DE10392824B4

DE10392824B4 - Preiswerter kapazitiver in sich geschlossener Druckgeber

Info

Publication number: DE10392824B4
Application number: DE10392824.3T
Authority: DE
Inventors: David Broden; David A. Horky
Original assignee: Rosemount Inc
Current assignee: Rosemount Inc
Priority date: 2002-06-18
Filing date: 2003-06-16
Publication date: 2019-01-10
Anticipated expiration: 2023-06-17
Also published as: US20050016286A1; DE10392824T5; WO2003106956A1; US6843133B2; US20040025594A1; US7124641B2; JP2005530150A; CN100406867C; AU2003243567A1; CN1666097A

Abstract

Kapazitiver Druckgeber (300) mit:
einem ersten und zweiten Gebereinlass (200, 201);
einem kapazitiven Drucksensor (56) mit einem ersten und einem zweiten Sensoreinlass, wobei jeder Sensoreinlass mit einer Seite einer leitenden durchbiegungsfähigen Meßmembran (64) fluid- bzw. strömungstechnisch gekoppelt ist, und wobei der zweite Gebereinlass (201) mit dem zweiten Sensoreinlass betrieblich gekoppelt ist;
einem in sich geschlossenen Isolator (210) mit einem Prozessfluideinlass und einem Isolatorfluidauslass, wobei der Isolator (210) zwischen dem ersten Gebereinlass (200) und dem ersten Sensoreinlass angeordnet ist und der Isolatorfluidauslass des Isolators (210)mit dem ersten Sensoreinlass betrieblich gekoppelt ist, wobei der in sich geschlossene Isolator (210) auch eine Isolatormembran (212) hat, die so angeordnet ist, dass sie den Prozessfluideinlass vom Isolatorfluidauslass fluid- bzw. strömungstechnisch isoliert, während sie einen Druck am Isolatorfluidauslass bereitstellt, der mit einem Druck am Prozessfluideinlass in Beziehung steht;
einem Sensorschaltungsaufbau (302), der mit dem kapazitiven Drucksensor (56) gekoppelt ist, um ein Sensorsignal auf der Grundlage der Kapazität des kapazitiven Drucksensors zu erzeugen; und
einem Geberschaltungsaufbau, der mit dem Sensorschaltungsaufbau (302) gekoppelt ist, um auf das Sensorsignal bezogene Informationen über eine Prozesskommunikationsschleife zu senden.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Preiswerter Drucküberwachungs- und -steuervorrichtungen werden von vielfältigen Industriezweigen verwendet, z. B. dem Markt für Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik. Auf diesen Markt kommen in der Tendenz leistungsärmere und billigere Vorrichtungen verglichen mit Systemen der industriellen Prozeßsteuerung und -überwachung. Dafür ist eine Anzahl von Gründen verantwortlich. Beispielsweise erfordern Systeme der industriellen Prozeßsteuerung und -überwachung oft größere Genauigkeit, Eigensicherheit, explosionsgeschützte Gehäuse, Vorrichtungskalibrierung und -diagnose. Dagegen verlangen Niedrigkostenmärkte normalerweise einfach, daß ein Drucksignal erfaßt wird und daß die Kosten des Systems selbst extrem niedrig sind. Freilich wären viele Merkmale von Gebern für die industrielle Prozeßsteuerung für diese Niedrigkostenmärkte von Nutzen, wenn solche Merkmale ohne übermäßige Steigerung der Stückkosten vorgesehen werden könnten. In dieser Hinsicht sind die primären Gestaltungskriterien die Größe und die Kosten der Elektronik. Zum Beispiel könnte der Markt für preiswerte Drucksteuer- und -überwachungstechnik von Smart-/HART-Merkmalen (Kalibrierung, Fehlerkorrekturen, Alarmen ...) profitieren, während auch ein analoges 4-20-mA- oder 1-5-Volt-Signal bereitgestellt wird.
In letzter Zeit gab es Fortschritte bei kapazitiven Druckerfassungsvorrichtungen, die über einen größeren Druckbereich genauer sind. Zu einem Beispiel gehört der in der US 6,295,875 B1 beschriebene Druckgeber. Der dort offenbarte kapazitive Drucksensor kann mit einer nichtleitenden Schutzbeschichtung (z. B. Siliciumoxid) über den Innenelektroden versehen sein. Solche Überzüge sorgen nicht nur für ausgezeichneten Überdruckschutz. Könnte ein Druckgeber mit ausreichend geringen Kosten bereitgestellt werden, während immer noch eine Fülle von Funktionen vorgesehen ist, die dem Markt für industrielle Prozeßmeß- und -steuertechnik gemeinsam sind, würden Billigmärkte, z. B. der Markt für Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik, enorme Nutzeffekte erzielen. Die US 4,458,537 A beschreibt einen kapazitiven Differenzdruck-Messumformer mit hoher Präzision. Die US 4,370,890 A beschreibt einen kapazitiven Druckwandler mit isolierter Fühlermembran. Die US 5,315,877 A beschreibt einen vielseitigen kostengünstigen Druckwandler.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Bereitgestellt wird ein kapazitiver Druckgeber gemäß Anspruch 1. Weitere bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen 2 und 3 definiert. In einem Aspekt wird ein kapazitiver Druckgeber mit mindestens einem in sich geschlossenen Isolator bereitgestellt, der zwischen einer Prozeßverbindung und dem kapazitiven Drucksensor eingefügt ist. Insbesondere ist der kapazitive Druckgeber relativ klein und vorzugsweise aus Materialien aufgebaut, die eine kostengünstige Herstellung erleichtern.
Figurenliste

1A, 1B und 1C sind schematische Ansichten eines kapazitiven Drucksensors und eines zugehörigen Schaltungsaufbaus.
2A und 2B sind schematische Ansichten von Abschnitten eines kapazitiven Druckgebers unter Verwendung eines in sich geschlossenen Isolators gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
3A bis 3C sind schematische Ansichten eines kapazitiven Druckgebers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

NÄHERE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Während bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung in Kombination mit dem in der US 6,295,875 B1 beschriebenen Drucksensor von besonderem Nutzen sind, können auch andere Drucksensorgestaltungen zum Einsatz kommen.
Vielfach ist ein Drucksensor vom gemessenen Medium isoliert. Sehr wichtig ist diese Isolierung dort, wo das Medium eine sehr hohe Temperatur hat oder sehr aggressiv oder anderweitig schädlich ist. In bestimmten Anwendungen kann aber dieses kostspielige Merkmal entfallen, und das gemessene Medium kann direkt zu einer durchbiegungsfähigen Membran geführt werden.
1A veranschaulicht diesen Aspekt einer Ausführungsform der Erfindung. Ein Drucksensor 56, der ein beliebiger geeigneter Sensor sein kann, u. a. der im Patent '875 beschriebene, ist mit einer Prozeßverbindung 200 so direkt gekoppelt, daß das zu messende Medium direkt in den Drucksensor 56 transportiert wird. Ein Teilchenfilter 202 kann auch zwischen der Prozeßverbindung 200 und dem Drucksensor 56 eingefügt sein, wenn das Medium nicht anderweitig gefiltert wurde. Vorzugsweise ist das Teilchenfilter 202 ein 45- bis 70-Mikrometer-Filter, das zwischen der Prozeßverbindung 200 und dem Drucksensor 56 eingefügt ist.
1B ist ein Aufriß des Drucksensors 56, der vorzugsweise aus zwei Hälften 58, 60 gebildet ist. Diese Hälften 58, 60 sind an einer Naht 62 entlang verbunden, vorzugsweise verschweißt. Die Hälften 58, 60 bilden eine Druckkammer, in der eine durchbiegungsfähige Membran 64 sitzt, die die Verbindung 200 von einer Verbindung 201 fluidisoliert. Bei Ausübung eines Differenzdrucks auf die Verbindungen 200, 201 durchbiegt sich die Membran als Reaktion auf den Druck, und die Durchbiegung kann als Kapazitätsänderung in Übereinstimmung mit bekannten Techniken registriert werden.
1C ist ein Teilquerschnitt eines Gebiets im Sensor 56 und zeigt die Membran 64, eine leitende kapazitive Platte 74, eine Kammerwand 76 und eine nichtleitende Beschichtung 78. Wenngleich dies nicht spezifisch dargestellt ist, ist das Spiegelbild der Platte 74, Kammerwand 76 und nichtleitenden Beschichtung 78 auch auf der anderen Seite der durchbiegungsfähigen Membran 74 vorhanden. Die kapazitive Platte 74 kann auf den Kammerwänden 76 in Übereinstimmung mit jeder geeigneten bekannten Technik angeordnet oder anderweitig positioniert werden. Danach kann in einigen Ausführungsformen eine nichtleitende Beschichtung, z. B. die Beschichtung 78, auf die Oberseite der Platte 74 aufgebracht werden. Diese nichtleitende Beschichtung stört nicht wesentlich die kapazitive Kopplung zwischen der Platte 74 und der durchbiegungsfähigen Membran 64. Allerdings hindert die Beschichtung 78 die Membran 64 daran, in direkten elektrischen Kontakt mit der Platte 74 zu kommen, und wahrt auch die elektrische Isolierung für Prozeßmedienfluide, die leitend sind.
Leiter 204 sind mit einem geeigneten Schaltungsaufbau gekoppelt, z. B. dem im Patent '875 beschriebenen, um die Kapazitätsänderungen zu messen, die durch Druck bewirkt werden, der über die Verbindungen 200, 201 wirkt, und eine geeignete Ausgabe auf Leitungen 206 zu liefern. Diese Ausgabe kann Differenzdruck, Durchfluß oder andere Parameter darstellen.
Der in 1 gezeigte preiswerte Druckgeber kann eine erhebliche Anzahl, wenn nicht sogar alle, der Merkmale derzeitiger Geber für die industrielle Prozeßsteuerung und - messung vorsehen. Normalerweise würde es sich bei der Anwendung um das Messen des Drucks eines nichtkondensierenden Gases, z. B. Luft, handeln. Die Leistung würde allgemein anhand des durch den Schaltungsaufbau addierten Korrekturbetrags und der Beschaffenheit des gemessenen Gases bestimmt. Aber selbst bei sehr hohen Feuchtigkeiten kann die dielektrische Änderung durch Verwendung geeigneter Sensorgeometrien im wesentlichen verhindert werden. Ein Beispiel für eine solche Sensorgeometrie ist die im Patent '875 offenbarte. Dieser Druckgeber sorgt für sehr hohen Überdruckschutz in einem Bereich von 6,89 bis 13,79 MPa (1000 bis 2000 Pound je Quadrat-Inch (psi)). Ferner erfordert der Druckgeber keine teuren Anordnungseffekte, z. B. Ölfüllung. Außerdem ist der Druckgeber wesentlich größenreduziert, da er nicht allgemein in einem feldgehärteten Gehäuse vorgesehen zu sein braucht, das explosionsgeschützte Nutzeffekte hat, was für großen- und Kostensenkung sorgt. Schließlich können höhere Geberfunktionen(z. B. digitale Kommunikationsabläufe, Alarme, Effektivausgabe und Diagnose), die auf dem Gebiet der industriellen Prozeß- und Steuerüberwachung akzeptiert sind, jetzt für die Billigmärkte bereitgestellt werden.
2A ist eine Darstellung eines Aspekts der Erfindung im Gebrauch in einer vom Prozeßmedium isolierten Ausführungsform. Insbesondere ist ein in sich geschlossener Isolator 210 zwischen der Prozeßverbindung 200 und dem Drucksensor 56 so eingefügt, daß das zu messende Medium einen Druck auf eine Isolatormembran 212 (vorzugsweise eine Metallfolienmembran) ausübt, die ihrerseits Druck auf Isolatorfluid 214 ausübt, das vorzugsweise ein dielektrisches Füllfluid ist, z. B. Siliconöl. Vorzugsweise weisen die Isolatoren zwei Hälften 220, 221 auf, die durch eine Schweißung 224, z. B. eine Laserschweißung, miteinander verbunden und mit Röhren 216, 217 und damit mit dem Drucksensor 56 über eine Hartlötverbindung 218 gekoppelt sind. Vorzugsweise haben die Isolatorfluid-Sensorröhre 216 und Isolatorfluid-Füllröhre 217 ein Ende, das so geformt ist, daß beide Röhren 216, 217 in einen einzelnen Anschluß am in sich geschlossenen Isolator 210 eintreten. Zum Beispiel können die Enden jeder Röhre 216, 217 „D“-förmig sein, wobei eines das Spiegelbild des anderen ist, so daß sie in einen kreisförmigen Anschluß im Isolator 210 passen.
2B ist eine vergrößerte schematische Ansicht eines Abschnitts des in sich geschlossenen Isolators 210. Auf der Isolatorfluidseite der Membran 212 kann die Kammer eine Anzahl von Wellen wie bei 230 gezeigt aufweisen. In einigen Ausführungsformen können diese Wellen aber entfallen.
3A ist eine schematische Querschnittansicht eines preiswerten Druckgebers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. 3A veranschaulicht einen preiswerten Druckgeber 300 in Übereinstimmung mit Aspekten der Erfindung. Der Geber 300 weist einen in sich geschlossenen Isolator 210 auf. In Ausführungsformen, in denen das Prozeßmedium direkt mit der Meßmembran gekoppelt sein kann, kann jedoch der in sich geschlossene Isolator 210 entfallen, was zu zusätzlichen Größen- und Kosteneinsparungen führt. Der Sensor 56 ist im Gehäuse 220 angeordnet, das vorzugsweise aus einem preiswerten Material hergestellt ist, z. B. aus spritzgießfähigem Kunststoff. Gemäß 3A ist ein Paar elektrische Verbinder 222 mit den Leitungen 206 gekoppelt und oben auf dem Geber 300 angeordnet, um den Geber 300 mit einer externen Kommunikationsschleife (nicht gezeigt) zu koppeln.
Eine Leiterplatte 302 hat vorzugsweise eine Kreisform, um sich gemäß 3A in das Gehäuse 220 einzupassen. Bei Bedarf kann der freie Raum im Gehäuse 220 mit einem geeigneten nichtleitenden Material, z. B. Epoxidharz, gefüllt sein, um die Robustheit des Gebers zu erhöhen. Zusammengebaut ist in einer Ausführungsform der Druckgeber 300 relativ klein, wobei er vorzugsweise eine Höhe von etwa 5,08 cm (zwei Inch) und eine Länge und Breite von jeweils etwa 6,35 cm (2,5 Inch) hat. Diese Größe ermöglicht dem Geber 300, in einer Anzahl von Umgebungen verwendbar zu sein, wo traditionelle Geber der industriellen Prozeßsteuerung einfach nicht möglich waren. Außerdem ermöglichen die einfache Gestaltung und kleine Größe dem Geber, weniger kostspielig als traditionelle Geber der industriellen Prozeßsteuerung hergestellt zu werden. Gleichwohl kann der bekannte Schaltungsaufbau zur Prozeßsteuerung und -messung, z. B. ein Mikroprozessor und/oder eine Kommunikationssteuerung vom Typ FOUNDATION™-Fieldbus auf der Leiterplatte 302 vorgesehen sein, um den Niedrigpreismärkten einen Funktionalitätsgrad zu geben, der bisher unbekannt war. FOUNDATION™-Fieldbus ist ein Kommunikationsprotokoll, das offen und gemeinsam betreibbar ist. Es sorgt für eine digitale Kommunikationsverbindung unter intelligenten Feldvorrichtungen. Allerdings können alle anderen geeigneten Kommunikationsprotokolle nach Prozeßindustrienorm in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der Erfindung zum Einsatz kommen.
Obwohl die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, daß Änderungen in Form und Detail vorgenommen werden können, ohne vom Grundgedanken und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.

Claims

Kapazitiver Druckgeber (300) mit: einem ersten und zweiten Gebereinlass (200, 201); einem kapazitiven Drucksensor (56) mit einem ersten und einem zweiten Sensoreinlass, wobei jeder Sensoreinlass mit einer Seite einer leitenden durchbiegungsfähigen Meßmembran (64) fluid- bzw. strömungstechnisch gekoppelt ist, und wobei der zweite Gebereinlass (201) mit dem zweiten Sensoreinlass betrieblich gekoppelt ist; einem in sich geschlossenen Isolator (210) mit einem Prozessfluideinlass und einem Isolatorfluidauslass, wobei der Isolator (210) zwischen dem ersten Gebereinlass (200) und dem ersten Sensoreinlass angeordnet ist und der Isolatorfluidauslass des Isolators (210)mit dem ersten Sensoreinlass betrieblich gekoppelt ist, wobei der in sich geschlossene Isolator (210) auch eine Isolatormembran (212) hat, die so angeordnet ist, dass sie den Prozessfluideinlass vom Isolatorfluidauslass fluid- bzw. strömungstechnisch isoliert, während sie einen Druck am Isolatorfluidauslass bereitstellt, der mit einem Druck am Prozessfluideinlass in Beziehung steht; einem Sensorschaltungsaufbau (302), der mit dem kapazitiven Drucksensor (56) gekoppelt ist, um ein Sensorsignal auf der Grundlage der Kapazität des kapazitiven Drucksensors zu erzeugen; und einem Geberschaltungsaufbau, der mit dem Sensorschaltungsaufbau (302) gekoppelt ist, um auf das Sensorsignal bezogene Informationen über eine Prozesskommunikationsschleife zu senden.
Geber nach Anspruch 1, wobei: der zweite Gebereinlass Teil eines zweiten in sich geschlossenen Isolators ist, wobei der zweite in sich geschlossene Isolator einen Isolatorfluidauslass hat, der mit dem zweiten Sensoreinlass betrieblich gekoppelt ist, und der zweite in sich geschlossene Isolator auch eine Isolatormembran hat, die so angeordnet ist, dass sie den zweiten Gebereinlass vom Isolatorfluidauslass fluid- bzw. strömungstechnisch isoliert, während sie einen Druck am Isolatorfluidauslass bereitstellt, der mit einem Druck am zweiten Gebereinlass in Beziehung steht; und wobei der zweite Gebereinlass geeignet ist, mit einer Prozessmedienquelle gekoppelt zu sein; und wobei das Sensorsignal Differenzdruck zwischen dem Prozessmedieneinlass und dem zweiten Gebereinlass anzeigt.
Geber nach Anspruch 1, wobei der in sich geschlossene Isolator ein Füllfluid aufweist.