AT507287B1 - Sensor mit interner kalibrierstruktur - Google Patents

Abstract

Sensor bzw. Verfahren zum Prüfen bzw. Kalibrieren eines Sensors, mit einem Gehäuse (9; 9a, 9b), einem Messelement (7) zum Messen einer auf das Messelement (7) wirkenden Belastung, die in ein Sensorausgangssignal umgewandelt wird, und einer Prüf- bzw. Kalibriereinrichtung mit einer Druckleitung für ein druckübertragendes Medium, das einen Prüfdruck aufweist, der über ein krafteinleitendes Teil bzw. einen Druckkolben (11) in eine auf das Messelement (7) wirkende Prüf- bzw. Kalibrierkraft umgesetzt wird, die ein dem eigentlichen Messsignal überlagertes Prüf- bzw. Kalibriersignal erzeugt, wobei eine Abweichung zwischen einer gemessenen und einer erwarteten Signaländerung am Messelement (7) zur Überprüfung bzw. Rekalibrierung des Sensors dient, wobei ein Messgrößenwandler (6, 14) vorgesehen ist, der eine zur Belastung proportionale Messgröße, wie Beschleunigung, Wegänderung, oder Moment, in die auf das Messelement (7) wirkende Belastung wandelt.

Description

österreichisches Patentamt AT 507 287 B1 2011-02-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft einen Sensor mit einem Gehäuse, einem Messelement zum Messen einer auf das Messelement wirkenden Belastung, die in ein Sensorausgangssignal umgewandelt wird, und einer Prüf- bzw. Kalibriereinrichtung mit einer Druckleitung für ein druckübertragendes Medium, das einen Prüfdruck aufweist, der über ein krafteinleitendes Teil bzw. einen Druckkolben in eine auf das Messelement wirkende Prüf- bzw. Kalibrierkraft umgesetzt wird, die ein dem eigentlichen Messsignal überlagertes Prüf- bzw. Kalibriersignal erzeugt, wobei eine Abweichung zwischen einer gemessenen und einer erwarteten Signaländerung am Messelement zur Überprüfung bzw. Rekalibrierung des Sensors dient.

[0002] Die Erfindung betrifft weiters ein Verfahren zum Prüfen bzw. Kalibrieren eines Sensors, wobei eine auf ein Messelement wirkende Belastung gemessen wird, die in ein Sensorausgangssignal umgewandelt wird, und ein druckübertragendes Medium zugeleitet wird, das einen Prüfdruck aufweist, der in eine auf das Messelement wirkende Prüf- bzw. Kalibrierkraft umgesetzt wird, die ein dem eigentlichen Messsignal überlagertes Prüf- bzw. Kalibriersignal erzeugt, wobei eine Abweichung zwischen einer gemessenen und einer erwarteten Signaländerung am Messelement zur Überprüfung bzw. Rekalibrierung des Sensors dient.

[0003] Aus der WO 2008/055376 A1 ist ein Drucksensor bekannt, welcher ein Gehäuse, eine Membran sowie ein Messelement zum Messen eines von einem Druckraum außerhalb des Gehäuses auf die Membran wirkenden Drucks aufweist. Vom Messelement führt eine Messleitung zu einem Anschluss für eine Verbindung zum Übertragen der Messsignale. Zum Prüfen des Drucksensors weist dieser eine Zuleitung auf, durch welche ein Prüfmedium zu einer Druckkammer geleitet wird. Ein Sensor innerhalb der Leitung ermittelt einen Prüfdruck, mit dem das Prüfmedium beaufschlagt wird. Der Prüfdruck bewirkt eine bekannte Druckänderung im Messelement, die mit einer tatsächlich am Messelement auftretenden Druckänderung verglichen wird. Aus Abweichungen zwischen der erfassten Druckänderung vom erwarteten Wert können Kalibrierdaten ermittelt werden.

[0004] 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 zu messenden Größe proportional ist.

[0005] 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 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.

[0006] Die Aufgabe für die vorliegende Erfindung besteht also darin, für diese Sensoren eine Prüfmöglichkeit beziehungsweise eine Kalibriermöglichkeit für deren Funktion 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.

[0007] Dies wird bei einem Sensor der eingangs angeführten Art dadurch erzielt, dass ein Messgrößenwandler vorgesehen ist, der eine zur Belastung proportionale Messgröße, wie Beschleunigung, Wegänderung, oder Moment, in die auf das Messelement wirkende Belastung wandelt. Das eingangs angeführte Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass eine zur Belastung proportionale Messgröße, wie Beschleunigung, Wegänderung, oder Moment, in die auf das Messelement wirkende Belastung gewandelt wird. Vorteilhafte Ausführungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

[0008] Der Sensor ist mit einer Prüfstruktur beziehungsweise einer Kalibrierstruktur ausgestattet, die einen über ein druckübertragendes Fluid, Gas oder Flüssigkeit, in den Sensor geleiteten Prüfdruck beziehungsweise Kalibrierdruck in eine auf das Messelement wirkende Prüf- bezie- 1/8 österreichisches Patentamt AT 507 287 B1 2011-02-15 hungsweise Kalibrierkraft auf das Messelement umsetzt. Dabei ist die zu messende Größe eine Kraft oder eine Größe wie zum Beispiel Beschleunigung oder Weg, die durch Bauteile des Sensors in Kraft umgewandelt wird, wobei das Messelement, das ist das 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.

[0009] Die Prüfstruktur besteht aus einem vom Prüfdruck/Kalibrierdruck belasteten Kolben, der sich am Messelement abstützt, wobei andere Sensorbereiche gegen den Prüfdruck abgedichtet sein können, beispielsweise mittels einer Membrane. Der Prüfdruck wird im Sensor durch eine Druckleitung an den Kolben geleitet, wobei idealerweise eine Verbindung mit einer externen Druckversorgung dadurch erfolgt, dass sich die Druckleitung des Sensors und eine von einer externen Druck Versorgung kommende, in der Montagestelle angeordnete Leitung, in einer Montagefläche treffen, sodass durch die Sensormontage auch die Verbindung der Druckleitungen hergestellt wird.

[0010] 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/Rekalibrierung des Sensors dienen. Jedenfalls ist durch die zusätzlich aufgebrachte innere Prüf-/Kalibrierlast auf das Messelement der Kontakt zur zu messenden Größe nicht gestört und nie unterbrochen, das heißt die Prüfung/Kalibrierung erfolgt bei laufender, ungestörter Messung.

[0011] Sensordemontagen zur Prüfung oder Kalibrierung des Sensors bleiben damit erspart.

[0012] Die Figuren 1 bis 3 zeigen Beschleunigungssensoren mit eingebauter Kalibrierstruktur, [0013] Fig.4 [0014] Fig. 5 [0015] Fig. 6 [0016] Fig. 7 einen erfindungsgemäßen Kraftsensor, einen erfindungsgemäßen Wegsensor, zeigt ein sich langsam änderndes Kraftsignal, dass von einem Prüfpuls überlagert wird, und ein sich schnell änderndes Signal mit einem vergleichsweise langsamen Prüfpuls.

[0017] Der Sensor in Fig. 1 ist für 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, 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 Ringkanalumfangs einmünden darf. Die Mess-Masse 6 wirkt in diesem Beispiel als Druckkolben und als Krafteinleitung zum Messelement 7. Durch Belastung des Druckkol-ben/Mess-Masse/Druckeinleitungsteil mit dem Prüfdruck wird eine Prüfkraft auf das Messelement 7 erzeugt. Eine Dichtmembrane 8 dichtet das Messelement 7 gegen Störungen durch das Druckmedium ab.

[0018] In Fig. 2 ist ein ähnlicher Beschleunigungssensor dargestellt, wobei wiederum die Mess-Masse 6 als Druckkolben und Krafteinleitungsteil dient, die 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.

[0019] Im Sensor nach Fig. 3 wird die von einer Kolbenplatte 11 und anschließender Dichtmembrane 8 am Montage-Ende des Sensors erzeugte Prüfkraft über ein Kraftübertragungselement 12 zur Messmasse 6 und damit zum Messelement 7 geführt.

[0020] Fig. 4 zeigt einen Kraftsensor, der zum Kalibrieren des darin enthaltenen Kraftmessele- 2/8

Claims (10)

1. österreichisches Patentamt AT 507 287 B1 2011-02-15 mentes dieselbe Prüfstruktur aufweist wie der Beschleunigungssensor nach Fig. 3. [0021] Fig. 5 zeigt einen Wegsensor, der zum Kalibrieren des darin enthaltenen Kraftmesselementes dieselbe Prüfstruktur aufweist wie der Beschleunigungssensor nach Fig. 3. [0022] Fig. 6a zeigt beispielhaft einen Signalverlauf des Messsignals, der sich über der Zeit relativ langsam ändert. Wird dieser Verlauf von einem Prüfpuls nach Fig. 6b überlagert, so ergibt sich ein gesamter gemessener Verlauf gemäß Fig. 6c aus der Summe 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 Prüfbeziehungsweise Kalibrierpuls bewirkte Signaländerung sein muss. [0023] Stimmt die Höhe der gemessenen Signaländerung am Messelement nicht mit der erwarteten überein, kann man auf fehlerhaftes Verhalten des Messelementes schließen oder die Kalibrierkonstante für das Messelement so ändern, dass das zum Prüfpuls erwartete Messsignal wieder in der richtigen Höhe erscheinen. Der Prüfpuls hat idealerweise zumindest eine sehr steile Flanke, sodass die Auswertung der durch den Prüfpuls bewirkten Messsignaländerung auch noch an Messsignalen mit deutlichen Gradienten möglich ist. [0024] 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 gemäß Fig. 7b der Art 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 Sollhöhe des Prüfpulses vergleichen kann, beziehungsweise ein periodisch veränderlicher Prüfdruckverlauf, dessen Frequenz wesentlich kleiner ist als die Frequenz des eigentlichen Messsignals. Patentansprüche 1. Sensor, mit einem Gehäuse (9; 9a, 9b), einem Messelement (7) zum Messen einer auf das Messelement (7) wirkenden Belastung, die in ein Sensorausgangssignal umgewandelt wird, und einer Prüf- bzw. Kalibriereinrichtung mit einer Druckleitung für ein druckübertragendes Medium, das einen Prüfdruck aufweist, der über ein krafteinleitendes Teil bzw. einen Druckkolben (11) in eine auf das Messelement (7) wirkende Prüf- bzw. Kalibrierkraft umgesetzt wird, die ein dem eigentlichen Messsignal überlagertes Prüf- bzw. Kalibriersignal erzeugt, wobei eine Abweichung zwischen einer gemessenen und einer erwarteten Signaländerung am Messelement (7) zur Überprüfung bzw. Rekalibrierung des Sensors dient, dadurch gekennzeichnet, dass ein Messgrößenwandler (6, 14) vorgesehen ist, der eine zur Belastung proportionale Messgröße, wie Beschleunigung, Wegänderung, oder Moment, in die auf das Messelement (7) wirkende Belastung wandelt.
2. 2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Messgrößenwandler (6, 14) zum Wandeln einer Beschleunigung in die Belastung eine mit dem Messelement (7) verbundene Messmasse (6) aufweist.
3. 3. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Messgrößenwandler (6, 14) zum Wandeln einer Wegänderung in die Belastung ein elastisches Teil (14) aufweist, das mit dem Messelement (7) verbunden ist.
4. 4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckleitung für das druckübertragende Medium eine zu einer Montagefläche (10) des Sensors führende Zulaufbohrung (3c) aufweist, die im montierten Zustand des Sensors mit einer der Zulaufbohrung (3c) gegenüberliegenden Druckversorgungsleitung (3a) in der Montagestelle verbunden ist.
5. 5. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement (7) mittels einer Dichtmembrane (8) gegen Störungen durch das druckübertragende Medium abgedichtet ist. 3/8 österreichisches Patentamt AT 507 287 B1 2011-02-15
6. 6. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das krafteinleitende Teil bzw. der Druckkolben (11) über ein Kraftübertragungsteil (12) mit dem Messelement (7) verbunden ist.
7. 7. Verfahren zum Prüfen bzw. Kalibrieren eines Sensors, wobei eine auf ein Messelement (7) wirkende Belastung gemessen wird, die in ein Sensorausgangssignal umgewandelt wird, und ein druckübertragendes Medium zugeleitet wird, das einen Prüfdruck aufweist, der in eine auf das Messelement (7) wirkende Prüf- bzw. Kalibrierkraft umgesetzt wird, die ein dem eigentlichen Messsignal überlagertes Prüf- bzw. Kalibriersignal erzeugt, wobei eine Abweichung zwischen einer gemessenen und einer erwarteten Signaländerung am Messelement (7) zur Überprüfung bzw. Rekalibrierung des Sensors dient, dadurch gekennzeichnet, dass eine zur Belastung proportionale Messgröße, wie Beschleunigung, Wegänderung, oder Moment, in die auf das Messelement (7) wirkende Belastung gewandelt wird.
8. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch einen Druckpuls des druckübertragenden Mediums ein Prüf- bzw. Kalibriersignal erzeugt wird, das einen im Vergleich zum eigentlichen Messsignal anderen Signalverlauf, insbesondere zumindest eine steilere Signalflanke als das eigentliche Messsignal, aufweist, so dass das Prüf- bzw. Kalibriersignal als Überlagerung zum eigentlichen Messsignal klar erkennbar ist.
9. 9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein sich zeitlich relativ langsam änderndes Messsignal mit einem Prüf- bzw. Kalibrierpuls mit einer vergleichsweise kurzen Pulslänge überlagert wird.
10. 10. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Prüf- bzw. Kalibriersignal Zeitabschnitte mit weitestgehend konstantem Signalwert über eine Reihe von periodischen Signalpulsen des eigentlichen Messignals aufweist, vorzugsweise in Form sehr langer Rechteckpulse, oder einer einmaligen Änderung des Druckniveaus, oder eines periodisch veränderlichen Verlaufs des Prüf- bzw. Kalibriersignals, dessen Frequenz wesentlich kleiner als die Frequenz des eigentlichen Messsignals ist. Hierzu 4 Blatt Zeichnungen 4/8