DE102004033812A1

DE102004033812A1 - Pressure or differential pressure gauge for low pressures transfers pressure on membrane to sensor using ionic transmission fluid

Info

Publication number: DE102004033812A1
Application number: DE200410033812
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dannhauer; Dietfried Burczyk
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2004-07-12
Filing date: 2004-07-12
Publication date: 2006-02-16
Anticipated expiration: 2024-07-13
Also published as: DE102004033812B4

Abstract

A pressure or differential pressure gauge transfers the pressure (P) on the membrane (9) to the sensor (1) using an ionic transmission fluid (20).

Description

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.The The invention relates to a pressure or Differenzdruckaufnehmer with a measuring element, and at least one pressure transmission system, the serves a pressure acting on a separation membrane pressure by means of a transfer fluid to transfer to the measuring element.

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.Print- and differential pressure sensors are used today in a variety of applications in measuring and control technology in almost all branches of industry Capture of pressures or differential pressures used.

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.at the detection of a single pressure becomes the pressure to be measured supplied to the separation membrane and over the pressure transmission system by means of the transfer fluid on the measuring element, e.g. transmitted a piezo-resistive pressure cell. The measuring element outputs an output signal that is proportional to is the pressure to be measured. The output signal is another Processing, evaluation and / or display available.

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.Analogous have differential pressure transducer usually a first and a second separation membrane and a first and a second Pressure transmission system on. In operation, a first pressure acts on the first separation membrane and a second pressure on the second separation membrane.

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.The first and second pressures are each about the pressure-release system associated with the respective separation membrane by means of the transfer fluid transferred to the measuring element. The measuring element outputs an output signal that is proportional to is the pressure to be measured. The output signal is another Processing, evaluation and / or display available.

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.The transmission fluid transfers this the respective separation membrane acting pressure. For optimal transmission properties to obtain preferably a possible incompressible liquid selected with a low thermal expansion coefficient. Common transmission fluids are today, e.g. Silicone oil, Glycerol, polymeric trifluoromonochloroethylene or vegetable oils.

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.at Applications where only very low pressures act on the separation membrane it comes with conventional transmission fluids to outgassing the transmission fluid. It can create a gas bubble, which leads to a deflection of the separation membrane and possibly overstretching lead the separation membrane can. It is possible, that the gas bubble will not return even at a later pressure increase completely in the transmission fluid solves.

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.By change the outgassing itself the transmission characteristics of the pressure transmission system. this leads to to measurement errors. The measuring range in which appropriate pressure or Differential pressure sensor can be used, this is down limited. Usually becomes an assigned pressure limit, below which a flawless one Measurement no longer possible is referred to as the vacuum resistance of the transducer.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine für die Erfassung niedriger Drücke geeignete Übertragungsflüssigkeit anzugeben.It It is an object of the invention to provide a transmission fluid suitable for low pressure detection specify.

Hierzu besteht die Erfindung in der Verwendung einer ionischen Flüssigkeit zur Übertragung eines Drucks in einem Druckübertragungssystem in der Druckmesstechnik.For this the invention consists in the use of an ionic liquid for transmission a pressure in a pressure transmission system in pressure measurement.

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.

Furthermore, the invention consists in a pressure transducer

- a measuring element, and
A pressure transmission system,
- This serves to transmit a force acting on a separation membrane pressure by means of a transfer liquid to the measuring element, characterized in that
- The transfer fluid is an ionic liquid.

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.

Likewise, the invention consists in a differential pressure transducer

- a measuring element, and
At least one pressure transmission system,
- This serves to transmit a force acting on a separation membrane pressure by means of a transfer liquid to the measuring element, characterized in that
- The transfer fluid is an ionic liquid.

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.One Advantage of the invention is that ionic liquids have virtually no vapor pressure, i. ionic liquids do not evaporate even in a high vacuum. Accordingly, they are suitable very good for detecting low pressures.

Druck- oder Differenzdruckaufnehmer, die eine ionische Flüssigkeit als Übertragungsflüssigkeit enthalten arbeiten auch bei sehr niedrigen Drücken einwandfrei.Print- or differential pressure transducer, which is an ionic liquid contained as a transfer fluid work flawlessly even at very low pressures.

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.The Invention and further advantages will now be described with reference to the drawing, in the two embodiments are shown, closer explained. Identical elements are indicated by the same reference numerals in the figures Mistake.

1 zeigt einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Druckaufnehmer; und 1 shows a longitudinal section through a pressure sensor according to the invention; and

2 zeigt einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Differenzdruckaufnehmer. 2 shows a longitudinal section through a differential pressure sensor according to the invention.

Die Erfindung besteht in der Verwendung einer ionischen Flüssigkeit zur Übertragung eines Drucks in einem Druckübertragungssystem in der Druckmesstechnik.The Invention is the use of an ionic liquid for transmission a pressure in a pressure transmission system in pressure measurement.

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.Ionian liquids are organic or inorganic salts made exclusively from Ions exist. Unlike molten salts, which are usually high-melting, highly viscous and very corrosive, are ionic liquids even at low temperatures, below 100 ° C, liquid and relatively low viscosity. Since she exclusively consist of ions, they have virtually no vapor pressure, i. they do not evaporate even in a high vacuum.

Als Übertragungsflüssigkeit können in Druckübertragungssystemen in der Druckmesstechnik z.B. die ionischen Flüssigkeiten Octylsulfat oder Saccharinat, die unter der Bezeichnung ECOENG^TM lonic Liquids bei der Firma Solvent Innovation GmbH erhältlich sind, eingesetzt werden.For example, the ionic liquids octylsulfate or saccharinate, which are available under the name ECOENG ^™ lonic Liquids from Solvent Innovation GmbH, can be used as the transfer liquid in pressure transfer systems in pressure measurement technology.

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.Pressure transmission systems are systems in which a pressure prevailing at a first location over a Compound, e.g. a pipe or a hole to another Transfer location become. An interior of the pressure transmission system, incl. The connection is completely from the transmission fluid filled. The pressure acts on a pressure-sensitive mechanical element, e.g. a membrane, a. As a result, the membrane is deflected and the pressure acting on the other side of the membrane transmitted transmission fluid transfer.

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.Ionian liquids as such are known for a long time and can be purchased commercially. They are used in chemistry, e.g. in catalytic processes, chemical Syntheses or used in separation processes. Become an ionic liquid while e.g. as a solvent and, where appropriate, after completion of a section of the procedure back again won.

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.According to the invention ionic liquids now for the first time on a completely other area, namely Used in pressure measurement and not here as in chemistry as an additive, solvent or Catalyst, but as a transfer fluid used.

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.Conventional transmission fluids, such as e.g. Silicone oil, Glycerine or vegetable oils, gas at low pressures out. As a result, one or more forms inside the pressure transmission system Gas bubbles affecting the pressure transfer properties drastically change.

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.Ionian liquids have virtually no vapor pressure, i. they also evaporate in a high vacuum Not. Accordingly, it comes with the use of ionic liquids as transfer fluid not at extremely low pressures to outgassing in the liquid dissolved Components. The pressure transmission properties stay unchanged. Resulting measurement errors no longer occur. It is with it possible for the first time Pressure transmission systems even at extremely low pressures use. A consequent limitation of the measuring range of pressure gauges is eliminated.

1. zeigt einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Druckaufnehmer zur Erfassung eines absoluten Drucks p. Kernstück des Druckaufnehmers ist ein Messelement 1, hier ein Absolutdrucksensor. 1 , shows a longitudinal section through a pressure sensor according to the invention for detecting an absolute pressure p. The heart of the pressure transducer is a measuring element 1 , here an absolute pressure sensor.

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.In pressure measurement, so-called semiconductor sensors, eg silicon chips with doped resistance elements, are often used as pressure-sensitive elements. A today usual sensor construction is in 1 shown. There is a membrane-shaped pressure sensor chip on a base body 3 applied. The main body 3 Eg is a substrate made of glass or silicon. The main body 3 is on a metallic carrier 5 arranged. The metallic carrier 5 gets into a housing 7 installed so that it the housing 7 closes at the back.

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.The pressure transducer has a separation membrane 9 on which the pressure to be measured p acts during operation. In the illustrated embodiment, the separation membrane closes 9 a metallic carrier 5 opposite end face of the housing 7 flush with the front.

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.Furthermore, the pressure transducer comprises a pressure transmission system 11 , which serves one on a separation membrane 9 acting pressure p on the measuring element 1 transferred to. The pressure transmission system 11 includes one of the separation membrane 9 and their membrane bed 13 closed chamber 15 and a connection 17 between this chamber 15 and one the measuring element 1 contained border housing interior 19 , The chamber 15 , the connection 17 and the housing interior 19 are with a transmission fluid 20 filled, which serves to one on the separation membrane 9 acting pressure on the pressure-sensitive membrane of the measuring element 1 transferred to.

Erfindungsgemäß ist die Übertragungsflüssigkeit 20 eine ionische Flüssigkeit. Ionische Flüssigkeiten und deren Vorteile für die Druckübertragung sind bereits oben erläutert und gelten hier entsprechend.According to the invention, the transfer fluid 20 an ionic liquid. Ionic liquids and their advantages for pressure transmission are already explained above and apply here accordingly.

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.In 2 is a longitudinal section through a differential pressure sensor according to the invention shown. The Differenzdruckaufnehmer consists of a pressure receiving unit in which a measuring element 21 located. The measuring element 21 Eg is a silicon chip of the membrane type and there are a first and a second pressure measuring chamber 23 . 25 to the measuring element 21 at. One in the first pressure measuring chamber 23 prevailing pressure is on one side of the membrane, one in the second pressure measuring chamber 25 prevailing pressure is applied to the opposite side of the membrane. The resulting deflection of the membrane is a measure of the differential pressure acting on it.

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.The differential pressure transducer has one of a first separation membrane 29 completed first pressure receiving chamber 31 and one of a second separation membrane 33 completed second pressure receiving chamber 35 on. During operation, it acts on the first separation membrane 29 a first pressure p1 and on the second separation membrane 33 a second pressure p2.

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.The differential pressure transducer has at least one pressure transmission system, which serves to one of the separation membranes 29 . 33 acting pressure p1, p2 by means of a transfer fluid to the measuring element 1 transferred to. The Differenzdruckaufnehmer shown has two such pressure transmission systems, via which the respectively on the first and second separation membrane 29 . 33 acting pressures p1, p2 via compounds 37 . 39 on the associated side of the membrane of the measuring element 21 be transmitted.

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.The pressure receiving chambers 31 . 35 , the connections 37 . 39 and the pressure measuring chambers 23 . 25 are with a transmission fluid 20 filled. According to the invention, the transfer fluid 20 an ionic liquid. Ionic liquids and their advantages for pressure transmission are already explained above and apply here accordingly.

Claims

Use of an ionic liquid for transfer a pressure in a pressure transmission system in pressure measurement.

Pressure transducer with - a measuring element ( 1 ), and - a pressure transmission system, - which serves one on a separation membrane ( 9 ) acting pressure (p) by means of a transmission fluid ( 20 ) on the measuring element ( 1 ), characterized in that - the transmission fluid ( 20 ) is an ionic liquid.

Differential pressure transducer with - a measuring element ( 21 ), and - at least one pressure transmission system, - which serves one on a separation membrane ( 29 . 33 ) acting pressure (p1, p2) by means of a transmission fluid ( 20 ) on the measuring element ( 21 ), characterized in that - the transmission fluid ( 20 ) is an ionic liquid.