DE3604088A1 - Pressure sensor - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Drucksensor gemäß dem Ober begriff des Anspruches 1.The invention relates to a pressure sensor according to the Ober Concept of claim 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.There is a generic pressure sensor known (DE-OS 29 28 617, Fig. 3), in which a pressure line opens into a pressure housing, which consists of a housing cover and a bottom firmly connected thereto, the bottom of a first film with a first coil, a pressure membrane made of elastic soft magnetic material and a second film with a second coil is put together. This pressure sensor could be considered disadvantageous in that it is not possible to compensate for thermally induced error influences. Furthermore, the voltage-dependent permeability change is carried out with crystalline magneto-strictive material, which on the one hand leads to a large magnetomechanical hysteresis and on the other hand all known disadvantages, such as greater susceptibility to corrosion and thus long-term change in the magnetic properties, as well as a smaller specific electrical resistance and associated higher Eddy current losses and thus lower measuring sensitivity for the sensor. Furthermore, it is also not possible to use a single sensor part to interrogate multiple pressure measuring points with pressure bodies about their current pressure state, if necessary, since the sensor part and the pressure body are firmly connected to one another. Since no soluble combination between the pressure body and the sensor part is possible, a simple modular system cannot be created, in which only the pressure body has to be adapted to different pressure measuring ranges in order to cover a large pressure measuring range universally.
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.The object of the invention is to provide a pressure sensor that especially without mechanical parts works reliably, even for continuous operation difficult physical environmental conditions, through a great universality in terms of measuring range, Area of application and location as well as by a relative characterized by low manufacturing costs. Furthermore the pressure sensor should also allow that by a simple physical principle of action and by one robust construction with a simple inexpensive electronic circuit from the pressure to be sensed signal an analog voltage signal can be generated.
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.This task is performed with a generic pressure sensor solved with the characterizing features of claim 1. Advantageous further developments of the print according to the invention sensors are ge by the features of the subclaims indicates.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. An embodiment of the invention is in the drawing shown and is described in more detail below.
Es zeigenShow it
Fig. 1 den Drucksensor in einer Schnittdarstellung, Fig. 1 the pressure sensor in a sectional view,
Fig. 2a bis 2c Strukturformen der auf dem Druckkörper des Sensors aufgebrachten Metallschicht, FIGS. 2a to 2c structural forms of the applied pressure on the body of the sensor metal film,
Fig. 3 die Sensoranordnung in einer Auswerteeinheit. Fig. 3 shows the sensor arrangement in an evaluation unit.
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.In the pressure sensor shown in Fig. 1, its pressure body 1 consists of a blind hole 1.2 as a pressure chamber and a bottom part 1.3 having tubular flange part 1.1 made of a non-magnetic spring steel alloy. This flange part 1.1 carries on its outer circumference over a partial length a of the blind hole 1.2 and a length b of the bottom part 1.3 as a metal part, a structured, amorphous and magnetostrictive metal layer 1.4 , which uses a chemical currentless process or ion beam process or a mixed process of chemical coating and ion beam technology is applied to the flange part. The sensor part 2 is designed as a soft magnetic housing part 2.1 with a cup-shaped recess 2.1.1 and coaxially and at a radial distance from the flange part 1.1 (over the partial lengths a and b) of which it is arranged. An electromagnetic circuit is built into the housing part 2.1 or its cup-shaped recess 2.1.1 , consisting of a measuring coil 2.2 , a reference coil 2.3 , and a longitudinal slot 2.4.1 provided - to reduce eddy currents - soft magnetic sleeve 2.4 and soft magnetic perforated disks 2.5 , 2.6 and 2.7 . The perforated disks 2.5 and 2.6 are arranged at the ends and the perforated disk 2.7 approximately in the middle of the cup-shaped recess 2.1.1 , surrounding the flange part 1.1 in its area carrying the metal layer 1.4 , the position of the middle perforated disk 2.7 being due to the transition area the blind hole recess 1.2 is determined in the bottom part 1.3 . On their outer circumference, the perforated discs 2.5 to 2.7, however, are supported in the sleeve 2.4 . Alter natively, the sleeve 2.4 could also be omitted, so that the perforated disks are carried directly by the housing part 2.1 or are integrally formed therewith. In the annular chambers 2.8 and 2.9 formed by the sleeve 2.4 , the perforated disks 2.5-2.7 and 2.7-2.6 and the metal layer 1.4 , the two coils 2.2 and 2.3 are arranged in the housing part 2.1 , the recess 2.2 surrounding the blind hole 1.2 in the chamber 2.8 as a measuring coil and the bottom part 1.3 surrounding coil 2.3 in the chamber 2.9 serves as a reference coil. The coils themselves are electrically connected to a connecting cable 3 , which will hold ge via a cable strain relief 3.1 in the housing part 2.1 .
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.The perforated discs 2.5 , 2.6 , 2.7 and the sleeve 2.4 are preferably made from Permenorm, so that good magnetic shielding of the measuring and reference circuit is ensured and due to the large specific electrical resistance of Permenorm in parts 2.4 to 2.7 only negligible eddy currents be induced so that the sensor is not attenuated in sensitivity. The formation of the magnetic return circuit - consisting of the parts 2.4 to 2.7 - is particularly advantageous, however, if these parts - instead of the standard form - are provided with an amorphous, highly permeable and non-magnetostrictive coating to produce the soft magnetic property, which is based on a chemical or physical coating process or a sequential application of both processes he is generated.
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.As can be seen from Fig. 1, the pressure body 1 (parts 1.1 to 1.4 ) and the sensor part 2 (parts 2.1 to 3.1 ) form two independent units, which are positively connected. The great con constructive and manufacturing advantage of this education is that it is possible to manufacture the electro-dynamic measuring and reference circuit and the housing part on the one hand and the pressure body 1 on the other hand as separate subunits in different manufacturing facilities and then elsewhere to form a unit assemble.
Die physikalische Wirkungsweise des Drucksensors ist nun folgende:The physical mode of operation of the pressure sensor is now the following:
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. In the pressure body 1 , which is screwed to the pressure measuring point, arise under the action of the compressive force in the blind hole 1.2 in the axial direction and in the circumferential direction to mechanical stresses. About the magneto-elastic coupling then takes place due to the mechanical stresses in the magnetostrictive amorphous metal layer 1.4 over the partial length a, a change in the magnetic permeability of the metal layer 1.4 , which is converted via the measuring coil 2.2 into an inductance change.
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. In the mechanically stress-free part of the pressure body 1 - part length b - a reference inductance is formed, consisting of the reference coil 2.3 and also the magnetostrictive amorphous metal layer 1.4 . . Measuring coil 2.2 with the amorphous metal layer 1.4 as core - - and the reference inductance - As can be seen from Fig 3, the measuring inductance are reference coil 2.3 with the amorphous metal layer 1.4 as core - for an electrical half-connected bridge and the connecting cable 3 with an evaluation unit 4 connected, which consists in a simple manner of a carrier frequency electronics 4.1 with downstream display electronics 4.2 . By switching the measuring and reference inductance to an electrical half-bridge, a compensation of the effects of thermal errors is achieved. In order also to achieve good thermal zero-point error and sensitivity error compensation, the magneto-strictive amorphous metal layer 1.4 has an axially parallel stripe-shaped structure 1.4.1 according to FIG. 2a or 1.4.2 according to FIG. 2b or 1.4.3 according to FIG. 2c , so that the magnetic flux is guided in defined paths, regardless of the mechanical stress state. Although the transverse stress of the pressure body is greater than the longitudinal stress, only the mechanical longitudinal stress is used for measuring the pressure via the mechanical stress in the axially parallel structure of the metal layer 1.4 . The resulting slightly lower sensitivity 7 of the sensor is justified by its simpler construction and good thermal error compensation.
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.Due to the inventive design of the pressure sensor, it is possible to use a single sensor part 2 as a "sensor head" for any number of pressure bodies 1 , since the sensing of the metal layer 1.4 takes place without contact, that is, it can with a single sensor part 2 a lot of measuring points be queried as required if these measuring points with a permanently installed pressure body 1 are permitted. Furthermore, it is possible to do justice to different pressures at completely different measuring points through different wall thicknesses of the tubular flange part 1.1 and still make all pressure measuring points, if necessary, with only one sensor part 2 with evaluation unit 4 for querying the current pressure state. In addition, a sensor part 2 with various pressure elements 1 of different wall thicknesses of the tubular flange part can be offered as an individual sensor, with which a very large measuring range span can then be recorded at low cost.
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.The construction of the sensor part 2 with a magnetically closed measuring and reference circuit thus enables an electromagnetic interference-free and largely undisturbed by thermal error influences, operation of the pressure sensor.
Claims (8)
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.1. Pressure sensor, which converts a pressure to be measured into a corresponding electrical quantity, consisting of a pressure body that can be connected to the pressure to be measured, with a soft magnetic properties that is firmly connected to it and that is elastically deformable under the influence of the pressure, and a sensor part for sensing a change in permeability that occurs during deformation in the metal part, with two coils that can be connected to an evaluation unit, characterized in that
that the pressure body ( 1 ) consists of a blind hole recess ( 1.2 ) as a pressure chamber and a bottom part ( 1.3 ) having tubular non-magnetic flange part ( 1.1 ), which has at least one partial length (a; b) of the blind hole recess ( 1.2 ) and the bottom part ( 1.3 ) as a metal part carries a structured, amorphous and magnetostrictive metal layer ( 1.4 ),
that the sensor part ( 2 ) is designed as a soft magnetic housing part ( 2.1 ) with a cup-shaped recess ( 2.1.1 ) and is arranged coaxially and at a radial distance around the flange part ( 1.1 ), the cup-shaped recess ( 2.1.1 ) their ends and in the middle each with a soft magnetic perforated disk ( 2.5 , 2.6 ; 2.7 ) enclosing the flange part ( 1.1 ) - the position of the middle perforated disk ( 2.7 ) through the transition area of the blind hole recess ( 1.2 ) in the bottom part ( 1.3 ) is determined - and in the two chambers ( 2.8 , 2.9 ) thus formed, the two coils ( 2.2 , 2.3 ) in the housing part ( 2.1 ) are arranged, with the blind hole recess ( 1.2 ) surrounding the coil as the measuring coil ( 2.2 ) and the the bottom part ( 1.3 ) surrounding coil serves as a reference coil ( 2.3 ).
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| DE19863604088 DE3604088A1 (en) | 1986-02-08 | 1986-02-08 | Pressure sensor |
Applications Claiming Priority (1)
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| DE19863604088 DE3604088A1 (en) | 1986-02-08 | 1986-02-08 | Pressure sensor |
Publications (2)
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Family Applications (1)
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