WO2020187761A1 - Multifunktionaler sensor für die prozess- oder versorgungstechnik - Google Patents

Multifunktionaler sensor für die prozess- oder versorgungstechnik Download PDF

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WO2020187761A1
WO2020187761A1 PCT/EP2020/056909 EP2020056909W WO2020187761A1 WO 2020187761 A1 WO2020187761 A1 WO 2020187761A1 EP 2020056909 W EP2020056909 W EP 2020056909W WO 2020187761 A1 WO2020187761 A1 WO 2020187761A1
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pressure
pressure surge
sensor
switch
measuring
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Application number
PCT/EP2020/056909
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English (en)
French (fr)
Inventor
Gilbert Alexander Erdler
Stefan Klehr
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
    • G01L19/06—Means for preventing overload or deleterious influence of the measured medium on the measuring device or vice versa
    • G01L19/0618—Overload protection
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
    • G01L19/06—Means for preventing overload or deleterious influence of the measured medium on the measuring device or vice versa
    • G01L19/0609—Pressure pulsation damping arrangements

Definitions

  • Multifunctional sensor for process or supply technology
  • the invention relates to a multifunctional sensor for process or supply technology.
  • a micromechanically manufactured combined pressure and acceleration sensor in which the acceleration sensor has a seismic mass which is connected to a substrate material via a spring structure.
  • the pressure sensor is designed in the seismic mass in the form of a cavity closed by a membrane. Piezoelectric sensor elements are arranged at the transition between the spring structure and the substrate material and in the edge area of the membrane.
  • the known sensor is used, for example, for tire pressure measurement or the detection of a side impact in the automotive sector.
  • pressure and acceleration sensors are known in which the pressure sensor is formed on the substrate material next to the acceleration sensor.
  • a micromechanically produced combined pressure and acceleration sensor for measuring tire pressure is also known from EP 1 429 130 A1.
  • the pressure sensor is formed in a first plate and the acceleration sensor in a second plate, which are assembled to form a stack with the interposition of a third plate.
  • the first plate contains a chamber that is closed on the side facing away from the third plate by a measuring membrane and thus forms a closed pressure measuring cell.
  • the second plate contains an opening in which a mass is suspended via Federele elements. The measurement is carried out capacitively with the help of electrodes on the membrane and the mass and counterelectrodes on the third plate.
  • a micromechanically manufactured acceleration sensor in which a resilient cantilever beam made of electrically conductive material extends over a conductive substrate and with this forms an acceleration-dependent switch that closes a circuit when a predetermined acceleration is reached.
  • Several such cantilever beams with different lengths can be arranged next to one another on the substrate in order to detect different accelerations.
  • Applications for the known acceleration sensor are in the automotive sector (airbag, anti-lock braking or suspension systems) and for monitoring aircraft.
  • each sensor module consists of a substrate with a specific sensor structure or micromechanical functional structure.
  • the different sensor modules are arranged one above the other in a stack and are connected to one another by wafer bonding.
  • a pressure measuring device in which a pressure to be measured with the interposition of a separating membrane with a fluid pressure transmitter on a piezoresistive pressure sensor is transmitted.
  • the maximum deflection of the separating diaphragm is mechanically limited and the pressure sensor is also movably held on a mechanically preloaded overload membrane which, when the separating membrane is maximally deflected, releases a volume-variable compensation space to accommodate excess diaphragm seal.
  • a pressure measuring device is known from WO 03/025534 A1, in which a pressure to be measured is transmitted to a pressure sensor with the interposition of a double membrane system with a pressure transmitter.
  • the double diaphragm system has two parallel diaphragms with an evacuated or liquid-filled gap that is monitored for changes that are caused by destruction of the outer diaphragm on the side of the pressure to be measured.
  • the monitoring can be carried out by means of a pressure switch that detects a pressure increase in the space.
  • the distance between the membranes can be monitored by means of a capacitor having an electrode on each of the two membranes.
  • the known sensors in particular acceleration sensors, are used to detect z.
  • B. Broken pipes in water supply networks are not or only partially suitable.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a simple sensor for use in systems of process or supply technology in order to be able to detect and localize sudden faults in fluid-carrying system parts, in particular pipelines.
  • the object is achieved by the multifunctional sensor defined in claim 1, of which advantageous developments are given in the subclaims.
  • the subject of the invention is therefore a multifunctional sensor for process or supply technology with the following features: - a process connection housing with an opening on the process side,
  • a pressure sensor for measuring a pressure of a process fluid is arranged in the process connection housing,
  • a pressure surge limit value detector for detecting a pressure surge of the process fluid that has reached a predetermined limit value
  • the pressure surge limit indicator has a pressure surge absorbing element with a fluidic bypass, so that the pressure surge absorbing element is insensitive to static pressures,
  • the multifunctional sensor according to the invention thus has a pressure sensor and a pressure surge limit value indicator.
  • the pressure surge limit indicator is basically to be distinguished from an acceleration sensor, which has an elastically mounted seismic mass, whereby an acceleration to be measured or detected acts on the sensor or the housing in which it is installed, while the seismic Mass remains at rest due to its inertia.
  • a pressure surge in the process fluid acts on the pressure surge-absorbing element of the pressure surge limit value indicator, which is deflected so far that the switch is closed when a minimum level of pressure surge is reached or exceeded.
  • a static or comparatively slowly changing pressure acts through the fluidic bypass through to the pressure surge absorbing element of the pressure surge limit indicator.
  • the switch of the pressure surge limit monitor can be arranged in a circuit which is designed to switch sensor electronics of the multifunctional sensor or parts of the sensor electronics from an inactive (idle or standby) state to an active state.
  • the sensor electronics can contain measurement electronics and communication electronics, the measurement electronics processing sensor signals from the pressure sensor into pressure measurement values that are obtained from the Communication electronics can be transmitted wirelessly or wired to a further processing unit. In the event that z. If, for example, pressure measurement values are only to be transmitted to the processing unit after a pressure surge event, the communication electronics can remain in an inactive state for most of the time and are only activated for transmission of pressure measurement values when a pressure surge event is detected Pressure surge event. In this way, the energy requirement of the multifunctional sensor can be reduced.
  • the multifunctional Sen sor or self-sufficient for example by photo cells or by means of a battery, is supplied and the transmission of the pressure measured values wirelessly, z. B. via radio.
  • the sensor electronics can be designed to carry out the pressure measurement by means of the pressure sensor only in the active state.
  • the multifunctional sensor can have sensor electronics with a ring memory (first-in first-out buffer) for measured values supplied by the pressure sensor, and the switch can have a circuit be arranged, which is designed to trigger the sensor electronics to stop the measured value storage after a predetermined number of subsequent measured values or after a predetermined time has elapsed (data logger for pressure measured values).
  • the pressure sensor can be monitored for overload with the help of the pressure surge limit monitor if a pressure surge exceeds a maximum permissible operating pressure at which the sensor can be irreversibly damaged and lose its high level of accuracy.
  • the switch can be arranged in a circuit which is designed to report a potential overload of the pressure measuring cell to the sensor electronics of the multifunctional sensor.
  • the detection of the pressure surge event or the pressure measurement values stored and / or transmitted in connection with the pressure surge event can be provided with a time stamp which, for example, supplies ge from an internal clock of the multifunctional sensor can be.
  • the internal clock can e.g. B. be syn chronized via radio.
  • the switch of the pressure surge limit indicator can be designed as a microswitch which is actuated by the pressure surge absorbing element when the predetermined limit value is reached.
  • the pressure surge absorbing element can have a contact which, together with a mating contact, forms the switch.
  • the pressure surge limit indicator can be constructed in the form of a measuring cell, in which the elastically deflectable pressure surge absorbing element is designed as a membrane that closes off a measuring space; the measuring cell contains outside the membrane, for. B. in the measuring cell wall, an opening that forms the fluidic bypass by connecting the measuring area with the environment of the pressure surge limit monitor.
  • the measuring chamber can be closed off by the elastically deflectable pressure surge absorbing element, leaving at least one gap opening that forms the fluidic bypass and connecting the measuring chamber to the surroundings of the pressure surge limit indicator, the pressure surge absorbing element being elastically deflectable via the at least one gap opening.
  • the pressure surge limit indicator closes the measuring space with at least one further pressure surge absorbing element leaving at least one further gap opening, the further pressure surge absorbing element being elastically deflectable via the at least one further gap opening and when a further predetermined limit value is reached, another switch closes.
  • the pressure surge absorbing elements are either under- differently dimensioned so that they are deflected to different degrees with the same pressure surge, or the switching paths, e.g. B. the distances between the electrodes and Jacobelektro are different, so that the switches close one after the other.
  • a further pressure surge limit value indicator is provided with a further elastically deflectable element and a further switch, the switch of the pressure surge limit value indicator or a contact of this switch being arranged on the further elastically deflectable element.
  • the pressure surge absorbing element of the pressure surge limit indicator is deflected to such an extent that the switch is closed.
  • the pressure surge absorbing element with further deflection takes the further elastically deflectable element of the further pressure surge limit indicator with it until the further switch is closed.
  • at least one additional pressure surge limit value indicator with an additional elastically deflectable element and an additional switch can be provided so that three or more pressure surges of different magnitude can be detected.
  • the pressure sensor can be connected to the process-side opening of the process connection housing via a fluidic low pass so that hard pressure surges of the process fluid are kept away from the pressure sensor or attenuated.
  • the fluidic low pass can be formed in a simple manner by the fluidic bypass of the pressure surge limit value indicator.
  • the bypass acts as a throttle, so that part of the energy of the pressure surge is absorbed by the pressure surge absorbing element of the pressure surge limit indicator and bends in the process. This part of the energy therefore does not reach the pressure sensor.
  • the pressure sensor can be designed in the form of a pressure measuring cell with a measuring membrane and in the process connection housing with its The measuring membrane should be arranged facing the opening on the process side, the pressure surge limit indicator being arranged in the process connection housing between the pressure measuring cell and the process-side opening and the pressure surge-absorbing element opposite a pressure measuring space between the pressure measuring cell and the pressure surge limit indicator the process-side opening closes in such a way that the pressure measuring chamber is only fluidly connected to the process-side opening via the bypass.
  • a compressible element can be inserted in the pressure measuring chamber, which is compressed in the event of a pressure surge, or the pressure measuring chamber can be connected to an air chamber via a membrane, which on the one hand promotes the deflection of the pressure surge absorbing element and on the other hand increases the low-pass effect.
  • the pressure surge absorbing element can have a contact which, together with a counter contact, forms the switch. Since the measuring membrane of the pressure measuring cell remains steady thanks to the fluidic bypass in the event of pressure surges, the counter-contact of the switch can be formed on the measuring membrane in a simple manner.
  • the mating contact can be formed on a support, for example a cantilever beam, arranged in the pressure measuring space between the pressure measuring cell and the pressure surge limit indicator.
  • the pressure measuring cell and the pressure surge limit indicator can be used as micromechanical structures on substrates, e.g. B. semi-conductor substrates formed, the z. B. can be arranged side by side or as a stack and connected to one another.
  • FIG. 1 shows an embodiment of the multifunctional sensor according to the invention
  • Fig. 2 to 11 different examples of a combined pressure sensor and pressure surge limit alarm in a longitudinal section or plan view and
  • Fig. 1 shows a multifunctional sensor 1 for the process or supply technology with a cylindrical process connection housing 2 made of metal, which contains an opening 3 on the process side.
  • the opening 3 can be closed Help directly to the process with a diaphragm seal, not shown here, and with a transmission liquid, for. B. oil, be filled.
  • the process connection housing 2 has a thread 4 with which it can be, for. B. can be screwed into a pipeline, not shown here and carrying a process fluid.
  • alternative fastening means can be provided.
  • a pressure sensor 5 and a pressure surge limit indicator 6 are arranged in the process connection housing 2 and in fluidic connection with the opening 3, a pressure sensor 5 and a pressure surge limit indicator 6 are arranged.
  • the pressure sensor 5 is here in the form of a pressure measuring cell 7, more precisely differential pressure measuring cell, with a measuring membrane 8, which on its side facing the opening 3 with the process pressure and on its rear side via a pneumatic line 9 with the outside air (atmospheric pressure ) connected is.
  • the pressure surge limit detector 6 is designed to detect pressure surge in the process fluid when it reaches or exceeds a predetermined limit value.
  • the process connection housing 2 On its side facing away from the process, has a housing cap 10 which encloses a space for the electronics 11 of the multifunctional sensor 1.
  • the pressure sensor 5 and the pressure surge limit indicator 6 are connected to the electronics 11 via electrical lines 12.
  • Fig. 2 shows an embodiment for a combined pressure sensor 5 and pressure surge limit indicator 6 in a longitudinal section.
  • the pressure measuring cell 7 is closed on the process side by the measuring membrane 8 and contains an opening 13 on its rear side for connection to outside air.
  • piezoresistors 14 are placed that detect a pressure-dependent deflection of the measuring membrane.
  • the pressure surge limit indicator 6 is arranged in the process connection housing between the pressure measuring cell 7 and the process-side opening 3 (see. Fig. 1) and closes the process-side opening 3 with an elastically deflectable pressure surge absorbing element 15, leaving a one free
  • the by pass 16 acts as a throttle for, for. B. the transmission liquid speed in the opening 3, and therefore forms a fluidic low pass that keeps hard pressure surges of the process fluid from the pressure sensor 5.
  • a static or slowly changing pressure acts unhindered through the fluidic bypass 16 through the pressure surge absorbing element 15 of the pressure surge limit indicator 6 past.
  • the pressure surge absorbing element 15 has a contact 20 which, together with a mating contact 21, forms a switch 22 which closes when a pressure surge reaches or exceeds a predetermined limit value.
  • the switching contacts 20, 21 and the piezoresistors 14 are connected via lines or conductive structures to contact surfaces 23 in the edge region of the pressure shock limit indicator 6.
  • the mating contact 21 of the switch 22 is formed on a carrier 24 in the form of a cantilever beam arranged in a pressure measuring chamber 18 between the pressure measuring cell and the pressure surge limit indicator 6.
  • a symbol represented here by a gas bubble can be in the pressure measuring space 18 compressible element or a compressible body 19 can be inserted, which is compressed in the event of a pressure surge and thereby both favors the deflection of the pressure surge absorbing element 15 and increases the above-mentioned low-pass effect.
  • FIG. 3 shows an alternative embodiment in which the mating contact 21 is formed on the measuring membrane 8.
  • the compressible element 19 is here, for. B. in the form of an air chamber in a side wall of the pressure measuring chamber 18.
  • FIG. 4 shows the pressure surge limit indicator 6 from FIG. 2 or 3 in a top view.
  • the pressure surge absorbing element 15 is designed in the form of a spring element 25, on which a paddle 26 is formed, which can be elastically deflected via the gap opening 17.
  • FIG. 5 shows an alternative embodiment in which the pressure surge absorbing element 15 is designed as a disk 27 which is suspended via spring elements 28 at three points evenly distributed over its circumference.
  • a further pressure surge limit indicator 29 and an additional pressure surge limit indicator 30, each with a further and additional elastically deflectable element 31, 32, are arranged between the pressure measuring cell 7 and the pressure surge limit indicator 6.
  • the further deflectable element 31 carries the symbols clock 21 of the switch 22 and also a contact 33 of a further, second switch 34, the mating contact 35 on the additional elastically deflectable element 32 is arranged.
  • This additional elastically deflectable element 32 for its part has a contact 36 which, together with a mating contact 37 on the measuring membrane 8 of the pressure measuring cell 7, forms an additional, third switch 38.
  • the pressure surge absorbing element 15 of the first pressure surge limit value indicator 6 is deflected to such an extent that the switch 22 is closed.
  • the pressure shock absorbing element 15 takes the second elastically deflectable element 31 of the second pressure surge limit value indicator 29 with further deflection until the second switch 34 closes when a second Grenzwer tes is reached.
  • the second elastically deflectable element 31 takes the third elastically deflectable element 32 of the third pressure surge limit value indicator 30 with it when a third limit value is reached, until the third switch 38 also closes when a third limit value is reached. In this way it is possible to detect up to three different pressure surges. Since the elastically deflectable elements 31 and 32 do not absorb any pressure, but are instead deflected by a different elastic element 15 or 31, respectively, they can, in contrast to the pressure shock absorbing element 15, be designed as simple bending bars.
  • two pressure surge absorbing elements 15, 39 are arranged in a common plane so that they together open the process-side opening 3 of the multifunctional sensor 1 Let the gap opening 17 complete.
  • the further elastically deflectable pressure surge absorbing element 40 has a further contact 40 which, together with a further counter contact 41, here on the measuring membrane 8, forms a further switch 42.
  • the pressure surge absorbing elements 15, 40 are dimensioned differently, so that they are deflected to different degrees for the same pressure surge so that the switches 22, 42 close when different limit values are reached.
  • Fig. 8 shows an alternative embodiment of the pressure surge limit indicator 6 in plan view, in which the two pressure surge absorbing elements 15, 39 are arranged side by side are and are elastically deflectable via different gap openings 17, 43.
  • FIGS. 9 and 10 show, in a perspective view and in a partial longitudinal section, a further exemplary embodiment in which the pressure surge limit indicator 6 in addition to the pressure sensor 5 (here e.g. pressure measuring cell 7 with measuring membrane 8) on a carrier 44, here a T08 socket is arranged.
  • the pressure surge limit indicator 6 is constructed as a measuring cell 45 in which the elastically deflectable pressure surge absorbing element 15 is designed as a membrane 46 and closes off a measuring space 47.
  • the fluidic bypass 16 is formed here by a lateral opening 48 in the measuring cell wall, which connects the measuring space 47 with the surroundings of the pressure surge limit indicator 6.
  • the switch 22 with its contacts not shown here is in the form of a microswitch in the example shown here
  • the measuring cell base can be in the form of a membrane
  • the membrane 46 of the pressure surge limit value indicator 6 is deflected to such an extent that the microswitch 49 is closed. If the pressure surge exceeds the minimum height significantly, the membrane 50 is also deflected until it comes to rest against a fixed stop 51. Instead of the fixed stop 51, a second microswitch can also be seen, which has the same function as the second switch 34 shown in FIG. 6.
  • switching contacts can be provided instead of microswitches, as shown in FIGS are, as well as vice versa z. B. the switching contacts 20, 21 in FIGS. 2 and 3 can be replaced by microswitches arranged on the carrier 24.
  • FIG. 11 shows a variant of the embodiment of FIG. 2, in which the elastically deflectable pressure surge absorbing element 15 of the pressure surge limit indicator 6 is formed as a membrane 46 and the measuring chamber 47 or the pressure measuring chamber 18 between the pressure measuring cell 7 and the pressure surge Limit value detector 6 completes.
  • the fluidic bypass 16 is here by a side opening 48 in the measuring cell wall of the pressure shock limit indicator 6 is formed.
  • Fig. 12 shows an embodiment for the sensor electronics 11 (see. Fig. 1) with the pressure sensor 5 and the pressure surge limit indicator 6.
  • the sensor electronics 11 contains a measuring electronics 52, the sensor signals of the pressure sensor 5 processed to pressure measured values from a communication electronics 53 can be transmitted wirelessly via an antenna 54 or wired via a line 54 to a further processing unit, not shown here.
  • the switch 22 of the pressure surge limit indicator 6 is in a circuit 56 between a control voltage V and an activation input of the measuring electronics 52 or, as shown in dashed lines, egg nem activation input of the communication electronics 53 is arranged. If a pressure surge in the process reaches the limit value of the pressure surge limit indicator 6, the measurement electronics 52 are activated to record and, if necessary, evaluate pressure measurement values and the communication electronics 53 to transmit the pressure measurement values to the further processing unit.
  • FIG. 13 shows a further exemplary embodiment for the sensor electronics 11 with a ring memory 57 into which the pressure measurement values supplied by the measurement electronics 52 are continuously read. If a pressure surge in the process reaches the limit value of the pressure surge limit indicator 6, the storage process is only continued for a predetermined number of subsequent pressure measurements, so that the ring memory 57 finally records a number of the pressure surge event and a further number of thereafter the determined pressure readings. Using these measured pressure values, the pressure surge event can be analyzed either locally by further components of the sensor electronics 11 (not shown here) or in the remote processing unit.

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Abstract

Ein multifunktionaler Sensor weist folgende Merkmale auf: - ein Prozessanschlussgehäuse mit einer prozessseitigen Öffnung, - in dem Prozessanschlussgehäuse ist ein Drucksensor (5) zum Messen eines Drucks eines Prozessfluids angeordnet, - in dem Prozessanschlussgehäuse ist ein Druckstoß-Grenzwertmelder (6) zum Detektieren eines einen vorgegebenen Grenzwert erreichenden Druckstoßes des Prozessfluids angeordnet, - der Druckstoß-Grenzwertmelder (6) weist ein druckstoßaufnehmendes Element (15) mit einem fluidischen Bypass (16) auf, so dass das druckstoßaufnehmende Element (15) gegen statische Drücke unempfindlich ist, - ein Schalter (22), der von dem druckstoßaufnehmenden Element (15) bei Erreichen des vorgegebenen Grenzwertes geschlossen wird.

Description

Beschreibung
Multifunktionaler Sensor für die Prozess- oder Versorgungs technik
Die Erfindung betrifft einen multifunktionalen Sensor für die Prozess- oder Versorgungstechnik .
In der Prozesstechnik (z. B. Chemie-, Lebensmittel- und Phar maindustrie) oder Versorgungstechnik (z. B. Gas- und Wasser versorgung oder Abwasserentsorgung) werden Fluide unter Druck durch Rohrleitungen transportiert.
Es besteht daher das Bedürfnis, plötzlich auftretende Störun gen, wie z. B. Rohrbrüche, schnell detektieren und lokalisie ren zu können. Dazu sind in weiträumig verteilten Anlagen oder Netzen sehr viele Messstellen erforderlich. Geeignete Messgeräte (Sensoren) sind jedoch oft teuer, und ihr Gesamt- Energieverbrauch, insbesondere bei einer Dauerüberwachung, sehr hoch.
Aus der DE 10 2005 055 473 Al ist ein mikromechanisch herge stellter kombinierter Druck- und Beschleunigungssensor be kannt, bei dem der Beschleunigungssensor eine seismische Mas se aufweist, die über eine Federstruktur mit einem Substrat material verbunden ist. Der Drucksensor ist in der seismi schen Masse in Form einer von einer Membran abgeschlossenen Kavität ausgebildet. An dem Übergang zwischen der Federstruk tur und dem Substratmaterial sowie im Randbereich der Membran sind piezoelektrische Sensorelemente angeordnet. Der bekannte Sensor wird beispielsweise für die Reifendruckmessung oder die Detektion eines Seitenaufpralls im Automobilbereich ver wendet .
Aus der US 7,223,624 B2 und US 2011/159627 Al sind ähnliche Druck- und Beschleunigungssensoren bekannt, bei denen der Drucksensor auf dem Substratmaterial neben dem Beschleuni gungssensor ausgebildet ist. Aus der EP 1 429 130 Al ist ebenfalls ein mikromechanisch hergestellter kombinierter Druck- und Beschleunigungssensor für die Reifendruckmessung bekannt. Der Drucksensor ist in einer ersten Platte und der Beschleunigungssensor in einer zweiten Platte ausgebildet, die unter Zwischenlage einer dritten Platte zu einem Stapel zusammengefügt sind. Die erste Platte enthält eine Kammer, die auf der von der dritten Plat te abgewandte Seite durch eine Messmembran abgeschlossen ist und so eine geschlossene Druck-Messzelle bildet. Die zweite Platte enthält eine Öffnung, in der eine Masse über Federele mente aufgehängt ist. Die Messung erfolgt kapazitiv mit Hilfe von Elektroden an der Membran und der Masse und Gegenelektro den an der dritten Platte.
Aus der US 6,235,550 Bl ist ein mikromechanisch hergestellter Beschleunigungssensor bekannt, bei dem sich ein federnder Kragbalken aus elektrisch leitendem Material über ein eben falls leitendes Substrat erstreckt und mit diesem einen be schleunigungsabhängigen Schalter bildet, der bei Erreichen einer vorgegebenen Beschleunigung einen Stromkreis schließt. Auf dem Substrat können mehrere solcher Kragbalken mit unter schiedlichen Längen nebeneinander angeordnet sein, um unter schiedliche Beschleunigungen zu detektieren. Anwendungen für den bekannten Beschleunigungssensor befinden sich im automo bilen Bereich (Airbag-, Antiblockier- oder Federungssysteme) und zur Überwachung von Flugzeugen.
Aus der DE 10 2010 039 057 Al ist ein multifunktionaler Sen sor bekannt, der aus Sensormodulen mit unterschiedlichen Sen sorfunktionen wie z. B. Druck-, Beschleunigungs- oder Tempe raturmessung besteht. Jedes Sensormodul besteht aus einem Substrat mit einer spezifischen Sensorstruktur bzw. mikrome chanischen Funktionsstruktur. Die unterschiedlichen Sensor- module sind in einem Stapel (Stack) übereinander angeordnet und durch Waferbonden miteinander verbunden.
Aus der DE 200 19 067 Ul ist eine Druckmesseinrichtung be kannt, bei der ein zu messender Druck unter Zwischenschaltung einer Trennmembran mit einem fluiden Druckmittler auf einen piezoresistiven Drucksensor übertragen wird. Zum Schutz des Drucksensors ist die maximale Auslenkung der Trennmembran me chanisch begrenzt und außerdem der Drucksensor beweglich an einer mechanisch vorgespannten Überlastmembran gehalten, die bei maximaler Auslenkung der Trennmembran einen volumenvari ablen Ausgleichsraum zur Aufnahme überschüssigen Druckmitt lers freigibt.
Aus der WO 03/025534 Al ist eine Druckmesseinrichtung be kannt, bei der ein zu messender Druck unter Zwischenschaltung eines Doppelmembransystems mit einem Druckmittler auf einen Drucksensor übertragen wird. Das Doppelmembransystem weist zwei parallele Membranen mit einem evakuierten oder flüssig keitsgefüllten Zwischenraum auf, der auf Veränderungen über wacht wird, welche durch eine Zerstörung der auf der Seite des zu messenden Drucks liegenden äußeren Membran verursacht werden. Die Überwachung kann mittels eines Druckschalters er folgen, der einen Druckanstieg in dem Zwischenraum erfasst. Alternativ kann der Abstand zwischen den Membranen mittels eines auf beiden Membranen jeweils eine Elektrode aufweisen den Kondensators überwacht werden.
Die bekannten Sensoren, insbesondere Beschleunigungssensoren, sind zu Detektion von z. B. Rohrbrüchen in Wasserversorgungs netzen nicht oder nur bedingt geeignet.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen einfa chen Sensor zum Einsatz in Anlagen der Prozess- oder Versor gungstechnik anzugeben, um dort plötzliche Störungen in flu idführenden Anlagenteilen, insbesondere Rohrleitungen, detek- tieren und lokalisieren zu können.
Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch den in Anspruch 1 definierten multifunktionalen Sensor gelöst, von dem vorteil hafte Weiterbildungen in den Unteransprüchen angegeben sind.
Gegenstand der Erfindung ist somit ein multifunktionaler Sen sor für die Prozess- oder Versorgungstechnik mit folgenden Merkmalen : - ein Prozessanschlussgehäuse mit einer prozessseitigen Öff nung,
- in dem Prozessanschlussgehäuse ist ein Drucksensor zum Mes sen eines Drucks eines Prozessfluids angeordnet,
- in dem Prozessanschlussgehäuse ist ein Druckstoß-Grenzwert melder zum Detektieren eines einen vorgegebenen Grenzwert erreichenden Druckstoßes des Prozessfluids angeordnet,
- der Druckstoß-Grenzwertmelder weist ein druckstoßaufnehmen- des Element mit einem fluidischen Bypass auf, so dass das druckstoßaufnehmende Element gegen statische Drücke unemp findlich ist,
- ein Schalter, der von dem druckstoßaufnehmenden Element bei Erreichen des vorgegebenen Grenzwertes geschlossen wird.
Der erfindungsgemäße multifunktionale Sensor weist also einen Drucksensor und einen Druckstoß-Grenzwertmelder auf. Dabei ist der Druckstoß-Grenzwertmelder grundsätzlich von einem Be schleunigungssensor zu unterscheiden, der eine elastisch ge lagerte seismische Masse aufweist, wobei eine zu messende oder detektierende Beschleunigung auf den Sensor bzw. das Ge häuse, in dem er verbaut ist, wirkt, während die seismische Masse aufgrund ihrer Trägheit in Ruhe bleibt. Im Unterschied dazu wirkt ein Druckstoß in dem Prozessfluid auf das druck stoßaufnehmende Element des Druckstoß-Grenzwertmelders, das bei Erreichen oder Überschreiten einer Mindesthöhe des Druck stoßes soweit ausgelenkt wird, dass der Schalter geschlossen wird. Ein statischer oder sich vergleichsweise langsam än dernder Druck wirkt dagegen durch den fluidischen Bypass hin durch an dem druckstoßaufnehmenden Element der des Druckstoß- Grenzwertmelders vorbei.
Der Schalter des Druckstoß-Grenzwertmelders kann in einem Stromkreis angeordnet sein, der dazu ausgebildet ist, eine Sensorelektronik des multifunktionalen Sensors oder Teile der Sensorelektronik aus einem inaktiven (Ruhe- oder Stand-by-) Zustand in einen aktiven Zustand zu versetzen. Die Sensor elektronik kann eine Messelektronik und eine Kommunikations elektronik enthalten, wobei die Messelektronik Sensorsignale des Drucksensors zu Druckmesswerten verarbeitet, die von der Kommunikationselektronik drahtlos oder drahtgebunden an eine weiterverarbeitende Einheit übertragen werden können. Für den Fall, dass z. B. Druckmesswerte nur nach einen Druckstoß-Er eignis an die weiterverarbeitende Einheit übertragen werden sollen, kann die Kommunikationselektronik über die meiste Zeit in einem inaktiven Zustand verharren und erst bei Detek tion eines Druckstoß-Ereignisses zur Übertragung von Druck messwerten aktiviert werden, die mit dem Druckstoß-Ereignis in Verbindung stehen. Auf diese Weise kann der Energiebedarf des multifunktionalen Sensors verringert werden. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der multifunktionale Sen sor oder autark, beispielsweise durch Fotozellen oder mittels einer Batterie, versorgt wird und die Übertragung der Druck messwerte drahtlos, z. B. über Funk, erfolgt. Wenn nur die auf das Druckstoß-Ereignis folgenden Druckmesswerte des Pro zessfluids von Interesse sind, kann die Sensorelektronik dazu ausgebildet sein, die Druckmessung mittels des Drucksensors nur im aktiven Zustand vorzunehmen.
Für den Fall, dass die Druckmesswerte des Prozessfluids vor und nach dem detektierten Druckstoß-Ereignis interessieren, kann der multifunktionale Sensor eine Sensorelektronik mit einem Ringspeicher (first-in first-out buffer) für von dem Drucksensor gelieferte Messwerte aufweisen und der Schalter in einem Stromkreis angeordnet sein, der dazu ausgebildet ist, die Sensorelektronik dazu zu triggern, die Messwertspei- cherung nach einer vorgegebenen Anzahl folgender Messwerte oder nach Ablauf einer vorgegebenen Zeit zu stoppen (Daten logger für Druckmesswerte) .
Wird die Druckmessung kontinuierlich durchgeführt, kann der Drucksensor mit Hilfe des Druckstoß-Grenzwertmelders auf Überlastung überwacht werden, wenn ein Druckstoß einen maxi mal zulässigen Betriebsdruck überschreitet, bei dem der Sen sor irreversibel geschädigt werden kann und seine hohe Ge nauigkeit verlieren kann. Dazu kann der Schalter in einem Stromkreis angeordnet sein, der dazu ausgebildet ist, der Sensorelektronik des multifunktionalen Sensors eine potenti elle Überlastung der Druck-Messzelle zu melden. In allen oben genannten Fällen kann die Detektion des Druck stoß-Ereignisses bzw. können die in Verbindung mit dem Druck stoß-Ereignis gespeicherten und/oder übertragenen Druckmess werte mit einem Zeitstempel versehen werden, der beispiels weise von einer inneren Uhr des multifunktionalen Sensors ge liefert werden kann. Die innere Uhr kann z. B. über Funk syn chronisiert werden.
Der Schalter des Druckstoß-Grenzwertmelders kann als Mikro schalter ausgebildet sein, der von dem druckstoßaufnehmenden Element bei Erreichen des vorgegebenen Grenzwertes betätigt wird. Alternativ kann das druckstoßaufnehmende Element einen Kontakt aufweisen, der zusammen mit einem Gegenkontakt den Schalter bildet.
Der Druckstoß-Grenzwertmelder kann in Form einer Messzelle aufgebaut sein, bei der das elastisch auslenkbare druckstoß aufnehmende Element als Membran ausgebildet, die einen Mess raum abschließt; die Messzelle enthält außerhalb der Membran, z. B. in der Messzellenwand, eine Öffnung, die den fluidi- schen Bypass bildet, indem sie den Messraum mit der Umgebung des Druckstoß-Grenzwertmelders verbindet. Alternativ kann der Messraum von dem elastisch auslenkbaren druckstoßaufnehmenden Element unter Freilassung mindestens einer den fluidischen Bypass bildenden und den Messraum mit der Umgebung des Druck stoß-Grenzwertmelders verbindenden Spaltöffnung abgeschlossen sein, wobei das druckstoßaufnehmende Element über die mindes tens eine Spaltöffnung elastisch auslenkbar ist.
Um unterschiedlich hohe Druckstöße detektieren zu können, kann vorgesehen werden, dass der Druckstoß-Grenzwertmelder den Messraum mit mindestens einem weiteren druckstoßaufneh menden Element unter Freilassung mindestens einer weiteren Spaltöffnung abschließt, wobei das weitere druckstoßaufneh mende Element über die mindestens eine weitere Spaltöffnung elastisch auslenkbar ist und bei Erreichen eines weiteren vorgegebenen Grenzwertes einen weiteren Schalter schließt.
Die druckstoßaufnehmenden Elemente sind dabei entweder unter- schiedlich dimensioniert, so dass sie bei gleichem Druckstoß unterschiedlich stark ausgelenkt werden, oder die Schaltwege, z. B. die Abstände zwischen den Elektroden und Gegenelektro den, sind unterschiedlich, so dass die Schalter nacheinander schließen .
Alternativ können unterschiedlich hohe Druckstöße durch Staf felung von Druckstoß-Grenzwertmeldern detektiert werden. Dazu ist ein weiterer Druckstoß-Grenzwertmelder mit einem einem weiteren elastisch auslenkbaren Element und einem weiteren Schalter vorgesehen, wobei der Schalter des Druckstoß-Grenz wertmelders oder ein Kontakt dieses Schalters an dem weiteren elastisch auslenkbaren Element angeordnet ist. Beim Erreichen der Mindesthöhe des Druckstoßes wird das druckstoßaufnehmende Element des Druckstoß-Grenzwertmelders soweit ausgelenkt, dass der Schalter geschlossen wird. Darüber hinaus nimmt das druckstoßaufnehmende Element bei weiterer Auslenkung das wei tere elastisch auslenkbare Element des weiteren Druckstoß- Grenzwertmelders mit, bis auch der weitere Schalter geschlos sen wird. In entsprechender Anordnung kann mindestens ein zu sätzlicher Druckstoß-Grenzwertmelder mit einem zusätzlichen elastisch auslenkbaren Element und einem zusätzlichen Schal ter vorgesehen werden, so dass drei oder mehr unterschiedlich hohe Druckstöße detektiert werden können.
Entsprechend einer vorteilhaften Weiterbildung des erfin dungsgemäßen multifunktionalen Sensors kann der Drucksensor über einen fluidischen Tiefpass mit der prozessseitigen Öff nung des Prozessanschlussgehäuses verbunden sein, so dass harte Druckstöße des Prozessfluids von dem Drucksensor fern gehalten bzw. gedämpft werden. Der fluidische Tiefpass kann in einfacher Weise von dem fluidischen Bypass des Druckstoß- Grenzwertmelders gebildet werden. Der Bypass wirkt als Dros sel, so dass ein Teil der Energie des Druckstoßes von dem druckstoßaufnehmenden Element des Druckstoß-Grenzwertmelders aufgenommen wird und sich dabei durchbiegt. Dieser Teil der Energie gelangt somit nicht zu dem Drucksensor. So kann der Drucksensor in Form einer Druck-Messzelle mit einer Messmemb ran ausgebildet und in dem Prozessanschlussgehäuse mit seiner Messmembran zu der prozessseitigen Öffnung hingewandt ange ordnet sein, wobei der Druckstoß-Grenzwertmelder in dem Pro zessanschlussgehäuse zwischen der Druck-Messzelle und der prozessseitigen Öffnung angeordnet ist und das druckstoßauf- nehmende Element einen Druckmessraum zwischen der Druck-Mess zelle und dem Druckstoß-Grenzwertmelder gegenüber der pro zessseitigen Öffnung derart abschließt, dass der Druckmess raum nur über den Bypass mit der prozessseitigen Öffnung flu- idisch verbunden ist. In dem Druckmessraum kann ein kompres- sibles Element eingefügt werden, das bei einem Druckstoß kom primiert wird, oder der Druckmessraum kann über eine Membran mit einer Luftkammer verbunden sein, wodurch zum einen die Auslenkung des druckstoßaufnehmenden Elements begünstigt und zum anderen die Tiefpasswirkung erhöht wird.
Wie oben bereits erwähnt, kann das druckstoßaufnehmende Ele ment einen Kontakt aufweisen, der zusammen mit einem Gegen kontakt den Schalter bildet. Da die Messmembran der Druck- Messzelle dank des fluidischen Bypasses bei Druckstößen ruhig bleibt, kann der Gegenkontakt des Schalters in einfacher Wei se auf der Messmembran ausgebildet sein. Alternativ kann der Gegenkontakt auf einem in dem Druckmessraum zwischen der Druck-Messzelle und dem Druckstoß-Grenzwertmelder angeordne ten Träger, beispielsweise einem Kragbalken, ausgebildet sein .
Die Druck-Messzelle und der Druckstoß-Grenzwertmelder können als mikromechanische Strukturen auf Substraten, z. B. Halb leitersubstraten, ausgebildet sein, die z. B. nebeneinander oder als Stapel (Stack) angeordnet und miteinander verbunden sein können.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispie len und unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung erläu tert; im Einzelnen zeigen
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen multifunktionalen Sensors, Fig. 2 bis 11 unterschiedliche Beispiele für einen kombi nierten Drucksensor und Druckstoß-Grenzwert melder in einem Längsschnitt oder in Drauf sicht und
Fig. 12 und 13 zwei Beispiele für eine Sensorelektronik mit dem Drucksensor und Druckstoß-Grenzwertmel- der .
Gleiche Bezugszeichen haben in den verschiedenen Figuren die gleiche Bedeutung. Die Darstellungen sind rein schematisch und repräsentieren keine Größenverhältnisse.
Fig. 1 zeigt einen multifunktionalen Sensor 1 für die Pro zess- oder Versorgungstechnik mit einem zylindrischen Pro zessanschlussgehäuse 2 aus Metall, das prozessseitig eine Öffnung 3 enthält. Die Öffnung 3 kann unmittelbar zum Prozess hin mit einer hier nicht gezeigten Druckmittlermembran abge schlossen und mit einer Übertragungsflüssigkeit, z. B. Öl, gefüllt sein. Das Prozessanschlussgehäuse 2 weist ein Gewinde 4 auf, mit dem es z. B. in eine hier nicht gezeigte und ein Prozessfluid führende Rohrleitung eingeschraubt werden kann. Anstelle des beispielhaft gezeigten Gewindes 4 können alter native Befestigungsmittel vorgesehen werden.
In dem Prozessanschlussgehäuse 2 und in fluidischer Verbin dung mit der Öffnung 3 sind ein Drucksensor 5 und ein Druck stoß-Grenzwertmelder 6 angeordnet. Der Drucksensor 5 ist hier in Form einer Druck-Messzelle 7, genauer Differenzdruck-Mess zelle, mit einer Messmembran 8 ausgebildet, die auf ihrer der Öffnung 3 zugewandte Seite mit dem Prozessdruck und auf ihrer Rückseite über eine pneumatische Leitung 9 mit der Außenluft (Atmosphärendruck) verbunden ist. Der Druckstoß-Grenzwert melder 6 ist dazu ausgebildet, Druckstoß in dem Prozessfluid zu detektieren, wenn dieser einen vorgegebenen Grenzwert er reicht bzw. überschreitet. Auf seiner von dem Prozess abge wandte Seite weist das Prozessanschlussgehäuse 2 eine Gehäu sekappe 10 auf, die einen Raum für die Elektronik 11 des mul tifunktionalen Sensors 1 umschließt. Der Drucksensor 5 und der Druckstoß-Grenzwertmelder 6 sind über elektrische Leitun gen 12 mit der Elektronik 11 verbunden.
Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen kombinierten Drucksensor 5 und Druckstoß-Grenzwertmelder 6 in einem Längs schnitt. Die Druck-Messzelle 7 wird zur Prozessseite hin von der Messmembran 8 abgeschlossen und enthält auf ihrer Rück seite eine Öffnung 13 zur Verbindung mit Außenluft. Im Rand bereich der Messmembran 8 sind Piezowiderstände 14 aufge bracht, die eine druckabhängige Auslenkung der Messmembran detektieren .
Der Druckstoß-Grenzwertmelder 6 ist in dem Prozessanschluss gehäuse zwischen der Druck-Messzelle 7 und der prozessseiti gen Öffnung 3 angeordnet (vgl. Fig. 1) und schließt die pro zessseitige Öffnung 3 mit einem elastisch auslenkbare druck- stoßaufnehmenden Element 15 unter Freilassung einer einen fluidischen Bypass 16 bildenden Spaltöffnung 17 ab. Der By pass 16 wirkt als Drossel für, z. B. die Übertragungsflüssig keit in der Öffnung 3, und bildet daher einen fluidischen Tiefpass, der harte Druckstöße des Prozessfluids von dem Drucksensor 5 fernhält. Umgekehrt wirkt ein statischer bzw. sich langsam ändernder Druck ungehindert durch den fluidi schen Bypass 16 hindurch an dem druckstoßaufnehmenden Element 15 der des Druckstoß-Grenzwertmelders 6 vorbei. Das druck- stoßaufnehmende Element 15 weist einen Kontakt 20 auf, der zusammen mit einem Gegenkontakt 21 einen Schalter 22 bildet, der schließt, wenn ein Druckstoß einen vorgegebenen Grenzwert erreicht oder überschreitet. Die Schaltkontakte 20, 21 und die Piezowiderstände 14 sind über Leitungen bzw. leitfähige Strukturen mit Kontaktflächen 23 im Randbereich des Druck stoß-Grenzwertmelders 6 verbunden. Bei dem gezeigten Ausfüh rungsbeispiel ist der Gegenkontakt 21 des Schalters 22 auf einem in einem Druckmessraum 18 zwischen der Druck-Messzelle und dem Druckstoß-Grenzwertmelder 6 angeordneten Träger 24 in Form eines Kragbalkens ausgebildet.
Wie sehr schematisch dargestellt, kann in dem Druckmessraum 18 ein hier symbolisch durch eine Gasblase repräsentiertes kompressibles Element oder ein kompressibler Körper 19 ein gefügt werden, das bzw. der bei einem Druckstoß komprimiert wird und dadurch sowohl die Auslenkung des druckstoßaufneh- menden Elements 15 begünstigt als auch die oben erwähnte Tiefpasswirkung erhöht.
Fig. 3 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel, bei dem der Gegenkontakt 21 auf der Messmembran 8 ausgebildet ist.
Der Übersichtlichkeit halber wurde auf die Darstellung der Piezowiderstände und ihre Kontaktierung verzichtet.
Das kompressible Element 19 ist hier z. B. in Form einer Luftkammer in einer Seitenwand des Druckmessraum 18 ausgebil det .
Fig. 4 zeigt den Druckstoß-Grenzwertmelder 6 aus Fig. 2 oder 3 in Draufsicht. Das druckstoßaufnehmenden Element 15 ist in Form eines Federelements 25 ausgebildet, an dem ein Paddel 26 angeformt ist, wobei das über die Spaltöffnung 17 elastisch auslenkbar ist.
Fig. 5 zeigt alternatives Ausführungsbeispiel, bei dem das druckstoßaufnehmenden Element 15 als Scheibe 27 ausgebildet ist, die an drei gleichmäßig über ihren Umfang verteilten Stellen über Federelemente 28 aufgehängt ist.
Bei dem in Fig. 6 gezeigten Ausführungsbeispiel sind zwischen der Druck-Messzelle 7 und dem Druckstoß-Grenzwertmelder 6 ein weiterer Druckstoß-Grenzwertmelder 29 und ein zusätzlicher Druckstoß-Grenzwertmelder 30 mit jeweils einem weiteren und zusätzlichen elastisch auslenkbaren Element 31, 32 angeord net. Das weitere auslenkbare Element 31 trägt den Gegenkon takt 21 des Schalters 22 und darüber hinaus einen Kontakt 33 eines weiteren, zweiten Schalters 34, dessen Gegenkontakt 35 an dem zusätzlichen elastisch auslenkbaren Element 32 ange ordnet ist. Dieses zusätzliche elastisch auslenkbare Element 32 weist seinerseits einen Kontakt 36 auf, der zusammen mit einem Gegenkontakt 37 auf der Messmembran 8 der Druck-Mess zelle 7 einen zusätzlichen, dritten Schalter 38 bildet. Wenn die Höhe eines Druckstoß einen ersten Grenzwert er reicht, wird das druckstoßaufnehmende Element 15 des ersten Druckstoß-Grenzwertmelders 6 soweit ausgelenkt, dass der Schalter 22 geschlossen wird. Darüber hinaus nimmt das druck stoßaufnehmende Element 15 bei weiterer Auslenkung das zweite elastisch auslenkbare Element 31 des zweiten Druckstoß-Grenz wertmelders 29 mit, bis bei Erreichen eines zweiten Grenzwer tes der zweite Schalter 34 schließt. Im Weiteren nimmt das zweite elastisch auslenkbare Element 31 bei weiterer Auslen kung das dritte elastisch auslenkbare Element 32 des dritten Druckstoß-Grenzwertmelders 30 mit, bis bei Erreichen eines dritten Grenzwertes schließlich auch der dritte Schalter 38 schließt. Auf diese Weise ist es möglich, bis zu drei unter schiedlich hohe Druckstöße zu detektieren. Da die elastisch auslenkbaren Elemente 31 und 32 keinen Druck aufnehmen, son dern jeweils von einem anderen elastischen Element 15 bzw. 31 ausgelenkt werden, können sie im Unterschied zu dem druck- stoßaufnehmenden Element 15 als einfache Biegebalken ausge bildet sein.
Bei dem in Fig. 7 gezeigten Ausführungsbeispiel sind als Al ternative zu den gestaffelten Druckstoß-Grenzwertmeldern aus Fig. 6 zwei druckstoßaufnehmende Elemente 15, 39 in einer ge meinsamen Ebene so angeordnet, dass sie zusammen die prozess seitige Öffnung 3 des multifunktionalen Sensors 1 unter Frei lassung der Spaltöffnung 17 abschließen. Das weitere elas tisch auslenkbare druckstoßaufnehmende Element 40 weist einen weiteren Kontakt 40 auf, der zusammen mit einem weiteren Ge genkontakt 41, hier auf der Messmembran 8, einen weiteren Schalter 42 bildet. Die druckstoßaufnehmenden Elemente 15, 40 sind unterschiedlich dimensioniert, so dass sie bei gleichem Druckstoß unterschiedlich stark ausgelenkt werden so dass die Schalter 22, 42 bei Erreichen unterschiedlicher Grenzwerte schließen .
Fig. 8 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel des Druck stoß-Grenzwertmelders 6 in Draufsicht, bei dem die beiden druckstoßaufnehmende Elemente 15, 39 nebeneinander angeordnet sind und über unterschiedliche Spaltöffnungen 17, 43 elas tisch auslenkbar sind.
Fig. 9 und Fig. 10 zeigen in perspektivischer Ansicht und in einem Teillängsschnitt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem Druckstoß-Grenzwertmelder 6 neben dem Drucksensor 5 (hier z. B. Druck-Messzelle 7 mit Messmembran 8) auf auf einem Trä ger 44, hier einem T08-Sockel angeordnet ist. Der Druckstoß- Grenzwertmelder 6 ist als Messzelle 45 aufgebaut, bei der das elastisch auslenkbare druckstoßaufnehmende Element 15 als Membran 46 ausgebildet ist und einen Messraum 47 abschließt. Der fluidische Bypass 16 wird hier von einer seitlichen Öff nung 48 in der Messzellenwand gebildet, die den Messraum 47 mit der Umgebung des Druckstoß-Grenzwertmelders 6 verbindet. Der Schalter 22 mit seinen hier nicht gezeigten Kontakten ist bei dem hier gezeigten Beispiel in Form eines Mikroschalters
49 ausgebildet, der auf dem Messzellenboden angeordnet ist. Wie gezeigt, kann der Messzellenboden in Form einer Membran
50 zwischen dem Messraum 46 und der darunter liegenden Luft kammer 19 ausgebildet sein. Beim Erreichen der Mindesthöhe des Druckstoßes wird die Membran 46 des Druckstoß-Grenzwert melders 6 soweit ausgelenkt, dass der Mikroschalters 49 ge schlossen wird. Wenn der Druckstoß die Mindesthöhe signifi kant übersteigt, wird auch die Membran 50 ausgelenkt bis sie an einem festen Anschlag 51 zu liegen kommt. Anstelle des festen Anschlages 51 kann auch ein zweiter Mikroschalter vor gesehen werden, der dieselbe Funktion hat, wie der in Fig. 6 gezeigte zweite Schalters 34. Natürlich können anstelle von Mikroschaltern Schaltkontakte vorgesehen werden, so wie sie in den Fig. 2 bis 8 gezeigt sind, wie auch umgekehrt z. B. die Schaltkontakte 20, 21 in Fig. 2 und 3 durch an dem Träger 24 angeordnete Mikroschalter ersetzt werden können.
Fig. 11 eine Variante des Ausführungsbeispiels von Fig. 2, bei dem das elastisch auslenkbare druckstoßaufnehmende Ele ment 15 des Druckstoß-Grenzwertmelders 6 als Membran 46 aus gebildet ist und den Messraum 47 bzw. den Druckmessraum 18 zwischen der Druck-Messzelle 7 und dem Druckstoß-Grenzwert melder 6 abschließt. Der fluidische Bypass 16 wird hier von einer seitlichen Öffnung 48 in der Messzellenwand des Druck stoß-Grenzwertmelders 6 gebildet.
Fig. 12 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die Sensorelektro nik 11 (vgl. Fig. 1) mit dem Drucksensor 5 und dem Druckstoß- Grenzwertmelder 6. Die Sensorelektronik 11 enthält eine Mess elektronik 52, die Sensorsignale des Drucksensors 5 zu Druck messwerten verarbeitet, die von einer Kommunikationselektro nik 53 über eine Antenne 54 drahtlos oder über eine Leitung 54 drahtgebunden an eine hier nicht gezeigte weiterverarbei tende Einheit übertragen werden können. Der Schalter 22 des Druckstoß-Grenzwertmelders 6 ist in einem Stromkreis 56 zwi schen einer Steuerspannung V und einen Aktivierungseingang der Messelektronik 52 oder, wie gestrichelt dargestellt, ei nem Aktivierungseingang der Kommunikationselektronik 53 an geordnet ist. Wenn ein Druckstoß in dem Prozess den Grenzwert des Druckstoß-Grenzwertmelders 6 erreicht, wird die Messelek tronik 52 zur Erfassung und ggf. Auswertung von Druckmess werten und die Kommunikationselektronik 53 zur Übertragung der Druckmesswerte an die weiterverarbeitende Einheit akti viert .
Fig. 13 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Sen sorelektronik 11 mit einem Ringspeicher 57, in den die von der Messelektronik 52 gelieferten Druckmesswerte laufend ein gelesen werden. Wenn ein Druckstoß in dem Prozess den Grenz wert des Druckstoß-Grenzwertmelders 6 erreicht, wird der Speichervorgang nur noch für eine vorgegebene Anzahl nachfol gender Druckmesswerte fortgesetzt, so dass der Ringspeicher 57 schließlich eine Anzahl von dem Druckstoß-Ereignis und ei ne weitere Anzahl von danach ermittelten Druckmesswerten ent hält. Anhand dieser Druckmesswerte kann entweder lokal durch weitere hier nicht gezeigte Komponenten der Sensorelektronik 11 oder in der entfernten weiterverarbeitenden Einheit das Druckstoß-Ereignis analysiert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Multifunktionaler Sensor (1) für die Prozess- oder Versor gungstechnik mit folgenden Merkmalen:
- ein Prozessanschlussgehäuse (2) mit einer prozessseitigen Öffnung ( 3 ) ,
- in dem Prozessanschlussgehäuse (2) ist ein Drucksensor (5) zum Messen eines Drucks eines Prozessfluids angeordnet,
- in dem Prozessanschlussgehäuse (2) ist ein Druckstoß-Grenz wertmelder (6) zum Detektieren eines einen vorgegebenen Grenzwert erreichenden Druckstoßes des Prozessfluids ange ordnet,
- der Druckstoß-Grenzwertmelder (6) weist ein druckstoßauf- nehmendes Element (15) mit einem fluidischen Bypass (16) auf, so dass das druckstoßaufnehmende Element (15) gegen statische Drücke unempfindlich ist,
- ein Schalter (22), der von dem druckstoßaufnehmenden Ele ment (15) bei Erreichen des vorgegebenen Grenzwertes ge schlossen wird.
2. Multifunktionaler Sensor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (22) in einem Stromkreis (56) angeordnet ist, der dazu ausgebildet ist, eine Sensorelektronik (11) des multifunktionalen Sensors (1) oder Teile der Sensorelektronik (11) aus einem inaktiven Zustand in einen aktiven Zustand zu versetzen.
3. Multifunktionaler Sensor (1) nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, dass die Sensorelektronik (11) dazu ausgebildet ist, eine Druckmessung mittels des Drucksensors (5) nur im aktiven Zustand zu vorzunehmen.
4. Multifunktionaler Sensor (1) nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, dass der multifunktionale Sensor (1) eine Sen sorelektronik (11) mit einem Ringspeicher (57) für von dem Drucksensor (5) gelieferte Messwerte aufweist und dass der Schalter (22) in einem Stromkreis (56) angeordnet ist, der dazu ausgebildet ist, die Sensorelektronik (11) dazu zu trig gern, die Messwertspeicherung nach einer vorgegebenen Anzahl folgender Messwerte oder nach Ablauf einer vorgegebenen Zeit zu stoppen.
5. Multifunktionaler Sensor (1) nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, dass der Schalter (22) in einem Stromkreis (56) angeordnet ist, der dazu ausgebildet ist, einer Sensorelek tronik (11) des multifunktionalen Sensors (1) eine potentiel le Überlastung des Drucksensors (5) zu melden.
6. Multifunktionaler Sensor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dass der Schalter (22) als Mikroschalter (49) aus gebildet ist, der von dem druckstoßaufnehmenden Element (15) bei Erreichen des vorgegebenen Grenzwertes betätigt wird.
7. Multifunktionaler Sensor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dass das druckstoßaufnehmende Element (15) einen Kontakt (20) aufweist, der zusammen mit einem Gegenkontakt (21) den Schalter (22) bildet.
8. Multifunktionaler Sensor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dass der Druckstoß-Grenzwertmelder (6) in Form ei ner Messzelle (45) mit einem Messraum (47) aufgebaut ist, der von dem als Membran (46) ausgebildeten elastisch auslenkbaren druckstoßaufnehmenden Element (15) abgeschlossen ist, und dass die Messzelle (47) außerhalb der Membran (46) eine Öff nung (48) enthält, die den fluidischen Bypass (16) bildet und den Messraum (47) mit der Umgebung des Druckstoß-Grenzwert melders (6) verbindet.
9. Multifunktionaler Sensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dass der Druckstoß-Grenzwertmelder (6) in Form einer Messzelle (45) mit einem Messraum (47) aufgebaut ist, der von dem elastisch auslenkbaren druckstoßaufnehmenden Element (15) unter Freilassung mindestens einer den fluidischen Bypass (16) bildenden und den Messraum (47) mit der Umgebung des Druckstoß-Grenzwertmelders (6) verbindenden Spaltöffnung (17) abgeschlossen ist, wobei das druckstoßaufnehmende Element (15) über die mindestens eine Spaltöffnung (17) elastisch auslenkbar ist.
10. Multifunktionaler Sensor (1) nach Anspruch 9, dadurch ge kennzeichnet, dass der Druckstoß-Grenzwertmelder (6) den Messraum (47) mit mindestens einem weiteren druckstoßaufneh- menden Element (39) unter Freilassung mindestens einer weite ren Spaltöffnung (43) abschließt, wobei das weitere druck- stoßaufnehmende Element (39) über die mindestens eine weitere Spaltöffnung (43) elastisch auslenkbar ist und bei Erreichen eines weiteren vorgegebenen Grenzwertes einen weiteren Schal ter (40) schließt.
11. Multifunktionaler Sensor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen weiteren Druckstoß- Grenzwertmelder (29) mit einem einem weiteren elastisch aus lenkbaren Element (31) und einem weiteren Schalter (34), wo bei der Schalter (22) des Druckstoß-Grenzwertmelders (6) oder ein Kontakt (21) dieses Schalters (22) an dem weiteren elas tisch auslenkbaren Element (31) derart angeordnet ist, dass das weitere elastisch auslenkbare Element (31) bei einem den vorgegebenen Grenzwert übersteigenden Druckstoß nach dem Schließen des Schalters (22) von dem druckstoßaufnehmenden Element (15) mitgenommen wird und den weiteren Schalter (34) schließt, wenn der Druckstoß einen höheren als den vorgegebe nen Grenzwert erreicht.
12. Multifunktionaler Sensor (1) nach Anspruch 11, gekenn zeichnet durch mindestens einen zusätzlichen Druckstoß-Grenz wertmelder (30) mit einem zusätzlichen elastisch auslenkbaren Element (32) und einem zusätzlichen Schalter (38) wobei der weitere Schalter (34) des weiteren Druckstoß-Grenzwertmelders (6) oder ein Kontakt (35) dieses weiteren Schalters (22) an dem zusätzlichen elastisch auslenkbaren Element (32) angeord net ist.
13. Multifunktionaler Sensor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor (5) über einen fluidischen Tiefpass mit der prozessseitigen Öff nung (3) des Prozessanschlussgehäuses (2) verbunden ist.
14. Multifunktionaler Sensor (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der fluidische Tiefpass von dem fluidi- schen Bypass (16) des Druckstoß-Grenzwertmelders (6) gebildet wird .
15. Multifunktionaler Sensor (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor (5) in Form einer Druck- Messzelle (7) mit einer Messmembran (8) ausgebildet ist und in dem Prozessanschlussgehäuse (2) mit seiner Messmembran (8) zu der prozessseitigen Öffnung (3) hingewandt angeordnet ist, dass der Druckstoß-Grenzwertmelder (6) in dem Prozessan schlussgehäuse (2) zwischen der Druck-Messzelle (7) und der prozessseitigen Öffnung (3) angeordnet ist, wobei das druck- stoßaufnehmende Element (15) einen Druckmessraum (18) zwi- sehen der Druck-Messzelle (7) und dem Druckstoß-Grenzwertmel- der (6) gegenüber der prozessseitigen Öffnung (3) derart ab schließt, dass der Druckmessraum (18) nur über den Bypass (16) mit der prozessseitigen Öffnung (3) fluidisch verbunden ist .
16. Multifunktionaler Sensor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor (5) und der Druckstoß-Grenzwertmelder (6) als mikromechanische Strukturen auf Substraten ausgebildet sind.
PCT/EP2020/056909 2019-03-18 2020-03-13 Multifunktionaler sensor für die prozess- oder versorgungstechnik WO2020187761A1 (de)

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