EP4392751A1 - Drucksensor, insbesondere für drucke von mehr als 100 bar - Google Patents

Drucksensor, insbesondere für drucke von mehr als 100 bar

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EP4392751A1
EP4392751A1 EP22747713.0A EP22747713A EP4392751A1 EP 4392751 A1 EP4392751 A1 EP 4392751A1 EP 22747713 A EP22747713 A EP 22747713A EP 4392751 A1 EP4392751 A1 EP 4392751A1
Authority
EP
European Patent Office
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pressure
measuring
filling liquid
pressure sensor
membrane
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP22747713.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Sergey Lopatin
Igor Getman
Jan SCHLEIFERBÖCK
Romuald Girardey
Dietmar Leuthner
Sylwester SZYMANSKI
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Endress and Hauser SE and Co KG
Original Assignee
Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Endress and Hauser SE and Co KG filed Critical Endress and Hauser SE and Co KG
Publication of EP4392751A1 publication Critical patent/EP4392751A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01L11/04—Measuring steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by means not provided for in group G01L7/00 or G01L9/00 by acoustic means
    • G01L11/06—Ultrasonic means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H5/00—Measuring propagation velocity of ultrasonic, sonic or infrasonic waves, e.g. of pressure waves
    • G—PHYSICS
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    • G01L9/0001—Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means
    • G01L9/0008—Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means using vibrations
    • G01L9/0016—Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means using vibrations of a diaphragm
    • G—PHYSICS
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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    • G01S15/88—Sonar systems specially adapted for specific applications
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    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
    • G01F1/666—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters by detecting noise and sounds generated by the flowing fluid

Definitions

  • piezoresistive sensors can be produced, for example, using SOI technology (“Silicon on Insulator” technology) or, more specifically, using SOS technology (“Silicon on Sapphire” technology).
  • SOI technology Silicon on Insulator
  • SOS technology Silicon on Sapphire
  • This type of sensor is designed, for example, as a pressure sensor chip with a base body and a measuring membrane arranged on the base body. A pressure difference applied to the measuring membrane leads to a deflection of the measuring membrane that is dependent on the pressure difference.
  • piezoresistive transducer which comprises piezoresistive elements arranged on or in the measuring membrane, for example interconnected to form a resistance measuring bridge, and generates an electrical measurement signal dependent on the deflection of the measuring membrane, which is used for further processing or evaluation to determine a measured pressure value Available.
  • Pressure sensor chips are usually very sensitive and are therefore often not directly exposed to a process medium whose pressure is to be measured. Instead, diaphragm seals filled with a transmission liquid are connected upstream, which are in contact with the medium whose pressure is to be measured, e.g. a process medium, via a separating diaphragm.
  • piezoresistive pressure sensors can measure high pressures, they have a number of disadvantages:
  • the materials from which the measuring membrane or other parts of the sensor that can be deformed by the pressure to be measured are formed show little creep and/or plastic deformation. Within the normal service life of pressure sensors, these effects can lead to a noticeable zero point drift of the sensors and are therefore not negligible.
  • the piezoresistive resistance elements also show signs of aging over the course of the sensor's service life. Components that can be deformed during operation can also become deformed over the service life show signs of aging or fatigue.
  • DE 10 2005 009818 A1 describes a method for measuring a pressure in which the pressure prevailing in a room is introduced into a chamber filled with a measuring fluid and sealed fluid-tight against the room and a measured variable dependent on the acoustic properties of the measuring fluid is used as a measure intended for printing.
  • DE 10 2005 009818 A1 specifies an embodiment in which the speed of sound in the measurement fluid is determined by means of an ultrasonic transducer arrangement which determines the propagation time of an ultrasonic signal within the chamber filled with the measurement fluid as a measure of the pressure. Water or silicone oil are indicated as possible measuring fluids.
  • the filling liquid is a compressible liquid, i.e. its volume changes as a result of the deflection of the membrane due to compression or decompression of the liquid.
  • the pressure prevailing in the filling liquid changes accordingly. This is accompanied by a change in the speed of sound in the filling liquid.
  • the speed of sound in the compressible filling liquid is a measure of the pressure prevailing outside the housing on the front side of the elastically deflectable membrane.
  • a measurement of the speed of sound in the filling liquid can be determined, for example, based on the propagation of ultrasonic waves along a measuring section within the volume filled with the liquid. This measuring section can run between two wall regions of the housing that cannot be deflected during normal operation of the pressure sensor. Creeping or signs of fatigue in the area of the deflectable membrane therefore do not affect the measurement performance of the pressure sensor according to the invention.
  • the measuring principle according to the invention allows a comparatively very simple sensor structure with robust components and corrosion-resistant materials, so that the service life of the pressure sensor is long.
  • a significant advantage of the pressure sensor according to the invention compared to the measuring devices known from the prior art results from the use of a filling liquid that contains an organic compound that is present in the filling liquid with a volume fraction of more than 99%.
  • the compressibility or the bulk modulus of an essentially pure organic compound does not change from batch to batch or over the operating life of the pressure sensor, in contrast to, for example, silicone oil.
  • the organic compound is in the liquid state of aggregation in the planned temperature and pressure range of use of the pressure sensor. At least the organic compound is in the intended pressure measuring range of the pressure sensor at temperatures between at least 0 °C and 50 °C, advantageously at least between -20 °C and 100 °C, even more advantageously at least between -40 °C and 150 °C in the liquid state of aggregation.
  • the intended pressure measurement range can be between 100 and 1500 bar, preferably between 100 and 5000 bar.
  • Suitable compounds are selected, for example, from the following classes of substances on the basis of the properties specified above: saturated aliphatic hydrocarbons, alcohols or esters, for example glycerides.
  • saturated alcohols with the desired properties are n-octanol or propylene glycol, n-decane as an aliphatic hydrocarbon, propylene glycol dicaprate, 1,2-propylene glycol diacetate or propylene carbonate as an ester.
  • the main or side chains of the organic compound should generally have no more than 10 carbon units to ensure that the compound is liquid and stable to thermal decomposition within the specified temperature range.
  • the filling liquid is thermally stable at least up to a temperature of 100° C., preferably at least up to a temperature of 200° C.
  • the elastically deflectable membrane can be designed like a conventional separating membrane of a pressure transmitter. It is preferably designed so flexibly that it is able to compensate for changes in the volume of the filling liquid by at least ⁇ 10%, preferably by ⁇ 20%, while remaining elastically deflectable over the entire measuring range of the pressure sensor, depending on the pressure applied to the membrane.
  • the measuring unit can also have at least one ultrasonic transducer, which is arranged on or in a wall of the housing for transmitting and/or receiving ultrasonic waves propagating along a measuring section running through the filling liquid.
  • the Measuring unit have a measuring circuit, in particular measuring electronics, which is set up to stimulate the at least one ultrasonic transducer to transmit ultrasonic waves and/or to receive and process output signals of the at least one ultrasonic transducer in order to calculate a value from the To determine the speed of sound of the ultrasonic waves in the filling liquid-dependent variable.
  • piezoelectric or magnetostrictive converters can be considered as ultrasonic converters.
  • the piezoelectric or magnetostrictive transducers of the pressure sensor described here can be completely encapsulated in plastic without affecting the sensor functionality, so that moisture does not pose a problem for the measurement properties of the sensor sensor represents.
  • the measurement circuit or measurement electronics can be set up to determine the measured pressure value from the determined value of the variable dependent on the speed of sound in the filling liquid. It may include a processor, memory, and one or more operating programs executable by the processor. The operating program or programs can be set up to operate the ultrasonic transducers to measure the speed of sound or a variable dependent thereon and to further process digitized output signals of the ultrasonic transducers to determine the measured pressure value.
  • the housing can have the measuring unit and a membrane unit, the volume filled with the filling liquid having a measuring chamber formed in the measuring unit, a capillary tube and a pressure chamber formed in the membrane part and closed off by the membrane, the measuring chamber and the pressure chamber communicate with each other via the capillary tube, and the measuring section runs through the measuring chamber.
  • the volume filled by the filling liquid is advantageously chosen to be as small as possible so that the thermal expansion of the filling liquid at elevated temperatures does not lead to such a large deflection of the elastic membrane that the measuring ability of the pressure sensor is endangered, e.g. by a plastic deformation of the membrane.
  • the volumes of the pressure chamber and the capillary tube can be kept to a minimum.
  • the pressure sensor can have a temperature sensor that is set up to generate an electrical measurement signal that is dependent on the temperature of the filling liquid. Since the speed of sound in the filling liquid also depends on the temperature of the filling liquid, the pressure sensor in this embodiment is advantageously suitable for using the temperature measurement signals of the temperature sensor to carry out temperature compensation in order to determine more precise pressure measurement values.
  • the measurement circuit already mentioned can be set up to send measurement signals from the temperature sensor for temperature compensation when determining pressure measurement values use.
  • the measurement circuit can be connected to the temperature sensor in order to receive and process its measurement signals.
  • the measurement unit can be designed to generate the electrical measurement signal based on a transit time method.
  • the variable dependent on the speed of sound of the ultrasonic waves in the filling liquid is a transit time of an ultrasonic pulse along the measuring section.
  • the measuring section can have a length of 15 to 20 mm, preferably 15 to 18 mm. This ensures a sufficient accuracy of the transit time measurement with the smallest possible volume of the filling liquid at the same time.
  • the measurement unit can be designed to generate the electrical measurement signal based on a resonance method.
  • the variable dependent on the speed of sound of the ultrasonic waves in the filling liquid, from which the measured pressure values are determined is a resonant frequency at which a standing wave forms along the measuring section, or a variable dependent on a resonant frequency.
  • the measuring section can be selected to be even shorter than with a transit time measurement, namely between 5 and 10 mm. In this embodiment, the pressure sensor thus manages with an even smaller volume of filling liquid.
  • the measuring unit can have at least one ultrasonic transducer, which is used to emit and/or receive ultrasonic waves running along the measuring section.
  • the measuring unit can have a single ultrasonic converter if the ultrasonic waves emitted along the measuring section are reflected on a surface opposite the ultrasonic converter and pass through the measuring section twice.
  • the measuring unit can also have two ultrasonic transducers arranged on or in opposite walls of the housing. In this case, the measuring unit can be set up to excite the two ultrasonic transducers in phase. Piezoelectric converters or magnetostrictive converters are suitable for the application described here.
  • the measurement circuit mentioned can be set up to excite a first ultrasonic transducer with an excitation signal to generate ultrasonic waves.
  • the measuring circuit can also be set up to detect and/or process an output signal of the first or a second ultrasonic transducer in order to determine the variable dependent on the speed of sound of the ultrasonic waves in the filling liquid.
  • the measuring circuit can be set up to excite the first ultrasonic transducer with an excitation pulse, so that the first ultrasonic transducer emits an ultrasonic pulse along the measuring section into the filling liquid, and to measure a transit time of the ultrasonic pulse.
  • the measuring circuit can be set up to receive an output signal from the second ultrasonic transmitter, which in this embodiment serves as a receiver for the ultrasonic pulse after it has passed through the measuring section.
  • the second ultrasonic transmitter which in this embodiment serves as a receiver for the ultrasonic pulse after it has passed through the measuring section.
  • the measuring circuit can be set up to excite the at least one ultrasonic transducer with a frequency sweep and, based on the output signal, to determine an impedance of the ultrasonic transducer or a phase difference between the excitation signal and the output signal as a function of the frequency of the excitation signal capture. Furthermore, the measurement circuit can be set up to determine one or more resonance frequencies from the course of the impedance or phase difference as a function of the frequency of the excitation signal, at which a standing ultrasonic wave forms along the measurement section.
  • the areas of the wall surrounding the measuring chamber that are not part of the deflectable membrane can be solid and thick-walled in order to withstand the high pressure.
  • the wall can have a wall thickness in the range from 2 to 6 mm, for example. This wall thickness is sufficient for the materials used as housing materials for pressure sensors, e.g. stainless steel, to ensure the desired mechanical stability.
  • the at least one ultrasonic transducer is advantageously arranged in or on these wall areas, so that the length of the measuring section remains constant, regardless of the pressure prevailing outside the housing. Another advantage of this configuration is that the solid wall ensures an even temperature distribution in the area of the measuring section.
  • the membrane can be made of a metal alloy such as stainless steel, duplex steel, tantalum, titanium, silver, brass or bronze.
  • the housing can also be made of one of these materials or, if it is not intended to be in contact with the medium whose pressure is to be measured, it can be made of a less corrosion-resistant material, e.g. made of high-alloy quality steel such as chromium-nickel steel.
  • the measuring unit determines a variable that is dependent on the speed of sound in the filling liquid and uses this variable to determine a measured pressure value that represents the pressure present on the front side of the elastically deflectable membrane.
  • the method can include a transit time method or a resonance method.
  • a transit time method a period of time is determined which an ultrasonic signal pulse requires in order to run through a measuring section running through the filling liquid.
  • a resonance method can include the excitation of at least one ultrasonic transducer by means of a frequency sweep and the detection of an output signal of the at least one ultrasonic transducer.
  • an impedance or a phase difference can be detected as a function of the frequency of the excitation signal.
  • one or more Resonance frequencies are determined at which a standing wave forms along the measurement section.
  • the speed of sound and, derived from this, the measured pressure value can be determined on the basis of the resonance frequencies. Temperature compensation can be carried out here, as described above.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a pressure sensor according to a first exemplary embodiment
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of a longitudinal section through the housing of the pressure sensor illustrated in FIG. 1;
  • FIG. 3 shows a schematic representation of the measuring section of the pressure sensor shown in FIG. 1 during pressure measurement by means of ultrasound according to a transit time method
  • Figure 4 is a graph of the speed of sound in a triglyceride based liquid as a function of pressure at constant temperature
  • FIG. 5 shows a schematic longitudinal section representation of a measuring unit of a pressure sensor according to a second exemplary embodiment
  • FIG. 6 shows a schematic longitudinal section representation of a measuring unit of a pressure sensor according to a third exemplary embodiment
  • FIGS. 5 and 6 show a diagram of an impedance measurement as a function of frequency using the measuring units illustrated in FIGS. 5 and 6;
  • FIG. 8 shows a diagram of a phase measurement as a function of frequency using the measurement units shown in FIGS. 5 and 6.
  • FIG. 8 shows a diagram of a phase measurement as a function of frequency using the measurement units shown in FIGS. 5 and 6.
  • a pressure sensor is shown schematically according to a first embodiment.
  • 2 shows the housing of the pressure sensor in a schematic longitudinal section.
  • the pressure sensor has a measuring unit 1 , a membrane unit 2 and a capillary tube 3 . These components are formed in a housing 4 which encloses a hermetically sealed volume. This volume is completely filled with a compressible filling liquid.
  • the volume is made up of a measuring chamber 5 arranged in the measuring unit 1, a measuring chamber 5 in the Membrane unit 2 formed pressure chamber 6 and the inner volume of the capillary tube 3, via which the measuring chamber 5 and the pressure chamber 6 communicate with each other.
  • the membrane unit 2 comprises a base body which has a recess on one side which is covered by an elastically deflectable membrane 7 so that the pressure chamber 6 is formed between the membrane 7 and the bottom of the recess.
  • the base body can serve as a connection means, e.g. as a flange, for connecting the membrane unit 2 to a container, e.g. a process container or a pipe, the internal pressure of which is to be measured using the pressure sensor.
  • the base body can also be connected to such a connection means. If the base body is connected to the container as intended, the membrane 7 communicates with the interior of the container, so that the pressure prevailing in the container is applied to the front side of the membrane 7 facing away from the pressure chamber 6 .
  • the membrane is elastically deflected depending on the pressure prevailing in the container, which is applied to the front side of the membrane 7 .
  • the pressure prevailing in the container is thus transmitted to the filling liquid via the membrane 7 .
  • the deflection of the membrane 7 changes and thus the volume filled with the compressible filling liquid.
  • the membrane 7 can be formed from a metal or a metal alloy, e.g. from a high-grade steel such as 1.4435, 1.4404, duplex steel 1.4462, tantalum, titanium, silver, brass, bronze or others.
  • the choice of the material of the membrane 7 can depend on the intended application in which the pressure sensor is to be used.
  • a diaphragm 7 made of bronze, for example, is particularly advantageous for monitoring hydrogen tanks.
  • the membrane 7 can be connected to the base body by a soldered or welded connection.
  • the material of the base body and of the entire housing 4 can also be a metal or a metal alloy; in particular, the metals or metal alloys already mentioned as membrane materials are also suitable for the housing 4 .
  • the measuring unit 1 has a solid wall which encloses the measuring chamber 5 .
  • the capillary tube 3 opens through the wall into the measuring chamber 5.
  • the speed of sound in the compressible filling liquid that fills the measuring chamber 5 is dependent on the pressure prevailing in the filling liquid. In the state of equilibrium, this pressure is equal to the ambient pressure present at the front of the pressure-dependently deflected membrane 7, or the pressure in the container to which the pressure sensor is attached for measurement. This ambient pressure can thus be determined by measuring the speed of sound in the filling liquid.
  • the measuring principle on which the pressure sensor is based is based on this.
  • the measuring unit 1 can have one or more ultrasonic converters.
  • two opposing ultrasonic transducers 8, 9 are placed on opposite side walls of the housing 4 from the outside.
  • the two ultrasonic transducers 8 , 9 are opposite one another in such a way that a measuring section running between them runs in the longitudinal direction through the measuring chamber 5 and thus through the filling liquid filling the measuring chamber 5 .
  • the ultrasonic converters 8 , 9 are connected to a measuring circuit 10 .
  • the measurement circuit 10 can be an analog measurement circuit.
  • the measuring circuit 10 is an electronic measuring system that includes a processor, memory and operating programs stored in the memory, which are used by the electronic measuring system to operate the ultrasonic transducers 8, 9 and to record and process measurement signals from the ultrasonic Converter 8, 9 can be performed for the determination of measured pressure values.
  • the measuring electronics 10 can display the measured pressure value on a display and/or communicate it via a wired or wireless communication interface, e.g. by radio, to a superordinate unit or an operating device.
  • Fig. 3 running between the ultrasonic transducers 8, 9 measuring section 11 is shown schematically to like the principle of pressure measurement with the pressure sensor according to the first embodiment. 1 and 2 to illustrate.
  • the measuring section 11 runs between the transmitter transducer 8 and the receiver transducer 9.
  • the ultrasonic transducers 8, 9 serving as transmitter transducer 8 and receiver transducer 9 can be configured essentially identically. They can be piezoelectric converters, for example, but magnetostrictive converters are also possible.
  • the measuring unit 1 of the pressure sensor does not show any signs of aging.
  • aging or creeping of the membrane 7 does not play a role because these effects have no noticeable effects on the compression of the filling liquid and on the sound velocity measurement along the measurement section in the measurement unit.
  • silicone oil mentioned as a filling liquid in DE 10 2005 009818 A1 a thermally stable pure substance as a filling liquid remains unchanged during the entire service life.
  • the pressure sensor described here thus enables maintenance-free operation of the pressure sensor over an operating period that is orders of magnitude longer than the maintenance-free operating period of conventional pressure sensors. Overall, the production costs for the pressure sensor described in the present exemplary embodiment and the pressure sensors described in the further exemplary embodiments are also significantly lower than for piezoresistive sensors.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Drucksensor zur Messung hoher Drucke, z.B. von mehr als 100 bar, umfassend: ein Gehäuse (4), das ein dicht abgeschlossenes, mit einer kompressiblen Füllflüssigkeit gefülltes Volumen aufweist; wobei das Gehäuse (4) eine elastisch auslenkbare Membran (7) aufweist, die eine dem mit der Füllflüssigkeit gefüllten Volumen zugewandte Rückseite und eine der Rückseite gegenüberliegende Vorderseite aufweist, derart, dass die Membran (7) einen an der Vorderseite der Membran (7) anliegenden Druck auf die Füllflüssigkeit überträgt; und eine Messeinheit (1, 21, 31), die dazu eingerichtet ist eine von der Schallgeschwindigkeit in der Füllflüssigkeit abhängige Größe zu ermitteln, und anhand der gemessenen Größe einen Druckmesswert zu bestimmen, der den an der Vorderseite der elastisch auslenkbaren Membran (7) anliegenden Druck repräsentiert, wobei die Füllflüssigkeit eine organische Verbindung enthält, die mit einem Volumenanteil von mehr als 99 % in der Füllflüssigkeit vorliegt.

Description

Drucksensor, insbesondere für Drucke von mehr als 100 bar
Die Erfindung betrifft einen Drucksensor, insbesondere einen Drucksensor zur Messung hoher Drucke, beispielsweise von Drucken oberhalb 100 bar.
Die Messung hoher Drucke spielt beispielsweise bei Wasserstofflagertanks eine große Rolle, wo Drucke von mehr als 700 bar und sogar bis zu 1500 bar erreicht werden können. Herkömmliche, auf einem kapazitiven Messprinzip basierende Drucksensoren besitzen eine Membran, die durch einen an der Membranvorderseite anliegenden Druck elastisch ausgelenkt wird, wodurch die Kapazität zwischen einer auf der Membranrückseite der Membran angeordneten Elektrode und einer gegenüberliegenden statischen Elektrode verändert wird. Kapazitive Drucksensoren erzeugen ein von dieser Kapazitätsänderung abhängiges elektrisches Messsignal, das den an der Membranvorderseite anliegenden Druck repräsentiert und somit zur Bestimmung eines Druckmesswerts dienen kann. Die Messgenauigkeit solcher kapazitiver Drucksensoren hängt vom Hub der Membran unter Druck ab. Der mögliche Membran-Hub beschränkt somit den maximalen Druck-Messbereich. Die Anwendbarkeit dieses Messprinzips für die genannten hohen Drucke ist daher fraglich.
Höhere statische Drucke können mittels piezoresistiver Sensoren gemessen werden. Solche Sensoren können beispielsweise in SOI-Technologie („Silicon on Insulator“ -Technologie) bzw. spezieller in SOS- Technologie (,,Silicon-on-Sapphire“-Technologie) hergestellt sein. Dieser Sensortyp ist beispielsweise als Drucksensor-Chip mit einem Grundkörper und einer auf dem Grundkörper angeordneten Messmembran ausgestaltet. Eine an der Messmembran anliegende Druckdifferenz führt zu einer von der Druckdifferenz abhängigen Auslenkung der Messmembran. Diese wird mittels eines piezoresistiven Wandlers erfasst, der auf oder in der Messmembran angeordnete, beispielsweise zu einer Widerstandsmessbrücke zusammengeschaltete, piezoresistive Elemente umfasst, und ein von der Auslenkung der Messmembran abhängiges elektrisches Messsignal erzeugt, das für die weitere Verarbeitung oder Auswertung zur Ermittlung eines Druckmesswerts zur Verfügung steht.
Drucksensor-Chips sind in der Regel sehr empfindlich und werden deshalb häufig nicht direkt einem Prozessmedium ausgesetzt, dessen Druck gemessen werden soll. Stattdessen werden mit einer Übertragungsflüssigkeit gefüllte Druckmittler vorgeschaltet, die über eine Trennmembran mit dem Medium, dessen Druck gemessen werden soll, z.B. einem Prozessmedium, in Berührung stehen.
Solche piezoresistiven Drucksensoren können zwar hohe Drucke messen, aber sie haben einige Nachteile: Die Werkstoffe, aus denen die Messmembran oder andere durch den zu messenden Druck verformbare Teile des Sensors gebildet sind, zeigen ein geringes Kriechen und/oder plastische Verformung. Diese Effekte können innerhalb der üblichen Betriebsdauer von Drucksensoren zu einer merklichen Nullpunkt-Drift der Sensoren führen und sind deshalb nicht vernachlässigbar. Auch die piezoresistiven Widerstandselemente zeigen im Laufe der Sensorbetriebsdauer Alterungserscheinungen. Im Betrieb verformbare Bauteile können über die Betriebsdauer ebenfalls Alterungs- bzw. Ermüdungserscheinungen zeigen. Hinzu kommt die Empfindlichkeit der piezoresistiven Elemente des Sensorchips gegenüber chemischem Angriff (Korrosion, Oxidation), die einen sehr guten Schutz des Sensor-Chips vor der Umgebung, z.B. vor Kondensat, erfordert. Dies macht den Aufbau und entsprechend die Fertigung solcher Drucksensoren anspruchsvoll.
In DE 10 2005 009818 A1 ist ein Verfahren zum Messen eines Drucks beschrieben, bei dem der in einem Raum herrschende Druck in eine mit einem Messfluid gefüllte und fluiddicht gegen den Raum abgedichtete Kammer eingeleitet wird und eine von den akustischen Eigenschaften des Messfluids abhängige Messgröße als Maß für den Druck bestimmt wird. Konkret wird in DE 10 2005 009818 A1 ein Ausführungsbeispiel angegeben, bei dem die Schallgeschwindigkeit im Messfluid mittels einer Ultraschallwandleranordnung ermittelt wird, die die Laufzeit eines Ultraschallsignals innerhalb der mit dem Messfluid gefüllten Kammer als Maß für den Druck bestimmt. Als mögliche Messfluide werden Wasser oder Silikonöl angegeben.
Wasser weist als stark polare Flüssigkeit ein verhältnismäßig hohes Kompressionsmodul von ca. 2,2 GPa bei einer Temperatur von 20 °C auf. Somit ist die Änderung der Schallgeschwindigkeit als Funktion des Drucks in Wasser entsprechend gering und erlaubt keine ausreichend präzise Druckmessung im angestrebten Messbereich. Besser geeignet ist Silikonöl, das bei 20 °C ein niedrigeres Kompressionsmodul aufweist. Die chemische Zusammensetzung von Silikonöl kann jedoch je nach Hersteller und Charge variieren. Auch können sich physikalische Eigenschaften des Silikonöl während des Betriebs der Druckmesseinrichtung verändern, z.B. aufgrund von Änderungen der molekularen Zusammensetzung, beispielsweise indem unter Temperatur- und/oder Druckeinfluss lineare Molekülketten in zyklische Verbindungen oder Diole umgebildet werden. Damit kann sich auch der Zusammenhang zwischen Schallgeschwindigkeit und Druck im Silikonöl im Laufe der Betriebsdauer ändern. Aus alldem ergibt sich ein Kalibrieraufwand sowohl bei der Herstellung als auch während der Betriebsdauer der Druckmesseinrichtung.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Drucksensor anzugeben, der für die Messung hoher Drucke geeignet ist und der über einen langen Zeitraum stabil, d.h. im Wesentlichen driftfrei, betreibbar ist, um einen eventuellen Wartungsaufwand möglichst gering zu halten oder sogar zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Drucksensor gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Der erfindungsgemäße Drucksensor, insbesondere für Drucke von mehr als 100 bar, umfasst: ein Gehäuse, das ein, beispielsweise hermetisch, dicht abgeschlossenes, mit einer kompressiblen Füllflüssigkeit gefülltes Volumen aufweist; wobei das Gehäuse eine elastisch auslenkbare Membran aufweist, die eine dem mit der Füllflüssigkeit gefüllten Volumen zugewandte Rückseite und eine der Rückseite gegenüberliegende Vorderseite aufweist, derart, dass die Membran einen an der Vorderseite der Membran anliegenden Druck auf die Füllflüssigkeit überträgt; und eine Messeinheit, die dazu eingerichtet ist, eine von der Schallgeschwindigkeit in der Füllflüssigkeit abhängige Größe zu ermitteln, und anhand der gemessenen Größe einen Druckmesswert zu bestimmen, der den an der Vorderseite der elastisch auslenkbaren Membran anliegenden Druck repräsentiert, wobei die Füllflüssigkeit eine organische Verbindung enthält, die mit einem Volumenanteil von mehr als 99 % in der Füllflüssigkeit vorliegt.
Die Füllflüssigkeit ist eine kompressible Flüssigkeit, d.h. ihr Volumen ändert sich infolge der Auslenkung der Membran durch Kompression oder Dekompression der Flüssigkeit. Gleichermaßen ändert sich der in der Füllflüssigkeit herrschende Druck entsprechend. Damit geht eine Änderung der Schallgeschwindigkeit in der Füllflüssigkeit einher. Somit ist die Schallgeschwindigkeit in der kompressiblen Füllflüssigkeit ein Maß für den an der Vorderseite der elastisch auslenkbaren Membran anliegenden, außerhalb des Gehäuses herrschenden Drucks.
Während bei den eingangs erwähnten piezoresistiven oder kapazitiven Sensoren, die Messgrößen erfassen, welche unmittelbar von der Auslenkung einer Messmembran abhängig sind, Effekte wie Kriechen, Verformung oder Ermüdungserscheinungen der Membran oder der die Membran tragenden Bauteile die Messgenauigkeit stark beeinträchtigen, spielen solche Effekte beim erfindungsgemäßen Drucksensor keine Rolle. Eine Messung der Schallgeschwindigkeit in der Füllflüssigkeit kann beispielsweise anhand der Ausbreitung von Ultraschallwellen entlang einer Messstrecke innerhalb des mit der Flüssigkeit gefüllten Volumens ermittelt werden. Diese Messstrecke kann zwischen zwei beim bestimmungsgemäßen Betrieb des Drucksensors nicht auslenkbaren Wandungsbereichen des Gehäuses verlaufen. Kriechen oder Ermüdungserscheinungen im Bereich der auslenkbaren Membran beeinflussen daher beim erfindungsgemäßen Drucksensor nicht die Messperformance. Der Wartungsaufwand ist somit gegenüber den bekannten piezoresistiven Drucksensoren oder kapazitiven Drucksensoren erheblich reduziert. Zudem erlaubt das erfindungsgemäße Messprinzip einen vergleichsweise sehr einfachen Sensoraufbau mit robusten Bauteilen und korrosionsbeständigen Materialien, so dass die Lebensdauer des Drucksensors hoch ist.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Drucksensors gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Messeinrichtungen ergibt sich aus der Verwendung einer Füllflüssigkeit, die eine organische Verbindung enthält, die mit einem Volumenanteil von mehr als 99 % in der Füllflüssigkeit vorliegt. Die Kompressibilität bzw. das Kompressionsmodul einer im Wesentlichen reinen organischen Verbindung ändert sich, anders als beispielsweise bei Silikonöl, nicht von Charge zu Charge oder über die Betriebsdauer des Drucksensors.
Vorteilhaft ist der Volumenanteil der organischen Verbindung in der Füllflüssigkeit mehr als 99,9 % oder sogar mehr als 99,99 %. Somit benötigt der erfindungsgemäße Drucksensor bei der Herstellung keine spezielle Kalibrierung, da die funktionelle Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit vom in der Flüssigkeit herrschenden Druck einmalig für die Flüssigkeit ermittelbar und dann in der Messeinheit jedes mit dieser Flüssigkeit als Füllflüssigkeit hergestellten Drucksensors hinterlegt werden kann. Darüber hinaus ändern sich die Eigenschaften der reinen Verbindung nicht während der Betriebsdauer des Drucksensors. Somit ist der erfindungsgemäße Sensor über lange Zeiträume wartungsfrei betreibbar.
Die in der Füllflüssigkeit enthaltene organische Verbindung weist vorteilhaft ein Kompressionsmodul von weniger als 2,0 GPa bei 20 °C auf. Beispielsweise kann die organische Verbindung eine im Wesentlichen unpolare Verbindung sein. Unpolare Verbindungen weisen ein niedrigeres Kompressionsmodul als polare Verbindungen wie Wasser.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung liegt die organische Verbindung im geplanten Temperatur- und Druck-Einsatzbereich des Drucksensors im flüssigen Aggregatzustand vor. Mindestens liegt die organische Verbindung im vorgesehen Druck-Messbereich des Drucksensors bei Temperaturen mindestens zwischen 0 °C und 50 °C, vorteilhaft mindestens zwischen -20 °C und 100 °C, noch vorteilhafter mindestens zwischen -40 °C und 150 °C im flüssigen Aggregatzustand vor. Der vorgesehene Druck-Messbereich kann zwischen 100 und 1500 bar, vorzugsweise zwischen 100 und 5000 bar, liegen.
Geeignete Verbindungen sind beispielsweise anhand der voranstehend angegebenen Eigenschaften ausgewählt aus den folgenden Stoffklassen: gesättigte aliphatische Kohlenwasserstoffe, Alkohole oder Ester, beispielsweise Glyceride. Als gesättigte Alkohole mit den gewünschten Eigenschaften kommen z.B. n-Octanol oder Propylenglycol, als aliphatischer Kohlenwasserstoff n-Decan, als Ester Propylenglycoldicaprat, 1 ,2-Propylenglycoldiacetat oder Propylencarbonat in Frage. Die Haupt- oder Seitenketten der organischen Verbindung sollten im Allgemeinen nicht mehr als 10 Kohlenstoffeinheiten aufweisen, um zu gewährleisten, dass die Verbindung im angegebenen Temperaturbereich flüssig und stabil gegen thermische Zersetzung ist. In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Füllflüssigkeit mindestens bis zu einer Temperatur von 100 °C, vorzugsweise mindestens bis zu einer Temperatur von 200 °C thermisch stabil.
Die elastisch auslenkbare Membran kann wie eine herkömmliche Trennmembran eines Druckmittlers ausgestaltet sein. Sie ist vorzugsweise so flexibel ausgestaltet, dass sie Volumenänderungen der Füllflüssigkeit um mindestens ±10 %, vorzugsweise um ±20 % auszugleichen vermag und dabei abhängig vom an der Membran anliegenden Druck im gesamten Messbereich des Drucksensors elastisch auslenkbar bleibt.
Die Messeinheit kann weiter mindestens einen Ultraschall-Wandler aufweisen, der zum Senden und/oder zum Empfangen von sich entlang einer durch die Füllflüssigkeit verlaufenden Messstrecke ausbreitenden Ultraschallwellen an oder in einer Wand des Gehäuses angeordnet ist. Weiter kann die Messeinheit eine Messschaltung, insbesondere eine Messelektronik, aufweisen, die dazu eingerichtet ist, den mindestens einen Ultraschall-Wandler zum Senden von Ultraschall-Wellen anzuregen und/oder Ausgangssignale des mindestens einen Ultraschall-Wandlers zu empfangen und zu verarbeiten, um einen Wert der von der Schallgeschwindigkeit der Ultraschallwellen in der Füllflüssigkeit abhängigen Größe zu ermitteln. Als Ultraschall-Wandler kommen beispielsweise piezoelektrische oder magnetostriktive Wandler in Frage. Anders als die feuchteempfindlichen Piezowiderstände auf einem Verformungskörper, wie sie bei den eingangs beschriebenen piezoresistiven Drucksensoren verwendet werden können, können die piezolektrischen oder magnetostriktiven Wandler des hier beschriebenen Drucksensors ohne Beeinflussung der Sensorfunktionalität vollständig in Kunststoff vergossen werden, so dass Feuchte kein Problem für die Messeigenschaften des Sensors darstellt.
Die Messschaltung bzw. Messelektronik kann dazu eingerichtet sein aus dem ermittelten Wert der von der Schallgeschwindigkeit in der Füllflüssigkeit abhängigen Größe den Druckmesswert zu bestimmen. Sie kann einen Prozessor, Speicher und ein oder mehrere Betriebsprogramme umfassen, die von dem Prozessor ausführbar sind. Das oder die Betriebsprogramme können dazu eingerichtet sein, die Ultraschallwandler zur Durchführung der Messung der Schallgeschwindigkeit oder einer davon abhängigen Größe zu betreiben und digitalisierte Ausgangssignale der Ultraschallwandler zur Bestimmung des Druckmesswerts weiterzuverarbeiten.
Das Gehäuse kann in einer vorteilhaften Ausgestaltung die Messeinheit und eine Membraneinheit aufweisen, wobei das mit der Füllflüssigkeit gefüllte Volumen eine in der Messeinheit gebildete Messkammer, ein Kapillarrohr und eine in dem Membranteil gebildete und von der Membran abgeschlossene Druckkammer aufweist, wobei die Messkammer und die Druckkammer über das Kapillarrohr miteinander kommunizieren, und wobei die Messstrecke durch die Messkammer verläuft.
Das von der Füllflüssigkeit ausgefüllte Volumen ist vorteilhafterweise so klein wie möglich gewählt, damit die thermische Ausdehnung der Füllflüssigkeit bei erhöhten Temperaturen nicht zu einer so großen Auslenkung der elastischen Membran führt, dass die Messfähigkeit des Drucksensors gefährdet ist, z.B. durch eine plastische Verformung der Membran. In der zuvor beschriebenen Ausgestaltung können die Volumina der Druckkammer und des Kapillarrohrs minimal gehalten werden.
Weiter kann der Drucksensor einen Temperaturfühler aufweisen, der dazu eingerichtet ist, ein von der Temperatur der Füllflüssigkeit abhängiges elektrisches Messsignal zu erzeugen. Da die Schallgeschwindigkeit in der Füllflüssigkeit auch von der Temperatur der Füllflüssigkeit abhängt, ist der Drucksensor in dieser Ausgestaltung in vorteilhafter weise dazu geeignet, mittels der Temperatur- Messsignale des Temperaturfühlers eine Temperaturkompensation zur Ermittlung genauerer Druckmesswerte durchzuführen.
Zu diesem Zweck kann die bereits erwähnte Messschaltung dazu eingerichtet sein, bei der Ermittlung von Druckmesswerten Messsignale des Temperaturfühlers für eine Temperaturkompensation zu verwenden. Die Messschaltung kann mit dem Temperaturfühler verbunden sein, um dessen Messsignale zu empfangen und zu verarbeiten.
Die Messeinheit kann dazu ausgestaltet sein, das elektrische Messsignal basierend auf einem Laufzeit- Verfahren zu erzeugen. In diesem Fall ist die von der Schallgeschwindigkeit der Ultraschallwellen in der Füllflüssigkeit abhängige Größe eine Laufzeit eines Ultraschallpulses entlang der Messstrecke. Die Messstrecke kann in dieser Ausgestaltung eine Länge von 15 bis 20 mm, vorzugsweise 15 bis 18 mm, aufweisen. Dies gewährleistet eine ausreichende Genauigkeit der Laufzeitmessung bei gleichzeitig möglichst geringem Volumen der Füllflüssigkeit.
Alternativ kann die Messeinheit dazu ausgestaltet sein, das elektrische Messsignal basierend auf einem Resonanz-Verfahren zu erzeugen. In dieser Ausgestaltung ist die von der Schallgeschwindigkeit der Ultraschallwellen in der Füllflüssigkeit abhängige Größe, aus der die Druckmesswerte ermittelt werden, eine Resonanzfrequenz, bei der sich entlang der Messstrecke eine stehende Welle ausbildet, oder eine von einer Resonanzfrequenz abhängige Größe. Besonders vorteilhaft an einem solchen Resonanzverfahren ist, dass die Messstrecke noch kürzer gewählt werden kann als bei einer Laufzeitmessung, nämlich zwischen 5 und 10 mm. Somit kommt der Drucksensor in dieser Ausgestaltung mit einem noch geringeren Füllflüssigkeits-Volumen aus.
Wie erwähnt, kann die Messeinheit mindestens einen Ultraschall-Wandler aufweisen, der zur Aussendung und/oder zum Empfang von entlang der Messstrecke verlaufenden Ultraschallwellen dient. Optional kann die Messeinheit einen einzigen Ultraschall-Wandler aufweisen, wenn die entlang der Messstrecke ausgesendeten Ultraschallwellen an einer dem Ultraschall-Wandler gegenüberliegenden Fläche reflektiert werden und die Messstrecke zweifach durchlaufen. Zur Erzeugung stehender Wellen in einem Resonanz-Verfahren kann die Messeinheit auch zwei an oder in sich gegenüberliegenden Wänden des Gehäuses angeordnete Ultraschall-Wandler aufweisen. Die Messeinheit kann in diesem Fall dazu eingerichtet sein, die beiden Ultraschall-Wandler gleichphasig anzuregen. Für die hier beschriebene Anwendung sind piezoelektrische Wandler oder magnetostriktive Wandler geeignet.
Die erwähnte Messschaltung kann dazu eingerichtet sein, einen ersten Ultraschall-Wandler mit einem Anregungssignal zur Erzeugung von Ultraschallwellen anzuregen. Die Messschaltung kann weiter dazu eingerichtet sein, ein Ausgangssignal des ersten oder eines zweiten Ultraschall-Wandlers zu erfassen und/oder zu verarbeiten, um die von der Schallgeschwindigkeit der Ultraschallwellen in der Füllflüssigkeit abhängige Größe zu ermitteln.
Zum Beispiel kann die Messschaltung dazu eingerichtet sein, den ersten Ultraschall-Wandler mit einem Anregungspuls anzuregen, so dass der erste Ultraschall-Wandler einen Ultraschallpuls entlang der Messstrecke in die Füllflüssigkeit aussendet, und eine Laufzeit des Ultraschallpulses zu messen.
Hierzu kann die Messschaltung dazu eingerichtet sein, ein Ausgangssignal des in dieser Ausgestaltung als Empfänger des Ultraschallpulses nach Durchlaufen der Messstrecke dienenden zweiten Ultraschall- Wandlers zu erfassen, und eine Zeitdifferenz zwischen dem Senden und dem Empfangen des Ultraschallpulses zu messen.
In einer anderen Ausgestaltung kann die Messschaltung dazu eingerichtet sein, den mindestens einen Ultraschall-Wandler mit einem Frequenz-Sweep anzuregen und anhand des Ausgangssignals eine Impedanz des Ultraschall-Wandlers oder eine Phasendifferenz zwischen dem Anregungs- und dem Ausgangssignal als Funktion der Frequenz des Anregungssignals zu erfassen. Weiter kann die Messschaltung dazu eingerichtet sein, aus dem Verlauf der Impedanz oder Phasendifferenz als Funktion der Frequenz des Anregungssignals eine oder mehrere Resonanzfrequenzen zu ermitteln, bei denen sich entlang der Messstrecke eine stehende Ultraschallwelle ausbildet.
Die Bereiche der die Messkammer umgebenden Wandung, die nicht Bestandteil der auslenkbaren Membran sind, können massiv und dickwandig ausgestaltet sein, um dem hohen Druck zu widerstehen. Die Wandung kann beispielsweise eine Wandstärke im Bereich von 2 bis 6 mm aufweisen. Diese Wandstärke ist für die als Gehäusematerialien für Drucksensoren in Frage kommenden Materialien, z.B. Edelstähle, ausreichend, um die erwünschte mechanische Stabilität zu gewährleisten. In oder an diesen Wandungsbereichen ist vorteilhafterweise der mindestens eine Ultraschall-Wandler angeordnet, so dass die Länge der Messstrecke unabhängig vom außerhalb des Gehäuses herrschenden Druck konstant bleibt. Ein weiterer Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass die massive Wandung für eine gleichmäßige Temperaturverteilung im Bereich der Messstrecke sorgt.
Die Membran kann aus einer Metalllegierung, z.B. einem Edelstahl, einem Duplexstahl, Tantal, Titan, Silber, Messing oder Bronze bestehen. Das Gehäuse kann ebenfalls aus einem dieser Materialien oder, soweit es nicht zum Kontakt mit dem Medium, dessen Druck zu messen ist, vorgesehen ist, aus einem weniger korrosionsresistenten Material, z.B. aus einem hochlegierten Qualitätsstahl wie z.B. einem Chrom-Nickel-Stahl, bestehen.
In einem Verfahren zur Druckmessung mittels des voranstehend beschriebenen Drucksensors ermittelt die Messeinheit eine von der Schallgeschwindigkeit in der Füllflüssigkeit abhängige Größe und bestimmt anhand dieser Größe einen Druckmesswert, der den an der Vorderseite der elastisch auslenkbaren Membran anliegenden Druck repräsentiert. Das Verfahren kann zur Bestimmung der von der Schallgeschwindigkeit in der Füllflüssigkeit abhängigen Größe ein Laufzeitverfahren oder ein Resonanzverfahren umfassen. Bei einem Laufzeitverfahren wird eine Zeitspanne ermittelt, die ein Ultraschall-Signalpuls benötigt, um eine durch die Füllflüssigkeit verlaufende Messstrecke zu durchlaufen. Ein Resonanzverfahren kann die Anregung mindestens eines Ultraschallwandlers mittels eines Frequenz-Sweeps und die Erfassung eines Ausgangssignals des mindestens einen Ultraschallwandlers umfassen. Beispielsweise kann eine Impedanz oder eine Phasendifferenz als Funktion der Frequenz des Anregungssignals erfasst werden. Aus dem Verlauf der Impedanz oder Phasendifferenz als Funktion der Frequenz des Anregungssignals können eine oder mehrere Resonanzfrequenzen ermittelt werden, bei denen sich entlang der Messstrecke eine stehende Welle ausbildet. Anhand der Resonanzfrequenzen lässt sich die Schallgeschwindigkeit und daraus abgeleitet der Druckmesswert ermitteln. Hierbei kann eine Temperaturkompensation durchgeführt werden, wie weiter oben beschrieben.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen hier identisch ausgestaltete Komponenten der dargestellten Sensoren oder Sensor-Bauteile. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Drucksensors nach einem ersten Ausführungsbeispiel;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Längsschnitts durch das Gehäuse des in Fig. 1 dargestellten Drucksensors;
Fig. 3 eine schematische Darstellung der Messstrecke des in Fig. 1 dargestellten Drucksensors bei der Druckmessung mittels Ultraschall nach einem Laufzeitverfahren;
Fig. 4 ein Diagramm der Schallgeschwindigkeit in einer Flüssigkeit auf T riglyceridbasis als Funktion des Drucks bei konstanter Temperatur;
Fig. 5 eine schematische Längsschnitt-Darstellung einer Messeinheit eines Drucksensors nach einem zweiten Ausführungsbeispiel;
Fig. 6 eine schematische Längsschnitt-Darstellung einer Messeinheit eines Drucksensors nach einem dritten Ausführungsbeispiel;
Fig. 7 ein Diagramm einer Impedanzmessung als Funktion der Frequenz mittels der in Fig. 5 und 6 dargestellten Messeinheiten; und
Fig. 8 ein Diagramm einer Phasenmessung als Funktion der Frequenz mittels der in Fig. 5 und 6 dargestellten Messeinheiten.
In Fig. 1 ist schematisch ein Drucksensor nach einem ersten Ausführungsbeispiel dargestellt. In Fig. 2 ist das Gehäuse des Drucksensors in einer schematischen Längsschnitt-Darstellung gezeigt. Der Drucksensor weist eine Messeinheit 1 , eine Membraneinheit 2 und ein Kapillarrohr 3 auf. Diese Komponenten sind in einem Gehäuse 4 gebildet, das ein hermetisch dicht abgeschlossenes Volumen umgibt. Dieses Volumen ist vollständig von einer kompressiblen Füllflüssigkeit ausgefüllt. Das Volumen setzt sich zusammen aus einer in der Messeinheit 1 angeordneten Messkammer 5, einer in der Membraneinheit 2 gebildeten Druckkammer 6 und dem Innenvolumen des Kapillarrohrs 3, über das die Messkammer 5 und die Druckkammer 6 miteinander kommunizieren.
Die Membraneinheit 2 umfasst einen Grundkörper, der auf einer Seite eine Vertiefung aufweist, die von einer elastisch auslenkbaren Membran 7 überdeckt ist, so dass zwischen der Membran 7 und dem Boden der Vertiefung die Druckkammer 6 gebildet ist. Der Grundkörper kann gleichzeitig als Anschlussmittel, z.B. als Flansch, zum Anschluss der Membraneinheit 2 an einen Behälter, z.B. einen Prozessbehälter oder ein Rohr, dessen Innendruck mittels des Drucksensors gemessen werden soll, dienen. Der Grundkörper kann alternativ auch mit einem derartigen Anschlussmittel verbunden sein. Ist der Grundkörper bestimmungsgemäß an den Behälter angeschlossen, kommuniziert die Membran 7 mit dem Inneren des Behälters, so dass der im Behälter herrschende Druck an der von der Druckkammer 6 abgewandten Vorderseite der Membran 7 anliegt. Abhängig vom im Behälter herrschenden Druck, der an der Vorderseite der Membran 7 anliegt, wird die Membran elastisch ausgelenkt. Der im Behälter herrschende Druck wird also über die Membran 7 auf die Füllflüssigkeit übertragen. Bei Druckänderungen im Behälter ändert sich die Auslenkung der Membran 7 und somit das mit der kompressiblen Füllflüssigkeit gefüllte Volumen.
Die Membran 7 kann im vorliegenden Beispiel aus einem Metall oder einer Metalllegierung gebildet sein, z.B aus einem Edelstahl wie 1 .4435, 1 .4404, Duplexstahl 1 .4462, Tantal, Titan, Silber, Messing, Bronze oder anderen. Die Wahl des Materials der Membran 7 kann von der beabsichtigten Anwendung abhängen, in der der Drucksensor eingesetzt werden soll. Zur Überwachung von Wasserstofftanks ist beispielsweise eine Membran 7 aus Bronze besonders vorteilhaft. Die Membran 7 kann mit dem Grundkörper durch eine Löt- oder Schweißverbindung verbunden sein. Das Material des Grundkörpers und des gesamten Gehäuses 4 kann ebenfalls ein Metall oder eine Metalllegierung sein, insbesondere kommen auch für das Gehäuse 4 die bereits als Membran-Materialien genannten Metalle oder Metalllegierungen in Frage.
Die Messeinheit 1 weist eine massive Wandung auf, die die Messkammer 5 einschließt. Durch die Wandung hindurch mündet das Kapillarrohr 3 in die Messkammer 5. Die Schallgeschwindigkeit in der kompressiblen Füllflüssigkeit, die die Messkammer 5 ausfüllt, ist vom in der Füllflüssigkeit herrschenden Druck abhängig. Im Gleichgewichtszustand ist dieser Druck gleich dem an der Vorderseite der druckabhängig ausgelenkten Membran 7 anliegenden Umgebungsdruck, bzw. dem Druck im Behälter, an dem der Drucksensor zur Messung befestigt ist. Dieser Umgebungsdruck ist somit durch eine Messung der Schallgeschwindigkeit in der Füllflüssigkeit ermittelbar. Darauf basiert das dem Drucksensor zugrundeliegende Messprinzip.
Die Messeinheit 1 kann einen oder mehrere Ultraschall-Wandler aufweisen. Im vorliegenden Beispiel sind zwei einander gegenüberliegende Ultraschall-Wandler 8, 9 von außen auf gegenüberliegenden Seitenwänden des Gehäuses 4 aufgesetzt. Es ist in einer alternativen Ausgestaltung auch möglich, dass Ultraschall-Wandler in die Wandung des Gehäuses integriert sind, so dass die Wandler in direktem Kontakt mit der in der Messkammer enthaltenen Füllflüssigkeit stehen. Die beiden Ultraschall- Wandler 8, 9 liegen im vorliegenden Beispiel einander derart gegenüber, dass eine zwischen ihnen verlaufende Messstrecke in Längsrichtung durch die Messkammer 5 und damit durch die die Messkammer 5 ausfüllende Füllflüssigkeit verläuft.
Die Ultraschallwandler 8, 9 sind mit einer Messschaltung 10 verbunden. Die Messschaltung 10 kann eine analoge Messschaltung sein. In vorteilhafter weise handelt es sich bei der Messschaltung 10 aber um eine Messelektronik, die einen Prozessor, Speicher und im Speicher abgelegte Betriebsprogramme umfasst, die von der Messelektronik zum Betreiben der Ultraschall-Wandler 8, 9 und zum Erfassen und Verarbeiten von Messsignalen der Ultraschall-Wandler 8, 9 für die Bestimmung von Druckmesswerten ausgeführt werden können. Den Druckmesswert kann die Messelektronik 10 über ein Display anzeigen und/oder über eine Kommunikationsschnittstelle drahtgebunden oder drahtlos, z.B. per Funk, an eine übergeordnete Einheit oder ein Bediengerät kommunizieren.
In Fig. 3 ist die zwischen den Ultraschall-Wandlern 8, 9 verlaufende Messstrecke 11 schematisch dargestellt, um das Prinzip der Druckmessung mit dem Drucksensor nach dem ersten Ausführungsbeispiel gern. Fig. 1 und 2 zu veranschaulichen. Die Messstrecke 11 verläuft zwischen dem Senderwandler 8 und dem Empfangswandler 9. Die als Senderwandler 8 und Empfangswandler 9 dienenden Ultraschall-Wandler 8, 9 können im Wesentlichen identisch ausgestaltet sein. Sie können beispielsweise piezoelektrische Wandler sein, aber auch magnetostriktive Wandler kommen in Frage.
Die Messschaltung 10 ist dazu eingerichtet, den Senderwandler 8 mit einem elektrischen Signal anzuregen, so dass er über die Wand des Gehäuses einen Ultraschallpuls 12 in die Messkammer 5 einkoppelt. Der Ultraschallpuls 12 gelangt nach Durchlaufen der Messstrecke 11 durch die Wand des Gehäuses zum Empfangswandler 9. Dieser wandelt empfangene Ultraschallsignale in ein elektrisches Messsignal um, das von der Messschaltung 10 empfangen und verarbeitet wird, um eine Laufzeit des Ultraschallpulses 12 durch die Füllflüssigkeit vom Senderwandler 8 zum Empfangswandler 9 zu ermitteln. Die tatsächliche Laufzeit k entlang der durch die Füllflüssigkeit verlaufenden Messstrecke der Länge L lässt sich unter Verwendung der an den Grenzflächen zwischen der Gehäusewand und der Flüssigkeit auftretenden Echo-Signale ermitteln.
Aus der ermittelten Laufzeit k lässt sich gemäß dem Zusammenhang die Schallgeschwindigkeit c der vom Senderwandler 8 emittierten Ultraschallwelle in der Füllflüssigkeit ermitteln. Diese ist temperatur- und druckabhängig. Um einen Druckmesswert aus der Schallgeschwindigkeit zu ermitteln, sollte daher die Temperatur in der Füllflüssigkeit bekannt sein und während der Messung möglichst homogen und konstant gehalten werden. Im vorliegenden Beispiel weist das Gehäuse 4 im Bereich der Messeinheit 2 daher eine massive Wandung auf, die für eine gleichmäßige Temperaturverteilung sorgt. Ein zusätzlicher Vorteil dieser massiven Wandung besteht auch darin, dass sie hohen Drucken, bei denen der Drucksensor eingesetzt werden kann, widersteht, ohne sich zu verformen.
Im vorliegenden Beispiel weist der Drucksensor einen Temperaturfühler 13 auf, der zur Temperaturkompensation verwendet werden kann. Der Temperaturfühler 13 ist mit der Messschaltung 10 verbunden, um dieser Temperatur-Messsignale zur Verfügung zu stellen. Die Messschaltung 10 ist dazu eingerichtet, die Temperatur-Messsignale zu empfangen und zu verarbeiten, insbesondere um einen auf eine Bezugstemperatur normierten Druckmesswert aus der gemessenen Laufzeit zu ermitteln. Hierzu können Kalibrierdaten in einem Speicher der Messschaltung 10 hinterlegt sein.
Im vorliegenden Beispiel hat die zwischen den Ultraschall-Wandlern 8, 9 verlaufende Messstrecke 11 eine zylindrische Form mit einem Durchmesser von 2-4 Millimetern und eine Länger zwischen 15 und 30 mm. Um das Volumen der Füllflüssigkeit möglichst gering zu halten, beträgt die Länge vorteilhaft nur zwischen 15 und 20 mm. Als Füllflüssigkeit wird ein Triglycerid verwendet, das bei Zimmertemperatur flüssig ist. Um eine ausreichende Genauigkeit der Druckmessung zu erreichen, ist es vorteilhaft, einen Temperaturfühler 13 mit einer Genauigkeit von ± 0,05 bis 0,01 K einzusetzen.
In Fig. 4 ist die Schallgeschwindigkeit des von dem Senderwandler 8 emittierten Ultraschalls bei 20 °C in einer Flüssigkeit auf Triglycerid-Basis als Funktion des Drucks aufgetragen. In einem Speicher der Messschaltung 10 sind solche Kennlinien der Schallgeschwindigkeit als Funktion des Drucks und der Temperatur hinterlegt, beispielsweise als Funktionen oder in Tabellenform, und die Messschaltung 10 ist dazu eingerichtet, anhand dieser Kennlinien aus der ermittelten Laufzeit oder aus der aus der Laufzeit abgeleiteten Schallgeschwindigkeit einen Messwert des an der Membran 7 des Drucksensors anliegenden Drucks zu ermitteln.
Geeignete kompressible Füllflüssigkeiten sind vorwiegend unpolare organische Flüssigkeiten, d.h. solche organischen Verbindungen, die in einem Anwendungstemperaturbereich, der z.B. in einem Intervall liegen kann, das seinerseits zwischen -40°C und 200 °C liegt, flüssig sind. Solche organischen Substanzen weisen typischerweise Haupt- oder Seitenketten mit mehr als 2 und weniger als 10 Kohlenstoff-Einheiten auf. Beispielsweise kommen gesättigte Alkohole, wie n-Oktanol, Propylenglycol oder Paraffine wie n-Decan, Ester wie Propylenglycoldicaprat, 1 ,2-Propylenglycoldiacetat, Propylencarbonat, kurzkettige Polysiloxane wie Decamethyltetrasiloxan in Frage. Vorteilhaft sind diese Stoffe im Anwendungstemperaturbereich, z.B. zwischen -40 °C und 200 °C, oder einem Intervall, das innerhalb dieser Grenzen liegt, z.B. 0 °C bis 100 °C, thermisch stabil.
Wird ein Öl, das ein Gemisch aus verschiedenen chemischen Verbindungen enthält, verwendet, ist es erforderlich oder zumindest vorteilhaft, die Kennlinien der Schallgeschwindigkeit als Funktion des Drucks und der Temperatur jeweils für eine gegebene Charge des Öls durch Kalibrierung bei der Herstellung des Drucksensors zu ermitteln und in einem Speicher des Drucksensors zu hinterlegen. Dies ist meist erforderlich, weil sich die genaue Zusammensetzung des Öls aus den einzelnen enthaltenen chemischen Verbindungen von Charge zu Charge unterscheiden kann. Bei manchen Ölen, z.B. Silikonölen, kann sich über die Lebenszeit des Drucksensors die molekulare Zusammensetzung des Öls und damit die physikalischen Eigenschaften der Füllflüssigkeit ändern. Dies kann Nachkalibrierungen des Drucksensors während seiner Betriebszeit erfordern.
Es ist deshalb vorteilhaft, als Füllflüssigkeit eine einzige Substanz mit einer Reinheit von mindestens 99 Vol-% zu verwenden, da in diesem Fall die entsprechenden Kennlinien der Reinsubstanz in der Messelektronik des Drucksensors hinterlegt werden können, die sich bei verschiedenen Chargen der Füllflüssigkeit nicht voneinander unterscheiden. Eine Erstkalibrierung bei der Herstellung des Drucksensors ist daher nicht erforderlich.
Da die Messstrecke 11 und die aus einem Reinstoff bestehende Füllflüssigkeit während der Lebensdauer des Drucksensors unverändert bleiben, zeigt die Messeinheit 1 des Drucksensors keinerlei Alterungserscheinungen. Anders als bei aus dem Stand der Technik bekannten Drucksensoren spielt eine Alterung oder Kriechen der Membran 7 keine Rolle, weil diese Effekte keine merklichen Auswirkungen auf die Komprimierung der Füllflüssigkeit und auf die Schallgeschwindigkeitsmessung entlang der Messstrecke in der Messeinheit haben. Anders als bei dem in DE 10 2005 009818 A1 als Füllflüssigkeit genannten Silikonöl, bleibt ein thermisch stabiler Reinstoff ais Füllflüssigkeit während der gesamten Betriebsdauer unverändert. Der hier beschriebene Drucksensor ermöglicht somit einen wartungsfreien Betrieb des Drucksensors über eine Betriebsdauer, die um Größenordnungen länger ist als die wartungsfreie Betriebsdauer herkömmlicher Drucksensoren. Insgesamt ist auch der Produktionsaufwand für den im vorliegenden Ausführungsbeispiel beschriebenen Drucksensor und die in den weiteren Ausführungsbeispielen beschriebenen Drucksensoren wesentlich geringer als der für piezoresistive Sensoren.
Das Gehäuse des Drucksensors kann vakuumdicht, beispielsweise aus Metall oder aus einer Metalllegierung, gefertigt sein. Das schließt für eine optimal ausgelegte Sensorkonstruktion ein Versagen der Fügestelle aus. Die einfache Konstruktion ermöglicht es, den Sensor für Hochdruckanwendungen von 100 bar bis 1500 bar oder mehr, z.B. zur Drucküberwachung von Wasserstofftanks, zu verwenden. Dafür kann als Membran 7 eine gegen Wasserstoffdiffusion dichte Membran verwendet werden. Der Sensor kann den gesamten Druckbereich zwischen 100 bar und bis zu 2000 bar oder sogar bis zu 5000 bar abdecken.
In Fig. 5 ist eine Messeinheit 21 für einen Drucksensor nach einem zweiten Ausführungsbeispiel dargestellt, die eine Druckmessung basierend auf einer Messung der Schallgeschwindigkeit ermöglicht. Die Messeinheit 21 dient zur Ermittlung einer die druckabhängige Schallgeschwindigkeit repräsentierenden Größe basierend auf einem Resonanzverfahren. In der Fig. 5 ist nur die Messeinheit 21 und ein Abschnitt des Kapillarrohrs 3 gezeigt, der die Messeinheit 21 mit der nicht dargestellten Membraneinheit des Drucksensors verbindet. Die Membraneinheit des Drucksensors nach dem zweiten Ausführungsbeispiel kann identisch ausgestaltet sein wie die Membraneinheit des Drucksensors gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, das anhand von Fig. 1 bis 3 beschrieben wurde.
Die Messeinheit 21 weist ein Gehäuse 4 auf, das die Messkammer 5 umgibt. Diese ist ganz analog wie beim ersten Ausführungsbeispiel mit einer kompressiblen Füllflüssigkeit gefüllt, die auch das Kapillarrohr 3 und eine in der Membraneinheit gebildete Druckkammer ausfüllt. Eine Auslenkung der Membran in Richtung der Druckkammer bewirkt somit eine Kompression der Füllflüssigkeit, die sich in einer Änderung der Schallgeschwindigkeit in der Füllflüssigkeit bemerkbar macht. Zur Erzeugung eines von der Schallgeschwindigkeit abhängigen Messsignals weist die Messeinheit 21 einen einzigen piezoelektrischen Wandler als Ultraschall-Wandler 28 auf. Weiter weist die Messeinheit 21 eine (in Fig. 5 nicht dargestellte) Messschaltung auf, die den piezoelektischen Wandler mit einem kontinuierlichen Anregungssignal anregt, dessen Frequenz als Funktion der zeit kontinuierlich erhöht oder verringert wird, im Folgenden als Frequenz-Sweep bezeichnet. Der Frequenzbereich dieses Frequenz-Sweeps kann eine Breite von ca. 0,3 bis 0,5 MHz aufweisen. Wenn der Abstand K zwischen den gegenüberliegenden Wänden der Messkammer 5 einem ganzzahligen Vielfachen n der halben Wellenlänge X der von dem Wandler 28 erzeugten Ultraschallwelle entspricht, bildet sich in der Messkammer 5 eine stehende Welle aus. Für die Frequenzen Fn, bei denen diese Resonanzbedingung erfüllt ist, gilt entsprechend die Gleichung „ nc K n, = — ■ 2K
Diese Resonanzfrequenzen Fn, bei denen sich eine solche stehende Welle in der Messkammer 5 ausbildet, lassen sich anhand der Impedanz des Ultraschall-Wandlers 28 und/oder der Phasendifferenz zwischen Anregungs- und Ausgangssignal des Ultraschall-Wandlers 28, im Folgenden kurz als Phase bezeichnet, ermitteln. Der typische Verlauf der Impedanz des Ultraschall-Wandlers 28 in der Messeinheit 21 gern. Fig. 5 als Funktion der Frequenz des Anregungssignals ist in Fig. 7 als gestrichelte Kurve (1) dargestellt. Die Messung wurde in einer Füllflüssigkeit auf Triglycerid-Basis durchgeführt. Bei den Resonanzfrequenzen ist eine sprunghafte Änderung der Impedanz zu erkennen. Der typische Verlauf der Phase als Funktion der Frequenz des Anregungssignals des Ultraschall- Wandlers 28 in der Messeinheit 21 gern. Fig. 5 ist in Fig. 8 als gestrichelte Kurve (1) dargestellt. Bei den Resonanzfrequenzen ist ein sprunghafter Anstieg der Phase zu erkennen. Die sprunghaften Änderungen der Impedanz und/oder Phase als Messsignal können von der Messschaltung zur Identifizierung der Resonanzfrequenzen verwendet werden. Basierend auf dem oben angegebenen Zusammenhang der Resonanzfrequenzen mit der Schallgeschwindigkeit, die wiederum von Druck und Temperatur abhängig ist, kann eine Messschaltung oder Messelektronik des Drucksensors aus den ermittelten Resonanzfrequenzen einen Druckmesswert ableiten.
Eine Änderung der Schallgeschwindigkeit in der Füllflüssigkeit durch eine Druckänderung und/oder Temperaturänderung verursacht eine Änderung der Resonanzfrequenzen. Bei der Ermittlung eines Druckmesswerts ist es daher vorteilhaft, mindestens zwei benachbarte Resonanzfrequenzen Fn und Fn+i zu ermitteln um den Wert von n gemäß dem Zusammenhang zu bestimmen.
Der mit dem Auffinden und Auswerten zweier benachbarter Resonanzfrequenzen verbundene Zeit- und Rechenaufwand kann vermieden werden, indem zwei Ultraschall-Wandler verwendet werden. Im Folgenden wird ein solches Ausführungsbeispiel anhand von Fig. 6 beschrieben. In Fig. 6 ist eine Messeinheit 31 eines Drucksensors nach einem dritten Ausführungsbeispiel dargestellt, bei der die Druckmessung ebenfalls basierend auf einer Messung der Schallgeschwindigkeit erfolgt. Wie die Messeinheit 21 des zweiten Ausführungsbeispiels weist die Messeinheit 31 ein Gehäuse 4 mit einer Wandung auf, die eine Messkammer 5 umgibt. Die Messkammer 5 ist mit einer kompressiblen Füllflüssigkeit ausgefüllt. Das Innere der Messkammer kommuniziert über das Kapillarrohr 3 mit einer Druckkammer einer in Fig. 6 nicht dargestellten Membraneinheit des Sensors, die analog ausgestaltet sein kann wie die Membraneinheit 2 des in Fig. 1 bis 3 dargestellten Drucksensors nach dem ersten Ausführungsbeispiel. Durch Auslenkung der Membran der Membraneinheit und Druckänderung in der kompressiblen Füllflüssigkeit ändert sich die Schallgeschwindigkeit in der Füllflüssigkeit.
Die Schallgeschwindigkeit von Ultraschall in der Füllflüssigkeit wird in der Messeinheit 31 des vorliegenden Ausführungsbeispiels mittels eines zum zuvor beschriebenen Beispiel alternativen Resonanzverfahrens ermittelt. Hierzu weist die Messeinheit 31 einen ersten Ultraschall-Wandler 38 auf, der auf eine erste Wand des Gehäuses 4 derart aufgesetzt ist, dass er Ultraschallwellen entlang einer durch die Messkammer 5 verlaufenden Messstrecke aussenden und/oder empfangen kann. Weiter weist die Messeinheit 31 einen zweiten Ultraschall-Wandler 39 auf, der auf einer der ersten Wand des Gehäuses 4 gegenüberliegenden Wand aufgesetzt ist, derart, dass er Ultraschallwellen entlang der Messstrecke in entgegengesetzter Richtung zu den von dem ersten Ultraschall-Wandler 38 ausgesendeten Ultraschallwellen aussenden und/oder empfangen kann. Eine mit den beiden piezoelektrischen Wandlern verbundene Messschaltung der Messeinheit 31 ist dazu eingerichtet, die Wandler 38, 39 mit gleicher Phase anzuregen und die Impedanz und/oder Phase des ersten und des zweiten Ultraschall-Wandlers 38, 39, die elektrisch parallel geschaltet sind, zu messen. Die Anregungsfrequenz wird dabei ganz analog wie beim zuvor beschriebenen zweiten Ausführungsbeispiel als Funktion der zeit in Form eines Frequenz-Sweeps variiert. Eine stehende Ultraschall-Welle bildet sich aus, wenn der Abstand K zwischen den gegenüberliegenden Wänden der Messkammer 5 einem geradzahligen Vielfachen n (mit n=2N) der halben Wellenlänge X der von den Wandlern 38, 39 ausgesendeten Ultraschallwellen entspricht. Bei Anregung der einander gegenüberliegenden Ultraschall-Wandler 38, 39 mit gleicher Phase treten keine Resonanzen für ungeradzahlige Vielfache der halben Wellenlänge entsprechend (n=2N+1) auf. In Fig. 7 und 8 sind die Verläufe von Impedanz und Phase eines der Wandler 38, 39 als Funktion der Frequenz jeweils als durchgezogene Kurve (2) dargestellt. Wie beim zweiten Ausführungsbeispiel wurden die Messsignale in einer Flüssigkeit auf Triglyceridbasis erfasst. Ist die voranstehend angegebene Resonanzbedingung erfüllt, zeigen die Impedanz bzw. die Phase jeweils eine sprunghafte Änderung. Es ist zu erkennen, dass mit der Messeinheit 31 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel ermittelte Resonanzen jeweils mit jeder zweiten der mit der Messeinheit 21 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel aufgefundenen Resonanzen zusammenfallen. In analoger Weise wie beim zweiten Ausführungsbeispiel kann die Messschaltung des Drucksensors nach dem dritten Ausführungsbeispiel dazu eingerichtet sein, anhand des Verlaufs von Impedanz oder der Phase Resonanzfrequenzen zu ermitteln und anhand der oben angegebenen Zusammenhänge einen Druckmesswert zu bestimmen. Vorteilhaft an der Messeinheit 31 ist, dass die Frequenzabstände zwischen den Resonanzfrequenzen so groß sind, dass der Frequenzbereich, in dem sich eine Resonanzfrequenz als Resultat einer Druck- und/oder Temperaturänderung in der Füllflüssigkeit verschiebt, typischerweise geringer ist als der Frequenzabstand zwischen zwei benachbarten Resonanzfrequenzen. Somit kann in der Regel ein Druckmesswert basierend auf der Ermittlung einer einzigen Resonanzfrequenz verlässlich bestimmt werden.
Bei beiden Ausführungsbeispielen zur Druckmessung mittels eines Resonanzverfahrens können die Messeinheiten 21 , 31 jeweils einen Temperatursensor aufweisen, dessen Messsignal zur Temperaturkompensation der Messwerte durch die Messschaltung dient. Dies kann in analoger Weise wie beim anhand von Fig. 1 bis 3 beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel geschehen.
Die Erfindung ist nicht auf die voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. So ist es möglich, die Schallgeschwindigkeit in der Füllflüssigkeit anhand weiterer alternativer, aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zu ermitteln. Auch ist es möglich, anstelle eines oder mehrerer piezoelektrischer Wandler andere Mittel zur Erzeugung stehender Wellen in der Füllflüssigkeit zu verwenden, z.B. magnetostriktive Wandler.
Bezugszeichen
Messeinheit Membraneinheit Kapillarrohr Gehäuse Messkammer Druckkammer Membran Sender-Wandler Empfangswandler Messschaltung Messstrecke Ultraschallpuls Messeinheit Ultraschall-Wandler Messeinheit Ultraschall-Wandler Ultraschall-Wandler

Claims

Patentansprüche
1. Drucksensor, insbesondere für Drucke von mehr als 100 bar, umfassend: ein Gehäuse (4), das ein dicht abgeschlossenes, mit einer kompressiblen Füllflüssigkeit gefülltes Volumen aufweist; wobei das Gehäuse (4) eine elastisch auslenkbare Membran (7) aufweist, die eine dem mit der Füllflüssigkeit gefüllten Volumen zugewandte Rückseite und eine der Rückseite gegenüberliegende Vorderseite aufweist, derart, dass die Membran (7) einen an der Vorderseite der Membran (7) anliegenden Druck auf die Füllflüssigkeit überträgt; und eine Messeinheit (1 , 21 , 31), die dazu eingerichtet ist eine von der Schallgeschwindigkeit in der Füllflüssigkeit abhängige Größe zu ermitteln, und anhand der gemessenen Größe einen Druckmesswert zu bestimmen, der den an der Vorderseite der elastisch auslenkbaren Membran (7) anliegenden Druck repräsentiert, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllflüssigkeit eine organische Verbindung enthält, die mit einem Volumenanteil von mehr als 99 % in der Füllflüssigkeit vorliegt.
2. Drucksensor nach Anspruch 1 , wobei die organische Verbindung eine unpolare Verbindung ist.
3. Drucksensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei der die organische Verbindung innerhalb eines vorgegebenen Druck-Messbereich des Sensors mindestens in einem Temperaturbereich zwischen 0 °C und 50 °C im flüssigen Aggregatzustand vorliegt.
4. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Verbindung ein gesättigter Alkohol, ein Ester, Ether oder ein aliphatischer Kohlenwasserstoff ist.
5. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Verbindung mindestens bis zu einer Temperatur von 100 °C thermisch stabil ist.
6. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Messeinheit (1) mindestens einen Ultraschall-Wandler (8, 9, 28, 38, 39), der zum Senden und/oder zum Empfangen von entlang einer Messstrecke (11) verlaufenden Ultraschallwellen an oder in einer Wand des Gehäuses (4) angeordnet ist, und eine Messschaltung (10), insbesondere eine Messelektronik, aufweist, die dazu eingerichtet ist, den mindestens einen Ultraschall-Wandler (8, 9, 28, 38, 39) zum Senden von Ultraschall-Wellen anzuregen und/oder Ausgangssignale des mindestens einen Ultraschall-Wandlers zu empfangen und zu verarbeiten, um einen Wert der von der Schallgeschwindigkeit der Ultraschallwellen in der Füllflüssigkeit abhängigen Größe zu ermitteln.
7. Drucksensor nach Anspruch 6, wobei das Gehäuse (4) die Messeinheit (1 , 21 , 31) und eine Membraneinheit (3) aufweist, und wobei das mit der Füllflüssigkeit gefüllte Volumen eine in der Messeinheit (1 , 21 , 31) gebildete Messkammer (5), ein Kapillarrohr (3) und eine in der Membraneinheit (2) gebildete und von der Membran (7) abgeschlossene Druckkammer (6) aufweist, wobei die Messkammer (5) und die Druckkammer (6) über das Kapillarrohr (3) miteinander kommunizieren, und wobei die Messstrecke (11) durch die Messkammer (5) verläuft.
8. Drucksensor nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Messschaltung (10) weiter dazu eingerichtet ist, aus dem ermittelten Wert der Größe den Druckmesswert zu bestimmen.
9. Drucksensor nach Anspruch 8, weiter umfassend einen Temperaturfühler (13), der dazu eingerichtet ist, ein von der Temperatur der Füllflüssigkeit abhängiges elektrisches Messsignal zu erzeugen.
10. Drucksensor nach Anspruch 9, wobei die Messschaltung (10) dazu eingerichtet ist, bei der Ermittlung von Druckmesswerten Messsignale des Temperaturfühlers (13) für eine Temperaturkompensation zu verwenden.
11. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die von der Schallgeschwindigkeit in der Füllflüssigkeit abhängige Größe eine Laufzeit eines Ultraschallpulses entlang der Messstrecke (11) ist.
12. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die von der Schallgeschwindigkeit der Füllflüssigkeit abhängige Größe eine Resonanzfrequenz, bei der sich entlang der Messstrecke (11) eine stehende Welle ausbildet, oder eine von einer Resonanzfrequenz abhängige Größe ist.
13. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei eine die Messkammer (5) umgebende Wandung des Gehäuses (4) eine Wandstärke von mindestens 2 bis 6 mm aufweist.
14. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die elastisch auslenkbare Membran aus einer Metalllegierung, z.B. einem Edelstahl, einem Duplexstahl, Tantal, Titan, Silber, Messing oder Bronze besteht.
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