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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kompensation von Drucksensoren, insbesondere Drucksensormodulen. Drucksensoren im Sinne der Erfindung können Sensoren für Absolutdruck, Relativdruck und Differenzdruck sein.
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Druckmessumformer weisen gewöhnlich einen Drucksensor auf, welcher zur Erfassung der physikalischen Größe Druck eine Transformation dieser Größe in ein elektrisches Signal durchführt, welches mittels einer für das jeweilige Messprinzip angepassten Signalverarbeitung aufbereitet wird. Die Erfindung betrifft alle gängigen Prinzipien zur Druckmessung und wird nun anhand von kapazitiven Druckaufnehmern erläutert, ohne auf diese beschränkt zu sein.
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Bei kapazitiven Drucksensoren wird eine druckabhängige Kapazitätsänderung in ein vom Druck abhängiges, vorzugsweise zum Druck proportionales, elektrisches Signal gewandelt, das jedoch von Störgrößen wie beispielsweise der Temperatur abhängig ist. Zur Ermittlung der erforderlichen Korrekturterme zur Kompensation dieser Störeinflüsse wird das Ausgangssignal der Drucksensoren bezüglich Nullpunkt und Spanne sowie des Kennlinienverlaufs unter Berücksichtigung von Gehäuseeffekten bei verschiedenen Temperaturen und Druckwerten mit den tatsächlichen Referenzwerten verglichen.
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Insofern als es eine Vielzahl von anwendungsspezifischen Gehäusegeometrien gibt, erfordert die Kompensation der unterschiedlichsten Gerätevarianten einen großen logistischen Aufwand. Gewöhnlich erfolgt dies in Temperaturschränken oder Durchlauföfen. Die Temperierung der Prüflinge erfolgt dabei über Wärmekonvektion.
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Aufgrund der relativ hohen thermischen Massen sowie der vergleichsweise großen Schrank- bzw. Durchlaufofenvolumina ist diese Art der Temperierung zumindest sehr zeitintensiv, was Rüst- und Messzeiten betrifft.
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Stöcklin et al. offenbaren in der Offenlegungsschrift
DE 101 33 066 A1 einen Drucksensormodul mit einer Druckmesszelle in einer metallischen Hülse bzw. einem Modulgehäuse. Diese Anordnung ist dazu vorgesehen, eine Vorkompensation des Drucksensormoduls zu ermöglichen, bevor dieses nahezu ohne Einbußen hinsichtlich der Messgenauigkeit in ein anwendungsspezifisches Gehäuse aus einer Vielzahl unterschiedlicher Gehäusetypen eingebaut wird.
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Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Kompensation der zuvor beschriebenen Drucksensormodule zu verbessern.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Vorrichtung gemäß des unabhängigen Patentanspruchs 1 und das Verfahren gemäß des unabhängigen Patenanspruchs 11.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Kompensation von Drucksensormodulen, welche jeweils ein Modulgehäuse mit einer vorgegebenen äußeren Form aufweisen, wobei in dem Modulgehäuse eine Druckmesszelle mit einem druckempfindlichen Element, beispielsweise einer Messmembran, angeordnet ist, welches durch eine Gehäuseöffnung mit einem Druck beaufschlagbar ist; umfasst:
einen Kompensationskörper mit mindestens einer Sensormodulaufnahme, in welche das Drucksensormodul einsetzbar ist;
mindestens eine Befestigungsvorrichtung zur druckdichten Befestigung des mindestens einen Drucksensormoduls in der Sensoraufnahme;
eine Druckzuleitung welche mit der Sensormodulaufnahme kommuniziert; zur Beaufschlagung der Druckmesszelle des mindestens einen eingespannten Drucksensormoduls mit einem Mediendruck; und
eine Temperieranordnung zum Heizen und/oder Kühlen des Kompensationskörpers.
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Die Temperieranordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst beispielsweise mindestens einen Kanal für ein Temperiermedium, welcher durch den Kompensationskörper verläuft.
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Das Temperiermedium umfasst in einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung ein Silikonöl, welches vorzugsweise für den Wärmetransport in einem Temperaturbereich zwischen –20°C und 80°C geeignet ist.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist die mindestens eine Sensormodulaufnahme so an die Form der Modulgehäuse angepasst ist, dass das Modulgehäuse mindestens 90%, bevorzugt mindestens 95% und besonders bevorzugt mindestens 98% des Volumens eines Abschnitts der Sensormodulaufnahme einnimmt, der sich zwischen der Ebene der Messmembran und einer zur Ebene der Messmembran parallelen zweiten Ebene erstreckt, wobei die zweite Ebene, eine von der Messmembran abgewandte rückseitige Oberfläche des Modulgehäuses berührt oder schneidet.
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Die rückseitige Oberfläche des Modulgehäuses kann eine oder mehrere Öffnungen und Kabeldurchführungen aufweisen. Soweit die Rückseite des Modulgehäuses vollständig offen ist, bezeichnet der Begriff rückseitige Oberfläche den umlaufenden Rand um die rückseitige Gehäuseöffnung.
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Die mindestens eine Modulaufnahme verläuft in einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung zumindest abschnittsweise zylindrisch. In einer Weiterbildung dieser Ausgestaltung weist die Sensormodulaufnahme in dem zylindrischen Abschnitt bzw. den zylindrischen Abschnitten einen Radius aufweist, der nicht mehr als 0,8 mm, bevorzugt nicht mehr als 0,4 mm und besonders bevorzugt nicht mehr als 0,2 mm größer ist als der Radius eines entsprechenden zylindrischen Abschnitts des Modulgehäuses. Der geringe Unterschied zwischen den Radien kann vorzugsweise dazu führen, dass der Luftspalt zwischen der Sensormodulaufnahme und dem Modulgehäuse so genng ist, dass die geringe Wärmeleitfähigkeit der Luft zwischen der Sensormodulaufnahme und dem Modulgehäuse nicht zum limitierenden Faktor für die Temperierung der Sensormodule wird.
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In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Sensoraufnahmemodule so bemessen, dass der effektive Wärmeübertragungskoeffizient zwischen dem Modulgehäuse und der Sensormodulaufnahme, bezogen auf die Oberfläche des Modulgehäuses und die Oberflächentemperatur des Modulgehäuses sowie die Oberflächentemperatur der Sensormodulaufnahme, mindestens 3,5 W/(m2K), bevorzugt mindestens 15 W/(m2K), und besonders bevorzugt mindestens 30 W/(m2K) beträgt.
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Zu einer effektiven Kompensation ist die Bearbeitung mehrerer Module zugleich vorzuziehen, hierzu weist der Kompensationskörper zweckmäßig mehrere Sensormodulaufnahmen auf. Der Kanal für das Kühlmedium ist in diesem Falle vorzugsweise so geführt, dass die Temperatur von zwei Sensormodulaufnahmen nicht um mehr als 0,5 K voneinander abweicht.
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Das Kühlmedium kann beispielsweise mittels eines geeigneten Thermostaten mit ausreichender Heiz und Kühlleistung auf jede gewünschte zweckmäßige Temperatur zwischen beispielsweise –20°C und 80°C geregelt werden. Weiterhin kann die Vorrichtung mindestens einen Temperatursensor, zur Erfassung der Temperatur des Kompensationskörpers in der Umgebung der mindestens einen Sensormodulaufnahme aufweist. Es können ggf. mehrere Temperatursensoren vorgesehen sein, die beispielsweise jeweils einer Sensormodulaufnahme zugeordnet sind.
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Zur Homogenisierung der Temperatur aller relevanten thermischen Massen umfasst die Vorrichtung gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ein thermisch isolierendes Gehäuse, in dem der Kompensationskörper angeordnet ist.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung umfasst die Vorrichtung mindestens eine elektronische Datenerfassungs- und Datenaufzeichnungseinrichtung zur Erfassung und Aufzeichnung von Signalen der Drucksensormodule und der zugehörigen Kalibrierparameter. Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung weiterhin mindestens ein Druckstellmodul und ein Temperaturstellmodul. In der derzeit bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Vorrichtung weiterhin eine zentrale Steuereinheit, welche die anderen Einrichtungen und Stellmodule der Vorrichtung steuert. Zur automatischen Übertragung der Kompensationsergebnisse umfasst die Vorrichtung vorzugsweise weiterhin einen Datenkommunikationsausgang bzw. mehrere Datenkommunikationsausgänge zur Ausgabe der anhand der Sensorsignale ermittelten Kompensationskoeffizienten, an das jeweilige Drucksensormodul zur Speicherung in einem Speicherelement des Drucksensormoduls.
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Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst das Beschicken der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Sensormodulen und die Durchführung der Kompensation.
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Zur Durchführung der Kompensation werden Sollwerte von Druck und Temperatur vorgegeben, und die Kompensationskoeffizienten für die einzelnen Sensormodule werden anhand der Messsignale der Sensormodule bei den verschiedenen Sollwerten ermittelt.
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Die Erfindung wird nun anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigt:
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1: ein Blockdiagramm zur Darstellung der Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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2a: einen Längsschnitt der Linie A-A des in 2d gezeigten erfindungsgemäßen Kompensationskörper;
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2b: einen Längsschnitt der Linie B-B des in 2d gezeigten erfindungsgemäßen Kompensationskörper;
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2c: eine Seitenansicht des in 2d gezeigten erfindungsgemäßen Kompensationskörper; und
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2d: eine Aufsicht auf einen erfindungsgemäßen Kompensationskörper.
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Die in 1 gezeigte Vorrichtung umfasst einen Kompensationskörper 1, mit N = 8 Sensormodulaufnahmen. Einzelheiten zum Kompensationskörper werden im Zusammenhang mit den 2a–2d erörtert.
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Der Kompensationskörper 1 wird mittels einer Temperiervorrichtung 60, die einen Umwälzthermostaten umfasst, mit einem temperierten flüssigen Temperiermedium über Temperiermedienleitungen 65 gespeist, wodurch die Temperatur des Kompensationskörpers auf Werte zwischen –40°C und 200°C exakt eingestellt werden kann. Der Umwälzthermostat weist beim beschriebenen Ausführungsbeispiel eine Heizleistung von 3 kW und eine Kühlleistung von etwa 1 kW auf.
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Zylindrische Drucksensormodule, welche in den Kompensationskörper 1 eingesetzt werden, kommen nicht mit dem Temperiermedium in direkten Kontakt. Stattdessen wird durch eine enge thermische Kopplung zwischen den Sensormodulen und dem Kompensationskörper, der vergleichsweise geringen thermischen Masse der Sensormodule und einer angemessenen Führung der Temperierflüssigkeit im Kompensationskörper ein Temperieren der Sensormodule im Minutenbereich erzielt. So ist z. B. ein Temperaturwechsel von 80°C auf –20°C innerhalb von 15 min möglich. Bei herkömmlichen Temperaturschränken bzw. Durchlauföfen liegt dieser Wärmeübergang im Stundenbereich.
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Die Temperiervorrichtung 60 wird von einer zentralen Steuereinheit 50 gesteuert, welche mit der Temperiervorrichtung über einen Datenbus, beispielsweise einen IEEE 488 Datenbus, kommuniziert. Es können beliebig viele Temperaturstufen angefahren werden, was u. a. eine Kompensation höherer Ordnungen erlaubt.
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Der Kompensationsblock 1 bzw. die N einheitlichen Sensormodulaufnahmen sind in zwei voneinander unabhängige Druckzweige aufgeteilt. So können entweder alle N zusammen oder je N/2 Kapselaufnahmen über einen programmierbaren Druckregler 70 mit einem Druck versorgt werden, der zur Kennlinienmessung bei den unterschiedlichsten Temperaturen für die Sensormodule benötigt wird. Der Druckregler 70 wird ebenfalls von der zentralen Steuereinheit 50 gesteuert.
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Weiterhin umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung Mittel 51 zur rechnergestützten Archivierung der Messdaten in einem Datenbanksystem, so dass mittels dieser Daten beliebige kunden- und produktspezifische Protokolle erstellt werden können. Zusätzlich ist dadurch eine kontinuierliche Prozesskontrolle über statistische Verfahren möglich.
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Die Sensormodule umfassen eine integrierte Leiterplatte mit einem ASIC, sowie eine Standardschnittstelle zu kundenspezifischen Funktionselektroniken, beispielsweise für Spannung, Strom, Schaltfunktionen und Datenaustausch. Die Leiterplatte dient u. a. der einheitlichen elektrischen Kontaktierung während des Kompensationsprozesses. Die Sensormodule können beispielsweise auf der Leiterplatte ein beschreibbares Speicherelement, z. B. einen EEPROM aufweisen, auf welchem die ermittelten Kompensationskoeffizienten abgelegt werden. Die Kommunikation zwischen den Sensormodulen und der Steuereinheit kann beispielsweise über den Datenbus 55, einen Scanner 80 mit einer ASIC-Schnittstelle, und eine Messwerterfassungseinheit 85 erfolgen, wobei der Scanner 80 Schnittstellenleitungen 82 zu den jeweiligen Sensormodulen sequenziell abtastet. Der Scanner 80 steuert ebenfalls die Erfassung eines Temperatursignals, welches von einem Temperatursensor im Kompensationsblock über eine Temperatursignalleitung 82 ausgegeben wird.
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Einzelheiten zum Kompensationskörper werden nun anhand der 2a bis 2d erläutert. Die Drucksensormodule weisen jeweils ein in den Abmessungen standardisiertes zylindrisches Metallgehäuse bzw. Einheitsgehäuse mit einer integrierten Messzelle unterschiedlichster Druckbereiche und einer anwendungsspezifischen Prozessdichtung auf. Das Sensormodul kann nach der Kalibration über eine zusätzliche rückwirkungsfreie Prozessdichtung oder über eine stoffschlüssige, rückwirkungsfreie Verbindung in einem kunden- bzw. anwendungsspezifischen Messumformergehäuse eingebaut werden.
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Zur Optimierung der Kompensation weist der Kompensationskörper 1 zweireihig angeordnete identischen Sensormodulaufnahmen 16 auf, welche als zylindrische Bohrungen ausgebildet sind, welche auf die standardisierten Einheitsgehäuse der Sensormodule abgestimmt sind. Zur Kompensation werden die Sensormodule jeweils in eine der N Bohrungen 16 der Sensormodulaufnahmen im Kompensationskörper 1 gesetzt und mechanisch über ein Joch 4 mit je 3 Schnellspannmuttern 13 so fixiert, dass Druckbeaufschlagungen von 50 mbar bis 70 bar möglich sind. Die Schnellspannmuttern 13 werden mit durchgehenden Sicherungsbolzen 6, 7 verschraubt, welche die Druckfestigkeit des Kompensationskörpers 1 gewährleisten. Das Spaltmaß zwischen den Bohrungen der Sensormodulaufnahmen 16 und der Mantelfläche des Gehäuses der Sensormodule wurde auf (0,15 mm) minimiert, um dadurch eine optimierte Wärmekopplung zwischen dem Kompensationskörper und dem Sensormodul zu gewährleisten.
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Die Sensormodulaufnahmen 16 sind in zwei parallelen Reihen angeordnet, wobei sich unter den Reihen Sensormodulaufnahmen jeweils ein Druckkanal 18 von einer Stirnseite des zentralen Blocks 5 in einen zentralen Block 5 des Kompensationskörpers 1 erstreckt und die Achsen der Sensormodulaufnahmen 16 schneidet. Über Durchstiche 17 kommuniziert der Druckkanal 18 mit den Sensormodulaufnahmen 16 in der jeweiligen Reihe. Zwischen den Sensormodulen und den Böden der Sensormodulaufnahmen 16 wird jeweils eine Druckdichtung 23 axial eingespannt.
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Der Kompensationskörper 1 weist einen Temperierkanal auf, welcher durch Bohrungen und gefräste Vertiefungen in dem zentralen Block 5 gebildet werden, wobei die Vertiefungen mit einer Deckplatte 2 bzw. einer Bodenplatte 3 abgeschlossen werden. Zwischen dem zentralen Block 5 und den Platten 2, 3 sind Temperierkanaldichtungen 20, 21, 22, 24 vorgesehen, um ein Austreten des Kühlmittels zu vermeiden. Der Temperierkanal kommuniziert mit einem Temperiermittelzulauf 10 und einem Temperiermittelrücklauf 12, wobei der Temperiermittelrücklauf 12 an einem Temperiermittelanschlussblock 8 unterhalb der Bodenplatte 3 angeordnet ist.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren erlauben im Ergebnis eine einheitliche, schnelle, hochgenaue, qualitativ hochwertige Kompensation von Drucksensormodulen für anwendungsspezifische Druckmessumformer mit unterschiedlichsten mechanischen Ausprägungen in einem standardisierten, zeitoptimierten Fertigungsprozess.