DE68914264T2

DE68914264T2 - Hochdruckpackung für Druckwandler.

Info

Publication number: DE68914264T2
Application number: DE68914264T
Authority: DE
Inventors: Robert P Bishop
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Sensata Technologies Inc
Priority date: 1988-12-08
Filing date: 1989-12-08
Publication date: 1994-07-21
Anticipated expiration: 2009-12-09
Also published as: US4888662A; JPH02190731A; EP0372988A2; JP2854897B2; EP0372988A3; EP0372988B1; DE68914264D1

Description

Die Anmeldung bezieht sich auf unsere europäische Patentanmeldung Nr. 89312263.0, die am 27. November 1989 für einen Drucksensor (Erfinder Robert P. Bishop et. al.) eingereicht wurde und deren Inhalt hiermit einbezogen wird.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Montagetechnik für Druckmeßwandler und im einzelnen auf eine Montagetechnik für Druckmeßwandler, die in der Lage sind, besonders hohe Drücke im Bereich bis zu 35 MPa (5000 psi) zu messen.
Drucksensoren, die Druckmeßwandler enthalten, sind allgemein bekannt und typische Systeme dieser Art sind in den US- Patenten Nr. 4 716 492 und 4 774 626 beschrieben.
Druckmeßwandler gemäß dem Stand der Technik sind auf Basis eines Druckmeßmoduls gefertigt worden, das in Form einer variablen druckabhängigen Kapazität realisiert wurde, die unmittelbar an eine elektrische Schaltung anschloß. Die elektronische Schaltung maß den Wert der Kapazität, bildete hieraus ein Ausgangssignal entsprechend dem gemessenen Druck und stellte es über einen in Plastik realisierten elektrischen Verbinder bereit. Die Meßwandler wurden derart angeordnet, daß ein Metallnapf der mit einer Öffnung oder einem Druckeinlaß an einem Ende versehen war, um eine unter Druck stehende Flüssigkeit, die gemessen werden sollte, aufzunehmen, zusätzlich das Druckrneßmodul, das von dem Eingang durch eine Dichtung getrennt war, die elektronische Schaltung und die Ausgangsverbindung enthielt. Die Teile wurden im Metallnapf zusammengehalten, indem der Metallnapf über den Plastikverbinder gepreßt wurde, wobei der letztere als Trägerelement genützt wurde.
Derartige Meßwandler werden wie oben erwähnt in den Patentschriften US-A-4 716 492 und US-A-4 774 626 beschrieben.
Die oben beschriebenen Druckmeßwandler ergaben außerordentlich zufriedenstellende Resultate, wenn sie in unteren bzw. mittleren Druckbereichen von 3,5 bis 4,8 MPa (500 bis 600 psi) betrieben wurden. Bei einem Druck von 21 bis 35 MPa (3000 bis 5000 psi) am Druckeingang neigten die oben beschriebenen Druckmeßwandler jedoch zu Fehlfunktionen. Es gab mehrere Gründe für eine Fehlfunktion, die von der Unfähigkeit der Plastikverbinder hohen Drücken standzuhalten herrührten. Im einzelnen war die Preßverbindung am Metallnapf nicht in der Lage, den eingepreßten elektrischen Verbinder zurückzuhalten, wodurch sich der Verbinder aus dem Napf herauslöste und eine Fehlfunktion des Wandlers verursachte. Ein weiterer Grund für eine Fehlfunktion war der Plastikverbinder selbst, der durch Scherung oder Kompression dazu neigte, die Dichtung unter hohem Druck freizugeben und somit auch das unter Druck stehende Gas. Hierdurch wird deutlich, daß ein gemäß dem Stand der Technik realisierter Druckmeßwandler, wie er soeben beschrieben wurde, nicht in der Lage war, in einem Umfeld mit hohen Drücken zuverlässig zu funktionieren.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das beim Stand der Technik beschriebene Problem minimiert und möglicherweise überwunden, und es wird ein Meßwandler geschaffen, der in der Lage ist, Betriebs-, Versuchs- und Explosionsdrücken im Hochtemperaturbereich bis 35 MPa (5000 psi) und möglicherweise mehr zu widerstehen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Meßwandler geschaffen mit einem metallischen Gehäusemittel, das eine abgeschlossene Kammer umschließt, die eine Vorderwand und eine Rückwand aufweist und an einen Hochdruck-Strömungsmittel einlaß an der Vorderwand der Kammer angeschlossen ist, einem eine druckempfindliche Fläche aufweisenden Druckfühlerelement, das in der geschlossenen Kammer so gehalten ist, daß es an der Rückwand der Kammer gegenüber dem Hochdruck-Strömungsmitteleinlaß anliegt, Dichtungsmitteln zwischen der druckempfindlichen Fläche des Druckfühlerelements und der Vorderwand der Kammer, so daß die Dichtungsmittel, die druckempfindliche Fläche des Druckfühlerelements und die Vorderwand der Kammer die Grenzen eines Druckhohlraums bilden, der an den Hochdruck-Strömungsmitteleinlaß angeschlossen ist, und elektrischen Verbindermitteln, die an das Druckfühlerelement angeschlossen und an dem Gehäusemittel so befestigt sind, daß sie durch die Rückwand der Kammer physisch von dem Druckfühlerelement isoliert sind.
Ein Vorteil eines Meßwandlers gemäß der vorliegenden Erfindung ist, daß das Druckmeßelement durch Anordnung in einem Hohlraum, der ganz von Metall umgeben ist, von dem Verbindermittel isoliert ist, wobei der Plastikverbinder vom Druckmeßelement getrennt ist und nicht der unter hohem Druck stehenden Flüssigkeit ausgesetzt ist. Dies wird mit Hilfe eines Metallelements erreicht, das zwischen dem Druckmeßelement und dem Plastikverbinder angeordnet ist, wobei die hohen Drücke, denen der Druckmeßwandler ausgesetzt ist, niemals auf den Plastikverbinder wirken.
In einer ersten Ausführung der Erfindung wird ein Haltering innerhalb des Metallnapfes oder der Metalldose und zwischen dem Druckmeßfühler und der Plastikverbindung angebracht, wobei die elektronische Schaltung im offenen Teil des Rings zwischen dem Verbinder und dem Druckmeßfühler angeordnet ist. In dieser Anordnung wird der Metallnapf oder die Metalldose über den Haltering aus Metall und den darin angeordneten Plastikverbinder gepreßt, um sie an der Verwendungsstelle zu halten und den Drucksensor sicher innerhalb der Dose zu fixieren. Die Dichtung und der Drucksensor sind wie beim oben beschriebenen Stand der Technik ausgeführt, wobei der Drucksensor direkt an den Haltering aus Metall angrenzt, der den erforderlichen Halt bietet. Wie oben erörtert, kann der Haltering in seinem Zentrum offen gestaltet werden oder massiv mit Löchern oder Schlitzen, um die elektrischen Zuleitungen von dem Drucksensor zur elektrischen Schaltung durchzuführen. Die Dose wird in einem Stück gearbeitet mit einem Gewinde, das mit der Drucköffnung des Systems, bei dem der Meßwandler eingesetzt wird, zusammenpaßt. Das Anschlußstück wird als Sechseck ausgebildet, um es mit einem Schraubenschlüssel handhaben zu können. Im Gegensatz zur Trennung von Dose und Anschlußstück weist der Gebrauch eines einzelnen Stückes mehrere Vorteile auf. So sind z. B. weniger Teile und Fertigungsschritte erforderlich und ein potentiell undichter Auslaufpfad, der durch das Zusammenfügen zweier Teile entstehen könnte, ist eliminiert. Der Gebrauch dieser Fertigungsanordnung fixiert den Druckfühler unabhängig vom Verbinder und erlaubt dennoch das Einfügen von Komponenten von einer Seite während der Fertigung, was sowohl von einem Kosten- als auch Komplexitätstandpunkt von Vorteil ist.
Gemäß einer zweiten Ausführung der Erfindung wird die unabhängige Fixierung des Druckmeßfühlers beibehalten. Hier wird eine Dose benützt, um den Druckmeßfühler einzuschließen. Die Dose wird über ein Sechseck gepreßt, was den Einbau in das System, in dem gemessen werden soll, ermöglicht. Das andere Ende der Dose ist überhöht ausgeprägt und über den Plastikverbinder gepreßt, hält die Verbindung ordnungsgemäß und schließt die elektronische Schaltung ein. Wo erforderlich werden Löcher oder Schlitze für elektrische Durchführungen genützt und Dichtungen und/oder Verschlüsse werden dort, wo es erforderlich ist, benützt, um die internen Komponenten zu schützen.
Gemäß einer dritten Ausführung werden zwei billige Metalldosen genützt anstatt der einzelnen Dose, die für die zweite Ausführung erforderlich ist. Die erste Dose wird genützt, um den Drucksensor zu halten, und ist auf eine sechseckige Öffnung gepreßt. Die zweite Dose, die auf der einen Seite über die erste Dose und auf der anderen Seite über die Plastikverbindung gepreßt ist, wird genützt, um die elektronische Schaltung einzuschließen und die Anordnung zusammenzuhalten.
Die Ausführungen nützen vorzugsweise eine flexible Schaltung als Anbringungsfläche für die elektronische Schaltungsanordnung. Dies gestattet ein Zusammenfalten während der Fertigung der Vorrichtung. Außerdem ermöglicht die flexible Schaltung ein direktes Anschließen der Pins auf dem keramischen Fühlerelement und am Verbinder, ohne daß zusätzliche Drähte und Anschlüsse zu ihrer Befestigung benötigt werden. Die flexiblen Anschlüsse gestatten ferner eine direkte Anbindung des Schaltungsmodul an die Dose. Dies wird durchgeführt, um den Massepin des Meßwandlers mit der Metalldose zu koppeln (Systemmasse), um die elektromagnetische Verträglichkeit (EMC) der Vorrichtung zu verbessern. Dies wird erzielt, indem ein leitendes "Ende" der flexiblen Schaltung über die Kante des Verbinders gelegt und die Dose darübergepreßt wird, damit der elektrische Kontakt entsteht.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1a zeigt einen Querschnitt durch einen Druckmeßwandler gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 1b zeigt die Ansicht entlang der Linie 1b-1b von Fig. 1a;
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt eines Druckmeßwandlers gemäß der ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 zeigt einen Querschnitt eines Druckmeßwandlers gemäß der zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 zeigt einen Querschnitt eines Druckmeßwandlers gemäß der dritten Ausführung der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 5 zeigt einen Querschnitt eines Druckmeßwandlers gemäß einer vierten Ausführung der vorliegenden Erfindung.
Die Fig. 1a und 1b zeigen einen Druckmeßwandler 1, der gemäß dem Stand der Technik ausgeführt ist. Der Meßwandler enthält eine äußere Metalldose oder einen Metallnapf 3 mit einem Druckeinlaß 5 an einer Fläche und einem Druckfühlerelement in der Dose, das durch einen Dicht- bzw. O-Ring 9 vom Druckeinlaß getrennt ist. Die elektronische Schaltungsanordnung 11 ist in Kontakt mit dem Modul 7 angeordnet, und sie ist weiterhin von einem elektrischen Verbinder 13 aus Plastik umgeben, der mit einem Flanschabschnitt 15 versehen ist, über den die Dose 3 gepreßt ist. An der Verbindung zwischen der Dose 3 und dem Verbinder 13 ist eine Dichtungsmasse gegen Umgebungseinflüsse angeordnet, um zu verhindern, daß Verunreinigungen zwischen der Dose und dem Verbinder zur elektrischen Schaltungsanordnung 11 vordringen. An der Rückseite des Verbinders erstrecken sich drei Anschlüsse 23, 24 und 25 nach außen, und sie sind mit der elektronischen Schaltungsanordnung verbunden, um das Ausgangssignal abzugeben. Das Druckfühlerelement 7 ist aus einem Paar von keramischen Schichten 19 und 21 aufgebaut, die im Abstand voneinander angeordnet sind, wobei zur Bildung einer Kapazität jede Schicht auf gegenüberliegenden Seiten mit einer elektrisch leitenden Beschichtung belegt ist. Die Schicht 19 nimmt den Druck der Flüssigkeit auf, die am Hochdruckströmungsmitteleinlaß 5 eintritt, und sie verändert wegen ihrer Wirkung als Membran, den Abstand zwischen elektrisch leitenden Beschichtungen, um den Wert der Kapazität als eine Funktion des angewandten Druckes zu verändern. Wie bereits oben erwähnt erzielt der soeben beschriebene Druckmeßwandler exzellente Ergebnisse bei Drücken bis 4,2 MPa (600 psi) am Druckeinlaß. Bei hohen Drücken im Bereich von 21 MPa (3000 psi) und mehr treten jedoch Fehlfunktionen aufgrund einer Bewegung der Pressung über dem Verbinder und der Ablösung des Verbinders auf. Fehlfunktionen treten ebenso aufgrund der Kompression des Verbinders und der Bewegung der Dichtung zwischen der Dose und dem Verbinder auf, so daß das eingeführte Strömungsmittel an der Hinterseite des Meßwandlers aufgrund einer Undichtheit entweichen kann.
In Fig. 2 ist nun eine erste Ausführung der vorliegenden Erfindung abgebildet, wobei alle Teilstrukturen, die mit Fig. 1 übereinstimmen, selbe Bezugszeichen aufweisen. Die Ausführung ist identisch mit derjenigen, die in den Fig. 1a und 1b gezeigt ist, mit der Ausnahme, daß ein metallischer Haltering 31, der in der Lage ist hohen Drücken im Bereich bis 35 MPa (5000 psi) standzuhalten, zwischen dem Druckfühlerelement 7 und dem elektrischen Verbinder 13 angeordnet ist, um den elektrischen Verbinder und die elektrische Schaltung 11 von den hohen Drücken, die am Hochdruckströmungsmitteleinlaß 5 anliegen, zu isolieren. In dieser Ausführung ist die Dose 3 sowohl über den Stützring 31 als auch den Flansch 15 des Verbinders 13 gepreßt. Zusätzlich wird ein O-Ring 9 zusammen mit einem starren Sicherungsring 33, der vorzugsweise aus Polytetrafluorethylen (Teflon) gefertigt ist, genützt, um eine Bewegung des O-Rings zwischen dem Druckfühlerelement 7 und der Dose 3 zu verhindern. Es sollte erwähnt werden, daß neben dem O-Ring weitere Befestigungs-Systeme wie z. B. Dichtungen, Lippendichtungen, Metalldichtungen und ähnliches benützt werden können. Als Ergebnis wird Metall auf Metall gepreßt, so daß die Möglichkeit besteht hohen Drücken, die bis jetzt eine Fehlfunktion des Meßwandlers bewirkten, standzuhalten. Die äußere Oberfläche des Druckeinlasses 5 kann mit einem Gewinde zur Verbindung mit weiteren Bauelementen (nicht abgebildet) ausgebildet werden.
Fig. 3 zeigt nun eine zweite Ausführung der vorliegenden Erfindung, wobei alle Teilstrukturen, die mit denen in den Abbildungen 1a, 1b und 2 übereinstimmen, dasselbe Bezugszeichen aufweisen. Bei dieser Ausführung enthält die Metalldose 41 ein Paar Preßflansche 43 und 45 an den entgegengesetzten Enden, wobei der Preßflansch 43 über ein metallisches, hexagonales Durchgangsglied 47 gepreßt wird, das in der Lage ist hohen Drücken von mindestens 31 bis 35 MPa (3000 bis 5000 psi) standzuhalten. Das hexagonale Durchgangsglied 47 weist einen zentralen Druckmitteleinlaß 5 zum Eintritt des zu messenden und unter hohem Druck stehenden Strömungsmittels in den Meßwandler auf. Eine Dichtung 9 oder ein O-Ring und der Stützring 33 (nicht abgebildet) sind innerhalb der Dose 41 angeordnet und trennen das Druckfühlerelement 7 vom hexagonalen Durchgangsglied 47, wobei die andere Fläche des Elementes 7 an der inneren Wand der Dose anliegt. Die elektronische Schaltungsanordnung 11 ist außerhalb der Dose 41 auf derjenigen Wand, an der das Druckfühlerelement 7 anliegt, positioniert. Der aus Plastik gefertigte elektrische Verbinder 13 ist oberhalb der elektrischen Schaltungsanordnung 11 angeordnet, wobei der Preßflansch 45 der Metalldose über den Flansch 15 des Verbinders gepreßt wird, um den vollständigen Druckmeßwandler auszubilden. Es ist ersichtlich, daß sowohl das Druckfühlerelement als auch alle Stellen, die hohen Drücken ausgesetzt sind, physisch von der elektrischen Schaltung und dem elektrischen Verbinder durch ein Metallelement, das in der Lage ist allen auftretenden Drücken zu widerstehen, getrennt sind.
Fig. 4 zeigt nun eine dritte Ausführung der vorliegenden Erfindung, wobei alle bisher genutzten Bezugszeichen denselben oder ähnlichen Teilstrukturen entsprechen. Diese Ausführung enthält eine erste innere Metalldose 61, die einen Flansch 63 enthält, der ähnlich dem Flansch 43 ist, und über das hexagonale Durchgangsglied 47 mit dem Druckeinlaß 5 gepreßt wird. Wiederum ist das Druckfühlerelement 7 durch eine Dichtung 9 vom Einlaß 5 getrennt, wobei das Modul 7 auf die innenliegende Wand der Dose 61 anliegt, die gegenüber dem Druckeinlaß liegt. Eine zweite Metalldose 65 ist über der Dose 61 angeordnet und enthält an ihren entgegengesetzten Enden Preßflansche 67 und 69. Der Preßflansch 67 wird über die Dose 61 und den Preßflansch 63 dieser Dose gepreßt. Die elektronische Schaltung 11 ist an der äußeren Seite der Wand derjenigen Dose angebracht, die das Druckfühlerelement 7 stützt, und sie ist von dem aus Plastik gefertigten elektrischen Verbinder 13 umgeben. Der Flansch 69 ist über den Flansch 15 des Verbinders gepreßt, wodurch der vollständige Druckmeßwandler entsteht. Wiederum ist zu erkennen, daß sowohl die elektronische Schaltungsanordnung als auch der elektrische Verbinder von Regionen mit hohen Drücken durch ein Metallelement, das in der Lage ist den erforderlichen Drücken standzuhalten, isoliert sind.
Fig. 5 zeigt nun eine vierte Ausführung der vorliegenden Erfindung, wobei alle Bezugszeichen, die mit den bisher genützten übereinstimmen, die gleichen oder ähnliche Teilstrukturen bezeichnen. Der wesentliche Punkt bei dieser Ausführung besteht in der direkten Verbindung der elektronischen Schaltungsanordnung 11 und der Metalldose. Diese wird eingeführt, um eine direkte Verbindung zwischen dem Schaltungsmodul und der Dose zu erreichen, so daß der Massepin des Meßwandlers (Schaltungsmasse) mit der Metalldose (Systemmasse) gekoppelt werden kann, was zu einer verbesserten elektromagnetischen Verträglichkeit (EMC) des Meßwandlers führt. Dies wird erreicht, indem ein elektrisch leitendes Endstück 71, das die Form eines flexiblen Leiters hat und an die elektrische Schaltungsmasse angeschlossen ist, über den Flansch 15 des Verbinders 13 gefaltet wird und die Metalldose über den Flansch und das Endstück oder den flexiblen Leiter gepreßt wird, das zwischen dem Flanschring und der Dose positioniert ist. Es ist ersichtlich, daß sich hierdurch die gewünschte einfache Verbindung zwischen Systemmasse und Schaltungsmasse realisieren läßt.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand spezieller, bevorzugter Ausführungen beschrieben wurde, erschließen sich demjenigen, der mit dem Stand der Technik vertraut ist, unmittelbar viele Variationen und Modifikationen. Demnach sollen die nachfolgenden Ansprüche so breit wie möglich in bezug auf den Stand der Technik interpretiert werden, um all diese Variationen und Modifikationen mit einzubeziehen.

Claims

1. Druckwandler mit einem metallischen Gehäusemittel (3, 31; 31, 47), das eine geschlossene Kammer umschließt, die eine Vorderwand und eine Rückwand aufweist und an einen Hochdruck-Strömungsmitteleinlaß (5) an der Vorderwand der Kammer angeschlossen ist, einem eine druckempfindliche Fläche aufweisenden Druckfühlerelement (7), das in der geschlossenen Kammer so gehalten ist, daß es an der Rückwand der Kammer gegenüber dem Hochdruck-Strömungsmitteleinlaß (5) aniiegt, Dichtungsmitteln (9, 33) zwischen der druckempfindlichen Fläche des Druckfühlerelements (7) und der Vorderwand der Kammer, so daß die Dichtungsmittel, die druckempfindliche Fläche des Druckfühlerelements (7) und die Vorderwand der Kammer die Grenzen eines Druckhohlraums bilden, der an den Hochdruck-Strömungsmitteleinlaß (5) angeschlossen ist, und elektrischen Verbindermitteln (11, 23, 24), die an das Druckfühlerelement (7) angeschlossen und an dem Gehäusemittel (3, 31; 41, 47) so befestigt sind, daß sie durch die Rückwand der Kammer physisch von dem Druckfühlerelement (7) isoliert sind.

2. Druckwandler nach Anspruch 1, bei welchem die Dichtungsmittel (9, 33) enthalten:

ein relativ starres Ringglied (33), das die druckempfindliche Fläche des Druckfühlerelements (7) und die Vorderwand der Kammer berührt und

einen relativ weniger starren O-Ring (9), der innerhalb des relativ starren Ringglieds (33) angeordnet ist und die druckempfindliche Fläche des Druckfühlerelements (7) und die Vorderwand der Kammer berührt, so daß eine den Druckhohlraum definierende Umrandung entsteht,

wobei das relativ starre Ringglied (33) eine Bewegung des O-Rings (9) zwischen der druckempfindlichen Fläche und der Vorderwand verhindert.

3. Druckwandler nach Anspruch 2, bei welchem die Vorderwand im wesentlichen parallel zu der druckempfindlichen Fläche verläuft.

4. Druckwandler nach Anspruch 2 oder 3, bei welchem das starre Glied (33) aus Polytetraf luorethylen gebildet ist und der O-Ring (9) aus einem relativ weicheren Material gebildet ist.

5. Druckwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem das Gehäusemittel ein napfförmiges Teil (3) aufweist, wobei der Hochdruck-Strömungsmitteleinlaß (5) und ein Haiteglied (31) innerhalb des napfförmigen Teils befestigt sind und die Rückwand der Kammer bilden.

6. Druckwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem das Gehäusemittel ein die Rückwand der Kammer bildendes napfförmiges Teil (41) und ein Durchgangsteil (47) aufweist, das mit dem Hochdruck-Strömungsmitteleinlaß (5) versehen ist und die Vorderwand der Kammer bildet, die in dem napfförmigen Teil (41) befestigt ist.

7. Druckwandler nach Anspruch 5, bei welchem das Halteteil (31) einen hohlen Mittelbereich aufweist und daß die elektrischen Verbindermittel einen elektronischen Schaltungsmodul (11) enthalten, der in dem hohlen Mittelbereich angeordnet ist.

8. Druckwandler nach Anspruch 7, enthaltend ein elektrisch leitendes Glied (71), das zwischen einer Masseverbindung des elektronischen Moduls (11) und dem Gehäuse angeschlossen ist.

9. Druckwandler nach Anspruch 5, enthaltend einen elektronischen Schaltungsmodul (11), der auf dem Halteteil (31) von dem Druckfühlerelement entfernt angeordnet ist.

10. Druckwandler nach Anspruch 6, bei welchem vorgesehen ist

ein Flanschglied (45), das einstückig mit dem napfförmigen Teil (41) ausgebildet ist und sich außerhalb dieses Teils erstreckt; und

wobei die elektrischen Verbindermittel an dem Flanschteil (45) befestigt sind.

11. Druckwandler nach Anspruch 6 oder 10, bei welchem das Durchgangsglied (47) ein hexagonales Durchgangsglied mit einer zentralen Bohrung ist, die den Hochdruck-Strömungsmitteleinlaß (5) bildet.