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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Drucksensor und ein Verfahren zum Herstellen eines Drucksensors
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Stand der Technik
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Ein Drucksensor erfasst einen Druck in einem Medium und stellt ein elektrisches Signal bereit, das einen Wert des Drucks abbildet. Wenn der Druck größer als ein konstruktiv festgelegter Grenzwert wird, kann der Drucksensor zerstört werden. Um die Zerstörung zu vermeiden, kann der Drucksensor so gestaltet werden, dass ein Teil des Drucksensors zurückweichen kann, wenn der Druck zu groß wird.
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Die
DE 10 2008 054 382 A1 zeigt beispielsweise ein Drucksensormodul, bei dem ein Teil des Drucksensormoduls ausweichen kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Drucksensor und ein Verfahren zum Herstellen eines Drucksensors gemäß den unabhängigen Ansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des hier vorgestellten Ansatzes sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Vorteile der Erfindung
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können in vorteilhafter Weise ermöglichen, dass ein Drucksensor wiederholt unbeschädigt vor einem zu großen Druck, beispielsweise durch ein gefrierendes Medium, zurückweichen kann und immer sicher seine Ausgangsposition erreicht, wenn der Druck nachlässt. Der Drucksensor weist ferner eine erhöhte Genauigkeit unabhängig von der Geometrie des Einbauraums auf.
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Es wird ein Drucksensor mit einer beweglich in einem Sensorgehäuse des Drucksensors gelagerten Sensorbaugruppe vorgestellt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Feder an der Sensorbaugruppe und dem Sensorgehäuse abgestützt ist, die mit einer Vorspannkraft vorgespannt ist.
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Weiterhin wird ein Verfahren zum Herstellen eines Drucksensors vorgestellt, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Schritt des Vorspannens eine Feder des Drucksensors mit einer Vorspannkraft vorgespannt wird, wobei die Feder an einem Sensorgehäuse des Drucksensors und einer in dem Sensorgehäuse beweglich gelagerten Sensorbaugruppe des Drucksensors abgestützt ist.
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Ideen zu Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können unter anderem als auf den nachfolgend beschriebenen Gedanken und Erkenntnissen beruhend angesehen werden.
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Ein Drucksensor bildet einen Druck in einem Medium ab und gibt ein Signal aus, das den Druck in einem Wert abbildet. Beispielsweise wird durch den Druck ein Sensorelement verformt und ändert dadurch seine elektrischen Eigenschaften. Ein Sensorgehäuse kann fest an einem Behälter für das Medium befestigt werden. Insbesondere ein Innendruck des Behälters kann durch den Drucksensor erfasst werden. Das Sensorelement ist Teil einer Sensorbaugruppe. Die Sensorbaugruppe ist relativ zu dem Sensorgehäuse und damit relativ zu dem Behälter beweglich. Zwischen dem Sensorgehäuse und der Sensorbaugruppe ist eine Feder angeordnet. Die Feder ist bereits in nicht verbautem Zustand verformt und wird in der verformten Lage gehalten. Eine Vorspannkraft ist eine Federkraft, die durch die Verformung der Feder in der Feder gespeichert ist. Beispielsweise wird die Feder zusammengedrückt. Die Vorspannkraft ist konstant und exakt einstellbar. Die Feder kann über die gespeicherte Verformung hinaus weiter verformt werden. Um die Feder weiter zu verformen und die Sensorbaugruppe zu bewegen, muss eine über die Sensorbaugruppe auf die Feder wirkende Kraft größer als die Vorspannkraft sein.
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Eine Anschlagfläche der Sensorbaugruppe kann durch die Vorspannkraft an ein Gegenstück des Sensorgehäuses angepresst werden, um eine Nullposition der Sensorbaugruppe zu definieren. Die Anschlagfläche kann von dem Gegenstück abheben, wenn eine auf die Sensorbaugruppe wirkende Kraft größer als die Vorspannkraft ist. Die Anschlagfläche und das Gegenstück können quer zu einer Kraftrichtung der Vorspannkraft ausgerichtet sein. Durch die Anschlagfläche kann die Sensorbaugruppe wiederholbar eine Nullposition einnehmen, nachdem die auf die Sensorbaugruppe wirkende Kraft kleiner als die Vorspannkraft geworden ist.
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Die Feder kann durch einen unter der Vorspannkraft mit dem Sensorgehäuse verbundenen Stützring vorgespannt sein. Der Stützring kann mit der Vorspannkraft in das Sensorgehäuse eingepresst werden und mit dem Sensorgehäuse verbunden werden. Der Stützring kann beispielsweise in das Sensorgehäuse eingeschraubt sein. Ebenso kann der Stützring in das Sensorgehäuse geschweißt sein. Dabei kann der Stützring verschweißt werden, während er mit der Vorspannkraft in das Gehäuse gepresst wird. Durch das Einpressen können Vorspannkraftschwankungen durch Fertigungs- und Montagetoleranzen eliminiert werden.
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Das Gegenstück kann durch den Stützring ausgebildet sein. Ein Flansch der Sensorbaugruppe kann zwischen dem Stützring und der Feder angeordnet sein. Dadurch kann der Drucksensor einfach und von einer Seite montiert werden. Der Flansch kann die Anschlagfläche und eine Auflagefläche für die Feder ausbilden.
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Der Stützring kann ferner eine Führungsfläche für die Sensorbaugruppe aufweisen. Die Führungsfläche kann in der Kraftrichtung der Vorspannkraft ausgerichtet sein. Durch die Führungsfläche kann die Sensorbaugruppe beim Einfedern nicht seitlich ausweichen und dabei verkanten.
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Die Sensorbaugruppe kann aus einem Sensorstutzen, einer durch eine Trennmembran abgetrennten Ölvorlage und einer Sensorzelle zum Erfassen eines Drucks in der Ölvorlage bestehen. Eine Ölvorlage mit der Trennmembran kann die Sensorzelle räumlich und chemisch von dem zu messenden Medium trennen. Dadurch können einfachere Sensorzellen verwendet werden. Durch die Ölvorlage kann der Druck auch bei aggressiveren Medien erfasst werden.
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Es wird darauf hingewiesen, dass einige der möglichen Merkmale und Vorteile der Erfindung hierin mit Bezug auf unterschiedliche Ausführungsformen als Drucksensor und Verfahren zum Herstellen beschrieben sind. Ein Fachmann erkennt, dass die Merkmale in geeigneter Weise kombiniert, angepasst oder ausgetauscht werden können, um zu weiteren Ausführungsformen der Erfindung zu gelangen.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei weder die Zeichnungen noch die Beschreibung als die Erfindung einschränkend auszulegen sind.
- 1 zeigt eine Darstellung eines Drucksensors gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
- 2 zeigt eine Schnittdarstellung eines Drucksensors gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in den Figuren gleiche oder gleichwirkende Merkmale.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine Darstellung eines Drucksensors 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Drucksensor 100 weist ein Sensorgehäuse 102 auf, in dem eine Sensorbaugruppe 104 beweglich gelagert ist. Zwischen dem Sensorgehäuse 102 und der Sensorbaugruppe 104 ist eine Feder angeordnet, die mit einer Vorspannkraft vorgespannt ist und die Sensorbaugruppe 104 in eine Nullposition drückt. Von der Sensorbaugruppe 104 ist hier im Wesentlichen ein Sensorstutzen 106 zum Einsetzen in eine Aufnahmeöffnung sichtbar. Der Sensorstutzen 106 ragt in der Nullposition aus dem Sensorgehäuse 102. Der Sensorstutzen 106 weist einen zylindrischen Grundkörper auf. Rund um den Grundkörper verläuft eine Nut für einen O-Ring zum Abdichten gegen die Wände der zylindrischen Aufnahmeöffnung. Der Sensorstutzen 106 weist an einer von dem Sensorgehäuse 102 abgewandten Seite eine flache Seite auf, an der eine Trennmembran 108 angeordnet ist. Die Trennmembran 108 ist rund und weist eine konzentrische Wellenstruktur auf.
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In einem Ausführungsbeispiel weist der Sensorstutzens 106 an einer Seitenfläche eine Einfüllöffnung 110 auf. Über die Einfüllöffnung 110 wird die Sensorbaugruppe 104 zwischen der Trennmembran 108 und einer Sensorzelle des Drucksensors 100 mit einer Ölvorlage gefüllt. Die Einfüllöffnung 110 ist zwischen dem O-Ring und dem Sensorgehäuse 102 angeordnet und beispielsweise mit einer Kugel dicht verschlossen.
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Das Sensorgehäuse 102 weist einen hohlzylindrischen Grundkörper und an einem von dem Sensorstutzen 106 abgewandten Ende eine elektrische Schnittstelle 112 zum elektrischen Kontaktieren des Drucksensors 100 auf. An einem dem Sensorstutzen 106 zugewandten Ende weist das Sensorgehäuse 102 einen Befestigungsflansch 114 auf. Der Befestigungsflansch 114 weist hier zwei Befestigungsöffnungen zum Befestigen des Drucksensors 100 auf. Das Sensorgehäuse 102 und der Befestigungsflansch 114 sind ein Teil aus Kunststoff, in dem sich die Kontaktierung befindet. Die Kontaktierung ist ein Einlegeteil das umspritzt ist.
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2 zeigt eine Schnittdarstellung eines Drucksensors 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Drucksensor 100 entspricht dabei im Wesentlichen dem Drucksensor in 1. Hier sind die Einzelteile der Sensorbaugruppe 104 dargestellt. Die Sensorbaugruppe 104 besteht aus dem Sensorstutzen 106, der Trennmembran 108, einem ölgefüllten Kanal 200 durch den Sensorstutzen 106 und einer daran anschließenden Sensorzelle 202 zum Erfassen eines Drucks in einer Ölvorlage 204 zwischen der Trennmembran 108 und der Sensorzelle 202. Die Membran 108 ist unter Öl auf den Sensorstutzen 106 geschweißt. Dadurch umfasst die Ölvorlage 204 eine geringere Ölmenge auf. So kann eine erhöhte Genauigkeit erreicht werden. Die Sensorzelle 202 ist über federnde Kontakte 206 elektrisch kontaktiert. Die Feder 208 ist zwischen einem umlaufenden Flansch 210 der Sensorbaugruppe 104 und einem Vorsprung des Sensorgehäuses 102 angeordnet. Die Feder 208 kann beispielsweise ein Tellerfederpaket sein, das in einer Einfederrichtung der Sensorbaugruppe 104 durch das Sensorgehäuse 102 geführt ist. Der Flansch 210 liegt in der Nullposition an einem in das Sensorgehäuse geschweißten Stützring 212 an.
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Bei der Herstellung sind die Feder 208 und die Sensorbaugruppe 104 zuerst im Sensorgehäuse 102 angeordnet worden. Dann ist der Stützring 212 auf den Flansch 210 aufgelegt worden und in das Sensorgehäuse 102 mit einer definierten Kraft eingepresst worden. An einer dann erreichten Position ist der Stützring 212 mit dem Sensorgehäuse 102 verschweißt worden.
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Beim Einpressen des Stützrings 210 ist die Feder 208 mit der Vorspannkraft 214 vorgespannt worden. Der Flansch 210 hebt von dem Stützring 212 ab, wenn eine auf den Sensorstutzen 106 ausgeübte Kraft größer als die Vorspannkraft 214 ist.
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Wenn die Sensorbaugruppe 104 in das Sensorgehäuse 102 einfedert, wird sie durch den Stützring 212 in der Einfederrichtung geführt. In eingebautem Zustand wird die Sensorbaugruppe 104 ferner durch die an der Innenseite der Bohrung 216 anliegende Dichtung 218 geführt.
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Im Gegensatz zur Darstellung in 1 ist der Befestigungsflansch 114 hier an dem von dem Sensorstutzen 106 abgewandten Ende des Sensorgehäuses 102 angeordnet. Damit ist der Drucksensor 100 dazu ausgebildet, mit dem Sensorgehäuse 102 und dem Sensorstutzen 106 in die Bohrung 216 eingesetzt zu werden, sodass nur die elektrische Schnittstelle 112 über den Befestigungsflansch 114 übersteht. Der Sensorstutzen 106 weist bei dem hier dargestellten Drucksensor 100 einen geringeren Durchmesser auf, als das Sensorgehäuse 102. Daher ist zum Einsetzen des hier dargestellten Drucksensors 100 eine Stufenbohrung 216 erforderlich. Der Sensorstutzen kann auch einfach in die Gehäusebohrung 216 eingeführt werden, solange sich darüber zwei Befestigungsbohrungen für das Sensorgehäuse 102 befinden.
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In einem Ausführungsbeispiel ist der Flansch 210 durch eine Verbindungsstelle zwischen zwei Halbschalen der Sensorzelle 202 ausgebildet. Die Halbschalen werden dabei durch die Vorspannkraft 214 aufeinander gepresst. Die Halbschalen sind miteinander verschweißt.
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In einem Ausführungsbeispiel ist der Sensorstutzen 106 mit der Sensorzelle 202 verschweißt. Ein um den Sensorstutzen 106 umlaufender Bund 220 liegt an dem Stützring 212 an und führt die Sensorbaugruppe 104 in der Einfederrichtung.
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Mit anderen Worten ist in 2 ein eisfester Drucksensor 100 dargestellt.
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Mit dem hier vorgestellten Drucksensor 100 können Saugrohrdruck Messungen oder Öl-/ Kraftstoffanwendungen auch bei gefrierfähigen Medien 222 gemessen werden. Der Drucksensor 100 wird dadurch nicht zerstört. Der Drucksensor 100 weist eine Ölvorlage 204 auf. Die Stahlmembran mit Ölvorlage 204 verhindert einen direkten Kontakt des gefrierfähigen zu messenden Mediums 222. Ein Eisdruckausgleichselement fängt die auftretenden Kräfte beim Vereisen ab.
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Durch den hier beschriebenen verbesserten Aufbau mit vereinfachtem Gesamtaufbaukonzept können die zunehmenden Anforderungen bezüglich Genauigkeit, Druck, Temperatur, mechanischen Schwingungen, der weiteren Signalverarbeitung, auch digital, und eine Reduktion des Bauraums und Gewichts erreicht werden. Dabei werden eine Anzahl, ein maschineller Einsatz und eine Komplexität der Verbindungstechniken und Teile reduziert.
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Durch die Reduktion der Stutzengeometrie in Durchmesser und Länge ist eine geringere Ölmenge verwirklicht. Dadurch sind sehr viel höhere Genauigkeiten erreichbar.
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In einem Ausführungsbeispiel erfolgt die Öl-Befüllung während des Verbindungsprozesses des Stutzens mit dem Sensormodul. Dadurch sind weniger Anlagen und Bauteile und einfachere Geometrien der Bauteile möglich.
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Die Anbindung des Eisdruckausgleichselements beispielsweise durch eine Feder 208 kann in wesentlich kleinerer Form erfolgen und ist auch für höhere Drücke besser geeignet.
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Durch die Reduktion der Bauhöhe ist auch ein einfacherer Verbau in Komplett-Systemen möglich. Der elektrische Anschluss kann sowohl über Kabel als auch über ein externes Stanzgitter erfolgen.
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Die Variation des Druckbereiches erfolgt über die Änderung des Sensorchips im Modul und kann auf einer separaten Fertigungslinie erfolgen. Das Aufbaukonzept ist modular gestaltet und kann einfach den geometrischen und/oder elektrischen Anforderungen angepasst werden. Somit ist der Sensor kostenoptimiert darstellbar.
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Der Sensor mit dem Eisdruckausgleichselement ist nun intern vorgespannt und somit unabhängig von der Kundenanschlussgeometrie. Durch die interne Vorspannung auf einen konstanten Wert können Schwankungen der Vorspannkraft durch Fertigungstoleranzen der Einzelbauteile eliminiert werden wodurch die Genauigkeit entscheidend verbessert wird.
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Das Sensorgehäuse 102 ist in das Gehäuse mit dem führenden Medium eingeschraubt und dichtet über den O-Ring. Der Sensor ist über Federelemente, wie beispielsweise Tellerfedern intern vorgespannt und stützt sich dabei über den Stützring 212 gegen die Federkraft ab. Der Sensor ist mit einer Flüssigkeit, wie Öl gefüllt, welche über eine Membrane vom zu messenden Medium 222 getrennt ist. Die Funktion liegt in dem Schutz des Sensors und der Membrane beim Einfrieren des zu messenden Mediums 222. Beim Einfrieren ändert sich der Aggregatzustand des Mediums 222 was zu einer Volumenausdehnung führt. Ohne die hier mögliche Ausweichbewegung könnte die Volumenausdehnung zu einer Zerstörung der Membran führen. Im dargestellten Fall kann der Sensor gegen die Federkraft nach oben ausweichen. Somit wird die Membrane vor Zerstörung durch Einfrieren des Mediums 222 geschützt. Die Federkraft ist so groß, dass der maximal zu messende Systemdruck sicher gemessen werden kann. Wird die Kraft beispielsweise beim Einfrieren größer, kann der Sensor ausweichen und wird durch die Federkraft beim Auftauen wieder zurückgestellt. Die elektrische Kontaktierung der Sensorzelle 202 erfolgt auch über federnde Elemente.
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Das Sensorsystem ist so eingestellt, dass das Einfrieren mehrfach wiederholt werden kann.
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Durch den gewählten Aufbau ist der Sensor für weitere Anwendungsbereiche einsetzbar. Die elektrische Kontaktierung des Sensors kann über verschiedene Verfahren, wie Löten, über Federelemente, wie S-Federn, Spiralfedern oder Einpresstechnik erfolgen. Die elektrische Kontaktierung der Sensorzelle 202 kann auch über S-Federn oder Spiralfedern erfolgen.
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Die Öl-Befüllung kann auch nach dem Verbindungsprozess des Stutzens mit dem Sensormodul mit anschließendem Kugelverschluss erfolgen.
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Abschließend ist darauf hinzuweisen, dass Begriffe wie „aufweisend“, „umfassend“, etc. keine anderen Elemente oder Schritte ausschließen und Begriffe wie „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließen. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008054382 A1 [0003]
