BESCHREIBUNG
Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Druckund Kraftmessung mit einem Gehäusekörper und einer die offene Seite des Gehäusekörpers überspannenden Membran, einem Gehäusekörperboden, der einen kreisringförmigen Bereich mit geringer Dicke und einen zentralen Teil aufweist, dessen Oberfläche in der Ebene des Randes des Gehäusekörpers liegt und ein tellerförmiges Ende trägt, das an der druckabgekehrten Seite an der Membran flächenförmig anliegt.
Für die Messung von Drücken sind Vorrichtungen wie Druckdosen bekannt, die druckseitig mit einer Membran verschlossen sind. Bei Belastung werden mittels Dehnmessstreifen entweder direkt die an der Membran entstehenden Verformungen oder die an einem mit der Membran verbundenen Biegebalken gemessen.
Bei der EP-Al-0094446 erfolgt die Messung direkt an der als Messelement dienenden Membran, die die Form einer Kreisplatte aufweist und mit einem umlaufenden zylindermantelförmigen Rand zur Befestigung am Gehäusekörper versehen ist. Die Messung des von aussen auf die Membran wirkenden Druckes geschieht mit entlang der Peripherie und im Zentrum angebrachten Dehnmesstreifen, die in bekannter Weise zu einer Wheatstoneschen Brücke verschaltet sind. In geringem Abstand zur Membran ist im Innern des Gehäusekörpers eine Anschlagschraube angebracht, an der der zentrale Bereich der Membran bei Überlast anzuliegen kommt. Bei diesem bekannten Druckaufnehmer ist die Membran bei sehr grosser Überlast nur ungenügend gegen plastische Verformung geschützt, da die ausserhalb der Anschlagschraube liegende Kreisringfläche nicht abgestützt ist.
Zudem, ist die Linearität der an der Membran gemessenen Werte im Messbereich für hohe Anforderungen ungenügend.
In der US-A4 543 832 erfolgt die Druckmessung über eine druckseitig beaufschlagte folienförmige Membran, an deren Innenseite im Zentrum der Membran eine mit dieser fest verbundenen Kraftübertragungsplatte eingesetzt und mit einem Biegebalken verbunden ist und den an der Membran in eine Kraft umgewandelten Druck auf den Biegebalken überträgt.
Zum Schutz gegen Überlast ist an der Kraftübertragungsplatte ein Kragen aufgesetzt, der bei Überschreiten eines vorgegebenen Druckes, bzw. nach Zurücklegung eines entsprechenden Weges am Gehäusekörper der Druckmessvorrichtung anzuliegen kommt. Eine schädliche Verbiegung des Biegebalkens wird damit verhindert, hingegen erfolgt die Kraftaufnahme und -messung nicht durch eine empfindliche Membran, sondern durch den Biegebalken mit geringerer Federkonstante.
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, löst die Aufgabe, einen hydraulischen Druck in eine Kraft zu übersetzen, welche auf das Sensorenelement wirkt, wobei das Sensorelement membranartig ausgestaltet und vollständig gegen Überlast gesichert ist, indem der Rand des tellerförmigen Endes des Druckübersetzers in einem geringen Abstand zu einem umlaufenden Absatz am Gehäusekörper angeordnet ist.
Bei Überlast verhindert der wegbegrenzende Anschlag am Gehäusekörper eine plastische Verformung des kreisringförmigen Bereiches des Bodens des Gehäusekörpers.
Anhand illustrierter Ausführungsbeispiele wird die Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 einen Querschnitt durch einen rotationssymmetrischen Druckaufnehmer, unbelastet,
Figur 2 einen Querschnitt durch einen rotationssymmetrischen Druckaufnehmer, belastet und
Figur 3 eine weitere Ausführungsform der Erfindung zur Messung eines Differenzdruckes.
Auf dem Rand 1 eines topfförmigen, rotationssymmetrisch ausgebildeten Gehäusekörpers 3 einer Vorrichtung 5 zur Druck- und Kraftmessung ist eine vorzugsweise entlang der Peripherie mit konzentrischen Sicken versehene Membran 7 ausgesetzt und entlang der kreisringförmigen Kontaktfläche mit dem Rand 1 verbunden. Im zentralen, flachen Bereich ist die Membran 7 mit dem tellerförmig ausgebildeten Ende 9 eines Druckübersetzers 11 verbunden. Der zentrale Abschnitt 13 des Druckübersetzers 11 ist Teil des Gehäuses, dessen Boden 15 im kreisringförmigen Bereich 17 zwischen dem Abschnitt 13 und dem Rand 1 des Gehäusekörpers nur ca. 200 Mikrometer dick ist.
Auf der Unterseite des Bodens 15 sind jeweils unterhalb des dünnen Bereiches 17 Dehnmesselemente 19, 20 angeordnet. Die Dehnmesselemente 19, 20 sind vorzugsweise direkt in bekannter Weise als dünne Filme auf dem Boden 15 aufgebracht und zu einer Wheatstoneschen Brücke verschaltet worden. Die Herstellung der Dünnfilm-Dehnmesselemente 19,20 und deren Verschaltung sind nicht Gegenstand dieser Erfindung und werden als bekannt vorausgesetzt.
Die Peripherie des tellerförmigen Endes 9 des Druckübersetzters 11, dessen Durchmesser D grösser ist als der Innendurchmesser d des Gehäusekörpers 3, liegt in geringem Abstands von einem umlaufenden Absatz 21 am Rand 1.
Der Betrag des Abstandes s ist kleiner als der vom Druck übersetzer 11 zurücklegbare Weg, ohne dass dabei im Bereich 17 des Bodens 15 eine bleibende Deformation bewirkt wird.
Das tellerförmige Ende 9 kann mit dem zylindrischen Teil 13 verschraubt oder verleimt sein. Selbstverständlich kann die Verbindung des tellerförmigen Endes 9 mit dem zylindrischen Teil 13 auch in der Nähe des Bodens 15 erfolgen.
Eine Bohrung 23 ermöglicht einen Druckausgleich zwischen der Atmosphäre und dem Innenraum 25 des Gehäusekörpers 3.
In Figur 2 liegt membranseitig ein über den Messbereich der Vorrichtung 5 hinausgehender Druck pl vor. Durch die Membran 7 wird der Druckübersetzer 11 nach unten gedrückt und liegt auf dem Absatz 21 auf. Die Verformung des dünnen kreisringförmigen Bereiches 17 liegt noch innerhalb der unschädlichen elastischen Zone. Gut sichtbar ist dabei in der Darstellung nach Figur 2 die Verbiegung des Bereiches 17, wobei das Dehnmesselement 19 gestaucht und das Element 20 gestreckt wird. Die beiden Ränder des kreisringförmigen Bereiches 17 sind vom umgebenden Material des Gehäusekörpers 3 festgehalten, so dass die Verformung nicht abrupt, sondern allmählich beginnt. Je nach der Grösse der Radien R1 und R2 kann der Biegeradius entlang der Ränder des Bereiches 17 verändert und damit die Dehnmesselemente 19, 20 entsprechend mehr oder weniger gedehnt, bzw. gestaucht werden.
In der Figur 3 ist die Vorrichtung als Differenzdruckmesser ausgestaltet.
Zusätzlich zur Membran 7 auf der in Figur 3 obenliegenden Seite ist auch auf der Unterseite eine Membran 7 am Rand 2 des Gehäusekörpers 3 befestigt. Eine mit einer ringförmigen Nut 25 versehene Scheibe 27 ist mit dem im Zentrum des kreisringförmigen Bereiches 17 liegenden Teiles des Bodens 15 des Gehäusekörpers 3 verbunden. Der periphere Bereich 29 der Scheibe 27 liegt analog dem peripheren Bereich des tellerförmigen Endes 9 in einem Abstand s von der Oberfläche des Bodens 15.
Bei Überlast pl auf der Unterseite der Vorrichtung 5 gelangt der Bereich 29 in Anlage mit dem Boden 15 des Gehäusekörpers 3 und verhindert eine plastische Verformung des empfindlichen Bereiches 17.
Das tellerförmige Ende 9 und die Scheibe 27 sind vorzugsweise mit planen Auflageflächen versehen, die exakt parallel liegen. Die Abstände s zur Begrenzung des Weges des Druck übersetzers 11 werden durch Einlagen 31 aus Metallfolien festgelegt. Die Einlagen 31 werden eingeleimt oder durch das das tellerförmige Ende 9 und die Scheibe 27 am zentralen Teil 13 des Gehäusekörpers 3 haltende Befestigungsmittel 33 festgeklemmt.
DESCRIPTION
The invention relates to a device for pressure and force measurement with a housing body and a membrane spanning the open side of the housing body, a housing body bottom which has an annular region with a small thickness and a central part, the surface of which lies in the plane of the edge of the housing body and a plate-shaped end that rests flat on the opposite side of the membrane.
For the measurement of pressures, devices such as pressure cans are known which are closed on the pressure side with a membrane. When loaded, strain gauges are used to measure the deformations on the membrane or on a bending beam connected to the membrane.
In EP-Al-0094446, the measurement is carried out directly on the membrane serving as the measuring element, which has the shape of a circular plate and is provided with a circumferential cylindrical jacket-shaped edge for attachment to the housing body. The measurement of the pressure acting on the membrane from the outside takes place with strain gauges attached along the periphery and in the center, which are connected in a known manner to form a Wheatstone bridge. A stop screw is attached to the inside of the housing body at a short distance from the diaphragm, against which the central area of the diaphragm comes to rest in the event of an overload. In this known pressure sensor, the membrane is only insufficiently protected against plastic deformation in the event of a very large overload, since the circular ring surface lying outside the stop screw is not supported.
In addition, the linearity of the values measured on the membrane in the measuring range is insufficient for high requirements.
In US-A4 543 832, the pressure measurement is carried out via a film-shaped membrane on the pressure side, on the inside of which a force transmission plate which is firmly connected to this is inserted in the center of the membrane and connected to a bending beam, and the pressure on the bending beam converted into a force on the membrane transmits.
To protect against overload, a collar is placed on the power transmission plate, which comes to rest on the housing body of the pressure measuring device when a predetermined pressure is exceeded or after a corresponding path has been covered. This prevents damaging bending of the bending beam, however, the force absorption and measurement is not carried out by a sensitive membrane, but by the bending beam with a lower spring constant.
The invention seeks to remedy this. The invention, as characterized in the claims, achieves the task of translating a hydraulic pressure into a force which acts on the sensor element, the sensor element being designed like a membrane and being completely secured against overload by the edge of the plate-shaped end of the pressure intensifier is arranged at a short distance from a circumferential shoulder on the housing body.
In the event of an overload, the path-limiting stop on the housing body prevents plastic deformation of the annular region of the bottom of the housing body.
The invention is explained in more detail on the basis of illustrated exemplary embodiments.
Show it:
FIG. 1 shows a cross section through a rotationally symmetrical pressure sensor, unloaded,
Figure 2 shows a cross section through a rotationally symmetrical pressure transducer, loaded and
Figure 3 shows another embodiment of the invention for measuring a differential pressure.
On the edge 1 of a cup-shaped, rotationally symmetrical housing body 3 of a device 5 for pressure and force measurement, a membrane 7, preferably provided with concentric beads along the periphery, is exposed and connected to the edge 1 along the annular contact surface. In the central, flat area, the membrane 7 is connected to the plate-shaped end 9 of a pressure booster 11. The central section 13 of the pressure booster 11 is part of the housing, the bottom 15 of which is only about 200 micrometers thick in the annular region 17 between the section 13 and the edge 1 of the housing body.
On the underside of the base 15, 17 strain gauges 19, 20 are arranged below the thin area. The strain gauges 19, 20 are preferably applied directly in a known manner as thin films on the floor 15 and connected to form a Wheatstone bridge. The production of the thin film strain gauges 19, 20 and their interconnection are not the subject of this invention and are assumed to be known.
The periphery of the plate-shaped end 9 of the pressure booster 11, the diameter D of which is larger than the inner diameter d of the housing body 3, lies at a short distance from a circumferential shoulder 21 at the edge 1.
The amount of the distance s is smaller than the path covered by the pressure intensifier 11, without permanent deformation being effected in the region 17 of the base 15.
The plate-shaped end 9 can be screwed or glued to the cylindrical part 13. Of course, the connection of the plate-shaped end 9 to the cylindrical part 13 can also take place in the vicinity of the base 15.
A bore 23 enables pressure equalization between the atmosphere and the interior 25 of the housing body 3.
In FIG. 2, there is a pressure p 1 on the membrane side beyond the measuring range of the device 5. The pressure intensifier 11 is pressed down by the membrane 7 and rests on the shoulder 21. The deformation of the thin annular region 17 is still within the harmless elastic zone. The bending of the region 17 is clearly visible in the illustration according to FIG. 2, the strain measuring element 19 being compressed and the element 20 being stretched. The two edges of the annular region 17 are held in place by the surrounding material of the housing body 3, so that the deformation does not begin abruptly but gradually. Depending on the size of the radii R1 and R2, the bending radius can be changed along the edges of the area 17 and the strain gauges 19, 20 can accordingly be expanded or compressed accordingly.
In Figure 3, the device is designed as a differential pressure meter.
In addition to the membrane 7 on the top side in FIG. 3, a membrane 7 is also attached to the underside 2 on the edge 2 of the housing body 3. A disk 27 provided with an annular groove 25 is connected to that part of the base 15 of the housing body 3 which lies in the center of the annular region 17. The peripheral region 29 of the disk 27 is analogous to the peripheral region of the plate-shaped end 9 at a distance s from the surface of the bottom 15.
In the event of an overload p1 on the underside of the device 5, the area 29 comes into contact with the bottom 15 of the housing body 3 and prevents plastic deformation of the sensitive area 17.
The plate-shaped end 9 and the disc 27 are preferably provided with flat contact surfaces which are exactly parallel. The distances s to limit the path of the pressure translator 11 are determined by deposits 31 made of metal foils. The inserts 31 are glued in or clamped by the fastening means 33 holding the plate-shaped end 9 and the disk 27 on the central part 13 of the housing body 3.