DE102022107534A1

DE102022107534A1 - Sensor for determining the pressure of a medium in a container

Info

Publication number: DE102022107534A1
Application number: DE102022107534.6A
Authority: DE
Inventors: Sergey Lopatin; Anh Tuan Tham; Peter Klöfer; Benjamin Scherer; Raphael Kuhnen
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2022-03-30
Filing date: 2022-03-30
Publication date: 2023-10-05

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sensor (1) zur Bestimmung des Drucks eines in einem Behältnis (3) befindlichen Mediums (2) mit einem Gehäuse (11), das in einem dem Prozess zugewandten Bereich eine Öffnung (10) aufweist, die durch eine drucksensitive Membran (4) druck- und gasdicht verschlossen ist, wobei insbesondere die vom Prozess abgewandte Oberfläche (12) der Membran (4) zumindest teilweise mit einer Beschichtung aus einem magnetostriktiven Material (8) versehen ist, wobei zumindest eine Magnetfelderfassungseinheit (6) vorgesehen ist, die eine Änderung eines Magnetfeldes misst, wobei die Änderung des Magnetfeldes abhängig ist von der auf das magnetostriktive Material (8) der Membran (4) einwirkenden mechanischen Kraft, und wobei eine Auswerteeinheit (7) vorgesehen ist, die anhand der gemessenen Änderung des Magnetfeldes eine Aussage über den im Medium (2) herrschenden Druck bereitstellt.The invention relates to a sensor (1) for determining the pressure of a medium (2) located in a container (3), having a housing (11) which has an opening (10) in an area facing the process, which is through a pressure-sensitive membrane (4) is sealed in a pressure and gas-tight manner, in particular the surface (12) of the membrane (4) facing away from the process being at least partially provided with a coating made of a magnetostrictive material (8), at least one magnetic field detection unit (6) being provided, which measures a change in a magnetic field, the change in the magnetic field being dependent on the mechanical force acting on the magnetostrictive material (8) of the membrane (4), and an evaluation unit (7) being provided which, based on the measured change in the magnetic field Provides information about the pressure prevailing in the medium (2).

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Bestimmung eines Drucks eines in einem Behältnis befindlichen Mediums.The invention relates to a sensor for determining a pressure of a medium located in a container.

In der Automatisierungstechnik kommen unterschiedliche Ausgestaltungen von Drucksensoren in unterschiedlichen Anwendungen zum Einsatz. Bei Absolutdrucksensoren wird ein zu messender Druck absolut, d. h. als ein Druckunterschied gegenüber dem Vakuum erfasst. Mit einem Relativdruckmessaufnehmer wird ein zu messender Druck in Form eines Druckunterschiedes gegenüber einem Referenzdruck bestimmt - bei vielen Anwendungen ist dies der Atmosphärendruck am Einsatzort. Es wird also bei Absolutdruckmessanordnungen ein zu messender Druck bezogen auf einen festen Bezugsdruck, den Vakuumdruck, und bei Relativdruckmessgeräten ein zu messender Druck bezogen auf einen variablen Bezugsdruck, z. B. den Umgebungsdruck, erfasst.In automation technology, different designs of pressure sensors are used in different applications. With absolute pressure sensors, the pressure to be measured is absolute, i.e. H. recorded as a pressure difference compared to the vacuum. A relative pressure sensor is used to determine the pressure to be measured in the form of a pressure difference compared to a reference pressure - in many applications this is the atmospheric pressure at the place of use. In absolute pressure measuring arrangements, a pressure to be measured is referred to a fixed reference pressure, the vacuum pressure, and in relative pressure measuring devices, a pressure to be measured is referred to a variable reference pressure, e.g. B. the ambient pressure.

Eine Differenzdrucksensor erfasst üblicherweise die Differenz zwischen zwei Prozessdrücken. Differenzdruckmessaufnehmer kommen beispielsweise in Tanks zur Füllstandsmessung oder in Rohrleitungen zur Durchflussmessung zum Einsatz. Auch ist es bekannt, bei z.B. einem Differenzdrucksensor zusätzlich den Absolutdruck zu bestimmen, um Messfehler aufgrund des statischen Drucks kompensieren zu können.A differential pressure sensor usually records the difference between two process pressures. Differential pressure sensors are used, for example, in tanks for level measurement or in pipelines for flow measurement. It is also known, for example, to additionally determine the absolute pressure in a differential pressure sensor in order to be able to compensate for measurement errors due to the static pressure.

Eine Vielzahl unterschiedlicher Drucksensoren wird von der Anmelderin z.B. unter der Bezeichnung CERABAR oder DELTABAR angeboten und vertrieben. Ein Drucksensor weist üblicherweise eine Druckmesszelle mit einem drucksensitiven Messelement und eine mit der Druckmesszelle verbundene Sensorelektronik auf. Die Druckmesszelle umfasst einen elektromechanischen Wandler, der die mechanische Reaktion des druckempfindlichen Messelementes in ein elektrisches Signal umwandelt, das über die Sensorelektronik aufgenommen und einer weiteren Auswertung und/oder Verarbeitung zugänglich ist.A large number of different pressure sensors are offered and sold by the applicant, for example under the names CERABAR or DELTABAR. A pressure sensor usually has a pressure measuring cell with a pressure-sensitive measuring element and sensor electronics connected to the pressure measuring cell. The pressure measuring cell includes an electromechanical transducer that converts the mechanical reaction of the pressure-sensitive measuring element into an electrical signal that is recorded via the sensor electronics and is accessible for further evaluation and/or processing.

In zunehmendem Maße werden zur Druckmessung halbleiter-, insbesondere siliziumbasierte druckempfindliche Messelemente eingesetzt, deren Auslenkung infolge der Druckeinwirkung piezoresistiv, kapazitiv oder optoelektronisch bestimmt wird. Da siliziumbasierte druckempfindliche Messelemente nicht inert gegenüber aggressiven und korrosiven Prozessmedien sind, liegt der zu messende Druck nicht unmittelbar an dem druckempfindlichen Messelement an, sondern wird über einen Druckmittler, bestehend aus einem Grundkörper mit einer dem Prozess zugewandten Trennmembran, hydraulisch zu dem druckempfindlichen Messelement der Druckmesszelle übertragen. Damit der Druck möglichst unverfälscht zum druckempfindlichen Messelement übertragen wird, ist zwischen der Trennmembran und dem Membranbett eine Druckkammer ausgebildet, die mit einer inkompressiblen Übertragungsflüssigkeit, insbesondere einem Hydrauliköl, gefüllt ist. Über einen sich anschließenden hydraulischen Pfad bzw. über eine Kapillare wird der auf die Trennmembran wirkende Druck auf das drucksensitive Messelement übertragen. Während der Messdruck des Prozessmediums über die Trennmembran an der dem Prozess zugewandten Fläche des drucksensitiven Messelements des Relativdrucksensors anliegt, wird die dem Prozess abgewandte Fläche des drucksensitiven Messelements mit Vakuum oder dem Atmosphären-/Relativdruck beaufschlagt. Die Beaufschlagung des drucksensitiven Messelements mit einem gasförmigen Medium, üblicherweise Luft, erfolgt über eine geeignete Zuführöffnung bzw. über einen nach außen führenden Referenzkanal. Bei einem Differenzdrucksensor wird der Differenzdruck hydraulisch auf die vom Prozess abgewandte Fläche des drucksensitiven Messelements übertragen.Semiconductor, in particular silicon-based, pressure-sensitive measuring elements are increasingly being used to measure pressure, the deflection of which is determined piezoresistively, capacitively or optoelectronically as a result of the pressure. Since silicon-based pressure-sensitive measuring elements are not inert to aggressive and corrosive process media, the pressure to be measured is not directly applied to the pressure-sensitive measuring element, but is hydraulically transferred to the pressure-sensitive measuring element of the pressure measuring cell via a diaphragm seal consisting of a base body with a separating membrane facing the process transmitted. So that the pressure is transmitted to the pressure-sensitive measuring element as unadulterated as possible, a pressure chamber is formed between the separating membrane and the membrane bed and is filled with an incompressible transmission fluid, in particular a hydraulic oil. The pressure acting on the separating membrane is transferred to the pressure-sensitive measuring element via a subsequent hydraulic path or via a capillary. While the measuring pressure of the process medium is applied via the separating membrane to the surface of the pressure-sensitive measuring element of the relative pressure sensor facing the process, the surface of the pressure-sensitive measuring element facing away from the process is subjected to vacuum or the atmospheric/relative pressure. The pressure-sensitive measuring element is exposed to a gaseous medium, usually air, via a suitable feed opening or via a reference channel leading to the outside. With a differential pressure sensor, the differential pressure is transferred hydraulically to the surface of the pressure-sensitive measuring element facing away from the process.

Eine Schwachstelle von Druckmittlern, die zum Schutz des drucksensitiven Messelements eingesetzt werden, zeigt sich, wenn diese in chemisch aggressiven oder in abrasiven - mit Feststoffanteilen versetzten - Prozessmedien verwendet werden. Die Folge einer Beschädigung der Trennmembran des Druckmittlers ist ein Austausch von Prozessmedium und Hydraulikflüssigkeit. Dringt Prozessmedium in die Hydraulikflüssigkeit ein, leidet die Messgenauigkeit des Drucksensors; dringt Hydraulikflüssigkeit in das Prozessmedium ein, so ist der Einsatz eines derartigen Drucksensors in chemischen, pharmazeutischen und lebensmitteltechnischen Anwendungen kritisch bzw. gänzlich ausgeschlossen. Ein weiterer Nachteil bei Einsatz von Druckmittlern ergibt sich aus der begrenzten Langzeitstabilität der als Hydraulikflüssigkeiten verwendeten Silikonöle.A weak point of diaphragm seals that are used to protect the pressure-sensitive measuring element becomes apparent when they are used in chemically aggressive or abrasive process media containing solids. The result of damage to the diaphragm seal's separating membrane is an exchange of process medium and hydraulic fluid. If process medium penetrates the hydraulic fluid, the measurement accuracy of the pressure sensor suffers; If hydraulic fluid penetrates into the process medium, the use of such a pressure sensor in chemical, pharmaceutical and food technology applications is critical or completely excluded. Another disadvantage when using diaphragm seals results from the limited long-term stability of the silicone oils used as hydraulic fluids.

Drucksensoren mit einer keramischen Messmembran bieten den Vorteil, dass diese aufgrund der vergleichsweise hohen chemischen und mechanischen Beständigkeit von Keramik unmittelbar, insb. ohne vorgeschalteten Druckmittler, mit dem Prozessmedium in Kontakt kommen können. Hierzu wird die keramische Messmembran üblicherweise mittels einer Einspannvorrichtung in einem Gehäuse bzw. Grundkörper druck- und gasdicht befestigt. Dabei umfasst das Gehäuse in der Regel einen zylindrischen, den Drucksensor außenseitlich allseitig umgebenden Gehäuseabschnitt, an den endseitig eine sich radial einwärts erstreckende Schulter angeformt ist. Diese Schulter bildet zusammen mit einem in das Gehäuse eingesetzten Gegenlager die Einspannvorrichtung, in der der äußere Rand der keramischen Messmembran derart eingespannt ist, dass die Messmembran durch eine außenseitlich allseitig von der Schulter umgebende Öffnung hindurch mit dem zu messenden Druck beaufschlagbar ist. (Hallo Herr Tham, soll ich diese Sensoren überhaupt erwähnen? Haben Sie gegenüber der Lösung mit NV Centern Nachteile??)Pressure sensors with a ceramic measuring membrane offer the advantage that, due to the comparatively high chemical and mechanical resistance of ceramic, they can come into direct contact with the process medium, especially without an upstream pressure seal. For this purpose, the ceramic measuring membrane is usually secured in a pressure- and gas-tight manner in a housing or base body using a clamping device. The housing generally comprises a cylindrical housing section that surrounds the pressure sensor on all sides, on the end of which a shoulder extending radially inwards is formed. This shoulder, together with a counter bearing inserted into the housing, forms the clamping device, in which the outer edge of the ceramic measuring membrane is clamped in such a way that the measuring membrane is secured on all sides by an external edge The pressure to be measured can be applied through the opening surrounding the shoulder. (Hello Mr. Tham, should I even mention these sensors? Do they have any disadvantages compared to the NV Center solution??)

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drucksensor vorzuschlagen, der dauerhaft eine vorgegebene Messgenauigkeit aufweist.The invention is based on the object of proposing a pressure sensor which permanently has a predetermined measurement accuracy.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen Sensor zur Bestimmung des Drucks eines in einem Behältnis befindlichen Mediums mit einem Gehäuse, das in einem dem Prozess zugewandten Bereich eine Öffnung aufweist, die durch eine drucksensitive Membran druck- und gasdicht verschlossen ist, wobei insbesondere die vom Prozess abgewandte Oberfläche der drucksensitiven Membran zumindest teilweise mit einer Beschichtung aus einem magnetostriktiven Material versehen ist. Alternativ ist es möglich, die Membran teilweise oder ganz aus dem magnetostriktiven Material zu fertigen und - falls erforderlich - zumindest die dem Prozess zugewandte Oberfläche der Membran mit einer geeigneten Schutzschicht zu versehen. Die Schutzschicht kann so ausgestaltet sein, dass sie gegen aggressive und/oder abrasive Prozessmedien inert ist. Weiterhin ist zumindest eine Magnetfelderfassungseinheit vorgesehen, die eine Änderung eines Magnetfeldes misst, wobei die Änderung des Magnetfeldes abhängig ist von der auf das magnetostriktive Material der Membran einwirkenden mechanischen Kraft. Eine Auswerteeinheit stellt anhand der gemessenen Änderung des Magnetfeldes eine Aussage über den im Prozessmedium herrschenden Druck bereit.The object is achieved by a sensor for determining the pressure of a medium located in a container with a housing which has an opening in an area facing the process, which is closed pressure-tight and gas-tight by a pressure-sensitive membrane, in particular the one facing away from the process Surface of the pressure-sensitive membrane is at least partially provided with a coating made of a magnetostrictive material. Alternatively, it is possible to manufacture the membrane partially or entirely from the magnetostrictive material and - if necessary - to provide at least the surface of the membrane facing the process with a suitable protective layer. The protective layer can be designed so that it is inert against aggressive and/or abrasive process media. Furthermore, at least one magnetic field detection unit is provided which measures a change in a magnetic field, the change in the magnetic field being dependent on the mechanical force acting on the magnetostrictive material of the membrane. An evaluation unit provides information about the pressure prevailing in the process medium based on the measured change in the magnetic field.

Als Magnetostriktion wird die Änderung der geometrischen Abmessungen eines ferromagnetischen Körpers unter dem Einfluss eines Magnetfelds bezeichnet. Dieser Effekt ist bei allen ferromagnetischen Materialien messbar. Im Zusammenhang mit der Erfindung kommt der entgegengesetzte Effekt, der sog. Villari-Effekt, zum Tragen, d. h. es wird die Änderung des Magnetfeldes bzw. der magnetischen Eigenschaften des magnetostriktiven Materials unter dem Einfluss von auf das Material einwirkenden mechanischen Kräften betrachtet.Magnetostriction is the change in the geometric dimensions of a ferromagnetic body under the influence of a magnetic field. This effect can be measured in all ferromagnetic materials. In connection with the invention, the opposite effect, the so-called Villari effect, comes into play, i.e. H. The change in the magnetic field or the magnetic properties of the magnetostrictive material is considered under the influence of mechanical forces acting on the material.

Unter den chemischen Elementen bzw. Metallen in Reinform weisen Eisen, Nickel und Cobalt bei Raumtemperatur ferromagnetische Eigenschaften auf. Als viertes chemisches Element mit ferromagnetischen Eigenschaften bei Raumtemperatur wurde Ruthenium in der metastabilen raumzentrierten tetragonalen Phase ausgemacht. Für die praktische Anwendung bieten sich ferromagnetische Legierungen wie z. B. AlNiCo, SmCo, Nd₂Fe₁₄B, Ni₈₀Fe₂₀ („Permalloy“), oder NiFeCo-Legierungen („Mumetall“) an. Welches ferromagnetische Material in Verbindung mit der Erfindung zum Einsatz kommt, hängt natürlich auch davon ab, ob das ferromagnetische Material in Kontakt mit dem Medium kommt oder ob es von dem Medium isoliert angeordnet ist.Among the chemical elements or metals in their pure form, iron, nickel and cobalt have ferromagnetic properties at room temperature. The fourth chemical element with ferromagnetic properties at room temperature was identified as ruthenium in the metastable body-centered tetragonal phase. Ferromagnetic alloys such as: B. AlNiCo, SmCo, Nd ₂ Fe ₁₄ B, Ni ₈₀ Fe ₂₀ (“Permalloy”), or NiFeCo alloys (“Mumetall”). Which ferromagnetic material is used in connection with the invention naturally also depends on whether the ferromagnetic material comes into contact with the medium or whether it is arranged isolated from the medium.

In Verbindung mit der erfindungsgemäßen Lösung kann die drucksensitive Membran entweder aus einem metallischen Material oder aus einem keramischen Material gefertigt sein. Geeignete Materialien sind aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt. Die Dicke der Membran ist übrigens so bemessen, dass das durch das Magnetfeld des magnetostriktiven Materials veränderte Magnetfeld der Magnetfelderzeugungseinheit von der Magnetfelderfassungseinheit im jeweiligen Messbereich hinreichend genau gemessen werden kann. Im Allgemeinen können die drucksensitiven Membranen aufgrund der höheren Messgenauigkeit der erfindungsgemäßen Lösung dicker ausgeführt sein als bei den z.Zt. bekannten Drucksensoren.In connection with the solution according to the invention, the pressure-sensitive membrane can be made either of a metallic material or of a ceramic material. Suitable materials are well known from the prior art. The thickness of the membrane is dimensioned such that the magnetic field of the magnetic field generation unit changed by the magnetic field of the magnetostrictive material can be measured with sufficient accuracy by the magnetic field detection unit in the respective measuring range. In general, the pressure-sensitive membranes can be made thicker than those currently used due to the higher measurement accuracy of the solution according to the invention. known pressure sensors.

Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Drucksensors schlägt vor, dass die drucksensitive Membran zumindest in einem Teilbereich, in dem die maximalen mechanischen Spannungen bei der Beaufschlagung der drucksensitiven Membran mit Druck auftreten, mit einer Beschichtung aus dem magnetostriktiven Material versehen ist. Insbesondere handelt es sich bei diesem Bereich um den zentralen Bereich und/oder um den Randbereich bzw. einen Teil des Randbereichs der drucksensitiven Membran.One embodiment of the pressure sensor according to the invention proposes that the pressure-sensitive membrane is provided with a coating made of the magnetostrictive material at least in a partial area in which the maximum mechanical stresses occur when pressure is applied to the pressure-sensitive membrane. In particular, this area is the central area and/or the edge area or part of the edge area of the pressure-sensitive membrane.

Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Drucksensors ist vorgesehen, dass das magnetostriktive Material domänenweise auf die Membran aufgebracht ist. Bevorzugt werden die die Änderungen des Magnetfeldes infolge der in den einzelnen Domänen auftretenden mechanischen Spannungen isoliert voneinander gemessen. Hierdurch ist es möglich, Diagnosen bezüglich der Membran durchzuführen. So lässt sich beispielsweise eine sich entwickelnde Ansatzbildung an der Membran erkennen. Additiv oder alternativ können die redundanten Messdaten zur Verifizierung der Druckmesswerte herangezogen werden.According to a further development of the pressure sensor according to the invention, it is provided that the magnetostrictive material is applied to the membrane in domains. The changes in the magnetic field as a result of the mechanical stresses occurring in the individual domains are preferably measured in isolation from one another. This makes it possible to carry out diagnoses regarding the membrane. For example, a developing build-up on the membrane can be seen. Additionally or alternatively, the redundant measurement data can be used to verify the pressure measurement values.

In diesem Zusammenhang wird insbesondere vorgeschlagen, dass die Auswerteeinheit die Änderungen des Magnetfeldes, die auf die mechanischen Spannungen in den einzelnen Domänen zurückzuführen sind, unabhängig voneinander ermittelt und anhand der ermittelten redundanten Messwerte die Messwerte verifiziert oder die ermittelten Messwerte zu Diagnosezwecken verwendet.In this context, it is particularly proposed that the evaluation unit independently determines the changes in the magnetic field that are attributable to the mechanical stresses in the individual domains and verifies the measured values based on the determined redundant measured values or uses the determined measured values for diagnostic purposes.

Weiterhin wird angeregt, dass das magnetostriktive Material auf die drucksensitive Membran aufgedampft oder aufgesputtert ist. Ebenso kann eine optionale Schutzschicht auf das zumindest in einzelnen Bereichen vorhandene magnetostriktive Material appliziert werden.Furthermore, it is suggested that the magnetostrictive material is vapor-deposited or sputtered onto the pressure-sensitive membrane. Likewise, an optional protective layer can be applied to the at least in Magnetostrictive material present in individual areas can be applied.

Das magnetostriktive Material selbst erzeugt kein eigenes Magnetfeld, verändert aber unter dem Einfluss einer einwirkenden Kraft bzw. des zu messenden Drucks seine Permeabilität µ. Um Änderungen des Magnetfeldes zu messen, ist es daher erforderlich, ein Offset-Magnetfeld zu erzeugen, z.B. durch einen Permanentmagneten oder eine Spule. So lassen sich Änderungen des Magnetfeldes infolge einer auf das magnetostriktive Material einwirkenden Kraft mittels der Magnetfelderfassungseinheit messen.The magnetostrictive material itself does not generate its own magnetic field, but changes its permeability μ under the influence of an acting force or the pressure to be measured. In order to measure changes in the magnetic field, it is therefore necessary to generate an offset magnetic field, for example using a permanent magnet or a coil. Changes in the magnetic field as a result of a force acting on the magnetostrictive material can be measured using the magnetic field detection unit.

Daher ist in Verbindung mit der Erfindung vorgesehen, dass in Wirknähe zu dem magnetostriktiven Material ein Permanentmagnet oder eine Spule bzw. allgemein ein Element angeordnet ist, der/die/das ein konstantes Magnetfeld erzeugt.Therefore, in connection with the invention it is provided that a permanent magnet or a coil or generally an element which generates a constant magnetic field is arranged in effective proximity to the magnetostrictive material.

Im Prinzip können in Verbindung mit der Erfindung die bekannten Magnetfelderfassungseinheiten zum Einsatz kommen. Bevorzugt aber handelt es sich bei der Magnetfelderfassungseinheit um einen Quantensensor, mit dem auch kleinste Magnetfeldänderungen detektierbar sind. Quantensensoren sind in unterschiedlichsten Ausgestaltungen bekannt geworden. Sie nutzen unterschiedliche Quanteneffekte zur Bestimmung verschiedener physikalischer und/oder chemischer Prozessgrößen aus. Im Bereich der industriellen Prozessautomatisierung ist der Einsatz von Quantensensoren in zweierlei Hinsicht interessant: Quantensensoren ermöglichen die Miniaturisierung der eingesetzten Sensoren und steigern gleichzeitig deren Leistungsfähigkeit. Je sensitiver die verwendeten Magnetfelddetektoren sind, um so dicker und damit beständiger gegen das Prozessmedium kann die Membran des Drucksensor ausgestaltet sein.In principle, the known magnetic field detection units can be used in connection with the invention. However, the magnetic field detection unit is preferably a quantum sensor with which even the smallest magnetic field changes can be detected. Quantum sensors have become known in a wide variety of designs. They use different quantum effects to determine different physical and/or chemical process variables. In the area of industrial process automation, the use of quantum sensors is interesting in two respects: Quantum sensors enable the miniaturization of the sensors used and at the same time increase their performance. The more sensitive the magnetic field detectors used are, the thicker and therefore more resistant to the process medium the membrane of the pressure sensor can be.

Bevorzugt werden in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Drucksensor zwei Typen von Quantensensoren eingesetzt. So kann es sich bei der Magnetfelderfassungseinheit um einen Quantensensor handeln, der zumindest einen Kristallkörper mit zumindest einer Magnetfeld-empfindlichen Fehlstelle aufweist. Bei dem Kristallkörper kann es sich beispielsweise um einen Diamanten mit zumindest einer Stickstoff-Fehlstelle, um Siliziumcarbid mit zumindest einer Silizium-Fehlstelle oder um hexagonales Bornitrid mit zumindest einem Fehlstellen-Farbzentrum handeln. Es können selbstverständlich auch mehrere Fehlstellen in dem Kristallkörper angeordnet sein. Diese sind bevorzugt linear angeordnet. Eine Erhöhung der Anzahl der Fehlstellen führt zu einer erhöhten Intensität, so dass die Messauflösung verbessert bzw. Intensitätsänderungen auch bei vergleichsweise schwachen Magnetfeldern detektierbar sind.Two types of quantum sensors are preferably used in connection with the pressure sensor according to the invention. The magnetic field detection unit can be a quantum sensor that has at least one crystal body with at least one magnetic field-sensitive defect. The crystal body can be, for example, a diamond with at least one nitrogen defect, silicon carbide with at least one silicon defect or hexagonal boron nitride with at least one defect color center. Of course, several defects can also be arranged in the crystal body. These are preferably arranged linearly. An increase in the number of defects leads to increased intensity, so that the measurement resolution is improved and changes in intensity can be detected even in comparatively weak magnetic fields.

Alternativ kann in Verbindung mit der Erfindung als Magnetfelderfassungseinheit ein Quantensensor zum Einsatz kommen, der als Gaszelle ausgebildet ist. Entsprechend Sensoren sind in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt.Alternatively, a quantum sensor, which is designed as a gas cell, can be used as a magnetic field detection unit in connection with the invention. Corresponding sensors are known in different designs.

Aus der Patentliteratur sind bereits eine Vielzahl von Quantensensoren bekannt geworden, die in der Prozessautomatisierung eingesetzt werden können. So beschreibt die DE 37 42 878 A1 einen optischen Magnetfeldsensor, indem ein Kristall als magnetempfindliches optisches Bauteil verwendet wird.A large number of quantum sensors that can be used in process automation have already become known from the patent literature. That's how it describes DE 37 42 878 A1 an optical magnetic field sensor by using a crystal as a magnet-sensitive optical component.

Aus der DE 10 2017 205 099 A1 ist eine Sensorvorrichtung mit einem Kristallkörper mit zumindest einer Fehlstelle, einer Lichtquelle, einer Hochfrequenzeinrichtung zum Beaufschlagen des Kristallkörpers mit einem Hochfrequenzsignal, und einer Detektionseinheit zur Detektion einer magnetfeldabhängigen Fluoreszenzsignals bekannt geworden. Die Lichtquelle ist auf einem ersten Substrat und die Detektionseinrichtung auf einem zweiten Substrat angeordnet, während die Hochfrequenzeinrichtung und der Kristallkörper auf beiden, miteinander verbundenen Subtraten angeordnet sein können. Als Messgrößen kommen externe Magnetfelder, elektrische Ströme, eine Temperatur, mechanischen Spannung oder ein Druck in Frage. Eine ähnliche Vorrichtung ist aus der DE 10 2017 205 265 A1 bekannt geworden. From the DE 10 2017 205 099 A1 a sensor device with a crystal body with at least one defect, a light source, a high-frequency device for applying a high-frequency signal to the crystal body, and a detection unit for detecting a magnetic field-dependent fluorescence signal has become known. The light source is arranged on a first substrate and the detection device on a second substrate, while the high-frequency device and the crystal body can be arranged on both interconnected substrates. External magnetic fields, electrical currents, temperature, mechanical tension or pressure can be used as measured variables. A similar device is from the DE 10 2017 205 265 A1 known.

Die DE 10 2014 219 550 A1 beschreibt einen Kombinationssensor zur Erfassung von Druck, Temperatur und/oder Magnetfeldern, wobei das Sensorelement eine Diamantstruktur mit zumindest einem Stickstoff-Vakanz-Zentrum aufweist.The DE 10 2014 219 550 A1 describes a combination sensor for detecting pressure, temperature and/or magnetic fields, wherein the sensor element has a diamond structure with at least one nitrogen vacancy center.

Die DE 10 2018 214 617 A1 offenbart eine Sensoreinrichtung, welche ebenfalls einen Kristallkörper mit einer Anzahl von Farbzentren, bei welcher zur Steigerung der Effektivität und zur Miniaturisierung verschiedene optische Filterelemente verwendet werden.The DE 10 2018 214 617 A1 discloses a sensor device, which also has a crystal body with a number of color centers, in which various optical filter elements are used to increase effectiveness and miniaturization.

In der DE 10 2016 210 259 A1 wird eine weitere Ausgestaltung für eine Sensorvorrichtung sowie eine Kalibrations- und Auswertemethode basierend auf Fehlstellen in einem Kristall vorgeschlagen. Die Sensorvorrichtung umfasst einen Kristallkörper mit zumindest einer Fehlstelle, eine Lichtquelle, eine Mikrowellenantenne zur Beaufschlagung des Kristallkörpers mit Mikrowellen, eine Detektionseinrichtung zur Erfassung einer Fluoreszenz von dem Kristallkörper, und eine Anlegeeinrichtung, mittels welcher ein Induktionsstrom an die Mikrowellenantenne anlegbar ist. So dient die Mikrowellenantenne zum einen zur Erzeugung der Mikrowellen und zur Erzeugung eines internen Magnetfelds. Das interne Magnetfeld ermöglicht eine Kalibrierung im fortlaufenden Betrieb.In the DE 10 2016 210 259 A1 A further embodiment for a sensor device as well as a calibration and evaluation method based on defects in a crystal is proposed. The sensor device comprises a crystal body with at least one defect, a light source, a microwave antenna for applying microwaves to the crystal body, a detection device for detecting fluorescence from the crystal body, and an application device by means of which an induction current can be applied to the microwave antenna. The microwave antenna serves, on the one hand, to generate the microwaves and to generate an internal magnetic field. The internal magnetic field enables calibration during continuous operation.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:

1: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Drucksensors, und
2: eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung der drucksensitiven Membran des erfindungsgemäßen Drucksensors.

The invention is explained in more detail using the following figures. It shows:

1 : a schematic representation of a pressure sensor according to the invention, and
2 : a schematic representation of an embodiment of the pressure-sensitive membrane of the pressure sensor according to the invention.

Gleiche Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.The same elements are given the same reference numbers in the figures.

1 zeigt schematisch einen Drucksensor 1 zur Bestimmung des Drucks eines Prozessmediums 2, das sich in einem Behältnis 3 befindet. Der Drucksensor kann als Relativ-, Absolut- oder Differenzdrucksensor ausgestaltet sein. 1 shows schematically a pressure sensor 1 for determining the pressure of a process medium 2, which is located in a container 3. The pressure sensor can be designed as a relative, absolute or differential pressure sensor.

Der Drucksensor weist eine Gehäuse 11 auf, das an der dem Prozess zugewandten Seite eine Öffnung 10 hat, die durch eine drucksensitive Membran 4 druck- und gasdicht verschlossen ist. Insbesondere ist die vom Prozess abgewandte Oberfläche 12 der Membran 4 zumindest teilweise mit einer Beschichtung aus einem magnetostriktiven Material 8 versehen. Möglich ist es jedoch - je nach Prozessmedium 2 und Beschaffenheit des magnetostriktiven Materials 8 - die drucksensitive Membran 4 ganz oder in Teilen aus dem magnetostriktiven Material 8 zu fertigen.The pressure sensor has a housing 11, which has an opening 10 on the side facing the process, which is closed in a pressure- and gas-tight manner by a pressure-sensitive membrane 4. In particular, the surface 12 of the membrane 4 facing away from the process is at least partially provided with a coating made of a magnetostrictive material 8. However, it is possible - depending on the process medium 2 and the nature of the magnetostrictive material 8 - to manufacture the pressure-sensitive membrane 4 entirely or in parts from the magnetostrictive material 8.

Weiterhin ist zumindest eine Magnetfelderfassungseinheit 6 vorgesehen, die eine Änderung eines Magnetfeldes misst, wobei die Änderung des Magnetfeldes abhängig ist von der auf das magnetostriktive Material 8 der drucksensitiven Membran 4 einwirkenden mechanischen Kraft. Das Offset-Magnetfeld selbst wird im gezeigten Fall von einem Permanentmagneten 5 erzeugt, der in Wirknähe zu dem magnetostriktiven Material 8 und/oder der Magnetfelderfassungseinheit 6 angeordnet ist. Mittels des Permanentmagneten - alternativ mittels einer Spule - wird ein magnetischer Fluss erzeugt, der über z.B. eine Ankerkonstruktion durch die Magnetfelderfassungseinheit 6 geleitet wird. Durch eine entsprechende Anordnung des magnetostriktiven Materials 8 lässt sich die Stärke des auftretenden Magnetfeldes und damit die Messgenauigkeit und Zuverlässigkeit des erfindungsgemäßen Drucksensors 1 optimieren. Die Auswerteeinheit 7 stellt anhand der gemessenen Änderung des Magnetfeldes eine Aussage über den im Medium/Prozessmedium 2 herrschenden Druck bereit.Furthermore, at least one magnetic field detection unit 6 is provided, which measures a change in a magnetic field, the change in the magnetic field being dependent on the mechanical force acting on the magnetostrictive material 8 of the pressure-sensitive membrane 4. In the case shown, the offset magnetic field itself is generated by a permanent magnet 5, which is arranged in effective proximity to the magnetostrictive material 8 and/or the magnetic field detection unit 6. By means of the permanent magnet - alternatively by means of a coil - a magnetic flux is generated, which is conducted through the magnetic field detection unit 6 via, for example, an armature structure. By appropriately arranging the magnetostrictive material 8, the strength of the magnetic field that occurs and thus the measurement accuracy and reliability of the pressure sensor 1 according to the invention can be optimized. The evaluation unit 7 provides information about the pressure prevailing in the medium/process medium 2 based on the measured change in the magnetic field.

In 2 ist eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung der drucksensitiven Membran 4 des erfindungsgemäßen Drucksensors 1 zu sehen. Die drucksensitive Membran 4 besteht zumindest teilweise aus einem magnetostriktiven Material 11. Im gezeigten Fall ist das magnetostriktive Material 8 als Beschichtung auf ausgewählte Bereiche/Domänen 9 der drucksensitiven Membran 4 aufgebracht. Da im Zentralbereich und in den Randbereichen der drucksensitiven Membran 4 die maximale Krafteinwirkung zu erwarten ist, befinden sich die Domänen 9 bevorzugt in zumindest einem dieser Bereiche. Möglich ist es im Zusammenhang mit der Erfindung, die Membran 4 auch voll oder in Teilen aus dem magnetostriktiven Material 8 zu fertigen. In Abhängigkeit von dem Prozessmedium kann das magnetostriktive Material 8 natürlich auch noch mit einer inerten Schutzschicht versehen sein.In 2 a schematic representation of an embodiment of the pressure-sensitive membrane 4 of the pressure sensor 1 according to the invention can be seen. The pressure-sensitive membrane 4 consists at least partially of a magnetostrictive material 11. In the case shown, the magnetostrictive material 8 is applied as a coating to selected areas/domains 9 of the pressure-sensitive membrane 4. Since the maximum force is to be expected in the central area and in the edge areas of the pressure-sensitive membrane 4, the domains 9 are preferably located in at least one of these areas. In connection with the invention, it is possible to manufacture the membrane 4 entirely or in parts from the magnetostrictive material 8. Depending on the process medium, the magnetostrictive material 8 can of course also be provided with an inert protective layer.

Wie gesagt, kann das magnetostriktive Material 8 durchgängig oder aber in Teilbereichen 9 der drucksensitiven Membran 4 vorgesehen sein. Als interessante Ausführungsform wird es erachtet, wenn das magnetostriktive Material 8 in einem vom Medium 2 abgewandten Bereich der Membran 4 zu finden ist, beispielsweise auf der vom Medium 2 abgewandten Oberfläche der Membran 4, die sich im Innern des Gehäuses 11 des Drucksensors 1 befindet. Hierdurch ist das magnetostriktive Material geschützt und ein Kontakt mit dem Medium 2 ausgeschlossen.As said, the magnetostrictive material 8 can be provided throughout or in partial areas 9 of the pressure-sensitive membrane 4. It is considered an interesting embodiment if the magnetostrictive material 8 is to be found in a region of the membrane 4 facing away from the medium 2, for example on the surface of the membrane 4 facing away from the medium 2, which is located inside the housing 11 of the pressure sensor 1. This protects the magnetostrictive material and prevents contact with the medium 2.

Erfindungsgemäß ist eine geeignete Magnetfelderfassungseinheit 6 vorgesehen, die das Magnetfeld bzw. die Änderung des Offset-Magnetfeldes misst. Die Modulation des Magnetfeldes ist Folge des auf das magnetostriktive Material einwirkenden Kräften, also des Villari Effekts. Die Regel-/Auswerteeinheit 7, die Teil der Elektronikeinheit des Drucksensors 1 ist, generiert anhand des gemessenen Magnetfeldes bzw. anhand von dessen Änderung einen Druckmesswert.According to the invention, a suitable magnetic field detection unit 6 is provided, which measures the magnetic field or the change in the offset magnetic field. The modulation of the magnetic field is the result of the forces acting on the magnetostrictive material, i.e. the Villari effect. The control/evaluation unit 7, which is part of the electronic unit of the pressure sensor 1, generates a pressure measurement value based on the measured magnetic field or based on its change.

Bevorzugt handelt es sich bei der Magnetfelderfassungseinheit 6 um einen Quantensensor. Unterschiedliche Ausgestaltungen von Quantensensoren wurden zuvor bereits ausführlich beschrieben, so dass an dieser Stelle auf eine Wiederholung verzichtet werden kann. Quantensensoren haben gegenüber herkömmlichen Magnetfelderfassungssensoren, wie z.B. Hallsensoren, den Vorteil, dass sie bezüglich ihrer Dimensionierung klein sind - sich also auch bevorzugt in den Drucksensor 1 integrieren lassen - und dennoch äußerst sensitiv messen. Die Magnetfelderfassungseinheit 6 muss bezüglich der Magnetfelderzeugungseinheit 5 so platziert werden, dass sie die durch das magnetostriktive Material 8 verursachten Änderungen des Magnetfeldes der Magnetfelderzeugungseinheit 5 mit der gewünschten Messgenauigkeit misst.The magnetic field detection unit 6 is preferably a quantum sensor. Different configurations of quantum sensors have already been described in detail, so there is no need to repeat them here. Quantum sensors have the advantage over conventional magnetic field detection sensors, such as Hall sensors, in that they are small in terms of their dimensions - so they can also preferably be integrated into the pressure sensor 1 - and yet they measure extremely sensitively. The magnetic field detection unit 6 must be placed with respect to the magnetic field generation unit 5 in such a way that it measures the changes in the magnetic field of the magnetic field generation unit 5 caused by the magnetostrictive material 8 with the desired measurement accuracy.

BezugszeichenlisteReference symbol list

11: DrucksensorPressure sensor
22: Mediummedium
33: Behältercontainer
44: MessmembranMeasuring membrane
55: Magnetfelderzeugungseinheit / Permanentmagnet / SpuleMagnetic field generation unit / permanent magnet / coil
66: MagnetfelderfassungseinheitMagnetic field detection unit
77: AuswerteeinheitEvaluation unit
88th: Magnetostriktives MaterialMagnetostrictive material
99: Domänedomain
1010: Öffnungopening
1111: Gehäuse / GrundkörperHousing/base body
1212: vom Prozess abgewandte Oberfläche der MembranSurface of the membrane facing away from the process
1313: AnregeeinheitStimulating unit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 3742878 A1 [0022]
DE 102017205099 A1 [0023]
DE 102017205265 A1 [0023]
DE 102014219550 A1 [0024]
DE 102018214617 A1 [0025]
DE 102016210259 A1 [0026]

Claims

Sensor (1) for determining the pressure of a medium (2) located in a container (3) with a housing (11) which has an opening (10) in an area facing the process, which pressure passes through a pressure-sensitive membrane (4). - and is sealed gas-tight, in particular the surface (12) of the membrane (4) facing away from the process being at least partially provided with a coating made of a magnetostrictive material (8), at least one magnetic field detection unit (6) being provided, which detects a change in a Measures the magnetic field, the change in the magnetic field being dependent on the mechanical force acting on the magnetostrictive material (8) of the membrane (4), and an evaluation unit (7) being provided which, based on the measured change in the magnetic field, provides a statement about the im Medium (2) provides prevailing pressure.

Sensor after Claim 1 , wherein the pressure-sensitive membrane (4) is made of a metallic material or a ceramic material.

Sensor after Claim 1 or 2 , wherein the pressure-sensitive membrane (4) is provided with a coating made of the magnetostrictive material (8) at least in a partial area in which the maximum mechanical stresses occur when pressure is applied to the membrane (4).

Sensor according to one or more of the preceding claims, wherein the magnetostrictive material (8) is applied to the membrane (4) in domains and the changes in the magnetic field as a result of the mechanical stresses occurring in the individual domains are measured in isolation from one another.

Sensor after Claim 4 , wherein the evaluation unit (7) independently determines the changes in the magnetic field that are due to the mechanical stresses in the individual domains and verifies the measured values based on the redundant measured values determined or uses the measured values determined for diagnostic purposes.

Sensor according to one or more of the Claims 1 - 5 , wherein the magnetostrictive material (8) is vapor-deposited or sputtered onto the pressure-sensitive membrane (4).

Sensor according to one or more of the preceding claims, wherein a magnetic field generating unit (5), in particular a permanent magnet or a coil, which generates a constant magnetic field, is arranged in effective proximity to the magnetostrictive material (8).

Sensor according to at least one of the Claims 1 - 7 , whereby the magnetic field detection unit (6) is a quantum sensor.

Sensor according to at least one of the Claims 1 - 8th , wherein the magnetic field detection unit (6) is a quantum sensor which has at least one crystal body with at least one magnetic field-sensitive defect.

Sensor according to at least one of the Claims 1 - 8th , whereby the magnetic field detection unit (6) is a quantum sensor which is designed as a gas cell.

Sensor according to at least one of the Claims 1 - 10 , wherein the magnetic field detection unit (6) has an excitation unit (13) for exciting the defect or for exciting the gas cell and a device for detecting a magnetic field-dependent signal of the crystal body or the gas cell.