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Die
Erfindung betrifft einen Drucksensor zur statischen und/oder dynamischen
Druckmessung eines flüssigen
oder fließfähigen Mediums,
mit einem Gehäuse
und mit einer Druckmeßzelle,
wobei auf der dem Medium zugewandten Seite in dem Gehäuse eine Öffnung ausgebildet
ist, durch die eine Seite der Druckmeßzelle direkt oder indirekt
mit dem zu überwachenden
Medium in Berührung
steht, und wobei die Druckmeßzelle
den zu überwachenden
Druck mittels eines elektromechanischen Wandlers in ein proportionales
Meßsignal
umwandelt.
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Drucksensoren
werden zur Überwachung und
Messung des Systemdrucks in hydraulischen und pneumatischen Applikationen
eingesetzt. Ein Einsatzbereich solcher Drucksensoren ist beispielsweise
die Lebensmittelindustrie, in der der Druck verschiedener Medien,
insbesondere verschiedener Flüssigkeiten überwacht
oder gemessen wird. Dabei gibt es je nach Anwendungsgebiet eine
Vielzahl unterschiedlicher Ausführungsvarianten,
wobei sich der Aufbau und die Auslegung der Drucksensoren in Abhängigkeit
des erwarteten maximalen Nenndrucks des zu überwachenden Mediums unterscheiden.
Neben der "normalen" Beanspruchung des
Drucksensors, insbesondere der Druckmeßzelle, durch den Nenndruck
des zu überwachenden
Mediums treten in vielen Einsatzbereichen häufig auch kurzzeitige Überdrücke oder
Druckspitzen auf, die wesentlich größer als der maximale Nenndruck
des Mediums sind. Ein solcher Überdruck
kann in der Lebensmittelindustrie beispielsweise dann auftreten,
wenn ein Behälter,
in dem normalerweise Milch gelagert wird, mit einer Flüssigkeit
mit hohem Druck gereinigt wird.
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Bekannte
Drucksensoren weisen üblicherweise
eine zylindrische Druckmeßzelle
auf, die aus einem Grundkörper
und einer Membran besteht, die durch ein Verbindungsmaterial, z.
B. ein Hartlot, in einem definierten Abstand voneinander gehalten
und miteinander hermetisch dicht verbunden sind. Neben Drucksensoren,
bei denen der Grundkörper
und die Membran zwei an sich separate Bauteile sind, gibt es auch
Drucksensoren, die eine monolithische Druckmeßzelle aufweisen, bei denen
also der Grundkörper und
die Membran einstückig
ausgeführt
sind. Darüber
hinaus weisen Drucksensoren, die häufig auch als Fluidsensoren
bezeichnet werden, in der Regel eine Elektronikeinheit auf, in der
die von der Druckmeßzelle
gelieferten Meßwerte
umgewandelt und ggf. aufbereitet bzw. ausgewertet werden.
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Unabhängig von
der konkreten Ausgestaltung der Druckmeßzelle gilt, daß die Seite
der Membran, die mit dem zu überwachenden
Medium in Berührung
steht, im Betrieb eine dem Druck des Mediums proportionale Auslenkung
erfährt,
die mittels eines auf der anderen Seite der Membran angeordneten
elektromechanischen Wandlers erfaßbar ist (vergleiche z.B.
DE 44 16 978 C2 oder
DE 196 28 551 A1 ).
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Bei
einer ersten Art von Drucksensoren wird als Meßprinzip das kapazitive Meßprinzip
verwendet. Die mit Elektroden beschichteten Innenflächen der Membran
und des Grundkörpers
bilden einen Meßkondensator,
dessen Kapazität
von der Durchbiegung der Membran abhängt und somit ein Maß für den an
der Membran anliegenden Druck ist. In der Praxis werden meist Druckmeßzellen
aus Keramik eingesetzt, da keramische Druckmeßzellen eine hohe Meßgenauigkeit
aufweisen, die über
sehr lange Zeit stabil bleibt. Auf der dem Medium abgewandten Seite
weist die Druckmeßzelle
eine elektronische Schaltung auf, die die Kapazität des Meßkondensators
in ein druckabhängiges
elektrisches Signal umwandelt und über elektrische Anschlußleitungen
einer weiteren Verarbeitung oder einer Anzeige zugänglich macht.
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Neben
diesen Drucksensoren, die ein kapazitives Meßprinzip aufweisen, bei denen
als elektromechanischer Wandler also zwei Elektroden verwendet werden,
gibt es auch Drucksensoren, die Dehnmeßstreifen (DMS) oder druckempfindliche
Widerstände
bzw. DMS-Widerstände
aufweisen. Bei diesen Drucksensoren sind die DMS-Widerstände auf der
dem Medium abgewandten Seite der Membran aufgebracht, wobei der
Widerstandswert der DMS-Widerstände von
der Durchbiegung der Membran abhängt
und somit ebenfalls ein Maß für den an der
Membran anliegenden Druck ist. Bei derartigen Drucksensoren bzw.
Druckmeßzellen
ist somit ein separater, der Membran gegenüberliegender Grundkörper meßtechnisch
nicht erforderlich. Drucksensoren bzw. Druckmeßzellen mit DMS-Widerständen gibt
es daher auch in monolithischer Ausführungsform, bei der der Grundkörper und
die Membran einstückig
ausgeführt
sind. Dabei befindet sich dann die Membran in der Re gel auf der
dem Medium abgewandten Seite des Grundkörpers, der im Bereich der Membran
eine sacklochartige Bohrung aufweist. Der Grundkörper hat somit eine topfförmige Gestalt,
wobei der Boden des Topfes von der Membran gebildet wird und die
offene Seite des Topfes dem Medium zugewandt ist. Daneben ist es
jedoch auch möglich, daß sich die
Membran auf der dem Medium zugewandten Seite des Grundkörpers befindet.
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Unabhängig von
der Art des Meßprinzips
des Drucksensors besteht bei den bekannten Drucksensoren das Problem,
daß die
Druckmeßzelle
bzw. die Membran bei den eingangs beschriebenen Überdrücken oder bei in hydraulischen
Systemen auftretenden Druckspitzen, die beispielsweise durch sich schnell
schließende
Ventile entstehen, mechanisch beschädigt werden kann.
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Dieses
Problem wird in der Praxis dadurch gelöst, daß in die Öffnung im Gehäuse eine
Drosselschraube eingesetzt wird (vgl. beispielsweise
DE 34 40 568 A1 oder
DE 42 19 053 A1 ).
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Dabei
sind verschiedene Ausführungsformen
der Drosselschraube bekannt. Bei einer ersten, aus der Praxis bekannten
Variante ist eine sehr kleine Bohrung in der Drosselschraube vorgesehen,
die den Querschnitt, durch den das Medium zur Druckmeßzelle strömen kann
festlegt. Bei einer anderen Ausführung
ist auf dem Außengewinde
der Drosselschraube eine spiralförmige
Nut ausgebildet, durch die das Medium zur Druckmeßzelle strömen kann. Beiden
Ausführungsformen
ist gemeinsam, daß die Herstellung
der Schraube mit der kleinen Bohrung bzw. mit der spiralförmigen Nut
sehr aufwendig und damit teuer ist. Darüber hinaus besteht bei Vibrationen
die Gefahr, daß sich
die Drosselschraube lockert oder löst, wodurch die gewünschte Drosselwirkung nicht
mehr gewährleistet
ist.
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Bei
dem aus der
DE 42 19
053 A1 bekannten Druckaufnehmer ist in der die Membran
mit dem zu überwachendem
Medium verbindenden axialen Innenbohrung eine Drosselvorrichtung
vorgesehen. Die Drosselvorrichtung besteht dabei aus einer Einsatzhülse und
einer in diese axial eingeschraubte Drosselschraube. Durch die Drosselvorrichtung
mit der axialen Drosselschraube wird dabei die Innenbohrung praktisch
vollständig
gegenüber
dem hydraulischen System verschlossen. Eine druckübertragende
Verbindung zwischen Innen bohrung und hydraulischem System erfolgt
lediglich durch eine feine Spaltverbindung im Gewindebereich zwischen den
Gewindegängen
der Drosselschraube und dem Innengewinde der Einsatzhülse. Hierzu
ist bei der bekannten Drosselvorrichtung vorgesehen, daß die Drosselschraube
wie üblich
dreigängig
ausgearbeitet ist, während
das Innengewinde der Einsatzhülse
nur zweigängig
geschnitten ist. Auch bei dieser Ausführungsformen der Drosselschraube
bzw. der Drosselvorrichtung ist die Herstellung der Drosselschraube und
der Einsatzhülse
relativ aufwendig und damit teuer.
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Daneben
ist auch die Verwendung eines separaten Schlauches bekannt, der
zwischen den Drucksensor und den Prozeßanschluß geschaltet wird. Neben den
mit der Verwendung eines elastischen Schlauches verbundenen Sicherheitsmängel – Gefahr
des Platzens des Schlauches – besteht
hier der Nachteil eines erhöhten
Platzbedarfs.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen eingangs beschriebenen
Drucksensor zur Verfügung
zu stellen, der mit möglichst
einfachen Mitteln zuverlässig
gegen auftretende Druckspitzen geschützt ist.
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Diese
Aufgabe ist bei dem eingangs beschriebenen Drucksensor dadurch gelöst, daß auf der
dem Medium zugewandten Seite der Druckmeßzelle unmittelbar vor oder
hinter der im Gehäuse
ausgebildeten Öffnung
eine Drosselscheibe angeordnet ist, wobei die Drosselscheibe eine
im wesentlichen ebene Fläche
aufweist und so angeordnet und ausgebildet ist, daß durch
die Drosselscheibe der Querschnitt der Öffnung, durch den das Medium
zur Druckmeßzelle
strömen
kann, verringert wird, wobei die im wesentlichen ebene Fläche der
Drosselscheibe größer ist
als der Durchmesser der Öffnung
und in der im wesentlichen ebenen Fläche mindestens ein Kanal ausgebildet
ist.
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Die
Verwendung einer Drosselscheibe anstelle einer Drosselschraube hat
den Vorteil, daß eine derartige
Drosselscheibe wesentlich einfacher hergestellt werden kann. Beispielsweise
kann eine derartige Drosselscheibe aus Federstahl einfach durch einen
Stanz- und Biegevorgang hergestellt werden.
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Vorzugsweise
ist dabei die Drosselscheibe vor der im Gehäuse ausgebildeten Öffnung angeordnet,
so daß sich
die im wesentlichen ebene Fläche am
Rand der Öffnung
abstützen
kann. Dadurch, daß die
ebene Fläche
größer als
der Durchmesser der Öffnung
ist, wird die Öffnung
somit zunächst
durch die Drosselscheibe verschlossen. Durch den in der Fläche ausgebildeten
Kanal wird jedoch eine gewollte Verbindung zur Druckmeßzelle geschaffen,
durch die das Medium strömen
kann.
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Die
Stärke
der Drosselwirkung und damit die Größe der maximal beherrschbaren
Druckspitzen kann dabei durch die Ausgestaltung des Kanals festgelegt
werden. Vorzugsweise verläuft
der Kanal vom Randbereich bis etwa zur Mitte der ebenen Fläche. Selbstverständlich sind
auch andere Ausgestaltungen des Kanals möglich. Beispielsweise kann
der Kanal auch spiralförmig
ausgebildet sind. Grundsätzlich kann
auf die Ausbildung eines Kanals auch ganz verzichtet werden, wenn
die ebene Fläche
eine ausreichende Oberflächenrauhigkeit
aufweist, so daß dadurch
ebenfalls gewährleistet
ist, daß das
zu überwachende
Medium zur Druckmeßzelle
gelangen kann. Durch die Ausbildung eines Kanals wird jedoch ein definierter
Strömungsweg
für das
Medium vorgegeben, so daß die
Druckmeßzelle
durch die Drosselscheibe nicht nur vor Druckspitzen geschützt wird, sondern
daneben auch eine hohe Meßgenauigkeit bei
Nenndruck erreicht werden kann.
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Eingangs
ist ausgeführt
worden, daß die Drosselscheibe
sowohl vor als auch hinter der im Gehäuse ausgebildeten Öffnung angeordnet
sein kann. Vorzugsweise ist die Drosselscheibe jedoch vor der Öffnung angeordnet.
Hierdurch kann eine einfache Montage und Demontage der Drosselscheibe
erreicht werden, ohne daß die
Positionierung der Druckmeßzelle
in dem Gehäuse
verändert
werden muß.
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Die
Befestigung der Drosselscheibe in dem Gehäuse kann nun dadurch besonders
einfach erfolgen, daß an
mindestens zwei Seiten der Drosselscheibe abgebogene, federnde Stege
vorgesehen sind, die zur Befestigung der Drosselscheibe in dem Gehäuse dienen.
Hierzu ist im Gehäuse
auf der dem Medium zugewandten Seite vor der Öffnung eine Nut ausgebildet,
in die die Stege der Drosselscheibe eingreifen können. Die Drosselscheibe kann
dadurch einfach in das Gehäuse
eingerastet werden, so daß zusätzliche
Halterungsmittel nicht erforderlich sind. Durch die federnde Eigenschaft
der Stege ist darüber hinaus
gewährleistet,
daß die
Drosselscheibe auch bei Vibrationen sicher fixiert bleibt.
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Im
einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, den erfindungsgemäßen Drucksensor auszugestalten
und weiterzubilden. Hierzu wird verwiesen auf die dem Patentanspruch
nachgeordneten Patentansprüche
sowie auf die Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen:
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1 eine
vereinfachte Darstellung eines erfindungsgemäßen Drucksensors, im Schnitt,
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2 einen
vergrößerten Ausschnitt
eines Bereichs des Drucksensors gemäß 1 und
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3 eine
perspektivische Darstellung der Drosselscheibe.
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1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
eines Drucksensors 1 mit einem Gehäuse 2 und einer Druckmeßzelle 3.
Auf der dem zu überwachenden Medium
zugewandten Seite des Drucksensors 1 ist in dem Gehäuse 2 eine Öffnung 4 ausgebildet,
durch die die eine Seite 5 der Druckmeßzelle 3 mit dem zu überwachenden
Medium in Berührung
kommt. In der Regel besteht die Druckmeßzelle 3 – was hier
jedoch nicht dargestellt ist – aus
einem Grundkörper
und einer Membran, die im montierten Zustand der Druckmeßzelle 3 durch
ein Verbindungsmaterial mit dem Grundkörper verbunden ist. Daneben
kann die Druckmeßzelle 3 jedoch
auch als monolithische Druckmeßzelle
ausgebildet sein, bei der der Grundkörper und die Membran einstückig ausgeführt sind.
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Die
Druckmeßzelle 3 kann
mit Hilfe eines – hier
nicht dargestellten – Abstützringes
in dem Gehäuse 2 befestigt
werden, wobei die Druckmeßzelle 3 an
der dem Medium zugewandten Seite 5 mittels einer Dichtung 6 abgedichtet
ist, und die Dichtung 6 gleichzeitig als Auflager für die Druckmeßzelle 3 dient.
Das Gehäuse 2 weist
auf der dem Medium zugewandten Seite eine Bohrung 7 mit
einem Innengewinde auf, die als Prozeßanschluß dient. Hierzu kann die Bohrung 7 auf
einen korrespondierenden Anschlußstutzen an einem Behälter oder
einem Rohr, in dem das zu überwachende
Medium strömt,
aufgeschraubt werden.
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Um
die in der Regel aus keramischem Material bestehende Druckmeßzelle 3 gegen
Zerstörung durch
Druckspitzen, die beispielsweise durch sich schnell schließende Ventile
entstehen können,
zu schützen,
ist auf der dem Medium zugewandten Seite 5 der Druckmeßzelle 3 unmittelbar
vor der im Gehäuse 2 ausgebildeten Öffnung 4 eine
Drosselscheibe 8 angeordnet. Die vorzugsweise aus einem
korrosionsbeständigen
und gegen chemisch aggressive Medien beständigen Federstahl bestehende
Drosselscheibe 8 weist eine im wesentlichen ebene Fläche 9 auf,
die größer ist
als der Durchmesser der Öffnung 4 ist,
so daß die Öffnung 4 durch
die ebene Fläche 9 der
Drosselscheibe 8 vollständig
abgedeckt wird. Um dennoch die zur Messung des Drucks des zu überwachenden
Mediums notwendige Verbindung zwischen der Druckmeßzelle 3 und
dem Medium zu gewährleisten,
ist in der ebenen Fläche 9 auf
der dem Medium abgewandten Seite 10 ein Kanal 11 ausgebildet.
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Wie
insbesondere aus 3 ersichtlich ist, erstreckt
sich der in Form einer Kerbe ausgebildete Kanal 11 vorn
Randbereich der ebenen Fläche 9 bis etwa
zur Mitte der ebenen Fläche 9.
Durch den Kanal 11 wird zum einen ein definierter Durchlaß zur Druckmeßzelle 3 für das zu überwachende
Medium geschaffen, zum anderen der Querschnitt der Öffnung 4 deutlich
verringert, wodurch die gewünschte
Drosselwirkung erzielt wird.
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Zur
Fixierung der Drosselscheibe 8 in dem Gehäuse 4 sind
an zwei Seiten der Drosselscheibe 8 abgebogene, federnde
Stege 12, 13 vorgesehen, mittels derer die Drosselscheibe 8 in
einer im Gehäuse 2 ausgebildeten
Nut 14 eingerastet werden kann. Durch die Form der Drosselscheibe 8 und
unterstützt durch
die federnde Eigenschaft der Stege 12, 13 ist eine
sichere Anlage der ebenen Fläche 9 am
Rand 15 der Öffnung 4 sichergestellt.
Zusätzlich
wird die ebene Fläche 9 der
Drosselscheibe 8 auch noch durch den Druck des zu überwachenden
Mediums gegen den Rand 15 der Öffnung 4 gedrückt. Wie 3 zeigt,
sind der Kanal 11 und die Stege 12, 13 so
ausgerichtet, daß der
Kanal 11 durch die Stege 12, 13 nicht
beeinflußt
wird.
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Wie
aus 3 weiter ersichtlich ist, weisen die Enden der
beiden Stege 12, 13 jeweils eine Aussparung 16 auf,
in die zur Demontage der Drosselscheibe 8 aus dem Gehäuse 2 beispielsweise
die Spitze eines Schraubendrehers eingesteckt werden kann, wodurch
die Drosselscheibe 8 bzw. die Stege 12, 13 aus
dem Gehäuse 2 bzw.
der Nut 14 herausgehebelt werden kann.
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Aus
den zuvor gemachten Ausführungen
sowie aus der Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Drosselscheibe 8 in 3 ist
ersichtlich, daß die Drosselscheibe 8 durch
einen einfachen Stanz- und Biegevorgang kostengünstig hergestellt werden kann.
In dem Stanz- und Biegevorgang können
dabei auch der Kanal 11, die Stege 12, 13 und
die in den Stegen 12, 13 vorgesehenen Aussparungen 16 hergestellt
werden. Darüber
hinaus ist auch die Montage und Demontage der Drosselscheibe 8 in
dem Gehäuse 2 sehr
einfach durchführbar,
so daß die
Drosselscheibe 8 beispielsweise zu Reinigungszwecken schnell
und einfach aus dem Gehäuse 2 herausgenommen
werden kann. Die Fixierung der Drosselscheibe 8 mittels
der Stege 12, 13 in der Nut 14 bleibt auch
bei auftretenden Vibrationen bestehen, so daß die Drosselwirkung im Betrieb
dauerhaft gewährleistet
ist.
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Schließlich ist
aus den 1 und 2 ersichtlich,
daß bei
einer entsprechenden Dimensionierung des Durchmessers der Öffnung 4 und
der Abmessungen der ebenen Fläche 9 der
Drosselscheibe 8 eine ausreichend große Auflagefläche für die ebene
Fläche 9 zur
Verfügung
steht, so daß auch
die Drosselscheibe 8 durch auftretende Druckspitzen nicht
beschädigt
oder in seiner gewünschten
Funktion negativ beeinträchtigt
wird.
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In
besonderen Anwendungsfällen
des Drucksensors 1, beispielsweise in der Lebensmittelindustrie,
kann eine erforderliche chemische Beständigkeit der Drosselscheibe 8 durch
eine entsprechende Wahl des Materials oder eine geeignete Beschichtung
des ausgewählten
Materials sichergestellt werden. Als weiterer Vorteil der zuvor
beschriebenen Drosselscheibe 8 ist aus 1 erkennbar,
daß die Drosselscheibe 8 nur
eine relativ geringe Bauhöhe aufweist,
so daß sich
durch die Verwendung der Drosselscheibe 8 die Länge des
Gehäuses 2,
insbesondere des Prozeßanschlusses,
nur geringfügig vergrößert.