DE102014118616A1

DE102014118616A1 - Druckmessaufnehmer

Info

Publication number: DE102014118616A1
Application number: DE102014118616.8A
Authority: DE
Inventors: Thomas Uehlin; Peter Klöfer; Sergej Lopatin
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2014-12-15
Filing date: 2014-12-15
Publication date: 2016-06-16
Also published as: WO2016096300A1; US20180180504A1; CN107003197A

Abstract

Es ist ein Druckmessaufnehmer mit einer einen Innenraum (3) des Druckmessaufnehmers nach außen abschließenden elektrisch leitfähigen Trennmembran (5), deren Außenseite mit dem unter dem aufzunehmenden Druck (p) stehenden flüssigen Medium beaufschlagbar ist, beschrieben, der eine Vorrichtung zur Erkennung eines Membranbruchs der Trennmembran (5) aufweist, die sich dadurch auszeichnet, dass auf einer in den Innenraum (3) weisenden Innenseite der Trennmembran (5) mindestens eine Elektrode (15, 43) angeordnet ist, die über eine zwischen der Elektrode (15, 43) und der Trennmembran (5) angeordnete Isolationsschicht (17) elektrisch gegenüber der Trennmembran (5) isoliert und mechanisch mit der Trennmembran (5) verbunden ist, und eine an einen durch die Trennmembran (5) und die Elektrode (15) gebildeten Kondensator angeschlossene Messschaltung (19, 39) vorgesehen ist, die eine von einer elektrischen Eigenschaft des Kondensators abhängige Messgröße messtechnisch erfasst und überwacht, die sich durch bei einem Membranbruch der Trennmembran (5) in den Bereich des Kondensators eindringendes Medium verändert.

Description

Die Erfindung betrifft einen Druckmessaufnehmer zur Aufnahme eines Drucks eines flüssigen Mediums, mit einer einen Innenraum des Druckmessaufnehmers nach außen abschließenden, elektrisch leitfähigen Trennmembran, deren Außenseite mit dem unter dem aufzunehmenden Druck stehenden flüssigen Medium beaufschlagbar ist.
Druckmessaufnehmer zur Aufnahme von Drücken werden in der industriellen Druckmesstechnik z.B. in Druckmittlern oder in Druck- oder Differenzdruckmessgeräten eingesetzt.
Sie weisen regelmäßig einen Innenraum auf, der nach außen durch eine metallische Trennmembran abgeschlossen ist, deren Außenseite im Betrieb mit dem vom Druckmessaufnehmer aufzunehmenden Druck beaufschlagbar ist. Ihr Innenraum ist mit einer Druck übertragenden Flüssigkeit gefüllt, die dazu dient, den von außen auf die Trennmembran einwirkenden Druck an einen mit dem Innenraum verbundenen Zielort zu übertragen.
Trennmembranen von Druckmessaufnehmern bestehen regelmäßig aus Metall, z.B. aus Edelstahl, und weisen eine in Abhängigkeit von der Konstruktion des Druckmessaufnehmers und dem Druckbereich, in dem er eingesetzt werden soll, vorgegebene Dicke auf. Typische Werte für die Dicke der Trennmembran liegen im Bereich von 20 µm bis 150 µm. Aufgrund der funktionsbedingt geringen Dicke der Trennmembran besteht die Gefahr, dass die Trennmembran auf mechanischem oder chemischem Wege beschädigt wird. Dringt eine solche Beschädigung an irgendeiner Stelle durch die Trennmembran hindurch, z.B. weil diese lokal durchkorrodiert, so spricht man von einem Membranbruch.
Bei einem Membranbruch dringt das unter Druck stehende Medium an der Bruchstelle in den Druckmessaufnehmer ein, und verändert die Druckübertragungseigenschaften des Druckaufnehmers. Das führt zumindest nach einiger Zeit zum Ausfall des Druckmessaufnehmers. Darüber hinaus besteht die Gefahr, dass Druck übertragende Flüssigkeit aus dem Druckmessaufnehmer austritt, und das in Kontakt mit der Trennmembran stehende Medium verunreinigt.
In der DE 101 31 855 A1 ist ein Druckmessaufnehmer beschrieben, der eine Vorrichtung zur Erkennung eines Membranbruchs aufweist. Diese umfasst einen Sensor, der in einer mit dem Innenraum des Druckmessaufnehmers verbundenen Messkammer angeordnet ist und eine Leitfähigkeit oder eine Dielektrizitätskonstante des Druck übertragenden Mediums messtechnisch erfasst und überwacht. Mit dieser Vorrichtung wird ein Membranbruch erkannt, sobald das von außen auf die Trennmembran einwirkende flüssige Medium aufgrund eines Membranbruchs in den Druckmessaufnehmer eindringt, dort bis in die Messkammer vordringt, und zu einer Veränderung der überwachten Messgröße führt.
Um über den Austausch der defekten Trennmembran hinaus gehende nachteilige Folgen eines Membranbruchs möglichst gering zu halten, sowie um ggfs. erforderliche sicherheitsgerichtete Maßnahmen ergreifen zu können, gilt es einen Membranbruch möglichst frühzeitig zu erkennen.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung einen Druckmessaufnehmer anzugeben, mit dem ein Membranbruch frühzeitig erkannt werden kann.
Hierzu umfasst die Erfindung einen Druckmessaufnehmer zur Aufnahme eines Drucks eines flüssigen Mediums, mit einer einen Innenraum des Druckmessaufnehmers nach außen abschließenden, elektrisch leitfähigen Trennmembran, deren Außenseite mit dem unter dem aufzunehmenden Druck stehenden flüssigen Medium beaufschlagbar ist, der sich dadurch auszeichnet, dass

– auf einer in den Innenraum weisenden Innenseite der Trennmembran mindestens eine Elektrode angeordnet ist, die über eine zwischen der Elektrode und der Trennmembran angeordnete Isolationsschicht elektrisch gegenüber der Trennmembran isoliert und mechanisch mit der Trennmembran verbunden ist, und
– eine an einen durch die Trennmembran und die Elektrode gebildeten Kondensator angeschlossene Messschaltung vorgesehen ist, die eine von einer elektrischen Eigenschaft des Kondensators abhängige Messgröße messtechnisch erfasst und überwacht, die sich durch bei einem Membranbruch der Trennmembran in den Bereich des Kondensators eindringendes Medium verändert.

Eine erste Variante der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass

– das Medium elektrisch leitfähig ist,
– die Messgröße ein Gleichstromwiderstand des Kondensators ist, und
– die Messschaltung eine Widerstandsmessschaltung zur Messung des Gleichstromwiderstands des durch Trennmembran und Elektrode gebildeten Kondensators umfasst.

Eine Weiterbildung der ersten Variante zeichnet sich dadurch aus, dass

– die Elektrode über eine durch den Innenraum des Druckmessaufnehmers geführte Anschlussleitung an die Messschaltung angeschlossen ist, und
– die Trennmembran über eine elektrisch leitende Verbindung, insb. eine über einen den Innenraum umgebenden, nach außen von der Trennmembran abgeschlossenen, metallischen Träger des Druckmessaufnehmers verlaufende Verbindung, an die Messschaltung angeschlossen ist.

Eine zweite Variante der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass

– die Messgröße eine von einer durch den Kondensator in einem Wechselstromkreis bewirkten Phasenverschiebung zwischen Wechselstrom und Wechselspannung abhängige Messgröße, insb. eine dielektrische Verlustleistung des Kondensators oder ein Tangens eines von der Phasenverschiebung abhängigen Verlustwinkels, ist und
– die Messschaltung eine Messschaltung, insb. eine Verlustleistungsmessschaltung, umfasst, die diese Messgröße messtechnisch erfasst.

Eine dritte Variante der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass

– auf der Innenseite der Trennmembran zwei Elektroden angeordnet sind, die durch die Isolationsschicht elektrisch gegeneinander und gegenüber Trennmembran isoliert und mechanisch mit der Trennmembran verbunden sind,
– jede der Elektroden mit der Trennmembran einen Kondensator bildet,
– die Messgröße eine von einer durch die beiden über die Trennmembran in Reihe geschalteten Kondensatoren in einem Wechselstromkreis bewirkten Phasenverschiebung zwischen Wechselstrom und Wechselspannung abhängige Messgröße, insb. eine dielektrische Verlustleistung der in Reihe geschalteten Kondensatoren oder ein Tangens eines von der Phasenverschiebung abhängigen Verlustwinkels, ist und
– die Messschaltung eine an die Elektroden angeschlossene Messschaltung, insb. eine Verlustleistungsmessschaltung, umfasst, die diese Messgröße messtechnisch erfasst.

Eine Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Messschaltung einen Membranbruch erkennt, wenn die Messgröße von einem bei intakter Trennmembran gemessenen Referenzwert abweicht.
Eine Weiterbildung der zweiten oder dritte Variante zeichnet sich dadurch aus, dass

– die Messschaltung die Messgröße bei mindestens zwei verschiedenen Frequenzen der über die Messschaltung angelegten Wechselspannung bestimmt, und
– die Messschaltung einen Membranbruch erkennt, wenn die bei den verschiedenen Frequenzen bestimmten Messgrößen eine Frequenzabhängigkeit aufweisen.

Eine Weiterbildung der Weiterbildung der zweiten oder dritte Variante zeichnet sich dadurch aus, dass

– die Frequenzen unterhalb einer Grenzfrequenz liegen, ab der die Messgröße bei intakter Trennmembran frequenzabhängig ist, und
– die Frequenzen in einem Frequenzbereich von 100 Hz bis 100 kHz liegen, und insb. den Frequenzbereich von 100 Hz bis 100 kHz abdecken, insb. indem mindestens eine Frequenz in einem Bereich von weniger als einem Kiloherz liegt, mindestens eine Frequenz in einem Bereich von wenigen Kiloherz liegt, und/oder mindestens eine Frequenz in einem Bereich von mehr als 10 KHz liegt.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung erfindungsgemäßer Druckmessaufnehmer besteht die Elektrode aus Metall, insb. aus Silber besteht
Eine Weiterbildung erfindungsgemäßer Druckmessaufnehmer zeichnet sich dadurch aus, dass

– die Isolationsschicht eine oder mehrere aufeinander aufgebrachte Lagen, insb. eine auf der Trennmembran angeordneten Lage aus Siliziumcarbid und eine darauf angeordneten Lage aus diamant-ähnlichem Kohlenstoff, umfasst, und
– jede Lage aus einem Dielektrikum, insb. aus Siliziumcarbid, diamant-ähnlichem Kohlenstoff oder Siliziumdioxid, besteht.

Eine weitere Weiterbildung erfindungsgemäßer Druckmessaufnehmer zeichnet sich dadurch aus, dass die Isolationsschicht mindestens eine Lage, insb. eine Lage aus Siliziumcarbid, diamant-ähnlichem Kohlenstoff oder Siliziumdioxid, umfasst, die eine Diffusionssperre gegenüber Wasserstoff bildet.
Eine weitere Weiterbildung erfindungsgemäßer Druckmessaufnehmer zeichnet sich dadurch aus, dass

– die Trennmembranen eine Dicke im Bereich von 20 µm bis 150 µm aufweist,
– die Isolationsschicht eine Schichtdicke im Bereich von 0,05 µm bis 50 µm aufweist, und/oder
– die Elektrode eine Schichtdicke im Bereich von 0,1 µm bis 10 µm aufweist.

Eine bevorzugte Ausgestaltung erfindungsgemäßer Druckmessaufnehmer zeichnet sich dadurch aus, dass der Innenraum mit einer Druck übertragenden Flüssigkeit gefüllt ist, die den von außen auf die Trennmembran einwirkenden Druck auf einen mit dem Innenraum verbundenen Zielort, insb. eine mit einem Drucksensor ausgestattete Druckmesskammer eines Druck- oder Differenzdruckmessgeräts, überträgt.
Weiter umfasst die Erfindung ein Druck- oder Differenzdruckmessgerät mit einem erfindungsgemäßen Druckmessaufnehmer, das sich dadurch auszeichnet, dass

– ein in einem Gehäuse angeordneter Drucksensor vorgesehen ist,
– der über den Druckmessaufnehmer mit dem von außen auf die Trennmembran einwirkenden Druck beaufschlagbar ist.

Darüber hinaus umfasst die Erfindung eine Vorrichtung zur Erkennung eines Membranbruchs einer einen Innenraum nach außen abschließenden, von außen mit einem unter Druck stehenden flüssigen Mediums beaufschlagbaren, elektrisch leitfähigen Trennmembran, die sich dadurch auszeichnet, dass

– auf einer in den Innenraum weisenden Innenseite der Trennmembran mindestens eine Elektrode angeordnet ist, die über eine zwischen der Elektrode und der Trennmembran angeordnete Isolationsschicht elektrisch gegenüber der Trennmembran isoliert und mechanisch mit der Trennmembran verbunden ist, und
– eine an einen durch die Trennmembran und die Elektrode gebildeten Kondensator angeschlossenen Messschaltung vorgesehen ist, die eine von einer elektrischen Eigenschaft des Kondensators abhängige Messgröße messtechnisch erfasst und überwacht, die sich durch bei einem Membranbruch der Trennmembran in den Bereich des Kondensators eindringendes Medium verändert.

Die Erfindung und deren Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen zwei Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher erläutert; gleiche Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt: ein Druckmessgerät mit einem erfindungsgemäßen Druckmessaufnehmer;
2 zeigt: ein Ersatzschaltbild des Kondensators von 1;
3 zeigt: ein Druckmessgerät mit einem Druckmessaufnehmer mit zwei Elektroden;
4 zeigt: ein Ersatzschaltbild der Kondensatoren von 3; und
5 zeigt: die auf der Trennmembran angeordneten Elektroden von 3.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines mit einem erfindungsgemäßen Druckmessaufnehmer ausgestatten Druckmessgeräts zur Messung eines Drucks p eines flüssigen Mediums. Der Druckmessaufnehmer umfasst einen Träger 1, dessen Innenraum 3 nach außen von einer elektrisch leitfähigen Trennmembran 5 abgeschlossen ist. Dabei ist ein äußerer Rand der Trennmembran 5 mit einer dieser zugewandten Stirnfläche des Trägers 1 mittels einer druckdichten Fügung, z.B. einer Schweißung, verbunden. Im Betrieb wird die vom Träger 1 abgewandte Außenseite der Trennmembran 5 von außen mit einem unter dem vom Druckmessaufnehmer aufzunehmenden Druck p stehenden flüssigen Medium beaufschlagt.
Träger 1 und Trennmembran 3 bestehen aus Metall. Zum Schutz vor Korrosion besteht die Trennmembran 3 vorzugsweise aus einer korrosionsfesten Legierung, wie z.B. Edelstahl oder Hastelloy, oder weist auf deren Außenseite eine korrosionsbeständige in 1 als optionales Merkmal nur als gestrichelte Linie angedeutete Beschichtung 6 auf. Die Beschichtung 6 besteht z.B. aus einem Edelmetall, wie zum Beispiel Gold, Platin oder Rhodium, oder aus einem Fluorpolymer, wie z.B. Polytetraflourethylen (PTFE), Perfluoralkoxy-Polymer (PFA), Perfluorethylenpropylen (FEP) oder Ethylen-Chlortrifluorethylen-Fluorcopolymer (ECTFE).
Der Innenraum 3 des Druckmessaufnehmers ist über eine Druckübertragungsleitung 7 mit einem Zielort verbunden, an den der aufgenommene Druck p übertragen werden soll. Bei in Druckmessgeräten eingesetzten Druckmessaufnehmern ist der Zielort eine in einem Gehäuse 9 des Druckmessgeräts angeordnete Druckmesskammer 11, in der ein Drucksensor 13 angeordnet ist, mit dem der darauf über den Druckmessaufnehmer übertragene Druck p gemessen wird. Der Innenraum 3 des Druckmessaufnehmers, die Druckübertragungsleitung 7 und die Druckmesskammer 11 sind mit einer Druck übertragenden Flüssigkeit gefüllt, die den von außen auf die Trennmembran 5 einwirkenden Druck p auf den Zielort überträgt. Die Druck übertragende Flüssigkeit ist eine nicht leitfähige, dielektrische Flüssigkeit, die möglichst inkompressible ist und vorzugsweise einen geringen Dampfdruck aufweist. Hierzu eignen sich z.B. in der Druckmesstechnik zu diesem Zweck eingesetzte Silikonöle oder Paraffinöle.
Die Erfindung ist völlig analog auch bei Differenzdruckmessgeräten einsetzbar, die vorzugsweise mit zwei erfindungsgemäßen Druckmessaufnehmern ausgestattet sind, die jeweils einen der beiden Drücke, deren Druckdifferenz mit dem Differenzdruckmessgerät gemessen werden soll, aufnehmen und auf einen Differenzdrucksensor übertragen. Genauso ist die Erfindung natürlich auch bei für andere Zwecke genutzten Druckmessaufnehmern einsetzbar. Hierzu zählen insb. reine Druckmittler, die einen auf den Druckmessaufnehmer einwirkenden Druck entweder unmittelbar oder über eine an den Innenraum des Druckmessaufnehmers angeschlossene Druckübertragungsleitung an einen Zielort übertragen.
Erfindungsgemäße Druckmessaufnehmer weisen eine Vorrichtung zur Erkennung eines Membranbruchs der Trennmembran 5 auf. Diese umfasst mindestens eine auf einer in den Innenraum 3 weisenden Innenseite der Trennmembran 5 angeordnete Elektrode 15, die zusammen mit der Trennmembran 5 einen Kondensator bildet. Die Elektrode 15 ist über eine zwischen der Elektrode 15 und der Trennmembran 5 angeordnete Isolationsschicht 17 elektrisch gegenüber der Trennmembran 5 isoliert, und mechanisch mit der Trennmembran 5 verbunden.
Die Isolationsschicht 17 besteht aus einem Dielektrikum, wie zum Beispiel Siliziumcarbid (SiC), diamant-ähnlichem Kohlenstoff (DLC) oder Siliziumdioxid (SiO₂), und wird je nach Wahl des Dielektrikums zum Beispiel durch plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (Plasma-CVD), durch physikalische Gasphasenabscheidung (PVD), durch Sol-Gel Abscheidung oder durch Polymerabscheidung, insb. von Parylenen, auf die Innenseite der Trennmembran 5 aufgebracht.
Die Isolationsschicht 17 kann aus einer oder mehreren aufeinander aufgebrachten Lagen bestehen. Mehrere aufeinander aufgebrachte Lagen können aus dem gleichen oder aus verschiedenen dielektrischen Materialien, z.B. aus den oben genannten Materialien, bestehen. Lagen aus verschiedenen dielektrischen Materialien bieten den Vorteil, dass für die unmittelbar auf der Trennmembran 5 angeordnete Lage ein Material, wie z.B. durch plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (Plasma-CVD) aufgebrachtes Siliziumcarbid (SiC), ausgewählt werden kann, das besonders gut auf dem Metall der Trennmembran 5 haftet und eine ausreichende Elastizität aufweist, und die übrigen Materialien in Hinblick auf gewünschte Eigenschaften der Isolationsschicht 17 ausgewählt werden können.
Die Isolationsschicht 17 umfasst vorzugsweise mindestens eine Lage, die eine Diffusionssperre gegenüber Wasserstoff bildet. Hierzu eignen sich Lagen aus den oben genannten Dielektrika. Wasserstoff entsteht zum Beispiel bei einer durch das Medium bewirkten Korrosion der Trennmembran 5 oder bei einer durch das Medium auf der Trennmembran 5 ausgelöste Redox-Reaktion, und kann durch die metallische Trennmembran 5 hindurch diffundieren. Dabei wirkt die Diffusionssperre einem Eindringen von Wasserstoff in den Innenraum 3 des Druckmessaufnehmers entgegen, und verhindert, dass die Druckübertragungseigenschaften der Druck übertragenden Flüssigkeit im Inneren des Druckmessaufnehmers durch eindringenden Wasserstoff beeinträchtigt werden.
Die Elektrode 15 besteht aus Metall, wie zum Beispiel Silber, und wird vorzugsweise als metallische Beschichtung auf die Isolationsschicht 17 aufgebracht. Das Aufbringen der Elektrode 15 kann z.B. durch physikalische Abscheidung des Metalls aus der Gasphase (PVD) erfolgen.
Die Trennmembranen 5 weist eine in Abhängigkeit von der Konstruktion des Druckmessaufnehmers und dem Druckbereich, in dem er eingesetzt werden soll, vorgegebene vergleichsweise geringe Dicke auf. Typische Werte für die Dicke der Trennmembran 5 liegen im Bereich von 20 µm bis 150 µm. Die Isolationsschicht 17 weist vorzugsweise eine Schichtdicke im Bereich von 0,05 µm bis 50 µm auf, und die Elektrode 15 weist vorzugsweise eine Schichtdicke im Bereich von 0,1 µm bis 10 µm auf.
Bei einem Membranbruch dringt das unter dem Druck p stehende flüssige Medium in den Bereich des Kondensators ein. Unterscheidet sich das Medium in seinen elektrischen Eigenschaften von denen der Isolationsschicht 17, so bewirkt das eindringende Medium eine Veränderung der elektrischen Eigenschaften des Kondensators.
Der durch Elektrode 15 und Trennmembran 5 gebildeten Kondensator kann näherungsweise durch ein in 2 dargestelltes Ersatzschaltbild beschrieben werden, das einen idealen Kondensator C und einen dazu parallel geschalteten ohmschen Widerstand R aufweist. Während ein idealer Kondensator in einem Wechselstromkreis eine Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung von 90° bewirkt und einen unendlich großen Gleichstromwiderstand aufweist, bewirkt die in 2 dargestellte Parallelschaltung von Kondensator C und Widerstand R in einem Wechselstromkreis eine von 90° verschiedene Phasenverschiebung φ und weist einen endlichen Gleichstromwiderstand R_DC auf.
Sowohl die Phasenverschiebung φ als auch der Gleichstromwiderstand R_DC des durch die Trennmembran 5 und die Elektrode 15 gebildeten Kondensators sind elektrische Eigenschaften des Kondensators, die sich durch bei einem Membranbruch eindringendes flüssiges Medium mit von den elektrischen Eigenschaften der Isolationsschicht 17 verschiedenen Eigenschaften verändern.
Erfindungsgemäß wird mindestens eine sich bei einem Membranbruch, bei dem flüssiges Medium in den Bereich des Kondensators eindringt, verändernde Eigenschaft des durch die Trennmembran 5 und die Elektrode 15 gebildeten Kondensators mittels einer an den Kondensator angeschlossenen Messschaltung 19 messtechnisch erfasst, und fortlaufend überwacht, und ein Membranbruch erkannt, wenn sich die überwachte Eigenschaft des Kondensators verändert.
Wie stark sich eine überwachte Eigenschaft durch eindringendes, flüssiges Medium verändert, hängt von den elektrischen Eigenschaften des flüssigen Mediums im Vergleich zu den entsprechenden elektrischen Eigenschaften der Isolationsschicht 17 ab. Je nach Beschaffenheit des flüssigen Mediums spielt dabei die elektrischen Leitfähigkeit bzw. die Dielektrizitätskonstante des Mediums, sowie Faktoren wie dessen Polarisierbarkeit, dessen Ionenbeweglichkeit, sowie dessen Dissoziierbarkeit eine Rolle.
Der Gleichstromwiderstand R_DC des Kondensators ist bei intakter Isolation zwischen Trennmembran 5 und Elektrode 15 extrem hoch. So liegt der Gleichstrom-Widerstand eines aus einer einer 50 µm dicken Trennmembran 5 aus Edelstahl, einer aus einer 10 µm dicken Siliziumcarbid-Schicht und einer 2 µm dicken Schicht aus diamant-ähnlichem Kohlenstoff (DLC) aufgebauten zweilagigen Isolationsschicht 17, und einer 0,5 µm dicken Elektrode 15 aus Silber aufgebauten Kondensators zum Beispiel im Megaohm-Bereich. Wird die Trennmembran 5 beschädigt, so wird zwangsläufig auch die damit verbundene Isolationsschicht 17 in Mitleidenschaft gezogen, so dass das unter Druck stehende flüssige Medium in den Kondensator eindringt. Bildet ein Medium mit hoher Leitfähigkeit, wie zum Beispiel ein starker Elektrolyt, eine leitfähige Brücke zwischen Trennmembran 5 und Elektrode 15, kommt es zu einem Kurzschluss des Kondensators, der mit einem drastischen Abfall des ohmschen Widerstands einhergeht. Wird diese Trennmembran 5 z.B. einer 10% igen wässrigen Eisen (III) Chlorid Lösung ausgesetzt, so korrodiert die Trennmembran 5. Sobald die Trennmembran 5 zumindest an einer räumlich begrenzten Stelle durchkorrodiert, dringt die Lösung ein, und bewirkt einen Kurzschluss des Kondensators, durch den der Gleichstromwiderstand R_DC des Kondensators vom Megaohm-Bereich auf einige wenige Ohm absinkt.
Bei in elektrisch leitfähigen Medien eingesetzten Druckmessaufnehmern wird daher vorzugsweise eine Messschaltung 19 vorgesehen, die den Gleichstromwiderstands R_DC des Kondensators messtechnisch erfasst. Die Messschaltung 19 ist über eine durch den Innenraum 3 des Druckmessaufnehmers, die Druckübertragungsleitung 7, die Druckmesskammer 11 und eine in einer vom Druckmessaufnehmer abgewandten Rückwand 27 der Druckmesskammer 11 vorgesehene elektrische Durchführung 29 verlaufende Anschlussleitung 21 an die Elektrode 15 angeschlossen. Der Anschluss der Messschaltung 19 an die Trennmembran 5 erfolgt vorzugsweise über eine, in 1 als gestrichelte Linie dargestellte, elektrisch leitende Verbindung 23, die von der metallischen Trennmembran 5 über den metallischen Träger 1 und die metallische Druckübertragungsleitung 7 zum metallischen Gehäuse 9 verläuft, von wo aus sie über eine Anschlussleitung 25 an die Messschaltung 19 angeschlossen ist. Der Anschluss der Trennmembran 5 über den metallischen Träger 1 bietet den Vorteil, dass die im Betrieb dem Medium ausgesetzte Trennmembran 5 nicht mit einem exponierten Anschlusskontakt versehen werden muss.
Die Messschaltung 19 kann als separate Einheit oder als Teil einer an den Drucksensor 13 angeschlossenen Messelektronik 31 ausgebildet sein, und umfasst eine Widerstandsmessschaltung 33 zur messtechnischen Erfassung des Gleichstromwiderstands R_DC des Kondensators, sowie eine daran angeschlossenen Überwachungseinheit 35, die die gemessenen Gleichstromwiderstände R_DC fortlaufend überwacht und einen Membranbruch erkennt, sobald der Gleichstromwiderstand R_DC unter einen anhand des bei intakter Trennmembran 5 vorliegenden Gleichstromwiderstands R_DC bestimmten Referenzwert abfällt. Wird ein Membranbruch erkannt, wird dieser von der Überwachungseinheit 35 über einen entsprechenden Ausgang 37 angezeigt. Die Anzeige kann optisch, z.B. über ein Display oder – wie hier dargestellt – über eine Leuchtdiode, akustisch, z.B. über eine Signalton, und/oder elektrisch, z.B. in Form eines die Beschädigung anzeigenden elektrischen Signals erfolgen.
Bei Druckmessaufnehmern, die in Medien eingesetzt werden, deren Eindringen in den Kondensator nur einen, im Vergleich zu gut leitenden Medien deutlich geringeren Abfall des Gleichstromwiderstands R_DC bewirken, wird anstelle des Gleichstromwiderstands R_DC vorzugsweise eine von der durch den Kondensator in einem Wechselstromkreis bewirkten Phasenverschiebung φ abhängige Messgröße messtechnisch erfasst und überwacht.
Hierzu kann in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel anstelle der Messschaltung 19 eine Messschaltung 39 eingesetzt, die anstelle der Widerstandsmessschaltung 33 eine Messschaltung 41 aufweist, die diese Messgröße messtechnisch erfasst. Hierzu kann zum Beispiel eine Schaltung eingesetzt werden, die die Phasenlagen von Wechselstrom und Wechselspannung bestimmt, und anhand deren Differenz die Phasenverschiebung φ bestimmt. Alternativ kann eine Verlustleistungs-Messschaltung eingesetzt werden, die eine dielektrische Verlustleistung des Kondensators oder einen dazu äquivalenten Tangens eines von der Phasenverschiebung φ gemäß δ = 90° – |φ| abhängigen Verlustwinkels δ bestimmt. Hierzu können aus dem Stand der Technik bekannte, häufig als ‘Tangens Delta‘ Messschaltungen bezeichnet Schaltungen eingesetzt werden, die die Verlustleistung bzw. den Tangens des Verlustwinkels tan(δ) z.B. über eine Messbrücke messtechnisch erfassen.
Grundsätzlich kann die Messgröße auch hier mit einem bei intakter Trennmembran 5 bestimmten Referenzwert verglichen werden, und ein Membranbruch erkannt werden, wenn die Messgröße vom Referenzwert abweicht.
Bei intakter Trennmembran 5 ist der durch die Trennmembran 5 und die Elektrode 15 gebildete Kondensator mit einem durch die Isolationsschicht 17 gebildeten dielektrischen Festkörper gefüllt. Mit einem Festkörper gefüllte Kondensatoren bewirken bei hohen Frequenzen, in der Regel bei Frequenzen im Gigaherz-Bereich, eine frequenzabhängige Phasenverschiebung φ, während die durch sie bewirkte Phasenverschiebung φ bei niedrigeren Frequenzen praktisch keine Frequenzabhängigkeit aufweist. Demgegenüber bewirkt eine in einem Kondensator enthaltene Flüssigkeit bei deutlich geringeren Frequenz eine Frequenzabhängigkeit der durch den Kondensator bewirkten Phasenverschiebung φ, die jedoch mit steigender Frequenz abnimmt und in dem Frequenzbereich, in dem dielektrische Festkörper eine frequenzabhängige Phasenverschiebung φ bewirken praktisch vernachlässigbar ist. Ursache hierfür ist eine auf atomarer bzw. molekularer Ebene in Flüssigkeiten bestehende höhere Beweglichkeit, die sich je nach Art der Flüssigkeit auf deren bei niedrigeren Frequenzen von der Frequenz abhängige Polarisierbarkeit, deren Molekulardynamik, deren Ionenbeweglichkeit oder deren Dissoziierbarkeit auswirken, und eine maßgebliche Ursache für die Größe des in dem in 2 dargestellten Ersatzschaltbild vorgesehenen Widerstands R bilden.
Entsprechend wird die Messgröße daher vorzugsweise bei mindestens zwei verschiedenen Frequenzen der über die Messschaltung 39 an den durch die Trennmembran 5 und die Elektrode 15 gebildeten Kondensator angelegten Wechselspannung bestimmt, die in einem Frequenzbereich liegen, der unterhalb einer Grenzfrequenz liegt, ab der der Kondensator bei intakter Trennmembran 5 eine frequenz-abhängige Phasenverschiebung φ bewirkt. Bei dieser Variante der Erfindung wird ein Membranbruch erkannt, wenn die bei den unterschiedlichen Frequenzen gemessenen Messgrößen eine Frequenzabhängigkeit aufweisen. Das ist bereits dann der Fall, wenn mindestens zwei bei unterschiedlichen Frequenzen gemessene Messgrößen verschieden sind.
Der Frequenzbereich, in dem in den Kondensator eindringendes flüssiges Medium eine Frequenzabhängigkeit der Phasenverschiebung φ, und damit der davon abhängigen Messgröße bewirkt, ist abhängig von den Eigenschaften des Mediums. Entsprechend wird die Messgröße daher vorzugsweise bei Frequenzen gemessen, die einen möglichst großen Frequenzbereich, insb. einen Frequenzbereich von 100 Hz bis 100 kHz, abdecken. Hierzu eignen sich insb. Frequenzen, die mindestens eine Frequenz im Bereich von weniger als einem Kiloherz, z.B. 500 Hz, mindestens eine Frequenz im Bereich weniger Kiloherz, z.B. 5 kHz, und mindestens eine Frequenz im Bereich von mehr als 10 Kiloherz, z.B. 20 kHz, aufweisen. Dieses Vorgehen bietet den Vorteil, dass die Bandbreite der flüssigen Medien, deren Eindringen in den Kondensator mit der Vorrichtung erkannt wird, deutlich vergrößert wird.
Zur messtechnischen Erfassung der von der Phasenverschiebung φ abhängigen Messgröße wird der Kondensator von der Messschaltung 39 mit einer Wechselspannung beaufschlagt werden. Im Unterschied zur Messung des Gleichstromwiderstands R_DC wird hierbei die durch die Isolationsschicht 17 bewirkte galvanische Trennung zwischen Trennmembran 5 und Elektrode 15 aufgehoben.
In den 3–5 ist eine Variante der Erfindung dargestellt, die es ermöglicht, die durch die Isolationsschicht 17 bewirkte galvanische Trennung auch bei der Messung der von der Phasenverschiebung φ abhängigen Messgröße aufrecht zu erhalten. Sie unterscheidet sich von dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch, dass auf der Innenseite der Trennmembran 5 zwei voneinander beabstandete Elektroden 43 vorgesehen sind. Genau wie bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die Elektroden 43 auch hier auf der Isolationsschicht 17 angeordnet, durch die die Elektroden 43 gegeneinander und gegenüber der Trennmembran 5 elektrisch isoliert sind, und mechanisch mit der Trennmembran 5 verbunden sind. Wie aus 5 ersichtlich können die beiden Elektroden 43 formgleich sein und spiegelsymmetrisch zueinander auf der Trennmembran 5 angeordnet werden. Das ist jedoch für die Funktion der Membranbruch-Erkennungsvorrichtung nicht erforderlich, so dass alternativ auch andere Elektrodengeometrien und Elektrodenanordnungen vorgesehen werden können. Jede der Elektroden 43 bildet zusammen mit der Trennmembran 5 jeweils einen Kondensator, und die beiden Kondensatoren sind über die Trennmembran 5 elektrisch gesehen in Reihe geschaltet.
Genau wie bei dem vorherigen Ausführungsbeispiel wird auch hier eine von einer Phasenverschiebung φ‘ zwischen Wechselstrom und Wechselspannung abhängige Messgröße, z.B. die dielektrische Verlustleistung oder der dazu äquivalente Tangens des Verlustwinkels δ‘, mittels der Messschaltung 39 messtechnisch erfasst und überwacht. Im Unterschied zu dem vorherigen Ausführungsbeispiel ist die Messschaltung 39 hier jedoch nicht an die Trennmembran 5 angeschlossen, sondern über durch den Innenraum 3 des Druckmessaufnehmers verlaufende Anschlussleitungen 45 an die beiden Elektroden 43 angeschlossen. Die Messschaltung 39 erfasst und überwacht somit eine von der durch die in Reihe geschalteten Kondensatoren bewirkten Phasenverschiebung φ‘ abhängige Messgröße. Diese Messgröße ist abhängig von den elektrischen Eigenschaften beider Kondensatoren, und verändert sich somit, sobald Medium mit von der Isolationsschicht 17 verschiedenen elektrischen Eigenschaften bei einem Membranbruch in den Bereich mindestens eines der beiden Kondensatoren eindringt. 4 zeigt hierzu Ersatzschaltbild, in dem, genau wie bei dem vorherigen Ausführungsbeispiel, jeder der beiden Kondensatoren durch ein Teilschaltbild dargestellt, das einen Kondensator C1, C2 und einen dazu parallel geschalteten ohmschen Widerstand R1, R2 umfasst. Die über die Trennmembran 5 bewirkte Reihenschaltung der beiden Kondensatoren ist hier durch einen die Trennmembran 5 repräsentierenden Verbindungspunkt zwischen den beiden Teilschaltbildern dargestellt.
Diese Variante bietet den Vorteil, dass die Messung über die beiden Elektroden 43 erfolgt, und somit über die Messschaltung 39 keine galvanische Verbindung zwischen den Elektroden 43 und der Trennmembran 5 bewirkt wird. Dabei bewirkt die Isolationsschicht 17 auch dann noch eine galvanische Trennung, wenn die Trennmembran 5 bereits beschädigt ist, sich aber über das eindringende Medium noch keine galvanische Verbindung zu einer oder beiden Elektroden 43 ausgebildet hat.
Die messtechnische Erfassung, deren Überwachung und die Erkennung und Anzeige eines ggfs. erkannten Membranbruchs erfolgt auch bei dieser Variante auf die oben bereits in Verbindung mit dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel beschriebene Weise, wobei an die Stelle der von der durch den Kondensator von 1 bewirkten Phasenverschiebung φ abhängigen Messgröße die von der durch die in Reihe geschalteten Kondensatoren von 3 bewirkten Phasenverschiebung φ‘ abhängigen Messgröße tritt.
Auch wenn die Erfindung vorliegend anhand von Druckmessaufnehmern beschrieben ist, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Membranbruch-Erkennung natürlich auch in anderen Anwendungen eingesetzt werden, in denen eine elektrisch leitfähige Trennmembran einen Innenraum nach außen abschließt, und von außen mit einem unter Druck stehenden flüssigen Medium beaufschlagt wird.
Bezugszeichenliste

1: Träger
3: Innenraum
5: Trennmembran
6: Beschichtung
7: Druckübertragungsleitung
9: Gehäuse
11: Druckmesskammer
13: Drucksensor
15: Elektrode
17: Isolationsschicht
19: Messschaltung
21: Anschlussleitung
23: elektrisch leitende Verbindung
25: Anschlussleitung
27: Rückwand
29: Durchführung
31: Messelektronik
33: Widerstandsmessschaltung
35: Überwachungseinheit
37: Ausgang
39: Messschaltung
41: Verlustleistungs-Messschaltung
43: Elektrode
45: Anschlussleitung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10131855 A1 [0006]

Claims

Druckmessaufnehmer zur Aufnahme eines Drucks (p) eines flüssigen Mediums, mit einer einen Innenraum (3) des Druckmessaufnehmers nach außen abschließenden, elektrisch leitfähigen Trennmembran (5), deren Außenseite mit dem unter dem aufzunehmenden Druck (p) stehenden flüssigen Medium beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass – auf einer in den Innenraum (3) weisenden Innenseite der Trennmembran (5) mindestens eine Elektrode (15, 43) angeordnet ist, die über eine zwischen der Elektrode (15, 43) und der Trennmembran (5) angeordnete Isolationsschicht (17) elektrisch gegenüber der Trennmembran (5) isoliert und mechanisch mit der Trennmembran (5) verbunden ist, und – eine an einen durch die Trennmembran (5) und die Elektrode (15, 43) gebildeten Kondensator angeschlossene Messschaltung (19, 39) vorgesehen ist, die eine von einer elektrischen Eigenschaft des Kondensators abhängige Messgröße messtechnisch erfasst und überwacht, die sich durch bei einem Membranbruch der Trennmembran (5) in den Bereich des Kondensators eindringendes Medium verändert.
Druckmessaufnehmer gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – das Medium elektrisch leitfähig ist, – die Messgröße ein Gleichstromwiderstand (R_DC) des Kondensators ist, und – die Messschaltung (19) eine Widerstandsmessschaltung (33) zur Messung des Gleichstromwiderstands (R_DC) des durch Trennmembran (5) und Elektrode (15) gebildeten Kondensators umfasst.
Druckmessaufnehmer gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass – die Elektrode (15) über eine durch den Innenraum (3) des Druckmessaufnehmers geführte Anschlussleitung (21) an die Messschaltung (19) angeschlossen ist, und – die Trennmembran (5) über eine elektrisch leitende Verbindung (23), insb. eine über einen den Innenraum (3) umgebenden, nach außen von der Trennmembran (5) abgeschlossenen, metallischen Träger (1) des Druckmessaufnehmers verlaufende Verbindung (23), an die Messschaltung (19) angeschlossen ist.
Druckmessaufnehmer gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die Messgröße eine von einer durch den Kondensator in einem Wechselstromkreis bewirkten Phasenverschiebung (φ) zwischen Wechselstrom und Wechselspannung abhängige Messgröße, insb. eine dielektrische Verlustleistung des Kondensators oder ein Tangens eines von der Phasenverschiebung (φ) abhängigen Verlustwinkels (δ), ist und – die Messschaltung (39) eine Messschaltung (41), insb. eine Verlustleistungsmessschaltung, umfasst, die diese Messgröße messtechnisch erfasst.
Druckmessaufnehmer gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – auf der Innenseite der Trennmembran (5) zwei Elektroden (43) angeordnet sind, die durch die Isolationsschicht (17) elektrisch gegeneinander und gegenüber Trennmembran (5) isoliert und mechanisch mit der Trennmembran (5) verbunden sind, – jede der Elektroden (43) mit der Trennmembran (5) einen Kondensator bildet, – die Messgröße eine von einer durch die beiden über die Trennmembran (5) in Reihe geschalteten Kondensatoren in einem Wechselstromkreis bewirkten Phasenverschiebung (φ‘) zwischen Wechselstrom und Wechselspannung abhängige Messgröße, insb. eine dielektrische Verlustleistung der in Reihe geschalteten Kondensatoren oder ein Tangens eines von der Phasenverschiebung (φ‘) abhängigen Verlustwinkels (δ‘), ist und – die Messschaltung (39) eine an die Elektroden (43) angeschlossene Messschaltung (41), insb. eine Verlustleistungsmessschaltung, umfasst, die diese Messgröße messtechnisch erfasst.
Druckmessaufnehmer gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messschaltung (19, 39) einen Membranbruch erkennt, wenn die Messgröße von einem bei intakter Trennmembran (5) gemessenen Referenzwert abweicht.
Druckmessaufnehmer gemäß Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass – die Messschaltung (39) die Messgröße bei mindestens zwei verschiedenen Frequenzen der über die Messschaltung (39) angelegten Wechselspannung bestimmt, und – die Messschaltung (39) einen Membranbruch erkennt, wenn die bei den verschiedenen Frequenzen bestimmten Messgrößen eine Frequenzabhängigkeit aufweisen.
Druckmessaufnehmer gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass – die Frequenzen unterhalb einer Grenzfrequenz liegen, ab der die Messgröße bei intakter Trennmembran (5) frequenzabhängig ist, und – die Frequenzen in einem Frequenzbereich von 100 Hz bis 100 kHz liegen, und insb. den Frequenzbereich von 100 Hz bis 100 kHz abdecken, insb. indem mindestens eine Frequenz in einem Bereich von weniger als einem Kiloherz liegt, mindestens eine Frequenz in einem Bereich von wenigen Kiloherz liegt, und/oder mindestens eine Frequenz in einem Bereich von mehr als 10 KHz liegt.
Druckmessaufnehmer gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (15, 43) aus Metall, insb. aus Silber besteht
Druckmessaufnehmer gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die Isolationsschicht (17) eine oder mehrere aufeinander aufgebrachte Lagen, insb. eine auf der Trennmembran (5) angeordneten Lage aus Siliziumcarbid (SiC) und eine darauf angeordneten Lage aus diamant-ähnlichem Kohlenstoff (DLC), umfasst, und – jede Lage aus einem Dielektrikum, insb. aus Siliziumcarbid (SiC), diamant-ähnlichem Kohlenstoff (DLC) oder Siliziumdioxid (SiO₂), besteht.
Druckmessaufnehmer gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (17) mindestens eine Lage, insb. eine Lage aus Siliziumcarbid (SiC), diamant-ähnlichem Kohlenstoff (DLC) oder Siliziumdioxid (SiO₂), umfasst, die eine Diffusionssperre gegenüber Wasserstoff bildet.
Druckmessaufnehmer gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die Trennmembranen (5) eine Dicke im Bereich von 20 µm bis 150 µm aufweist, – die Isolationsschicht (17) eine Schichtdicke im Bereich von 0,05 µm bis 50 µm aufweist, und/oder – die Elektrode (15, 43) eine Schichtdicke im Bereich von 0,1 µm bis 10 µm aufweist.
Druckmessaufnehmer gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum (3) mit einer Druck übertragenden Flüssigkeit gefüllt ist, die den von außen auf die Trennmembran (5) einwirkenden Druck (p) auf einen mit dem Innenraum (3) verbundenen Zielort, insb. eine mit einem Drucksensor ausgestattete Druckmesskammer (11) eines Druck- oder Differenzdruckmessgeräts, überträgt.
Druck- oder Differenzdruckmessgerät mit einem Druckmessaufnehmer gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – ein in einem Gehäuse (9) angeordneter Drucksensor (13) vorgesehen ist, – der über den Druckmessaufnehmer mit dem von außen auf die Trennmembran (5) einwirkenden Druck (p) beaufschlagbar ist.
Vorrichtung zur Erkennung eines Membranbruchs einer einen Innenraum (3) nach außen abschließenden, von außen mit einem unter Druck (p) stehenden flüssigen Mediums beaufschlagbaren, elektrisch leitfähigen Trennmembran (5), dadurch gekennzeichnet, dass – auf einer in den Innenraum (3) weisenden Innenseite der Trennmembran (5) mindestens eine Elektrode (15, 43) angeordnet ist, die über eine zwischen der Elektrode (15, 43) und der Trennmembran (5) angeordnete Isolationsschicht (17) elektrisch gegenüber der Trennmembran (5) isoliert und mechanisch mit der Trennmembran (5) verbunden ist, und – eine an einen durch die Trennmembran (5) und die Elektrode (15) gebildeten Kondensator angeschlossenen Messschaltung (19, 39) vorgesehen ist, die eine von einer elektrischen Eigenschaft des Kondensators abhängige Messgröße messtechnisch erfasst und überwacht, die sich durch bei einem Membranbruch der Trennmembran (5) in den Bereich des Kondensators eindringendes Medium verändert.