CH705469A1 - Drucksensor mit Überlastschutz. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Drucksensor (1) mit Überlastschutz zum Messen von hohen Drücken, umfassend ein Gehäuse (3) mit einem Messelement (4) und ein stirnseitiges, kreisförmiges Dichtelement (5) mit einer mittigen Achse A, wobei das Dichtelement (5) an seinem äusseren Auflager (6) mit dem Gehäuse (3) dicht verbunden ist und in ihrem mittleren Bereich (7) einen Druckstempel (8) aufweist, hinter welchem, in Druckrichtung (P) betrachtet, das Messelement (4) angeordnet ist. Das Dichtelement (5) weist radial ausserhalb des Druckstempels (8) eine radial ausgestaltete Membran (9) auf, welche an ihrem äusseren Ende (10) direkt oder indirekt dicht mit dem Gehäuse (3) verbunden ist und welche zulässt, dass sich der Druckstempel (8) entsprechend einer axialen Druckeinwirkung von aussen in Richtung Messelement (4) bewegen kann. Erfindungsgemäss ist axial hinter dieser Membran (9), in Druckrichtung (P) betrachtet hinter einem Spalt (13) ein fester Anschlag (11) zum Abstützen der Membran (9) angeordnet, wobei bei Überlast auf den Druckstempel (8) die Membran (9) am Anschlag (11) mindestens teilweise abgestützt und dadurch vor Überdehnung geschützt ist.

Description

Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung betrifft einen Drucksensor mit Überlastschutz zum Messen von hohen Drücken, umfassend ein stirnseitiges, kreisförmiges Dichtelement mit einer mittigen Achse A, ein Gehäuse und ein Messelement, wobei das Dichtelement an seinem äusseren Auflager mit dem Gehäuse dicht verbunden ist und in seinem mittleren Bereich einen Druckstempel aufweist, hinter welchem, in Druckrichtung betrachtet, das Messelement angeordnet ist, wobei das Dichtelement radial ausserhalb des Druckstempels eine radial ausgestaltete Membran aufweist, welche an ihrem äusseren Ende direkt oder indirekt dicht mit dem Gehäuse verbunden ist und welche zulässt, dass sich der Druckstempel entsprechend einer axialen Druckeinwirkung von aussen in Richtung Messelement bewegen kann.

Stand der Technik

[0002] Drucksensoren werden beispielsweise im Dauerbetrieb zu Überwachungszwecken eingesetzt, beispielsweise bei Grossdieselmotoren. Immer mehr wird dabei Durchbruchsicherheit gefordert, damit nicht Teile eines zerstörten Drucksensors den Druckraum verschmutzen und so einen Schaden anderer Komponenten im Druckraum verursachen. Andererseits wird die Durchbruchsicherheit auch gefordert, damit das Medium aus dem Druckraum nicht durch den defekten Sensor hindurch austreten kann. Überlast kann entweder durch unerwartet hohe Drücke im Druckraum zustande kommen oder durch ein Zerbrechen des Messkristalls, da in diesem Fall plötzlich der innere Gegendruck auf den Druckstempel wegfällt. Dadurch wird durch den normal anfallenden Druck im Druckraum der Druckstempel weit ins Innere des Sensors gedrückt, wodurch die Membran gedehnt wird, bis sie schliesslich bricht.

[0003] Eine Lösung dieses Problems ist beispielsweise in der WO 2009/015 941 beschrieben. Sie schlägt eine Dichtschulter vor, welche, im Falle eines Bruchs des Messkristalls, auf einem Messsitz zu liegen kommt, wodurch eine Keil-Klemmverbindung geschaffen werden soll. Durch diese so erreichte Abstützung soll die frontseitig dichtende Membran entlastet werden. Zudem wird eine Dichtung am hinteren Ende des Sensors vorgeschlagen, um den Austritt des Druckmediums zu verhindern, für den Fall, dass die Membran zuerst bricht.

[0004] Die Konstruktion ist sehr aufwändig und bietet zu wenig Sicherheit, da bei einem Bruch der Kristalle Bruchstücke davon in den Bereich der Dichtschulter gelangen können und so verhindern, dass die Keil-Klemmverbindung bei einem späteren Membranbruch zuverlässig abdichten kann.

Darstellung der Erfindung

[0005] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Drucksensor mit Überlastschutz eingangs angegebener Art anzugeben, der einfacher konstruiert ist und der im Fall einer Überbelastung zuverlässig verhindert, dass Medium aus dem Druckraum, insbesondere Verbrennungsgase, durch den Sensor hindurch austreten kann.

[0006] Die Aufgabe wird gelöst durch die Kennzeichen des ersten Patentanspruchs.

[0007] Die der Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, dass bei einem eingangs erwähnten Drucksensor axial hinter der radial ausgestalteten Membran, in Druckrichtung betrachtet, ein fester Anschlag derart nahe an dieser angeordnet ist, dass bei Überlast auf den Druckstempel die Membran am Anschlag flächig abgestützt ist. Vorzugsweise wird dadurch auch der Druckstempel axial arretiert. Dadurch kann die Membran nicht brechen, weil sie nicht weiter als bis zum Anschlag unter Druck gesetzt werden kann. Dabei wird der Druckstempel arretiert, sodass selbst bei Überlast der Sensor nicht weiter unter Druck gesetzt werden kann.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0008] Im Folgenden wird die Erfindung unter Beizug der Zeichnungen näher erklärt. Es zeigen <tb>Fig. 1<sep>eine schematische perspektivische Darstellung eines Sensors im Aufschnitt nach dem Stand der Technik; <tb>Fig. 2<sep>ein Querschnitt einer schematischen Darstellung eines erfindungsgemässen Sensors; <tb>Fig. 3<sep>ein Querschnitt einer schematischen Darstellung eines erfindungsgemässen Sensors in einer alternativen Ausführung; <tb>Fig. 4<sep>ein Querschnitt einer schematischen Darstellung eines erfindungsgemässen Sensors mit zweiten inneren Membran; <tb>Fig. 5<sep>ein Querschnitt einer schematischen Darstellung eines erfindungsgemässen Sensor mit einer zweiten inneren Membran, in einer alternativen Ausführung; <tb>Fig. 6<sep>ein Querschnitt einer schematischen Darstellung eines erfindungsgemässen Sensors mit einer partiellen Membranauflage.

Wege zur Ausführung der Erfindung

[0009] Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben. Dieselben Referenzzahlen stehen jeweils für dieselben Komponenten/Sachverhalte.

[0010] Die Fig. 1 beschreibt einen Drucksensor zum Messen von hohen Drücken nach dem Stand der Technik, wobei in allen Figuren die Drucksensoren jeweils stark vereinfacht dargestellt sind und sich somit auf die die Erfindung erläuternden Merkmale beschränken. Als «vorne» oder «frontal» wird jeweils die dem Druck auszusetzende Seite des Sensors bezeichnet. Die Bezeichnungen sind für alle Figuren dieselben.

[0011] Der Drucksensor 1 umfasst ein Gehäuse 3, welches die stützende Struktur des Sensors 1 darstellt, mit einem sich darin befindenden Messelement 4 und einem stirnseitig angeordneten, kreisförmigen Dichtelement 5, welche im Gebrauch einem Druckraum 2 mit Druckrichtung P ausgesetzt ist. Der Drucksensor 1 ist im Wesentlichen rotationssymmetrisch um eine Achse A ausgestaltet.

[0012] Das Dichtelement 5 ist an seinem äusseren Auflager 6 dicht mit dem Gehäuse 3 verbunden und weist an seinem inneren Bereich 7 einen Druckstempel 8 auf, mit dem es einstückig oder mindestens formschlüssig, beispielsweise durch eine Schweissnaht, verbunden ist. In Druckrichtung P hinter diesem Druckstempel 8 ist das Messelement 4 angeordnet. Radial ausserhalb dieses Druckstempels 8 ist eine radial ausgestaltete Membran 9 angeordnet, welche direkt oder indirekt dicht mit dem Gehäuse 3 verbunden ist. Diese lässt zu, dass sich der Druckstempel 8 entsprechend der Höhe einer axial auf den Druckstempel 8 wirkende Last in Druckrichtung P bewegt und dadurch eine Kraft auf das Messelement 4 ausübt, die dem Druck im Druckraum 2 entspricht. Die Membran 9 ist in dieser Ausführung Teil des frontalen Dichtelements 5 und verbindet den inneren Bereich 7 mit dem äusseren Auflager 6. Sie ist direkt dem Druckraum ausgesetzt.

[0013] In der Regel sind die Messelemente 4 solcher Drucksensoren 1 unter Vorspannung eingebaut. Diese kann auf verschiedene Arten erreicht werden. Eine geeignete Möglichkeit ist die Verwendung einer Vorspannvorrichtung 12 in Form eines Vorspannrohres, das mit seinem hinteren Ende fest mit dem Gehäuse verbunden ist.

[0014] Die Membran 9 ist sehr viel dünner ausgestaltet als der Rest des Dichtelements 5, da sie flexibel sein muss und die axiale Bewegung des Stempels 8 unter Last zulassen muss.

[0015] Bei Überlast kann der Drucksensor 1 auf verschiedene Arten zerstört werden. Beispielsweise kann das Messelement 4 unter der grossen Last zerbrechen. Die Vorspannvorrichtung 12 zerbricht dann auch, da sie nur auf Zug, nicht aber auf Druck stabil ist. Als Folge des weit nach hinten in den Sensor hinein rückenden Druckstempels 8 bricht schliesslich auch die Membran 9. Dann ist der Sensor 1 nicht mehr dicht und Teile des Messelementes 4 können in den Druckraum 2 gelangen. Im schlechtesten Fall kann sogar auch der Druckstempel 8 abgelöst werden und den Druckraum 2 verschmutzen.

[0016] Bei Überlast kann auch erst die Membran 9 brechen, wenn sie einer zu hohen Last nicht standhält. Als Folge davon ist der Sensor 1 nicht mehr dicht, der Druck wirkt nicht mehr axial auf das Messelement 4 und beschädigt schliesslich auch dieses. Wieder bricht die Vorspannhülse 12, und wieder wird der Druckraum 2 verschmutzt. Vor allem aber beginnt der Druck in diesem Fall, sich einen Weg durch den nicht mehr dichten Drucksensor zu suchen, was zu einem «Durchblasen» führen kann, also zu einem Druckverlust im Druckraum. Dieser Fall muss vermieden werden.

[0017] In der erfindungsgemässen Anordnung eines Drucksensors 1 nach Fig. 2 sind alle genannten Merkmale der Anordnung nach Fig. 1ebenfalls vorhanden. Einzig ist axial hinter der Membran 9 hinter einem kleinen Spalt 13 ein fester Anschlag 11 angeordnet. Bei Überlast auf den Druckstempel kommt die Membran 9 flächig auf den Anschlag 11 zu liegen und stützt sich so auf diesem ab. Dadurch ist auch der Druckstempel 8 in axialer Richtung arretiert. Das Dichtelement 5 wird dadurch nicht weiter beansprucht, ungeachtet dessen, wie hoch der Überdruck sein mag. Das Messelement 4 ist geschützt und wird nicht durch eine Überlast zerstört. Sobald die Überlast nachlässt, arbeitet der Drucksensor wieder weiter, ohne durch die zeitweise vorherrschende Überlast zerstört oder beschädigt zu werden.

[0018] Sollte aus irgendeinem Grund das Messelement 4 zerbrechen, beispielsweise wegen eines Materialfehlers, so würde der Druckstempel 8 durch das Aufliegen der Membran arretiert werden. Es würde nicht zum Dichtelementbruch kommen, der Sensor wäre stets noch dicht und der Brennraum nicht verschmutzt.

[0019] Wichtig ist, dass der Spalt 13 richtig ausgelegt ist, damit der Messbereich nicht eingeschränkt ist, die Bruchfestigkeit des Dichtelements 5 aber gewährleistet ist. Der feste Anschlag 11 ist vorzugsweise direkt mit dem Gehäuse 3 verbunden oder sogar aus diesem heraus geformt.

[0020] In Fig. 3 ist eine alternative Ausführung der Fig. 2dargestellt, bei der die rückseitige Fläche 17 der Membran 9, vom Druckraum 2 her betrachtet, flach ausgestaltet ist. Dadurch kann der Anschlag 11 ebenfalls flach ausgestaltet sein, was die Produktionskosten senkt und die Genauigkeit des Spaltabstandes 13 vereinfacht. Der Spalt 13 muss nicht überall gleich ^breit sein. Wichtig ist das Spaltmass 13 nahe dem Druckstempel 8, da sich dieser relativ zum Gehäuse 3 bewegt.

[0021] Auch in dieser Anordnung ist das Dichtelement 5 gegen Überlast geschützt.

[0022] In Fig. 4 ist ein erfindungsgemässer Drucksensor 1 in alternativer Anordnung dargestellt. Hier ist die Membran 9 ́ als zweite Membran axial hinter der frontseitigen Membran 9 angeordnet und im Gegensatz zu den früher beschriebenen Anordnungen nicht direkt mit dem äusseren Auflager 6 des Dichtelements 5 verbunden.

[0023] In dieser Anordnung ist die Vorspannvorrichtung 12 durch ein druckfestes Rohr 14 ausgestaltet, das ebenfalls fest an seinem hinteren Ende 15 mit dem Gehäuse 3 verbunden ist. Sein dem hinteren Ende 15 entgegen gesetzten vorderes Ende bildet den festen Anschlag 11, an welchem das radial äussere Ende 10 ́ der Membran 9 ́ dicht angebracht ist, wobei zwischen Membran 9 ́ und dem festen Anschlag 11 wiederum ein Spalt 13 vorgesehen ist. Auch hier wird dieser Spalt 13 bei Überlast zusammengedrückt, wodurch die Membran 9 ́ am Anschlag 11 flächig anliegt und den Druckstempel 8 dadurch auch axial abstützt. Je nach Konstruktion kann die Membran 9 ́ an einem radial nach aussen ausgestalteten Kragen 16 des druckfesten Rohres 14 befestigt sein.

[0024] In Fig. 5 ist eine weitere alternative Anordnung eines erfindungsgemässen Drucksensors 1 dargestellt. Diese entspricht der Anordnung nach Fig. 4, wobei das druckfeste Rohr 14 entfällt und die hintere Membran 9 ́ direkt am Gehäuse 3 angebracht ist. Die Vorspannung wird hier durch die Membran 9 ́ erreicht, welche den Sensor 1, zusätzlich zum frontalen Dichtelement 5, abdichtet.

[0025] Auch in den Anordnungen nach Fig. 4und 5ist das Messelement 4 vor Überlast geschützt. Ein allfälliger Bruch des Messelements 4 aus anderem Grund, beispielsweise wegen eines Materialfehlers, würde nicht zu einem Bruch des Dichtelements 5 führen. Der Sensor 1 wäre auch in diesen Varianten stets dicht, Splitter vom Kristall des Messelements 4 können nicht in den Druckraum 2 gelangen. Selbst wenn das Dichtelement aus irgendeinem Grund brechen sollte, wäre der Sensor 1 dicht und der Kristall geschützt, sodass kein «Durchblasen» des Sensors befürchtet werden müsste. Der Druckstempel hingegen wäre auch in diesem Fall stets fest mit dem Gehäuse verbunden.

[0026] In Fig. 6 ist eine weitere erfindungsgemässe Ausführung beschrieben. Sie entspricht weitgehend den Versionen der Fig. 2und 3, ist aber kostengünstiger herzustellen. Das Gehäuse 3 kann auf der Seite zum Dichtelement 5 hin plan ausgestaltet sein, wie in Fig. 3. Die Membran 9 liegt hier aber nicht wie in Fig. 3 vollflächig am Anschlag 22 des Gehäuses an, sondern nur partiell. Zu diesem Zweck ist der zentrale Bereich 19 der Membran 9 verstärkt ausgestaltet. Dicht hinter diesem verstärkten Bereich 19, hinter einem dünnen Spalt 13, ist der feste Anschlag 11 am Gehäuse angebracht, der wie in den anderen Fällen die Stütze übernimmt, sobald Überlast auftritt oder sobald beispielsweise das Messelement zerbröckelt und dadurch keinen Widerstand mehr gegen den Druck im Druckraum 2 leisten kann. Auch in diesem Fall ist die Membran 9 in Druckrichtung P abgestützt. Sie weist zwei flexible Bereiche 20, 20 ́ auf, welche die Funktion der Membran 9 übernehmen, namentlich die flexible Führung des Druckstempels 8. Der Vorteil an dieser Anordnung ist die einfachere Abstimmung des Spaltes 13, sowie die einfachere Herstellung des frontalen Dichtelements 5.

[0027] Bei allen erfindungsgemässen Varianten ist vorteilhaft, wenn ein Absatz 18 des Druckstempels bei Überlast direkt auf dem festen Anschlag 11 hinter dem Spalt 13 zum Aufliegen kommt. So wird gewährleistet, dass die Membran 9 keine zusätzliche Spannung aufnehmen muss.

[0028] Im Beispiel der Fig. 6ist der innere Membranbereich 20 ́ viel kleiner und daher steifer ausgestaltet als der äussere Bereich 20, wodurch er viel robuster und widerstandsfähiger ist als der äussere. Somit ist das Risiko eines Bruchs in diesem Bereich 20 ́ sehr gering. Um einen Bruch aber gänzlich auszuschliessen kann, wie im linken Teil der Fig. 6dargestellt, am Druckstempel 8 ebenfalls ein Absatz 18 vorgesehen werden, welcher hinter einem Spalt 13 einem Anschlag 11 gegenüber liegt. So wird auch in dieser Anordnung ein Membranbruch vermieden und ein Durchblasen des Drucksensors bei Überlast zuverlässig verhindert.

Bezugszeichenliste

[0029] <tb>1<sep>Drucksensor <tb>2<sep>Druckraum <tb>3<sep>Gehäuse <tb>4<sep>Messelement <tb>5<sep>Dichtelement, frontales Dichtelement <tb>6<sep>Äusseres Auflager des Dichtelements <tb>7<sep>Innerer Bereich des Dichtelements <tb>8<sep>Druckstempel <tb>9, 9 ́<sep>Membran <tb>10, 10 ́<sep>Äusseres Ende der Membran <tb>11<sep>Fester Anschlag <tb>12<sep>Vorspannvorrichtung <tb>13<sep>Spalt <tb>14<sep>Druckfestes Rohr <tb>15<sep>Hinteres Rohrende <tb>16<sep>Radial nach aussen ausgestalteter Kragen <tb>17<sep>Rückseitige Fläche der Membran <tb>18<sep>Absatz <tb>19<sep>Zentraler Bereich der Membran <tb>20, 20 ́<sep>Flexible Bereiche <tb>A<sep>Achse <tb>P<sep>Druckrichtung im Druckraum

Claims (10)

1. Drucksensor (1) mit Überlastschutz zum Messen von hohen Drücken, umfassend ein Gehäuse (3) mit einem Messelement (4) und ein stirnseitiges, kreisförmiges Dichtelement (5) mit einer mittigen Achse A, wobei das Dichtelement (5) an seinem äusseren Auflager (6) mit dem Gehäuse (3) dicht verbunden ist und in ihrem mittleren Bereich (7) einen Druckstempel (8) aufweist, hinter welchem, in Druckrichtung (P) betrachtet, das Messelement (4) angeordnet ist, wobei das Dichtelement (5) radial ausserhalb des Druckstempels (8) eine radial ausgestaltete Membran (9, 9 ́) aufweist, welche an ihrem äusseren Ende (10, 10 ́) direkt oder indirekt dicht mit dem Gehäuse (3) verbunden ist und welche zulässt, dass sich der Druckstempel (8) entsprechend einer axialen Druckeinwirkung von aussen in Richtung Messelement (4) bewegen kann, dadurch gekennzeichnet, dass axial hinter dieser Membran (9, 9 ́), in Druckrichtung (P) betrachtet hinter einem Spalt (13), ein fester Anschlag (11) zum Abstützen der Membran (9, 9 ́) angeordnet ist, wobei bei Überlast auf den Druckstempel (8) die Membran (9, 9 ́) am Anschlag (11) mindestens teilweise abgestützt und dadurch vor Überdehnung geschützt ist.

2. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überlast auch der Druckstempel (8) durch Abstützung am Anschlag (11) axial arretiert wird.

3. Drucksensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überlast auf den Druckstempel (8) die Membran (9, 9 ́) am Anschlag vollflächig abgestützt und vor Überdehnung geschützt ist.

4. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (9) den Druckstempel (8) mit dem Auflager (6) verbindet.

5. Drucksensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (9 ́) Teil einer Vorspannvorrichtung (12) ist, welche das Messelement (4) in vorgespanntem Zustand hält.

6. Drucksensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (9 ́) an ihrem radial äusseren Ende mit einem druckfesten Rohr (14) fest verbunden ist, wobei das Rohr (14) an seinem axial hinteren Ende (15) dicht am Gehäuse (3) angebracht ist.

7. Drucksensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der feste Anschlag (11) an einem radial nach aussen ausgestalteten Kragen (16) am axial vorderen Ende des Rohres ausgestaltet ist.

8. Drucksensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (9 ́) an ihrem radial äusseren Ende dicht mit dem Gehäuse verbunden ist.

9. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die rückseitige Fläche (17) der Membran (9, 9 ́), in Druckrichtung (P) betrachtet, eben ausgestaltet ist.

10. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckstempel (8) in radialer Verlängerung der Membran (9, 9 ́) einen Absatz (18) aufweist, welcher sich bei Überlast ebenfalls am festen Anschlag (11) abstützt.