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Die Erfindung betrifft einen Drucksensor, insbesondere einen kapazitiven Drucksensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Kapazitive Drucksensoren werden in vielen Industriebereichen zur Druckmessung eingesetzt. Sie weisen häufig eine keramische Druckmesszelle, als Messwandler für den Prozessdruck, und eine Auswerteelektronik zur Signalverarbeitung auf.
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Typische Messzellen bestehen aus einem keramischen Grundkörper und einer Membran, wobei zwischen dem Grundkörper und der Membran ein Glaslotring angeordnet ist. Der sich dadurch ergebende Hohlraum zwischen Grundkörper und Membran ermöglicht die längsgerichtete Beweglichkeit der Membran infolge eines Druckeinflusses. An der Unterseite der Membran und an der gegenüberliegenden Oberseite des Grundkörpers sind jeweils Elektroden vorgesehen, die zusammen einen Messkondensator bilden. Durch Druckeinwirkung kommt es zu einer Verformung der Membran, was eine Kapazitätsänderung des Messkondensators zur Folge hat.
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Mit Hilfe einer Auswerteeinheit wird die Kapazitätsänderung erfasst und in einen Druckmesswert umgewandelt. In der Regel dienen diese Drucksensoren zur Überwachung oder Steuerung von Prozessen. Sie sind deshalb häufig mit übergeordneten Steuereinheiten, z.B. einer SPS, verbunden.
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Neben den kapazitiven Druckmesszellen gibt es auch Messzellen, die aus einem Keramik-Monolithen bestehen. Hierbei erfolgt die Generierung des Sensorsignals mittels Dehnungsmessstreifen oder Piezo-Elementen, die auf der Messzelle aufgebracht sind und die druckbedingte Durchbiegung der Messzelle in einen entsprechenden Widerstandswert bzw. Spannungs- oder Stromwert umwandeln.
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Im Messbetrieb wird die Druckmesszelle gewöhnlich axial zwischen einem medienseitigen elastischen Dichtring eingespannt, der auf der membranseitigen Stirnfläche der Messzelle aufliegt, und einem Stützelement - häufig in Form eines Stützrings ausgeführt -, welcher die von der Membran abgewandte Stirnfläche des Grundkörpers axial abstützt, wie beispielsweise in der deutschen Patentschrift
DE 44 16 978 oder der
DE 101 33 066 A1 dargestellt ist.
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Der Abstützring ist kraftschlüssig über ein Gewinde mit der Innenseite des Gehäuses bzw. des Prozessanschlusses verbunden. Diese Ausführung stellt einen ausgesprochen robusten Aufbau dar, der zwar bei extrem hohen Drücken notwendig ist, aber in vielen Fällen, d.h. bei Drücken im niederen bis mittleren Bereich bis etwa 100 oder 200 bar, überdimensioniert und damit auch zu aufwendig ist. Die Angabe „100 bar“ bzw. „200 bar“ ist hierbei jedoch als ungefähre Größenordnung und nicht als Absolutgrenze zu verstehen.
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Aus der deutschen Patentschrift
DE 197 29 699 C1 ist ein Tankeinsatz mit einer Sensoreinheit bekannt, bei dem anstatt des genannten Abstützrings ein Haltekörper vorgesehen ist. Dieser Haltekörper wird kappenartig über die Druckmesszelle gestülpt und mit dem Tankeinsatz stoff- und/oder formschlüssig verbunden. Vorgesehen ist diese Anordnung zur Messung des Tankinnendrucks, welcher bspw. für die Ermittlung des Füllstands im Tank verwendet wird. Hierbei entstehen jedoch nur Drücke im Bereich von 1 bis etwa 2,5 bar. Der konstruktive Aufbau, insbesondere aufgrund der schwimmenden Lagerung bzw. Abstützung der Druckmesszelle zwischen den beiden weichelastischen Dichtringen, zeigt, dass die Anordnung nur zur Messung sehr kleiner Drücke in dem genannten Bereich vorgesehen ist. Der obere Dichtring würde einem stärkeren Druckeinfluss nachgeben, möglicherweise sogar zerstört werden, wodurch der untere Dichtring derart entlastet wird, dass hier die Gefahr der Undichtigkeit besteht. Darüber hinaus stellt die Messung des Tankinnendrucks auch keine besondere Beanspruchung der Messzelle dar, da keinerlei Druckspitzen auftreten. Druckspitzen in Rohrleitungen bspw., wie sie in der Prozessmesstechnik häufig auftreten, stellen eine besondere Beanspruchung der Messzelle und deren Befestigung innerhalb des Messgeräts dar. Für eine solche Beanspruchung ist der Tankeinsatz mit der Sensoreinheit nicht vorgesehen und auch in keiner Weise geeignet.
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In der
DE 40 18 638 A1 wird die Abstützung der Druckmesszelle durch einen Topf realisiert, der kappenartigen über die Druckmesszelle gestülpt und mit einem Gehäusegrundteil verschweißt ist.
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Als weiterer Stand der Technik ist die
EP 0 403 257 B1 zu nennen, bei dem das Gehäuse des Druckmesswandlers umgebördelt ist und dadurch ein Abstützring die Druckmesszelle axial abstützt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Drucksensor vorzuschlagen, der in einem großen Druckbereich unter den besonderen Bedingungen der Prozessmesstechnik, insbesondere hinsichtlich des Auftretens von Druckspitzen, einsetzbar, einfach aufgebaut und günstig herstellbar ist. Darüber hinaus soll dieser Drucksensor eine kompakte Bauform aufweisen.
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Die aufgezeigte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den rückbezogenen Ansprüchen angegeben.
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Bei dem erfindungsgemäßen Drucksensor, der für einen Einsatz bis etwa 300 bar ausgelegt ist, ist ein Stützelement mit einem Deckelbereich und einem dazu umgebogenen Rand vorgesehen, das kappenartig ausgebildet und über die Druckmesszelle gestülpt ist. Da Druckmesszellen üblicherweise eine runde Kontur aufweisen, ist dann vorzugsweise auch der Deckelbereich des Stützelements rund ausgeführt. Sollte die Messzelle jedoch eine nichtrunde Kontur aufweise, weist der Deckelbereich des Stützelements eine dementsprechende Gestalt auf. Der Rand des Stützelements ist vorzugsweise senkrecht bzw. im Wesentlichen senkrecht zum Deckelbereich umgebogen. D.h. es sind damit auch konusartige Ausführungen umfasst, bei denen der Rand nicht exakt senkrecht umgebogen ist, sondern einige Grade davon abweichen, was bspw. auch fertigungstechnisch bedingt sein kann.
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Die Innenkontur - d.h. der Innendurchmesser im Falle einer runden Messzelle - des Stützelements entspricht näherungsweise der Außenkontur - bzw. der Außendurchmesser - der Druckmesszelle. Mit „näherungsweise“ ist dabei gemeint, dass die Außenkontur der Druckmesszelle auch geringfügig kleiner als die Innenkontur des Stützelements sein kann und dadurch beide Teile Spiel von etwa 0,02 mm bis 0,3 mm haben. Das Stützelement ist mit dem Prozessanschluss stoffschlüssig verbunden, d.h. insbesondere mittels einer Schweißung.
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Das Stützelement stützt die von der Messmembran abgewandte Stirnseite der Druckmesszelle in einem schmalen, ringförmigen Bereich ab. Koaxial zum Dichtring ist ein Stützring angeordnet, der aus einem thermoplastischen Kunststoff besteht, bevorzugt aus Polyoxymethylen (POM), und bei der axialen Einspannung der Druckmesszelle als Widerlager dient. Die Druckmesszelle bzw. der Drucksensor ist somit einerseits durch den Dichtring gegen eindringende Feuchtigkeit geschützt und andererseits durch ihn nach unten abgestützt. Nach oben ist die Messzelle durch den Kontakt mit dem Stützelement in ihrer axialen Beweglichkeit eingeschränkt. Somit ist an der Membranseite der Messzelle eine elastische Abstützung mit einem festen Anschlag bzw. Widerlager realisiert, während die Messzelle nach oben durch eine spielfreie Einspannung nicht-elastisch abgestützt ist. Auch bei stärkeren Druckeinflüssen behält die Messzelle so ihre Position.
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Die Druckmesszelle ist damit zwischen dem Stützelement und dem medienseitig angeordneten elastischen Dichtring in axialer Richtung eingespannt. Die Beweglichkeit in radialer Richtung wird durch den umgebogenen Rand des Stützelements begrenzt und ist abhängig von der Größe des Spiels, das sich zwischen der Messzelle und dem umgebogenen Rand des Stützelements ergibt. Durch ein möglichst geringes Spiel ergibt sich der Vorteil, dass die Messzelle durch das Stützelement zentriert wird. Eine zentrierte Ausrichtung der Messzelle ist wichtig, da die medienberührende Fläche der Membran idealerweise symmetrisch sein sollte, um eine gleichmäßige, d.h. symmetrische Durchbiegung der Membran bei Druckeinfluss zu gewährleisten. Dagegen kann eine exzentrische Lage unter bestimmten Bedingungen, z.B. Temperaturänderung, zu Messungenauigkeiten führen.
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Vorteilhafterweise ist das Stützelement ein Blechteil, das durch einen Umformprozess, insbesondere durch einen Tiefziehprozess hergestellt ist. Die aus dem Stand der Technik bekannten Stützringe sind aus Messing hergestellte Drehteile mit einer vergleichsweise komplizierten Geometrie. Das erfindungsgemäße Stützelement ist nun einerseits ein sehr einfaches geometrisches Gebilde und durch die Herstellung im Tiefziehprozess sehr preiswert herstellbar. Es ergeben sich dadurch erhebliche Vorteile bei den Herstellkosten und -zeiten.
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Der Deckelbereich des Stützelements ist in axialer, der Druckmesszelle abgewandten Richtung gewölbt, so dass das Stützelement nur in einem ringförmigen Bereich auf der Druckmesszelle aufliegt. Durch die Wölbung wird eine axiale Beweglichkeit der Messzelle in Folge eines Druckeinflusses ermöglicht. Die Niederhaltung der Messzelle erfolgt dann in einem äußeren Bereich der Messzelle. Durch diesen konstruktiven Aufbau werden scharfe Kanten oder dergleichen vermieden, die die Oberfläche der Messzelle verletzen könnten. Kleinste Kerben in der keramischen Oberfläche schwächen die Belastbarkeit, d.h. die Berstfestigkeit der Messzelle, so dass diese zu vermeiden sind.
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Besonders vorteilhaft weist der Deckelbereich des Stützelements wenigstens eine Bohrung auf, die eine elektrische Kontaktierung und/oder eine Entlüftung der Druckmesszelle ermöglicht. Insbesondere, wenn auf der der Druckmesszelle abgewandten Seite des Deckelbereich eine Platine zur Auswertung der von der Messzelle generierten Sensorsignale angeordnet ist, kann dadurch auf sehr kompakte Weise die Messzelle mit der Auswerteelektronik elektrisch verbunden werden.
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Kern der Erfindung ist es also, Drucksensoren für die Prozessmesstechnik erheblich preiswerter und mit geringerem Aufwand herzustellen, indem neben den geringen Material- und Herstellkosten des Stützelements selbst auch der Prozessanschluss eine deutlich kürzere Bauform aufweist, weil auf den Gewindebereich zur Aufnahme des Stützrings verzichtet werden kann. Der sich dadurch ergebende geringere Materialaufwand beim Prozessanschluss erhöht die Kostenersparnis weiter.
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Aufgrund des kürzeren Prozessanschlusses kann überdies die Bauform des Drucksensors insgesamt verkürzt werden, wodurch eine kompakte Bauform realisiert werden kann. Des Weiteren wirkt das als Niederhalter fungierende Stützelement als Kappe und damit im Berstfall auch als Schutz vor abgelösten Keramikteilen und einem durchströmenden Mediumsstrahl.
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Nachfolgend wird die Erfindung im Zusammenhang mit Figuren anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 einen erfindungsgemäßen Drucksensor in perspektivischer Ansicht,
- 2 einen erfindungsgemäßen Drucksensor im Längsschnitt,
- 3 einen Ausschnitt aus 2 in vergrößerter Darstellung,
- 4a das Stützelement in perspektivischer Ansicht von oben und
- 4b das Stützelement in perspektivischer Ansicht von unten.
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In den nachfolgenden Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.
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1 zeigt einen erfindungsgemäßen Drucksensor 1 mit einem Prozessanschluss 5, einem darauf aufgesetzten Gehäuse 2 und einer das Gehäuse 2 abschließenden Anzeige-/Bedieneinheit 4. Seitlich vom Gehäuse 2 abstehend ist ein Steckeranschluss 3 angeordnet, über den der Sensor 1 mit Energie versorgt wird und an dem die Sensorsignale abgegriffen werden können, bspw. zur Weiterleitung an eine übergeordnete Steuereinheit (SPS). Über den Prozessanschluss wird der Sensor 1 mit dem Behältnis oder einer Rohrleitung verbunden, in dem sich das zu messende Medium befindet.
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In 2 ist der erfindungsgemäße Drucksensor 1 im Längsschnitt dargestellt. Von besonderem Interesse für die Erfindung ist hierbei der umkreiste Bereich, der in der nachfolgenden 3 vergrößert dargestellt ist. Zu erkennen ist, wie die Druckmesszelle 10 innerhalb des Sensors 1 angeordnet ist und wie sie auf dem Prozessanschluss 5 zwischen dem als Niederhalter fungierenden Stützelement 20 und dem elastischen Dichtring 30 eingespannt ist. Der Prozessanschlusses 5 weist an seiner Unterseite eine Öffnung auf, über die das zu messende Medium an die Membran 11 der Messzelle 10 gelangt. Das Gehäuse 2 ist bspw. mittels Presspassung mit dem Prozessanschluss 5 verbunden. Nachfolgend wird nun die Funktion des Stützelements im Zusammenhang mit 3 näher erläutert.
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Die Messzelle 10 besteht aus Keramik und ist entweder als kapazitive Zelle mit einen Messkondensator bildenden Elektroden oder als Monolith mit Dehnungsmessstreifen oder Piezo-Elementen ausgeführt.
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3 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus 2, nämlich den Prozessanschluss 5, auf dem die durch das Stützelement 20 und dem elastischen Dichtring 30 sowie dem Stützring 40 eingespannte Druckmesszelle 10 angeordnet ist. Das Stützelement 20 besteht aus einem Deckelbereich 21 und einem um etwa 90° umgebogenen, kragenförmigen Rand 22. Es ist ein Blechteil, das durch Tiefziehen in die dargestellte Form umgeformt wurde. Der Prozessanschluss 5 ist üblicherweise aus Edelstahl. Der Dichtring 30 ist ein Elastomer, während der Stützring 40 aus Polyoxymethylen (POM) besteht. Grundsätzlich ist aber auch jeder andere thermoplastische Kunststoff denkbar, wobei sich POM aufgrund seiner hohen Festigkeit, Härte und Steifigkeit in einem weiten Temperaturbereich besonders eignet.
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Auf der Oberseite des Deckelbereichs 21 des Stützelements 20 befindet sich die Sensorelektronik 12. Über Bohrungen 23 (siehe 4a+b) werden die Sensorsignale der Messzelle 10 mithilfe von Pins an die Elektronikeinheit 12 übertragen, wo sie verstärkt und ggf. aufbereitet werden (Erzeugen eines Schaltsignals, Digitalisierung etc.).
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Der Prozessanschluss 5 weist an seinem oberen Ende eine U-förmige Öffnung auf, in dem die Messzelle 10 und das Stützelement 20 angeordnet sind. Zwischen der Innenseite des umgebogenen Rands 22 des Stützelements 20 und der Außenseite der Messzelle 10 ist ein geringes Spiel. Je geringer dieses Spiel ist, desto genauer kann die Messzelle 10 in der Öffnung des Prozessanschlusses 5 zentriert werden. Nur eine zentrierte Position der Messzelle 10 ermöglicht eine symmetrische Bewegung der Membran 11 und damit fehlerfreie Messergebnisse. Die Außenseite des umgebogenen Rands 22 des Stützelements 20 ist mittels einer Schweißung mit dem Prozessanschluss 5 verbunden. Aufgrund der Länge des umgebogenen Rands 22 kann die Schweißstelle über einen gewissen Bereich variieren, so dass das Stützelement auch für verschieden dicke Messzellen verwendet werden kann.
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Der Deckelbereich 21 des Stützelements 20 ist im Innenbereich 21 a leicht gewölbt. Die axiale Abstützung der Messzelle 10 an der der Messmembran abgewandten Stirnseite 10b erfolgt daher nicht flächig über die gesamte Oberfläche des Deckelbereichs 21, sondern in einem schmalen, ringförmigen Bereich im Rand der Messzelle 10. Dadurch ist eine axiale Beweglichkeit der Messzelle 10 aufgrund des Druckeinflusses möglich, während durch diesen konstruktiven Aufbau scharfe Kanten oder dergleichen vermieden werden, die die Oberfläche der Messzelle verletzen könnten. Kleinste Kerben in der keramischen Oberfläche würden die Belastbarkeit, d.h. die Berstfestigkeit der Messzelle schwächen.
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Auf der membranseitigen Stirnseite 10a sind der Dichtring 30 und der Stützring 40 koaxial zueinander angeordnet. Vor der Montage, d.h. vor dem Einsetzen der Messzelle 10 ist der Dichtring 30 in axialer Richtung größer als der Stützring 40. Beim Aufsetzen der Messzelle 10 und des Stützelements 20 drückt von oben auf das Stützelement 20 eine Kraft, die den Dichtring 30 vorspannt und ihn nahezu bis auf die Höhe des Stützrings 40 zusammengedrückt, so dass sich aber noch ein minimaler Spalt zwischen dem Stützring 40 und der Unterseite der Messzelle 10 einstellt. Erst dann wird das Stützelement 20 mit dem Prozessanschluss 5 verschweißt. Der Dichtring 30 dient somit der Abdichtung sowie der Abstützung der Messzelle 10, während der Stützring 40 als Widerlager fungierend die axiale Beweglichkeit der Messzelle 10 nach unten begrenzt, so dass sichergestellt ist, dass die Messzelle 10 bzw. die Stirnseite 10a der Membran 11 keine Berührung mit dem Prozessanschluss 5 hat. Zwischen der Stirnseite 10a der Membran 11 und dem stufenförmigen Absatz des Prozessanschlusses 5 befindet sich demnach ein minimaler Spalt, auch wenn dies aus der 3 nicht so ersichtlich sein sollte. Eine Berührung von Messzelle 10 und Prozessanschluss 5 ist in jedem Fall, insbesondere aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnung beider Materialien zu vermeiden.
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Die 4a und 4b zeigen das Stützelement 20 in perspektivischer Ansicht von oben und unten. Zu erkennen sind drei Bohrungen 23 für die elektrische Kontaktierung und eine Bohrung 24 für die Entlüftung. Bei kapazitiven Messzellen sind für die elektrische Kontaktierung zumeist drei Bohrungen nötig, da es eine Messelektrode und eine Referenzelektrode gibt, die jeweils mit einer Gegenelektrode eine Kapazität bilden. Jede der drei Elektroden muss separat abgegriffen werden. Die Entlüftung ist notwendig, um den Einfluss des sich ändernden Luftdrucks auf die Messzelle auszugleichen.
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Auch wenn hier als bevorzugte Ausführungsform der Deckelbereich 21 kreisrund gezeigt ist, kann der Deckelbereich 21 auch jede andere, der Messzelle 10 entsprechende Form haben.
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Deutlich zu erkennen ist, dass es sich bei dem Stützelement 20 um ein geometrisch vergleichsweise einfaches Gebilde handelt, das als Stanz-/Biegeteil aus Blech einfach herstellbar ist.
