DE3604088A1 - Drucksensor - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Drucksensor gemäß dem Ober
begriff des Anspruches 1.
Es ist ein gattungsgemäßer Drucksensor bekannt (DE-OS
29 28 617, Fig. 3), bei welchem eine Druckleitung in ein
Druckgehäuse mündet, welches aus einem Gehäusedeckel und
einem mit diesem fest verbundenen Boden besteht, wobei der
Boden aus einer ersten Folie mit einer ersten Spule, einer
Druckmembran aus elastischem weichmagnetischem Werkstoff
und einer zweiten Folie mit einer zweiten Spule zusammen
gesetzt ist. Bei diesem Drucksensor könnte als nachteilig
erachtet werden, daß eine Kompensation thermisch bedingter
Fehlereinflüsse nicht möglich ist. Ferner wird die spannungs
abhängige Permeabilitätsänderung mit kristallinem magneto
striktivem Material durchgeführt, was zum einen zu einer
großen magnetomechanischen Hysterese führt und zum anderen
alle bekannten Nachteile, wie größere Korrosionsan
fälligkeit und damit langzeitliche Änderung der magnetischen
Eigenschaften sowie ein kleinerer spezifischer elektrischer
Widerstand und damit verbundene höhere Wirbelstromverluste
und somit kleinerer Meßempfindlichkeit, für den Sensor
mit sich bringt. Des weiteren ist es auch nicht möglich,
mit einem einzigen Sensorteil im Bedarfsfalle mehrere
Druckmeßstellen mit Druckkörpern über ihren momentanen
Druckzustand abzufragen, da das Sensorteil und der Druck
körper fest miteinander verbunden sind. Da keine lös
liche Kombination zwischen dem Druckkörper und dem Sensor
teil möglich ist, kann auch kein einfaches Baukasten
system erstellt werden, bei dem nur der Druckkörper ver
schiedenen Druckmeßbereichen angepaßt werden muß, um
universell einen großen Druckmeßbereich abzudecken.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Drucksensor zu schaffen,
der unter Verzicht auf mechanisch bewegte Teile besonders
zuverlässig arbeitet, auch für den Dauerbetrieb unter
schwierigen physikalischen Umweltbedingungen geeignet ist,
sich durch eine große Universalität hinsichtlich Meßbereich,
Einsatzbereich und Einsatzort sowie durch einen relativ
geringen Herstellungsaufwand auszeichnet. Darüber hinaus
soll der Drucksensor zudem ermöglichen, daß durch ein
einfaches physikalisches Wirkungsprinzip und durch einen
robusten Aufbau mit einer einfachen kostengünstigen
elektronischen Schaltung aus dem zu sensierenden Druck
signal ein analoges Spannungssignal generiert werden kann.
Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Drucksensor
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Druck
sensors sind durch die Merkmale der Unteransprüche ge
kennzeichnet.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
Es zeigen
Fig. 1 den Drucksensor in einer Schnittdarstellung,
Fig. 2a bis 2c Strukturformen der auf dem Druckkörper des
Sensors aufgebrachten Metallschicht,
Fig. 3 die Sensoranordnung in einer Auswerteeinheit.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Drucksensor besteht dessen
Druckkörper 1 aus einem eine Sacklochausnehmung 1.2 als
Druckkammer und ein Bodenteil 1.3 aufweisenden rohr
förmigen Flanschteil 1.1 aus einer nichtmagnetischen
Federstahllegierung. Dieses Flanschteil 1.1 trägt an
seinem Außenumfang über eine Teillänge a der Sacklochaus
nehmung 1.2 und eine Länge b des Bodenteils 1.3 als Metall
teil eine strukturierte, amorphe und magnetostriktive
Metallschicht 1.4, welche mit einem chemischen stromlosen
Verfahren oder Ionenstrahlverfahren oder aus einem Misch
verfahren aus chemischer Beschichtung und Ionenstrahl
technik auf das Flanschteil aufgebracht ist. Das Sensor
teil 2 ist als weichmagnetisches Gehäuseteil 2.1 mit einer
topfförmigen Ausnehmung 2.1.1 ausgebildet und koaxial und
mit radialem Abstand das Flanschteil 1.1 (über dessen
Teillängen a und b) umgebend an diesem angeordnet. In das
Gehäuseteil 2.1 bzw. dessen topfförmige Ausnehmung 2.1.1
ist ein elektromagnetischer Kreis eingebaut, bestehend
aus einer Meßspule 2.2, einer Referenzspule 2.3, einer
mit Längsschlitz 2.4.1 versehenen - zur Verminderung von
Wirbelströmen - weichmagnetischen Hülse 2.4 und weich
magnetischen Lochscheiben 2.5, 2.6 und 2.7. Die Lochscheiben
2.5 und 2.6 sind hierbei an den Enden und die Lochscheibe
2.7 etwa in der Mitte der topfförmigen Ausnehmung 2.1.1,
das Flanschteil 1.1 in dessen die Metallschicht 1.4
tragenden Bereich umschließend, angeordnet, wobei die
Lage der mittleren Lochscheibe 2.7 durch den Übergangs
bereich der Sacklochausnehmung 1.2 in das Bodenteil 1.3
bestimmt ist. An ihrem Außenumfang stützen sich die Loch
scheiben 2.5 bis 2.7 hingegen in der Hülse 2.4 ab. Alter
nativ könnte die Hülse 2.4 auch entfallen, so daß die
Lochscheiben unmittelbar von dem Gehäuseteil 2.1 getragen
werden bzw. mit diesem einstückig ausgebildet sind. In
den durch die Hülse 2.4, die Lochscheiben 2.5-2.7 und
2.7-2.6 und der Metallschicht 1.4 gebildeten ringförmigen
Kammern 2.8 und 2.9 sind die beiden Spulen 2.2 und 2.3
im Gehäuseteil 2.1 angeordnet, wobei die die Sacklochaus
nehmung 1.2 umgebende Spule 2.2 in der Kammer 2.8 als Meß
spule und die das Bodenteil 1.3 umgebende Spule 2.3 in der
Kammer 2.9 als Referenzspule dient. Die Spulen selbst sind
elektrisch mit einem Anschlußkabel 3 verbunden, welches
über eine Kabelzugentlastung 3.1 im Gehäuseteil 2.1 ge
halten wird.
Die Lochscheiben 2.5, 2.6, 2.7 und die Hülse 2.4 sind vor
zugsweise aus Permenorm hergestellt, so daß eine gute
magnetische Abschirmung des Meß- und Referenzkreises sicher
gestellt ist und aufgrund des großen spezifischen elektrischen
Widerstandes von Permenorm in den Teilen 2.4 bis 2.7 nur
vernachläßigbare Wirbelströme induziert werden, so daß
eine Empfindlichkeitsdämpfung des Sensors nicht erfolgt.
Besonders vorteilhaft ist die Ausbildung des magnetischen
Rückschlußkreises - bestehend aus den Teilen 2.4 bis 2.7 -
jedoch, wenn diese Teile - statt aus Permenorm bestehend -
zur Erzeugung der weichmagnetischen Eigenschaft mit einer
amorphen, hochpermeablen und nichtmagnetostriktiven Be
schichtung versehen werden, welche nach einem chemischen
oder physikalischen Beschichtungs-Verfahren oder einer
nacheinander erfolgenden Anwendung beider Verfahren er
zeugt wird.
Wie aus der Fig. 1 ersichtlich ist, bilden also der Druck
körper 1 (Teile 1.1 bis 1.4) und das Sensorteil 2 (Teile
2.1 bis 3.1) zwei selbständige Baueinheiten, welche kraft
schlüssig miteinander verbunden sind. Der große kon
struktive und fertigungstechnische Vorteil dieser Aus
bildung besteht darin, daß es möglich ist, den elektro
dynamischen Meß- und Referenzkreis sowie das Gehäuseteil
einerseits sowie den Druckkörper 1 andererseits als
separate Teileinheiten in verschiedenen Fertigungsstätten
herzustellen und danach an anderer Stelle zu einer Einheit
zu montieren.
Die physikalische Wirkungsweise des Drucksensors ist nun
folgende:
Im Druckkörper 1, welcher mit der Druckmeßstelle ver
schraubt ist, entstehen unter Einwirkung der Druckkraft
in der Sacklochausnehmung 1.2 in Achsrichtung sowie in Um
fangsrichtung mechanische Spannungen. Über die magneto
elastische Kopplung erfolgt dann infolge der mechanischen
Spannungen in der magnetostriktiven amorphen Metallschicht
1.4 über die Teillänge a eine Änderung der magnetischen
Permeabilität der Metallschicht 1.4, welche über die Meß
spule 2.2 in eine Induktivitätsänderung umgewandelt wird.
Im mechanisch spannungsfreien Teil des Druckkörpers 1
- Teillänge b - ist eine Referenzinduktivität gebildet,
bestehend aus der Referenzspule 2.3 und ebenfalls der
magnetostriktiven amorphen Metallschicht 1.4. Wie aus Fig. 3
ersichtlich, sind die Meßinduktivität - Meßspule 2.2 mit
der amorphen Metallschicht 1.4 als Kern - und die
Referenzinduktivität - Referenzspule 2.3 mit der amorphen
Metallschicht 1.4 als Kern - zu einer elektrischen Halb
brücke verschaltet und über das Anschlußkabel 3 mit einer
Auswerteeinheit 4 verbunden, welche in einfachster Weise
aus einer Trägerfrequenz-Elektronik 4.1 mit nachge
schalteter Anzeige-Elektronik 4.2 besteht. Durch die
Schaltung der Meß- und Referenzinduktivität zu einer
elektrischen Halbbrücke wird eine Kompensation der
thermischen Fehlereinflüße erzielt. Um des weiteren auch
eine gute thermische Nullpunktsfehler- sowie Empfindlich
keitsfehlerkompensation zu erreichen, weist die magneto
striktive amorphe Metallschicht 1.4 eine achsparallele
streifenförmige Struktur 1.4.1 nach Fig. 2a oder 1.4.2
nach Fig. 2b oder 1.4.3 nach Fig. 2c auf, so daß der
magnetische Fluß in definierten Bahnen, unabhängig vom
mechanischen Spannungszustand, geleitet wird. Obwohl die
Querspannung des Druckkörpers größer ist als die Längs
spannung, wird für die Messung des Druckes über die
mechanische Spannung in der achsparallelen Struktur der
Metallschicht 1.4 nur die mechanische Längsspannung aus
genutzt. Die daraus resultierende etwas geringere Empfind
lichkeit 7 des Sensors wird durch dessen einfacheren
konstruktiven Aufbau und die gute thermische Fehler
kompensation gerechtfertigt.
Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Drucksensors
ist es möglich, ein einziges Sensorteil 2 als "Sensor
kopf" für beliebig viele Druckkörper 1 zu verwenden, da
die Sensierung der Metallschicht 1.4 berührungslos erfolgt,
d.h., es kann mit einem einzigen Sensorteil 2 eine Viel
zahl von Meßstellen nach Bedarf abgefragt werden, wenn diese
Meßstellen mit einem fest installierten Druckkörper 1 aus
gestattet sind. Ferner ist es möglich, durch unterschied
liche Wandstärken des rohrförmigen Flanschteils 1.1 auch
unterschiedlichen Drücken an völlig verschiedenen Meß
stellen gerecht zu werden und trotzdem alle Druckmeß
stellen bei Bedarf mit nur einem Sensorteil 2 mit Aus
werteeinheit 4 nach dem aktuell vorhandenen Druckzustand
abzufragen. Darüber hinaus kann man als Einzelsensor ein
Sensorteil 2 mit diversen Druckkörpern 1 unterschiedlicher
Wandstärken des rohrförmigen Flanschteils anbieten, mit
welchen man dann eine sehr große Meßbereichsspanne preis
günstig erfassen kann.
Der Aufbau des Sensorteils 2 mit einem magnetisch ge
schlossenen Meß- und Referenzkreis ermöglicht somit
eine elektromagnetisch störsichere und von thermischen
Fehlereinflüssen weitgehend ungestörte Arbeitsweise des
Drucksensors.
Claims (8)
1. Drucksensor, welcher einen zu messenden Druck in
eine entsprechende elektrische Größe umwandelt, be
stehend aus einem mit dem zu messenden Druck verbind
baren Druckkörper mit einem mit diesem fest ver
bundenen, weichmagnetische Eigenschaften aufweisenden
und unter dem Einfluß des Drucks elastisch verform
baren Metallteil, sowie einem zum Sensieren einer beim
Verformen auftretenden Permeabilitätsänderung in dem
Metallteil dienenden Sensorteil mit zwei mit einer
Auswerteeinheit verbindbaren Spulen,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Druckkörper (1) aus einem eine Sacklochaus nehmung (1.2) als Druckkammer und ein Bodenteil (1.3) aufweisenden rohrförmigen nichtmagnetischen Flansch teil (1.1) besteht, welches an seinem Außenumfang mindestens über eine Teillänge (a; b) der Sacklochaus nehmung (1.2) und des Bodenteils (1.3) als Metallteil eine strukturierte, amorphe und magnetostriktive Metall schicht (1.4) trägt,
daß das Sensorteil (2) als weichmagnetisches Gehäuse teil (2.1) mit einer topfförmigen Ausnehmung (2.1.1) ausgebildet und koaxial und mit radialem Abstand das Flanschteil (1.1) umgebend an diesem angeordnet ist, wobei die topfförmige Ausnehmung (2.1.1) an ihren Enden und in der Mitte mit je einer das Flanschteil (1.1) umschließenden weichmagnetischen Lochscheibe (2.5, 2.6; 2.7) versehen ist - wobei die Lage der mittleren Loch scheibe (2.7) durch den Übergangsbereich der Sackloch ausnehmung (1.2) in das Bodenteil (1.3) bestimmt ist - und in den so gebildeten zwei Kammern (2.8, 2.9) die beiden Spulen (2.2, 2.3) im Gehäuseteil (2.1) ange ordnet sind, wobei die die Sacklochausnehmung (1.2) umgebende Spule als Meßspule (2.2) und die das Boden teil (1.3) umgebende Spule als Referenzspule (2.3) dient.
daß der Druckkörper (1) aus einem eine Sacklochaus nehmung (1.2) als Druckkammer und ein Bodenteil (1.3) aufweisenden rohrförmigen nichtmagnetischen Flansch teil (1.1) besteht, welches an seinem Außenumfang mindestens über eine Teillänge (a; b) der Sacklochaus nehmung (1.2) und des Bodenteils (1.3) als Metallteil eine strukturierte, amorphe und magnetostriktive Metall schicht (1.4) trägt,
daß das Sensorteil (2) als weichmagnetisches Gehäuse teil (2.1) mit einer topfförmigen Ausnehmung (2.1.1) ausgebildet und koaxial und mit radialem Abstand das Flanschteil (1.1) umgebend an diesem angeordnet ist, wobei die topfförmige Ausnehmung (2.1.1) an ihren Enden und in der Mitte mit je einer das Flanschteil (1.1) umschließenden weichmagnetischen Lochscheibe (2.5, 2.6; 2.7) versehen ist - wobei die Lage der mittleren Loch scheibe (2.7) durch den Übergangsbereich der Sackloch ausnehmung (1.2) in das Bodenteil (1.3) bestimmt ist - und in den so gebildeten zwei Kammern (2.8, 2.9) die beiden Spulen (2.2, 2.3) im Gehäuseteil (2.1) ange ordnet sind, wobei die die Sacklochausnehmung (1.2) umgebende Spule als Meßspule (2.2) und die das Boden teil (1.3) umgebende Spule als Referenzspule (2.3) dient.
2. Drucksensor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die in der topfförmigen Ausnehmung (2.1.1) ange
ordneten Lochscheiben (2.5, 2.6; 2.7) mit dem Gehäuse
teil (2.1) einstückig ausgebildet sind.
3. Drucksensor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die topfförmige Ausnehmung (2.1.1) von einer weich
magnetischen Hülse (2.4) ausgekleidet ist, welche mit
den Lochscheiben (2.5, 2.6; 2.7) versehen ist.
4. Drucksensor nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Hülse (2.4) in Achsrichtung des Drucksensors
einen durchgehenden Längsschlitz (2.4.1) aufweist.
5. Drucksensor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Metallschicht (1.4) eine bezüglich der Achs
richtung des Drucksensors achsparallele streifen
förmige Struktur (1.4.1, 1.4.2, 1.4.3) aufweist.
6. Drucksensor nach Anspruch 1 und 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Hülse (2.4) und die Lochscheiben (2.5, 2.6;
2.7) zur Erzeugung besonders guter weichmagnetischer
Eigenschaften mit einer amorphen, hochpermeablen
und nichtmagnetostriktiven Beschichtung versehen sind.
7. Drucksensor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das nichtmagnetische Flanschteil (1.1) aus einer
Federstahllegierung besteht.
8. Drucksensor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Meßspule (2.2) und die Referenzspule (2.3)
elektrisch zu einer Halbbrücke verschaltet sind und
über ein Anschlußkabel (3) mit der Auswerteeinheit
(4, 4.1, 4.2) verbindbar sind.
Priority Applications (1)
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ID=6293764
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