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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren
zur Kompensation von Drucksensoren, insbesondere Drucksensormodulen. Drucksensoren
im Sinne der Erfindung können
Sensoren für
Absolutdruck, Relativdruck und Differenzdruck sein.
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Druckmessumformer
weisen gewöhnlich
einen Drucksensor auf, welcher zur Erfassung der physikalischen
Größe Druck
eine Transformation dieser Größe in ein
elektrisches Signal durchführt
welches mittels einer für
das jeweilige Messprinzip angepassten Signalverarbeitung aufbereitet
wird. Die Erfindung betrifft alle gängigen Prinzipien zur Druckmessung
und wird nun anhand von mit kapazitiven Druckaufnehmern erläutert, ohne
auf diese beschränkt
zu sein.
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Bei
kapazitiven Drucksensoren wird eine druckabhängige Kapazitätsänderung
in ein vom Druck abhängiges,
vorzugsweise zum Druck proportionales, elektrisches Signal gewandelt.
das jedoch von Störgrößen wie
beispielsweise der Temperatur abhängig ist. Zur Ermittlung der
erforderlichen Korrekturterme zur Kompensation dieser Störeinflüsse wird
das Ausgangssignal der Drucksensoren bezüglich Nullpunkt und Spanne
sowie des Kennlinienverlaufs unter Berücksichtigung von Gehäuseeffekten bei
verschiedenen Temperaturen und Druckwerten mit den tatsächlichen
Referenzwerten verglichen.
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Insofern
als es eine Vielzahl von anwendungsspezifischen Gehäusegeometrien
gibt, erfordert die Kompensation der unterschiedlichsten Gerätevarianten
einen großen
logistischen Aufwand. Gewöhnlich
erfolgt dies in Temperaturschränken
oder Durchlauföfen.
Die Temperierung der Prüflinge
erfolgt dabei über
Wärmekonvektion.
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Aufgrund
der relative hohen thermischen Massen sowie der vergleichsweise
großen
Schrank- bzw. Durchlaufofenvolumina ist diese Art der Temperierung
zumindest sehr zeitintensiv, was Rüst- und Messzeiten betrifft.
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Stöcklin et
al. offenbaren in der Offenlegungsschrift
DE 101 33 066 A1 einen
Drucksensormodul mit einer Druckmesszelle in einer metallischen Hülse bzw.
einem Modulgehäuse.
Diese Anordnung ist dazu vorgesehen, eine Vorkompensation des Drucksensormoduls
zu ermöglichen,
bevor dieses nahezu ohne Einbußen
hinsichtlich der Messgenauigkeit in ein anwendungsspezifisches Gehäuse aus einer
Vielzahl unterschiedlicher Gehäusetypen
eingebaut wird.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Kompensation
der zuvor beschriebenen Drucksensormodule zu verbessern.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
die Vorrichtung gemäß des unabhängigen Patentanspruchs
1 und das Verfahren gemäß des unabhängigen Patenanspruchs
15.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Kompensation von Drucksensormodulen, welche jeweils ein Modulgehäuse mit
einer vorgegebenen äußeren Form
aufweisen, wobei in dem Modulgehäuse
eine Druckmesszelle mit einem druckempfindlichen Element, beispielsweise
einer Messmembran, angeordnet ist, welches durch eine Gehäuseöffnung mit
einem Druck beaufschlagbar ist; umfasst:
einen Kompensationskörper mit
mindestens einer Sensormodulaufnahme, in welche das Drucksensormodul
einsetzbar ist;
mindestens eine Befestigungsvorrichtung zur
druckdichten Befestigung des mindestens einen Drucksensormoduls
in der Sensoraufnahme;
eine Druckzuleitung welche mit der Sensormodulaufnahme
kommuniziert; zur Beaufschlagung der Druckmesszelle des mindestens
einen eingespannten Drucksensormoduls mit einem Mediendruck; und
eine
Temperieranordnung zum Heizen und/oder Kühlen des Kompensationskörpers.
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Die
Temperieranordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst beispielsweise
mindestens einen Kanal für
ein Temperiermedium, welcher durch den Kompensationskörper verläuft.
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Das
Temperiermedium umfasst in einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung
ein Silikonöl,
welches vorzugsweise für
den Wärmetransport
in einem Temperaturbereich zwischen –20°C und 80°C geeignet ist.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung ist die mindestens eine Sensormodulaufnahme
so an die Form der Modulgehäuse
angepasst ist, dass das Modulgehäuse
mindestens 90%, bevorzugt mindestens 95% und besonders bevorzugt
mindestens 98% des Volumens eines Abschnitts der Sensormodulaufnahme
einnimmt, der sich zwischen der Ebene der Messmembran und einer
zur Ebene der Messmembran parallelen zweiten Ebene erstreckt, wobei
die zweite Ebene, eine von der Messmembran abgewandte rückseitige
Oberfläche
des Modulgehäuses
berührt oder
schneidet.
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Die
rückseitige
Oberfläche
des Modulgehäuses
kann eine oder mehrere Öffnungen
und Kabeldurchführungen
aufweisen. Soweit die Rückseite
des Modulgehäuses
vollständig
offen ist, bezeichnet der Begriff rückseitige Oberfläche den
umlaufenden Rand um die rückseitige
Gehäuseöffnung.
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Die
mindestens eine Modulaufnahme verläuft in einer derzeit bevorzugten
Ausgestaltung zumindest abschnittsweise zylindrisch. In einer Weiterbildung
dieser Ausgestaltung weist die Sensormodulaufnahme in dem zylindrischen
Abschnitt bzw. den zylindrischen Abschnitten einen Radius aufweist,
der nicht mehr als 0,8 mm, bevorzugt nicht mehr als 0,4 mm und besonders
bevorzugt nicht mehr als 0,2 mm größer ist als der Radius eines
entsprechenden zylindrischen Abschnitts des Modulgehäuses. Der
geringe Unterschied zwischen den Radien kann vorzugsweise dazu führen, dass
der Luftspalt zwischen der Sensormodulaufnahme und dem Modulgehäuse so gering
ist, dass die geringe Wärmeleitfähigkeit
der Luft zwischen der Sensormodulaufnahme und dem Modulgehäuse nicht
zum limitierenden Faktor für
die Temperierung der Sensormodule wird.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Sensoraufnahmemodule
so bemessen, dass der effektive Wärmeübertragungskoeffizient zwischen
dem Modulgehäuse
und der Sensormodulaufnahme, bezogen auf die Oberfläche des
Modulgehäuses
und die Oberflächentemperatur
des Modulgehäuses
sowie die Oberflächentemperatur
der Sensormodulaufnahme, mindestens 3,5 W/(m2K),
bevorzugt mindestens 15 W/(m2K), und besonders
bevorzugt mindestens 30 W/(m2K) beträgt.
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Zu
einer effektiven Kompensation ist die Bearbeitung mehrerer Module
zugleich vorzuziehen, hierzu weist der Kompensationskörper zweckmäßig mehrere
Sensormodulaufnahmen auf. Der Kanal für das Kühlmedium ist in diesem Falle
vorzugsweise so geführt,
dass die Temperatur von zwei Sensormodulaufnahmen nicht um mehr
als 0,5 K voneinander abweicht.
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Das
Kühlmedium
kann beispielsweise mittels eines geeigneten Thermostaten mit ausreichender
Heiz und Kühlleistung
auf jede gewünschte zweckmäßige Temperatur
zwischen beispielsweise –20°C und 80°C geregelt
werden. Weiterhin kann die Vorrichtung mindestens einen Temperatursensor,
zur Erfassung der Temperatur des Kompensationskörpers in der Umgebung der mindestens
einen Sensormodulaufnahme aufweist. Es können ggf. mehrere Temperatursensoren
vorgesehen sein, die beispielsweise jeweils einer Sensormodulaufnahme
zugeordnet sind.
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Zur
Homogenisierung der Temperatur aller relevanten thermischen Massen
umfasst die Vorrichtung gemäß einer
Weiterbildung der Erfindung ein thermisch isolierendes Gehäuse, in
dem der Kompensationskörper
angeordnet ist.
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Gemäß einer
Weiterbildung der Erfindung umfasst die Vorrichtung mindestens eine
elektronische Datenerfassungs- und Datenaufzeichnungseinrichtung
zur Erfassung und Aufzeichnung von Signalen der Drucksensormodule
und der zugehörigen
Kalibrierparameter. Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung weiterhin
mindestens ein Druckstellmodul und ein Temperaturstellmodul. In
der derzeit bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst die
Vorrichtung weiterhin eine zentrale Steuereinheit, welche die anderen
Einrichtungen und Stellmodule der Vorrichtung steuert. Zur automatischen Übertragung
der Kompensationsergebnisse umfasst die Vorrichtung vorzugsweise
weiterhin einen Datenkommunikationsausgang bzw. mehrere Datenkommunikationsausgänge zur
Ausgabe der anhand der Sensorsignale ermittelten Kompensationskoeffizienten,
an das jeweilige Drucksensormodul zur Speicherung in einem Speicherelement
des Drucksensormoduls.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
umfasst das Beschicken der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Sensormodulen
und die Durchführung
der Kompensation.
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Zur
Durchführung
der Kompensation werden Sollwerte von Druck und Temperatur vorgegeben, und
die Kompensationskoeffizienten für
die einzelnen Sensormodule werden anhand der Messsignale der Sensormodule
bei den verschiedenen Sollwerten ermittelt.
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Die
Erfindung wird nun anhand eines in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispiels
erläutert.
Es zeigt:
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1:
ein Blockdiagramm zur Darstellung der Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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2a:
einen Längsschnitt
der Linie A-A des in 2d gezeigten erfindungsgemäßen Kompensationskörper;
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2b:
einen Längsschnitt
der Linie B-B des in 2d gezeigten erfindungsgemäßen Kompensationskörper;
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2c:
eine Seitenansicht des in 2d gezeigten
erfindungsgemäßen Kompensationskörper; und
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2d:
eine Aufsicht auf einen erfindungsgemäßen Kompensationskörper.
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Die
in 1 gezeigte Vorrichtung umfasst einen Kompensationskörper 1,
mit N = 8 Sensormodulaufnahmen. Einzelheiten zum Kompensationskörper werden
im Zusammenhang mit den 2a–2d erörtert.
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Der
Kompensationskörper 1 wird
mittels einer Temperiervorrichtung 60, die einen Umwälzthermostaten
umfasst, mit einem temperierten flüssigen Temperiermedium über Temperiermedienleitungen 65 gespeist,
wodurch die Temperatur des Kompensationskörpers auf Werte zwischen –40°C und 200°C exakt eingestellt
werden kann. Der Umwälzthermostat
weist beim beschriebenen Ausführungsbeispiel eine
Heizleistung von 3kW und eine Kühlleistung
von etwa 1 kW auf.
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Zylindrische
Drucksensormodule, welche in den Kompensationskörper 1 eingesetzt
werden, kommen nicht mit dem Temperiermedium in direkten Kontakt.
Stattdessen wird durch eine enge thermische Kopplung zwischen den
Sensormodulen und dem Kompensationskörper, der vergleichsweise geringen
thermischen Masse der Sensormodule und einer angemessenen Führung der
Temperierflüssigkeit im
Kompensationskörper
ein Temperieren der Sensormodule im Minutenbereich erzielt. So ist
z.B. ein Temperaturwechsel von 80°C
auf –20°C innerhalb von
15 min möglich.
Bei herkömmlichen
Temperaturschränken
bzw. Durchlauföfen
liegt dieser Wärmeübergang
im Stundenbereich.
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Die
Temperiervorrichtung 60 wird von einer zentralen Steuereinheit 50 gesteuert,
welche mit der Temperiervorrichtung über einen Datenbus, beispielsweise
einen IEEE 488 Datenbus, kommuniziert. Es können beliebig viele Temperaturstufen
angefahren werden, was u.a. eine Kompensation höherer Ordnungen erlaubt.
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Der
Kompensationsblock 1 bzw. die N einheitlichen Sensormodulaufnahmen
sind in zwei voneinander unabhängige
Druckzweige aufgeteilt. So können
entweder alle N zusammen oder je N/2 Kapselaufnahmen über einen
programmierbaren Druckregler 70 mit einem Druck versorgt
werden, der zur Kennlinienmessung bei den unterschiedlichsten Temperaturen
für die
Sensormodule benötigt
wird. Der Druckregler 70 wird ebenfalls von der zentralen Steuereinheit 50 gesteuert.
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Weiterhin
umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung
Mittel 51 zur rechnergestützten Archivierung der Messdaten
in einem Datenbanksystem, so dass mittels dieser Daten beliebige
kunden- und produktspezifische Protokolle erstellt werden können. Zusätzlich ist
dadurch eine kontinuierliche Prozesskontrolle über statistische Verfahren
möglich.
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Die
Sensormodule umfassen eine integrierte Leiterplatte mit einem ASIC,
sowie eine Standardschnittstelle zu kundenspezifischen Funktionselektroniken,
beispielsweise für
Spannung, Strom, Schaltfunktionen und Datenaustausch. Die Leiterplatte dient
u.a. der einheitlichen elektrischen Kontaktierung während des
Kompensationsprozesses. Die Sensormodule können beispielsweise auf der
Leiterplatte ein beschreibbares Speicherelement, z.B. einen EEPROM
aufweisen, auf welchem die ermittelten Kompensationskoeffizienten
abgelegt werden. Die Kommunikation zwischen den Sensormodulen und
der Steuereinheit kann beispielsweise über den Datenbus 55,
einen Scanner 80 mit einer ASIC-Schnittstelle, und eine
Messwerterfassungseinheit 85 erfolgen, wobei der Scanner 80 Schnittstellenleitungen 82 zu
den jeweiligen Sensormodulen sequenziell abtastet. Der Scanner 80 steuert
ebenfalls die Erfassung eines Temperatursignals, welches von einem
Temperatursensor im Kompensationsblock über eine Temperatursignalleitung 82 ausgegeben
wird.
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Einzelheiten
zum Kompensationskörper
werden nun anhand der 2a bis 2d erläutert. Die Drucksensormodule
weisen jeweils ein in den Abmessungen standardisiertes zylindrisches
Metallgehäuse
bzw. Einheitsgehäuse
mit einer integrierten Messzelle unterschiedlichster Druckbereiche
und einer anwendungsspezifischen Prozessdichtung auf. Das Sensormodul
kann nach der Kalibration über eine
zusätzliche
rückwirkungsfreie
Prozessdichtung oder über
eine stoffschlüssige,
rückwirkungsfreie Verbindung
in einem kunden- bzw. anwendungsspezifischen Messumformergehäuse eingebaut
werden.
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Zur
Optimierung der Kompensation weist der Kompensationskörper 1 zweireihig
angeordnete identischen Sensormodulaufnahmen 16 auf, welche als
zylindrische Bohrungen ausgebildet sind, welche auf die standardisierten
Einheitsgehäuse
der Sensormodule abgestimmt sind. Zur Kompensation werden die Sensormodule
jeweils in eine der N Bohrungen 16 der Sensormodulaufnahmen
im Kompensationskörper 1 gesetzt
und mechanisch über
ein Joch 4 mit je 3 Schnellspannmuttern 13 so fixiert,
dass Druckbeaufschlagungen von 50 mbar bis 70 bar möglich sind. Die
Schnellspannmuttern 13 werden mit durchgehenden Sicherungsbolzen 6, 7 verschraubt,
welche die Druckfestigkeit des Kompensationskörpers 1 gewährleisten.
Das Spaltmaß zwischen
den Bohrungen der Sensormodulaufnahmen 16 und der Mantelfläche des
Gehäuses
der Sensormodule wurde auf (0,15 mm) minimiert, um dadurch eine
optimierte Wärmekopplung
zwischen dem Kompensationskörper
und dem Sensormodul zu gewährleisten.
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Die
Sensormodulaufnahmen 16 sind in zwei parallelen Reihen
angeordnet, wobei sich unter den Reihen Sensormodulaufnahmen jeweils
ein Druckkanal 18 von einer Stirnseite des zentralen Blocks 5 in einen
zentralen Block 5 des Kompensationskörpers 1 erstreckt
und die Achsen der Sensormodulaufnahmen 16 schneidet. Über Durchstiche 17 kommuniziert
der Druckkanal 18 mit den Sensormodulaufnahmen 16 in
der jeweiligen Reihe. Zwischen den Sensormodulen und den Böden der
Sensormodulaufnahmen 16 wird jeweils eine Druckdichtung 23 axial
eingespannt.
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Der
Kompensationskörper 1 weist
einen Temperierkanal auf, welcher durch Bohrungen und gefräste Vertiefungen
in dem zentralen Block 5 gebildet werden, wobei die Vertiefungen
mit einer Deckplatte 2 bzw. einer Bodenplatte 3 abgeschlossen
werden. Zwischen dem zentralen Block 5 und den Platten 2, 3 sind
Temperierkanaldichtungen 20, 21, 22, 24 vorgesehen,
um ein Austreten des Kühlmittels
zu vermeiden. Der Temperierkanal kommuniziert mit einem Temperiermittelzulauf 10 und
einem Temperiermittelrücklauf 12,
wobei der Temperiermittelrücklauf 12 an
einem Temperiermittelanschlussblock 8 unterhalb der Bodenplatte 3 angeordnet
ist.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
und das erfindungsgemäße Verfahren
erlauben im Ergebnis eine einheitliche, schnelle, hochgenaue, qualitativ hochwertige
Kompensation von Drucksensormodulen für anwendungsspezifische Druckmessumformer mit
unterschiedlichsten mechanischen Ausprägungen in einem standardisierten,
zeitoptimierten Fertigungsprozess.