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Die
Erfindung betrifft eine Messanordnung bestehend aus einem Gehäuse mit
einer Kammer, in der eine Sensormesszelle und Mittel zur Übertragung einer
auf eine Außenwand
der Kammer einwirkenden Kraft auf die Sensormesszelle angeordnet
sind.
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Außerdem betrifft
die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der Messanordnung.
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Um
mechanische Drücke
messen zu können,
stellt der Markt bereits eine große Anzahl an Messaufnehmern
zur Verfügung.
Dabei sind die mediengekoppelten Varianten generell so aufgebaut, dass
ein piezoresistives Sensorelement über eine Edelstahlmembran und
einem Koppelmedium an den extern zu messenden Druck gekoppelt wird.
Die druckabhängige
Verformung der Membran führt
zu einer Druckerhöhung
in der darunter liegenden Ölkammer,
die von dem genannten Sensorelement erfasst wird. Diese Anordnung
wird gewählt,
wenn das empfindliche Sensorelement, das in der Regel aus Silizium
gefertigt ist, von einer harschen und aggressiven Umgebung isoliert
betrieben werden soll. Als Beispiel ist ein solches Element in der
US-PS 4.406.993 beschrieben. Die
Konzepte solcher Sensoren sowie die Verfahren zur Herstellung derselben sind
in der Literatur hinreichend bekannt und werden vielfach eingesetzt.
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Neben
der Anwendung als Druckaufnehmer kann diese Anordnung auch verwendet
werden, um eine Kraft oder einen Weg zu messen. Dabei fungiert die
o.g. Membran in erster Linie nicht als Medientrennung, sondern als
Federelement. Es wird kraft-/wegabhängig ebenfalls eine Druckänderung
in der Druckkammer bewirkt, die wiederum über das piezoresistive Sensorelement
gemessen wird. So entsteht ein hochsensibles Wegmesselement, das
kleinste Verformungen im Bereich von wenigen Mikrometern erfassen
kann. Vorteilhaft bei solchen Sensoren ist der geringe Energiebedarf
der Si-Messzellen im Vergleich zu Dehnungsmessstreifen (DMS), was
speziell im Einsatz bei drahtlosen Systemen sehr wichtig ist.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, einen Druck-, Kraft- oder Wegsensor zur Verfügung zu
stellen, der besonders kleine Abmessungen aufweist und universell
einsetzbar ist. Außerdem
ist es Aufgabe der Erfindung ein elektronisches Manometer oder einen Wegmeßinstrument
anzugeben, das besonders bequem handhabbar ist, vorzugsweise unter
Verwendung der erfindungsgemäßen Messanordnung,
sowie ein Verfahren zur Herstellung der Meßanordnung.
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Die
Vorrichtungsaufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Messanordnung dadurch gelöst, daß mindestens
ein Teil der Auswerteelektronik mit der Sensormesszelle durch eine
Trennwand getrennt in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Auf diese
Weise kann die gewünschte
kleine Baugröße erreicht
werden. Die Baugröße und der
Messbereich von o.g. Transducern verhalten sich i.d.R. umgekehrt proportional.
So sind mit kleinen Messaufnehmern, typischer Durchmesser 5-8 mm,
Drücke
von > 200 bar messbar.
Je weiter man den Messbereich verringert, desto größer werden
die geometrischen Abmaße.
Diese Erfindung sieht einen Aufbau vor, der bei einer Baugröße von 6mm
im Durchmesser bereits in einem Druckbereich unter 20 bar betrieben
werden kann. Das Konzept ist sowohl für Absolut- als auch für Relativ-
und Differenzmessungen anwendbar.
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In
Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß im Gehäuse ein Mikrocontroller vorgesehen ist,
wobei das Gehäuse
vorzugsweise als zylindrische Hülse
ausgebildet ist und die Kammer insbesondere durch eine Trennwand
im Gehäuse
gebildet ist.
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Wenn
im Gehäuse
ein Transponder angeordnet ist, kann des Messsignal mit Vorteil
berührungslos
ausgelesen werden.
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Man
kann sogar auf eine Energieversorgung durch Batterien etc. verzichten,
indem die Messanordnung als autarkes System ohne Anschlüsse nach außen ausgebildet
ist.
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Zum
Auslesen eines Messwertes ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß der Messanordnung ein
Auslesegerät
zugeordnet ist und vorzugsweise als eine in der Hand zu haltende
Einheit mit einem Display zur Anzeige des Messwertes ausgebildet
ist.
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Neben
der Sensorik, z.B. ein Si-Messelement, ist bei einer Baugröße von 6mm
im Durchmesser gleichzeitig die erforderliche Elektronik zur Auswertung
und Kompensation des Sensorsignals integriert. So verfügt das gesamt
Messelement sowohl über
einen analogen als auch einen digitalen, busfähigen Ausgang. Eine Vernetzung
mit anderen Meß-, Steuer-
und/oder Auswerteinstrumenten ist dadurch möglich, daß die Messanordnung, insbesondere
eine Ausleseeinheit, eine USB-Datenschnittstelle
aufweist.
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Zur
Kompensation thermischer Einflüsse
auf die piezoresistive Messbrücke
verfügt
der Sensorstift über
mindestens ein internes Temperaturmesselement. Der Temperaturwert
kann alternativ auch als Meßwert
weiter gegeben werden, so daß der
Sensorstift als Thermometer einsetzbar ist. Zu diesem Zweck ist
ein internes Temperaturmesselement zur Kompensation von Messfehlern
und gleichzeitig zur Ausgabe eines Temperaturwertes vorgesehen.
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Damit
für Wegmessungen
auf Bohrungen zum Befüllen
der Kammer mit Vorteil verzichtet werden kann, ist vorgesehen, daß in der
Kammer als Mittel zur Übertragung
der einwirkenden Kraft ein Kissen aus polymerisiertem Kunststoff,
insbesondere ein Gel, vorgesehen ist.
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Eine
besonders kleine und robuste Meßanordung
sieht vor, daß die
Außenwand
eine Wegstreckenbegrenzung als Überlastschutz
aufweist, vorzugsweise in der Form eines, das Gehäuse und
die Außenwand
durchsetzenden Stiftes und/oder eines insbesondere flanschartigen
vorstehenden Ringes der Außenwand
in Form einer an der Außenwand
angeformten, ihren Weg begrenzenden Anschlagfläche, die mit einer entsprechenden
Gegenfläche
der Gehäusewand
zusammenwirkend angeordnet ist. Dieser Aufbau ist bevorzugt zum
Messen sehr kleiner Wege, z.B. < 5 μm, geeignet,
wenn eine mechanische Überlastsicherung
mit mindestens einem Anschlag vorgesehen ist. Dabei stellt eine
Membran, insbesondere bei Überlast,
einen neuralgischen Punkt dar. Deshalb muss diese vorzugsweise über einen
Endanschlag vor zu großer
Verformung geschützt
werden.
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Mit
Vorteil ist als Rückstellelement
und/oder Dichtung ein O-Ring vorgesehen. Der O-Ring kann somit auch
zwei Funktionen erfüllen.
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Das
Kunststoffkissen ist zur besseren Linearität vorgespannt.
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Demselben
Zweck dient die Maßnahme,
daß die
Außenwand
einen voreingestellten Messweg aufweist und die Grenzen des Messweges
durch mechanische Anschläge,
vorzugsweise durch den durchsetzend angeordneten Stift, definiert
sind.
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Die
Außenwand
ist dabei vorteilhafter Weise frei beweglich in der Kammer eingepasst
angeordnet.
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Der
Herstellaufwand ist vorteilhaft gering, weil die Trennwand als Drehteil
ausgebildet ist und/oder die Gehäusewand
als Drehteil ausgebildet ist.
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Die
Verfahrensaufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung einer
Messanordnung gelöst, das
folgende Schritte aufweist:
- • Anordnen
der Sensormesszelle in einer Kammer des Messsensors,
- • Ausgießen der
Kammer mit einem auspolymerisierenden Kunststoff zur Herstellung
eines Kunststoffkissens,
- • Abwarten
bis der Kunststoff auspolymerisiert ist,
- • Verschließen der
Kammer mit einer Außenwand,
- • Vorspannen
des Kunststoffkissens,
- • Verriegeln
der Außenwand
bei vorgespanntem Kissen.
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Die
Figuren der Zeichnung zeigen beispielhaft:
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1:
schematisch eine Messanordnung in Form eines Sensorstiftes als Relativdruckmessvariante,
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2 eine
perspektivische Ansicht des Sensorstiftes (b) gemäß 1 und
als Absolutdruckmessvariante (a),
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3 elektronische
Komponenten für
die drahtlose Energie- und Datenübertragung,
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4 ein
elektronisches Manometer unter Verwendung des erfindungsgemäßen Drucksensors und
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5 einen
elektronischen Wegmesssensor.
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Der
Sensor gemäß 1 funktioniert
im wesentlichen wie folgt: Durch äußere mechanische Einwirkung
auf die Außenwand 1,
hier eine Stahlmembran, der Kammer 4 wird die als Membran
ausgeführte Außenwand 1 der
Messanordnung 1 verformt. Die dadurch entstehende Druckänderung
in der darunter liegenden mit Öl
befüllten
Kammer 3 wird durch eine Sensormesszelle 4 erfasst
und über
einen integrierten Schaltkreis ausgewertet, dazu ist eine entsprechende
Auswerteelektronik 7 vorgesehen.
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Der
Unterschied zwischen einer Variante, die den Absolutdruck misst,
und einer, die den Relativdruck misst, liegt in der Abwesenheit
der Öffnung 24 für den Referenzdruck.
Diese Öffnung
ist bei der Variante zur Messung des Absolutdruckes nicht erforderlich.
Die Kammer 3 wird über Öffnung 27 mit Öl befüllt und
anschließend
verschlossen.
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Die
Sensormesszelle 4 besteht im Wesentlichen aus einer dünnen Messmembran
mit implantierter, piezoresistiver Vollbrücke zur Druckmessung auf einem
Substrat 22. Zusätzlich
befindet sich ein Temperatursensor auf dem Siliziumchip, der zur
Temperaturkompensation des Messwertes verwendet werden kann. Der
anschließende
Auswerteschaltkreis 30 wertet die Messspannungen aus und
stellt die Daten digital zur Verfügung (I2C-Bus).
Die dazu notwendigen elektronischen Bauteile 26 befinden
sich auf der Leiterplatte 25.
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Diese
ist fest mit der Trennwand 8 verbunden. Trennwand 8 bildet
auf der anderen Seite zusammen mit einem Teil des Gehäuses 2 und
der Außenwand 6 die
Kammer 3 in der sich die Sensormesszelle 4 befindet.
Die Trennwand 8 ist im Gehäuse 2 eingeklebt.
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Die 2,
die die Messanordnung gemäß 1 in
der Darstellung eines Röntgenbildes
in perspektivischer Ansicht zeigt, stellt die beiden Varianten a
und b gegenüber.
Variante b unterscheidet sich von a durch die dargestellte Öffnung 24 für den Referenzdruck.
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Eine
besonders vorteilhafte Variante sieht eine Transponderschnittstelle
gemäß 3 und 4 vor,
mit der diese Messanordnung drahtlos energieautark betrieben werden
kann. Sowohl die zum Betrieb von Sensormesszelle 4 und
Elektronik 7 notwendige Energie 31 als auch die Daten 32 der
Auswerteelektronik werden drahtlos übermittelt. Die ganze Anordnung
verfügt
grundsätzlich über einen
Ausleseschaltkreis 30 für
die Sensormesszelle 4, einen Mikrocontroller 29 und
ein RF-Frontend 28 für
die Modulierung der Daten auf ein Trägersignal. Das RF-Frontend 28 dient
gleichzeitig dazu, die zum Betrieb notwendige elektrische Energie
aus einem Trägerfeld
zu gewinnen und zur Verfügung
zu stellen.
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Das
Trägerfeld
wird beispielsweise von einem batteriebetriebenen nichtgezeichneten
Auslesegerät
für die
Messanordnung 1 erzeugt. Bei Betätigung des Geräteschalters
wird das Auslesegerät
in den aktiven Betriebszustand versetzt und der Messwert auf einer
LCD-Anzeige dargestellt. Empfängt das
Gerät über den
angeschlossenen Transponder kein Signal vom Sensorelement, schaltet
die Einheit nach einer bestimmten Zeit, z.B. 1 Minute, automatisch
ab.
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Zur
besseren Annäherung
an den Sensor kann anwendungsspezifisch die Transponder-/Lesespule
auch über
ein Kabel mit dem Gehäuse
des Gerätes
verbunden sein. Zusätzlich
weist das Gerät eine
USB-Schnittstelle
auf, über
die Messdaten an einen PC übertragen
werden können.
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Das
Auswertegerät
wird von einem elektronischen Manometer ergänzt, in dem der Drucksenor
integriert ist und über
einen anwendungsspezifischen Adapter mit einem Druckmedium beaufschlagt
werden kann. Dieser Prozessanschluss kann an Kundenwünsche angepasst
werden, z.B. ein M5 Schlauchanschluß, über den das Messmedium wie Luft,
technische Gase oder Öle
zum Sensor geführt wird.
Anwendungsgebiete finden sich in Hydraulik und Pneumatik, an Kompressoren
oder Pumpen, bei der Höhenmessung
etc..
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In 5 ist
eine bevorzugte Variante gezeigt, deren wesentlicher Unterschied
zu der zuvor beschriebenen Ausführung
darin besteht, dass keine hermetisch dichte Ölkammer für die Druckmessung notwendig
ist. Somit kann die ursprünglich
fest verschweißte
Messmembran als Außenwand 6 durch
einen frei bewegliche Außenwand 6 für die Wegmessung
ersetzt werden. Dies wird dadurch möglich, dass als Übertragungsmedium 5 zwischen
der Außenwand 6 und
der Sensormesszelle 2 ein auspolymerisiertes Kunststoffkissen 14 mit
elastischen Eigenschaften benutzt wird. Dieses Polymerkissen 14 ist
in sich stabil, was Leckagen zuverlässig verhindert. Wichtig sind
dabei die physikalischen Eigenschaften des Polymers wie Härte, Gießfähigkeit
bei der Verarbeitung und Temperaturbeständigkeit. Das Kissen muss so
fest sein, dass es bei äußerer Krafteinwirkung
nicht zerfließt
oder kriecht, gleichzeitig aber so weich, dass es die Sensormesszelle 4 nicht zerstört.
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Der
hier gewählte
Aufbau der Messanordnung ermöglicht
ein permanentes Vorspannen des Gelkissens 14 durch die
Außenwand 6 und
einen Passstift 16. Bei der Montage wird die Außenwand 6 mit
einer definierten Kraft in das Polymerkissen 14 gedrückt und
mit dem Passstift 16, der das Gehäuse 2 und eine etwas
größere Öffnung 33 der
Außenwand 6 durchsetzt,
fixiert. In der fixierten Lage ist der stirnseitige O-Ring, der als Rückstellelement 20 und Dichtung 21 dient,
nur leicht vorgespannt. Über
die Geometrie und das Material des O-Rings sowie der Härte des
Polymerkissens 14 kann im Wesentlichen die Rückstellkraft
des Sensors eingestellt werden.
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Die
maximale Messauflösung
dieses Sensors liegt bei < 5μm. So werden
vorzugsweise kleine Messwege 100μm – 300μm hoch auflösend erfasst. Gleichzeitig
erfordern aber spezielle Anwendungen einen Überlastbereich von bis zu 300%
und einen zuverlässigen
Schutz vor höheren Überlasten.
Dies wird bei dem vorliegenden Design dadurch realisiert, dass die
als Wegaufnehmerelement dienende Außenwand 6 zum einen
am quer liegenden Passstift 16 nach einer definierten Strecke
anschlägt,
zum anderen verhindert die den O-Ring umgebenden Ring 17,
der an die Außenwand 6 zum
Gehäuse 2 hin
angeformt ist, ein zu starkes Eindrücken.
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Dabei
trifft die Anschlagfläche 18 des
Rings 17 auf die entsprechende Gegenfläche 19 des Gehäuses 2.
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Auf
diese Weise ist eine infolge der vielen Drehteile ein mechanisch
günstig
herzustellende Messanordnung geschaffen, die sich auch durch ihre Miniaturisierung
auszeichnet.
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- 1
- Messanordnung
- 2
- Gehäuse
- 3
- Kammer
- 4
- Sensormesszelle
- 5
- Mittel
zur Kraftübertragun
- 7
- Auswerteelektronik
- 8
- Trennwand
- 9
- Mikrokontrollen
- 10
- zylindrische
Hülse
- 11
- Transponder
- 12
- autarkes
System
- 13
- Auslesegerät
- 14
- Kissen
- 15
- Wegstreckenbegrenzung
- 16
- Stift
- 17
- Ring
- 18
- Angschlagfläche
- 19
- Gegenfläche
- 20
- Rückstellelement
- 21
- Dichtung
- 22
- Substrat
für Sensormesszelle
- 23
- Überlastsicherung
- 24
- Öffnung für Referenzdruck
- 25
- Leiterplatte
- 26
- elektronische
Bauteile
- 27
- Öffnung für Ölbefüllung
- 28
- RF-Frontend
- 29
- Mikrocontroller
- 30
- Ausleseschaltkreis
- 31
- Energiefluss
- 32
- Datenfluss
- 33
- Wegbegrenzungsöffnung