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Die Erfindung betrifft einen Drucksensor aufweisend ein eine Gehäusehöhlung mit einem Druckanschluss aufweisendes Gehäuse, eine in der Gehäusehöhlung angeordnete Messzelle mit einer, sich bei einer Druckänderung verformenden keramischen Messmembran und ein die Verformung in elektrische Signale umwandelndes Detektionsmittel, sowie ein Druckstück, das über einen Ring die Messezelle gegen einen Dichtring presst, mit dem die zum Druckanschluss weisende Seite der Messmembran gegenüber ihrer Rückseite abgedichtet wird.
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Ein derartiger Drucksensor wird in der
EP 1 540293 B1 beschrieben. Der Drucksensor umfasst eine Messzelle, die eine Messmembran besitzt, wobei die Messmembran unmittelbar an einem Dichtring anliegt und rückwärtig von einem Grundkörper beaufschlagt wird. Zwischen Grundkörper und Messmembran befindet sich ein schmaler Spalt. Die Messmembran trägt eine Metallisierung. Der Grundkörper trägt auch eine Metallisierung, sodass beide Metallisierungen die Elektroden eines Kondensators ausbilden und das Detektionsmittel kapazitiv arbeitet. Rückwärtig des Grundkörpers befindet sich ein Ring, der von einem Druckstück beaufschlagt wird. Mit diesen Maßnahmen soll ein sogenannter Spannenfehler minimiert werden, der zufolge temperaturabhängiger Einspannkräfte auftreten kann.
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Es sind ferner Drucksensoren bekannt, die mit Messwiderständen als Detektionsmittel arbeiten. Die Messwiderstände ändern ihren Widerstand, wenn sie gestaucht oder gestreckt werden. Aus der
EP 0 469 336 A1 ist eine kreisförmige Membran mit Rand bekannt. Der Rand ist mit einem Verstärkungsring verbunden. Derartige Drucksensoren besitzen einen temperaturabhängigen Offset-Wert. Temperaturänderungen führen aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien zu mechanischen Spannungen und in der Folge zu Verformungen der Membran, die von der Widerstandsmessbrücke registriert werden. Das Messsignal hängt somit von einer Temperatur ab. Beaufschlagt ein beispielsweise als Spannhülse ausgebildetes Druckstück unmittelbar die Messzelle, so stellt sich zwischen der in der Regel aus Metall bestehenden Spannhülse und der in der Regel aus einem keramischen Material bestehenden Messzelle eine Haftreibungskraft ein. Überschreiten die durch thermische Ausdehnung der Bauteile erzeugten Kräfte die Haftreibung, führt dies zu irreversiblen Bewegungsvorgängen. Bei einem rotationssymmetrischen Aufbau des Drucksensors ist die Haftreibungskraft radial gerichtet. Ihr Vorzeichen hängt jedoch von der Temperaturvorgeschichte ab, was zu einer Offset-Hysterese führt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den gattungsgemäßen Drucksensor temperaturunabhängiger zu machen.
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Gelöst wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung.
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Zunächst und im Wesentlichen ist vorgesehen, dass die Messmembran vom Boden einer topfförmigen Vertiefung in einer Frontseite eines die Messzelle bildenden monolithischen Festkörpers ausgebildet ist, dessen frontseitiger Topfrand am Dichtring anliegt. Des Weiteren ist vorgesehen, dass der vom Druckstück beaufschlagte Ring dem Rand der Rückseite der Messzelle zugeordnet ist und die vom Druckanschluss weg weisende Seite in der Messmembran unmittelbar umgibt. Die Rückseite des die Messzelle bildenden monolithischen Festkörpers bildet zumindest randseitig eine glatte und harte Oberfläche. Der dort aufliegende Ring besitzt ebenfalls eine glatte und harte Oberfläche. Als Folge dieser Materialpaarung sind die Haftreibungskräfte zwischen Ring und Messzelle minimiert. Bevorzugt wird der Ring aus einem keramischen Material gefertigt. Auch die Messzelle kann aus einem keramischen Material gefertigt sein. Besonders bevorzugt sind Messzelle und Ring aus dem selben Material gefertigt. Dialuminiumtrioxid ist ein geeignetes Material. In einer Variante der Erfindung kann der Ring aber auch fest mit der Rückseite des Festkörpers verbunden sein. Beispielsweise kann der Ring von einem auf der Rückseite des Festkörpers in Dickschichttechnik aufgebrachten Ring, bspw. einem Glasring ausgebildet sein. In der ersten Variante der Erfindung ist die Haftreibungskraft zwischen Messzelle und Ring durch die Verwendung reibungsmindernder Materialien gegenüber dem Stand der Technik minimiert. Bei der zweiten Variante ist die Haftreibungskraft maximiert, diejenige zwischen Glasring und Druckstück aufgrund der glatten Oberfläche des Rings jedoch klein. Durch beide Maßnahmen wird die temperaturabhängige Offset-Hysterese erheblich vermindert. Bei der ersten Variante wird ein mechanisch steifer Ring bevorzugt aus dem selben Material, aus dem auch die Messzelle gefertigt ist, verwendet und dieser unmittelbar zwischen Messzelle und Spannhülse gelegt. Dadurch werden Kräfte aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnung zwischen Messzelle und Ring reduziert bzw. vermieden. An der Berührungsfläche des Rings mit der Spannhülse treten diese zwar weiterhin auf, aufgrund der mechanischen Steife des Rings resultiert daraus jedoch nur eine minimale elastische Verformung. Die Hart/Hart-Paarung von Ring/Messzelle zeichnet sich durch eine entsprechend geringe Haftreibung aus, sodass die ohnehin kleine Dehnung bzw. Stauchung des Rings bei Temperaturänderung nahezu keine Verformung der Messzelle zur Folge hat. Auf diese Weise werden die Störgrößen die anderenfalls zu irreversiblen Anteilen am Messsignal führen würden, auf einfache und sehr effektive Weise minimiert. Bei der zweiten Variante kann der Ring auch materialeinheitlich mit dem Festkörper verbunden sein. Der Ring kann auch Teil des monolithischen Festkörpers sein. Bei dieser Variante sind temperaturabhängige Verformungen größtenteils reversibel, da irreversible Reibungsbewegungen nur im Bereich zwischen Ring und Spannhülse auftreten, also an axial entfernter Stelle zur Messmembran. Der Ring kann dadurch unmittelbar von dem in ein Innengewinde des Gehäuses eingeschraubten Druckstück beaufschlagt werden. Es ist auch möglich, kapazitive Detektionsmittel zu verwenden. Hierzu kann vorzugsweise die vom Druckanschluss weg weisende Oberfläche der Messzelle metallisiert sein und dadurch eine Kondensatorplatte bilden, der eine weitere Kondensatorplatte gegenüber liegt, die von einem beispielsweise scheibenförmigen Träger ausgebildet ist, der sich auf dem Ring abstützt und beispielsweise zwischen Ring und Spannhülse eingespannt ist. Der Innendurchmesser des Rings ist größer als der Innendurchmesser der Ringwandung, die die frontseitige Vertiefung der Messezelle umgibt. Der Außendurchmesser des Rings entspricht bevorzugt dem Außendurchmesser der Messzelle. Ferner ist vorgesehen, dass die axiale Länge des Rings geringer ist, als die axiale Länge der Messzelle bzw. der Ringwandung. Bevorzugt ist die axiale Länge des Rings kleiner als 20% der axialen Länge der Ringwandung.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand beigefügter Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1: einen Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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2: einen Schnitt gemäß der Linie II-II in 1,
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3: einen Schnitt gemäß der Linie III-III in 1,
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4: eine Darstellung gemäß 1 eines zweiten Ausführungsbeispiels,
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5: eine Darstellung gemäß 1 eines dritten Ausführungsbeispiels,
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6: eine Darstellung gemäß 3 mit einer alternativen Anordnung der Messwiderstände 16.
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Die Ausführungsbeispiele besitzen ein beispielsweise aus Metall gefertigtes Gehäuse 1 eines Druckaufnehmers. Das Gehäuse 1 besitzt eine Gehäusehöhlung 2, die eine kreiszylindrische Gestalt besitzt. Die Wand der Gehäusehöhlung 2 ist mit einem Innengewinde 13 versehen, in das ein Druckstück 11 in Form einer Spannhülse eingeschraubt ist.
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Der Boden 2' der Gehäusehöhlung 2 ist eben und besitzt in seiner Mitte einen Druckanschluss 3. Es handelt sich hier um die Mündung einer Öffnung, beispielsweise eines Rohrs, das mit einem Behälter, einer Rohrleitung oder dergleichen verbunden ist, dessen Innendruck gemessen werden soll. Der Druckanschluss 3 ist von einer Ringnut 14 umgeben, die sich im Boden 2' der Gehäusehöhlung 2 befindet. In der Ringnut 14 liegt ein aus einem Elastomer gefertigter Dichtring 15 ein.
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Auf dem Dichtring 15 stützt sich der Rand 8' einer Messzelle 4 ab. Die Messzelle 4 besteht aus einem monolithischen AL2O3-Körper und hat im Wesentlichen eine rotationssymmetrische Gestalt. Die Frontseite 8 der Messzelle 4 besitzt eine zentrale, im Wesentlichen kreiszylindrische Vertiefung 6. Es handelt sich dabei um eine topfartige Vertiefung, die als Bohrung ausgebildet sein kann. Die topfförmige Vertiefung 6 wird von einer Ringwand 5 umgeben, die dickwandig ist und eine Randstirnfläche 8' ausbildet, mit der sich die Messzelle 4 auf dem Dichtring 15 abstützt.
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Die Rückseite 9 der Messzelle 4 ist eben ausgebildet. Der Materialabschnitt der Messzelle 4 zwischen dem Boden 6' der Vertiefung 6 und der Rückseite 9 bildet die Messmembran 7 aus, die sich bei Änderung des Drucks im Druckanschluss 3 verformen kann. Hierzu dichtet der Dichtring 15 die zum Druckanschluss 3 weisende Seite der Messmembran 7 gegenüber der vom Druckanschluss 3 weg weisenden Seite der Messmembran 7 ab.
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Bei dem in den 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiel sind auf der Rückseite 9 der Messmembran 7 eine Vielzahl von Messwiderständen 16 angeordnet, die insbesondere in Brückenschaltung geschaltet sind. Es handelt sich dabei um Messwiderstände 16, die ihren elektrischen Widerstand bei Stauchung oder Dehnung ändern. Diese Messwiderstände 16 sind mit nicht dargestellten elektrischen Leitungen mit einer nicht dargestellten Auswerteschaltung verbunden, die auf der Basis der gemessenen elektrischen Widerstände der Messwiderstände 16 Druckwerte ermittelt. Die Anordnung der Messwiderstände 16 kann in der in 3 dargestellten Weise erfolgen. Bevorzugt werden die Messwiderstände 16 aber gemäß 6 angeordnet, wobei zwei Messwiderstände 16 unmittelbar am Rand der Messmembran 7 angeordnet sind und zwei weitere Messwiderstände 16 im Bereich des Zentrums.
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Die Rückseite 9 der Messzelle 4 ist glattwandig und besitzt eine harte Oberfläche. Insbesondere der Rand 9' der Rückseite ist glatt und hart. Auf dem Rand 9' lagert in berührender und gleitender Anlage ein aus dem selben Material, aus dem auch der monolithische Festkörper 4 gefertigt ist, ein Ring 10, dessen Außendurchmesser dem Außendurchmesser der Messzelle 4 entspricht, dessen Innendurchmesser jedoch größer ist als der Innendurchmesser der Vertiefung 6.
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Die axiale Länge des Rings 10 ist typischerweise geringer als 20% der axialen Länge der Ringwandung 5. Sie kann aber auch größer sein als die axiale Länge der Ringwandung 5.
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Das Druckstück 11 wird von einer Spannhülse ausgebildet, die mit einem Außengewinde in das Innengewinde 13 eingeschraubt ist und die an ihrem zum Boden 2' weisenden Ende eine Ringstufe 12 ausbildet, mit der der Ring 10 beaufschlagt wird. Mit der Spannhülse 11 wird über den Ring 10 und die Messzelle 4 eine Dichtkraft auf den zwischen Frontseite 8 und Boden 2' liegenden Dichtring 15 ausgeübt, sodass dieser sich verformt und dichtend an der Frontseite 8 der Messzelle 4 anliegt.
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Da die mit dem Rand 9' in gleitendem Kontakt befindliche Oberfläche des Rings 10 ebenfalls glatt und hart ausgebildet sind, sind die Haftreibungskräfte zwischen Ring 10 und Messzelle 4 minimiert. Zwischen Ring 10 und Spannhülse 11 können gleichwohl große Haftreibungskräfte bestehen. Dies hat bei einer thermischen Verformung trotz Materialgleichheit zwischen Ring 10 und Messzelle 4 eine unterschiedliche Ausdehnung von Ring 10 und Messzelle 4 zur Folge. Da der Ring 10 aber gleitend auf der Rückseite 9 aufliegt, kann sich die Messzelle 4 gegenüber dem Ring 10 bei einer Temperaturänderung bewegen. Bei einer Temperaturänderung in anderer Richtung erfolgt eine entsprechende Rückbewegung. Die Hysterese ist wegen der Minimierung der Haftreibungskraft ebenfalls minimiert.
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Bei dem in der 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Ring 10 materialeinheitlich mit dem Rand 9' der Rückseite 9 verbunden. Er kann insbesondere in Dickschichttechnik auf den Rand der Rückseite des Festkörpers aufgebracht sein und aus Glas oder einem anderen geeigneten Material, beispielsweise einer Keramik bestehen. Es ist aber auch vorgesehen, dass der Ring 10 vom monolithischen Festkörper, der auch die Messzelle 4 ausbildet, gebildet ist. Die rückwärtige Vertiefung 17, deren Boden 17' die Rückseite 9 der Messmembran 7 bildet, kann bei diesem Ausführungsbeispiel ebenso wie die Vertiefung 6 gebohrt werden, oder bereits bei der Formung durch einen Formkern entstehen.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel kann der Ring 10 eine etwas größere axiale Länge aufweisen, sodass Spannungen, die in der im Anlagebereich, in dem der Ring 10 an der Spannhülse 11 anliegt, entstehen, nicht zur Membran 7 weitergeleitet werden. Auch hierdurch wird die Offset Hysterese minimiert.
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Das in der 5 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt eine Alternative der Detektionsmittel. Die Rückseite der Messmembran 7 ist metallisiert und bildet eine Kondensatorplatte 18 aus. Dieser liegt eine Kondensatorplatte 19 gegenüber, die von einer Breitseitenfläche eines kreisscheibenförmigen Trägers 20 ausgebildet ist. Der Träger kann sich auf dem Ring 10 abstützen. Er kann aus dem selben Material, aus dem auch der Ring gefertigt ist, bestehen und ebenfalls mit geringer Haftreibung auf dem Ring liegen. Es ist aber auch vorgesehen, dass der Träger 20 anderweitig, beispielsweise mit der Spannhülse 11 verbunden ist, oder dass sich der Träger 20 unmittelbar auf der Rückseite 9 der Messzelle 4 abstützt. Beispielsweise ist es denkbar, dass der Träger 20 die Form eines Topfes aufweist, dessen Boden die Kondensatorplatte 19 ausbildet und dessen Rand mit dem die Messzelle 7 umgebenden Bereich der Rückseite 9 fest verbunden ist. Eine derartige Verbindung kann beispielsweise in Dickschichttechnik durch Sintern oder dergleichen erzeugt werden. Der Träger 20 ist bevorzugt aus dem selben Material gefertigt wie die Messzelle 4.
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Alle offenbarten Merkmale sind (für sich) erfindungswesentlich. In die Offenbarung der Anmeldung wird hiermit auch der Offenbarungsinhalt der zugehörigen/beigefügten Prioritätsunterlagen (Abschrift der Voranmeldung) vollinhaltlich mit einbezogen, auch zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender Anmeldung mit aufzunehmen. Die Unteransprüche charakterisieren in ihrer fakultativ nebengeordneten Fassung eigenständige erfinderische Weiterbildung des Standes der Technik, insbesondere um auf Basis dieser Ansprüche Teilanmeldungen vorzunehmen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gehäuse
- 2
- Gehäusehöhlung 2' Boden
- 3
- Druckanschluss
- 4
- Messzelle
- 5
- Ringwand
- 6
- Vertiefung 6' Boden
- 7
- Messmembran
- 8
- Frontseite
- 9
- Rückseite 9' Rand
- 10
- Ring
- 11
- Spannhülse, Druckstück
- 12
- Ringstufe
- 13
- Innengewinde
- 14
- Ringnut
- 15
- Dichtring
- 16
- Messwiderstand
- 17
- Rückwärtige Vertiefung 17' Boden
- 18
- Kondensatorplatte
- 19
- Kondensatorplatte
- 20
- Träger
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1540293 B1 [0002]
- EP 0469336 A1 [0003]
