DE10003569A1

DE10003569A1 - Verfahren zum Betreiben und Linearisieren eines Drucksensors

Info

Publication number: DE10003569A1
Application number: DE2000103569
Authority: DE
Inventors: Godert De Jager; Christof Lexer
Original assignee: BIRCHER AG BERINGEN
Current assignee: Bircher Reglomat AG
Priority date: 2000-01-27
Filing date: 2000-01-27
Publication date: 2001-08-02

Abstract

Bei einem Verfahren zum Betreiben und Linearisieren eines Drucksensors o. dgl. mit einer Membran (5), welcher ein Signalgeber (7) zugeordnet ist, wobei bei Beaufschlagung der Membran (5) mit Druck der Signalgeber (7) gegen einen Sensor (10) bewegt wird, soll mittels einer sich bei Druckbeaufschlagung, ggf. stark wölbenden Membran (5) ein Ausgangssignal (S) des Sensors (10), insbesondere Hallsensor oder magnetostriktiver Sensor linearisiert werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben und Linearisieren eines Drucksensors od. dgl. mit einer Membran, welcher ein Signalgeber zugeordnet ist, wobei bei Beaufschlagung der Membran mit Druck der Signalgeber gegen einen Sensor bewegt wird sowie ein Drucksensor zum Durchführen des Verfahrens.

Derartige Verfahren zum Betreiben und Linearisieren eines Drucksensors sind in vielfältigster Form und Ausführung auf dem Markt bekannt und gebräuchlich.

Nachteilig ist dabei, dass die Ausgangssignale des Sensors, vorzugsweise eines Hallsensores, welcher mit einem Signalgeber zusammenwirkt, keine linearen Signale erzeugt.

Das Ausgangssignal des Hallsensors ist nicht proportional zum Abstand des Signalgebers.

Dabei müssen bei herkömmlich eingesetzten wellenartig ausgebildeten Membranen aufwendige Prozessoren dieses Ausgangssignal linearisieren, um exakte Drücke, Druckdifferenzen oder Druckimpulse messen zu können.

Ferner sind derartige Drucksensoren zur Messung von Drücken im mbar Bereich überdruckempfindlich und keinesfalls drucksicher im Betrieb.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zum Betreiben und Linearisieren eines Drucksensors sowie ein Drucksensor selbst zu schaffen, mit welchen die o. g. Nachteile beseitigt werden, und mit welchen insbesondere auf zusätzliche Einrichtungen, wie bspw. Software und Hardware zur Linearisierung eines Ausgangssignales des Hallsensors verzichtet werden kann, wobei zusätzlich die Überdrucksicherheit im Betrieb erreicht werden soll. Ferner soll der Drucksensor im Betrieb minimalste Druckänderungen und Druckimpuls änderungen exakt und proportional zum beaufschlagten Druck bestimmen können.

Zur Lösung dieser Aufgabe führt, dass mittels einer sich bei Druckbeaufschlagung, ggf. stark wölbenden Membran ein Ausgangssignal des Sonsors, insbesondere Hallsensor oder magnetostriktiver Sensor linearisiert wird.

Bei der vorliegenden Erfindung wird durch ein vorgespanntes Einsetzen der Membran zwischen zwei Gehäuseteile eines Drucksensorgehäuses oder Verwendung eines in einem Ring vorgespannten Membran ein Ausgangssignal eines Hallsensors linearisiert. Einem zunehmenden Druck, welcher an einen Innenraum insbesondere an der Membran von aussen angelegt wird, lässt die Membran auswölben. Dieser Effekt wird insbesondere zur Linearisierung des Hallsensorsignales insbesondere dessen Ausgangssignal genutzt. Dabei kann die Membran bevorzugt aus elastischem Material wie bspw. Silikon oder Gummi hergestellt sein. Es hat sich ferner als besonders vorteilhaft erwiesen, in die vorgespannte und stark wölbende Membran einen sehr kleinen Signalgeber, insbesondere Permanentmagnet einzusetzen, dessen Grösse und dessen spezifisches Gewicht im Vergleich zu herkömmlichen derartigen Signalgebern erheblich reduziert ist.

Durch die bevorzugt halbschalenartige Ausbildung der Innenräume der jeweiligen Gehäuseteile, zwischen welchen die Membran eingespannt ist, lässt sich bei Druckbeaufschlagung die Membran an diese Räume anlegen. Hierdurch wird eine Überdrucksicherheit im Betrieb gewährleistet, so dass bei sehr hohen angelegten Drücken die Membran sich vollständig an einer Oberfläche des halbschalenartig ausgebildeten Innenraumes anlegen lässt. Ein entsprechendes Signal wird in dieser Position am Hallsensor erzeugt, welches einen Überdruck in einer Steuerung signalisiert.

Derartige Drucksensoren werden bevorzugt in der Sicherheitstechnik eingesetzt, welche bspw. an ein Gummihohlprofil für Schaltleisten oder andere Signalgeber angeschlossen werden können. Sie dienen insbesondere zum Messen von sehr kleinen Drücken und Druckdifferenzen aber können auch sehr grossen Überdrücken ausgesetzt sein, die den Sensor nicht zerstören dürfen.

Insbesondere durch die einfache Linearisierung des Hall- Sensor Ausgangssignals kann der Drucksensor auf einfache und kostengünstige und insbesondere sehr exakteweise betrieben werden.

Auch sehr kleine Messdrücke lassen sich mit einem derartigen Drucksensor exakt im Millibar Bereich bestimmen.

Es hat sich ferner als günstig erwiesen zumindest teilweise Entlüftungsleitungen vorzusehen, damit die Membran sich nicht in den Innenräumen festsaugen kann und sich ggf. an die halbschalenartig ausgebildete Oberfläche anlegen lässt.

Ein derartiger Drucksensor kann bspw. zur Überwachung von verschiedenen Filtern ect. eingesetzt werden. Der Erfindung sei hier keine Grenze gesetzt.

Ferner eignet sich der vorliegende Drucksensor auch zur exakten Bestimmung grosser Druckbereiche, wobei grosse Wege des Signalgebers, insbesondere der Membran im Drucksensorgehäuse zurückgelegt werden können. Dies liegt ebenfalls im Rahmen der vorliegenden Erfindung.

Durch geeignete Wahl des Materials bezüglich Elastizität und Membrandicke, kann der messbare Druckbereich bestimmt werden.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung;

Fig. 1 einen schematisch dargestellten Querschnitt durch einen Drucksensor, angeschlossen an eine entsprechende Steuerung in einer Ruhelage;

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Sensor gemäss Fig. 1 in einer Gebrauchslage;

Fig. 3 eine Draufsicht auf ein Gehäuseteil eines Drucksensorgehäuses;

Fig. 4a ein schematisch dargestelltes Koordinatensystem welches den zurückgelegten Weg der Membran bei Druckänderung aufzeigt;

Fig. 4b ein Signal des Hallsensors im Verhältnis zum Abstand des Signalgebers;

Fig. 4c ein Signal des Hallsensors bei Druckänderung;

Fig. 5 einen Querschnitt durch ein weiters Ausführungsbeispiel eines Drucksensors;

Fig. 6 eine schematisch dargestellte Draufsicht eines Drucksensors gemäss Fig. 5 in einer Gebrauchslage.

Gemäss Fig. 1 weist ein erfindungsgemässer Drucksensor R₁ ein Drucksensorgehäuse 1 auf, welches in einen oberen Gehäuseteil 2.1 und einen unteren Gehäuseteil 2.2 unterteilt ist. Die beiden Gehäuseteile 2.1, 2.2 sind über Befestigungselemente 3, wie sie gestrichelt angedeutet sind, verbindbar. Zwischen den beiden Gehäuseteilen 2.1, 2.2 sitz in einem Aufnahmefalz 4 eine Membran 5, welche bevorzugt in eine Halterung 6 eingesetzt ist. Die Halterung 6 ist vorzugsweise kreisringartig ausgebildet und legt die Membran 5 dort fest.

In etwa mittig der Membran 5 ist ein Signalgeber 7 aufgesetzt.

Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen die Membran 5 vorgespannt in die Halterung 6, insbesondere in das Drucksensorgehäuse 1 einzusetzen. Die Membran 5 steht unter Spannung und ist vorzugsweise aus einem eleastischen Kunststoff, bevorzugt Silikon hergestellt.

Zwischen der Membran 5 und den Gehäuseteilen 2.1, 2.2 sind entsprechende Innenräume 8.1, 8.2 gebildet. Bevorzugt ist das Drucksensorgehäuse 1, bzw. sind seine Gehäuseteile 2.1, 2.2 im inneren halbschalenartig oder halbkugelartig ausgebildet.

In etwa mittig auf Höhe des Signalgebers 7 ist in dem Gehäuseteil 2.1 eine Öffnung 9 vorgesehen, in welcher ein Sensor 10, insbesondere Hallsensor sitzt. Über eine Verbindungsleitung 11 ist der Sensor 10 mit einer Steuerung 12 verbunden.

Ferner schliesst in den Innenraum 8.1 direkt oder indirekt ggf. über die Öffnung 9, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, eine Entlüftungsleitung 13 an und verbindet diesen mit einer Umgebung. Ferner schliesst an den Innenraum 8.2 bzw. an den Gehäuseteil 2.2 ein Anschluss 14 an, um den messbaren Druck einzuleiten.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Drucksensor R₁ in Ruhelage dargestellt. Gemäss Fig. 2 erfolgt bspw. eine Druckbeaufschlagung über den Anschluss 14 in den Innenraum 8.2, wobei die Membran 5 dem Druck nachgibt und sich ggf. an den Gehäuseteil 2.1, insbesondere an seiner halbschalenartig ausgebildeten Oberfläche 15 anlegt, wobei der Signalgeber 7 nahe an einem Sensor 10 anliegt. Dabei kann der Signalgeber 7 in die Öffnung 9 des Gehäuseteiles 2.1 eingreifen. Das Medium, insbesondere die verbleibende Luft im Innenraum 8.1 entweicht permanent über die Entlüftungsleitung 13.

Entsprechende Bewegungen des Signalgebers 7 in Richtung Hallsensor bzw. Sensor 10 lässt sich als Ausgangssignal in der Steuerung 12 messen und bestimmen. Dabei legt der Signalgeber 7 den Weg x zurück.

Ist bspw. diese Membran 5 an die halbschalenartig ausgebildete Oberfläche 15 angelegt, so können sehr hohe Drücke über den Anschluss 14 in den Drucksensor R₁, insbesondere in das Drucksensorgehäuse 1 eingeleitet werden. Auf diese Weise lässt sich der erfindungsgemässe Drucksensor R₁ universell auch in der Sicherheitstechnik einsetzen.

Durch die Verformung der vorgespannten Membran 5 lässt sich insbesondere ein unabhängiges Ausgangssignal S des Sensors 10, insbesondere des Hallsensors linearisieren. Dabei wird bei der Linearisierung die Nichtlinearität der Membranauslenkung X bzw. des zurückgelegten Weges der Membran 5 in Funktion von Druck P durch die Nichtlinearität des Ausgangssignals S des Hallsensores in Funktion der Membranauslenkung X aufgehoben, was zu einem nahezu linearen Ausgangssignal S des Sensors 10 in Funktion von Druck P führt.

Ist bspw. der Druck P = 0, so ist die Membran 5 flach. Gegen entsprechende Druckänderung erfolgt eine grosse Auslenkungsänderung der Membran 5 aus ihrer Ruhelage. Dabei ist der Permanentmagnet, insbesondere der Signalgeber 7 weit weg vom Hallsensor, wobei durch eine grosse Auslenkung bzw. Membranauslenkung nur eine kleine Änderung der Ausgangsspannung V erfolgt.

Ist der Druck, der über den Anschluss 14 in den Innenraum 8.2 angelegt wird, sehr hoch, so ist die Membran 5 stark gewölbt, wie es insbesondere auch in Fig. 2 dargestellt ist. Bei einer Druckänderung im Betrieb erfährt allerdings die Membran 5 nur kleine Auslenkungsänderungen bzw. Membranauslenkungen. Dabei ist der Signalgeber 7, insbesondere Permanent-Magnet, nahe am Hallsensor angeordnet und bewirkt dort bei einer kleinen Auslenkungsänderung eine grosse Änderung des Ausgangssignales.

Wie es bspw. in Fig. 1 dargestellt ist, genügt eine geringe Druckänderungen Δp, um eine grosse Auslenkung der Membran, die in Ruhestellung aufgezeigt ist, hervorzurufen. Insbesondere durch die weite Entfernung des Signalgebers 7 vom Sensor 10 erfolgen im Signalsensor 10, insbesondere im Hallsensor eine Änderung Δv der Ausgangsspannungen.

Liegt ein grosser Druck an, wie es insbesondere in Fig. 2 dargestellt ist, so wölbt sich die Membran 5 und der Signalgeber 7 ist nahe dem Signalsensor 10 angeordnet. Ergibt sich eine gleich grosse Druckänderung Δp wie oben, so wird in Folge der Spannung der Membran lediglich eine kleine Membranauslenkung X bewirkt, die jedoch eine grosse Änderung Δv des Ausgangssignales S im Hallsensor bewirkt.

Diese Nichtlinearitäten heben sich bei der vorliegenden Erfindung nahezu auf, insbesondere durch die vorgespannte Membran-Paramenter, bei der entsprechenden Überlagerung.

Über den vollständig zurückgelegten Weg bzw. Membranauslenkung X ist das Ausgangssignal des Hallsensors bzw. Sensor 10 proportional zum Druck. Dies ermöglicht, dass im Drucksensor bei sehr kleinen Drücken sowie auch bei sehr grossen Drücken Druckschwankungen sehr genau bestimmt und gemessen werden können. Dies ist insbesondere in der Messtechnik und Sicherheitstechnik von elementarer Bedeutung.

Gemäss Fig. 3 ist in der Draufsicht der Gehäuseteil 2.2 dargestellt, bei welchem der Innenraum 8.2, bevorzugt halbschalenartig und rund ausgebildet ist. In den entsprechenden Aufnahmefalz 4 lässt sich die Membran 5 über die Halterung 6 einsetzen bzw. dort einspannen.

In dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gemäss Fig. 4a ist ein Koordinatensystem aufgezeigt, bei welchem die Membranauslenkung X über dem Druck dargestellt ist. Mit zunehmenden Druck wird die Veränderung der Membranauslenkung geringer.

Gemäss Fig. 4b ist die Spannung des Sensors 10, insbesondere des Hallsensores über der Membranauslenkung (X) aufgezeigt. Mit zunehmender Membranauslenkung wird die Veränderung der Spannung des Sensors 10 geringer. Gemäss Fig. 4c resultiert dabei im Gesamtsensor, als Ausgangssignal S des Sensors 10, insbesondere des Hallsensors eine lineare Ausgangsspannung V mit zunehmendem Druck P.

Durch diese Linearisierung bleibt das Ausgangssignal S gegenüber dem Druck linear.

In dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 5 ist ein Drucksensor R₂ aufgezeigt, welcher das Drucksensorgehäuse 1 in oben beschriebender Ausführung mit Gehäuseteilen 2.1, 2.2 sowie Membran 5 aufweist. Unterschiedlich ist, dass auf der Membran 5 zwei Sensoren 7, jeweils zum Innenraum 8.1, 8.2 angeordnet, vorgesehen sind, die in entsprechende Öffnungen 9 der Gehäuseteile 2.1, 2.2 bei maximaler Auslenkung der Membran 5 eingreifen und entsprechende Signale an den Sensoren 10 erzeugen können. Die Sensoren 10 sitzen bevorzugt mittig auf Höhe der Signalgeber 7 in den Gehäuseteilen 2.1, 2.2. Dabei schliessen jeweils zwei Anschlüsse 14 an die jeweiligen Innenräume 8.1, 8.2 an, so dass bspw. der Drucksensor R₂ gemäss Fig. 6 in Leitung 16 über ein Element 17 in dessen Leitungen 18 eingesetzt werden kann.

Ist bspw. das Element 17 ein Filter und verstopft dieser, so wird der Druck in der Leitung 18 erhöht, der sich über die Leitung 16 auf den Drucksensor R₂ übertragen lässt und dort gemessen wird. Insbesondere lassen sich auch Druckdifferenzen bestimmen, welche bspw. über die Funktionstätigkeit des Elements 17, insbesondere des Filters eine Aussage treffen lassen. Hierdurch kann der Drucksensor R₂ einer Steuerung 12 mitteilen, ob das Element 17 funktionstüchtig ist oder bspw. verstopft ist.

Wichtig ist jedoch, dass durch die Linearisierung, insbesondere das vorgespannte Einsetzen der Membran 5 ein Ausgangssignal des Sensors 10 linearisiert wird, so dass sich minimalste Drücke oder Druckschwankungen im Drucksensor R₁, R₂ genau messen lassen.

Positionszahlenliste

1

Drucksensorgehäuse

2

Gehäuseteil

3

Befestigungselement

4

Aufnahmefalz

5

Membran

6

Halterung

7

Signalgeber

8

Innenraum

9

Öffnung

10

Sensor

11

Verbindungsleitung

12

Steuerung

13

Entlüftungsleitung

14

Anschluss

15

Oberfläche

16

Leitung

17

Element

18

Leitung
R₁

Drucksensor
R₂

Drucksensor
P Druck
S Ausgangssignal
X Membranauslenkung
V Ausgangsspannung

Claims

1. Verfahren zum Betreiben und Linearisieren eines Drucksensors od. dgl. mit einer Membran (5), welcher ein Signalgeber (7) zugeordnet ist, wobei bei Beaufschlagung der Membran (5) mit Druck der Signalgeber (7) gegen einen Sensor (10) bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer sich bei Druckbeaufschlagung, ggf. stark wölbenden Membran (5) ein Ausgangssignal (S) des Sensors (10), insbesondere Hallsensor oder magnetostriktiver Sensor linearisiert wird.

2. Verfahren zum Betreiben und Linearisieren eines Drucksensors od. dgl. mit einer Membran (5), welcher ein Signalgeber (7) zugeordnet ist, wobei bei Beaufschlagung der Membran (5) mit Druck der Signalgeber (7) gegen einen Sensor (10) bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass durch ein Spannen der druckbeaufschlagten bzw. bewegten Membran (5) eine Ausgangsspannung (V) des Sensors (10) in Abhängigkeit eines beaufschlagten Druckes (P) linearisiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgespannte Membran (5) bei Druckbeaufschlagung an ein halbschalenartig ausgebildetes Drucksensorgehäuse (1) angelegt und durch Verwendung eines im Verhältnis zur Membranauslenkung (X) kleiner Signalgeber (7), insbesondere Permanent-Magnet, ein Ausgangssignal (S) des Senors (10 linearisiert wird.

4. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch Beaufschlagung der vorgespannten Membran (5) mit Überdruck, diese gegen ein halbschalenartiges Drucksensorgehäuse (1) vollständig angelegt wird.

5. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch kennzeichnet, dass ein freies Bewegen der Membran (5) bei Druckbeaufschlagung durch eine Entlüftungsöffnung (15) im Drucksensorgehäuse (1) unterstützt wird.

6. Drucksensor mit einer Membran (5) welcher ein Signalgeber (7) zugeordnet ist, wobei bei Beaufschlagung der Membran (5) mit Druck der Signalgeber (7) gegen einen Sensor (10) bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (5) vorgespannt in ein Drucksensorgehäuse (1) eingesetzt ist.

7. Drucksensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Drucksensorgehäuse (1) innen halbschalenartig ausgebildet ist.

8. Drucksensor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (5) flächenmässig kreisförmig ausgebildet ist, wobei in etwa mittig der Signalgeber (7) angeordnet ist.

9. Drucksensor nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in etwa mittig im Drucksensorgehäuse (1) der Sensor (10), insbesondere der Hallsensor angeordnet ist.

10. Drucksensor nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (10), insbesondere der Hallsensor in einer Öffnung (9) des Drucksensorgehäuses (1) angeordnet ist, in welche eine Entlüftungsleitung (13) einmündet.

11. Drucksensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Entlüftungsleitung (13) eine Verbindung zwischen einem Innenraum (8.1) und einer äusseren Umgebung herstellt.

12. Drucksensor nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Drucksensorgehäuse (1) zweiteilig verbindbare Gehäuseteile (2.1, 2.2) aufweist.

13. Drucksensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Gehäuseteil (2.1, 2.2) innen halbschalenartig ausgebildet ist, wobei zwischen den beiden Gehäuseteilen (2.1, 2.2) die Membran (5) eingesetzt ist.

14. Drucksensor nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (5) in einem Aufnahmefalz (4) der Gehäuseteile (2.1, 2.2) des Drucksensorgehäuses (1) gelagert ist, wobei die jeweiligen Innenräume (8.1, 8.2) durch die Membran (5) zueinander isoliert sind.

15. Drucksensor nach wenigstens einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb der Membran (5) an das Drucksensorgehäuse (1) die Entlüftungsleitung (13) anschliesst, wobei gegenüberliegend ein Anschluss (14) vorgesehen ist.

16. Drucksensor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Gehäuseteil (2.1) in etwa mittig in den ersten Innenraum (8.1) ein Anschluss (14) einmündet, wobei in einem zweiten Gehäuseteil (2.2) die Entlüftungsleitung (13), insbesondere im Bereich der Öffnung (9) nahe des Sensors (10) vorgesehen ist.

17. Drucksensor nach wenigstens einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Gehäuseteil (2.1, 2.2), insbesondere jedem Innenraum (8.1, 8.2) ein Sensor (10), insbesondere Hallsensor zugeordnet ist, welcher vorzugsweise mittig angeordnet ist.

18. Drucksensor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (5) beidseitig mit jeweils einem mittig angeordnetem Signalgeber (7) versehen ist.