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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Drucksensors, insbesondere eines Drucksensors mit einem (piezo-)resistiven Druckmesswandler.
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Resistive Druckmesswandler umfassen gewöhnlich eine mit Druck beaufschlagbare Messmembran die mindestens zwei Widerstandselemente mit unterschiedlichen Abhängigkeiten von einer druckabhängigen Verformung der Messmembran aufweist. Meistens sind vier Widerstandselemente mit paarweise etwa gleicher Druckabhängigkeit vorgesehen, wobei die Widerstandselemente zu einer Vollbrücke geschaltet sind. Aus der beschriebenen Zahl und Druckabhängigkeit der Widerstandselemente folgt, dass die Messmembran bestenfalls eine zweizählige Rotationssymmetrie aufweist.
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Drucksensoren in der Prozessmesstechnik weisen beispielsweise ein hydraulisches Messwerk auf, welches ein metallisches Gehäuse umfasst, das in seinem Inneren eine Kammer aufweist, in welche ein Wandlerelement, das die Messmembran umfasst, eingesetzt ist. Das Wandlerelement ist hierbei häufig auf einem Träger gehalten, der eine Öffnung der Kammer druckdicht verschließt.
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Weiterhin wird, insbesondere in modularen Fertigungskonzepten erst nach der Fertigstellung von Sensormodulen, welche ein hydraulisches Messwerk mit eingeschweißtem Wandlerelement umfassen, ein Prozessanschluss an dem Sensormodul, insbesondere dem Gehäuse des Messwerks mittels einer umlaufenden Schweißnaht befestigt. Diese Schweißnaht wird sequentiell, die Fügepartner umlaufend gefertigt mit einer lokalen Aufschmelzung des zu verschweißenden Bereichs beim Umfahren der Fügepartner, wobei auch mehrere, um den Umfang verteilte Schweißquellen parallel eingesetzt werden können. Eine den Schweißvorgang charakterisierende Größe ist insbesondere die pro Zeit und Fläche eingebrachte und abgeführte Wärmemenge.
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Es ist bekannt, dass sequentielle Schweißverfahren durch die lokale und zeitlich gestaffelte Erzeugung und Erstarrung der Schmelze ein thermomechanisch spannungsfreies Fügen der Werkstücke unmöglich machen. Im gefügten Werkstück besteht daher nach der Abkühlung ein vom Schweißprozess abhängiger Spannungszustand, welcher im Extremfall vollständig asymmetrisch ist, jedenfalls aber einen gegenüber der Rotationssymmetrie eines im wesentlichen zumindest abschnittsweise zylindrischen Drehteils eine gebrochene Symmetrie mit einem asymmetrischen Zustand oder einen symmetrischen Zustand mit erheblich herabgesetzter Symmetrie aufweist. Dies manifestiert sich auch in einem dem Spannungszustand entsprechenden Schrumpf des gefügten Bauteils.
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Abhängig vom Grad der mechanischen Kopplung des Sensorelements an das Gehäuse erreichen die durch den Schweißprozess induzierten mechanischen Verspannungen in mehr oder weniger großer Stärke auch das gegenüber mechanischen Spannungen sensitive Wandlerelement und verursachen eine Verspannung desselben. Diese führt zu einer Veränderung des Sensorausgangssignals bzw. Sensorverhaltens, was als Schweißrückwirkung bezeichnet wird.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Schweißrückwirkungen beherrschbarer zu machen bzw. diese zu minimieren.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das Verfahren gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1.
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Der Lösungsansatz der Erfindung beruht auf der Überlegung, dass sowohl das Wandlerelement als auch das Gehäuse nach der Verbindung mit dem Prozessanschluss eine gebrochene Symmetrie aufweisen, und dass die Wechselwirkung zwischen den beiden Komponenten, die sich in Form von Schweißrückwirkungen manifestiert von der Orientierung der Komponenten zueinander abhängt.
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Erfindungsgemäß wird nun die Streuung der Schweißrückwirkungen zwischen verschiedenen Drucksensoren minimiert, indem die Komponenten immer in der gleichen Orientierung zueinander ausgerichtet sind. Insoweit als die hier beachtliche Orientierung des Gehäuses durch den Schweißprozess gegeben ist, bedeutet dies, dass der Schweißprozess für die Fertigung eines Drucksensortyps stets mit der gleichen Orientierung bezüglich des Wandlerelements verläuft. Dies bedeutet insbesondere, dass Startpunkt und die Richtung des Schweißprozesses bezogen auf das Wandlerelement für die Drucksensoren eines Typs im wesentlichen gleichmäßig festgelegt sind.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verbinden einer ersten Komponente eines Drucksensors mit einer zweiten Komponente eines Drucksensors mittels einer umlaufenden Schweißverbindung,
wobei die erste Komponente einen ersten, im wesentlichen rotationssymmetrischen Verbindungsbereich aufweist,
wobei die zweite Komponente einen zweiten, im wesentlichen rotationssymmetrischen Verbindungsbereich aufweist, der mit dem ersten Verbindungsbereich durch die umlaufende Schweißverbindung zu verbinden ist,
wobei die erste Komponente ein Wandlerelement aufweist, welches keine oder eine bezüglich der Symmetrieachse der rotationssymmetrischen Verbindungsbereiche eine gebrochene Symmetrie aufweist,
ist ein Verfahren welches die folgenden Schritte umfasst:
Positionieren des ersten und zweiten Verbindungsbereichs zueinander; und
Herstellen der Schweißverbindung, welche von mindestens einem Startpunkt aus, die Komponenten sequentiell umlaufend, mit einer lokalen Aufschmelzung der zu verschweißenden Verbindungsbereiche präpariert wird;
wobei erfindungsgemäß der mindestens eine Startpunkt mit einer festen Orientierung bezüglich des Wandlerelements vorgegeben ist.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist weiterhin die Richtung vorgegeben, in der vom Startpunkt aus die Schweißverbindung präpariert wird.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist die definierte Orientierung gegeben durch einen Winkel φ0 + j·2·π/K, wobei der Winkel φ0 vorgegeben ist, wobei K eine Symmetriezahl der Widerstandselemente des Wandlerelementselements und/oder eine Symmetriezahl der Verspannungen des Wandlerelements aufgrund der Schweißrückwirkungen ist, wobei K ≤ 4, und wobei j = 0, 1, ..., K–1.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist die definierte Orientierung gegeben durch einen Winkel φ0 + j·2·π/(L·M), wobei der Winkel φ0 vorgegeben ist, wobei L eine Symmetriezahl der Widerstandselemente des Wandlerelementselements und M eine Symmetriezahl der Verspannungen des Wandlerelements aufgrund der Schweißrückwirkungen sind, wobei L und M teilerfremd sind, wobei (L·M) ≤ 12, insbesondere (L·M) ≤ 6, und wobei j = 0, 1, ..., (L·M) – 1.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist der gleiche Winkel φ0 für die Drucksensoren eines Typs oder einer Serie eines Typs vorgegeben.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung umfasst die erste Komponente ein Gehäuse, in welchem das Wandlerelement angeordnet ist.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist das Gehäuse bezüglich der Symmetrieachse das ersten Verbindungsbereichs im wesentlichen rotationssymmetrisch.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weist die erste Komponente eine Markierung auf, anhand welcher die Orientierung des ersten Startpunkts bezüglich des Wandlerelements festgelegt ist.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung erfolgt das Herstellen der Schweißverbindung gleichzeitig von mehreren Startpunkten aus jeweils mit einer vorgegebenen Orientierung bezüglich des Wandlerelements. Insbesondere können N Startpunkte vorgesehen sein, deren Orientierung gegeneinander jeweils um 2·π/N versetzt ist, wobei N ≥ 2 und N ≤ 12, bevorzugt N ≤ 8, insbesondere N ≤ 4.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Orientierung des Schweißprozesses so gewählt, dass aufgrund des Schweißprozesses in das Wandlerelement eingeleiteten mechanischen Spannungen, die auf die Widerstandselemente des Wandlerelements einwirken, minimal bzw. möglichst homogen sind.
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Dies kann dadurch erzielt werden dass die Ausrichtung des Startpunkts des Schweißprozesses nicht nur in einer beliebigen Orientierung bezüglich der Messzelle konstant gehalten wird, sondern dass zunächst festgestellt wird, in welcher Orientierung die Schweißrückwirkungen im obigen Sinne minimal sind.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weist das Wandlerelement eine Messmembran auf, deren Oberflächennormale parallel zur Symmetrieachse des ersten Verbindungsbereichs verläuft, wobei das Wandlerelement mehrere Widerstandselemente aufweist, die jeweils zumindest paarweise auf einem Kreis um den Mittelpunkt der Messmembran angeordnet sind wobei der mindestens eine Startpunkt zum Präparieren der Schweißverbindung so gewählt ist, dass für eine Messmembran im Gleichgewicht der Mittelwert der Beträge der Radialspannungsquotienten von überwiegend Radialspannungen erfassenden Widerstandselementen weniger als 1/2, insbesondere weniger als 1/4 und bevorzugt weniger als 1/8 beträgt, wobei der Radialspannungsquotient eines Widerstandselements definiert ist als der Betrag der Radialspannung der Messmembran gemittelt über den Flächenbereich des Widerstandselements geteilt durch den Betrag der Radialspannung der Messmembran gemittelt über einen Kreisring um den Mittelpunkt der Messmembran in dem der Flächenbereich des Widerstandselement liegt.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weist das Wandlerelement eine Messmembran auf, deren Oberflächennormale parallel zur Symmetrieachse des ersten Verbindungsbereich verläuft, wobei das Wandlerelement mehrere Widerstandselemente aufweist, die jeweils zumindest paarweise auf einem Kreis um den Mittelpunkt der Messmembran angeordnet sind, wobei der mindestens eine Startpunkt zum Präparieren der Schweißverbindung so gewählt ist, dass für eine Messmembran im Gleichgewicht der Mittelwert der Beträge der Tangentialspannungsquotienten von überwiegend Tangentialspannungen erfassenden Widerstandselementen weniger als 1/2, insbesondere weniger als 1/4 und bevorzugt weniger als 1/8 beträgt, wobei der Tangentialspannungsquotient eines Widerstandselements definiert ist als der Betrag der Tangentialspannung der Messmembran gemittelt über den Flächenbereich des Widerstandselements geteilt durch den Betrag Radialspannung der Messmembran gemittelt über einen Kreisring um den Mittelpunkt der Messmembran in dem Flächenbereich des Widerstandselements liegt.
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Ein Wandlerelement, welches monokristallines Silizium aufweist, umfasst gewöhnlich ein erstes Paar von Widerstandselementen, welche überwiegend Radialspannungen erfassen, und ein zweites Paar von Widerstandselementen, welche überwiegend Tangentialspannungen erfassen, wobei die Paare von Widerstandselementen insbesondere auf einem Kreis angeordnet sein können, der insbesondere im Randbereich des auslenkbaren Bereichs der Messmembran angeordnet sind.
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Bei Wandlerelementen, die polykristallines Silizium oder Dehnungsmessstreifen aufweisen, sind gewöhnlich zwei Paare von Widerstandselementen auf unterschiedlichen Radien angeordnet.
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Carbon-Nanotube-basierte Wandlerelemente, lassen durch geeignete Positionierung der CNT die Erfassung von radial- oder Tangentialspannungen zu. CNT-basierte Wandlerelemente werten ggf. nur den Widerstand einer CNT aus. Entsprechend gilt hier, dass der mindestens eine Startpunkt zum Präparieren der Schweißverbindung so gewählt ist, dass für eine Messmembran im Gleichgewicht der Mittelwert eines Spannungsquotienten der CNT weniger als 1/2, insbesondere weniger als 1/4 und bevorzugt weniger als 1/8 beträgt, wobei der Spannungsquotient der CNT definiert ist als der Betrag der Spannung der Messmembran gemittelt über den Flächenbereich der CNT geteilt durch den Betrag Spannung der Messmembran gemittelt über einen Kreisring um den Mittelpunkt der Messmembran in dem die CNT liegt.
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Eine Messmembran befindet sich dann im Gleichgewicht, wenn auf beiden Seiten der Messmembran der gleiche Druck herrscht, der insbesondere nicht mehr als der Atmosphärendruck beträgt, wobei vorzugsweise eine Temperatur von etwa 300 K vorliegt.
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Die obigen Forderungen für die verschiedenen Spannungsquotienten beziehen sich auf den Drucksensor nach der Präparation der Schweißverbindung im thermischen Gleichgewicht bei Raumtemperatur.
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In einer Weiterbildung der Erfindung gibt das Wandlerelement im Messbetrieb im Gleichgewicht der Messmembran ein Wandler-Nullpunktsignal aus, wobei das Wandlerelement an der Obergrenze des Messbereichs ein Wandler-Spannensignal ausgibt,
wobei der Startpunkt so gewählt ist, dass sich das Nullpunktsignal aufgrund von Schweißrückwirkungen durch das Präparieren der Schweißverbindung um nicht mehr als 0,5% vorzugsweise nicht mehr als 0,2%, weiter bevorzugt um nicht mehr als 0,1% und besonders bevorzugt um nicht mehr als 0,05% der Differenz zwischen dem Wandler-Nullpunktsignal und dem Wandler-Spannensignal ändert.
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Die nun folgende Darstellung soll lediglich den Effekt der Erfindung plausibilisieren, keinesfalls ist beabsichtigt, dass der skizzierte Mechanismus zu einer einschränkenden Auslegung des Schutzbereichs der Erfindung herangezogen wird.
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Der aufgrund des Schweißprozesses auf das Wandlerelement übertragene Spannungszustand erzeugt in diesem lokale Spannungsmaxima, -minima und Nulldurchgänge, deren Lage in Abhängigkeit vom Schweißprozess relativ zu Startpunkt und Umlaufrichtung der Schweißung mit Hilfe einer Ausrichtung des Schweißstartpunkt bezüglich des Wandlerelements beschrieben werden kann.
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Liegt ein Widerstandselement des Wandlerelements in einem solchen Maximum/Minimum bzw. Nulldurchgang, so ändert sich dessen Wandlerausgangssignal besonders stark bzw. schwach, d. h. die Schweißrückwirkung fällt besonders stark bzw. schwach aus. Ergibt sich die Lage der Widerstandselemente des Wandlerelements zu den schweißinduzierten Spannungsmaxima, -minima und Nulldurchgängen bei der Herstellung mehrerer Drucksensoren jeweils zufällig, so ist über die Drucksensorfertigung eine starke Streuung der Schweißrückwirkung zu erwarten. Ist die Lage der Spannungsmaxima, -minima und Nulldurchgänge im Wandlerelement relativ zum Schweißstartpunkt nicht bekannt, so kann dennoch über die Festlegung der Orientierung zwischen Schweißstartpunkt und Wandlerelement für alle Sensoren eines Typs bzw. einer Serie eines Typs, die mit dem gleichen Schweißprozess gefügt werden, die Streuung der Schweißrückwirkung deutlich reduziert werden. Die somit erzielte Schweißrückwirkung, die auch der maximalen Schweißrückwirkung für diesen Prozess entsprechen kann, kann, da bekannt und wiederholbar, im weiteren Fertigungsprozess geeignet berücksichtigt werden.
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Ist die Lage der Spannungsmaxima, -minima und Nulldurchgänge im Messelement relativ zum Schweißstartpunkt bekannt, ist es durch eine geeignete Festlegung des Winkels zwischen Schweißstartpunkt und den Widerstandselementen des Wandlerelements möglich, nicht nur die Streuung sondern sogar den Absolutwert der Schweißrückwirkung zu minimieren. Hierzu wird der Schweißstartpunkt so gewählt, dass die Widerstandselemente des Wandlerelements für alle Sensoren eines Typs, bzw. einer Serie eines Typs, die mit dem gleichen Schweißprozess gefügt werden, in den Bereichen des Wandlerelements liegen, in denen lokale Nulldurchgänge der Spannungsverteilung vorliegen.
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Theoretisch ist auch eine Anpassung der Lage des Wandlerelements bzw. eine Veränderung der Position der Widerstandselemente auf ein Wandlerelement zum Erzielen des Effekts der Erfindung denkbar.
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Die Erfindung wird nun anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigt:
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1a: eine Stirnseite eines Gehäuses eines erfindungsgemäß herzustellenden Drucksensors mit einem angeschweißten Prozessanschluss;
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1b: eine Seitenansicht eines Gehäuses eines erfindungsgemäß herzustellenden Drucksensors mit einem angeschweißten Prozessanschluss;
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2: eine Darstellung des Schrumpfs aufgrund der Schweißverbindung als Funktion des Winkels;
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3: eine Darstellung eines Koordinatensystems zur Beschreibung der Orientierung des Schweißprozesses bezüglich eines Wandlerelements; und
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4a–c: Darstellungen von Spannungen im Sensorelement aufgrund von Schweißrückwirkungen.
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Der in 1a und 1b dargestellte Drucksensor umfasst ein rotationssymmetrisches Edelstahlgehäuse 10, an dessen Stirnfläche mit einer umlaufenden Schweißnaht 14 die an einem Startpunkt in einer Orientierung 16 beginnt und in der Zeichnung gegen den Uhrzeigersinn verläuft, ein Prozessanschluss 20 befestigt ist. Aufgrund des sequentiellen Schweißprozesses ist die axiale Schrumpfung des Gehäuses 10 über die Schweißnaht inhomogen, wie in 1a gezeigt ist, wobei die Schrumpfung desto größer ist, je dunkler die Färbung ist. Wie in 1b dargestellt, ist in dem Gehäuse 10 ein Wandlerelement 30 in einer Wandlerkammer mit einer drucktragenden Fügestelle befestigt, wobei über die Fügestelle mechanische Spannungen aufgrund des Schweißprozesses in das Wandlerelement eingeleitet werden können.
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2 zeigt die axiale Schrumpfung entlang des Umfangs der Schweißnaht. Das Maximum beträgt hier etwa 0,25 mm und liegt etwa bei π/4 hinter dem Schweißstartpunkt. Das Minimum der Schrumpfung liegt etwa bei 5π/4, also gegenüber dem Maximum, und beträgt etwa 0,21 mm. Es ist offensichtlich, dass diese unterschiedliche Schrumpfung zu erheblichen mechanischen Spannungen im Gehäuse 10 führt.
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3 zeigt ein Koordinatensystem zum Beschreiben des Schweißvorgangs bezüglich eines Wandlerelements 30. Das Wandlerelement, welches insbesondere ein piezo-resistives Si-Wandlerelement sein kann, umfasst einen steifen Randbereich 32 der eine Messmembran 34 umgibt, wobei die die Messmembran zwei innere Widerstandselemente 36, 38 und zwei äußere Widerstandselemente 37, 39 aufweist, die in einer Vollbrückenschaltung betrieben werden. Als eine Achse zur Beschreibung der Orientierung des Wandlerelements sei eine Referenzachse vom Mittelpunkt der Messmembran durch ein äußeres Widerstandselement 37 gewählt, welches in einer auslenkbaren Randzone der Messmembran 34 angeordnet sind, in welcher bei einer Druckabhängigen Auslenkung der Messmembran die größten Radialspannungen auftreten.
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Insoweit als das Gehäuse rotationssymmetrisch ist, so dass nicht ohne weiteres ein ausgezeichneter Startpunkt für die Schweißverbindung vorgegeben ist, kann der Radius auf dem der Startpunkt liegt, bezüglich der Referenzachse des Wandlerelements einen beliebigen Winkel φ0 einnehmen. Die Auswirkungen von unkontrolliert gewählten Startpunkten, wird nun anhand von 4a–c erläutert:
Bei einem ersten Winkel φ0 für einen Startpunkt der Schweißverbindung kann sich die in 4a gezeigte Spannungsverteilung aufgrund von Schweißrückwirkungen in der Messmembran ergeben, wobei das „+” für eine Zugspannung an der Oberseite der Messmembran, das „–” für eine Druckspannung an der Oberseite der Messmembran, und die „0” für einen spannungslosen Bereich stehen. Hier treten im Bereich der der äußeren Widerstandselemente 37, 39 Zugspannungen und im Bereich der inneren Widerstandselemente Druckspannungen auf. Eine derartige Spannungsverteilung würde offensichtlich zu einer Nullpunktverschiebung der Brückenschaltung führen, die eine Druckbeaufschlagung der Messmembran aus der Blickrichtung des Betrachters vortäuschen würde.
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Bei einem zweiten Winkel φ0 für einen Startpunkt der Schweißverbindung, der gegenüber dem ersten Winkel um 90° versetzt ist, kann die in 4b gezeigte Spannungsverteilung folgen, die eine Nullpunktverschiebung mit umgekehrten Vorzeichen zur Folge hätte.
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Bei einem dritten Winkel φ0 für einen Startpunkt der Schweißverbindung, der gegenüber dem ersten Winkel um 135° versetzt ist, kann die in 4c gezeigte Spannungsverteilung folgen, bei der mechanischen Spannungen aufgrund von Schweißrückwirkungen im Bereich der Widerstandselemente Nullstellen aufweisen. Hier sollte keine Nullpunktverschiebung auftreten.
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Nun ist offensichtlich, dass eine fehlende Festlegung des Winkels φ0 für den Startpunkt der Schweißung eine zuvor vorgenommene Kalibrierung des Drucksensors zerstört, da nicht klar ist ob und in welche Richtung der Nullpunkt verschoben ist.
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Eine beliebige Festlegung des Winkels φ0 für den Startpunkt für alle Drucksensorien eines Typs bzw. einer Serie eines Typs führt dagegen zu einer reproduzierbaren Verschiebung des Nullpunkts, die anschließend einheitlich kompensiert werden kann.
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In einer verfeinerten Ausgestaltung der Erfindung kann zur Festlegung des Werts für den Winkel φ0 zunächst ausprobiert werden für welchen Winkel φ0 die geringste Nullpunktverschiebung und ggf. auch die geringste Streuung der Nullpunktverschiebung auftritt. Wenn dieser Winkel gefunden ist, kann dann eine Serie von Drucksensoren mit diesem Winkel φ0 für den Startpunkt gefertigt werden.
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Zum Auffinden des Startpunkts kann an dem Gehäuse eine geeignete Markierung angebracht sein.
