DE3705901C2 - Druckmeßwandler - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Druckmeßwandler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Ein derartiger Druckmeßwandler ist beispielsweise aus der euro­ päischen Patentschrift 0 033 749 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-A2-0 195 985) oder einer in die Siliziummembran integrierten Ringoszillatorschaltung (EP-A2-0 040 795) 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 Auswirkung weitgehend zu reduzieren. Derartige Fehlfunk­ tionen können durch den Aufnehmer selbst, beispielsweise durch eine Veränderung seiner Empfindlichkeit und seines Nullpunkts, verursacht sein. Eine wichtige Fehlerquelle kann jedoch in der Ankopplung des Aufnehmers an die physi­ kalische Meßgröße liegen. Eine Überwachung auf Kehlfunk­ tionen der gesamten Meßkette, die den Aufnehmer und die nachgeordneten Signalverarbeitungssysteme beinhaltet, ist dabei um so vorteilhafter, je näher sie am Eingang der Meßkette eingreift.

Mit den bekannten Druckmeßwandlern ist eine derartige Selbstüberwachung jedoch nicht möglich. Eine Fehlfunktion dieser Druckmeßwandler kann nur dadurch erkannt werden, daß der Meßwandler von der zu messenden physikalischen Größe ab gekoppelt und einer separaten Kalibrierung unter­ zogen wird. Während dieses Kalibriervorganges steht er somit für den eigentlichen Meßprozeß nicht mehr zur Ver­ fügung.

Aus DE-C-31 48 403 ist ein Druckmeßwandler bekannt mit einer in einem Gehäuse angeordneten Meßmembran, einer elektrischen Meßanordnung, die die Auslenkung der Meß­ membran in ein elektrisches Signal umwandelt, einer Druck­ kammer, die an einer Flachseite der Meßmembran grenzt, und einer Referenzkammer, die an die andere Flachseite der Meßmembran grenzt und ein fluides Medium enthält. Eine Selbstüberwachung ist bei diesem bekannten Druckmeßwandler nicht vorgesehen.

Aus DT-A-27 22 560 ist ein Druckmeßwandler bekannt, bei dem ein zu messender Gasdruck in einem kleinen Teilvolumen durch Anlegen einer Wechselspannung an ein Piezoelement moduliert wird und die so erzeugten Druckschwankungen in dem Teilvolumen in elektrische Signale umgewandelt werden, die dem zu messenden Gasdruck proportional sind. Dieser bekannte Druckmeßwandler enthält keine Meßmembran und weist auch keine Selbstüberwachungsfunktion auf.

Aus US-A-3,264,861 ist eine Eichvorrichtung zum Eichen eines über einen Adapter anschließbaren Druckmeßwandlers bekannt mit einem piezoelektrischen Antriebselement zum Modulieren des Drucks in einer Referenzkammer des Druck­ meßwandlers über den Adapter.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Druck­ meßwandler anzugeben, der eine Selbstüberwachung auf Kehl­ funktionen während seines Betriebs ohne Unterbrechung des Meßprozesses ermöglicht.

Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Das Piezoelement dient als elektrisch steuerbarer Aktor und die mittels an das Piezo­ element angelegter elektrischer Spannungen verursachten Volumenänderungen des Piezoelementes bewirken eine Modu­ lation des im fluiden Medium herrschenden hydrostatischen Druckes. Diese Druckänderung wird durch das fluide Medium an die dem Piezoelement 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 0 040 795 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

• a) einer in einem Gehäuse (42) angeordneten Meßmembran (40),
• b) einer elektrischen Meßanordnung, die die Auslenkung der Meßmembran (40) in ein elektrisches Signal umwandelt,
• c) einer Druckkammer (46), die an eine Flachseite der Meß­ membran (40) grenzt,
• d) einer Referenzkammer (48), die an die andere Flachseite der Meßmembran (40) grenzt und ein fluides Medium (62) enthält,

dadurch gekennzeichnet, daß

• e) in der Referenzkammer (48) ein mit elektrischen An­ schlüssen (56) versehenes, der Selbstüberwachung dienendes Piezoelement (54) als elek­ trisch steuerbarer Aktor zur Modulation des im fluiden Medium (62) herrschenden hydrostatischen Drucks ange­ ordnet ist.

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.