Hügel, Michael (Im Hüneracker 10, Lörrach, 79541, DE)
| 1. | Messumformer (1) zum Messen des Drucks eines Prozeßmediums, umfassend : eine Messzelle (2 ; 20) ; ein Gehäuse (18 ; 19) mit einem Innenraum (6) und einer Öffnung (4), wobei die Messzelle (2 ; 20) in dem Innenraum (6) des Gehäuses (18 ; 19) angeordnet, über die Öffnung (4) mit dem Prozessmedium beaufschlagbar, und druckdicht mit dem Gehäuse (18 ; 19) verbunden ist, um zu verhindern, dass das Prozessmedium an der Messzelle (2 ; 20) vorbei in den Innenraum (6) des Gehäuses (18 ; 19) eindringen kann, dadurch gekennzeichnet, daß der Messumformer (1) ferner einen Kontaminationssensor (7 ; 22) aufweist, der den Innenraum (6) des Gehäuses (18 ; 19) überwacht und durch die druckdichte Verbindung zwischen der Messzelle (2 ; 20) und dem Gehäuse (18 ; 19) von der Öffnung (4) getrennt ist. |
| 2. | Meßumformer nach Anspruch 1, wobei der Kontaminationssensor (7 ; 22) in dem Innenraum (6) des Gehäuses (18 ; 19) angeordnet ist. |
| 3. | Meßumformer nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Kontaminationssensor (7 ; 22) einen Gassensor umfaßt. |
| 4. | Meßumformer nach Anspruch 3, wobei der Gassensor ein Halbleitersensor, insbesondere ein CMOSSensor ist. |
| 5. | Meßumformer nach Anspruch 3 oder 4, wobei der Gassensor einen SAW Sensor umfaßt. |
| 6. | Meßumformer nach Anspruch 1 bis 3, wobei der Kontaminationssensor einen Leitfähigkeitssensor oder ein kapazitiven Sensor umfaßt. |
| 7. | Meßumformer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Meßzelle (2 ; 20) mit dem Gehäuse (18 ; 19) druckdicht verbunden ist, indem zwischen der Meßzelle und dem Gehäuse eine Dichtelement (5) angeordnet ist. |
| 8. | 7 Meßumformer nach Anspruch 7, wobei die Meßzelle (2 ; 20) eine prozeßseitige Stirnfläche aufweist, das Gehäuse (18 ; 19) eine ringförmige axiale Anschlagfläche aufweist, welche die Öffnung umgibt, und das Dichtelement (5) einen Dichtring umfaßt, der zwischen der axialen Anschlagfläche und der prozeßseitigen Stirnfläche der Meßzelle axial eingespannt ist. |
| 9. | Meßumformer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend ein Elektronikgehäuse (3) mit einem Elektronikraum (15), wobei das Elektronikgehäuse (3) mit dem Gehäuse (18 ; 19) verbunden ist, und wobei der Innenraum (6) des Gehäuses eine Meßzellenkammer aufweist, welche von dem Kontaminationssensor (7 ; 22) überwacht wird und von dem Elektronikraum (15) gasdicht getrennt ist. |
| 10. | Meßumformer nach Anspruch 8, wobei die Trennung der Meßzellenkammer (6) von dem Elektronikraum (15) durch eine Trennwand (10) erfolgt. |
| 11. | Meßumformer nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Trennwand (10) den die Meßzellenkammer druckdicht (9) abschließt. |
| 12. | Meßumformer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der gemessene Druck ein Absolutdruck, ein Relativdruck oder ein Differenzdruck ist. |
Die Druckmesszelle ist druckdicht mit dem Gehäuse verbunden, um zu verhindern, dass das Prozessmedium an der Druckmesszelle vorbei in das Innere des Gehäuses eindringt. Die druckdichte Verbindung zwischen der Messzelle und dem Gehäuse kann beispielsweise durch einen Dichtring erzielt werden, der axial zwischen der Stirnfläche einer zylindrischen Druckmesszelle und einer komplementären axialen Anschlagfläche, die am Gehäuse ausgebildet ist, axial eingespannt ist. Weiterhin kann die Druckmesszelle mit dem Gehäuse durch eine Schweiß-oder Lötverbindung druckdicht verbunden sein.
Schließlich kann ein Spalt zwischen der Druckmesszelle und der Gehäusewand mit einem Polymer, insbesondere einem Elastomer abgedichtet sein, wobei die Festigkeit des Materials dem möglichen Druckbereich für diese Variante die Grenzen setzt.
Es liegt in der Natur der genannten druckdichten Verbindungen, das sie aus verschiedenen Gründen versagen können. Dies kann insbesondere durch mechanische Belastungen, Abrasion, Temperaturschwankungen, Korrosion oder eine Kombination einzelner oder mehrerer der genannten Ursachen geschehen.
In Folge des Versagens der druckdichten Verbindung zwischen der Messzelle und dem Gehäuse kann das Prozessmedium an der Messzelle vorbei in das
Gehäuse eindringen und gegebenfalls den Messumformer zerstören bzw. die Sicherheit der Umgebung des Messumformers beeinträchtigen.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Messumformer bereitzustellen, welcher ein Versagen der druckdichten Verbindung zwischen der Messzelle und dem Gehäuse frühzeitig erkennen und signalisieren kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Messumformer des unabhängigen Patentanspruchs 1.
Der erfindungsgemäße Messumformer umfasst einei Messzelle und ein Gehäuse mit einem Innenraum und einer Öffnung, wobei die Messzelle in dem Innenraum des Gehäuses angeordnet und über die Öffnung mit dem Prozessmedium beaufschlagbar ist, und die Messzelle druckdicht mit dem Gehäuse verbunden ist, um zu verhindern, dass das Prozessmedium an der Messzelle vorbei in den Innenraum des Gehäuses eindringen kann, wobei der Messumformer ferner einen Kontaminationssensor aufweist, der mit dem Innenraum des Gehäuses kommuniziert und durch die druckdichte Verbindung zwischen der Messzelle und dem Gehäuse von der Öffnung getrennt ist.
Der Kontaminationssensor ist vorzugsweise mit dem Innenraum des Gehäuses angeordnet, er kann aber auch über einen geeigneten Kanal mit dem Innenraum kommunizieren. Der Kontaminationssensor kann insbesondere ein Leitfähigkeitssensor, ein kapazitiver Sensor, oder ein Gassensor sein, welcher die Anwesenheit eines oder mehrerer Gase detektiert.
Der Kontaminationssensor kann ein separates Bauteil in dem Gehäuse oder eine Baugruppe der Messzelle sein, wozu er beispielsweise auf der Rückseite einer Absolutdruck-oder Relativdruckmesszelle oder auf der Mantelfläche einer Differenzdruckmesszelle angeordnet sein kann. Die Elektronik des Kontaminationssensors kann in den ASIC der Messzelle zumindest teilweise
integriert sein, wenn der Kontaminationssensor eine Baugruppe der Meßzelle bildet oder an der Meßzelle angeordnet ist.
Der Innenraum des Gehäuses, der von dem Kontaminationssensor überwacht wird kann einerseits ein durchgehender Raum sein, der sich von der Messzellenkammer bis in einen Elektronikraum in einem Elektronikgehäuse erstreckt. Andererseits kann der Elektronikraum von der Messzellenkammer durch eine sogenannte zweite Verteidigungslinie (second line of defence, second containment), die beispielsweise durch eine druckdicht mit dem Gehäuse verbundene Trennwand gebildet wird, abgetrennt werden. In diesem Fall überwacht der Kontaminationssensor vorzugsweise die Messzellenkammer, d. h. er ist entweder in der Messzellenkammer angeordnet oder kommuniziert mit der Messzellenkammer.
Sofern der Kontaminationssensor als kapazitiver Sensor oder als Leitfähigkeitssensor ausgelegt ist, weist dieser mindestens eine Elektrode auf, deren Kapazität oder Widerstand gegen Masse bestimmt wird. Gleichermaßen kann der Widerstand bzw. die Kapazität gegen eine zweite Elektrode bzw.
Referenzelektrode ermittelt werden. Kontaminationssensoren die als Kapazitive Sensoren oder als Leitfähigkeitssensoren arbeiten sind naturgemäß insbesondere für die Detektion von leitfähigen bzw. polarisierbaren Medien, insbesondere Flüssigkeiten geeignet.
Je nach Art des Einsatzgebietes kann der Gassensor ein selektiver Gassensor sein, der speziell auf das Eindringen des Prozessgases in die Sensorkammer anspricht, oder es kann ein Gassensor sein, der auf eine Vielzahl von Gasen anspricht und gegebenfalls zwischen dieses Gasen differenziert.
Entsprechende Gassensoren können beispielsweise nach dem Laufzeitverfahren oberflächenakustischer Wellen in sogenannten SAW- Sensoren arbeiten, bei dem die Laufzeit der oberflächenakustischen Wellen in einem gasempfindlichen Film mit der Laufzeit in einem Referenzfilm verglichen
wird. Eine entsprechende Vorrichtung ist beispielsweise in der internationalen Patentanmeldung WO 83/015111 beschrieben. Solche Vorrichtungen sind beispielsweise zur Detektion von Schwefel-Wasserstoff oder Quecksilberdämpfung geeignet. Ein SAW-Sensor für die Detektion von Quecksilberdämpfen ist beispielsweise in der US-Patent-Nr. 5,992, 215 beschrieben.
Ein Halbleitergassensor auf Basis eines gasempfindlichen Feldeffekttransistors ist in der deutschen Patentschrift DE 199 58 311 offenbart. Ein anderer Feldeffekttransistor, der nach dem Prinzip der Messung der Austrittsarbeit zur Bestimmung von Ammoniak bzw. Ammoniakderivaten geeignet ist, wird in der deutschen Patentschrift DE 199 26 747 beschrieben.
Neben den in den genannten Schriften offenbarten Gassensoren ist auch die sogenannte Karlsruhe Mikronase, welche Leitfähigkeitsmessungen an segmentierten Metalloxidfilmen zum Zwecke der Gassensorik implementiert, als Kontaminationssensor geeignet. Einzelheiten hierzu sind beispielsweise in der Internetpräsenz zu dem Stichwort"Karlsruher Mikronase"zu finden.
Die vom IBM Forschungslabor Goschnick entwickelte elektronische Nase mit einer Vielzahl von mikroskopischen Biegebalgen, die selektiv bestimmte Gase binden, ermöglicht aus der vergleichenden Analysen der mechanischen Veränderungen der jeweiligen Biegebalgen eine Bestimmung der Zusammensetzung des gebundenen Gases. Das Frauenhofer ITM einen geeigneten Halbleitergassensor mit monolithisch integrierten CMOS- Schaltkreisen.
Für Anwendungen in explosionsgefährdeten Umgebungen wird der Fachmann einen Gassensor auswählen, welcher bei niedrigen Betriebstemperaturen, insbesondere Raumtemperatur arbeitet. Hierzu sind u. a. SAW-Sensoren geeignet. Entsprechende SAW-Sensoren, die auf CMOS-Silizium-Technologie basieren und eine piezoelektrische Schicht mit ZnO sind beispielseweise von
Bender und Mokwa vom Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik der RWTH, Aachen beschrieben in einem Artikel mit dem Titel Temperature Stabilized Silicon Based Surface-Acoustic-Wave Gas Sensors for the Detection of Solvent Vapours, der im Interne unter"www. iwe. rwth-aachen. de/iwe1/Publikationen/98- 02s. pdf" abgerufen werden kann.
Um ein frühzeitiges Erkennen eines Versagens der ersten Dichtung zwischen Druckmesszelle und Gehäuse zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, wenn das durchtretende Gas bzw. die durchtretende Flüssigkeit in einem möglichst kleinen Volumen angereichert wird, um somit möglichst schnell die Nachweisgrenze für den gewählten Kontaminationssensor zu erreichen. Dies ist ein weiteres Argument für das Vorsehen einer zweiten Verteidigungslinie, die somit neben der Dichtungsfunktion, wodurch dem Elektronikraum redundanter Schutz gewährt wird, eine Anreicherungsfunktion aufweist.
Spezifische Kontaminationssensoren mit einer großen Selektivität für eine spezifische Substanz sind kostengünstiger herzustellen als solche Sensoren, die mehrere Gase detektieren und identifizieren können. Insofern kann es für Anwendungsfälle, bei denen das vorkommende Prozeßmedium bekannt und konstant ist, einen spezifischen Kontaminationssensor einzusetzen.
Ein solcher spezifischer Kontaminationssensor kann insbesondere als austauschbares (Steck-) Modul gestaltet sein, wobei das Modul vorzugsweise einen Datenspeicher aufweist, in dem die Modulidentität und Kalibrationsdaten abgelegt sind. Nach der Montage des Moduls, werden diese Informationen ausgelesen von einer übergeordneten Schaltung zum Steuern des Kontaminationssensors und/oder zum Auswerten der Signale des Kontaminationssensors. Durch Austauschen des Kontaminationssensormoduls kann ein Meßumformer dann einfach für den Einsatz mit einem anderen Prozeßmedium umgerüstet werden.
In Umkehrung des obigen Ansatzes kann der Innenraum nach einer Weiterbildung der Erfindung mit einem Medium gefüllt werden, welches in der Umgebung des Messumformers, sowohl seitens des Prozessmediums als auch seitens der Umgebung außerhalb des Prozesses nicht zu erwarten ist. Bei einem Leck würde dieses Medium entweichen oder verunreinigt werden. Es ist nämlich einfacher eine spezifische Eigenschaft eines Mediums zu überwachen, als eine Vielzahl unterschiedlicher Substanzen detektieren zu können. Der Innenraum kann beispielsweise mit einem Gas oder einem Gasgemisch gefüllt sein, welches sich hinsichtlich mindestens einer überwachbaren Eigenschaft von dem Prozessmedium und vorzugsweise von der Umgebungsatmosphäre des Messumformers unterscheidet.
Beispielsweise kann der Innenraum mit einem Edelgas oder einem Edelgasgemisch in einem bestimmten Mischungsverhältnis und bei einem bestimmten Druck gefüllt sein. Als Füllgas würde sich beispielsweise Krypton oder Helium oder ein Krypton oder Helium enthaltendes Gemisch anbieten.
Dies ist insofern vorteilhaft als Krypton in Prozessen sehr selten auftritt. Argon oder Stickstoff werden dagegen häufig in Behältern zur Abdeckung von brennbaren Flüssigkeiten benutzt. Die Anwesenheit kann beispielsweise optisch durch das Überwachen einer Absorptions-oder Emissionslinie erfolgen.
Zur Verbesserung der Überwachung können auch zwei Absorptions-oder Emissionslinien überwacht werden, wobei neben dem Absolutwert noch das Verhältnis zwischen den Linien berücksichtigt wird. Als Lichtquelle für die Überwachung stehen LED zur Verfügung.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Figuren von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigt : Fig. 1 : Einen Schnitt durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Messumformers ; und
Fig. 2 : Einen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Messumformers.
Der in Fig. 1 gezeigte Messumformer 1 umfasst eine Meßzelle 2, die in einer Meßzellenkamer 6 angeordnet ist. Die Meßzellenkammer 6 ist in dem Gehäusekörper 8 eines Meßzellengehäuses 18 ausgebildet. Das Meßzellengehäuse 18 umfaßt neben dem Gehäusekörper 8 einen Prozeßanschlußflansch 14, mit einer prozeßseitigen Öffnung 4, welche mit einer Öffnung im Gehäusekörper 8 fluchtet, durch welche die Meßzelle 2 mit einem Prozeßmedium beaufschlagbar ist. Zwischen der Stirnfläche der Meßzelle 2 und einer Ringnut in einer gegenüberliegenden Stirnfläche des Prozeßanschlußflansches 14 ist ein O-Ring 5 axial eingespannt, wodurch eine erste druckdichte Verbindung zwischen dem Meßzellengehäuse 18 und der Meßzelle 2 ausgebildet ist.
Mit dem Gehäusekörper 8 des Meßzellengehäuses 18 ist weiterhin ein Elektronikgehäuse 3 verbunden, in dem ein Elektronikmodul 16 zur Prozessierung der Meßsignale angeordnet ist, welche über Sensorkabel 13 von einem ASIC 12 der Meßzelle 2 zu dem Elektronikmodul 16 übertragen werden.
In der Meßzellenkammer 6 ist ein Kontaminationssensor 7 angeordnet, der in diesem Ausführungsbeispiel ein SAW-Sensor ist, welcher beispielsweise geeignet ist, die Gaskonzentration von Lösungsmitteldämpfen zu ermitteln.
Der Kontaminationssenor 7 ist ebenfalls mit dem Elektronikmodul 16 verbunden, weiches den Kontaminationssensor steuert, und anhand der Signale des Kontaminationssensors die Konzentration des Prozeßmediums oder einer seiner Komponenten, beispielsweise Lösungsmitteldämpfe ermittelt.
Bei Überschreitung eines Schwellwerts, löst das Elektronikmodul einen Alarm aus, der beispielsweise als HART-Signal über die Zweidraht- Versorgungsleitung 17 des Meßumformers ausgegeben werden kann.
Die Empfindlichkeit von SAW-Sensoren ist stark temperaturabhängig. Deshalb ist zu einer sinnvollen Auswertung der Signale des SAW-Sensors eine hinreichend genaue Kenntnis von dessen Temperatur erforderlich.
Hierzu kann entweder der SAW-Sensor 7 einen Temperatursensor aufweisen, oder es kann ein Temperatursignal eines ggf. bereits vorhandenen Temperatursensors verwertet werden, wenn davon auszugehen ist, daß die Temperatur des SAW-Sensors sich nicht wesentlich von der Temperatur am Ort des anderen Sensors unterscheidet. Beispielsweise kann der Sensor-ASICS 12 einen Temperatursensor aufweisen, oder in dem Elektronikmodul kann ein Temperatursensor angeordnet sein. Schließlich kann bei piezoresistiven Druckmeßzellen die Temperatur aus den Widerstandswerten der piezoresistiven Elemente ermittelt werden.
Die Meßzellenkammer 6 ist durch einen Deckel 10 gasdicht verschlossen, wobei der Deckel 10 in geeigneter Weise an der dem Prozeß abgewandten Stirnfläche des Gehäusekörpers 10 befestigt ist. Je nach den zu erwartenden Druckbelastungen im Falle des Versagens der ersten Dichtung 5 und je nach den Sicherheitsanforderungen ist die Befestigung des Deckels und ein ggf. vorzusehendes Dichtungselement zwischen dem Deckel 10 und dem Gehäusekörper 8 entsprechend druckfest auszulegen.
Der Deckel 10 weist gasdichte und ggf. druckfeste Kabeldurchführungen 11 auf, durch welche die Meßzellenkabel 13 in das Elektronikgehäuse geführt werden.
Die Kabeldurchführung 11 kann beispielsweise als Glasdurchführung ausgebildet sein.
Das in Fig. 2 gezeigte Ausführungsbeispiel weist im wesentlichen die gleiche Struktur auf, wie das zuvor beschriebene Beispiel. Die nachfolgende Beschreibung beschränkt sich daher im wesentlichen auf die Unterschiede.
Das Meßzellengehäuse besteht bei diesem Ausführungsbeispiel im wesentlichen aus einem zylindrischen Gehäusekörper 19, an dessen prozeßseitiger Stirnfläche eine prozeßseitige Öffnung 4 von einer sich von der Mantelfläche des Gehäusekörpers 19 radial einwärts erstreckenden Schulter umgeben ist, welche eine axiale Anschlagfläche für eine erste Dichtung 5 definiert. Die erste Dichtung 5 ist als O-Ring ausgebildet, der zwischen der Meßzelle 20 und der axialen Schulter eingespannt ist.
In der Meßzellenkammer 6 ist wie zuvor ein Kontaminationssensor 22 vorgesehen, der bei diesem Ausführungsbeispiel jedoch auf einer Platine auf der Rückseite der Meßzelle 20 angeordnet ist, welche den Sensor-ASIC 21 trägt, wobei der Sensor-ASIC zunächst für die Vorprozessierung der Primärsignale der Druckmeßzelle 20 dient. Ein Teil der Funktionen zur Steuerung des Kontaminationssensors können bei dieser Ausführungsform vom Sensor-ASIC 21 wahrgenommen werden. Aufgrund der großen räumlichen Nähe zwischen dem Sensor-ASIC 21 und dem Kontaminationssensor 22, ist es für die meisten Fälle ausreichend sein, den Temperaturwert des Sensor-ASICS 21 für die Temperatur des Kontaminationssensors 22 verwenden.
Die Kommunikation zwischen dem Kontaminationssensor 22 und dem Elektronikmodul 16 efolgt bei diesem Ausführungsbeispiel über den Sensor- ASIC 21.
Selbstverständlich können die Merkmale der Ausführungsbeispiele ohne weiteres untereinander ausgetauscht und kombiniert werden, ohne vom Wesen der Erfindung abzuweichen.