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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft einen Drucksensor zur Erfassung des Drucks eines
Mediums.
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Bei
mikromechanischen Drucksensoren wird der Druck eines Mediums üblicherweise über
die Verbiegung einer Membran oberhalb einer Kaverne erfasst. Dabei
kann es bei übermäßigem Druck zu einem
Bruch der Membran kommen, wenn nicht entsprechende Überlastvorkehrungen
getroffen worden sind. So ist beispielsweise aus der
DE 10138 759 A1 eine Membran
bekannt, bei der die Membran Elemente aufweist, die durch ein Aufsetzen
auf den darunter liegenden Kavernenboden eine zu starke Durchbiegung
verhindern.
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Vorteile der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung beschreibt einen Drucksensor zur Erfassung
des Drucks eines Mediums, z. B. eines Gases oder einer Flüssigkeit.
Dabei ist vorgesehen, den Drucksensor mit einem Gehäuse und
einem im Gehäuse befindlichen Volumen zur Aufnahme des
Mediums auszustatten. Zur Erfassung des Drucks ist weiterhin ein
Sensorelement vorgesehen, welches wenigstens teilweise dem Medium
ausgesetzt ist. Der Kern der Erfindung besteht nun darin, dass das
Gehäuse ein flexibles Element aufweist, welches eine Veränderung
des Volumeninhalts ermöglicht.
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Der
Vorteil bei einer derartigen Ausgestaltung liegt darin, dass kurzzeitig
dynamisch auftretende Drucküberhöhungen, wie sie
beispielsweise in der Automobiltechnik bei Getriebeölen
als sogenannte Wasserschläge bekannt sind, abgefangen werden, um
einen Bruch der Membran zu verhindern.
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Vorteilhafterweise
ist dabei vorgesehen, das Gehäuse bzw. das Element, welches
das Flüssigkeitsvolumen aufnimmt, derart auszugestalten,
dass es sich abhängig von dem Druck bzw. vom Anstieg des
Drucks im Medium verändert. Als typische Veränderung
ist dabei eine Ausdehnung vorgesehen.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, das flexible Element
direkt als Teil des (äußeren) Gehäuses
zu realisieren. So ist beispielsweise denkbar, das Sensorelement
auf einer gesonderten Trägerstruktur zu platzieren und
die Trägerstruktur mittels des flexiblen Elements mit dem
Rest des Gehäuses zu verbinden. Denkbar ist hierbei, das
flexible Element federartig oder balgartig auszubilden, wobei insbesondere
vorgesehen sein kann, das flexible Element rotationssymmetrisch
zu realisieren.
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Alternativ
kann auch vorgesehen sein, das Gehäuse mittels eines flexiblen
Schlauchs zu realisieren, der sich wenigstens stellenweise bei zunehmendem
Volumeninhalt bzw. zunehmendem Druck ausdehnen lässt. In
einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, innerhalb des
Schlauchs ein Rohr einzubringen, in dem das Medium zum Sensorelement
geführt wird. Um bei dieser Bauart die Ausdehnung des Schlauchs
zu ermöglichen, ist in dem Rohr an wenigstens einer Stelle
ein Durchbruch vorgesehen, durch das die Flüssigkeit hindurchtreten und
den Schlauch aufblähen kann.
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Optional
kann auch vorgesehen sein, dass um wenigstens einen Teil des Schlauchs
eine Kammer gebildet wird. Diese Kammer kann in einer Weiterbildung
mit Luft oder Gas gefüllt sein. Der Vorteil bei einer derartigen Ausgestaltung
liegt darin, dass der gesamte Sensor somit in dem Medium eingebracht
werden kann, dessen Druck gemessen werden soll. Dabei schützt
die zusätzliche Kammer den ausdehnenden Teil des Schlauchs
gegen den Druck im Medium, so dass sich der Schlauch lediglich gegen
den Druck der luft- bzw. gasgefüllten Kammer ausdehnen
muss. Durch eine geeignete Wahl des Druckverhältnisses
in der Kammer gegenüber dem zu erwartenden Druckbereich
des Mediums können somit vorteilhafte Voreinprägungen
der Ausdehnung eingestellt werden.
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Eine
weitere Möglichkeit, das Sensorelement vor einer Zerstörung,
insbesondere die Membran des Drucksensors vor kurzzeitigen starken Durchbiegungen,
zu schützen liegt darin, den Medienstrom zur Membran zu
beschränken. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen,
dass ein Ventil in der Zuleitung zur Membran eingebracht wird. Vorteilhafterweise
kann dabei das Ventil und das Sensorelement mit der Membran an entgegengesetzten
Enden der Zuleitung angebracht sein.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Ventil in Form einer Verengung
zwischen Membran und einem Teil des übrigen Gehäuses
ausgebildet. Dabei kann die Membran derart ausgestaltet sein, dass
sie sich bei einer Bewegung auf das Gehäuseteil zu bewegt
und den Durchgang durch das Ventil verringert. Ein derartiges Ventil
lässt sich bevorzugt im Randbereich der Membran unterbringen.
Es ist jedoch auch möglich, ein einfaches Ventil durch
eine Öffnung in der Membran zu realisieren. Dabei kann diese Öffnungen
bzw. mehrere dieser Öffnungen sowohl in der Mitte als auch
im Randbereich der Membran angeordnet sein.
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Darüber
hinaus kann jedoch auch vorgesehen sein, dass der Zugang des Mediums
zum Sensorelement im Allgemeinen und zur Membran im Besonderen durch
ein weiteres Element beschränkt wird. Dies kann beispielsweise
mittels einer Kappe erreicht werden, die ein Loch aufweist und über
das Sensorelement gestülpt wird. Alternativ kann auch eine
Verengung vorgesehen sein, die im oberen Teil der Zuleitung eines
Schlauches oder eines Rohrs die Funktion einer Begrenzung übernimmt.
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw.
aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Zeichnungen
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In
den 1a und 1b ist
ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Drucksensors dargestellt. 2 zeigt
eine Variante des ersten Ausführungsbeispiels, während
die 3 bis 5 Ausführungsbeispiele
mit abgewandelten Aufbauten darstellen.
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Ausführungsbeispiel
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Ein
erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Sensors, bestehend aus Sensorelement 110 und Gehäuse 160,
ist in 1a dargestellt. Zwar ist in
dieser Figur der Sensor rotationssymmetrisch vorgesehen, jedoch
ist eine derartige Symmetrie nicht zwingend erforderlich. Der Sensor
besteht aus dem eigentlichen Sensorelement 100 in Form
eines Druckmesselements welches beliebig gestaltet sein kann. Im
Wesentlichen besteht es aus einer Membran, die sich im beabsichtigten
Druckmeßbereich durchbiegt. Diese Durchbiegung wird durch eine
entsprechende Messtechnik erfasst (z. B. piezoresistiv oder -aktiv
oder mir Dehnmessstreifen oder durch optische Abtastung). Dabei
kann das Sensorelement als Absolut- oder Differenzdrucksensor ausgeführt
sein.
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Der
Drucksensor ist in einem Gehäuse 160 untergebracht,
welches an die Wand 170 eines mediengefüllten
Raums (z. B. Rohrleitung, Ölwanne, etc.) angeflanscht werden
kann. Dabei kann die Befestigung sowohl über ein Gewinde
als auch über ein direktes Anlöten oder Anschweissen
erfolgen. Weiterhin besitzt das Gehäuse 160 eine
Membran 140 mit Öffnungen 150 durch die
das Medium, z. B. ein Fluid, an den eigentlichen Drucksensor 100,
der auf einer Trägerstruktur 110 aufgebracht ist,
gelangen kann. Der wesentliche Kern der Erfindung besteht nun darin,
dass das Volumen 130 des Sensors variabel gestaltet ist,
um kurzzeitige dynamische Überlasten in Form von Druckspitzen
abzufedern. Dies wird dadurch erreicht, dass die Trägerstruktur 110 über ein
Verbindungselement 120 mit dem übrigen Gehäuse 160 verbunden
ist. In der 1a ist ein Beispiel für
ein derartiges Verbindungselement 120 in Form einer Feder
dargestellt, wobei auch Ausführungen in Balgform denkbar
sind. Die genaue Ausgestaltung der federartigen bzw. balgartigen
Verbindungselemente 120 kann dabei auf den zu erfassenden Druckbereich
bzw. auf die zu erwartenden Druckspitzen abgestimmt sein. So kann
beispielsweise der Winkel 125 für die Empfindlichkeit
des Sensors ggü. diesen Druckspitzen entsprechend eingestellt
werden.
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Im
oberen Bereich der 1a wird das mit dieser Ausführungsform
realisierte Ventil 180 gezeigt. Dieses Ventil 180 wird
dabei durch ein Zusammenspiel der Durchbiegung der Membran 140 und
eines Teils des Gehäuses 160 erzeugt, mit dem
sich der Medienstrom vom mediengefüllten Raum über die Öffnungen 150 in
das Volumen 130 des Sensors steuern lässt. Eine
entsprechende Aufsicht über die Anordnung der Öffnungen 150 auf
der Membran ist in 1b dargestellt. Dabei ist im
vorliegenden Beispiel die Membran 140 über Stege 145 mit
dem steifen Teil des Gehäuses verbunden. Die Anzahl der Stege 145 kann
beliebig sein und muss dem zu erwartenden dynamischen Überlastimpuls
angepasst werden. Soll das Sensorelement 100 schon gegen kleine Überlasten
geschützt werden ist auch nur ein Steg 145 denkbar.
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Das
Ventil gemäß dem Ausführungsbeispiel in 1a funktioniert
folgendermaßen: Durch die breiten Öffnungen 150 in
der Membran 140 kann der Sensor mit dem Fluid befüllt
werden. Solange der Druck der Flüssigkeit statisch auf
den Sensor wirkt, verformt sich die Membran 140 nicht.
Erst wenn sich durch äußere Ereignisse ein schlagartiger
Anstieg des Druckimpuls in der Flüssigkeit aufbaut, wird
die Membran 140 durch die Strömungsgeschwindigkeit im
Fluid mitgerissen. Die Strömungsgeschwindigkeit kann sich
unter anderem deshalb aufbauen, da durch das federnde Element 120 im
Sensor eine Raumausdehnungsmöglichkeit gegeben ist.
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Ohne
dieses Federelement 120 würde sich keine Strömung
ergeben, da Fluide (im Gegensatz zu Gasen) als inkompressibel angesehen
werden können.
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Da
die Raumausdehnungsmöglichkeiten im flüssigkeitsgefüllten
Kammerraum 130 des Federelements 120 naturgemäß begrenzt
ist, ist das Membranelement 140 so ausgelegt, dass es sich
bei einem weiteren Anstieg des Druckes an die Dichtlippe 185 des
Gehäuses 160 anlegt und damit eine weitere Erhöhung
des Druckes im Kammerraum 130 verhindert.
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Ein
Schließen des Ventils bei Druckanstieg ist dabei nicht
unbedingt nötig. In vielen Fällen kann es ausreichend
sein, den Zufluss durch das Ventil so zu verengen, dass ein erhöhter
Strömungswiderstand entsteht, der einen unzulässig
hohen Druckimpuls auf das Sensorelement 100 verhindert.
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In
einer besonderen Ausführung kann auch ganz auf die vorgelagerte
Membran 140 verzichtet werden, indem die Begrenzung nur über
die Ausdehnung des Kammerraums 130 erfolgt. Insbesondere dann,
wenn die zu erwartenden Druckimpulse nicht sehr groß sind.
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Das
Federelement 120 sollte dabei so gestaltet sein, dass der
Druckanstieg im Kammerraum 130 zu einer möglichst
gleichmäßigen nach außen gerichteten
Bewegung der Kammerinnenwände führt. Dies kann
z. B. durch die Gestaltung des Federelements als rotationssymmetrisches
Balgenfederelement geschehen. Die entsprechende Auslegung des Winkels
und der Radien des Verbindungselements 120 kann z. B. mit
modernen numerischen Rechenverfahren erfolgen. Durch diese Auslegung wird
gewährleistet, dass die Trägerstruktur sich nicht entgegengesetzt
zur Druckausbreitungsrichtung des Fluids in der Kammer bewegt. Dies
könnte statt einer Abminderung des Druckimpulses eine Druckerhöhung
zur Folge haben, insbesondere dann wenn das Federelement entsprechend
steif ausgelegt ist. Eine steife Auslegung kann notwendig werden,
wenn aufgrund anderer Erfordernisse eine unzulässig große Bewegung
der Trägerstruktur 110 vermieden werden soll.
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Ist
eine große Bewegung des Trägers 110 zulässig,
kann das Federelement 120 entsprechend weich gestaltet
werden und es kann auf eine spezielle Ausgestaltung als Federbalg
verzichten werden, was eine preisgünstigere Fertigung ermöglicht.
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Ein
Variante des ersten Ausführungsbeispiel ist in der 2 dargestellt.
Dabei wird die Überlastfähigkeit durch eine direkt
vor dem Sensor geschaltete Blende 200 mit einem Loch 210 verbessert.
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Eine
vereinfachte Befüllung des Sensors mit dem Fluid wird durch
eine oder mehrere zusätzliche Bohrungen 230 in
der Membran 240 erreicht. Die zusätzlichen Bohrungen 230 gewährleisten
auch eine einwandfreie Erfassung des statischen Druckes, wenn der Überlastimpuls
die Membran 240 oder die Stege 145 plastisch verformt
hat, so das der Spalt 245 durch den Überlastimpuls
verschlossen oder verkleinert wird.
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Zur
Realisierung eines Differenzdrucksensors ist beispielhaft eine Bohrung 220 im
Bereich des Sensorelements 100 vorgesehen, welche eine
Differenzdruckmessung zum Umgebungsdruck ermöglicht.
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Eine
dritte Ausführungsform mit einem gegenüber der
ersten Ausführungsform geändertem Aufbau zeigt 3.
Der Sensor ist dabei wieder rotationssymmetrisch darstellbar, wobei
diese Symmetrie nicht zwangsläufig notwendig ist. Wie bereits
im ersten und zweiten Ausführungsbeispiel ist der Sensor an
die Wand 170 eines flüssigkeitsgefüllten
Raums angebracht, wobei die dritte Ausführungsform wenigstens
teilweise in den Raum hineinragen kann, jedoch nicht zwangsläufig
muss.
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Bei
dieser Ausführungsform wird der Druck dem eigentlichen
Sensorelement 100 über ein Röhrchen 320 zugeführt.
Dieses Röhrchen 320 ist mit einen oder mehreren
Durchbrüchen 330 versehen. Um dieses Röhrchen
wird ein flexibler Schlauch/Membran 300 gelegt. Dieser
Schlauch 300 kann im Bereich 310 so geformt sein,
dass es ein Ventil darstellt, welches sich bei einem Überdruckimpuls
schließt.
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Die
Funktionsweise ist ähnlich wie zuvor:
Ein dynamischer
Druckimpuls bewirkt eine Vergrößerung des Kammervolumens 350 und
damit eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit
im Bereich 310, wodurch sich das Ventil schließt
bzw. den Durchfluss mindert oder den Strömungswiderstand
erhöht, wodurch das Sensorelement 100 gegen Überdrücke
geschützt ist. Als Ventilform im Bereich 310 kann
dabei jede technisch bekannte Ventilausführung eingesetzt werden.
Der Schlauch/Membran 300 verhindert dabei zum einen das
Auslaufen des Fluids in die Umgebung, zum anderen wird im Bereich
der Durchbrüche 330 eine erhebliche Vergrößerung
des Volumens 350 zugelassen, wodurch der Druckimpuls nicht
auf das Sensorelement 100 wirken kann. Die Stellen an denen
der Schlauch das Fluid am Ausströmen hindern soll sind
mit 340 gekennzeichnet. Das Abdichten an diesen Stellen
kann z. B. durch Klemmen, Verpressen, Schweißen, Kleben,
Verschrauben, Aufschrumpfen oder ähnliches geschehen.
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Vor
dem Sensorelement 100 kann eine Loch 360 für
den zusätzlichen Schutz des Sensorelement ausgeführt
werden. Zusätzlich kann das Röhrchen 320 eine
Verengung 335, vorzugsweise im Bereich der Durchbrüche
aufweisen.
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Auch
für das dritte Ausführungsbeispiel kann eine Ausfertigung
zur Erfassung eines Differenzdrucks vorgesehen sein. Dabei wird über
das Sensorelement 100 eine Kappe 370 gestülpt,
durch die über ein Loch 380 der Referenzdruck
zugeführt werden kann.
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Ein
viertes Ausführungsbeispiel, wie es in 4 dargestellt
ist, kann bei geringeren Anforderungen an die Druckimpulsfestigkeit
verwendet werden. Dabei wird auf den Bereich 310 verzichtet,
der Schlauch 305 gekürzt und das Röhrchen 325 entsprechend
verlängert (siehe Bereich 315). Der verlängerte
Bereich 315 kann zusätzlich Krümmungen oder
Verengungen zur weiteren Widerstandserhöhung aufweisen
(nicht dargestellt).
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In
der 5 ist ein fünftes Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Sensors ausgeführt, der
ebenfalls bei Bedarf rotationssymmetrisch ausgeführt sein
kann.
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Wie
bei den beiden Ausführungsbeispielen vorher wird auch hier
der Fluiddruck dem eigentlichen Sensorelement 100 über
ein Röhrchen 420 zugeführt. Durchbrüche 435 und
der flexibler Schlauch/Membran 400 sind wie in 3 angeordnet.
Um den Schlauch 400 sind jetzt aber Kammerwände 460 ausgebildet,
welche den luft- oder gasgefüllten Kammerinnenraum 470 gegen
das den Sensor umgebende Fluid abdichtet. Damit kann der Schlauch/Membran 400 sich
bei einem Druckanstieg oder -impuls in den Kammerinnenraum 470 hinein ausdehnen.
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Zusätzlich
ist in 5 eine weitere Ausführungsform des Ventilbereiches
gezeigt. Sie ist dem Ventilprinzip in 1a ähnlich.
In 5 wird die flexible Membran 410 zusätzlich
durch ein versteifendes Teil 430 stabilisiert, wodurch
das Sensorelement noch besser gegen dynamische Überdrücke
geschützt ist. Der statische Druck kann dann durch die Öffnungen 440 auf
das Sensorelement wirken.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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