger a measured value drift but are not known in advance, cannot be stored in advance in the pressure measuring cell in the manner known from the prior art.

Die zugrundeliegende Aufgabe der Erfindung ist es, eine Druckmesszelle sowie ein Verfahren zur Kalibrierung zur Verfügung zu stellen, welche eine möglichst einfache Kalibrierung auch nach dem Einbau der Druckmesszelle ermöglichen.The underlying object of the invention is to provide a pressure measuring cell and a method for calibration which enable the simplest possible calibration even after the pressure measuring cell has been installed.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen der abhängigen Ansprüche. Weitere Ausführungsformen und Vorteile sind in Zusammenhang mit den abhängigen Ansprüchen beschrieben.The object is achieved according to the invention with the features of the dependent claims. Further embodiments and advantages are described in connection with the dependent claims.

Eine erfindungsgemäße Druckmesszelle weist eine Membran und einen Grundkörper auf, wobei sich die Membran unter Einfluss von Druck wölbt. Die Membran ist insbesondere mit ihrem Rand umlaufend auf dem Grundkörper befestigt. Wie nachstehend noch im Detail erläutert, kann die Wölbung der Membran auf unterschiedliche Weisen erfasst werden und daraus der Druck ermittelt werden.A pressure measuring cell according to the invention has a membrane and a base body, with the membrane arching under the influence of pressure. The membrane is fastened in particular with its edge all the way around on the base body. As explained in detail below, the curvature of the membrane can be detected in different ways and the pressure can be determined from this.

Der Grundkörper weist einen Kanal auf, der in einem Betriebsmodus der Druckmesszelle eine Druckkammer mit der Umgebung verbindet. Als Betriebsmodus wird hierbei ein Modus bezeichnet, in welchem der Relativdruck in dem Prozess gemessen wird. Die Druckkammer ist insbesondere zwischen der Membran und dem Grundkörper ausgebildet (z.B. bei einer kapazitiven Druckmesszelle - hier handelt es sich bei der Druckkammer gleichzeitig um eine Messkammer) oder zwischen einem Drucksensor und dem Grundkörper (z.B. bei einem piezoresistiven Drucksensor). Über den Kanal ist die Druckkammer im Betriebsmodus mit Umgebungsdruck beaufschlagt. Insgesamt handelt es sich damit um bei der erfindungsgemäßen Druckmesszelle um eine Druckmesszelle mittels welcher ein Relativdruck gemessen wird, d.h. der Druck im Prozess relativ zum Umgebungsdruck.The base body has a channel that connects a pressure chamber to the environment when the pressure measuring cell is in an operating mode. A mode in which the relative pressure in the process is measured is referred to as an operating mode. The pressure chamber is formed in particular between the membrane and the base body (e.g. in the case of a capacitive pressure measuring cell - here the pressure chamber is also a measuring chamber) or between a pressure sensor and the base body (e.g. in the case of a piezoresistive pressure sensor). In the operating mode, ambient pressure is applied to the pressure chamber via the channel. Overall, the pressure measuring cell according to the invention is a pressure measuring cell by means of which a relative pressure is measured, ie the pressure in the process relative to the ambient pressure.

Erfindungsgemäß ist die Druckkammer in einem Kalibriermodus der Druckmesszelle über den Kanal mit einem Druckreservoir verbunden. Wie im Folgenden noch erläutert, wird die Druckmessung des Prozesses dann unterbrochen und im Kalibriermodus erfolgt eine Kalibrierung der Druckmesszelle.According to the invention, the pressure chamber is connected to a pressure reservoir via the channel when the pressure measuring cell is in a calibration mode. As explained below, the pressure measurement of the process is then interrupted and the pressure measuring cell is calibrated in the calibration mode.

Ein Druckreservoir im Sinne der Erfindung weist dabei einen definierten Druck auf bzw. es lässt sich mit dem Druckreservoir ein definierter Druck einstellen. Der Druck in dem Druckreservoir kann dabei höher oder niedriger sein als der Umgebungsdruck. Das Druckreservoir ist insbesondere durch ein separates Bauteil gebildet, welches für den Kalibriermodus bedarfsweise mit dem Kanal verbindbar ist und strömungsleitend mit der Druckkammer in Verbindung gebracht werden kann. Es kann sich bei dem Druckreservoir um eine Druckluftquelle oder auch um eine Pumpe handeln.A pressure reservoir within the meaning of the invention has a defined pressure or a defined pressure can be set with the pressure reservoir. The pressure in the pressure reservoir can be higher or lower than the ambient pressure. The pressure reservoir is formed in particular by a separate component, which can be connected to the channel as required for the calibration mode and can be brought into fluid communication with the pressure chamber. The pressure reservoir can be a source of compressed air or a pump.

Die Änderung des Druckes von Umgebungsdruck zum definierten Druckes des Druckreservoirs kann gemessen werden und anschließend bestimmt werden, ob die gemessene Druckänderung der erwarteten Druckänderung entspricht. Alternativ oder in Ergänzung dazu, können mit dem Druckreservoir definierte Druckänderungen erzeugt werden und es kann erfasst werden, ob die gemessen Druckänderungen den definierten Druckänderungen entsprechen. Wenn dies nicht der Fall ist, muss die Druckmesszelle kalibriert werden. Besonders vorteilhaft ist es, dass es nicht erforderlich ist, die Druckmesszelle zur erneuten Kalibrierung auszubauen was auch bedeutet, dass der Prozess nicht unterbrochen werden muss. Die Druckmesszelle kann im eingebauten Zustand während eines laufenden Prozesses in einfacher Weise überprüft werden. Der Anschluss des Druckreservoirs kann dabei auf simple Weise über den Kanal erfolgen.The change in pressure from ambient pressure to the defined pressure of the pressure reservoir can be measured and it can then be determined whether the measured pressure change corresponds to the expected pressure change. Alternatively or in addition to this, defined pressure changes can be generated with the pressure reservoir and it can be recorded whether the measured pressure changes correspond to the defined pressure changes. If this is not the case, the pressure measuring cell must be calibrated. It is particularly advantageous that it is not necessary to remove the pressure measuring cell for recalibration, which also means that the process does not have to be interrupted. The pressure measuring cell can be easily checked in the built-in state during a running process. The pressure reservoir can be connected in a simple manner via the channel.

In einer praktischen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Druckmesszelle weist der Kanal ein Ventil auf, wobei in einer ersten Stellung des Ventils eine Verbindung zwischen der Druckkammer und der Umgebung hergestellt ist (Betriebsmodus) und wobei in einer zweiten Stellung des Ventils eine Verbindung zwischen der Druckkammer und einem Druckreservoir hergestellt ist (Kalibriermodus). Der Kanal weist dazu insbesondere einen Verbindungsabschnitt zur Verbindung mit dem Druckreservoir auf.In a practical embodiment of the pressure measuring cell according to the invention, the channel has a valve, with a connection between the pressure chamber and the environment being established in a first position of the valve (operating mode) and with a connection between the pressure chamber and a pressure reservoir being established in a second position of the valve is established (calibration mode). For this purpose, the channel has in particular a connection section for connection to the pressure reservoir.

Das rückseitige Ventil bietet eine einfache und kostengünstige Möglichkeit die Druckkammer mit einem Druckreservoir zu verbinden. Es muss kein händisches Verbinden oder Aufstecken des Druckreservoirs an den Kanal erfolgen, wenn der Kalibriermodus eingestellt werden soll.The rear valve offers a simple and inexpensive way to connect the pressure chamber to a pressure reservoir. There is no need to manually connect or attach the pressure reservoir to the channel if the calibration mode is to be set.

Bei dem Ventil handelt sich insbesondere um ein Wegeventil, welches unabhängig vom anliegenden Druck oder einer Strömungsrichtung eine Verbindung zwischen zwei Kanalabschnitten herstellt oder eine Verbindung zwischen zwei Kanalabschnitten sperrt. Das Ventil kann manuell bedienbar sein, d.h. manuell zwischen den mindestens zwei Schaltstellungen umstellbar sein oder alternativ kann das Ventil auch fernsteuerbar sein, z.B. per Funk über ein mobiles Endgerät. Für den letzteren Fall weist das Ventil insbesondere einen Energiespeicher auf oder ist mit einer Energieversorgung verbunden.The valve is, in particular, a directional control valve which establishes a connection between two channel sections or blocks a connection between two channel sections independently of the pressure applied or a direction of flow. The valve can be operated manually, i.e. it can be manually switched between the at least two switching positions, or alternatively the valve can also be remotely controlled, e.g. by radio using a mobile terminal device. For the latter case, the valve has in particular an energy store or is connected to an energy supply.

Insbesondere handelt es sich bei der Druckmesszelle um eine kapazitive Druckmesszelle. Bei einer kapazitiven Druckmesszelle begrenzen die Membran und der gegenüberliegende Grundkörper eine Messkammer (Hohlraum). Die zueinander weisenden Flächen der Membran und des Grundkörpers sind teilweise mit einer metallischen Beschichtung versehen. Der Grundkörper und die Membran dienen jeweils als Elektrode eines Plattenkondensators. Zwischen den beiden Elektroden wird eine Kapazität gemessen. Durch die von einer Druckänderung induzierte Wölbung der Membran ändert sich der Abstand der beiden Elektroden und entsprechend auch die gemessene Kapazität. Die Messkammer ist hier gleichzeitig auch die Druckkammer und ist über den Kanal mit der Umgebung verbunden. Die Wölbung der Membran resultiert hier aus dem Druckunterschied zwischen der Umgebung und dem Prozess. Aus der detektierten Änderung der Kapazität kann dann der relative Druck ermittelt werden. Die auf dem Grundkörper angeordnete Elektrode und die auf der Membran angeordnete Elektrode sind insbesondere durch den Grundkörper hindurch kontaktiert. Ferner kann mindestens eine Referenzelektrode vorgesehen sein, mittels welcher unter anderem eine durch eine Temperaturänderung verursachte Änderung der Kapazität detektiert werden kann. Die Elektroden weisen in der Regel eine kreisförmige Geometrie auf und die mindestens eine Referenzelektrode ist konzentrisch um die Elektrode auf dem Grundkörper angeordnet.In particular, the pressure measuring cell is a capacitive pressure measuring cell. With a capacitive pressure measuring cell, the membrane and the opposite base body delimit a measuring chamber (cavity). The mutually facing surfaces of the membrane and the base body are partially provided with a metallic coating. The base body and the membrane each serve as an electrode of a plate capacitor. A capacitance is measured between the two electrodes. Due to the bulging of the membrane induced by a change in pressure, the distance between the two electrodes changes and the measured capacitance changes accordingly. The measuring chamber is also the pressure chamber here at the same time and is connected to the environment via the channel. The curvature of the membrane results from the pressure difference between the environment and the process. The relative pressure can then be determined from the detected change in capacitance. The electrode arranged on the base body and the electrode arranged on the membrane are contacted in particular through the base body. Furthermore, at least one reference electrode can be provided, by means of which, among other things, a change in the capacitance caused by a temperature change can be detected. The electrodes generally have a circular geometry and the at least one reference electrode is arranged concentrically around the electrode on the base body.

Alternativ handelt es sich bei der Druckmesszelle um eine piezoresistive Druckmesszelle. Eine piezoresistive Druckmesszelle nutzt insbesondere einen Chip mit piezoelektrischen Eigenschaften, z.B. aus Silizium, als Drucksensor. Üblicherweise handelt es sich bei einem solchen Drucksensor um ein empfindliches Bauteil, das möglicherweise durch die Eigenschaften eines Prozessmediums wie chemische Einwirkung, Temperatur oder abrasive Eigenschaften geschädigt werden kann. Um eine Beschädigung des Drucksensors zu vermeiden, ist dieser hier in einen Druckmittler eingesetzt. Der Druckmittler trennt im Allgemeinen den Drucksensor von dem zu messenden Medium. Um den Druck von dem Medium auf den Drucksensor zu übertragen, weist ist die Druckmesszelle eine Messkammer zwischen der Membran und dem Grundkörper auf, wobei die Messkammer ist mit einem inkompressiblen Druckmittlermedium, typischerweise einem synthetischen Öl, gefüllt ist. Über das Druckmittlermedium wird ein auf die Membran wirkender Druck auf den Drucksensor übertragen. Zwischen dem Grundkörper und dem Drucksensor ist die Druckkammer ausgebildet. Die Messkammer und die Druckkammer sind in diesem Fall durch den Drucksensor getrennt und grenzen an verschiedene Seiten des Drucksensors an (Oberseite und Unterseite). Die piezoelektrische Verschiebung in dem Drucksensor resultiert aus dem in der Messkammer herrschenden Druck und dem in der Druckkammer herrschenden Druck.Alternatively, the pressure measuring cell is a piezoresistive pressure measuring cell. A piezoresistive pressure measuring cell uses in particular a chip with piezoelectric properties, eg made of silicon, as a pressure sensor. Usually such a pressure sensor is a sensitive component that can potentially be damaged by the properties of a process medium such as chemical exposure, temperature or abrasive properties. In order to avoid damaging the pressure sensor, it is used here in a diaphragm seal. The diaphragm seal generally separates the pressure sensor from the medium to be measured. In order to transfer the pressure from the medium to the pressure sensor, the pressure measuring cell has a measuring chamber between the membrane and the base body, the measuring chamber being filled with an incompressible pressure transmitter medium, typically a synthetic oil. A pressure acting on the diaphragm is transmitted to the pressure sensor via the pressure transmitter medium. The pressure chamber is formed between the base body and the pressure sensor. In this case, the measuring chamber and the pressure chamber are separated by the pressure sensor and border on different sides of the pressure sensor (top and bottom). The piezoelectric displacement in the pressure sensor results from the pressure prevailing in the measuring chamber and the pressure prevailing in the pressure chamber.

Bei der Druckmesszelle kann es sich auch um eine resistive Druckmesszelle handeln, wobei die Wölbung der Membran insbesondere mittels auf der Membran angeordneten Dehnungsmessstreifen erfasst wird.The pressure measuring cell can also be a resistive pressure measuring cell, with the curvature of the membrane being detected in particular by means of strain gauges arranged on the membrane.

Insbesondere kann der Druck des Druckreservoirs manuell hergestellt bzw. erzeugt werden. Dazu weist das Druckreservoir ein innerhalb eines Gehäuses bewegliches Element auf, wobei mittels des beweglichen Elementes ein bestimmtes Volumen innerhalb des Gehäuses komprimierbar oder evakuierbar ist. Es kann sich bei dem Druckreservoir um eine Art Luftpumpe handeln, wobei ein bewegliches Element in einem Innenraum des Gehäuses verlagerbar ist und dabei je nach Auslegung und Abdichtung ein Überdruck in dem abgeschlossenen Innenraum oder ein Unterdruck in dem abgeschlossenen Innenraum - und damit in der Druckkammer - erzeugt werden kann. Durch Komprimieren oder Evakuieren des bestimmten Volumens kann ein bestimmter Druck erzeugt werden. Das Volumen kann insbesondere an einer Skala außenseitig des Gehäuses abgelesen werden. Diese manuelle Änderung des Druckes kann vom Anwender leicht selbst erfolgen und stellt eine besonders kostengünstige und leicht anwendbare Möglichkeit zur Erzeugung eines Druckes in dem Druckreservoir dar.In particular, the pressure of the pressure reservoir can be produced or generated manually. For this purpose, the pressure reservoir has an element that can be moved within a housing, it being possible for a specific volume within the housing to be compressed or evacuated by means of the movable element. The pressure reservoir can be a type of air pump, with a movable element being displaceable in an interior space of the housing and, depending on the design and sealing, an overpressure in the closed interior space or a negative pressure in the closed interior space - and thus in the pressure chamber - can be generated. A specific pressure can be generated by compressing or evacuating the specific volume. The volume can be read in particular on a scale on the outside of the housing. The user can easily change the pressure manually and represents a particularly cost-effective and easy-to-use option for generating a pressure in the pressure reservoir.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Kalibrierung einer wie vorstehend beschriebenen Druckmesszelle, wobei die Druckkammer zunächst mit dem Druckreservoir verbunden wird. Dies kann durch Verbinden des Kanals mit dem Druckreservoir erfolgen. Die Druckmesszelle wird dann von dem Betriebsmodus in den Kalibriermodus überführt. Der Druckunterschied zwischen dem aktuellen Umgebungsdruck und dem Druck des Druckreservoirs ist bekannt und wird als Soll-Druckänderung bezeichnet. Die Druckmesszelle erfasst eine Ist-Druckänderung, welche durch das Druckreservoir hervorgerufen wird. Bei Abweichung der gemessenen Ist-Druckänderung von der definierten Soll-Druckänderung erfolgt eine Kalibrierung der Druckmesszelle. Ein Ausbau der Druckmesszelle und eine Unterbrechung des Prozesses sind nicht erforderlich.The invention also relates to a method for calibrating a pressure measuring cell as described above, with the pressure chamber first being connected to the pressure reservoir. This can be done by connecting the channel to the pressure reservoir. The pressure measuring cell is then transferred from the operating mode to the calibration mode. The pressure difference between the current ambient pressure and the pressure of the pressure reservoir is known and is referred to as the target pressure change. The pressure measuring cell records an actual pressure change, which is caused by the pressure reservoir. If the measured actual pressure change deviates from the defined target pressure change, the pressure measuring cell is calibrated. It is not necessary to remove the pressure measuring cell and interrupt the process.

Insbesondere erfolgt die Verbindung mit dem Druckreservoir dadurch, dass das Ventil zunächst von einer ersten Stellung, in welcher die Druckkammer mit der Umgebung verbunden ist (Betriebsmodus), in eine zweite Stellung, in welcher die Druckkammer mit dem Druckreservoir verbunden ist (Kalibriermodus), gebracht wird und eine Veränderung des Druckes zwischen der ersten Stellung und der zweiten Stellung gemessen wird. Wie vorstehend bereits beschrieben, kann durch simple Verstellung des Ventils eine Kalibrierung dieser (Relativ-)Druckmesszelle erfolgen.In particular, the connection to the pressure reservoir takes place in that the valve is first brought from a first position, in which the pressure chamber is connected to the environment (operating mode), to a second position, in which the pressure chamber is connected to the pressure reservoir (calibration mode). and a change in pressure between the first position and the second position is measured. As already described above, this (relative) pressure measuring cell can be calibrated by simply adjusting the valve.

Insbesondere erfolgt die Kalibrierung automatisch. So kann die Kalibrierung erstmalig nach dem Einbau oder auch nach bereits im Einbauzustand vorgenommener Kalibrierung jeweils nach einem bestimmten Zeitintervall erfolgen. Alternativ oder in Ergänzung dazu kann die Kalibrierung dann erfolgen, wenn von einer Steuerung ein Langzeitdrift erkannt wird. Dies erfolgt insbesondere mittels eines selbstlernenden Algorithmus, der sowohl den Verlauf Druckes im Prozess als auch etwaige Driftmechanismen erlernt.In particular, the calibration takes place automatically. Thus, the calibration can take place for the first time after installation or also after calibration has already been carried out in the installed state, each after a specific time interval. Alternatively or in addition to this, the calibration can take place when a long-term drift is detected by a controller. This is done in particular by means of a self-learning algorithm that learns both the course of the pressure in the process and any drift mechanisms.

Die Verstellung des Ventils erfolgt insbesondere manuell. Alternativ erfolgt die Verstellung des Ventils zwischen der ersten Stellung und der zweiten Stellung ferngesteuert. So kann z.B. die Verstellung per Funk über eine App und ein mobiles Endgerät erfolgen.The valve is adjusted in particular manually. Alternatively, the valve is adjusted between the first position and the second position by remote control. For example, the adjustment can be made by radio using an app and a mobile device.

In einer praktischen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Druck in dem Druckreservoir über eine manuelle Komprimierung oder eine manuelle Evakuierung eines definierten Volumens erzeugt. Wie vorstehend bereits ausgeführt, kann das definierte Volumen in einem Gehäuse ausgebildet sein, wobei ein bewegliches Element innerhalb des Gehäuses verlagerbar ist. Die manuelle Erzeugung des Druckes erfolgt hier insbesondere nach dem Prinzip einer Luftpumpe.In a practical embodiment of the method according to the invention, a pressure is generated in the pressure reservoir via manual compression or manual evacuation of a defined volume. As already explained above, the defined volume can be formed in a housing, with a movable element being displaceable within the housing. The manual generation of the pressure takes place here in particular according to the principle of an air pump.

Das Verfahren ist sehr flexibel einsetzbar. Insbesondere kann die Kalibrierung sowohl von Seiten des Prozesses im drucklosen oder mit Druck beaufschlagten Zustand erfolgen. Es ist insbesondere nicht erforderlich den Prozess zu unterbrechen.The process can be used very flexibly. In particular, the calibration can be carried out both on the part of the process with or without pressure be applied state. In particular, it is not necessary to interrupt the process.

Weitere praktische Ausführungsformen und Vorteile sind nachfolgend in Zusammenhang mit den Figuren beschrieben. Es zeigen:

1 eine Druckmesszelle gemäß einer ersten Ausführungsform in einer schematischen Darstellung im Querschnitt,
2 eine Druckmesszelle gemäß einer zweiten Ausführungsform in einer schematischen Darstellung im Querschnitt, und
3 eine Druckmesszelle gemäß einer dritten Ausführungsform in einer schematischen Darstellung im Querschnitt.

Further practical embodiments and advantages are described below in connection with the figures. Show it:

1 a pressure measuring cell according to a first embodiment in a schematic representation in cross section,
2 a pressure measuring cell according to a second embodiment in a schematic representation in cross section, and
3 a pressure measuring cell according to a third embodiment in a schematic representation in cross section.

In 1 ist eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Druckmesszelle 10 dargestellt. Bei der Druckmesszelle handelt es sich um eine kapazitive Druckmesszelle 12.In 1 a first embodiment of a pressure measuring cell 10 according to the invention is shown. The pressure measuring cell is a capacitive pressure measuring cell 12.

Die Druckmesszelle 10, 12 umfasst eine Membran 14. Die Membran 14 ist in einem außenseitigen Randbereich über eine Glasnaht 16 an einem Grundkörper 18 befestigt. Durch die Glasnaht 16 sind die Membran 14 und der Grundkörper 18 voneinander beabstandet. Zwischen der Membran 14 und dem Grundkörper 18 ist in dieser Ausführungsform eine Druckkammer 20 ausgebildet. Die Druckkammer entspricht hier auch der Messkammer 22.The pressure measuring cell 10, 12 comprises a membrane 14. The membrane 14 is attached to a base body 18 in an outside edge region via a glass seam 16. The membrane 14 and the base body 18 are spaced apart from one another by the glass seam 16 . In this embodiment, a pressure chamber 20 is formed between the membrane 14 and the base body 18 . The pressure chamber also corresponds to the measuring chamber 22 here.

Durch den Grundkörper 18 führt ein Kanal 24, durch welchen die Druckkammer 20 mit der Umgebung 26 verbunden ist. Mittels der Druckmesszelle 10 erfolgt entsprechend eine Messung des Druckes relativ zum Umgebungsdruck.A channel 24 through which the pressure chamber 20 is connected to the environment 26 leads through the base body 18 . The pressure relative to the ambient pressure is correspondingly measured by means of the pressure measuring cell 10 .

Die Membran 14 ist mit ihrer der Druckkammer 20 abgewandten Oberseite einem Medium, z.B. in einem Behälter zugewandt (nicht dargestellt) und wölbt sich je nach Druckverhältnis von Umgebungsdruck zu Prozessdruck. Die Ausgangsposition der Membran 14 ist mit der gestrichelten Linie angedeutet.The membrane 14 faces a medium, e.g. in a container (not shown) with its upper side facing away from the pressure chamber 20 and arches depending on the pressure ratio from ambient pressure to process pressure. The starting position of the membrane 14 is indicated by the dashed line.

Um aus der Wölbung der Membran 14 den Druck abzuleiten, sind die einander zugewandten Flächen der Membran 14 und des Grundkörpers 18 mit einer metallischen Beschichtung versehen, welche jeweils eine Elektrode 28, 30 bilden. Die Kontaktierung der Elektroden 28, 30 erfolgt über Bohrungen 32, 34 in dem Grundkörper 18. Zwischen den beiden Elektroden 28, 30 wird eine Kapazität gemessen, welche sich je nach Abstand der Elektroden 28, 30, bzw. Wölbung der Membran 14 verändert.In order to derive the pressure from the curvature of the membrane 14, the mutually facing surfaces of the membrane 14 and the base body 18 are provided with a metallic coating, which each form an electrode 28, 30. The electrodes 28, 30 are contacted via bores 32, 34 in the base body 18. A capacitance is measured between the two electrodes 28, 30, which changes depending on the distance between the electrodes 28, 30 or the curvature of the membrane 14.

Zudem ist eine Referenzelektroden 36 mittels einer metallischen Beschichtung auf dem Grundkörper 18 ausgebildet. Die Referenzelektrode 36 dient dazu etwaige Messfehler oder Fehlfunktionen der Druckmesszelle 10 zu detektieren. Die Referenzelektrode 36 wird über eine Bohrung 38 im Grundkörper 18 kontaktiert.In addition, a reference electrode 36 is formed on the base body 18 by means of a metallic coating. The reference electrode 36 is used to detect any measurement errors or malfunctions of the pressure measurement cell 10 . The reference electrode 36 is contacted via a bore 38 in the base body 18 .

Der Kanal 24, welche die Druckkammer 20 mit der Umgebung 26 verbindet weist ein Ventil 40 auf. Es handelt sich hier um ein Zwei-Wege-Ventil. Das Ventil 40 stellt in einer ersten Stellung eine Verbindung zwischen der Druckkammer 20 und der Umgebung 26 her (Betriebsmodus), sodass in der Druckkammer 20 ebenfalls Umgebungsdruck herrscht, und versperrt die strömungstechnische Verbindung zwischen der Druckkammer 20 und einem Druckreservoir 42. In einer zweiten Stellung stellt das Ventil 40 eine Verbindung zwischen dem Druckreservoir 42 und der Druckkammer 20 her (Kalibriermodus), sodass sich in der Druckkammer 20 der Druck des Druckreservoirs 42 einstellt. Die Verbindung zwischen der Druckkammer 20 und der Umgebung 26 ist dann versperrt.The channel 24 which connects the pressure chamber 20 to the environment 26 has a valve 40 . This is a two-way valve. In a first position, the valve 40 establishes a connection between the pressure chamber 20 and the environment 26 (operating mode), so that there is also ambient pressure in the pressure chamber 20, and blocks the fluidic connection between the pressure chamber 20 and a pressure reservoir 42. In a second position the valve 40 establishes a connection between the pressure reservoir 42 and the pressure chamber 20 (calibration mode), so that the pressure of the pressure reservoir 42 is set in the pressure chamber 20 . The connection between the pressure chamber 20 and the environment 26 is then blocked.

Das Druckreservoir 42 weist einen definierten Druck auf. Bei einer Verstellung des Ventils 40 von der ersten Stellung in die zweite Stellung ändert sich der in der Druckkammer 20 anliegende Druck und die Wölbung der Membran 14 ändert sich entsprechend dieser Druckänderung. Die auf die Verstellung des Ventils hin gemessene Ist-Druckänderung wird mit der Soll-Druckänderung verglichen, die der Differenz aus dem bekannten Umgebungsdruck und dem bekannten Druck des Druckreservoirs 42 entspricht. Bei einer Abweichung der gemessenen Ist-Änderung von der Soll-Änderung wird die Druckmesszelle 10, 12 kalibriert.The pressure reservoir 42 has a defined pressure. When the valve 40 is adjusted from the first position to the second position, the pressure present in the pressure chamber 20 changes and the curvature of the membrane 14 changes in accordance with this pressure change. The actual pressure change measured following the adjustment of the valve is compared with the target pressure change, which corresponds to the difference between the known ambient pressure and the known pressure of the pressure reservoir 42 . If the measured actual change deviates from the target change, the pressure measuring cell 10, 12 is calibrated.

Es ist auch denkbar auf das Ventil 40 zu verzichten und das Druckreservoir 42 in dem Kalibriermodus direkt mit dem Kanal 24 zu verbinden.It is also conceivable to dispense with the valve 40 and to connect the pressure reservoir 42 directly to the channel 24 in the calibration mode.

Im Folgenden werden zur Beschreibung weiterer Ausführungsformen für identische oder zumindest funktionsgleiche Elemente dieselben Bezugszeichen verwendet wie zur Beschreibung der ersten Ausführungsform.In the following, for the description of further embodiments for identical or at least functionally identical elements, the same reference numerals are used as for the description of the first embodiment.

In 2 ist eine zweite Ausführungsform einer Druckmesszelle 10 dargestellt. Es handelt sich ebenfalls um eine kapazitive Druckmesszelle 12. Diese zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform im Wesentlichen durch die Ausgestaltung des Druckreservoirs 42.In 2 a second embodiment of a pressure measuring cell 10 is shown. It is also a capacitive pressure measuring cell 12. This second embodiment differs from the first embodiment essentially in the design of the pressure reservoir 42.

In diesem Fall handelt es sich um ein Druckreservoir 42, welches ein Gehäuse 44 aufweist, in welchem ein bewegliches Element 46 in axialer Richtung verlagerbar ist. Das bewegliche Element 46 ist hier stempelförmig ausgebildet. Wird das bewegliche Element 46 um eine vorbestimmte Weglänge aus dem Gehäuse 44 herausgeführt, so wird ein definiertes Volumen evakuiert und ein definierter Unterdruck erzeugt. Zur Orientierung für den Anwender kann die Außenseite des Gehäuses 44 eine Skala aufweisen (nicht dargestellt). Bei einem Hineinführen des beweglichen Elementes 46 in das Gehäuse 44 wird das definierte Volumen komprimiert und ein definierter Überdruck erzeugt. Dieses Prinzip einer Luftpumpe ermöglicht es dem Anwender ganz einfach eine Druckänderung zu bewirken.In this case it is a pressure reservoir 42 which has a housing 44 in which a movable element 46 can be displaced in the axial direction. The movable element 46 is stamp-shaped here. Will the moveable Element 46 is led out of the housing 44 by a predetermined distance, so a defined volume is evacuated and a defined negative pressure is generated. For orientation for the user, the outside of the housing 44 can have a scale (not shown). When the movable element 46 is guided into the housing 44, the defined volume is compressed and a defined excess pressure is generated. This principle of an air pump allows the user to easily change the pressure.

In 3 ist eine dritte Ausführungsform einer Druckmesszelle 10 dargestellt. Bei dieser Druckmesszelle handelt es sich um eine piezoresistive Druckmesszelle 48. Die Druckmesszelle 10, 48 weist eine Membran 14 auf, welche umlaufend auf einem Grundkörper 18 angeordnet ist. Zwischen der Membran 14 und dem Grundkörper 18 ist eine Messkammer 22 ausgebildet. In der Messkammer 22 ist als Drucksensor 50 ein Siliziumchip angeordnet. Die Messkammer 22 ist mit einem inkompressiblem Druckmittlermedium gefüllt.In 3 a third embodiment of a pressure measuring cell 10 is shown. This pressure measuring cell is a piezoresistive pressure measuring cell 48. The pressure measuring cell 10, 48 has a membrane 14 which is arranged circumferentially on a base body 18. A measuring chamber 22 is formed between the membrane 14 and the base body 18 . A silicon chip is arranged in the measuring chamber 22 as the pressure sensor 50 . The measuring chamber 22 is filled with an incompressible pressure transmitter medium.

Auf der der Messkammer 22 abgewandten Seite des Drucksensors 50 ist die Druckkammer 20 ausgebildet, die hier separat von der Messkammer 22 ausgebildet ist. Die Druckkammer 20 ist hier zwischen dem Drucksensor 50 und einem Teil des Grundkörpers 18 - hier dem Träger -ausgebildet. Die Druckammer 20 ist über einen Kanal 24 mit der Umgebung 26 verbunden.The pressure chamber 20 is formed on the side of the pressure sensor 50 facing away from the measuring chamber 22 and is formed separately from the measuring chamber 22 here. The pressure chamber 20 is formed here between the pressure sensor 50 and a part of the base body 18—here the carrier. The pressure chamber 20 is connected to the environment 26 via a channel 24 .

Auch hier weist der Kanal 24 ein Ventil 40 auf, wobei in einer ersten Stellung des Ventils 40 die Druckkammer 20 mit der Umgebung 26 verbunden ist und in einer zweiten Stellung des Ventils 40 die Druckkammer 20 mit einem Druckreservoir 42 verbunden ist.Here, too, the channel 24 has a valve 40 , the pressure chamber 20 being connected to the environment 26 in a first position of the valve 40 and the pressure chamber 20 being connected to a pressure reservoir 42 in a second position of the valve 40 .

In Abhängigkeit des Druckunterschiedes, welcher an der einen Seite über die Membran 14 und das Druckmittlermedium und auf der anderen Seite über die Druckkammer 20 an den Drucksensor 50 anliegt, ergibt sich eine Kraft auf den Drucksensor 50, welche aufgrund seiner piezoelektrischen Eigenschaften als Änderung des Widerstandes detektiert werden kann. Die Kontaktierung erfolgt über mehrere Kontakte 52, zum Teil durch den Grundkörper 18 hindurch.Depending on the pressure difference, which is applied to pressure sensor 50 on one side via membrane 14 and the pressure transmitter medium and on the other side via pressure chamber 20, there is a force on pressure sensor 50, which due to its piezoelectric properties is a change in resistance can be detected. Contact is made via a plurality of contacts 52, partly through the base body 18.

Die Kalibrierung dieser dritten Ausführungsform der Druckmesszelle 48 erfolgt wie vorstehend beschrieben.This third embodiment of the pressure measuring cell 48 is calibrated as described above.

Es ist auch möglich solch eine piezoresistive Druckmesszelle 44 mit einem manuell betätigbaren Druckreservoir mit einem Gehäuse 44 und darin beweglichen Element 46 gemäß 2 zu versehen.It is also possible to have such a piezoresistive pressure measuring cell 44 with a manually operable pressure reservoir with a housing 44 and element 46 movable therein according to 2 to provide.

BezugszeichenlisteReference List

1010: Druckmesszellepressure cell
1212: kapazitive Druckmesszellecapacitive pressure measuring cell
1414: Membranmembrane
1616: Glasnahtglass seam
1818: Grundkörperbody
2020: Druckkammerpressure chamber
2222: Messkammermeasuring chamber
2424: Kanalchannel
2626: UmgebungVicinity
2828: Elektrodeelectrode
3030: Elektrodeelectrode
3232: Bohrungdrilling
3434: Bohrungdrilling
3636: Referenzelektrodereference electrode
3838: Bohrungdrilling
4040: VentilValve
4242: Druckreservoirpressure reservoir
4444: Gehäuseshousing
4646: bewegliches Elementmoving element
4848: piezoresistive Druckmesszellepiezoresistive pressure measuring cell
5050: Drucksensorpressure sensor
5252: KontaktContact

Claims

Pressure measuring cell for measuring a relative pressure, with a membrane (14) and a base body (18), the base body (18) having a channel (24) which, in an operating mode of the pressure measuring cell (10), has a pressure chamber (20) with the environment ( 26), characterized in that the pressure chamber (20) is connected to a pressure reservoir (42) via the channel (24) when the pressure measuring cell (10) is in a calibration mode.

Pressure measuring cell according to the preceding claim, characterized in that the channel (24) has a valve (40), wherein in a first position of the valve (40) a connection is established between the pressure chamber (20) and the environment (26) and in a second position of the valve (40) a connection between the pressure chamber (20) and the pressure reservoir (42) is established.

Pressure measuring cell according to one of the preceding claims, characterized in that it is a capacitive pressure measuring cell (12).

Pressure cell according to the above Claims 1 and 2 , characterized in that it is a piezoresistive pressure measuring cell (48) or a resistive pressure measuring cell.

Pressure measuring cell according to one of the preceding claims, characterized in that the pressure reservoir (42) has an element (46) that can be moved within a housing (44), it being possible for a specific volume within the housing (44) to be compressed or evacuated by means of the moving element (46). is.

Method for calibrating a pressure measuring cell (10) according to one of the above Claims 1 until 5 , characterized in that the pressure chamber (20) is first connected to the pressure reservoir (42) and by means of the pressure measuring cell (10) an actual pressure change is detected, which is caused by the pressure reservoir (42), wherein if there is a deviation from the measured actual - If the pressure changes from the defined target pressure change, the calibration of the pressure measuring cell (10) is recalculated.

Method according to the preceding claim, characterized in that the connection to the pressure reservoir (42) takes place in that the valve (40) initially moves from a first position, in which the pressure chamber (20) is connected to the environment (26), in a second position, in which the pressure chamber (20) is connected to the pressure reservoir (42), is brought.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the calibration is automated.

Method according to one of the two preceding claims, characterized in that the valve (40) is adjusted by remote control.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the pressure in the pressure reservoir (42) is generated by manual compression or manual evacuation of a defined volume.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the calibration on the part of the process takes place in the pressureless state or in the pressurized state.