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Die Erfindung betrifft einen Druckaufnehmer zum Erfassen des Druckes eines Mediums gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Zum Detektieren von Drücken werden üblicher Weise elektroresistive oder piezoelektrische Sensoren verwendet, die beispielsweise den Druck eines Fluids in einem hydraulischen Kreislauf erfassen. Elektroresistive Sensoren benötigen eine externe Stromversorgung und sind relativ empfindlich gegenüber Fertigungstoleranzen. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass deren Sensitivität gegenüber kleineren Änderungen der Messgröße, d. h., des Druckes, begrenzt ist.
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Piezoelektrische Drucksensoren haben den Nachteil, dass über lange Zeiträume Drifterscheinungen auftreten können, so dass die Langzeitstabilität gering ist. Des Weiteren werden bei piezoelektrischen Sensoren häufig bleihaltige Materialien, wie beispielsweise Bleizirkoniumtitanat oder aber seltene Materialien wie beispielsweise Quarz, Turmalin oder Galliumphosphat verwendet. Derartige Materialien sind entweder durch gesetzliche Regelungen, beispielsweise die RoHS-Richtline 2011/65/EU (Restriction of Hazardous Substances) oder aufgrund des Preisdrucks bzw. weiterer gesetzlicher Vorgaben durch alternative Materialien/Lösungsansätze zu ersetzen.
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Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen einfach aufgebauten und mit minimalem Energiebedarf betreibbaren Druckaufnehmer zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch einen Druckaufnehmer mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindungen sind in den Unteransprüchen enthalten.
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Der erfindungsgemäße Druckaufnehmer dient zur Erfassung des Drucks eines Mediums und hat eine Sensoranordnung, die mittelbar oder unmittelbar mit diesem Druck beaufschlagt ist. Erfindungsgemäß verfügt die Sensoranordnung über einen triboelektrischen Wandler.
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Die prinzipielle Verwendung eines triboelektrischen Wandlers bei Sensoren ist beispielsweise aus der
DE 44 29 035 A1 bekannt.
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Unter einem triboelektrischen Wandler ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein auf den triboelektrischen Effekt beruhendes Element zu verstehen. Bei derartigen Wandlern werden zwei aus unterschiedlichen isolierenden Materialien bestehende tribologische Kontaktflächen miteinander in Kontakt gebracht, so dass es zu einem Austausch von Ladungsträgern zwischen den Kontaktflächen kommt. Bewegt man nun diese Kontaktflächen auseinander, so werden Ladungsträger auf der Oberfläche der isolierenden Materialien verbleiben und es baut sich ein elektrisches Feld auf, da die Ladungen nicht länger durch die gegenteilig geladenen Ladungsträger auf der gegenüberliegenden Kontaktfläche abgeschirmt sind. Dieses Feld führt zu einem Fluss von Kompensationsladungen in Elektroden, die auf den Rückseiten der mit den Kontaktflächen ausgeführten Elemente aufgebracht sind bzw. zum Aufbau einer Spannung, wenn dieser Stromfluss durch das Auseinanderbewegen der Kontaktflächen behindert ist. Werden die beiden Kontaktflächen wieder in tribologischen Kontakt gebracht, so kehrt sich der eben beschriebene Effekt um und es kommt zu einem Stromfluss oder einer Spannung mit umgekehrten Vorzeichen.
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Ein derartiger Wandler, wie er beispielsweise in der
DE 44 29 035 A1 beschrieben ist, kann auch mit einer Kontaktfläche aus metallischen bzw. leitfähigem Material und einer Kontaktfläche aus einem nicht leitfähigen Material aufgebaut sein. Die Ladungstrennung findet dann, wie oben beschrieben, bei Kontakt zwischen der metallischen leitfähigen Fläche und der zweiten Kontaktfläche statt, die wie im zuvor beschriebenen Fall an einem Element aus isolierendem Material mit rückseitiger Elektrode ausgebildet sein muss. Werden die beiden Kontaktflächen bei geschlossenem Stromkreis auseinander bewegt, so werden auf der metallischen/leitfähigen Oberfläche keine Ladungsträger gespeichert. Die Ladungen fließen ab und wandern als Kompensationsladungen in die Elektrode auf der Rückseite der aus isolierendem Material bestehenden Kontaktfläche, so dass auch in diesem Aufbau ein Strom fließt, wenn der Abstand zwischen den Kontaktflächen verändert wird. Bei offenem Stromkreis bzw. behindertem Stromfluss baut sich entsprechend eine Spannung auf.
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Die Kontaktflächen können dabei lateral relativ zueinander oder aber auch quer zu ihrer Großfläche auseinander bewegt werden, um eine Trennung der Oberflächenladungen herbeizuführen um den beschriebenen Fluss von Kompensationsladungen zu verursachen.
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Empirische triboelektrische Reihen geben Auskunft darüber, welche Ladungstrennung beim Kontakt zweier Materialien zu erwarten ist. Dabei sind die triboelektrischen Reihen, die von verschiedenen Autoren in unterschiedlichen Studien aufgestellt wurden, relativ gut miteinander vergleichbar. D. h., die Reihenfolge in der Materialien nach ihrer Neigung zur positiven oder negativen Aufladung geordnet werden, ist in allen Studien bis auf wenige Ausnahmen identisch. Materialkombinationen für besonders starke triboelektrische Ladungseffekte können also anhand veröffentlichter triboelektrischer Reihen ausgewählt werden.
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Unter einer „triboelektrischen Reihe“ ist somit im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine empirisch aufgestellte Reihe zu verstehen, die die Ladungsträgeraffinität eines Materials angibt. Je weiter ein Material an einem Ende der Reihe steht, desto mehr Ladungsträger wird es bei Berührung oder Reibung an ein Material abgeben, welches weiter am anderen Ende dieser Reihe steht. Die tatsächliche Quantität der Ladungstrennung durch den triboelektrischen Effekt hängt jedoch auch von weiteren Faktoren, wie beispielsweise der Temperatur, der Oberflächenbeschaffenheit, der elektrischen Leitfähigkeit und der Wasseraufnahme ab. In der Literatur wird als Kenngröße für die Ladungsträgeraffinität auch die Dielektrizitätskonstante angegeben.
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Die beiden Materialien werden vorzugsweise so gewählt, dass sie einen gewissen, möglichst großen Abstand auf der triboelektrischen Reihe aufweisen und/oder aber unterschiedliche Dielektrizitätskonstanten haben. Dabei müssen die Materialien nicht notwendigerweise unterschiedlich ausgebildet sein sondern es kann auch hinreichend sein, die Materialien in unterschiedlicher Weise vorzubehandeln, so dass sich nicht aufgrund der Materialwahl sondern aufgrund der Vorbehandlung (Oxidation etc.) eine Potentialdifferenz ausbildet.
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Dem entsprechend sind positive oder negative Eigenschaften nach der triboelektrischen Reihe als relative Eigenschaften und nicht als absolute Eigenschaften zu verstehen. So bedeutet eine positive Eigenschaft nach der triboelektrischen Reihe lediglich, dass ein solches Material mehr Elektronen bei Berührung oder Reibung an ein anderes Material abgeben oder mehr Protonen von diesem aufnehmen kann, welches eine stärkere negative Eigenschaft nach der triboelektrischen Reihe aufweist.
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Der Vorteil eines derartigen als triboelektrischen Wandler ausgeführten Sensors ist, dass zum Einen keine externe Stromversorgung vorgesehen sein muss, da bei diesem aufgrund der vorbeschriebenen elektrostatischen Aufladung der Wandlerelemente eine Spannung beziehungsweise ein Strom als Messsignal abgreifbar ist, der einen Rückschluss auf den Druck des Mediums zulässt.
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Diese Korrelation kann beispielsweise mittels eines Microcontrollers erfolgen, in dem Kennlinien abgelegt sind, aus denen der Druck eines Mediums in Abhängigkeit vom Messsignal (Spannung, Strom) am triboelektrischen Wandler ablesbar ist. Diese Kennlinien können beispielsweise noch in Abhängigkeit von der Temperatur und sonstigen Betriebsparametern erstellt sein.
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Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der triboelektrische Wandler in einem Raum eines Gehäuses aufgenommen, der hin zum Medium von einem elastischen Element abgedichtet ist. Dieses elastische Element ist mit dem Druck beaufschlagt und steht in Wirkverbindung mit dem Wandler.
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Dabei kann das elastische Element selbst ein Wandlerelement sein.
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Bei einer Variante der Erfindung ist das elastische Element als Membran ausgeführt.
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Der triboelektrische Wandler hat ein erstes Wandlerelement und ein zweites Wandlerelement, die jeweils mit einer Elektrode versehen sind und die hinsichtlich ihrer Dielektrizitätskonstante und der Eigenschaft nach der tribologischen Reihe unterschiedlich sind. Dabei können die Wandlerelemente, wie erläutert, aus zwei isolierenden Materialien, beispielsweise Polymeren bestehen. Es ist auch möglich, ein Wandlerelement aus einem metallischen, leitenden Werkstoff und das andere Wandlerelement aus einem isolierenden Material herzustellen. Die beiden Wandlerelemente sind bei Druckbeaufschlagung in tribologischen Kontakt bringbar. Dies kann beispielsweise durch laterale Relativbewegung, Relativbewegung quer zur Großfläche der Wandlerelemente oder durch Verbiegen eines oder beider Wandlerelemente erfolgen.
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Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist derjenige Raum, in dem der triboelektrische Wandler aufgenommen ist druckentlastet.
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Das Sensorsignal lässt sich verbessern, wenn zumindest eine Kontaktfläche der beiden Wandlerelemente tribologisch optimiert ist. Dies kann beispielsweise mittels einer Oberflächenstrukturierung erfolgen.
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Bei einer Variante sind beide Wandlerelemente aus Polymeren hergestellt. Dabei kann beispielsweise ein Wandlerelement aus Teflon und das andere Wandlerelement aus Polyamid bestehen. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel besteht das eine Wandlerelement aus Kapton während das andere Wandlerelement aus PMMA besteht. Selbstverständlich können auch andere Materialkombinationen verwendet werden.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Druckaufnehmer mit einem patronenförmigen Gehäuse ausgeführt, in dem zum Einen der triboelektrische Wandler aufgenommen ist und an dem zum Anderen ein Einschraubgewinde ausgebildet ist, über das der Druckaufnehmer in den Bereich eingeschraubt werden kann, der mit dem druckbeaufschlagten Medium in Kontakt ist.
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An einem derartigen Gehäuse können Anschlüsse zur Verbindung mit einem Microcontroller und/oder eine Spannungsversorgung ausgeführt sein.
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Im Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel anhand 1 erläutert. Diese zeigt einen schematisierten Schnitt eines erfindungsgemäßen Druckaufnehmers.
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Wie erläutert, zeigt 1 einen Schnitt eines erfindungsgemäßen Druckaufnehmers 1, der beispielsweise in eine Wandung 2 eines ein Fluid 4 führenden Kanals einer hydraulischen Verdrängermaschine oder dergleichen einsetzbar ist. In die Wandung 2 ist dabei eine Einschraubbohrung 6 eingebracht, in die der Druckaufnehmer 1 eingesetzt ist. Dieser hat ein patronenförmiges Gehäuse 8, das an seinem in 1 unten liegenden Endabschnitt radial zu einem Einschraubabschnitt 10 zurückgesetzt ist, der im dargestellten eingesetzten Zustand in Gewindeeingriff mit der Einschraubbohrung 6 steht. An diesen Einschraubabschnitt 10 schließt sich ein Aufnahmegehäuse 12 an, in dem fluiddicht ein triboelektrischer Wandler 14 aufgenommen ist. Im Bereich einer Ringstirnfläche 16 des Aufnahmegehäuses 12 ist ein Dichtelement 19, beispielsweise ein O-Ring oder eine Flachdichtung angeordnet, die dichtend auf der Wandung 2 aufliegt, so dass der Kanal nach außen hin abgedichtet ist. Das Aufnahmegehäuse 12 ist im Anschluss an einen den Einschraubabschnitt 10 durchsetzenden Sensorkanal 18 zu einem Raum 20 erweitert, der den Wandler 14 aufnimmt. Dieser Raum 20 ist mittels einer flexiblen Membran 22 zum Sensorkanal 18 hin abgedichtet. Die Membran 22 ist so ausgelegt, dass eine Druckänderung im Sensorkanal 18 zu einer entsprechenden Auslenkung führt.
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Der triboelektrische Wandler 14 hat beim dargestellten Ausführungsbeispiel in an sich bekannter Weise ein erstes Wandlerelement 24, das im Grundzustand, d. h., bei nicht mit Druck beaufschlagter Membran 22 im Abstand zu einem zweiten Wandlerelement 26 steht. Ein Wandlerraum 28 zwischen den beiden Wandlerelemente 24, 26 ist mittels einer Ausgleichsbohrung 28 nach außen hin druckentlastet. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist das erste Wandlerelement 24 aus einem Polymer, beispielsweise Teflon ausgebildet. Das zweite Wandlerelement 26 besteht ebenfalls aus einem Polymer, beispielsweise Polyamid. Wie in 1 dargestellt, ist eine dem zweiten Wandlerelement 26 zuweisende tribologische Kontaktfläche 32 mit einer Mikrostruktur ausgeführt, die beispielsweise durch einen eigenen Bearbeitungsvorgang ausgebildet sein kann. Eine derartige gesondert ausgebildete Mikrostruktur ist beim zweiten Wandlerelement 26 nicht ausgeführt, so dass dessen tribologische Kontaktfläche 34 mit einer geringeren Rauigkeit ausgebildet ist. Prinzipiell reicht es jedoch aus, die Rauigkeit der tribologischen Kontaktflächen 32, 34 durch den Herstellvorgang selbst aufgrund der damit einhergehenden Oberflächenrauhigkeit bereitzustellen. Die Rauigkeit ist dabei so gewählt, dass es zu der eingangs erläuterten elektrostatischen Aufladung und der damit einhergehenden elektrischen Potentialänderung kommt.
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Auf der Rückseite des ersten Wandlerelements 24 und auf der Rückseite des zweiten Wandlerelements 26 ist jeweils eine Elektrode 36, 38 ausgeführt, die über Signalleitungen mit dem nicht dargestellten Microcontroller verbunden sind, über die die Auswertung der Sensorsignale erfolgt.
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Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist beispielsweise das zweite Wandlerelement 26 derart angeordnet, dass es bei einer Auslenkung der Membran 22 in entsprechender Weise zum ersten Wandlerelement 24 hin ausgelenkt oder verschoben wird und somit die beiden tribologischen Kontaktflächen 32, 34 reibschlüssig in Kontakt gelangen. Wie erläutert, wird durch die Relativbewegung der beiden Wandlerelemente 24, 26 eine elektrische Potentialänderung hervorgerufen, deren Größe ein Maß für den Druck p im Fluid ist.
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Diese Relativverschiebung kann beispielsweise durch Verbiegen des zweiten Wandlerelements 26 erfolgen, so dass sich dieses nach oben, zum ersten Wandlerelement 14 hin ausbiegt. Vorstellbar ist auch eine Parallelverschiebung hin zum zweiten Wandlerelement 14. Prinzipiell kann die Membran 22 auch so wirken, dass die beiden Wandlerelemente relativ zueinander lateral verschoben werden. In den beiden letztgenannten Fällen würden die Wandlerelemente 24, 26 im Grundzustand, vorzugsweise aneinander anliegen.
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Wie erwähnt, ist es auch möglich, auf den Wandlerraum 28 zu verzichten, so dass die Reibung beispielsweise durch ein Verbiegen eines oder beider Wandlerelemente 24, 26 erfolgt, wobei diese in der Grundposition ebenfalls aneinander anliegen.
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Die Mikrostruktur des ersten Wandlerelements 24 und/oder des zweiten Wandlerelements 26 kann im Hinblick auf die Proportionalität, die Signalstärke und die Linearität der Messsignale des Druckaufnehmers und in Abhängigkeit von den zu erfassenden Drücken und Betriebsmedien gewählt werden. Da der Druckaufnehmer 1 im Hinblick auf die verwendeten Materialien unbedenklich ist, erlaubt das erfindungsgemäße Konzept die Herstellung eines Druckaufnehmers gemäß der RoHS-Richtlinie 2011/65/IU, wobei die Kosten aufgrund der handelsüblichen Materialien minimal sind.
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Beim dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Übertragung der Druckveränderungen über die Membran 22. Prinzipiell ist es auch möglich, eines der Wandlerelemente 24, 26 nach Art einer Membran auszubilden, wobei dies dann so erfolgt, dass über dieses Wandlerelement eine Abdichtung zu dem das Fluid führenden Kanal erfolgt.
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Offenbart ist ein Druckaufnehmer mit einem triboelektrischen Wandler.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Druckaufnehmer
- 2
- Wandung
- 4
- Fluid
- 6
- Einschraubbohrung
- 8
- Gehäuse
- 10
- Einschraubabschnitt
- 12
- Aufnahmegehäuse
- 14
- triboelektrischer Wandler
- 16
- Ringstirnfläche
- 18
- Sensorkanal
- 19
- Dichtelement
- 20
- Raum
- 22
- Membran
- 24
- erstes Wandlerelement
- 26
- zweites Wandlerelement
- 28
- Wandlerraum
- 30
- Ausgleichsbohrung
- 32
- tribologische Kontaktfläche
- 34
- tribologische Kontaktfläche
- 36
- Elektrode
- 38
- Elektrode
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4429035 A1 [0008, 0010]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- RoHS-Richtline 2011/65/EU [0003]
- RoHS-Richtlinie 2011/65/IU [0034]
