WO2006072420A1 - Druckaufnehmer mit oberflächenwellensensor - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a pressure sensor having at least one membrane for protecting the pressure-sensitive element according to the features of the preamble of patent claim 1.
- Each cap has centrally on the body side a recess, which are connected via channels, which are usually designed as holes with Flanschanêtn.
- the center distance of these channels is specified at the flange connections by standardization.
- the measuring unit is housed in a measuring chamber, on both pressure feed sides by a separation membrane from the process medium is separated.
- the measuring chamber is filled with an incompressible diaphragm seal. If the separating diaphragm is damaged, aggressive process fluid enters the measuring chamber and damages the measuring unit. Such damage can be recognized during normal use - if at all - only at great expense.
- the invention is therefore based on the object to provide means that signal damage to the separation membranes in a simple manner.
- the surface wave sensor consists essentially of a
- Transmitting element a receiving element and an intermediate running distance.
- the transmitting element and the receiving element consist of two comb-like interdigitated, conductive electrodes, so-called IDT's (interdigital transducer), on an insulating substrate.
- IDT's interdigital transducer
- Transmitting element and the receiving element is the sensitive area of
- the transmitting element is energized with an alternating voltage.
- the piezoelectric effect generates a mechanical surface wave that propagates in both directions. After a transit time, which is dependent on the substance in the sensitive area of the surface wave sensor, the surface wave is received by the receiving element.
- the sensitive area of the surface acoustic wave sensor is wetted by a diaphragm seal. If the separating diaphragm is damaged, the process medium is mixed under the diaphragm seal. This causes a change in substance in the sensitive region of the surface wave sensor, which is reflected in a different signal propagation delay between the transmitting element and the receiving element. Each time change is therefore an indication of damage to the pressure sensor and as such signaled.
- Figure 1 is a sectional view of a measuring cell
- Figure 2 is a schematic diagram of a sensor device
- FIG. 1 shows a measuring cell 10 of a differential pressure sensor in a sectional representation of its essential elements.
- Each differential pressure sensor has two pressure feed sides, whose like elements for this illustration are distinguished by reference numerals with the indices a and b below.
- Each pressure supply side has a measuring chamber 14a and 14b which is separated from the process medium by a separation membrane 11a and 11b.
- the measuring chamber 14a and 14b is connected via a channel 13a and 13b to the two pressure sides of a pressure-sensitive measuring element 12.
- the measuring chamber 14a and 14b and the channel 13a and 13b are filled with an incompressible diaphragm seal. Regularly silicone oil is used as a pressure transmitter.
- each measuring chamber 14a and 14b at least one surface wave sensor 15a and 15b housed and surrounded by the pressure averaging.
- the surface wave sensor 15a and 15b essentially consists of a transmitting element 1a, a receiving element 1b and a running path therebetween.
- the transmitting element 1a and the receiving element 1b consist of two comb-like interdigitated, conductive electrodes, so-called IDTs (interdigital transducer), on an insulating substrate 4.
- IDTs interdigital transducer
- the transmitting element and the receiving element is the sensitive area 2 of the surface acoustic wave sensor.
- the transmitting element 1a is energized with an alternating voltage. Via the piezoelectric effect, a mechanical surface wave 3 is generated, which propagates in both directions. After a transit time that is dependent on the substance in the sensitive area 2 of the surface wave sensor, the surface wave 3 is picked up by the receiving element 1b.
- the sensitive area 2 of the surface wave sensor 15a and 15b is wetted by a pressure transmitter. If the separating diaphragm 11a or 11b is damaged, the process medium is mixed under the diaphragm seal. This causes a change in substance in the sensitive region 2 of the surface wave sensor 15a or 15b, which is reflected in a different signal propagation delay between the transmitting element 1a and the receiving element 1b.
- the transmitting element 1 a and the receiving element 1 b are connected to an amplifier 6 to a resonant circuit 5.
- Resonance frequency is interpreted as leakage of the separation membrane 11a and 11b with subsequent change of the filling liquid.
- surface wave sensors are used, which respond when exceeding a threshold value.
- a second surface wave sensor is provided as reference sensor 16a and 16b in at least one measuring chamber 14a and 14b.
- the reference sensor 16a and 16b is encapsulated.
- the temperature-dependent frequency changes of the surface acoustic wave sensors 15a and 15b and the reference sensors 16a and 16b of the same measuring chamber 14a and 14b are the same.
- the frequency changes of the surface acoustic wave sensors 15a and 15b and the reference sensors 16a and 16b are compared. This compensates for the influence of temperature on the frequency changes.
- the temperature compensation then comes with a reference sensor 16a or 16b.
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Drucksensor, dessen Messzelle (10) mit mindestens einer Membran (11 a, 11 b) zum Schutz des drucksensitiven Elements (12) und einer druckmittlerbefüllten Messkammer (14a, 14b) ausgestattet ist, in der das drucksensitive Element (12) untergebracht ist. Zur Überwachung der Membran (11 a, 11 b) auf Beschädigung wird vorgeschlagen, in der druckmittlerbefüllten Messkammer mindestens einen Oberflächenwellensensor (15a, 15b, 16a, 16b) anzuordnen. Bei Beschädigung der Membran (11 a, 11 b) wird Prozessmedium unter den Druckmittler gemischt. Damit wird eine Substanzänderung im sensitiven Bereich des Oberflächenwellensensors hervorgerufen, die sich in einer abweichenden Signallaufzeit niederschlägt. Jede Laufzeitänderung ist ein Indiz für eine Beschädigung des Drucksensors und als solche signalisierbar.
Description
DRUCKAUFNEHMER MIT OBERFLÄCHENWELLENSENSOR
Die Erfindung betrifft einen Drucksensor mit mindestens einer Membran zum Schutz des drucksensitiven Elements nach dem Merkmalen des Oberbgriffs des Patentanspruchs 1.
Derartige Drucksensoren sind durch Vorbenutzung und aus einschlägigen Veröffentlichungen bekannt. Deren grundlegender mechanischer Aufbau ist in der GB 2 065 893 und der EP 0 143 702 detailliert beschrieben. Unabhängig von der Art der Umsetzung von mechanischen Druck-/Differenzdrucksignalen in äquivalente elektrische Größen ist gemäß beiden Vorveröffentlichungen ein im wesentlichen zylindrischer Zentralkörper vorgesehen, der unter Verwendung entsprechender Dichtungsmittel zwischen zwei gleichartige schalenförmige Kappen eingeschlossen ist. Diese Kappen sind mit einer Mehrzahl von radial angeordneten und mechanisch vorgespannten Bolzen miteinander verschraubt, wobei die mechanische Vorspannung der Bolzen so gewählt ist, daß bei maximal zulässiger statischer Druckbelastung ein Druckverlust am Zentralkörper vermieden wird.
Jede Kappe weist zentral körperseitig eine Ausnehmung auf, die über Kanäle, die üblicherweise als Bohrungen ausgeführt sind, mit Flanschanschlüssen verbunden sind. Der Mittelabstand dieser Kanäle ist an den Flanschanschlüssen durch Normung vorgegeben.
Das Messwerk ist in einer Messkammer untergebracht, die auf beiden Druckzuführungsseiten durch jeweils eine Trennmembran vom Prozessmedium
separiert ist. Die Messkammer ist mit einem inkompressiblen Druckmittler befüllt. Bei beschädigter Trennmembran gelangt agressives Prozessmedium in die Messkammer und beschädigt das Messwerk. Derartige Beschädigungen sind während des bestimmungsgemäßen Gebrauchs - wenn überhaupt - nur unter sehr hohem Aufwand zu erkennen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Mittel anzugeben, die auf einfache Weise Beschädigungen der Trennmembranen signalisieren.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Mitteln des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 5 beschrieben.
Ausgehend von einem Drucksensor der gattungsgemäßen Art ist in der druckmittlerbefüllten Messkammer mindestens ein Oberflächenwellensensor untergebracht. Der Oberflächenwellensensor besteht im wesentlichen aus einem
Sendeelement, einem Empfangselement und einer dazwischen liegenden Laufstrecke.
Das Sendeelement und das Empfangselement bestehen aus zwei kammartig ineinandergreifenden, leitfähigen Elektroden, sogenannte IDT's (interdigital transducer), auf einem isolierenden Substrat. Die Laufstrecke zwischen dem
Sendeelement und dem Empfangselement ist der sensitive Bereich des
Oberflächenwellensensors.
Das Sendeelement wird mit einer Wechselspannung erregt. Über den piezoelektrischen Effekt wird eine mechanische Oberflächenwelle erzeugt, die sich in beide Richtungen ausbreitet. Nach einer Laufzeit, die von der Substanz im sensitiven Bereich des Oberflächenwellensensors abhängig ist, wird die Oberflächenwelle vom Empfangselement aufgenommen.
Während des bestimmungsgemäßen Gebrauchs des unbeschädigten Drucksensors ist der sensitive Bereich des Oberflächenwellensensors von Druckmittler benetzt. Bei Beschädigung der Trennmembran wird Prozessmedium unter den Druckmittler gemischt. Damit wird eine Substanzänderung im sensitiven Bereich des Oberflächenwellensensors hervorgerufen, die sich in einer abweichenden Signallaufzeit zwischen dem Sendeelement und dem Empfangselement niederschlägt.
Jede Laufzeitänderung ist demnach ein Indiz für eine Beschädigung des Drucksensors und als solche signalisierbar.
Vorteilhafterweise sind darüber hinaus alle Arten der chemischen oder physikalischen Substanzänderung im sensitiven Bereich des Oberflächenwellensensors, unabhängig von deren Ursache und Zustandekommen erkennbar.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend am Beispiel eines Differenzdrucksensors näher erläutert. Die dazu erforderlichen Zeichnungen zeigen:
Figur 1 eine geschnittene Darstellung einer Messzelle
Figur 2 eine Prinzipdarstellung einer Sensoreinrichtung
In Figur 1 ist eine Messzelle 10 eines Differenzdrucksensors in geschnittener Darstellung ihrer wesentlichen Elemente gezeigt. Jeder Differenzdrucksensor hat zwei Druckzuführungsseiten, deren gleichartige Elemente für diese Darstellung nachstehend durch Bezugszeichen mit den Indizes a und b unterschieden werden. Jede Druckzuführungsseite weist eine Messkammer 14a und 14b auf, die durch eine Trennmembran 11a und 11b vom Prozessmedium separiert ist. Die Messkammer 14a und 14b ist über einen Kanal 13a und 13b mit den beiden Druckseiten eines drucksensitiven Messelements 12 verbunden. Die Messkammer 14a und 14b und der Kanal 13a und 13b sind mit einem inkompressiblen Druckmittler befüllt. Regelmäßig ist Silikonöl als Druckmittler eingesetzt.
In jeder Messkammer 14a und 14b ist mindestens ein Oberflächenwellensensor 15a und 15b untergebracht und vom Druckmittler umspült.
Der Oberflächenwellensensor 15a und 15b besteht gemäß Figur 2 im wesentlichen aus einem Sendeelement 1a, einem Empfangselement 1 b und einer dazwischen liegenden Laufstrecke. Das Sendeelement 1a und das Empfangselement 1b bestehen aus zwei kammartig ineinandergreifenden, leitfähigen Elektroden, sogenannte IDTs (interdigital transducer), auf einem isolierenden Substrat 4. Die Laufstrecke zwischen
- A -
dem Sendeelement und dem Empfangselement ist der sensitive Bereich 2 des Oberflächenwellensensors.
Das Sendeelement 1a wird mit einer Wechselspannung erregt. Über den piezoelektrischen Effekt wird eine mechanische Oberflächenwelle 3 erzeugt, die sich in beide Richtungen ausbreitet. Nach einer Laufzeit, die von der Substanz im sensitiven Bereich 2 des Oberflächenwellensensors abhängig ist, wird die Oberflächenwelle 3 vom Empfangselement 1b aufgenommen.
Während des bestimmungsgemäßen Gebrauchs des unbeschädigten Drucksensors ist der sensitive Bereich 2 des Oberflächenwellensensors 15a und 15b von Druckmittler benetzt. Bei Beschädigung der Trennmembran 11a oder 11b wird Prozessmedium unter den Druckmittler gemischt. Damit wird eine Substanzänderung im sensitiven Bereich 2 des Oberflächenwellensensors 15a oder 15b hervorgerufen, die sich in einer abweichenden Signallaufzeit zwischen dem Sendeelement 1a und dem Empfangselement 1b niederschlägt.
Das Sendeelement 1a und das Empfangselement 1 b sind mit einem Verstärker 6 zu einem Schwingkreis 5 verschaltet.
Sobald sich die Zusammensetzung des Silikonöl ändert, sei es durch Membranriß oder durch Zersetzung, lagern sich andere Substanzen auf dem sensitive Bereich 2 ab oder die Massenbelegung ändert sich, so daß sich die Laufzeit des Oberflächenwelle 3 ändert. Die veränderte Laufzeit verstimmt den Schwingkreis 5, dessen Resonanzfrequenz das eigentliche Meßsignal darstellt. Die Änderung der
Resonanzfrequenz wird als Undichtigkeit der Trennmembran 11a und 11b mit darauf folgender Änderung der Füllflüssigkeit gedeutet.
Auf diese Weise gelingt es, neben der Vermischung von Silikonöl mit dem Prozessmedium auch den Verlust des Silikonöls und / oder dessen Zersetzung zu erfassen.
Die Sensitivität von Oberflächenwellensensoren kann wie folgt abgeschätzt werden. Für ein LiTaO3 Oberflächenwellenelement wird in der Literatur eine Massenempfindlichkeit von Sm = -0,043 *f bei einer Betriebsfrequenz von 300 MHz
angegeben. Silikonöl hat eine Dichte von 924 kg/m3. Eine Konzentrationsänderung im Bereich von 10'4, beispielsweise durch Eindringen von Wasser, führt zu einer Frequenzänderung von einem Hertz.
In besonderer Ausgestaltung der Erfindung werden Oberflächenwellensensoren eingesetzt, die bei Überschreitung eines Schwellwertes ansprechen. Vorteilhafterweise wird dadurch die Überwachung der Oberflächenwellensensoren vereinfacht und das Datenvolumen im Austausch mit einer übergeordneten Einrichtung begrenzt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist unter Rückgriff auf Figur 1 in mindestens einer Messkammer 14a und 14b ein zweiter Oberflächenwellensensor als Referenzsensor 16a und 16b vorgesehen. Der Referenzsensor 16a und 16b ist gekapselt. Die temperaturabhängigen Frequenzänderungen der Oberflächenwellensensoren 15a und 15b und der Referenzsensoren 16a und 16b derselben Messkammer 14a und 14b sind gleich. Die Frequenzänderungen der Oberflächenwellensensoren 15a und 15b und der Referenzsensoren 16a und 16b werden verglichen. Dadurch wird der-Temperatureinfluß auf die Frequenzänderungen kompensiert.
In Abhängigkeit von der Bauform und dem thermischen Eigenschaften des Materials der Messzelle 10 kann vorgesehen sein, die Frequenzänderungen der Oberflächenwellensensoren 15a und 15b mit einem Referenzsensor 16a oder 16b zu vergleichen. Vorteilhafterweise kommt die Temperaturkompensation dann mit einem Referenzsensor 16a oder 16b aus.
* * * * *
Bezugszeichenliste
1a Sendeelement
1 b Empfangselement
2 sensitiver Bereich
3 Oberflächenwelle
4 Substrat
5 Schwingkreis
6 Verstärker
10 Messzelle
11a, 11b Trennmembran
12 Messelement
13a, 13b Kanal
14a, 14b Messkammer
15a, 15b Oberflächenwellensensor
16a. 16b Referenzsensor
Claims
1. Drucksensor mit mindestens einer Membran zum Schutz des drucksensitiven Elements, das in einer druckmittlerbefüllten Messkammer untergebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Messkammer (14a, 14b) mindestens ein druckmittlerbenetzter Oberflächenwellensensor (15a, 15b) angeordnet ist.
2. Drucksensor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Oberflächenwellensensor (15a, 15b, 16a, 16b) ein Sendeelement (1a) und ein Empfangselement (1b) aufweist, die mit einem Verstärker (6) zu einem Schwingkreis (5) verschaltet sind.
3. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Oberflächenwellensensor (15a, 15b) eine Schwellwertschaltung umfasst.
4. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 und 3 dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Messkammer (14a, 14b) ein gekapselter Oberflächenwellensensor (16a, 16b) angeordnet ist, der dem druckmittlerbenetzten Oberflächenwellensensor (15a, 15b) derselben Messkammer (14a, 14b) zugeordnet ist.
5. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 und 3 dadurch gekennzeichnet, dass in einer Messkammer (14a, 14b) ein gekapselter Oberflächenwellensensor (16a, 16b) angeordnet ist, der beiden druckmittlerbenetzten Oberflächenwellensensoren (15a, 15b) zugeordnet ist.
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