DE102023100873A1

DE102023100873A1 - Pressure sensor

Info

Publication number: DE102023100873A1
Application number: DE102023100873.0A
Authority: DE
Inventors: Matthias Wöhrle; Benjamin Schätzle
Original assignee: Vega Grieshaber KG
Current assignee: Vega Grieshaber KG
Priority date: 2023-01-16
Filing date: 2023-01-16
Publication date: 2024-07-18

Abstract

Die vorliegende Erfindung beschreibt einen Drucksensor mit einem Grundkörper, einer an dem Grundkörper angeordneten und einer durch einen Druck eines angrenzenden Mediums verformbaren Membran, gekennzeichnet durcheinen in den Drucksensor integrierten Sensor zur Ermittlung elektrischer Eigenschaften des angrenzenden Mediums.The present invention describes a pressure sensor with a base body, a membrane arranged on the base body and deformable by a pressure of an adjacent medium, characterized by a sensor integrated into the pressure sensor for determining electrical properties of the adjacent medium.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drucksensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The present invention relates to a pressure sensor according to the preamble of patent claim 1.

Drucksensoren sind in vielfältiger Ausbildung aus dem Stand der Technik bekannt. Drucksensoren weisen dazu in der Regel Druckmesszellen auf, welche einen Druck in ein elektrisches Signal umwandeln, das anschließend weiterverarbeitet werden kann. Druckmesszellen werden nach dem zugrundeliegenden Messprinzip, den zum Prozess hin orientierten Materialien sowie danach unterschieden, ob absolute oder relative Drücke gemessen werden können.Pressure sensors are known in a wide variety of designs from the state of the art. Pressure sensors usually have pressure measuring cells that convert pressure into an electrical signal that can then be further processed. Pressure measuring cells are differentiated according to the underlying measuring principle, the materials oriented towards the process and whether absolute or relative pressures can be measured.

Eines der Messprinzipien beruht dabei auf einer Kapazitätsänderung, wobei mittels einer kapazitiven Druckmesszelle eine Druckänderung durch Verformung einer Membran und einer daraus resultierenden Änderung einer Kapazität erfasst wird. Bei resistiven Druckmesszellen wird die Verformung einer Membran bspw. mittels Dehnungsmessstreifen erfasst und aus einer Widerstandsänderung der Dehnungsmessstreifen auf den Druck geschlossen. Piezoresistive Druckmesszellen nutzen den piezoresistiven Effekt zur Druckbestimmung aus.One of the measuring principles is based on a change in capacitance, whereby a pressure change is recorded by means of a capacitive pressure measuring cell through the deformation of a membrane and a resulting change in capacitance. In resistive pressure measuring cells, the deformation of a membrane is recorded using strain gauges, for example, and the pressure is determined from a change in the resistance of the strain gauges. Piezoresistive pressure measuring cells use the piezoresistive effect to determine the pressure.

Die Unterscheidung nach den zum Prozess hin orientierten Materialien, also den Materialien, die mit der Prozessumgebung und den Prozessmedien in Kontakt kommen, erfolgt in der Regel zwischen metallischen und keramischen Druckmesszellen, wobei die einen eine metallische und die anderen eine keramische Membran aufweisen.The distinction according to the materials oriented towards the process, i.e. the materials that come into contact with the process environment and the process media, is usually made between metallic and ceramic pressure measuring cells, with the former having a metallic and the latter a ceramic membrane.

Ob absolute oder relative Drücke gemessen werden können, richtet sich in der Regel danach, ob einer Membranrückseite ein zweiter Druck, bspw. ein Außendruck, zugeführt wird, oder ob die Membranrückseite evakuiert ist.Whether absolute or relative pressures can be measured usually depends on whether a second pressure, e.g. an external pressure, is supplied to the back of the membrane or whether the back of the membrane is evacuated.

Die Automatisierung der Prozessindustrie schreitet immer weiter und immer schneller voran. Die Steuerung und Überwachung von Prozessen benötigt für einen höheren Automatisierungsgrad eine immer größere Anzahl an Informationen über den Prozess. Dies macht es notwendig mehr Prozessparameter zu messen und zu verarbeiten. Folglich werden immer mehr und immer vielfältigere Sensoren benötigt.The automation of the process industry is progressing ever further and ever faster. The control and monitoring of processes requires an ever greater amount of information about the process in order to achieve a higher level of automation. This makes it necessary to measure and process more process parameters. As a result, more and more diverse sensors are required.

Füllstand, Grenzstand, Prozessdruck, hydrostatischer Druck, Temperatur, Dichte oder elektrische Eigenschaften wie die relative Permittivität oder die elektrische Leitfähigkeit sind dabei nur einige Beispiele von Prozessgrößen, die ermittelt werden und für die die Sensoren Anwendung finden.Fill level, limit level, process pressure, hydrostatic pressure, temperature, density or electrical properties such as relative permittivity or electrical conductivity are just a few examples of process variables that are determined and for which the sensors are used.

Im Stand der Technik werden bislang lediglich Temperatursensoren regelmäßig in andere Sensortypen integriert, um thermisch induzierte Effekte zu kompensieren. Bspw. werden in Drucksensoren häufig Temperatursensoren integriert, um schnelle Temperaturänderungen, einen sog. Thermoschock zu erkennen und zu kompensieren. Eine separate Ausgabe der Prozesstemperatur ist aber auch in diesen Fällen nicht vorgesehen, sodass keine Weiterverarbeitung dieser Information erfolgen kann.In the current state of the art, only temperature sensors are regularly integrated into other sensor types in order to compensate for thermally induced effects. For example, temperature sensors are often integrated into pressure sensors in order to detect and compensate for rapid temperature changes, a so-called thermal shock. However, a separate output of the process temperature is not provided in these cases either, so that this information cannot be further processed.

Für die Verwender stellt die steigende Anzahl an benötigten Prozessparametern und die damit einhergehende steigende Anzahl an verschiedenen Sensoren zunehmend ein Problem dar, da jeder einzelne Sensor in der Prozessumgebung angeordnet und gegen ein Austreten von Prozessmedium abgedichtet werden muss. Je nach Art der Prozessumgebung nach Art des Prozessmediums werden unterschiedliche Anforderungen an die Materialien, die Abdichtung und bspw. den Explosionsschutz im Bereich des Prozessanschlusses gestellt, was den Aufwand und die Kosten stark erhöhen kann.The increasing number of required process parameters and the associated increase in the number of different sensors are becoming an increasing problem for users, as each individual sensor must be arranged in the process environment and sealed against the leakage of process medium. Depending on the type of process environment and the type of process medium, different requirements are placed on the materials, the sealing and, for example, the explosion protection in the area of the process connection, which can greatly increase the effort and costs.

Im Stand der Technik existieren hierfür Prozessanschlüsse, die mehrere Sensoren aufnehmen können. Solche Prozessanschlüsse sind aber sehr groß und unhandlich, sodass diese häufig nicht zum Einsatz kommen können.In the current state of the art, process connections exist that can accommodate several sensors. However, such process connections are very large and cumbersome, so they often cannot be used.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Drucksensor derart weiterzubilden, dass zusätzliche Prozessparameter ohne die Nachteile aus dem Stand der Technik ermittelbar sind.It is the object of the present invention to further develop a pressure sensor in such a way that additional process parameters can be determined without the disadvantages of the prior art.

Diese Aufgabe wird durch einen Drucksensor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.This object is achieved by a pressure sensor having the features of patent claim 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Varianten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Die in den Unteransprüchen einzeln aufgeführten Merkmale können in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander als auch mit den in der nachfolgenden Beschreibung näher erläuterten Merkmalen kombiniert werden und andere vorteilhafte Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen.Advantageous embodiments and variants of the invention emerge from the subclaims and the following description. The features listed individually in the subclaims can be combined with each other in any technically reasonable manner and with the features explained in more detail in the following description and represent other advantageous embodiments of the invention.

Ein erfindungsgemäßer Drucksensor weist einen Grundkörper mit einer an dem Grundkörper angeordneten und durch einen Druck eines angrenzenden Mediums verformbaren Membran auf, und zeichnet sich dadurch aus, dass in den Drucksensor ein Sensor zur Ermittlung elektrischer Eigenschaften des angrenzenden Mediums integriert ist.A pressure sensor according to the invention has a base body with a membrane arranged on the base body and deformable by a pressure of an adjacent medium, and is characterized in that a sensor for determining electrical properties of the adjacent medium is integrated into the pressure sensor.

Integriert bedeutet dabei, dass der Sensor zur Ermittlung der elektrischen Eigenschaften des angrenzenden Mediums mit dem Drucksensor integral in einem Gehäuse, und insbesondere in einer einzigen Messzelle ausgeführt ist. Das bedeutet, insbesondere, dass für die Ermittlung der elektrischen Eigenschaften des angrenzenden Mediums keine separate Messzelle vorgesehen ist, sondern beide Sensortypen, also der Drucksensor und der Sensor zur Ermittlung der elektrischen Eigenschaften des angrenzenden Mediums, in einer einzigen Messzelle vereinigt sind.Integrated means that the sensor for determining the electrical properties of the adjacent medium is integrated with the pressure sensor in a housing, and in particular in a This means, in particular, that no separate measuring cell is provided for determining the electrical properties of the adjacent medium, but rather both sensor types, i.e. the pressure sensor and the sensor for determining the electrical properties of the adjacent medium, are combined in a single measuring cell.

Als elektrische Eigenschaften des angrenzenden Mediums werden insbesondere kapazitive Eigenschaften, und dabei insbesondere eine Permittivität, sowie resistive Eigenschaften, und dabei insbesondere eine Leitfähigkeit des angrenzenden Mediums angesehen. Diese elektrischen Eigenschaften können sowohl für statische Situationen als auch für Wechselfelder ermittelt werden.The electrical properties of the adjacent medium are considered to be capacitive properties, and in particular permittivity, as well as resistive properties, and in particular conductivity of the adjacent medium. These electrical properties can be determined for both static situations and alternating fields.

Durch eine Integration eines Sensors zur Ermittlung elektrischer Eigenschaften des angrenzenden Mediums wird der zugrundeliegende Drucksensor deutlich aufgewertet und kann neben einem Druck eine Vielzahl weiterer Informationen liefern.By integrating a sensor to determine the electrical properties of the adjacent medium, the underlying pressure sensor is significantly enhanced and can provide a variety of other information in addition to pressure.

Die zusätzliche Messung der elektrischen Eigenschaften ermöglicht es beispielsweise neben der kontinuierlichen Messung des Prozessdrucks oder des hydrostatischen Drucks eine zusätzliche Funktion als Grenzschalter darzustellen. Sowohl durch eine Permittivitätsmessung als auch durch eine Leitwertsmessung kann ermittelt werden, ob sich der Sensor in Luft oder einem Gas, oder einem Prozessmedium befindet. Durch diese Informationen wird es möglich, den gleichen Sensor auch als Grenzstandsensor zu nutzen.The additional measurement of the electrical properties makes it possible, for example, to provide an additional function as a limit switch in addition to the continuous measurement of the process pressure or the hydrostatic pressure. Both a permittivity measurement and a conductivity measurement can be used to determine whether the sensor is in air, a gas, or a process medium. This information makes it possible to use the same sensor as a point level sensor.

Ferner ist es durch die Messung der elektrischen Eigenschaften möglich, dass auch zwischen hydrostatischem Druck oder Prozessdruck unterschieden werden kann, was bedeutet, ob es sich hierbei um einen Luft-/Gasdruck handelt oder um den Druck durch eine Mediensäule oberhalb des Sensors.Furthermore, by measuring the electrical properties, it is also possible to distinguish between hydrostatic pressure or process pressure, which means whether this is an air/gas pressure or the pressure through a media column above the sensor.

Durch die Messung der elektrischen Eigenschaften kann der zugrundeliegende Drucksensor auch als Füllstandsensor eingesetzt werden. Die elektrischen Eigenschaften erlauben einen Rückschluss auf das an den Sensor angrenzende Medium. Durch eine Kenntnis des Mediums und ggf. dessen Temperatur, ist auch die Dichte des Mediums bekannt, sodass auf eine Höhe der oberhalb des Sensors liegenden Flüssigkeitssäule und damit auf einen Füllstand geschlossen werden kann.By measuring the electrical properties, the underlying pressure sensor can also be used as a level sensor. The electrical properties allow conclusions to be drawn about the medium adjacent to the sensor. By knowing the medium and possibly its temperature, the density of the medium is also known, so that the height of the liquid column above the sensor and thus the level can be determined.

Ein weiteres denkbares Anwendungsfeld des vorgeschlagenen Sensors betrifft chemische Prozesse. Chemische Reaktionen erfordern spezielle Randbedingungen, um effizient abzulaufen. Hierzu müssen sowohl Druck, Temperatur als auch die chemischen Reaktanden beziehungsweise das Reaktionsprodukt überwacht werden. Durch eine bevorzugte Ausführungsform des Drucksensors, in den zusätzlich ein Temperatursensor integriert ist, können auch solche Anwendungen mit einem einzigen Sensor abgedeckt werden. Auch für die Füllstandmessung ist diese Weiterbildung besonders vorteilhaft.Another possible application area for the proposed sensor concerns chemical processes. Chemical reactions require special boundary conditions in order to run efficiently. For this purpose, pressure, temperature and the chemical reactants or reaction product must be monitored. A preferred embodiment of the pressure sensor, in which a temperature sensor is also integrated, means that such applications can also be covered with a single sensor. This development is also particularly advantageous for level measurement.

In einer Ausgestaltungform weist der Drucksensor eine erste Elektrode im Bereich der Membran und wenigstens eine zusätzliche, zweite Elektrode auf, die derart angeordnet ist, dass ein durch die erste Elektrode und die zweite Elektrode gebildeter Kondensator in seiner Kapazität durch das angrenzende Medium beeinflussbar ist.In one embodiment, the pressure sensor has a first electrode in the region of the membrane and at least one additional, second electrode, which is arranged such that a capacitor formed by the first electrode and the second electrode can be influenced in its capacitance by the adjacent medium.

Diese besonders geschickte Anordnung der beiden Elektroden ermöglicht, abhängig von der Bauart des zugrundeliegenden Drucksensors, eine besonders geschickte Integration des Sensors zur Ermittlung der elektrischen Eigenschafen des angrenzenden Mediums in den Drucksensor.This particularly clever arrangement of the two electrodes enables, depending on the design of the underlying pressure sensor, a particularly clever integration of the sensor for determining the electrical properties of the adjacent medium into the pressure sensor.

Weist der Drucksensor bspw. eine keramische Druckmesszelle auf, so kann die für die Druckbestimmung in einer Messkammer der Membran angeordnete Membranelektrode als erste Elektrode verwendet werden.If the pressure sensor has, for example, a ceramic pressure measuring cell, the membrane electrode arranged in a measuring chamber of the membrane for pressure determination can be used as the first electrode.

Die zweite Elektrode kann bspw. ringförmig und die erste Elektrode umgebend ausgebildet sein. Die zweite Elektrode kann bspw. durch eine Metallisierung oder einen den Grundkörper der Messzelle umgebenden Metallring realisiert werden. Alternativ kann die zweite Elektrode auch durch eine elektrische Kontaktierung des Prozessanschlusses realisiert sein. Da die Membranelektrode auf der Innenseite der Membran der Druckmesszelle angeordnet ist, kann in dieser Ausführungsform lediglich eine kapazitive Messung durchgeführt werden. Es kann so ein Einfluss des angrenzenden Mediums auf eine Kapazität eines zwischen den Elektroden gebildeten Kondensators ermittelt werden. Der Kondensator kann statisch durch Anlegen einer Gleichspannung oder dynamisch durch Anlegen einer Wechselspannung betrachtet werden, oder in einem Schwingkreis angeordnet sein, dessen Impedanz bestimmt wird.The second electrode can, for example, be ring-shaped and surround the first electrode. The second electrode can, for example, be realized by metallization or a metal ring surrounding the base body of the measuring cell. Alternatively, the second electrode can also be realized by electrically contacting the process connection. Since the membrane electrode is arranged on the inside of the membrane of the pressure measuring cell, only a capacitive measurement can be carried out in this embodiment. In this way, an influence of the adjacent medium on a capacitance of a capacitor formed between the electrodes can be determined. The capacitor can be considered statically by applying a direct voltage or dynamically by applying an alternating voltage, or it can be arranged in an oscillating circuit whose impedance is determined.

Weist der Drucksensor eine metallische Druckmesszelle auf, so kann die metallische Membran der Druckmesszelle selbst als Elektrode eingesetzt werden. In diesem Fall ist nicht nur eine kapazitive Messung, sondern auch eine Leitwertbestimmung möglich. Es ist dabei sicherzustellen, dass die metallische Messzelle und die zweite Elektrode voneinander isoliert sind. Dies kann bspw. durch eine zwischen der metallischen Messzelle und der zweiten Elektrode aufgebrachte Isolationsschicht erreicht werden. Wird die zweite Elektrode als die Messzelle umgebender metallischer Ring realisiert, so kann die Isolation bspw. durch einen die metallische Messzelle umgebenden Ring aus einem isolierenden Material, bspw. einen Kunststoffring sichergestellt werden.If the pressure sensor has a metallic pressure measuring cell, the metallic membrane of the pressure measuring cell itself can be used as an electrode. In this case, not only a capacitive measurement but also a conductivity determination is possible. It must be ensured that the metallic measuring cell and the second electrode are insulated from each other. This can be achieved, for example, by placing a Insulation layer can be achieved. If the second electrode is implemented as a metallic ring surrounding the measuring cell, the insulation can be ensured, for example, by a ring made of an insulating material, e.g. a plastic ring, surrounding the metallic measuring cell.

Die vorgenannten Ringe können auf die Messzellen bspw. aufgepresst oder aufgeschrumpft werden. Durch diese Art der Verbindung der Ringe mit der ursprünglichen Messzelle werden die Messzelle und die Ringe zu einem einheitlichen Gegenstand. Es werden außerdem auch die Übergänge zuverlässig abgedichtet.The aforementioned rings can be pressed or shrunk onto the measuring cells, for example. This type of connection of the rings to the original measuring cell turns the measuring cell and the rings into a single object. The transitions are also reliably sealed.

In einer Weiterbildung weist der Drucksensor eine dritte Elektrode auf, die vorzugsweise zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist. Die dritte Elektrode kann vorzugsweise ringförmig ausgebildet sein. In einer bevorzugten Ausgestaltungsform ist die die dritte Elektrode als Schirmelektrode ausgebildet.In a further development, the pressure sensor has a third electrode, which is preferably arranged between the first electrode and the second electrode. The third electrode can preferably be ring-shaped. In a preferred embodiment, the third electrode is designed as a shield electrode.

Die dritte Elektrode kann als Schirmelektrode dienen, wenn diese mit dem gleichen Potential wie die erste Elektrode, die in diesem Fall als Messelektrode dient, beaufschlagt wird. Die zweite Elektrode ist dann die Referenzelektrode, die für die kapazitive Messung den Gegenpol zur Messelektrode bildet.The third electrode can serve as a shield electrode if it is subjected to the same potential as the first electrode, which in this case serves as the measuring electrode. The second electrode is then the reference electrode, which forms the opposite pole to the measuring electrode for the capacitive measurement.

Die Beaufschlagung der Schirmelektrode, also der dritten Elektrode, mit dem gleichen Potential wie die Messelektrode, das ist vorliegend die erste Elektrode, hat zur Folge, dass bei einer kapazitiven Messung die elektrische Feldverteilung zwischen der Messelektrode und der Bezugselektrode tiefer in das Volumen des Mediums gedrängt wird. Damit wird die kapazitive Messung volumensensitiver als bei einer Ausgestaltungform ohne Schirmelektrode. In der Folge können Anhaftungen an dem Sensor von einer tatsächlichen Bedeckung des Sensors mit Füllmedium unterschieden werden, da Anhaftungen einen geringeren Einfluss auf die Kapazität haben.Applying the same potential to the shield electrode, i.e. the third electrode, as the measuring electrode, which is the first electrode in this case, means that in a capacitive measurement the electrical field distribution between the measuring electrode and the reference electrode is pushed deeper into the volume of the medium. This makes the capacitive measurement more volume-sensitive than in a design without a shield electrode. As a result, adhesions to the sensor can be distinguished from the sensor actually being covered with filling medium, since adhesions have less of an influence on the capacitance.

In einer Variante des vorliegenden Drucksensors sind wenigstens zwei der Elektroden derart ausgebildet und angeordnet, dass diese in elektrisch leitendem Kontakt zu dem angrenzenden Medium sind. Diese Ausgestaltungsform ermöglicht zusätzlich zu einer kapazitiven Messung auch eine Messung des Leitwerts des angrenzenden Mediums. In einer bevorzugten Varianten sind die wenigstens zwei in elektrisch leitendem Kontakt mit dem angrenzenden Medium befindlichen Elektroden die zweite Elektrode und die dritte Elektrode.In a variant of the present pressure sensor, at least two of the electrodes are designed and arranged such that they are in electrically conductive contact with the adjacent medium. This embodiment enables a measurement of the conductance of the adjacent medium in addition to a capacitive measurement. In a preferred variant, the at least two electrodes in electrically conductive contact with the adjacent medium are the second electrode and the third electrode.

In dieser Ausgestaltungsform erfolgt die kapazitive Messung vorzugsweise zwischen der ersten und der zweiten Elektrode, während die dritte Elektrode als Schirmelektrode geschaltet ist. Die Leitwertmessung kann dann zwischen der dritten Elektrode und der zweiten Elektrode erfolgen.In this embodiment, the capacitive measurement preferably takes place between the first and the second electrode, while the third electrode is connected as a shield electrode. The conductance measurement can then take place between the third electrode and the second electrode.

Die Druckmessung, die kapazitive Messung und die Leitwertmessung erfolgen bevorzugt sequentiell, wobei ein zeitlicher Abstand zwischen den einzelnen Messungen vorzugsweise einstellbar ist. Bspw. kann zunächst der Druck, dann der Leitwert und anschließend eine Kapazität ermittelt werden.. Ebenso ist es aber denkbar die kapazitive Messung und die Messung der Leitfähigkeit durch überlagerte Signale parallel durchzuführen. Leitwert und Kapazität können in beiden Alternativen auch nur bei jeder n-ten Messung, also bspw. jeder 2-ten, 5-ten oder 10-ten Messung ermittelt werden.The pressure measurement, the capacitive measurement and the conductivity measurement are preferably carried out sequentially, whereby a time interval between the individual measurements can preferably be set. For example, the pressure can be determined first, then the conductivity and then a capacitance. It is also conceivable to carry out the capacitive measurement and the conductivity measurement in parallel using superimposed signals. In both alternatives, the conductivity and capacitance can also only be determined every nth measurement, for example every 2nd, 5th or 10th measurement.

Für die Messung der Leitfähigkeit wird die dritte Elektrode 13, also die Schirmelektrode mit einem elektrisches Wechselsignal beaufschlagt. Als Signalform sind sowohl Rechteck, Dreieck, Sägezahn oder aber Sinus denkbar. Auch weitere hier nicht genannte Signalformen sind denkbar. In einer vorteilhaften Ausführung wird hier ein Rechtecksignal verwendet, da dieses sehr einfach zu erzeugen ist. Die Schirmelektrode wird mit dem Anregungssignal, das eine geeignete Frequenz und Amplitude für eine konduktive Messung besitzt, über einen Einkoppelwiderstand angeregt. Auch Variationen von Frequenz, Amplitude und Signalform sind denkbar. Der Einkoppelwiderstand sorgt dafür, dass der Widerstand eines anliegenden Mediums mit dem Einkoppelwiderstand einen Spannungsteiler bildet. Das Schirmpotential stellt somit den Mittelabgriff des Spannungsteilers dar.To measure the conductivity, the third electrode 13, i.e. the shield electrode, is supplied with an alternating electrical signal. The signal shape can be rectangular, triangular, sawtooth or sine. Other signal shapes not mentioned here are also conceivable. In an advantageous embodiment, a rectangular signal is used here, as this is very easy to generate. The shield electrode is excited with the excitation signal, which has a suitable frequency and amplitude for a conductive measurement, via a coupling resistor. Variations in frequency, amplitude and signal shape are also conceivable. The coupling resistor ensures that the resistance of an adjacent medium forms a voltage divider with the coupling resistor. The shield potential thus represents the center tap of the voltage divider.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht hier vor, dass mehrere unterschiedliche Einkoppelwiderstände zwischengeschaltet werden können, um somit den Messbereich zu erweitern. Selbstverständlich ist die Messung der Leitfähigkeit nicht nur auf ein solches Verfahren begrenzt. Auch andere Verfahren sind denkbar, wie zum Beispiel eine Messung des Stromes, um dadurch die Leitfähigkeit zu berechnen.Another advantageous embodiment provides that several different coupling resistors can be connected in order to expand the measuring range. Of course, the measurement of conductivity is not limited to this method. Other methods are also conceivable, such as measuring the current in order to calculate the conductivity.

Die Messung der Kapazität zur Ermittlung einer relativen Permittivität des angrenzenden Mediums erfolgt durch Beaufschlagen der ersten Elektrode 11 mit einem geeigneten Signal für eine kapazitive Messung. Auch hier sind unterschiedlichste Signalformen denkbar. Von Vorteil ist hier die Signalform eines Dreiecks. Auch hier sollte eine geeignete Frequenz und Amplitude für eine kapazitive Messung gewählt werden. Ebenso sind auch Variationen im laufenden Betrieb möglich. Auch Frequenzsweeps sind denkbar. Für diese Messung bildet die zweite Elektrode 12 die Bezugselektrode. In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die dritte Elektrode 13 als Schirmelektrode mit demselben Signal wie die erste Elektrode 11 mit beaufschlagt, um das elektrische Feld weiter im angrenzenden Medium zu konzentrieren und Streukapazitäten zu verringern.The measurement of the capacitance to determine a relative permittivity of the adjacent medium is carried out by applying a suitable signal for a capacitive measurement to the first electrode 11. Here, too, a wide variety of signal forms are conceivable. The signal form of a triangle is advantageous here. Here, too, a suitable frequency and amplitude should be selected for a capacitive measurement. Variations during operation are also possible. Frequency sweeps are also conceivable. The second electrode 12 forms the reference electrode for this measurement. In an advantageous embodiment, the third electrode 13 is used as a shield electrode and is also applied with the same signal as the first electrode 11 in order to to further concentrate the electric field in the adjacent medium and reduce stray capacitances.

In einer bevorzugten Ausgestaltungsform sind die Elektroden in die Druckmesszelle integriert ausgebildet. Dies hat einen besonders kompakten Aufbau zur Folge und es sind keine weiteren Anpassungen, bspw. zur Kontaktierung des Gehäuses als zweite Elektrode notwendig.In a preferred embodiment, the electrodes are integrated into the pressure measuring cell. This results in a particularly compact structure and no further adjustments are necessary, e.g. to contact the housing as a second electrode.

Es sei an dieser Stelle noch einmal betont, dass in einer bevorzugten Ausgestaltung mittels der kapazitiven Messung eine relative Permittivität des angrenzenden Mediums und mittels der resistiven Messung eine Leitfähigkeit des angrenzenden Mediums bestimmt wird.It should be emphasized once again at this point that in a preferred embodiment, a relative permittivity of the adjacent medium is determined by means of the capacitive measurement and a conductivity of the adjacent medium is determined by means of the resistive measurement.

Die verwendeten Spannungen betragen typischerweise max. 10 V, bevorzugt aber niedrigere Spannungen, z.B. 3 V. Bevorzugt kommen diese Spannungen für beide Messungen, also die Messung von Kapazität und Leitwert zum Einsatz, da so gemeinsame Signalpfade in der Elektronik verwendet werden können. Die verwendeten Frequenzen bewegen sich zwischen 1 kHz und 10 MHz. Für die Leitfähigksmessung eher niedrigere Frequenzen und für die Kapazitätsmessung eher höhere Frequenzen.The voltages used are typically max. 10 V, but lower voltages are preferred, e.g. 3 V. These voltages are preferably used for both measurements, i.e. the measurement of capacitance and conductance, as this allows common signal paths to be used in the electronics. The frequencies used are between 1 kHz and 10 MHz. Lower frequencies are used for conductivity measurements and higher frequencies are used for capacitance measurements.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren eingehend erläutert. Es zeigen:

1 eine erstes Ausführungsbeispiel eines Sensors gemäß der vorliegenden Anmeldung,
2a den Sensor aus 1 in Draufsicht,
2b ein Ersatzschaltbild für die Leitfähigkeitsmessung, wie sie in den 1 und 2a zum Einsatz kommen kann,
3 eine zweites Ausführungsbeispiel eines Sensors gemäß der vorliegenden Anmeldung,
4 den Sensor aus 3 in Draufsicht und
5 in den Teilfiguren a) bis c) drei verschiedenen Anwendungsfälle für die Sensoren aus den 1 bis 4.

The present invention is explained in detail below using exemplary embodiments with reference to the accompanying figures. They show:

1 a first embodiment of a sensor according to the present application,
2a the sensor 1 in plan view,
2 B an equivalent circuit diagram for the conductivity measurement as shown in the 1 and 2a can be used,
3 a second embodiment of a sensor according to the present application,
4 the sensor 3 in plan view and
5 in the sub-figures a) to c) three different application cases for the sensors from the 1 to 4 .

In den Figuren bezeichnen - soweit nicht anders angegeben - gleiche Bezugszeichen gleiche oder einander entsprechende Komponenten mit gleicher Funktion.In the figures, unless otherwise stated, identical reference symbols designate identical or corresponding components with identical functions.

1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Drucksensors 1 gemäß der vorliegenden Anmeldung. Der Drucksensor 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist als keramische Druckmesszelle ausgebildet und weist den für keramische Druckmesszellen aus dem Stand der Technik bekannten Aufbau auf. 1 shows a first embodiment of a pressure sensor 1 according to the present application. The pressure sensor 1 according to the present embodiment is designed as a ceramic pressure measuring cell and has the structure known for ceramic pressure measuring cells from the prior art.

Der Drucksensor 1 weist im Wesentlichen einen Grundkörper 20 auf, an dem von dem Grundkörper 20 beabstandet eine durch einen Druck eines angrenzenden Mediums verformbaren Membran 21 angeordnet ist. Zur Druckbestimmung ist an der Membran 21 eine Membranelektrode 11, sowie die gegenüberliegend an dem Grundkörper 20 eine Messelektrode 15 sowie eine Referenzelektrode 17 angeordnet. Wird die Membran 21 durch den Druck des angrenzenden Mediums verformt, so ändert sich der Abstand zwischen den Elektroden 11, 15, 17 und ein zwischen der Membranelektrode 11 und der Messelektrode 15 gebildete Messkondensator sowie ein zwischen der Membranelektrode 11 und der Referenzelektrode 17 gebildete Referenzkondensator ändert seine Kapazität, sodass eine Bestimmung des auf die Membran 21 einwirkenden Drucks möglich ist.The pressure sensor 1 essentially has a base body 20, on which a membrane 21 that can be deformed by a pressure of an adjacent medium is arranged at a distance from the base body 20. To determine the pressure, a membrane electrode 11 is arranged on the membrane 21, and a measuring electrode 15 and a reference electrode 17 are arranged opposite on the base body 20. If the membrane 21 is deformed by the pressure of the adjacent medium, the distance between the electrodes 11, 15, 17 changes and a measuring capacitor formed between the membrane electrode 11 and the measuring electrode 15 and a reference capacitor formed between the membrane electrode 11 and the reference electrode 17 change their capacitance, so that a determination of the pressure acting on the membrane 21 is possible.

Der Drucksensor ist vorliegend als keramische Druckmesszelle in einem Schnitt in Axialrichtung gezeigt, wobei die in 1 verwendete Darstellung der besseren Übersichtlichkeit halber nicht maßstäblich und stark vereinfacht ist.The pressure sensor is shown here as a ceramic pressure measuring cell in a section in axial direction, whereby the 1 For the sake of clarity, the illustration used is not to scale and is highly simplified.

Zur Realisierung eines zusätzlichen Sensors zur Bestimmung elektrischer Eigenschaften des an den Drucksensor 1 angrenzenden Mediums weist der Drucksensor 1 zusätzlich einen isolierenden Ring 23 auf, der den Aufbau zur Druckmessung ringförmig umgibt und vorderseitig, d. h. zum Prozessmedium hin orientiert, zwei ringförmig ausgebildete Metallisierungen aufweist, die eine zweite Elektrode 12 sowie eine dritte Elektrode 13 ausbilden. In dem Ausführungsbeispiel aus 1 ist die Membranelektrode 11 als erste Elektrode 11 ausgebildet und die dritte Elektrode 13 in Radialrichtung gesehen zwischen der zweiten Elektrode 12 und der ersten Elektrode 11 angeordnet. Der isolierende Ring 23 kann im vorliegenden Ausführungsbeispiel alternativ zu einem separaten Ring auch einstückig mit dem Grundkörper 20 des Drucksensors 1 ausgebildet sein.To implement an additional sensor for determining electrical properties of the medium adjacent to the pressure sensor 1, the pressure sensor 1 additionally has an insulating ring 23 which surrounds the structure for pressure measurement in a ring shape and has two ring-shaped metallizations on the front side, ie oriented towards the process medium, which form a second electrode 12 and a third electrode 13. In the embodiment of 1 the membrane electrode 11 is designed as a first electrode 11 and the third electrode 13 is arranged between the second electrode 12 and the first electrode 11 as seen in the radial direction. In the present exemplary embodiment, the insulating ring 23 can also be formed integrally with the base body 20 of the pressure sensor 1 as an alternative to a separate ring.

Die vorliegende Ausgestaltungsform ermöglicht es verschiedene elektrische Eigenschaften des an den Drucksensor 1 angrenzenden Mediums zu ermitteln. Zum einen kann zwischen der ersten Elektrode 11, die von dem Medium isoliert, aus Mediumssicht hinter der Membran 21 angeordnet ist, und der zweiten Elektrode 12 eine sich ausbildende Kapazität zur Bestimmung, die elektrische Eigenschaften des angrenzenden Mediums genutzt werden. Die erste Elektrode 11 und die zweite Elektrode 12 bilden hierbei die Platten eines Kondensators C, dessen Größe entweder statisch, d. h. durch Anlegen einer Gleichspannung an die erste Elektrode 11 und die zweite Elektrode 12 oder dynamisch durch Bestimmung eines Wechselstromwiderstands, d. h. insbesondere durch Anlegen einer Wechselspannung einer bestimmten Frequenz, bestimmt werden kann. Durch Bestimmung der Kapazität dieses Kondensators C kann die Permittivität des angrenzenden Mediums bestimmt werden. Um eine bessere Sensitivität des so gebildeten Sensors gegen Mediums Anhaftungen an dem Drucksensor 1 zu erreichen, kann die dritte Elektrode 13 als sogenannte Schirmelektrode ausgebildet sein. Dafür wird die dritte Elektrode 13 mit dem gleichen Potenzial wie die erste Elektrode 11 beaufschlagt, sodass das sich zwischen der ersten Elektrode 11 und der zweiten Elektrode 12 ausbildende elektrische Feld sich weiter in das angrenzende Medium ausbreitet, wodurch erkennbar wird, ob lediglich eine Anhaftung an dem Drucksensor 1 vorliegt, oder tatsächlich eine vollständige Bedeckung des Drucksensors 1 mit Medium vorliegt.The present embodiment makes it possible to determine various electrical properties of the medium adjacent to the pressure sensor 1. On the one hand, a capacitance that forms between the first electrode 11, which is isolated from the medium and is arranged behind the membrane 21 from the medium's perspective, and the second electrode 12 can be used to determine the electrical properties of the adjacent medium. The first electrode 11 and the second electrode 12 form the plates of a capacitor C, the size of which can be determined either statically, ie by applying a direct voltage to the first electrode 11 and the second electrode 12 or dynamically by determining an alternating current resistance, ie in particular by applying an alternating voltage of a certain frequency. By determining the capacitance of this capacitor C, the permittivity of the adjacent medium can be determined. In order to achieve better sensitivity of the sensor formed in this way to medium adhesions to the pressure sensor 1, the third electrode 13 can be designed as a so-called shield electrode. For this purpose, the third electrode 13 is subjected to the same potential as the first electrode 11, so that the electric field forming between the first electrode 11 and the second electrode 12 spreads further into the adjacent medium, whereby it can be recognized whether there is only adhesion to the pressure sensor 1, or whether the pressure sensor 1 is actually completely covered with medium.

Es kann ferner zwischen der zweiten Elektrode 12 und der dritten Elektrode 13, die beide in Mediumskontakt stehen, ein elektrischer Widerstand bzw. ein Leitwert des angrenzenden Mediums bestimmt werden.Furthermore, an electrical resistance or a conductance of the adjacent medium can be determined between the second electrode 12 and the third electrode 13, both of which are in medium contact.

Durch diese zusätzlich ermittelten elektrischen Eigenschaften des angrenzenden Mediums kann beispielsweise eine Grenzstanddetektion realisiert werden. So ist es beispielsweise möglich, zu ermitteln, ob der gezeigte Sensor von einem in einem Behälter befindlichen Medium überflutet wurde, oder nicht. Zusätzlich oder alternativ kann mittels der so ermittelten elektrischen Eigenschaften des angrenzenden Mediums in bestimmten Grenzen eine Mediumsbestimmung durchgeführt werden. Der gezeigte Drucksensor 1 kann somit universeller eingesetzt werden und in einem einzigen Sensor, eine Redundanz realisieren und so die Sicherheit der erzielten Messwerte erhöhen.These additionally determined electrical properties of the adjacent medium can be used, for example, to implement limit level detection. For example, it is possible to determine whether the sensor shown has been flooded by a medium in a container or not. Additionally or alternatively, the electrical properties of the adjacent medium determined in this way can be used to determine the medium within certain limits. The pressure sensor 1 shown can therefore be used more universally and can implement redundancy in a single sensor, thus increasing the reliability of the measured values achieved.

2a zeigt eine Draufsicht auf den Sensor aus 1. 2a shows a top view of the sensor from 1 .

In dieser Draufsicht ist zentral die Membran 21 aus einem keramischen Material zu erkennen, die rückseitig mit der ersten Elektrode 1 versehen ist. Die Membran 21 ist von dem isolierenden Ring 23 umgeben, der in der vorliegenden Darstellung als drei schmale Streifen zwischen der Membran 21, der dritten Elektrode 13 und der zweiten Elektrode 12, sowie die zweite Elektrode 12 in Radialrichtung außenseitig umgebend zu erkennen ist. Die zweite Elektrode 12 und die dritte Elektrode 13 sind, wie aus 2 deutlich zu erkennen ist, als ringförmig ausgebildete Metallisierungen auf den isolierenden Ring 23 aufgebracht, und voneinander beabstandet und somit elektrisch isoliert angeordnet.In this top view, the membrane 21 made of a ceramic material can be seen centrally, which is provided with the first electrode 1 on the back. The membrane 21 is surrounded by the insulating ring 23, which in the present illustration can be seen as three narrow strips between the membrane 21, the third electrode 13 and the second electrode 12, as well as surrounding the second electrode 12 on the outside in the radial direction. The second electrode 12 and the third electrode 13 are, as can be seen from 2 can be clearly seen, applied as ring-shaped metallizations on the insulating ring 23, and arranged spaced from each other and thus electrically insulated.

Der isolierende Ring 23 kann aus verschiedenen geeigneten isolierenden Materialine, beispielsweise aus einem Kunststoff, beispielsweise Polytetrafluorethylen (PTFE) Polyetheretherketon (PEEK), Polypropylen (PP) oder Polyvinylidenfluorid (PVDF) ausgebildet sein. Alternativ kann der isolierende Ring 23 aus einem keramischen Material, beispielsweise dem gleichen Material wieder Grundkörper 20 und die Membran 21 der Druckmesszelle und insbesondere einstückig mit dem Grundkörper 20, der Druckmesszelle ausgebildet sein.The insulating ring 23 can be made of various suitable insulating materials, for example a plastic, for example polytetrafluoroethylene (PTFE), polyetheretherketone (PEEK), polypropylene (PP) or polyvinylidene fluoride (PVDF). Alternatively, the insulating ring 23 can be made of a ceramic material, for example the same material as the base body 20 and the membrane 21 of the pressure measuring cell and in particular in one piece with the base body 20 of the pressure measuring cell.

2b zeigt ein Ersatzschaltbild für die Leitfähigkeitsmessung, wie sie in den 1 und 2a zum Einsatz kommen kann. 2 B shows an equivalent circuit diagram for the conductivity measurement as described in the 1 and 2a can be used.

Vorliegend wird die dritte Elektrode 13, also die Schirmelektrode mit einem elektrisches Wechselsignal in Form eines Rechtecksignals beaufschlagt. Die Schirmelektrode wird mit dem Anregungssignal A, das eine geeignete Frequenz und Amplitude für eine konduktive Messung besitzt, über einen Einkoppelwiderstand R_E angeregt. Auch Variationen von Frequenz, Amplitude und Signalform sind denkbar. Der Einkoppelwiderstand R_E sorgt dafür, dass der Widerstand eines anliegenden Mediums R_M mit dem Einkoppelwiderstand R_E einen Spannungsteiler bildet. Das Schirmpotential an der zweiten Elektrode stellt somit den Mittelabgriff des Spannungsteilers dar.In this case, the third electrode 13, i.e. the shield electrode, is supplied with an alternating electrical signal in the form of a square wave signal. The shield electrode is excited with the excitation signal A, which has a suitable frequency and amplitude for a conductive measurement, via a coupling resistor R _E. Variations in frequency, amplitude and signal shape are also conceivable. The coupling resistor R _E ensures that the resistance of an adjacent medium R _M forms a voltage divider with the coupling resistor R _E. The shield potential at the second electrode thus represents the center tap of the voltage divider.

Gemäß der Ausgestaltung in 2b sind zur Erweiterung des Messbereichs der Leitfähigkeitsmessung mehrere unterschiedliche Einkoppelwiderstände R₁, R₂, ..., R_n für die Signaleinkopplung vorgesehen. Durch diese unterschiedlichen Einkoppelwiderstände R₁, R₂, ..., R_n werden unterschiedliche Spannungsteiler gebildet, die durch die Einkoppelwiderstände R_E unterschiedlicher Größe werden Spannungsteiler unterschiedlicher Empfindlichkeit gebildet, sodass ein breites Spektrum an Leitfähigkeiten und damit unterschiedlichen Medien erfasst werden kann.According to the design in 2 B To extend the measuring range of the conductivity measurement, several different coupling resistors R ₁ , R ₂ , ..., R _n are provided for signal coupling. These different coupling resistors R ₁ , R ₂ , ..., R _n form different voltage dividers, which are formed by the coupling resistors R _E of different sizes, voltage dividers with different sensitivities, so that a wide spectrum of conductivities and thus different media can be recorded.

3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Drucksensors 1 gemäß der vorliegenden Anmeldung. Gezeigt ist ein Schnitt in Axialrichtung durch eine metallische Druckmesszelle, die im Wesentlichen durch einen metallischen Grundkörper, 30, eine vorderseitig, d. h. in Richtung prozessorientiert an dem metallischen Grundkörper angeordnete metallische Membran 31 sowie eine dadurch zwischen dem Grundkörper 30 und der metallischen Membran, 31 gebildete sogenannte Membrankammer 32 gebildet ist. Die Membrankammer 32 steht in Fluidverbindung zu einer in dem Grundkörper 30 ausgebildeten Sensorkammer 33, in der eine Halbleiter-Druckmesszelle 34 angeordnet ist. Zur Übertragung eines auf die metallische Membran 31 wirkenden Drucks auf die Halbleiterdruckmesszelle 34 sind die Membrankammer 32 und die Messkammer 33 mit einem inkompressiblen Druckmittlermedium, beispielsweise einem Öl, gefüllt. Somit kann ein auf die metallische Membran 31 einwirkender Druck mittels der Halbleiter-Druckmesszelle 34 ermittelt werden. 3 shows a second embodiment of a pressure sensor 1 according to the present application. Shown is a section in the axial direction through a metallic pressure measuring cell, which is essentially formed by a metallic base body 30, a metallic membrane 31 arranged on the front side, i.e. in the process-oriented direction on the metallic base body, and a so-called membrane chamber 32 formed thereby between the base body 30 and the metallic membrane 31. The membrane chamber 32 is in fluid connection to a sensor chamber 33 formed in the base body 30, in which a semiconductor pressure measuring cell 34 is arranged. To transmit a pressure acting on the metallic membrane 31 to the semiconductor pressure measuring cell 34, the membrane chamber 32 and the measuring chamber 33 are filled with an incompressible pressure transmitter medium, for example an oil. Thus, a pressure acting on the metallic membrane 31 can be determined by means of the semiconductor pressure measuring cell 34.

Gemäß dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Grundkörper 30 von einem isolierenden Ring 35, der vorliegend als Kunststoffring 35 ausgebildet ist, umgeben. Der Kunststoffring 35 wiederum ist von der zweiten Elektrode 12, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel als massiver metallischer Ring ausgebildet ist, umgeben. Sowohl der Kunststoffring 35 als auch die zweite Elektrode 12 sind auf den Grundkörper 30 aufgepresst, sodass ein Eindringen von Medium zwischen den Grundkörper 30 und dem isolierenden Ring 35 sowie zwischen den Kunststoffring 35 und die zweite Elektrode 12 ausgeschlossen werden kann. In dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel kann sowohl die Kapazitätsmessung als auch die Leitwertmessung unmittelbar zwischen der Membran 31 bzw. dem Grundkörper 30, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel die erste Elektrode 11 bilden und der zweiten Elektrode 12 erfolgen. Dies ist möglich, da der metallischen Grundkörper 30 und die metallische Membran 31 bereits direkt in Mediumskontakt stehen und somit direkt für die Leitwertmessung verwendet werden können. Soll auch in diesem Ausführungsbeispiel eine Schirmelektrode zum Einsatz kommen, damit das elektrische Feld zur Kapazitätsmessung weiter in das angrenzende Medium gedrängt werden kann, so müsste diese auch in diesem Ausführungsbeispiel zwischen der ersten Elektrode 11 und der zweiten Elektrode 12 angeordnet werden, beispielsweise durch einen zusätzlichen metallischen Ring, der sowohl von dem Grundkörper 30 als auch von der zweiten Elektrode 12 isoliert zwischen diesen angeordnet wird.According to the 3 In the embodiment shown, the base body 30 is surrounded by an insulating ring 35, which is designed as a plastic ring 35 in the present case. The plastic ring 35 is in turn surrounded by the second electrode 12, which is designed as a solid metal ring in the present embodiment. Both the plastic ring 35 and the second electrode 12 are pressed onto the base body 30, so that the penetration of medium between the base body 30 and the insulating ring 35 as well as between the plastic ring 35 and the second electrode 12 can be excluded. In the embodiment shown in 3 In the exemplary embodiment shown, both the capacitance measurement and the conductance measurement can take place directly between the membrane 31 or the base body 30, which in the present exemplary embodiment form the first electrode 11, and the second electrode 12. This is possible because the metallic base body 30 and the metallic membrane 31 are already in direct contact with the medium and can therefore be used directly for the conductance measurement. If a shielding electrode is to be used in this exemplary embodiment so that the electrical field for the capacitance measurement can be pushed further into the adjacent medium, this would also have to be arranged between the first electrode 11 and the second electrode 12 in this exemplary embodiment, for example by means of an additional metallic ring which is arranged between them, insulated from both the base body 30 and the second electrode 12.

4 zeigt eine Draufsicht auf den Sensor aus 3. 4 shows a top view of the sensor from 3 .

In dieser Darstellung ist zentral der Grundkörper 30, mit der daran vorderseitig angeordneten metallischen Membran 31 zu erkennen, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel gleichzeitig die erste Elektrode 11 bildet. Ringförmig um den Grundkörper 30 und die metallische Membran 31 angeordnet ist, der isolierende Kunststoffring 35 gezeigt, der wiederum von der zweiten Elektrode 12 ringförmig umgeben ist.In this illustration, the base body 30 can be seen centrally, with the metallic membrane 31 arranged on the front, which in the present embodiment also forms the first electrode 11. The insulating plastic ring 35 is shown arranged in a ring shape around the base body 30 and the metallic membrane 31, which in turn is surrounded in a ring shape by the second electrode 12.

5 zeigt in den Teilfiguren a), b) und c) verschiedene Anwendungsbeispiele, bei denen die Drucksensoren 1 aus den 1-4 zum Einsatz kommen können. 5 shows in the sub-figures a), b) and c) various application examples in which the pressure sensors 1 from the 1-4 can be used.

5a) zeigt einen ersten Anwendungsfall für einen Drucksensor 1, wie er in Bezug auf die 1 bis 4 beschrieben wurde. 5a) shows a first application case for a pressure sensor 1, as it relates to the 1 to 4 was described.

Der Drucksensor 1 ist in diesem Anwendungsfall von oben her in einem Behälter 3, der mit einem Füllmedium 5 befüllt wird, montiert. Der Drucksensor 1 ist in diesem Ausführungsbeispiel derart angeordnet, dass der zunächst einen Prozessduck p1 des Gases oberhalb des Füllmediums 5 misst. Steigt der Füllstand an, so ist es dem Drucksensor 1 ebenfalls möglich über die Messung der elektrischen Eigenschaften, insbesondere für nichtleitende Medien die relative Permittivität oder für leitende Medien die elektrische Leitfähigkeit zu messen und so ein Ansteigen des Füllmediums 5 über die Einbauhöhe des Drucksensors 1 zu detektieren.In this application, the pressure sensor 1 is mounted from above in a container 3 that is filled with a filling medium 5. In this embodiment, the pressure sensor 1 is arranged in such a way that it initially measures a process pressure p1 of the gas above the filling medium 5. If the filling level increases, the pressure sensor 1 can also measure the electrical properties, in particular the relative permittivity for non-conductive media or the electrical conductivity for conductive media, and thus detect an increase in the filling medium 5 above the installation height of the pressure sensor 1.

Der Drucksensor 1 gemäß der Ausgestaltungform in 5a) realisiert damit zusätzlich eine Grenzstandmessung. Somit besitzt der Sensor neben seiner Funktion als Prozessdrucksensor ebenfalls die Funktion einer Überfüllsicherung. Ein separater Sensor zur Überfüllsicherung kann in diesem Fall somit eingespart werden.The pressure sensor 1 according to the embodiment in 5a) This also provides a limit level measurement. In addition to its function as a process pressure sensor, the sensor also has the function of an overfill protection device. In this case, a separate sensor for overfill protection can be omitted.

5b) zeigt einen zweiten Anwendungsfall für einen Drucksensor 1, wie er in Bezug auf die 1 bis 4 beschrieben wurde. Dargestellt ist eine abgesetzte Variante des Sensors aus 5a), bei der eine Sensorikeinheit des Drucksensors 1 und eine Elektronikbaugruppe 2 getrennt ausgeführt und durch ein Verbindungskabel 8 verbunden sind. Die eine Auswerteeinheit umfassende Elektronikbaugruppe 2 ist somit an der Oberseite des Behälters 3 angeordnet, während die Sensorikeinheit durch das Verbindungskabel 8, das gleichzeitig als Tragkabel wirkt, abgesetzt auf einer gewünschten Füllhöhe in dem Behälter 3 angeordnet ist. 5b) shows a second application case for a pressure sensor 1, as it relates to the 1 to 4 Described above. Shown is a remote version of the sensor from 5a) , in which a sensor unit of the pressure sensor 1 and an electronic assembly 2 are designed separately and connected by a connecting cable 8. The electronic assembly 2 comprising an evaluation unit is thus arranged on the top of the container 3, while the sensor unit is arranged at a desired filling level in the container 3 by the connecting cable 8, which also acts as a support cable.

Durch eine derartige Ausgestaltung kann ein hydrostatischer Druck p2, der durch das Füllmedium 5 auf einer Montagehöhe der Sensorikeinheit wirkt, erfasst werden.By means of such a configuration, a hydrostatic pressure p2 acting through the filling medium 5 at a mounting height of the sensor unit can be detected.

Gleichzeitig kann auch eine Leerlaufsicherung durch die Grenzstandfkunktionalität des Drucksensors 1 realisiert werden, und/oder durch die Ermittlung der elektrischen Eigenschaften des Füllmediums 5 eine Überwachung eines in dem Behälter 3 ablaufenden chemischen Prozesses erfolgen. Ferner kann durch die Ermittlung der elektrischen Eigenschaften des im Bereich der Sensorikeinheit befindlichen Mediums eine Trennschichtmessung an der jeweiligen Montagehöhe realisiert werden.At the same time, an idle protection can be implemented by the limit level functionality of the pressure sensor 1, and/or a chemical process taking place in the container 3 can be monitored by determining the electrical properties of the filling medium 5. Furthermore, an interface measurement at the respective installation height can be implemented by determining the electrical properties of the medium located in the area of the sensor unit.

5c) zeigt eine Version in der der Drucksensor 1, d.h. Sensorikeinheit und Elektronikeinheit 2 zusammen in einem Gehäuse integriert und an der Tankunterseite montiert sind. 5c ) shows a version in which the pressure sensor 1, i.e. sensor unit and electronic unit 2 are integrated together in a housing and mounted on the bottom of the tank.

Bei den Ausgestaltungsformen der 5b) und 5c) kann über den hydrostatischen Druck p2 auf den Drucksensor 1 ein Füllstand ermittelt werden. Ebenso kann über die Messung der elektrischen Eigenschaften ein Grenzstand detektiert werden, in diesem Fall beispielsweise als Trockenlaufschutz einer Pumpe.In the design forms of the 5b) and 5c ) a fill level can be determined via the hydrostatic pressure p2 on the pressure sensor 1. A limit level can also be detected by measuring the electrical properties, in this case for example as dry-running protection for a pump.

Der vorgeschlagene Sensor bietet in dieser Anwendungsvariante noch eine weitere Möglichkeit einer Messung. Durch die Messung der elektrischen Eigenschaften des Mediums ist es beispielsweise möglich das Vermischen zweier unterschiedlicher Medien zu beobachten und den Zeitpunkt festzustellen, an dem ein homogenes Gemisch vorliegt. Die elektrischen Eigenschaften zweier Medien unterscheiden sich in aller Regel. Werden die Medien vermischt so ändern sich die elektrischen Eigenschaften des Gemisches. Wird der zeitliche Verlauf dieser Eigenschaften beobachtet, kann zu dem Zeitpunkt, an dem elektrischen Eigenschaften konstant werden auf ein homogenes Gemisch zurückgeschlossen werden.The proposed sensor offers another measurement option in this application variant. By measuring the electrical properties of the medium, it is possible, for example, to observe the mixing of two different media and to determine the point in time at which a homogeneous mixture is present. The electrical properties of two media are usually different. If the media are mixed, the electrical properties of the mixture change. If the temporal progression of these properties is observed, it can be concluded that a homogeneous mixture is present at the point in time at which the electrical properties become constant.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11: DrucksensorPressure sensor
22: ElektronikbaugruppeElectronic assembly
33: Behälter Container
55: Füllmedium Filling medium
88th: Stab Rod
1111: erste Elektrode/ Membranelektrodefirst electrode/membrane electrode
1212: zweite Elektrodesecond electrode
1313: dritte Elektrode/ Schirmelektrode third electrode/shield electrode
1515: Messelektronik Measuring electronics
1717: Referenzelektrode Reference electrode
2020: GrundkörperBase body
2121: Membran Membrane
2323: isolierender Ring insulating ring
3030: GrundkörperBase body
3131: metallische Membranmetallic membrane
3232: MembrankammerMembrane chamber
3333: Druckmittlermedium, SensorkammerDiaphragm seal medium, sensor chamber
3434: HalbleiterdruckmesszelleSemiconductor pressure measuring cell
3535: isolierender Ring, Kunststoffring insulating ring, plastic ring
RR: WiderstandResistance
CC: Kondensatorcapacitor

Claims

Pressure sensor (1) with a base body (20, 30), a membrane (21) arranged on the base body (20, 30) and deformable by a pressure of an adjacent medium, characterized by a sensor integrated in the pressure sensor (1) for determining electrical properties of the adjacent medium.

Pressure sensor (1) according to Patent claim 1 , characterized in that the pressure sensor (1) has a first electrode (11) in the region of the membrane (21) and at least one additional, second electrode (12) which is arranged such that a capacitor (C) formed by the first electrode (11) and the second electrode (12) can be influenced in its capacitance by the adjacent medium.

Pressure sensor (1) according to Patent claim 2 , characterized in that the second electrode (12) is annular and surrounds the first electrode (11).

Pressure sensor (1) according to one of the Patent claims 2 or 3 , characterized in that the pressure sensor (1) has a third electrode (13), which is preferably arranged between the first electrode (11) and the second electrode (12).

Pressure sensor (1) according to Patent claim 4 , characterized in that the third electrode (13) is annular.

Pressure sensor (1) according to one of the Patent claims 4 or 5 , characterized in that the third electrode (13) is designed as a shielding electrode (13).

Pressure sensor (1) according to one of the claims, characterized in that the second electrode (12) and/or the third electrode (13) is formed by a metallization.

Pressure sensor (1) according to one of the preceding claims, characterized in that two electrodes are designed and arranged such that they are in electrically conductive contact with the adjacent medium.

Pressure sensor (1) according to Claim 7 , characterized in that the two electrodes are contacted in such a way that a conductivity measurement is possible.

Pressure sensor (1) according to one of the preceding claims, characterized in that that the electrodes are integrated into the pressure measuring cell (34).