DE102018117594A1

DE102018117594A1 - Druckmesszelle mit Temperatursensor und Druckmessgerät mit einer solchen Druckmesszelle

Info

Publication number: DE102018117594A1
Application number: DE102018117594.9A
Authority: DE
Inventors: Guido Knoll
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2018-07-20
Filing date: 2018-07-20
Publication date: 2020-01-23

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Druckmesszelle (10) zur Erfassung des Druckes eines an die Druckmesszelle (10) angrenzenden Mediums, mit einer elastischen Messmembran (14), deren erste Seite zumindest teilweise mit dem Medium in Kontakt steht und deren von dem Medium abgewandten zweiten Seite Mittel zur Erfassung der Durchbiegung der Membran aufweist, und mit einem Widerstandselement (20) als Temperatursensor.Um die Temperaturerfassung weiter zu verbessern ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Messmembran (14) mehrschichtig aufgebaut ist und das Widerstandselement (20) für die Temperaturerfassung zwischen zwei Schichten (14a, 14b) angeordnet ist, wobei sich das Widerstandselement (20) flächig über den auslenkbaren Bereich der Messmembran (14) verteilt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Druckmesszelle zur Erfassung des Druckes eines an die Druckmesszelle angrenzenden Mediums nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Druckmessgerät mit einer solchen Druckmesszelle.
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 kapazitiv arbeitende Messzellen bestehen aus einer kompakten Einheit mit einem keramischen Grundkörper und einer Membran, wobei zwischen dem Grundkörper und der Membran ein ringförmiger Abstandshalter, bspw. 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.
Dem gegenüber gibt es auch Druckmesszellen, bei denen die Durchbiegung der Membran mittels elektromechanischer Wandler, d.h. mittels Dehnungsmessstreifen oder Piezoelemente, erfasst wird.
Häufig ist im Zusammenhang mit der Druckmessung auch eine Temperaturmessung erforderlich. Hierzu ist aus der DE 40 11 901 A1 bekannt, eine ringförmige Widerstandsbahn vorzusehen, die an der der Membran zugewandten Stirnseite des Grundkörpers oder an der dem Grundkörper zugewandten Stirnseite der Membran angeordnet ist.
Aus Platzgründen problematisch wird diese bekannte Anordnung jedoch, wenn der Druckmesswert nicht nur aus der Kapazitätsänderung eines Messkondensators ermittelt wird, sondern - wie aus der DE 198 51 506 C1 bekannt - aus dem Quotient zweier Kapazitätswerte, eines Messkondensators und eines Referenzkondensators. Das Quotientenverfahren ist insbesondere deswegen vorteilhaft, weil sich Änderungen des Dielektrikums nicht mehr auf die Messwertermittlung auswirken. Im Folgenden wird daher von Drucksensoren, die nach dem Quotientenverfahren arbeiten, ausgegangen.
Da nun auf den sich gegenüberliegenden Seiten von Membran und Grundkörper durch das Vorhandensein der zwei nebeneinander angeordneten Kondensatoren entsprechend weniger Platz vorhanden ist, um dort noch eine Widerstandsbahn für die Temperaturerfassung vorzusehen, schlägt die EP 1 174 696 B1 vor, das Widerstandselement in den Glaslotring zu integrieren. Die hierfür zur Verfügung stehende Fläche zur Temperaturerfassung ist jedoch entsprechend klein. Des Weiteren befindet sich bei der Druckmesszelle im eingebauten Zustand typischerweise unterhalb des Glaslotrings und damit im Bereich des Widerstandselements mediumsseitig eine Dichtung, was die Temperaturerfassung verlangsamen kann.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Druckmesszelle sowie ein Druckmessgerät mit einer solchen Messzelle vorzuschlagen, bei der die Temperaturerfassung während der Druckmessung weiter verbessert wird.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Druckmesszelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein elektronisches Druckmessgerät nach Anspruch 6. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Der Kern der Erfindung besteht darin, die Messmembran mehrschichtig aufzubauen, und zwischen zwei Schichten ein Widerstandselement als Temperatursensor anzuordnen. Dabei verteilt sich das Widerstandselement flächig über den auslenkbaren Bereich der Messmembran und kann somit zum einen die Temperatur mit einer größtmöglichen Fläche erfassen und zum anderen die Temperatur unmittelbar und an der gleichen Stelle wie den Druck messen. Dadurch wird eine sehr schnelle Ansprechzeit und eine hohe Genauigkeit erreicht.
Neben der Temperaturmessung ist grundsätzlich auch vorstellbar, die in die Membran eingebettete Schicht auch für andere Zwecke zu verwenden, insbesondere zur Analyse des Mediums, dessen Druck gemessen werden soll, bspw. zu Erfassung dessen Leitfähigkeit.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen schematisch:

1 eine Schnittdarstellung einer bekannten kapazitiven Druckmesszelle und
2 eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen kapazitiven Druckmesszelle.

Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
1 zeigt eine typische kapazitive Druckmesszelle 10, wie sie vielfältig bei kapazitiven Druckmessgeräten eingesetzt wird, in schematischer Darstellung. Die Druckmesszelle 10 besteht im Wesentlichen aus einem Grundkörper 12 und einer Membran 14, die über einen ringförmigen Abstandshalter 16, bspw. einen Glaslotring, miteinander verbunden sind. Der Grundkörper 12 und die Membran 14 begrenzen einen Hohlraum 19, der - vorzugsweise nur bei niedrigen Druckbereichen bis 50 bar - über einen Entlüftungskanal 18 mit der Rückseite der Druckmesszelle 10 verbunden ist.
Sowohl auf dem Grundkörper 12 als auch auf der Membran 14 sind mehrere Elektroden vorgesehen, die einen Referenzkondensator C_R und einen Messkondensator C_M bilden. Der Messkondensator C_M wird durch die Membranelektrode ME und die Mittelelektrode M gebildet, der Referenzkondensator C_R durch die Ringelektrode R und die Membranelektrode ME.
Der Prozessdruck p wirkt auf die Membran 14, die sich entsprechend der Druckbeaufschlagung mehr oder weniger durchbiegt, wobei sich im Wesentlichen der Abstand der Membranelektrode ME zur Mittelelektrode M ändert. Dies führt zu einer entsprechenden Kapazitätsänderung des Messkondensators C_M . Der Einfluss auf den Referenzkondensator C_R ist geringer, da sich der Abstand zwischen Ringelektrode R und Membranelektrode ME weniger stark verändert als der Abstand zwischen Membranelektrode ME zur Mittelelektrode M.
2 zeigt sehr schematisch eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen kapazitiven Druckmesszelle 10, die im Wesentlichen dem Aufbau der aus 1 bekannten Messzelle 10 entspricht, so dass im Folgenden nur noch auf die Unterschiede eingegangen wird. Entscheidender Unterschied ist, dass die Membran 14 mehrschichtig ausgebildet ist und zwischen zwei Schichten 14a, 14b ein Widerstandselement 20 angeordnet ist, welches als Temperatursensor fungiert. Idealerweise verteilt sich das Widerstandselement 20 flächig über den auslenkbaren Bereich der Messmembran 14, wobei insbesondere eine vollflächige oder mäanderförmige Verteilung vorteilhaft ist. Die Temperatur des Mediums kann somit großflächig und unmittelbar dort erfasst werden, wo auch der Druck p gemessen wird.
Das Widerstandselement 20 ist bevorzugt als Platin-Temperaturelement ausgeführt, wobei hierbei grundsätzlich auch andere geeignete Materialien und Ausführungen in Fragen kommen können.
Beide Membranschichten 14a, 14b können aus Keramik ausgeführt sein, müssen jedoch nicht zwingend aus demselben Material bestehen. So kann auch lediglich die mit dem Medium in Kontakt stehende Schicht 14a aus Keramik und die andere Schicht 14b bspw. auch als Glasschicht ausgeführt sein. Vorrangig kommt dieser Schicht 14b die Aufgabe zu, eine Isolationsschicht zwischen dem Widerstandselement 20 und der Membranelektrode ME zu bilden.
Im Ergebnis ist durch die Anordnung des Widerstandselements 20 in der Membrane 14 eine Temperaturerfassung mit einer schnellen Ansprechzeit und einer hohen Genauigkeit möglich.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4011901 A1 [0005]
DE 19851506 C1 [0006]
EP 1174696 B1 [0007]

Claims

Druckmesszelle (10) zur Erfassung des Druckes eines an die Druckmesszelle (10) angrenzenden Mediums, mit einer elastischen Messmembran (14), deren erste Seite zumindest teilweise mit dem Medium in Kontakt steht und deren von dem Medium abgewandten zweiten Seite Mittel zur Erfassung der Durchbiegung der Membran (14) aufweist, und mit einem Widerstandselement (20) als Temperatursensor, dadurch gekennzeichnet, dass die Messmembran (14) mehrschichtig aufgebaut ist und das Widerstandselement (20) für die Temperaturerfassung zwischen zwei Schichten (14a, 14b) angeordnet ist, wobei sich das Widerstandselement (20) flächig über den auslenkbaren Bereich der Messmembran (14) verteilt.
Druckmesszelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Widerstandselement (20) vollflächig oder mäanderförmig über den auslenkbaren Bereich der Messmembran (14) verteilt.
Druckmesszelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Widerstandselement (20) als Platin-Temperaturelement ausgeführt ist.
Druckmesszelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckmesszelle (10) als kapazitive Druckmesszelle ausgeführt ist, mit einer keramischen Messmembran (14) und einem der zweiten Seite der Messmembran (14) gegenüberliegend angeordneten keramischen zylinderförmigen Grundkörper (12), wobei zur Erfassung der Durchbiegung der Membran (14) der Grundkörper (12) eine Mittelelektrode (M) sowie eine Ringelektrode (R) aufweist, die zusammen mit einer Membranelektrode (ME) auf der Messmembran (14) eine Messkapazität (C_M) bzw. eine Referenzkapazität (C_R) bilden.
Druckmesszelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchbiegung der Membran (14) mittels elektromechanischer Wandler erfasst wird.
Elektronisches Druckmessgerät, bestehend aus einem Prozessanschluss, einem darauf aufgesetzten Gehäuse und einer Druckmesszelle (10) zur Erfassung des in einem Medium vorherrschenden Drucks, wobei die Druckmesszelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.