WO2014154696A1 - Druckmesszelle zur erfassung des druckes eines an die messzelle angrenzenden mediums - Google Patents

Druckmesszelle zur erfassung des druckes eines an die messzelle angrenzenden mediums Download PDF

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    • G01L9/125—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in capacitance, i.e. electric circuits therefor with temperature compensating means

Definitions

  • Pressure measuring cell for detecting the pressure of a medium adjacent to the measuring cell
  • the invention relates to a pressure measuring cell for detecting the pressure of a medium adjacent to the measuring cell according to the preamble of patent claim 1.
  • Such pressure measuring cells are known and are used in many areas of process technology for process monitoring.
  • the measuring cell For measuring the pressure of a medium adjacent to the measuring cell, the measuring cell has an elastic measuring membrane which is deflected as a function of the pressure prevailing inside the medium, the deflection or reversible deformation of the membrane being converted into a corresponding electrical measuring signal by electromechanical means.
  • a capacitive e- lektromechanischer converter forms on the side facing away from the medium side of the measuring membrane measuring electrode together with a counter-electrode disposed on a base body a measuring capacitor whose capacitance changes depending on the pressure-induced deflection of the measuring membrane.
  • the measuring diaphragm forms, together with the main body, a measuring chamber which is pressure-tight with respect to the medium.
  • the temperature or slow temperature changes of the main body can be determined by measuring its change. be determined temperature and corrected with these temperature ⁇ measured values of the pressure reading accordingly.
  • this correction method nevertheless leads to an erroneous jump of the calculated pressure measured value, which only slowly with the slow warming of the entire pressure measuring cell on the correct reading goes back.
  • DE 40 11 901 A1 discloses a capacitive pressure measuring cell in which a resistance track of a material with a temperature-dependent resistor is arranged on the measuring diaphragm, this resistance track being placed in a circle around the circular measuring electrode forming a capacitor plate of the measuring capacitor.
  • the production of such, a resistance track having measuring membrane is complex and therefore leads to high production costs.
  • a pressure measuring cell having the features of patent claim 1.
  • Such a pressure measuring cell for detecting the pressure of a medium adjacent to the pressure measuring cell which has an elastic measuring membrane whose first side is at least partially in contact with the medium and whose second side is remote from the medium, and one of the second side of the measuring membrane opposite arranged base body characterized, is characterized in that for measuring the temperature of the measuring membrane by detecting the radiated from the second side of the infrared radiation of the base body is formed with an infrared sensor.
  • a pressure measuring cell according to the invention can be produced with a few additional costs, since as infrared sensors commercially available and therefore cost-effective, e- lektronische components, such as infrared (IR) - detecting diodes or transistors are available.
  • IR infrared
  • the base body for receiving the infrared sensor on the externa ßeren contour of the infrared sensor adapted receiving opening can be easily realized, so that the infrared-sensitive detection surface of the infrared sensor is aligned with the measuring membrane.
  • the measuring membrane forms together with the main body a pressure-tight measuring chamber, wherein a measuring electrode and a counter electrode is arranged on the base body to form a measuring capacity on the second side of the measuring membrane.
  • the infrared sensor is arranged in such a pressure measuring cell in a continuous receiving opening of the base body, of course, the infrared sensor relative to the base body must be sealed accordingly to maintain the Druckdich activity of the measuring chamber.
  • the infrared sensor is arranged on the base body, then only the connecting leads of the infrared sensor guided through the main body are to be sealed off from the base body.
  • the measuring diaphragm and / or the base body are / is made of a ceramic material
  • the pressure measuring cell according to the invention can be used to advantage for the construction of pressure transmitter.
  • Figure 1 is a schematic sectional view 'of a pressure measuring cell as a first embodiment according to the invention.
  • Figure 2 is a schematic sectional view of a pressure measuring cell as a second embodiment according to the invention.
  • FIG. 1 shows a capacitive measuring cell 1 with a measuring chamber 6 formed from a base body 3 made of ceramic and a measuring diaphragm 2 also made of ceramic.
  • the measuring diaphragm 2 and the base body 3 are peripherally provided by an example made of glass or a glass for producing the pressure-tight measuring chamber 6 Glass spacer produced spacers 3a kept at a distance.
  • the measuring diaphragm 2 With its outer first side 2a, the measuring diaphragm 2 is in contact with a medium whose pressure is to be measured with the measuring cell 1.
  • the inner second side 2b of the measuring diaphragm 2 is covered with a circular measuring electrode 7 which, together with a circular counterelectrode 8 arranged on the opposite surface of the main body 3, forms a measuring capacitor whose measured capacitance depends on the deflection of the measuring diaphragm 2 caused by the media pressure ,
  • the counterelectrode 8 is enclosed by an annular reference electrode 9 which, together with the measuring electrode 7, forms a reference capacitor whose reference capacitance is almost constant due to its position at the outer edge of the measuring chamber 6, in which the measuring diaphragm exhibits substantially no deflection.
  • the measuring electrode 7, the counter electrode 8 and the reference electrode 9 are respectively Connected via connecting lines 7a, 8a and 9a with an electronic unit (not shown) of the measuring cell 1.
  • An infrared sensor 4 is received by a centrally arranged in the base body 13 receiving opening 5, which is also guided through the counter electrode 8, so that their infrared-sensitive De Stammionsflache 4b is directed to the opposite measuring diaphragm 2.
  • the infrared radiation of the measuring diaphragm 2 can be detected by this infrared sensor 4, and its temperature can be determined from the measuring signal of the infrared sensor 4 available on two connecting lines 4a.
  • the infrared sensor 4 is pressure-tightly mounted in the base body 3.
  • the connection lines 4a of the infrared sensor 4 are also connected to the electronic unit on the back of the main body 3 for the evaluation of the measurement signals.
  • FIG. 2 further embodiment of a pressure measuring cell 1 according to the invention differs from that of Figure 1 only by the arrangement of Infra ⁇ red sensor 4 in the measuring chamber 6.
  • the infrared sensor 4 is not from a receiving opening of the Base body 3 is received, but is arranged in a recess of the counter electrode 8 directly on the base body 3 in a central position, so that. only the connection lines 4a of the infrared sensor 4 pressure-tight guided by the base body 3.
  • the infrared radiation ⁇ the measuring diaphragm 2 is detek- advantage from the infrared sensor 4, and generates a corresponding measurement signal, which is evaluated by the electronic unit.
  • the measurement-error-related pressure measuring signals are the are generated by the measuring capacitor, corrected or compensated by means of the temperature measuring signals of the infrared sensor 4 according to a pre ⁇ given algorithm.

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Abstract

Die Erfindung betrifft Druckmesszelle (1) zur Erfassung des Druckes eines an die Druckmesszelle (1) angrenzenden Mediums, die eine elastische Messmembran (2), deren erste Seite (2a) zumindest teilweise mit dem Medium in Kontakt steht und deren zweite Seite (2b) von dem Medium abgewandt ist, und die einen der zweiten Seite (2b) der Messmembran (2) gegenüberliegend angeordneten Grundkörper (3) umfasst. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zur Temperaturmessung der Messmembran (2) durch Erfassung der von deren zweiten Seite (2b) abgestrahlten Infrarot-Strahlung der Grundkörper (3) mit einem Infrarot-Sensor (4) ausgebildet ist.

Description

Druckmesszelle zur Erfassung des Druckes eines an die Messzelle angrenzenden Mediums
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Druckmesszelle zur Erfassung des Druckes eines an die Messzelle angrenzenden Mediums gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Solche Druckmesszellen sind bekannt und werden in vielen Bereichen der Prozesstechnik zur Prozessbeobachtung eingesetzt. Zur Druckmessung eines an die Messzelle angrenzenden Mediums weist die Messzelle eine elastische Messmembran auf, die in Abhängigkeit von dem innerhalb des Mediums herrschenden Druck ausgelenkt wird, wobei die Auslenkung bzw. reversible Deforma tion der Membran in ein korrespondierendes elektrisches Messsignal elektromechanisch gewandelt wird. Als kapazitiver e- lektromechanischer Wandler bildet eine auf der dem Medium abgewandten Seite der Messmembran angeordnete Messelektrode zusammen mit einer auf einem Grundkörper gegenüberliegend angeordneten Gegenelektrode einen Messkondensator, dessen Kapazität sich in Abhängigkeit der druckbedingten Auslenkung der Messmembran ändert. Die Messmembran bildet zusammen mit dem Grundkörper eine gegenüber dem Medium druckdichte Messkammer.
Bei diesen kapazitiven Druckmesszellen besteht das Problem, dass bei einem Medium mit schnell wechselnden Temperaturen Messfehler bei der Messung des Druckes auftreten, da die Messemembran in direktem Kontakt mit dem Medium steht und daher von dessen Temperaturschwankungen beeinflusst wird.
Es ist bekannt, dass die Temperatur bzw. langsame Temperaturänderungen des Grundkörpers durch Messung von dessen Umge- bungstemperatur ermittelt werden und mit diesen Temperatur¬ messwerten der Druckmesswert entsprechend korrigiert wird. Bei einem großen Temperaturunterschied zwischen der Messemembran und dem Grundkörper der Druckmesszelle, insbesondere wenn sich die Temperatur des Mediums schnell bzw. schlagartig ändert, führt diese Korrekturmethode trotzdem zu einem fehlerhaften Sprung des berechneten Druckmesswertes, der erst mit dem langsamen Durchwärmen der gesamten Druckmesszelle langsam auf den richtigen Messwert zurückgeht.
Des Weiteren ist es zur Bestimmung eines temperaturkompensierten Druckmesswertes bekannt, sowohl die Temperatur des Grundkörpers der Druckmesszelle als auch die Temperatur von deren Messmembran zu messen und mittels dieser beiden Temperaturmesswerte den Druckmesswert zu kompensieren.
So ist beispielsweise aus der DE 40 11 901 AI eine kapazitive Druckmesszelle bekannt, bei welcher auf der Messmembran eine Widerstandsbahn aus einem Werkstoff mit temperaturabhängigem Widerstand angeordnet ist, wobei diese WiderStandsbahn kreisförmig um die eine Kondensatorplatte des Messkondensators bildende kreisförmige Messelektrode gelegt ist. Die Herstellung einer solchen, eine Widerstandsbahn aufweisenden Messmembran ist aufwändig und führt daher zu hohen Herstellungskosten.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Druckmesszelle der eingangs genannten Art anzugeben, welche eine einfache und genaue Temperaturmessung der Messmembran einer Druckmesszelle erlaubt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Druckmesszelle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Eine solche Druckmesszelle zur Erfassung des Druckes eines an die Druckmesszelle angrenzenden Mediums, welche eine elastische Messmembran, deren erste Seite zumindest teilweise mit dem Medium in Kontakt steht und deren zweite Seite von dem Medium abgewandt ist, und einen der zweiten Seite der Messmembran gegenüberliegend angeordneten Grundkörper aufweist, zeichnet sich dadurch aus, dass zur Temperaturmessung der Messmembran durch Erfassung der von deren zweiten Seite abgestrahlten Infrarot-Strahlung der Grundkörper mit einem Infrarot-Sensor ausgebildet ist .
Der Vorteil einer solchen erfindungsgemäßen Druckmesszelle liegt in dem einfachen Aufbau, da die Messmembran nicht verän dert werden muss, insbesondere keine weiteren Schichten zur Herstellung von beispielsweise WiderStandsbahnen und deren Kontaktierungen erforderlich sind.
Ferner hat sich mit dieser erfindungsgemäßen Druckmesszelle gezeigt, dass eine schnelle bzw. abrupte Temperaturänderung des Mediums ebenso schnell und unmittelbar detektierbar ist.
Schließlich kann eine solche erfindungsgemäße Druckmess zelle mit wenigen zusätzlichen Kosten hergestellt werden, da als Infrarot-Sensoren marktübliche und daher kostengünstige, e- lektronische Bauelemente, wie beispielsweise Infrarot ( IR) - detektierende Dioden oder Transistoren zur Verfügung stehen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Grundkörper zur Aufnahme des Infrarot-Sensors eine der äu ßeren Kontur des Infrarot-Sensors angepasste Aufnahmeöffnung auf. Ein solcher Grundkörper lässt sich einfach realisieren, so dass die infrarotempfindliche Detektionsfläche des Infrarot-Sensors auf die Messmembran ausgerichtet ist. Alternativ ist es gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, auf der der zweiten Seite der Messmembran gegenüberliegenden Seite des Grundkörpers den Infrarot-Sensor anzuordnen. Bei einer solchen Anordnung auf dem Grundkörper sind lediglich Durchkontaktierungen für die Anschlussleitungen des Infrarot-Sensors erforderlich.
Wird die erfindungsgemäße Druckmesszelle weiterbildungsgemäß als kapazitive Messzelle aufgebaut, bildet die Messmembran zu sammen mit dem Grundkörper eine druckdichte Messkammer, wobei zur Bildung einer Messkapazität auf der zweiten Seite der Messmembran eine Messelektrode und auf Grundkörper eine Gegen elektrode angeordnet ist.
Ist bei einer solchen Druckmesszelle der Infrarot-Sensor in einer durchgehenden Aufnahmeeröffnung des Grundkörpers angeordnet, muss natürlich der Infrarot-Sensor gegenüber dem Grundkörper entsprechend abgedichtet werden, um die Druckdich tigkeit der Messkammer aufrechtzuerhalten. Wird dagegen der Infrarot-Sensor auf dem Grundkörper angeordnet, sind lediglic die durch den Grundkörper geführten Anschlussleitungen des Infrarot-Sensors gegenüber dem Grundkörper abzudichten.
Schließlich ist es vorteilhaft, wenn die Messmembran und/oder der Grundköper aus einem Keramikmaterial hergestellt sind/ist
Die erfindungsgemäße Druckmess zelle kann mit Vorteil zum Aufbau von Druckmessumformer verwendet werden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ausführlich beschrieben. Es zeigen: Figur 1 eine schematische Schnittdarstellung' einer Druckmesszelle als erstes Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung, und
Figur 2 eine schematische Schnittdarstellung einer Druckmesszelle als zweites Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung .
Figur 1 zeigt eine kapazitive Messzelle 1 mit einer aus einem Grundkörper 3 aus Keramik und einer ebenso aus Keramik hergestellten Messmembran 2 gebildeten Messkammer 6. Die Messmembran 2 und der Grundkörper 3 sind zur Herstellung der druckdichten Messkammer 6 randseitig über einen bspw. aus Glas oder einer Glaslegierung hergestellten Abstandshalter 3a auf Abstand gehalten.
Mit ihrer äußeren ersten Seite 2a steht die Messmembran 2 mit einem Medium in Kontakt, dessen Druck mit der Messzelle 1 gemessen werden soll. Die innere zweite Seite 2b der Messmembran 2 ist mit einer kreisförmigen Messelektrode 7 belegt, die zusammen mit einer auf der gegenüberliegenden Oberfläche des Grundkörpers 3 angeordneten, kreisförmigen Gegenelektrode 8 einen Messkondensator bildet, dessen gemessene Kapazität von der durch den Mediendruck bewirkten Auslenkung der Messmembran 2 abhängt. Die Gegenelektrode 8 wird von einer kreisringförmigen Referenzelektrode 9 umschlossen, die zusammen mit der Messelektrode 7 einen Referenzkondensator bildet, dessen Referenzkapazität aufgrund deren Position am äußeren Rand der Messkammer 6, in dem die Messmembran wesentlichen keine Auslenkung zeigt, nahezu konstant ist. Die Messelektrode 7, die Gegenelektrode 8 sowie die Referenzelektrode 9 werden jeweils über Anschlussleitungen 7a, 8a bzw. 9a mit einer Elektronikeinheit (nicht dargestellt) der Messzelle 1 verbunden.
Ein Infrarot-Sensor 4 wird von einer in dem Grundkörper 13 zentrisch angeordneten Aufnahmeöffnung 5, die auch durch die Gegenelektrode 8 geführt ist, aufgenommen, so dass deren infrarotempfindliche Defektionsflache 4b auf die gegenüberliegende Messmembran 2 gerichtet ist. Damit kann von diesem Infrarot-Sensor 4 die Infrarotstrahlung der Messmembran 2 detek- tiert werden und aus dem an zwei Anschlussleitungen 4a zur Verfügung stehenden Messsignal des Infrarot-Sensors 4 deren Temperatur bestimmt werden. Gegenüber der Druckkammer 6 ist der Infrarot-Sensor 4 druckdicht in dem Grundkörper 3 montiert. Die Anschlussleitungen 4a des Infrarot-Sensors 4 werden auf der Rückseite des Grundkörpers 3 zur Auswertung der Messsignale ebenso mit der Elektronikeinheit verbunden.
Das in Figur 2 dargestellte weitere Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Druckmess zelle 1 unterscheidet sich von derjenigen nach Figur 1 lediglich durch die Anordnung des Infra¬ rot-Sensors 4 in der Messkammer 6. Bei dieser Druckmesszelle 1 wird der Infrarot-Sensor 4 nicht von einer Aufnahmeöffnung des Grundkörpers 3 aufgenommen, sondern ist in einer Aussparung der Gegenelektrode 8 direkt auf dem Grundkörper 3 in einer zentralen Lage angeordnet, so dass . lediglich die Anschlussleitungen 4a des Infrarot-Sensors 4 druckdicht durch den Grundkörper 3 geführt. In dieser zentralen Lage wird die Infrarot¬ strahlung der Messmembran 2 von dem Infrarot-Sensor 4 detek- tiert und ein entsprechendes Messsignal erzeugt, welches von der Elektronikeinheit ausgewertet wird.
Bei diesen beiden Ausführungsbeispielen gemäß den Figuren 1 und 2 werden die messfehlerbehafteten Druckmesssignale, die von dem Messkondensator erzeugt werden, mittels der Temperaturmesssignale des Infrarot-Sensors 4 entsprechend eines vor¬ gegebenen Algorithmus korrigiert bzw. kompensiert.
Bezugs zeichen
1 Druckmesszelle
2 Messmembran
2a erste Seite der Messmembran 2
2b zweite Seite der Messmembran 2
3 Grundkörper
3a Abstandshalter
4 Infrarot-Sensor
4a Anschlussleitungen des Infrarot-Sensors 4
4b Detektionsfläche des Inf arot-Sensors 4
5 Aufnahmeöffnung des Grundkörpers
6 Messkammer der Druckmesszelle 1
7 Messelektrode
7a Durchkontaktierung der Messelektrode 7
8 Gegenelektrode
8a Durchkontaktierung der Gegenelektrode
9 Referenzelektrode
9a Durchkontaktierung der Referenzelektrode

Claims

Patentansprüche
1. Druckmesszelle (1) zur Erfassung des Druckes eines an die Druckmesszelle (1) angrenzenden Mediums, umfassend
- eine elastische Messmembran (2), deren erste Seite (2a) zumindest teilweise mit dem Medium in Kontakt steht und deren zweite Seite (2b) von dem Medium abgewandt ist, und
- einen der zweiten Seite (2b) der Messmembran (2) gegenüberliegend angeordneten Grundkörper (3),
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
zur Temperaturmessung der Messmembran (2) durch Erfassung der von deren zweiten Seite (2b) abgestrahlten Infrarot- Strahlung der Grundkörper (3) mit einem Infrarot-Sensor (4) ausgebildet ist.
2. Druckmesszelle (1) nach Anspruch 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
der Infrarot-Sensor (4) zentrisch in Bezug auf die zweite
Seite (2b) der Messmembran (2) angeordnet ist.
3. Druckmesszelle (1) nach Anspruch 1 oder 2,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
der Grundkörper (3) zur Aufnahme des Infrarot-Sensors (4) eine der äußeren Kontur des Infrarot-Sensors (4) ange- passte Aufnahmeöffnung (5) aufweist.
4. Druckmesszelle (1) nach Anspruch 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
auf der der zweiten Seite (2b) der Messmembran (2) gegenüberliegenden Seite des Grundkörpers (3) der Infrarot- Sensor (4) angeordnet ist. Druckmesszelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
zur kapazitiven Erfassung des in dem Medium herrschenden Druckes der Grundkörper (3) zusammen mit der Messmembran (2) eine druckdichte Messkammer (6) bildet, wobei zur Bildung einer Messkapazität auf der zweiten Seite (2b) der Messmembran (2) eine Messelektrode (7) und auf dem Grundkörper (3) eine Gegenelektrode (8) angeordnet ist.
Druckmesszelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Messmembran (2) und/oder der Grundköper (3) aus einem
Keramikmaterial hergestellt sind/ist.
Druckmessumformer mit einer Druckmesszelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche .
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