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Die Erfindung betrifft einen Drucksensor zur Bestimmung des Drucks eines Prozessmediums.
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Druckmessgeräte dienen zur Messung des Drucks und/oder zur Steuerung, Regelung und/oder Automatisierung eines in der Anlage ablaufenden Prozesses. Druckmessgeräte werden in der Automatisierungstechnik in einer Vielzahl von Industriezweigen eingesetzt, z. B. in der Chemie und in der Lebensmittelindustrie, um nur einige wichtige Anwendungsgebiete zu nennen.
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Ein Druckmessgerät weist üblicherweise eine Druckmesszelle und eine mit der Druckmesszelle verbundene Sensorelektronik auf. Die Druckmesszelle umfasst einen elektromechanischen Wandler, der die Reaktion eines druckempfindlichen Elementes in ein elektrisches Signal umwandelt, das über die Sensorelektronik aufgenommen und einer weiteren Auswertung und/oder Verarbeitung zugänglich ist.
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Das Druckmessgerät kann als Absolutdruckmessgerät oder als Relativdruckmessgerät ausgestaltet sein. Während bei einem Absolutdruckmessgerät ein zu messender Druck absolut, d. h. als Druckunterschied gegenüber dem Vakuum erfasst wird, erfasst ein Relativdrucksensor den Druck eines Prozessmediums relativ zu einem Referenzdruck. Üblicherweise handelt es sich bei dem Referenzdruck um den Atmosphärendruck, der am Installationsort des Druckmessgeräts herrscht. Während der Messdruck des Prozessmediums über die Trennmembran an der dem Prozess zugewandten Fläche des drucksensitiven Elements anliegt, wird die dem Prozess abgewandte Fläche des drucksensitiven Elements mit Vakuum oder dem Atmosphären-/Relativdruck beaufschlagt.
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In zunehmendem Maße werden zur Druckmessung halbleiterbasierte, insbesondere siliziumbasierte, druckempfindliche Messelemente eingesetzt, deren Auslenkung infolge der Druckeinwirkung piezoresistiv, kapazitiv oder optoelektronisch bestimmt wird. Da siliziumbasierte druckempfindliche Messelemente nicht inert gegenüber aggressiven und korrosiven Prozessmedien sind, liegt der zumessende Druck nicht unmittelbar an dem druckempfindlichen Element an, sondern wird über einen Druckmittler, bestehend aus einer Trennmembran und einem Grundkörper, hydraulisch zum druckempfindlichen Element der Druckmesszelle übertragen. Damit der Druck möglichst unverfälscht zum druckempfindlichen Element übertragen wird, ist zwischen der Trennmembran und dem Membranbett eine Druckkammer ausgebildet, die mit einer inkompressiblen Übertragungsflüssigkeit, insbesondere einem Hydrauliköl, gefüllt ist. Über einen sich anschließenden hydraulischen Pfad (eine Kapillare) wird der auf die Trennmembran wirkende Druck auf das druckempfindliche bzw. drucksensitive Element übertragen.
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Die für die Anwendung in Frage kommenden inkompressiblen Übertragungsflüssigkeiten weisen allerdings Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, die erheblich größer sind als der Wärmeausdehnungskoeffizient der Gehäuseteile des Druckmittlers. Die hierdurch bedingte temperaturabhängige Auslenkung der Trennmembran bewirkt aufgrund der nicht vernachlässigbaren Steifigkeit der Trennmembran eine Verfälschung des in den hydraulischen Pfad eingeleiteten Drucks. Daher ist es vorteilhaft, das Volumen der Übertragungsflüssigkeit in dem Druckmittler möglichst gering zu halten.
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Aus der
WO 2010/097272 A1 ist ein Drucksensor mit einem Halbleiterdruckmesswandler bekannt geworden, bei dem ein Füllkörper bzw. ein Ölverdrängungskörper um die Druckmesszelle herum angeordnet ist. Der Füllkörper dient dazu, die fertigungsbedingten Hohlräume zwischen den metallischen Wänden der Kammer, in der die Druckmesszelle angeordnet ist, und der Druckmesszelle auszufüllen. Die Füllkörper, können insbesondere dann, wenn sie aus Kunststoff als Spritzgussteil gefertigt sind, beliebig genau den Konturen der auszufüllenden Hohlräume angepasst werden. Ein Drucksensor mit einem Füllkörper wird von Endress+Hauser unter der Bezeichnung CERABAR M angeboten und vertrieben. Bei der bekannten Lösung wird der Ölverdrängungskörper eingeklebt. Ein zweiter Ölverdrängungskörper wird auf den ersten Ölverdrängungskörper aufgesteckt, um das Ölvolumen weiter zu minimieren. Die Fertigung der entsprechenden Drucksensoren ist aufwändig und teuer.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kostengünstigen Drucksensor mit minimiertem Volumen für die Übertragungsflüssigkeit vorzustellen.
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Die Aufgabe wird durch einen Drucksensor zur Bestimmung des Drucks eines Prozessmediums gelöst, der folgende Merkmale aufweist: In einem becherförmigen Gehäuse ist eine Druckmesszelle mit einem drucksensitiven Element angeordnet. Weiterhin ist ein Druckmittler aus den zuvor genannten Gründen vor dem drucksensitiven Element angeordnet. Der Druckmittler besteht üblicherweise aus Trennmembran, Druckkammer und Kapillare und ist mit einer Übertragungsflüssigkeit gefüllt. Über den Druckmittler wird der Druck des Prozessmediums auf die dem Prozess zugewandten Oberfläche des drucksensitiven Elements übertragen. Die vom Prozess abgewandte Oberfläche des drucksensitiven Elements ist mit einem Relativdruck beaufschlagt. Bevorzugt handelt es sich bei dem Relativdruck um den Druck, der in der Umgebung des Drucksensors herrscht. Eine Messschaltung stellt anhand der Verformung des drucksensitiven Elements ein Messsignal zur Bestimmung oder Überwachung des Drucks des Prozessmediums zur Verfügung.
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Als Ölverdrängungskörper ist ein einteiliger becherförmiger Füllkörper aus einem nicht leitfähigen Material vorgesehen. Dieser Füllkörper weist an der dem Prozess zugewandten Stirnfläche eine Öffnung auf. Diese Öffnung begünstigt die Befüllung des Drucksensors mit der Übertragungsflüssigkeit, da die Übertragungsflüssigkeit nunmehr sicher in alle Hohlräume des Olverdrängungskörpers eindringen kann. Der Innenraum des Ölverdrängungskörpers ist derart strukturiert, dass er zumindest die Druckmesszelle umschließt. Der trennende Luftspalt zwischen dem Füllkörper und der Druckmesszelle ist bevorzugt so bemessen, dass einerseits eine sichere Montage gewährleistet ist und dass andererseits über den gesamten Temperaturbereich, für den der Drucksensor spezifiziert ist, sichergestellt ist, dass es nicht zu einem Kontakt zwischen dem Füllkörper und der Druckmesszelle kommt. Beispielsweise hat der Luftspalt eine Breite von ca. 0.3mm. Die Mantelfläche des Füllkörpers und die korrespondierende Innenfläche des Gehäuses sind so ausgestaltet, dass der Füllkörper passgenau in den Innenraum des becherförmigen Gehäuses einfügbar, insbesondere einclipsbar, ist. Durch die Verwendung des einteiligen Ölverdrängungskörpers lässt sich eine definierte und maximale Ölverdrängung erreichen. Hierdurch kann das Ölvolumen des Drucksensors auf ein Minimum reduziert werden. Die Montage des Ölverdrängungskörpers in dem becherförmigen Gehäuse ist äußerst einfach und sicher.
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Zur Befestigung des Olverdrängungskörpers in dem becherförmigen Gehäuse, ist an der Mantelfläche des Füllkörpers zumindest ein Befestigungselement, insbesondere eine Rastnase vorgesehen, die in eine korrespondierende Ausnehmung an der Innenfläche des Gehäuses einclipsbar ist. Das Halteelement bzw. die Rastnase hat die Aufgabe, den Ölverdrängungskörper solange in Position zu halten, bis das sich in Richtung Prozess anschließende Kapillarbauteil aufgeschweißt ist. Zwar ist eine Rastnase zur Arretierung ausreichend, aus Symmetriegründen ist es jedoch vorteilhaft, 2, 3 oder mehr Befestigungselemente bzw. Rastnasen über den Umfang des Ölverdrängungskörpers anzuordnen. Weiterhin ist vorgesehen, dass an der Innenfläche des becherförmigen Gehäuses korrespondierende Halteelemente angeordnet; alternativ kann jedoch auch die Innenfläche des becherförmigen Gehäuses auf der Höhe der Rastnasen bzw. Befestigungselemente eine umlaufende Nut aufweisen, in die das zumindest eine Halteelement bzw. die zumindest eine Rastnase des Füllkörpers bzw. üblicherweise die mehreren Halteelemente bzw. die mehreren Rastnasen des Füllkörpers einclipsbar ist/sind.
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Bevorzugt ist die dem Prozess zugewandte Endfläche des zumindest einen Haltelements bzw. der zumindest einen Rastnase im Wesentlichen in einer Ebene mit der Stirnfläche des Füllkörpers angeordnet.
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Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass im Füllkörper eine axial verlaufende Öffnung vorgesehen ist, die im oberen Bereich teilweise verschlossen ist. Dieser Teilverschluss ist so angeordnet, dass das Befüllröhrchen oberhalb der Bonddrähte sitzt. Die Öffnung ist so ausgestaltet ist, dass sie ein Befüllröhrchen zum Einfüllen der Übertragungsflüssigkeit passgenau umschließt. Durch das Aufschieben des Füllkörpers über das Befüllröhrchen wird automatisch eine korrekte Winkelausrichtung des Füllkörpers bezüglich der Druckmesszelle erreicht. Ebenso wird durch den teilweisen Verschluss verhindert, dass der Füllkörper falsch herum montiert wird. Insbesondere ist sichergestellt, dass die Aussparungen für die Bonddrähte des Füllkörpers bezüglich der Druckmesszelle wie gewünscht angeordnet sind. Die Ausgestaltung ermöglicht eine fehlhandlungssichere Positionierung des Füllkörpers und verhindert eine Beschädigung der Bonddrähte.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Referenzdrucksensors sieht vor, dass eine Zuführöffnung für den Referenzdruck in der vom Prozess abgewandten Stirnfläche des Gehäuses angeordnet ist. Bevorzugt verläuft die Zuführöffnung für den Referenzdruck - von der Druckmesszelle aus gesehen - axial und anschließend radial durch die Stirnfläche des becherförmigen Gehäuses.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Drucksensors ist die Druckmesszelle über Bonddrähte elektrisch kontaktiert und befestigt. Der Füllkörper weist im Innenraum entsprechende Aussparungen zur Aufnahme der Bonddrähte auf.
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Bevorzugt besteht der Füllkörper aus einem temperaturbeständigen Kunststoff und ist gegenüber der Übertragungsflüssigkeit chemisch inert.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
- 1: die Explosionsdarstellung eines Längsschnittes durch das becherförmige Gehäuse mit einfügbarem Ölverdrängungskörper,
- 1a: eine perspektivische Ansicht auf den Innenraum der in 1 gezeigten Ausgestaltung des Ölverdrängungskörpers,
- 1b: eine perspektivische Ansicht auf die Außenfläche der in 1 gezeigten Ausgestaltung des Ölverdrängungskörpers, und
- 2: einen Längsschnitt durch einen Drucksensor, bei dem der erfindungsgemäße Ölverdrängungskörper verwendbar ist.
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1 zeigt eine Explosionsdarstellung eines becherförmigen Gehäuses 2 mit einfügbarem Ölverdrängungskörper 8 im Längsschnitt. 1a zeigt eine perspektivische Draufsicht auf den Innenraum 18 der in 1 gezeigten Ausgestaltung des Ölverdrängungskörpers, während in 1b eine perspektivische Draufsicht auf die Außenfläche/Mantelfläche 9 des Ölverdrängungskörpers 8 dargestellt ist.
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In dem becherförmigen Gehäuses 2 ist die Druckmesszelle 3 mit dem in Richtung des Prozesses angeordneten drucksensitiven Element 4 positioniert. Während die dem Prozess zugewandte Oberfläche des drucksensitiven Elements 4 mit dem Druck des Prozessmediums 6 beaufschlagt wird, liegt an der vom Prozess abgewandten Fläche des drucksensitiven Elements 4 der Atmosphärendruck aus der Umgebung des Drucksensors 1 an. Die Zufuhr des Relativdrucks erfolgt über die Zuführöffnung 16 in der Stirnfläche des becherförmigen Gehäuses 2.
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Die Erfassung der Auslenkung des drucksensitiven Elements 4, bei dem es sich bevorzugt um einen Siliziumchip handelt, erfolgt über die Messschaltung 7. Wie zuvor bereits beschrieben, kann diese unterschiedlich ausgestaltet sein. Die elektrische Kontaktierung und die mechanische Halterung erfolgt bevorzugt über Bonddrähte 17.
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Durch die Stirnfläche des becherförmigen Gehäuses 2 ist eine axiale Bohrung geführt. In diese Bohrung ist das Befüllröhrchen 19 eingefügt/eingeschweißt. Über das Befüllröhrchen 19 wird die Übertragungsflüssigkeit 20 eingefüllt.
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Zwecks Minimierung des Volumens, das der Übertragungsflüssigkeit 20 zur Verfügung steht, ist ein einteiliger zylinderförmiger Füllkörper 8 vorgesehen. Der Füllkörper 8 bzw. Ölverdrängungskörper besteht aus einem nicht-leitfähigen Material und ist bevorzugt aus einem temperaturbeständigen Kunststoff gefertigt, der gegenüber der Übertragungsflüssigkeit 20 chemisch inert ist.
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Der Füllkörper 8 weist in der dem Prozess zugewandten Stirnfläche 14 eine Öffnung 21 auf, über die der Druck des Prozessmediums 6 auf das drucksensitive Element 4 geführt wird. Der Innenraum 18 des Füllkörpers 8 ist derart strukturiert, dass er die Druckmesszelle 3 umschließt. Die Mantelfläche 9 des Füllkörpers 8 und die korrespondierende Innenfläche 12 des becherförmigen Gehäuses 2 sind so ausgestaltet, dass der Füllkörper 8 passgenau in den Innenraum 18 des becherförmigen Gehäuses 2 einfügbar ist. Im gezeigten Fall erfolgt die Befestigung des Füllkörpers 8 im becherförmigen Gehäuse 2 über zwei federnde Rastnasen 10, die an der Mantelfläche 9 des becherförmigen Gehäuses 2 angeformt sind. Wie bereits zuvor beschrieben, genügt im Prinzip ein wie auch immer geartetes einzelnes Halteelement 10, da es seine Haltefunktion nur während der Montage erfüllen muss. Beim montierten Drucksensor 1 ist der Sitz des Füllkörpers 8 durch den am becherförmigen Gehäuse 2 angeschweißten Druckmittler 22 gewährleistet (2). Die Rastnasen 10 greifen im montierten Zustand in die an der Innenfläche des becherförmigen Gehäuses 2 vorgesehene ringförmigen Nut 11 ein und fixieren den Füllkörper 8 in dem becherförmigen Gehäuse 2.
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Desweiteren ist im seitlichen Bereich des Füllkörpers 8 eine axial verlaufende Ausnehmung 15 vorgesehen, die im oberen Bereich teilweise verschlossen ist. Diese ist so ausgestaltet, dass sie das Befüllröhrchen 19, das zum Einfüllen der Übertragungsflüssigkeit 20 dient, passgenau umschließt. Durch das Aufschieben des Füllkörpers 8 über das Befüllröhrchen 19 wird automatisch eine korrekte Winkelausrichtung des Füllkörpers 8 bezüglich der Druckmesszelle 3 erreicht. Insbesondere ist sichergestellt, dass die Aussparungen für die Bonddrähte 17 im Füllkörper 8 bezüglich der Druckmesszelle 3 wie gewünscht angeordnet sind. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine fehlhandlungssichere Positionierung des Füllkörpers 8 in dem becherförmigen Gehäuse 2 und stellt sicher, dass es nicht zu einer Beschädigung der Bonddrähte 17 kommt.
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2 zeigt einen Längsschnitt durch einen Drucksensor 1, bei dem der erfindungsgemäße Ölverdrängungskörper 8 verwendbar ist. Der entsprechende Drucksensor 1 ist übrigens in einer parallelen Patentanmeldung der Anmelderin im Detail beschrieben. Diese parallele Patentanmeldung hat denselben Anmeldetag wie die vorliegende Patentanmeldung. Nachfolgend wird die Beschreibung des Drucksensors nur in den Details beschreiben, auf die sich die vorliegende Patentanmeldung bezieht. Darüber hinausgehende Information sowie der entsprechende Offenbarungsgehalt bezüglich des Drucksensors 1 als solchem sind der parallelen Patentanmeldung zu entnehmen. Explizit wird dieser Offenbarungsgehalt dem Offenbarungsgehalt der vorliegenden Patentanmeldung zugerechnet.
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Über einen Schweißprozess ist das becherförmige Gehäuse 2 mit integrierter Druckmesszelle 3 mit dem Druckmittler 5 bzw. dem Kapillarbauteil 5 verbunden. Der Druckmittler 5 besteht aus einem Membranbett 24 mit aufgeschweißter Trennmembran 26 und einer Kapillare 23. Zwischen der Trennmembran 26 und dem Membranbett 24 ist die Druckkammer 25 gebildet. Druckmittler 5 und becherförmiges Gehäuse mit Druckmesszelle 3 und Füllkörper 8 werden von dem Prozessadaptergehäuse 30 und dem Gehäuse 31 umschlossen. In Richtung Prozess befindet sich der Prozessadapter 29, über den der Drucksensor 1 an der Messstelle befestigt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Drucksensor
- 2
- becherförmiges Gehäuse
- 3
- Druckmesszelle
- 4
- drucksensitives Element
- 5
- Druckmittler
- 6
- Prozessmedium
- 7
- Messschaltung
- 8
- Füllkörper / Olverdrängungskörper
- 9
- Mantelfläche des Füllkörpers
- 10
- Halteelement / Rastnase
- 11
- Ausnehmung
- 12
- Innenfläche des Gehäuses
- 13
- Endfläche der Rastnase
- 14
- Stirnfläche des Füllkörpers
- 15
- axial verlaufende Ausnehmung im Füllkörper
- 16
- Zuführöffnung
- 17
- Bonddraht
- 18
- Innenraum des Füllkörpers
- 19
- Befüllröhrchen
- 20
- Übertragungsflüssigkeit
- 21
- mittige Öffnung im Füllkörper
- 22
- Druckmittler
- 23
- Kapillare
- 24
- Membranbett
- 25
- Druckkammer
- 26
- Trennmembran
- 27
- Verguss mit Halte- und Dichtfunktion
- 28
- Anschlussdrähte zur Elektronik
- 29
- Prozessadapter
- 30
- Prozessadaptergehäuse
- 31
- Gehäuse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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