DE3705901A1 - Druckmesswandler - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Druckmeßwandler gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Ein derartiger Druckmeßwandler ist beispielsweise aus der euro
päischen Patentschrift 00 33 749 bekannt. Dort ist eine Druck
meßzelle offenbart, die in einem zylindrischen Gehäuse eine
Meßmembran aus Silizium enthält, deren Auslenkung als Maß für
eine an den Stirnflächen der Membran wirkende Druckdifferenz
dient. Die Membran teilt den Innenraum des Gehäuses in zwei
voneinander gasdicht getrennte Kammern. Die Kammern sind
jeweils mit Zuleitungsrohren versehen, die den zu messenden
Druck vom Meßort in die Kammern weiterleiten. Die Auslenkung
der Membran wird über die Widerstandsänderung von piezoresi
stiven Widerstandselementen gemessen, die beispielsweise in die
Siliziummembran eindiffundiert sind. Das zur Widerstandsände
rung korrespondierende elektrische Signal wird mittels gas
dichter elektrischer Durchführungen aus dem Gehäuse der Meß
zelle herausgeführt.
Die Umwandlung der Auslenkung der Membran in ein elektrisches
Signal kann beispielsweise auch mittels einer kapazitiven Meß
anordnung (EP-A2-01 95 985) oder einer in die Siliziummembran
integrierten Ringoszillatorschaltung (EP-A2-00 40 795) erfol
gen.
In der modernen Meß- und Automatisierungstechnik entsteht da
bei ein zunehmender Bedarf an Aufnehmern und nachgeschalteten
Signalverarbeitungssystemen, die in der Lage sind auftretende
Fehlfunktionen des Aufnehmers selbst zu erkennen und deren Aus
wirkung weitgehend zu reduzieren. Derartige Fehlfunktionen
können durch den Aufnehmer selbst, beispielsweise durch eine
Veränderung seiner Empfindlichkeit und seines Nullpunkts, ver
ursacht sein. Eine wichtige Fehlerquelle kann jedoch in der An
kopplung des Aufnehmers an die physikalische Meßgröße liegen.
Eine Überwachung auf Fehlfunktionen der gesamten Meßkette, die
den Aufnehmer und die nachgeordneten Signalverarbeitungssysteme
beinhaltet, ist dabei um so vorteilhafter, je näher sie am Ein
gang der Meßkette eingreift.
Mit den bekannten Druckmeßwandlern ist eine derartige Selbst
überwachung jedoch nicht möglich. Eine Fehlfunktion dieser
Druckmeßwandler kann nur dadurch erkannt werden, daß der Meß
wandler von der zu messenden physikalischen Größe abgekoppelt
und einer separaten Kalibrierung unterzogen wird. Während
dieses Kalibriervorganges steht er somit für den eigentlichen
Meßprozeß nicht mehr zur Verfügung.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Druckmeß
wandler anzugeben, der eine Selbstüberwachung auf Fehl
funktionen während seines Betriebs ohne Unterbrechung des Meß
prozesses ermöglicht.
Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den kenn
zeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Das Piezoelement dient
als elektrisch steuerbarer Aktor und die mittels an das
Piezoelement angelegter elektrischer Spannungen verursachten
Volumänderungen des Piezoelementes bewirken eine Modulation des
im fluiden Medium herrschenden hydrostatischen Druckes. Diese
Druckänderung wird durch das fluide Medium an die dem Piezo
element zugewandte Flachseite der Membran übertragen. Bei
bekannter Amplitude der Druckmodulation kann beispielsweise aus
der Amplitude der entsprechenden Modulation des Ausgangssignals
direkt auf die Empfindlichkeit des Druckmeßwandlers geschlossen
werden. Eine Abkopplung vom eigentlichen Meßprozeß ist nicht
erforderlich und Fehlfunktionen können während des normalen Be
triebes erkannt werden. Steht bei einem Druckmeßwandler mit
einem linearen Kennlinienverlauf beispielsweise die Informa
tion über eine eventuelle Nullpunktdrift durch Meßwerte aus
systembedingten Meßpausen zur Verfügung, so kann mittels einer
vorgegebenen Druckmodulation der gesamte Kennlinienverlauf des
Druckmeßwandlers ermittelt werden. In diesem Fall können auf
tretende Fehler nicht nur während des Betriebes erkannt, son
dern auch rechnerisch eliminiert werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Druckmeßwandlers ist
eine Meßmembran aus Silizium vorgesehen, die auf einfache Weise
eine Umwandlung der Auslenkung der Membran in ein elektrisches
Signal gestattet.
Als Piezoelement ist in einer bevorzugten Ausführungsform ein
keramisches Piezoelement mit hoher Blockierkraft vorgesehen.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung
verwiesen, in deren einziger Figur ein Druckmeßwandler gemäß
der Erfindung im Schnitt schematisch dargestellt ist.
Gemäß Fig. 1 befindet sich in einem Gehäuse 42 eines Druck
meßwandlers eine Meßmembran 40, die einen hohlen Innenraum 44
des Gehäuses 42 in eine Druckkammer 46 und eine Referenzkammer
48 unterteilt. Die Druckkammer 46 und die Referenzkammer 48
sind gegeneinander dicht verschlossen und jeweils mit einem
Druckkanal 47 bzw. 49 versehen, der mit dem Meßmedium bei
spielsweise indirekt über eine in der Figur nicht dargestellte
Vorlegemembran verbunden ist. Die Druckkammer 46 und die
Referenzkammer 48 sowie die zugehörigen Druckkanäle 47 bzw. 49
sind bis zur Vorlegemembran mit einem wenigstens annähernd
inkompressiblen fluiden Medium 62, beispielsweise mit Silikon
öl, gefüllt. Die Meßmembran 40 besteht vorzugsweise aus
Silizium und ist beispielsweise mit einer piezoelektrischen
Widerstandsbrücke versehen, die über die elektrischen An
schlüsse 52 mit Spannung bzw. Strom versorgt wird. In einer
bevorzugten Ausführungsform eines Druckmeßwandlers mit digi
talem Ausgangssignal ist in die Silizium-Membran 40 ein Ring
oszillator aus MIS-FETs entsprechend der in der europäischen
Offenlegungsschrift 00 40 795 offenbarten Anordnung integriert.
In der Referenzkammer 48 befindet sich gegenüber der Membran 40
ein Piezoelement 54, das mit elektrischen Anschlüssen 56 ver
sehen ist. Die elektrischen Anschlüsse 52 und 56 sind aus der
Druckkammer 46 bzw. aus der Referenzkammer 48 gasdicht mittels
elektrischer Durchführungen 48 bzw. 60 herausgeführt. Das
Piezoelement 54 besteht vorzugsweise aus einer Piezokeramik.
Ein derartiges Piezoelement 54 mit einer Fläche von beispiels
weise etwa 10 mm2 und einer Dicke von etwa 1 mm liefert bei
einer Anregespannung von beispielsweise etwa 100 V bei hydro
statischer Belastung eine Blockierkraft von etwa 30 N. Die
entsprechende Druckerhöhung in der Referenzkammer beträgt dann
etwa 3×106 Pa. Diese hydrostatische Druckerhöhung in der
Referenzkammer 48 wird sich dann einstellen, wenn man für
schnelle Modulationsvorgänge den Druckausgleich über die an den
Druckkanal 49 anschließende Vorlegemembran vernachlässigen
kann. Beim Ausführungsbeispiel gemäß der Figur handelt es sich
um einen Differenzdruck-Meßwandler. Bei einer Ausführungsform
als Absolutdruck-Meßwandler ist beispielsweise die Druckkammer
46 allseitig verschlossen und evakuiert.
Claims (4)
1. Druckmeßwandler mit einer in einem Gehäuse (42) angeordneten
Meßmembran (40), mit
- a) einer elektrischen Meßanordnung, die die Auslenkung der Meßmembran (40) in ein elektrisches Signal umwandelt,
- b) einer Druckkammer (46), die an eine Flachseite der Meß membran (40) grenzt,
- c) einer Referenzkammer (48), die an die andere Flachseite der Meßmembran (40) grenzt,
gekennzeichnet
durch folgende Merkmale:
- d) Die Referenzkammer (48) enthält ein fluides Medium (62),
- f) in der Referenzkammer (48) ist als Aktor ein mit elektrischen Anschlüssen (56) versehenes Piezoelement (54) angeordnet.
2. Druckmeßwandler nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß eine Meßmembran (40) aus
Silizium vorgesehen ist.
3. Druckmeßwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß ein keramisches Piezo
element (54) vorgesehen ist.
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