DE102006053538B4

DE102006053538B4 - Drucksensor für Flüssigkeiten

Info

Publication number: DE102006053538B4
Application number: DE200610053538
Authority: DE
Inventors: Ines ZÜHLKE; Wolfram Dr. Beyer; Karsten Dr. Sager; Andreas Dr. Schroth; Stefan Dr. Zacharias
Original assignee: I2S Intelligente Sensorsysteme Dresden GmbH
Current assignee: I2S Intelligente Sensorsysteme Dresden GmbH
Priority date: 2006-11-09
Filing date: 2006-11-09
Publication date: 2010-03-18
Anticipated expiration: 2026-11-10
Also published as: DE102006053538A1

Abstract

Drucksensor für Flüssigkeiten, die ihr Volumen bei einem Wechsel in die feste Phase vergrößern, bei dem ein Sensorelement in einem Gehäuse aufgenommen ist und die Flüssigkeit über einen Kanal zum Sensorelement gelangt und dieses mit dem jeweiligen Druck der Flüssigkeit beaufschlagt ist, dabei das Sensorelement (1) radial außen von mindestens einem elastisch verformbaren Element (2) umgriffen ist und das elastisch verformbare Element (2) gegen eine innere Wandung des Gehäuses (3) und die äußere Wand des Sensorelements (1) vorgespannt gehalten ist; dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (1) im Gehäuse (3) in Folge der Elastizität des aus oder mit einem Elastomer gebildeten verformbaren Elements (2) vorgespannt gehalten ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Drucksensor für Flüssigkeiten und zwar solche, die bei einem Wechsel in die feste Phase ihr Volumen vergrößern. Prominentestes Beispiel ist hierfür Wasser. Es können aber auch Drücke bei anderen Flüssigkeiten oder auch wässrigen Lösungen bestimmt werden.
So ist es beispielsweise bei der Abgasnachbehandlung von Verbrennungskraftmaschinen üblich in sogenannter SCR-Technik dem Abgas Harnstoff für die Reduzierung des an die Umwelt abgegebenen Anteils an Stickoxiden zuzusetzen. Dies erfolgt mit wässriger Lösung des Harnstoffs.
Gegenüber reinem Wasser liegt dabei der Gefrierpunkt zwar unterhalb von 0°C, aber immer noch in einem Bereich der insbesondere im mobilen Einsatz kritisch ist.
Bei der Bestimmung von Flüssigkeitsdrücken steht üblicherweise die unter Druck stehende Flüssigkeit in direktem Kontakt mit einem Sensor und dabei häufig einer elastisch verformbaren sensitiven Membran, deren druckabhängige Verformung ein Maß für den jeweiligen Flüssigkeitsdruck darstellen kann. Die Verformung kann an der Membran direkt mit geeigneter Sensorik aber auch indirekt bestimmt und berücksichtigt werden.
Wird aber die Temperatur unterschritten und die jeweilige Flüssigkeit geht in die feste Phase über vergrößert sich das Volumen. Zumindest der für die Messung des Druckes erforderliche Teil von Drucksenoren, also auch die sensitive Membran stehen im Kontakt mit der kristallisierenden Flüssigkeit, die ihr Volumen vergrößert und dadurch eine Kraftwirkung ausübt. Die Volumenvergrößerung kann dabei bei ca. 10% liegen und zu einer die Bruchgrenze überschreitenden Verformung führen.
Um dem entgegen zu wirken wurde in WO 01/57488 A1 vorgeschlagen den Teil eines Sensors an dem eine sensitive Membran vorhanden ist, mit einem Federelement gegen ein Gehäuse vorzuspannen. Übersteigt die auf das jeweilige Teil des Sensors infolge der Volumenvergrößerung wirkende Druckkraft ein bestimmte Größe kann die Druckkraft des Federelements überwunden werden und ein entsprechender Weg zurück gelegt werden. Ein solches System gibt quasi nach und weicht zurück, wenn die Gefahr der Zerstörung besteht.
Für die Abdichtung sind in an sich bekannter Form O-Ringe, als Dichtelemente vorhanden, die sowohl mit der in flüssiger Phase, wie auch in fester Phase vor liegenden jeweiligen Flüssigkeit im Kontakt stehen. Insbesondere im letztgenannten Fall besteht die Gefahr der Beschädigung oder gar Zerstörung dieser Dichtelemente, so dass Leckagen auftreten können. Diese führen wiederum zu Ausfällen des Drucksensors mit erforderlichem Austausch zumindest der Dichtung und bei einigen Flüssigkeiten auch zu einer unerwünschten Beeinträchtigung der Umwelt.
Des Weiteren ist in DE 691 12 357 T2 ein Druckwandler mit Dehnungsmessstreifen zur Montage auf ein Rohrende beschrieben, bei dem ein Körper mit elastisch verformbarer Membran mit einem Festklemmelement und mit Hilfe eines Flanschs am Rohrende befestigt werden kann. Dabei ist außerdem eine ringförmige Dichtung vorgesehen.
Die DE 695 31 454 T2 betrifft einen Kuppelförmigen Druckbehälter und eine Methode zu seiner Optimierung.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung einen Drucksensor zur Verfügung zu stellen, der kostengünstig herstellbar und mit dauerhaft höherer Betriebssicherheit einsetzbar ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Drucksensor der die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.
Ein erfindungsgemäßer Drucksensor kann in vielen Teilen, wie herkömmliche Drucksensoren ausgebildet sein. So kann ein Sensorelement in einem Gehäuse aufgenommen sein und mit dem Druck der jeweiligen Flüssigkeit beaufschlagt werden. Dabei kann auch eine herkömmliche Sensormembran am Sensorelement vorhanden oder damit verbunden sein. Das erfindungsgemäße Sensorelement ist aber radial außen von mindestens einem elastisch verformbaren Element umgriffen. Das elastisch verformbare Element ist außerdem gegen eine innere Wandung des Gehäuses und die radial äußere Wand des Sensorelements vorgespannt gehalten.
Dadurch kann das elastisch verformbare Element gleichzeitig zwei Funktionen erfüllen. Einmal wird es bei der Volumenvergrößerung auf Scherung beansprucht, so dass eine Ausweichbewegung des Sensorelements möglich ist. Weiterhin kann es aber auch ein Dichtelement bilden und schwingungsdämpfend wirken.
Das elastisch verformbare Element kann mit dem Sensorelement und/oder der inneren Wand des Gehäuses form- und/oder stoffschlüssig verbunden sein. Bevorzugt ist das elastisch verformbare Element anvulkanisiert und dann aus einem geeigneten Elastomer gebildet. In diesem Fall können die mit dem elastisch verformbaren Element in Kontakt stehenden Oberflächen von Sensorelement und/oder Gehäuse Konturen aufweisen, die eine Oberflächenvergrößerung und eine verbesserte Haftung bewirken können.
Im elastisch verformbaren Element können zusätzlich Verstärkungselemente enthalten sein, um beispielsweise die Härte, Festigkeit und Lebensdauer positiv beeinflussen zu können. Verstärkungselemente können beispielsweise Drähte oder Fäden aus Metall oder textilem Material sein. Diese können außerdem ein Gewebe oder Gewirk bilden.
Sensorelement und/oder Sensormembran können vollstän dig oder auch lediglich in mit der jeweiligen mit der Flüssigkeit in Kontakt stehenden Bereichen aus eine Keramik (z. B Aluminiumoxid) oder einem bevorzugt korrosionsbeständigen Edelstahl gebildet sein.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
Dabei zeigen:
1 ein erstes Beispiel eines erfindungsgemäßen Drucksensors in einer Schnittdarstellung und Figur ein zweites Beispiel eines erfindungsgemäßen Drucksensors in einer Schnittdarstellung.
Bei dem in 1 gezeigten Beispiel ist ein Sensorelement 1 mit Sensormembran 1' in einem Gehäuse 3 aufgenommen und wird mit dem elastisch verformbaren Element 2 im Gehäuse 3 in Folge der Elastizität vorgespannt gehalten.
Am Gehäuse 3 ist ein Flüssigkeitskanal 5 ausgebildet über den die Flüssigkeit in das Innere des Sensorelements 1 gelangen kann. Der Flüssigkeitsdruck wirkt dabei gegen die innere Oberfläche und dabei auch auf die Sensormembran, die sich in Abhängigkeit des jeweiligen Drucks mehr oder weniger verformen kann. Dies kann in nicht dargestellter Form mittels geeigneter Sensorik, die hier oberhalb auf der Sensormembran 1' angeordnet sein kann, für die Bestimmung des Flüssigkeitsdrucks ausgenutzt werden.
Das elastisch verformbare Element 2 ist bei diesem Beispiel ein Gummiring mit rechteckigem oder quadratischen Querschnitt, der am äußeren Umfang des Sen sorelements 1 und an der inneren Wand des Gehäuses 3 anliegt und dabei daran anvulkanisiert ist.
In nicht dargestellter Form können aber auch zwei oder mehr solcher elastisch verformbarer Elemente 2 übereinander angeordnet sein.
Beim Übergang der Flüssigkeit in die feste Phase kann eine Volumenvergrößerung durch elastische Verformung des Elements 2 kompensiert werden, so dass beispielsweise ein Bruch im Bereich der Sensormembran 1' vermieden werden kann.
Bei dem in 2 gezeigten Beispiel ist zusätzlich ein Zwischenträger 4 am Sensorelement 1 vorhanden. Der Zwischenträger 4 kann ein integraler Bestandteil des Sensorelementes 1 aber auch an diesem befestigt sein.
Der Zwischenträger 4 liegt mit seinen radial äußeren Stirnflächen an der inneren Wand des Gehäuses 3 an und kann so eine Führung bei einer Ausweichbewegung des Sensorelements 1 erfüllen.
Ein Zwischenträger 4 kann aber auch elastisch verformbar sein und die Wirkung des elastisch verformbaren Elements 2 unterstützen. Dabei kann er mit dem Gehäuse 3 verbunden oder formschlüssig an diesem gehalten sein.

Claims

Drucksensor für Flüssigkeiten, die ihr Volumen bei einem Wechsel in die feste Phase vergrößern, bei dem ein Sensorelement in einem Gehäuse aufgenommen ist und die Flüssigkeit über einen Kanal zum Sensorelement gelangt und dieses mit dem jeweiligen Druck der Flüssigkeit beaufschlagt ist, dabei das Sensorelement (1) radial außen von mindestens einem elastisch verformbaren Element (2) umgriffen ist und das elastisch verformbare Element (2) gegen eine innere Wandung des Gehäuses (3) und die äußere Wand des Sensorelements (1) vorgespannt gehalten ist; dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (1) im Gehäuse (3) in Folge der Elastizität des aus oder mit einem Elastomer gebildeten verformbaren Elements (2) vorgespannt gehalten ist.
Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elastisch verformbare Element (2) mit dem Sensorelement (1) und dem Gehäuse (3) form- und/oder stoffschlüssig verbunden ist.
Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elastisch verformbare Element (2) am Sensorelement (1) und/oder Gehäuse (3) anvulkanisiert ist.
Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Sensor element (1) ein Zwischenträger (4) ausgebildet oder daran befestigt ist.
Drucksensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenträger (4) elastisch verformbar ist und radial außen an der inneren Wandung des Gehäuses (3) mit äußeren Stirnflächen diese berührend anliegt.
Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Sensorelement (1) eine Sensormembran (1') ausgebildet oder daran befestigt ist.
Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (1) und/oder die Sensormembran (1') zumindest mit dem mit der Flüssigkeit in Kontakt stehendem Bereich aus einer Keramik oder Edelstahl gebildet ist/sind.
Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im elastisch verformbaren Element (2) Verstärkungselemente enthalten sind.