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Die Erfindung betrifft frostsichere Drucksensoren mit einem Gehäuse.
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Eine frostsichere Einrichtung ist unter anderem durch die Druckschrift
DE 100 23 589 A1 (Gefrierresistenter Drucksensor) bekannt. Der gefrierresistente Drucksensor umfasst ein Drucksensorgehäuse, welches einen Druckmessraum umschließt, und eine Druckmesszelle. Weiter ist ein elastisch nachgiebiges Ausgleichselement vorgesehen, welches im Druckmessraum angeordnet ist. Das elastisch nachgiebige Ausgleichselement weist selbst elastische Eigenschaften auf. Der Nenndruck des zu messenden Mediums wird durch das Material dieses Ausgleichselementes begrenzt. Darüber hinaus kann dieses elastisch nachgiebige Ausgleichselement als eine elastische Gehäusewand ausgebildet sein. Auch dabei ist der zu messende Druck durch das Material dieser Gehäusewand eingeschränkt.
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Durch die Druckschrift
WO 2005/029 029 A1 ist ein Drucksensor für Abgasreduziersysteme bekannt. Derartige Drucksensoren werden bei Abgasreduziersystemen für Dieselmotoren in Kraftfahrzeugen eingesetzt. Mit dem Drucksensor wird der Druck des Abgasreduziermediums gemessen, das vorzugsweise eine Harnstoff-Wasser-Lösung ist. Sie kann bei tiefen Temperaturen einfrieren. Dabei dehnt sich die Lösung aus, wodurch die im Gehäuse des Drucksensors untergebrachte Messzelle beschädigt wird. Dazu ist zwischen der Messzelle und der Zuleitung ein komprimierbares Volumen vorgesehen, das eine Volumenänderung des Abgasreduziermediums beim Einführen aufnimmt. Diese komprimierbare Volumen ist Bestandteil eines Balges, der aus jedem umformbaren Material herstellbar ist. Die Materialeigenschaften sind so gewählt, dass bis zum Erreichen des Betriebsdruckes keine Verformung stattfindet und bei Überschreitung des Betriebsdruckes sich das Balgmaterial elastisch verformt. Der Balg befindet sich dabei in einem vom Messraum mit der Messzelle getrennten Raum des Drucksensors. Die Räume sind über Ausnehmungen in Form von Bohrungen miteinander verbunden. Bei dieser Anordnung ändert sich das Volumen des Raumes, wobei sich der Balg elastisch verformt. Das Volumen des Messraumes bleibt konstant. Damit kann beim Gefrieren die Messzelle zerstört werden. Weiterhin kann es zu Fehlmessungen beim Auftauen kommen, wenn das Medium in den Bohrungen als Verbindung zwischen dem Messraum und dem Raum mit dem Balg verzögert auftaut.
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Die Druckschrift
DE 30 28 657 A1 beschreibt einen hydraulischen Filter zur Ausfilterung langsamer Druckschwankungen. In einer Ausführungsform besteht der hydraulische Speicher aus einem Zylinder, in welchem ein durch eine Feder belasteter Kolben beweglich ist. Die Räume vor und hinter dem Kolben weisen das gleiche Medium auf, so dass sich im Falle eines Gefrierens die Druckverhältnisse beider Räume äquivalent zueinander ändern. Ein Gefrierschutz ist dabei nicht gegeben.
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Durch die Druckschrift
DE 103 61 867 A1 ist eine Abgasnachbehandlungseinrichtung mit einem Dehn- und einem Begrenzungsteil bekannt. Beide sind napfförmig ausgebildet. Das Dehnteil besteht aus einem elastomeren Werkstoff. Bei Normaldruck ist ein freier Raum zwischen dem Dehnteil und dem korrespondierend angeordneten Begrenzungsteil vorhanden. Bei Druckerhöhung des Mediums durch Gefrieren wird das Dehnteil in Richtung des Begrenzungsteiles gedrückt, wobei das Medium im Zwischenraum äquivalent zusammengedrückt wird und sich das Volumen des Zwischenraumes verringert. Das durch das Dehnteil begrenzte Volumen ist dabei ein Speicherraum zum Schutz von Bauteilen.
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Die Druckschrift
DE 100 04 614 A1 beschreibt einen Drucksensor zum Erfassen des Druckes einer Flüssigkeit, insbesondere einer Reduktionsmittellösung für die Abgasnachbehandlung bei einer Brennkraftmaschine. Das unvermeidliche Totvolumen unmittelbar vor dem Drucksensorelement so klein wie möglich zu gestalten und darüber hinaus sicherzustellen, dass sich das Totvolumen bei aufgrund des Phasenüberganges der Flüssigkeit auftretenden Überdruckes definiert elastisch vergrößert und somit den Druck auf die Drucksensormembran begrenzt. Das Drucksensorelement ist nicht starr eingebaut, sondern über wenigstens ein Federelement gegen eine Auflage gedrückt. Dazu muss eine Federpannung gewählt werden, dass im gesamten zulässigen Arbeitsdruckbereich das Drucksensorelement in der durch die Auflage definierten Position bleibt.
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Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drucksensor so zu schaffen, dass dieser bei einer Volumenvergrößerung bei Gefrieren des Mediums nicht zerstört wird.
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Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.
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Die frostsicheren Drucksensoren mit einem Gehäuse zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass diese bei einer durch Gefrieren hervorgerufenen Volumenvergrößerung des Mediums nicht zerstört werden.
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Dazu weist der frostsichere Drucksensor mit einem Gehäuse einen Druckmessraum mit einer Zuleitung für das Messmedium mit einer Druckmesseinrichtung im oder am Druckmessraum und einen weiteren mit einem über ein verschließbares Befüllungsloch im Gehäuse mit einem komprimierbarem Medium gefüllten Raum auf. Dieser Raum ist durch einen geführt bewegbaren Verdränger und eine schalenförmige Membran vom Druckmessraum getrennt. Damit ist der weitere Raum mittels der schalenförmigen Membran dicht gegenüber dem Druckmessraum. Weiterhin weist das Medium einen Überdruck gegenüber dem Druck des Messmediums auf und verkleinert sich bei sich vergrößernden Volumen des Druckmessraumes das Volumen des weiteren Raumes äquivalent.
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Mit dem geführt bewegbarem Verdränger wird sichergestellt, dass das bei Gefrieren sich ausdehnende Medium im Raum ausdehnen kann, ohne den frostsicheren Drucksensor zu zerstören. Während der Ausdehnung dieses Mediums wird der Verdränger in den weiteren Raum gedrückt, wobei das Medium im weiteren Raum komprimiert wird. Dieses komprimierbare Medium wirkt als Feder für das sich ausdehnende Medium im Raum. Bei einem Schmelzen des gefrorenen Mediums drückt das komprimierbare Medium des weiteren Raumes den Verdränger wieder in Richtung des Raumes, so dass die Volumenänderung kompensiert wird und der ursprüngliche Zustand wiederhergestellt ist. Der dichte weitere Raum gewährleistet dabei, dass das komprimierbare Medium in dem weiteren Raum verbleibt und nicht in den Raum mit dem Medium gelangt. Gleichzeitig wird sichergestellt, dass bei sich wiederholenden Gefrieren die Funktion nicht beeinflusst wird.
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Dadurch ist ein sehr einfach aufgebauter und universell einsetzbarer frostsicherer Drucksensor für einen Druckmessraum mit dem Messmedium mit einer Druckmesseinrichtung vorhanden, wobei die Druckmesseinrichtung im oder am Druckmessraum angeordnet ist. Bei einer Volumenvergrößerung bei Gefrieren des Messmediums werden die Drucksensoren nicht zerstört.
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Dazu besitzt das Gehäuse den weiteren Raum. Dieser ist durch wenigstens den geführt bewegbaren Verdränger vom Druckmessraum getrennt, wobei der weitere Raum gegenüber dem Druckmessraum dicht ist. Der weitere Raum ist darüber hinaus mit einem komprimierbaren Medium gefüllt. Dieses Medium weist dazu beispielsweise einen Überdruck gegenüber dem Druck des Messmediums auf.
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Mit dem geführt bewegbarem Verdränger wird sichergestellt, dass ein bei Gefrieren sich ausdehnendes Messmedium den Drucksensor nicht zerstört. Das sich ausdehnende Messmedium drückt dabei den Verdränger in den weiteren Raum, wobei das Medium im weiteren Raum komprimiert wird. Dieses komprimierbare Medium wirkt als Feder für das sich ausdehnende Messmedium. Dabei kann sich bei entsprechendem Druck im weiteren Raum nur ein gegenüber dem Messmedium geringer Überdruck ausbilden, der den Drucksensor nicht zerstört. Bei einem Schmelzen des gefrorenen Messmediums drückt dass komprimierbare Medium im weiteren Raum den Verdränger wieder in Richtung des Druckmessraumes, so dass die Volumenänderung kompensiert wird und der ursprüngliche Zustand wiederhergestellt ist. Der dichte weitere Raum gewährleistet dabei, dass dieses komprimierbare Medium in dem weiteren Raum verbleibt und nicht in den Druckmessraum gelangt. Gleichzeitig wird sichergestellt, dass bei sich wiederholenden Gefrieren die Funktion des Drucksensors nicht beeinflusst wird.
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Die Drucksensoren besitzen damit den Vorteil, dass bei Beaufschlagung des Druckmessraumes bis zum Nenndruck keine Volumenänderung im Druckmessraum stattfindet. Im Normalzustand hat das komprimierbare Medium im weiteren Raum damit keine Funktion. Der Druck des Messmediums breitet sich gleichmäßig bis zur Druckmesseinrichtung aus, ohne das der Verdränger in den weiteren Raum bewegt wird. Der Verdränger stellt dazu eine Begrenzung des Druckmessraumes dar.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das komprimierbare Medium im weiteren Raum je nach Verwendung der Drucksensoren unterschiedliche Drücke aufweisen kann. Dabei wird der Frostschutz auch bei hohen Drücken des Messmediums gewährleistet. Damit können die frostsicheren Drucksensoren auch bei Medien mit einem Nenndruck über 10 bar eingesetzt werden. Das komprimierbare Medium im weiteren Raum sollte dazu einen gegenüber dem Nenndruck des Messmediums vorzugsweise geringen Überdruck aufweisen. Bei Überschreiten des Überdrucks durch den Druck des gefrierenden Messmediums im Druckmessraum wird der Verdränger in den weiteren Raum bewegt.
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Die Drucksensoren sind in den verschiedensten Größen und die Gehäuse aus verschiedenen Materialien realisierbar, so dass sich die vielfältigsten Anwendungen ergeben. Neben Wasser als Messmedium kann auch Harnstoff zur Reduktion von bei Verbrennungen entstehender Stickoxide das Messmedium sein. Natürlich sind die Drucksensoren auch zur Druckmessung weiterer Stoffe als Messmedien einsetzbar.
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Der weitere Raum im Gehäuse ist durch den geführt bewegbaren Verdränger und eine schalenförmige Membran vom Druckmessraum getrennt. Der Abschluss und Abdichtung des weiteren Raumes gegenüber dem Druckmessraum erfolgt dabei über die schalenförmige Membran, in der der geführt bewegbare Verdränger angeordnet ist. Damit werden geführt bewegbare Dichtungen vermieden, so dass neben dem einfacheren Aufbau auch die Lebensdauer erhöht wird.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 9 angegeben.
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Der Verdränger ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 kleiner als die schalenförmige Membran, so dass zwischen Verdränger und und schalenförmiger Membran ein Hohlraum vorhanden ist. Damit werden vorteilhafterweise seitliche Volumenänderungen aufgenommen, so dass ein dadurch hervorgerufenes Verklemmen des Verdrängers vermieden wird.
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Im weiteren Raum ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 ein an den Verdränger angreifendes Federelement angeordnet, so dass der Verdränger an einen Anschlag oder die schalenförmige Membran gedrückt wird. Dieses Federelement erleichtert beispielsweise das Befüllen des weiteren Raumes mit dem komprimierbaren Medium, wobei ein dichter weiterer Raum gewährleistet ist.
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Der Anschlag für den Verdränger sichert, dass der Verdränger nicht in den Raum gelangt. Das ist bei Druckschwankungen des Messmediums bei Anwendung in einem Drucksensor vorteilhaft, wobei die Messung bei auftretenden Unterdrücken des Mediums nicht durch den Druck des Mediums im weiteren Raum beeinflusst wird.
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Vorteilhafterweise ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 die Wandung des weiteren Raumes gleichzeitig die Führung des Verdrängers. Dadurch ist eine einfache Realisierung des Gehäuses und daraus folgernd der Einrichtung gegeben.
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Der weitere Raum befindet sich nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 5 in einem Schraubstutzen als Bestandteil des Gehäuses, so dass die Drucksensoren leicht handzuhaben sind. Vorteilhafterweise ist das Gehäuse dazu zylinderförmig ausgebildet.
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Im Druckmessraum ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 6 ein Füllkörper angeordnet. Der Füllkörper dient der Volumenminimierung des Druckmessraums. Gleichzeitig kann dieser vorzugsweise elastisch ausgebildete Füllkörper entstehende Volumenausdehnungen in x- und y-Richtung in z-Richtung umlenken, da sich dieser wie eine Flüssigkeit verhält. Frostschäden werden vermieden.
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Weiterhin können nur dünne Eisplättchen anstelle voluminöser Eisgebilde im Druckmessraum entstehen. Durch Eisgebilde im Druckmessraum hervorgerufene Zerstörungen der Membran werden vermieden.
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Ein Bestandteil der Druckmesseinrichtung ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 7 eine Membran, wobei diese ein Teil der Begrenzung des Druckmessraums ist.
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Die Druckmesseinrichtung befindet sich nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 8 auf einem Träger im Druckmessraum.
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Der Verdränger ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 9 vorteilhafterweise ein Kolben, ein Stempel oder ein Stößel.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen jeweils prinzipiell dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen:
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1 ein frostsicherer Drucksensor mit einer Druckmesseinrichtung mit einem geführt bewegbaren Verdränger,
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2 ein frostsicherer Drucksensor mit einer Druckmesseinrichtung in der Druckmesskammer und
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3 ein frostsicherer Drucksensor mit einem seitlich angeordneten weiteren Raum mit einem Medium und
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4 ein frostsicherer Drucksensor mit einer schalenförmigen Membran und einem Stößel.
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Ein frostsicherer Drucksensor eines ersten Ausführungsbeispiels besteht im Wesentlichen aus dem Gehäuse 1, einer Druckmesseinrichtung 2, einem Druckmessraum 3 für das Messmedium als Raum, einem weiteren Raum 4 für ein Medium und einem Verdränger 5.
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Die 1 zeigt einen frostsicheren Drucksensor mit einer Druckmesseinrichtung 2 mit einem geführt bewegbaren Verdränger in einer prinzipiellen Darstellung.
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Das Gehäuse 1 besitzt dazu den Druckmessraum 3 und den weiteren Raum 4. Im weiteren Raum 4 befindet sich der geführt bewegbare Verdränger 5, der gleichzeitig den Druckmessraum 3 und den weiteren Raum 4 voneinander trennt. Der Verdränger 5 ist ein Kolben, wobei die Wandung des weiteren Raumes 4 gleichzeitig die Führung für den Kolben ist. Der weitere Raum 4 besitzt einen Anschlag 8 für den Kolben. Der Kolben weist eine Dichtung 6 auf, so dass ein abgeschlossen dichter weiterer Raum 4 gegenüber dem Druckmessraum 3 vorhanden ist. Der weitere Raum 4 ist mit einem komprimierbaren Medium gefüllt, welches gegenüber dem Messmedium einen Überdruck aufweist.
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Das Gehäuse 1 ist zylinderförmig ausgebildet, wobei im Gehäuse 1 nacheinander der weitere Raum 4, der Druckmessraum 3 und die Druckmesseinrichtung 2 angeordnet sind. Das Gehäuse 1 ist mit einem Gewinde versehen, so dass ein Schraubstutzen realisiert ist. Im Schraubstutzen befindet sich vorzugsweise der weitere Raum 4. Damit kann der frostsichere Drucksensor leicht befestigt werden. Darüber hinaus besitzt das Gehäuse 1 eine mit dem Druckmessraum 3 verbundene Zuleitung 7 für das Messmedium.
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Ein Bestandteil des Gehäuses 1 ist ein verschließbares Befüllungsloch für das komprimierbare Medium im weiteren Raum 4.
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Die Druckmesseinrichtung 2 weist eine Membran auf, wobei diese ein Teil der Begrenzung des Druckmessraums 3 darstellt. Eine Druckmesseinrichtung 2 mit einer Membran ist bekannt. Dabei wird die dem Druck im Druckmessraum 3 äquivalente Verformung zum Beispiel mittels wenigstens eines Dehnungsmessstreifens erfasst. Das ist ein Messfühler als mechanisch-elektrischer Wandler für mechanische Größen.
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Die 2 zeigt einen frostsicheren Drucksensor mit einer Druckmesseinrichtung 2 in der Druckmesskammer 3 als eine Ausführungsform des frostsicheren Drucksensors. Die Druckmesseinrichtung 2 befindet sich dazu auf einem Träger 9, der mit dem Gehäuse 1 verbunden ist.
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In einer weiteren Ausführungsform eines frostsicheren Drucksensors des ersten Ausführungsbeispiels sind der Druckmessraum 3 und der weitere Raum 4 gegenüber der Zuleitung 7 nebeneinander angeordnet. Die 3 zeigt einen derartig ausgebildeten frostsicheren Drucksensor in einer prinzipiellen Darstellung. Die Druckmesseinrichtung 2 besitzt dazu eine Membran, die gleichzeitig ein Bereich einer Wand des Druckmessraumes 3 ist. Natürlich kann die Druckmesseinrichtung 3 auch auf einem Träger im Druckmessraum 3 entsprechend der Darstellung in der 2 platziert werden.
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Ein frostsicherer Drucksensor eines zweiten Ausführungsbeispiels besteht im Wesentlichen aus dem Gehäuse 1 aus mehreren Gehäuseteilen, einer Druckmesseinrichtung 2, einem Druckmessraum 3 für das Messmedium als Raum, einem weiteren Raum 4 für ein Medium, einem Verdränger 5 und einer schalenförmigen Membran 10.
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Die 4 zeigt einen frostsicheren Drucksensor mit einer Druckmesseinrichtung 2 mit einer schalenförmigen Membran und einem Stößel in einer prinzipiellen Darstellung.
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Das Gehäuse 1 besitzt dazu den Druckmessraum 3 und den weiteren Raum 4. Im weiteren Raum 4 befindet sich der geführt bewegbare Verdränger 5 als Stößel. Auf dem Stößel befindet sich die schalenförmige Membran 10, die gleichzeitig die seitliche Wandung des Weiteren Raumes 4 umschließt. Der weitere Raum 4 wird dabei durch ein schalenförmig ausgebildetes Gehäuseteil und der schalenförmigen Membran 10 begrenzt und dicht abgeschlossen. Die schalenförmige Membran 10 trennt den Druckmessraum 3 von dem weiteren Raum 4. Der Stößel wird an der Seitenwandung des weiteren Raumes 4 geführt. Zwischen dem Stößel und dem Boden des schalenförmigen Gehäuseteils befindet sich ein Federelement als Druckfeder 11 in Spiralform.
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Im Gehäuse 1 sind nacheinander der weitere Raum 4, der Druckmessraum 3 und die Druckmesseinrichtung 2 angeordnet.
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Das Gehäuse 1 weist eine mit dem Druckmessraum 3 verbundene Zuleitung 7 für das Messmedium auf. Diese wird durch Abflachungen, Freifräsungen und/oder Längsnuten der einzelnen Gehäuseteile und der schalenförmigen Membran 10 gebildet.
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Die Druckmesseinrichtung 2 weist eine Membran auf, wobei diese ein Teil der Begrenzung des Druckmessraums 3 darstellt. Eine Druckmesseinrichtung 2 mit einer Membran ist bekannt. Dabei wird die dem Druck im Druckmessraum 3 äquivalente Verformung zum Beispiel mittels wenigstens eines Dehnungsmessstreifens erfasst. Das ist ein Messfühler als mechanisch-elektrischer Wandler für mechanische Größen.
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In einer Ausführungsform des zweiten Ausführungsbeispiels kann sich im Druckmessraum 3 ein Füllkörper 12 zur Volumenminderung des Druckmessraumes 3 befinden.
