DE4406021B4

DE4406021B4 - Druckmeßeinrichtung

Info

Publication number: DE4406021B4
Application number: DE19944406021
Authority: DE
Inventors: Dieter Braun
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-02-24
Filing date: 1994-02-24
Publication date: 2004-07-22
Anticipated expiration: 2014-02-25
Also published as: DE4406021A1

Abstract

Druckmeßeinrichtung mit einem druckfesten Gehäuse (12), in dessen mit einer Flüssigkeit gefülltem Inneren ein Drucksenor (34) angeordnet ist, und das druckseitig eine Druckmeßöffnung (14) mit einer elastischen Membrane (18) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (12) mit einer zweiten Öffnung (16) ausgebildet ist, die durch ein Wandelement (22) verschlossen ist, das im Vergleich mit dem Permeationskoeffizienten der elastischen Membrane (18) einen großen Permeationskoeffizienten aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Druckmeßeinrichtung mit einem druckfesten Gehäuse, in dessen Innerem ein Drucksensor eingeordnet ist, und das druckseitig eine Druckmeßöffnung mit einer elastischen Membrane aufweist.
Bei solchen Druckmeßeinrichtungen ist die elastische Membrane zur Trennung des Mediums, dessen Druck gemessen werden soll, vom Inneren der Druckmeßeinrichtung bzw. vom Inneren des druckfesten Gehäuses, in welchem der Drucksensor angeordnet ist, vorgesehen. Besteht die elastische Membrane einer derartigen Druckmeßeinrichtung aus einem Elastomermaterial, so ist eine bestimmte Permeabilität für das zu messende Druckmedium oder in ihm vorhandene flüssige oder gasförmige Fluide unvermeidlich. Infolge dieser Permeabilität der elastischen Membrane aus Elastomermateriai ergibt sich eine Diffusion des entsprechenden gasförmigen Fluides durch die Membrane. Dieses flüssige oder gasförmige Fluid löst sich in der im Inneren des druckfesten Gehäuses der Druckmeßeinrichtung befindlichen Flüssigkeit, bei der es sich üblicherweise um Silikonöl handelt, auf. Die Löslichkeit eines gasförmigen Fluides in der besagten Flüssigkeit ist vom Druck- und von der Temperatur abhängig, d. h. das gasförmige Fluid löst sich in der Flüssigkeit be sonders stark bei hohen Drücken und tiefen Temperaturen. Wird der Druck erniedrigt, so kann es gemäß dem Gesetz von Henry zu einem Ausperlen des Gases in der Flüssigkeit kommen. Das Gesetz von Henry besagt, daß die Masse eines bestimmten Gases, die sich bei einer konstanten Temperatur in einer gegebenen Menge einer bestimmten Flüssigkeit lösen kann, zum Partialdruck des Gases über der Flüssigkeit proportional ist.
Dieses sogenannte Ausperlen des Gases aus der Flüssigkeit bei Druckerniedrigung führt dazu, daß die Druckmeßeinrichtung nach einer Beaufschlagung mit hohem Druck bei entsprechend erniedrigtem Außendruck bei ausgebeulter, elastischer Membrane selbst weiterhin unter erhöhtem Druck steht. Das bedeutet jedoch eine unerwünschte Druckwert-Hysterese bzw.-Remanenz, die zu Falschmessungen bzw. Meßfehlern führt.

Deshalb wurden auch bereits Druckmesseinrichtungen vorgeschlagen, bei welchen die elastische Membrane aus einem Elastomermaterial durch eine Membrane aus einem Metall ersetzt worden ist. Hierbei wird üblicherweise die Metall-Membrane mit dem druckfesten Gehäuse der Druckmesseinrichtung verschweißt, was produktionstechnisch aufwendig ist. Außerdem bedingt eine solche Verschweißung eine entsprechende Erhitzung der im Inneren des druckfesten Gehäuses befindlichen Flüssigkeit und des meist empfindlichen Drucksensors oder die Notwendigkeit eines zusätzlichen Ventils, durch das die Flüssigkeit nachträglich eingefüllt wird. Bei Druckmesseinrichtungen mit Membranen aus Elastomermaterial kann das Sensorgehäuse wie in US 4 732 042 durch Auf bringen eines anfangs flüssigen bzw. thermoplastischen Materials und anschließenden Aushärten oder durch das Zusammenfügen zweier Einzelteile, wie in DE-GM 87 17 871 bzw. DE 37 03 685 C2 beschrieben, verschlossen werden.

Unabhängig davon, ob bei den bekannten Druckmeßeinrichtungen der eingangs genannten Art eine elastische Membrane aus einem Elastomermaterial oder aus einem Metall zur Anwendung gelangt, ist das druckfeste Gehäuse zuverlässig abgedichtet. Um diese Abdichtung des druckfesten Gehäuses keinesfalls zu beeinträchtigen. sind die an den Drucksensor ankontaktierten Anschlußelemente üblicherweise mit Preßglasdurchführungen gestaltet.

Ein anderes wesentliche Kriterium für den Einsatz z.B. in hydraulischen Systemen ist die Standhaftigkeit gegen Druckspitzen. Bekannte Ausführungen von Druckmeßeinrichtungen verfügen daher über Abdekkungen mit kleinen makroskopischen Öffnungen oder wie in DE 37 13 236 C2 beschrieben in Form einer für das fluidische Druckmedium permeablen Membrane.

Bei dem Drucksensor der Druckmeßeinrichtung kann es sich beispielsweise um einen piezoelektrischen oder um einen kapazitiven Drucksensor handeln.

Um die bei handelsüblichen Druckmeßeinrichtungen der gattungsgemäßen Art nicht zu vermeidende Meßwert-Hysterese, Nichtlinearitäten und Temperaturkoeffizienten zu eliminieren, schlägt das DE-GM 87 17 871 bzw. die dazu parallele DE 37 03 685 C2 vor, die Meßsignale des Drucksensors über einen Chopper-Verstärker einem A/D-Wandler zuzuleiten und das Ausgangssignal des A/D-Wandlers als digitales Adreßsignal einem EPROM zuzuführen. Die in dem EPROM abgespeicherten Daten erlauben dann eine Korrektur des Hysterese bzw. Linearitätsfehlers des zur Anwendung gelangenen Drucksensors. Eine derartige Ausbildung mit Chopper-Verstärker, A/D-Wandler und EPROM ist jedoch mit einem nicht zu vernachlässigenden Aufwand verbunden aber dennoch nicht in der Lage, die durch das Ausperlen verursachte Druckwert-Hysterese bzw. -Remanenz zu kompensieren, da diese von der Vorgeschichte abhängt.

Diese Problem ist bekannt und vuurde bereits in verschiedenen Schriften behandelt. Im Spezialfall von wäßrigen Lösungen kann wie in EP 0 521 246 A2 die Diffusion der Wasserstoffatme die durch elektrolytische Dissoziation an der Metall-Membrane entstehen, durch Aufbringen einer nichtleitenden Schicht vermieden werden. Bei Druckmessungen in Wasserstoffatmosphäre kann die, Diffusion, wie in DE 31 21 799 A1 beschrieben, durch zwei Metall-Membranen vermieden werden, zwischen denen sich eine siebförmige Membrane als Abstandshalter befindet, in der das Gasradial nach außen in eine Entlüftung strömen kann. Derartige Anordnungen sind aber aufwendig und reduzieren die Sensitivität.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zu grunde, eine Druckmeßeinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welcher auf einfache Weise und mit einfachen Mitteln eine unerwünschte Meßwert-Hysterese bzw. -Remanenz vermieden wird.

Diese Aufgabe wird bei einer Druckmeßeinrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Gehäuse mit einer Öffnung ausgebildet ist, die durch ein Wandelement verschlossen ist, das im Vergleich zum Permeationskoeffizienten der elastischen Membrane einen großen Permeationskoeffizienten aufweist.

Durch dieses Wandelement mit relativ großem Permeationskoeffizienten stellt sich in der erfindungsgemäßen Druckmeßeinrichtung ein Fließgleichgewicht ein. Durch das poröse Wandelement kann ein größerer Anteil des flüssigen oder gasförmigen Fluids hin durchströmen als durch die druckseitige elastische Membrane, wodurch ermöglicht wird, daß die Massenkonzentration des in der Flüssigkeit der Druckmeßeinrichtung gelösten Fluides bei allen an der Druckmeßeinrichtung bzw. deren elastischer Membrane anliegenden Drücken unterhalb der Ausperl-Schwelle bei Minimaldruck gehalten wird. Häufig ist der Partialdruck im Außenraum wenigstens näherungsweise Null.

Eine Druckmeßeinrichtung hoher Messgenauigkeit wird erfindungsgemäß erzielt, wenn das die Gehäuseöffnung verschließende Wandelement in einem kleinen Abstand von der elastischen Membrane und zu dieser mindestens annähernd parallel vorgesehen und wenn der Drucksensor seitlich neben der Membrane bzw. dem Wandelement in einem Sensorraum des Gehäuses angeordnet ist. Infolge der Inkompressibilität der im Inneren der Druckmeßeinrichtung vorgesehenen und das Innere ausfüllenden Flüssigkeit wird jeder auf die elastische Membrane ausgeübte, zu messende Druck infolge des kleinen Abstandes zwischen der elastischen Membrane und dem porösen Wandelement ohne zeitliche Verzögerung im Sensorraum bzw. am Drucksensor wirksam.

Zweckmäßig kann es sein, eine Flüssigkeit zu verwenden, in der sich das Fluid schlecht löst aber gut diffundieren kann.

Um mit der erfindungsgemäßen Druckmeßeinrichtung auch Relativ- bzw. Differenzdruckmessungen durchführen zu können, ist es zweckmäßig, wenn bei einer Druckmeßeinrichtung der letztgenannten Art der Drucksensor an einem Auflageabschnitt des Sensoraums abdichtend anliegt und wenn sich durch das Gehäuse ein Druchgangsloch hindurcherstreckt, das in den Auflageabschnitt einmündet und den Drucksensor fluidisch mit der Gehäuseumgebung verbindet oder den Anschluß eines Referenzdruckes erlaubt. Das druckfeste Gehäuse dient bei der erfindungsgemäßen Druckmeßeinrichtung unter anderem auch zum Schutz des Drucksensors vor aggressiven Gasen oder Flüssigkeiten.

Zweckmäßig kann es sein, zwischen dem Wandelement und der Membrane ein ringförmiges Distanzelement vorzusehen, an dem die Membrane und das Wandelement mit ihrem entsprechenden Umfangsrandabschnitt anliegen, wobei das Distanzelement mindestens ein Loch aufweisen kann, durch das ein durch das ringförmige Distanzelement, die Membrane und das Wandelement begrenzter Druckraum mit dem Sensorraum fluidisch verbunden ist. Eine derartige Ausbildung der Druckmeßeinrichtung weist den Vorteil auf, daß das Gebilde aus ringförmigem Distanzelement, elastischer Membrane und porösem Wandelement vorgefertigt und dem jeweiligen Einsatzgebiet der Druckmeßeinrichtung entsprechend mit einem geeigneten Drucksensor kombinierbar, d. h. in einem druckfesten Gehäuse, anordenbar ist. Für die elatische Membrane und für das poröse Wandelement können Elastomere zum Einsatz gelangen, so daß sich im Vergleich mit bekannten Druckmeßeinrichtungen mit verschweißter Metallmembrane eine Verbilligung, d. h. eine Reduktion der Herstellungskosten, ergibt, ohne daß hierdurch die Meßempfindlichkeit oder die Meßeigenschaften der Druckmeßeinrichtung beeinträchtigt werden. Im Vergleich zu Druckmeßeinrichtungen mit einer elastischen Membrane aus Elastomermaterial und im übrigen durckfestem und abgedichtetem Gehäuse ergibt sich in vorteilhafter Weise auch eine Verlängerung der Lebensdauer der erfindungsgemäßen Druckmeßeinrichtung. Desweitern ist es möglich, mit der erfindungsgemäßen Druckmeßeinrichtung auch Wasserstoffdrücke zu messen, was bislang nicht möglich war, weil Wasserstoffatome durch Metallmembranen hindurchdiffundieren.

Zweckmäßig ist es, wenn das Wandelement mittels eines zugehörigen Dichtungselementes an der Wandelement-Öffnung des Gehäuses und die elastische Membrane mittels eines zugehörigen zweiten Dichtungselements an der Druckmeßöffnung abdichtend festgelegt ist. Bei diesen Dichtungselementen kann es sich beispielweise um O-Ringdichtungen aus Elastomermaterial handeln.

Wie bereits erwähnt worden ist, kann bei der erfindungsgemäßen Druckmeßeinrichtung die Membrane aus einem im Vergleich zu Metallmembranen preisgünstigeren Elstomermaterial bestehen, ohne daß durch diese Materialauswahl die Messempfindlichkeit bzw. die Meßeigenschaften der Druckmeßeinrichtungen beinträchtigt würden, weil sich – wie ebenfalls bereits erläutert worden ist – durch das permeable Wandelement ein Fließgleichgewicht für das die elastische Membrane durchdringende Gas ergibt.

Das Wandelement kann bei der erfindungsgemäßen Druckmeßeinrichtung aus einem formstabilen Kunststoff oder Keramikmaterial bestehen.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines in der Zeichnung in einem größeren Maßstab dargestellten Ausführungsbeispieles der erfindungsgemäßen Druckmeßeinrichtung. Es zeigen:

1 einen Schnitt durch eine Ausführungsform der Druckmeßeinrichtung entlang der Schnittlinie I-I in 2,

2 eine Ansicht der Druckmeßeinrichtung in Richtung des Pfeiles II in 1, und

3 übereinander zwei Diagramme zur Verdeutlichung des Hysterese- Verhaltens einer bekannten Druckmeßeinrichtung der gattungsgemäßen Art.

1 zeigt eine Druckmeßeinrichtung 10 mit einem druckfesten Gehäuse 12, daß zwei- oder mehrteilig ausgebildet sein kann. Das Gehäuse 12 ist druckseitig mit einer Druckmeßöffnung 14 versehen. Es ist außerdem mit einer zweiten Öffnung 16 ausgebildet. Die zweite Öffnung 16 ist an der Niederdruckseite der Druckmeßeinrichtung 10 vorgesehen. Die Druckmeßöffnung 14 ist durch eine elastische Membrane 18 mittels eines zugehörigen Dichtungselementes 20 verschlossen. Die elastische Membrane kann aus einem Elstomermaterial oder aus einem Metallbestehen. Das Dichtungselement 20 kann als O-Ringdichtung ausgebildet sein.

Die niederdruckseitige zweite Öffnung 16 ist erfindungsgemäß durch ein Wandelement 22 verschlossen, das im Vergleich zum Permeationskoeffizienten der elastischen Membrane einen großen Permeationskoeffizienten aufweist. Zwischen der elastischen Membrane 18 und dem Wandelement 22 ist ein ringförmiges Distanzelemt 24 vorgesehen, dessen Umfangskontur an die umlaufende Randkontur des Wandelementes 22 und der elastischen Membrane 18 angepaßt ist. Durch das Distanzelement 24 werden die Membrane 18 und das Wandelement 22 voneinander definiert beabstandet, wobei angestrebt wird, daß der Abstand zwischen der Membrane 18 und dem Wandelement 22 relativ klein ist. Das Wandelement 22 ist an der niederdruckseitigen zweiten Öffnung 16 des druckfesten Gehäuses 12 mittels eines zugehörigen zweiten Dichtungselementes 20 abgedichtet angeordnet. Dieses zweite Dichtungselement 20 kann wie das weiter oben in Verbindung mit der Membrane 18 beschriebene Dichtungselement 20 als O-Ringdichtung ausgebildet sein.

Das Distanzelement 24 ist mit mindestens einem Loch 26 versehen, das zwischen dem Innenraum 28, der durch das ringförmige Distanzelement 24, die elastische Membrane 18 und das poröse Wandelement 22 begrenzt ist, und einem im druckfesten Gehäuse 12 seitlich daneben ausgebildenden Senorraum 30 eine fluidische Verbindung herstellt. Der Sensorraum 30 und der Innenraum 28 sind mit einer Flüssigkeit gefüllt. Bei der Flüssigkeit kann sich beispielsweise um Silikonöl handeln.

Das Gehäuse 12 ist im Sensorraum 30 mit einem Auflageabschnitt 32 ausgebildet, an welchem ein Drucksensor 34 abdichtend angeordnet ist. Bei dem Drucksensor 34 kann es sich um einen piezoelektrischen oder um einen kapazitiven Drucksensor handeln, der mittels Verbindungsdrähten 36 mit externen Anschlußelementen 38 der Druckmeßeinrichtung 10 elektrisch leitend verbunden ist.

Um Relativ- bzw. Differenzdruckmessungen durchführen zu können, kann das Gehäuse 12 der Druckmeßeinrichtung 10 mit einem Durchgangsloch 40 ausgebildet sein, das in den Auflageabschnitt 32 für den Drucksensor 34 einmündet und zwischen dem Drucksensor und der Umgebung der Druckmeßeinrichtung 10 bzw. der Refferenzdruckquelle eine fluidische Verbindung herstellt.

2 zeigt in Blickrichtung von unten das druckfeste Gehäuse 12 mit der niederdruckseitigen zweiten Öffnung 16, die durch das einen relativ hohen Permeationskoeffizienten aufweisende Wandelement 22 verschlossen ist. Aus dem Gehäuse 12 stehen voneinander beabstandet und zueinander parallel die externen Anschlußelemente 38 heraus.

3 zeigt übereinander den funktionellen Zusammenhang der zeitlichen Änderung des Meßdruckes Pmeß in Abhängigkeit vom tatsächlich an der Druckmeßeinrichtung 10 anliegenden Druck Preal. Steigt der reale Druck zum Zeitpunkt t1 von einem Wert P1 auf einen Wert P2, so ändert sich gleichzeitig der Meßdruck von einem Wert p1 zu einem Wert p2. Wird zu einem späteren Zeitpunkt t2 der reale Druck Prea1 wieder von P2 auf den Wert P1 reduziert, so nimmt der Meßdruck p2 bei den bekannten Druckmeßeinrichtungen durch das in der Flüssigkeit ausgeperlte Gas, das durch die elastische Membrane 18 in den Innenraum der Druckmeßeinrichtung 10 eindiffundiert ist, nicht wieder auf den Wert p1 ab, sondern nur auf einen Wert p3, der zwischen den Werten p1 und p2 liegt. Das bedeutet jedoch, daß sich eine unerwünschte Meßwert-Remanenz bzw.-Hysterese ergibt.

Bleibt der reale Druck Preal vom Zeitpunkt t2 bis zu einem Zeitpunkt t3 auf dem niederen Wert P1, so kann bei den bekannten Druckmeßeinrichtungen 10, die nicht das Prinzip eines Fließgleichgewichtes ausnutzen, der Meßdruck von dem Wert p3 exponentiell zu einem Wert p4 abnehmen. Wird zum Zeitpunkt t3 der reale Druck vom Wert P1 wieder auf den Wert P2 erhöht, so erhöht sich der Meßdruck entsprechend vom Wert p4 zu einem Wert p5, der größer ist als der Wert p2. Dieses Druck-Hystereseverhalten ist unerwünscht, weil es einen entsprechenden Meßfehler darstellt. Hier schafft die erfindungsgemäße Druckmeßeinrichtung 10 auf einfache Weise mittels des Wandelementes 22 mit relativ hohem Permeationskoeffizienten Abhilfe, weil durch das besagte poröse Wandelement 22 das in der Flüssigkeit der Druckmeßeinrichtung 10 gelöste Fluid in einen anschließenden Raum niedrigerer Gas-Konzentration ausströmen kann. Die Massenkonzentration des gelösten Gases in der Flüssigkeit kann erfindungsgemäß bei allen Drücken unterhalb der sogenannten Ausperlschwelle beim Minimaldruck gehalten werden, so daß bei jeder Reduktion des realen Druckes Preal von einem Wert P2 zu einem Wert P1 auch der Meßdruck vom Wert p2 zum Wert p1 absinkt. Eine Remanenz bzw. Hysterese tritt erfindungsgemaß also in vorteilhafter Weise nicht auf.

Claims

Druckmeßeinrichtung mit einem druckfesten Gehäuse (12), in dessen mit einer Flüssigkeit gefülltem Inneren ein Drucksenor (34) angeordnet ist, und das druckseitig eine Druckmeßöffnung (14) mit einer elastischen Membrane (18) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (12) mit einer zweiten Öffnung (16) ausgebildet ist, die durch ein Wandelement (22) verschlossen ist, das im Vergleich mit dem Permeationskoeffizienten der elastischen Membrane (18) einen großen Permeationskoeffizienten aufweist.
Druckmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das die Gehäuseöffnung (16) verschließende Wandelement (22) in einem kleinen Abstand von der elastischen Mebrane (18) und zu dieser mindestens annährend parallel vorgesehen und daß der Drucksensor (34) seitlich neben der Membrane (18) und dem Wandelement {22) in einem Sensorraum (30) des Gehäuses (22) angeordnet ist.
Driickmeßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Drucksenor (34) an einem Auflageabschnitt (32) des Sensorraums (30) abdichtend anliegt, und daß sich durch das Gehäuse (12) ein Durchgangsloch (40) hindwcherstreckt, das in den Auflageabschnitt (32) einmündet und den Drucksensor (34) fluidisch mit der Gehäuseumgebung verbindet.
Druckmeßeinrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Wandelement (22) und der Membrane (18) ein ringförmiges Distanzelement (24) vorgesehen ist, an dem die Membrane (18) und das Wandelement (22) mit ihrem entsprechenden Umfangsrandabschnitt anliegen, und das mindestens ein Loch (26) aufweist, durch das ein durch das ringförmige Distanzelement (24), die Membrane (18) und das Wandelement (22) begrenzter Druck- bzw. Innenraum (28) mit dem Sensorraum (30) fluidisch verbunden ist.
Druckmeßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Wandelement (22) mittels eines zugehörigen Dichtungelementes (20) an der zweiten Öffnung (16) des Gehäuses (12) und daß die elastische Membrane (18) mittels eines zugehörigen zweiten Dichtungselementes (20) an der Druckmeßöffnung (14) abdichtend festgelegt sind.
Druckmeßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Membrane (18) aus einem Elastomermaterial besteht.
Druckmeßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Wandelement (22) aus einem formstabilen Kunststoff oder Keramikmaterial besteht.