DE60125018T2 - Optischer druckaufnehmer - Google Patents

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R. Charles Eden Prairie WILLCOX
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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft Drucksensoren. Genauer gesagt betrifft die Erfindung Drucksensoren, die unter Verwendung optischer Verfahren eine Durchbiegung messen.
  • Drucksensoren werden zur Messung von Drücken verschiedenster Medien verwendet und haben eine breite Spanne von Verwendungszwecken in Industrie-, kommerziellen und Verbraucheranwendungen. Bei der industriellen Prozessteuerung kann ein Drucksensor beispielsweise verwendet werden, um den Druck einer Prozessflüssigkeit zu messen. Die Druckmessung kann dann als eine Eingabe für eine Formel verwendet werden, die eine Angabe einer weiteren Prozessvariablen, wie einen Flüssigkeitsstand oder eine Flussrate, bereitstellt.
  • Es gibt eine Anzahl von unterschiedlichen Techniken, die zur Messung von Druck verwendet werden. Eine Grundtechnik umfasst die Verwendung einer wölbbaren Membran. In einem solchen Drucksensor wird Druck entweder direkt oder durch ein isolierendes Medium auf die Membran aufgebracht, und dann wird die Wölbung der Membran gemessen. Es können zahlreiche Techniken zum Messen der Wölbung verwendet werden. Beispielsweise kann ein auf der Membran befestigter Dehnmessstreifen eine Angabe der Wölbung bereitstellen. In einer weiteren Technik bewirkt die Wölbung eine Veränderung der Betriebskapazität, die gemessen und mit dem angewendeten Druck korreliert werden kann. Vorzugsweise sind Drucksensoren in der Lage, eine lange Betriebsdauer zu haben, eine hohe Genauigkeit zu bieten und extremen Umgebungsbedingungen, der Aussetzung von ätzenden Flüssigkeiten, Schwingungen, Stößen und anderen potentiell schädigenden Einwirkungen zu widerstehen.
  • Üblicherweise benötigen die zur Messung der Wölbung verwendeten Techniken einen elektrischen Kontakt mit den elektrischen Komponenten, die von dem Drucksensor getragen werden. Dieser Kontakt kann schwierig zu erreichen und eine Fehlerquelle sein. Zusätzlich können sowohl die zusätzliche Verarbeitung als auch die elektrischen Komponenten selbst eine Quelle von Fehlern in der Druckmessung sein.
  • In der US 4,260,883 , US 4,594,504 und WO 99/66299 sind Sensoren beschrieben, die optische Vorrichtungen zur Messung der Wölbung einer Membran verwenden. All diese Vorrichtungen haben jedoch den Nachteil, dass es für sie notwendig ist, dass eine optische Faser in einen ansonsten versiegelten Hohlraum hinter der Membran geführt wird. Somit ist die Intaktheit des versiegelten Hohlraums gefährdet.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung stellt einen Drucksensor nach Anspruch 1 bereit.
  • In einem Aspekt stellt die vorliegende Erfindung einen Drucksensor bereit, der keinen elektrischen Kontakt mit der Membran des Sensors oder des umgebenden Werkstoffs benötigt.
  • Der Drucksensor ist so konfiguriert, dass er einen angewendeten Druck erfasst. Eine Membranunterstützungsstruktur ist mit gegenüberliegenden Membranen gekoppelt, die sich ansprechend auf einen angewendeten Druck wölben. Ein bewegliches Bauteil ist zwischen die Membrane gekoppelt und bewegt sich ansprechend auf die Wölbung der Membrane. Ein optisches Interferenzelement bewegt sich mit dem beweglichen Bauteil und ist so konfiguriert, dass es mit einfallendem Licht interferiert. Die Interferenz ist eine Funktion der Position des beweglichen Bauteils. In dieser Konfiguration ist ein Drucksensor weniger anfällig dafür, Schaden zu nehmen, wenn er hohen Drücken ausgesetzt wird.
  • Die vorliegende Erfindung stellt außerdem einen Prozesmesswertgeber bereit, der einen Drucksensor gemäß der Erfindung aufweist.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine Seitenquerschnittsdarstellung des Drucksensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 2 ist eine Draufsicht auf eine Schicht in dem Drucksensor von 1;
  • 3 ist eine Draufsicht auf eine weitere Schicht in dem Drucksensor von 1;
  • 4 ist ein vereinfachtes elektrisches Schemadiagramm eines Druckmesswertgebers, welcher den Drucksensor von 1 verwendet;
  • 5 ist eine Querschnittsdarstellung eines Druckmesswertgebers einschließlich des Drucksensors von 1.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • In 1 ist bei 10 ein Drucksensor dargestellt, welcher eine optische Erfassung verwendet. Üblicherweise umfasst der Drucksensor 10 eine Membranunterstützungsstruktur 12 mit einer Bohrung 14. Die Isolationsmembrane 16A und 16B sind auf gegenüberliegenden Seiten der Membranunterstützungsstruktur 12 ange bracht, wobei in der dargestellten Ausführungsform die Abschnitte 18A und 18B aneinander befestigt sind, um ein starres Kopplungsbauteil 20 zu bilden, welches sich in die Bohrung 14 hinein erstreckt. Des weiteren sind die Isolationsmembrane 16A und 16B an der Membranunterstützungsstruktur 12 auf äußeren Peripherien oder Rändern 22A und 22B befestigt, um entsprechende ringförmige Hohlräume 24A und 24B zu bilden, die sich zur Achse 15 der Bohrung 14 hin öffnen. Die ringförmigen Hohlräume 24A und 24B stellen einen Raum zwischen gegenüberliegenden Flächen von jeder der Isolationsmembrane 16A und 16B und der Membranunterstützungsstruktur 12 bereit. Dadurch wird wiederum ermöglicht, dass sich die Isolationsmembrane 16A und 16B relativ zur Membranunterstützungsstruktur 12, ansprechend auf einen Unterschied beim Druck P1 und P2, wölben, während ein inhärenter Membranüberlastungsschutz bereitgestellt wird. Das durch die Abschnitte 18A und 18B gebildete starre Kopplungsbauteil 20 koppelt die Isolationsmembrane 16A und 16B zusammen und ersetzt eine nicht komprimierbare Flüssigkeit, die in Differenzdrucksensoren üblicherweise verwendet wird.
  • Die Membranunterstützungsstruktur 12 und die Isolationsmembrane 16A und 16B begrenzen einen Hohlraum 26, der Bohrung 14 und die ringförmigen Hohlräume 24A und 24B aufweist, die vollständig von der äußeren Umgebung isoliert und abgedichtet sein können. Der Innenraum des Hohlraums 26 kann luftleer oder mit einem Edelgas befüllt sein. Der Hohlraum muss jedoch nicht luftleer sein und kann bei Messdruck belassen werden. Da der Hohlraum 26 im Wesentlichen isoliert ist, werden Veränderungen der Umgebungsbedingungen eine geringere Auswirkung auf die Erfassungsbauteile haben, die zur Messung der Verschiebung der Isolationsmembrane 16A und 16B relativ zur Membranunterstützungsstruktur 12 innerhalb des Hohlraums 26 befestigt sind. Des Weiteren können Staubpartikel nicht auf einfache Art und Weise in den Hohlraum 26 gelangen.
  • Bei der vorliegenden Erfindung wird die Wölbung der Membrane 16A, 16B unter Verwendung einer optischen Technik erfasst. In dem in 1 dargestellten Beispiel empfängt ein optischer Empfänger 30 Licht von einer optischen Quelle 32. Die Quelle 32 und der Empfänger 30 sind auf gegenüberliegenden Seiten des Sensors 10 angeordnet. Die Bewegung der Membrane 16A und 16B kann eine Verzerrung des übertragengen Lichts bewirken. Ein optisches Bauteil 34, beispielsweise ein Beugungsgitter, kann mit den Membranen 16A und 16B am Kopplungsbauteil 20 gekoppelt werden, um die Verzerrung und Ablenkung des zwischen der Quelle 32 und dem Empfänger 30 fließenden Lichts zu verstärken. In einer Ausführungsform wird das Licht vom Sensor 10 reflektiert, und die Quelle 32 und der Empfänger 30 sind dementsprechend angeordnet.
  • Vorzugsweise bestehen mindestens die Isolationsmembrane 16A und 16B aus einem chemikalienbeständigen Werkstoff, der sich nicht zersetzt, damit die Isolationsmembrane 16A und 16B die zu messenden Prozessflüssigkeiten direkt aufnehmen können. Die Isolationsmembrane 16A und 16B können beispielsweise aus einem Einkristallkorund, beispielsweise aus einem Chrom aufweisenden "Saphir" oder "Rubin" bestehen. Der Werkstoff ist im Wesentlichen transparent, so dass der Sensor 10 Licht von der Quelle 32 weiterleiten kann. Die Membranunterstützungsstruktur kann auch aus demselben Werkstoff wie die Isolationsmembrane 16A und 16B bestehen, und kann bei einer Temperatur unter dem Schmelzpunkt des zur Bildung dieser Komponenten verwendeten Werkstoffs mit den Isolationsmembranen 16A und 16B an den Rändern 22A und 22B direkt schmelzverbunden werden. Wenn Kristallwerkstoffe wie beispielsweise Saphir verwendet werden, verhält sich die resultierende Struktur des Drucksensors 10 elastisch ohne Hysterese. Da die Membranunterstützungsstruktur 12 und die Isolationsmembrane 16A und 16B aus demselben Werkstoff gebildet werden, wird des Weiteren die durch unterschiedliche Ausmaße der Wärmeausdehnung verursachte Spannungen verringert. Andere geeignete Werkstoffe umfassen Spinell, Zirkonoxid und Silizium. Wenn ein Werkstoff wie Silizium verwendet wird, kann ein Oxid oder ein anderer Isolator notwendig sein.
  • In einer Ausführungsform wird direktes Verbinden der Ränder 22A und 22B mit den entsprechenden Isolationsmembranen 16A und 16B angewendet, für das es üblicherweise notwendig ist, dass jede der Verbindungsflächen atomar, d.h. im Nanobereich, glatt ist. Ein alternatives Verfahren zur Befestigung umfasst die Ablagerung eines Glases oder geeigneten metallischen Lötmittels (vorzugsweise mit einem ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie die Membranunterstützungsstruktur 12 und die Isolationsmembrane 16A und 16B) auf den Rändern 22A und 22B und/oder den gegenüberliegenden Flächen der Isolationsmembrane 16A und 16B. Durch die Einwirkung von Wärme und Druck, wie beispielsweise in einer luftleeren Presse, wird eine Abdichtung zwischen den Rändern 22A und 22B und den entsprechenden Isolationsmembranen 16A und 16B gebildet. Da die Abdichtung eine Verbindungsschicht zwischen den Rändern 22A und 22B und den Isolationsmembranen 16A und 16B darstellt, sind atomar glatte Flächen nicht notwendig.
  • In der dargestellten Ausführungsform umfasst die Membranunterstützungsstruktur 12 die im Wesentlichen identischen Basisbauteile 40A und 40B, die auf den Planarflächen 42A bzw. 42B zusammengefügt sind. Jedes Basisbauteil 40A und 40B weist eine Öffnung 44A bzw. 44B auf, die zur Bildung der Bohrung 14 fluchtend miteinander verbunden sind. Die ringförmigen Hohlräume 24A und 24B werden gebildet, indem vertiefte Flächen 46A und 46B auf den Basisbauteilen 40A und 40B unterhalb der äußeren Peripherien 22A und 22B und ungefähr bei den Öffnungen 44A und 44B bereitgestellt werden.
  • Die 2 und 3 stellen Draufsichten des Basisbauteils 40A bzw. der Isolationsmembran 16A dar. Die Basisbauteile 40A und 40B sind identisch, genauso wie die Isolationsmembran 16A und die Isolationsmembran 16B. Auf diese Weise müssen nur zwei einzigartige Komponenten (d.h. die Isolationsmembrane 16A und 16B und die Basisbauteile 40A und 40B) hergestellt und zur Bildung des Drucksensors 10 angeordnet werden. Die Bauteile 40A und 40B können außerdem fest eingebaute Komponenten sein, die ein einzelnes Bauteil bilden. In diesem Fall sind keine Flächenverbin dungen 42A und 42B notwendig. Wie Fachleute in der Technik klar erkennen können, können die Basisbauteile 40A und 40B, wenn dies notwendig ist, einfache Blöcke eines Werkstoffs sein, während die Isolationsmembrane 16A und 16B zur Bildung der ringförmigen Hohlräume 24A und 24B entsprechende Ränder aufweisen.
  • Wenn der Drucksensor 10 aus Saphir oder anderen ähnlichen Kristallwerkstoffen besteht, umfasst ein geeignetes Verfahren zur Herstellung zuerst die Feinstbearbeitung der Isolationsmembrane 16A und 16B sowie der Basisbauteile 40A und 40B (oder der Membranunterstützungsstruktur 12, wenn die Basisbauteile 40A und 40B fest eingebaut zusammengefügt sind). Geeignete Techniken zur Feinstbearbeitung umfassen das Ätzen mit nassen oder trockenen Werkstoffen sowie Verfahren zum Ionen- oder Ultraschallfräsen. Das Gitter 34 kann unter Verwendung jeder geeigneten Technik direkt auf dem Bauteil 20 hergestellt, darauf befestigt oder aufgebracht werden.
  • Der Drucksensor 10 kann dann zusammengesetzt werden, indem zuerst die Isolationsmembran 16A auf dem Basisbauteil 40A, und dann die Isolationsmembran 16B auf dem Basisbauteil 40B befestigt wird. Die Basisbauteile 40A und 40B können dann entlang der Flächen 42A und 42B befestigt werden, die durch Befestigung des Abschnitts 18A an dem Abschnitt 18B außerdem das Kopplungsbauteil 20 bilden würden. Die Verwendung separater Basisbauteile 40A und 40B, die später zusammengefügt werden, ist besonders vorteilhaft, da jede der Komponenten, die Isolationsmembrane 16A und 16B und die Basisbauteile 40A und 40B nur auf einer ihrer Seiten bearbeitet werden müssen.
  • Man kann klar erkennen, dass, obwohl die Isolationsmembrane 16A und 16B vorzugsweise im Wesentlichen aus den oben erläuterten Gründen identisch sind, die Isolationsmembrane 16A und 16B unterschiedlich bearbeitet werden können, wenn dies erwünscht ist. Die Abschnitte 18A und 18B können beispielsweise unterschiedlich lang sein, so dass sich einer der Abschnitte 18A und 18B weiter in die Bohrung 14 hinein oder aus der Bohrung 14 heraus erstreckt.
  • Die Quelle 32 ist als eine optische Faser dargestellt, aber es kann jede beliebige Art von optischer Quelle einschließlich einer lichtemittierenden Diode, einer Laserdiode usw. verwendet werden. Die Quelle 32 kann außerdem in der Nähe des Bauteils 20 angeordnet werden.
  • Ein optischer Kanal kann sich beispielsweise zwischen den Flächen 42A und 42B zu einer Stelle nahe Bauteil 20 erstrecken. Gleichermaßen kann ein Empfänger 30 in der Nähe des Sensors 10 angeordnet werden, oder Licht kann, beispielsweise durch eine optische Faser, zum Empfänger 30 geleitet werden. Des Weiteren können geeignete Optiken wie Polarisatoren oder Optiken zur Bereitstellung von kohärentem Licht zwischen der Quelle und dem Drucksensor 10 angeordnet werden. Das in den Drucksensor 10 eintretende Licht kann kohärent oder nicht kohärent sein.
  • Die Bewegung des Kopplungsbauteils 20 wird basierend auf Abweichungen in dem vom Empfänger 30 empfangenen Licht festgestellt. Die erfassten Abweichungen in dem empfangenen Licht können zur Bestimmung des auf den Drucksensor 10 einwirkenden Differenzdrucks verwendet werden. Im Allgemeinen wird das Licht durch die Seite des Drucksensors 10 eintreten, d.h. das Licht wird eine Vektorkomponente haben, die senkrecht zur Wölbung des Bauteils 20 ist. Des Weiteren sollte der zur Herstellung des Sensors 10 verwendete Werkstoff zumindest teilweise lichtdurchlässig hinsichtlich des von der Quelle 32 bereitgestellten Lichts sein. Gemäß der vorliegenden Erfindung stellt das Bauteil 20 ein bewegliches Bauteil dar. Andere Konfigurationen und Ausrichtungen sind möglich, obwohl sie keinen Teil der vorliegenden Erfindung bilden. Das Bauteil 20 kann beispielsweise jede beliebige Struktur sein, die sich ansprechend auf den einwirkenden Druck bewegt. Im Allgemeinen muss das Bauteil 20 einfach nur entweder direkt von der Membran gebildet oder ansonsten mit der Membran auf eine Weise gekoppelt werden, dass sich das Bauteil 20 ansprechend auf die Wölbung der Membran bewegt. Das Bauteil kann so gebildet werden, dass es fest in die Membran eingebaut ist oder dass es aus einer separaten Komponente gebildet werden kann, die durch jede beliebige passende Technik mit der Membran gekoppelt ist.
  • Ein Beugungsgitter oder ein anderes optisches Interferenzelement 34 wird von dem Bauteil 20 getragen. Die Bewegung des optischen Interferenzelements 34 bewirkt die feststellbaren Lichtabweichungen, die zur Bestimmung des Drucks verwendet werden können. In einer Ausführungsform kann Bauteil 20 oder Element 34 das Licht reflektieren. In einer solchen Ausführungsform muss der Sensor 30 nicht gegenüber der Quelle 32 angeordnet werden. Das Licht kann beispielsweise zurück zur Quelle 32 reflektiert werden, die, wenn die Quelle 32 eine optische Faser ist, Licht an einen entfernt angeordneten Lichtsensor 30 leiten kann. Die Bewegung des Bauteils kann basierend auf jedem beliebigen Phänomen, das Lichtabweichungen verursacht, erfasst werden. Diese können beispielsweise Interferenzmuster, Intensitätsabweichungen, Phasenverschiebungen, Polarisationsabweichungen usw. sein. Des Weiteren kann ein Interferenzelement 34 eine Veränderung in dem Werkstoff, beispielsweise eine Fehlstelle, innerhalb des Bauteils 20 aufweisen, die die Geschwindigkeit des durch das Bauteil 20 fließenden Lichts verändert.
  • Mehrfache optische Sensoren können verwendet werden, die mehr als einen Druck erfassen. In einer Technik wird das Licht von einer Seite des Sensors 10 in Richtung einer Membran, beispielsweise einer ein reflektierendes Element tragenden Membranfläche geleitet. Bei den Membranen 16A und 16B in 1 kann es sich beispielsweise um eine reflektierende Oberfläche handeln. In einer solchen Ausführungsform wird die Bewegung der Oberfläche eine Verschiebung des optischen Strahls bewirken. Die Membran selbst weist das bewegliche Bauteil 20 auf, und das Interferenzelement ist entweder die Membran selbst oder ein von der Membran getragenes Element. Das gewölbte Element kann ein Interferenz muster in dem reflektierten Licht bilden, das sich gemäß der Wölbung verändern wird.
  • 4 ist ein vereinfachtes schematisches Diagramm eines Prozessmesswertgebers 60, der den Drucksensor 10 verwendet. Der Sensor 10 ist in vereinfachter Form dargestellt und empfängt zwei Drücke, P1 und P2. Wie oben erläutert, bewegt sich das optische Interferenzelement 34 ansprechend auf einen Unterschied zwischen den Drücken P1 und P2. Der Messwertgeber 60 ist mit einer Zweidraht-Prozessregelschleife 62 gekoppelt dargestellt. Die nur für beispielhafte Zwecke dargestellte Schleife 62 und der Sensor 10 oder der Messwertgeber 60 können in anderen Umgebungen verwendet werden. Die Schleife 62 kann beispielsweise eine Prozessregelschleife aufweisen, die sowohl Strom als auch Informationen bezüglich der durch den Sensor gemessenen Drücke P1 und P2 überträgt. Beispielhafte Schleifen umfassen Schleifen gemäß Industriestandards wie dem HART©-Standard und dem FOUNDATION©-Feldbus-Standard. Die Schleife 62 koppelt sich an einen entfernten Standort, wie eine Steuerungsraum 64B. Der Steuerungsraum 64 ist in elektrisch schematischer Form als ein Widerstand 64A und eine Stromquelle 64B dargestellt. In einer Ausführungsform überträgt die Schleife 64A einen Strom I, der durch die E/A-Schaltungen 66 im Messwertgeber 60 gesteuert wird, um einen Bezug zu den Drücken P1 und P2 herzustellen. In einigen Konfigurationen wird der Messwertgeber 60 unter Verwendung von durch die E/A-Schaltungen 66 erzeugtem Strom betrieben, welcher vollständig von der Schleife 62 aufgenommen wird. Dieser Strom wird verwendet, um den Messwertgeber 60 vollständig zu betreiben. Ein Vorverarbeitungsschaltkreis 68 empfängt eine Ausgabe vom Empfänger 64 und stellt ansprechend darauf eine Eingabe für den Mikroprozessor 70 bereit, die einen Bezug zur Wölbung einer Membran im Sensor 10 und der resultierenden Bewegung des optischen Interferenzelements 34 hat. Der Mikroprozessor 70 arbeitet bei einer durch einen Taktgeber 72 festgelegten Taktrate und gemäß in einem Speicher 74 gespeicherten Anweisungen. Bei den Vorverarbeitungsschaltungen 68 kann es sich um jede beliebige Art von Schaltung handeln, die in der Lage ist, Abweichungen in der Ausgabe vom Empfänger aufgrund von Abweichungen in dem vom Empfänger empfangenen Licht ansprechend auf die Bewegung des optischen Interferenzelements 34 zu erfassen. Manche Erfassungstechniken können die Ausgabe von der Quelle 32 als eine Referenz verwenden. Des Weiteren kann die Quelle 32 durch den Mikroprozessor 70 gesteuert oder moduliert werden. Der Mikroprozessor 70 kann außerdem die Berechnungen durchführen, die notwendig sind, um das empfangene Signal in ein Signal umzuwandeln, das eine Membranwölbung, einen einwirkenden Druck oder fortgeschrittenere Prozessvariablen, wie Prozessflüssigkeitsdurchflussrate oder Prozessflüssigkeitspegel angibt. Das in 4 für den Messwertgeber 60 dargestellte Diagramm ist nur aus erklärenden Gründen dargestellt, und andere Ausführungsformen können von Fachleuten in der Technik implementiert werden. In Wirklichkeit müssen die zahlreichen Komponenten keine einzelnen Komponenten sein und können in Hardware, Software oder deren Kombination implementiert sein.
  • 5 ist eine Querschnittsdarstellung eines Messwertgebers 100, der einen Drucksensor 10 gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist. Der Messwertgeber 10 ist in vereinfachter Form dargestellt, um eine mögliche Konfiguration zur Kopplung eines Drucksensor 10 an eine Prozessflüssigkeit zu erklären. Der Drucksensor der vorliegenden Erfindung kann in direktem Kontakt mit der Prozessflüssigkeit verwendet werden, oder wenn er unter Verwendung geeigneter Techniken von der Prozessflüssigkeit isoliert ist. Die Erfindung kann mit jeder geeigneten Art von Drucksensorstruktur verwendet werden. Der Messwertgeber 100 weist einen Sensor 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf. Der Messwertgeber 100 weist des Weiteren ein Gehäuse 82 auf, das eine widerstandsfähige Hülle darstellt, die zum Schutz der Inhalte des Gehäuses 82 vor rauen Umgebungsbedingungen geeignet ist. Die Prozessdrücke PL und PH werden an die Membrane 84 bzw. 86 gekoppelt, und solche Drücke werden durch Röhren 90 über die Füllflüssigkeit 88 an den Sensor 10 geleitet. Wie dargestellt, sind die Vorverarbeitungsschaltungen 68 mit dem Sensor 10 gekoppelt und stellen ein Signal an die Schaltungen 80 bereit, welches den Differenzdruck angibt. Die Schaltungen 80 können jede beliebige geeignete Schaltung wie beispielsweise den Mikroprozessor 70 (in 4 dargestellt) und E/A-Schaltungen 66 (ebenfalls in 4 dargestellt) aufweisen. Die Anschlüsse 62 erstrecken sich bis hin zu einem Achsenpunkt, durch den der Messwertgeber 100 wie oben beschrieben mit einer Prozessregelschleife 62 gekoppelt ist. Die Prozessregelschleife 62 kann dem Messwertgeber 100 eine Betriebsenergie bereitstellen. Des Weiteren kann die Prozessregelschleife 62 gemäß geeigneten Prozesssteuerungsprotokollen wie beispielsweise dem HART©-Protokoll und dem FOUNDATION©-Feldbus-Protokollen arbeiten.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug auf die bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wurde, werden Fachleute in der Technik erkennen, dass einige Veränderungen hinsichtlich Ausgestaltung und Details der zuvor beschriebenen Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne sich aus dem Bereich der Erfindung zu entfernen, die durch die anliegenden Ansprüche definiert ist. Obwohl die Begriffe "optisch" und "Licht" hier verwendet wurden, sollen diese Begriffe geeignete Wellenlängen einschließlich der unsichtbaren Wellenlängen aufweisen. Des weiteren kann der Sensor zum Messen des Differenz-, Mess- oder Absolutdrucks verwendet werden.

Claims (16)

  1. Drucksensor (10), welcher zur Messung eines angelegten Drucks konfiguriert ist und Folgendes aufweist: eine Membranunterstützungsstruktur (12); erste und zweite gegenüberliegende Membranen (16A, 16B), die mit der Membranunterstützungsstruktur (12) an dessen gegenüberliegenden Seiten gekoppelt sind, um sich ansprechend auf einen angelegten Druck zu wölben, wobei beide Membranen (16A, 16B) an Außenflächen (22A, 22B) an der Membranunterstützungsstruktur (12) befestigt sind, um einen Hohlraum (26) von einer Außenumgebung zu trennen; ein bewegliches Bauteil (20), welches die Membranen (16A, 16B) miteinander koppelt, wobei sich das bewegliche Bauteil in den Hohlraum (26) erstreckt und so konfiguriert ist, dass es sich ansprechend auf eine Wölbung der Membranen (16A, 16B) bewegt; und ein optisches Interferenz-Bauelement (34), welches mit dem beweglichen Bauteil (20) gekoppelt ist; dadurch gekennzeichnet, dass die Membranunterstützungsstruktur (12) zur Übertragung von Licht durch dieses hindurch im Wesentlichen transparent ist; und dass das optische Interferenz-Bauelement (34) so konfiguriert ist, dass es das einfallende Licht beeinflusst, wobei die Interferenz oder Beeinflussung eine Funktion der Position des beweglichen Bauteils (20) ist.
  2. Drucksensor (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Interferenz-Bauelement (34) ein beugendes oder reflektierendes Bauelement aufweist.
  3. Drucksensor (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, welcher eine Lichtquelle (32), die so konfiguriert ist, dass sie Licht auf das optische Interferenz-Bauelement (34) lenkt, und einen Empfänger (30) aufweist, der so konfiguriert ist, dass er Licht von der Lichtquelle (32) empfängt, welche von dem optischen Interferenz-Bauelement (34) beeinflusst worden ist.
  4. Drucksensor (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Interferenz-Bauelement (34) ein Beugungsgitter aufweist und der Empfänger (30) so konfiguriert ist, dass er Licht empfängt, welches durch das Beugungsgitter (34) reflektiert wird.
  5. Drucksensor (10) nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest entweder die Quelle (32) oder der Empfänger (30) einen Lichtwellenleiter aufweist.
  6. Drucksensor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor (10) so konfiguriert ist, dass er den angelegten Druck misst, welcher Differenzdruck, Absolutdruck oder Manometerdruck umfasst.
  7. Drucksensor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranunterstützungsstruktur (12) eine Außenfläche (22A, 22B) einschließt, welche für die Aufnahme des beweglichen Bauteils (20) darin konfiguriert ist.
  8. Drucksensor (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenfläche (22A, 22B) einen ringförmigen Hohlraum (24A, 24B) aufweist, der so konfiguriert ist, dass er die Wölbung der Membran (16A, 16B) aufnimmt.
  9. Drucksensor (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranunterstützungsstruktur (12) eine erste und zweite Außenfläche (22A, 22B) aufweist.
  10. Drucksensor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranunterstützungsstruktur (12) Saphir aufweist.
  11. Drucksensor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass er mindestens eine direkte Schmelzbindung aufweist.
  12. Drucksensor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (16A, 16B) und das bewegliche Bauteil (20) integral ausgebildet sind.
  13. Drucksensor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Interferenz-Bauelement (34) auf der Membran (16A, 16B) oder integral mit dieser angeordnet ist.
  14. Drucksensor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (16A, 16B) so angeordnet ist, dass sie in direktem Kontakt mit einem Prozessfluid ist, das den angelegten Druck bereitstellt, oder dass sie durch ein Trennfluid (88) von dem Prozessfluid getrennt ist.
  15. Prozess-Messwertgeber (60, 100), welcher einen Sensor (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14 aufweist.
  16. Prozess-Messwertgeber (60, 100) nach Anspruch 15, welcher eine Eingangs-/Ausgangs(I/O)-Schaltkreisanordnung (66) aufweist, welche als Zweidraht-Prozessregelschleife (62) konfiguriert ist.
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