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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Wandeln eines Drucks in ein elektrisches Signal nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 oder 2 sowie ein elektronisches Druckmessgerät mit einer solchen Vorrichtung.
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Derartige Vorrichtungen beruhen in der Regel darauf, dass der Druck eine Verformung eines dafür vorgesehenen Verformungskörpers der Vorrichtung hervorruft und diese Verformung in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Für eine reine Kraftmessung kann beispielsweise ein Biegebalken vorgesehen sein, für eine Druckmessung eine Membran.
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Für bestimmte Anwendungen, insbesondere in der Prozess- und Lebensmitteltechnik, ist ein frontbündiger Sensor bzw. Messgerät vorteilhaft, bei dem sich kein Medium in dem sonst üblichen Verbindungskanal zu dem Verformungskörper der Vorrichtung sammeln kann. Üblicherweise wird bei solchen Sensoren die Verformung eines frontbündigen Verformungskörpers, beispielsweise einer frontbündigen Membran, über ein nicht-kompressibles Übertragungsmedium, bspw. Öl, an die eigentliche Druckaufnehmerstruktur, welche bspw. ein Siliziumelement oder Dehnungsmessstreifen aufweist, weitergeleitet. Derartige Sensoren sind herstellungstechnisch im Hinblick auf die erforderliche Ölfüllung aufwendig und weisen weitere Nachteile auf, beispielsweise den unerwünschten Einfluss der Ausdehnung des Übertragungsmediums im Falle einer Temperaturerhöhung auf das Sensorsignal.
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Die
EP 2 663 847 B1 offenbart hierzu eine Vorrichtung mit einem ersten Verformungskörper in Form einer ersten Membran, der mit einem mindestens ein Sensorelement aufweisenden zweiten Verformungskörper in Form einer zweiten Membran verbunden ist. Der erste Verformungskörper ist durch die Einwirkung des zu messenden Drucks verformbar. Die Verformung des ersten Verformungskörpers wird über ein Kraftübertragungsmittel in Form eines Stößels auf den zweiten Verformungskörper übertragen. Dabei wird die Verformung des zweiten Verformungskörpers unter Verwendung von Dehnungsmessstreifen in ein elektrisches Signal umgewandelt. Das Kraftübertragungsmittel ist zweiteilig ausgeführt, wobei die beiden Verformungskörper jeweils einstückig einen Abschnitt des Kraftübertragungsmittels ausbilden. Die beiden Abschnitte des Kraftübertragungsmittels sind dann mittels Widerstandsschweißen miteinander verbunden. Nachteilig ist hierbei der vergleichsweise aufwendige Herstellungsprozess, weil insbesondere an die Präzision bei der Fertigung der Einzelteile hohe Anforderungen gestellt werden müssen sowie beim Zusammenfügen und Schweißen hochgenau gearbeitet werden muss, da der konstruktive Aufbau dieser Vorrichtung praktisch keine Toleranz zulässt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung bereitzustellen, welche einerseits einen dauerhaft zuverlässigen Betrieb sowie eine hohe Messgenauigkeit gewährleistet und andererseits einfach und kostengünstig herstellbar ist.
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Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 2 sowie durch ein elektronisches Druckmessgerät mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß ist entweder das Kraftübertragungsmittel als separates Teil ausgebildet und die beiden Membranen weisen jeweils eine Bohrung auf, in die das Kraftübertragungsmittel zumindest teilweise eingeführt und dort mit der jeweiligen Membran verbunden ist, oder das Kraftübertragungsmittel ist einstückig mit einer der beiden Membranen ausgebildet und die entsprechend andere Membran weist eine Bohrung auf, in die das Kraftübertragungsmittel zumindest teilweise eingeführt und dort mit dieser Membran verbunden ist. Mit einer dieser Ausgestaltungen der Vorrichtung ist die Fertigung, insbesondere das Zusammenfügen der beiden Verformungskörper erheblich vereinfacht worden, weil sich Toleranzen durch das Kraftübertragungsmittel innerhalb der Bohrung auf einfache Weise ausgleichen lassen.
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Darüber hinaus ist bei einem elektronischen Druckmessgerät, welches eine solche erfindungsgemäße Vorrichtung aufweist, eine absolut frontbündige Ausgestaltung gewährleistet. Ferner braucht es keinerlei Dichtungselemente im Bereich der Verbindungsstelle zwischen der Vorrichtung und dem Prozessanschluss des Messgeräts.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen schematisch:
- 1 ein elektronisches Druckmessgerät;
- 2 einen Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Prozessanschluss eines Druckmessgeräts;
- 3 einen Querschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Prozessanschluss eines Druckmessgeräts;
- 4 einen Querschnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Prozessanschluss eines Druckmessgeräts; und
- 5 einen Querschnitt durch ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Prozessanschluss eines Druckmessgeräts.
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Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
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In 1 ist ein elektronisches Druckmessgerät 100 für den Einsatz in der Prozessmesstechnik abgebildet, das von der Anmelderin unter der Bezeichnung PNxxxx hergestellt und vertrieben wird. Das Messgerät 100 besteht im Wesentlichen aus einem Gehäuse 2, das sich unterteilt in ein Oberteil 3 und ein Unterteil 4. Das Unterteil, auch als Prozessanschluss bezeichnet, umfasst zum einen die Sensoreinheit in Form einer Druckmesszelle und ermöglicht zum anderen die mechanische Verbindung des Messgeräts 100 mit dem das Medium enthaltenen Behälter oder Rohr. Im Oberteil 3 befindet sich die Elektronikeinheit, die zur Auswertung und Aufbereitung der von der Sensoreinheit gelieferten Messsignale vorgesehen ist, welche dann über den dargestellten Steckeranschluss abgegriffen und bspw. an eine SPS weitergeleitet werden können.
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Auf dem Oberteil 3 aufgesetzt ist ein Gehäusekopf 5, der u.a. eine Anzeigevorrichtung 6 und Bedienelemente 7 aufweist. Über die Bedienelemente 7 wird das Messgerät 100 bedient, d.h. eine Parametrierung oder eine Einstellung von wesentlichen Eckdaten, wie bspw. den Schaltpunkten vorgenommen. Die jeweiligen Aktionen werden dem Benutzer über die Anzeige 6 angezeigt.
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2 zeigt einen Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 innerhalb eines elektronischen Druckmessgeräts 100, welches aus Darstellungsgründen - wie im Übrigen auch in den nachfolgenden 3-5 - nur auf den Prozessanschluss 4 reduziert abgebildet ist. Die Vorrichtung 1 weist einen ersten Verformungskörper 10 auf, der einstückig eine erste Membran 12 ausbildet. Der erste Verformungskörper 10 ist im Wesentlichen topfförmig ausgebildet, indem er einen umlaufenden Rand 16 aufweist. Im Zentrum bzw. Mittelpunkt der vorzugsweise kreisrunden ersten Membran 12 ist eine Durchgangsbohrung 12a vorgesehen.
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Die Vorrichtung 1 weist einen zweiten Verformungskörper 20 auf, der einstückig eine zweite, vorzugsweise kreisrunde Membran 22, ein Kraftübertragungsmittel 30 und einen Rand 26 ausbildet. Das Kraftübertragungsmittel 30 ist stößelartig und bevorzugt zylindrisch ausgebildet, wobei grundsätzlich auch andere Formen, bspw. eine sich erweiternde oder verjüngende Ausgestaltung, denkbar sind.
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Die Einleitung des zu messenden Drucks p erfolgt über die dem zweiten Verformungskörper 20 abgewandte Oberfläche der ersten Membran 12. Das Kraftübertragungsmittel 30 ist in die Durchgangsbohrung 12a der ersten Membran 12 durchgeführt und schließt mit der dem zu messenden Medium zugewandten Seite der ersten Membran 12 bevorzugt bündig ab. Indem das Kraftübertragungsmittel 30 in die Durchgangsbohrung 12a ein- und durchgeführt wird, können Toleranzen, die sich während des Fertigungsprozesses ergeben haben, auf einfache Weise ausgeglichen werden.
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Die Verbindung des Kraftübertragungsmittels 30 mit der ersten Membran 12 erfolgt bevorzugt stoffschlüssig, insbesondere mittels Schweißung, alternativ auch durch Löten oder Kleben. Im Ergebnis wird dadurch eine Verformung der ersten Membran 12 über das Kraftübertragungsmittel 30 auf die zweite Membran 22 übertragen, und zwar sowohl im Falle von Druckkräften als auch im Falle von Zugkräften.
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Auf der von dem ersten Verformungskörper 10 abgewandten Oberfläche ist auf die zweite Membran 22 mindestens ein Sensorelement 32 aufgebracht, mittels dem eine Durchbiegung der zweiten Membran 22 in ein elektrisches Signal umgewandelt werden kann. Bevorzugt ist das Sensorelement 32 ein Dehnungsmessstreifen, dessen elektrischer Widerstandswert durch Dehnung und Stauchung veränderlich ist. Es können zwei Sensorelemente 32 zu einer Halbbrücke verschaltet sein oder vier Sensorelemente 32 zu einer Vollbrücke. Neben Dehnungsmesstreifen sind bspw. auch piezoelektrische Elemente denkbar.
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Die beiden Verformungskörper 10, 20 sind gegenüberliegend so zueinander positioniert, dass der Rand 16 des ersten Verformungskörpers 10 den Rand 26 des zweiten Verformungskörpers 20 umgreift. Hierfür weist der erste Verformungskörper 10 im Bereich des Randes 16 eine schulterartige Verjüngung auf, auf die der Rand 26 des zweiten Verformungskörpers 20 aufsetzt. Durch die freie Beweglichkeit des Kraftübertragungsmittels 30 innerhalb der Bohrung 12a kann der zweite Verformungskörper 20 auf den ersten Verformungskörpers 10 aufgesetzt werden und beide Verformungskörper 10, 20 können dann spannungsfrei miteinander verbunden werden. Neben der Schweißverbindung des Kraftübertragungsmittels 30 mit der Membran 12 sind die beiden Verformungskörper 10, 20 an den sich berührenden Seitenflächen miteinander verschweißt. Denkbar ist aber auch, dass beiden Ränder 16, 26 aufeinanderliegend verschweißt sind.
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Der erste Verformungskörper 10 weist im Bereich des Randes 16 eine stufenartige Verbreiterung auf, auf die der Prozessanschluss 4 mit einem komplementären Gegenstück aufliegt, sodass sich im Bereich der Verbindung zwischen der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 und dem Prozessanschluss 4 eine zylindrische Außenkontur ausbildet. Durch diese Ausgestaltung wird der erste Verformungskörper 10 Teil der äußeren Oberfläche des gesamten Druckmessgeräts 100. Im dem Druckmedium zugewandten Bereich braucht es daher keinerlei Dichtung mehr. Darüber hinaus ist dadurch eine absolut frontbündige Ausgestaltung des Druckmessgeräts 100 realisiert.
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3 zeigt einen Querschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 innerhalb eines elektronischen Druckmessgeräts 100, welches ebenfalls aus Darstellungsgründen nur auf den Prozessanschluss 4 reduziert abgebildet ist. Der grundsätzliche Aufbau entspricht der in 2 gezeigten Abbildung, so dass im Folgenden zur Vermeidung von Wiederholungen nur auf die Unterschiede eingegangen wird.
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Der wesentliche Unterschied zur Ausführung gemäß 2 besteht darin, dass nunmehr der erste Verformungskörper 10 neben der ersten Membran und dem Rand 16 auch das Kraftübertragungsmittel 30 einstückig ausbildet. Hierfür ist nun im Mittelpunkt der zweiten Membran 22 eine Durchgangsbohrung 22a vorgesehen, durch die das Kraftübertragungsmittel 30 durchgeführt ist. Das schematisch angedeutete Sensorelement 32 erstreckt sich dann entsprechend um die Durchgangsbohrung 22a herum.
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Die Verbindung des Kraftübertragungsmittels 30 mit der zweiten Membran 22 erfolgt wieder bevorzugt stoffschlüssig, insbesondere mittels Schweißung, alternativ auch durch Löten oder Kleben. Bei dieser Ausführungsform kann die Verbindung aber auch durch ein Gewinde realisiert sein.
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Auch bei dieser Ausführungsform ist eine absolut frontbündige Ausgestaltung des Druckmessgeräts 100 gewährleistet. Ferner braucht es keinerlei Dichtungselemente im Bereich der Vorrichtung 1 und indem das Kraftübertragungsmittel 30 in die Durchgangsbohrung 22a ein- und durchgeführt wird, können sich ergebende Toleranzen auf einfache Weise ausgeglichen werden.
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4 zeigt eine Abwandlung der aus 2 bekannten Ausführungsform. Hierbei ist die Bohrung 12a nicht als Durchgangsbohrung, sondern als Sackloch ausgeführt. Infolgedessen wird das Kraftübertragungsmittel 30 nunmehr nicht durchgeführt, sondern nur eingeführt. Diese Ausführungsform bietet sich bspw. an, um das Kraftübertragungsmittel 30 mittels Gewindeverbindung mit der ersten Membran 12 zu verbinden. Hierfür weist die Membran 12 um die Bohrung 12a herum eine entsprechende Verbreiterung auf. Alternativ könnte auch, bspw. mittels Laserschweißen, eine Schweißverbindung in Betracht kommen, in dem von unten durch die Membran 12 durchgeschweißt wird.
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Auch bei dieser Ausführungsform ist eine absolut frontbündige Ausgestaltung des Druckmessgeräts 100 gewährleistet. Ferner braucht es keinerlei Dichtungselemente im Bereich der Vorrichtung 1 und indem das Kraftübertragungsmittel 30 in die Durchgangsbohrung 22a ein- und durchgeführt wird, können sich ergebende Toleranzen auf einfache Weise ausgeglichen werden.
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5 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der das Kraftübertragungsmittel 30 nicht wie bei den 2-4 an eine der Membrane 12, 22 angeformt, sondern als separates Teil ausgeführt ist. Hierfür weisen beide Membrane 12, 22 jeweils eine Durchbohrung 12a, 22a auf bzw., wie in der Figur dargestellt, ein Sackloch 12a. Das Kraftübertragungsmittel 30 ist entsprechend in diese Bohrungen 12a, 22a durch- bzw. eingeführt. Diese Ausführungsform stellt somit gewissermaßen eine Kombination der zuvor in den 2-4 beschriebenen Verbindungsmöglichkeiten zwischen den Membranen 12, 22 und dem Kraftübertragungsmittel 30 dar und vereinfacht den Fertigungsaufwand weiter.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung zum Wandeln eines Drucks in ein elektrisches Signal
- 2
- Gehäuse
- 3
- Oberteil
- 4
- Unterteil, Prozessanschluss
- 5
- Gehäusekopf
- 6
- Anzeigevorrichtung
- 7
- Bedienelemente
- 10
- erster Verformungskörper
- 12
- erste Membran
- 12a
- Bohrung in der ersten Membran
- 16
- Rand
- 20
- zweiter Verformungskörper
- 22
- zweite Membran
- 22a
- Bohrung in der zweiten Membran
- 26
- Rand
- 30
- Kraftübertragungsmittel
- 32
- Sensorelement
- 100
- Druckmessgerät
- p
- Druck
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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