DE19724293A1 - Drucksensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Drucksensor, insbesondere für ein Fahrzeug, zur Erzeugung von elektrischen Signalen in Abhängigkeit von der Stellung einer zwischen einem meßraumseitigen Gehäuseteil und einem druckraumseitigen Gehäuseteil eingespannten beweglichen Membran mit einer in einem Meßraum angeordneten elektrischen Meßeinrich­ tung.

Solche Drucksensoren werden insbesondere in Fahrzeugen häufig zur Messung eines Relativdrucks zwischen einem Druckraum und dem Meßraum eingesetzt und sind aus der Praxis bekannt. Hierbei wird in Abhängigkeit von der Aus­ lenkung der Druckmembran ein veränderliches Widerstands­ signal erzeugt, das mit einem herkömmlichen Drehmagnet- Quotientenmeßwerk zur Anzeige gebracht wird. Diese be­ kannten Drucksensoren ermöglichen ohne einen zusätzlichen Widerstand-Spannungs-Wandler keine Anzeige des Meßsignals auf heute gängigen Meßwerken. Zudem ist die Lebensdauer des in dem Meßraum angeordneten veränderlichen Wider­ stands, der einen von einem Schleiferelement abgegriffe­ nen Wickeldraht aufweist, nicht zufriedenstellend. Vor allem Mikro-Schwingungen, die sowohl in Folge von Fahr­ zeugvibrationen als auch von Pulsationen des Meßmediums auftreten, können zu einer Zerstörung des Wider­ standsdrahts führen. Darüber hinaus bildet sich auf der Drahtoberfläche bei längerem Stillstand des Fahrzeugs ei­ ne Oxidationsschicht, welche bei Wiederinbetriebnahme zu unkorrekten Meßwertanzeigen führt.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen Drucksen­ sor der eingangs genannten Art so zu gestalten, daß er einfach im Aufbau ist und daß mit ihm heute gängige, ein Spannungseingangssignal erfordernde Meßwerke direkt an­ steuerbar sind. Zusätzlich soll er besonders kostengün­ stig herstellbar sein und Fehlmessungen möglichst zuver­ lässig vermeiden.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Meßeinrichtung eine Spannungsteilerschaltung mit ei­ nem Potentiometer aufweist.

Ein solcher Drucksensor liefert ein Ausgangssignal, das über einen sehr weiten Betriebsspannungsbereich propor­ tional zum Auslenkweg der Druckmembran ist. Darüber hin­ aus ist der Sensor einfach und kostengünstig in der Her­ stellung und zeichnet sich durch eine hohe Zuverlässig­ keit über einen großen Zeitraum aus.

Die Abmaße eines solchen Drucksensors können vorteilhaft besonders gering gehalten werden, wenn das Potentiometer ein Drehwiderstand mit einer in einer Ebene angeordneten Widerstandsschleifbahn ist. Dabei gestaltet sich die Kon­ taktierung eines die Widerstandsschleifbahn abgreifenden Schleifers besonders einfach, wenn der Drehwiderstand ei­ ne zweite, zu der Widerstandsschleifbahn parallele, nie­ derohmige Schleifbahn als Kontaktbahn für den Schleifer aufweist. Vorzugsweise ist die zweite Schleifbahn mit ei­ nem in Reihe geschalteten Widerstand zum Schutz des Schleifers verbunden. In besonders günstiger Weise wird das Bauvolumen des Drucksensors dadurch weiter verrin­ gert, daß die Schleifbahnen in etwa senkrecht zu der Mem­ bran angeordnet sind.

Eine hohe Kontaktsicherheit auch bei Schwingungen der Sensoranordnung wird vorteilhaft dadurch erreicht, daß der Schleifer zum Abgriff der Schleifbahnen federela­ stisch ist. Die Kontaktsicherheit wird insbesondere bei Vibrationen, die zu kurzzeitigem Abheben des Schleifers von der Schleifbahn führen können, vorzugsweise weiter erhöht, wenn der Schleifer die Schleifbahnen mit mehreren Schleiferfingern kontaktiert.

Besonders verschleißfest und oxidationssicher sowie preisgünstig in der Herstellung ist ein erfindungsgemäßer Drucksensor, wenn das Potentiometer der Meßeinrichtung einen Leitplastik-Widerstand aufweist.

Je nach bevorzugt eingesetzten Fertigungsverfahren kann es aber auch von Vorteil sein, wenn das Potentiometer der Meßeinrichtung einen Schichtwiderstand aufweist. Dabei ist der Schichtwiderstand vorzugsweise ein Dickschichtwi­ derstand, wobei Widerstands- und Leiterbahnen auf einen Keramikträger aufgedruckt und in diesen eingebrannt wer­ den.

Besonders günstig, insbesondere bei einer Verwendung ei­ nes erfindungsgemäßen Drucksensors in einem Kraftfahr­ zeug, ist es, wenn die Meßeinrichtung in Abhängigkeit von einer Auslenkung der Membran bei einer angelegten Versor­ gungsspannung von in etwa 5 V eine Ausgangssignalspannung von in etwa 0,5 bis 4,5 V liefert.

Vorteilhaft weisen das meßraumseitige Gehäuseteil und das druckraumseitige Gehäuseteil an ihrer der Membran zuge­ wandten Seite jeweils ringförmig hervorstehende Preßflä­ chen auf, so daß die Membran sicher einspannbar ist. Die Membran liegt dabei vorzugsweise unmittelbar an den Preß­ flächen der Gehäuseteile an.

Durch diese Gestaltung hat der erfindungsgemäße Drucksen­ sor keine Tellerfeder, wie sie in bisher bekannten Druck­ sensoren verwendet wird, zur Vorspannung der Membran. Hierbei zeigt sich überraschend, daß die Membran ohne Hinzufügung weiterer Spannelemente zwischen den Gehäuse­ teilen zuverlässig gehalten ist. Da keine Tellerfeder an der Membran anliegt, werden Beschädigungen der Membran durch die Tellerfeder und damit Fehlmessungen des Druck­ sensors durch Kennlinienabweichungen weitgehend vermie­ den. Weiterhin ist die Membran in radialer Richtung be­ sonders sicher durch die Preßflächen gehalten, so daß Querschwingungen der Membran nicht zu einer Reibung an den Preßflächen und damit zu einer Beschädigung der Mem­ bran und zu Meßungenauigkeiten führen können. Durch den Wegfall der Tellerfeder ist der erfindungsgemäße Druck­ sensor zudem kostengünstig zu fertigen und zu montieren.

Eine Abdichtung des Druckraums gegenüber dem Meßraum könnte ausschließlich durch besonders glatt gestaltete Oberflächen der Membran und der Preßflächen erreicht wer­ den. Zur weiteren Erhöhung der Dichtheit des Druckraums trägt es jedoch gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung bei, wenn eines der Gehäuseteile eine Ver­ tiefung zur Aufnahme eines gegen die Membran vor­ gespannten Dichtrings aufweist. Durch diese Gestaltung führen selbst hohe Relativdrücke nicht zu Fehlmessungen des erfindungsgemäßen Drucksensors.

Eine separate Montage des Dichtrings läßt sich gemäß ei­ ner anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vermeiden, wenn der Dichtring den äußeren Rand der Mem­ bran umschließend gestaltet ist. Ein solcher Dichtring kann beispielsweise aus Kunststoff bestehen und an die Membran angespritzt sein.

Der Dichtring hat gemäß einer anderen vorteilhaften Wei­ terbildung der Erfindung keinen unmittelbaren Kontakt mit dem Druckraum, wenn er in einem von der Preßfläche aus gesehen radial äußeren Bereich angeordnet ist. Durch die­ se Gestaltung werden chemische oder physikalische Ein­ flüsse des Mediums im Druckraum auf den Dichtring weitge­ hend vermieden. Dies führt zu einer hohen Lebensdauer des Dichtrings und damit zu einer dauerhaften Dichtheit des Druckraums.

Die Ausrichtung der Membran bei der Montage gestaltet sich gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfin­ dung besonders einfach, wenn die Membran eine in die Ver­ tiefung des Gehäuseteils eingreifende Abwinklung auf­ weist. Weiterhin führt diese Gestaltung zu einer Erhöhung der Formstabilität der nicht montierten Membran.

Die Vorspannung der Gehäuseteile gegeneinander gestaltet sich gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung besonders kostengünstig, wenn eines der Gehäu­ seteile einen Flansch und das andere Gehäuseteil einen umlaufenden, mit einer Umbördelung den Flansch hinter­ greifenden Rand aufweist. Durch diese Gestaltung erfolgt die Vorspannung der Gehäuseteile zudem sehr gleichmäßig über den Umfang. Weiterhin werden die Gehäuseteile bei der Montage zueinander zentriert.

Eine Verschmutzung der Meßeinrichtung läßt sich gemäß ei­ ner anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung einfach durch ein im Gehäuse des Meßraums angeordnetes Druckausgleichselement vermeiden. Zudem gleicht ein sol­ ches Druckausgleichselement Druckänderungen im Meßraum, hervorgerufen durch wechselnde Umgebungstemperaturen, die eine Temperaturabhängigkeit des Meßwerts bewirken, aus. Vor allem für Anwendungsfälle, bei denen diese Tempera­ turabhängigkeit unzulässig ist, ist vorgenanntes Aus­ gleichselement vorteilhaft einzusetzen.

Der Meßraum läßt sich gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung als hermetisch abgeschlosse­ ner Raum gestalten, wenn das Druckausgleichselement eine elastische Membran aufweist. Durch diese Gestaltung er­ möglicht die Membran einen Druckausgleich, ohne daß Gase oder Schmutz die Funktion der Meßeinrichtung beeinträch­ tigen können. Weiterhin kann durch diese Gestaltung der Meßraum zum Schutz der Meßeinrichtung beispielsweise mit besonders trockener Luft oder mit einem Schutzgas gefüllt werden.

Schmutzteilchen lassen sich gemäß einer anderen vorteil­ haften Weiterbildung der Erfindung einfach von der Meß­ einrichtung fernhalten, wenn das Druckausgleichselement ein Filterelement aufweist.

Die Meßeinrichtung wird gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung dauerhaft vor Beschädigung durch Schmutz oder Feuchtigkeit geschützt, wenn das Druckausgleichselement eine Teflonmembran aufweist.

Toleranzen der Meßeinrichtung und der Membran lassen sich gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Er­ findung einfach ausgleichen, wenn ein die Bewegung der Membran auf die Meßeinrichtung übertragender Hebel in seinem Neigungswinkel und in einer Länge eines Hebelarms von jeweils einem Stellelement verstellbar ist. Durch die Verstellung des Neigungswinkels wird ein Nullpunkt der Meßeinrichtung eingestellt, während sich über die Länge eines der Hebelarme des Hebels die Kennliniensteilheit der Meßeinrichtung justieren läßt.

Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips sind zwei da­ von in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in

Fig. 1 eine Schnittdarstellung durch einen erfin­ dungsgemäßen Drucksensor,

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung einer Einspan­ nung einer Membran des Drucksensors aus Fig. 1,

Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung eines Hebels des Drucksensors aus Fig. 1,

Fig. 4 eine weitere Ausführungsform eines erfin­ dungsgemäßen Drucksensors in einem Teil­ schnitt,

Fig. 5 eine vergrößerte Darstellung einer Einspan­ nung einer Membran des Drucksensors aus Fig. 4.

Die Fig. 1 zeigt einen Drucksensor mit einem meßraumsei­ tigen Gehäuseteil 1 und einem einen Druckraum 2 begren­ zenden, druckraumseitigen Gehäuseteil 3 in einem Längs­ schnitt. Zwischen den beiden Gehäuseteilen 1, 3 ist eine Membran 4 eingespannt. Auf seiner der Membran 4 abgewand­ ten Seite ist das meßraumseitige Gehäuseteil 1 zur Be­ grenzung eines Meßraums 5 mit einem topfförmigen Gehäuse­ deckel 6 verbunden. Der Meßraum 5 hat eine durch einen Hebel 7 mit der Membran 4 verbundene Meßeinrichtung 8 mit einem dreipoligen Potentiometer 9. Das Potentiometer 9 hat zwei senkrecht zu der Membran 4 fest stehend angeord­ nete kreisbogenförmige Schleifbahnen 10, 11, gegen die auf einem Potentiometerarm 12 befestigte, über eine Kon­ taktbrücke 13 miteinander verbundene Schleifkontaktpaare 14, 15 eines Schleifers 42 vorgespannt sind. Zur Verdeut­ lichung der Zeichnung ist der Potentiometerarm 12 im Be­ reich der Schleifkontaktpaare 14, 15 aufgeschnitten dar­ gestellt. Das druckraumseitige Gehäuseteil 3 hat einen einen Flansch 16 des meßraumseitigen Gehäuseteils 1 mit einer Umbördelung 18 hintergreifenden Rand 17. Hierdurch sind die Gehäuseteile 1, 3 miteinander verbunden und die Membran 4 zuverlässig in dem Drucksensor gehalten. Wei­ terhin hat das druckraumseitige Gehäuseteil 3 einen An­ schlußstutzen 19 zum Anschluß einer nicht dargestellten Druckleitung.

Bei einem veränderlichen Relativdruck zwischen dem Meß­ raum 5 und dem Druckraum 2 bewegt sich die Membran 4 und lenkt über den Hebel 7 den Potentiometerarm 12 der Meß­ einrichtung 8 aus. Hierdurch gleiten die Schleifkontakt­ paare 14, 15 über die Schleifbahnen 10, 11. Mittels einer nicht dargestellten Elektronik lassen sich hierdurch in Abhängigkeit von der Stellung der Membran 4 elektrische Signale erzeugen. Außerdem kann hiermit eine Kennlinien­ kompatibilität zu bekannten Widerstandskennlinien und da­ mit auch eine Kompatibilität zu den entsprechenden Anzei­ gen realisiert werden. Ein Druckausgleich des Meßraums 5 mit der Umgebung wird durch ein im topfförmigen Gehäuse­ deckel 6 angeordnetes Druckausgleichselement 20 mit einer Teflonmembran 21 hergestellt. Die Teflonmembran 21 ver­ hindert das Eindringen von Schmutz und Feuchtigkeit in den Meßraum 5.

Die Fig. 2 zeigt in einer vergrößerten Darstellung die Einspannung der Membran 4 zwischen den Gehäuseteilen 1, 3. Das meßraumseitige Gehäuseteil 1 und das druckraum­ seitige Gehäuseteil 3 weisen jeweils unmittelbar an der Membran 4 anliegende Preßflächen 22, 23 auf. In einem von den Preßflächen 22, 23 aus gesehen radial äußeren Bereich hat das druckraumseitige Gehäuseteil 3 eine ringförmige Vertiefung 24 zur Aufnahme eines an dem äußeren Rand der Membran 4 angespritzten Dichtrings 25. Dieser Dichtring 25 dient einer zusätzlichen Abdichtung des in Fig. 1 dargestellten Meßraums 5 von dem Druckraum 2. Weiterhin weist die Membran 4 an ihrem äußeren Rand eine in die Vertiefung 24 des druckraumseitigen Gehäuseteils 3 ein­ greifende Abwinklung 26 auf. Diese Abwinklung 26 ver­ einfacht die Ausrichtung der Membran 4 bei der Montage und erhöht die Formstabilität der Membran 4 im nicht mon­ tierten Zustand.

Die Fig. 3 zeigt in einer vergrößerten Darstellung den das Potentiometer 9 auslenkenden Hebel 7 aus Fig. l. Der Hebel 7 ist einteilig mit dem Potentiometerarm 12 gefer­ tigt und um eine senkrecht zur Zeichenebene angeordnete Lagerachse 27 schwenkbar gehalten. Der Hebel 7 wird von einer Feder 28 in eine Nullstellung des Potentiometers 9 vorgespannt. Diese Nullstellung läßt sich mit einer Stellschraube 29 einstellen. Eine Steilheit der Kennlinie des Drucksensors wird mittels einer die Stellschraube 29 verschiebenden und damit einen Hebelarm verändernden Scheibe 30 verstellt.

Die Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform des Druck­ sensors, welcher zur Messung eines Relativdrucks zwischen zwei Anschlußstutzen 31, 32 ausgebildet ist. Der Druck­ sensor hat eine zwischen zwei Gehäuseteilen 33, 34 einge­ spannte Membran 35. In einem der Anschlußstutzen 31 ist ein ein Filterelement 36 aufweisendes Druckausgleichsele­ ment 37 zum Schutz einer nicht dargestellten Meßeinrich­ tung vor Verschmutzung angeordnet.

Die Fig. 5 läßt erkennen, daß die Membran 35 aus Fig. 4 in ihrem Randbereich eben gestaltet und zwischen zwei Preßflächen 38, 39 der Gehäuseteile 33, 34 eingespannt ist. Eines der Gehäuseteile 34 weist eine ringförmige Vertiefung 40 zur Aufnahme eines gegen die Membran 35 vorgespannten Dichtrings 41 auf.

Claims (23)

1. Drucksensor, insbesondere für ein Fahrzeug, zur Er­ zeugung von elektrischen Signalen in Abhängigkeit von der Stellung einer zwischen einem meßraumseitigen Ge­ häuseteil und einem druckraumseitigen Gehäuseteil eingespannten beweglichen Membran mit einer in einem Meßraum angeordneten elektrischen Meßeinrichtung, da­ durch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (8) eine Spannungsteilerschaltung mit einem Potentiometer (9) aufweist.

2. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Potentiometer (9) ein Drehwiderstand mit ei­ ner in einer Ebene angeordneten Widerstandsschleif­ bahn (10) ist.

3. Drucksensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehwiderstand eine zweite, zu der Wider­ standsschleifbahn (10) parallele, niederohmige Schleifbahn (11) als Kontaktbahn für einen Schleifer (42) aufweist.

4. Drucksensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schleifbahn (11) mit einem in Reihe geschalteten Widerstand verbunden ist.

5. Drucksensor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schleifbahnen (10, 11) in et­ wa senkrecht zu der Membran (4; 35) angeordnet sind.

6. Drucksensor nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schleifer (42) zum Abgriff der Schleifbahnen (10, 11) federelastisch ist.

7. Drucksensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schleifer (42) die Schleifbahnen (10, 11) mit mehreren Schleiferfingern (Schleifkontaktpaare 14, 15) kontaktiert.

8. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Potentiometer (9) der Meßeinrichtung (8) einen Leitplastik-Widerstand auf­ weist.

9. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Potentiometer (9) der Meßeinrichtung (8) einen Schichtwiderstand aufweist.

10. Drucksensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schichtwiderstand ein Dickschichtwiderstand ist.

11. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (8) in Abhängigkeit von einer Auslenkung der Membran (4; 35) bei einer angelegten Versorgungsspannung von in etwa 5 V eine Ausgangssignalspannung von in etwa 0,5 bis 4,5 V liefert.

12. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das meßraumseitige Gehäu­ seteil (1; 33) und das druckraumseitige Gehäuseteil (3; 34) an ihrer der Membran (4; 35) zugewandten Sei­ te jeweils ringförmig hervorstehende Preßflächen (22, 23; 38; 39) aufweisen.

13. Drucksensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (4; 35) unmittelbar an den Preßflä­ chen (22, 23; 38, 39) der Gehäuseteile (1, 3; 33, 34) anliegt.

14. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Gehäuseteile (3, 34) eine Vertiefung (24, 40) zur Aufnahme eines gegen die Membran (4, 35) vorgespannten Dichtrings (25, 41) aufweist.

15. Drucksensor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtring (25) den äußeren Rand der Membran (4) umschließend gestaltet ist.

16. Drucksensor nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Dichtring (25, 41) in einem von der Preßfläche (22, 23, 38, 39) aus gesehen radial äuße­ ren Bereich angeordnet ist.

17. Drucksensor nach einem der Ansprüche 14 bis 16, da­ durch gekennzeichnet, daß die Membran (4) eine in die Vertiefung (24) des Gehäuseteils (3) eingreifende Ab­ winklung (26) aufweist.

18. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Gehäuseteile (1) einen Flansch (16) und das andere Gehäuseteil (3) einen umlaufenden, mit einer Umbördelung (18) den Flansch (16) hintergreifenden Rand (17) aufweist.

19. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein im Gehäuse (Gehäusedeckel 6, Anschlußstutzen 31) des Meßraums (5) angeordnetes Druckausgleichselement (20, 37)

20. Drucksensor nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckausgleichselement (20, 37) eine elasti­ sche Membran aufweist.

21. Drucksensor nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Druckausgleichselement (37) ein Filterelement (36) aufweist.

22. Drucksensor nach einem der Ansprüche 19 bis 21, da durch gekennzeichnet, daß das Druckausgleichselement (20) eine Teflonmembran (21) aufweist.

23. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein die Bewegung der Mem­ bran (4) auf die Meßeinrichtung (8) übertragender He­ bel (7) in seinem Neigungswinkel und in einer Länge eines Hebelarms von jeweils einem Stellelement (Stellschraube 29, Scheibe 30) verstellbar ist.