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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Befestigung eines Drucksensors an einer mit einem Druckkanal versehenen Trägerplatte, insbesondere einer Hydraulikplatte, mit den Merkmalen des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs.
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Aus der
DE 195 14 383 A1 ist eine Vorrichtung zur Befestigung eines Drucksensors zur Erfassung eines Drucks eines fluiden Mediums an einer mit einem Druckkanal versehenen Trägerplatte bekannt. Derartige Vorrichtungen sind im Betrieb vielfältigen thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt. Darüber hinaus kann das fluide Medium temporär Drücke aufweisen, die eine definierte Druckschwelle derart überschreiten, dass der Drucksensor und/oder im Medium angeordnete Funktionselemente in Folge dieses Druckes in ihrer Funktion beeinträchtigt werden können. Derartige Situationen werden im Folgenden als „Überdrucksituation“ bezeichnet. Daher muss sichergestellt werden, dass der Drucksensor mit dem Druckkanal derart verbunden ist, dass der Druck des am Druckkanal anliegenden Mediums dauerhaft und zuverlässig erfasst wird.
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In herkömmlichen Vorrichtungen ist das Sensorelement häufig in ein Aufnahmeelement eingesetzt und wird von einem mit dem Aufnahmeelement unlösbar und starr verbundenen Halteelement im Aufnahmeelement fixiert. Diese Ausführungsvarianten erlauben einerseits keine flexible und einfache Montage eines als Drucksensor fungierenden Sensorelements, zum anderen sind sie nicht geeignet, Überdrucksituationen auszugleichen.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Befestigung eines Drucksensors an einer mit einem Druckkanal versehenen Trägerplatte, insbesondere einer Hydraulikplatte eines Getriebes, vorgeschlagen, welche folgende Komponenten umfasst: Wenigstens ein Sensorelement zur Erfassung eines Drucks eines fluiden Mediums in einem Medienraum, ein Aufnahmeelement mit wenigstens einer Aussparung, wenigstens ein vom Aufnahmeelement separates Halteelement, wobei das wenigstens eine Sensorelement in die wenigstens eine Aussparung des Aufnahmeelements eingesetzt ist, wobei das wenigstens eine Sensorelement eine mit dem Druck des fluiden Mediums in einer axialen Richtung beaufschlagbare erste Seite aufweist. Erfindungsgemäß ist dabei das Halteelement als ein an der Trägerplatte befestigbares Federelement ausgebildet, welches im Wesentlichen entgegengesetzt der axialen Richtung Federkraft ausübt und das Federelement liegt dabei derart mittelbar oder unmittelbar auf einer der ersten Seite abgewandten Auflagefläche des als Drucksensor fungierenden Sensorelements an, dass das wenigstens eine Sensorelement im an der Trägerplatte montierten Zustand mittels des Federelements entgegen der axialen Richtung zur Trägerplatte hin gedrückt wird.
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Gegenüber dem Stand der Technik weist die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Befestigung eines Drucksensors an einer mit einem Druckkanal versehenen Trägerplatte, insbesondere einer Hydraulikplatte eines Getriebes, den Vorteil auf, dass die Vorrichtung besonders einfach und flexibel an der Trägerplatte montierbar ist. Insbesondere ermöglicht die Erfindung eine kostengünstige modulare Herstellung der Vorrichtung und eine einfach anpassbare Montage auf der Trägerplatte. Auf diese Weise kann je nach Anwendungszweck oder Betriebsbedingungen die Anpresskraft des Sensorelements hin zur Trägerplatte gezielt durch die Auswahl der Federkonstante des als Federelement ausgebildeten Halteelements beeinflusst werden. Durch das als Federelement ausgebildete Halteelement wird besonders vorteilhaft sichergestellt, dass das Sensorelement in Richtung des Druckkanals angedrückt wird und derart mittelbar oder unmittelbar insbesondere eine dichte Verbindung mit der den Druckkanal umgebenden Trägerplatte herstellt. Dadurch lässt sich der im Medienraum anliegende Druck des fluiden Mediums besonders genau und dauerhaft zuverlässig bestimmen.
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Vorteilhafte Ausbildungen und Weiterbildungen der Erfindung werden durch die in den abhängigen Ansprüchen angegebene Maßnahmen ermöglicht.
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Dadurch, dass das Federelement im montierten Zustand das wenigstens eine Sensorelement derart hin zur Trägerplatte drückt, dass das durch das Federelement beaufschlagte Federelement den Druckkanal in der Art eines Sicherheitsventils, insbesondere bis zu einem Druck von 25 bar, verschließt, wird vorteilhaft bewirkt, dass das Sensorelement den Druck des fluiden Mediums im normalen Betriebszustand, also in der Regel bis zu einem Druck im Bereich von 15 bis 20 bar, sicher und zuverlässig erfasst. Darüber hinaus wird besonders vorteilhaft bewirkt, dass in einer Überdrucksituation, also bei temporären Druckspitzen des fluiden Mediums im Medienraum, insbesondere bei Druckspitzen, die 25 bar überschreiten, das Sensorelement in der Art eines Sicherheitsventils wirkt und den Abbau des Überdrucks unterstützt. Dies wird dadurch bewirkt, dass in einer Überdrucksituation das Sensorelement in axialer Richtung gegen das Federelement drückt und die entgegen der axialen Richtung wirkenden Federkraft überwindet, dadurch den Druckkanal freigibt und auf diese Weise der im Medienraum anliegende Überdruck durch einen Abfluss des fluiden Mediums am Sensorelement vorbei abgebaut werden kann. Infolge dieser Sicherheitsventil-Funktionalität des Sensorelements wird vorteilhaft einer Beschädigung des Sensorelements selbst oder von Funktionskomponenten im Medienraum in Folge des Überdrucks entgegengewirkt. Somit bewirkt diese Weiterbildung der Erfindung, dass mit einer einzigen Konstruktion die präzise Erfassung des Drucks des fluiden Mediums ermöglicht wird und gleichzeitig ein Schutz vor temporären Überdruckspitzen erzielt wird.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass im Aufnahmeelement wenigstens eine von dem Material des Aufnahmeelements umschlossene elektrische Leitung vorgesehen ist, dass weiterhin auf einer der ersten Seite abgewandten zweiten Seite des Sensorelements wenigstens ein elektrisches Anschlusselement vorgesehen ist und dass wenigstens ein elektrisch leitfähiges Kontaktier-Element vorgesehen ist, welches in der Aussparung des Aufnahmeelements oder am Aufnahmeelement angeordnet ist, wobei das wenigstens eine elektrisch leitfähige Kontaktier-Element das wenigstens eine Anschlusselement des Sensorelements mit der wenigstens einen elektrischen Leitung elektrisch kontaktiert. Durch diese Weiterbildung wird vorteilhaft bewirkt, dass mit geringem Aufwand das als Drucksensor fungierende Sensorelement durch das Aufnahmeelement einerseits gegenüber äußeren mechanischen Einflüssen (z.B. durch Berührung mit anderen Teilen oder beim händischen Verbauen) geschützt montierbar ist und gleichzeitig eine elektrisch funktionssichere Verbindung mit einer Auswerteschaltung und/oder einem Steuergerät ermöglicht wird. Durch die Anordnung des wenigstens einen elektrisch leitfähigen Kontaktier-Elements in der Aussparung des Aufnahmeelements ist das Kontaktier-Element, welches mit der elektrischen Leitung elektrisch verbunden ist, besonders sicher vor mechanischen äußeren Einwirkungen und einer daraus folgenden Beschädigung geschützt. Durch die Anordnung des wenigstens einen elektrisch leitfähigen Kontaktier-Elements am Aufnahmeelement, wobei das Kontaktier-Element das Halteelement in axialer Richtung überragt, ist das wenigstens eine Kontaktier-Element besonders einfach zugänglich und besonders einfach an dem Anschlusselement des Sensorelements montierbar, z.B. durch eine Schweißverbindung. Besonders vorteilhaft ist die wenigstens eine elektrisch Leitung von dem Material des Aufnahmeelements umschlossen, so dass die wenigstens eine elektrische Leitung vor mechanischen Einflüssen und vor einem Kontakt mit dem fluiden Medium und damit vor Korrosion besonders sicher geschützt ist. Besonders vorteilhaft ist das Material des Aufnahmeelements elektrisch isolierend ausgebildet, so dass die wenigstens eine elektrische Leitung nicht elektrisch mit anderen elektrisch leitenden Komponenten oder Materialien unerwünscht in elektrische Wechselwirkung tritt.
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Dadurch, dass die wenigstens eine elektrische Leitung aus einem Stanzgitterteil gebildet ist, wobei das Stanzgitterteil von einem Kunststoffmaterial des Aufnahmeelements umspritzt ist, wird besonders einfach und kostengünstig ermöglicht, die wenigstens eine elektrische Leitung in das Aufnahmeteil zu integrieren. Das derartig ausgebildete umspritzte Stanzgitterteil lässt sich bevorzugt aus einem thermoplastischen Kunststoff oder aus einem duroplastischen Kunststoff spritzgießen. Der Kunststoff ist dabei bevorzugt elektrisch isolierend ausgebildet, um den Fluss elektrischer Energie, z.B. in Form von Kriechströmen, zwischen mehreren elektrischen Leitungen zu unterbinden. Das Stanzgitterteil kann dabei als Einlegeteil im Spritzgusswerkzeug bereitgestellt werden. Durch die Ausführung des Aufnahmeelements als Spritzgussteil mit der wenigstens einen elektrischen Leitung als Einlegeteil lassen sich besonders vorteilhaft auch komplizierte geometrische Formen herstellen, die insbesondere beengten und begrenzten Raumverhältnissen am Einbauort Rechnung tragen.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Aufnahmeelement im an der Trägerplatte montierten Zustand gegenüber der Trägerplatte in axialer Richtung beweglich ist. Dadurch wird vorteilhaft bewirkt, dass einerseits einer Verkantung des Sensorelements im Falle einer Bewegung in axialer Richtung, beispielsweise in einer Überdrucksituation, entgegengewirkt wird. Andererseits erlaubt die Beweglichkeit des Aufnahmeelements in axialer Richtungen, dass bei beispielsweise thermisch induzierten Längenänderungen oder in einer Überdrucksituation eine gleichzeitige und gleichmäßige Bewegung von Sensorelement und Halteelement in die axiale Richtung ermöglicht wird. Infolge dessen wird das Kontaktier-Element beim Ausgleich der Bewegung des Sensorelements in axialer Richtung entlastet, da es diese Bewegung nicht alleine ausgleichen muss (wie im Falle eines axial unbeweglichen Aufnahmeelements). Denn das Aufnahmeelement kann sich in axialer Richtung zumindest teilweise mitbewegen. Dadurch wird vorteilhaft bewirkt, dass das Kontaktier-Element nur geringem mechanischem Stress ausgesetzt wird und dass der elektrische Kontakt zwischen dem Anschlusselement und dem Kontaktier-Element eine längere Lebensdauer und eine höhere Kontaktiersicherheit aufweist.
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Dadurch, dass die erste Seite des Sensorelements gegen ein Dichtelement, insbesondere gegen einen O-Ring gedrückt wird, wird vorteilhaft bewirkt, dass das im Druckkanal anliegende fluide Medium des Medienraums nicht in einem außerhalb des Medienraums liegenden weiteren Raum gelangen kann, solange normale Betriebsbedingungen vorherrschen, d.h. insbesondere bei Drücken bis ungefähr 25 bar. Darüber hinaus bewirkt das Dichtelement, insbesondere ein O-Ring, dass in der axialen Richtung ein Toleranzausgleich derart bewirkt wird, dass das Sensorelement über das Dichtelement stets zuverlässig dicht gegen dasjenige Bauteil angedrückt wird, welches sich auf der der ersten Seite des Sensorelements entgegengesetzten Seite des O-Rings befindet. Ein derartiger Toleranzausgleich ist beispielsweise dann besonders wichtig, wenn das als Federelement ausgebildete Halteelement die Federkraft mittelbar über ein mit dem Aufnahmeelement verbundenes Kraftübertragungselement zunächst auf das Aufnahmeelement und von diesem auf das Sensorelement überträgt. In diesem Fall können in axialer Richtung vorliegende Längentoleranzen der Bauteile durch das in axialer Richtung bevorzugt elastisch ausgebildete Dichtelement so ausgeglichen werden, dass derartige Längentoleranzen die Funktion des Sensorelements als Druckerfassungselement nicht mehr wesentlich beeinträchtigen. Derartige Längentoleranzen können beispielsweise auftreten bei den Abmessungen des Sensors in axialer Richtung oder bei den Abmessungen des Kraftübertragungselements in axialer Richtung oder bei der Befestigungshöhe des Aufnahmeelements am Kraftübertragungselement.
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Dadurch, dass im an der Trägerplatte montierten Zustand zwischen der ersten Seite des Sensorelements und der Trägerplatte eine mit einer Blende versehene Zwischenplatte angeordnet ist, wobei die Blende den Druckkanal mit der ersten Seite des Sensorelements verbindet, wird vorteilhaft bewirkt, dass der radiale Durchmesser des Druckkanals in besonders einfacher Weise an den radialen Durchmesser der ersten Seite des Sensorelements angepasst werden kann. Dadurch wird beispielsweise die Verwendung eines Sensorelements ermöglicht, welches auf seiner ersten Seite einen geringeren Durchmesser aufweist als der radiale Durchmesser des Druckkanals, so dass das Sensorelement ohne Zwischenlage der Zwischenplatte in den Druckkanal der Trägerplatte rutschen würde. Somit ermöglicht das Vorsehen der Zwischenplatte eine sichere Montage und Funktionsweise der Vorrichtung. Darüber hinaus erlaubt die Zwischenschaltung der Zwischenplatte zwischen das Sensorelement und die Trägerplatte vorteilhaft, dass in axialer Richtung je nach Einbausituation der Vorrichtung ein Höhenausgleich bewerkstelligt werden kann. Die Zwischenplatte ermöglicht somit die Verwendung ein und derselben Vorrichtung mit demselben Sensorelement für verschiedene Einbaugeometrien und wirkt somit als eine Art Adapter. Dadurch wird die Herstellung der Vorrichtung besonders kostengünstig und einfach, da für verschiedene Einbaugeometrien, insbesondere verschiedener Trägerplatten bzw. unterschiedlicher Durchmesse des Druckkanals, bei der Montage der Vorrichtung nur die Zwischenplatte in Art eines Adapters ausgetauscht werden muss.
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Dadurch, dass das Aufnahmeelement aus einem Kunststoff, insbesondere aus einem thermoplastischen Kunststoff, gefertigt ist, wird vorteilhaft bewirkt, dass sich das Aufnahmeelement besonders einfach und kostengünstig herstellen lässt. Darüber hinaus ermöglicht der Herstellungsprozess, beispielsweise ein Spritzgussverfahren, die Ausgestaltung nahezu beliebig komplexer dreidimensionaler Formen, welche in besonders einfacher Weise an beengte Raumverhältnisse am Ort des Einbaus der Drucksensorvorrichtung anpassbar sind.
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Dadurch, dass das Halteelement als Blattfeder ausgebildet ist, kann ein besonders einfaches und kostengünstiges Halteelement zur Verfügung gestellt werden. Darüber hinaus lässt sich durch die Einstellung der Federkraft der Blattfeder in besonders einfacher Weise die auf das Sensorelement wirkende Federkraft einstellen. Dadurch sind vorteilhaft in einfacher Weise verschiedene „Normaldruckbereiche“ einstellbar, also Druck-Bereiche im Medienraum, die nicht als Überdrucksituation anzusehen sind. Umgekehrt sind somit verschiedene Überdruck-Bereiche definierbar, in denen das Sensorelement in der Vorrichtung als Sicherheitsventil wirkt, sich also zum Abbau eines unerwünschten Überdrucks „öffnet“ und derart eine Verbindung zwischen dem Medienraum und dem weiteren Raum schafft. Dies bewirkt eine flexible Adaption der Vorrichtung an verschiedene Betriebsbedingungen durch das Austauschen der Blattfeder gegen eine andere Blattfeder mit einer anderen Federkonstante.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das elektrisch leitfähige Kontaktier-Element als ein Kontaktfederelement ausgebildet ist. Dadurch wird vorteilhaft bewirkt, dass das Kontaktier-Element gegen axiale und radiale mechanische Bewegungen, beispielsweise infolge temporärer Überdrucksituationen im Medienraum oder infolge thermischer oder mechanischer Verformungen besonders zuverlässig geschützt ist. So wird insbesondere eine Beschädigung des Kontaktier-Elements vermieden.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Aufnahmeelement Teil eines Elektronikmoduls ist, wobei an dem Elektronikmodul wenigstens eine elektronische Schaltung zur Auswertung der Signale des Sensorelements angeordnet ist und wobei das elektrisch leitfähige Kontaktier-Element das Sensorelement mit der elektronischen Schaltung kontaktiert. Dadurch wird vorteilhaft bewirkt, dass die vom Sensorelement bereitgestellten elektrischen und/oder elektronischen Signale, welche den im Medienraum anliegenden Druck repräsentieren, ohne größere elektrische Verluste weitergeleitet und verarbeitet werden können. Gleichzeitig wird dadurch ein besonders kompakter und platzsparender Aufbau der Vorrichtung ermöglicht.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen der Erfindung
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Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 einen Querschnitt durch eine erste Ausführungsform der Erfindung,
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2 eine perspektivische Ansicht auf ein Aufnahmeelement des ersten Ausführungsbeispiels,
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3 einen Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform der Erfindung.
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1 zeigt eine Vorrichtung 100 zur Befestigung eines Drucksensors an einer mit einem Druckkanal 310 versehenen Trägerplatte 300, wobei die Trägerplatte 300 insbesondere eine Hydraulikplatte eines Getriebes darstellt. Die Trägerplatte 300 weist eine Montageseite 302 auf, auf welche die Vorrichtung 100 montierbar ist. Die Vorrichtung 100 umfasst dabei wenigstens ein Sensorelement 200 zur Erfassung eines Druckes (p) eines fluiden Mediums in einem Medienraum 150. Die Vorrichtung 100 umfasst weiterhin ein Aufnahmeelement 400 mit wenigstens einer Aussparung 410 und wenigstens ein vom Aufnahmeelement 400 separates Halteelement 500. Das wenigstens eine Sensorelement 200, welches als Drucksensor fungiert, ist in die wenigstens eine Aussparung 410 des Aufnahmeelements 400 eingesetzt, wobei das wenigstens eine Sensorelement 200 eine mit dem Druck (p) des fluiden Mediums in einer axialen Richtung (z) 110 beaufschlagbare erste Seite 210 aufweist.
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Ausgehend von der Montageseite 302 der Trägerplatte 300 sind für den Kontext dieser Anmeldung folgende Richtungen definiert. Die axiale Richtung (z) 110, eine der axialen Richtung entgegengesetzte Richtung 120 und eine radiale Richtung 130. Die axiale Richtung (z) 110 ist dabei in den Figuren von der Trägerplatte 300 ausgehend im Wesentlichen senkrecht nach oben gerichtet und wird auch als z-Richtung bezeichnet. Die der axialen Richtung (z) 110 entgegengesetzte Richtung 120 ist dementsprechend in den Figuren senkrecht zur Trägerplatte 300 nach unten gerichtet. Die radiale Richtung 130 umfasst alle zur axialen Richtung 110 senkrechten Richtungen, erstreckt sich also im 2-dimensionalen Querschnitt der 1 und 3 von links nach rechts.
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Vom Medienraum 150 wird durch die Trägerplatte 300 und die Vorrichtung 100 ein weiterer Raum 160 abgetrennt. Bei dem weiteren Raum 160 handelt es sich ebenfalls um einen mit dem fluiden Medium gefüllten Raum. Der Unterschied zwischen dem Medienraum 150 und dem weiteren Raum 160 besteht darin, dass im Medienraum 150 das fluide Medium unter einem höheren Druck steht als das fluide Medium im weiteren Raum 160. Somit wäre in diesem Fall der Medienraum 150 mit einem „Hochdruckraum“ gleichzusetzen und der weitere Raum 160 mit einem „Normaldruckraum“. Ein normaler Betriebszustand liegt im Medienraum 150 dann vor, wenn der Druck des fluiden Mediums einen Druck von 20 bar, bevorzugt einen Druck von 15 bar, nicht übersteigt.
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Das Sensorelement 200 weist auf einer von der ersten Seite 210 abgewandten zweiten Seite 220 beispielsweise drei Anschlusselemente 230 auf, von denen im dargestellten Querschnitt der 1 nur zwei Anschlusselemente 230 sichtbar sind. Es können jedoch generell auch mehr oder weniger als drei Anschlusselemente 230 am Sensorelement 200 angeordnet sein. Durch diese Anschlusselemente 230 kann das Sensorelement beispielsweise mit elektrischer Energie versorgt werden oder es können z.B. elektrische oder elektronische Signale des Sensorelements 200 abgegriffen werden. Das Sensorelement 200 weist weiterhin an seiner sich von der ersten Seite 210 zur zweiten Seite 220 des Sensorelements erstreckenden Außenwand 202 einen radial aus der Außenwand 202 des Sensorelements 200 herausragenden, das Sensorelement 200 umlaufenden Andruckabschnitt 412 in Form einer Schulter 214 auf. Auf einer von der ersten Seite 210 abgewandten Seite der Schulter 214 ist eine Auflagefläche 222 vorgesehen, auf welcher ein Abschnitt des Aufnahmeelements 400 zur Anlage kommt. In einer hier nicht dargestellten Ausführungsform kann auf der Schulter 214 das Halteelement 500 auch direkt zur Anlage kommen.
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Das Aufnahmeelement 400 ist bevorzugt als Spritzgussteil aus einem thermoplastischen oder duroplastischen elektrisch isolierenden Kunststoff ausgebildet. Besonders bevorzugt ist das Aufnahmeelement 400 aus Polyamid (PA66) gefertigt, ganz besonders bevorzugt aus Polyamid mit Glasfaserbeimischung, beispielsweise mit 35% Glasfaserbeimischung (PA66 GF35). Im Inneren des Aufnahmeelements 400 verläuft wenigstens eine elektrische Leitung 630. Die elektrische Leitung 630 ist dabei bevorzugt als ein Stanzgitterteil ausgebildet, welches besonders bevorzugt ein metallisches Stanzgitterteil ist, beispielsweise aus Kupfer oder einem Blech. Am Aufnahmeteil 400 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel an einander gegenüberliegenden Seiten der Aussparung 410 Kraftübertragungselemente 420 vorgesehen. Die Kraftübertragungselemente 420 weisen in axialer Richtung (z) 110 eine längliche Erstreckung auf. Jedes Kraftübertragungselement 420 weist an seinem der Montageseite 302 der Trägerplatte 300 abgewandten Ende in axialer Richtung (z) 110 eine erste Stirnseite 422 auf. Entsprechend weist jedes Kraftübertragungselement 420 an seinem der Montageseite 302 zugewandten Ende in axialer Richtung (z) 110 eine zweite Stirnseite 424 auf. Die erste Stirnseite 422 und die zweite Stirnseite 424 ragen über das Aufnahmeelement 400 hinaus. Die Kraftübertragungselemente 420 sind mit dem Aufnahmeteil 400 lösbar verbunden, beispielsweise durch eine Klipsverbindung. In einer anderen Ausführungsform ist es auch möglich, dass die Kraftübertragungselemente 420 unlösbar mit dem Aufnahmeelement 400 verbunden sind, indem sie beispielsweise in das Material des Aufnahmeelements 400 eingespritzt sind. Die Kraftübertragungselemente 420 sind derart am Aufnahmeelement 400 festgelegt, dass keine Bewegung der Kraftübertragungselemente 420 gegenüber dem Aufnahmeelement 400 in axialer Richtung (z) 110 möglich ist. In der Aussparung 410 des Aufnahmeelements 400 schließen sich an die elektrischen Leitungen 630 Kontaktier-Elemente 600 an, welche bevorzugt als Kontaktfederelemente 602 ausgebildet sind. Die Kontaktier-Elemente 600, 602 sind mit den elektrischen Leitungen 630 elektrisch verbunden.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Vorrichtung 100 zur Befestigung eines Drucksensors an einer mit einem Druckkanal 310 versehenen Trägerplatte 300 weiterhin eine Zwischenplatte 700 mit einer Blende 730. Die Blende 730 der Zwischenplatte 700 weist auf ihrer dem Druckkanal 310 zugewandten Druckkanal-Seite 710 einen anderen Blendendurchmesser auf als auf ihrer dem Druckkanal 310 abgewandten Sensorelement-Seite 720, die der ersten Seite 210 des Sensorelements 200 zuweist. Die Zwischenplatte 700 dient dabei bevorzugt als eine Art Adapter, durch welchen ein und dasselbe als Drucksensor fungierende Sensorelement 200 für verschiedene Durchmesser des Druckkanals 310 auf der Montageseite 302 verschiedener Trägerplatten 300 verwendbar ist. Durch den Austausch der Zwischenplatte 700 kann somit die Vorrichtung 100 in einfacher Art und Weise an unterschiedliche Trägerplatten 300 angepasst werden.
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Die Vorrichtung 100 zur Befestigung eines Drucksensors an einer mit einem Druckkanal 310 versehenen Trägerplatte 300 umfasst weiterhin ein Halteelement 500. Dieses Halteelement 500 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als ein im Querschnitt tellerförmiges Federelement 502 ausgebildet. Das Federelement 502 besteht dabei bevorzugt aus Federstahl und ist besonders bevorzugt als Blattfeder ausgebildet. Das Federelement 502 ist an seinen äußeren Rändern 510 mittels Befestigungselementen 350 an der Trägerplatte 300 befestigt. Die Befestigungselemente 350 sind besonders bevorzugt als Schrauben oder Nieten ausgebildet und legen das Federelement 502 an der Trägerplatte 300 fest. Das als Federelement 502 ausgebildete Halteelement 500 ist derart auf der Trägerplatte 300 angeordnet, dass das Aufnahmeelement 400, das Sensorelement 200 und die Zwischenplatte 700 im an der Trägerplatte 300 montierten Zustand vom Federelement 502 und der Trägerplatte 300 umschlossen werden. Das Federelement 502 ist im Bereich des Druckkanals 310 derart an der Trägerplatte 300 angeordnet und von der Montageseite 302 der Trägerplatte 300 beabstandet, dass das Federelement 502 auf der ersten Stirnseite 422 der Kraftübertragungselemente 420 zur Anlage kommt und mittels der zweiten Stirnseite 424 der Kraftübertragungselemente 420 die Zwischenplatte 700 gegen die Trägerplatte 300 drückt. Gleichzeitig wird mittels des mit den Kraftübertragungselementen 420 verbundenen Aufnahmeteils 400, welches mit einem Andruckabschnitt 412 in der Aussparung 410 an der Auflagefläche 222 des Sensorelements 200 anliegt, das Sensorelement 200 entgegen der axialen Richtung 120 an die Zwischenplatte 700 angepresst.
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In einem anderen, hier nicht dargestellten, Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung 100 zur Befestigung eines Drucksensors an einer mit einem Druckkanal 310 versehenen Trägerplatte 300 keine Zwischenplatte 700 auf. In diesem Fall wird das Sensorelement 200 mittels des Aufnahmeelements 400 direkt an die Trägerplatte 300 angepresst oder unter Zwischenlage eines Dichtelements 320 gegen die Trägerplatte 300 angepresst.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist zwischen der ersten Seite 210 des Sensorelements 200 und der Sensorelement-Seite 720 der Zwischenplatte 700 ein Dichtelement 320, bevorzugt ein O-Ring 322, angeordnet. Ein weiteres Dichtelement 330, besonders bevorzugt ein weiterer O-Ring 332, ist auf der Druckkanal-Seite 710 der Zwischenplatte 700 und der Montageseite 302 der Trägerplatte 300 derart angeordnet, dass das weitere Dichtelement 330 den Druckkanal 310 umschließt. Besonders bevorzugt weist der Druckkanal 310 auf der Montageseite 302 eine Aufweitung seines Durchmessers derart auf, dass das weitere Dichtelement 330 in der Aufweitung aufgenommen ist und den Druckkanal 310 dabei umgibt. Das Dichtelement 320 und das weitere Dichtelement 330 bewirken, dass bei normalen Betriebsbedingungen der Medienraum 150 von dem weiteren Raum 160, welcher der Montageseite 302 zuweist, dicht abgetrennt ist. Weiterhin bewirken das Dichtelement 320 und das weitere Dichtelement 330 einen Toleranzausgleich in axialer Richtung 110 (z-Richtung). Dies geschieht derart, dass mittels der Federkraft des Federelements 502 das bevorzugt aus einem elastischen Material ausgebildeten Dichtelement 320 und das weitere Dichtelement 330 in axialer Richtung zusammenpresst werden. Auf diese Weise wird ein Ausgleich von Längentoleranzen der Zwischenplatte 700, der Kraftübertragungselemente 420, des Aufnahmeteils 400 und der Montagehöhe des Aufnahmeteils 400 an den Kraftübertragungselementen 420, d.h. der axialen Position des Aufnahmeteils 400 relativ zu den Kraftübertragungselementen 420, ermöglicht. Dadurch ermöglichen das Dichtelement 320 und das weitere Dichtelement 330, die Vorrichtung 100 zur Befestigung eines Drucksensors an einer mit einem Druckkanal 310 versehenen Trägerplatte 300 fertigungssicher herzustellen und gewährleisten im an der Trägerplatte 300 montierten Zustand eine sichere und zuverlässige Druckerfassung mittels des Sensorelements 200. Gleichzeitig ist dabei sichergestellt, dass der Medienraum 150 von dem weiteren Raum 160 zumindest bei normalen Betriebsbedingungen dicht abgeschlossen ist.
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Somit stellt sich der durch das Federelement 502 und den durch den Druck des fluiden Mediums bewirkte Kraftfluss in der Vorrichtung wie folgt dar. Das Federelement 502 ist an der Trägerplatte 300 fixiert und übt im Bereich des Druckkanals eine Kraft entgegengesetzt zur axialen Richtung 120 auf die mit ihm an ihrer ersten Stirnseiten 422 in Berührung stehenden Kraftübertragungselemente 420 aus. Die Kraftübertragungselemente 420 übertragen diese Kraft einerseits direkt auf die an ihren zweiten Stirnseiten 424 anliegende Zwischenplatte 700, die auf diese Weise gegen die Trägerplatte 300 gepresst wird, gegebenenfalls unter Zwischenlage des weiteren Dichtelements 330. Gleichzeitig ist an den Kraftübertragungselementen 420 das Aufnahmeelement 400 derart fixiert, dass der Andruckabschnitt 412 einen wohldefinierten Abstand, die Andruckhöhe (d1), bezüglich der zweiten Stirnseiten 424 der Kraftübertragungselemente 420 aufweist. Ebenso weist die Auflagefläche 222 der Schulter 214 des Sensorelements 220 zur ersten Seite 210 des Sensorelements einen wohldefinierten Abstand, die Schulterhöhe (d2), auf. Ist nun die Schulterhöhe (d2) plus die über die Sensorelement-Seite 720 der Zwischenplatte 700 herausragende Höhe des Dichtelements 320 geringfügig größer als die Andruckhöhe (d1), so wird mittels des Federelements 502 über die Kraftübertragungselemente 420 eine Kraft vom am Aufnahmeelement angeordneten Andruckabschnitt 412 auf die Auflagefläche 222 des Sensorelements 200 in eine zur axialen Richtung entgegengesetzte Richtung 120 ausgeübt. Der Druck des fluiden Mediums an der druckbeaufschlagten Fläche der ersten Seite 210 des Sensorelements 200 und an der druckbeaufschlagten Fläche der Zwischenplatte 700 bewirkt eine dagegen gerichtete Kraft in axialer Richtung (z) 110 (die in axialer Richtung 110 wirkende Kraft des fluiden Mediums ergibt sich dabei aus dem Druck des fluiden Mediums multipliziert mit der druckbeaufschlagten Fläche der Zwischenplatte 700 beziehungsweise der ersten Seite 210 des Sensorelements 200). Unter Normaldruckbedingungen des fluiden Mediums im Medienraum 150, also bei Drücken bis zu 20 bar, bevorzugt bis 15 bar, ist dann die von dem Federelement 502 ausgeübte Kraft größer als die vom Druck des fluiden Mediums auf die Vorrichtung ausgeübte Gegenkraft. Somit wird das Sensorelement 200 unter Normaldruckbedingungen dicht gegen die Zwischenplatte 700 und die Zwischenplatte 700 dicht gegen die Trägerplatte 300 gedrückt.
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Im Falle einer temporären Überdrucksituation im Medienraum 150 wirkt der Druck des fluiden Mediums in axialer Richtung (z) 110 gegen die erste Seite 210 des Sensorelements 200 und gegen die Druckkanal-Seite 710 der Zwischenplatte 700. Übersteigt dabei der Druck des fluiden Mediums die durch das Halteelement 500 auf das Sensorelement 200 und die Zwischenplatte 700 ausgeübte Kraft, so wird die Zwischenplatte 700 und/oder das Sensorelement 200 in axialer Richtung (z) 110 von der Montageseite 302 der Trägerplatte 300 weggedrückt. In Folge des Wegdrückens öffnet sich zwischen der Druckkanal-Seite 710 und der Montageseite 302 der Trägerplatte 300 und/oder zwischen der ersten Seite 210 des Sensorelements 200 und der Sensorelement-Seite 720 ein Spalt, welcher von dem Dichtelement 320 beziehungsweise vom weiteren Dichtelement 330 nicht mehr abgedichtet werden. Durch diesen Spalt kann dann das unter dem Überdruck stehende fluide Medium vom Medienraum 150 in den weiteren Raum 160 abfließen, wodurch der unerwünschte Überdruck auf der Seite des Medienraums 150 bis auf ein akzeptables und durch die Federkonstante des Federelements 502 einstellbares Maß abgebaut wird. Somit werden das Sensorelement 200 und auf der Seite des Medienraums 150 befindliche Funktionselemente vor einer Beschädigung durch den unerwünschten Überdruck geschützt. Als unerwünschte Überdrücke gelten dabei in der Regel Drücke über 25 bar, insbesondere Drücke über 30 bar. Ist der unerwünschte Überdruck abgebaut (entweder durch den Druckausgleich zwischen dem Medienraum 150 und dem weiteren Raum 160 oder weil aus anderen Gründen kein unerwünschter Überdruck mehr anliegt), so werden die Zwischenplatte 700 und das Sensorelement 200 mittels der Kraftübertragungselemente 420 von dem Federelement 502 erneut dicht gegen die Trägerplatte 300 beziehungsweise gegen die Zwischenplatte 700 gepresst.
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Im Falle eines temporären Überdrucks, d.h. einem Druck, der im Medienraum 150 eine Schwelle von z.B. 25 bar übersteigt, wirkt die Vorrichtung 100 zur Befestigung eines Drucksensors an einem mit einem Druckkanal 310 versehenen Trägerplatte 300 somit wie ein Sicherheitsventil, das sich in der Überdrucksituation zum weiteren Raum 160 hin öffnet, so einen Druckausgleich zwischen dem Medienraum 150 und dem weiteren Raum 160 ermöglicht und nach Beendigung der Überdrucksituation automatisch wieder schließt und damit den Medienraum 150 von dem weiteren Raum 160 wieder dicht abtrennt.
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In 2 ist eine Basiseinheit der Vorrichtung 100 dargestellt. 2 zeigt das Aufnahmeelement 400 mit den Kraftübertragungselementen 420 und dem Sensorelement 200 sowie die Zwischenplatte 700. Die Darstellung zeigt, dass die als Kontaktfederelemente 602 ausgebildeten Kontaktier-Elemente 600 in der Aussparung 410 des Aufnahmeelements direkt mit den in das Aufnahmeelement 400 eingespritzten elektrischen Leitungen 630 elektrisch verbunden sind. Die Kontaktfederelemente 602 sind an die Anschlusselemente 230 des Sensorelements 200 elektrisch angeschlossen, bevorzugt durch eine Schweißverbindung oder einstückig damit ausgebildet. Die Kontaktfederelemente 602 sind dabei konstruktiv derart ausgelegt, dass sie radiale und axiale Bewegungen der Sensorelemente 200 in der Aussparung 410 federnd ausgleichen können. Dadurch liegen nur geringe mechanische Spannungen an der Kontaktstelle zwischen dem Kontaktfederelement 602 und dem Anschlusselement 230 an. Auf diese Weise wird durch die in radialer Richtung 130 und in axialer Richtung (z) 110 wirkende Federwirkung der Kontaktfederelemente 602 eine besonders dauerhafte und zuverlässige Kontaktierung der Anschlusselemente 230 des Sensorelements sichergestellt. Derartige Auslenkungen in axialer Richtung können beispielsweise durch Temperaturänderungen und dadurch bedingte Längenänderungen an den Anschlusselementen 230 oder dem Sensorelement 200 auftreten.
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Die gesamte in 2 dargestellte Basiseinheit der Vorrichtung 100, bestehend aus Zwischenplatte 700, Aufnahmeelement 400, Kraftübertragungselement 420 und Sensorelement 200 ist in axialer Richtung (z) 110 und in einer zur axialen Richtung entgegengesetzten Richtung 120 innerhalb der Vorrichtung 100 beweglich. Unter Normaldruckbedingungen im Medienraum wird diese Basiseinheit vom Federelement 502 (hier nicht dargestellt) gegen die Trägerplatte 300 gedrückt. In einer (temporären) Überdrucksituation wird sie in axialer Richtung (z) 110 vom fluiden Medium gegen die Federkraft des Federelements 502 von der Trägerplatte 300 weggedrückt.
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Besonders bevorzugt kann die Vorrichtung 100 zur Befestigung eines Drucksensors an einer mit einem Druckkanal 310 versehenen Trägerplatte 300 als bauliche Einheit wie in 2 dargestellt, vormontiert geliefert werden. Das heißt, als Einheit aus dem Aufnahmeelement 400 mit in der Aussparung 410 des Aufnahmeelements 400 angeordneten Sensorelementen 200, welche mittels ihrer Anschlusselemente 230 an den Kontaktier-Elementen 600 elektrisch leitfähig kontaktiert sind, den Kraftübertragungselementen 420 und gegebenenfalls der Zwischenplatte 700 mit der Blende 730. Das in 2 nicht dargestellte Halteelement 500 kann dabei ebenfalls an der Vorrichtung 100 zur Befestigung eines Drucksensors vormontiert sein, so dass die gesamte Vorrichtung 100 zur Befestigung eines Drucksensors an einer mit einem Druckkanal 310 versehenen Trägerplatte 300 zum Verbauen nur noch auf die Trägerplatte 300 aufgesetzt und an der Trägerplatte 300 festgelegt werden muss. Besonders vorteilhaft an einer derartigen Ausgestaltung als bauliche Einheit ist dabei, dass das Sensorelement 200 auf diese Weise transportsicher vom Aufnahmeelement 400 gehäust ist und somit vor Beschädigungen bei Transport oder Montage geschützt ist.
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3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente wie in den 1 und 2. In dieser Ausführungsform ist das Sensorelement 200 direkt auf die Montageseite 302 der Trägerplatte 300 aufgesetzt. Die Montageseite 302 weist dabei eine den Druckkanal 310 umlaufende Sitzfläche 312 auf. Das Sensorelement 200 liegt mit einem den Druckkanal 310 umlaufenden Kontaktabschnitt 212 der ersten Seite 210 des Sensorelements 200 auf dieser Sitzfläche 312 auf. Die radiale Position des Sensorelements 200 wird durch das an der Trägerplatte 300 befestigte Aufnahmeelement 400 vorgegeben, in dessen Aussparung 410 sich das Sensorelement 200 befindet. In dieser Ausführungsform überragt die zweite Seite 220 des Sensorelements 200 in axialer Richtung (z) 110 das Aufnahmeelement 400. Das als Federelement 502 ausgebildete Halteelement 500 ist an seinem äußeren Rand 510 mittels Befestigungselementen 350 auf dem Aufnahmeelement 400 und mit dem Aufnahmeelement 400 zusammen an der Trägerplatte 300 festgelegt. Das Halteelement 500 kommt auf einer die zweite Seite 220 des Sensorelements 200 umlaufenden Auflagefläche 222 des Sensorelements 200 zur Anlage. Das Halteelement 500 drückt das Sensorelement 200 über diese Auflagefläche 222 hin zur Trägerplatte 300. Weiterhin ist das Kontaktier-Element 600 bevorzugt mit dem Aufnahmeelement 400 verbunden und ist als Kontaktfederelement 602 ausgebildet. Das Kontaktier-Element 600 ragt in dieser Ausführungsform in axialer Richtung (z) 110 über das Aufnahmeelement 400 und über das Halteelement 500 hinaus und ist an dem wenigstens einen Anschlusselement 230 des Sensorelements 200 elektrisch kontaktiert. Das beispielsweise als Kontaktfederelement 602 ausgebildete Kontaktier-Element 600 ist somit am Aufnahmeelement 400, das Halteelement 500 in axialer Richtung (z) überragend, angeordnet.
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In einer weiteren Variante des Ausführungsbeispiels von 3, welche hier nicht dargestellt ist, ist zwischen dem Kontaktabschnitt 212 der ersten Seite des Sensorelements 200 und der Sitzfläche 312 der Trägerplatte 300 ein Dichtelement 320, insbesondere ein O-Ring 322 angeordnet und dient dabei zur Abdichtung des Medienraums 150 von dem weiteren Raum 160 sowie als Element für den Längentoleranzausgleich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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