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Die Erfindung betrifft ein Druckmessgerät zur Erfassung des Drucks eines Mediums in einem Behältnis, mit einer Druckmesszelle und einem metallischen, rotationssymmetrisch ausgebildeten Prozessanschluss, wobei die Druckmesszelle eine auslenkbare Messmembran umfasst, 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 Messmembran aufweist.
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Druckmessgeräte bzw. Drucksensoren der vorgenannten Art werden in vielen Industriebereichen zur Druckmessung eingesetzt. Sie weisen als Messwandler für den Prozessdruck häufig eine kapazitive, keramische Druckmesszelle und eine Auswerteelektronik zur Signalverarbeitung auf. Typische Messzellen dieser Art bestehen aus einer kompakten Einheit mit einem keramischen Grundkörper und einer 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 der Auswerteeinheit wird die Kapazitätsänderung erfasst und in einen Druckmesswert umgewandelt.
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Neben kapazitiven gibt es auch resistive Druckmesszellen in Dünnfilm- oder Dickschichttechnik, die mittels Dehnungsmessstreifen die Auslenkung der Membran erfassen.
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Über einen Prozessanschluss sind die Druckmessgeräte mit einem das Medium führenden Behälter oder Rohr verbunden. In der Regel dienen Druckmessgeräte zur Überwachung oder Steuerung von Prozessen. Sie sind deshalb häufig mit übergeordneten Steuereinheiten (SPS) verbunden.
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Innerhalb einer Rohrleitung oder eines Behälters der Prozessanlage können sich Ablagerungen bilden, die zum einen die Strömung des Mediums beeinflussen und zum anderen insbesondere bei Hygieneanwendungen unbedingt zu vermeiden sind. In Folge dessen sind entsprechende Reinigungsprozesse durchzuführen. Da die Rohrleitungen überwiegend hermetisch zur Außenwelt hin abgeschlossen sind, besteht während des Betriebs keinerlei Möglichkeit einer regelmäßigen Inspektion, ob die Reinigung im Inneren der Rohrleitung vollständig und gründlich erfolgt ist. Der Reinigungsvorgang wird daher typischerweise über eine Zeitsteuerung nach empirischen Vorgaben durchgeführt. Dieser Reinigungsprozess sollte jedoch auch nicht länger dauern, als es sein muss, denn während der Reinigung ist die Verfügbarkeit der gesamten Anlage nicht gegeben, also der Produktionsprozess als solches beeinträchtigt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Druckmessgerät auf einfache und kostengünstige Weise so weiterzubilden, dass es neben der eigentlichen Druckmessung gleichzeitig auch eine Überwachung von Anhaftungen bzw. Ablagerungen an seiner Membran sowie der Zusammensetzung des an der Messmembran anstehenden Mediums durchführen kann.
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Die Aufgabe wird durch ein Druckmessgerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß umfasst das vorzugsweise frontbündig in die Wandung der Rohrleitung oder des Behälters eingebaute Druckmessgerät einen thermischen Strömungsmesser, der einen Wärmeabtrag nach dem kalorimetrischen Messprinzip ermittelt. Im Vordergrund steht vorliegend also nicht die Strömungsmessung des Mediums, sondern die Erfassung des Wärmeabtrags, der maßgeblich durch eine eventuell vorhandene Ablagerung im Bereich der Messmembran bestimmt wird. Die Erfindung nutzt also das Vorhandensein eines Drucksensors aus, um eine Möglichkeit zu schaffen, neben der Druckmessung eine Information über Ablagerungen in der Rohrleitung oder des Behälters im Bereich der Messmembran zu erhalten. Auch wenn sich Ablagerungen in der Rohrleitung oder des Behälters nicht gleichmäßig verteilen sollten, wäre mit der Erfindung zumindest ein Indiz auf das Vorhandensein von Ablagerungen möglich, ohne dass es dafür gesonderter und häufig sehr aufwendiger Maßnahmen bedarf.
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Ein typischer thermischer Strömungsmesser besteht aus einem Heizelement und wenigstens einem Temperaturfühler, wobei das Heizelement thermisch an das Medium gekoppelt ist und somit seine Heizleistung an das Medium abgibt. Der wenigstens eine Temperaturfühler erfasst wahlweise die Temperatur des erwärmten Mediums und/oder die des Heizelements, welche jeweils abhängig von Wärmeableitung ist. Das als kalorimetrisches Prinzip bekannte Messverfahren ist grundsätzlich bekannt.
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Der Strömungsmesser ist mit einer Auswerteeinheit verbunden. Dort werden seine Messsignale als Maß für die Wärmeableitung mit voreingestellten Schwellwerten verglichen, um den Grad der Anhaftungen an der Messmembran oder die Zusammensetzung des an der Messmembran anstehenden Mediums zu bestimmen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Druckmessgeräts umfasst das kontinuierliche Erfassen des Wärmeabtrags des Heizelementes, das Vergleichen des Istwerts des Wärmeabtrags mit einem Sollwert, wobei der Sollwert, bei einem Initialisierungsvorgang gewonnen wurde, bei dem die erste Seite der Messmembran unbedeckt war, d.h. keinerlei Anhaftungen oder Benetzungen mit einem Medium vorlagen, und schließlich die Ausgabe eines Signals, wenn sich der aktuelle Istwert vom Sollwert um einen Vorgabewert unterscheidet.
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Das Heizen und die Temperaturerfassung können vorteilhafterweise auch in einem einzigen Temperaturfühler vereinigt sein, indem dieser Temperaturfühler mit einem rechteckförmigen Spannungssignal, bspw. als PWM-Signal ausgeführt, beaufschlagt wird, so dass er in der High-Phase als Heizelement und in der Low-Phase als Temperaturfühler wirkt. Um Einflüsse von schwankenden Mediumstemperaturen auszugleichen ist nach jeder High-Phase bis zur vollständigen Abkühlung des Heizelements abzuwarten, bis eine neue High-Phase beginnen kann. Da Ablagerungen aber nicht im „Sekundentakt“ entstehen können, ist diese etwas verlangsamte Messgeschwindigkeit völlig ausreichend.
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Von der Erfindung mit umfasst ist dabei auch die Ausführung mit mehreren Messstellen auf der Membran, um die Bestimmung einer Wärmefeldverteilung zu ermöglichen.
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Die eigentliche Messung erfolgt während des Abkühlens des Heizelements bzw. des Temperaturfühlers, d.h. in der Low-Phase. Eine im Bereich der Messmembran vorhandene Ablagerung würde diesen Abkühlvorgang beeinflussen, insbesondere verlangsamen, so dass ein vollständiges Abkühlen entweder deutlich länger benötigt oder zu einem festgelegten Zeitpunkt die Abkühlung noch nicht vollständig abgeschlossen ist.
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Wie beschrieben ist durch die Erfindung neben dem Erkennen von Ablagerungen auch die Bestimmung von bestimmten Eigenschaften bzw. die Zusammensetzung des zu messenden Mediums möglich, insbesondere, wenn sich diese über die Zeit ändern. Beispielsweise wäre hier eine sich ändernde Viskosität zu nennen, was sich unmittelbar auf die Wärmeableitung auswirken wird. Des Weiteren wäre in einem gewissen Rahmen auch eine Mediumserkennung möglich, bspw. anhand eines Abgleichs mit hinterlegten Werten für den Wärmeabtrag. Eine besonders vorteilhafte Anwendung ist dabei die Überwachung eines Reinigungsvorgangs, bei die Messgeschwindigkeit auch temporär erhöht werden kann, indem das Heizelement permanent seinen Wärmeabtrag misst, bspw. indem die elektrische Leistung erfasst wird, die nötig ist, um das Heizelement auf einer vorgegebenen, konstanten Temperatur zu halten. Der Wärmeabtrag wird dabei unmittelbar beeinflusst durch die Art und die Zusammensetzung des an der Membran anstehenden Mediums. Wenn keine oder eine zu geringe Menge Reinigungsflüssigkeit über das Heizelement fließt, resultiert daraus ein geringerer Wärmeabtrag, als wenn Reinigungsflüssigkeit in ausreichender Menge vorhanden wäre. Auch erzeugt eine Reinigungsflüssigkeit, die mit Verschmutzung konfrontiert ist, einen anderen Wärmeabtrag, als wenn die ablaufende Reinigungsflüssigkeit eine saubere Situation vorfindet.
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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 eine schematische Schnittdarstellung einer bekannten kapazitiven Druckmesszelle,
- 3a eine erste Ausführung einer erfindungsgemäßen kapazitiven Druckmesszelle in schematischer Schnittdarstellung,
- 3b eine erfindungsgemäße kapazitive Druckmesszelle in schematischer Draufsicht,
- 3c eine zweite Ausführung einer erfindungsgemäßen kapazitiven Druckmesszelle in schematischer Schnittdarstellung,
- 4a eine erfindungsgemäße resistive Druckmesszelle in schematischer Schnittdarstellung und
- 4b eine erfindungsgemäße resistive Druckmesszelle in schematischer Draufsicht.
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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 in der Außenansicht dargestellt. Auf einem Prozessanschluss 2 ist ein Gehäuse 4 aufgesetzt. Über den Prozessanschluss 2 wird das Druckmessgerät 1 mit einem das zu messende Medium beinhaltenden Behälter, d.h. einer Rohrleitung, einem Tank oder dergleichen, verbunden. Zumeist erfolgt diese Verbindung mittels eines an den Behälter angeformten Flansches oder eines entsprechenden Adapters. Auf dem Gehäuse 4 befindet sich eine Anzeige- und Bedieneinheit 7, 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 lediglich ein dem Messergebnis entsprechendes analoges Spannungs- oder Stromsignal ausgeben, das in einer übergeordneten Steuereinheit ausgewertet wird. Seitlich am Gehäuse 4 ist ein Steckeranschluss 6 angeordnet, über den das Druckmessgerät 1 mit Energie versorgt wird und der als elektronische Schnittstelle fungierend die erzeugten Messsignale zur weiteren Verarbeitung der genannten Steuereinheit, bspw. einer SPS, zur Verfügung stellt.
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2 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 Glaslotring 16 miteinander verbunden sind. Der Grundkörper 12 und die Membran 14 begrenzen einen Hohlraum 19.
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Sowohl auf dem Grundkörper 12 als auch auf der Membran 14 sind mehrere Elektroden vorgesehen, die einen Referenzkondensator CR und einen Messkondensator CM bilden. Der Messkondensator CM wird durch die Membranelektrode COM und die Mittelelektrode M gebildet, der Referenzkondensator CR durch die Ringelektrode R und die Membranelektrode COM. Der Messkondensator CM und der Referenzkondensator CR besitzen also eine gemeinsame auf der Membran angeordnete Elektrode COM.
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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 COM zur Mittelelektrode M ändert. Dies führt zu einer entsprechenden Kapazitätsänderung des Messkondensators CM . Der Einfluss auf den Referenzkondensator CR ist geringer, da sich der Abstand zwischen Ringelektrode R und Membranelektrode COM weniger stark verändert als der Abstand zwischen Membranelektrode COM zur Mittelelektrode M.
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Im Folgenden wird zwischen der Bezeichnung des Kondensators und seinem Kapazitätswert nicht unterschieden. CM und CR bezeichnen deshalb sowohl den Mess- bzw. Referenzkondensator an sich, als auch jeweils dessen Kapazität.
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Die 3a und 3b zeigen eine erfindungsgemäße kapazitive Druckmesszelle 10 in einer sehr schematischen Schnittdarstellung bzw. Draufsicht. Dabei entspricht der grundsätzliche Aufbau der Druckmesszelle 10 in 3a im Wesentlichen dem Aufbau der aus 2 bekannten Druckmesszelle 10, so dass im Folgenden zur Vermeidung von Wiederholungen nur noch auf die Unterschiede eingegangen wird.
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Der erfindungsgemäße Unterschied besteht darin, dass zwischen der Membranelektrode COM und der eigentlichen Messmembran 14 ein thermischer Strömungsmesser 20 (gepunktete Linie) angeordnet ist. Wie aus 3b zu sehen ist, besteht dieser thermische Strömungsmesser aus einer vorzugsweise mäanderförmig verlegten Widerstandsbahn. Damit es zu keinem elektrischen Kontakt mit der Membranelektrode COM kommt, ist zusätzlich eine Isolierschicht 23 (gestrichelte Linie) vorgesehen. Über die vergleichsweise dünne Membran 14 ist der thermische Strömungsmesser 20 thermisch gut an das Medium gekoppelt.
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Der thermische Strömungsmesser 20 besteht aus einer durchgehenden Leiterbahn, wobei diese Leiterbahn aber einerseits die Funktion eines Heizelements 21 und andererseits die eines Temperaturfühlers 22 einnimmt. Diese beiden Funktionen, d.h. das Heizen und die Temperaturerfassung, sind möglich, indem die zunächst als Temperaturfühler 22 ausgeführte Leiterbahn mit einem rechteckförmigen Spannungssignal, bspw. ein PWM-Signal, beaufschlagt wird, so dass er in der High-Phase als Heizelement 21 und in der Low-Phase als Temperaturfühler 22 wirkt.
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Der thermische Strömungsmesser 20 wird erfindungsgemäß dazu genutzt, um eine sich verändernde Wärmeableitung zu detektieren. Eine solche Situation stellt sich ein, wenn sich im Bereich der Messmembran Ablagerungen bilden würden. Auch eine Veränderung der Zusammensetzung des an der Messmembran 14 anstehenden Mediums resultiert in einer sich verändernden Wärmeableitung. Dabei kann das Medium sowohl das Medium sein, dessen Druck anwendungsgemäß gemessen werden soll, als auch eine Reinigungsflüssigkeit sein, die insbesondere in der Lebensmittelindustrie während eines Reinigungsprozesses durch die Applikation gespült wird. Hierfür ist der Strömungsmesser 20 mit einer nicht weiter dargestellten Auswerteeinheit verbunden. In der Auswerteeinheit werden seine Messsignale als Maß für die Wärmeableitung mit voreingestellten Schwellwerten verglichen, um den Grad der Anhaftungen an der Messmembran 14 oder die Zusammensetzung des an der Messmembran 14 anstehenden Mediums zu bestimmen.
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3b zeigt beispielhaft und sehr schematisch, wie sich die Leiterbahn mäanderförmig über die auslenkbare Membranfläche 14 verteilt. Selbstverständlich sind dabei auch andere Verteilungen möglich.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist in 3c dargestellt. Hier ist die Membranelektrode COM selbst der thermische Strömungsmesser 20.
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Nachdem in den 3a-3c jeweils eine kapazitive Druckmesszelle 10 als erfindungsgemäße ausführungsform beschrieben wurde, ist in den 4a und 4b jeweils eine resistive Druckmesszelle 10 dargestellt. Bekanntermaßen erfolgt hier die Erfassung der Membranauslenkung durch elektromechanische Wandler 11, bspw. Dehnungsmessstreifen, welche im Zentrum der Membran 14 angeordnet sind. Infolge dessen ist der Bereich im Zentrum von der mäanderförmigen Verteilung der Leiterbahn ausgespart, wie 4b zu entnehmen ist. Die in 4a abgebildete Druckmesszelle 10 ist hier auch nur beispielhaft schematisch abgebildet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Druckmessgerät
- 2
- Prozessanschluss
- 4
- Gehäuse
- 6
- Steckeranschluss
- 7
- Anzeige- und Bedieneinheit
- 10
- Druckmesszelle
- 11
- elektromechanische Wandler
- 12
- Grundkörper
- 14
- Messmembran
- 18
- Entlüftungskanal
- 19
- Hohlraum
- 20
- thermischer Strömungsmesser
- 21
- Heizelement
- 22
- Temperaturfühler
- 23
- Isolierschicht
