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Die Erfindung bezieht sich auf einen Drucksensor mit einer Messmembran zwischen einem ersten und einem zweiten Gegenkörper.
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In der industriellen Messtechnik werden Drucksensoren in Verbindung mit Druckmittlern zur Messung von Drücken eingesetzt. Hierbei wird ein zu messender Mediendruck dem Druckmittler zugeführt und über den Druckmittler auf einen Drucksensor, der entweder abgesetzt von dem Druckmittler oder innerhalb des Druckmittlers angeordnet ist, gegeben, sodass mit Hilfe des Drucksensors eine Druckmesswert, welcher den Mediendruck repräsentiert, ermittelbar ist. Bei Differenzdrucksensoren werden entsprechend zwei Druckmittler eingesetzt denen jeweils einer der Drücke, deren Differenz gemessen werden soll, zugeführt wird. Die Druckmittler übertragen diese Drücke dann auf den Drucksensors zur Erfassung eines Differenzdruckmesswertes.
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Der Einsatz von Druckmittlern ist erforderlich, da die Drücke dem Drucksensor nicht direkt zugeführt werden können. Dies ist z.B. dann der Fall, wenn die Drucksensoren gegenüber chemischen und/oder mechanischen Belastungen sehr empfindlich sind, wie dies bei Drucksensoren mit einer empfindlichen Messmembran aus Silizium oder Keramik der Fall ist.
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Hierfür weisen die Druckmittler in der Regel eine auf einen Körper, bspw. einen Gehäusekörper, montierte flexible Trennmembran auf, deren vom Körper abgewandte Seite ein zu übertragender Druck zuführbar ist. Der Körper weist üblicherweise eine zur Trennmembran hin geöffnete hydraulische Kammer auf, die von der Trennmembran überdeckt und nach außen abgeschlossen ist. Vorzugsweise dient eine der Trennmembran zugewandte innere Mantelfläche der Kammer als Membranbett, an das sich die Trennmembran anlegt, wenn der auf sie einwirkende Druck einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Der Anschluss des Druckmittlers an einen Drucksensor kann bspw. über eine Druckleitung, die in die Druckkammer mündet, erfolgen. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass der Drucksensor sich innerhalb des Körpers befindet und somit keine Druckleitung notwendig ist.
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Als derartige Drucksensoren werden gerne Halbleiter-Drucksensor-Chips, z.B. Silizium-Chips mit dotierten Widerstandselementen, eingesetzt. Diese umfassen eine Messmembran, deren eine Seite im Messbetrieb einem ersten Druck und deren zweite Seite einem zweiten Druck ausgesetzt wird. Die einwirkenden Drücke bewirken eine resultierende Auslenkung der Messmembran, die dem zu messenden Druck entspricht. Wie bereits erwähnt, sind solche Drucksensoren in der Regel sehr empfindlich und werden deshalb nicht direkt einem Medium, dessen Druck aufgenommen werden soll, ausgesetzt, sondern vielmehr werden stattdessen Druckmittler, die mit einer inkompressiblen Flüssigkeit gefüllte sind, vorgeschaltet. Typischerweise werden in den Druckmittlern auch so genannte Überlastmembranen eingebaut, die dem eigentlichen Drucksensor parallel geschaltet sind und eine einseitige Überlast abfangen sollen, sodass der Drucksensor im Falle einer einseitigen Überlast nicht zerstört wird. Dies bedeutet aber auch einen aufwendigen Gesamtaufbau, bestehend aus Druckmittler und Drucksensor, was zwangsläufig wiederum sehr kostenintensiv ist.
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Wie bereits erwähnt, sind die Druckmittler typischerweise mit einer Flüssigkeit, auch als Druckübertragungsflüssigkeit bezeichnet, befüllt. Hierfür kann beispielsweise ein Silikonöl eingesetzt werden, das in einem Befüllvorgang in den Druckmittler bei dessen Herstellung gefüllt wird. Problematisch an derartigen Druckübertragungsflüssigkeiten ist, dass das Öl thermische Fehler, bspw. durch thermische Zersetzung, im eigentlichen Messsignal erzeugt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Drucksensor vorzuschlagen, der die eingangs beschriebenen Nachteile des Standes der Technik überwindet.
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Die Aufgabe wird durch einen Drucksensor mit einer Messmembran zwischen einem ersten und einem zweiten Gegenkörper gelöst, wobei die Messmembran mit beiden Gegenkörpern entlang eines umlaufenden Randbereiches jeweils druckdicht verbunden ist, wobei die beiden Gegenkörper eine Messkammer ausbilden, die durch die Messmembran in eine erste und eine zweite Teilkammer unterteilt ist, wobei der ersten Teilkammer ein erster Druck eines Mediums und der zweiten Teilkammer ein zweiter Druck des Mediums zuführbar sind, sodass sich eine differenzdruckabhängige Auslenkung der Messmembran ergibt, wobei durch eine Bestimmung der Auslenkung der Messmembran ein Differenzdruckwert, welcher eine Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Druck repräsentiert, ermittelbar ist, wobei die beiden Gegenkörper und die Messmembran jeweils ein Metall, insbesondere jeweils Titan, aufweisen.
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Erfindungsgemäß wird also ein Drucksensor vorgeschlagen, der ohne einen Druckmittler, welcher mindestens eine Trennmembran aufweist, auskommt. Der erfindungsgemäße Drucksensor steht somit direkt mit dem Medium bzw. Prozessmedium in Kontakt. Hierfür sind zumindest die beiden Gegenkörper sowie die Messmembran jeweils aus einem Metall ausgebildet. Als besonders vorteilhaft hat sich Titan erwiesen, da dies ein bereits weitverbreiteter Werkstoff in der Prozessautomatisierungstechnik ist.
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Ein erfindungsgemäßer Drucksensor hat folgende Vorteile:
- – Einfacher, mechanischer Aufbau des Drucksensors als Gesamtsystem. Der Drucksensor kommt im Wesentlichen mit zwei Gegenkörper und eine Messmembran zwischen diesen beiden Gegenkörpern aus. Somit wird im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Gesamtsystemen kein Druckmittler benötigt.
- – Metallische Zelle, also im Wesentlichen die beiden Gegenkörper und die Messmembran, kann Überlastdruck im Messelement selber abfangen, sodass sich der Aufbau in seiner Komplexität deutlich reduziert.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass in die beiden Gegenkörper jeweils ein Membranbett, an welches die Messmembran anlegbar ist, eingebracht ist.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die beiden Gegenkörper jeweils eine hydraulisch offene Verbindung zwischen den beiden Teilkammern und dem Medium aufweisen, sodass der erste Druck über eine erste hydraulisch offene Verbindung zum Medium der ersten Teilkammer der zweite Druck über eine zweite hydraulisch offene Verbindung zum Medium der zweiten Teilkammer zugeführt ist.
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Unter einer hydraulisch offenen Verbindung soll im vorliegenden Fall, ein fluidischer Kanal verstanden werden, der unmittelbar bzw. direkt, d.h. insbesondere ohne eine zwischengeschaltete Trennmembran, die Teilkammern mit dem Medium verbindet, sodass ein Druck des Mediums unmittelbar bzw. direkt den beiden Teilkammern zugeführt ist. Im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Drucksensoren findet somit eine direkte Übertragung des Druckes von dem Medium zu den Teilkammern und der Messmembran statt, ohne dass ein Druckmittler mit einer Trennmembran eingesetzt wird. Das Medium steht somit fluidisch gesehen in direktem Kontakt mit der Messmembran.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der erste und/oder der zweite Gegenkörper ein optisch transparentes Auslesefenster aufweist und die Bestimmung der Auslenkung der Messmembran durch ein optisches Auswerteverfahren erfolgt. Insbesondere sieht die Ausgestaltung vor, dass das Auslesefenster Glas und/oder Titanoxid aufweist.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der erste Gegenkörper eine erste Elektrode aufweist, sodass die Messmembran und die erste Elektrode eine erste Kapazität bilden und/oder zweite Gegenkörper eine zweite Elektrode aufweist, sodass die Messmembran und die zweite Elektrode eine zweite Kapazität bilden und die Bestimmung der Auslenkung der Messmembran durch ein kapazitives Auswerteverfahren erfolgt. Insbesondere sieht die Ausgestaltung vor, dass der erste Gegenkörper im Bereich des ersten Membranbettes eine erste Isolationsschicht und/oder der zweite Gegenkörper im Bereich des zweiten Membranbettes eine zweite Isolationsschicht aufweist. Ferner sieht die Ausgestaltung vor, dass auf der ersten Isolationsschicht eine erste elektrisch leitende Schicht als erste Elektrode und/oder auf der zweiten Isolationsschicht eine zweite elektrisch leitende Schicht als zweite Elektrode aufgebracht ist. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die erste und/oder zweite Isolationsschicht Siliziumoxid aufweist.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Messmembran zumindest einen Dehnungsmessstreifen aufweist und die Bestimmung der Auslenkung der Messmembran durch ein piezoresistives Auswerteverfahren erfolgt.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass eine Titanklammerung vorgesehen ist, die eine Kraft im Wesentlichen senkrecht zu einer Oberfläche der Messmembran aufbringt und somit eine kompressive Kraft auf die Fügestellen zwischen der Messmembran und den beiden Gegenkörpern ausübt, sodass eine erhöhte Berstfestigkeit des Drucksensors gegeben ist.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigt:
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1: eine erste Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Drucksensors,
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2: eine zweite Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Drucksensors.
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1 zeigt eine erste Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Drucksensors 1 aufweisend einen ersten Gegenkörper 3 und einen zweiten Gegenkörper 4 zwischen denen eine Messmembran 2, bspw. über ein Fügeverfahren, mit beiden Gegenkörpern 3, 4 entlang eines umlaufenden Randbereiches druckdicht verbunden ist. Dabei ist sowohl die Messmembran 2 mit dem ersten Gegenkörper 3 als auch mit dem zweiten Gegenkörper 4 druckdicht verbunden.
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Sowohl die beiden Gegenkörper 3, 4 als auch die Messmembran 2 sind erfindungsgemäß aus Titan. Denkbar sind auch andere metallische Werkstoffe, jedoch hat sich insbesondere in der Prozessindustrie Titan als Kontaktmaterial, d.h. als Material welches mit dem Medium des Prozesses in direktem Kontakt steht, als besonders vorteilhaft etabliert.
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Die beiden Gegenkörper 3, 4 weisen in einem im Wesentlichen mittig befindlichen Bereich jeweils ein Membranbett 6, 7 auf, sodass sich eine Messkammer 5 nach dem Fügen der beiden Gegenkörper 3, 4 mit der Messmembran 2 ausbildet. Die beiden Membranbetten 6, 7 sind so ausgebildet, dass sich die Messmembran 2 im Messbetrieb 1 daran anlegen kann. Durch die Ausbildung des ersten und des zweiten Membranbettes ergibt sich im gefügten Zustand des Drucksensors 1 eine erste Teilkammer 8 zwischen der Messmembran 2 und dem ersten Gegenkörper 3 und eine zweite Teilkammer 9 zwischen der Messmembran 2 und dem zweiten Gegenkörper 4.
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Die erste Teilkammer 8 ist über eine erste hydraulische offene Verbindung 11 mit dem Medium 10, an welches der Drucksensor 1 bspw. über einen Prozessanschluss verbunden ist, hydraulisch verbunden, sodass der ersten Teilkammer 8 ein erster Druck p1 des Mediums 10 zugeführt ist. Die zweite Teilkammer 9 ist über eine zweite hydraulische offene Verbindung 12 mit dem Medium 10 hydraulisch verbunden, sodass auch der zweiten Teilkammer 9 ein zweiter Druck p2 des Mediums 10 zugeführt ist. Was unter einer hydraulisch offenen Verbindung zu verstehen ist, würde bereits eingangs beschrieben, weswegen an dieser Stelle darauf nicht weiter eingegangen wird.
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Im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen erfolgt die Anbindung des Drucksensors 1 hierbei ohne einen Druckmittler, welcher typischerweise zwei Trennmembranen aufweist.
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Aufgrund der beiden Drücke p1, p2 die den beiden Teilkammern 8, 9 zugeführt sind und an der Messmembran 2 anliegen, ergibt sich eine differenzdruckabhängige Auslenkung der Messmembran 2. Durch die Bestimmung der Auslenkung der Messmembran 2 lässt sich somit ein Differenzdruckwert, der eine Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Druck darstellt, ermitteln. Die Bestimmung der Auslenkung der Messmembran 2 kann dabei auf verschiedene Arten durchgeführt werden.
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Die in 1 dargestellte erste Variante zur Bestimmung der Auslenkung der Messmembran 2 des Drucksensors 1 basiert auf einer optischen Auswertung. Hierfür weist der erste Gegenkörper 3 und/oder der zweite Gegenkörper 4 ein optisch transparentes Auslesefenster 13 auf. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn das Auslesefenster 13 aus Glas ist. Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Auslesefenster 13 Titanoxid aufweist, welches ab einer Wellenlänge von ca. 400 Nanometer (nm) transparent ist. Für die eigentliche Auswertung der Auslenkung der Messmembran 2 kommen in diesem Fall die üblichen optischen Verfahren, wie bspw. Interferometrie oder Lasertriangulationin Betracht.
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Die in 2 dargestellte zweite Variante zur Bestimmung der Auslenkung der Messmembran 2 des Drucksensors 1 basiert auf einer kapazitiven Auswertung. Hierfür weist der erste Gegenkörper 3 im Bereich des ersten Membranbettes 6 eine erste Elektrode 14 auf und/oder der zweite Gegenkörper 4 im Bereich des zweiten Membranbettes 7 eine zweite Elektrode 15 auf.
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Die erste Elektrode 14 und ggf. die zweite Elektrode 15 sind dabei aus einem Schichtaufbau aus einer Isolationsschicht (durch eine gestrichelte Linie in 2 angedeutet) auf der eine elektrisch leitende Schicht aufgebracht ist, ausgebildet. Der auf diese Weise aufgebaute Drucksensor 1 weist somit im Bereich des ersten Membranbettes 6 eine erste Isolationsschicht 16 (durch eine gestrichelte Linie in 2 angedeutet) und eine darauf befindliche erste elektrisch leitende Schicht 14 als erste Elektrode auf. Der zweite Gegenköper weist analog im Bereich des zweiten Membranbettes 7 eine zweite Isolationsschicht 17 (durch eine gestrichelte Linie in 2 angedeutet) und eine darauf befindliche zweite elektrisch leitende Schicht 15 als zweite Elektrode auf. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die erste und/oder die zweite Isolationsschicht 16, 17 Siliziumoxid aufweist.
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Elektrisch kontaktiert sind die erste Elektrode 14 und ggf. falls vorhanden die zweite Elektrode 15 über in den beiden Gegenkörpern 3, 4 befindliche elektrische Leitungen, die zusammen mit einer weiteren elektrischen Leitung 18 zur Kontaktierung der Messmembran 2 einer Auswerteeinheit (in 2 nicht dargestellt) zugeführt sind. Die Leitungen 18 sind dabei als elektrisch isolierte Leitungen gegenüber den beiden Gegenkörpern 4, 5 ausgebildet. Für die eigentliche Auswertung der Auslenkung der Messmembran 2 kommen in diesem Fall die üblichen kapazitiven Verfahren, wie bspw. ein Ladungsverschiebungsverfahren oder eine Brückenschaltung in Betracht.
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Eine dritte Variante, welche in den Figuren nicht dargestellt ist, sieht bezüglich der Bestimmung der Auslenkung der Messmembran 2 des Drucksensors 1 eine piezoresistive Auswertung vor. Hierfür weist die Messmembran 2 mehrere Dehnungsmessstreifen auf, über die beispielsweise mittels einer Brückenschaltung der Differenzdruckwert bestimmbar ist.
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Ein zuvor beschriebener Drucksensor 1 wird an einen Prozessanschluss beispielsweise über eine Verschraubung und einen Dichtring für den vorgesehenen Messbetrieb angeschlossen.
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Denkbar ist aber auch eine Variante bei der einer der beiden Gegenkörper 3, 4 direkt einen Flansch ausbilden, sodass durch Anschrauben des Gegenkörpers eine kraftschlüssige Verbindung realisiert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Drucksensor
- 2
- Messmembran
- 3
- Erster Gegenkörper
- 4
- Zweiter Gegenkörper
- 5
- Messkammer
- 6
- Erstes Membranbett
- 7
- Zweites Membranbett
- 8
- Erste Teilkammer
- 9
- Zweite Teilkammer
- 10
- Medium
- 11
- Erste hydraulisch offene Verbindung
- 12
- Zweite hydraulisch offene Verbindung
- 13
- Auslesefenster
- 14
- Erste Elektrode bzw. erste elektrisch leitende Schicht
- 15
- Zweite Elektrode bzw. zweite elektrisch leitende Schicht
- 16
- Erste Isolationsschicht
- 17
- Zweite Isolationsschicht
- 18
- Elektrische Leitung
- p1
- Erster Druck
- p2
- Zweiter Druck
