Die Erfindung betrifft einen Drucksensor mit mindestens einer Membran zum Schutz des drucksensitiven Elements nach dem Merkmalen des Oberbgriffs des Patentanspruchs 1.

Derartige Drucksensoren sind durch Vorbenutzung und aus einschlägigen Veröffentlichungen bekannt. Deren grundlegender mechanischer Aufbau ist in der GB 2 065 893 und der EP 0 143 702 detailliert beschrieben. Unabhängig von der Art der Umsetzung von mechanischen Druck-/Differenzdrucksignalen in äquivalente elektrische Größen ist gemäß beiden Vorveröffentlichungen ein im wesentlichen zylindrischer Zentralkörper vorgesehen, der unter Verwendung entsprechender Dichtungsmittel zwischen zwei gleichartige schalenförmige Kappen eingeschlossen ist. Diese Kappen sind mit einer Mehrzahl von radial angeordneten und mechanisch vorgespannten Bolzen miteinander verschraubt, wobei die mechanische Vorspannung der Bolzen so gewählt ist, daß bei maximal zulässiger statischer Druckbelastung ein Druckverlust am Zentralkörper vermieden wird.

Jede Kappe weist zentral körperseitig eine Ausnehmung auf, die über Kanäle, die üblicherweise als Bohrungen ausgeführt sind, mit Flanschanschlüssen verbunden sind. Der Mittelabstand dieser Kanäle ist an den Flanschanschlüssen durch Normung vorgegeben.

Das Messwerk ist in einer Messkammer untergebracht, die auf beiden Druckzuführungsseiten durch jeweils eine Trennmembran vom Prozessmedium

separiert ist. Die Messkammer ist mit einem inkompressiblen Druckmittler befüllt. Bei beschädigter Trennmembran gelangt agressives Prozessmedium in die Messkammer und beschädigt das Messwerk. Derartige Beschädigungen sind während des bestimmungsgemäßen Gebrauchs - wenn überhaupt - nur unter sehr hohem Aufwand zu erkennen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Mittel anzugeben, die auf einfache Weise Beschädigungen der Trennmembranen signalisieren.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Mitteln des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 5 beschrieben.

Ausgehend von einem Drucksensor der gattungsgemäßen Art ist in der druckmittlerbefüllten Messkammer mindestens ein Oberflächenwellensensor untergebracht. Der Oberflächenwellensensor besteht im wesentlichen aus einem

Sendeelement, einem Empfangselement und einer dazwischen liegenden Laufstrecke.

Das Sendeelement und das Empfangselement bestehen aus zwei kammartig ineinandergreifenden, leitfähigen Elektroden, sogenannte IDT's (interdigital transducer), auf einem isolierenden Substrat. Die Laufstrecke zwischen dem

Sendeelement und dem Empfangselement ist der sensitive Bereich des

Oberflächenwellensensors.

Das Sendeelement wird mit einer Wechselspannung erregt. Über den piezoelektrischen Effekt wird eine mechanische Oberflächenwelle erzeugt, die sich in beide Richtungen ausbreitet. Nach einer Laufzeit, die von der Substanz im sensitiven Bereich des Oberflächenwellensensors abhängig ist, wird die Oberflächenwelle vom Empfangselement aufgenommen.

Während des bestimmungsgemäßen Gebrauchs des unbeschädigten Drucksensors ist der sensitive Bereich des Oberflächenwellensensors von Druckmittler benetzt. Bei Beschädigung der Trennmembran wird Prozessmedium unter den Druckmittler gemischt. Damit wird eine Substanzänderung im sensitiven Bereich des Oberflächenwellensensors hervorgerufen, die sich in einer abweichenden Signallaufzeit zwischen dem Sendeelement und dem Empfangselement niederschlägt.

Jede Laufzeitänderung ist demnach ein Indiz für eine Beschädigung des Drucksensors und als solche signalisierbar.

Vorteilhafterweise sind darüber hinaus alle Arten der chemischen oder physikalischen Substanzänderung im sensitiven Bereich des Oberflächenwellensensors, unabhängig von deren Ursache und Zustandekommen erkennbar.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend am Beispiel eines Differenzdrucksensors näher erläutert. Die dazu erforderlichen Zeichnungen zeigen:

Figur 1 eine geschnittene Darstellung einer Messzelle

Figur 2 eine Prinzipdarstellung einer Sensoreinrichtung

In Figur 1 ist eine Messzelle 10 eines Differenzdrucksensors in geschnittener Darstellung ihrer wesentlichen Elemente gezeigt. Jeder Differenzdrucksensor hat zwei Druckzuführungsseiten, deren gleichartige Elemente für diese Darstellung nachstehend durch Bezugszeichen mit den Indizes a und b unterschieden werden. Jede Druckzuführungsseite weist eine Messkammer 14a und 14b auf, die durch eine Trennmembran 11a und 11b vom Prozessmedium separiert ist. Die Messkammer 14a und 14b ist über einen Kanal 13a und 13b mit den beiden Druckseiten eines drucksensitiven Messelements 12 verbunden. Die Messkammer 14a und 14b und der Kanal 13a und 13b sind mit einem inkompressiblen Druckmittler befüllt. Regelmäßig ist Silikonöl als Druckmittler eingesetzt.

In jeder Messkammer 14a und 14b ist mindestens ein Oberflächenwellensensor 15a und 15b untergebracht und vom Druckmittler umspült.

Der Oberflächenwellensensor 15a und 15b besteht gemäß Figur 2 im wesentlichen aus einem Sendeelement 1a, einem Empfangselement 1 b und einer dazwischen liegenden Laufstrecke. Das Sendeelement 1a und das Empfangselement 1b bestehen aus zwei kammartig ineinandergreifenden, leitfähigen Elektroden, sogenannte IDTs (interdigital transducer), auf einem isolierenden Substrat 4. Die Laufstrecke zwischen

- A -

dem Sendeelement und dem Empfangselement ist der sensitive Bereich 2 des Oberflächenwellensensors.

Das Sendeelement 1a wird mit einer Wechselspannung erregt. Über den piezoelektrischen Effekt wird eine mechanische Oberflächenwelle 3 erzeugt, die sich in beide Richtungen ausbreitet. Nach einer Laufzeit, die von der Substanz im sensitiven Bereich 2 des Oberflächenwellensensors abhängig ist, wird die Oberflächenwelle 3 vom Empfangselement 1b aufgenommen.

Während des bestimmungsgemäßen Gebrauchs des unbeschädigten Drucksensors ist der sensitive Bereich 2 des Oberflächenwellensensors 15a und 15b von Druckmittler benetzt. Bei Beschädigung der Trennmembran 11a oder 11b wird Prozessmedium unter den Druckmittler gemischt. Damit wird eine Substanzänderung im sensitiven Bereich 2 des Oberflächenwellensensors 15a oder 15b hervorgerufen, die sich in einer abweichenden Signallaufzeit zwischen dem Sendeelement 1a und dem Empfangselement 1b niederschlägt.

Das Sendeelement 1a und das Empfangselement 1 b sind mit einem Verstärker 6 zu einem Schwingkreis 5 verschaltet.

Sobald sich die Zusammensetzung des Silikonöl ändert, sei es durch Membranriß oder durch Zersetzung, lagern sich andere Substanzen auf dem sensitive Bereich 2 ab oder die Massenbelegung ändert sich, so daß sich die Laufzeit des Oberflächenwelle 3 ändert. Die veränderte Laufzeit verstimmt den Schwingkreis 5, dessen Resonanzfrequenz das eigentliche Meßsignal darstellt. Die Änderung der

Resonanzfrequenz wird als Undichtigkeit der Trennmembran 11a und 11b mit darauf folgender Änderung der Füllflüssigkeit gedeutet.

Auf diese Weise gelingt es, neben der Vermischung von Silikonöl mit dem Prozessmedium auch den Verlust des Silikonöls und / oder dessen Zersetzung zu erfassen.

Die Sensitivität von Oberflächenwellensensoren kann wie folgt abgeschätzt werden. Für ein LiTaO ₃ Oberflächenwellenelement wird in der Literatur eine Massenempfindlichkeit von S _m = -0,043 *f bei einer Betriebsfrequenz von 300 MHz

angegeben. Silikonöl hat eine Dichte von 924 kg/m ³ . Eine Konzentrationsänderung im Bereich von 10 ^'4 , beispielsweise durch Eindringen von Wasser, führt zu einer Frequenzänderung von einem Hertz.

In besonderer Ausgestaltung der Erfindung werden Oberflächenwellensensoren eingesetzt, die bei Überschreitung eines Schwellwertes ansprechen. Vorteilhafterweise wird dadurch die Überwachung der Oberflächenwellensensoren vereinfacht und das Datenvolumen im Austausch mit einer übergeordneten Einrichtung begrenzt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist unter Rückgriff auf Figur 1 in mindestens einer Messkammer 14a und 14b ein zweiter Oberflächenwellensensor als Referenzsensor 16a und 16b vorgesehen. Der Referenzsensor 16a und 16b ist gekapselt. Die temperaturabhängigen Frequenzänderungen der Oberflächenwellensensoren 15a und 15b und der Referenzsensoren 16a und 16b derselben Messkammer 14a und 14b sind gleich. Die Frequenzänderungen der Oberflächenwellensensoren 15a und 15b und der Referenzsensoren 16a und 16b werden verglichen. Dadurch wird der-Temperatureinfluß auf die Frequenzänderungen kompensiert.

In Abhängigkeit von der Bauform und dem thermischen Eigenschaften des Materials der Messzelle 10 kann vorgesehen sein, die Frequenzänderungen der Oberflächenwellensensoren 15a und 15b mit einem Referenzsensor 16a oder 16b zu vergleichen. Vorteilhafterweise kommt die Temperaturkompensation dann mit einem Referenzsensor 16a oder 16b aus.

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Bezugszeichenliste

1a Sendeelement

1 b Empfangselement

2 sensitiver Bereich

3 Oberflächenwelle

4 Substrat

5 Schwingkreis

6 Verstärker

10 Messzelle

11a, 11b Trennmembran

12 Messelement

13a, 13b Kanal

14a, 14b Messkammer

15a, 15b Oberflächenwellensensor

16a. 16b Referenzsensor