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Die
Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung nach
dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Bei
der Meßvorrichtung
kann es sich um einen Sensor, wie einen Drucksensor, einen Wegsensor,
einen Beschleunigungssensor o. dgl., handeln. Solche Meßvorrichtungen
dienen vor allem zur direkten Messung einer Meßgröße eines Fluids, beispielsweise
in wasserführenden
Teilen von Hausgeräten, wie
Waschmaschinen oder Spülmaschinen.
Insbesondere handelt es sich bei diesen Meßvorrichtungen um Sensoren
für Hausgeräte und sonstige
Geräte,
bei denen eine direkte Druckmessung des Fluides erforderlich oder
vorteilhaft ist und/oder die eine Unwuchterkennung der Waschtrommel
benötigen.
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Es
sind derartige Meßvorrichtungen
mit einem Gehäuse
und mit einer im und/oder am Gehäuse
angeordneten Membran bekannt. Ein Signalgeber steht mit der Membran
in Wirkverbindung. Mit dem Signalgeber wirkt ein Signalaufnehmer
zur Erzeugung des Meßsignals
zusammen. Bei diesen Sensoren, die zur direkten Messung von Drücken in
Fluiden dienen, kommt die Membran des Sensors direkt mit dem zu
messenden Medium in Kontakt. Dabei können sich die Eigenschaften
der Membran langfristig verändern,
was zur Verfälschung
des Meßsignals führt. Wie
bereits erwähnt,
dienen diese Sensoren zur direkten Messung von Drücken in
Fluiden, eine weitere Funktionalität ist für einen solchen Sensor jedenfalls
nicht vorgesehen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Meßvorrichtung derart auszugestalten,
daß sich Änderungen
in den Eigenschaften der Membran nicht auf das Meßsignal
auswirken. Bevorzugterweise soll die Meßvorrichtung derart ausgestaltet
werden, daß diese
eine weitere Funktionalität
aufweist, insbesondere zur Bestimmung einer weiteren Meßgröße geeignet
ist.
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Diese
Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Meßvorrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale
des Anspruchs 1 gelöst.
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Bei
der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung ist
auf die Membran eine Kraft ausübbar,
derart daß die
Membran positionsregelbar ist. Und zwar ist insbesondere die Membran
zum Ausgleich von einwirkenden Druck- und/oder Beschleunigungskräften auf deren
Ausgangslage beziehungsweise Nulllage positionsregelbar. Dadurch
werden Änderungen
in den Eigenschaften der Membran kompensiert, womit Verfälschungen
des Meßsignales
verhindert werden. Desweiteren ist dadurch ein Drucksensor auf Basis einer
Kraftkompensation mit der Möglichkeit
zur Beschleunigungserkennung geschaffen, womit der Sensor darüber hinaus
die Möglichkeit
beinhaltet, Beschleunigungen, wie sie bei Unwucht der Trommel einer
Waschmaschine entstehen, zu erkennen. Weitere Ausgestaltungen der
Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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In
einer einfachen und kostengünstigen
Ausgestaltung besteht der Signalgeber aus einem Magnet. Der Signalaufnehmer
besteht aus einem Positionssensor, bei dem es sich um einen Hallsensor
handeln kann. Zur Ausübung
der Kraft auf die Membran bietet sich ein Elektromagnet an. In einfacher
Art und Weise umfaßt
der Elektromagnet eine Spule, wobei die Spule den als Signalgeber
dienenden Magneten als Kern enthält.
Zweckmäßigerweise
ist der Magnet in einer Halterung angeordnet, wobei die Halterung an
der Membran anliegen und/oder an der Membran befestigt sein kann.
Es ist dann die Halterung mitsamt dem darin befindlichen Magneten
als Kern in der Spule des Elektromagneten befindlich, so daß über die
Halterung in robuster sowie funktionssicherer Art und Weise die
Kraft zur Rückstellung
der Membran in deren Ausgangslage ausübbar ist.
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Die
Positionsregelung läßt sich
in effizienter Weise durchführen,
indem das aus der Auslenkung der Membran vom Signalaufnehmer erzeugte
Auslenkungssignal einem Regler zugeführt wird, wobei der Regler
aus dem Auslenkungssignal ein Stellsignal für den Elektromagneten zur Rückstellung
der Membran in deren Ausgangs-beziehungsweise Nulllage erzeugt.
Das Stellsignal zur Positionsregelung der Membran korrespondiert
zur Meßgröße, insbesondere
also zu dem auf die Membran einwirkenden Druck des Fluids und/oder
zu der auf die Membran einwirkenden Beschleunigung, und kann damit
dann für
die Ermittlung und/oder die Berechnung der Meßgröße herangezogen werden. In
einfacher Art und Weise lassen sich somit aus dem Stellsignal zur
Positionsregelung der Membran als Meßgrößen der Druck des Fluids und/oder
die auf die Meßvorrichtung
einwirkenden Beschleunigungen ermitteln.
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Zur
Positionsregelung der Membran läßt sich als
Regler ein Mikrocontroller, ein Mikroprozessor o. dgl. in effizienter
Weise verwenden. Ebenso in effizienter Art kann dann zur Ermittlung
der Meßgrößen aus
dem Stellsignal, also insbesondere zur Ermittlung des Drucks und/oder
der Beschleunigung, der bereits vorhandene Mikrocontroller, Mikroprozessor o.
dgl. verwendet werden, was besonders kostengünstig ist.
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Für eine besonders
bevorzugte Ausgestaltung eines Druck- und/oder Beschleunigungssensors auf
Basis einer Kraftkompensation ist nachfolgendes festzustellen. Die
Membran des Sensors ist an mindestens einem Magneten befestigt.
Durch Bestromen einer Spule wird auf den Magneten und somit auf
die Membran eine Kraft ausgeübt. Über einen
Positionssensor wird die Position der Membran bestimmt. Die Membran
wird positionsgeregelt, wobei das Stellsignal auf die Regelstrecke
als Maß für den Druck
gilt. Über
einen Mikrocontroller wird der Sensor beim Druck Null kiloPascal
(0 kPa) justiert. Langfristige Änderungen
der Membransteifigkeit können
somit kompensiert werden. Zur Erkennung von Beschleunigungen wird
die große
Abhängigkeit
des Sensorsignals gegenüber
Vibration ausgenutzt. Eine Beschleunigung bewirkt eine zusätzliche
Kraft, die wie die Druckkraft ausgeglichen wird. Daher verändert sich das
Ausgangssignal, wenn der Sensor einer Beschleunigung ausgesetzt
wird.
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Die
mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß die
Meßvorrichtung beispielsweise
in einer Waschmaschine direkt im Bottich eingebaut werden kann.
Die Meßvorrichtung benötigt dann
keine Luftfalle zur Druckmessung von flüssigen Medien. Aufgrund des
Meßprinzips
sind Sensoren mit erheblich kleineren Membranen als bei bisherigen
Sensoren möglich.
Durch die Möglichkeit einer
Justierung vor jeder Messung können
langfristige Änderungen
in der Steifigkeit der Membran kompensiert werden. Dadurch werden
Verfälschungen der
Messung wirksam verhindert, womit die Zuverlässigkeit der Meßvorrichtung
gesteigert wird. Ein bisher separat eingebauter Unwuchtsensor bei
Waschmaschinen, kann desweiteren durch Verwendung des erfindungsgemäßen Prinzips
eingespart werden.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung mit verschiedenen Weiterbildungen und Ausgestaltungen
ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
Es zeigen
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1 einen
Schnitt durch einen Druck- und/oder Beschleunigungssensor,
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2 ein
die Betriebsweise des Druck- und/oder Beschleunigungssensors schematisch
darstellendes Blockdiagramm und
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3 ein
die Signalauswertung schematisch darstellendes Diagramm.
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In 1 ist
eine Meßvorrichtung 1 zur
Messung einer Meßgröße eines
Fluids gezeigt, bei der es sich um einen Druck- und/oder Beschleunigungssensor
handelt. Die Meßvorrichtung 1 besitzt
ein Gehäuse 2,
bestehend aus einem Gehäuseunterteil 3 und einem
Gehäuseoberteil 4.
Das Gehäuse 2 ist
mittels eines Dichtungsrings 5 im Bottich einer Waschmaschine eingebaut,
so daß der
Druck- und/oder Beschleunigungssensor 1 den Druck der Waschflüssigkeit
im Waschbottich messen kann. Da das Gehäuse 2 mit dem Waschbottich
in entsprechender Wirkverbindung steht, ist darüberhinaus der Druck- und/oder Beschleunigungssensor 1 zur
Bestimmung der auf den Waschbottich einwirkenden Beschleunigungskräfte geeignet.
Im und/oder am Gehäuse 2,
und zwar vorliegend am Übergang
vom ringförmigen
Gehäuseoberteil 4 zum
Gehäuseunterteil 3 ist
eine Membran 6 angeordnet. Ein Signalgeber 7 steht
mit der Membran 6 in Wirkverbindung. Mit dem Signalgeber 7 wirkt
ein Signalaufnehmer 8 zur Erzeugung eines zur Meßgröße korrespondierenden
Meßsignals, wie
nachfolgend noch näher
erläutert
ist, zusammen.
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Der
Signalgeber 7 umfaßt
einen Magnet 9, und zwar einen Dauermagneten. Der Magnet 9 ist wiederum
in einer Halterung 10 befindlich, die an der Membran 6 anliegt
und/oder an der Membran 6 befestigt ist. Der Signalaufnehmer 8 besteht
aus einem Positionssensor, der an der der Membran 6 gegenüberliegenden
Seite des Signalgebers 7 im Gehäuse 2 angeordnet ist.
Zur Zusammenwirkung mit dem Magneten 9 bietet sich insbesondere
ein Hallsensor als Positionssensor 8 an.
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Auf
die Membran 6 ist eine Kraft ausübbar, derart daß die Membran 6 zum
Ausgleich von einwirkenden Druck- und/oder Beschleunigungskräften positionsregelbar
auf deren Nullbeziehungsweise Ausgangslage ist. Die Kraft auf die
Membran 6 ist mittels eines Elektromagneten 11 ausübbar. Der
Elektromagnet 11 umfaßt
eine Spule 12. Die Spule 12 enthält den als
Signalgeber 7 dienenden Magneten 9 in der Halterung 10 als
Kern des Elektromagneten 11. Dadurch wird die Kraft zur
Rückstellung
der Membran 6 in deren Ausgangslage über die Halterung 10 ausgeübt.
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Zur
Positionsregelung der Membran 6 wird ein Mikrocontroller,
ein Mikroprozessor o. dgl. als Regler 13 verwendet. Wie
man anhand der 2 sieht, mißt der Positionssensor 8 die
durch den vom Fluid ausgeübten
Druck sowie die von den auf den Positionssensor 8 einwirkenden
Beschleunigungskräften
resultierende Auslenkung der Membran 6. Das dadurch vom
Positionssensor 8 aufgrund der einwirkenden Druck- und/oder
Beschleunigungskräfte
erzeugte Signal wird als Führungssignal
dem in der Art eines Reglers arbeitenden Mikrocontroller 13 zugeführt. Der
Mikrocontroller 13 steuert dann den Elektromagneten 11 mittels
eines Stellsignals 14 derart an, daß eine Kraft zur Rückstellung
der Membran 6 in deren Ausgangslage ausgeübt wird.
Das Stellsignal 14 zur Positionsregelung der Membran 6 korrespondiert
zum Druck des Fluids im Waschbottich und/oder zu den auf die Waschtrommel
bzw. den Waschbottich ausgeübten
Beschleuigungskräften, also
zur Meßgröße. Das
Stellsignal 14 wird vom Mikrocontroller 13, gegebenenfalls
entsprechend in einen Druckwert und/oder einen Beschleunigungswert umgerechnet,
als Sensorsignal an die Steuerung der Waschmaschine weitergeleitet,
wo der Druck- und/oder Beschleunigungswert dann dementsprechend
weiterverarbeitet werden kann.
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Wie
bereits erwähnt,
enthält
das in 3 beispielhaft dargestellte Stellsignal 14 zur
Positionsregelung der Membran 6 anteilsmäßig als
Meßgrößen den
Druck des Fluids sowie die auf die Membran 6 einwirkenden
Beschleunigungskräfte.
Mittels des Mikrocontrollers 13 werden nun aus dem Stellsignal 14 durch
entsprechende Filterung, beispielsweise eine Hochpaß- sowie
eine Tiefpaßfilterung
diese Anteile ermittelt. Das Stellsignal 14 wird dadurch
im Mikrocontroller 13 in ein Drucksignal 15 und
ein Beschleunigungssignal 16 aufgetrennt. Das Drucksignal 15 und
das Beschleunigungssignal 16 werden dann an die Steuerung
der Waschmaschine zur dementsprechenden Weiterverarbeitung übermittelt.
Anstelle des Mikrocontrollers 13 zur Auswertung des Stellsignals 14 läßt sich
auch eine analoge oder digitale Filterschaltung verwenden.
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Die
Erfindung ist nicht auf das beschriebene und dargestellte Ausführungsbeispiel
beschränkt. Sie
umfaßt
vielmehr auch alle fachmännischen
Weiterbildungen im Rahmen der durch die Patentansprüche definierten
Erfindung. So kann ein solcher Druck- und/oder Beschleunigungssensor 1 auch
an sonstigen Hausgeräten,
beispielsweise einer Geschirrspülmaschine,
Verwendung finden. Im übrigen
kann eine solche Meßvorrichtung 1 auch
als ein sonstiger Sensor, wie Wegsensor o. dgl., eingesetzt werden
und zwar nicht nur für
Hausgeräte
sondern auch in sonstigen Anwendungen, beispielsweise in der Labor-
sowie in der chemischen Verfahrenstechnik.
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- 1
- Meßvorrichtung/Druck-
und/oder Beschleunigungssensor
- 2
- Gehäuse
- 3
- Gehäuseunterteil
- 4
- Gehäuseoberteil
- 5
- Dichtungsring
- 6
- Membran
- 7
- Signalgeber
- 8
- Signalaufnehmer/Positionssensor
- 9
- Magnet
- 10
- Halterung
- 11
- Elektromagnet
- 12
- Spule
- 13
- Regler/Mikrocontroller
- 14
- Stellsignal
- 15
- Drucksignal
- 16
- Beschleunigungssignal