DE102019111695A1

DE102019111695A1 - Messvorrichtung

Info

Publication number: DE102019111695A1
Application number: DE102019111695.3A
Authority: DE
Inventors: Olaf Textor; Thomas Blödt; Jan Schleiferböck
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2019-05-06
Filing date: 2019-05-06
Publication date: 2020-11-12

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung (1) zur Bestimmung eines Druckes und eines Dielektrizitätswertes eines in einem Behälter (2) befindlichen Mediums (3). Dabei basiert die Druckmessung auf dem kapazitiven Messprinzip, wonach auf einer Druck-verformbaren Messmembran (12) und auf einem gegenüberliegenden Grundkörper (11) jeweils eine Elektrode (14a, 14b) eines Kondensators angeordnet sind. Erfindungsgemäß wird der Dielektrizitätswert bestimmt, indem die Elektrode (14b) der Messmembran (12) mit einer definiert geformten Aussparung (16) ausgelegt wird. An einer dritten Elektrode (17), die in etwa die Form der Aussparung (16) aufweist, und die in der Druckkammer (13) am Grundkörper (11) deckungsgleich zur Aussparung (16) angeordnet ist, wird ein derartiges Messsignal (sx) an der dritten Elektrode (17) eingeprägt, so dass durch Auswertung eines entsprechenden Empfangssignals (sr) an der zweiten Elektrode (14b) ein Dielektrizitätswert des Mediums (3) bestimmbar ist. Durch den erfindungsgemäßen Aufbau können somit der Druck und der Dielektrizitätswert mit derselben Messvorrichtung unabhängig voneinander bestimmt werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung und ein entsprechendes Verfahren zur Bestimmung des Druckes und des Dielektrizitätswertes eines Mediums in einem Behälter.
In der Automatisierungstechnik, insbesondere in der Prozessautomatisierungstechnik, werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder zur Beeinflussung von Prozessvariablen entsprechender Prozessmedien dienen. Zur Erfassung von Prozessvariablen werden Sensoren eingesetzt, die beispielsweise in Füllstandsmessgeräten, Durchflussmessgeräten, Druck- und Temperaturmessgeräten, pH-Redoxpotential-Messgeräten, Leitfähigkeitsmessgeräten, usw. zum Einsatz kommen. Sie erfassen die entsprechenden Prozessvariablen, wie Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert, Redoxpotential oder Leitfähigkeit. Eine Vielzahl dieser Feldgeräte wird von der Firma Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.
Im Fall von Druckmessung wird der Druck häufig anhand der Verformung einer Messmembran unter einseitiger Zuführung des Druckes gemessen. Dabei kann die Messmembran als integrierter Teil einer Halbleiter-Struktur ausgebildet sein. Ein derartiger Sensor ist beispielsweise in der Veröffentlichungsschrift WO 03/106952 A2 beschrieben. Daneben können als Membranmateriealien aber auch Keramiken (bspw. Al₂O₃) oder korrosionsfeste Metalle eingesetzt werden. Die Druckkammer, die Prinzipbedingt rückseitig zwischen der Membran und einem nicht verformbaren Grundkörper ausgebildet zu sein hat, ist in Abhängigkeit davon ausgelegt, ob der Drucksensor zur Bestimmung eines Relativ-, Differenz- oder Absolut-Druckes eingesetzt wird. Im Falle von Relativ- oder Differenzdruckmessung ist die Druckkammer komplett geschlossen und mit Vakuum oder einem konstanten Referenzdruck beaufschlagt. Bei Differenzdruckmessung ist die Druckkammer zu demjenigen Drucksystem hin geöffnet, zu dessen Druck der Differenz-Druck zu bestimmen ist (also beispielsweise zur Umgebungsatmosphäre).
Die mechanische Verformung der Messmembrane wird mittels des (piezo-) resistiven oder mittels des kapazitiven Prinzips in ein elektrisches Messsignal umgewandelt. Dies bedeutet, dass ein oder mehrere resisitive oder kapazitive Elemente an der Messmembran angeordnet sind, deren Widerstand bzw. Kapazität sich mit der Verformung ändert.
Im Bereich der Prozessautomatisierungstechnik sind aus dem Stand der Technik bereits diverse Druckmesseinrichtungen bekannt: In der Gebrauchsmusterschrift DE 20 2016 101 491 U1 wird beispielsweise eine Temperaturkompensation der Druckmessung bei einer keramikbasierten Druckmesseinrichtung für die Prozessautomatisierungstechnik beschrieben. In diesem Fall erfolgt die Temperaturmessung an der Membran durch einen Infrarot-Sensor.
Neben dem Druck im Behälter ist es je nach Anwendung erstrebenswert, zusätzliche Eigenschaften des Mediums, das sich im Behälter befindet, bestimmen zu können. Eine aussagekräftige Größe ist hierbei der Dielektrizitätswert bzw. der Permeabilitätswert. Die Bestimmung des Dielektrizitätswertes (auch bekannt als „Dielektrizitätskonstante“ oder „Relative Permittivität“) von Medien in Behältern ist unter anderem gasförmigen oder flüssigen Medien von großem Interesse, da dieser Wert einen zuverlässigen Indikator für Verunreinigungen, den Feuchtegehalt oder die Stoffzusammensetzung darstellen kann. Auch zur Bestimmung des Dielektrizitätswertes kann nach dem Stand der Technik auf das kapazitive Messprinzip zurückgegriffen werden. Dabei wird der Effekt genutzt, dass sich die Kapazität eines Kondensators proportional mit dem Dielektrizitätswert desjenigen Mediums, das sich zwischen den zwei Elektroden des Kondensators befindet, ändert. Daneben ist es auch möglich, den Dielektrizitätswert mittels Laufzeit- oder Phasenmessung von Hochfrequenz-Signalen zu messen. Messgeräte, die nach einem solchen Messprinzip arbeiten, werden beispielsweise von der Firma IMKO unter dem Produktnamen TRIME® vertrieben.
Da es bei vielen Prozessen ist es von Interesse, sowohl den Druck als auch den Dielektrizitätswert des momentan vorliegenden Prozessmediums zu kennen, ist es hierzu notwendig, zwei separate Messvorrichtungen einzusetzen, da das Messsignal der einen Messgröße prinzipiell von der jeweils anderen Messgröße beeinflussbar ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Messvorrichtung bereitzustellen, mit der sowohl der Druck, als auch der Dielektrizitätswert eines gasförmigen Mediums in einem Behälter bestimmt werden kann.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Messvorrichtung zur Bestimmung eines Druckes und eines Dielektrizitätswertes eines in einem Behälter befindlichen Mediums. Hierzu umfasst die Messvorrichtung:

- Einen Grundkörper,
- eine Messmembran, die derart ausgestaltet und auf dem Grundkörper angeordnet ist,
- • dass die Messmembran zum Grundkörper hin eine Druckkammer einschließt, und
- • dass die Messmembran in Abhängigkeit des zu messenden Druckes, der von einer dem Grundkörper abgewandten Fläche auf die Messmembran wirkt, verformbar ist,
- einen Kondensator, mit
- • einer ersten Elektrode, die in der Druckkammer am Grundkörper angeordnet ist, und
- • einer zweiten Elektrode, die derart an der Messmembran in der Druckkammer angeordnet ist, dass eine erste Kapazität des Kondensators vom Druck abhängig ist,
- eine Auswertungs-Einheit, die ausgestaltet ist, um anhand der ersten Kapazität des Kondensators den Druck des Mediums zu bestimmen.

Unter dem Begriff „Einheit“ wird im Rahmen der Erfindung prinzipiell jede elektronische Schaltung verstanden, die für den angedachten Einsatzzweck geeignet ausgelegt ist. Es kann sich also je nach Anforderung um eine Analogschaltung zur Erzeugung bzw. Verarbeitung entsprechender analoger Signale handeln. Es kann sich jedoch auch um eine Digitalschaltung wie ein FPGA oder einen Speichermedium in Zusammenwirken mit einem Programm handeln. Dabei ist das Programm ausgelegt, die entsprechenden Verfahrensschritte durchzuführen bzw. die notwendigen Rechenoperationen der jeweiligen Einheit anzuwenden. In diesem Kontext können verschiedene elektronische Einheiten der Messvorrichtung im Sinne der Erfindung potentiell auch auf einen gemeinsamen physikalischen Speicher zurückgreifen bzw. mittels derselben physikalischen Digitalschaltung betrieben werden.
Erfindungsgemäß zeichnet sich die Messvorrichtung aus durch:

- Eine definiert geformte Aussparung in der zweiten Elektrode,
- eine dritte Elektrode, die in etwa die Form der Aussparung aufweist, und die in der Druckkammer am Grundkörper in etwa deckungsgleich zur Aussparung der zweiten Elektrode angeordnet ist.

Durch die dritte Elektrode in Verbindung mit der Aussparung wird erfindungsgemäß ermöglicht, den Dielektrizitätswert zu messen, ohne die Druckmessung am ersten Kondensator wesentlich zu beeinflussen. Zudem kann die Messvorrichtung durch diese Konzipierung bezüglich der Messmembran prinzipiell mit der gleichen Kompaktheit ausgelegt werden, wie es bei reinen Druckmessgeräten nach dem kapazitativen Messprinzip der Fall ist.
Prinzipiell ist es im Rahmen der Erfindung nicht vorgegeben, in welcher Form die Auswertungs-Einheit das Messsignal zur Ansteuerung der dritten Elektrode erzeugen muss. Zur Erzeugung des Messsignals gibt es zumindest zwei Möglichkeiten: Die Auswertungs-Einheit kann das Messsignal einerseits als elektrisches Hochfrequenz-Signal, insbesondere mit einer Frequenz zwischen 400 MHz und 20 GHz, erzeugen, sofern es einen entsprechenden Hochfrequenz-Generator umfasst. In diesem Fall wird über die dritte Elektrode ein entsprechendes elektromagnetisches Hochfrequenz-Signal zumindest im Nahfeld abgestrahlt und an der zweiten Elektrode empfangen. Da die Transmission des elektromagnetischen Hochfrequenz-Signals im Medium von dessen Dielektrizitätswert abhängt, kann die Auswertungseinheit bei entsprechender Auslegung den Dielektrizitätswert bzw. den Permeabilitätswert durch Messung einer Amplitude, einer Phasenverschiebung, eines frequenzabhängigen Amplituden-Spektrums, einer Laufzeit des Empfangssignals in Bezug zum Messsignal oder einer Kombination mehrerer dieser Messgrößen ermitteln.
Zur Erzeugung des Messsignals kann die Auswertungs-Einheit alternativ auch so ausgelegt werden, dass anhand des Empfangssignals eine zweite Kapazität zwischen der dritten Elektrode und der zweiten Elektrode bestimmt werden kann. Es kann also beispielsweise mittels eines Wechselspannungssignals die Impedanz zwischen der zweiten und der dritten Elektrode und somit die Kapazität zwischen der dritten Elektrode und der zweiten Elektrode ermittelt werden. Dementsprechend ist die Auswertungs-Einheit in diesem Fall so zu konzipieren, dass sie anhand der zweiten Kapazität beispielsweise mittels eine Look-Up-Table den Dielektrizitätswert bzw. den Permeabilitätswert des Mediums bestimmen kann. Dabei kann die Look-up-Table beispielsweise durch eine entsprechende Kalibrations-Messung bei einem Medium mit bekanntem Dielektrizitätswert erstellt werden.
Auch die Formgebung der Aussparung und der dritten Elektrode ist erfindungsgemäß nicht fest vorgegeben: Bei runder Auslegung der Messmembran bietet es sich an, dass auch die Aussparung und dritte Elektrode in etwa ringförmig ausgelegt sind. Denkbar sind jedoch auch eine mäanderförmige, rechteckige oder spiralförmige Auslegung der Aussparung und der dritten Elektrode.
Zu einer verbesserten Stabilität der Druckmessung kann die Messvorrichtung in der Form erweitert werden, dass in der Druckkammer am Grundkörper um die dritte Elektrode herum eine ringförmige vierte Elektrode angeordnet ist, deren Fläche insbesondere in etwa der Fläche der ersten Elektrode entspricht.
In diesem Fall ist die Auswertungs-Einheit auszulegen, um den Druck des Mediums anhand einer Kapazitäts-Differenz zwischen der Kapazität des ersten Kondensators und einer dritten Kapazität zwischen der ersten Elektrode und der vierten Elektrode zu bestimmen. Die Sensitivität der Dielektrizitätswert-Messung kann erhöht werden, wenn die dritte Elektrode eine mindestens um 5 %, insbesondere um ca. 20 % kleinere Fläche als die Fläche der Aussparung aufweist. Hierdurch wird erreicht, dass ein erhöhter Anteil des Messignals der dritten Elektrode durch die Aussparung hindurch in das Medium abstrahlt.
Analog zu der erfindungsgemäßen Messvorrichtung wird die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, durch ein korrespondierendes Verfahren zum Betrieb der Messvorrichtung gelöst. Folgende Verfahrensschritte umfasst das Verfahren:

- Bestimmung der ersten Kapazität des ersten Kondensators,
- Bestimmung des Druckes des Mediums anhand der ersten Kapazität,
- Einprägung des Messsignals an der dritten Elektrode, und
- Bestimmung des Dielektrizitätswertes des Mediums anhand des entsprechenden Empfangssignals an der zweiten Elektrode.

Anhand der nachfolgenden Figuren wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt:

1: Eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Messvorrichtung an einem Behälter,
2: eine Querschnittsdarstellung der erfindungsgemäßen Messvorrichtung, und
3: eine Draufsicht auf die Elektroden der Messvorrichtung.

Zum allgemeinen Verständnis der erfindungsgemäßen Messvorrichtung 1 ist in 1 eine schematische Anordnung der Messvorrichtung 1 an einem Behälter 2 gezeigt. In dem Behälter 2 befindet sich ein gasförmiges oder flüssiges Medium 3, wie beispielsweise ein Erdgas: Zur Bestimmung des Dielektrizitätswertes des Mediums 3 und des Druckes im Behälter 2 ist die Messvorrichtung 1 seitlich an einem Anschluss des Behälters 2, bspw. einem Flanschanschluss angeordnet. Dabei ist eine Druck-sensitive Messmembran 12 der Messvorrichtung 1 in etwa formschlüssig zur Behälter-Innenwand angebracht. Im Anwendungsbereich der Proesstechnik erstreckt sich der zu messende Druck p potentiell über einen weiten Bereich von 1 mBar bis hin zu 40 Bar.
Die Messvorrichtung 1 kann mit einer übergeordneten Einheit 4, zum Beispiel einem Prozessleitsystem, verbunden sein. Als Schnittstelle kann etwa „PROFIBUS“, „HART“, „Wireless HART“ oder „Ethernet“ implementiert sein. Hierüber kann der ermittelte Druck oder der Dielektrizitätswert als Betrag, oder komplexwertig mit Realteil und Imaginärteil übermittelt werden. Es können aber auch anderweitige Informationen über den allgemeinen Betriebszustand der Messvorrichtung 1 kommuniziert werden.
2 verdeutlicht den strukturellen Aufbau der erfindungsgemäßen Messvorrichtung 1: Wie es bei kapazitiver Druckmessung nach dem Stand der Technik bekannt ist, basiert die Messvorrichtung 1 auf einem Grundkörper 11, an den die Messmembran 12 angebracht ist. Der Grundkörper 11 ist so ausgestaltet, dass zwischen ihm und der Messmembran 12 eine Druckkammer 13 eingeschlossen ist. Bei dem kapazitiven Messprinzip wird der zu messende Druck p derjenigen Fläche der Messmembran 12 zugeführt, die der Druckkammer 13 bzw. dem Grundkörper 11 abgewandt ist. Dementsprechend ist diese Fläche der Messmembran 12 nach Installation in der Prozessanlage dem Innenraum des Behälters 2, in dem der Druck p zu bestimmen ist, zugewandt. Dabei kann es sich dem Behälter im Sinne der Erfindung beispielsweise auch ein Rohr einer Prozessanlage handeln.
Je nachdem, ob die Druckmesseinrichtung 1 für Absolut- oder Relativdruckmessung eingesetzt wird, ist die Druckkammer 13 der Messvorrichtung 1 entweder mit Vakuum oder mit einem konstanten Referenzdruck beaufschlagt. Nicht dargestellt ist eine mögliche Auslegung der Messvorrichtung 1 für Differenzdruckmessung, bei der die Druckkammer 13 eine Öffnung zum Anschluss an ein entsprechendes Differenzdrucksystem (beispielsweise die Umgebungsatmosphäre) aufweist.
Wie es bei kapazitiver Druckmessung bereits bekannt ist, befindet sich in der Druckkammer 13 der Messvorrichtung 1 ein erster Kondensator 14. Hierbei wird dieser Kondensator 14 aus einer ersten Elektrode 14a, die am Grundkörper 11 angeordnet ist, sowie einer zweiten Elektrode 14b, die der ersten Elektrode 14a in der Druckkammer 13 in etwa gegenüberliegend an der Messmembran 12 angeordnet ist, gebildet. Die Kapazität C des ersten Kondensators 14 lässt sich hierbei näherungsweise durch die Formel für Plattenkondensatoren beschreiben: $C = \frac{ε_{0} ε_{r} r^{2}}{l}$
In Bezug zu der Messvorrichtung 1 entspricht I dem Abstand der zwei Elektroden 14a, 14b des ersten Kondensators 14, bzw. der Höhe der Druckkammer 13. Im Falle einer Silizium-basierten Messmembran 12 wird im nicht ausgelenkten Zustand standardmäßig ein Abstand I von mindestens ca. 1 µm gewählt, während der Abstand I bei Verwendung von Keramik mit mindestens ca. 20 µm bemessen wird. Bei dem Maß r handelt es sich im Falle von runder Auslegung der Elektroden 14a, 14b um deren Radius. Durch die in 1 gezeigte Anordnung erfährt der erste Kondensator 14 eine Kapazitätsänderung, wenn sich der Druck p ändert, der auf die Fläche der Messmembran 12, die der Druckkammer 13 bzw. dem Grundkörper 11 abgewandt ist, wirkt. Wie aus der Formel zur Kapazität C des ersten Kondensators 14 nahegelegt wird, ist es zur Verstärkung der Kapazitätsänderung bei gegebener Änderung des Druckes p zudem bekannt, die Druckkammer 14 mit einem dielektrischem Material (bspw. entsprechenden Ölen oder vergleichbaren Fluiden) mit einem Dielektrizitätswert ε_r größer 1 zu füllen. Typischerweise wird der erste Kondensator 14 so ausgelegt, dass dessen Kapazität C im Bereich von wenigen pF bis hin zu ca. 100 nF beträgt.
Somit kann der Kapazität C des Kondensators 14 ein dezidierter Druckwert p zugeordnet werden, beispielsweise nach entsprechender Kalibration der Messvorrichtung 1. Dabei hängt der Messbereich des zuführbaren Druckes p neben der Dimensionierung der Kapazität C des Kondensators 14 im Wesentlichen von der Auslegung der Messmembrangeometrie ab (beispielsweise könnte eine Unterdimensionierung der Dicke der Messmembran 3 bei zu hohem Druck p zu einem Membranbruch führen; Bei Überdimensionierung der Dicke ist die Auslenkung ΔI der Messmembran 12 zu gering, um eine Kapazitätsänderung des Kondensators 14 zu bewirken). Im Fall von Silizium wird der Durchmesser d der Messmembran 12 in der Praxis mit ca. 1,5 mm bemessen, im Fall von Keramik wird der Durchmesser d mit ca. 1 cm leicht höher ausgelegt. Zu einer geeigneten Auslegung der Geometrie der Messmembran 12 in Abhängigkeit des Druckes p kann sich außerdem der aus der Statik herleitbare Zusammenhang $Δ l (p) = p * \frac{d^{4}}{6 E t^{3}}$
zunutze gemacht werden. Entsprechend der Formel hat unter anderem das Elastizitätsmodul E des verwendeten Messmembranmaterials (vorwiegend Silizium oder eine Keramik, insbesondere Al₂O₃) Einfluss auf die Membranauslenkung. Außerdem liegt der Formel die Annahme zugrunde, dass die Messmembran 12 kreisrund mit einem definierten Durchmesser d ausgelegt ist. Bei dem in 2 dargestellten Aufbau entspricht die Messmembranauslenkung der maximalen Änderung des Abstandes zwischen den Elektroden 14a, 14b in der Mitte der Messmembran 12. Außerdem kann zur Bemaßung der Dicke t der Messmembran 12 kann die Formel $Δ lmax= \frac{1}{2} l @ p_{m a x}$
als Bemessungsgrundlage verwendet werden. Durch die planare Anordnung der Elektroden 14a, 14b ist es möglich, diese beispielsweise als Leiterbahn auszulegen oder mittels mikrostrukturier-fähiger Metallisierungstechnologien, wie Sputtern oder CVD („Chemical Vapor Deposition“), herzustellen.
Wie in 2 angedeutet ist, sind die erste Elektrode 14a und die zweite Elektrode 14b des Kondensators 14 elektrisch jeweils mit einer Auswertungs-Einheit 15 verbunden. Somit kann die Auswertungs-Einheit 15 durch Bestimmung der Kapazität C des Kondensators 14 den Druck im Behälter 2 ermitteln. Dabei kann die Kontaktierung der Elektroden 14a, 14b beispielsweise über entsprechende Durchführungen im Grundkörper 11 erfolgen.
Zur Bestimmung des Dielektrizitätswertes bzw. der Permeabilität weist die Messvorrichtung 1 erfindungsgemäß eine definiert geformte Aussparung 16 in der zweiten Elektrode 14b auf der Messmembran 12 auf, wie in der Draufsicht in 3 gezeigt ist. Korrespondierend hierzu ist in der Druckkammer 13 am Grundkörper 11 eine dritte Elektrode 17 in etwa deckungsgleich zur Aussparung 16 der zweiten Elektrode 14b angeordnet. Dabei weist die dritte Elektrode 17 prinzipiell dieselbe Form der Aussparung 16 auf. Bei der in 3 gezeigten Ausführungsvariante sind die Aussparung 16 und die dritte Elektrode 17 ringförmig ausgelegt, wobei ein Steg 18 den inneren Bereich der zweiten Elektrode 14b elektrisch mit deren äußeren Bereich verbindet. Im Sinne der Erfindung ist es anstelle von ringförmiger Auslegung auch denkbar, die Aussparung 16 und die dritte Elektrode 17 mit einer anderen Form, wie beispielsweise einer Mäanderform, einer Rechteckform oder einer Spiralform auszulegen.
Diese Auslegung der zweiten Elektrode 14b mit einer Aussparung 16 und einer formgleichen dritten Elektrode 17 am Grundkörper 11 ermöglicht es, einen zweiten Kondensator 14b, 17 zwischen der zweiten Elektrode 14b und der der dritten Elektrode 17 auszubilden, wobei der Zwischenraum dieses zweiten Kondensators 14b, 17 im Gegensatz zum ersten Kondensator 14a, 14b dielektrisch vom Medium 3 beeinflusst wird. Dementsprechend kann die Auswertungs-Einheit 15 ein Messsignal s_x an der dritten Elektrode 17 einprägen, so dass durch Auswertung eines entsprechenden Empfangssignals s_r an der zweiten Elektrode 14b ein Dielektrizitätswert und/oder ein Permeabilitätswert des Mediums 3 bestimmbar ist. Durch diese Konfigurierung mit dem zusätzlichen zweiten Kondensator 14b, 17 lassen sich der Druck und der Dielektrizitätswert also mit einer einzigen Messvorrichtung 1 bestimmen, ohne dass der Druck das Empfangssignal s_r zur Bestimmung des Dielektrizitätswertes beeinflusst, und umgekehrt. Wie in 2 und 3 angedeutet ist, kann die Sensitivität zur Bestimmung des Dielektrizitätswertes erhöht werden, wenn die Fläche der dritten Elektrode 17 um mindestens 5 % und bis zu 25 % kleiner als die Fläche der korrespondierenden Aussparung 16 ist.
Im Rahmen der Erfindung ist es nicht fest vorgeschrieben, mit welcher Charakteristik die Auswertungs-Einheit 15 das Messsignal s_x erzeugen muss, um mittels des entsprechenden Empfangssignals s_r den Dielektrizitätswert bzw. den Permeabilitätswert bestimmen zu können. Prinzipiell können hierzu zumindest zwei Messprinzipien herangezogen werden: Eine erste Möglichkeit besteht darin, die Kapazität des zweiten Kondensators 14b, 17 zu bestimmen. Da die Kapazität aufgrund der Ausnehmung 16 vom Dielektrizitätswert bzw. dem Permeabilitätswert des Mediums 3 abhängt, kann der Kapazität durch die Auswertungs-Einheit 15 beispielsweise mittels entsprechender Kalibration der korrespondierende Dielektrizitätswert bzw. Permeabilitätswert zugeordnet werden.
Eine zweite Möglichkeit der Messsignal-Erzeugung besteht darin, das Messsignal s_x als Hochfrequenz-Signal, insbesondere mit einer Frequenz zwischen 400 MHz und 20 GHz, zu erzeugen, sofern die Auswertungs-Einheit 15 einen entsprechenden Hochfrequenz-Generator umfasst. Analog zu Radarbasierter Abstands- oder Geschwindigkeits-Messung kann in diesem Fall in Bezug zum Messsignal s_x die Laufzeit, die Phasenverschiebung oder eine Amplitudendämpfung des Empfangssignals s_r gemessen werden. Denkbar ist auch die Erstellung eines Frequenz-abhängigen Spektrums. Aus zumindest einer dieser Messgrößen kann nach Erstellung einer entsprechenden Umrechnungstabelle wiederum der korrespondierende Dielektrizitätswert bzw. Permeabilitätswert zugeordnet werden durch die Auswertungs-Einheit 15. Sofern das Messsignal s_x als Hochfrequenz-Signal erzeugt wird und die dritte Elektrode ringförmig bzw. mit einer umlaufenden Kontur ausgelegt ist, ist es zudem von Vorteil, wenn in der dritten Elektrode 17 der Umlauf durch eine Unterbrechung 19 elektrisch getrennt wird, um das das Hochfrequenz-Signal in der dritten Elektrode 17 als stehende Welle auszuprägen.
Bei der in 2 und 3 gezeigten Ausführungsvariante der Messvorrichtung 1 ist am Grundkörper 11 in der Druckkammer 13 um die dritte Elektrode 17 herum eine vierte Elektrode 14c ringförmig angeordnet. Dabei entspricht der Außendurchmesser der vierten Elektrode 14c dem Außendurchmesser der zweiten Elektrode 14b auf der Messmembran 12. Bei dieser Auslegung ermittelt die Auswertungs-Einheit 15 den Druck des Mediums 3 nicht lediglich anhand der Kapazität des ersten Kondensators 14a, 14b, sondern anhand einer Kapazitäts-Differenz zwischen der Kapazität des ersten Kondensators 14a, 14b und einer dritten Kapazität zwischen der ersten Elektrode 14a und der vierten Elektrode 14c. Durch die Messung dieser differentiellen Kapazität wird eine potentiell bessere Stabilität der Druckmessung erreicht. Hierbei ist es von Vorteil, wenn die Fläche der vierten Elektrode in etwa der Fläche der ersten Elektrode 14a entspricht, damit der erste Kondensator 14a, 14b und der dritte Kondensator 14a, 14c in etwa dieselbe Kapazität aufweisen.
Anstelle dieser differentiellen Bestimmung des Druckes p kann die vierte Elektrode 14c natürlich auch auf das Potential der ersten Elektrode 14a verschaltet sein, so dass die Auswertungs-Einheit 15 den Druck lediglich über die Kapazität des ersten Kondensators 14a/c, 14b bestimmt. Dabei ist es im Sinne der Erfindung denkbar, dass die Auswertungs-Einheit 15 den Druck und den Dielektrizitätswert zeitgleich bestimmt. Je nach Betriebsmodus ist jedoch auch eine zyklisch abwechselnde Bestimmung des Druckes und des Dielektrizitätswertes bzw. des Permeabilitätswertes möglich.
Bezugszeichenliste

1: Messvorrichtung
2: Behälter
3: Medium
4: Übergeordnete Einheit
11: Grundkörper
12: Messmembran
13: Druckkammer
14: a, b Erster Kondensator / Elektroden des ersten Kondensators
15: Auswertungs-Einheit
16: Ausnehmung
17: Dritte Elektrode
18: Steg
19: Unterbrechung
s_x: Messsignal
s_r: Empfangssignal

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 03/106952 A2 [0003]
DE 202016101491 U1 [0005]

Claims

Messvorrichtung zur Bestimmung eines Druckes und eines Dielektrizitätswertes eines in einem Behälter (2) befindlichen Mediums (3), umfassend: - Einen Grundkörper (11), - eine Messmembran (12), die derart ausgestaltet und auf dem Grundkörper (11) angeordnet ist, • dass die Messmembran (12) zum Grundkörper (11) hin eine Druckkammer (13) einschließt, und • dass die Messmembran (12) in Abhängigkeit des zu messenden Druckes, der von einer dem Grundkörper (11) abgewandten Fläche auf die Messmembran (12) wirkt, verformbar ist, - einen Kondensator (14a, b), mit • einer ersten Elektrode (14a), die in der Druckkammer (13) am Grundkörper (11) angeordnet ist, und • einer zweiten Elektrode (14b), die derart an der Messmembran (3) in der Druckkammer (13) angeordnet ist, dass eine erste Kapazität des Kondensators (5) vom Druck abhängig ist, - eine Auswertungs-Einheit (15), die ausgestaltet ist, um anhand der ersten Kapazität des Kondensators (5) den Druck des Mediums (3) zu bestimmen, gekennzeichnet durch - eine definiert geformte Aussparung (16) in der zweiten Elektrode (14b), - eine dritte Elektrode (17), die in etwa die Form der Aussparung (16) aufweist, und die in der Druckkammer (13) am Grundkörper (11) in etwa deckungsgleich zur Aussparung (16) der zweiten Elektrode (14b) angeordnet ist, wobei die Auswertungs-Einheit (15) ausgelegt ist, ein derartiges Messsignal (s_x) an der dritten Elektrode (17) einzuprägen, dass durch Auswertung eines entsprechenden Empfangssignals (s_r) an der zweiten Elektrode (14b) ein Dielektrizitätswert und/oder ein Permeabilitätswert des Mediums (3) bestimmbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungs-Einheit (15) zur Erzeugung des Messsignals (s_x) als elektrisches Hochfrequenz-Signal einen Hochfrequenz-Generator umfasst, wobei die Auswertungseinheit (15) ausgelegt ist, den Dielektrizitätswert bzw. den Permeabilitätswert durch Messung einer Amplitude, einer Phasenverschiebung, eines frequenzabhängigen Amplituden-Spektrums oder einer Laufzeit des Empfangssignals (s_r) zu ermitteln.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochfrequenz-Generator ausgelegt ist, das Hochfrequenz-Signal (s_x) mit einer Frequenz zwischen 400 MHz und 20 GHz zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungs-Einheit (15) ausgelegt ist, das Messsignal (s_x) derart zu erzeugen, dass anhand des Empfangssignals (s_r) eine zweite Kapazität zwischen der dritten Elektrode (17) und der zweiten Elektrode (14b) zu bestimmbar ist, wobei die Auswertungs-Einheit (15) ausgelegt ist, um anhand der zweiten Kapazität den Dielektrizitätswert bzw. den Permeabilitätswert des Mediums (3) zu bestimmen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparung (16) und dritte Elektrode (17) in etwa ringförmig, mäanderförmig oder spiralförmig ausgelegt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Druckkammer (13) am Grundkörper (11) um die dritte Elektrode (17) herum eine ringförmige vierte Elektrode (14c) angeordnet ist, deren Fläche insbesondere in etwa der Fläche der ersten Elektrode (14a) entspricht, wobei die Auswertungs-Einheit (15) ausgelegt ist, den Druck des Mediums (3) anhand einer Kapazitäts-Differenz zwischen der Kapazität des ersten Kondensators (14a, 14b) und einer dritten Kapazität zwischen der ersten Elektrode (14a) und der vierten Elektrode (14c) zu bestimmen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Elektrode (17) eine mindestens um 5 %, insbesondere um ca. 20 % kleinere Fläche als die Fläche der Aussparung (16) aufweist.
Verfahren zur Bestimmung des Druckes und des Dielektrizitätswertes eines in einem Behälter befindlichen Mediums mittels der Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, folgende Verfahrensschritte umfassend: - Bestimmung der ersten Kapazität des ersten Kondensators (14), - Bestimmung des Druckes des Mediums (3) anhand der ersten Kapazität, - Einprägung des Messsignals (s_x) an der dritten Elektrode (17), und - Bestimmung des Dielektrizitätswertes des Mediums (3) anhand des entsprechenden Empfangssignals (s_r) an der zweiten Elektrode (14b).
Verfahren nach Anspruch nach Anspruch 8, wobei der Druck und der Dielektrizitätswert zeitgleich bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Druck und der Dielektrizitätswert zyklisch abwechselnd bestimmt werden.