DE102018007884A1

DE102018007884A1 - Sensor zur komparativen Druckmessung

Info

Publication number: DE102018007884A1
Application number: DE102018007884.2A
Authority: DE
Inventors: Heinz (Heinrich Franz) Plöchinger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-10-05
Filing date: 2018-10-05
Publication date: 2020-04-09
Also published as: US20200103323A1

Abstract

Eine Messvorrichtung zur Bestimmung eines Gasdrucks weist einen Messraum (113) zum Aufnehmen eines Gasgemisches mit einem Gasdruck, einen im Messraum (113) angeordneten ersten Drucksensor, der geeignet ist, den Gasdruck mit einer bekannten ersten Abhängigkeit von der Art des in dem Messraum (113) aufgenommenen Gasgemisches zu messen, einen im Messraum (113) angeordneten zweiten Drucksensor (135), der geeignet ist, den Gasdruck mit einer bekannten, sich von der ersten Abhängigkeit unterscheidenden zweiten Abhängigkeit von der Art des in dem Messraum (113) aufgenommenen Gasgemisches zu messen, und eine Auswerteeinheit auf, die geeignet ist, aus den von dem ersten Drucksensor und dem zweiten Drucksensor (135) zur gleichen Zeit gemessenen Werten für den Gasdruck einen Zustand des Gases zu bestimmen. Hierbei ist das Volumen des Messraums (113) derart ausgebildet, dass während des Messens an dem ersten Drucksensor und dem zweiten Drucksensor (135) die gleichen physikalischen Bedingungen herrschen, insbesondere der gleiche Druck und/oder die gleiche Temperatur.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kombination aus zwei Sensoren zur Gasdruckmessung mit unterschiedlichen Messprinzipien, die in einem gemeinsamen Druckmessbereich, der den größten Teil des gesamten Messbereiches umfasst, parallel ausgewertet werden. Beide Sensoren sind in einem gemeinsamen Messraum angeordnet, so dass nur ein Druck-Messanschluss zur Gasdruckmessung benötigt wird. Die Sensoren weisen eine unterschiedliche Abhängigkeit von der Gasart auf. Beispielsweise findet ein Kapazitätsmanometer oder ein piezoresistiver Sensor Anwendung, beide nicht von der Gasart abhängig, sowie ein Pirani-Sensor, der den Druck über den Umweg der Wärmeleitfähigkeit des Gases erfasst und somit ein Signal generiert, das eine hohe Abhängigkeit von der Gasart aufweist. Der Vergleich beider Signale ergibt ein Signal für den Zustand des zu bewertenden Gasgemisches, beispielsweise den Trocknungsgrad.
Stand der Technik
Bekannt sind Kombinations-Sensoren zur Gasdruckmessung aus der Schrift US 5,962,791 „Pirani-Capacitive Sensor“. Die Sensoren unterschiedlicher Messprinzipien haben auch unterschiedliche Messbereiche und dienen hier dem Zweck, einen möglichst großen gesamten Messbereich abzudecken.
Nur in einem kleinen Überlappungsbereich sind beide Sensoren aktiv. Das Ausgangssignal wird zunächst von dem einen Sensor, nach Durchlaufen des Überlappungsbereiches dann von dem anderen Sensor abgeleitet.
Die beiden Sensoren werden also nicht in einem Bereich, der den größten Teil des gemeinsamen Messbereiches umfasst, parallel ausgewertet.
Kombinations-Sensoren mit Aktivität beider Sensoren in einem kleinen Überlappungsbereich sind auch in der Schrift DE 199 03 010 des Anmelders zu finden unter 2, 3, 4.
In den Schriften DE 198 60 500 und DE 10 2005 029 114 des Anmelders sind Verfahren beschrieben, Kombinations-Sensoren der vorgenannten Art automatisch zu kalibrieren oder die Wertangleichung im Überlappungsbereich zu optimieren.
Allgemeine Beschreibungen von Kapazitätsmanometern finden sich in dem Artikel „Moderne Kapazitätsmanometer“ von Alexander Mahr, Vakuum in Forschung und Praxis, Volume 12, Issue 2, pages 85-91, April 2000.
In der Schrift EP 2 137 505 wird eine automatische Driftkorrektur für Kapazitätsmanometer gezeigt, die mit Hilfe von Zeitstempeln einen Driftwert vorhersagt.
Die Schriften DE 10115 715 und EP 1409963 ( DE 502 11 3669 ) des Anmelders beschreiben Verfahren, wie beispielsweise Pirani-Sensoren (Ansprüche 10 und 11) über Zeit- oder Frequenz von vorbestimmten Ansteuersignalen (Impulsen) ausgewertet werden können.
In der Verfahrenstechnik für Vakuumtrocknung und Gefriertrocknung ist die komparative Druckmessung mit zwei getrennten Drucksensoren, meist Kapazitätsmanometer und Pirani-Sensor, bekannt.
Die separat kalibrierten Transmitter unterschiedlicher Gasartabhängigkeit werden separat, beispielsweise an einem T-Stück am Messflansch einer Anlage montiert. Der Messraum um das Pirani-Messelement weist durch Leistungszufuhr bedingt durch das thermische Messprinzip höhere Temperatur auf, als der Messraum des kapazitiven Sensors.
Dies kann Ursache von Messfehlern sein. Auch durch DruckGradienten und unterschiedliche Umgebungstemperaturen wegen der separaten Montage können Fehler auftreten.
In der Dissertation Ingo Prasser, München 2003, Ludwig-Maximilians-Universität, mit dem Titel „Innovative Online Messverfahren zur Optimierung von Gefriertrocknungsprozessen“ findet sich unter Punkt 4.3.3 Komparative Druckmessung der Hinweis: „...Die Nachteile liegen in der Genauigkeit der Endpunkterkennung...“
Aufgabe der Erfindung
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Sensor zur genaueren komparativen Druckmessung zu schaffen, der z.B.

- nur einen Druckmessanschluss (Flansch) benötigt
- zwei unterschiedliche Messprinzipien mit unterschiedlicher Abhängigkeit von der Gasart und mit annähernd gleichem Messbereich in einem gemeinsamen Messraum zusammenfasst, beispielsweise einen kapazitiven Sensor (Kapazitätsmanometer) oder einen piezoresistiven Sensor und einen Wärmeleitfähigkeits-Sensor (Pirani)
- optional eine gegenseitige automatische Nachjustierung der beiden Sensoren (z. B. Kapazitätsmanometer und Pirani-Sensor) ermöglicht

Erfindungsgemäße Lösung
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Zum Beispiel kann je eine Halterung für einen Druck-Sensor einer definierten ersten Gasartabhängigkeit (z. B. kapazitiver Sensor oder piezoresistiver Sensor, unabhängig von der Gasart, Halterung 1) und für einen Druck-Sensor einer definierten zweiten Gasartabhängigkeit (z. B. Pirani-Sensor, abhängig von der molekularen Masse des Gases, Halterung 2) in einem gemeinsamen Messraum so angeordnet werden, dass der Messdruck, zugeführt von nur einem Messanschluss (z. B. Flansch), gleichartig und gleichzeitig auf beide Sensoren einwirken kann.
Eine gemeinsame Elektronik-Platine in unmittelbarer räumlicher Nähe im gemeinsamen Gehäuse ermöglicht die parallele Auswertung beider Messprinzipien und optional die gegenseitige automatische Nachjustierung beider Sensoren, deren Messbereiche sich zum größten Teil überlagern.
Konstruktiv sind mehrere Varianten der Anordnung beider Halterungen möglich.
Eine erste Variante sieht als ersten Sensor einen kapazitiven Sensor vor, der eine interne Vakuum-Referenz aufweist (Membran auf Trägerplatte oder Doppelmembran, z. B. aus Keramik). Dieser Sensor ist innerhalb des Messraumes druckspannungsfrei mit federnden Elementen montiert. Der zweite Sensor Pirani ist direkt auf der gemeinsamen vakuumdichten Durchführung montiert.
In einer weiteren Variante ist ein erster Sensor als kapazitiver Sensor mit einem Referenzvakuum, das durch einen Getter langfristig sichergestellt wird, vorgesehen. Der zweite Sensor ist wiederum ein Pirani.
Eine weitere Variante weist als ersten Sensor einen piezoresistiven Sensor auf, als zweiten Sensor wiederum ein Pirani.
Figurenliste
Der Aufbau von erfindungsgemäßen Sensoren zur komparativen Druckmessung wird anhand von Zeichnungen der unterschiedlichen Varianten erläutert. Es zeigt:

1 eine schematisch Darstellung einer Messvorrichtung zur Bestimmung eines Gasdrucks;
2a und 2b schematische Darstellungen einer weiteren Messvorrichtung zur Bestimmung eines Gasdrucks;
3 eine schematische Darstellung einer weiteren Messvorrichtung zur Bestimmung eines Gasdrucks; und
4 ein schematisches Blockschaltbild einer weiteren Messvorrichtung zur Bestimmung eines Gasdrucks.

1 zeigt den Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Sensor mit dem gemeinsamen Druckmessanschluss (Flansch) 111a oder 111b, einem Partikelfilter 112a oder 112b, einem gemeinsamen Gehäuse bzw. Messraum 113, Halterungen 114, die federnd einen kapazitiven Sensor mit interner Vakuum-Referenz 115 stützen;
eine weitere Halterung 131 weist hermetisch dichte Durchführungen 132 auf, in denen Durchführungsstifte 133 und 134 angeordnet sind als Träger des Sensors 135 mit dem zweiten, gasartabhängigen Messprinzip (z.B. Pirani-Element). Der kapazitive Sensor 115 ist über Kontaktdrähte 136 und 137 über die Kontaktstifte 138 und 139 kontaktiert. Wenn im kapazitiven Sensor 115 mehr als 2 Elektroden vorhanden sind, sind optional weitere Kontaktdrähte und Kontaktstifte vorgesehen.
2a zeigt eine Variante eines erfindungsgemäßen Sensors mit dem gemeinsamen Druckmessanschluss (Flansch) 211, einem Partikelfilter 212, einem gemeinsamen Gehäuse 213, Halterungen 214, die federnd einen kapazitiven Sensor mit interner Vakuum-Referenz 215 stützen; eine weitere Halterung 231 weist hermetisch dichte Durchführungen 232 auf, in denen Durchführungsstifte 233 und 234 angeordnet sind als Träger des Sensors 235 mit dem zweiten, gasartabhängigen Messprinzip (z.B. Pirani-Element).
Im Gegensatz zu einem Sensor nach 1 ist hier zusätzlich ein Getter laut Detailzeichnung 2b im kapazitiven Sensor zur langfristigen Sicherung der Vakuum-Referenz vorgesehen. 2b zeigt einen teilweisen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Sensor mit federnden Halterungen 214, Sensorträgerkörper 236, Abstandshalter 237, Membran 238, Vakuum-Referenzraum 243, Öffnung im Sensorträgerkörper 242, Getterträgerkörper 239, Gettermaterial 240 und Anschlussdraht 241.
3 zeigt den Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Sensor mit dem gemeinsamen Druckmessanschluss (Flansch) 311, einem Partikelfilter 312,
einem gemeinsamen Messraum 313, eine Halterung 332 mit hermetisch dichten Durchführungen für die Durchführungsstifte 333 und 334 als Träger des Sensors 335 mit dem gasartabhängigen Messprinzip (z.B. Pirani-Element).
Ein gasartunabhängiger piezoresistiver Sensor 348 in der Sensorkapsel 343, die eine Vakuum-Referenz 349 enthält, ist über ein Verbindungsrohr 340 mit dem gemeinsamen Messraum 313 verbunden und über Kontaktdrähte 344 kontaktiert.
4 zeigt ein Blockschaltbild mit der Zusammenführung der Sensorsignale in einer gemeinsamen Auswerteschaltung mit Sensor 1 und Sensor 2 angeschlossen an einem Analog-DigitalWandler A/D, der die gewandelten Signale an einen Mikrokontroller µC überträgt. Dieser bereitet die Signale auf zum Sensorsignal, das beispielsweise den Trocknungsgrad darstellt.
Wird der Messraum 113 für die beiden Sensoren 1 und 2 mit trockenem Gas, z. B. trockener Luft oder Stickstoff, befüllt, müssen beide Sensoren den gleichen Druck anzeigen und können mittels des Mikrokontrollers µC automatisch nachkalibriert werden (s. Rekalibrierung in 4).
Vorteile der Erfindung
Da nur ein Druck-Messanschluss zur Gasdruckmessung benötigt wird, liegt der gleiche Messdruck an beiden Sensoren. Mögliche Störungen (z. B. Temperaturänderung, die von außen einwirkt oder bedingt durch thermisches Messprinzip bei Pirani) wirken gleichzeitig und in gleichem Maße auf beide Sensoren. Bei Durchlaufen bestimmter Drücke oder wenn trockenes Messgas vorliegt, können sich beide Sensoren gegenseitig neu justieren, so dass höhere Genauigkeit und größere Zuverlässigkeit einer Restfeuchtebestimmung zu erwarten sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 5962791 [0002]
DE 19903010 [0004]
DE 19860500 [0005]
DE 102005029114 [0005]
EP 2137505 [0007]
DE 10115715 [0008]
EP 1409963 [0008]
DE 502113669 [0008]

Claims

Messvorrichtung zur Bestimmung eines Gasdrucks, aufweisend: einen Messraum (113) zum Aufnehmen eines Gasgemisches mit einem Gasdruck; einen im Messraum (113) angeordneten ersten Drucksensor, der geeignet ist, den Gasdruck mit einer bekannten ersten Abhängigkeit von der Art des in dem Messraum (113) aufgenommenen Gasgemisches zu messen; einen im Messraum (113) angeordneten zweiten Drucksensor (135), der geeignet ist, den Gasdruck mit einer bekannten, sich von der ersten Abhängigkeit unterscheidenden zweiten Abhängigkeit von der Art des in dem Messraum (113) aufgenommenen Gasgemisches zu messen; und eine Auswerteeinheit, die geeignet ist, aus den von dem ersten Drucksensor und dem zweiten Drucksensor (135) zur gleichen Zeit gemessenen Werten für den Gasdruck einen Zustand des Gases zu bestimmen; wobei das Volumen des Messraums (113) derart ausgebildet ist, dass während des Messens an dem ersten Drucksensor und dem zweiten Drucksensor (135) die gleichen physikalischen Bedingungen herrschen, insbesondere der gleiche Druck und/oder die gleiche Temperatur.
Messvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste Drucksensor geeignet ist, den Gasdruck unabhängig von der Art des in dem Messraum (113) aufgenommenen Gasgemisches zu messen; der zweite Drucksensor (135) geeignet ist, den Gasdruck in Abhängigkeit von einer Wärmeleitfähigkeit des in dem Messraum (113) aufgenommenen Gasgemisches zu messen; und die Auswerteeinheit geeignet ist, aus den von dem ersten Drucksensor und dem zweiten Drucksensor zur gleichen Zeit gemessenen Werten für den Gasdruck einen Trocknungsgrad des Gasgemisches zu bestimmen.
Messvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Druckbereiche, in denen der erste Drucksensor und der zweite Drucksensor (135) jeweils zur Messung des Gasdrucks geeignet sind, gleich sind.
Messvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der erste Drucksensor ein kapazitiver Drucksensor oder ein piezoresistiver Drucksensor (348) ist; und der zweite Drucksensor (135) ein Pirani-Vakuummeter ist.
Messvorrichtung nach Anspruch 4, wobei der erste Drucksensor eine innerhalb des Messraums federnd gelagerte Vakuum-Referenz (115) zum Halten eines Vergleichsvakuums aufweist.
Messvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Messraum (113) einen, insbesondere nur einen einzelnen Messanschluss (111a) zum luftdichten Anschließen des Messraums (113) an einen Behälter zum Halten oder Führen des Gasgemisches aufweist.
Messvorrichtung nach Anspruch 6, wobei der erste Drucksensor und/oder der zweite Drucksensor (135) in dem Messanschluss (111a) angeordnet sind.
Messvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Auswerteeinheit geeignet ist, den ersten Drucksensor und den zweiten Drucksensor bei Befüllen des Messraumes (113) mit einem bekannten Gasgemisch zu kalibrieren.
Messvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Volumen des Messraumes weniger als 10, 5, 4, 2, oder 1 cm³ beträgt.
Trocknungsvorrichtung mit einem Trocknungsraum zum Einbringen von Gegenständen; einer Vakuumpumpe zum Erzeugen eines Vakuums in dem Trocknungsraum zum Trocken von darin eingebrachten Gegenständen; und einer Messvorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche zum Überwachen des Trocknens durch Messen und Auswerten des im Trocknungsraum vorhandenen Gasdrucks.