AT507287A1 - Sensor mit interner kalibrierstruktur - Google Patents

Description

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Sensor mit interner Kalibrierstruktur

Die Erfindung betrifft einen Sensor, in dem die zu messende Größe eine Kraft ist oder eine Größe wie zum Beispiel Beschleunigung oder Weg die durch Bauteile des 5 Sensors in Kraft umgewandelt wird, wobei das Messelement, das ist das Messsignal bildende Element, jeweils diese Kraft in das Messsignal wandelt, wobei die Reaktion auf diese Kraft verschiedenster Natur sein kann z.B. Ladungsabgabe, Spannungsveränderung, Verschiebung usw., bzw. Sensoren die im Betrieb kalibriert werden müssen. 10

Sensoren in denen die zu messende Größe eine Kraft auf das Messelement des Sensors ergibt, gibt es viele. Kraftsensoren leiten die zu messende Größe meist direkt zum Messelement aber auch in Druck-, Beschleunigungs-, Bewegungs- oder Momenten-Sensoren wird das Messelement letztlich von einer Kraft belastet, die der 15 zu messenden Größe proportional ist.

Viele dieser Sensoren sind im Dauereinsatz für zum Beispiel Überwachungsaufgaben vorgesehen und es wäre wünschenswert ihre Funktionstüchtigkeit von Zeit zu Zeit überprüfen zu können. Meist geschieht dies 20 durch Aufbringen einer bekannten Belastung von außen, was meist aufwändig und in manchen Fällen unmöglich ist, weil beispielsweise die Sensoren einer solchen Prüflast nicht ohne Demontage zugänglich sind.

Die Aufgabe für die vorliegende Erfindung bestand also darin, eine Prüfmöglichkeit 25 beziehungsweise eine Kalibriermöglichkeit für die Funktion derartiger Sensoren zu finden, die ohne Demontage des Sensors, möglichst ohne die Messfunktion zu unterbrechen und ohne teure Zusatzeinrichtungen erlaubt, den Zustand des Sensors jederzeit zu kontrollieren. so Die Lösung der Aufgabe gelingt durch Ausstattung des Sensors mit einer Prüfstruktur beziehungsweise einer Kalibrierstruktur, die einen über ein druckübertragendes Fluid, Gas oder Flüssigkeit, in den Sensor geleiteten Prüfdruck beziehungsweise Kalibrierdruck in eine auf das Messelement wirkende Prüf- beziehungsweise Kalibrierkraft auf das Messelement umsetzt. 35 19/08 2009 MI 11:30 [SE/EM HR 9019] @005

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Insbesondere wird die Aufgabe durch die Merkmale der Ansprüche gelöst.

Der nachstehend verwendete Begriff der Prüfeinrichtung schließt auch den Begriff Kaiibriereinrichtung ein. Demzufolge kommt dem Prüfdruck des Prüfmediums auch s die Bedeutung als Kalibrierdruck zu.

Die Prüfstruktur besteht aus einem vom Prüfdruck belasteten Kolben der sich am Messelement abstützt, wobei andere Sensorbereiche gegen den Prüfdruck abgedichtet sein können beispielsweise mittels einer Membrane. Der Prüfdruck wird io im Sensor durch eine Druckleitung an den Kolben geleitet, wobei idealerweise eine Verbindung mit einer externen Druckversoigung dadurch erfolgt, dass sich die Druckleitung des Sensors und eine von einer externen Druckversorgung kommende, in der Montagestelle angeordnete Leitung, in einer Montagefläche treffen, sodass durch die Sensormontage auch die Verbindung der Druckleitungen hergestellt wird. 15

Diese Prüfkraft kann als Prüfpuls, beispielsweise als Rechteck oder Dreieck, dem laufend erfassten Messsignal überlagert werden, sodass die eigentliche Messung des Sensors nicht unterbrochen werden muss. Änderungen des Sensorverhaltens werden gemessen und können der Überprüfung oder Rekalibrierung des Sensors 20 dienen. Jedenfalls ist durch die zusätzlich aufgebrachte innere Prüflast auf das Messelement der Kontakt zur zu messenden Größe nicht gestört und nie unterbrochen, das heißt die Prüfung oder Kalibrierung erfolgt bei laufender, ungestörter Messung. 25 Sensordemontagen zur Prüfung oder Kalibrierung des Sensors bleiben damit erspart.

Die Figuren 1 bis 3 zeigen Beschleunigungssensoren mit eingebauter Kalibrierstruktur so Fig. 4 einen erfindungsgemäßen Kraftsensor Fig. 5 einen erfindungsgemäßen Wegsensor

Fig. 6 zeigt ein sich langsam änderndes Kraftsignal, dass von einem Prüfpuls 35 überlagert wird 19/08 2009 MI 11:30 [SE/EM NR 9019] @006 ltf/υβ lUUtf Χΐ:θ4 ΓΑΑ +40 010 VUOtfUU 4U feLA-iimuvaLiuueii laiuun m uu /

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Fig. 7 ein sich schnell änderndes Signal mit einem vergleichsweise langsamen Prüfpuls 6 Der Sensor in Fig. 1 ist fQr den Einbau in eine Montagestelle 1 gestaltet, die neben einem Befestigungsgewinde 2 auch eine Zulaufbohrung 3a für das druckübertragende Medium beziehungsweise den Prüfdruck aufweist. Aus dieser Zulaufbohrung wird das den Prüfdruck erzeugende Druckmedium über den Montagespalt 4, der durch zwei O-Ringe 5 gedichtet ist, in den Sensor geleitet, io zunächst in den Ringkanal 3b und dann über die kurze Bohrung 3c zum Kolben 6. Der Ringkanal 3b hat den Vorteil, dass die Zulaufbohrung 3a an jeder beliebigen Stelle des Ringkanaiumfangs einmünden darf. Die Mess-Masse 15 wirkt in diesem Beispiel als Druckkolben 11 und als Krafteinleitung 6 zum Messelement 7. Durch Belastung des Druckkolben/Mess-Masse/Dfuckeinleitungsteil mit dem Prüfdruck wird 16 eine Prüfkraft auf das Messelement 7 erzeugt. Eine Dichtmembrane 8 dichtet das Messelement 7 gegen Störungen durch das Druckmedium ab.

In Fig. 2 ist ein ähnlicher Beschleunigungssensor dargestellt, wobei wiederum die Mess-Masse 15 als Druckkolben 11 und Krafteinleitungsterl 6 dient, die 20 Dichtmembrane 8 aber an der Oberkante der Mess-Masse angreift. Die Prüfdruck-Versorgung erfolgt in der Montagefläche 10 des Sensors, durch einen der Bohrung im Sensor 3c gegenüberliegenden Versorgungskanal 3a in der Montagestelle.

Im Sensor nach Fig. 3 wird die vom Kolben 11 und anschließender Dichtmembrane 8 25 am Montage-Ende des Sensors erzeugte Prüfkraft über ein Kraftübertragungselement 12 zur Messmasse 15 und damit zum Messelement 7 geführt.

Fig. 4 zeigt einen Kraftsensor, der zum Kalibrieren des darin enthaltenen 90 Kraftmesselementes dieselbe Prüfstruktur aufweist wie der Beschleunigungssensor nach Fig. 3.

Fig. 5 zeigt einen Wegsensor, der zum Kalibrieren des darin enthaltenen Kraftmesselementes dieselbe Prüfstruktur aufweist wie der Beschleunigungssensor 95 nach Fig. 3. 19/08 2009 MI 11:30 [SE/EM NR 9019] @007 1»/U0 2UUH li:04 fAA +40 01D »U3WUU 4U ULH-innovaiionen umDu leiuuo • · · · ·

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Fig. 6a zeigt beispielhaft einen Signalverlauf des Messsignals, der sich über der Zeit relativ langsam ändert. Wird dieser Verlauf von einem Prüfpule nach Fig. 6b überlagert, so ergibt sich ein gesamter gemessener Verlauf Fig. 6c aus der Summe 5 dieser beiden Signale, wobei sowohl die Höhe des Prüfpulses bekannt ist, als auch, wie groß das von ihm verursachte Signal sein muss, das heißt wie groß die durch den Prüf- beziehungsweise Kalibrierpuls bewirkte Signaländerung sein muss.

Stimmt die Höhe der gemessenen Signaländerung am Messelement nicht mit der 10 erwarteten überein, kann man auf fehlerhaftes Verhalten des Messelementes schließen oder die Kaiibrierkonstante für das Messelement so ändern, dass das zum Prüfpuls erwartete Messsignal wieder in der richtigen Höhe erscheinen. Der Prüf pule hat idealerweise zumindest eine sehr steile Flanke, sodass die Auswertung der durch den Prüfpuls bewirkten Messsignaländerung auch noch an Messsignalen mit 15 deutlichen Gradienten möglich ist.

Fig. 7a zeigt beispielhaft ein sehr schnelles periodisch veränderliches Mess-Signal an dessen steilen Flanken auch extrem rasche Prüfpulse nicht mehr mit ausreichender Genauigkeit beurteilbar sind. In diesem Fall wird ein Prüfpuls Fig. 7b der Art 20 verwendet, dass über eine Reihe der periodischen Signalpulse des zu messenden Signals deren Niveau verändert wird Fig. 7c und man die Änderung dieses Niveaus mit der Soilhöhe des Prüfpulses vergleichen kann, beziehungsweise ein periodisch veränderlicher Prüfdruckverlauf, dessen Frequenz wesentlich kleiner ist als die Frequenz des eigentlichen Messsignals. 19/08 2009 MI 11:30 [SE/EM MR 9019] @008

Claims (2)

1. J.9/UO ix;04 f ΑΛ + 40 0X0 tfUOtfUU 4U ^u\-iiuiuvatxuueu vaiuun igj uu* ·» ·· ·· ···· ·· · • ·· ·· · e e · · ··+··· · · · · · ······ * · ♦··· • · e ·· ·· # e · « ·· es ·· ·· ·· e 5 Patentansprüche 1. Senaor mit eingebauter Prüfeinrichtung für die direkte Messung von Kräften welcher ein Gehäuse (9), ein kraftmessendes Messelement (7) und einen s krafteinleitenden Teil (6) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass daB kraftmessende Messelement des Sensors direkt oder Uber ein KraftQbertragungsteil (12) mit einem Druckkolben (11) verbunden ist, wobei der Druckkolben (11) gegen das Gehäuse (9a oder 9b) des Sensors abgedichtet ist, und wobei im Sensor oder in einer druckdicht mit dem Sensor io verbundenen Montagesteile oder in beiden eine Zulaufbohrung (3a, 3b, 3c) für Prüfmedium vorhanden ist, wobei dieses Prüfmedium Prüfdruck zum Druckkolben (11) führt und damit am Messelement (7) ein zusätzliches, dem eigentlichen Messsignal während der Messung überlagertes, Prüfsignal in Form einer zusätzlichen Prüfkraft erzeugt wird. 15
2. 2. Sensor für die indirekte Messung von Messgrößen wie zum Beispiel Beschleunigungen oder Weginderungen, die durch Bauteile des Sensors in Kräfte umgewandelt werden, und damit indirekt durch ein kraftmessendes Messelement gemessen werden können, wobei der Sensor ein Gehäuse (9), 20 ein kraftmessendes Messelement (7), einen krafteinleitenden Teil (6) und einen Messgrößenwandler (14), der die eigentliche Messgröße in eine Kraft wandelt, aufweist, wobei die indirekt gemessenen Messgrößen z.B. eine Beschleunigung ist, die durch eine mit dem Messelement verbundene Messmasse (15) in eine Kraft umgewandelt wird, oder eine Wegänderung die 25 durch ein elastisches, mit dem Messelement verbundenes Teil in ein Kraftsignal umwandelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das kraftmessende Messelement des Sensors direkt oder über ein Kraftübertragungsteil (12) mit einem Druckkolben (11) verbunden ist, wobei der Druckkolben (11) gegen das Gehäuse (9a oder 9b) des Sensors so abgedichtet ist, und wobei im Sensor oder in einer druckdicht mit dem Sensor verbundenen Montagestelle oder in beiden eine Zulaufbohrung (3a, 3b, 3c) für Prüfmedium vorhanden ist, wobei dieses Prüfmedium Prüfdruck zum Druckkolben (11) führt und damit am Messelement (7) ein zusätzliches, dem eigentlichen Messsignal während der Messung überlagertes, Prüfsignal in 35 Form einer zusätzlichen Prüfkreft erzeugt wird. 19/08 2009 MI 11:30 [SE/EM NR 9019] @009 XB/UO ZUUU u;0< i-AA +40 010 »U9VUU 40 ViLA-iimovaiioaeu «aooii IgJ wiu • · • · • · · + ·**· ·· • • · · · · • • • ·· • · • • · • · · • · • ··«· 6 3. s 4. io 5. 15 6. 20 25 7. 30 8. 35 Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung zwischen Druckkolben (11) und Gehäuse (9a, 9b) ais enger Spalt ausgeführt ist. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung zwischen Druckkolben (11) und Gehäuse als elastische Membrane ausgeführt ist. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zulaufbohrung (3c) für das PrQfmedium im Sensor in eine Montagefläche des Sensors führt und dass eine in der Montagestelle (1) des Sensors angeordnete Druckversorgungsleitung (3a) an dieselbe Stelle der Montagefläche(IO) führt wie die Zulaufbohrung (3c), sodass durch die Sensormontage auch die Verbindung der Zulaufbohmngen hergestellt wird. Verfahren zum Prüfen bzw. Kalibrieren von Sensoren, mit einem Messelement das Kraft in das Sensorausgangssignal umwandelt, wobei der Sensor bei der Prüfung an seinem Einsatzort eingebaut verbleibt und dem eigentlichen Messsignal ein Kalibriersignal überlagert wird dadurch gekennzeichnet, dass das Kalibriersignal durch einen Druckpuls erzeugt wird, der über ein Druckmedium durch eine Zulaufbohrung in das Innere des Seneore geleitet wird und dass das damit erzeugte Kalibriersignal dem eigentlichen Messsignal bei laufender Messung überlagert wird. Verfahren nach Anspruch 6) dadurch gekennzeichnet, dass das Kalibriersignal im Vergleich zum eigentlichen Messsignai einen anderen Signalverlauf besitzt, insbesondere eteilere Signalflanken als das Messsignai, sodass das Kalibriersignal als Überlagerung zum Mesesignal klar erkennbar ist und damit die Höhe des überlagerten Pulses im MeBsetgnal gut auswertbar ist. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Prüfsignal Zeitabschnitte mit weitgehend konstantem Signalwert anbietet, vorzugsweise in Form sehr langer Rechteckpulse, einer einmaligen Änderung des 19/08 2009 MI 11:30 [SE/EM NR 9019] @010 Xtf/UO έυυυ XX; 09 ΓΑΑ +40 0X0 HUötfUU 4U feLA-lIiUOVaiXOUeii tjrfUUil lfe| MXX Xtf/UO έυυυ XX; 09 ΓΑΑ +40 0X0 HUötfUU 4U feLA-lIiUOVaiXOUeii tjrfUUil lfe| MXX ·· ·· ·· ···· ee • # · • • · · • · • • • · • • ·· • · • • e e · e • e e • · • eee* 7 Druckniveaus oder in Form eines periodisch veränderlichen Prüfdruckverlaufs, dessen Frequenz wesentlich kleiner Ist als die Frequenz des eigentlichen Messsignals und die ermöglichen die in diesen Zeitabschnitten gemittelten Werte eines zeitlich rasch veränderlichen 5 Messsignals mit dem dort wirkenden Prüfsignal zu vergleichen. 19/08 2009 MI 11:30 [SE/EM HR 9019] ®011