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Die
Erfindung betrifft einen Druck- oder Differenzdruckaufnehmer mit
einem Messelement, und mindestens einem Druckübertragungssystem, das dazu
dient einen auf eine Trennmembran einwirkenden Druck mittels einer Übertragungsflüssigkeit
auf das Messelement zu übertragen.
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Druck-
und Differenzdruckaufnehmer werden heute in einer Vielzahl von Anwendungen
in der Mess- und Regeltechnik in nahezu allen Industriezweigen zur
Erfassung von Drücken
bzw. Differenzdrücken
eingesetzt.
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Bei
der Erfassung eines einzelnen Drucks wird der zu messende Druck
der Trennmembran zugeführt
und über
das Druckübertragungssystem
mittels der Übertragungsflüssigkeit
auf das Messelement, z.B. eine piezo-resistive Druckmesszelle übertragen.
Das Messelement gibt ein Ausgangssignal ab, das proportional zu
dem zu messenden Druck ist. Das Ausgangssignal steht zu einer weiteren
Verarbeitung, Auswertung und/oder Anzeige zur Verfügung.
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Analog
weisen Differenzdruckaufnehmer üblicherweise
eine erste und eine zweite Trennmembran und ein erstes und ein zweites
Druckübertragungssystem
auf. Im Betrieb wirkt ein erster Druck auf die erste Trennmembran
und ein zweiter Druck auf die zweite Trennmembran ein.
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Die
ersten und zweiten Drücke
werden jeweils über
das der entsprechenden Trennmembran zugeordnete Druckübertragungssystem
mittels der Übertragungsflüssigkeit
auf das Messelement übertragen.
Das Messelement gibt ein Ausgangssignal ab, das proportional zu
dem zu messenden Druck ist. Das Ausgangssignal steht zu einer weiteren
Verarbeitung, Auswertung und/oder Anzeige zur Verfügung.
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Die Übertragungsflüssigkeit überträgt den auf
die jeweilige Trennmembran einwirkenden Druck. Um optimale Übertragungseigenschaften
zu erhalten wird vorzugsweise eine möglichst inkompressible Flüssigkeit
mit einem geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten ausgewählt. Gebräuchliche Übertragungsflüssigkeiten
sind heute z.B. Siliconöl,
Glycerin, polymeres Trifluormonochlorethylen oder Pflanzenöle.
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Bei
Anwendungen, bei denen nur sehr geringe Drücke auf die Trennmembran einwirken
kommt es bei herkömmlichen Übertragungsflüssigkeiten
zu einem Ausgasen der Übertragungsflüssigkeit.
Es kann eine Gasblase entstehen, die zu einer Auslenkung der Trennmembran
und gegebenenfalls zu einer Überdehnung
der Trennmembran führen
kann. Es ist möglich,
dass sich die Gasblase auch bei einem späteren Druckanstieg nicht wieder
vollständig in
der Übertragungsflüssigkeit
löst.
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Durch
das Ausgasen verändern
sich die Übertragungseigenschaften
des Druckübertragungssystems.
Dies führt
zu Messfehlern. Der Messbereich, in dem entsprechende Druck- bzw.
Differenzdruckaufnehmer einsetzbar sind, ist hierdurch nach unten
hin begrenzt. Üblicherweise
wird ein zugeordneter Druckgrenzwert, unterhalb dessen eine einwandfreie
Messung nicht mehr möglich
ist, als Vakuumfestigkeit des Aufnehmers bezeichnet.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung eine für die Erfassung niedriger Drücke geeignete Übertragungsflüssigkeit
anzugeben.
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Hierzu
besteht die Erfindung in der Verwendung einer ionischen Flüssigkeit
zur Übertragung
eines Drucks in einem Druckübertragungssystem
in der Druckmesstechnik.
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Weiter
besteht die Erfindung in einem Druckaufnehmer mit
- – einem
Messelement, und
- – einem
Druckübertragungssystem,
- – das
dazu dient einen auf eine Trennmembran einwirkenden Druck mittels
einer Übertragungsflüssigkeit
auf das Messelement zu übertragen,
dadurch
gekennzeichnet, dass
- – die Übertragungsflüssigkeit
eine ionische Flüssigkeit
ist.
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Ebenso
besteht die Erfindung in einem Differenzdruckaufnehmer mit
- – einem
Messelement, und
- – mindestens
einem Druckübertragungssystem,
- – das
dazu dient einen auf eine Trennmembran einwirkenden Druck mittels
einer Übertragungsflüssigkeit
auf das Messelement zu übertragen,
dadurch
gekennzeichnet, dass
- – die Übertragungsflüssigkeit
eine ionische Flüssigkeit
ist.
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Ein
Vorteil der Erfindung besteht darin, dass ionische Flüssigkeiten
praktisch keinen Dampfdruck aufweisen, d.h. ionische Flüssigkeiten
verdampfen auch im Hochvakuum nicht. Entsprechend eignen sie sich
sehr gut zur Erfassung niedriger Drücke.
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Druck-
oder Differenzdruckaufnehmer, die eine ionische Flüssigkeit
als Übertragungsflüssigkeit enthalten
arbeiten auch bei sehr niedrigen Drücken einwandfrei.
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Die
Erfindung und weitere Vorteile werden nun anhand der Zeichnung,
in der zwei Ausführungsbeispiele
dargestellt sind, näher
erläutert.
Gleiche Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen
versehen.
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1 zeigt
einen Längsschnitt
durch einen erfindungsgemäßen Druckaufnehmer;
und
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2 zeigt
einen Längsschnitt
durch einen erfindungsgemäßen Differenzdruckaufnehmer.
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Die
Erfindung besteht in der Verwendung einer ionischen Flüssigkeit
zur Übertragung
eines Drucks in einem Druckübertragungssystem
in der Druckmesstechnik.
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Ionische
Flüssigkeiten
sind organische oder anorganische Salze, die ausschließlich aus
Ionen bestehen. Im Gegensatz zu Salzschmelzen, die gewöhnlich hochschmelzend,
hochviskos und sehr korrosiv sind, sind ionische Flüssigkeiten
bereits bei niedrigen Temperaturen, unter 100°C, flüssig und relativ niedrigviskos.
Da sie ausschließlich
aus Ionen bestehen, haben sie praktisch keinen Dampfdruck, d.h.
sie verdampfen auch im Hochvakuum nicht.
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Als Übertragungsflüssigkeit
können
in Druckübertragungssystemen
in der Druckmesstechnik z.B. die ionischen Flüssigkeiten Octylsulfat oder Saccharinat,
die unter der Bezeichnung ECOENGTM lonic
Liquids bei der Firma Solvent Innovation GmbH erhältlich sind,
eingesetzt werden.
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Druckübertragungssysteme
sind Systeme, in denen ein an einem ersten Ort herrschender Druck über eine
Verbindung, z.B. eine Leitung oder eine Bohrung an einen anderen
Ort übertragen
werden. Ein Innenraum des Druckübertragungssystems,
incl. der Verbindung ist dabei vollständig von der Übertragungsflüssigkeit
ausgefüllt.
Dabei wirkt der Druck auf ein druckempfindliches mechanisches Element,
z.B. eine Membran, ein. Hierdurch wird die Membran ausgelenkt und
der einwirkende Druck auf die auf der anderen Seite der Membran
befindliche Übertragungsflüssigkeit übertragen.
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Ionische
Flüssigkeiten
sind als solche seid langer Zeit bekannt und können im Handel erworben werden.
Sie werden in der Chemie, z.B. in katalytischen Prozessen, chemischen
Synthesen oder bei Trennprozessen eingesetzt. Ionische Flüssigkeiten werden
dabei z.B. als Lösungsmittel
eingesetzt und gegebenenfalls nach Abschluss eines Verfahrensabschnitts
wieder zurück
gewonnen.
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Erfindungsgemäß werden
ionische Flüssigkeiten
nun erstmals auf einem völlig
anderen Gebiet, nämlich
in der Druckmesstechnik eingesetzt und hier nicht wie in der Chemie
als Zusatz, Lösungsmittel oder
Katalysator, sondern als Übertragungsflüssigkeit
verwendet.
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Herkömmliche Übertragungsflüssigkeiten, wie
z.B. Siliconöl,
Glycerin oder Pflanzenöle,
gasen bei niedrigen Drücken
aus. Hierdurch bildet sich im Inneren des Druckübertragungssystems eine oder mehrere
Gasblasen, die die Druckübertragungseigenschaften
drastisch verändern.
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Ionische
Flüssigkeiten
haben praktisch keinen Dampfdruck, d.h. sie verdampfen auch im Hochvakuum
nicht. Entsprechend kommt es bei der Verwendung von ionischen Flüssigkeiten
als Übertragungsflüssigkeit
auch bei extrem niedrigen Drücken nicht
zu einem Ausgasen von in der Flüssigkeit
gelösten
Komponenten. Die Druckübertragungseigenschaften
bleiben unverändert.
Hierdurch bedingte Messfehler treten nicht mehr auf. Es ist damit
erstmals möglich,
Druckübertragungssysteme
auch bei extrem niedrigen Drücken
einzusetzen. Eine hierdurch bedingte Beschränkung des Messbereichs von Druckmessgeräten entfällt.
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1.
zeigt einen Längsschnitt
durch einen erfindungsgemäßen Druckaufnehmer
zur Erfassung eines absoluten Drucks p. Kernstück des Druckaufnehmers ist
ein Messelement 1, hier ein Absolutdrucksensor.
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In
der Druckmesstechnik werden gerne so genannte Halbleiter-Sensoren,
z.B. Silizium-Chips mit eindotierten Widerstandselementen, als druckempfindliche
Elemente eingesetzt. Ein heute üblicher Sensoraufbau
ist in 1 dargestellt. Dort ist ein membran-förmiger Drucksensor-Chip
auf einen Grundkörper 3 aufgebracht.
Der Grundkörper 3 ist z.B.
ein Substrat aus Glas oder ebenfalls aus Silizium. Der Grundkörper 3 ist
auf einem metallischen Träger 5 angeordnet.
Der metallische Träger 5 wird
in ein Gehäuse 7 derart
eingebaut, dass er das Gehäuse 7 rückseitig
abschließt.
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Der
Druckaufnehmer weist eine Trennmembran 9 auf, auf die im
Betrieb der zu messende Druck p einwirkt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel schließt die Trennmembran 9 eine
dem metallischen Träger 5 gegenüberliegende
Stirnseite des Gehäuses 7 frontbündig ab.
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Weiter
umfasst der Druckaufnehmer ein Druckübertragungssystem 11,
das dazu dient einen auf eine Trennmembran 9 einwirkenden
Druck p auf das Messelement 1 zu übertragen. Das Druckübertragungssystem 11 umfasst
eine von der Trennmembran 9 und deren Membranbett 13 abgeschlossene Kammer 15 und
eine Verbindung 17 zwischen dieser Kammer 15 und
einem das Messelement 1 enthaltenden Gehäuseinnenraum 19.
Die Kammer 15, die Verbindung 17 und der Gehäuseinnenraum 19 sind mit
einer Übertragungsflüssigkeit 20 gefüllt, die
dazu dient, einen auf die Trennmembran 9 einwirkenden Druck
auf die druckempfindliche Membran des Messelements 1 zu übertragen.
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Erfindungsgemäß ist die Übertragungsflüssigkeit 20 eine
ionische Flüssigkeit.
Ionische Flüssigkeiten
und deren Vorteile für
die Druckübertragung sind
bereits oben erläutert
und gelten hier entsprechend.
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In 2 ist
ein Längsschnitt
durch einen erfindungsgemäßen Differenzdruckaufnehmer
dargestellt. Der Differenzdruckaufnehmer besteht aus einer Druckaufnahmeeinheit
in dem sich ein Messelement 21 befindet. Das Messelement 21 ist
z.B. ein Siliziumchip vom Membrantyp und es grenzen eine erste und
eine zweite Druckmesskammer 23, 25 an das Messelement 21 an.
Ein in der ersten Druckmesskammer 23 herrschender Druck
liegt an einer Seite der Membran, ein in der zweiten Druckmesskammer 25 herrschender
Druck liegt an der gegenüberliegenden
Seite der Membran an. Die resultierende Durchbiegung der Membran
ist ein Maß für den auf
sie einwirkenden Differenzdruck.
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Der
Differenzdruckaufnehmer weist eine von einer ersten Trennmembran 29 abgeschlossene
erste Druckempfangskammer 31 und eine von einer zweiten
Trennmembran 33 abgeschlossene zweite Druckempfangskammer 35 auf.
Im Betrieb wirkt auf die erste Trennmembran 29 ein erster
Druck p1 und auf die zweite Trennmembran 33 ein zweiter
Druck p2 ein.
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Der
Differenzdruckaufnehmer weist mindestens ein Druckübertragungssystem
auf, das dazu dient einen auf eine der Trennmembranen 29, 33 einwirkenden
Druck p1, p2 mittels einer Übertragungsflüssigkeit
auf das Messelement 1 zu übertragen. Der dargestellte
Differenzdruckaufnehmer weist zwei solche Druckübertragungssysteme auf, über die
die jeweils auf die erste bzw. zweite Trennmembran 29, 33 einwirkenden
Drücke
p1, p2 über
Verbindungen 37, 39 auf die zugeordnete Seite
der Membran des Messelements 21 übertragen werden.
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Die
Druckempfangskammern 31, 35, die Verbindungen 37, 39 und
die Druckmesskammern 23, 25 sind mit einer Übertragungsflüssigkeit 20 gefüllt. Erfindungsgemäß ist die Übertragungsflüssigkeit 20 eine
ionische Flüssigkeit.
Ionische Flüssigkeiten
und deren Vorteile für
die Druckübertragung
sind bereits oben erläutert
und gelten hier entsprechend.