DE19724293A1 - Drucksensor - Google Patents
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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.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Publications (1)
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8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: SIEMENS AG, 80333 MUENCHEN, DE |
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