DE29506494U1 - Druckmeßdose - Google Patents

Druckmeßdose

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Description

20.04.1995 TW/Be/Be95S05
DODUCO GMBH + Co. Dr. Eugen Dürrwächter, D-75181 Pforzheim
Druckmeßdose Beschreibung:
Die Erfindung geht aus von einer Druckmeßdose mit einem im Grundriß im wesentlichen kreisförmigen Gehäuse mit einem Hohlraum, welcher durch eine Membran abgeschlossen ist, einen Druckmeßfühler enthält und mit einer elektrisch isolierenden Flüssigkeit gefüllt ist, und mit elektrischen Leitungen, welche vom Druckmeßfühler durch die Gehäusewand nach außen führen. Bei einer solchen Druckmeßdose kommt das Medium, dessen Druck gemessen werden soll, nicht unmittelbar mit dem Druckmeßfühler in Berührung, vielmehr ist der Druckmeßfühler in dem Gehäuse gekapselt und von jenem Medium durch eine Membran getrennt, welche den Druck des Mediums aufnimmt und über ein anderes Medium, nämlich eine in das Gehäuse eingefüllte Flüssigkeit, welche inkompressibel ist, auf den Druckmeßfühler überträgt. Für einen Einsatzzweck, der eine maximale Betriebstemperatur von 135 0C und einen Berstdruck von 150 at verlangt, ist am Markt eine Druckmeßdose mit den eingangs genannten Merkmalen bekannt, deren Gehäuse aus Edelstahl besteht, mit welchem die Membran
an ihrem Rand verschweißt ist. Das Gehäuse enthält einen Druckmeßfühler auf piezoelektrischer Basis. Die elektrischen Zuleitungen, die ein solcher Druckmeßfühler benötigt, müssen isoliert und entsprechend dem Einsatzzweck druckfest und temperaturfest durch die Gehäusewand in den Hohlraum des Gehäuses geführt werden. Zu diesem Zweck sind beim Stand der Technik Glasdurchführungen vorgesehen, in welche die Zuleitungen durch Einschmelzen eingebettet sind. Die bekannte Druckmeßdose arbeitet zufriedenstellend, ist aber für manche Anwendungen viel zu teuer.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Druckmeßdose zur Verfügung zu stellen, welche preiswerter herzustellen ist, aber die oben genannten Einsatzbedingungen (Medientrennung, Einsatztemperatur bis 135°C, 150 at Berstdruck) erfüllt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Druckmeßdose mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die erfindungsgemäße Lösung beruht auf einer Kombination von verschiedenen Maßnahmen. Die erste Maßnahme besteht darin, als Gehäuse ein Formteil aus Kunststoff zu verwenden. Kunststoffe, die bei 135°C hinreichend druckfest sind, sind Stand der Technik. Ein solches Gehäuse läßt sich preiswert durch Spritzgießen herstellen. Dabei ist besonderes Augenmerk auf die Dichtheit unter den vorgegebenen Einsatzbedingungen zu achten. Zu diesem Zweck ist die Membran, welche vorzugsweise aus einem Edelstahl besteht, mit einer Ringfläche des Gehäuses verklebt, gegen welche sie durch den Druck des von aussen einwirkenden Mediums gepreßt wird. Entsprechend wärmebeständige Klebstoffe sind Stand der Technik. Durch hinreichend breite Bemessung der Ringfläche kann die Verklebung eine über lange Zeit dichte Verbindung gewährleisten. Die Erfindung verläßt sich aber nicht allein auf das Verkleben der Membran mit dem Gehäuse, sondern kombiniert es sicherheitshalber noch mit einer formschlüssigen Verbindung der Membran mit dem Gehäuse. Ein solcher Formschluß könnte
dadurch erzielt werden, daß man außenseitlich neben der Ringfläche einen von dieser hochstehenden Kragen anspritzt und diesen nachträglich durch thermoplastische Verformung über den Rand der Membran fließen läßt. Spritztechnisch und montagetechnisch günstiger läßt sich eine Form-Schlußverbindung aber dadurch erreichen, daß man beim Formen des Gehäuses auf der ringförmigen Dicht- und Auflagefläche für die Membran einen Kranz von Zapfen, Noppen oder dergleichen Vorsprüngen vorsieht und indem man eine Membran verwendet, die im Randbereich in Umfangsrichtung verteilt eine entsprechende Anzahl von Löchern hat, durch welche die Zapfen eng toleriert hindurchpassen, dass man die im Randbereich mit dem Klebstoff beschichtete Membran auf die Ringfläche legt, wobei die Zapfen durch die Löcher der Membran hindurchgreifen, die Membran andrückt und dann die Zapfen thermoplastisch verformt, insbesondere mit Hilfe eines Ultraschallschweißgerätes, sie dadurch staucht und verbreiterte Köpfe bildet, welche die Membran zuverlässig in ihrer Lage auf der Ringfläche sichern. Die Kombination aus einer Verklebung und einer Formschlußverbindung ist nicht nur preiswert zur verwirklichen, sondern hat den weiteren Vorteil, daß man mit dauerelastischen Klebern arbeiten kann, welche anders als aushärtende Zweikomponentenkleber nicht durch Alterung gefährdet sind und zuverlässiger dichten.
Die elektrischen Leitungen, die den im Gehäuse gekapselten Druckmeßfühler mit der Außenwelt verbinden, werden nach einem weiteren Kombinationsmerkmal der Erfindung nicht durch Öffnungen der Gehäusewand hindurchgeführt, weiche nachträglich verschlossen werden, sondern werden von vornherein bei der Formung des Gehäuses, welches nach einem für Kunststoffe üblichen Formgebungsverfahren erfolgen kann, insbesondere durch Spritzgießen, in den Kunststoff eingebettet. Zu diesem Zweck werden die Zuleitungen als Einiegeteiie in die Spritzgießform überführt, fixiert und umspritzt. Vorzugsweise werden die Zuleitungen nicht einzeln, sondern zunächst noch zusammenhängend in Gestalt eines aus einem Metallband gebildeten Stanzgitters in die Spritzgießform eingelegt, wobei die Zuleitungen außerhalb der Spritzgießform zusammenhängen und dort erst nach
dem Spritzgießvorgang durch einen weiteren Stanzvorgang getrennt und erforderlichenfalls gebogen werden.
Um ein dauerhaft druckfestes Kunststoffgehäuse zu erhalten, wird dieses vorzugsweise einstufig gespritzt, so daß man ein einstückiges Gehäuse erhält, in welchem es keine Verbindungsflächen gibt, an denen ein zuerst gespritztes Gehäuseteil mit einem nachträglich gespritzten weiteren Gehäuseteil verbunden ist, denn solche Verbindungsflächen wären hinsichtlich der Festigkeit des Gehäuses eine Schwachstelle, welche durch einstufiges Spritzen vermieden wird. Will man einstufig spritzen, muß man deshalb auch darauf verzichten, die in die Spritzgießform ragenden elektrischen Leitungen in der Spritzgießform dadurch in der nötigen vorbestimmten Lage zu positionieren und zu fixieren, daß man verlorene Kunststoffhalter auf die elektrischen Leiter aufsteckt und gemeinsam mit diesen in die Spritzgießform einsetzt. Eine hinreichende Fixierung der elektrischen Leiter in der Spritzgießform kann man dennoch erreichen, indem man sie in die Spritzgießform mit mechanischer Vorspannung einsetzt, so daß sie der Innenwand der Form stellenweise federnd anliegen; die Federkraft sorgt dann dafür, daß die Leiter beim Spritzgießen von dem einfließenden Kunststoff von diesen Stellen nicht abgehoben werden. In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung stehen die elektrischen Leiter im Gehäuse deshalb unter mechanischer Vorspannung.
Aus Festigkeitsgründen wird gleichzeitig bevorzugt, daß sich die elektrischen Leiter geradlinig durch die Gehäusewand hindurch erstrecken.
Nach einem weiteren Kombinationsmerkmal der Erfindung befindet sich in der Gehäusewand noch ein geradlinig verlaufender Kanal, welcher dazu dient, nach dem Einbauen des Druckmeßfühlers und nach dem Befestigen der Membran die elektrisch isolierende Flüssigkeit einzufüllen. Danach wird der Kanal verschlossen, vorzugsweise dadurch, dass er mit einer Ultraschallschweißzange gequetscht und dadurch seine Innenwand mit sich selbst verschweißt wird. Findet die Verschweißung auf einem erheblichen
Teil der Länge des Kanals statt, ist dadurch ein dauerhaft druckdichter Verschluß gewährleistet.
Vorzugsweise verlaufen sowohl die elektrischen Leitungen als auch der Kanal radial in einer gemeinsamen, zur Membran parallelen Ebene, und zwar vorzugsweise in symmetrischer Anordnung, in welcher die Leitungen und der Kanal in gleichen Winkelabständen regelmäßig am Umfang des Gehäuses verteilt sind. Diese Anordnung ist einerseits am günstigsten für einen einfachen Aufbau der Spritzgießform und ist andererseits günstig für das Erreichen einer hohen mechanischen Festigkeit des Gehäuses. Zur weiteren Versteifung des Gehäuses sind an dessen Rückseite, welche der Membran abgewandt ist, zwischen den Stellen, an welchen die Leitungen und der Kanal angeordnet sind, vorzugsweise jeweils eine radial verlaufende Rippe vorgesehen, die spritztechnisch einfach zu verwirklichen und leicht zu entformen ist und dem Gehäuse auch bei hoher Einsatztemperatur eine ausreichende Formstabilität verleiht.
In vielen Fällen möchte man den Druck eines Mediums in Bezug auf einen Referenzdruck, z.B. in Bezug auf den atmosphärischen Luftdruck messen. Das ist auch mit der erfindungsgemäßen Druckmeßdose möglich, wenn man dem Referenzdruck einen entsprechenden Zutritt zum Druckmeßfühler verschafft. In Weiterbildung der Erfindung ist deshalb mit Vorteil vorgesehen, in der Rückseite des Gehäuses, am besten auf seiner Längsachse, einen weiteren gerade verlaufenden Kanal vorzusehen, der in den Hohlraum des Gehäuses führt und durch den Druckmeßfühler abgedeckt und dicht verschlossen ist. Da der höhere Druck auf der anderen Seite des Druckmeßfühlers ansteht, ist die Abdichtung dieses zweiten Kanals durch den Druckmeßfühler kein Problem.
Als Druckmeßfühler eignet sich insbesondere ein Siüziumchip mit piezoelektrischer Brückenschaltung, welche die Druckbelastung des Chips in ein elektrisches Signal wandelt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den beigefügten Zeichnungen dargestellt.
Figur 1 zeigt das Gehäuse der Druckmeßdose noch ohne Membran und ohne Druckmeßfühler in einer Draufsicht,
Figur 2 zeigt die Druckmeßdose in einem Längsschnitt längs der Schnittlinie ll-ll in Figur 1,
Figur 3 zeigt das Gehäuse der Druckmeßdose in einer Ansicht auf die Unterseite,
Figur 4 zeigt die Druckmeßdose in einem Längsschnitt entlang der Schnittlinie IV-IV gemäß Figur 3, und
Figur 5 zeigt die Druckmeßdose in einem Schnitt wie in Figur 2, mit einem rückseitig aufgesetzten Stutzen.
Die Druckmeßdose hat ein einstückiges, einstufig gespritztes, im Grundriß kreisförmiges Gehäuse 1 aus einem thermoplastischen Kunststoff. Das Gehäuse ist relativ dickwandig und in seine Umfangsfläche sind fünf flache, aus Blech gestanzte elektrische Leitungen 2 eingebettet. Die Leitungen 2 liegen in einer gemeinsamen Ebene, welche sich rechtwinklig zur Längsachse 3 des Gehäuses erstreckt. Je vier Paare benachbarter Leitungen schließen einen Winkel von 60° miteinander ein, das fünfte Paar schließt einen Winkel von 120° miteinander ein; an dieser "freien Stelle" befindet sich in 60°- Lage zu den benachbarten Leitungen 2 in der Ebene der Leitungen 2 ein von außen nach innen verjüngender Kanal 4, welcher in einen Hohlraum 5 des Gehäuses mündet, welcher von einer zylindrischen Umfangswand 6 umgeben ist, welche zusammen mit einer an sie angrenzenden, quer zur Längsachse 3 sich erstreckenden Ringfläche 7 eine Ringschuiter bildet. Auf der Ringfläche 8 befinden sich in regelmäßigen Winkelabständen von 30° untereinander gleiche, im Grundriß ovale Noppen 8.
•-7* '.
Am Boden des Hohlraums 5 befindet sich eine weitere Ringschulter, auf welcher die Leitungen 2 liegen und welche eine flache Vertiefung 9 begrenzt, in welche von der Rückseite her ein axial verlaufender zweiter Kanal 10 einmündet, welcher in einem sich axial erstreckenden Gehäusefortsatz 11 verläuft. In die Vertiefung 9 wird ein Druckmeßfühler, insbesondere ein Siliziumchip mit piezoelektrischer Brückenschaltung, so eingesetzt, daß er die Mündung des zweiten Kanals 10 überdeckt. Durch Ausgießen des verbleibenden Freiraums der Vertiefung 9 mit einem Kunstharz kann der Druckmeßfühler 12 in dieser Lage fixiert werden. Dünne Verbindungsdrähte 13, welche vom Druckmeßfühler 12 zu den fünf elektrischen Leitern 2 führen, werden durch Bonden befestigt.
Ist der Druckmeßfühler 12 montiert, kann das Gehäuse mit einer Membran 14 verschlossen werden. Die Membran besteht vorzugsweise aus Edelstahl und hat in ihrem Randbereich zwölf Langlöcher, deren Lage und Größe den zwölf Noppen 8 angepaßt ist. Die Membran wird an ihrer Unterseite in dem Ringbereich, der zur Auflage auf der Ringfläche 7 bestimmt ist, mit einem dauerelastischen Klebstoff beschichtet und dann auf die Ringfläche 7 gepreßt, wobei die Noppen 8 durch die Langlöcher in der Membran greifen. Danach werden die Noppen mit Hilfe eines Ultraschallwerkzeugs gestaucht, wodurch sie Köpfe 15 ausbilden, welche die Langlöcher überdecken und die Membran formschlüssig an der Ringfläche 7 festhalten.
Oberhalb der Membran, welche wie bei druckübertragenden Membranen bekannt gewellt ist, erweitert sich das Gehäuse trichterförmig, wobei in der trichterförmigen Erweiterung noch eine Ringschulter 16 vorgesehen ist, um beispielsweise ein Kunststoffrohr für das Zuführen des Mediums, dessen Druck gemessen werden soll, einschweißen zu können. Das Gehäuse endet auf dieser Seite mit einem Ringflansch 17, in welchem eine Ringnut (18) vorgesehen ist, welche nach Bedarf einen Dichtring aufnehmen kann, wenn die Druckmeßdose mit Hilfe dieses Ringflansches z.B. an einem Behälter angebracht werden soll, in welchem sich das Medium befindet, dessen Druck gemessen werden soll.
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Nach dem Befestigen der Membran 14 kann der Hohlraum 5 der Druckmeßdose durch den Kanal 4 hindurch z.B. mit Hilfe einer Injektionsnadel mit einer elektrisch isolierenden Flüssigkeit, insbesondere mit einem Silikonöl, blasenfrei gefüllt werden. Danach wird der Kanal 4 auf dem größen Teil seiner Länge von innen nach außen fortschreitend mit Hilfe einer Ultraschallschweißzange zusammengequetscht und verschweißt, wobei ein Überschuß an Silikonöl nach außen verdrängt wird.
Die fünf elektrischen Leitungen 2, welche beim Spritzgießen außerhalb des Gehäuses und außerhalb der Spritzgießform innerhalb eines Stanzgitters noch zusammenhängen, werden nach dem Spritzgießen aus dem Stanzgitter ausgestanzt und rechtwinklig zur Rückseite hin abgebogen (in Figuren 2 und 4 punktiert dargestellt). Zwischen den Positionen der Leitungen 2 und des Kanals 4 hat das Gehäuse an seiner Rückseite noch sechs Versteifungsrippen 19, welche sich von der Rückseite des Ringflansches 17 bis zur Spitze des Gehäusefortsatzes 11 erstrecken.
in Einbauiage kann die Rückseite des Gehäuses 1 durch eine zylindrische Hülse 20 abgeschirmt sein, weiche an die Rückseite des Ringflansches 17 angesetzt wird (Figur 5). Während an der Vorderseite der Druckmeßdose, aufweicher sich die Membran 14 befindet, ein Druck von 1 bis 150 bar anstehen kann, wird die Rückseite mit einem niedrigen Referenzdruck beaufschlagt, insbesondere mit dem atmosphärischem Luftdruck (1 bar).

Claims (11)

Ansprüche:
1. Druckmeßdose mit einem im Grundriß i.w, kreisförmigen Gehäuse (1) mit einem Hohlraum (5), welcher durch eine Membran (14) abgeschlossen ist, einen Druckmeßfühler (12) enthält und mit einer elektrisch isolierenden Flüssigkeit gefüllt ist, und mit elektrischen Leitungen (2), welche vom Druckmeßfühler (12) durch die Gehäusewand nach außen führen,
gekennzeichnet durch die Kombination der nachstehenden weiteren Merkmale:
- das Gehäuse (1) ist ein Formteil aus Kunststoff,
die Membran (14) ist mit einer Ringfläche (7) des Gehäuses (1) verklebt,
die Membran (14) ist auf der Ringfläche (7) des Gehäuses außerdem durch eine formschlüssige Verbindung mit dem Gehäuse (1) gesichert,
die elektrischen Zuleitungen (2) sind unmittelbar in den Kunststoff des Gehäuses (1) eingebettet, ein geradlinig durch die Gehäusewand verlaufender Kanal (4) ist durch Verschließen des Kunststoffs verschlossen.
2. Druckmeßdose nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (4) radial verläuft.
3. Druckmeßdose nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Leitungen (2) in der Gehäusewand radial verlaufen.
4. Druckmeßdose nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungen (2) in der Gehäusewand unter mechanischer Vorspannung stehen.
5. Druckmeßdose nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungen (2) und der Kanal (4) in gleichen Winkelabständen regelmäßig am Umfang des Gehäuses (1) verteilt sind.
6. Druckmeßdose nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß an der der Membran (14) abgewandten Rückseite des Gehäuses (1) zwischen den Stellen, an welchen die Leitungen (2) und der Kanal (4) angeordnet sind, jeweils eine radial verlaufende Rippe (19) vorgesehen ist.
7. Druckmeßdose nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (14) an ihrem Umfang in regelmäßigen Abständen Löcher hat, durch welche auf der Ringfläche (7) des Gehäuses (1) geformte Zapfen oder Noppen (8) hindurchgreifen, die nachfolgend zur Bildung der Formschlußverbindung gestaucht wurden.
8. Druckmeßdose nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (14) aus einem Edelstahl besteht.
9. Druckmeßdose nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Rückseite des Gehäuses (1) ein zweiter Kanal (10) vorgesehen ist, welcher axial in den Hohlraum (5) führt und durch den Druckmeßfühler (12) dicht abgeschlossen ist.
10. Druckmeßdose nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckmeßfühler (12) einen Siliziumchip mit piezoelektrischer Brückenschaltung enthält.
• ·
11. Druckmeßdose nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) in einem Stück aus Kunststoff geformt ist.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1998055845A1 (de) * 1997-06-05 1998-12-10 Trw Automotive Electronics & Components Gmbh & Co. Kg Drucksensoreinheit, insbesondere für die kraftfahrzeugtechnik
DE102008053456A1 (de) * 2008-10-28 2010-04-29 Poly-Clip System Gmbh & Co. Kg Clipdrucküberwachung mit Piezo-Aufnehmer
EP3943904A3 (de) * 2021-10-20 2022-05-18 Melexis Technologies NV Drucksensorvorrichtung

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