DE9200268U1

DE9200268U1 - Drucksensor zur druckabhängigen elektrischen oder elektronischen Schaltung und/oder Regelung einer Vorrichtung

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Priority date: 1992-01-11
Filing date: 1992-01-11
Publication date: 1992-03-12
Anticipated expiration: 2002-01-12

Description

Beschreibung

Die Neuerung betrifft einen Drucksensor zur druckabhängigen elektrischen Schaltung und/ oder Regelung einer Vorrichtung, insbesondere einer gas- und/ oder flüsslgkeitsdurchströmten 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, Wärmeaustauschern, wie Warmwasserbereitern, aber auch in der Kraftfahrzeugtechnik, der chemischen Verfahrenstechnik usw.

Hierbei bestehen unterschiedliche Anforderungen hinsichtlich der mechanischen, physikalischen und auch chemischen Eigenschaften, wie zum Beispiel der mechanischen Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit, 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 Verstärkerschaltungen werden seit einiger Zelt besonders Induktiv, kapazitiv oder piezoelektrisch wirkende Schaltungselemente als Drucksensor verwendet, bei denen - beispielsweise durch deren Anordnung in einem elektrischen Schwingkreis - bestimmte physikalische beziehungsweise elektrische Eigenschaften infolge und abhängig von darauf wirkendem statischen oder dynamischen Druck hervorgerufen oder verändert werden.

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

So lassen sich die piezoelektrischen Eigenschaften eines Kristalls 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 zusätzliche mechanische und/ oder elektromechanische Manipulationen und Vorrichtungen zu verwenden, um den Ansprech- und Wirkungsbereich für den piezoelektrischen Effekt eines Kristalls zu erreichen.

Grundsätzlich ist es natürlich möglich und in zahlreichen Vorrichtungen, zumeist bei einfacheren Wärmetauschern wie Durchlauferhitzern, Heizungsthermen u.dgl., auch verwirklicht, beispielsweise den dynamischen Druck einer Flüssigkeit mittels einfacher technischer Vorrichtungen wirksam zumindest in eine elektrische Schaltgröße umzusetzen. Hierbei wird, so zum Beispiel bei dem Differenzdruckschalter eines elektrischen Wasserdurchlauferhitzers, 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 Drückkammer beweglich herausgeführter Metallstift einen oder mehrere elektrische Kontakte schließt oder - bei fehlender Wasserströmung

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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 spannungsgesteuerten 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 mechanische Ausführungsaufwand, beispielsweise in Form von Druckkammern, Staudruckdüsen, Membranen usw., sowie die Verschleiß- und Störungsanfälligkeit dieser Teile. Auch Ist ihr Einsatzbereich - ohne zusätzlichen Aufwand hinsichtlich der verwendeten Werkstoffe usw. - auf gasförmige und flüssige Medien ohne korrodierende Eigenschaften beschränkt und zudem ermöglichen die einfachen Ausführungsformen eines Differenzdruckschalters keine zufriedenstellende Regelung beispielsweise der Strömungsgeschwindigkeit, Temperatur oder anderer, besonderer Funktionen der mit ihm betriebenen Vorichtung.

Es war daher die Aufgabe zu lösen, einen mit herkömmlichen Mitteln auf technisch einfache und wirtschaftlich vorteilhafte Weise herstellbaren Drucksensor zu finden, der die oben

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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 nachstehend ein Beispiel angegeben ist und weitere, besondere Ausführungsformen für die schutzbeanspruchte Neuerung beschrieben sind.

Eine Ausführungsform der Neuerung besteht aus

(1) einem Gehäuse, das aus. beliebigem, für den

Anwendungsbereich geeignetem metallischen und/oder nichtmetallischem 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 verformbar angeordnet ist.

(3) wenigstens zwei elektrischen Kontakten oder

Elektroden, die durch das Gehäuse hindurchgeführt und/ oder wenigstens als ein Teil der Gehäusewandung ausgeführt sind,

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(4) einer dichten Kugelpackung, beispielsweise aus Kohlengrieß als nichtmetallischem elektrischen Leiter, die durch mittels der Memran auf sie ausgübten Über- und/ oder Unterdruck reversibel verformbar und mit den elektrischen Kontakten und/ oder Elektroden elektrisch 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 dieses 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 besonderen 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) ermöglicht.

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Nachstehend werden einige technische Anwendungsbeispiele für die Neuerung gegeben:

Beispiel 1

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

Aus der Europa-Patentanmeldungen 83-902061 und den deutschen Patentenanmeldungen 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 Strömungsgeschwindigkeit. Temperatur usw., des Wassers gemessen, elektronisch ausgewertet und mit bestimmten Sollwerten, zum Beispiel einer voreingestellten Wassertemperatur, verglichen und entsprechend geregelt werden.

Da der Staudruck einer strömenden Flüssigkeit von Ihrer Strömungsgeschindigkeit 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 1st.

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Der elektrisch leitende Teil des Drucksensors, die dichte Packung (4), deren elektrische Leitfähigkeit sich mit zunehmender Dichte infolge wachsenden Staudrucks, erhöht, ist mittels der elektrischen Kontakte (3) und angeschlossener Stromwege in den Stromkreislauf des elektronischen Schalt- und Regelelementes in bekannter Schaltungsauslegung integriert.

Der Stromfluß durch die Heizelemente des Durchlauferhitzers 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 Neuerung ist als Drucksensor hinter einer Stauscheibe in der Treibstoffzuleitung für eine Verbrennungskraftmaschine angeordnet und mit einem elektronischen Bauelement zur Regelung des Kraftstoff/ Luftgemisches in einem Vergaser oder einer Einspritzvorrichtung elektrisch verbunden.

Mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit und wachsendem Staudruck wird mittels von dem Drucksensor ausgehender elektrischer Schalt- und Regelimpulse der Luftanteil im Gemisch - beispielsweise durch zunehmende öff-

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nung einer Drosselblende - kontinuierlich erhöht und den erforderlichen Leistungswerten angepaßt.

Beispiel 3

Die Neuerung ist als Drucksensor in die Hydraulikzuleitung einer mechanischen Presse in der Form angeordnet, daß die Hydraulikflüssigkeit die Membran unmittelbar druckbeaufschlagt. Sie ist weiter mit einer elektronischen Schalt- und Auswerteinheit - wie oben - elektrisch verbunden.

Beispiel 4

Als Drucksensor wird eine Ausführungsform nach den Kennzeichen und Merkmalen der Schutzansprüche verwendet, deren gesamtes Gehäuse als reversibel verformbare 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 Reaktionsablauf in Ihrem Innern zu messen und auf diese Weise bestimmte Verfahrensparameter, wie Heiz- oder Kühltemperaturen, regeln zu können.

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I)ICHTB

Claims

Dr. Wolfgang Ortlepp, Diplomchemiker, 1000 Berlin 20, DE AN 11 88 410 09. Januar 1992 Drucksensor zur druckabhängigen elektrischen oder elektronischen Schaltung und/ oder Regelung einer Vorrichtung Schutzansprüche

1. Drucksensor zur druckabhängigen elektrischen oder elektronischen Schaltung und/ oder Regelung einer Vorrichtung, deren Betriebsparameter durch elektrische Schalt- und/oder Regelsignale druckabhängig geschaltet oder geregelt werden, dadurch gekennzeichnet, daß

in einem Gehäuse (1), dessen Wandung wenigstens teilweise als durch Ober- und/ oder Unterdruck senkrecht zu ihrer Ruheebene reversibel bewegliche Federmembran (2) ausgebildet 1st und wenigsten zwei, durch sie hindurchgeführte elektrische Kontakte und/ oder Elektroden (3) hat, eine - mittels der Federmembran (2) - durch Druck reversibel verdichtbare dichte Packung (4) aus metallischem und/ oder metalloidem und/ oder nichtmetallischem, elektrisch leitendem Material in Pulverund/ oder Blatt- und/ oder Mikrokugelform enthalten ist, die mit den elektrischen Kontakten und/ oder Elektroden (3) elektrisch leitfähig verbunden ist.

2. Drucksensor nach den Anspruch l.dadurch gekennzeichnet, daß

die dichte Packung (4) aus Kohlenpulver-, Kohlengrieß und/ oder Kohlenmikrokugeln hergestellt ist.

3. Drucksensor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn zeichnet, daß

das Gehäuse (1) wenigstens teilweise als reversibel verformbare Kapsel hergestellt ist.

4. Drucksensor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß

die Wandung des Gehäuses (1) wenigstens teilweise mit einem Gewinde und/ oder Arretiervorrichtungen zur gas- und flüssigkeitsdichten Befestigung des Drucksensors in einer lochförmigen öffnung eines Bauteils hergestellt ist.

5. Drucksensor nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß

die Wandung des Gehäuses (1) wenigstens teilweise aus einem lot- oder schweißbaren Werkstoff hergestellt ist.

6. Drucksensor nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß

die dichte Packung (4) auswechselbar in dem Gehäuse (1) angeordnet ist.