DE4201313A1 - Drucksensor zur druckabhaengigen elektrischen oder elektronischen schaltung und/oder regelung einer vorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Drucksensor zur druckabhängigen elek­ trischen Schaltung und/oder Regelung einer Vorrichtung, insbesonde­ re einer gas- und/oder flüssigkeitsdurchströmten Vorrichtung, wie zum Beispiel eines Wärmetauschers oder einer anderen Vorrichtung, bei der ein von einem statischen und/oder dynamischen Druck eines Mediums funktionell abhängiges elektrisches Signal als Meß­ und/oder Schalt- und/oder Regelgröße zu erzeugen ist.

Eine solche Notwendigkeit ergibt sich in zahlreichen technischen Bereichen, so zum Beispiel bei Heizungs- und Lüftungsanlagen, Wärme­ austauschern, wie Warmwasserbereitern, aber auch in der Kraftfahrzeug­ technik, der chemischen Verfahrenstechnik usw.

Hierbei bestehen unterschiedliche Anforderungen hinsichtlich der mechanischen, physikalischen und auch chemischen Eigenschaften, wie zum Beispiel der mechanischen Festigkeit und Korrosionsbestän­ digkeit, der verwendeten Drucksensoren wie auch hinsichtlich ihrer Reproduktionsgenauigkeit usw. (s. u.a. Gramberg, A. Technische Messungen. J. Springer Berlin, 1932).

In Verbindung mit elektronischen Regel-, Auswertungs- und Ver­ stärkerschaltungen werden seit einiger Zeit besonders induktiv, kapazitiv oder piezoelektrisch wirkende Schaltungselemente als Drucksensor verwendet, bei denen - beispielsweise durch deren Anordnung in einem elektrischen Schwingkreis - bestimmte physi­ kalische beziehungsweise elektrische Eigenschaften infolge und abhängig von darauf wirkendem statischen oder dynamischen Druck hervorgerufen oder verändert werden.

Zur Umsetzung und Reproduktion des Druckes, beispielsweise des dynamischen Druckes eines eine Vorrichtung durchströmenden Me­ diums, in eine elektrische Meß- oder Regelgröße ist, je nach Anforderung, bei den bekannten Drucksensoren erheblicher tech­ nischer und auch wirtschaftlicher Aufwand zu betreiben.

So lassen sich die piezoelektrischen Eigenschaften eines Kris­ talls als Drucksensor, wobei durch mechanische Druckeinwirkung auf ihn eine druckabhängige elektrische Spannung erzeugt wird, bei oder oberhalb des hierfür erforderlichen Ansprechdrucks vorteilhaft verwerten; bei geringeren Drücken sind zusätz­ liche mechanische und/oder elektromechanische Manipulationen und Vorrichtungen zu verwenden, um den Ansprech- und Wir­ kungsbereich für den piezoelektrischen Effekt eines Kristalls zu erreichen.

Grundsätzlich ist es natürlich möglich und in zahlreichen Vor­ richtungen, zumeist bei einfacheren Wärmetauschern wie Durch­ lauferhitzern, Heizungsthermen u. dgl., auch verwirklicht, bei­ spielsweise den dynamischen Druck einer Flüssigkeit mittels einfacher technischer Vorrichtungen wirksam zumindest in eine elektrische Schaltgröße umzusetzen. Hierbei wird, so zum Bei­ spiel bei dem Differenzdruckschalter eines elektrischen Wasser­ durchlauferhitzers, zwischen durch eine Gummimembran wasserdicht getrennten Kammern im Wasserströmungszustand eine Druckdifferenz erzeugt wodurch sich die Gummimembran verformt und ein mit ihr mechanisch verbundener, über eine Stopfbuchse aus der Druckkammer beweglich herausgeführter Metallstift einen oder mehrere elek­ trische Kontakte schließt oder - bei fehlender Wasserströmung und gleichem Wasserdruck in beiden Druckkammern - öffnet.

Mit diesem in vielen technischen Ausführungsformen bekannten, einfachen Prinzip können auch - von der Höhe des Wasserdrucks abhängige - elektrische Regelspannungen erzeugt werden, indem mit dem Metallstift der Abgriff eines Schiebewiderstandes oder Potentiometers betätigt und die notwendigen, strom- oder span­ nungsgesteuerten Schalt- und Regelvorgänge ausgelöst werden.

In aufwendiger, anderer technischer Ausführungsform kann der Wasserdruck auch als mechanischer Druck mittels des Metallstiftes auf einen Teil der Kristalloberfläche übertragen und aufgrund des piezoelektrischen Effektes ausgewertet werden.

Nachteil dieser Vorrichtungen ist jedoch der erhebliche mecha­ nische Ausführungsaufwand, beispielsweise in Form von Druck­ kammern, Staudruckdüsen, Membranen usw., sowie die Verschleiß- und Störungsanfälligkeit dieser Teile. Auch ist ihr Einsatz­ bereich - ohne zusätzlichen Aufwand hinsichtlich der verwen­ deten Werkstoffe usw. - auf gasförmige und flüssige Medien ohne korrodierende Eigenschaften beschränkt und zudem ermög­ lichen die einfachen Ausführungsformen eines Differenzdruck­ schalters keine zufriedenstellende Regelung beispielsweise der Strömungsgeschwindigkeit, Temperatur oder anderer, be­ sonderer Funktionen der mit ihm betriebenen Vorrichtung.

Es war daher die Aufgabe zu lösen, einen mit herkömmlichen Mitteln auf technisch einfache und wirtschaftlich vorteil­ hafte Weise herstellbaren Drucksensor zu finden, der die oben genannten Nachteile nicht hat und die Umsetzung eines statischen und/oder dynamischen physikalischen Drucks in ein proportional druckabhängiges elektrisches Schalt- und/oder Regelsignal problemlos ermöglicht.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit einer Vorrichtung nach den Kennzeichen und Merkmalen der Schutzansprüche, für die nach­ stehend Ausführungsbeispiele angegeben sind:

Eine Ausführungsform der Erfindung besteht aus

• (1) einem Gehäuse, das aus beliebigem, für den Anwendungsbereich geeigneten metallischen und/oder nichtmetallischen Werkstoff hergestellt ist,
• (2) einer wenigsten einen Teil der Gehäusewandung bildenden Membran, die - senkrecht zu ihrer Ruheebene und in diese bei Druckentlastung zurückfedernd - durch Druck oder Unterdruck ver­ formbar angeordnet ist.
• (3) wenigstens zwei elektrischen Kontakten oder Elektroden, die durch das Gehäuse hindurchge­ führt und/oder wenigstens als ein Teil der Gehäusewandung ausgeführt sind,
• (4) einer dichten Faserpackung, beispielsweise aus Kohlenstoffasern als nichtmetallischen elek­ trischen Leitern, die durch mittels der Mem­ bran auf sie ausgeübten Über- und/oder Unter­ druck reversibel verformbar und mit den elek­ trischen Kontakten und/oder Elektroden elek­ trisch verbunden ist.

Der Drucksensor wird zweckmäßigerweise mit einer Außenwandung hergestellt, die seine gas- und flüssigkeitsdichte Befestigung in oder an einem Bauteil, ferner - bei auftretendem Defekt - seine problemlose Auswechselung ermöglicht.

Der Drucksensor kann lösbar oder dauerhaft auch als integraler Bestandteil eines Bauteils, zum Beispiel in Verbindung mit einer Gas- oder Flüssigkeitsleitung, ausgeführt sein, wobei Teile die­ ses Bauteils, wie zum Beispiel die als Membran ausgestalteten Wandung einer Flüssigkeitsleitung, nach den Kennzeichen und Merkmalen der Schutzansprüche ausgeführt ist.

Der Drucksensor kann in einer anderen Ausführungsform nach den Kennzeichen und Merkmalen der Schutzansprüche auch so ausgestaltet sein, beispielsweise in Form eines mehrteiligen Gehäuses (1) oder eines Innen- und Außengehäuses, die die problemlose Auswechselung seiner Bestandteile, insbesondere seiner dichten Packung (4) er­ möglicht.

Der Drucksensor kann weiterhin so ausgeführt sein, daß er als dichteste Faserpackung an sich elektrisch nicht leitfähige Fa­ serstoffe, wie zum Beispiel lyophile Polyesterfasern, enthält, die mit einer den elektrischen Strom leitenden Lösung, wie bei­ spielsweise einer Elektrolytlösung, imprägniert oder getränkt sind. Durch geschlossene, dampf- und flüssigkeitsdichte Aus­ führung des Sensorgehäuses werden Flüssigkeitsverluste über die Nutzungsdauer des Sensors wirksam vermieden. Bei Verwen­ dung einer Elektrolytlösung, d. h. zum Beispiel einer wäßri­ gen Lösung darin stark dissoziierender anorganischer Salze, können galvanisch induzierte chemische Reaktionen mit nach­ teiligen Auswirkungen auf die Funktionsfähigkeit des Sensors auf einfache Weise vermieden werden, indem Wechselstrom als druck- und leitfähigkeitsabhängiger Meß- und/oder Regel­ strom angeschlossen wird.

Nachstehend werden einige technische Anwendungsbeispiele für die Erfindung gegeben:

Beispiel 1

Die Vorrichtung wird vorteilhaft zur Erzeugung einer Regelspannung für den elektronischen Temperatur- und gegebenenfalls zugleich Durchflußregler eines elek­ trischen Durchlauferhitzers verwendet.

Aus der Europa-Patentanmeldungen 83-9 02 061 und den deutschen Patentanmeldungen DE-P 37 16 798 und DE-P 37 39 676 sind - insbesondere als elektrische Durchlauferhitzer ausgeführte - Warmwasserbereiter bekannt, bei denen bestimmte Parameter, wie der Strömungszustand (AUS-EIN-Zustand), die Strömungsge­ schwindigkeit, Temperatur usw., des Wassers gemessen, elektronisch ausgewertet und mit bestimmten Soll­ werten, zum Beispiel einer voreingestellten Wasser­ temperatur, verglichen und entsprechend geregelt werden.

Da der Staudruck einer strömenden Flüssigkeit von ihrer Strömungsgeschwindigkeit proportional abhängig ist, wird ein Drucksensor hinter der Stauscheibe oder -düse in der Wasserzuleitung eines elektrischen Durchlauferhitzers so angeordnet, daß seine Membran durch die Flüssigkeit druckbeaufschlagt ist.

Der elektrisch leitende Teil des Drucksensors, die dichte Packung (4), deren elektrische Leitfähigkeit sich mit zunehmender Dichte infolge wachsenden Stau­ drucks, erhöht, ist mittels der elektrischen Kon­ takte (3) und angeschlossener Stromwege in den Stromkreislauf des elektronischen Schalt- und Re­ gelelementes in bekannter Schaltungsauslegung in­ tegriert.

Der Stromfluß durch die Heizelemente des Durchlaufer­ hitzers und damit die Warmwasserheizung wird erst bei bestimmtem Verdichtungszustand der Packung (4), d. h. bei vorgegebener Wasserströmungsgeschwindigkeit und von dieser proportional abhängig, eingeschaltet und geregelt.

Beispiel 2

Die Erfindung ist als Drucksensor hinter einer Stau­ scheibe in der Treibstoffzuleitung für eine Verbren­ nungskraftmaschine angeordnet und mit einem elektro­ nischen Bauelement zur Regelung des Kraftstoff/Luft­ gemisches in einem Vergaser oder einer Einspritzvor­ richtung elektrisch verbunden.

Mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit und wachsen­ dem Staudruck wird mittels von dem Drucksensor ausge­ hender elektrischer Schalt- und Regelimpulse der Luftan­ teil im Gemisch - beispielsweise durch zunehmende Öff­ nung einer Drosselblende - kontinuierlich erhöht und den erforderlichen Leistungswerten angepaßt.

Beispiel 3

Die Erfindung ist als Drucksensor in die Hydraulikzulei­ tung einer mechanischen Presse in der Form angeordnet, dar die Hydraulikflüssigkeit die Membran unmittelbar druckbeaufschlagt. Sie ist weiter mit einer elektro­ nischen Schalt- und Auswerteinheit - wie oben - elek­ trisch verbunden.

Beispiel 4

Als Drucksensor wird eine Ausführungsform nach den Kennzeichen und Merkmalen der Schutzansprüche ver­ wendet, deren gesamtes Gehäuse als reversibel ver­ formbare nichtmetallische oder metallische Membran bzw. Kapsel ausgebildet ist. Sie wird dann in eine synthetische organische Blähmasse, beispielsweise im Zuge der Herstellung organischer Schaumstoffe, tief eingebracht, um den Druck- und Reaktionsab­ lauf in ihrem Innern zu messen und auf diese Weise bestimmte Verfahrensparameter, wie Heiz- oder Kühl­ temperaturen, regeln zu können.

Claims (5)

1. Drucksensor zur druckabhängigen elektrischen oder elek­ tronischen Schaltung und/oder Regelung einer Vorrichtung, deren Betriebsparameter durch elektrische Schalt- und/oder Regelsignale druckabhängig geschaltet oder geregelt werden, indem die elektrische Leitfähigkeit einer reversibel zusammen­ drückbaren dichten Packung aus elektrisch leitfähigem Material durch darauf einwirkenden Druck druckabhängig verändert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die dichte Packung (1) wenigstens teilweise aus elek­ trisch leitenden Fasern (2) und/oder aus elektrisch nicht leitenden, mit einer den elektrischen Strom leitenden Flüssigkeit getränkten Fasern besteht und mit wenigstens einem elektrischen Kontakt und/oder einer Elektrode (3) versehen ist.

2. Drucksensor nach den Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die dichte Packung (1) vlies- und/oder blatt- und/oder filzartig ausgebildet ist.

3. Drucksensor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die dichte Packung (1) auf wenigstens einer ihrer Oberflächen mit einer den elektrischen Strom leitenden Schicht (4) belegt ist, die als elektrischer Kontakt (3) ausgebildet ist.

4. Drucksensor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als elektrisch leitende Lösung eine Elektrolytlösung verwendet wird.

5. Drucksensor nach Anspruch 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß durch die dichte Packung (1) ein Wechselstrom hindurch­ geleitet wird, dessen Stromstärke durch den auf sie einwirkenden Druck druckabhängig veränderbar ist.