DE4118824C2

DE4118824C2 - Drucksensor

Info

Publication number: DE4118824C2
Application number: DE4118824A
Authority: DE
Inventors: Seiki Kodama; Atsushi Ueda; Toshio Iwata; Yasuo Tada; Tateki Mitani; Yasuyoshi Hatazawa; Mikio Bessho; Yuji Hase
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1990-06-08
Filing date: 1991-06-07
Publication date: 1994-08-11
Anticipated expiration: 2011-06-08
Also published as: KR920006732A; KR930011091B1; DE4118824A1; US5212989A

Description

Die Erfindung betrifft einen Drucksensor nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Ein gattungsgemäßer Drucksensor ist aus der US 4 586 018 bekannt. Diese Druckschrift beschreibt einen Drucksensor, der eine vergleichsweise große, im wesentlichen zylindrische Meßkammer aufweist, die entsprechend viel von der druckübertragenden Flüssigkeit aufnimmt. Demzufolge wirken sich Temperaturunterschiede in erheblichem Maße auf das Ergebnis aus.

Aus der DE 36 21 795 A1 ist es ferner an sich bekannt, das Volumen des Meßraums eines Differenzdruckgebers minimal auszulegen, um Temperatureinwirkungen gering zu halten. Besondere Maßnahmen hierfür sind jedoch nicht vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drucksensor der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art zu schaffen, der nur eine kleine Menge einer druckübertragenden Flüssigkeit enthält und eine erhöhte Meßgenauigkeit aufweist, wobei auch ein Ausgleich der thermischen Ausdehnung der Flüssigkeit ermöglicht werden soll.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruches 1.

Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.

Zu den Vorteilen des erfindungsgemäßen Drucksensors zählt, daß die biegsame Membran eine hohe Lebensdauer hat, so daß der Drucksensor eine lange Betriebszeit aufweist.

Ferner weist der Drucksensor eine hohe Meßgenauigkeit auf und die thermische Ausdehnung der den Druck übertragenden Flüssigkeit kann innerhalb der Meßkammer kompensiert werden.

Schließlich ist es möglich, den Druck der druckübertragenden Flüssigkeit einzustellen.

Das Druckmeßelement kann innerhalb des druckübertragenden Mediums angeordnet sein und das Druckmeßelement kann eine Verbindungsfläche haben, an der es abdichtend mit der Abstützeinheit verbunden ist sowie eine druckbeaufschlagte Fläche, die der Abstützeinheit abgewandt ist. Das Befestigungsbett kann ein Volumen aufweisen, das ausreicht, das Volumen der Meßkammer wirkungsvoll herabzusetzen, die ihrerseits mit dem druckübertragenden Medium gefüllt wird. Die Meßkammer kann eine erste Kammer aufweisen, in der die Druckmeßvorrichtung aufgenommen ist sowie eine zweite Kammer, in die hinein sich die biegsame Membran dann verbiegen kann, wenn ein Druck auf sie ausgeübt wird und eine im Durchmesser verminderte Flüssigkeitspassage, die die erste und zweite Kammer miteinander verbindet.

Alternativ kann das Meßende der Bohrung, längs deren sich die biegsame Membran verformt, wenn sie einem Druck unterworfen wird, eine geneigte Kantenfläche aufweisen, um die Konzentration der Biegung der Membrane abzumildern. Die Meßkammer ist mit einem Abstandshalter verbunden, mit dessen Hilfe das Volumen der Meßkammer so herabgesetzt wird, daß ein Rohr oder ein sich bei Wärme zusammenziehendes Material mit einem negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten, wie z. B. eine Eisen-Platin-Legierung, zum Absorbieren der thermischen Ausdehnung des den Druck übertragenden Mediums.

Um das Volumen der Meßkammer nach der Montage einstellbar zu verändern, ist am Hauptkörper ein Volumeneinsteller angebracht, der eine Gewindebohrung umfassen kann, die im Hauptkörper ausgebildet ist und die mit der Meßkammer in Verbindung steht sowie eine Einstellschraube, die in dem Gewindeloch eingeschraubt ist, wobei die Einstellschraube ihre axiale Lage dann verändert, wenn sie in dem Gewindeloch verdreht wird.

Anhand der beigefügten Zeichnungen werden nun bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben, wobei aus der nachfolgenden genauen Beschreibung Einzelheiten der Erfindung noch klarer hervortreten werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine Längsschnittansicht einer Ausführungsform des Drucksensors nach der Erfindung;

Fig. 2 eine vergrößerte Teilschnittansicht der Halbleiter-Druckmeßvorrichtung, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist;

Fig. 3 eine Längsschnittansicht einer weiteren Ausführungsform des Drucksensors nach der Erfindung; und

Fig. 4 eine Längsschnittansicht einer weiteren Ausführungsform des Drucksensors nach der Erfindung.

Fig. 1 stellt einen Drucksensor nach der vorliegenden Erfindung dar, der einen im wesentlichen zylindrischen, metallischen Hauptkörper 11 mit einem unteren Gewindeabschnitt 12 und einem im wesentlichen tassenförmigen oberen Abschnitt 13 umfaßt. Im Hauptkörper 11 ist eine Mittelbohrung 14 eingeformt, die sich durch die gesamte Länge des Hauptkörpers 11 hindurcherstreckt. Die Mittelbohrung 14 hat in ihrem Mittelabschnitt eine Schulter 15, auf der eine Druckmeßvorrichtung 16 hermetisch abdichtend angebracht ist. Die Druckmeßvorrichtung 16 unterteilt die Mittelbohrung 14 in eine Meßkammer 17, durch die hindurch ein Druck innerhalb des nicht dargestellten Verbrennungsmotors zur Druckmeßvorrichtung 16 übertragen wird, und eine Ausgangskammer 18, durch die hindurch ein Ausgangssignal von der Druckmeßvorrichtung 16 zu einem nicht dargestellten äußeren Schaltkreis abgeleitet wird. Der Drucksensor umfaßt ferner eine flexible Membran 19, die am Meßende 20 der Meßkammer 17 des Hauptkörpers 11 angebracht ist, um auf diese Weise die Meßkammer 17 abzudichten, welche ihrerseits mit dem druckübertragenden Medium 21 gefüllt ist, das eine geeignete Flüssigkeit, wie z. B. Silikonöl, sein kann.

Die Druckmeßvorrichtung 16 gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt eine Tragplatte 24 aus Kohlenstoff-Stahl, die dichtend an der Schulter 15 des Hauptkörpers, z. B. durch Schweißen, angebracht ist. An der Tragplatte 24 ist ein keramisches Befestigungsbett 25 angebracht und an diesem Befestigungsbett 25 ist ein Halbleiter-Druckmeßelement 26 befestigt. Wie dies aus Fig. 2 hervorgeht, ist das Druckmeßelement 26 an der Tragplatte 24 an der Seite angebracht, die zur Meßkammer weist und es liegt mithin innerhalb der Meßkammer 17 und ist vom druckübertragenden Medium 21 umgeben. Das Druckmeßelement 26 ist daher nicht direkt der atmosphärischen Temperatur ausgesetzt, die sehr ungleichmäßig ist, so daß das Druckelement von der Umgebungs-Lufttemperatur nicht beeinflußt wird und die Temperatur-Kompensation des Drucksensors sehr leicht ist. Das Druckmeßelement 26 hat eine Verbindungsfläche 27, an der es abdichtend an der Tragplatte 24 verbunden ist sowie eine Druckbeaufschlagungsfläche 28, die mit dem druckübertragenden Medium 21 in Berührung steht. Die Verbindungsfläche 27 hat in ihrem Mittelabschnitt eine evakuierte Vertiefung, so daß sich das Druckmeßelement 26 unter dem Druck verbiegen kann, der auf die druckbeaufschlagte Fläche 28 aufgebracht wird. Relativ steife elektrische Signalleitungen 30 sind mit dem Druckmeßelement 26 über Verbindungsdrähte 31 verbunden und erstrecken sich von der Meßkammer 17 durch die Trageplatte 24 hindurch zur Ausgangskammer 18. Die Signalleitungen 30 sind mit Hilfe von geeigneten Dichtmitteln 32 in der Trageplatte 24 abgedichtet.

Während der Herstellung des Drucksensors kann die Druckmeßvorrichtung 16 als eine Einheit außerhalb des Hauptkörpers 11 zusammengebaut werden und sie kann innerhalb des Hauptkörpers 11 an der Trageplatte 24, z. B. durch einen Schweißvorgang, angebracht werden. Das heißt, daß die Druckmeßvorrichtung 16 durch Anbringen des Halbleiter-Druckmeßelements 26 am Befestigungsbett 25 hergestellt werden kann, das wiederum seinerseits mit der Trageplatte 24 verbunden wird, worauf die steifen Signal-Ausgangsleistungen 30 mit Hilfe des Dichtmittels 32 fest mit der Trageplatte 24 verbunden werden, und zwar so, daß ihre inneren Enden nahe bei dem Druckmeßelement 26 liegen, worauf die Verbindungsdrähte 31 sowohl mit dem Druckmeßelement 26 als auch mit den Ausgangs-Signalleitungen 30 verbunden werden, wodurch die Druckmeßvorrichtung 16 als unabhängige Einheit zusammengebaut worden ist. Diese so hergestellte Druckmeßvorrichtung kann leicht innerhalb des äußeren Abschnitts 13 des Hauptkörpers 11 mit Hilfe einer nicht dargestellten Schweißung zwischen der Tragplatte 24 und dem Schulterabschnitt 15 des Hauptkörpers 11 angeordnet und befestigt werden. Der Verdrahtungsvorgang kann mithin außerhalb des Hauptkörpers 11 ausgeführt werden.

Das Druckmeßelement 26 besteht beispielsweise aus einem Silikon-Halbleiter (Wärme-Ausdehnungskoeffizient 4 × 10^-6) und wird von einem Befestigungsbett 25 getragen, das aus Keramik besteht (Wärmeausdehnungskoeffizient 8 × 10^-6). Das Befestigungsbett 25 ist am Hauptkörper 11 aus rostfreiem Stahl befestigt (Wärmeausdehnungskoeffizient: 16,4 × 10^-6), und zwar mit Hilfe der Tragplatte 24, die aus Kohlenstoffstahl besteht (Wärmeausdehnungskoeffizient 11 × 10^-6). Die Verwindung oder Deformation des keramischen Befestigungsbettes 25, die durch die Hitze erzeugt wird, die während des Schweißvorganges oder die Arbeitsweise des Verbrennungsmotors erzeugt wird, und die das Druckmeßelement 26 unerwünscht beansprucht, wird auf diese Weise wesentlich herabgesetzt.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 umfaßt die Meßkammer 17 eine erste Kammer 34 zum Aufnehmen der Druckmeßvorrichtung 16, eine zweite Kammer 35, die eine Biegung der flexiblen Membran 19 durch den Druck in der Verbrennungskammer des nicht dargestellten Verbrennungsmotors ermöglicht und eine relativ enge, durchmesserreduzierte Passage 36, die eine Flüssigkeitsverbindung zwischen der ersten und zweiten Kammer 34, 35 herstellt. Der Innendurchmesser der Passage 36 kann etwa 1 mm betragen. Das Halbleiter-Druckmeßelement 26 ist so am Befestigungsbett 25 befestigt, daß seine druckbeaufschlagte Fläche 28 vom Befestigungsbett 25 entfernt ist und daß die evakuierte Ausnehmung 29 auf das Befestigungsbett 26 zuweist. Die Verbindungsfläche 27 wird daher durch den Druck vom Silikonöl 21 gegen das Befestigungsbett 25 gedrückt, so daß die Verbindungsfläche 27 rund um die evakuierte Ausnehmung 29 relativ klein gemacht werden kann; auf diese Weise kann die evakuierte Ausnehmung 29 oder der wirksame Druckmeßbereich des Druckmeßelements 26 bei einem Element mit gegebenem Außendurchmesser relativ groß gemacht werden, wodurch die Empfindlichkeit des Druckmeßelementes 26 vergrößert wird.

Die durchmesserreduzierte Passage 36 dient dazu, das Volumen der Meßkammer 17 wesentlich zu vermindern und damit auch das Volumen des Silikonöls 21, wodurch ein unerwünschtes Ansteigen des Druckes im Silikonöl 21 aufgrund der thermischen Expansion bei einem Temperaturanstieg wesentlich herabgesetzt wird. In diesem Sinne wirkt der dicke zylindrische Innenabschnitt 12 rund um die enge Passage 36 dahingehend, das Volumen dieser Meßkammer 17 herabzusetzen.

Fig. 3 stellt eine weitere Ausführungsform des Drucksensors nach der Erfindung dar, die im wesentlichen denselben Aufbau hat wie er in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist, die sich von dieser Ausführungsform aber in einigen Punkten unterscheidet. Einer von diesen Unterschieden besteht darin, daß ein tassenförmiges Teil 40 in den äußeren, tassenförmigen Abschnitt 41 des Hauptkörpers 42 eingeschraubt ist. Das tassenförmige Teil 40 hat ein Loch 43, durch das sich die Signalleitungen 30 zum äußeren Anschluß hindurcherstrecken können. Ferner hat die Meßkammer 44 eine unterschiedliche Form. Die Meßkammer 44 umfaßt eine erste Kammer 45, in der die Druckmeßvorrichtung 46 angeordnet ist, eine zweite Kammer 47, die es ermöglicht, daß sich die flexible Membran 48 verbiegt und eine Flüssigkeitspassage 49, die die erste und zweite Kammer 45, 47 miteinander verbindet. Die Druck-Meßvorrichtung 46 hat ein großes Befestigungsbett 50 zum Abstützen des Halbleiter-Druckmeßelementes 51. Das Befestigungsbett 50 füllt einen wesentlichen Teil der ersten Kammer 45 und hat ein Volumen, das ausreicht, das Volumen der Meßkammer 44 wirkungsvoll herabzusetzen, die ihrerseits mit dem den Druck übertragenden Medium 21 gefüllt ist. Das Befestigungsbett 50 hat Durchgangslöcher 52, durch die die Signalleitungen 30 sich hindurcherstrecken können.

Ein weiterer Unterschied besteht darin, daß innerhalb der relativ engen Flüssigkeitspassage 49, die zwischen der ersten und zweiten Kammer 45, 47 ausgebildet ist, ein Metallrohr 53 fest eingesetzt ist. Das Metallrohr kann einen Außendurchmesser von ungefähr 3 mm und einen Innendurchmesser von ungefähr 1 mm haben. Das Metallrohr 53 wirkt in der Richtung, daß das innere Volumen der Meßkammer 44 dann leicht vermindert werden kann, wenn es schwierig ist, eine enge Flüssigkeitspassage 49 im Hauptkörper 42 des Drucksensors auszubilden.

Die zweite Kammer 47 hat ein Meß-Ende 54 oder eine Umfangskante der Bohrung, längs deren die biegsame Membran 48 zum Beispiel durch einen Schweißvorgang befestigt ist, wobei sich die Membran durchbiegt, wenn sie einem Druck ausgesetzt wird. Die Meßkante 54 ist eine flach geneigte Kantenfläche, um die Biege-Konzentration der Membran 48 abzumildern und bei der dargestellten Ausführungsform ist die zweite Kammer 47 im wesentlichen flach konisch ausgebildet. Wenn ein Druck auf die Membran 48 ausgeübt wird, verbiegt sie sich längs der leicht geneigten Fläche 54, so daß der Krümmungsradius des gebogenen Abschnittes der Membran 48 groß genug gehalten wird. Wenn die Membran 48 um eine rechtwinklige Kante gebogen wird, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist, und wenn die Verbiegung der Membran 48 stets an derselben Stelle wiederholt wird und ferner um einen kleinen Krümmungsradius herum ausgeführt wird, so daß in der Membran 48 eine Metallermüdung auftreten kann, dann sinkt die Lebensdauer des Drucksensors.

Fig. 4 stellt noch eine weitere Ausführungsform des Drucksensors nach der Erfindung dar, bei der ein ringförmiger Abstandshalter 60 aus Material mit einem negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten innerhalb der Meßkammer 61 angebracht ist, mit dessen Hilfe die Wärmeausdehnung des Druckübertragungsmediums 21 absorbiert wird, das in die Meßkammer 61 eingefüllt ist. Das sich bei Wärmezuführung zusammenziehende Material des Abstandshalters 60 kann eine Legierung aus Eisen und Platin sein. Dieser Abstandshalter dient nicht nur als Mittel zum Vermindern des Volumens der Meßkammer 61, sondern auch dazu, die thermische Ausdehnung der druckübertragenden Flüssigkeit 21 dadurch zu absorbieren, daß diese Ausdehnung durch die thermische Zusammenziehung des sich bei Wärmezufuhr zusammenziehenden Abstandshalters 60 kompensiert wird, so daß der Flüssigkeitsdruck im wesentlichen konstant gehalten werden kann, und zwar selbst dann, wenn Temperaturänderungen auftreten; auf diese Weise werden sowohl die Zuverlässigkeit als auch die Meßgenauigkeit des Drucksensors verbessert.

Aus Fig. 4 geht ferner hervor, daß eine Einstellschraube 62 beweglich am Hauptkörper 11 angebracht ist, um eine Einstellmöglichkeit für ein veränderbares Volumen in der Meßkammer 61 zu schaffen. Die Einstellschraube 62 ist in eine Gewindebohrung 63 eingeschraubt, die im Hauptkörper 11 eingeformt ist und mit der Meßkammer 61 in Verbindung steht. Die Gewindebohrung umfaßt einen zylindrischen Abschnitt 64 mit großem Durchmesser, der mit der Gewindebohrung 63 konzentrisch ist und die Einstellschraube 62 umfaßt einen Einstellkolben 65, der verschiebbar im zylindrischen Abschnitt 64 mit dem großen Durchmesser liegt und mit der Innenwand dieses Abschnittes über einen O-Ring 66 in Verbindung steht. Durch Drehen der Einstellschraube 62 kann der Druck in der druckübertragenden Flüssigkeit 21 innerhalb der Meßkammer 61 eingestellt werden, um auf diese Weise sicherzustellen, daß kein unerwünschter Vorspannungsdruck in der Flüssigkeit 21 herrscht, wodurch die Genauigkeit und die Zuverlässigkeit des Drucksensors verbessert wird.

Claims

1. Drucksensor, umfassend
einen hohlen Hauptkörper (11), durch den hindurch sich eine Bohrung erstreckt und der ein Meßende (20; 54) und ein Ausgangsende (18) hat;
eine Druckmeßvorrichtung (16; 46), die innerhalb der Bohrung des Hauptkörpers (11) angeordnet ist und diese Bohrung in eine Meßkammer (17; 44) einschließlich des Meßendes (20; 54) sowie in eine Ausgangskammer (17) einschließlich des Ausgangsendes unterteilt, wobei durch das Ausgangsende ein Signal von der Druckmeßvorrichtung abführbar ist;
eine biegsame Membran (19; 48), die am Hauptkörper (11) am Meßende (20; 54) der Meßkammer angebracht ist, um diese Meßkammer dichtend abzuschließen;
ein druckübertragendes Medium (21), das in die Meßkammer eingefüllt ist und den zu erfassenden Druck, der die biegsame Membran (19; 48) auf ihrer der Meßkammer abgewandten Seite beaufschlagt, auf die Druckmeßvorrichtung (16; 46) überträgt,
dadurch gekennzeichnet,
daß innerhalb der Meßkammer (17; 44) mindestens ein besonderer das Volumen der Meßkammer vermindernder Körper (25; 50, 53; 60) angeordnet ist.

2. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkammer (17; 44) eine erste Kammer (34; 45) aufweist, in der die Druckmeßvorrichtung (16; 46) angeordnet ist, eine zweite Kammer (35; 47), in die hinein sich die biegsame Membran (19; 48) dann verbiegt, wenn ein Druck auf sie einwirkt und eine Flüssigkeitspassage (36; 49) zum Verbinden der ersten und zweiten Kammer.

3. Drucksensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Kammer (47) im wesentlichen konisch geformt ist.

4. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der das Volumen der Meßkammer vermindernde Körper (25; 50, 53) ein Befestigungsbett (25; 50) zum Abstützen des Druckmeßelements (26; 51) der Druckmeßeinrichtung umfaßt.

5. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der das Volumen der Meßkammer vermindernde Körper ein Rohr (53) umfaßt, das in die Meßkammer (44) eingesetzt ist.

6. Drucksensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer im Durchmesser reduzierten Flüssigkeitspassage (49) das Rohr (53) in die Flüssigkeitspassage (49) eingesetzt ist.

7. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der das Volumen der Meßkammer vermindernde Körper eine Masse (60) eines sich bei Wärmezufuhr zusammenziehenden Materials enthält, das einen negativen Warmeausdehnungskoeffizienten hat, um auf diese Weise die thermische Ausdehnung des druckübertragenden Mediums (21) aufzunehmen.

8. Drucksensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das sich bei Wärme zusammenziehende Material aus einer Legierung von Eisen und Platin besteht.