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Die
Erfindung betrifft einen kapazitiven Drucksensor als Kombinationssensor
zur Erfassung weiterer Messgrößen nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1, sowie eine keramische Messzelle für einen
kapazitiven Drucksensor, die neben dem eigentlichen Druckmesswert
noch einen weiteren Messwert liefert.
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Kapazitive
Drucksensoren, die neben dem Druck noch einen weiterer Größe
messen, sind bekannt. Weit verbreitet ist die zusätzliche
Temperaturmessung, sowie Anordnungen und Verfahren zur Überwachung der
Funktionsfähigkeit der Messzelle. Zum letzteren wird auf
die
DE 10 2007
016 792 A1 der Anmelderin verwiesen.
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Eine
Druckmesszelle mit Temperatursensor wird in
DE4011901A1 beschrieben.
Hier wird vorgeschlagen, einen Temperatursensor als Widerstandsbahn
aus einem Werkstoff mit temperaturabhängigem Widerstand
entweder auf der dünneren Scheibe (Membran) oder auf der
dickeren Scheibe (Grundkörper), aber auch im Bereich der
Glasfügestelle zwischen den beiden Scheiben anzuordnen.
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Nachteilig
bei dieser Anordnung auf dem Grundkörper ist die thermische
Trägheit, die den Nachweis von vergleichsweise schnellen
Temperaturänderungen, wie es beispielsweise für
die kalorimetrische Strömungsmessung erforderlich ist,
nicht erlaubt. Bei der Anordnung auf der Membran ist der unvermeidliche
Verbrauch von Druckmessfläche, bzw. die Beeinflussung des
dynamischen Verhaltens der Membran und der damit verbundene Verlust
an Messgenauigkeit als Nachteil zu nennen.
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Die
DE4104056C1 offenbart
ein Verfahren zur automatischen Nullpunktkompensation eines kapazitiven
keramischen Drucksensors. Hier wird mindestens eine Elektrode des
Drucksensors wenigstens zeitweise als durch die Membran hindurch
zum metallischen Gehäuse kapazitiv sensierende Prüfelektrode
verwendet. Wenn der mittels der Elektrode festgestellte Kapazitätswert
einen der vom Medium unbedeckten Membran entsprechenden kapazitiven
Schwellenwert erreicht oder unterschreitet, wird eine automatische
Nullpunktkorrektur durchgeführt. Der Zweck dieser Messung
ist die automatische Kompensation bzw. die Korrektur der Langzeitdrift
des Drucksensors. Zur Durchführung der Messung werden die
verschiedenen Messkapazitäten nacheinander mit einem Kapazitäts-Frequenz-Wandler
oder einem Kapazitäts-Zeit-Wandler verbunden. Offenbart wird
auch eine zusätzliche weder zum Mess- noch zum Referenzkondensator
gehörige Elektrode auf dem Grundkörper oder auf
der Membraninnenseite. In diesem Fall ist die periodische Umschaltung
der Masseelektrode bzw. der übrigen Elektroden des Drucksensors
nicht mehr erforderlich. Nachteilig ist die Verwendung von derselben
Auswerteschaltung für derart unterschiedliche Messaufgaben
wie die kapazitive Druckmessung, die möglichst nicht von
den elektrischen Eigenschaften wie Leitfähigkeit und Dielektrizitätskonstante
des Druckmediums beeinflusst werden soll, und die kapazitive Grenzstandsmessung,
die gerade diese Eigenschaften zum Nachweis des anstehenden Mediums
benutzt.
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Die
DE19648048C2 betrifft
einen kapazitiven Drucksensor mit zwei Membranen und insgesamt sieben Messkondensatoren.
Die Kapazität des sechsten Kondensators ist temperaturabhängig,
und der siebente Kondensator spricht auf Veränderungen
der Dielektrizitätskonstante des Druckmediums an. Zur Auswertung werden
alle Messkondensatoren von einer Sensorauswahleinheit zyklisch oder
wahlweise mit dem selben Kapazitäts-Frequenz-Umwandlungsstromkreis
verbunden.
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Die
Messkondensatoren sind hierbei Bestandteil eines Relaxationsoszillators,
der die Kapazität der Kondensatoren nacheinander in ein
Impulssignal umwandelt. Die Praxis hat gezeigt, dass bei den genannten Kapazitäts-Zeit-Wandlern,
bzw. Kapazitäts-Frequenz-Wandlern insbesondere bei zähen
oder pastösen Medien, wie z. B. Ketchup, Probleme bei der
Unterscheidung zwischen von Benetzung, und tatsächlich
anstehendem Medium auftreten.
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Nachteilig
ist weiterhin die sehr kompliziert aufgebaute Messzelle, die zumindest
teilweise mit dem anstehenden Medium gefüllt werden muss,
was neben den hohen Herstellungskosten die Gefahr der Verschmutzung
oder Verstopfung mit sich bringt. Natürlich erscheint es
zunächst sinnvoll, die verschiedenen Messgrößen wie
Druck, Temperatur, Leitfähigkeit und Dielektrizitätskonstante
des anstehenden Mediums mit derselben Elektronik auszuwerten. Dabei
ist aber, wie bereits oben ausgeführt, zu bedenken, dass
die Druckmessung eigentlich nicht durch die physikalischen Eigenschaften
des anstehenden Mediums beeinflusst werden darf, und ein Verlust
an Messgenauigkeit durch Anpassung der gemeinsamen Auswerteelektronik
an die Füllstands- bzw. Grenzstandsmessung nicht hinnehmbar
ist. Da aber auch störende Anhaftungen, die sich u. a.
auf die Temperaturmessung auswirken, als solche erkannt werden,
d. h. vom anstehenden Medium unterschieden werden sollen, muss auch
für eine hinreichend genaue Grenzstandsmessung gesorgt
werden.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Nachteile des Standes der
Technik, insbesondere den erhöhten Aufwand bzw. den Verlust
an Messgenauigkeit bei der Druckmessung wenigstens teilweise zu überwinden.
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Dazu
sollen die verwendeten Messprinzipien an die jeweilige Messaufgabe
angepasst werden. Weiterhin sollen die Messwertaufnehmer so auf
der Membran angeordnet, bzw. miteinander kombiniert werden, dass
die Membranfläche weitgehend für die Druckmessung
zur Verfügung steht.
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Messgrößen
wie Grenzstand, Medientemperatur oder Strömungsgeschwindigkeit
sollen als Zusatznutzen zur Anzeige gebracht, aber auch zur Korrektur
der Messergebnisse bzw. zur Überprüfung der Messzelle
verwendet werden. Weiterhin soll die Integration in einer Messzelle
neben der Einsparung von Material- und Montageaufwand auch noch
den Vorteil bringen, dass alle Messwerte von der selben Stelle stammen;
d. h die verschiednen Messwerte auch tatsächlich miteinander
korrespondieren.
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Gelöst
wird diese Aufgabe entsprechend den im Anspruch 1 genannten Merkmalen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen findet man in den Unteransprüchen.
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Erfindungsgemäß wird
die zur Temperaturmessung benötigte Membranfläche
auf ein Minimum begrenzt und wegen der daraus resultierenden geringen
Wärmekapazität kann sie auch zur kaloriemetrischen Strömungsmessung
oder sogar zur Grenzstandsmessung genutzt werden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die mit einer niedrigen
Frequenz arbeitende Druckmessung mit einer bei sehr hohen Frequenzen
arbeitenden kapazitiven Grenzstandsmessung kombiniert.
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Die
Druckmessung erfolgt zweckmäßigerweise im Kilohertzbereich,
während die kapazitive Grenzstandsmessung vorteilhaft im
Bereich zwischen 100 und 200 MHz, aber auch bis in den GHz-Bereich
hinein arbeitet. Die Temperaturmessung erfolgt dagegen mit Gleichstrom
und die kalorimetrische Strömungsmessung mit pulsierendem
Gleichstrom. So unterschiedliche Impulsformen bzw. Frequenzen erfordern
separate Auswerteeinheiten mit unterschiedlichen Messprinzipien.
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Erfindungsgemäß wird
eine keramische Druckmesszelle so ausgestaltet, dass sie auch für
die o. g. Messungen geeignet ist. Weiterhin hat es sich als sinnvoll
erwiesen, die Ergebnisse der Grenzstandsmessung nicht nur zur Nullpunktkorrektur
der Druckmessung, sondern auch zur Überprüfung
der einwandfreien Funktion der Messzelle, (Zellengesundheit) zu
nutzen. Darüber hinaus ist es vorteilhaft, die vorliegenden
Messwerte auch anzuzeigen. Das kann unter Umständen sehr
hilfreich bei der Identifikation von Leerständen, zur Erkennung
von Anhaftungen oder auch bei der Unterscheidung bestimmter Medien
sein.
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Beispielsweise
bei der Reinigung einer Anlage zur Verarbeitung von flüssigen
oder pastösen Lebensmitteln ist die Feststellung von an
den Drucksensoren verbliebenen Anhaftungen oder von noch anstehendem Reinigungsmittel
durchaus sinnvoll. Nachfolgend wird die Erfindung anhand der in
den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher
erläutert.
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Die 1 bis 4 zeigen
Ausführungsbeispiele für die erfindungsgemäße
Sensorschaltung. Die verschiedenen Ausführungen der keramischen
Druckmesszelle sind in den 5 bis 11 dargestellt.
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Ein
erstes Ausführungsbeispiel wird nachfolgend anhand der 1 beschrieben:
Die
Druckmessung erfolgt mit Hilfe der beiden Kondensatoren 15 und 16.
Sie bestehen aus den auf dem Grundkörper 2 befindlichen
Elektroden 5 und 6 und der gemeinsamen Gegenelektrode 4 auf
der Membran 1.
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Die
Kapazitäten 15 und 16 werden durch den
auf die Membran 1 ausgeübten Druck beeinflusst.
Die mehr in der Mitte der Membran 1 befindliche Messkapazität 16 wird
dabei wegen der stärkeren Durchbiegung der Membran 1 in
der Mitte auch mehr vergrößert als die am Rand
der Membran 1 befindliche Referenzkapazität 15.
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Die
mit 11 bezeichneten Kondensatoren repräsentieren
die parasitären Kapazitäten. Wie der Fachmann
leicht sieht, gibt es noch weitere parasitäre Kapazitäten,
auf deren Darstellung aus Gründen der Übersichtlichkeit
verzichtet wurde.
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Das
vom Generator 13 erzeugte Rechtecksignal gelangt einerseits
direkt zum Druckmesswertaufnehmer 19, in diesem Fall zum
invertierenden Eingang eines Differenzverstärkers, und
andererseits über die Entkopplungsschaltung 20 und
den Tiefpass 14 zu dem die Zeitkonstante des Integrierers 17 wesentlich
bestimmenden Referenzkondensator 15.
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Das
am Ausgang des Integrierers 17 entstehende Dreieckssignal
gelangt nun über den Messkondensator 16, den Tiefpass 14 und
die Entkopplungsschaltung 20 zum Differenzierer 18,
wo der Messkondensator 16 als zeitbestimmende Kapazität
wirkt. Das hier entstehende Rechtecksignal gelangt an den nichtinvertierenden
Eingang des zum Messwertaufnehmer 19 gehörenden
Operationsverstärkers.
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Die
Schaltung wird in vorteilhafter Weise so dimensioniert, dass bei
unbelasteter Membran 1, und damit im Ausgangszustand befindlicher
Messkapazität 16 am Ausgang des Differenzierers 18 wieder
das ursprüngliche Rechtecksignal entsteht. In diesem Fall
heben sich die Eingangssignale der Auswerteschaltung 19 gegenseitig
auf, so dass ein Ausgangssignal von nahezu Null entsteht.
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Der
Nullabgleich mit Hilfe der vorhandenen Kapazitäten und
Widerstande ist dem Fachmann geläufig, so dass hier nicht
näher darauf eingegangen werden muss. Bei belasteter Membran 1 vergrößert
sich die Messkapazität 16 gegenüber der
Referenzkapazität 15. Damit vergrößert
sich auch die Zeitkonstante des Differenzierers 18 gegenüber
der Zeitkonstante des Integrierers 17. Nun kompensieren
sich die Signale an den beiden Eingängen des Messwertaufnehmers 19 nicht
mehr vollständig. Das am Ausgang des Messwertaufnehmers 19 entstehende
Signal wird zunächst der Sensorelektronik 27 zur
Weiterverarbeitung und schließlich dem Mikrocontroller 29 zugeführt.
Nach der Analog-Digital-Wandlung und Normierung bzw. Skalierung
kann das Ergebnis über die E/A-Einheit 28 einer übergeordneten
Steuereinheit zugeführt, und von der Anzeigeeinheit 30 angezeigt
werden.
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Das
Prinzip der Druckmessung ist ausführlich in den Schriften
DE19708330C1 und
DE19851506C1 der
Anmelderin beschrieben. (vgl. dazu
1 aus
DE19708330C1 )
Es wird ausdrücklich hingewiesen dass sämtliche
in den beiden o. g. Schriften der Anmelderin beschriebenen Ausgestaltungen
zur Anwendung kommen können.
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Wegen
der geringen Wärmekapazität der Membran und des
guten Kontakts des Temperaturmessfühlers 23 mit
dem Medium ist neben der Temperaturmessung sogar eine kalorimetrische
Strömungsmessung möglich
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Der
Temperaturmessfühler
23 ist vorzugsweise ein mehrlagiger
PTC-Widerstand, oder auch ein Halbleitersensor wie z. B. in der
WO2003100846A2 beschrieben.
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Da
die Temperaturmessung bzw. die kalorimetrische Strömungsmessung
praktisch mit Gleichstrom erfolgen, können die Messleitungen
mit Drosseln 25 entkoppelt werden.
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Zur
kalorimetrischen Strömungsmessung wird das Sensorelement,
in diesem Fall der Temperaturmessfühler
23, zyklisch
mit einem Heizstrom und während einer anschließenden
Abkühlphase mit einem vergleichsweise niedrigen Messstrom
beaufschlag. Gemessen wird die Zeitdauer bis zum Erreichen eines
vorgegebenen unteren Temperaturschwellwertes oder die nach Verstreichen
einer vorgegebenen Zeit erreichte Temperatur. In vielen Fällen
wird mit einem zweiten Sensor die Medientemperatur gemessen. Wenn
man das vermeiden möchte, kann man die Strömungsgeschwindigkeit
auch unabhängig von der Umgebungstemperatur aus der Differenz
aus zwei Messphasen mit unterschiedlichen Heizleistungen bestimmen.
Die Wärmeübergangsfunktion erhält man
als Quotienten von Heizleistungsdifferenz. Und zugehöriger
Temperaturdifferenz. Ein solches Verfahren wird in
DE3841637A1 beschrieben
und ist nicht Gegenstand der Erfindung.
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Zur
Grenzstandsmessung wird vom Hochfrequenzgenerator 21 ein
Sinussignal von ca. 150 MHz erzeugt, und nacheinander oder auch
gleichzeitig über die Entkopplungsschaltung 20 und
die Bandpässe 24 der Referenzelektrode 10 und
der Messelektrode 12 zugeführt.
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Das
durch ein Ersatzschaltbild aus einer Kapazität, einem Widerstand
und einer Induktivität charakterisierte Medium 9 ist
kapazitiv mit der auf der Innenseite der Membran 1 befindlichen
Grenzstandsmesselektrode 12 gekoppelt. Das Gerätegehäuse
dient hierbei als Masseanschluss.
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Die
Messfrequenz kann konstant gehalten oder auch über einen
Frequenzbereich von beispielsweise 120 bis 170 MHz variiert werden.
Der gegen Masse abfließende hochfrequente Wechselstrom
wird von den beiden Messwertaufnehmern 22 sowohl für
die Messelektrode 12 als auch für die Referenzelektrode 10 als Impedanz
oder auch Admittanz gemessen.
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Sie
werden von der Sensorelektronik 27 weiterverarbeitet und
schließlich vom Mikrocontroller 29 aufgezeichnet.
Anhand dieser Messwerte und im Mikrocontroller 29 hinterlegter
oder während eines Teach-Vorgangs eingelernter Referenzwerte
lassen sich detaillierte Informationen über das an der
Grenzstandsmesselektrode 12 anstehende Medium gewinnen.
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Anhand
ihres Frequenzgangs können nicht nur bestimmte Medien identifiziert,
sondern auch Anhaftungen erkannt, und von einem anstehenden Medium
unterschieden werden.
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Einzelheiten
zur Grenzstandsmessung findet man in den ebenfalls von der Anmelderin
stammenden Schriften
DE
10 2007 059 702 A1 und
DE 10 2007 059 709 A1 . Auch an dieser Stelle
sei darauf hingewiesen, dass sämtliche in den beiden o.
g. Schriften der Anmelderin beschriebenen Ausgestaltungen zur Anwendung kommen
können.
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Sämtliche
Messungen können nacheinander, aber auch nahezu gleichzeitig
erfolgen. Das begrenzende Element ist die Verarbeitungsgeschwindigkeit
des Mikrocontrollers. Eine Entkopplung erfolgt durch die Tiefpassfilter 14,
die Bandpässe 24 und die Drosseln 25.
Darüber hinaus können die Signalpfade durch die
Schalter in der Entkopplungsschaltung 20 unterbrochen,
und/oder die Baugruppen von der Stromversorgung getrennt werden.
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Die
Entkopplungsschaltung 20 ist als Prinzipdarstellung zu
verstehen. Praktisch kann die Entkopplung zusätzlich oder
auch ausschließlich durch die Trennung der Baugruppen von
der Betriebsspannung erreicht werden. Auch der gleichzeitige Betrieb
der beiden Messanordnungen ist bei so weit auseinander liegenden
Arbeitsfrequenzbereichen und insbesondere wegen der Tiefpassfilter 14 und
der Bandpässe 24 möglich und durchaus
sinnvoll.
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Im
Mikrocontroller 29 werden die Messergebnisse einer Plausibilitätsprüfung
unterzogen. Beispielsweise wird beim Systemdruck Null festgestellt,
ob es sich nur um einen Druckabfall, oder einen echten Leerstand
handelt.
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Hierbei
wird auch überprüft, ob der bei der Grenzstandsmessung über
die Messelektrode abfließende hochfrequente Wechselstrom
innerhalb eines vorgegebenen Bereichs liegt. Insbesondere die durch
einem Riss oder gar bei einem Bruch der Membran eindringende Feuchtigkeit
könnte zu einer erheblichen Überschreitung führen.
Die Temperaturmessung erweist sich ebenfalls als überaus
nützlich, weil sie zur Korrektur der übrigen Messwerte,
insbesondere der Druckmesswerte verwendet werden kann
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Der
gemessene Systemdruck, die Temperatur oder die Strömungsgeschwindigkeit
sowie Zusatzinformationen über die Art des anstehenden
Mediums oder Fehlermeldungen können von der Anzeigeeinheit 30 angezeigt,
aber auch über das Ein- und Ausgabemodul 28 einer übergeordneten
Einheit zugeleitet werden.
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Bei
dem in der 2 gezeigten Ausführungsbeispiel
wurde der Temperatursensor 23 mit der Grenzstandsmesselektrode 12 kombiniert;
d. h. der Temperatursensor 23 wird auch mit dem Hochfrequenzsignal
zur Grenzstandsmessung beaufschlagt. Auf diese Weise kann der für
die Grenzstandsmesselektrode 7 vorgesehene Bereich auf
der Membran 1 oder dem Grundkörper 2 doppelt
genutzt werden, so dass mehr Fläche für eine möglichst
präzise Druckmessung übrig bleibt.
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Auf
Grund der getroffenen Entkopplungsmaßnahmen durch die Tiefpassfilter 14 und
die Bandpässe 24 können die Messungen
vorzugsweise gleichzeitig, insbesondere die Druckmessung ständig,
erfolgen. In diesem Fall könnte sogar auf die Entkopplungsschaltung 20 verzichtet
werden, oder ihre Schalter ständig geschlossen bleiben.
So kann die Ansprechzeit für die Messungen deutlich verkürzt
werden. Weiterhin besteht die Möglichkeit, je nach Messaufgabe,
insbesondere bei hohen Genauigkeitsanforderungen an die Druckmessung,
die Grenzstandsmessung in größeren Zeitabständen
oder nur auf Anforderung durch den Bediener oder die übergeordnete
Steuereinheit, aber auch nur bei sprunghafter Druckänderung
durchzuführen. Der Signalfluss und die Auswertung bzw.
Anzeige erfolgt wie bereits oben beschrieben.
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In 3 wurde
gänzlich auf die Temperaturmessung verzichtet. Die sowohl
zur Referenzkapazität 15 als auch zur Messkapazität 16 gehörende
Gegenelektrode 4 wird parallel oder zeitlich nacheinander
mit dem Hochfrequenzsignal beaufschlagt. Damit wird sie auch zur
Messimpedanz 12 für den Grenzstand und damit zur
Grenzstandsmesselektrode 7.
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Sie
wird also neben ihrer Funktion als Gegenelektrode 4 für
die Druckmessung auch noch als Grenzstandsmesselektrode 7 genutzt.
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Diese
Ausführung stellt die absolute Minimalvariante dar. Sie
hat den Vorteil, das eine „herkömmliche” kapazitive
Druckmesszelle verwendet werden kann Die Signalverarbeitung und
Auswertung, sowie die Anzeige erfolgt wie bereits oben beschrieben.
Die beiden Messungen werden vom Mikrocontroller gesteuert und ausgewertet,
und können, wie bereits oben erwähnt, gleichzeitig
oder auch zeitlich versetzt erfolgen.
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4 zeigt
schließlich noch eine Variante ohne Temperatursensor. Die
Druckmessung und die Füllstandsmessung erfolgen mit der
selben Messzelle, aber mit separaten Elektroden. Die Messungen können zeitlich
versetzt, aber auch nahezu gleichzeitig erfolgen.
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Die
bevorzugte Anordnung des Temperatursensors in der Messzelle wird
in der 5 dargestellt. Sie zeigt eine erfindungsgemäße
keramische Druckmesszelle in Explosionsdarstellung. Die Membran 1 wird
durch die Glaslotschicht 3 in einem bestimmten Abstand
zum Grundkörper 2 gehalten. Auf seiner der Membran
zugewandten Seite weist der Grundkörper 2 eine
Vertiefung 2a auf, um die in der Mitte der Membran befindliche Temperaturmesselektrode 8 aufzunehmen,
die in diesem Fall aus dem mehrlagigen Temperatursensor 23 besteht.
Weiterhin sind die ebenfalls auf dem Grundkörper angeordnete
von außen kontaktierbare Referenzelektrode 5 und
die Messelektrode 6 dargestellt. Diese bilden mit der auf
der Membran befindlichen ebenfalls von außen kontaktierbaren
Gegenelektrode 4 die Referenzkapazität 15 und
die Messkapazität 16 für die kapazitive Druckmessung.
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Eine
separate Grenzstandsmesselektrode 7 ist nicht dargestellt.
Diese kann den ausgesparten Sektor in der ringförmigen
Referenzelektrode 5 einnehmen. Eine dem entsprechende Auswerteschaltung
ist in der 1 dargestellt.
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Bei
Verzicht auf die Grenzstandsmesselektrode 7 kann die Referenzelektrode 5 sinnvoller
Weise im Interesse der Messgenauigkeit der Druckmessung zu einem
nahezu geschlossenen Ring zu ergänzt werden. Die Figuren
sind nicht maßstabsgerecht, sondern als Prinzipdarstellungen
zu verstehen.
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Die
kapazitive Grenzstandsmessung kann auch ohne separate Messelektrode 7 durch
Beaufschlagung der Gegenelektrode 4 oder der Temperaturmesselektrode 8 mit
dem Hochfrequenzsignal erfolgen. In diesen Fällen darf
sich zwischen der Hochfrequenzelektrode und dem Medium keine geerdete
Metallschicht befinden. Eine zugehörige Sensorschaltung
findet man in der 2.
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6 zeigt
eine von der Fläche der auf der Innenseite der Membran
befindlichen Gegenelektrode 4 abgezweigte separate Grenzstandsmesselektrode 7.
Die Gegenelektrode 4 wurde um eine Abschirmlaschen 4a zur
Abschirmung der Druckmesselektrode 6 und 4b zur
Abschirmung der Referenzelektrode 5 erweitert. Die Referenzelektrode 5 wurde
auch hier aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht
komplett als fast geschlossener nur durch die Zuleitung zur Druckmesselektrode 6 unterbrochener
Ring dargestellt. Die Anordnung der Grenzstandsmesselektrode 7 Auf
der Innenseite der Membran ergibt wegen deren hohen Dielektrizitätskonstanten
eine gute kapazitive Kopplung mit dem Druckmedium.
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In 7 wurde
der aus 6 bekannte Aufbau um einen zusätzlichen
ebenfalls in der Ebene der Gegenelektrode 4, also auf der
Innenseite der Membran, befindlichen Temperaturmessbereich 8 erweitert.
Dieser kann in bekannter Weise aus einer NTC-PTC- oder Platin-Widerstandsbahn
bestehen. Die Anordnung auf der Membran erlaubt wegen deren guten
thermischen Kopplung mit dem Medium die schnelle Erfassung der Medientemperatur.
In einer speziellen Ausgestaltung können die Grenzstandsmesselektrode 7 und
die Temperaturmesselektrode 8 zu einer flächigen
Elektrode zusammengefasst werden. (vgl. 6)
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8 zeigt
eine keramische Druckmesszelle mit einer separaten Grenzstandsmesselektrode 7.
Diese befindet sich auf dem Grundkörper in der Ebene der
Druckmesselektrode 6 und der Referenzelektrode 5.
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Die
Leitungsführung, insbesondere für die der Hochfrequenz,
wird dadurch einfacher. Die auf der Membran befindliche Gegenelektrode 4 ist
in dem Sektor gegenüber der Grenzstandsmesselektrode 7 zur
Verbesserung der Abstrahlung ausgespart. Auch hier könnte
die Referenzelektrode 5 zu einem fast geschlossenen Ring
ergänzt werden. In diesem Fall ist die Grenzstandsmesselektrode 7 und
die Aussparung in der Gegenelektrode 4 in Richtung der
Kontaktstelle für die Druckmesselektrode 6 zu
verschieben.
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9 zeigt
die Grenzstandsmesselektrode 7 in der Ebene der Druckmesselektrode 6 und
der Referenzelektrode 5, also auf dem Grundkörper 2.
Von den auf der Membran 1 befindlichen Abschirmlaschen 4a für
die Druckmesselektrode 6 und 4b für die
Referenzelektrode 5 wurde nur 4a dargestellt.
Die Gegenelektrode 4 ist auch hier zur Verbesserung der
Abstrahlung der Grenzstandsmesselektrode 7 ausgespart.
Bei Verzicht auf diese Aussparung wäre die Gegenelektrode 4 während
der Grenzstandsmessung von Masse zu trennen, d. h. für
einen hinreichenden Übergangswiderstand zum Massepotential
zu sorgen.
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In 10 wurde
die Anordnung aus 9 um die Temperaturmesselektrode 8 ergänzt.
Ansonsten gelten die obigen Ausführungen.
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In 11 wird
eine Ausgestaltung mit einer als kalorimetrischer Strömungssensor
mit zwei Temperaturmesselektroden 8 ausgestalteten Messzelle
gezeigt. Die beiden Temperaturmesselektroden 8 befinden
sich auf dem Grundkörper in der Ebene der Referenzelektrode 5.
Eine davon wird, wie bereits oben ausgeführt, abwechselnd
mit einem Heizstrom und einem deutlich geringeren Messstrom beaufschlagt,
während die andere in bekannter Weise zur Messung der Medientemperatur
dient.
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Selbstverständlich
kann auch eine am Rand angeordnete Temperaturmesselektrode mit der
in
5 gezeigten Anordnung zu einem kalorimetrischen
Strömungssensor kombiniert werden. Bezugszeichenliste
| 1 | Membran, |
| 2 | Grundkörper, |
| 2a | Aussparung
im Grundkörper |
| 3 | Glaslot |
| 3 | Gegenelektrode
Druckmessung, |
| 4a, 4b | Abschirmlaschen
für Messelektroden |
| 5 | Referenzelektrode
Druck |
| 6 | Druckmesselektrode |
| 7 | Grenzstandsmesselektrode |
| 8 | Temperaturmesselektrode
(Temperaturmessbereich) |
| 9 | Ersatzschaltung
für das Medium (RLC) |
| 10 | Referenzimpedanz
Grenzstand |
| 11 | Parasitäre
Kapazitäten |
| 12 | Messimpedanz
Grenzstand, (Sendeelektrode) |
| 13 | Rechteckgenerator
(Druckmessung) |
| 14 | Tiefpass
(Druckmessung) |
| 15 | Referenzkapazität
(Druckmessung) |
| 16 | Messkapazität
(Druckmessung) |
| 17 | Integrierer
(Druckmessung |
| 18 | Differenzierer
(Druckmessung) |
| 19 | Messwertaufnehmer
Druck |
| 20 | Entkopplungsschaltung |
| 21 | Hochfrequenzgenerator
Grenzstandsmessung |
| 22 | Messwertaufnehmer
Grenzstand |
| 23 | Temperatursensor,
PTC-Widerstand |
| 24 | Bandpass
für Hochfrequenz |
| 25 | Drossel(n) |
| 26 | Steuereinheit |
| 27 | Sensorelektronik |
| 28 | Ein/Ausgabe-Einheit |
| 29 | Mikrocontroller |
| 30 | Anzeigeeinheit |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 102007016792
A1 [0002]
- - DE 4011901 A1 [0003]
- - DE 4104056 C1 [0005]
- - DE 19648048 C2 [0006]
- - DE 19708330 C1 [0026, 0026]
- - DE 19851506 C1 [0026]
- - WO 2003100846 A2 [0028]
- - DE 3841637 A1 [0030]
- - DE 102007059702 A1 [0036]
- - DE 102007059709 A1 [0036]