DE3720373C1 - Druckaufnehmer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Druckaufnehmer gemäß den Merk­ malen im Oberbegriff des Anspruchs 1.

Zum Messen des statischen Drucks eines Fluids werden Druck­ meßgeräte verwandt, deren Druckaufnehmer entweder mechanisch, bzw. kontaktlos arbeiten. Insbesondere dann, wenn eine hohe Meßgenauigkeit erforderlich ist und die Meßdaten zur weite­ ren Verarbeitung in einer Regelung oder Datenerfassung benö­ tigt werden, gelangen kontaktlos arbeitende elektromechani­ sche Druckaufnehmer zum Einsatz.

Eine Bauform zeigt die DE-OS 26 00 925 mit einem Druckauf­ nehmer nach dem DMS-Prinzip. Dieser weist einen Meßtubus auf, dessen Innenraum mit dem Fluid beaufschlagt ist, dessen Druck gemessen werden soll. An der Außenseite des Meßtubus sind Dehnungsmeßstreifen (DMS) aufgeklebt und an eine Aus­ werteeinheit angeschlossen. Je nach anliegendem Druck im Meßtubus dehnt sich dieser zusammen mit den DMS mehr oder weniger aus. Die Widerstandsänderung der DMS dient hierbei als Meßsignal. Ein solcher Druckaufnehmer arbeitet sehr genau, ist aber verhältnismäßig teuer, da zum einen ein hoher Eichaufwand zum Abgleich der DMS-Brückenschaltung zwecks Kompensation eines Meßfehlers als Folge von Tempera­ turänderungen des Fluids erforderlich ist und zum anderen zusätzliche sowie aufwendige Meßverstärker zum Aufbereiten des Meßsignals notwendig sind.

Aus der DE-OS 32 27 516 ist ein Drucksensor bekannt, der eine druckabhängig auslenkbare Membrandose aufweist, an der ein Permanentmagnet angeordnet ist. Dem Permanentmagneten gegenüberliegend ist gehäuseseitig ein magnetoresistiver Sensor angebracht. Dieser Drucksensor ist zwar verhältnis­ mäßig einfach im Aufbau, hat jedoch den Nachteil, daß Tempe­ raturschwankungen des zu messenden Druckmediums oder der Umgebungstemperatur das Meßergebnis beeinflussen. Hierdurch wird die Meßgenauigkeit des Drucksensors erheblich ver­ mindert.

Aus der DE-OS 29 54 227 ist ein Drucksensor bekannt, der als Druckkammer einen Faltenbalg aufweist, dessen Ende mit einem Spulenkern verbunden ist, der je nach Auslenkung des Faltenbalgs mehr oder weniger weit in eine elektromagne­ tische Spule eintaucht. Spule und Faltenbalg sind innerhalb einer Tragplatte gelagert. Tragplatte, Faltenbalg, Spulen­ kern und Spulenkörper sind bei dieser Ausführung werkstoff­ mäßig derart aufeinander abgestimmt, daß sich die veränder­ ter Umgebungstemperatur die Wärmedehnungen der einzelnen Bauteile zueinander kompensieren. Auf diese Weise arbeitet der Drucksensor unabhängig von der Umgebungstemperatur mit gleichbleibender Genauigkeit. Nachteilig bei dieser Ausfüh­ rung ist jedoch, daß der bauliche Aufwand, insbesondere hinsichtlich der Werkstoffwahl, verhältnismäßig hoch ist. Ein Drucksensor zur Messung hoher Drücke ist nach dem dort beschriebenen Prinzip nur schwer und mit wirtschaftlich nicht vertretbarem Aufwand herstellbar. Ein weiterer Nach­ teil ist, daß die Temperaturkompensation nur bei Verän­ derung der Umgebungstemperatur des Drucksensors funktioniert, nicht jedoch bei Temperaturänderung des zu messenden Druck­ mediums.

Ausgehend von dem erstgenannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Druckaufnehmer zu schaffen, der einfach sowie billig im Aufbau ist und zugleich eine temperaturunabhängige hohe Meßgenauigkeit bei geringem Abgleichaufwand aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im kennzeichnen­ den Teil des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.

Ein solcher Druckaufnehmer bietet im Vergleich zu der bekann­ ten Bauart erhebliche Vorteile, die insbesondere darin lie­ gen, daß mit verhältnismäßig kostengünstigen Bauteilen bei einfachem Aufbau eine hohe Meßgenauigkeit erreicht wird. Ein aufwendiges Abgleichen, wie es beispielsweise bei DMS- Brücken erforderlich ist, kann entfallen, da lediglich Magnet und Sensor zueinander positioniert werden müssen, was in der Praxis durch Einstellen des senkrechten Abstands der beiden Bauteile zueinander schnell und einfach erfolgen kann.

Um sicherzustellen, daß Temperaturschwankungen des Fluids bzw. der Umgebung keinen Einfluß auf das Meßergebnis haben, ist der Permanentmagnet oder der Sensor an einer Kompensa­ tionshülse befestigt, welche die Druckkammerwandung wärme­ leitend umgibt. Da die Materialien von Druckkammerwandung und Kompensationshülse im Temperaturverhalten etwa gleich sind, haben Druckkammerwandung und Kompensationshülse das­ selbe Temperaturerlebnis. Eine Erwärmung der Druckkammerwan­ dung führt somit auch zu einer entsprechenden Erwärmung der Hülse, so daß eine Relativverlagerung zwischen Sensor und Magnet aufgrund Wärmedehnung weitgehend verhindert wird.

Da Sensor und Permanentmagnet nur auf den axialen Anteil der Dehnungen der Druckkammerwandung und der Kompensations­ hülse reagieren, ändert sich der einmal voreingestellte Abstand im Schutze des Gehäuses nicht mehr, was hinsichtlich der Meßgenauigkeit besonders wichtig ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Druckaufnehmer kann der magneto­ resistive Sensor sowohl der Druckkammer als auch der Kompen­ sationshülse zugeordnet sein, wobei der Magnet dann entspre­ chend der Kompensationshülse bzw. der Druckkammer zugeordnet ist. Der magnetoresistive Sensor und sein Abstand zum Ma­ gneten sind so auszuwählen, daß der Meßbereich des Druckauf­ nehmers im linearen Kennlinienbereich des Sensors liegt.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Grund­ gedankens besteht in den Merkmalen des Anspruchs 2. Dabei wird durch den verdickten Endabschnitt der Druckkammer ge­ währleistet, daß sich diese auch bei einem höheren Druck nicht in einer unzulässigen Größenordnung verformt und da­ durch das Meßergebnis negativ beeinträchtigen kann. Bevor­ zugt ist bei dieser Ausführungsform der Sensor dem Vorsprung zugeordnet und der Magnet in eine Querbohrung des Hülsenwand­ abschnitts verlagerbar sowie arretierbar eingesetzt.

Diese Anordnung erlaubt es dann gemäß den Merkmalen des Anspruchs 3, den Abstand zwischen dem Sensor und dem Perma­ nentmagneten auf einfache Weise exakt zu fixieren.

Um das Temperaturempfinden der Kammerwandung und der Kompen­ sationshülse noch weiter zu vergleichmäßigen, können die Merkmale des Anspruchs 4 angewendet werden.

Besonders zweckmäßig ist eine Ausführungsform gemäß Anspruch 5. Hierbei besteht das Gehäuse aus zwei stabilen, im wesent­ lichen starren Endstücken, dem Boden und dem Deckel, die durch einen zylindrischen Außenmantel miteinander verbunden sind. Der Boden weist die Anschlußbohrung für die Druckkammer auf. Hieran sind Druckkammer und Kompensationshülse befestigt. Am Deckel sind die Anschlußleitungen des Sensors herausge­ führt, wobei der Deckel z. B. gemäß Anspruch 6 je nach Anfor­ derungen so ausgebildet sein kann, daß er einen Meßverstärker aufnimmt. Die gesamte Meßeinrichtung wird bei dieser Anord­ nung durch den stabilen zylindrischen Außenmantel geschützt. Auf diese Weise wird ein hermetisch abgeschlossenes Bauteil gebildet, das weitgehend unempfindlich gegenüber Außenein­ flüssen jeglicher Art ist.

Alle Bauteile können lösbar miteinander verbunden sein. Selbstverständlich ist es auch möglich, das eine oder andere Bauteil zu vereinigen.

Mit den Merkmalen des Anspruchs 7 kann der Einfluß von außen auf das Temperaturempfinden der Kammerwandung und der Kompen­ sationshülse noch weiter reduziert werden. Als isolierendes Mittel kann z. B. Mineralwolle in Frage kommen.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Der in der Figur dargestellte Druckaufnehmer weist ein Ge­ häuse 1 auf, das aus einem Boden 2, einem Deckel 3 und einem den Boden 2 mit dem Deckel 3 verbindenden zylindrischen Außenmantel 4 besteht. Das Gehäuse 1 bildet eine stabile Baueinheit, welche die darin befindlichen Meßelemente gegen äußere Einflüsse schützt.

Der Boden 2 dient als Anschluß an eine nicht dargestellte Fluidleitung, wobei der Druck des Fluids über den Druckauf­ nehmer gemessen wird. Hierzu weist der Boden 2 eine zentri­ sche Durchgangsbohrung 5 auf, welche die Fluidleitung mit einer Druckkammer 6 verbindet. Die Druckkammer 6 bildet einen Bestandteil eines Zapfens 9, der an einem zentralen Vor­ sprung 8 befestigt ist, welcher gegenüber der Stirnseite 7 des Bodens 2 vorsteht und mit dem anderen Endabschnitt 11 frei in den von dem Gehäusemantel 4 umschlossenen Raum 21 hineinragt.

Der Zapfen 9 erstreckt sich mittig im Gehäuse 1 vom Boden 2 bis in eine Ausnehmung 22 des Deckels 3. Er besteht aus einem elastisch verformbaren Material und ist so ausgebildet, daß er sich bei Druckbeaufschlagung der Druckkammer 6 im Bereich der Kammerwandung 10 ausdehnt.

Im zum Deckel 3 gewandten Endabschnitt 11 ist der Zapfen 9 derart verdickt ausgebildet, daß er hier in bezug auf die Druckkammerwandung 10 als starr anzusehen ist.

Am Endabschnitt 11 ist ein in Richtung auf den Deckel 3 weisender Vorsprung 12 angeformt, der innerhalb der zylin­ drischen Außenkontur des Zapfens 9 liegt und an dessen einer Flachseite ein magnetoresistiver Sensor 13 angebracht ist.

Der Sensor 13 ist im Abstand a zu einem Permanentmagneten 14 angeordnet, der in einer Querbohrung 15 an dem zum Deckel 3 weisenden verdickten Endabschnitt 19 einer Kompensations­ hülse 16 verstellbar angeordnet ist. Die Querbohrung 15 weist ein Gewinde auf. Der Permanentmagnet 14 ist innerhalb einer Schraube angeordnet oder selbst als Schraube ausgebil­ det, so daß durch Ein- bzw. Ausschrauben des Magneten 14 der Abstand a zum Sensor 13 einstellbar ist.

Die Kompensationshülse 16 ist mit Wandungskontakt konzen­ trisch zur Achse ZA des Zapfens 9 angeordnet und ebenfalls am Vorsprung 8 befestigt. Der Spalt 18 zwischen der Druck­ kammerwandung 10 und der Kompensationshülse 16 kann mit einem Wärmeleitmittel, z. B. mit einer Wärmeleitpaste, ver­ füllt sein.

Die Kompensationshülse 16 ist aus dem gleichen Material wie die Druckkammerwandung 10 oder aber aus einem Material glei­ chen Temperaturverhaltens hergestellt, so daß sich die Kom­ pensationshülse 16 und die Kammerwandung 10 bei Erwärmung um etwa das gleiche Maß ausdehnen. Hierdurch wird gewährlei­ stet, daß der Druckaufnehmer auch bei unterschiedlichen Arbeitstemperaturen sowie bei Temperaturdifferenzen zwischen Druckkammer 6 und Umgebung konstante Meßergebnisse liefert.

Die Kompensationshülse 16 erstreckt sich bis in die Ausneh­ mung 22 des Deckels 3, ohne diesen zu berühren.

Der Deckel 3 weist eine Kabeldurchführung auf, durch die Anschlußleitungen 17 des magnetoresistiven Sensors 13 aus dem Gehäuse 1 herausgeführt sind. Bei entsprechend geräumi­ ger Ausbildung des Deckels 3 kann in diesem Bereich noch ein Meßverstärker angeordnet sein.

Zur Funktion des Druckaufnehmers:

Bei Druckbeaufschlagung über die Durchgangsbohrung 5 dehnt sich die zylindrische Wandung 10 der im Zapfen 9 ausgebilde­ ten Druckkammer 6 entsprechend der Druckhöhe elastisch aus, wodurch der Vorsprung 12 mit dem daran befindlichen Sensor 13 in Verschieberichtung w in bezug auf den Permanentmagne­ ten 14 verschoben wird. Der Abstand a zwischen dem Magneten 14 und dem Sensor 13 bleibt dabei jedoch konstant. Entspre­ chend der hervorgerufenen magnetischen Feldänderung ändert sich folglich der Widerstand des Sensors 13, und zwar nahezu proportional zur Wegänderung. Dadurch wird ein der Druckän­ derung proportionales elektrisches Signal erzeugt, das zur Druckmessung dient und einer Auswerteeinheit zugeleitet wird.

Magnetoresistiver Sensor 13 und Magnet 14 sind in den Endab­ schnitten 11, 12 bzw. 19 des Zapfens 9 und der Kompensations­ hülse 16 angeordnet, die als starr anzusehen sind, wodurch exakte und reproduzierbare Meßergebnisse erreicht werden. Die ganze Einrichtung liegt geschützt innerhalb des Gehäuses 1, so daß der Druckaufnehmer auch dort einsetzbar ist, wo hohe äußere Belastungen auftreten, wie beispielsweise im untertägigen Grubenbetrieb.

Durch entsprechende Materialwahl und Ausbildung kann ein solcher Druckaufnehmer nahezu allen Meßbedingungen angepaßt werden. Die Messung kann dabei entweder durch Verschieben des Magneten 14 in bezug auf den Sensor 13 in Richtung w erfolgen (wie im vorliegenden Beispiel) oder aber durch Verändern des Abstands a, wobei dann eine Justiereinrichtung zum Ausrichten des Magneten 14 in Richtung w erforderlich ist (entspricht einer um 90° gedrehten Meßeinrichtung, wobei Zapfen 9, Kompensationshülse 16 und Gehäuse 1 unverändert bleiben).

Claims (7)

1. Druckaufnehmer mit einem Gehäuse und einer sich vom Ge­ häuseboden aus frei durch das Gehäuse erstreckenden zylin­ drischen Druckkammer, wobei der parallel zur Kammerachse verlaufende Teil der Kammerwandung in Abhängigkeit vom Innen­ druck elastisch verformbar ist und die Verformung als Maß für die Druckänderung über eine mit der Druckkammerwandung gekoppelte Meßeinheit einer Auswerteinheit zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Druck­ kammer (6) über den wesentlichen Teil ihrer Länge unter Wandungskontakt in eine sich ebenfalls vom Gehäuseboden (2) aus frei in das Gehäuse (1) erstreckende Kompensations­ hülse (16) aus einem Material mit gleichem Temperaturverhal­ ten wie das der Druckkammerwandung (10) relativverschieb­ lich eingebettet ist und im Bereich der freien Endabschnitte (11, 19) der Druckkammer (6) oder der Kompensationshülse (16) ein magnetoresistiver Sensor (13) angebracht ist, der mit einem Permanentmagneten (14) in Wirkverbindung steht, welcher quer zur Kammerachse mit Abstand (a) dem Sensor (13) gegenüberliegt und entsprechend am freien Endabschnitt (19, 11) der Kompensationshülse (16) oder der Druckkammer (6) befestigt ist.

2. Druckaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der freie Endabschnitt (11) der Druckkammer (6) eine im Vergleich zu der Dicke der Wan­ dung (10) erheblich größere Dicke aufweist und mit einem axialen Vorsprung (12) versehen ist, der in eine Ausnehmung (20) des Hülsenendabschnitts (19) hineinragt, wobei der Vorsprung (12) bzw. der Hülsenendabschnitt (19) Träger des Sensors (13) bzw. des Permanentmagneten (14) bilden.

3. Druckaufnehmer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (a) zwischen dem Sensor (13) und dem Permanentmagneten (14) einstellbar ist.

4. Druckaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der Spalt (18) zwischen der Wandung (10) und der Kompensationshülse (16) mit einem Wärmeleitmittel, vorzugsweise einer Wärme­ leitpaste, ausgefüllt ist.

5. Druckaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) einen zylindrischen Außenmantel (4) mit einem ansetzba­ ren Boden (2) sowie einem ebenfalls ansetzbaren Deckel (3) aufweist, wobei in dem Boden (2) eine Anschlußbohrung (5) zur Druckkammer (6) vorgesehen ist und an dem Deckel (3) die Anschlußleitungen (17) des Sensors (13) herausgeführt sind.

6. Druckaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß innerhalb des Gehäuses (1) ein Verstärker für das Meßsignal angeord­ net ist.

7. Druckaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß der Raum (21) zwischen der Kompensationshülse (16) und dem Gehäusemantel (4) mit einem isolierenden Mittel gefüllt ist.