DE102007013691A1

DE102007013691A1 - Berührungsloser Positionssensor für pneumatische Steuerdosen

Info

Publication number: DE102007013691A1
Application number: DE200710013691
Authority: DE
Inventors: Gerhard Riedl; Son Do
Original assignee: Tyco Electronics AMP GmbH
Current assignee: TE Connectivity Germany GmbH
Priority date: 2007-03-19
Filing date: 2007-03-19
Publication date: 2008-09-25
Also published as: EP1972916A3; EP1972916A2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Druckmesseinrichtung mit einer druckabhängig auslenkbaren Membran, die an ein im Wesentlichen linear bewegliches Übertragungsglied gekoppelt ist. Ferner betrifft die Erfindung einen Bausatz für eine Druckmesseinrichtung, wobei die Druckmesseinrichtung eine druckabhängig auslenkbare Membran besitzt, die an ein im Wesentlichen linear bewegliches Übertragungsglied gekoppelt ist, und ein Verfahren zur Positionsbestimmung einer Membran, die sich in einer Druckmesseinrichtung in Abhängigkeit von einer Druckdifferenz bewegt, wobei die Bewegungen der Membran mit einem im Wesentlichen linear beweglichen Übertragungsglied weitergeleitet werden. Erfindungsgemäß können die Membranbewegungen einfach durch einen außerhalb der Druckmesseinrichtung anordenbaren Sensor erfasst werden, indem das Übertragungsglied an einem drehbar gelagerten Rotationselement exzentrisch zu dessen Rotationsachse eingreift, so dass die im Wesentlichen linearen Bewegungen des Übertragungsgliedes in Rotationsbewegungen des Rotationselements umgesetzt werden, welches als Drehsignalgeber mit einer Markierung versehen sein kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Druckmesseinrichtung mit einer druckabhängig auslenkbaren Membran, die an ein im Wesentlichen linear bewegliches Übertragungsglied gekoppelt ist. Ferner betrifft die Erfindung einen Bausatz für eine Druckmesseinrichtung, wobei die Druckmesseinrichtung eine druckabhängig auslenkbare Membran besitzt, die an ein im Wesentlichen linear bewegliches Übertragungsglied gekoppelt ist, und ein Verfahren zur Positionsbestimmung einer Membran, die sich in einer Druckmesseinrichtung in Abhängigkeit von einer Druckdifferenz bewegt, wobei die Bewegungen der Membran mit einem im Wesentlichen linear beweglichen Übertragungsglied weitergeleitet werden.
Gattungsgemäße Druckmesseinrichtungen sind bekannt und werden auch als pneumatische Steuerdosen oder Membranzylinder bezeichnet. Sie werden beispielsweise in abgasstromgetriebenen Druckaufladungseinrichtungen für Verbrennungsmotoren (Turbolader) eingesetzt. Die Druckmesseinrichtungen vergleichen den vom Turbolader erzeugten Luftdruck mit einem Referenzdruck und regulieren die Leistung des Turboladers, indem sie einen Aktor, wie z. B. ein Ventil ansteuern.
Gemäß dem Stand der Technik ist eine gattungsgemäße Druckmesseinrichtung meistens als einfach wirkender Zylinder konzipiert, bei dem eine Kolbenstange oder ein Übertragungsglied mit einer am Zylinder befestigten Membran anstelle eines Kolbens verbunden ist. Wenn Flach- oder Topfmembrane eingesetzt werden, erlaubt diese Konstruktion nur sehr kleine Hübe. Wird dagegen eine Rollmembran benutzt, sind größere Hübe bis beispielsweise 100 mm möglich. Da bei der Bewegung der Membrane, im Gegensatz zu Kolben, keine Dichtungsreibung entsteht und dadurch auch die Losbrechkraft sehr gering ist, eignen sie sich besonders für schon eingangs erwähnte Regel- und Steueraufgaben.
Druckmesseinrichtungen sind oft widrigen Umgebungs- und Einsatzbedingungen, wie hohen Drücken und Temperaturen sowie aggressiven oder verunreinigenden Medien ausgesetzt. Trotzdem müssen sie hohen Anforderungen an die Mess- und Wiederholungsgenauigkeit, Reaktionsgeschwindigkeit und Lebensdauer genügen. Gleichzeitig sollten sie insbesondere für die industrielle Fertigung und Montage möglichst einfach aufgebaut und installierbar sein.
Für komplexe Mess-, Steuer- und Regelungsaufgaben ist es erforderlich, die Druckmesseinrichtungen in elektronische Systeme zu integrieren. Dazu muss die Stellung der Membran sensorisch erfasst werden.
Im Stand der Technik sind anscheinend wenig Maßnahmen bekannt, die Stellung einer Membran in einer gattungsgemäßen Druckmesseinrichtung für die sensorische Erfassung zugänglich zu machen. So zeigen H. Ebertshäuser und S. Hellduser in Fluidtechnik von A–Z, vereinigte Fachverlage, Mainz 1995, ISBN 3-7830-0286-9, zwar eine als Membranzylinder ausgestaltete Druckmesseinrichtung, jedoch ist in der Beschreibung keine Möglichkeit zur sensorischen Erfassung der Membranstellung erwähnt. Die übliche Verfahrensweise scheint nur vorzusehen, die Membran an eine Kolbenstange, bzw. ein Übertragungsglied zu koppeln, um damit direkt einen Aktor, wie z. B. den Absperrkörper eines Ventils, mechanisch zu betätigen. Folglich scheinen bekannte Ausführungsformen von gattungsgemäßen Druckmesseinrichtung meist nach rein mechanischen Gesichtspunkten ausgelegt und konstruiert zu sein, wodurch in ihrem Aufbau die Schaffung eines sensorischen Zugangs zur Membran, zwecks Ermittlung deren Stellung, erschwert ist.
Der Erfindung liegt folglich die Aufgabe zugrunde, die Ermittlung der Membranstellung in einer gattungsgemäßen Druckmesseinrichtung zu erleichtern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß für die eingangs genannte Druckmesseinrichtung dadurch gelöst, dass das Übertragungsglied an einem drehbar gelagerten Rotationselement exzentrisch zu dessen Rotationsachse eingreift, so dass die im Wesentlichen linearen Bewegungen des Übertragungsgliedes in Rotationsbewegungen des Rotationselementes umsetzbar sind.
Diese einfache Lösung hat den Vorteil, dass die Lage bzw. der Drehwinkel des Rotationselementes die Stellung der Membran anzeigt.
Die erfindungsgemäße Losung kann mit den folgenden weiteren, jeweils für sich vorteilhaften Ausgestaltungen, beliebig kombiniert und weiter verbessert werden.
So kann gemäß einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung vorgesehen werden, dass das Rotationselement als Drehsignalgeber mit wenigstens einer Markierung ausgestaltet ist, deren Drehstellung von einem Sensor erfassbar ist. Die Stellung, bzw. der Drehwinkel des Rotationselementes kann somit einfacher sensorisch erfasst und in elektrische Signale umgewandelt werden. Für den jeweiligen Anwendungsfall sind optimale Paarungen von Sensor und Markierung wählbar.
Je nach Anforderung können gemäß weiteren, möglichen vorteilhaften Ausgestaltungen der Druckmesseinrichtung die Markierung ein Magnet sein und der Sensor ein Magnetfeld sein, die Markierung eine optische Kennzeichnung sein, und der Sensor ein optischer Sensor sein, oder die Markierung eine dreidimensionale Struktur sein, und der Sensor ein Nahrungssensor sein. Bei diesen Ausführungsformen kann die Markierung berührungslos und damit rückwirkungsfrei auf die Stellung, bzw. den Drehwinkel des Rotationselementes, sensorisch erfasst werden.
Gemäß einer weiteren, möglichen vorteilhaften Ausgestaltung der Druckmesseinrichtung kann vorgesehen werden, dass die Druckmesseinrichtung wenigstens einen Druckraum besitzt. Der Druckraum kann ein Fluid aufnehmen, dessen Druck ermittelt werden soll. Somit braucht die Druckmesseinrichtung, bzw. ihre Membran, nicht in den eigentlichen Behälter oder die Leitung für das Fluid integriert zu werden. Das Fluid kann einfach aus seinem Behälter oder von einer Leitung abgezweigt und dem Druckraum zugeführt werden. Je nach Bedarf können auch mehrere Druckräume vorhanden sein. Die Membran kann dann zwischen den Druckräumen angeordnet sein und die Druckdifferenz zwischen verschiedenen Fluiden in den Druckräumen ermitteln, deren Drücke sich vom Umgebungsdruck unterscheiden können.
Gemäß einer weiteren, möglichen vorteilhaften Ausgestaltung der Druckmesseinrichtung kann vorgesehen werden, dass der Sensor an einem Anbringungsmechanismus an der Druckmesseinrichtung angebracht werden kann. Damit ist der Sensor kein integraler Bestandteil der Druckmesseinrichtung und kann je nach Bedarf eingesetzt oder weggelassen werden. Der Anbringungsmechanismus für den Sensor kann so ausgestaltet sein, dass er ein möglichst einfaches Befestigen und Anschließen des Sensors ermöglicht, was die Montage und Wartung der Druckmesseinrichtung vereinfacht.
Die Montage und Wartung der Druckmesseinrichtung ist weiter vereinfacht, wenn vorgesehen wird, dass gemäß einer weiteren, möglichen vorteilhaften Ausgestaltung der Anbringungsmechanismus außerhalb des wenigstens einen Druckraums angeordnet ist.
Diese Ausgestaltungsform hat eine Vielzahl von Vorteilen: So muss bei Wartungsarbeiten nicht in etwaige Druckräume der Druckmesseinrichtung eingegriffen werden, weil der Sensor außerhalb der Druckmesseinrichtung zugänglich ist. Bei der Montage kann die Druckmesseinrichtung zunächst ohne Sensor montiert werden und ist trotzdem voll funktionsfähig. Bei einer nachträglichen Anbringung oder Kalibrierung des Sensors wird die Funktionalität der Druckmesseinrichtung nicht beeinträchtigt. Darüber hinaus erleichtert die äußere Anbringung eines Sensors die Konstruktion der Druckmesseinrichtung, bei welcher der Platzbedarf des Sensors im Druckraum dann nicht berücksichtigt werden muss. Der Aufbau der funktionellen Bestandteile der Druckmesseinrichtung, wie des Druckraumes, des Übertragungsgliedes, des Rotationselements und der Membran, kann somit von der Unterbringung des Sensors unabhängig optimiert werden. Außerdem besteht ein großer Vorteil darin, dass der Sensor nicht den in dem Druckraum vorherrschenden, wie schon eingangs erwähnt, womöglich widrigen Umgebungsbedingungen ausgesetzt ist. Dadurch erleichtert sich die Auswahl und Konstruktion des Sensors, dessen Robustheit sich nur nach den außerhalb der Druckmesseinrichtung vorherrschenden Bedingungen zu richten hat.
Gemäß einer weiteren, möglichen vorteilhaften Ausgestaltungsform der Druckmesseinrichtung kann vorgesehen werden, dass die Membran an wenigstens eine im Wesentlichen parallel zu ihrem Hubweg S wirkende Feder gekoppelt ist. Die Feder kann dazu benutzt werden, die Membran in einer Ausgangslage zu halten, in der die Stellung der Membran wohl definiert ist. Dadurch erleichtert sich die Kalibrierung der Druckmesseinrichtung. Die Federkraft hat einen direkten Einfluss auf die zur Betätigung der Membran notwendigen Stellkräfte und kann zur Festlegung des Messbereiches der Druckmesseinrichtung genutzt werden.
Gemäß einer weiteren, möglichen vorteilhaften Ausgestaltungsform kann vorgesehen werden, dass das Übertragungsglied als Zahnstange ausgestaltet ist und das Rotationselement zumindest abschnittsweise als Zahnrad ausgeformt ist, welches sich mit der Zahnstange im Eingriff befindet. Zahnstange und Zahnrad stellen ein Übertragungsgetriebe dar, das den jeweiligen Anforderungen gemäß ausgelegt werden kann. Bei einem Zahnrad mit konstantem Teilkreisradius r ergibt sich der Hubweg S der Membran aus der Gleichung:
worin α den Drehwinkel des Zahnrades darstellt und π die Kreiszahl ist.
Um die Zahnstange im ständigen Kontakt mit der Membran zu halten, kann gemäß einer weiteren, möglichen vorteilhaften Ausgestaltungsform vorgesehen werden, dass die Zahnstange mit Hilfe wenigstens einer Anpressfeder an die Membran gedrückt ist. Damit stehen Zahnstange und Membran zwar in Kontakt miteinander, sind jedoch nicht formschlüssig miteinander verbunden, wodurch die Zahnstange und damit der Übertragungsmechanismus für die Membranbewegungen einfach von der Membran gelöst werden kann, ohne dass dazu weitere Arbeitsschritte erforderlich sind.
Falls eine Verkopplung zwischen der Membran oder an ihr anliegenden Bauteilen und einem erfindungsgemäßen Übertragungsmechanismus für deren Bewegungen gewünscht ist, kann gemäß einer weiteren, möglichen vorteilhaften Ausgestaltungsform vorgesehen werden, dass das Übertragungsglied als Pleuel ausgestaltet ist und mit dem Rotationselement einen Kurbeltrieb bildet. Die Anbringung des Kurbeltriebes an die Membran kann gemäß einer weiteren, möglichen vorteilhaften Ausgestaltung realisiert werden, indem das Pleuel mit wenigstens einem Kugellager an der Membran bzw. einem an ihr anliegenden Bauteil und/oder dem Rotationselement befestigt ist. Gerade für eine möglichst rückwirkungsfreie Druckmesseinrichtung lassen sich hier durch die Vorteile eines Kugellagers ausnutzen, welches bei einer starren Ankopplung eine schnelle Reaktionsfähigkeit und gleichzeitig einem Mindestmass an Reibungswiderstand besitzt. Bei der Verwendung eines Kurbeltriebes zur Übertragung der Membranbewegungen an das Rotationselement ergibt sich der Hubweg S der Membran aus dem Drehwinkel α des Rotationselementes gemäß der Gleichung:
wobei l die Pleuellänge ist und r der Abstand zwischen dem Drehpunkt eines Messpunktes, bzw. einer Markierung am Rotationselement zum Gelenkpunkt, an dem das Pleuel am Rotationselement angreift, darstellt.
Gemäß einer weiteren, möglichen vorteilhaften Ausgestaltungsform kann vorgesehen werden, dass das Übertragungsglied und das Rotationselement in dem wenigstens einen Druckraum angeordnet sind. Dadurch kann auf zusätzliche Öffnungen im Druckraum verzichtet werden, die einen Schwachpunkt bzw. eine Fehlerquelle in der Druckmesseinrichtung darstellen, weil sie gleichzeitig die Abdichtung und die Beweglichkeit des Übertragungsgliedes und des Rotationselementes gewährleisten müssen.
Die Handhabbarkeit der Druckmesseinrichtung lässt sich gemäß einer weiteren, möglichen vorteilhaften Ausgestaltungsform dadurch verbessern, dass sie ein Transformationsmodul aufweist, das wenigstens das Rotationselement umfasst; an dem Anbringungsmechanismus die Befestigung eines Sensormoduls beinhaltend wenigstens einen Sensor ermöglicht; einen Deckel aufweist, der den wenigstens einen Druckraum zumindest teilweise verschließt; und einen komplementär zu dem Deckel ausgestalteten Korpus aufweist, der die Membran aufnimmt. Dadurch besteht die Druckmesseinrichtung im Wesentlichen aus vier Bestandteilen, nämlich dem Transformationsmodul, einem Sensormodul, einem Deckel und einem Korpus, welche bei einer hohen Integrationsdichte eine kompakte Bauweise der Druckmesseinrichtung ermöglichen und die Endmontage vereinfachen.
Hinsichtlich des eingangs genannten Bausatzes für eine Druckmesseinrichtung wird die obige Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Bausatz ein Transformationsmodul und ein Sensormodul mit wenigstens einem Sensor beinhaltet, wobei das Transformationsmodul wenigstens ein Rotationselement umfasst, dass mit dem Übertragungsglied in Eingriff bringbar ausgestaltet ist und durch dass die im Wesentlichen linearen Bewegungen des Übertragungsgliedes in Rotationsbewegungen des Rotationselementes umsetzbar sind, und durch den Sensor die Stellung des Rotationselementes erfassbar ist. Somit ist eine erfindungsgemäße Umwandlung von translatorischen Membranbewegungen in Rotationsbewegungen einfach durch den Einbau eines Transformationsmoduls in eine Druckmesseinrichtung zu realisieren. Der Bausatz kann auch aus einer fertig montierten Druckmesseinrichtung mit einem bereits integrierten Transformationsmodul und einem separaten, zur Druckmesseinrichtung passenden Sensor bestehen.
Der in dem Bausatz für die Druckmesseinrichtung enthaltene Sensor kann vorkonfektioniert und optimal auf die Anbringung an der Druckmesseinrichtung und die Erfassung der Stellung des Rotationselementes abgestimmt sein. Dadurch verbessert sich auch die Messgenauigkeit und die Messdatenauswertung ist vereinfacht, weil die Sensorsignale des im Bausatzes enthaltenen Sensormoduls in einem bekannten Wertebereich liegen.
Hinsichtlich des eingangs genannten Verfahrens zur Positionsbestimmung einer Membran in einer Druckmesseinrichtung, wird die obige Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die im Wesentlichen linearen Bewegungen des Übertragungsgliedes in Drehbewegungen eines Rotationselementes umgewandelt werden. Dadurch kann die Stellung der Membran über den Drehwinkel des Rotationselementes abgebildet und sehr einfach ermittelt werden.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Positionsbestimmung einer Membran kann dadurch verbessert werden, dass das Übertragungsglied exzentrisch zu einer Rotationsachse des Rotationselementes in Eingriff mit dem Rotationselement gebracht wird. Dadurch lassen sich lineare Bewegungen des Übertragungsgliedes sehr einfach in Rotationsbewegungen des Rotationselementes umwandeln.
Der Drehwinkel des Rotationselementes lässt sich in einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Positionsbestimmung einer Membran insbesondere dann einfach ermitteln, wenn vorgesehen wird, dass das Rotationselement mit wenigstens einer Markierung in Form eines Magneten, einer optischen Kennzeichnung und/oder einer dreidimensionalen Struktur versehen wird, und die Stellung des Rotationselementes berührungslos mit einem Sensor erfasst werden kann. Die Art und Form der Markierung können den jeweiligen Anforderungen an das erfindungsgemäße Verfahren angepasst werden und lassen eine möglichst rückwirkungsfreie Ermittlung des Drehwinkels des Rotationselementes zu, weil ein Sensor zur Erfassung der Markierung nicht unmittelbar mechanisch mit dem Rotationselement verbunden werden muss.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Positionsbestimmung einer Membran kann dadurch verbessert werden, dass die Druckmesseinrichtung mit wenigstens einem Druckraum versehen wird. Das oder die zu messenden Fluide können dann dem einen oder mehreren Druckräumen zugeführt werden, wobei die Druckräume den jeweiligen Anforderungen gemäß ausgestaltet sein können.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Positionsbestimmung einer Membran kann dadurch verbessert werden, dass die Markierungen in dem wenigstens einen Druckraum angeordnet wird, und von einem Sensor außerhalb des wenigstens einen Druckraums erfasst werden kann. Dadurch bleibt die Wandung des betroffenen Druckraumes weitgehend unbeeinflusst, bzw. muss nicht zur Erfassung der Markierung durch einen Sensor durchbrochen werden, was einen Schwachpunkt in einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Positionsbestimmung einer Membran darstellen würde, weil es bei eventuellen Undichtigkeiten des Durchbruchs zu einer Verfälschung der Messwerte kommen würde.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Positionsbestimmung einer Membran kann sinnvoll dadurch ergänzt werden, dass das Übertragungsglied zumindest abschnittsweise als Zahnstange ausgeformt wird und der Rotationskörper zumindest abschnittsweise als Zahnrad ausgeführt wird. Ein im Wesentlichen aus dem Übertragungsglied und dem Rotationskörper bestehender Übertragungsmechanismus für die Membranbewegungen stellt ein einfaches Übertragungsgetriebe dar, dessen Übertragungsfunktion hauptsächlich vom Teilkreisradius r des zumindest abschnittsweise als Zahnrad ausgeführten Rotationskörpers abhängig ist. Bei der Verwendung eines solchen Getriebes kann ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Positionsbestimmung einer Membran sinnvoll dadurch ergänzt werden, dass das Übertragungsglied mithilfe einer Anpressfeder an die Membran gedrückt wird. Somit lässt sich relativ einfach ein mechanischer Kontakt zwischen dem Übertragungsglied und der Membran erreichen, ohne das Übertragungsglied starr an die Membran zu koppeln.
Wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Positionsbestimmung einer Membran eine Verkopplung von Übertragungsglied und Membran erwünscht ist, kann das Verfahren sinnvoll dadurch ergänzt werden, dass das Übertragungsglied und das Rotationselement zusammenwirkend als ein Kurbeltrieb ausgelegt werden.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Positionsbestimmung einer Membran kann darüber hinaus sinnvoll dadurch ergänzt werden, dass die Membran durch eine Kraft F in einer Ausgangslage A gehalten wird. Diese Vorgehensweise birgt mehrere Vorteile: Zum einen erleichtert eine definierte Ausgangslage A der Membran eine Kalibrierung, da die Ausgangslage A eine Randbedingung, bzw. einen Nullpunkt oder Grenzwert für die zu messenden Druckverhältnisse darstellt. Andererseits kann die Kraft F, die beispielsweise durch eine Feder erzeugt werden kann, zur Festlegung des Messbereiches in einem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden, indem die Kraft F zumindest anteilig entgegen eine durch einen zu messenden Druck auf die Membran wirkende Kraft gerichtet ist.
Generell lässt sich ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Positionsbestimmung einer Membran sinnvoll dadurch vereinfachen, dass die Druckmesseinrichtung im Wesentlichen aus einem Transformationsmodul, einem Deckel und einem Korpus zusammengesetzt wird, wobei in das Transformationsmodul zumindest das Rotationselement integriert wird, die Membran am Korpus befestigt wird und der wenigstens eine Druckraum zumindest teilweise mit dem Deckel verschlossen wird. Dadurch kann ein erfindungsgemäßes Verfahren im Wesentlichen durch drei Module realisiert werden, nämlich dem Transformationsmodul, einem Korpus und einem Deckel. Ein Sensor, bzw. Sensormodul zur elektronischen Erfassung der Stellung des Rotationselementes kann zusätzlich eingesetzt werden, falls eine manuelle Ermittlung der Stellung des Rotationselementes nicht zufriedenstellend ist.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand vorteilhafter Ausführungsformen mit Bezug auf die Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Die beschriebenen Ausführungsformen stellen dabei lediglich mögliche Ausgestaltungen dar, bei denen jedoch die einzelnen Merkmale wie oben beschrieben ist, unabhängig voneinander realisiert oder weggelassen werden können.
Es zeigen
1 ein schematisches Schnittbild einer erfindungsgemäß ausgestalteten Druckmesseinrichtung mit Zahnstange und Zahnrad;
2 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäß ausgestalteten Druckmesseinrichtung mit einem Kurbeltrieb;
3 eine schematische Übersichtsdarstellung einer modular Aufgebauten erfindungsgemäßen Druckmesseinrichtung.
Zunächst wird der Aufbau einer erfindungsgemäß ausgestalteten Druckmesseinrichtung 1 mit Bezug auf die 1 beschrieben, welche ein schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäß ausgestalteten Druckmesseinrichtung 1 zeigt.
Die Druckmesseinrichtung 1 besitzt zwei Druckräume 2, 3. Die beiden Druckräume 2, 3 sind als zwei Kammern 2', 3' ausgestaltet, die im Wesentlichen symmetrisch zu einer Mittelachse M der Druckmesseinrichtung 1 sind und von einem zylindrischen Deckel 16 und einem zylindrischen Korpus 17 gebildet werden. Zwischen dem Deckel 16, auch als Dosendeckel 16' zu bezeichnen und dem Korpus 17, auch als Dosenunterteil 17' zu bezeichnen, befindet sich eine Membran 4.
Der Rand der Membran 35 liegt auf einem Rand des Dosendeckels 17' umlaufenden Absatz 36. Der Rand des Dosenunterteils 17 ist als Falz 37 ausgeführt, welcher um den Absatz 36 am Dosendeckel 16' und dem Rand 35 der Membran 4 herumgelegt ist und die Membran 4 somit abdichtend zwischen Dosendeckel 16' und Dosenunterteil 17' zusammendrückt und zugleich den Dosendeckel 16' und den Dosenunterteil 17' miteinander verbindet. Um die Abdichtung zu verbessern weist der Rand 35 der Membran 4 eine größere Materialstärke als die Mitte der Membran 4 auf und wird im Bereich einer Nut 38 in der Wurzel des Falz 37 zusätzlich zusammengepresst.
In diesem Ausführungsbeispiel ist die Membran 4 als Topfmembran 4' ausgeführt. Deren flacher Membranboden 19 ist auf der dem Dosendeckel 16' zugewandten Seite mit einem Membranteller 20 verstärkt, welcher parallel zur Oberseite 21 des Dosendeckels 16' und zum Boden 22 des Dosenunterteils 17' liegt.
Zwischen der Oberseite 21 des Dosendeckels und dem Membranteller 20 ist eine Druckfeder 10 angeordnet, welche den Membranboden 19 in eine Ausgangslage A an den Boden 22 des Dosenunterteils drückt. Die Feder 10 ist im Dosendeckel 16' mit Hilfe einer konischen Hülse 23 zentriert, welche ihrerseits durch einen ringförmigen Vorsprung 24 auf der Innenseite der Oberseite 21 des Dosendeckels 16' zentriert und gegen Verschieben gesichert ist.
Auf der dem Dosenunterteil 17' zu gewandten Seite der Membran 4 liegt eine tellerförmige Unterlegscheibe 25 mit ihrer abgeflachten Seite von unten am Membranboden 19 an. Der Membranboden 19 ist somit sandwichartig zwischen dem Membranteller 20 und der Unterlegscheibe 25 gehalten. Membranteller 20, Membranboden 19 und Unterlegscheibe 25 sind mit einer Bohrung 26 versehen, durch die ein Schaft 27 ragt, dessen Kopf 28 so ausgestaltet ist, dass er den Membranboden 19, den Membranteller 20 und die Hülse 23 durch eine Art Nietverbindung zusammenhält. Dabei ragt der Schaft 27 durch ein in der Mitte einer Einstülpung 29 im Boden 22 des Dosenunterteils 17' angeordnete Öffnung 30, wobei sich die Unterlegscheibe 25 auf einer sich vom Boden 22 den Dosenunterteils 17' abhebenden Einstülpung 29 abstützt.
Der Schaft 27 wird von einem Einsatz 31 geführt, welcher von außerhalb der Druckmesseinrichtung 1 in die Einstülpung 29 im Dosenunterteil 17' eingesetzt ist und den ein Dichtring 32 gegen den Dosenunterteil 17' abdichtet. Der Einsatz 31 ist so in die Einstülpung 29 im Dosenunterteil 17' eingesetzt, dass er bündig mit der Unterseite des Bodens 22 des Dosenunterteils 17' abschließt. Eine Bodenplatte 33 liegt von Außen über der Einstülpung 29 und hält den Einsatz 31. Die Bodenplatte 33 ist mit einem Durchlass 34 versehen, durch den der Schaft 27 hindurchgeführt ist.
Auf dem Membranteller 20 liegt ein als Zahnstange 5' ausgeführtes Übertragungsglied 5 mit seiner Stirnseite 39 auf. Die Zahnstange 5' ist verschieblich in einer vertikalen Führung 40 aufgenommen. In ihrer Längsrichtung ist die Zahnstange 5' auf der dem Dosendeckel 16 zugewandten Seite mit einer Aufnahme 41 für ein Anpressfeder 11 versehen. Die Anpressfeder 11 stützt sich an der Decke 42 einer oben am Dosendeckel 16' angeordneten Erweiterung 43 ab und drückt die Zahnstange 5' gegen den Membranteller 20. Dabei erstreckt sich die Führung 40 für die Zahnstange 5' bis in die Erweiterung 43 des Dosendeckels 16'. Die Erweiterung 43 ermöglicht dadurch einen größere Hubwege S der Membran 4, da sie den dazu nötigen Bewegungsraum für die Zahnstange 5' zur Verfügung stellt.
Die Zähne 44 der Zahnstange 5' greifen in ein Rotationselement 6 in Form eines Zahnrades 6' ein, wodurch die Bewegungen der Zahnstange 5' und damit der Membran 4 an das Zahnrad 6' übertragen werden und Zahnstange 5' und Zahnrad 6' einen erfindungsgemäßen Übertragungsmechanismus 18 für die Membranbewegungen bilden. Das Zahnrad 6' weist im Nabenbereich eine Lagerhülse 45 auf, mit der es an einem Lagerzapfen 46 um einen Winkel α drehbar gelagert ist.
Auf dem Zahnrad 6' ist eine Markierung 7 aufgebracht, bei der es sich hier um einen radial aufmagnetisierten Permanentmagneten 7' handelt. Die Position des Permanentmagneten 7' wird mit Hilfe eines in 1 nur angedeuteten, auf das Zahnrad 6' gerichteten Sensor 8 in Form eines sättigungsgesteuerten Magnetsensor 8' ermittelt.
Als Markierung 7 kann ebenso eine optische Markierung 7'' oder eine dreidimensionale Struktur 7''' eingesetzt werden, welche dann entsprechend durch einen optischen Sensor 8'' oder einen Nahrungssensor 8''' erfasst werden können. Zur Anbringung eines Sensors 8 an den Membranzylinder 1' ist der Dosendeckel 16' mit einem Anbringungs mechanismus 9 versehen, an den der Sensor 8 angesteckt werden kann. Hier ist der Anbringungsmechanismus 9 im Wesentlichen durch eine Rastfeder 47 realisiert.
Sobald der Druck P₁ in der Kammer 3' den Druck P₂ in der Kammer 2' übersteigt und zusätzlich eine Kraft auf die Membran ausübt, welche größer als die von der Feder 10 und Anpressfeder 11 ausgeübte Federkraft F, sowie die Schwerkraft und eventuelle Reibungskräfte ist, bewegt sich die Membran 4 aus ihrer Ausgangslage A heraus und vollzieht je nach Druckdifferenz einen Hubweg S. Der Hubweg S ist im Wesentlichen durch die für die Zahnstange 5' als Anschlag fungierende Decke 42 in der Erweiterung 43 des Dosendeckels 16' und die minimale Längsausdehnung der Feder 10 begrenzt.
In 2 ist eine erfindungsgemäß ausgestaltete Druckmesseinrichtung 1 in Form eines Membranzylinders 1' in einer schematischen Schnittansicht gezeigt. Der Membranzylinder 1' ist hier im Gegensatz zu dem in 2 gezeigten Membranzylinder 1' um seine Mittelachse M um 90° gedreht. Somit ist das Rotationselement 6 in einer Schnittdarstellung gezeigt. Statt eines Zahnrades 6' und einer Zahnstange 5' ist hier ein Stößel, bzw. Pleuel 5'' als Übertragungsglied 5 eingesetzt, welches mit Hilfe eines Kugellagers 13 an einer Befestigungsvorrichtung 48 am Membranteller 20 angekoppelt ist. Dazu ist die Befestigungsvorrichtung 48 mit einer Hülse 23' versehen, die analog zur Hülse 23, die an der Oberseite 21 des Dosendeckels 16' anliegt, die Feder 10 zentriert, welche die Membran 4 in einer Ausgangslage hält. Abweichend von der in 1 gezeigten Membranzylinder 1' ist hier auf einen Schaft 27 verzichtet worden.
Sobald die Membran 4 aus Ihrer Ausgangslage A bewegt wird vollzieht sie einen Hubweg S und das Pleul 5'' überträgt die im Wesentlichen linearen Membranbewegungen an das um seine Rotationsachse R bewegliche Rotationselement 6, welches mit einer Markierung 7 versehen ist, die hier von einem Sensorelement 8 erfasst wird. Das Sensorelement 8 ist in ein Sensormodul 15 integriert, welches an dem Abringungsmechanismus 9 befestigt ist. Das Sensormodul 15 weist ferner eine Steckeraufnahme 49 auf, die mit einem Steckerkontakt 50 versehen ist.
In 2 wird insbesondere der platzsparende Aufbau des Membranzylinders 1' deutlich, dessen Bauhöhe dadurch begrenzt werden kann, dass das Rotationselement 6 und damit der aus Rotationselement 6 und Übertragungsglied 5 bestehende Übertragungsmechanismus 18 teilweise in der Erweiterung 43 des Dosendeckels 43 untergebracht ist.
Neben der Erweiterung 43 des Dosendeckels ist seitlich das Sensormodul 15 angeordnet. Es kann jederzeit vom Membranzylinder 1' getrennt werden, selbst wenn die Kammern 2' oder 3' mit Druck beaufschlagt sind oder in ihnen ein Unterdruck herrscht, da das Sensorelement 8 die Stellung des Rotationselementes 6 und damit seinen Drehwinkel α durch die Wandung 51 des Dosendeckels 16' hindurch erfassen kann.
Die Montage ist durch einen weitgehend modularen Aufbau des erfindungsgemäß ausgestalten Membranzylinders 1', bei dem auf zusätzliche Befestigungsmittel, wie Schrauben oder Bolzen weitgehend verzichtet werden kann, erheblich vereinfacht. So ist die Halterung 51 für das Rotationselement 6 mit einem Passelement 52 versehen, welches einfach in eine Aufnahme 54 in der Erweiterung 43 des Dosendeckels 16' eingesteckt ist. Über das Lager 13' ist das Rotationselement 6 formschlüssig mit dem Pleul 5'' verbunden, welches seinerseits über das Kugellager 13 formschlüssig an die Befestigungsvorrichtung 43 gekoppelt ist. Somit bilden das Rotationselement 6 mit seiner Halterung 53 sowie das Pleul 6'', die Befestigungsvorrichtung 48, die zylindrischen Hülsen 23 und 23' sowie die Feder 10 eine funktionelle Einheit in Form eines Transformationsmoduls 14 für die Bewegungen der Membran 4. Sobald der Dosendeckel 16' von Dosenunterteil 17' getrennt wird kann das Transformationsmodul 14 einfach entnommen oder eingesetzt werden.
Der weitgehend modulare Aufbau einer erfindungsgemäß ausgestalteten Druckmesseinrichtung 1 ist schematisch in 3 dargestellt. Hier ist verdeutlicht, dass die Druckmesseinrichtung 1 im Wesentlichen aus vier Elementen besteht, nämlich einem Korpus 17, dem die Membran 4 zugeordnet sein kann sowie einem Deckel 16, dem Transformationsmodul 14 und dem Sensormodul 15.
Der modulare Aufbau ist insbesondere zur Auslieferung der Druckmesseinrichtung 1 in Form eines Bausatzes 55 geeignet, der in den Zeichnungen nicht dargestellt ist. Dieser könnte im Wesentlichen den Korpus 17, den Deckel 16, das Transformationsmodul 14 und das Sensormodul 15 beinhalten, wobei Korpus 17, Deckel 16 und Transformationsmodul 14 auch schon zu einer Druckmesseinrichtung 1 zusammengesetzt sein können, an der das Sensormodul 15 z. B. einfach aufgesteckt werden kann.
Innerhalb des Erfindungsgedankens sind Abweichungen von den oben beschriebenen Ausführungsformen möglich. So kann die Membran 4 beispielsweise auch den Deckel 16 zugeordnet sein, wobei der Korpus 17 wiederum das Transformationsmodul 14 aufnehmen kann. Ein modularer Aufbau ist nicht zwingend erforderlich um eine erfindungsgemäße Umwandlung translatorischer Membranbewegungen in Rotationsbewegungen eines Rotationselementes 6 zu bewirken. Ein solcher Aufbau vereinfacht allerdings die Montage und Wartung einer erfindungsgemäßen Druckmesseinrichtung 1. Dabei können die einzelnen Elemente der Druckmesseinrichtung beliebig zu Modulen zusammengefasst werden.
Als Membrane sind neben den hier gezeigten Topfmembranen 4' auch Flachmembrane oder Rollmembrane einsetzbar, je nachdem welche Hubwege S von der Membran 4 vollzogen werden sollen. Es ist ferner nicht zwingend erforderlich dass das Sensorelement 8 außerhalb der Druckräume 2 und 3 angeordnet ist, um die Position, bzw. den Drehwinkel α eines Rotationselementes 6 erfassen zu können. Diese Vorgehensweise erleichtert jedoch den Austausch eines Sensormoduls 15 während die Druckmesseinrichtung mit Drücken beaufschlagt sind, welche vom Umgebungsdruck abweichen.
Ferner müssen die Druckräume 2 oder 3 nicht gegenüber der Umgebung und dem dort vorherrschenden Druck P₀ abgedichtet sein. Solange eine Druckdifferenz zwischen den Druckräumen 2 und 3 aufgebaut werden kann ist die erfindungsgemäße Druckmesseinrichtung 1 einsetzbar und je nach Belieben kann ein Druck P₁ im Druckraum 2, sowie ein Druck P₂ im Druckraum 3 auch mit dem Umgebungsdruck P₀ übereinstimmen, solange die Drücke P₁ und P₂ unterschiedlich sein können. Dementsprechend können auch beliebige Zuführungen und Durchlässe in den Wandungen 51 und 51' des Deckels, bzw. des Korpus angebracht werden um der Druckmesseinrichtung 1 zur Druckmessung vorgesehene Fluide zuzuführen.
Es kann auch auf die Ausgestaltung von Kammern 2' und 3' verzichtet werden. Hauptwesentlich für die Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Druckmesseinrichtung ist, dass die Membran 4 zwischen zwei Bereichen angeordnet werden kann, in denen unterschiedliche Drücke realisiert werden können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

- H. Ebertshäuser und S. Hellduser in Fluidtechnik von A–Z, vereinigte Fachverlage, Mainz 1995, ISBN 3-7830-0286-9 [0006]

Claims

Druckmesseinrichtung (1) mit einer druckabhängig auslenkbaren Membran (4), die an ein im Wesentlichen linear bewegliches Übertragungsglied (5) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungsglied (5) an einem drehbar gelagerten Rotationselement (6) exzentrisch zu dessen Rotationsachse (R) eingreift, so dass die im Wesentlichen linearen Bewegungen des Übertragungsgliedes (5) in Rotationsbewegungen des Rotationselementes (6) umsetzbar sind.
Druckmesseinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotationselement (6) als Drehsignalgeber mit wenigstens einer Markierung (7) ausgestaltet ist, deren Drehstellung von einem Sensor (8) erfassbar ist.
Druckmesseinrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Markierung (7) ein Magnet (7') ist, und der Sensor (8) ein Magnetfeldsensor (8') ist.
Druckmesseinrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Markierung (7) eine optische Kennzeichnung (7'') ist und der Sensor (8) ein optischer Sensor (8'') ist.
Druckmesseinrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Markierung (7) eine dreidimensionale Struktur (7'''), ist und der Sensor (8) ein Nahrungssensor (8''') ist.
Druckmesseinrichtung (1) nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckmesseinrichtung (1) wenigstens einen Druckraum (2, 3) besitzt.
Druckmesseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (8) an einem Anbringungsmechanismus (9) an der Druckmesseinrichtung (1) angebracht werden kann.
Druckmesseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Anbringungsmechanismus (9) außerhalb des wenigstens einen Druckraums (2, 3) angeordnet ist.
Druckmesseinrichtung (1) nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (4) an wenigstens eine im Wesentlichen parallel zu ihrem Hubweg (S) wirkende Feder (10) gekoppelt ist.
Druckmesseinrichtung (1) nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungsglied (5) als Zahnstange (3') ausgestaltet ist und das Rotationselement (6) zumindest abschnittsweise als Zahnrad (6') ausgeformt ist, welches sich mit der Zahnstange (6') im Eingriff befindet.
Druckmesseinrichtung (1) nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnstange (6') mit Hilfe wenigstens einer Anpressfeder (11) an die Membran (4) gedrückt ist.
Druckmesseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungsglied (5) als Pleuel (5'') ausgestaltet ist und mit dem Rotationselement (6) einen Kurbeltrieb (12) bildet.
Druckmesseinrichtung (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Pleuel (5'') mit wenigstens einem Kugellager (13, 13') an der Membran (4) und/oder dem Rotationselement (5) befestigt ist.
Druckmesseinrichtung (1) nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungsglied (5) und das Rotationselement (6) in dem wenigstens einen Druckraum (2, 3) angeordnet sind.
Druckmesseinrichtung (1) nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckmesseinrichtung (1) aus einem Transformationsmodul (14), einem Deckel (16) und einem komplementär zum Deckel (16) ausgestalteten Korpus (17) modulartig zusammengesetzt ist, wobei das Transformationsmodul (14) wenigstens das Rotationselement (6) umfasst, der Deckel (16) zumin dest teilweise den wenigstens einen Druckraum (2, 3) verschließt und der Korpus (17) die Membran (4) aufnimmt.
Bausatz (55) für eine Druckmesseinrichtung (1), wobei die Druckmesseinrichtung (1) eine druckabhängig auslenkbare Membran (4) besitzt, die an ein im Wesentlichen linear bewegliches Übertragungsglied (5) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Bausatz (55) ein Transformationsmodul (14) und ein Sensormodul (15) mit wenigstens einem Sensor (8) beinhaltet, wobei das Transformationsmodul (14) wenigstens ein Rotationselement (6) umfasst, das mit dem Übertragungsglied (5) in Eingriff bringbar ausgestaltet ist und durch das die im Wesentlichen linearen Bewegungen des Übertragungsgliedes (5) in Rotationsbewegungen des Rotationselementes (6) umsetzbar sind, und wobei durch den Sensor (8) die Stellung des Rotationselementes (6) erfassbar ist.
Verfahren zur Positionsbestimmung einer Membran (4), die sich in einer Druckmesseinrichtung (1) in Abhängigkeit von einer Druckdifferenz bewegt, wobei die Bewegungen der Membran (4) mit einem im Wesentlichen linear beweglichen Übertragungsglied (5) weitergeleitet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die im Wesentlichen linearen Bewegungen des Übertragungsgliedes (5) in Drehbewegungen eines Rotationselementes (6) umgewandelt werden.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungsglied (5) exzentrisch zu einer Rotationsachse (R) des Rotationselementes (6) in Eingriff mit dem Rotationselement (6) gebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotationselement (6) mit wenigstens einer Markierung (7) in Form eines Magneten (7'), einer optischen Kennzeichnung (7'') und/oder einer dreidimensionale Struktur (7''') versehen wird, und die Stellung des Rotationselementes (6) berührungslos mit einem Sensor (8) erfasst werden kann.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckmesseinrichtung (1) mit wenigstens einem Druckraum (2, 3) versehen wird.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckmesseinrichtung (1) so ausgestaltet wird, dass die Markierung (7) in dem wenigstens einen Druckraum (2, 3) angeordnet wird, und von einem Sensor (8) außerhalb des wenigstens einen Druckraums (2, 3) erfasst werden kann.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungsglied (5) zumindest abschnittsweise als Zahnstange (5') ausgeformt wird und der Rotationskörper (6) zumindest abschnittsweise als Zahnrad (6') ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungsglied (5) mit Hilfe einer Anpressfeder (11) an die Membran (4) gedrückt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungsglied (5) und das Rotationselement (6) zusammenwirkend als ein Kurbeltrieb (12) ausgelegt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (4) durch eine Kraft (F) in einer Ausgangslage (A) gehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckmesseinrichtung (1) im Wesentlichen aus einem Transformationsmodul (14), einem Deckel (16) und einem Korpus (17) zusammengesetzt wird, wobei in das Transformationsmodul (14) zumindest das Rotationselement (6) integriert wird, die Membran (4) am Korpus (17) befestigt wird und der wenigstens eine Druckraum (2, 3) zumindest teilweise mit dem Deckel (16) verschlossen wird.