-
Vorrichtung zur Messung von über, Unter-
-
und Differenzdrücken im Bergbau Gegenstand der Erfindung ist eine
Vorrichtung zur Messung von Drücken im Bergbau der eingangs genannten Art.
-
Eine derartige Vorrichtung ist bisher nur in Form eines Handmessgerätes
bekannt geworden, welches als Flüssigkeits-Manometer ausgebildet ist. Es gibt hier
die Art eines U-Rohr-Manometers oder auch die Ausführung als Schrägrohr-Manometer.
Der Einsatz derartige Flüssigkeits-Manometer im Bergbau ist problematisch, denn
die Handhabung bezüglich Transport, Justierung und Ablesung ist nicht betriebssicher
genug.
-
Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, eine Vorrichtung der
eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß auf einfache und betriebssichere Weise
die genannten Drücke im Bergbau gemessen werden können.
-
Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet,
daß der elektrische Druckaufnehmer auf dem piezoelektrischen Prinzip beruht und
aus einem abdichtend in einem Gehäuse angeordneten Silizium-Chip besteht, welcher
zwei Kammern abteilt, von denen jede über einen Schlauchstutzen mit dem Meßdruck
verbunden ist, und daß auf dem Silizium-Chip eine eingeätzte Druckmembran mit darauf
angeordneten, elektrischen Widerständen angeordnet ist, die zu einer Wheatstone'schen
Vollbrücke geschaltet sind.
-
Wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist also die elektrische
Erfassung der im Bergbau vorkommenden Drücke und deren digitale Anzeige an einem
entsprechenden Anzeigenfeld eines leicht tragbaren und leicht handhabbaren kleinen
Meßgerätes.
-
Damit ergibt sich ein wesentlich erweiterter Anwendungsbereich einer
Vorrichtung nach der Erfindung, denn die Differenzdrücke werden im Bergbau beispielsweise
als über- oder Unterdruck in Leitungen und Kanälen gegenüber dem Luftdruck der Umgebung,
z.B. bei Lutten-Leitungen, Gasabsauge-Leitungen und Wetterkanälen gemessen.
-
Ebenso ist die Erfindung einsetzbar bei der Ermittlung des Druckabfalls
in Leitungen, Kanälen und Formstücken.
-
Ebenso kann der dynamische Druck zur Ermittlung der Geschwindigkeit
in strömenden Medien erfasst werden und ferner der Druck an Druckerzeugern, wie
Lüftern und Verdichtern beim Feststellen des Betriebspunktes.
-
Ein weiterer wesentlicher Einsatzbereich der Erfindung ist die Druckmessung
an Wettertüren.
-
Das eigensichere, elektronische Mikro-Manometer nach der vorliegenden
Erfindung ermöglicht die Messung positiver und negativer Drücke, sowie Druck-Differenzen
in schlagwetter- und explosionsgefhrdeten Bereichen. Es ist weitaus bequemer in
der Handhabung als herkömmliche Flüssigkeits-Manometer durch unkomplizierte Bedienung,
Kompaktheit, leichte Transportierbarkeit , hohe Genaugkeit und durch eine LCD-Anzeige,
bei der Ablesefehler ausgeschlossen sind.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Mikro-Manometer den
Meßbereich von Null bis 1999 Pa und ist als Vergleichsgerät bei der Prüfung stationärer
Druckmeßeinrichtungen unter Tage sowie bei der Ermittlung der Druckverteilung in
Grubengebäuden besonders geeignet.
-
Weitere Anwendungsgebiet sind Klima- und Lüftungstechnik, Chemie-
und Verfahrenstechnik.
-
In einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung nach
dem Gegenstand des Anspruches 2 ist vorgesehen, daß der elektrische Druckaufnehmer
auf dem piezoelektrischen Prinzip beruht und aus einem abdichtend in einem Gehäuse
angeordneten Silizium-Chip besteht,
welcher zwei Kammern abteilt,
von denen jede über einen Schlauchstutzen mit dem Meßdruck verbunden ist, und daß
auf dem Silizium-Chip eine eingeätzte Druckmembran mit darauf angeordneten, elektrischen
Widerständen angeordnet ist, die zu einer Wheatstone'schen Vollbrücke geschaltet
sind.
-
Damit ergibt sich im gewünschten Druckbereich eine hohe Auflösung
und eine lineare,brummfreie Ausgangsspannung, die dem Differenz- oder Relativdruck
proportional ist.
-
Mit dem erfindungsgemässen Aufbau wird eine qute Reproduzierbarkeit
der Meßergebnisse, eine geringe Hysterese und eine hohe Langzeit-Stabilität erreicht.
-
Unter Druckeinwirkung biegt sich die erwähnte Membran durch. Dabei
ändern sich die zu einer Vollbrücke geschalteten Widerstände und rufen eine druckproportionale,
genau vorherbestimmbare Ausgangsspannung hervor.
-
Weitere Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche.
-
Der Erfindungsgegenstand der vorliegenden Erfindung ergibt sich nicht
nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch aus der Kombination
der einzelnen Patentansprüche untereinander.
-
Alle in den Unterlagen offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere
die in den Zeichnungen dargestellte , räumliche Ausbildung werden als erfindungswesentlich
beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik
neu sind.
-
Im folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg
darstellende Zeichnungen näher erläutert.
-
Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere erfindungswesentliche
Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor.
-
Es zeigen: Fig 1: Draufsicht auf das Gehäuse des Mikro-Manometers,
Figur 2: Seitenansicht des Gehäuses mit angedeuteten Einbauteilen, Figur 3: Prinzip-Aufbau
des Drucksensors, Figur 4: interne elektrische Schaltung des Drucksensors, Figur
5: Stromlaufplan der gesamten Meßschaltung.
-
An der Oberseite eines vorzugsweise aus einem leit'ähigen Kunststoffmaterial
bestehenden Gehäuses 1 ist eine LCD-Anzeige 2 eingebaut. An der einen Stirnseite
des Gehäuses 1 sind zwei Schlauchstützen 3a, 3b angebaut, die intern über entsprechende
Schläuche und Schlauchverbinder mit den Druckanschlüssen des Drucksensors gemäss
Figur 3 verbunden sind.
-
Aus Figur 2 ergibt sich, daß das Gehäuse 1 in zwei Kammern geteilt
ist, wobei in der unteren Kammer der Energieblock 8 bestehend aus beispielsweise
acht Ni-Ca-Zellen eingebaut ist. Entsprechend dem Schaltbild in Figur 5 sind den
Zellen zwei Widerstände und eine Sicherung zur Strombegrenzung zugeordnet, damit
der Energieblock 8 den Anforderungen der Eigensicherheit entspricht. Über die beiden
Dioden (Figur 5) ist die Stromversorgung mit den Ladekontakten 4 verbunden. Die
Dioden bewirken, daß die Akku-Spannung nicht an den Ladebuchsen 4 anliegt. Alle
Teile der Stromversorgung sind im Gehäuseboden vergossen.
-
In der oberen Kammer des Gehäuses 1 sind zwei räumlich voneinander
getrennte und über zugeordnete Steckverbinder elektrisch miteinander verbundene
Elektronik-Platinen 5,6 angeordnet, wobei die Elektronik-Platine 5 im wesent-
lichen
zur Ansteuerung der LCD-Anzeige 2 dient, während die Elektronik-Platine 6 die eigentliche
Meßschaltung für den darunter angeordneten Druckaufnehmer 7 enthält.
-
Der prinzipielle Aufbau des Drucksensors 7 ergibt sich aus Figur 3.
Hierbei ist ein Silizium-Chip 29 abdichtend und unter Bildung von zwei voneinander
getrennten Kammern 31,32 in ein Gehäuse eingebaut. Hierdurch wird eine offene Druckkammer
28 ausgebildet, so daß sich die in dem Silizium-Chip eingearbeitete Membran nach
beiden Seiten hin ausdehnen kann.
-
Der Druckaufnehmer 7 misst stets einen Druck mit Bezug auf einen anderen
Druck. In der Beschaltung als Differenzdruckaufnehmer werden die zu messenden Drücke
beiden Schlauchanschlüssen 3a, 3b zugeführt. In der Beschaltung als Über- oder Unterdruckaufnehmer
ist der Anschluß 3b dem Umgebungsdruck ausgesetzt, während der Meßdruck über den
Schlauchanschluß 3a einwirkt. Die in Figur 4 gezeigte elektrische Schaltung ist
in dem aus einem Thermoplast-Material bestehenden Gehäuse 30 eingebaut. An dem Schlauchanschluß
3b dürfen nur relativ saubere Gase , wie Luft oder Freon-Gas angeschlossen werden,
während am Schlauchanschluß 3a im wesentlichen alle Gase und Flüssigkeiten angeschlossen
werden können, mit Ausnahme solcher, die Polyester-,Silizium- Silikon-Verbindungen
angreifen.
-
Gemäss der vorstehenden Beschreibung ist auf dem Silizium-Chip eine
Druckmembran eingeätzt, auf der als Vollbrücke geschaltete Widerstände implantiert
sind. Unter Druckeinwirkung biegt sich die Membran durch. Dabei ändern sich die
zu der Vollbrücke geschalteten Widerstände und rufen eine druckproportionale Ausgangsspannung
hervor.
-
Gemäss Figur 4 ist im Gehäuse 3O eine Temperatur-Komsensationsschaltung
eingebaut, ebenso wie eine Nullpunkt-und Meßbereichsabgleichschaltung. Der vorgesehene
Drucksensor 7 muß daher nicht mehr nachträglich abgeglichen oder nachgeeicht werden.
-
Die Anschlüsse 33,34 , 35 gemäss Figur 4 sind in Figur 5 in ihrer
Einbaulage dargestellt.
-
Zunächst wird bei der Elektronik-Platine 6 der Schaltung nach Figur
5 die Festspannungs-Regelung näher erläutert: Der Bezugspunkt der Schaltung (0 Volt)
ist mit einer Z-Diode 10 gegenüber der Masse angehoben, um für die nachgeschalteten
Verstärker 9,11 , 16 eine negative Versorgungsspannung zu erzeugen.
-
Der Verstärker 9 enthält zusätzlich noch eine Referenz-Spannungsquelle.
Mit ihm wird durch Widerstandsbeschaltung am Ausgang Pin 6 eine positive Festspannung
von 5 Volt gegenüber dem Bezugspunkt erzeugt.
-
Nachfolgend wird die Spannungsüberwachung erläutert: Der Verstärker
11 wird zur überwachung der Versorgungsspannung eingesetzt. Als Referenzspannung
dafür wird die 5-Volt-Festspannung genommen. Beim Unterschreiten der mit dem Spannungsteiler
37 am Pin 6 des Verstärkers 11 eingestellten Sollspannung wird der Transistor 12
durchgeschaltet. Über die Steckverbindung 13 Pin 4,7 und 8 werden dann die drei
Kommastellen der LCD-Anzeige 2 angesteuert, die optisch eine zu geringe Versorgungsspannung
signalisieren. Zur Vorwarnung blinken die Kommastellen auf. Dies wird durch eine
Mitkupplung über den Kondensator 14 an Pin 5 und 7 des Verstärkers 11 erreicht.
-
Der Transistor 15 dient dazu, das Backplane-Signal des AD-Wandlers
17 zu invertieren. Das invertierte Signal wird für die Ansteuerung der Kommas benötigt.
-
Als Meßverstärker für den Drucksensor 7 dient der Verstärker 16. Der
Meßwert am Anschluß 35 vom Drucksensor 7 kommend wird über eine Integrierkette,
bestehend aus den Widerständen 20 und den Kondensatoren 18 und 19
dem
Eingang des Verstärkers 16 zugeführt. Damit wird ein Rauschen des Meßsignals unterdrückt.
-
Der Spannungsteiler 21 dient zur Nullpunkt-Einstellung des Drucksignals.
-
über einen Trimmer 38 im Spannungsteiler am Ausgang des Verstärkers
16 (Pin 1) wird der Meßwert abgegriffen und über die Leitungen 22,23 der Steckverbindung
13 dem Eingang des AD-Wandlers 17 zugeführt. Der Meßwert wird so eingestellt, daß
200 nV einem Meßwert von 2000 Pa entsprechen.
-
Im folgenden werden Besonderheiten der Beschaltung des AD-Wandlers
17 erläutert: Um auch negative Meßwerte anzeigen zu können, muß der AD-Wandler 1
7 mit einer negativen Spannung versorgt werden.
-
Dazu dient die Schaltung mit dem invertierenden Sechsfachtreiber 24.
Mit ihm wird in einer Oszillatorschaltung 27 eine Wechselspannung erzeugt, die durch
eine Villard-Schaltung 36 negativ gleichgerichtet und verdoppelt wird.
-
Mit der Z-Diode 25 und dem parallel dazu angeordneten verstimmbaren
Spannungsteiler 26 wird die für den AD-Wandler 17 notwendige Referenzssannung erzeugt.
-
ZEICHNUNGS-LEGENDE 1 Gehäuse 2 LCD-Anzeige 3a,b, Schlauchstutzen 4
Ladekontakt 5 Elektronikplatine 6 Elektronikplatine 7 Druckaufnehmer 8 Energieblock
9 Verstärker 10 Z-Diode 11 Verstärker 12 Transistor 13 Steckverbindung 14 Kondensator
15 Transistor 16 Verstärker 17 AD-Wandler 18 Kondensator 19 Kondensator 20 Widerstände
21 Spannungsteiler 22 Leitung 23 Leitung 24 invertierender Sechsfachtreiber 25 Z-Diode
26 verstimmbarer Spannungsteiler 27 Oszillator-Schaltung 28 offene Druckkammer 29
Silizium-Chip 30 Gehäuse 31 Kammer 32 Kammer 33 Anschluß 34 Anschluß 35 Anschluß
36 Villard-Schaltung 37 Spannungsteiler 38 Trimmer
- Leerseite
-