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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Druckwandler gemäß dem
Oberbegriff von Anspruch 1.
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Druckwandler
werden für verschiedene Anwendungen in der Technik eingesetzt,
beispielsweise zur Druckmessung von Gastanks in Kraftfahrzeugen oder
von Drucklufttanks für Druckluftkompressoren. Dabei sind
Druckwandler mit einer Rohrfeder, d. h. einem Bourdonrohr in der
Herstellung meist preiswerter als Druckwandler mit einem elektronischen
Drucksensor. Des Weiteren sind Druckwandler mit und ohne optische
Anzeigeeinrichtung bekannt. Druckwandler mit Rohrfedersystem haben
in der Regel eine Anzeigeeinrichtung, z. B. ein Zeiger, ein Zeigerwerk
und ein Ziffernblatt oder einen Schreiber.
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In
der
US 5 121 637 ist
ein Druckwandler mit einem Bourdonrohr als Drucksensor gezeigt.
Ein Ende des Bourdonrohrs steht in Wirkverbindung mit einem Zeigerwerk.
Das Zeigerwerk betätigt einen Zeiger, so dass mittels des
Zeigers und einem Ziffernblatt der Druck angezeigt werden kann.
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Die
DE 36 10 946 A1 zeigt
einen Druckwandler mit einem Drucksensor, bei dem ein Ende eines Bourdonrohrs
an einer Grundplatte befestigt ist und mit einem Druckanschlussloch
in Verbindung steht. Ein freies Ende des Bourdonrohrs ist mit einem
Befestigungsflansch verbunden, der ein Bauteil mit zwei Behältern
mit Gewindelöchern trägt. Die Gewindelöcher
nehmen Permanentmagneten auf. In Verlängerung der Permanentmagneten
sind Halleffekt-Elemente angeordnet, die beispielsweise auf einer
gedruckten Schaltung angeordnet sind. Das freie Ende des Bourdonrohrs
bewegt sich bei einer Druckänderung in dem Bourdonrohr,
so dass sich die Abstände zwischen den Permanentmagneten
und den Halleffekt-Elementen ändern. Die Halleffekt-Elemente
sind in einem großen Abstand zu einer Wickelachse des Bourdonrohrs
angeordnet, so dass der Drucksensor große Abmessungen aufweist.
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Aus
der
EP 1 850 096 A1 ist
ein weiterer Druckwandler mit einem Drucksensor bekannt. Eine Rohrfeder
als Teil eines mechanischen Druckmesssystems bewegt einen Zeiger
zur optischen Anzeige des Druckes. An dem Zeiger ist ein Permanentmagnet
angeordnet, dessen Drehwinkel mit einem als Hallsensor eingerichteten
Drehwinkelsensor erfasst wird. Der Drehwinkel des Zeigers einer
analogen Anzeige wird berührungslos erfasst und in ein
proportionales elektrisches Ausgangssignal umgewandelt.
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Anders
als es mit den vorhergehend beschriebenen Druckwandlern erzielt
werden kann, besteht bei vielen Anwendungen auf dem Gebiet der Druckmessung
ein Bedarf an Druckwandlern, die nicht mit einer optischen Anzeigeeinrichtung
versehen sind und einen kleinen, kompakten Aufbau aufweisen. Hierbei
kann es von Vorteil sein, den erfassten Druck ausschließlich
mittels eines elektrischen Messsignals auszugeben.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, einen
Druckwandler zur Verfügung zu stellen, der einen kompakten
Aufbau aufweist, in der Herstellung preiswert ist und eine einfache
und zuverlässige Handhabung ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird mit einem Druckwandler mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst. Genauer gesagt hat ein erfindungsgemäßer
Druckwandler ein Gehäuse, eine in dem Gehäuse
angeordneten Rohrfeder, deren eines Ende an dem Gehäuse
festgelegt ist, einen magnetischen Drehgeber, der an dem anderen
Ende der Rohrfeder drehfest angebracht ist, sowie einen Drehaufnehmer,
der in dem Gehäuse dem Drehgeber gegenüberliegend
angebracht ist und eine sich durch den drehenden Anteil der druckbedingten
Verformung der Rohrfeder ändernde Drehlage des Drehgebers
anhand der Ausrichtung des Magnetfelds des Drehgebers erfasst.
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Das
bedeutet, dass der Drehaufnehmer über den an der Rohrfeder
angebrachten Drehgeber nur eine Drehung der sich durch eine Druckänderung verformenden
Rohrfeder erfasst, da sich der Drehaufnehmer in einem vorbestimmten
Abstand zum Drehgeber befindet und damit mit diesem nicht in direkter
Verbindung steht. Der Drehaufnehmer gibt anschließend die
erfasste Drehung in einem der Druckänderung entsprechendes
Messsignal aus. Eine bei der Aufdehnung der Rohrfeder auftretende geringe
translatorische Bewegung des Drehgebers wird durch diese spezielle
Anordnung von Drehgeber und Drehaufnehmer vorteilhafterweise nicht
erfasst.
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Bei
dem oben genannten Aufbau kann der Drehgeber an dem geschlossenen
Ende der Rohrfeder vorgesehen sein, wobei der Drehaufnehmer vorzugsweise
ein Hall-Sensor ist, der in der Lage ist, eine durch die Drehung
des Drehgebers verursachte Änderung der magnetischen Flussdichte
des Drehgebers zu erfassen. Alternativ kann der Drehaufnehmer ein
induktiver Sensor, ein Wirbelstromsensor oder ein AMR-Sensor sein.
Der Drehaufnehmer weist darüber hinaus vorzugsweise eine
integrierte Schaltung auf, die die erfasste Drehung des Drehgebers
in ein Messsignal ausgibt. Dieses vom Drehaufnehmer ausgegebene
Signal ist weiter vorzugsweise ein elektrisches Signal. Sofern der
erfasste Druck ausschließlich mittels eines elektrischen
Messsignals ausgegeben wird, weist der Druckwandler beispielsweise
keine digitale oder analoge Anzeigeeinrichtung Druck oder keinen
Schreiber auf. Weiterhin denkbar ist, dass das Messsignal mittels
wenigstens einer elektrischen Leitung aus dem Druckwandler geleitet wird,
wobei das Gehäuse als Masseanschluss verwendet werden kann.
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Alternativ
dazu ist es zudem denkbar, dass Messsignal als Funksignal durch
eine entsprechende Funkvorrichtung bereitzustellen, die mit dem
Drehaufnehmer und dessen integrierter Schaltung verbunden ist. Dadurch
kann eine kontaktfreie Messsignalübertragung realisiert
werden. Darüber hinaus wird das Messsignal vorzugsweise
mittels einer Pulsweitenmodulation als analoge Spannung oder mittels einer
Spannungs-/Stromwandlung als 4 bis 20 mA-Signal zur Verfügung
gestellt.
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Bei
dem vorhergehend beschriebenen Druckwandler kann der Drehaufnehmer
vollständig oder nur teilweise innerhalb eines gedachten
Zylinders angeordnet sein, dessen Längsachse mit der Drehachse
der Rohrfeder zusammenfällt, wobei der Radius des Zylinders
weniger als der doppelte maximale Abstand zwischen der Drehachse
der Rohrfeder und einem äußeren Rand der Rohrfeder
ist. Die Drehachse der Rohrfeder ist dabei vorzugsweise die Wickelachse
der Rohrfeder, wenn die Rohrfeder schraubenförmig oder
als eine in einer Ebene angeordnete Spirale ausgebildet ist. Es
ist darüber hinaus denkbar, dass die Drehachse der Rohrfeder
nicht, wie bisher angenommen, mit der Gehäuselängsachse übereinstimmt,
sondern in einem beliebigen Winkel zu der Gehäuselängsachse
ausgerichtet ist. Eine Abweichung zu der Gehäuselängsachse
sollte in diesem Fall weniger als 30° betragen.
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Als
Alternative zu den vorhergehend genannten Rohrfederformen ist es
auch denkbar, eine gekrümmte Rohrfeder mit einer Wicklung
von weniger als 360°, z. B. eine C-förmige Rohrfeder
zu verwenden, bei der die Drehachse der Rohrfeder eine Achse ist,
die durch den Schwerpunkt der Rohrfeder geht.
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In
einer weiteren denkbaren Ausgestaltung ist der Drehaufnehmer vollständig
innerhalb des vorhergehend erwähnten gedachten Zylinders
angeordnet. Die Rohrfeder kann ebenfalls innerhalb des gedachten
Zylinders angeordnet sein. Das Volumen des gedachten Zylinders beträgt
vorzugsweise maximal 1,5 cm3.
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Durch
einen derartigen, oben beschriebenen Aufbau kann ein Druckwandler
erzielt werden, der eine äußerst kompakte Bauweise
aufweist. Erwünschte Raumersparnisse beim Einsatz von Druckwandlern
können daher auf diese Weise erreicht werden.
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Das
Gehäuse hat außerdem einen Druckanschluss zum
Anschließen des Druckwandlers an einen zu messenden Prozess,
wobei die Rohrfeder vorzugsweise in dem Druckanschluss druckdicht
angebracht ist. Die Rohrfeder kann dabei z. B. in dem Druckanschluss
festgelötet, eingeschweißt oder eingeklebt sein.
Vorzugsweise sind der Druckanschluss, die Rohrfeder und der Drehaufnehmer
in dem Gehäuse in einer Reihe entlang der Gehäuselängsachse
angeordnet, um eine erwünschte kompakte Bauweise zu ermöglichen.
Die maximale Ausdehnung des Gehäuses in axialer Richtung
des Gehäuses ist dabei vorzugsweise größer
oder gleich wie in radialer Richtung des Gehäuses.
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Um
unerwünschte druckänderungsbedingte Schwingungen
der Rohrfeder zu vermeiden bzw. zu dämpfen, kann ein Fluid
in dem Gehäuse vorgesehen sein. Das Fluid ist vorzugsweise Öl,
kann aber auch ein anderes inkompressibles Fluid sein.
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Vorzugsweise
hat das Gehäuse an dessen Außenseite einen Werkzeugangriff,
der eine Vierkant- oder eine Sechskant-Form haben kann, um eine
Handhabung des Druckwandlers mittels eines entsprechenden Werkzeugs
zu ermöglichen.
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Der
Druckwandler kann darüber hinaus zusätzlich eine
analoge Anzeigeeinheit aufweisen, die an dem Gehäuse vorgesehen
ist, so dass ein zu messender Druck auch stromlos analog ablesbar
ist. Die Anzeigeeinheit besteht dabei vorzugsweise aus einem Zeiger,
der an der Rohrfeder vorgesehen ist, einem Fenster und einer Skala,
die an dem Gehäuse vorgesehen ist.
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Der
Drehgeber des Druckwandlers ist vorzugsweise ein Permanentmagnet,
wobei es aber auch denkbar ist, dass der Drehgeber jede andere Art
von Element ist, dass ein Magnetfeld erzeugt.
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Vorzugsweise
ist das Gehäuse mit einem Stopfen oder einem Vergussmaterial
fluiddicht verschlossen, so dass keine schädigenden Stoffe
in das Gehäuse eindringen können. Das Gehäuse
ist des Weiteren vorzugsweise einstückig und aus Metall ausgeführt,
insbesondere aus Messing oder einer Messinglegierung.
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Im
nachfolgenden Teil ist ein erfindungsgemäßer Druckwandler
unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher
beschrieben. Es zeigt:
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1 einen
Längsschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels
eines Druckwandlers gemäß der Erfindung;
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2 einen
Querschnitt entlang einer Linie A-A des in 1 gezeigten
Druckwandlers;
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3 eine
Explosionsdarstellung des ersten Ausführungsbeispiels des
Druckwandlers gemäß der Erfindung; und
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4 eine
Explosionsdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels
eines Druckwandlers gemäß der Erfindung.
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In 1 ist
ein Längsschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels
eines Druckwandlers 1 dargestellt, der beispielsweise zur
Druckmessung von Drucklufttanks bei Druckluftkompressoren dient.
Der Druckwandler 1 hat ein einstückiges Gehäuse 2,
das aus Messing besteht und das symmetrisch zu einer Gehäuselängsachse
ausgebildet ist. Das Gehäuse 2 weist eine durchgehende,
abgestufte Aussparung 23 auf.
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In
der Aussparung 23 ist eine Rohrfeder 3 angeordnet,
die sich schraubenförmig um ihre Wickelachse 3a windet.
In dem ersten Ausführungsbeispiel ist die Wickelachse 3a die
Drehachse 3a der Rohrfeder. In einer nicht dargestellten Alternativausführung
kann die Rohrfeder 3 auch als eine in einer Ebene angeordnet
Spiralförmige Rohrfeder ausgebildet sein. Ein offenes Ende 31 der
Rohrfeder 3 ist in einem Druckanschluss 22 des
Gehäuses 2 druckdicht angebracht. Das andere,
geschlossene Ende 32 der Rohrfeder 3 ist mit einer
Drehscheibe 4 verbunden, an der ein als Permanentmagnet
ausgebildeter Drehgeber 5 angeordnet ist. Die Drehscheibe 4 ist
direkt mit dem geschlossenen Ende 32 der Rohrfeder 3 verbunden.
Ein unterer Abschnitt des Gehäuses 2 ist mit einem
Außengewinde 21 versehen, so dass das Gehäuse 2 beispielsweise
in eine Gewindebohrung eines Drucklufttanks (nicht dargestellt)
eingeschraubt werden kann. Dadurch kann die Druckluft durch den
Druckanschluss 22 in den Innenraum der Rohrfeder 3 einströmen.
Eine Druckänderung in dem Innenraum der Rohrfeder 3 bewirkt
eine Rotationsbewegung der Rohrfeder 3 und damit der Drehscheibe 4,
so dass sich die Stellung des Permanentmagneten 5 bezüglich
eines Hall-Sensors 61 als Teil eines Drehaufnehmers verändert.
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Im
Bereich des oberen Endes des Gehäuses ist in der Aussparung 23 eine
Leiterplatte 6 angeordnet, an der eine integrierte Schaltung
aufgebracht ist und an der der Hall-Sensor 61 angeschlossen
ist, die zusammen als der Drehaufnehmer wirken. Der Hall-Sensor 61 erfasst
eine Stellung des Permanentmagneten 5. Mit Hilfe der integrierten
Schaltung wird die von dem Hall-Sensor 61 erfasste Stellung
des Permanentmagneten 5 in ein elektrisches Messsignal
umgewandelt, das von Signalleitungen an Anschlüsse weitergeleitet
wird. Das obere Ende des Gehäuses 2 ist durch
einen scheibenförmigen Stopfen 7 fluiddicht verschlossen.
Wie es in 2 bis 4 zu sehen
ist, wird der Stopfen 7 von drei Anschlüssen 62 durchdrungen,
die beispielsweise als eine elektrische Steckverbindung für
die Signalleitungen und/oder als ein Einstellorgan für
ein Nullsignal dienen.
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Eine
Druckänderung wird somit von der Rohrfeder 3 in
eine Drehbewegung der Drehscheibe 4 umgewandelt. Das kann
unter anderem bedeuten, dass einem bestimmten Druck eine bestimmte
Stellung der Drehscheibe 4 zugeordnet ist. Die Stellung des
Magneten 5 wird von dem Drehaufnehmer 6 berührungslos
erfasst und in ein proportionales elektrisches Messsignal umgewandelt.
Beispielsweise entspricht ein elektrischer Strom von 4 mA einem
Druck von 0 bar und ein elektrischer Strom von 20 mA entspricht
einem Druck von 10 bar, wobei dazwischen liegende Druckwerte linear
interpoliert werden. Der Druckwandler kann somit Druckwerte zwischen
0 und 10 bar messen und diese als Messsignal elektrisch bereitstellen.
Wenn elektrische Messsignale weniger als 4 mA oder mehr als 20 mA
betragen, liegt ein Fehler an dem Druckwandler 1 vor, der
von einer externen Verarbeitungseinheit erkannt und angezeigt werden
kann.
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Der
Drehaufnehmer 61 ist in diesem Ausführungsbeispiel
vollständig innerhalb eines gedachten Zylinders 8 (in 1 durch
Strichlinien dargestellt) angeordnet, dessen Längsachse
der Gehäuselängsachse bzw. der Drehachse 3a der
Rohrfeder 3 entspricht und dessen Radius dem maximalen
Abstand von einem äußeren Rand 33 der
Rohrfeder 3 zu der der Drehachse 3a der Rohrfeder 3 entspricht.
Der Radius beträgt in diesem Ausführungsbeispiel
ungefähr 4 mm. Ein Durchmesser D2 des gedachten Zylinders 8 entspricht
damit ungefähr 8 mm.
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Der
Druckwandler 1 bzw. das Gehäuse 2 kann
durch den vorhergehend beschriebenen Aufbau kompakt mit einer einfachen
geometrischen Anordnung mit geringen Außenabmessungen ausgebildet
werden, was die Herstellungskosten senkt. Ein oberer Abschnitt des
Gehäuses 2 ist außenseitig im Querschnitt
als Sechseck ausgebildet, wie es in 2 und 3 zu
sehen ist, so dass an diesem Abschnitt mittels eines Gabelschlüssels
mit der Schlüsselweite SW von z. B. 14 mm das Gehäuse 2 in
eine Rotationsbewegung um die Gehäuselängsachse
versetzt werden kann, um das Gehäuse 2 mit dem
Außengewinde 21 in ein Innengewinde, z. B. an
einem Drucklufttankanschluss, einzuschrauben. Die geringen Abmessungen
des Gehäuses 2 aus Messing führen in
vorteilhafter Weise dazu, dass für die Herstellung des
Gehäuses wenig Messing benötigt wird und auch
dadurch die Herstellungskosten gering gehalten werden können.
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4 zeigt
einen Druckwandler 1, bei dem zusätzlich an der
Drehscheibe 4 ein Zeiger 41 angebracht ist, welcher
durch ein Fenster 24 den an der Rohrfeder 3 anliegenden
Druck zudem stromlos auf analoge Weise an einer an dem Gehäuse 2 vorgesehenen
Skala 25 anzeigt.
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Insgesamt
betrachtet sind mit dem Druckwandler 1 wesentliche Verbesserungen
möglich. Der Druckwandler 1 ist u. a. in der Herstellung
preiswert und weist aufgrund des kompakten Aufbaues geringe Außenabmessungen
auf, so dass dieser für viele Anwendungen gut eingesetzt
werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 5121637 [0003]
- - DE 3610946 A1 [0004]
- - EP 1850096 A1 [0005]