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Die Erfindung bezieht sich auf ein Manometer mit einem elektrischen Messwertaufnehmer.
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Die Messung von Drücken ist eine sehr häufige und grundsätzliche Aufgabe in technischen Anlagen. Häufig werden die Drücke, die an verschiedenen Orten gemessen werden, zentral angezeigt bzw. aufgezeichnet, ausgewertet oder zu Steuerungs- und Regelungsaufgaben herangezogen. Einer Umsetzung eines mechanischen Signals, z.B. einer Formänderung eines Hohlkörpers unter Druck, in ein elektrisches Signal kommt daher große technische Bedeutung zu.
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Übliche Messtechnik verwendet beispielsweise Membranen, auf die mittels Dünnschichtverfahren mäanderförmige Dehnmesswiderstände aufgebracht sind. Für die Herstellung solcher Membranen ist ein Höchstvakuum erforderlich, um die entsprechende Abscheidung der Widerstandsschicht durch Sputtern auszubilden. Ferner ist die Form der Membran vorgegeben, da ein entsprechender ebener Bereich für die Ausbildung der Dünnfilmdehnmessstreifen erforderlich ist. Weitere Drucksensoren sind aus
DE 299 18 915 U1 ,
DE 829 508 B ,
DE 38 77 170 T2 und
DE 38 17 905 A1 bekannt.
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Es ist auch bekannt, einseitig eingespannte Biegebalken zu verwenden, deren freies Ende mit einer Membran gekoppelt ist. Auf dem Balken sind Dehnmessstreifen (DMS) aufgeklebt oder auch durch das vorgenannte Dünnschichtverfahren darauf ausgebildet. Hier ist entweder das Aufkleben der DMS erforderlich, oder aber das vergleichsweise teure Ausbilden der DMS im Dünnschichtverfahren. Zudem hat der Klebstoff zum Aufkleben der DMS ein anderes Temperaturverhalten bzw. Spannungsausgleichsverhalten (Kriechen bei Langzeitbelastung), was die Qualität der Messung beeinträchtigen kann, und ggf. durch Kalibrieren ausgeglichen werden muss. Ein weiterer Verformungssensor ist aus
DE 103 35 690 A1 bekannt.
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Manometer mit einem elektrischen Messwertaufnehmer vorzuschlagen, der einfach herzustellen ist und dauerhaft eine gute Umwandlung eines mechanischen Signals in ein elektrisches Signal bereitstellt.
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Diese Aufgabe wird mit einem Manometer mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgezeigt.
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Erfindungsgemäß hat das Manometer einen Hohlkörper, der elastisch seine Form unter einem zu messenden Druck ändert. Ein Messwertaufnehmer ist mit dem Hohlkörper gekoppelt. Der Messwertaufnehmer hat einen dem Druck entsprechend verformbaren Biegeabschnitt und mindestens einen auf dem Biegeabschnitt aufgebrachten ohmschen Widerstand, der seinen Wert bei der Formänderung des Biegeabschnitts ändert. Der Widerstand ist mindestens teilweise aus einem Gemisch aus leitfähigen Partikeln mit einem Bindemittel gemacht, wobei der Widerstand mindestens teilweise aus einer hart gewordenen Schicht eines Lacks oder einer Paste besteht, in den oder die pulverförmiger Kohlenstoff oder Metall hineingemischt war. Auf diese Weise kann man den bzw. die Widerstände sehr einfach aufbringen und man benötigt keinen Kleber oder kein aufwendiges Dünnschichtverfahren. Der Lack oder die Paste wird mit einem Druckverfahren auf die gewünschte Stelle aufgetragen; dafür ist z.B. das Siebdruckverfahren geeignet.
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Erfindungsgemäß ist der Widerstand auf einem Abschnitt des Hohlkörpers, der Bourdonfeder, aufgebracht und erfasst die druckabhängige Verbiegung dieses Abschnitts des Hohlkörpers unmittelbar. Auf diese Weise lässt sich mit geringem Aufwand ein Messwertaufnehmer verwirklichen, der eine spielfreie Übertragung des mechanischen Signals in ein elektrisches Signal erlaubt. Der Hohlkörper ist elektrisch isolierend beschichtet und die Messwiderstände sind auf diese Beschichtung aufgetragen.
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Die Widerstände können auf Leiterbahnen aufgedruckt und dadurch gleich mit den entsprechenden Leiterbahnen verbunden werden.
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Der mit dem Druck zu beaufschlagende Hohlkörper ist eine C-förmige Bourdonfeder, die sich bei innerem Überdruck streckt. Die druckbedingte Auslenkung der Feder bewirkt eine Verformung des Biegeabschnitts bewirkt. Diese Verformung des Biegeabschnitts bewirkt auch eine Verformung des auf den Biegeabschnitt aufgebrachten und fest damit verbundenen Widerstands. Der ohmsche Widerstand wird gemessen und ist eine zum Druck in der Bourdonfeder proportionale Größe.
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Der Biegeabschnitt kann ein zur elektrischen Isolierung oberflächenbeschichtetes Metall sein.
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Grundsätzlich genügt für die Messung ein einzelner Widerstand, jedoch lässt sich die Messtechnik verbessern, indem mehrere vorzugsweise streifenförmige Widerstände getrennt voneinander auf dem Biegeabschnitt aufgebracht sind und elektrisch miteinander in Wechselwirkung stehen. Insbesondere bieten vier separate Widerstände, die zu einer Wheatstone'schen Brücke miteinander verschaltet sind, eine hochgenaue Widerstandsmessung bei geringem apparativen Aufwand.
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Um die Widerstände zu erzeugen, wird ein Gemisch verwendet, das ein kohlenstoffhaltiger Lack, eine kohlenstoffhaltige Paste, ein metallpulverhaltiger Lack oder eine metallpulverhaltige Paste ist. Bevorzugtes Verfahren zum Aufbringen der Widerstände ist das Siebdruckverfahren.
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Eine alternative Ausgestaltung des Manometers sieht vor, dass die Bourdonfeder zusätzlich mit einem Zeigerwerk gekoppelt ist, das mit dem freien Ende der Bourdonfeder verbunden ist. Auf diese Weise kann mit einfachen Mitteln eine zuverlässige optische Anzeige am Messort und eine einfache Fernübertragung des Messwerts bereitgestellt werden.
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Vorzugsweise sind Bauteile zur Signalverstärkung und Kalibrierung vorgesehen, die zu einem Logikbaustein mit integriertem Schaltkreis zusammengefasst sein können.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Erläuterungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
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1 zeigt eine Explosionsdarstellung einer Bourdonfeder als druckempfindlichem Element sowie ein Zeigerwerk zur zusätzlichen optischen Messwertanzeige.
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Eine Bourdonfeder 1 ist an einem Federträger 14 befestigt und angeschlossen, der zudem als Anschlussschraubstutzen ausgebildet ist. An ihrem freien Ende hat die Bourdonfeder 1 zwei Bohrungen 12 und 13 zum mechanischen Ankoppeln eines Messwertaufnehmers 2 und eines Zeigerwerks 3. Die Bohrungen 12 und 13 stehen nicht mit dem Inneren der Bourdonfeder in Verbindung. Das Zeigerwerk ist ein herkömmliches Zeigerwerk mit einer Koppelstange 31, einem Zeiger 32, der von einem Träger 34 drehbar gehalten ist und im Zahneingriff mit dem Segmenthebel 35 gegen die Rückstellfeder 33 verstellbar ist. Die Koppelstange 31 ist in die Bohrung 13 des freien Endes der Bourdonfeder 1 eingehängt und überträgt die Bewegungen dieses Endes auf den Segmenthebel 35.
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Auf der rechten Seite in 1 ist der allgemein mit 2 bezeichnete Messwertaufnehmer gezeigt, wobei die Einzelheit E eine beispielhafte Anordnung der später im Einzelnen noch zu beschreibenden Widerstände 25 zeigt.
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Unter Zwischenschaltung eines Sockels 26 ist eine Leiterplatte 22 mit einem Zungenfortsatz 21 an dem Federträger 14 befestigt. Der Sockel 26 dient dazu, die Biegekante (220 in E) der Leiterplatte 22, d.h. die Lage der Wurzel des Zungenfortsatzes 21 festzulegen. Auf diese Weise lässt sich sicherstellen, dass die Widerstände auf der Leiterplatte sich im Bereich der stärksten Biegung befinden. Die Aufgabe des Sockels 26 kann jedoch grundsätzlich auch von dem Federträger 14 selbst übernommen werden.
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Die Leiterplatte 22 ist aus einem herkömmlichen Leiterplattenmaterial (sog. FR4 Material) gemacht. Dieses Material hat hinreichende elastische Eigenschaften, so dass das federnde Element, der Zungenfortsatz 21, den Bewegungen der Bourdonfeder 1 folgen kann. Um die Bewegungen auf den Zungenfortsatz 21 zu übertragen, ist eine Koppelstange 23 vorgesehen, die mit der Bohrung 12 in Eingriff ist und das freie Ende der Bourdonfeder 1 mit dem freien Ende des Zungenfortsatzes 21 verbindet. Die Übertragung der Bewegung der Bourdonfeder 1 auf den Zungenfortsatz 21 mittels Koppelstange 23 ist möglichst spielfrei ausgeführt. Dazu kann es genügen, wenn die Länge der Koppelstange so gewählt ist, dass Zungenfortsatz 21 und Bourdonfeder 1 im gesamten Arbeitsbereich leicht gegeneinander verspannt sind, d.h. die Koppelstange auf Zug belastet ist.
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Alternativ zu der Koppelstange kann auch ein Streifen (nicht gezeigt) aus Metall oder ein entsprechender flexibler Leiterplattenstreifen (FCP-Material) eingesetzt werden, der mit dem Zungenabschnitt 21 einerseits und dem freien Ende der Bourdonfeder 1 andererseits (z.B. durch Anlöten) fest verbunden ist.
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Mit 24 ist ein Bauteil bezeichnet, das die auf der Leiterplatte 22 angebrachte und mit den Widerständen 25 verbundene Auswertelektronik symbolisiert. Dieses Bauteil kann natürlich auch eine Gruppe von elektronischen Bauteilen sein.
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In der Einzelheit E sind vier parallel zueinander verlaufende Widerstände 25 gezeigt, die in Form einer Wheatstone'schen Brücke miteinander verschaltet sind. Die Verdrahtung erfolgt durch Leiterbahnen (nicht gezeigt) auf der Leiterplatte 22. Die Auswertung der Widerstandsänderung der Widerstände 25 infolge der Biegung des Zungenabschnitts 21 der Leiterplatte 22 wird von der Auswerteelektronik 24 ausgewertet und als Messsignal abgegeben.
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Die Widerstände 25 sind durch Aufdrucken eines kohlenstoffhaltigen Lacks erzeugt. Dabei werden entsprechende freiliegende Leiterbahnabschnitte der Leiterplatte mit dem Lack überdeckt, so dass dadurch gleich auch der elektrische Anschluss der Widerstände erfolgt.
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In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist das Zeigerwerk 3 parallel zu dem Messwertaufnehmer 2 an die Bourdonfeder 1 angehängt. Das Zeigerwerk kann auch vollständig entfallen. Es ist möglich, den Messwertaufnehmer mit einer Digitalanzeige zu verbinden, so dass man dadurch ein sehr einfach herzustellendes, leicht kalibrierbares Manometer erhält. Zum elektrischen Anschluss können sowohl Kabel als auch Flexverbindungstechnik (flexible Leiterplatten; FCP-Material) dienen.
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In einem ausgeführten Manometer beträgt der Widerstand 5kOhm auf einem FR4 Leiterplattenmaterial, wobei die Widerstände aus Carbonlack sind. Der Verbrauch liegt bei 1-3mA, damit ist die Messung in Zweileitertechnik nach dem 4-20mA-Verfahren möglich.
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Der Messausgang kann analog (Widerstandsmessung)oder digital nach einem Protokoll (HART) betrieben werden.
