DE3512794C2 - - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Messung von Über-, Unter- und Differenzdrücken, wobei der Druck von einem piezoresistiven Druckaufnehmer erfaßt wird, dessen Ausgangssignal von einer digitalen Anzeige ange­ zeigt wird, wobei ferner die gesamte Schaltung und die Stromversorgung in einem Gehäuse untergebracht sind.

Eine derartige Vorrichtung ist aus dem Prospekt KMK Sensor­ technik, Penzberg, LD 5 01 083, "KMK Sensor-System" bereits bekannt. Nachteilig bei dieser Vorrichtung ist es, daß der Sensor zur Messung von Differenzdrücken im Bergbau bei der Erfassung von Über- oder Unterdrücken in Leitungen und Kanälen gegenüber dem Luftdruck der Umgebung wenig geeignet ist. Nachteilig ist es weiterhin, daß wegen der Stromführung und Spannungserzeugung innerhalb des Gehäuses ein Einsatz der bekannten Vorrichtung in schlagwetter- oder explosions­ gefährdeten Bereichen nicht ausreichend gesichert erscheint.

Aus dem Prospekt Delta Regelungstechnik GmbH München "Drucksensoren mit piezoresistiver Vollbrücke", 9/83, ist es weiterhin bekannt, den Druckaufnehmer besonders abdich­ tend vorzusehen in Verbindung mit einer elektrisch siche­ ren Wheatstrone'schen Vollbrücke. Hieraus ist aber nicht ersichtlich, wie ausgehend von einer Stromversorgung die weitere Spannungserzeugung für die Schaltelemente der Vor­ richtung eigensicher, d. h. für einen Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen ausgeführt werden könnte.

Aus der Schrift Dr. K. Repetzki, Feinwerktechnik im Stein­ kohlenbergbau, Verlag Glückauf GmbH, Essen, 1962, Seite 39-50, sind zwar Maßnahmen bekannt, um auf die Eigensicher­ heit von elektrischen Geräten abzuzielen, jedoch sind dort keine Hinweise erkennbar, wie aus Gründen der Sicherheit Versorgungsspannungen für spezielle Schaltelemente aus der positiven Stromversorgung erzeugt werden könnten.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Messung von Über-, Unter- und Differenzdrücken der eingangs genann­ ten Art so weiterzubilden, daß die Vorrichtung insbesondere in bezug auf die elektrische Ausführung in eigensicherer Anordnung auch im Bergbau in insbesondere explosionsge­ fährdeten Bereichen eingesetzt werden kann.

Zur Lösung der Aufgabe sieht die Erfindung die kennzeich­ nenden Merkmale des Patentanspruches 1 vor.

Das Wesentliche der vorliegenden Erfindung ist es, daß in einem leicht tragbaren und leicht handhabbaren kleinen Meßgerät alle Vorkehrungen in bezug auf explosionsgefähr­ dete Bereiche getroffen sind. So sind sowohl von der mechanischen Seite her in Hinsicht auf die sichere Druck­ zuführung als auch von der elektrischen Seite her in bezug auf die Stromversorgung und die weitere Spannungserzeugung für spezielle Schaltelemente Vorkehrungen getroffen, um Druckmessungen mit der eigensicher gestalteten Geräte­ anordnung auch in explosionsgefährdeten Bereichen durch­ führen zu können.

Die Erfindung sieht die elektrische Erfassung der im Berg­ bau vorkommenden Drücke und deren digitale Anzeige an einem entsprechenden Anzeigefeld eines leicht tragbaren und leicht handhabbaren kleinen Meßgerätes vor.

Damit ergibt sich ein wesentlich erweiterter Anwendungs­ bereich 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, Gas­ absaug-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 Ver­ dichtern beim Feststellen des Betriebspunktes.

Ein weiterer wesentlicher Einsatzbereich der Erfindung ist auch die Druckmessung an Wettertüren.

Das eigensichere, elektronische Mikro-Manometer nach der vorliegenden Erfindung ermöglicht die Messung positiver und negativer Drücke, sowie Druck-Differenzen in schlag­ wetter- und explosionsgefährdeten Bereichen.

Das Mikro-Manometer umfaßt den Meßbereich von 0 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 Anwendungsgebiete sind Klima- und Lüftungstechnik, Chemie- und Verfahrenstechnik.

Im gewünschten Druckbereich ergibt sich eine hohe Auflösung und eine lineare, brummfreie Ausgangsspannung, die dem Differenz- oder Relativdruck proportional ist. Mit dem erfindungsgemäßen Aufbau wird eine gute Reproduzierbarkeit der Meßergebnisse, eine geringe Hysterese und eine hohe Langzeit-Stabilität erreicht.

Unter Druckeinwirkung biegt sich die Druckmembran durch. Dabei ändern sich die zu einer Vollbrücke geschalteten Widerstände und rufen eine druckproportionale, genau vorherbestimmbare Ausgangsspannung hervor.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg darstellende Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 Draufsicht auf das Gehäuse des Mikro-Manometers,

Fig. 2 Seitenansicht des Gehäuses mit angedeuteten Einbauteilen,

Fig. 3 Prinzip-Aufbau des Drucksensors,

Fig. 4 interne elektrische Schaltung des Drucksensors,

Fig. 5 Stromlaufplan der gesamten Meßschaltung.

An der Oberseite eines vorzugsweise aus einem leitfähigen Kunststoffmaterial bestehenden Gehäuses 1 ist eine LCD- Anzeige 2 eingebaut. An der einen Stirnseite des Gehäuses 1 sind zwei Schlauchstützen 3 a, 3 b angebaut, die intern über entsprechende Schläuche und Schlauchverbinder mit den Druckanschlüssen des Drucksensors gemäß Fig. 3 verbunden sind.

Aus Fig. 2 ergibt sich, daß das Gehäuse 1 in zwei Kammern geteilt ist, wobei in der unteren Kammer oder Energieblock 8 bestehend aus beispielsweise acht Ni-Cd-Zellen eingebaut ist. Entsprechend dem Schaltbild in Fig. 5 sind den Zellen zwei Widerstände und eine Sicherung zur Strombe­ grenzung zugeordnet, damit der Energieblock 8 den Anforde­ rungen der Eigensicherheit entspricht. Über die beiden Dioden (Fig. 5) ist die Stromversorgung mit den Lade­ kontakten 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 Fig. 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 Differenz­ druckaufnehmer werden die zu messenden Drücke beiden Schlauchanschlüssen 3 a, 3 b zugeführt. In der Beschaltung als Über- oder Unterdruckaufnehmer ist der Anschluß 3 b dem Umgebungsdruck ausgesetzt, während der Meßdruck über den Schlauchanschluß 3 a einwirkt. Die in Fig. 4 gezeigte elektrische Schaltung ist in dem aus einem Thermoplast- Material bestehenden Gehäuse 30 eingebaut. An dem Schlauch­ anschluß 3 b dürfen nur relativ saubere Gase, wie Luft oder Freon-Gas angeschlossen werden, während am Schlauch­ anschluß 3 a 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 Druck­ einwirkung biegt sich die Membran durch. Dabei ändern sich die zu der Vollbrücke geschalteten Widerstände und rufen eine druckproportionale Ausgangsspannung hervor. Gemäß Fig. 4 ist im Gehäuse 30 eine Temperatur-Kompen­ sationsschaltung eingebaut, ebenso wie eine Nullpunkt- und Meßbereichsabgleichschaltung. Der vorgesehene Druck­ sensor 7 muß daher nicht mehr nachträglich abgeglichen oder nachgeeicht werden.

Die Anschlüsse 33, 34, 35 gemäß Fig. 4 sind in Fig. 5 in ihrer Einbaulage dargestellt.

Zunächst wird bei der Elektronik-Platine 6 der Schaltung nach Fig. 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 Versorgungs­ spannung 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 durch­ geschaltet. Über die Steckverbindung 13 Pin 4, 7 und 8 werden dann die drei Kommastellen der LCD-Anzeige 2 angesteuert, die optisch eine zu geringe Versorgungs­ spannung signalisieren. Zur Vorwarnung blinken die Komma­ stellen 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 des Kommas benötigt.

Als Meßverstärker für den Drucksensor 7 dient der Ver­ stärker 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 Ein­ gang des AD-Wandlers 17 zugeführt. Der Meßwert wird so eingestellt, daß 200 mV einem Meßwert von 2000 Pa ent­ sprechen.

Im folgenden werden Besonderheiten der Beschaltung des AD-Wandlers 17 erläutert:

Um auch negative Meßwerte anzeigen zu können, muß der AD- Wandler 17 mit einer negativen Spannung versorgt werden. Dazu dient die Schaltung mit dem invertierenden Sechs­ fachtreiber 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 Referenzspannung erzeugt.

Claims (1)

1. Vorrichtung zur Messung von Über-, Unter- und Differenz­ drücken, wobei der Druck von einem piezoresistiven Druck­ aufnehmer erfaßt wird, dessen Ausgangssignal von einer digitalen Anzeige angezeigt wird, wobei ferner die gesamte Schaltung und die Stromversorgung in einem Gehäuse unter­ gebracht sind, dadurch gekennzeich­ net, daß der Druckaufnehmer (7) aus einem abdichtend in einem weiteren Gehäuse (30) angeordneten Silizium-Chip (29) besteht, welcher zwei Kammern (31, 32) abteilt, von denen jede über einen Schlauchstutzen (3 a, 3 b) mit dem Meßdruck verbunden ist, daß auf dem Silizium-Chip (29) eine eingeätzte Druckmembran mit darauf angeordneten, elektrischen Widerständen angeordnet ist, die zu einer Wheatstone'schen Vollbrücke geschaltet sind, und daß ein der digitalen Anzeige (2) vorgeschalteter AD-Wandler mit einer negativen Spannung versorgt wird, zu deren Erzeugung Sechsfachtreiber (24) zugeführt wird, der eine Oszillator­ schaltung (27) ansteuert, deren Ausgangs-Wechselspannung durch eine Villard-Schaltung (36) negativ gleichgerichtet und verdoppelt wird.