DE10221219B4 - pressure sensor - Google Patents
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Abstract
Drucksensor
zur statischen und/oder dynamischen Druckmessung, mit einem Gehäuse (2)
und mit einer Druckmeßzelle
(3), die einen Grundkörper
(4) und eine mit dem Grundkörper
(4) verbundene Membran (5) aufweist, wobei eine Seite (6) der Membran
(5) direkt oder indirekt mit dem zu überwachenden Medium in Berührung steht
und die Membran (5) im Betrieb eine dem Druck des Mediums proportionale
Durchbiegung erfährt,
die mittels eines auf der anderen Seite (7) der Membran (5) angeordneten
elektromechanischen Wandlers, insbesondere mittels mindestens eines
DMS-Widerstandes (8), erfaßbar
ist, wobei auf der dem Medium abgewandten Seite (7) der Membran
(5) mindestens ein Abstützelement
(10, 10') mit einem Abstand von der Membran (5) angeordnet bzw.
so ausgebildet ist, daß die
Membran (5) bei Überlast
an dem Abstützelement
(10, 10') oder an Teilen des Abstützelements (10, 10') zumindest
teilweise anliegt,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Dicke
(9) der Membran (5) derart verringert ist, daß die Membran...Pressure sensor for static and / or dynamic pressure measurement, comprising a housing (2) and a pressure measuring cell (3) having a base body (4) and a membrane (5) connected to the base body (4), one side (6) the membrane (5) is in direct or indirect contact with the medium to be monitored, and the membrane (5) undergoes, during operation, a deflection proportional to the pressure of the medium, which is electromechanical by means of a diaphragm arranged on the other side (7) of the membrane (5) Transducer, in particular by means of at least one strain gauge resistor (8), can be detected, wherein on the side facing away from the medium (7) of the membrane (5) at least one support element (10, 10 ') at a distance from the membrane (5) or is formed so that the membrane (5) at overload on the support element (10, 10 ') or on parts of the support element (10, 10') at least partially abuts,
characterized,
that the thickness (9) of the membrane (5) is reduced such that the membrane ...
Description
Die Erfindung betrifft einen Drucksensor zur statischen und/oder dynamischen Druckmessung, mit einem Gehäuse und mit einer Druckmeßzelle, die einen Grundkörper und eine mit dem Grundkörper verbundene Membran aufweist, wobei eine Seite der Membran direkt oder indirekt mit dem zu überwachenden Medium in Berührung steht und die Membran im Betrieb eine dem Druck des Mediums proportionale Auslenkung erfährt, die mittels eines auf der anderen Seite der Membran angeordneten elektromechanischen Wandlers, insbesondere mittels mindestens eines DMS-Widerstandes, erfaßbar ist, wobei auf der dem Medium abgewandten Seite der Membran mindestens ein Abstützelement mit einem Abstand von der Membran angeordnet bzw. so ausgebildet ist, daß die Membran bei Überlast an dem Abstützelement oder an Teilen des Abstützelements zumindest teilweise anliegt.The The invention relates to a pressure sensor for static and / or dynamic Pressure measurement, with a housing and with a pressure measuring cell, the one basic body and one connected to the main body Membrane, wherein one side of the membrane directly or indirectly with the to be monitored Medium in contact is and the diaphragm in operation a proportional to the pressure of the medium Deflection experiences, arranged by means of one on the other side of the membrane electromechanical transducer, in particular by means of at least one Strain gauge resistance, detectable is, wherein on the side facing away from the medium of the membrane at least a support element arranged at a distance from the membrane or so formed is that the Membrane in case of overload on the support element or at least parts of the support element partially applied.
Drucksensoren werden zur Überwachung und Messung des Systemdrucks in hydraulischen und pneumatischen Applikationen eingesetzt. Ein Einsatzbereich solcher Drucksensoren ist beispielsweise die Lebensmittelindustrie, in der der Druck verschiedener Medien, insbesondere verschiedener Flüssigkeiten überwacht oder gemessen wird. Dabei gibt es je nach Anwendungsgebiet eine Vielzahl unterschiedlicher Ausführungsvarianten, wobei sich der Aufbau und die Auslegung der Drucksensoren in Abhängigkeit des erwarteten maximalen Nenndrucks des zu überwachenden Mediums unterscheiden. Neben der "normalen" Beanspruchung des Drucksensors, insbesondere der Druckmeßzelle, durch den Nenndruck des zu überwachenden Mediums treten in vielen Einsatzbereichen häufig auch kurzzeitige Überdrücke auf, die wesentlich größer als der maximale Nenndruck des Mediums sind. Ein solcher Überdruck kann in der Lebensmittelindustrie beispielsweise dann auftreten, wenn ein Behälter, in dem normalerweise Milch gelagert wird, mit einer Flüssigkeit mit hohem Druck gereinigt wird.pressure sensors be used for monitoring and Measurement of system pressure in hydraulic and pneumatic applications used. A field of application of such pressure sensors is, for example the food industry, where the pressure of various media, especially various liquids monitored or measured. Depending on the field of application, there is one Variety of different design variants, wherein the structure and the design of the pressure sensors depending differ from the expected maximum nominal pressure of the medium to be monitored. In addition to the "normal" stress of the Pressure sensor, in particular the pressure measuring cell, by the nominal pressure to be monitored Medium often occur in many applications, even short-term overpressures, the much larger than the maximum nominal pressure of the medium are. Such overpressure can occur in the food industry for example then if a container, in which milk is normally stored, with a liquid is cleaned with high pressure.
Bekannte Drucksensoren weisen üblicherweise eine kapazitive, zylindrische Druckmeßzelle auf, die aus einem Grundkörper und einer Membran besteht, die durch ein Verbindungsmaterial, z. B. ein Hartlot, in einem definierten Abstand voneinander gehalten und miteinander hermetisch dicht verbunden sind.Known Pressure sensors usually have a capacitive, cylindrical pressure measuring cell, consisting of a base body and a membrane composed of a bonding material, e.g. B. a braze, held at a defined distance from each other and hermetically sealed together.
Die mit Elektroden beschichteten Innenflächen der Membran und des Grundkörpers bilden einen Meßkondensator, dessen Kapazität von der Durchbiegung der Membran abhängt und somit ein Maß für den an der Membran anliegenden Druck ist. In der Praxis werden meist Druckmeßzellen aus Keramik eingesetzt, da keramische Druckmeßzellen eine hohe Meßgenauigkeit aufweisen, die über sehr lange Zeit stabil bleibt. Auf der dem Medium abgewandten Seite weist die Druckmeßzelle eine elektronische Schaltung auf, die die Kapazität des Meßkondensators in ein druckabhängiges elektrisches Signal umwandelt und über elektrische Anschlußleitungen einer weiteren Verarbeitung oder einer Anzeige zugänglich macht.The Formed with electrodes coated inner surfaces of the membrane and the body a measuring capacitor, its capacity depends on the deflection of the membrane and thus a measure of the the membrane is applied pressure. In practice, mostly pressure measuring cells made of ceramic, since ceramic pressure measuring cells a high accuracy have that over remains stable for a very long time. On the side facing away from the medium indicates the pressure measuring cell an electronic circuit on which the capacitance of the measuring capacitor in a pressure-dependent converts electrical signal and via electrical leads of a further processing or an advertisement.
Neben diesen Drucksensoren, die ein kapazitives Meßprinzip aufweisen, bei denen als elektromechanischer Wandler also zwei Elektroden verwendet werden, gibt es auch Drucksensoren, die Dehnmeßstreifen (DMS) oder druckempfindliche Widerstände bzw. DMS-Widerstände aufweisen. Bei diesen Drucksensoren sind die DMS-Widerstände auf der dem Medium abgewandten Seite der Membran aufgebracht, wobei der Widerstandswert der DMS-Widerstände von der Durchbiegung der Membran abhängt und somit ebenfalls ein Maß für den an der Membran anliegenden Druck ist. Bei derartigen Drucksensoren bzw. Druckmeßzellen ist somit ein separater, der Membran gegenüberliegender Grundkörper meßtechnisch nicht erforderlich. Drucksensoren bzw. Druckmeßzellen mit DMS-Widerständen gibt es daher auch in monolithischer Ausführungsform, bei der der Grundkörper und die Membran einstückig ausgeführt sind. Dabei befindet sich dann die Membran in der Regel auf der dem Medium abgewandten Seite des Grundkörpers, der im Bereich der Membran eine sacklochartige Bohrung aufweist. Der Grundkörper hat somit eine topfförmige Gestalt, wobei der Boden des Topfes von der Membran gebildet wird und die offene Seite des Topfes dem Medium zugewandt ist.Next These pressure sensors, which have a capacitive measuring principle, in which as electromechanical transducer so two electrodes are used There are also pressure sensors, the strain gauge (DMS) or pressure-sensitive resistors or strain gauge resistors exhibit. In these pressure sensors, the DMS resistors on the Applied to the medium side facing away from the membrane, wherein the Resistance value of the strain gage resistors of the deflection of the membrane depends and thus also a measure of the at the Diaphragm is applied pressure. In such pressure sensors or pressure sensing elements is thus a separate, the membrane opposite base body metrology not mandatory. Pressure sensors or pressure measuring cells with strain gauge resistors are It therefore also in monolithic embodiment in which the main body and the membrane in one piece accomplished are. The membrane is then usually on the the medium side facing away from the body, in the region of the membrane having a blind hole-like bore. The main body thus has a pot-shaped shape, wherein the bottom of the pot is formed by the membrane and the open side of the pot faces the medium.
Unabhängig von der Art des Meßprinzips des Drucksensors besteht bei den bekannten Drucksensoren das Problem, daß die Membran bei den eingangs beschriebenen Überdrücken mechanisch beschädigt werden kann. Dieses Problem wird in der Praxis bisher dadurch gelöst, daß die Dicke der Membran entsprechend vergrößert wird. Da der Berstdruck, d. h. der Druck, bei dem die Membran mechanisch zerstört wird, u.a. von der Dicke der Membran abhängt, kann durch eine Erhöhung der Dicke der Membran der maximale Berstdruck auf einfache Art und Weise ebenfalls erhöht werden. Nachteilig ist hierbei jedoch, daß mit der Erhöhung der Dicke der Membran gleichzeitig die Auslenkung der Membran bei Nenndruck, d.h. bei dem von dem Drucksensor zu messenden Druck des Mediums, verringert wird. Somit wird im Stand der Technik die Erhöhung des Berstdrucks der Membran bisher durch eine Verringerung der Meßgenauigkeit, d.h. der maximalen Auflösung des Drucksensors, erkauft.Independent of the nature of the measuring principle the pressure sensor is the problem in the known pressure sensors, that the Membrane are mechanically damaged at the above-described pressures can. This problem has been solved in practice hitherto that the thickness the membrane is enlarged accordingly. Since the bursting pressure, i. H. the pressure at which the membrane is mechanical destroyed will, i.a. depends on the thickness of the membrane, can by increasing the Thickness of the membrane the maximum bursting pressure in a simple manner also increased become. The disadvantage here, however, that with the increase of Thickness of the membrane at the same time the deflection of the membrane at nominal pressure, i.e. at the pressure of the medium to be measured by the pressure sensor, is reduced. Thus, in the prior art, the increase in the Bursting pressure of the membrane previously by reducing the accuracy of measurement, i.e. the maximum resolution of the pressure sensor, bought.
Aus
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Die
Aus
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Auch
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen eingangs beschriebenen Drucksensor zur Verfügung zu stellen, der einerseits eine große Überlast- bzw. Berstfestigkeit aufweist, andererseits auch ein möglichst großes Meßsignal zur Verfügung stellt und damit eine möglichst große Auflösung ermöglicht.Of the Invention is based on the object, an initially described Pressure sensor available on the one hand has a high overload or bursting strength, on the other hand also a possible great measuring signal to disposal and thus one as possible size resolution allows.
Diese Aufgabe ist bei dem eingangs beschriebenen Drucksensor dadurch gelöst, daß die Dicke der Membran derart verringert ist, daß die Membran bei einem vorgegebenen Überdruck mechanisch beschädigt würde, wenn kein Abstützelement vorhanden wäre, und daß das Abstützelement Aussparungen für den elektromechanischen Wandler aufweist.These Task is solved in the pressure sensor described above in that the thickness the membrane is reduced such that the membrane at a predetermined pressure mechanically damaged would, if no support element available would be, and that this supporting Recesses for having the electromechanical transducer.
Die Erfindung geht somit im Vergleich zum Stand der Technik einen völlig anderen Weg. Anstelle die Dicke der Membran zur Erhöhung der Berstfestigkeit zu vergrößern, wird bei dem erfindungsgemäßen Drucksensor die Dicke der Membran bewußt verringert. Anstelle einer Membrandicke von typischerweise 0,5 mm bei einem Nenndruck von 25 bar wird nun erfindungsgemäß die Dicke der Membran beispielsweise auf 0,3 mm reduziert. Die Reduzierung der Dicke der Membran führt zunächst – gewollt – zu einer größeren Durchbiegung der Membran bei gleichem Druck des Mediums und damit zu einem größeren Meßsignal. Gleichzeitig verringert sich jedoch die Berstfestigkeit der Membran, d.h. der Druck, bei dem die Membran irreparabel beschädigt wird. Dieser eigentliche Nachteil wird jedoch dadurch kompensiert, daß auf der dem Medium abgewandten Seite der Membran ein Abstützelement angeordnet ist. Dabei weist das Abstützelement einen solchen Abstand von der Membran auf bzw. ist so ausgebildet, daß die Membran bei Überlast an dem Abstützelement oder an Teilen des Abstützelements zumindest teilweise anliegt. Es wird also die aufgrund der geringeren Dicke der Membran bei Überlast normalerweise auftretende – zur Zerstörung der Membran führende – Durchbiegung dadurch verhindert, daß sich die Membran vorher an dem Abstützelement abstützt, wodurch die maximale Durchbiegung der Membran auf einen Wert begrenzt wird, bei dem es noch nicht zu einer Zerstörung der Membran kommt. Gleichzeitig wird jedoch dadurch, daß das Abstützelement so angeordnet bzw. ausgebildet ist, daß die Membran erst bei Überlast an dem Abstützelement anliegt verhindert, daß durch das Abstützelement der Meßwert im Nenndruckbereich verfälscht wird.The Invention thus goes in comparison to the prior art a completely different Path. Instead of the thickness of the membrane to increase the bursting strength too enlarge, will in the pressure sensor according to the invention aware of the thickness of the membrane reduced. Instead of a membrane thickness of typically 0.5 mm at a nominal pressure of 25 bar is now according to the invention, the thickness the membrane, for example, reduced to 0.3 mm. The reduction the thickness of the membrane leads initially - intentionally - to a greater deflection the membrane at the same pressure of the medium and thus to a larger measurement signal. At the same time, however, the bursting strength of the membrane decreases, i.e. the pressure at which the membrane is irreparably damaged. However, this actual disadvantage is compensated by the fact that on the the medium side facing away from the membrane, a support element is arranged. In this case, the support element has such a distance from the membrane on or is formed so that the membrane in case of overload on the support element or on parts of the support element at least partially. So it will be due to the lower Thickness of the membrane in case of overload normally occurring - for destruction the membrane leading - deflection thereby preventing that the membrane before on the support element supported, whereby limits the maximum deflection of the membrane to a value becomes, with which it does not come to a destruction of the membrane. At the same time but in that the supporting is arranged or designed so that the membrane only at overload on the support element prevents it from passing through the support element the measured value falsified in the nominal pressure range becomes.
Gemäß der Erfindung weist das Abstützelement dabei Aussparungen für den elektromechanischen Wandler auf und bevorzugt darüber hinaus weitere Aussparungen für auf der dem Medium abgewandten Seite der Membran angeordnete Leiterbahnen auf. Dadurch wird verhindert, daß es zu einer Beschädigung der elektromechanischen Wandler, bei denen es sich insbesondere um DMS-Widerstände handelt, sowie der Leiterbahnen kommt, wenn die Membran bei Überdruck an dem Abstützelement anliegt. Weist das Abstützelement Aussparungen auf, so führt dies dazu, daß nur einzelne Bereiche der Membran – an denen sich keine DMS-Widerstände oder Leiterbahnen befinden – an Teilen des Abstützelements bei Überlast anliegen.According to the invention has the support element while recesses for the electromechanical transducer and further preferred beyond Recesses for arranged on the side facing away from the medium of the membrane interconnects on. This prevents damage to the electromechanical converters, which are in particular DMS resistors, as well as the tracks comes when the diaphragm at overpressure on the support element is applied. Indicates the support element Openings on, so leads this to the fact that only individual areas of the membrane - on which have no strain gage resistors or Tracks are on - Parts of the support element in case of overload issue.
Es gibt nun grundsätzlich verschiedene Möglichkeiten – die für sich im Stand der Technik bereits bekannt sind – die Druckmeßzelle auszubilden. Bei der ersten Alternative sind der Grundkörper und die Membran zwei an sich separate Bauteile, die über ein zwischen dem Grundkörper und der Membran angeordnetes Verbindungsmittel miteinander verbunden sind. Bei der zweiten Alternative ist die Druckmeßzelle monolithisch ausgebildet, d.h. der Grundkörper und die Membran sind einstückig ausgeführt. Dabei befindet sich dann die Membran auf der dem Medium abgewandten Seite des Grundkörpers, wobei der Grundkörper im Bereich der Membran eine sacklochartige Bohrung aufweist, wodurch die Membran direkt oder indirekt mit dem zu überwachenden Medium in Berührung steht.There are now fundamentally different possibilities - which are already known in the art - to form the pressure measuring cell. In the first alternative, the main body and the Membrane two se separate components which are interconnected via a arranged between the base body and the diaphragm connecting means. In the second alternative, the pressure measuring cell is monolithic, ie, the base body and the membrane are made in one piece. In this case, then the membrane is located on the side facing away from the medium of the base body, wherein the base body in the region of the membrane has a blind hole-like bore, whereby the membrane is directly or indirectly in contact with the medium to be monitored.
Bei der ersten Alternative der Ausgestaltung der Druckmeßzelle, bei der also der Grundkörper und die Membran an sich zwei separate Bauteile sind, wird vorteilhafterweise das Abstützelement durch den Grundkörper selber gebildet, nämlich durch die der Membran zugewandten Seite des Grundkörpers. Um nun zu ermöglichen, daß sich die Membran bei Überlast an dem Grundkörper bzw. an Teilen des Grundkörpers abstützt, ist die Dicke des Verbindungsmaterials, bei dem es sich insbesondere um ein Glaslot handelt, verringert. Durch die Verringerung der Dicke des Glaslot wird also dafür gesorgt, daß die zuvor beschriebene Bedingung erfüllt wird, daß sich nämlich die Membran bei einem bestimmten Druck, der größer als der Nenndruck jedoch kleiner als der Berstdruck ist, an der als Abstützelement dienenden Seite des Grundkörpers abstützt.at the first alternative of the design of the pressure measuring cell, in the case of the basic body and the membrane per se are two separate components is advantageously the support element through the main body formed, namely through the membrane facing side of the body. Around now to allow that yourself the membrane in case of overload on the body or on parts of the body supported, is the thickness of the connecting material, which in particular reduced by a glass solder. By reducing the thickness the glass solder is therefore for it taken care that the previously described condition that will happen namely the diaphragm at a certain pressure, which is greater than the nominal pressure however is smaller than the bursting pressure, on the serving as a support element side of the the body supported.
Bei der zweiten Alternative der Ausgestaltung der Druckmeßzelle, bei der es sich also um eine monolithische Druckmeßzelle handelt, ist das Abstützelement als zusätzliches Bauteil ausgebildet, daß auf der dem Medium abgewandten Seite des Grundkörpers bzw. auf der dem Medium abgewandten Seite der Membran angeordnet ist. Bei der Realisierung der Erfindung mit einer monolithischen Druckmeßzelle wird also ein zusätzliches Bauteil als Abstützelement verwendet, wobei das Abstützelement mit dem Medium nicht in Berührung kommt, so daß das Abstützelement aus einem Material hergestellt werden kann, daß zwar eine ausreichende Härte zur Gewährleistung der Funktionen der Abstützung aufweist, jedoch nicht beständig gegenüber aggressiven Medien sein muß, mit denen die Membran in Berührung kommen kann.at the second alternative of the design of the pressure measuring cell, which is therefore a monolithic pressure measuring cell, is the support element as additional Component formed on that the side facing away from the medium of the body or on the medium is arranged opposite side of the membrane. In the realization of Invention with a monolithic pressure measuring cell is thus an additional Component as a support element used, wherein the support element not in contact with the medium comes, so that supporting can be made of a material that, although sufficient hardness for warranty the functions of the support but not resistant across from must be aggressive media, with which the membrane is in contact can come.
Vorteilhafter Weise weist das Abstützelement ein insbesondere kreisringförmige Kontaktfläche auf, an der sich der Rand der Druckmeßzelle bzw. des Grundkörpers abstützt. Dadurch wird auf einfache Art und Weise gewährleistet, daß die Druckmeßzelle zumindest bei Nenndruck nicht vollflächig an dem Abstützelement anliegt, so daß es zu der gewollten Durchbiegung der Membran bei Nenndruck kommen kann.Favorable Way has the support element a particular annular contact area on, on which the edge of the pressure measuring cell or of the base body is supported. Thereby is ensured in a simple manner that the pressure measuring cell at least not fully applied at nominal pressure the support element is present, so that it may come to the intended deflection of the membrane at nominal pressure.
Im einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, den erfindungsgemäßen Drucksensor auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die Beschreibung bevorzugte Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigenin the Individual there are now a variety of ways to design the pressure sensor according to the invention and further education. Reference is made on the one hand to the claim 1 subordinate claims, on the other hand, to the description of preferred embodiments in Connection with the drawing. In the drawing show
Die
Allen
Ausführungsformen
ist jedoch gemeinsam, daß die
Membran
Erfindungsgemäß ist nun
die Dicke
Wie
in
Wie
den
Der
Abstand zwischen der Membran
Der
zuvor ausführlich
beschriebene Abstand zwischen der Membran
Bei
dem in
Bei
dem zweiten Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Drucksensors
Der
erforderliche Abstand zwischen der Membran
Wie
in den
Bei
der in
Der
Grundkörper
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Legal Events
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
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