DE3604088A1

DE3604088A1 - Drucksensor

Info

Publication number: DE3604088A1
Application number: DE19863604088
Authority: DE
Inventors: Edmund Dipl Phys Schiessle; Khaldoun Alasafi
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1986-02-08
Filing date: 1986-02-08
Publication date: 1987-08-13
Also published as: DE3604088C2

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

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.

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.