DE4016872A1 - Druckaufnehmer - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Druckaufnehmer gemäß dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 2.

Ein solcher Druckaufnehmer ist bekannt (VD Berichte Nr. 677, 1988, Seiten 105 bis 113). Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet des bekannten Druckaufnehmers ist die dynamische Messung des Zylinderdrucks im Brennraum einer Brennkraftmaschine, um daraus Daten für die Steuerung der Brennkraftmaschine zu gewinnen. Bei dem bekannten Druckaufnehmer besteht der Membranträger aus einem kreisringförmigen Rohrabschnitt, der mit seiner Stirnseite an einem Gewindestutzen befestigt ist, der beispielsweise in eine Zylinderwand einer Brennkraft­ maschine geschraubt werden kann und eine mittige Axialboh­ rung aufweist, durch die hindurch die Vorderseite der Membran mit dem Druck im Inneren des Zylinders beaufschlagt werden kann. Der Randabschnitt der Umfangswand des Gehäuses ist ebenfalls mit dem Gewindestutzen fest verbunden, so daß dieser für eine druckdichte Verbindung zwischen dem Membran­ träger und der Umfangswand sorgt. Bei dem bekannten Druckaufnehmer ist die DMS-Anordnung eine in Dünnfilm-Tech­ nik ausgebildete Wheatstonesche Vollbrücke, deren Kontakt­ flächen mit den Spitzen der Endabschnitte der Anschlußdrähte durch eine Hartlötung verbunden sind.

Ein solcher Druckaufnehmer ist, wenn er beispielsweise zur Messung des Zylinderdrucks dient, hohen und hochfrequent schwankenden Temperaturen, verhältnismäßig hohen Drücken und einer chemisch aggressiven Umgebung ausgesetzt. Dennoch soll er die dynamischen Druckverläufe mit hoher Genauigkeit zu erfassen in der Lage sein und über lange Zeit stabile Meßsignale liefern sowie sicher arbeiten. Schließlich ist eine kostengünstige Fertigung wünschenswert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den gattungsge­ mäßen Druckaufnehmer dahingehend zu verbessern, daß er für langdauernden Einsatz geeignet ist, d. h. sowohl mechanische Langzeitstabilität aufweist als auch stabile Meßsignale liefert. Zudem soll die Fertigung möglichst geringen Aufwand und möglichst geringe Kosten verursachen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß zum einen durch den Druckaufnehmer gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Bei diesem ist vorgesehen, daß jeder der frei vorstehenden Endabschnitte der Anschlußdrähte im wesentlichen quer zur Achse des Metallmantelkabels abgebogen ist und blattfederartig ela­ stisch verformt ist, wobei die Spitze des Endabschnitts aufgrund dieser Verformung in elastischer Anlage und allein dadurch in Berührung mit der zugeordneten Kontaktfläche gehalten ist. Zum anderen wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch den Druckaufnehmer gemäß Patentanspruch 2 gelöst, bei dem ebenfalls vorgesehen ist, daß die frei vorstehenden Endabschnitte der Anschlußdrähte im wesentlichen quer zur Achse des Metallmantelkabels abgebogen sind und blattfeder­ artig elastisch verformt sind, so daß die Spitzen der Endabschnitte aufgrund dieser Verformung an den zugeordneten Kontaktflächen gehalten sind. Zusätzlich ist vorgesehen, daß die Spitzen in dieser Lage durch ein elektrisch leitfähiges Klebemittel gesichert sind.

Beiden erfindungsgemäßen Lösungen ist gemeinsam, daß die Endabschnitte der Anschlußdrähte derart abgebogen sind, daß sie einen Blattfederabschnitt bilden. Dieser Blattfederab­ schnitt ist, während die Spitzen der Endabschnitte in Kontakt mit der jeweils zugeordneten Kontaktfläche stehen, elastisch verformt, so daß die Spitze in elastischer Anlage an ihrer Kontaktfläche gehalten wird. Dies ist erreicht unmittelbar durch entsprechende Ausbildung der ohnehin vorhandenen Endabschnitte der Anschlußdrähte und ohne Zuhilfenahme zusätzlicher Vorrichtungen. Das vorstehend beschriebene elastische Andrücken der Spitzen an die Kontaktflächen erfordert lediglich ein Andrücken des Meßele­ mentes gegen die Spitzen in Richtung der Achse des Metallmantelkabels. Bei zahlreichen Anwendungsfällen des Druckaufnehmers bleibt diese elastische Anlage ununterbro­ chen auch über lange Betriebszeiten bestehen, so daß die Berührung der Spitzen mit den zugeordneten Kontaktflächen allein durch diese elastische Anlage gewährleistet ist. Wenn jedoch die Betriebsbedingungen erwarten lassen, daß die Elastizität der Blattfederabschnitte im Laufe der Zeit verlorengeht und/oder daß die Spitzen trotz im wesentlichen unveränderter elastischer Eigenschaften der Blattfederab­ schnitte sich zumindest zeitweilig von den zugeordneten Kontaktflächen lösen, ist gemäß der zweiten erfindungsge­ mäßen Lösung vorgesehen, daß die Spitzen der Endabschnitte in ihrer die Kontaktflächen berührenden Lage durch ein elektrisch leitfähiges Klebemittel gesichert sind. Eine weitere Gemeinsamkeit der beiden erfindungsgemäßen Lösungen liegt darin, daß die Kontaktstellen, an denen sich die Kontaktflächen und Spitzen berühren, während der Herstellung des Druckaufnehmers nicht von außen zugänglich zu sein brauchen, wie dies beispielsweise beim Löten der Fall wäre.

In vorteilhafter Ausbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß der Membranträger aus einem kreisringförmigen Rohrabschnitt und einem kreisringförmigen Flansch besteht, wobei die Membran am der Kammer zugewandten Ende des Rohrabschnitts und der Flansch am anderen Ende des Rohrab­ schnitts angeordnet sind, so daß das Meßelement topfförmig und auf der Membranrückseite eben ist. Dieses Meßelement ist mit seinem Flansch in eine Bohrung im vom Boden des Gehäuses abgewandten Randabschnitt von dessen Umfangswand dicht eingepaßt und dort verschweißt. Das becherförmige Gehäuse ist einstückig ausgebildet, wobei das Meßelement und das Gehäuse in der Weise montiert werden, daß das Meßelement in die vom Gehäuse umgrenzte Kammer eingeschoben wird, bis sein Flansch in der Bohrung sitzt. Bei diesem Einschieben kommen die Spitzen der Endabschnitte der Anschlußdrähte in Berüh­ rung mit den Kontaktflächen, wodurch die bereits vorstehend erläuterte, zuverlässige Kontaktierung erfolgt, ohne daß danach irgendwelche zusätzlichen Montagemaßnahmen zum Zweck der Kontaktierung notwendig sind. Auf diese Weise ist einerseits für verhältnismäßig einfachen Zusammenbau des Druckaufnehmers und andererseits für hohe Betriebszuverläs­ sigkeit gesorgt, da die Kammer, der die Rückseite der Membran und die DMS-Anordnung zugewandt sind, im wesentli­ chen von lediglich zwei einstückig ausgebildeten Bauteilen begrenzt ist, nämlich dem Meßelement und dem Gehäuse.

Dies erweist sich besonders dann als vorteilhaft, wenn der Druckaufnehmer - wie dies bei der bevorzugten Ausführungs­ form der Fall ist - als Druckaufnehmer für Absolutdruck ausgebildet ist und demzufolge die Kammer evakuiert ist und dauerhaft evakuiert bleiben soll. Bei dieser bevorzugten Ausbildung des erfindungsgemäßen Druckaufnehmers ist ferner vorgesehen, daß in der Außenfläche des Rohrabschnitts des Meßelementes zumindest eine Ringnut ausgebildet ist, in der ein Getterstoff angeordnet ist, der dadurch zur funktionalen Langzeitstabilisierung des Druckaufnehmers beiträgt, daß er störende Restgase bindet.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform des Druckaufnehmers;

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Brückenschaltung des Meßelementes des Druckaufnehmers gemäß Fig. 1;

Fig. 3 das Schaltungsschema der Brückenschaltung gemäß Fig. 2;

Fig. 4 eine ausschnittsweise Darstellung des Schichtaufbaus einer Dünnfilm-DMS-Anordnung;

Fig. 5 eine ausschnittsweise, vergrößerte Draufsicht gemäß A-B in Fig. 1 auf ein Ende eines Metallmantelkabels;

Fig. 6 einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 1, der den in Fig. 1 rechten Endabschnitt eines Anschlußdrahtes des Metallmantelkabels in Seitenansicht zeigt;

Fig. 7 eine Ansicht allein des Anschlußdrahtes gemäß C-D in Fig. 6;

Fig. 8 eine Ansicht allein des Anschlußdrahtes von rechts in Fig. 6; und

Fig. 9 eine ausschnittsweise Darstellung einer zweiten Ausführungsform des Druckaufnehmers.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine erste Ausfüh­ rungsform des Druckaufnehmers. Dieser umfaßt ein becherför­ miges Gehäuse 2 aus Metall, das einen Boden 4 sowie eine im wesentlichen zylindrische Umfangswand 6 aufweist, die an ihrem in Fig. 1 unteren Ende in den Boden 4 übergeht und mit diesem einstückig ausgebildet ist. In der Mitte des Bodens 4 ist eine in Richtung der Achse Z des Druckaufnehmers und des Gehäuses verlaufende, zylindrische Bohrung 8 ausgebildet, durch die abgedichtet ein Metallmantelkabel 10 verläuft. Das Metallmantelkabel 10 umfaßt einen rohrförmigen Metallmantel 12 sowie vier durch das Innere des Metallmantels 12 verlaufende elektrische Anschlußdrähte 14, von denen in Fig. 1 lediglich drei dargestellt sind. Im übrigen ist das Innere des Metallmantels 12 mit einer Füllung 16 gefüllt, die die Anschlußdrähte 14 derart in ihrer Lage festhält und sichert, daß diese sich innerhalb des Metallmantels 12 nicht gegenseitig berühren und nicht den Metallmantel berühren. Darüber hinaus sorgt die Füllung 16 für elektrische Isolierung der Anschlußdrähte und druckdichten Abschluß des Inneren des Metallmantelkabels 10. Bei der Füllung 16 kann es sich handeln um mineralische Oxide, beispielsweise um ein Gemisch mit einem hohen Anteil SiO₂.

Am Boden 4 des Gehäuses 2 sind drei zueinander konzentrische Vorsprünge 18, 20 und 22 angeformt, von denen der Vorsprung 18 den größten Durchmesser dieser Vorsprünge hat und am wenigsten vorsteht, während der Vorsprung 22 den kleinsten Durchmesser dieser Vorsprünge hat und am weitesten vorsteht. Der Vorsprung 22 ist mit dem Metallmantel 12 verschweißt, so daß auf diese Weise das Metallmantelkabel 10 mit dem Boden 4 druckdicht fest verbunden ist. Der aus dem Boden 4 vorstehende Abschnitt des Metallmantelkabels 10 ist umgeben von einem metallischen zylindrischen Schutzrohr 24, das auf den Vorsprung 20 passend aufgesetzt ist und mit der Stirnseite des Vorsprungs 18 verschweißt ist. Einerseits schützt das Schutzrohr 24 den aus dem Gehäuse 2 vorstehenden Abschnitt des Metallmantelkabels 10, andererseits erleich­ tert das Schutzrohr 24 die Handhabung des Druckaufnehmers. Das Schutzrohr 24, das Metallmantelkabel 10 und die Anschlußdrähte 14 sind in Fig. 1 abgebrochen dargestellt. Die Länge dieser Elemente kann dem jeweiligen Einsatzgebiet des Druckaufnehmers angepaßt sein. Die Anschlußdrähte 14 sind im Betrieb an eine geeignete Schaltung angeschlossen, die die erforderliche Speisespannung liefert und der die Signalspannung zugeführt wird.

Auf ihrer Außenseite trägt die Umfangswand 6 des Gehäuses 2 oberhalb des Bodens 4 eine Werkzeugangriffsfläche 26, die beispielsweise an einem einstückig mit der übrigen Umfangs­ wand 6 ausgebildeten Sechskant 28 ausgebildet ist. Oberhalb des Sechskantes 28 weist die Umfangswand 6 auf ihrer Außenseite ein Außengewinde 30 auf, das dazu dient, den Druckaufnehmer in einer Gewindebohrung einer nicht darge­ stellten Wand zu befestigen, die den Raum begrenzt, in dem sich das Fluid befindet, dessen Druck mittels des Druckauf­ nehmers gemessen werden soll. Bei dieser Wand kann es sich beispielsweise um die Zylinderwand eines Zylinders einer Brennkraftmaschine handeln.

Die Umfangswand 6 weist an ihrem oberen, vom Boden 4 abgewandten Ende einen Randabschnitt 32 auf, in dessen Bereich die Außenseite der Umfangswand kreiszylindrisch glatt ist. Dies bedeutet mit anderen Worten, daß sich das Außengewinde 30 nicht bis zur Stirnseite des Druckaufnehmers erstreckt, um Anzugsmomente vom Randabschnitt 32 fernzuhal­ ten. Der Randabschnitt 32 ist axial nach oben bzw. außen durch eine ebene, ringförmige Stirnfläche 34 begrenzt, die Element der Stirnseite des Druckaufnehmers ist.

Im Inneren des Gehäuses 2 ist eine Kammer 36 ausgebildet, die einen ersten Kammerabschnitt 38 mit kleinerem Durchmes­ ser im Bereich des Sechskants 28 sowie einen zweiten Kammerabschnitt 40 mit größerem Durchmesser im Bereich des Außengewindes 30 aufweist. Das Metallmantelkabel 10 verläuft durch den ersten Kammerabschnitt 38 hindurch bis in den zweiten Kammerabschnitt 40, wobei jedoch zwischen dem Metallmantel 12 und der Innenseite des zweiten Kammerab­ schnitts 40 ein Ringraum freigelassen ist. Die beiden Kammerabschnitte 38 und 40 liegen koaxial bezüglich des Gehäuses 2 und des Metallmantelkabels 10.

In der Kammer 36 ist ein Meßelement 42 angeordnet. Das Meßelement 42 umfaßt eine flache, metallische, kreisförmige Membran 44, die konzentrisch zur Achse Z des Druckaufnehmers (sowie des Gehäuses 2 und des Metallmantelkabels 10) und senkrecht zu dieser Achse angeordnet ist. Die Membran 44 ist einstückig ausgebildet mit einem ringförmigen, verdick­ ten Membranträger 46, der aus einem kreisringförmigen, zylindrischen Rohrabschnitt 48 und einem kreisringförmigen Flansch 50 besteht. An seinem ersten, in Fig. 1 unteren Ende geht der Rohrabschnitt 48 in die Membran 44 über, wobei sich der Rohrabschnitt 48 von der Membran 44 aus lediglich nach oben in Fig. 1 erstreckt, so daß das gesamte Meßelement 42 auf seiner der Kammer 40 zugewandten Unterseite eben ist. An seinem in Fig. 1 oberen zweiten Ende geht der Rohrabschnitt 48 in den Flansch 50 über, der radial über die Außenfläche des Rohrabschnitts vorsteht und außen durch eine Mantel­ fläche mit zueinander und zur Achse Z parallelen Mantel­ linien begrenzt ist. Der Flansch 50 weist eine ringförmige, ebene Stirnfläche 52 auf, die am fertig montierten Druckauf­ nehmer bündig in die Stirnfläche 34 übergeht. Die von der Stirnfläche 52 abgewandte Unterseite des Flansches 50 ist als ebene Ringfläche ausgebildet.

Wie Fig. 1 erkennen läßt, sind die Wandstärke des Rohrab­ schnitts 48, die radiale Dicke des Flansches 50 und die axiale Höhe des Flansches 50 wesentlich größer als die Dicke der Membran 44, so daß das Volumen des Flansches 50 und auch des Rohrabschnitts 48 wesentlich größer ist als das Volumen der Membran 44.

Zwischen der Außenseite des Rohrabschnitts 48 und der Innenseite der Umfangswand 6 des Gehäuses 2 ist ein ringförmiger Zwischenraum freigelassen, der in freier Verbindung mit der übrigen Kammer 36 steht. In der Außenfläche des Rohrabschnitts 48 ist eine flache Ringnut 54 ausgebildet, die sich annähernd über die gesamte axiale Höhe des Rohrabschnitts 48 erstreckt. Eingelegt in diese Ringnut 54 ist ein Blechring 56 aus einem Getterstoff, beispielswei­ se aus Tantal oder Titan.

Im Randabschnitt 32 der Umfangswand 6 ist eine konzentrische Bohrung 58 ausgebildet, die einen größeren Durchmesser als der zweite Kammerabschnitt 40 hat und an ihrem inneren, in Fig. 1 unteren Ende durch eine Ringschulter 60 begrenzt ist. Auf dieser Ringschulter 60 sitzt der Flansch 50 auf, dessen Mantelfläche mit der Bohrung 58 eine Preßpassung bildet. Der Flansch 50 und der Randabschnitt 32 sind an der Passungsfuge der vorgenannten Passung miteinander verschweißt, wie dies durch die Schweißnaht 62 angedeutet ist. Diese Schweißung sorgt für druckdichte Verbindung zwischen dem Meßelement 42 und dem Gehäuse 2. Die Preßpassung sorgt für genauest­ mögliche Ausrichtung des Meßelementes 42 relativ zum Gehäuse 2 in Radialrichtung, d. h. radial zur Achse Z. Die Ring­ schulter 60 sorgt für die kraftaufnehmende axiale Abstützung des Meßelementes 42 am Gehäuse 2 und insbesondere für die genaue Positionierung des Meßelementes 42 relativ zum Gehäuse 2 in Axialrichtung.

Auf der Unterseite bzw. Rückseite der Membran 44 ist eine flache Dehnungsmeßstreifenanordnung 64 fest angebracht, die hier kurz als DMS-Anordnung bezeichnet wird. Die DMS- Anordnung 64 ist in Dünnfilmtechnik hergestellt. Ihr Schichtaufbau ist schematisch in Fig. 4 gezeigt. An der ebenen Rückseite 66 der Membran 44 haftet eine isolierende SiO₂-Schicht 68. An dieser haftet eine Widerstandsschicht 70, in der vier elektrische Widerstände ausgebildet sind die beispielsweise aus NiCr bestehen. An der Widerstandsschicht 70 haftet eine Leiterschicht 72, in der die elektrischen Leiter und Kontaktflächen der DMS-Anordnung ausgebildet sind, und die beispielsweise aus Ni besteht. An der Leiterschicht 72 wiederum haftet eine Schutzschicht 74, die wiederum beispielsweise aus SiO₂ besteht. Die Herstellung einer derartigen Dünnfilm-DMS-Anordnung ist an sich bekannt und wird daher hier nicht näher erläutert.

Fig. 2 zeigt in Draufsicht die in der Widerstandsschicht 70 ausgebildeten elektrischen Widerstände sowie die in der Leiterschicht 72 ausgebildeten Leiter und Kontaktflächen. Es ist erkennbar, daß die in Fig. 2 gezeigte Schaltungskonfigu­ ration zur geometrischen Mitte der Membran 44 symmetrisch ist. Das zugeordnete Schaltungsschema ist in Fig. 3 gezeigt.

Die DMS-Anordnung 64 umfaßt vier jeweils einen Dehnungsmeß­ streifen bildende Widerstände R1, R2, R3 und R4. Diese sind in der in Fig. 3 erkennbaren Weise zu einer Wheatstoneschen Vollbrücke geschaltet, der über zwei Kontaktflächen 76 und 78 die Speisespannung zugeführt wird, während über zwei Kontaktflächen 80 und 82 die Signalspannung abgenommen wird. Wenn die Widerstände in der in Fig. 2 gezeigten Weise auf der Membran 44 angeordnet sind, führt eine Verformung der Membran 44 durch auf die Membran von oben in Fig. 1 aufgebrachten Druck zu einer Erhöhung des elektrischen Widerstandes der Widerstäde R2 und R4, wie dies in Fig. 3 durch Pfeile neben diesen Widerständen angedeutet ist, und zu einer Verringerung des elektrischen Widerstandes der Widerstände R1 und R3, wie dies ebenfalls durch Pfeile in Fig. 3 angedeutet ist. Demzufolge addieren sich die Signale der vier Dehnungsmeßstreifen bzw. Widerstände zur Signal­ spannung. Die Höhe der Signalspannung ist ein Maß für den Druck, mit dem die Vorderseite der Membran 44 beaufschlagt ist. Die Auswertung dieser Signalspannung wird hier nicht weiter erläutert.

Im folgenden wird die Kontaktierung näher erläutert, d. h. die Art und Weise, in der an den Kontaktstellen zwischen den Kontaktflächen 76, 78, 80 und 82 einerseits und den Anschlußdrähten 14 andererseits für elektrisch leitende Verbindung gesorgt ist. Die hierzu getroffenen Maßnahmen und Ausbildungen sind für alle vier Anschlußdrähte 14 und alle vier Kontaktflächen 76, 78, 80 und 82 gleich, so daß die folgende Beschreibung für jede der vier Kontaktstellen gilt.

Jeder Anschlußdraht 14 steht aus dem Metallmantelkabel frei in die Kammer 36 vor. Wie insbesondere die Fig. 6 bis 8 erkennen lassen, ist jeder dieser frei vorstehenden Endab­ schnitte 84 kurz oberhalb des Endes des Metallmantels 12 im wesentlichen quer zur Achse Z radial nach außen abgebogen. Das freie Ende jedes Endabschnitts 84 ist unter Bildung einer Spitze 86 zurückgebogen in eine zur Achse Z parallelen Ausrichtung, so daß der Endabschnitt 84 in der Seitenansicht (Fig. 6) die Form eines liegenden "Z" hat. Außerdem ist der frei vorstehende Endabschnitt 84 zu einem flach-ovalen Profil verformt, wie dies insbesondere Fig. 7 erkennen läßt, wobei der Endabschnitt 84 dieses flach-ovale Profil prak­ tisch über seine gesamte horizontale Erstreckung (bei Betrachtung in den Fig. 1 und 6) sowie im Bereich der Spitze 86 hat. Durch diese Formgebung ist der Endabschnitt 84 als blattfederartiges Element ausgebildet, das elastisch ver­ formbar ist. Es wird blattfederartig elastisch verformt, wenn auf die Spitze 86 eine Kraft im wesentlichen in Richtung der Achse Z ausgeübt wird.

Die in Fig. 5 gezeigte Draufsicht auf das Metallmantelkabel 10 mit seinen Endabschnitten 84, bei der es sich um eine Schnittdarstellung gemäß A-B in Fig. 1 unter Weglassung des Gehäuses 2 handelt, läßt erkennen, daß die vier Endabschnit­ te 84 der vier Anschlußdrähte 14 radial nach außen verlaufen und im wesentlichen symmetrisch zur Achse Z des Metallman­ telkabels 10 angeordnet sind. Die Abmessungen der Endab­ schnitte 84 einschließlich ihrer Spitzen 86 und die Abmessungen der in Fig. 2 erkennbaren Schaltungskonfigura­ tion einschließlich der Orte und der Größen der Kontaktflä­ chen 76, 78, 80 und 82 sind derart einander angeglichen, daß die Spitzen 86 den gleichen radialen Abstand von der Achse Z haben wie die genannten Kontaktflächen und daß die Abstände der Spitzen 86 in Umfangsrichtung voneinander gleich den Abständen der Kontaktflächen 76, 78, 80 und 82 in Umfangs­ richtung voneinander sind, so daß bei richtiger Ausrichtung in Umfangsrichtung dieser Kontaktflächen und der Spitzen 86 relativ zueinander, d. h. in Drehrichtung bezüglich der Achse Z, diese Kontaktflächen und die Spitzen 86 in Berührung miteinander bringbar sind. Wie noch erläutert werden wird, wird während der Montage des Meßelementes 42 am Gehäuse 2 das Meßelement 42 von oben (in Fig. 1) in die Kammer 36 in korrekter Ausrichtung eingesetzt. Dabei wird es in Richtung der Achse Z zunächst so weit eingeschoben, bis die Kontaktflächen 76, 78, 80 und 82 in Berührung mit den Spitzen 86 treten, und dann weiter eingeschoben, bis der Flansch 50 auf der Ringschulter 60 aufsitzt. Dabei werden die Endabschnitte 84 elastisch verformt, was wiederum zur Folge hat, daß die Spitzen 86 die Kontaktflächen 76, 78, 80 und 82 nicht nur berühren, sondern elastisch an diese angedrückt werden. In der dadurch erreichten Stellung wird das Meßelement 42 am Gehäuse 2 befestigt, so daß die elastische Anlage der Spitzen 86 an den zugeordneten Kontaktflächen dauerhaft beibehalten bleibt.

In zahlreichen Anwendungsfällen reicht es, wenn allein durch diese elastische Anlage die Berührung zwischen den Spitzen 86 und den zugeordneten Kontaktflächen aufrecht gehalten wird. Es sind jedoch Einsatzbedingungen denkbar, bei denen beispielsweise durch hohe thermische Belastung die Elastizi­ tät der verformten, blattfederartigen Endabschnitte 84 allmählich verlorengeht oder bei denen beispielsweise durch starke Schwingungsbelastung sich die Spitzen 86 kurzzeitig von den zugeordneten Kontaktflächen lösen. Für derartige Einsatzbedingungen können die Kontaktstellen zusätzlich gesichert sein, wie dies bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel der Fall ist.

Zur Sicherung der Kontaktstellen ist jede Spitze 86 zusätzlich mit der zugeordneten Kontaktfläche 76, 78, 80 bzw. 82 mittels eines Klebemittels 88 verklebt. Dieses Klebemittel ist elektrisch leitfähig und besteht aus einem Gemisch aus einem Kleber sowie elektrisch leitfähigen Teilchen aus Metall. Der Kleber ist vorzugsweise ein organischer Kleber, wobei wiederum ein Polyimidkleber besonders geeignet ist. Auch Silikonkautschukkleber und Epoxidkleber haben sich als geeignet erwiesen.

Die Sicherung der Kontaktstellen mittels eines derartigen elektrisch leitfähigen Klebemittels hat den Vorteil, daß eine solche Klebeverbindung im Betrieb höher temperaturbe­ lastbar ist als eine Weichlötverbindung, bei ihrer Herstel­ lung jedoch die DMS-Anordnung 64 nicht so hoch temperaturbe­ lastet wird wie beim Hartlöten und darüber hinaus keine Zugänglichkeit der Kontaktstellen zur Herstellung der Verbindung erfordert, wie dies beispielsweise beim Löten der Fall wäre.

Der beschriebene Druckaufnehmer eignet sich insbesondere zu Absolutdruckmessungen. Daher ist die Kammer 36 evakuiert. Um die Kammer 36 evakuieren zu können, ist in der Umfangswand 6 eine Bohrung 90 ausgebildet, die nach dem Evakuieren der Kammer 36 fest und druckdicht geschlossen worden ist.

Der Zusammenbau des vorstehend beschriebenen Druckaufnehmers erfolgt auf folgende Weise. Zunächst wird den Endabschnitten 84 der Anschlußdrähte 14 des Metallmantelkabels 10 die blattfederartige Ausbildung gegeben, wie sie insbesondere die Fig. 5 bis 8 zeigen. Dann wird das Metallmantelkabel 10 in die Bohrung 8 des Gehäuses 2 eingesetzt und mit dessen Vorsprung 22 verschweißt, so daß die Bohrung 8 durch das eingeschweißte Metallmantelkabel 10 mechanisch fest und druckdicht verschlossen ist. Als nächstes wird dann das Schutzrohr 24 auf den Vorsprung 20 gesetzt und mit dem Vorsprung 18 verschweißt.

Bevor das Meßelement 42 mit dem Gehäuse 2 verbunden wird, wird auf die Kontaktstellen 76, 78, 80 und 82 der auf der Unterseite der Membran 44 angeordneten DMS-Anordnung 64 jeweils Klebemittel 88 aufgebracht. Bevor dieses wesentlich ausgehärtet ist, wird das Meßelement 42 in Richtung der Achse Z und mit der vorstehend bereits erläuterten, korrekten Ausrichtung in die Kammer 36 des Gehäuses 2 eingeschoben, bis die Unterseite des Flansches 50 auf der Ringschulter 60 aufsitzt. Dabei werden die Kontaktstellen in bereits vorstehend erläuterter Weise ausgebildet und durch das Klebemittel 88 gesichert. Das Meßelement 42 wird in seiner Lage am Gehäuse 2 mittels der Schweißnaht 62 befestigt. Nach Aushärtung des Klebemittels 88 und ggf. einer thermischen Behandlung wird die Kammer 36 evakuiert und schließlich die Bohrung 90 druckdicht verschlossen.

Die beschriebene Ausbildung des Druckaufnehmers ermöglicht es, das Meßelement 42 und das Gehäuse 2 jeweils einstückig auszubilden und unmittelbar miteinander zu verbinden, ohne daß hierfür besonders komplizierte oder empfindliche Maßnah­ men zur Kontaktierung in Kauf genommen zu werden brauchen. Weder brauchen die Endabschnitte 84 eine solche Überlänge zu haben, daß an den Kontaktstellen eine Verbindung hergestellt werden kann, bevor das Meßelement 42 in die Kammer 36 eingesetzt wird, noch brauchen Maßnahmen getroffen zu werden - beispielsweise zusätzliche Öffnungen in der Umfangswand 6 -, die allein während des Zusammenbaus dem Zweck dienen, an den Kontaktstellen eine sichere Verbindung herzustellen. Die jeweils einstückige Ausbildung von Meßelement 42 und Gehäuse 2 ist unter mehreren Gesichtspunkten vorteilhaft. Beim Meßelement 42 wirkt sie sich insbesondere auf die Meßge­ nauigkeit aus; beim Gehäuse 2 trägt sie insbesondere zur Sicherheit beispielsweise im Falle eines Membranbruchs bei.

Von besonderer Bedeutung für die Langzeitstabilität der gelieferten Meßsignale ist die Reinhaltung des Vakuums in der Kammer 36, die durch den Getterstoff in der Ringnut 54 aufrechtgehalten wird.

Eine Besonderheit des beschriebenen Druckaufnehmers liegt in der Art und Weise, wie die Vorderseite der vom Druck ausgelenkten Membran 44 dem Druckfluid ausgesetzt ist.

Aufgrund der Tatsache, daß einerseits das Meßelement in beschriebener Weise topfförmig ist, andererseits die Stirn­ fläche 52 des Flansches 50 des Meßelementes 42 in der Stirnseite des gesamten Druckaufnehmers liegt, ist die Membranvorderseite zwar relativ zur Stirnseite des Druckauf­ nehmers etwas eingezogen bzw. bezüglich des Druckfluids zurückversetzt. Andererseits kann jedoch das Druckfluid unbehindert zur Membran 44 gelangen und ist diese nicht etwa durch verengte, drosselnde Querschnitte vom Druckfluid getrennt. Die Konfiguration des Druckaufnehmers im Bereich des Meßelementes 42 weist somit (im in Fig. 1 gezeigten Längsschnitt) ein M-Profil auf, wobei die Schenkel durch die Umfangswand 6 gebildet sind und mittels des Außengewindes 30 der Befestigung des Druckaufnehmers dienen, in der Mitte des "M" zurückgesetzt die Membran 44 angeordnet ist und die inneren Schenkel des "M" gebildet sind durch den Rohrab­ schnitt 48 und im wesentlichen mit ihrer Wärmekapazität und ihrem Abschirmeffekt für die Hochtemperatureignung des Druckaufnehmers sorgt. Es ist gefunden worden, daß diese Konfiguration sich eignet für die Erfassung dynamischer, sich hochfrequent ändernder Druckverläufe trotz hoher Betriebstemperatur, die beispielsweise 500°C betragen kann. Aufgrund dieser Konfiguration gelangt der Druck praktisch verzögerungsfrei zur Membran 44, so daß transiente Druckver­ läufe genau erfaßbar sind. Selbst hochfrequent stark schwankende Temperaturen im Druckfluid, wie sie im Zylinder einer Brennkraftmaschine auftreten, werden vom beschriebenen Druckaufnehmer toleriert. Zwar ist die Membran 44 direkt der Wärmestrahlung ausgesetzt, jedoch nur unter einem begrenzten Einfallswinkel, da der Rohrabschnitt 48 für eine partielle Abschirmung der Wärmeeinstrahlung sorgt. Da das Druckfluid innerhalb des topfförmigen Meßelementes 42 im wesentlichen ruht, erfolgt keine Fluidströmung entlang der Vorderseite der Membran 44 und somit auch kein konvektiver Wärmeüber­ gang. Schließlich stellt der verdickte Membranträger 46 aus dem Rohrabschnitt 48 und dem Flansch 50 mit seinem verhältnismäßig großen Volumen einen Wärmespeicher dar, dessen Temperatur sich trotz dynamischer Temperatur­ änderungen im Druckfluid nicht wesentlich ändert und der auf die Temperatur der einstückig damit ausgebildeten Membran 44 vergleichmäßigend wirkt. Diese Maßnahmen führen somit insgesamt trotz sich hochfrequent ändernder Temperatur des Druckmediums zu einem geringen Temperaturgradienten senk­ recht zur Membran 44, einem geringen Temperaturgradienten in Richtung der Membranebene und verhältnismäßig hoher zeitli­ cher Konstanz der Membrantemperatur, so daß die Temperatur­ einflüsse auf die Genauigkeit der Druckmessung gering sind.

Ein weiterer Vorteil der vorstehend beschriebenen Ausbil­ dungdes Druckaufnehmers liegt darin, daß sich eine sehr kompakte Bauweise ergibt. So läßt sich beispielsweise das Außengewinde als M10-Gewinde ausbilden, wobei dann die oberhalb des Sechskants 28 gemessene Länge des Druckaufneh­ mers in Richtung der Achse Z 12 mm beträgt.

Fig. 9 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung, die weitgehend mit der vorstehend beschriebenen ersten Ausfüh­ rungsform übereinstimmt. Es werden für gleiche Elemente beider Ausführungsformen gleiche Bezugszeichen verwendet. Im folgenden wird lediglich der Unterschied zwischen der zweiten Ausführungsform gemäß Fig. 9 und der ersten Ausführungsform erläutert. Die Besonderheit der zweiten Ausführungsform liegt in der Ausbildung des Membranträgers 46 des Meßelementes 42, der bei der zweiten Ausführungsform lediglich aus dem Flansch 50 besteht, d. h. kein dem Rohrabschnitt 48 entsprechendes Element aufweist. Dadurch ist die Höhe des Meßelementes 42 in Richtung der Achse Z deutlich verringert, so daß der Innenraum des Meßelementes 42, d. h. der Raum oberhalb der Membran 44 in Fig. 9 auf eine flache Scheibe reduziert ist und das gesamte Meßelement ein flaches U-Profil hat. Diese Ausführungsform eignet sich für Applikationen, bei denen die Temperaturbelastung, insbeson­ dere die Temperaturwechselbelastung, des Meßelementes 42 geringer ist, so daß die vorstehend ausführlich für die erste Ausführungsform erläuterten Maßnahmen, die die tempe­ raturbedingten Einflüsse auf die Druckmessung verringern sollen, nicht in gleichem Maße erforderlich sind.

Der Druckaufnehmer weist bei der Erfindung ein Meßelement mit einer metallischen Membran und einem verdickten Membran­ träger auf. Auf der Rückseite der Membran ist eine DMS-Anordnung in Dünnfilm-Technik befestigt. Der Membranträ­ ger ist in ein einstückiges, becherförmiges Gehäuse fest eingesetzt, durch dessen Boden ein Metallmantelkabel ver­ läuft. Die Anschlußdrähte des Metallmantelkabels sind quer zur Achse desselben abgebogen und zu blattfederartigen Elementen verformt. Sie stehen unter elastischer Vorspannung und drücken die Spitzen der Endabschnitte elastisch gegen die Kontaktflächen der DMS-Anordnung. Diese Kontaktstellen können zusätzlich gesichert sein durch ein elektrisch leitfähiges Klebemittel. Der kompakte Druckaufnehmer ist geeignet für dynamische Absolutdruckmessungen auch bei hohen und schwankenden Temperaturen, insbesondere zur Messung des Drucks im Brennraum einer Brennkraftmaschine.

Claims (30)

1. Druckaufnehmer, mit einem Meßelement, das eine flache, metallische Membran und einen ringförmigen vedickten Mem­ branträger aufweist, der die Membran an ihrem Rand trägt und einstückig mit dieser ausgebildet ist, wobei die Membran auf ihrer Vorderseite dem zu messenden Druck eines Fluids ausgesetzt ist und auf der Rückseite der Membran eine flache DMS-Anordnung aus zumindest einem metallischen Dehnungsmeß­ streifen und zugehörigen metallischen Kontaktflächen fest angebracht ist und wobei die durch den Druck des Fluids bewirkte Auslenkung der Membran auf den zumindest einen Dehnungsmeßstreifen übertragen wird und dessen dadurch verursachte elektrische Widerstandsänderung als Maß für den Druck gemessen wird, mit einem becherförmigen Gehäuse, das eine von einem Boden und einer Umfangswand begrenzte Kammer aufweist, in der das Meßelement angeordnet ist, wobei der Membranträger druckdicht mit dem vom Boden abgewandten Randabschnitt der Umfangswand verbunden ist und die Rück­ seite der Membran dem Inneren der Kammer zugewandt ist, und mit einem Metallmantelkabel, das einen rohrförmigen Metall­ mantel, durch das Innere des Metallmantels verlaufende Anschlußdrähte und eine die Anschlußdrähte im Metallmantel festhaltende und isolierende Füllung aufweist, wobei das Metallmantelkabel durch eine Bohrung im Boden des Gehäuses verläuft und mit seinem Metallmantel fest mit dem Gehäuse verbunden ist und wobei die Anschlußdrähte aus dem Metall­ mantelkabel mit ihren Endabschnitten in die Kammer frei vorstehen und die Spitzen der Endabschnitte jeweils in elektrisch leitender Berührung mit der zugeordneten Kontakt­ fläche der DMS-Anordnung stehen, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der frei vorstehenden Endabschnitte (84) der Anschluß­ drähte (14) im wesentlichen quer zur Achse (Z) des Metallmantelkabels (10) abgebogen und blattfederartig elastisch verformt ist und daß die Spitze (86) des Endabschnitts aufgrund dieser Verformung in elastischer Anlage und allein dadurch in Berührung mit der zugeordneten Kontaktfläche (76, 78, 80, 82) gehalten ist.

2. Druckaufnehmer, mit einem Meßelement, das eine flache, metallische Membran und einen ringförmigen verdickten Membranträger aufweist, der die Membran an ihrem Rand trägt und einstückig mit dieser ausgebildet ist, wobei die Membran auf ihrer Vorderseite dem zu messenden Druck eines Fluids ausgesetzt ist und auf der Rückseite der Membran eine flache DMS-Anordnung aus zumindest einem metallischen Dehnungsmeß­ streifen und zugehörigen metallischen Kontaktflächen fest angebracht ist und wobei die durch den Druck des Fluids bewirkte Auslenkung der Membran auf den zumindest einen Dehnungsmeßstreifen übertragen wird und dessen dadurch verursachte elektrische Widerstandsänderung als Maß für den Druck gemessen wird, mit einem becherförmigen Gehäuse, das eine von einem Boden und einer Umfangswand begrenzte Kammer aufweist, in der das Meßelement angeordnet ist, wobei der Membranträger druckdicht mit dem vom Boden abgewandten Randabschnitt der Umfangswand verbunden ist und die Rück­ seite der Membran dem Inneren der Kammer zugewandt ist, und mit einem Metallmantelkabel, das einen rohrförmigen Metall­ mantel, durch das Innere des Metallmantels verlaufende Anschlußdrähte und eine die Anschlußdrähte im Metallmantel festhaltende und isolierende Füllung aufweist, wobei das Metallmantelkabel durch eine Bohrung im Boden des Gehäuses verläuft und mit seinem Metallmantel fest mit dem Gehäuse verbunden ist und wobei die Anschlußdrähte aus dem Metall­ mantelkabel mit ihren Endabschnitten in die Kammer frei vorstehen und die Spitzen der Endabschnitte jeweils in elektrisch leitender Berührung mit der zugeordneten Kontakt­ fläche der DMS-Anordnung stehen, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der frei vorstehenden Endabschnitte (84) der Anschluß­ drähte (14) im wesentlichen quer zur Achse (Z) des Metallmantelkabels (10) abgebogen ist und blattfederartig elastisch verformt ist und daß die Spitze (86) des Endabschnitts aufgrund dieser Verformung in Anlage an der zugeordneten Kontaktfläche (76, 78, 80, 82) gehalten ist und in dieser Lage durch ein elektrisch leitfähiges Klebemittel (88) gesichert ist.

3. Druckaufnehmer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das elektrisch leitfähige Klebemittel (88) ein Gemisch aus einem Kleber und elektrisch leitfähigen Teilchen ist.

4. Druckaufnehmer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Teilchen aus Metall bestehen.

5. Druckaufnehmer nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kleber ein organischer Kleber ist.

6. Druckaufnehmer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß der Kleber ein Polyimidkleber ist.

7. Druckaufnehmer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß der Kleber ein Silikonkautschukkleber ist.

8. Druckaufnehmer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß der Kleber ein Epoxidkleber ist.

9. Druckaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der abgebogenen Endab­ schnitte (84) ein flach-ovales Profil aufweist.

10. Druckaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die abgebogenen Endabschnitte (84) bezüglich der Achse (Z) des Metallmantelkabels (10) radial nach außen verlaufen.

11. Druckaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitzen (86) der Endab­ schnitte (84) im wesentlichen parallel zur Achse (Z) des Metallmantelkabels (10) ausgerichtet sind.

12. Druckaufnehmer nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich­ net, daß jeder Endabschnitt (84) Z-Form hat.

13. Druckaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die DMS-Anordnung (64) eine Dünnfilm-Anordnung ist.

14. Druckaufnehmer nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich­ net, daß die DMS-Anordnung (64) vier Dehnungsmeßstreifen auf­ weist, die elektrisch leitend zu einer Wheatstoneschen Vollbrücke verbunden sind.

15. Druckaufnehmer nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungskonfiguration bezüglich der geometrischen Mitte der Membran (44) symmetrisch ist.

16. Druckaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Membranträger (46) ein Flansch (50) ist, der außen durch eine Mantelfläche mit zueinander parallelen Mantellinien begrenzt ist, die senk­ recht zur Membranebene verlaufen, und daß sich der Flansch auf nur einer Seite der Membran (44) erstreckt, so daß das Meßelement (42) im Querschnitt ein flaches U-Profil hat und auf der Membranrückseite eben ist.

17. Druckaufnehmer nach Anspruch 16, dadurch gekennzeich­ net, daß der Flansch (50) ein geschlossener Kreisring ist.

18. Druckaufnehmer nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Dicke und die axiale Höhe des Flansches (50) wesentlich größer sind als die Dicke der Membran (44).

19. Druckaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Membranträger (46) aus einem kreisringförmigen Rohrabschnitt (48) und einem kreisringför­ migen Flansch (50) besteht, wobei die Membran an dem der Kammer zugewandten, ersten Ende des Rohrabschnitts und der Flansch am anderen, zweiten Ende des Rohrabschnitts angeordnet sind und wobei die Membran, der Rohrabschnitt und der Flansch konzentrisch zueinander angeordnet sind, und daß sich der Rohrabschnitt auf nur einer Seite der Membran erstreckt, so daß das Meßelement (42) topfförmig und auf der Membranrück­ seite (66) eben ist.

20. Druckaufnehmer nach Anspruch 19, dadurch gekennzeich­ net, daß der Flansch (50) radial über die Außenfläche des Rohrabschnitts (48) vorsteht und außen durch eine Mantel­ fläche mit zueinander parallelen Mantellinien begrenzt ist, die senkrecht zur Membranebene verlaufen.

21. Druckaufnehmer nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke des Rohrabschnitts (48), die radiale Dicke des Flansches (50) und die axiale Höhe des Flansches wesentlich größer sind als die Dicke der Membran.

22. Druckaufnehmer nach einem der Ansprüche 19 bis 21, gekennzeichnet durch einen ringförmigen Zwischenraum zwi­ schen dem Rohrabschnitt (48) und der Innenseite der Umfangswand (6) des Gehäuses (2).

23. Druckaufnehmer nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (36) zur Umgebung dicht abgeschlossen und evakuiert ist und daß in der Außenfläche des Rohrabschnitts (48) zumindest eine Ringnut (54) ausgebildet ist, in der ein Getterstoff angeordnet ist.

24. Druckaufnehmer nach Anspruch 23, dadurch gekennzeich­ net, daß der Getterstoff als Blechring (56) in die zumindest eine Ringnut (54) eingelegt ist.

25. Druckaufnehmer nach einem der Ansprüche 16 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Flansch (50) mit seiner Mantelfläche in eine Bohrung (58) im vom Boden (4) abgewandten Randabschnitt (32) der Umfangswand (6) des Gehäuses (2) dicht eingepaßt ist.

26. Druckaufnehmer nach Anspruch 25, gekennzeichnet durch eine Preßpassung zwischen der Mantelfläche und der Bohrung (58).

27. Druckaufnehmer nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, daß der Flansch (50) und der Randabschnitt (32) an der Passungsfuge miteinander verschweißt sind.

28. Druckaufnehmer nach einem der Ansprüche 25 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung (58) an ihrem inne­ ren Ende durch eine Ringschulter (60) begrenzt ist, auf der Flansch (50 aufsitzt.

29. Druckaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenseite der Umfangswand (6) des Gehäuses (2) im Bereich des Flansches (50) des Meßelementes (42) kreiszylindrisch glatt ist und daß sich an diesen glatten Abschnitt ein Außengewinde (30) anschließt.

30. Druckaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2) einstückig ausgebildet ist.