DE3735066A1 - Drucksensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Drucksensor nach dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1.

Drucksensoren dieser Art bestehen aus einem mechanisch ar­ beitenden Druckaufnehmer, der auf seiner einen Seite mit dem zu messenden Druckraum verbunden ist und einen Stift, eine Membran, eine Rohrfeder oder ein anderes geeignetes Übertragungsmittel aufweist, das entsprechend dem im Druck­ raum herrschenden Druck eine Längenänderung innerhalb des Drucksensors hervorruft. Innerhalb des Gehäuses ist dieser bewegliche Teil des Druckaufnehmers mit einem Permanentma­ gneten versehen, der wiederum mit einem ortsfest im Gehäuse angeordneten Hallsensor in Wirkverbindung steht. Entsprechend dem im Druckraum herrschenden Druck wird der bewegliche Teil und somit der damit verbundene Permanentmagnet mehr oder weniger weit auf den Hallsensor bewegt. Je nach Abstand des Permanentmagneten zum Hallsensor wirkt ein unterschied­ lich starkes Magnetfeld auf den Hallsensor, wodurch sich der elektrische Widerstand dieses Sensors ändert. Diese Widerstandsänderung wird von einer nachgeschalteten Auswert­ elektronik (Meßverstärker) erfaßt und in ein elektrisches Signal umgewandelt, mit dem eine elektronische Anzeige, eine Meßwerterfassung, eine Regelvorrichtung oder derglei­ chen steuerbar ist.

Ein Drucksensor dieser Art ist aus der DE-OS 28 42 140 be­ kannt. Nachteilig bei diesem bekannten Drucksensor ist, daß der Meßbereich verhältnismäßig klein ist. Zwar ist es möglich, durch Einsatz eines anderen Druckaufnehmers einen entsprechend größeren Meßbereich zu erfassen, beispielsweise von 0 bis 1000 bar, doch ist hierzu eine sehr aufwendige Auswertelektronik erforderlich, die den Einsatz eines sol­ chen Drucksensors in der Regel unwirtschaftlich macht. Der Grund hierfür liegt darin, daß der Hallsensor nur in einem verhältnismäßig kleinen Bereich eine lineare Kennlinie auf­ weist, da die Feldstärke des Magneten mit zunehmendem Ab­ stand vom Magneten nicht linear, sondern überproportional abnimmt. Entsprechend sich auch die Widerstandsänderungen im Hallsensor bei größerem Abstand des Magneten, wie er bei großem Meßbereich (bei gleichbleibender Auflösung) gege­ ben sein kann, entsprechend gering, was durch eine aufwendi­ ge und anfällige Auswertelektronik ausgeglichen werden muß. Der Einsatz einer solchen hochauflösenden Auswertelektronik ist insbesondere im untertägigen Grubenbetrieb nicht nur wegen der hohen Anschaffungskosten problematisch. Die dort herrschenden rauhen Bedingungen hinsichtlich Temperatur, Luftfeuchte und Erschütterungen bringen unerwünschte Stör­ einflüsse mit sich, die zu ungenauen Messungen oder gar zu einem Ausfall der Geräte führen können.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, mit technisch einfachen Mitteln einen robusten und kompakten Drucksensor zu schaffen, der einen weiten Meßbereich bei hoher Auflösung überspannt.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Drucksensor gemäß der Erfindung mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.

Die erfindungsgemäße Lösung sieht eine Anpassung des Druck­ sensorgehäuses im Bereich des mechanisch-elektrischen Wand­ lers derart vor, daß die Feldstärke der den Hallsensor er­ reichenden Feldlinien mit wachsendem Abstand des Magneten zum Hallsensor proportional abnimmt. Das Gehäuse ist also so ausgebildet, daß die Feldlinien mit zunehmendem Abstand vom Hallsensor entsprechend gebündelt werden. Auf diese Weise kann ein Druckwandler mit verhältnismäßig hohem Meßbe­ reich eingesetzt werden, dessen bewegliches Teil (Membran, Stift, Rohrfeder oder dergleichen) eine entsprechend größere Auslenkung vollziehen kann. Die damit verbundene genau so große Auslenkung des Permanentmagneten in bezug auf den Hallsensor wird hinsichtlich der Magnetfeldänderung durch den entsprechend ausgebildeten Gehäusequerschnitt kompen­ siert, so daß die sonst üblichen elektronischen Ausgleichs­ komponenten entfallen können. Die Erfindung schafft also die Möglichkeit, lediglich mit rein mechanischen Mitteln eine lineare Magnetfeldänderung bei Verlagerung des Magneten in Richtung auf den Hallsensor oder umgekehrt herbeizufüh­ ren, so daß der Wandler eine lineare Kennlinie erhält.

In der Regel ist eine lineare Kennlinie erstrebenswert, es versteht sich jedoch, daß der Erfindungsgedanke, durch An­ passung des Gehäuses im Bereich zwischen Wandler und Druck­ aufnehmer die Kennlinie des Wandlers zu verändern, auch dazu eingesetzt werden kann, das Gehäuse entsprechend so auszubilden, daß eine andere gewünschte, nicht lineare Kenn­ linie des Wandlers erreicht wird. Die Anpassung des Gehäuse­ querschnitts kann sowohl durch Formgebung der Gehäusewand als auch durch Wahl der Wanddicke oder vorteilhaft durch Ausnutzung beider Möglichkeiten erfolgen.

Anspruch 2 beschreibt eine weitere Möglichkeit, auf den magnetischen Fluß innerhalb des Gehäuses Einfluß zu nehmen, und zwar durch entsprechende Materialwahl der Gehäusewand. So kann beispielsweise eine Kennlinienänderung auch dadurch erreicht werden, daß die Gehäusewand aus Materialien unter­ schiedlicher Permeabilität aufgebaut wird. Besonders viel­ fältige Möglichkeiten zur Kennlinienbeeinflussung des Wand­ lers ergeben sich durch Kombination von Gehäusewandgestal­ tung und entsprechender Materialwahl.

Eine konstruktiv einfache und zugleich wirksame Ausbildung des Gehäuses zur Bündelung der Feldlinien bei größer werden­ dem Abstand zwischen Permanentmagnet und Hallsensor be­ schreibt Anspruch 3. Durch diese Ausbildung werden bei größer werdendem Abstand zwischen Magnet und Hallsensor die vom Magneten ausgehenden Feldlinien im Randbereich nach vorne, also zum Hallsensor hin gebündelt und laufen so nicht direkt quer zur Gehäusewand hin.

Anspruch 4 beschreibt eine weitere vorteilhafte bauliche Ausgestaltung des Gehäuses, und zwar in dem Bereich jenseits des Permantentmagneten, dort wo der bewegliche Teil des Druck­ aufnehmers bzw. das damit verbundene Übertragungsglied ange­ ordnet sind. Durch diese Stufe innerhalb des Gehäuses kann ein Anschlag gebildet sein, gegen den der bewegliche Teil des Druckaufnehmers fährt, wenn beispielsweise ein unzuläs­ sig hoher Druck am Druckaufnehmer anliegt. Hierdurch wird einerseits der Hallsensor vor direktem Kontakt mit dem Per­ manentmagneten geschützt, zum andern kann hierdurch ein Überlastungsschutz für den Druckaufnehmer gebildet sein.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in den Zeichnun­ gen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 in schematischer Darstellung einen Längsschnitt durch einen Teil eines Drucksensors nach dem Stand der Technik;

Fig. 2 bis 4 einen Teil eines Drucksensors nach der Erfindung in Darstellung nach Fig. 1, und zwar in unter­ schiedlichen Stellungen des Permanentmagneten.

Der in den Fig. 2 bis 4 dargestellte Drucksensor ist in einem etwa zylindrischen Gehäuse 1 integriert und besteht im wesentlichen aus einem hier nicht dargestellten mecha­ nisch arbeitenden Druckaufnehmer und einem sich daran an­ schließenden mechanisch-elektrischen Wandler. Seitens des Druckaufnehmers ist in den Figuren lediglich ein axial inner­ halb des Gehäuses 1 (bzw. 1′ in Fig. 1) verschiebbar ange­ ordneter Zapfen 2 dargestellt, der mit dem beweglichen Teil des Druckaufnehmers, beispielsweise einer Membran, einem Stift, einer Rohrfeder oder dergleichen verbunden ist. An der vom Druckaufnehmer abgewandten Seite des Zapfens 2 ist mittig ein Permanentmagnet 3 angebracht. Der Permanentmagnet 3 ist in Bewegungsrichtung des Zapfens 2, also in Achsrich­ tung des Gehäuses 1 polarisiert.

Mit Abstand vom Permanentmagneten 3 ist innerhalb des Gehäu­ ses 1 ortsfest ein Hallsensor 4 angeordnet. Der Hallsensor 4 ist auf der zum Druckaufnehmer weisenden Stirnseite eines Zapfens 5 angebracht, der fest mit dem Gehäuse 1 verbunden ist. Der Hallsensor 4 steht mit dem Permanentmagneten 3 in Wirkverbindung. Je nach Abstand des Permanentmagneten 3 zum Hallsensor 4 ändert sich das vom Permantenmagneten 3 ausge­ hende magnetische Feld, wodurch sich die elektrischen Eigen­ schaften, insbesondere der elektrische Widerstand des Hall­ sensors, ändert. Diese Widerstandsänderung wird von einer nachgeschalteten Meßeinrichtung erfaßt und in ein elektri­ sches Signal umgesetzt.

Bei einem Gehäuse 1′, wie es in Fig. 1 dargestellt und bisher üblicherweise verwendet wurde, breiten sich die Feld­ linien 6 des Permanentmagneten 3 wie in Fig. 1 schematisch dargestellt aus. Wie aus dieser Figur ersichtlich, ist die Feldstärke des Permanentmagneten 3 im polnahen Bereich ver­ hältnismäßig hoch, und nimmt dann mit wachsendem Abstand zum Pol überproportional ab. Der mit einem Hall-Effekt-Bauele­ ment ausgerüstete Hallsensor 4 reagiert dagegen annähernd proportional, d. h. die Widerstandsänderung des Hallsensors ist etwa proportional zur dort herrschenden magnetischen Feld­ stärke. Dies hat zur Folge, daß der axiale Verschiebebereich, innerhalb dessen sich der Permanentmagnet 3 in bezug auf den Hallsensor 4 bewegen kann, bei der Ausführung nach Fig. 1 verhältnismäßig klein ist, wodurch der Meßbereich des Drucksensors bei Einhaltung einer vorgeschriebenen Auflösung eng begrenzt ist oder aber aufwendige elektronische Hilfs­ mittel nachzuschalten sind, um dieses nicht lineare Verhal­ ten zu kompensieren.

Bei der Ausführung nach den Fig. 2 bis 4 ist durch ent­ sprechende Ausbildung des Gehäuses 1 im Bereich des Perma­ nentmagneten 3 und zwischen Permanentmagnet 3 und Hallsensor 4 erreicht, daß die Feldlinien 7, 8, 9 des Permanentmagneten 3 mit wachsendem Abstand vom Hallsensor 4 durch das Gehäuse 1 gebündelt werden, so daß über einen weiten axialen Ver­ schiebebereich des Magneten 3 bzw. des Zapfens 2 eine etwa lineare Feldstärkeabnahme am Hallsensor 4 eintritt. Wie anhand der Fig. 2 bis 4 im Vergleich mit Fig. 1 deutlich zu erkennen ist, werden die Feldlinien 7, 8, 9 mit wachsen­ dem Abstand des Magneten 3 vom Hallsensor 4 zunehmend ge­ bündelt.

Fig. 2 zeigt die eine und Fig. 4 die andere Endposition des Zapfens 2 bzw. des Permanentmagneten 3. Die unterschied­ liche Stellung des Permanentmagneten 3 in den Fig. 2 bis 4 ist durch die strichpunktierten Linien 14, 15, 16 verdeutlicht, die jeweils der zum Hallsensor 4 gerichteten Stirnseite des Permantmagneten 3 zugeordnet sind (Fig. 2 - Linie 14, Fig. 3 - Linie 15, Fig. 4 - Linie 16). Der Abstand der Linien 14 und 16 gibt den möglichen Verschiebe­ weg des Permanentmagneten 3 an, innerhalb dessen eine line­ are Ab- bzw. Zunahme der Feldstärke am Hallsensor 4 eintritt. Dieser Verschiebeweg, innerhalb dessen eine lineare Feldstär­ kenänderung in bezug auf den Hallsensor 4 erfolgt, bestimmt bei vorgegebener Auflösung den Meßbereich des Drucksensors.

Das anhand der Fig. 2 bis 4 dargestellten Gehäuse 1 weist einen im dargestellten Bereich glatten, zylindrischen Außen­ mantel auf. Die Innenwandung des Gehäuses 1 ist im Bereich 10 (siehe Fig. 4) des Zapfens 5 zylindrisch ausgebildet. An diesen Bereich 10 schließt sich in Richtung zum Zapfen 2 gesehen ein zur Gehäusemitte hin flach konisch zulaufender Bereich 11 an, der sich zwischen dem Hallsensor 4 und dem vorderen, zum Hallsensor 4 weisenden Teil des Permanentma­ gneten 3 erstreckt (bezogen auf die dem Hallsensor 4 nahelie­ gende Endposition des Permanentmagneten 3, siehe Fig. 4). An den konischen Bereich 11 schließt sich in Richtung auf den Zapfen 2 gesehen ein zylindrischer Bereich 12 an, der sich etwa über die Länge des Magneten 3 erstreckt. Am Ende dieses zylindrischen Bereichs 12 springt die Gehäuseinnen­ wandung in einen zylindrischen Bereich 13 zurück, der in seiner Ausbildung etwa dem Bereich 10 entspricht und den Zapfen 2 umgibt. Die hierdurch gebildete Stufe innerhalb des Gehäuses 1 bildet zugleich einen Anschlag für den Zapfen 2 in Richtung auf den Hallsensor 4, der verhindert, daß Permanentmagnet 3 und Hallsensor 4 zu nahe aneinanderkommen oder gar kollidieren.

Wie anhand der Fig. 2 bis 4 deutlich erkennbar ist, hat diese etwa trichterförmige Ausbildung der Gehäuseinnenwand im Bereich 11 zwischen Hallsensor 4 und Permantenmagnet 3 und im Bereich 12 des Permanentmagneten 3 die Wirkung, daß die vom Permanentmagneten 3 ausgehenden Feldlinien 7, 8, 9 mit wach­ sendem Abstand zum Hallsensor 4 zunehmend gebündelt werden, so daß die magnetische Feldstärke am Hallsensor 4 etwa line­ ar abnimmt. Da der Hallsensor 4 ebenfalls lineares Verhalten aufweist, kann die nachgeschaltete Auswertelektronik ent­ sprechend einfach gestaltet sein. Der verhältnismäßig große Verschiebeweg (Abstand zwischen 14 und 16) ermöglicht den Einsatz eines für einen großen Meßbereich ausgelegten Druck­ aufnehmers.

Claims (5)

1. Drucksensor mit einem Gehäuse, in dem ein mechanisch arbeitender Druckaufnehmer und ein diesem nachgeschalteter mechanisch-elektrischer Wandler angeordnet sind, wobei der bewegliche Teil des Druckaufnehmers zumindest mittelbar mit einem Permanentmagneten verbunden ist, der mit einem Hallsensor in Wirkverbindung steht, und zusammen mit diesem den Wandler bildet, dadurch gekennzeich­ net, daß der Gehäusequerschnitt im Bereich des Permanent­ magneten (3) und im Bereich zwischen Permanentmagneten (3) und Hallsensor (4) zum Erzielen einer linearen Kennlinie des Hallsensors (4) einer etwa linearen Feldstärkeabnahme am Hallsensor (4) bei Bewegung des Permanentmagneten von der einen Endposition (14) zur anderen Endposition (16) angepaßt ist.

2. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Gehäusequerschnitt durch Material­ wahl der Gehäusewand angepaßt ist.

3. Drucksensor nach Anspruch 1 oder 2, mit einem im Bereich zwischen Permanentmagneten und Hallsensor im Querschnitt runden Gehäuse, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäuseinnenwand bezogen auf die dem Hallsensor (4) naheliegende Endposition (16) des Permanentmagneten (3)

• a) im Bereich (11) zwischen Hallsensor (4) und Permanent­ magneten (3) in Richtung auf den Permanentmagneten (3) konisch zulaufend und
• b) im Bereich (12) des Permanentmagneten (3) zylindrisch

ausgebildet ist, bei zylindrischer Ausbildung der Gehäuse­ außenwand.

4. Drucksensor nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Gehäuse (1) im Bereich (13) des Permanent­ magneten (3) ausgebildet ist.