DE102005053062B4

DE102005053062B4 - Drucksensor

Info

Publication number: DE102005053062B4
Application number: DE102005053062A
Authority: DE
Inventors: Hans-Peter Müller
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2005-11-04
Filing date: 2005-11-04
Publication date: 2011-02-10
Anticipated expiration: 2025-11-05
Also published as: DE102005053062A1; US20070113659A1; US7428844B2

Abstract

Drucksensor zur statischen und/oder dynamischen Druckmessung eines flüssigen, fließfähigen oder gasförmigen Mediums, mit einem Gehäuse (2) und mit einer Druckmesszelle (3), wobei auf der dem Medium zugewandten Seite eine Öffnung (4) ausgebildet ist, durch die eine Seite (5) der Druckmesszelle (3) direkt oder indirekt mit dem zu überwachenden Medium in Berührung steht, und wobei die Druckmesszelle (3) den zu überwachenden Druck mittels eines elektromechanischen Wandlers in ein proportionales Messsignal umwandelt,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Gehäuse (2) auf der Druckmesszelle (3) aufsetzt und das Gehäuse (2) und die Druckmesszelle (3) stirnseitig miteinander verbunden sind,
so dass die Druckmesszelle (3) zumindest teilweise Teil der äußeren Oberfläche des Drucksensors (1) ist und somit nicht von dem Gehäuse (2) umschlossen wird, sondern so zum Gehäuse (2) angeordnet ist, dass die dem zu überwachenden Medium abgewandte Stirnseite (10) der Druckmesszelle (3) mit der zugeordneten Stirnfläche (11) des Gehäuses (2) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Drucksensor zur statischen und/oder dynamischen Druckmessung eines flüssigen, fließfähigen oder gasförmigen Mediums, mit einem Gehäuse und mit einer Druckmeßzelle, wobei auf der dem Medium zugewandten Seite 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.
Drucksensoren werden zur Überwachung und Messung des Systemdrucks in hydraulischen und pneumatischen Applikationen eingesetzt. Einsatzbereiche solcher Drucksensoren sind beispielsweise die Hydrauliküberwachung bei Werkzeugmaschinen, die Kunststoffindustrie oder die Lebensmittelindustrie, in der der Druck verschiedener Medien, d. h. verschiedener Flüssigkeiten oder Gase 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.
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. Außerdem weisen Drucksensoren noch eine elektrische Anschlußmöglichkeit zur Versorgung des Drucksensors mit der benötigten Energie und als Meßsignal- oder Schaltausgang auf.
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.
Bei einer ersten Art von Drucksensoren wird als Meßprinzip das kapazitive Meßprinzip verwendet (vergleiche z. B. DE 44 16 978 C2 oder DE 196 28 551 A1 ). 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.
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 (beispielsweise DE 102 21 219 A1 ). 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 Regel 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. Als Druckmeßzelle wird dabei entweder ebenfalls eine Keramikmeßzelle oder eine Stahlmeßzelle, insbesondere eine Edelstahlmeßzelle eingesetzt.
Aus der EP 0 456 873 A1 ist ein kapazitiver Druckaufnehmer mit einem Gehäuse und einer Druckmeßzelle bekannt. Bei dem bekannten kapazitiven Druckaufnehmer besteht die Druckmeßzelle aus einer Meßmembran und einer die Meßelektrode aufweisenden Trägerplatte, wobei die Meßmembran und die Trägerplatte über einen vorzugsweise als leitende Kleberschicht ausgebildeten ringförmigen Abstandshalter miteinander verbunden sind. Die Meßmembran ist dabei an ihrem Rand im Gehäuse eingespannt, so daß die Druckmeßzelle radial von dem Gehäuse umgeben ist.
Die EP 0 284 633 A1 offenbart einen Drucksensor mit einem Gehäuse, einer Druckmeßzelle und einem Prozeßanschluß. Dabei kann die Druckmeßzelle – bei höheren Drücken – in einem rückwärtigen Bereich des Prozeßanschlusses oder – bei niedrigen Drücken – stirnseitige im Prozeßanschluß angeordnet sein.
Den bekannten Drucksensoren ist unabhängig von der konkreten Ausgestaltung und dem realisierten Meßprinzips gemeinsam, daß die Druckmeßzelle derart im Gehäuse angeordnet ist, daß sie von dem Gehäuse oder von dem Gehäuse und einem mit dem Gehäuse verbundenen Prozeßanschluß umgeben ist. Ein derartiger Prozeßanschluß dient dabei dazu, den Drucksensor mit einem das zu überwachenden Medium beinhaltenden Rohr oder Behälter zu verbinden. Weist der Drucksensor keinen separaten Prozeßanschluß auf, so ist das dem Rohr oder Behälter zugewandte Ende des Gehäuses selber als Prozeßanschluß ausgebildet, wozu an dem Gehäuse dann entweder ein Außengewinde oder ein Innengewinde zum Anschluß an einen entsprechenden Anschlußstutzen bzw. zum einschrauben in eine entsprechende Bohrung im Rohr oder Behälter vorgesehen ist.
Die Abmessungen, insbesondere der Durchmesser des Drucksensors hängt dabei wesentlich vom Durchmesser der verwendeten Druckmeßzelle ab, wobei der Außendurchmesser des Drucksensors deutlich größer als der Durchmesser der Druckmeßzelle ist. Soll der Durchmesser des Drucksensors verringert werden, so ist es somit zunächst erforderlich, den Durchmesser der in der Regel zylindrischen Druckmeßzelle zu verringern. Dies wird im Stand der Technik dadurch erreicht, daß anstelle einer herkömmlichen Druckmeßzelle in Dickschichttechnik eine Druckmeßzelle in Dünnfilmtechnik verwendet wird, d. h. eine Druckmeßzelle, bei der der elektromagnetische Wandler, insbesondere die DMS-Widerstände nicht in Dickschichttechnik sondern in Dünnfilmtechnik ausgebildet und auf der Meßzelle aufgebracht sind. Hierdurch kann zwar der Durchmesser der Druckmeßzelle deutlich verringert werden, nachteilig ist jedoch, daß die Herstellungskosten für derartige Druckmeßzellen in Dünnfilmtechnik deutlich höher sind als die vergleichbarer Druckmeßzellen in Dickschichttechnik.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen eingangs beschriebenen Drucksensor zur Verfügung zu stellen, dessen Baugröße, insbesondere dessen Durchmesser gegenüber herkömmlichen Drucksensoren verkleinert ist und somit platzsparend eingebaut und möglichst kostengünstig hergestellt werden kann.
Diese Aufgabe ist bei dem eingangs beschriebenen Drucksensor dadurch gelöst, daß das Gehäuse auf der Druckmeßzelle aufsetzt und das Gehäuse und die Druckmeßzelle stirnseitig miteinander verbunden sind, so daß die Druckmeßzelle zumindest teilweise Teil der äußeren Oberfläche des Drucksensors ist, und somit nicht von dem Gehäuse umschlossen wird, sondern so zum Gehäuse angeordnet ist, dass die dem zu überwachenden Medium abgewandte Stirnseite der Druckmesszelle mit der zugeordneten Stirnfläche des Gehäuses verbunden ist.
Weist der erfindungsgemäße Drucksensor zusätzlich zum Gehäuse auch einen Prozeßanschluß auf, so ist vorzugsweise vorgesehen, daß die Druckmeßzelle und der Prozeßanschluß ebenfalls stirnseitig miteinander verbunden sind. Dabei ist die Druckmeßzelle auf dem Prozeßanschluß aufgesetzt, so daß die Druckmeßzelle radial weder von dem Gehäuse noch von dem Prozeßanschluß umschlossen ist.
Erfindungsgemäß ist somit erkannt worden, daß auf die im Stand der Technik stets erfolgte Umkapselung der Druckmeßzelle durch das Gehäuse bzw. den Prozeßanschluß verzichtet werden kann. Daraus ergibt sich, daß der maximale Außendurchmesser des Drucksensors im wesentlichen dem Außendurchmesser der Druckmeßzelle entsprechen kann. Im Ergebnis kann dadurch ein Drucksensor zur Verfügung gestellt werden, dessen Außendurchmesser dem eines herkömmlichen Drucksensors mit einer Druckmeßzelle in Dünnfilmtechnik entspricht, der jedoch eine günstigere Druckmeßzelle in Dickschichttechnik aufweist. Alternativ dazu kann bei Verwendung einer Druckmeßzelle in Dünnfilmtechnik ein Drucksensor realisiert werden, der einen deutlich geringeren Außendurchmesser als herkömmliche Drucksensoren hat.
Weist der Drucksensor keinen zusätzlichen Prozeßanschluß auf, so fungiert vorzugsweise die Druckmeßzelle auch als Prozeßanschluß. Dabei ist dann an der Druckmeßzelle ein entsprechender Anschlußbereich zur sicheren und druckdichten Befestigung des Drucksensors in einer Öffnung oder Bohrung eines Rohres bzw. Behälters vorgesehen. Vorzugsweise ist zur Montage des Drucksensors an einem korrespondierenden Anschlußstutzen an der Druckmeßzelle ein Anschlußgewinde ausgebildet, wobei das Anschlußgewinde sowohl als Außengewinde als auch als Innengewinde ausgebildet sein kann. Die Verbindung der Druckmeßzelle an dem das zu überwachende Medium führenden Rohr oder Behälter kann jedoch auch auf andere Art als durch Ein- oder Aufschrauben erfolgen. Beispielsweise können am Rohr oder am Behälter entsprechende Schnapp-, Klemm- oder Spannvorrichtungen vorgesehen sein, welche eine sichere und druckdichte Befestigung des Drucksensors in einer Öffnung des Rohres bzw. Behälters gewährleisten.
Zur Erzielung einer ausreichend festen Verbindung zwischen der Druckmeßzelle und dem Gehäuse sind die Druckmeßzelle und das Gehäuse vorzugsweise aus Metall, wobei die Druckmeßzelle und das Gehäuse dann mittels Schweißen, insbesondere mittels Widerstandsschweißen, Elektronenschweißen oder Laserschweißen miteinander verbunden sind. Alternativ dazu erfolgt die Verbindung zwischen der Druckmeßzelle und dem Gehäuse auch durch Löten, Kleben, Pressen oder Schrauben. Dabei ist es selbstverständlich auch möglich, mehrere Verbindungsarten miteinander zu kombinieren, beispielsweise können die Druckmeßzelle und das Gehäuse sowohl miteinander verklebt als auch miteinander verpreßt werden.
Die Verbindung der Druckmeßzelle mit dem Prozeßanschluß, welcher in aller Regel aus Metall ist, erfolgt vorzugsweise ebenfalls mittels Schweißen, insbesondere mittels Widerstandsschweißen, Elektronenschweißen oder Laserschweißen. Hierbei ist vorzugsweise vorgesehen, daß die der Druckmeßzelle zugewandte Stirnseite des Prozeßanschlusses einen sogenannten Schweißbuckel aufweist, wodurch das Verschweißen von Druckmeßzelle und Prozeßanschluß erleichtert und die dadurch entstehende Verbindung noch stabiler wird.
Zur festen Verbindung des Drucksensors mit einem das zu überwachende Medium führenden Rohr oder einem das Medium enthaltenen Behälter sind an dem Drucksensor mindestens zwei Schlüsselflächen ausgebildet. Durch Ansetzen eines entsprechenden Werkzeuges an den Schlüsselflächen kann dann der Drucksensor bzw. der Prozeßanschluß in einen Anschlußstutzen bzw. in das Rohr oder den Behälter eingeschraubt oder auf einen entsprechenden Anschlußstutzen aufgeschraubt werden.
Wie im Stand der Technik üblich, ist dabei gemäß einer ersten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Drucksensors am Prozeßanschluß ein entsprechender Befestigungsabschnitt mit mindestens zwei Schlüsselflächen vorgesehen, wobei der Befestigungsabschnitt vorzugsweise als Sechskant ausgebildet ist, so daß der Befestigungsabschnitt dann sechs Schlüsselflächen aufweist. Alternativ dazu können auch an der Druckmeßzelle ein Befestigungsabschnitt mit mindestens zwei Schlüsselflächen vorgesehen sein, wobei der Befestigungsabschnitt dann ebenfalls vorzugsweise die Grundfläche eines Sechskants hat. Gemäß einer letzten Alternative ist der Befestigungsabschnitt am Gehäuse ausgebildet, wozu dann das Gehäuse mindestens zwei Schlüsselflächen aufweist. Die beiden letzten Alternativen werden insbesondere – aber nicht ausschließlich – dann gewählt, wenn der Drucksensor keinen separaten Prozeßanschluß aufweist. In diesem Fall übernimmt dann die Druckmeßzelle gleichzeitig die Funktion des Prozeßanschlusses.
Auch wenn es grundsätzlich ausreicht, wenn entweder am Prozeßanschluß, an der Druckmeßzelle oder am Gehäuse ein entsprechender Befestigungsabschnitt mit mindestens zwei Schlüsselflächen ausgebildet ist, so ist natürlich auch möglich, daß gleichzeitig an zwei oder drei Bauteilen, d. h. beispielsweise am Prozeßanschluß und am Gehäuse oder am Prozeßanschluß und an der Druckmeßzelle ein entsprechender Befestigungsabschnitt vorgesehen ist.
Die Druckmeßzelle des erfindungsgemäßen Drucksensors kann – wie eingangs beschrieben – als kapazitive Druckmeßzelle, insbesondere als kapazitive Keramikmeßzelle, ausgebildet sein. Vorzugsweise ist jedoch vorgesehen, daß als Druckmeßzelle eine Stahlmeßzelle, insbesondere eine Edelstahlmeßzelle verwendet wird, welche in Dünnfilmtechnik oder Dickschichttechnik ausgebildete Dehnmeßstreifen oder DMS-Widerstände aufweist. Eine solche Stahlmeßzelle ist dabei zumeist als monolithische Druckmeßzelle ausgebildet, bei der der Grundkörper und die Membran einstückig ausgeführt sind.
Gemäß einer letzten vorteilhaften Ausgestaltung, die hier noch kurz erwähnt werden soll, ist ein Zierring vorgesehen, der die Druckmeßzelle zumindest teilweise umgibt. Der Zierring kann dabei beispielsweise als Spannring oder als Schrumpfschlauch ausgebildet sein und neben einem optischen Effekt, beispielsweise der Aufbringung eines Firmenlogos, auch eine zusätzliche Dichtungsfunktion für die Verbindungsstelle zwischen der Druckmeßzelle und dem Gehäuse oder dem Prozeßanschluß aufweisen.
Im einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, den erfindungsgemäßen Drucksensor auszugestalten und weiterzubilden. Hierzu wird verwiesen auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche, sowie auf die Beschreibung verschiedener Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel eines Drucksensors gemäß dem Stand der Technik, als Schnittdarstellung, als Seitenansicht und als Draufsicht,
2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drucksensors, ebenfalls als Schnittdarstellung, als Seitenansicht und als Draufsicht,
3 ein weiteres, im wesentlichen dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 entsprechendes Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Drucksensors,
4 ein grundsätzlich zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drucksensors, wiederum als Schnittdarstellung, als Seitenansicht und als Draufsicht,
5 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drucksensors, als Schnittdarstellung, als Seitenansicht und als Draufsicht,
6 ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drucksensors, als Schnittdarstellung, als Seitenansicht und als Draufsicht,
7 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drucksensors ohne separaten Prozeßanschluß, als Schnittdarstellung, als Seitenansicht und als Draufsicht,
8 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Druckmeßzelle für einen erfindungsgemäßen Drucksensor, als Schnittdarstellung, als Seitenansicht und als Draufsicht, und
9 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Druckmeßzelle, als Schnittdarstellung, als Seitenansicht und als Draufsicht.
Die 1 bis 7 zeigen verschiedene Drucksensoren 1, wobei in der 1 ein Drucksensor 1 gemäß dem Stand der Technik und in den 2 bis 7 verschiedene Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Drucksensors 1 dargestellt sind. Der Drucksensor 1, sowohl gemäß dem Stand der Technik (1) als auch gemäß der Erfindung (2 bis 7) weist zunächst ein Gehäuse 2 und eine Druckmeßzelle 3 auf, wobei auf der dem Medium zugewandten Seite eine Öffnung 4 ausgebildet ist, durch die eine Seite 5 der Druckmeßzelle 3 mit dem zu überwachenden Medium in Berührung steht. In dem zylinderförmigen Gehäuse 2 ist dabei die Elektronik des Drucksensors 1 angeordnet.
Mit Ausnahme des Drucksensors 1 gemäß 7 ist darüber hinaus noch ein Prozeßanschluß 6 vorgesehen, über den der Drucksensor 1 mit einem das zu überwachende Medium führenden – hier nicht dargestellten – Rohr oder Behälter verbunden werden kann. Hierzu weist der Prozeßanschluß 6 ein Außengewinde 7 auf, so daß der Prozeßanschluß 6 in eine Bohrung eines Behälters oder einen Anschlußstutzen eingeschraubt werden kann. Außerdem weist der Prozeßanschluß 6 auch ein Innengewinde 8 auf, so daß der Drucksensor 1 mit Hilfe des Prozeßanschlusses 6 wahlweise auch auf einen entsprechenden Anschlußstutzen aufgeschraubt werden kann.
Weist der Drucksensor 1 neben dem Gehäuse 2 und der Druckmeßzelle 3 auch einen Prozeßanschluß 6 auf, so ist die zuvor genannte Öffnung 4, durch die die eine Seite 5 der Druckmeßzelle 3 mit dem Medium in Berührung steht, im Prozeßanschluß 6 ausgebildet. Alternativ dazu können das Gehäuse 2 und der Prozeßanschluß 6 auch einteilig ausgebildet sein, so daß dann der dem zu überwachenden Medium zugewandte Bereich des Gehäuses 2 als Prozeßanschluß ausgebildet ist. In diesem Fall ist dann die Öffnung 4 entsprechend im Gehäuse 2 ausgebildet.
Schließlich weisen die in den Figuren dargestellten Drucksensoren 1 noch eine als Steckeranschluß 9 ausgebildete elektrische Anschlußmöglichkeit auf. Anstelle eines in den Figuren dargestellten Steckeranschlusses 9 kann selbstverständlich auch ein Buchsenanschluß oder ein Kabelabgang vorgesehen sein. Der Steckeranschluß 9 kann dabei entweder einstückig mit dem Gehäuse 2 ausgebildet sein oder mit diesem beispielsweise durch Schweißen, Pressen oder Bördeln verbunden sein.
Bei dem in 1 dargestellten Drucksensor 1 gemäß dem Stand der Technik ist die Druckmeßzelle 3 vollständig von dem Gehäuse 2 und dem mit dem Gehäuse 2 fest verbundenen Prozeßanschluß 6 umgeben. Dies führt einerseits zu einer sicheren Kapselung der Druckmeßzelle 3, andererseits jedoch auch dazu, daß der Außendurchmesser des Drucksensors 1 deutlich größer als der Außendurchmesser der Druckmeßzelle 3 ist.
Im Unterschied dazu ist bei dem erfindungsgemäßen Drucksensor 1 gemäß den 2 bis 7 das Gehäuse 2 auf der Druckmeßzelle 3 aufgesetzt, wobei das Gehäuse 2 und die Druckmeßzelle 3 stirnseitig miteinander verbunden sind, so daß die Druckmeßzelle 3 Teil der äußeren Oberfläche des Drucksensors 1 ist und somit nicht von dem Gehäuse 2 umschlossen ist. Wie beispielsweise aus der 2a ersichtlich ist, ist die zweite, dem zu überwachenden Medium abgewandte Stirnseite 10 der Druckmeßzelle 3 mit der zugeordneten Stirnfläche 11 des Gehäuses 2 verbunden, wobei die Verbindung vorzugsweise mittels Schweißen, insbesondere mittels Widerstandsschweißen erfolgt.
Bei den Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Drucksensors 1 gemäß den 2 bis 6, bei dem der Drucksensor 1 einen separaten Prozeßanschluß 6 aufweist, sind auch die Druckmeßzelle 3 und der Prozeßanschluß 6 stirnseitig miteinander verbunden. Hierzu ist der Prozeßanschluß 6 auf der Druckmeßzelle 3 aufgesetzt, so daß die Druckmeßzelle 3 radial weder von dem Gehäuse 2 noch von dem Prozeßanschluß 6 umschlossen ist.
Weisen das Gehäuse 2, die Druckmeßzelle 3 und der Prozeßanschluß 6 in etwa denselben Außendurchmesser auf, so entspricht der Außendurchmesser des Drucksensors 1 im wesentlichen dem Außendurchmesser der Druckmeßzelle 3. Im Ergebnis ist somit durch die erfindungsgemäße Anordnung der Druckmeßzelle 3 zwischen dem Gehäuse 2 und dem Prozeßanschluß 6, entlang der gemeinsamen Mittelachse 12 des Gehäuses 2, der Druckmeßzelle 3 und des Prozeßanschlusses 6, eine deutliche Reduzierung des Außendurchmessers des Drucksensors 1 im Vergleich zum Stand der Technik möglich.
Bei dem in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Drucksensors 1 ist die Druckmeßzelle 3 als monolithische Stahlmeßzelle ausgebildet, wobei die Verbindung zwischen der Druckmeßzelle 3 und dem Prozeßanschluß 6 dadurch erfolgt, die Druckmeßzelle 3 und der metallische Prozeßanschluß 6 miteinander verschweißt werden. Hierzu ist auf der der Druckmeßzelle 3 zugewandten Stirnseite des Prozeßanschlusses 6 ein Schweißbuckel 13 ausgebildet.
Zur festen Verbindung des Drucksensors 1 mit einem das zu überwachende Medium führenden Rohr oder einem Behälter sind an dem Drucksensor 1 mindestens zwei Schlüsselflächen 14 ausgebildet. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den 2 bis 4 sind die Schlüsselflächen 14 – wie im Stand der Technik gemäß 1 – am Prozeßanschluß 6 vorgesehen. Hierzu weist der Prozeßanschluß 6 einen Befestigungsabschnitt 15 auf, der die Grundfläche eines Sechskants hat. Bei den beiden Ausführungsbeispielen gemäß den 2 und 3 weist dabei der als Sechskant ausgebildete Befestigungsabschnitt 15 den größten Außendurchmesser des Drucksensors 1 auf. Zum Anziehen des Befestigungsabschnitts 15 kann somit sowohl ein entsprechender Maulschlüssel als auch ein Steckschlüssel verwendet werden, der von oben über den Steckanschluß 9, das Gehäuse 2 und die Druckmeßzelle 3 auf den als Sechskant ausgebildeten Befestigungsabschnitt 15 aufgesteckt werden kann.
Im Unterschied dazu ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 der Befestigungsabschnitt 15 zwar ebenfalls am Prozeßanschluß 6 realisiert, hier hat der Prozeßanschluß 6 jedoch einen etwas kleineren Außendurchmesser als das Gehäuse 2 und die Druckmeßzelle 3. Wie insbesondere aus der Draufsicht gemäß der 4c ersichtlich ist, ist somit der auch hier als Sechskant ausgebildete Befestigungsabschnitt 15 etwas kleiner als der Außendurchmesser der Druckmeßzelle 3, so daß der Befestigungsabschnitt 15 in der Draufsicht vollständig von der Druckmeßzelle 3 verdeckt ist. Bei dieser Ausführungsvariante ist somit im Vergleich zu 2 nochmals eine Reduzierung des maximalen Außendurchmessers des Drucksensors 1 möglich. Während bei dem konkreten Ausführungsbeispiel gemäß 2 die Schlüsselweite des Sechskants 19 mm beträgt, beträgt die Schlüsselweite des Befestigungsabschnitts 15 gemäß 4 nur 15 mm.
Die Ausführungsbeispiele gemäß den 2 und 3 unterscheiden sich im wesentlichen dadurch, daß bei dem Drucksensor 1 gemäß 2 eine Druckmeßzelle 3 verwendet wird, welche in Dickschichttechnik aufgebaut ist, d. h. herkömmliche Dickschicht-DMS-Widerstände 16 aufweist. Im Unterschied dazu ist die Druckmeßzelle 3 bei dem Drucksensor 1 gemäß 3 in Dünnfilmtechnik hergestellt, so daß die Druckmeßzelle 3 einen deutlich geringeren Außendurchmesser aufweist. Dadurch kann dann ein Drucksensor 1 hergestellt werden, bei dem der Befestigungsbereich 15 des Prozeßanschlusses 6 mit einer Schlüsselweite von 9 mm den maximalen Außendurchmesser darstellt.
Bei dem erfindungsgemäßen Drucksensor 1 gemäß 5 sind die Schlüsselflächen 14 nicht mehr am Prozeßanschluß 6 sondern nunmehr am Gehäuse 2 ausgebildet. Hierbei ist der obere Bereich des Gehäuses 2, d. h. der an den Steckeranschluß 9 angrenzende Bereich als ein erster Befestigungsabschnitt 15 ausgebildet, welcher ebenfalls eine Grundfläche aufweist, die der eines Sechskants entspricht. In diesem Befestigungsbereich 15 kann somit ein Festschrauben des Drucksensors 1 wiederum mit Hilfe eines Steckschlüssels, der über den Steckeranschluß 9 auf den Befestigungsabschnitt 15 aufgesteckt wird, erfolgen. Darüber hinaus weist das Gehäuse 2 im mittleren Bereich einen weiteren Befestigungsabschnitt 17 auf, in dem zwei Schlüsselflächen 18 ausgebildet sind. Die beiden Schlüsselflächen 18 dienen dabei als Angriffsflächen für einen entsprechenden Maulschlüssel. Anstelle der Ausbildung von zwei Befestigungsabschnitten 15 und 17 kann selbstverständlich auch nur einer der beiden Befestigungsabschnitte 15, 17 am Gehäuse 2 realisiert sein. Wie aus 5c ersichtlich ist, entspricht der maximale Außendurchmesser des Drucksensors 1 dem Außendurchmesser des Gehäuses 2 und der Druckmeßzelle 3.
Die 6 zeigt schließlich eine grundsätzlich dritte Variante der Anordnung von mindestens zwei Schlüsselflächen 14 zur Befestigung des Drucksensors 1 in einem Anschlußstutzen oder einer Behälterbohrung, wobei bei diesem Ausführungsbeispiel die Schlüsselflächen 14 und somit der Befestigungsbereich 15 an der Druckmeßzelle 3 ausgebildet ist. Wie bei den anderen Ausführungsbeispielen weist auch hier der Befestigungsabschnitt 15 die Grundfläche eines Sechskants auf. Da der Befestigungsabschnitt 15 an der Druckmeßzelle 3 den Bereich des größten Außendurchmessers des Drucksensors 1 bildet, kann auch hier zum Festziehen wahlweise ein Steckschlüssel oder ein Maulschlüssel verwendet werden.
Schließlich zeigt die 7 ein Ausführungsbeispiel eines Drucksensors 1, bei dem der Drucksensor 1 keinen separaten Prozeßanschluß 6 aufweist. Zur Montage des Drucksensors 1 an einem korrespondierenden Anschlußstutzen ist hierbei direkt an der Druckmeßzelle 3 ein Anschlußgewinde ausgebildet, wobei das Anschlußgewinde sowohl als Außengewinde 19 als auch als Innengewinde 20 ausgebildet sein kann. Da bei diesem Ausführungsbeispiel des Drucksensors 1 kein Prozeßanschluß 6 vorhanden ist, steht die Membrane der Druckmeßzelle 3 direkt über die in der Druckmeßzelle 3 ausgebildete Öffnung 4 mit dem zu überwachenden Medium in Berührung. Die Druckmeßzelle 3 übernimmt dabei zusätzlich die Funktion des Prozeßanschlusses, der Prozeßanschluß ist somit integraler Bestandteil der Druckmeßzelle 3.
Bei dem Drucksensor 1 gemäß 7 weist das Gehäuse 2 entsprechend dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 zwei Befestigungsabschnitte 15, 17 auf. Alternativ dazu kann der Befestigungsabschnitt 15 jedoch auch gemäß 6 an der Druckmeßzelle 3 ausgebildet sein.
Die 8 und 9 zeigen schließlich zwei Ausführungsbeispiele einer Druckmeßzelle 3, wobei in beiden Ausführungsbeispielen die Druckmeßzelle 3 als monolithische Stahlmeßzelle ausgebildet ist, bei der auf der dem Medium abgewandten Seite 10 DMS-Widerstände 15 in Dickschichttechnik aufgebracht sind.
Die in 9 dargestellte Druckmeßzelle 3 unterscheidet sich dabei dadurch von der in 8 dargestellten Druckmeßzelle 3, daß bei der Druckmeßzelle 3 gemäß 9 ein Befestigungsabschnitt 15 ausgebildet ist, dessen Grundfläche einem Sechskant entspricht. Die Druckmeßzelle 3 gemäß 9 entspricht somit der Druckmeßzelle 3, die bei dem Drucksensor 1 gemäß 6 verwendet wird. Demgegenüber weist die Druckmeßzelle 3 gemäß 8 einen zylindrischen Grundkörper auf.
Schließlich ist der 8 noch zu entnehmen, daß der an dem Prozeßanschluß 6 angrenzende Bereich der Druckmeßzelle 3 von einem Zierring 21 umgeben ist. Hierzu weist der an dem Prozeßanschluß 6 angrenzende Bereich der Druckmeßzelle 3 einen geringfügig kleineren Außendurchmesser auf, so daß der Zierring 21 auf diesen Bereich aufgeschoben werden kann. Der Zierring 21 kann dabei zum einen als Kennzeichnungsfläche für den Drucksensor 1 dienen, indem auf dem Zierring 21 beispielsweise ein Firmenlogo oder eine Gerätebezeichnung aufgebracht ist, zum anderen kann der Zierring 21 auch eine zusätzliche Dichtungsfunktion für die Verbindungsstelle zwischen der Druckmeßzelle 3 und dem Prozeßanschluß 6 übernehmen.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Drucksensors 1 sind das Gehäuse 2, die Druckmeßzelle 3, der Prozeßanschluß 6 – soweit vorhanden – und Steckeranschluß 9 alle aus Metall, vorzugsweise aus Stahl oder Edelstahl hergestellt. Die feste Verbindung zwischen der Druckmeßzelle 3 und dem Gehäuse 2 einerseits sowie ggf. zwischen der Druckmeßzelle 3 und dem Prozeßanschluß 6 andererseits wird dabei vorzugsweise durch Widerstandsschweißen hergestellt. Eine derartige Verbindung ist so stabil, daß im Prozeß auftretende Drücke von mehr als 500 bar standgehalten werden können. Vorzugsweise ist auch der Steckeranschluß 9 durch Widerstandsschweißen mit dem Gehäuse 2 verbunden, so daß der Drucksensor 1 insgesamt modular aufgebaut ist. Dadurch können bei Bedarf bei der Herstellung einfach unterschiedliche Gehäuse 2, mit unterschiedlichen Längen, unterschiedliche Prozeßanschlüsse 6 mit unterschiedlichen Anschlußbereichen oder unterschiedliche elektrische Anschlußmöglichkeiten, Steckeranschluß 9 oder Buchsenanschluß, miteinander verbunden werden können.

Claims

Drucksensor zur statischen und/oder dynamischen Druckmessung eines flüssigen, fließfähigen oder gasförmigen Mediums, mit einem Gehäuse (2) und mit einer Druckmesszelle (3), wobei auf der dem Medium zugewandten Seite eine Öffnung (4) ausgebildet ist, durch die eine Seite (5) der Druckmesszelle (3) direkt oder indirekt mit dem zu überwachenden Medium in Berührung steht, und wobei die Druckmesszelle (3) den zu überwachenden Druck mittels eines elektromechanischen Wandlers in ein proportionales Messsignal umwandelt, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) auf der Druckmesszelle (3) aufsetzt und das Gehäuse (2) und die Druckmesszelle (3) stirnseitig miteinander verbunden sind, so dass die Druckmesszelle (3) zumindest teilweise Teil der äußeren Oberfläche des Drucksensors (1) ist und somit nicht von dem Gehäuse (2) umschlossen wird, sondern so zum Gehäuse (2) angeordnet ist, dass die dem zu überwachenden Medium abgewandte Stirnseite (10) der Druckmesszelle (3) mit der zugeordneten Stirnfläche (11) des Gehäuses (2) verbunden ist.
Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckmesszelle (3) einen Anschlussbereich, insbesondere ein Anschlussgewinde zur sicheren und druckdichten Befestigung des Drucksensors (1) in einer Öffnung oder Bohrung eines Rohres bzw. Behälters aufweist.
Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Prozessanschluss (6) vorgesehen ist, wobei die Druckmesszelle (3) und der Prozessanschluss (6) stirnseitig miteinander verbunden sind
Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) und die Druckmesszelle (3) und ggf. auch der Prozessanschluss (6) in etwa denselben Außendurchmesser aufweisen.
Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckmesszelle (3) mit dem Gehäuse (2) mittels Schweißen, insbesondere mittels Widerstandsschweißen, Elektronenschweißen oder Laserschweißen, oder durch Kleben, Löten, Pressen oder Schrauben verbunden ist.
Drucksensor nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckmesszelle (3) mit dem Prozessanschluss (6) mittels Schweißen, insbesondere mittels Widerstandsschweißen, Elektronenschweißen oder Laserschweißen verbunden ist.
Drucksensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die der Druckmesszelle (3) zugewandte Stirnseite des Prozessanschlusses (6) einen Schweißbuckel (13) aufweist.
Drucksensor nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessanschluss (6) einen Befestigungsabschnitt (15) mit mindestens zwei Schlüsselflächen (14) aufweist, wobei der Befestigungsabschnitt (15) vorzugsweise als Sechskant ausgebildet ist.
Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) zur Montage des Sensors (1) mindestens zwei Schlüsselflächen (14, 18) aufweist.
Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckmesszelle (3) zur Montage des Drucksensors (1) mindestens zwei Schlüsselflächen (14) aufweist, wobei die Druckmesszelle (3) vorzugsweise die Grundfläche eines Sechskants hat.
Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass auf der dem Medium abgewandten Seite der Druckmesszelle (3) Dehnmessstreifen (DMS) oder druckempfindliche Widerstände bzw. DMS-Widerstände (16) angebracht sind, deren Widerstandswert von der Durchbiegung der Membran der Druckmesszelle (3) abhängt.
Drucksensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckmesszelle (3) eine Stahlmesszelle ist und vorzugsweise die Dehnmessstreifen (DMS) bzw. DMS-Widerstände (16) in Dünnfilmtechnik oder Dickschichttechnik hergestellt ist.
Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckmesszelle (3) als kapazitive Druckmesszelle (3) mit einem Grundkörper und einer Membran ausgebildet ist.
Drucksensor nach einem der Ansprüche 3 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckmesszelle (3) zumindest teilweise von einem Zierring (21), beispielsweise einem Spannring oder einem Schrumpfschlauch umgeben ist, wobei der Zierring (21) vorzugsweise den an den Prozessanschluss (6) angrenzenden Bereich der Druckmesszelle (3) umschließt.
Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) eine zylindrische Grundform aufweist, die Elektronik beinhaltet und auf der der Druckmesszelle (3) abgewandten Seite eine elektrische Anschlussmöglichkeit, insbesondere einen Stecker- oder Buchsenanschluss (9) aufweist.