DE10131688A1 - Temperaturkompensierter Drucksensor - Google Patents
Temperaturkompensierter DrucksensorInfo
- Publication number
- DE10131688A1 DE10131688A1 DE10131688A DE10131688A DE10131688A1 DE 10131688 A1 DE10131688 A1 DE 10131688A1 DE 10131688 A DE10131688 A DE 10131688A DE 10131688 A DE10131688 A DE 10131688A DE 10131688 A1 DE10131688 A1 DE 10131688A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- pressure
- pressure sensor
- membrane
- bending
- absorbing membrane
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
- G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
- G01L9/0051—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance
- G01L9/006—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance of metallic strain gauges fixed to an element other than the pressure transmitting diaphragm
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
- G01L19/04—Means for compensating for effects of changes of temperature, i.e. other than electric compensation
Abstract
Die Erfindung betrifft einen Drucksensor mit einer an einem ortsfesten Stützelement (1) abgestützten druckaufnehmenden Membran (2), einem sich mit der Auslenkung eines Auslenkbereichs der druckaufnehmenden Membran (2) verbiegenden Biegeelement (6), dessen Verbiegung in ein verarbeitbares Signal umwandelbar ist, und einem Temperaturausgleichselement (4), über welches das Biegeelement (6) mit dem die druckaufnehmende Membran (2) abstützenden Stützelement (1) verbunden ist. Um den Drucksensor derart zu verbessern, dass er bei geringem Herstellungsaufwand einfach und kompakt aufbaubar ist und auch zur Druckmessung in aggressiven oder lebensmitteltechnisch rein zu haltenden Medien selbst dann geeignet ist, wenn diese großen Temperaturschwankungen unterworfen sind, wird vorgeschlagen, dass das Biegeelement (6) gegenüber der druckaufnehmenden Membran (2) aus unterschiedlichem Material mit unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten gebildet ist, dass das Temperaturausgleichselement ein zumindest bereichsweise flächenhaft ausgebildeter Körper (4) ist, der biegesteifer als die druckaufnehmende Membran (2) ausgebildet ist, aber ein gegenüber dem Biegeelement unterschiedliches Verformverhalten der der druckaufnehmenden Membran (2) bei Temperaturänderung kompensiert.
Description
Die Erfindung betrifft einen Drucksensor mit einer an einem ortsfesten Stützelement abge
stützten druckaufnehmenden Membran, einem sich mit der Auslenkung des Auslenkbe
reichs verbiegenden Biegeelement, dessen Verbiegung in ein verarbeitbares Signal um
wandelbar ist, und einem Temperaturausgleichselement über welches das Biegeelement
mit dem die druckaufnehmende Membran abstützenden Stützelement verbunden ist. Ein
solcher Drucksensor ist aus der DE 19 33 363 A1 bekannt geworden, auf die weiter unten
noch näher eingegangen wird.
Aus der US 35 90 638 ist ein auf Temperaturänderungen angeblich unempfindlicher
Drucksensor bekannt. Dieser umfasst eine bimetallische Membran, deren Auslenkung
erfasst und zur Steuerung eines Thermoelementes verwendet wird. Dieses stellt die Tem
peratur der Bimetallmembran so ein, dass die ursprüngliche Referenzlage wie vor der
Druckbeaufschlagung wiederhergestellt ist. Die hierzu notwendige Temperatur wird ge
messen und gibt ein Maß für den Druck an.
Aus der EP 0 531 696 A1 ist ein Drucksensor, bei dem die Auslenkung einer Membran
über einen Stößel auf einen als Biegebalken ausgebildeten Kraftsensor übertragen wird,
dessen Auslenkung mittels Dehnmessstreifen erfasst werden. Eine Temperaturkompensa
tion ist dabei aber nicht angesprochen.
Aus der DE 12 52 439 ist ebenfalls ein Drucksensor mit einer Membran, einem Kraftstößel
und einem Biegebalken bekannt. Bei diesem bekannten Drucksensor sollen Messfehler
durch Beschleunigungen und durch aufgrund von Temperaturveränderungen sich einstel
lende Längenänderungen des Biegebalkens dadurch ausgeschaltet werden, dass
- a) sich der Biegebalken über die Lagerpunkte hinaus erstreckt und mit Gegengewich ten versehen ist,
- b) der Biegebalken an den Lagerpunkten auf sich senkrecht zur Längsrichtung des Biegebalkens und der Membran erstreckenden Blattfedern gehalten ist und
- c) zusätzlich Blattfedern zur seitlichen Stützung der Krafteinleitstelle am Biegebalken gegen Verdrehung vorgesehen sind.
Aus der DE 30 48 402 A1 ist ein Drucksensor mit zwei Membranen bekannt. Dehnungs
messstreifen sind direkt auf jede Membran derart aufgebracht, dass bei einer Membran
nur die Umfangsspannung, bei der anderen Membran nur die Durchbiegung gemessen
wird. Eine Temperaturkompensation findet über ein zusätzliches Bimetallelement im Inne
ren und/oder durch die Elektronik statt.
Die DE 42 34 237 C2 betrifft keinen Drucksensor, sondern sozusagen das Gegenteil,
nämlich einen Mikroaktor. Bei diesem wird die Kraft durch ein Kraftelement, das sich betä
tigbar in seiner Länge ändert, auf einen Biegebalken übertragen. Eine durch Temperatur
schwankungen verursachte unterschiedliche Ausdehnung des Kraftelements und des Bie
geetements wird durch mindestens ein Temperaturkompensationselement, das ebenfalls
aus dem Biegebalken oder alternativ auf einem zweiten parallel betriebenen Biegebalken
angeordnet ist, kompensiert. Es ist auch angesprochen, den Mikroaktor für resonante
Drucksensoren zu verwenden. Dann wird das Kompensationselement als Abgriff für das
Sensorsignal verwendet. Schließlich ist auch eine Mehrfachanordnung von Membranen
angesprochen, diese werden aber anstelle des Biegebalkens als Biegeelement verwendet,
wobei eine Membran das Kraftelement und eine zweite Membran das Kompensationsele
ment trägt.
Aus der DE-PS 68 80 97 ist eine mechanische Druckdose mit einer Doppelmembran be
kannt. Die Doppelmembran umschließt ein Flüssigkeitsvolumen, das die mit dem zu mes
senden Medium in Kontakt stehende erste Membran mechanisch von der als Betätigungs
element für einen Zeiger dienenden zweiten Membran abkoppelt. Eine Temperaturkom
pensation ist bei diesem bekannten "Drucksensor" dadurch gegeben, dass das Flüssig
keitsvolumen durch den Einsatz eines Zwischenstücks mit engen Flüssigkeitskanälen in
den Raum zwischen die Membrane klein gehalten wird gegenüber dem Volumen des Zwi
schenstücks bzw. des sonstigen festen Materials. Zusätzlich ist das Zwischenstück und
der Gehäuseaußenmantel getrennt voneinander ausgeführt, wobei der Wärmeausdeh
nungskoeffizient des Gehäuseaußenmantels größer ist als der des Zwischenstücks.
Eine vergleichbare Art einer Flüssigkeitsabkopplung zwischen der Druckmembran und
einer als Druckwandler eingesetzten zweiten Membran ist auch aus der JP 11 094671 A
bekannt. Diese betrifft einen temperaturkompensierten Drucksensor zur Messung von
Drücken in unterschiedlich temperierten Medien. Um die Temperaturkompensation zu er
zielen, ist der Druckwandler thermisch isoliert. Zudem wird der Druck über ein Flüssig
keitsgehäuse mit darin abgedichteter Flüssigkeit und der Druckmembran zwischen der
Flüssigkeit und dem zu messenden Medium auf den Druckwandler übertragen. Dieser
Flüssigkeitskörper hat zwei unterschiedlich sich bei Wärme ausdehnende Teilkörper, die
eine Ausdehnung der Flüssigkeit aufgrund einer Temperaturänderung kompensieren.
Die US 4 061 035 beschreibt eine Membrananordnung für unter Temperaturstößen (z. B.
in Motorbrennräumen) arbeitenden Drucksensoren. Diese besondere Anordnung soll zum
Schutz vor Temperaturstößen dienen. Hierzu ist die Membran ringförmig ausgebildet, wo
bei ein äußerer Stützring fest mit dem Sensorgehäuse und der Mittelteil der Membran fest
auf ein Kraftmesselement vorgespannt ist. Die Vorspannung erfolgt über einen Bolzen, der
an seinem anderen Ende einen Einstellring für die Vorspannung trägt. Der Einstellring
greift über ein Temperaturkompensationselement an dem Sensorgehäuse an. Hier wirkt
eine Temperaturkompensation also über die Vorspannschraube, die die Membran gegen
das Kraftmesselement vorspannt.
Die DE 43 19 196 A1 betrifft einen Drucksensor, bei dem die Auslenkung einer Membran
über einen Druckstempel auf einen Druckwandler übertragen wird. Eine Kompensierung
von Thermoschockfehlern soll durch eine konstruktive Abstimmung der Form eines die
Membran haltenden Gehäuseringes und der Tiefe einer Sicke in der Membran im Bereich
des Druckstempels erzielt werden.
Die DE 198 32 681 A1 beschreibt einen Drucksensor mit einer Membran, auf welcher eine
rotationssymmetrisch angeordnete DMS-Brücke aufgebracht ist. Über die DMS ist zur
Temperaturkompensation eine Kunststoffscheibe mit gleicher thermischer Dehnung wie
die Membran gelegt. Die Dehnung wird somit hauptsächlich durch die Verbiegung der
Kunststoffscheibe bestimmt. Damit soll laut der DE 198 32 681 A1 ein Drucksensor mit
einer linearen Kennlinie erhalten werden.
Die EP 0 548 043 A2 betrifft eine besondere Anordnung eines temperaturkompensierten
Drucksensors. Bei ihm ist die Druckmembran in ganz besonderer Anordnung, nämlich
durch zwei konzentrisch zueinander angeordnete zylindrische Membranteile mit unter
schiedlichen Durchmessern gebildet. Genauer ist das Membranelement durch einen im
Profil U-profilförmigen Rotationskörper gebildet. Bei Druckerhöhung wird dieser Rotations
körper zusammengedrückt, was einer Durchmessererhöhung der inneren zylindrischen
Membranwand und einer Durchmessererniedrigung der äußeren zylindrischen Membran
wand entspricht. Eine Temperaturkompensation ist bei einer solchen Anordnung deswe
gen erzielbar, weil sich die beiden Membranteile bei einer Temperaturänderung gleichsin
nig ändern. Da das Drucksignal durch eine Überlagerung eines Signals von beiden
Membranteilen erhalten wird, heben sich die Ausdehnungen hierdurch annähernd auf.
In der DE 40 23 420 A1 ist ein wiederum nach dem Prinzip einer Übertragung einer
Membranauslenkung auf ein Kraftmesselement, das auch in Form eines Balkens vorliegen
kann, arbeitender Drucksensor beschrieben. Eine Temperaturkompensation ist nicht an
gesprochen.
Die EP 0 156 081 B1 sowie die eingangs erwähnte, den Oberbegriff des beigefügten An
spruchs 1 bildende DE 19 33 363 A1 beschreiben eine weitere Art, einen Drucksensor
temperaturkompensiert auszubilden. Die Temperaturkompensation erfolgt bei beiden aus
diesen Druckschriften bekannten Drucksensoren mittels besonderer Auslegung der die
Membranauslenkung übertragenden Stößel. Hierzu ist neben dem Stößel noch ein weite
res längliches Element als Temperaturausgleichselement vorgesehen, das sich in seiner
Temperaturausdehnung komplementär zu dem Stößel verhält und den Druckwandler, auf
den die Auslenkung übertragen wird, in stets gleichem Abstand zu der Membran wie der
Stößel hält. Als Druckwandler d. h. Biegeelement werden hier ebenfalls Membrane mit
direkt darauf angebrachten DMS verwendet. Aus der DE 19 33 363 A1 ist somit bekannt,
das Biegeelement (das Kraftmesselement) über ein Temperaturausgleichselement in un
abhängig von der Temperatur gleichbleibenden Abstand relativ zur Membran zu positionie
ren.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Drucksensor der im Oberbegriff des Anspruchs 1 ge
nannten und aus der DE 19 33 363 A1 bekannten Art derart zu verbessern, dass er bei
geringerem Herstellungsaufwand einfach und kompakt aufbaubar ist und auch zur Druck
messung in aggressiven oder lebensmitteltechnisch rein zu haftenden Medien selbst dann
geeignet ist, wenn diese großen Temperaturschwankungen unterworfen sind.
Diese Aufgabe wird durch einen Drucksensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Um auch chemisch aggressive oder lebensmitteltechnologisch rein zu haltende Medien
messen zu können, muß man oft für die dem Medium ausgesetzten Teile des Drucksen
sors wie insbesondere die druckaufnehmenden Membran chemisch schlecht angreifbare
Materialien wie Edelmetall oder nicht korrosive Edelstahle wählen. Solche chemisch nicht
angreifbaren Materialien haben aber zum Aufbau des Biegeelements oft ungünstige Ei
genschaften. Erfindungsgemäß kann das Biegeelement, also beispielsweise ein Biegebal
ken, aus einem hochfesten Stahl (z. B. martensitischer Stahl, WN 1.4542) aufgebaut sein,
um so eine besonders starke mechanische Festigkeit und somit Langzeitstabilität zu ge
währleisten. Die medienberührenden Elemente wie insbesondere die druckaufnehmende
Membran besteht demgegenüber, um zum Beispiel Korrosion zu verhindern, aus einem
anderen Material (z. B. austenitischer Edelstahl, WN 1.4435). Bei einer solchen Ausbil
dung unterscheiden sich aber in der Regel die Temperaturausdehnungskoeffizienten der
beiden unterschiedlich gewählten Materialien (z. B. α = 11,0 × 10-6 K-1 für 1.4542 und α =
16,5 × 10-6 K-1, für 1.4435). Aus diesem Grunde führt bereits eine geringe Temperaturver
änderung ohne Druckveränderung zur Verformung der Membran, einfach wegen der un
terschiedlichen Ausdehnung der miteinander verbundenen Elemente aus unterschiedli
chen Materialien. Aufgrund dieser unterschiedlichen Ausdehnung führt dies zu einer Sti
mulierung des Biegebalkens ohne dass ein Druck aufgebracht wird. Dieser Effekt kann für
einen Temperaturunterschied von 100°C bis zu 100% des Signals bei Nenndruck ausma
chen. Dies ist auch zu viel für eine sinnvolle elektronische Kompensation. Aus diesem
Grunde ist erfindungsgemäß weiter vorgesehen, dass das Temperaturausgleichselement
ein zumindest bereichsweise flächenhaft ausgebildeter Körper ist. Dieser Körper hat somit
eine ähnliche Geometrie wie die Membran. Aufgrund der flachen Struktur lässt sich so
einerseits leichter eine Kompensation einer, im Vergleich zum Biegelbalken gesehen, zu
großen Wärmeausdehnung der Membran erzielen, andererseits ist der Drucksensor kom
pakt aufbaubar. Der Körper ist erfindungsgemäß biegesteifer als die druckaufnehmende
Membran ausgebildet, einerseits um nicht durch Auslenkungen der Membran mitbewegt
zu werden. Die steifere Auslegung hilft gleichzeitig, tiefe Resonanzschwingungen zu ver
hindern. Der als Temperaturausgleichselement wirkende zumindest bereichsweise flä
chenhaft ausgebildeter Körper hat ein gegenüber der druckaufnehmenden Membran ver
gleichbares Verformverhalten bei Temperaturänderungen. Hierzu ist er beispielsweise aus
einem Material mit gleichem Temperaturausdehnungskoeffizienten wie die Membran gebil
det. Aufgrund der ähnlichen Geometrie (flache Ausbildung) und des gleichen Verformver
haltens lässt sich somit eine einfache Temperaturkompensation erreichen. Wegen der
flächenhaften Ausbildung des Körpers kann der Drucksensor weitaus kompakter als der
Drucksensor gemäß der DE 19 33 363 A1 ausgebildet werden. Der flächenartige Körper
lässt sich zum Beispiel einfach als Stanzteil, Gussteil oder Drehteil herstellen.
Im Prinzip können für das Temperaturausgleichselement in Form des flächenhaften Kör
pers alle Materialien verwendet werden, deren Temperaturausdehnungskoeffizient und E-
Modul bekannt ist und sich mit den anderen im Drucksensor verwendeten Materialien ver
binden lassen, wobei dann die Temperaturkompensation über Auswahl der Geometrie und
der übrigen Materialien erfolgt. Am einfachsten und unkompliziertesten geling# dies, wenn
das Material des flächenhaften Körpers einen gleichen Temperaturausdehnungskoeffi
zienten wie die anderen Materialien des Drucksensors mit Ausnahme des Biegebalkens,
also insbesondere wie das Material der druckaufnehmenden Membran hat.
Um die Ausdehnungseigenschaften in der gewünschten Weise einzustellen, ist der
flächenhafte Körper in seinem flächenhaften Bereich mit wenigstens einer Welle versehen.
Durch Dimensionierung dieser Welle oder Wellenform können verschiedene
Ausdehnungen erreicht werden.
Als flächenhafter Körper können verschiedene Geometrien in Betracht kommen, dieser
kann zum Beispiel auch ein einfaches Blech sein oder aus mehreren flächenhaften Strei
fen gebildet sein. Am einfachsten herstellbar und von der Geometrie auch leicht mit der
druckaufnehmenden Membran vergleichbar ist, der flächenhafte Körper in einer Ausges
taltung als zweite Membran.
Die Steifigkeit des flächenhaften Körpers hängt von seinem E-Modul und seiner Geometrie
ab, d. h. insbesondere der Form einer Welle oder Wellenform und seiner Dicke. Die Aus
dehnungseigenschaften hängen dagegen im wesentlichen von dem Temperaturausdeh
nungskoeffizienten α und der geometrischen Größe ab. Durch geschickte Variation der
Geometrie lässt sich somit ein flächenhafter Körper, also beispielsweise eine Temperatur
kompensationsmembran, finden, die zwar steif ist, aber sich mit der Temperatur in pas
sender Weise ausdehnt. Zum Beispiel wird eine solche Temperaturausgleichsmembran
steifer, wenn die Membrandicke (Blechdicke) erhöht wird, die Ausdehnung unter Tempe
ratur ändert sich dabei aber kaum. Die Steifheit der Membran ist wichtig, damit keine tiefen
Resonanzfrequenzen entstehen. Damit können dann auch Druckschwankungen gemes
sen werden, die im niederfrequenten Bereich liegen. Wenn aber Druckschwankungen im
Bereich von Resonanzfrequenzen lägen, wären sie nicht messbar. Außerdem ist es
vorteilhaft, wenn Resonanzfrequenzen oberhalb der Frequenzen der Elektronik liegen. Ziel
ist somit eine Resonanzfrequenz von 10-20 KHz oder darüber. Dies lässt sich dann
erreichen, wenn der flächenhafte Körper wenigstens 10 mal biegesteifer als die druckauf
nehmende Membran ist.
Im Prinzip könnte man das Biegeelement, also beispielsweise einen Biegebalken oder
Kraftmessbalken direkt auf den flächenhaften Körper anbringen. Einfacher wird dies durch
ein zweites Stützelement, das beispielsweise durch einen auf einer Temperaturkompensa
tionsmembran aufgebrachten Ring gebildet ist. Ein erster Randbereich des flächenhaften
Körpers kann dann mit den zweiten Stützelement, das das Biegeelement trägt, fest ver
bunden sein. Ein zweiter Randbereich ist dann an dem auch die druckaufnehmende
Membran tragenden ersten Stützelement befestigbar. Dieses erste Stützelement kann
beispielsweise durch eine Fassung oder ein Gehäuse des Sensors gebildet sein.
Um eine einfache Temperaturausdehnungskompensation zu erzielen und um den Druck
sensor unempfindlich gegen aggressive Materialien zu machen bzw. die zu messenden
Medien vor Ablagerungen aus dem Drucksensor zu schützen, wird gemäß einer weiteren
vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, dass sämtliche Elemente des
Drucksensors außer dem Biegeelement aus einem gleichen, gegenüber aggressiven zu
messenden Medien unempfindlichen Material mit naturgemäß auch gleichen Temperatur
ausdehnungskoeffizienten gebildet sind. So sind beispielsweise der flächenhafte Körper,
die druckaufnehmende Membran, eines oder beiden der Stützelemente und Verbindungs
elemente, die den Auslenkbereich der druckaufnehmenden Membran mit dem Biegeele
ment verbinden, aus Materialien mit gleichem Temperaturausdehnungskoeffizienten, vor
zugsweise aus dem gleichen gegenüber aggressiven zu messenden Medien unempfindli
chen Material gebildet. Das Biegeelement ist aus einem hinsichtlich der Biegeeigenschaf
ten und der mechanischen Festigkeit optimierten Material mit naturgemäß demgegenüber
unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten gebildet. Der flächenhafte Körper,
die druckaufnehmende Membran, die beiden Stützelemente und die Verbindungselemente
können beispielsweise aus austenitischem Edelstahl und das Biegeelement aus
martensitischem und damit hochfestem Stahl bestehen. Es ist auch denkbar, dass ledig
lich die mit dem Medium in Berührung kommenden Materialien, das sind bei frontbündiger
Ausführung des Drucksensors hauptsächlich die Membran und ggf. noch deren Stützele
ment, aus Titan oder einer Titanlegierung besteht oder einem solchen Titanmaterial über
zogen ist. Die übrigen Elemente des Drucksensors können dann aus kostengünstigeren
Materialien bestehen, wobei sich dadurch ergebende unterschiedliche Temperaturaus
dehnungen über den einfach herstellbaren und durch eine Welle oder dergleichen einfach
einstellbaren flächenhaften Körper in besonders kompakter Bauweise ausgleichbar sind.
Als Biegeelement kommt insbesondere ein Biegebalken zum Einsatz, der mit dickeren En
den zur ortsfesten Befestigung versehen ist und ein verdicktes Mittelteil aufweist, welches
mit dem Auslenkbereich (d. h. in der Regel die Mitte) der druckaufnehmenden Membran
zum Beispiel über einen Stößel verbunden ist. Zwischen diesem Mittelteil und den
dickeren Ende ist der Biegebalken mit dünneren Biegebereichen versehen. Diese Biege
bereiche sind mit Dehnmessstreifen versehen.
Die erfindungsgemäße Bauart ist insbesondere zum Bilden eines frontbündigen Drucksen
sors geeignet, welcher in einer das zu vermessende Medium umgebenden Wand frontbün
dig anordenbar ist.
Der flächenhafte Körper wird bevorzugt derart angeordnet, dass er sich - mit Ausnahme
der Wellenform - in einer zu der Membran im wesentlichen parallelen Richtung erstreckt.
Er ist beispielsweise durch eine im wesentlichen parallel zu der druckaufnehmenden
Membran anzuordnenden Ringmembran mit Ringwelle gebildet.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der beigefügten Figur
näher erläutert. Darin zeigt:
Fig. 1 einen Querschnitt durch einen in Draufsicht im wesentlichen Kreisform
aufweisenden temperaturkompensierten Drucksensor;
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines etwa einem Viertel entsprechenden Sek
tors durch den Drucksensor von Fig. 1 bei ausgelenkter Membran;
Fig. 3 einen Graph des erwarteten (berechneten) Dehnungsverlaufs entlang des
Biegebalkens für ΔT = 0°C und Nenndruck von p = 1,0 bar; und
Fig. 4 den erwarteten (berechneten) Dehnungsverlauf entlang des Biegebalkens
bei einem Temperatursprung von 100°C ohne Druck.
Der in den Fig. 1 und 2 gezeigte Drucksensor weist als erstes Stützelement eine
äußere Fassung 1 auf, auf welcher auf der dem zu messenden Medium zuzuwendenden
Seite eine druckaufnehmende Membran 2 abgestützt ist. Die mediumsberührende druck
aufnehmende Membran 2 überträgt eine durch Druckbeaufschlagung erfolgende Verfor
mung, d. h. eine Durchbiegung in ihrer als Auslenkbereich ausgebildeten Mitte mit Hilfe
eines Stößels 3 auf einen als Biegeelement wirkenden Biegebalken 6.
Der Biegebalken 6 ist in seiner Mitte mit dem Stößel 3 verbunden und an seinen beiden
Enden dicker ausgebildet. Zwischen der Mitte und seinem äußeren Rand, d. h. den beiden
Enden befinden sich dünnere Biegebereiche, die bei Auslenkung der druckaufnehmenden
Membran, die über den Stößel 3 auf die Mitte des Biegebalkens 6 übertragen wird, verbo
gen werden. Diese dünneren Biegebereiche des Biegebalkens 6 weisen Dehnmessstrei
fen auf, an denen ein die Durchbiegung angebendes Signal abgreifbar ist. Um den Biege
balken 6 ausreichend mechanisch fest zu machen, ist er aus einem hochfesten Stahl wie
zum Beispiel martensistischem Edelstahl, WN 1.4542, gebildet. Die druckaufnehmende
Membran 2 und die Fassung 1 sind als medienberührende Elemente aus einem anderen,
weniger empfindlichen Material wie zum Beispiel austenitischem Edelstahl, WN 1.4435,
gebildet. Um die sich aufgrund der unterschiedlichen Materialien ergebenden unterschied
lichen Ausdehnungen der druckaufnehmenden Membran 2 und des Biegebalkens 6 als
Folge von Temperaturänderungen zu kompensieren, ist der äußere Rand des Biegebal
kens 6, d. h. seine dickeren Enden, anstatt auf der Fassung 1 auf einem zweiten Stütz
element in Form eines zusätzlichen Ringes 5 fixiert, der wiederum über ein Temperatur
ausgleichselement in Form eines flächenhaften Körpers, hier in Form einer Kompensa
tionsmembran 4, mit der Fassung 1 verbunden, wie dies in den Fig. 1 und 2 dargestellt
ist. Die Kompensationsmembran 4 ist relativ steif, so dass sie sich bei Druckbeaufschla
gung auf die druckaufnehmende Membran 2 nicht bewegt, jedoch kompensiert sie die
Ausdehnung der druckaufnehmenden Membran 2 als Folge einer Temperaturänderung.
Hierzu ist die Kompensationsmembran 4 in dem die Fassung 1 mit dem Ring 5 verbinden
den Bereich wellenförmig ausgebildet. Die Kompensationsmembran 4 ist in dem hier dar
gestellten Beispiel ringförmig ausgebildet ist, um in der Mitte Platz für den Stößel 3 zu las
sen. Auch die Welle ist hier als Ringwelle ausgebildet. Der Stößel 3 selbst wiederum ist an
seinem mit der druckaufnehmenden Membran 2 verbundenen Ende verdickt ausgebildet,
dieses verdickte Ende wird auch als "Pille" bezeichnet. Es dient zum Stützen der Mitte der
druckaufnehmenden Membran. Bei dem dargestellten Drucksensor bestehen folgende
Elemente aus Edelstahl WN 1.4435: druckaufnehmende Membran 2, Fassung 1, Pille und
gesamter Stößel 3 und Kompensationsmembran 4, mit einem Temperaturausdehnungs
koeffizient α von 16,5 × 10-6 W-1. Der Ring 5 und der Biegebalken 6 bestehen aus marten
sitischem Stahl WN 1.4542 mit einem Temperaturausdehnungskoeffizient α von 11,0 × 10-6
K-1.
Fig. 3 zeigt den erwarteten Dehnungsverlauf entlang des Biegebalkens für einen Ausle
gungsfall von p = 1,0 bar. Die Position der Dehnmessstreifen (DMS) ist angegeben. Man
würde ein Signal von 2,0 × 10-3 Dehnung erwarten (Differenz der beiden DMS).
Fig. 4 zeigt den erwarteten Dehnungsverlauf entlang des Biegelbalkens bei einem Tempe
ratursprung von 100°C ohne Druck. Man erwartet ein Signal von ca. 1,6 × 10-5 Dehnung,
also nur ca. 0,8% des Signals bei vollem Druck. Dies zeigt die Wirksamkeit der Tempe
raturkompensation.
Praktische Versuche haben diese errechneten Werte voll bestätigt.
Claims (12)
1. Drucksensor mit einer an einem ortsfesten Stützelement (1) abgestützten druckauf
nehmenden Membran (2), einem sich mit der Auslenkung eines Auslenkbereichs der
druckaufnehmenden Membran (2) verbiegenden Biegeelement (6), dessen Verbiegung in
ein verarbeitbares Signal umwandelbar ist, und einem Temperaturausgleichselement (4)
über welches das Biegeelement (6) mit dem die druckaufnehmende Membran (2) abstüt
zenden Stützelement (1) verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Biegeelement (6) gegenüber der druckaufnehmenden Membran (2) aus unter schiedlichem Material mit unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten gebildet ist,
dass das Temperaturausgleichselement ein zumindest bereichsweise flächenhaft ausge bildeter Körper (4) ist, der biegesteifer als die druckaufnehmende Membran (2) ausgebildet ist, aber ein gegenüber dem Biegeelement unterschiedliches Verformverhalten der der druckaufnehmenden Membran (2) bei Temperaturänderung kompensiert.
dass das Biegeelement (6) gegenüber der druckaufnehmenden Membran (2) aus unter schiedlichem Material mit unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten gebildet ist,
dass das Temperaturausgleichselement ein zumindest bereichsweise flächenhaft ausge bildeter Körper (4) ist, der biegesteifer als die druckaufnehmende Membran (2) ausgebildet ist, aber ein gegenüber dem Biegeelement unterschiedliches Verformverhalten der der druckaufnehmenden Membran (2) bei Temperaturänderung kompensiert.
2. Drucksensor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der flächenhafte Körper (4) aus einem Material mit gleichem Temperaturausdeh
nungskoeffizienten wie die druckaufnehmende Membran (2) gebildet ist.
3. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass der flächenhafte Körper (4) in seinem flächenhaften Bereich eine Wellenform auf
weist.
4. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass der flächenhafte Körper durch eine zweite Membran (4) gebildet ist.
5. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass der flächenhafte Körper (4) wenigstens 10mal biegesteifer als die druckaufnehmende
Membran (2) ist.
6. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Biegeelement (6) auf einem zweiten Stützelement (5) abgestützt befestigt ist,
das wiederum an einem ersten Randbereich des flächenhaften Körper (4) befestigt ist, der
mit einem zweiten Randbereich an dem ersten Stützelement (1), welches auch die druck
aufnehmende Membran (2) trägt, befestigt ist.
7. Drucksensor nach Anspruch 2 und Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass der flächenhafte Körper (4), die druckaufnehmende Membran (2), das erste oder beide
der Stützelemente (1) und ein Verbindungselement 3, das den Auslenkbereich mit dem
Biegeelement (6) verbindet, aus Materialien mit gleichen Temperaturausdehnungskoeffi
zienten, vorzugsweise aus dem gleichen, gegenüber aggressiven zu messenden Medien
unempfindlichen, Material, gebildet sind, und das Biegeelement (6) aus einem hinsichtlich
der Biegeeigenschaften optimierten Material mit unterschiedlichem Temperaturausdeh
nungskoeffizienten gebildet ist.
8. Drucksensor nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass der flächenhafte Körper (4), die druckaufnehmende Membran (2), das erste oder
beide der Stützelemente (1, 5) und das Verbindungselement aus austenitischem Edelstahl
und das Biegeelement (6) aus martensitischem Stahl bestehen.
9. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass lediglich die druckaufnehmende Membran (2) und gegebenenfalls noch das erste
Stützelement (1) aus Titan oder einer Titanlegierung besteht und die übrigen Elemente
(3-6) des Drucksensors aus kostengünstigeren Materialien bestehen, vorzugsweise der
art, dass der flächenhafte Körper (4) aus einem Material mit gleichem Temperaturausdeh
nungskoeffizient wie das Titanmaterial besteht.
10. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Biegeelement durch einen Biegebalken (6) mit dickeren Enden zur ortsfesten
Befestigung und einem verdickten Mittelteil zur Verbindung mit dem Auslenkbereich der
druckaufnehmenden Membran sowie dünneren Biegebereichen zwischen den Enden und
dem Mittelteil gebildet ist, wobei die Biegebereiche mit Dehnmessstreifen versehen sind.
11. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass er zur frontbündigen Anordnung in einer das zu vermessende Medium umgebenden
Wand ausgebildet ist.
12. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass der flächenhafte Körper (4) sich in einer zu der druckaufnehmenden Membran (2) im
wesentlichen parallelen Richtung erstreckend angeordnet ist.
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE10131688A DE10131688B4 (de) | 2000-12-13 | 2001-06-29 | Temperaturkompensierter Drucksensor |
DE50113585T DE50113585D1 (de) | 2000-12-13 | 2001-12-12 | Temperaturkompensierter Drucksensor |
DK01129644T DK1215477T3 (da) | 2000-12-13 | 2001-12-12 | Temperaturkompenseret tryksensor |
EP01129644A EP1215477B1 (de) | 2000-12-13 | 2001-12-12 | Temperaturkompensierter Drucksensor |
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE10062019.1 | 2000-12-13 | ||
DE10062019 | 2000-12-13 | ||
DE10131688A DE10131688B4 (de) | 2000-12-13 | 2001-06-29 | Temperaturkompensierter Drucksensor |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE10131688A1 true DE10131688A1 (de) | 2002-07-04 |
DE10131688B4 DE10131688B4 (de) | 2006-05-18 |
Family
ID=7666934
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE10131688A Expired - Fee Related DE10131688B4 (de) | 2000-12-13 | 2001-06-29 | Temperaturkompensierter Drucksensor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE10131688B4 (de) |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102005009851A1 (de) * | 2005-03-03 | 2006-09-07 | Siemens Ag | Verfahren und Einrichtung zum Messen einer Kraft oder eines Druckes |
DE102005027035A1 (de) * | 2005-06-10 | 2006-12-14 | Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg | Hydraulischer Druckmittler |
EP2251664A2 (de) | 2009-05-13 | 2010-11-17 | Trafag AG | Differenzdrucksensor |
WO2010149501A1 (de) | 2009-06-26 | 2010-12-29 | Trafag Ag | Drucksensormesselement sowie damit versehener drucksensor zur druckerfassung in einem brennraum einer verbrennungskraftmaschine |
WO2012095304A1 (de) * | 2011-01-12 | 2012-07-19 | Hydac Electronic Gmbh | Vorrichtung zum wandeln einer kraft oder eines drucks in ein elektrisches signal und verfahren zur herstellung einer solchen vorrichtung |
WO2019122759A1 (fr) * | 2017-12-21 | 2019-06-27 | Arianegroup Sas | Capteur de pression differentiel |
DE102018221808A1 (de) * | 2018-12-14 | 2020-06-18 | Continental Automotive Gmbh | Anordnung zum Bestimmen der Durchbiegung eines Bauteils und Verfahren zum Herstellen einer solchen Anordnung |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102010035728B4 (de) | 2010-08-28 | 2014-05-08 | Dräger Safety AG & Co. KGaA | Verfahren zum Betrieb einer Gasprobenahmevorrichtung zur colorimetrischen Gasanalyse |
DE102016108985A1 (de) | 2016-05-13 | 2017-11-16 | Trafag Ag | Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements mittels Laserstrukturierung |
DE102020123710A1 (de) | 2020-09-11 | 2022-03-17 | Trafag Ag | Messverfahren, Messvorrichtung, Steuerung und Computerprogrammprodukt |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
NL6809280A (de) * | 1968-07-01 | 1970-01-05 | ||
DE19844808C1 (de) * | 1998-09-30 | 2000-04-20 | Bosch Gmbh Robert | Drucksensorvorrichtung |
-
2001
- 2001-06-29 DE DE10131688A patent/DE10131688B4/de not_active Expired - Fee Related
Cited By (14)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102005009851A1 (de) * | 2005-03-03 | 2006-09-07 | Siemens Ag | Verfahren und Einrichtung zum Messen einer Kraft oder eines Druckes |
DE102005027035A1 (de) * | 2005-06-10 | 2006-12-14 | Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg | Hydraulischer Druckmittler |
US7798007B2 (en) | 2005-06-10 | 2010-09-21 | Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg | Hydraulic pressure intermediary |
DE102009024576B4 (de) * | 2009-05-13 | 2011-04-07 | Trafag Ag | Differenzdrucksensor |
DE102009024576A1 (de) | 2009-05-13 | 2010-11-18 | Trafag Ag | Differenzdrucksensor |
EP2251664A2 (de) | 2009-05-13 | 2010-11-17 | Trafag AG | Differenzdrucksensor |
WO2010149501A1 (de) | 2009-06-26 | 2010-12-29 | Trafag Ag | Drucksensormesselement sowie damit versehener drucksensor zur druckerfassung in einem brennraum einer verbrennungskraftmaschine |
US8984949B2 (en) | 2009-06-26 | 2015-03-24 | Trafag Ag | Pressure sensor measuring element and pressure sensor provided with the latter |
WO2012095304A1 (de) * | 2011-01-12 | 2012-07-19 | Hydac Electronic Gmbh | Vorrichtung zum wandeln einer kraft oder eines drucks in ein elektrisches signal und verfahren zur herstellung einer solchen vorrichtung |
US9243964B2 (en) | 2011-01-12 | 2016-01-26 | Hydac Electronic Gmbh | Device for converting a force or a pressure into an electrical signal and method for producing such a device |
WO2019122759A1 (fr) * | 2017-12-21 | 2019-06-27 | Arianegroup Sas | Capteur de pression differentiel |
FR3075957A1 (fr) * | 2017-12-21 | 2019-06-28 | Arianegroup Sas | Capteur de pression differentiel |
US11346737B2 (en) | 2017-12-21 | 2022-05-31 | Arianegroup Sas | Differential pressure sensor |
DE102018221808A1 (de) * | 2018-12-14 | 2020-06-18 | Continental Automotive Gmbh | Anordnung zum Bestimmen der Durchbiegung eines Bauteils und Verfahren zum Herstellen einer solchen Anordnung |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE10131688B4 (de) | 2006-05-18 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE102007042100B4 (de) | Drucksensor mit Membran zur Druckerfassung | |
EP1821090A2 (de) | Kraftsensor und Herstellungsverfahren für einen Kraftsensor | |
EP2300739B1 (de) | Druckmittler und druckmessgerät mit einem solchen druckmittler | |
DE4419138B4 (de) | Hochtemperaturdrucksensor | |
DE4232225C2 (de) | Verschiebungsverstärkungsvorrichtung zum Verstärken der Verschiebung eines piezoelektrischen Elements | |
DE2458901C3 (de) | Strömungsmesser | |
DE10034390C2 (de) | Drucksensor und Verfahren zu seiner Herstellung, sowie Verbrennungskraftmaschine mit Drucksensor | |
DE10131688A1 (de) | Temperaturkompensierter Drucksensor | |
WO2014187629A1 (de) | Wirbelströmungsmesssensor und wirbelströmungsmessaufnehmer zur messung der strömungsgeschwindigkeit eines fluids | |
DE2544505B2 (de) | Druckaufnehmer | |
DE3539810C2 (de) | Gasgefüllte thermo-elastische Vorrichtung zur Druck- oder Temperaturmessung | |
WO2003036250A1 (de) | Druckmittler mit trennmembran und verfahren zu dessen herstellung | |
DE2544506B2 (de) | Membrananordnung für Druckaufnehmer | |
DE112008000258B4 (de) | Differenzdrucksensor | |
AT520304B1 (de) | Drucksensor | |
WO2012055605A2 (de) | Druckmesswandler | |
EP1215477B1 (de) | Temperaturkompensierter Drucksensor | |
WO2019052892A1 (de) | VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR MESSUNG EINER ELEKTRODENKRAFT EINER SCHWEIßZANGE | |
EP3285057B1 (de) | Drucksensor für hohe drücke | |
WO2005121737A1 (de) | Drucksensor für abrasive medien | |
EP0483912B1 (de) | Scheibenförmiger Scherkraft-Messwertaufnehmer für eine Wägezelle | |
WO2021094231A1 (de) | Modulare baugruppe für ein druckmessgerät zur messung des drucks eines prozessmediums | |
EP0383974A1 (de) | Plattenförmiges Sensorelement sowie damit versehener Druck-, Kraft- oder Beschleunigungsaufnehmer | |
EP0088278B1 (de) | Vorrichtung zur Dehnungsmessung | |
DE4220810C2 (de) | Kraftaufnehmer |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |