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Die Erfindung betrifft eine Druckmesszelle zur Erfassung des Druckes eines an die Druckmesszelle angrenzenden Mediums sowie ein elektronisches Druckmessgerät mit einer solchen Druckmesszelle.
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Druckmessgeräte bzw. Drucksensoren werden in vielen Industriebereichen zur Druckmessung eingesetzt. Sie weisen häufig eine Druckmesszelle, als Messwandler für den Prozessdruck, und eine Auswerteelektronik zur Signalverarbeitung auf. Typische Druckmesszellen erfassen den Druck entweder kapazitiv oder resistiv und bestehen häufig aus Keramik.
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Typische kapazitive Druckmesszellen bestehen aus einer kompakten Einheit mit einem keramischen Grundkörper und einer eleatischen Membran, wobei zwischen dem Grundkörper und der Membran eine ringförmige Fügestelle, typischerweise ein Glaslotring, angeordnet ist. Der sich dadurch ergebende Hohlraum zwischen Grundkörper und Membran ermöglicht die längsgerichtete Beweglichkeit der Membran infolge eines Druckeinflusses. An der Unterseite der Membran und an der gegenüberliegenden Oberseite des Grundkörpers sind jeweils Elektroden vorgesehen, die zusammen einen Messkondensator bilden. Durch Druckeinwirkung kommt es zu einer Verformung der Membran, was eine Kapazitätsänderung des Messkondensators zur Folge hat. Mit Hilfe einer Auswerteeinheit wird die Kapazitätsänderung erfasst und in einen Druckmesswert umgewandelt.
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Demgegenüber erfassen resistiv messende Druckmesszellen die Auslenkung der Membrane mithilfe von elektromechanischen Wandlern, bspw. mittels Dehnungsmessstreifen, der mit der ausgelenkten Membran verformt wird und die Auslenkung in einen entsprechenden Widerstandswert bzw. Spannungs- oder Stromwert umwandelt. Derartige Druckmesszellen gibt es sowohl einstückig in Form eines Monoliths, aber auch zweistückig mit einem Grundkörper und einer dünnen Membrane.
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Am Unterteil des Messgeräts befindet sich der sogenannte Prozessanschluss, durch den das Messgerät mit einem das Medium führenden Behälter oder Rohr verbunden ist. In der Regel dienen diese Druckmessgeräte zur Überwachung oder Steuerung von Prozessen. Sie sind deshalb häufig mit übergeordneten Steuereinheiten (SPS) verbunden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, derartige Druckmesszellen und damit ein Druckmessgerät mit einer solchen Druckmesszelle so weiterzubilden, dass ihre bzw. seine Einsatzmöglichkeit erweitert wird.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Druckmesszelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein elektronisches Druckmessgerät nach Anspruch 12. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß wird die zwischen Grundkörper und Messmembran angeordnete und durch eine erste ringförmige Fügestelle begrenzte Messkammer in zwei Einzelmesskammern geteilt, indem quer durch die Messkammer eine zweite Fügestelle verläuft. Dadurch ergeben sich eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten, weil die zwei Einzelmesskammern insbesondere unabhängig voneinander verwendet werden können, d.h. die beiden Einzelmesskammern sind nicht zwingend nur für Druckmessanwendungen einsetzbar. Dabei kann es um eine kapazitive oder resistive Druckerfassung handeln, oder aber auch um eine Kombination von beiden Verfahren.
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Vorteilhaft ist bspw. die Druckmesszelle für eine kaskadenartige Druckmessung zu verwenden. Hierfür ist die Messmembran in den beiden Einzelmesskammern mit einer unterschiedlichen Steifigkeit auszustatten, wofür es mehrere Möglichkeiten gibt. Es bietet sich z.B. an, die Membrane mit unterschiedlichen Dicken auszuführen, d.h. entweder eine partiell reduzierte Dicke oder aber auch eine partielle Aufdickung durch Aufbringen eines weiteren Materials, wobei es sich bspw. um eine Keramik-Sinterfolie handeln kann. Eine Reduzierung der Dicke oder eine Aufdickung der Membrane kann entweder an der Außenseite, an der Innenseite, also der Messkammer zugewandt, oder aber auch beidseitig realisiert werden. Eine unterschiedliche Steifigkeit kann des Weiteren auch erreicht werden, indem die Messkammer in zwei unterschiedlich große Einzelmesskammern aufgeteilt ist, wodurch sich ein unterschiedlich großer auslenkbarer Membranbereich ergibt. Schließlich lässt sich eine unterschiedliche Steifigkeit auch dadurch erreichen, dass in den entsprechenden Membranbereichen ein unterschiedliches E-Modul vorgesehen wird, entweder indem die Membrane Bereiche aus unterschiedlichen Materialien aufweist oder auch mit demselben Material, aber mit partiell unterschiedlicher Beschaffenheit ausgeführt ist, z.B. unterschiedlicher Dichte.
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Die erste Einzelmesskammer ist dann bspw. für Messungen im Niederdruckbereich vorgesehen, so dass die Membrane in diesem Bereich dünn ausgeführt ist, diese Messkammer die größere der beiden Einzelmesskammern darstellt oder dieser Membranbereich ein niedrigeres E-Modul aufweist. Ab einem bestimmten Druck übernimmt die zweite Einzelmesskammer, in der die Membrane dicker und damit robuster ausgeführt ist oder die die kleinere der beiden Einzelmesskammern darstellt, die Erfassung des Drucks. Hierbei ist die gute Überlastfestigkeit von kapazitiven Druckmesszellen an sich sehr von Vorteil, da der dünnere bzw. größere bzw. ein niedrigeres E-Modul aufweisende Bereich der Membrane bei Drücken auch weit außerhalb des Nenndruckbereichs durch diese Auslenkung nicht reißt oder zerstört wird, da sie an dem gegenüberliegenden Grundkörper anliegt. Auf diese Weise lässt sich über ein breites Druckspektrum eine genaue Messung erreichen, da auf der Messmembrane neben einem für die Hochdruckmessung erforderlichen robusten bzw. kleinerer Bereich auch ein dünner, empfindlicher bzw. größerer bzw. ein niedriges E-Modul aufweisender Bereich für eine exakte Messung im Niederdruckbereich vorhanden ist.
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Eine weitere vorteilhafte Anwendung ist die Möglichkeit einer Redundanzmessung unmittelbar nebeneinander angeordneter Messstellen und damit ohne nennenswerten Gradienten. Durch eine unterschiedliche Ausgestaltung der beiden Einzelmesskammern lässt sich auch eine diversitäre Redundanz erreichen, bspw. indem eine Messkammer eine kapazitive Druckmessung durchführt und die andere Messkammer den Druck mittels Dehnungsmessstreifen erfasst.
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Eine Redundanzmessung kann auch erreicht werden, indem die beiden Einzelmembranen ab einem gewissen Druck an den gegenüberliegenden Grundkörperseiten anliegen, damit einen Kontakt auslösen und so jeweils als Schalter fungieren. Erst wenn beide Einzelmembranen anliegen und der Schalter damit einen Kontakt auslöst, wird ein nachfolgender Prozess gestartet. Hierfür weisen beide Einzelmesskammern Mittel zur Erfassung dieser Berührung von Messmembran und Grundkörper auf. Wahlweise können hierfür separate Kontaktelemente vorgesehen werden, aber auch die bereits vorhandenen Elektroden für die kapazitive Druckmessung lassen sich hierzu verwenden.
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Des Weiteren lässt sich bei einer Kombination der zuvor genannten Ausführungen eine Selbstüberwachung der Druckmesszelle realisieren, indem die Membrane im Bereich der ersten Einzelmesskammer dünner ausgeführt ist und es damit bei dieser Einzelmembrane bereits zu einer Berührung mit dem Grundkörper kommt, wenn die zweite Einzelmesskammer noch im Nenndruckbereich misst. Wenn vorbekannt ist, bei welchem Druck es zum Kontakt kommt, lässt sich damit auf einfache Weise vergleichen, ob die zweite, noch im Nenndruckbereich messende Einzelmesskammer zu diesem Zeitpunkt den gleichen Druck misst. Abweichungen lassen dann darauf schließen, dass ein Abgleich bzw. eine Kalibrierung der Druckmesszelle notwendig ist. Der Vorteil besteht darin, dass Abweichungen im Nenndruckbereich vielfältige Ursachen haben können, insbesondere temperaturbedingte Einflüsse auf die elektronischen Bauteile, während der Punkt, an dem es zum Anliegen eines Membranbereichs an dem gegenüberliegenden Grundkörper kommt, genau definierbar und weitestgehend unabhängig von äußeren Einflüssen ist. Diese Art der Selbstüberwachung ist folglich sehr zuverlässig.
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Alternativ zu einer unterschiedlich dünnen Membrane können auch die beiden Einzelmesskammern eine unterschiedliche Höhe aufweisen, was bspw. durch eine partielle Aufdickung mit Glaslot, Isolationsglas oder einem Dielektrikum auf der Grundkörperseite realisierbar ist. Dann könnte die Höhe der Messkammer, in der es zur Berührung kommen soll, an den entsprechend für die Berührung gewünschten Druck angepasst werden.
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Darüber hinaus bietet sich an, eine relative und eine absolute Druckmessung innerhalb eines Druckmessgeräts zu realisieren. Hierzu ist dann eine der beiden Messkammern hermetisch abzudichten, während die andere über einen kleinen Kanal eine Verbindung zum Umgebungsdruck verfügt.
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Neben zwei unabhängigen Druckmessungen ist es auch vorteilhaft, in der Druckmesszelle wenigstens ein Sensorelement zur Erfassung einer weiteren Messgröße vorzusehen. Dieses wenigstens eine Sensorelement kann innerhalb der Fügestelle, d.h. des Glaslots, bevorzugt aber auch innerhalb zumindest einer der beiden Messkammern vorgesehen werden. Denkbar ist hier der Einsatz wenigstens eines Temperatursensors zur Erfassung der Temperatur oder einer kalorimetrischen Anhaftungs- bzw. Belagserkennung oder Strömungsmessung.
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Vorteilhaft ist es, hierfür die Membrane teilweise, d.h. bevorzugt im Bereich wenigstens einer Einzelmesskammer, aus einem transparenten Material auszuführen. Dabei bietet sich die Verwendung von Saphir oder einer transparenten Keramik an, wie sie bspw. unter dem Namen Perlucor® von der Fa. CeramTec aus Plochingen angeboten wird. Dann ist in einer der Messkammern die optische Erfassung von Mediumseigenschaften möglich, bspw. eine Trübungsmessung.
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In einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein elektronisches Druckmessgerät, welches aus einem Prozessanschluss, einem darauf aufgesetzten Gehäuse und einer zuvor beschriebenen Druckmesszelle besteht. Damit wird nun ein Messgerät vorgeschlagen, mit dem neben einer einfachen Druckmessung verschiedene weitere Anwendungsmöglichkeiten gegeben sind.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen schematisch:
- 1 ein erfindungsgemäßes Druckmessgerät,
- 2 einen Längsschnitt durch den Prozessanschluss eines erfindungsgemäßen Druckmessgeräts und
- 3 einen Querschnitt durch den Prozessanschluss eines erfindungsgemäßen Druckmessgeräts.
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Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
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In 1 ist ein erfindungsgemäßes Druckmessgerät 1 dargestellt. Auf einem Prozessanschluss 3 ist ein Gehäuse 2 aufgesetzt. Über den Prozessanschluss 3 wird das Druckmessgerät 1 mit einem das zu messende Medium beinhaltenden Behälter, d.h. einer Rohrleitung, einem Tank oder dergleichen, verbunden. In dem Gehäuse 2 ist insbesondere die zur Verarbeitung und Aufbereitung der Messwerte zu einem Messsignal notwendige Elektronikeinheit angeordnet. Darüber hinaus befindet sich auf dem Gehäuse 2 eine Anzeige- und Bedieneinheit 5, über die die Messergebnisse angezeigt werden und diverse Einstellungen durch das Bedienpersonal vorgenommen werden können, wie bspw. Festlegung eines Schaltpunkts oder Anzeige der Messwerte in verschiedenen Maßeinheiten. Ebenfalls von der Erfindung mit umfasst sind jedoch auch sogenannte Transmittergeräte, die keinerlei Anzeige- oder Bedieneinheit aufweisen und stattdessen über eine übergeordnete Steuereinheit bedient und parametriert werden. Seitlich am Gehäuse 2 ist ein Steckeranschluss 8 angeordnet, über den das Druckmessgerät 1 mit Energie versorgt wird und als elektronische Schnittstelle fungierend die erzeugten Messsignale zur weiteren Verarbeitung in einer übergeordneten Steuereinheit, bspw. in einer SPS, abgegriffen werden können.
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2 zeigt schematisiert einen Längsschnitt durch den Prozessanschluss 3 eines erfindungsgemäßen Druckmessgeräts 1. Der Prozessanschluss 3 weist an seinem unteren Ende eine Öffnung auf, über die eine Druckmesszelle 10 angeordnet ist und durch die das zu messende Medium an die Druckmesszelle 10 gelangt. Der Pfeil mit dem „p“ soll das Medium und den damit einwirkenden Druck verdeutlich.
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Eine kapazitive Druckmesszelle 10 besteht im Wesentlichen aus einer auslenkbaren keramischen Messmembran 11, deren erste Seite zumindest teilweise mit dem Medium in Kontakt steht. Auf der von dem Medium abgewandten zweiten Seite befindet sich eine nicht weiter dargestellte Messelektrode. Dieser zweiten Seite der Messmembran 11 gegenüberliegend ist ein keramischer zylinderförmiger Grundkörper 12 angeordneten, mit wenigstens einer eine Messkapazität mit der Messelektrode bildenden und ebenfalls nicht weiter dargestellten Gegenelektrode. Die Messmembran 11 und der Grundkörper 12 sind mittels einer ersten ringförmigen Fügestelle 13, welche zumeist als Glaslotring ausgebildet ist, miteinander verbunden. Dabei bildet sich eine Messkammer 6 aus, die die längsgerichtete Auslenkung der Messmembran 11 ermöglicht. Die Auslenkung der Messmembran 11 liegt typischerweise bei etwa 6 µm.
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Der Aufbau einer zweiteiligen resistiven Druckmesszelle 10 unterscheidet sich demgegenüber nur darin, dass die Auslenkung der Messmembrane 11 nicht durch gegenüberliegende Elektroden erfasst wird, sondern durch nicht weiter dargestellte elektromechanische Wandler, zumeist Dehnungsmessstreifen, die auf der Messmembran 11 angeordnet sind. Die Dehnungsmessstreifen werden mit der ausgelenkten Membran verformt, was zu einem geänderten Widerstandswert führt und in einer Auswerteschaltung in einen entsprechenden Spannungs- oder Stromwert umwandelt werden kann.
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Die Druckmesszelle 10 liegt auf einem Dichtring auf und wird innerhalb des Prozessanschlusses durch ein auf der Oberseite des Grundkörpers 12 aufliegenden nicht dargestelltes Abstützelement axial eingespannt und damit fixiert. Dieses Abstützelement kann als ein eingeschraubter Gewindering oder als ein U- oder scheibenförmiges Element, das an der Innenseite des Prozessanschlusses 3 angeschweißt ist, ausgeführt sein.
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Das Besondere an der erfindungsgemäßen Druckmesszelle 10 ist, dass zwischen der Messmembran 11 und dem Grundkörper 12 quer durch die Messkammer 6 eine zweite Fügestelle 13a verläuft. Die ursprüngliche Messkammer 6 ist damit in zwei nebeneinander angeordnete Einzelmesskammern 6a, 6b geteilt. In 3, die einen Querschnitt durch den Prozessanschluss 3 abbildet, ist die geteilte Messkammer 6 in zwei Einzelmesskammern 6a, 6b deutlich zu erkennen. Dadurch sind zwei getrennte Messkammern entstanden, die eine Vielzahl von Anwendungen ermöglichen. Zuvor sind einige denkbare Anwendungen aufgeführt worden. Hierfür kann die Messmembran 11 unterschiedliche Materialeigenschaften aufweisen und/oder aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Infolge dessen variiert zwischen den beiden Einzelmesskammern 6a, 6b bspw. die Steifigkeit bzw. die Dicke der Messmembran 11, was dann in einem unterschiedlichen Auslenkungsverhalten resultiert.
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In 3 sind in Verlängerung der zweiten Fügestelle 13a zwei gegenüberliegende Aussparungen in dem Glaslotring 13 dargestellt, wobei die Anordnung der Aussparungen nur beispielhaft ist, da sie auch in der zweiten Fügestelle 13a angeordnet sein kann. Diese Aussparungen sind für das Einsetzen jeweils eines Sensorelements 14, 15 zur Erfassung einer weiteren Messgröße vorgesehen. Hier bietet sich insbesondere das Vorsehen von Temperatursensoren an, um die Mediumstemperatur an der Messmembran 11 zu erfassen. Temperatursensoren an diesen Stellen können aber auch zur kalorimetrischen Anhaftungs- bzw. Belagserkennung an der Außenseite der Messmembran 11 oder zur kalorimetrischen Strömungsmessung verwendet werden.
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Für den Fall, dass nur eine Messkammern 6a zur Druckmessung verwendet wird, ist des Weiteren auch in der rechten Einzelmesskammer 6b ein weiteres Sensorelement 16 angedeutet, welches neben einem vorgenannten Temperatursensor ein Sensorelement zur optischen Erfassung einer Mediumseigenschaft, bspw. der Trübung, sein könnte. Hierfür bietet es sich an, wenigstens die Membran der rechten Messkammer 6b aus einem transparenten Material auszuführen, z.B. Saphir oder eine transparente Keramik, wie sie bspw. unter dem Namen Perlucor® von der Fa. CeramTec aus Plochingen angeboten wird.
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Die Messkammer 6 muss nicht, wie in 3 dargestellt, zwingend in zwei gleichgroße Einzelmesskammern 6a, 6b geteilt sein. Auch eine beliebige andere Größenverteilung ist möglich. Durch eine unterschiedliche Verteilung ergeben sich dann unterschiedliche Steifigkeiten der beiden Membranbereiche, was entsprechend in einem unterschiedlichen Auslenkungsverhalten resultiert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Messgerät
- 2
- Gehäuse
- 3
- Prozessanschluss
- 4
- Steckeranschluss
- 5
- Anzeige-/Bedieneinheit
- 6
- Messkammer
- 6a
- erste Einzelmesskammer
- 6b
- zweite Einzelmesskammer
- 10
- Druckmesszelle
- 11
- Messmembran
- 12
- Grundkörper
- 13
- Glaslotring
- 13a
- Glaslot
- 14
- Sensorelement
- 15
- Sensorelement
- 16
- Sensorelement
