GLASER, Josef (Berlinerring 73 / 14, Graz, A-8047, AT)
| Patentansprüche
1. Drucksensor umfassend ein Gehäuse (1), eine Membrane (3) sowie mindestens ein Messelement (7) zum Messen eines von ausserhalb des Gehäuses (1) auf die Membrane (3) wirken- den Drucks (DO), weiter umfassend ein Kanalsystem (11, 10) innerhalb des Gehäuses (1), das mit einem Prüfmedium (12) gefüllt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass das Kanalsystem (11, 10) mindestens eine Druckkammer (10) aufweist, welche derart angeordnet ist, dass ein darin angebrachter definierter Prüfdruck Dp eine bekannte Druckänderung Dl im Messelement (7) erzeugt.
2. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement (7) ein piezoelektrisches, piezoresisti- ves, kapazitives, optisches oder induktives Messelement oder ein Dehnmessstreifen ist.
3. Drucksensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckkammer (10) im Gehäuse (1) hinter dem Messelement (7) bezüglich der Druckrichtung (DO) angeordnet ist, wobei beidseitig der Druckkammer (10) innere Membranen (20, 21) an die Druckkammer (10) derart angrenzen, dass ein in der Druckkammer (10) beaufschlagter Druck ein resultierender Druck in Richtung des Messelements (7) erzeugt.
4. Drucksensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich- net, dass die Druckkammer (10) zwischen der Membrane (3) und dem Messelement (7) angeordnet ist, wobei beidseitig der Druckkammer (10) bezüglich der Druckrichtung innere Membranen (20, 21) an die Druckkammer (10) derart angren ¬ zen, dass ein in der Druckkammer (10) beaufschlagter Druck ein resultierender Druck in Richtung des Messelements (7) erzeugt.
5. Drucksensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckkammer (10) derart von innerhalb des Gehäuses (1) an der Membrane (3) angrenzt, dass ein in der Druckkammer (10) beaufschlagter Druck entgegen einem von ausserhalb des Gehäuses (1) auf die Membrane (3) wirkenden Drucks wirkt.
6. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass das Kanalsystem (11, 15, 10) mindestens eine Zuleitung (11) und eine Leitung (15) zum Abführen des Mediums enthält.
7. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Kanalsystem (11, 15, 10) min- destens ein, vorzugsweise zwei Ventile (16, 17) zum öffnen und Schliessen des Kanalsystems (11, 10, 15) aufweist .
8. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kanalsystems (11, 15, 10) mindestens eine, vorzugsweise zwei Sensoren (19) enthält zum Messen von Temperaturen, Drücken und/oder Durchflüssen im Kanalsystem (11, 10, 15) .
9. Verfahren zum überprüfen der Güte eines Sensors nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei bekannten Aussendruck DO auf die Membrane (3)
a) das Prüfmedium (12) im Kanalsystem (11, 15, 10) mit dem vorgegebenen Prüfdruck Dp beaufschlagt wird,
b) die durch den Prüfdruck Dp erzeugte Druckänderung D2 auf dem Messelement (7) ermittelt und mit der zu er- wartenden, bekannten Druckänderung Dl im Messelement (7) verglichen wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass anschliessend Kalibrierwerte des Drucksensors auf Grund der ermittelten Druckdifferenz D2-D1 angepasst werden. |
DRUCKSENSOR MIT INTEGRIERTER PRUFVORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUM PRüFEN EINES SOLCHEN SENSORS
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Drucksensor umfassend ein Gehäu- se, eine Membrane sowie mindestens ein Messelement zum Messen eines von ausserhalb des Gehäuses auf die Membrane wirkenden Drucks, weiter umfassend ein Kanalsystem innerhalb des Gehäuses, das mit einem Prüfmedium gefüllt werden kann. Des weiteren betrifft diese Erfindung ein Verfahren zum überprüfen der Güte und zum Kalibrieren eines solchen Sensors.
Stand der Technik
Gewisse Drucksensoren müssen sehr zuverlässig und genau Druck über lange Zeit messen. Dies betrifft insbesondere Drucksensoren, die über lange Zeit in einem Bauteil, beispielsweise in einem Motor oder einem Maschinenteil, eingebaut sind und ständig Prozesse überwachen.
Da sich Sensoren mit der Zeit ändern können, muss deren Funktion jeweils entweder im ausgebauten Zustand an geeigneten Kalibriergeräten geprüft werden, oder es muss durch dem Sen- sor vorgeschaltete Ventile die Möglichkeit geschaffen werden, vom Messdruck auf einen Prüfdruck umzuschalten. In jedem Fall wird ein Sensor für die Kalibrierung jeweils immer in glei ¬ cher weise druckbelastet.
Zum Beaufschlagen solcher Prüfdrücke sind Ventile nötig, wel- che das Totvolumen vor dem Sensor vergrössern, die Zuleitung verlängern und damit vor allem bei Druckmessungen in Gasen starke Resonanzschwingungen und Pfeifenschwingungen verursa-
chen. Bei heissen und schmutzigen Prozessen ist die zuverlässige Funktion solcher Ventile kaum zu gewährleisten und die langen Zulaufkanäle werden häufig durch Schmutzablagerungen verschlossen.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Drucksensor anzugeben, der geprüft und/oder kalibriert werden kann, ohne dass störanfällige Ventile vor dem Sensor angebracht sind und möglichst ohne grosse Schadräume oder lange Kanäle zwischen Sensor und Druckmessraum. Zudem soll ein Verfahren angegeben werden zum Prüfen eines solchen Sensors, wobei die Prüfung im eingebauten Zustand durchgeführt werden soll, ohne dass die Membrane von aussen zugänglich sein muss.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Drucksensor über eine integrierte Prüfvorrichtung verfügt, durch die ein definierter Prüfdruck Dp in einer Druckkammer im Sensorgehäuse erzeugt werden kann, der eine bekannte Druckänderung Dl im Messelement erzeugen soll. Durch den Vergleich einer tatsächlich auftretenden Druckänderung D2 zu der erwarteten, bekann- ten Druckänderung Dl kann auf die Güte des Drucksensors geschlossen und dieser entsprechend kalibriert werden.
Dieses Prüfverfahren ist insbesondere auch bei laufender Druckmessung möglich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden wird die Erfindung unter Beizug der Zeichnungen näher erklärt. Es zeigen
Fig. 1 eine schematische Darstellung im Querschnitt eines erfindungsgemässen Drucksensors mit einer Druckkammer und einem piezoelektrischem oder piezoresistivem Messelement;
Fig. 2 eine schematische Darstellung im Querschnitt eines erfindungsgemässen Drucksensors in einer alternativen Ausführung;
Fig. 3 eine schematische Darstellung im Querschnitt eines erfindungsgemässen Drucksensors in einer anderen al- ternativen Ausführung;
Fig. 4 eine Darstellung nach Fig. 3, jedoch mit einem kapazitivem, optischem oder induktivem Messelement;
Fig. 5 eine Darstellung nach Fig. 3, jedoch mit einem Dehnmessstreifen als Messelement.
Die Bezugszeichen sind jeweils in allen Figuren beigehalten.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Fig. 1 zeigt einen Drucksensor im Querschnitt mit einem Gehäuse 1, einer Membrane 3 sowie mit einem Messelement 7 zum Messen eines von einem Druckraum 2 ausserhalb des Gehäuses 1 auf die Membrane 3 wirkenden Drucks 5. Dieser Druck 5 wirkt mit einer resultierenden Kraft 6 auf eine Druckplatte 4, welche wiederum eine Kraft auf das Messelement 7 ausübt. Von diesem Messelement 7 führt eine Messleitung 8 -rückseitig zu einem Anschluss 9 für eine Verbindung zum übertragen der Messsignale.
Das Messelement 7 ist in dieser Ausführungsform geteilt oder holzylindrisch und die Druckplatte 4 weist einen Fortsatz 22
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auf, der bis hinter das Messelement 7 führt, sodass sowohl eine Trennmembrane 21 als auch ein Vorspannelement 20, die beide am Fortsatz 22 angebracht sind, hinter dem Messelement 7 angeordnet werden können.
Zudem umfasst der Drucksensor eine Zuleitung 11, durch welche ein Prüfmedium 12 zu einer Druckkammer 10 vorstossen kann. Ein Sensor 19 innerhalb der Leitung 11 kann einen Prüfdruck Dp ermitteln. Zuleitung 11 und Druckkammer 10 bilden zusammen ein Kanalsystem. An der Leitung 11 kann ausserhalb des Gehäu- ses 1, beispielsweise als Zwischenstück, eine elastische Leitung 18 angebracht sein, welche das Handling vereinfacht. Ein Ventil 16 an der Leitung 11 lässt die Leitung 11 verschlies- sen.
Dadurch kann ein in der Leitung 11 angebrachter Prüfdruck Dp aufrecht erhalten bleiben, der, dargestellt in Pfeilen 13, in der Druckkammer 10 wirkt. Dieser Druck 13 wirkt über den
Fortsatz der Druckplatte 22 als resultierender Prüfdruck 14 auf das Messelement 7 von deren Innenseite her, das heisst, in gleiche Richtung wie der Gesamtdruck 6 aus dem Druckraum 2.
In dieser Ausführungsform ist die Druckkammer 10 zwischen der Trennmembrane 21 und dem Vorspannelement 20, das ebenfalls eine Membrane ist, angeordnet.
Die Druckkammer 10 ist derart im Gehäuse angeordnet, dass der darin angebrachte definierte Prüfdruck Dp eine bekannte Druckänderung Dl im Messelement 7 erzeugt. Diese Druckände ¬ rung Dl bezieht sich auf einen allenfalls aussen der Membrane her wirkenden Druck, der kurz vor der Aufbringung des Prüf ¬ drucks ebenfalls ermittelt wird.
Eine Prüfung des Sensors zu einem späteren Zeitpunkt kann in eingebautem Zustand durchgeführt werden, sogar während einer Messung. Dazu wird das Prüfmedium 12 im Kanalsystem 11, 10 mit dem vorgegebenen Prüfdruck Dp beaufschlagt und die durch den Prüfdruck Dp erzeugte, am Messelement 7 ermittelte Druckänderung D2 mit der zu erwartenden, bekannten Druckänderung Dl im Messelement 7 verglichen (D1-D2). Bei Abweichungen vom erwarteten Wert Dl können so neue Kalibrierdaten v ermittelt und in entsprechende Auswertegeräte eingegeben werden. Die Druckänderungen beziehen sich jeweils auf den zur Zeit der Kalibrierung vorherrschenden Druck DO vom Druckraum.
Die Temperatur des Prüfmediums 12 ist in weiten Grenzen wählbar. Das Ventil 16, das auch hier nötig ist um den vorgegebenen Prüfdruck zu applizieren und anschliessend wieder aufzu- heben, arbeitet unter wesentlich günstigeren Bedingungen und zudem zuverlässiger als in denen im Stand der Technik genannten Applikationen. Zudem wird der Prüfdruck nur langsam aufgebracht, sodass die Leitung 11 lang sein kann und dadurch mechanisch und thermisch entkoppelt ist. Dies ist notwendig, wenn der Sensor durch Vibrationen hoch belastet ist. Das so entkoppelte Ventil 16 kann wesentlich billiger ausgeführt werden, wegen dieser deutlich geringeren Anforderung.
Die Minimalausstattung für den Einsatz eines von der Rückseite kalibrierbaren Drucksensors umfasst zumindest eine Zulei- tung, die das Prüfmedium zum Sensor führen kann, und ein Ventil 16, das an eine Leitung 11 angeschlossen ist, welche das Prüfmedium zur Druckkammer 10 führt. Piezoelektrische Senso ¬ ren, die nicht statisch messen können, werden mit Hilfe von Drucksprüngen kalibriert. Daher ist ein schnell öffnendes Ventil 16 nötig, das über eine kurze Leitung 11 möglichst nur die Druckkammer 10 entleert.
Fig. 2 zeigt einen weiteren erfindungsgemässen Sensor mit einem Messelement 7, das die Druckkräfte auf die Membrane 3 abstützt. Bezüglich Druckmessfunktion ist diese Variante praktisch identisch mit der in Fig. 1 dargestellten Variante. Auch hier wird ein plattenförmiges Vorspannelement 20 verwendet. Zwischen Membrane 3 und Vorspannelement 20 ist eine Trennmembrane 21 angeordnet. Die Leitung 11 führt in die Druckkammer 10 zwischen Vorspannelement 20 und Trennmembrane 21. Der innere Kalibrierdruck 13 auf das Vorspannelement 20 und die Trennmembrane 21 ergibt in diesem Fall wiederum eine resultierende Kraft 14 auf das Messelement 7, die wiederum dieselbe Richtung aufweist wie die Kraft 6 oder der Druck DO aus dem äusseren Messdruck 5. Diese gleiche Richtung der Kalibrierkräfte kann bei Unlinearitäten des Messelementes ein entscheidender Vorteil sein. Im Unterschied zu Fig. 1 sind hier die Druckkammer 10 sowie das Vorspannelement 20 und die Trennmembrane 21 zwischen Membrane 3 und Messelement 7 angeordnet .
Zudem sind in dieser Ausführungsform zwei Leitungen 11, 15 zum Füllen 11 und Entleeren 15 an der Druckkammer 10 angebracht dargestellt. Entsprechend sind zwei Ventile 16, 17 an beiden Leitungen 11, 15 angebracht. Werden Befüllen und Entleeren des Sensors über je einen Kanal 11, 15 bewerkstelligt, dann kann diese Anordnung für Zusatzfunktionen genutzt wer- den.
Bei Aufbringen des Prüfdrucks Dp ist das Ventil 17 geschlossen, bei Entlastung vom Prüfdruck Dp oder Umschaltung auf einen anderen Prüfdruck, zum Beispiel den Aussendruck, wird das Ventil 16 geschlossen und das Ventil 17 geöffnet.
Ständiges Durchströmen des Sensors beispielsweise ermöglicht eine Wärmezufuhr in oder Wärmeabfuhr aus dem Sensor und be-
wirkt dadurch eine Erweiterung des thermischen Funktionsbereichs des Sensors.
Misst man die Temperaturen in Zuleitung 11 und Ableitung 15 an den Sensoren 19, dann erhält man eine Messgrösse für die Wärmebelastung des Sensors und damit auch der Struktur, in welcher der Sensor eingebaut ist.
Die Messung der Durchflussmenge oder der Zusammensetzung des abströmenden Gases ermöglicht eine laufende Dichtheitsprüfung des Sensors. Chemische Sensoren oder Durchflusssensoren las- sen ebenfalls Undichtigkeit des Sensors erkennen.
Die innere Kalibrierung kann im eingebauten Zustand zur Sensorüberwachung benutzt werden, ohne die äussere Druckmessung zu stören.
Fig. 3 zeigt einen Sensor ähnlich derer in Fig. 1 und 2, al- lerdings befindet sich die Druckkammer 10 unmittelbar angrenzend rückseitig an der Membrane 3. Dieser Sensor verfügt über ein zylindrische Vorspannelement.
In dieser Ausführungsform wirkt der Prüfdruck 13 als hier dargestellte resultierende Kraft 14, und somit entgegen der vom Druckraum 2 her applizierten Gesamtkraft 6. Der vom Messelement 7 erfasste Messwert wird durch einen Prüfdruck D2 in diesem Fall verringert (D0-D2).
Selbstverständlich kann auch der Sensor nach Fig. 1 mit zwei Leitungen 11, 15 und den entsprechenden Ventilen ausgerüstet sein und dadurch über dieselben Vorzüge wie hier beschrieben verfügen. Genau so können die anderen Sensoren jeweils über nur eine Leitung 11 verfügen.
Fig. 4 zeigt einen Sensor gemäss Fig.3, wobei in diesem Fall die Membrane 3 nicht mechanisch mit dem Messelement 7 verbun-
den ist sondern den Messdruck 5 nur über die eigene Steifigkeit stützt und sich unter diesem Messdruck verformt. Das Messelement arbeitet daher beispielsweise kapazitiv, induktiv oder optisch.
Fig. 5 zeigt wie Figur 4 einen Sensor, in dem der Messdruck im Wesentlichen an der Membrane 3 abgestützt wird, allerdings wird in diesem Fall die Spannung oder Verformung an der Membranoberfläche selbst gemessen, zum Beispiel durch Dehnmessstreifen 7.
Bezugszeichenliste
1 Gehäuse
2 Druckraum
3 Membrane 4 Druckplatte
5 Druck
6 Gesamtdruck
7 Messelement
8 Messleitung 9 Anschluss
10 Druckkammer
11 Zuleitung
12 Prüfmedium
13 Prüfdruck 14 Resultierender Prüfdruck
15 Leitung zum Abführen des Prüfmediums
16 Ventil
17 Ventil
18 Elastische Leitungen 19 Sensor
20 Vorspannelement
21 Trennmembrane
22 Fortsatz der Druckplatte Dp definierter Prüfdruck DO vom Druckraum auf die Membrane wirkender Druck
Dl bekannte (erwartete) Druckänderung im Messelement, ver ¬ ursacht durch einen in der Druckkammer applizierten definierten Prüfdruck Dp
D2 tatsächlich gemessene Druckänderung im Messelement, ver- ursacht durch einen in der Druckkammer applizierten definierten Prüfdruck Dp D1-D2 Mass für die Nachkalibrierung des Messelements
Next Patent: PRESSURE SENSOR FOR MEASUREMENTS IN HOT, DYNAMIC PROCESSES