Claims (5)
Die Erfindung bezieht sich auf einen Druckaufnehmer mit einem Gehäuse, mit wenigstens einem im Gehäuse eingebauten druckabhängigen
Sensorwiderstand und einer im Gehäuse angeordneten, mit dem wenigstens einen Sensorwiderstand gekoppelten Primärelektronik,
die ein Ausgangssignal in Abhängigkeit von einer Widerstandsänderung in wenigstens einem Sensorwiderstand erzeugt
und über zwei Zuleitungen mit einer Betriebsspannung versorgt wird.The invention relates to a pressure sensor with a housing, with at least one pressure-dependent sensor resistor built into the housing and a primary electronics unit arranged in the housing and coupled to the at least one sensor resistor, which generates an output signal depending on a change in resistance in at least one sensor resistor and is supplied with an operating voltage via two supply lines.
Druckaufnehmer der o.g. Art werden in großem Umfang in der Meß-, Steuer- und Regeltechnik verwendet. Es wurden Druckaufnehmer
für die unterschiedlichsten Einsatzbedingungen entwickelt, z.B. für unterschiedliche Druckbereiche, Umgebungstemperaturen
sowie für einen Einsatz in aggressiven Medien. Für den Einsatz im Bergbau gibt es auch Druckaufnehmer in schlagwettergeschützter
bzw. explosionsgeschützter Ausführung.Pressure sensors of the above type are used extensively in measurement, control and regulation technology. Pressure sensors have been developed for a wide range of operating conditions, e.g. for different pressure ranges, ambient temperatures, and for use in aggressive media. For use in mining, there are also pressure sensors in firedamp-proof or explosion-proof versions.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Druckaufnehmer der o.g. Art mit verbesserten Explosionsschutz-Eigenschaften zu schaffen.
The object of the invention is to create a pressure sensor of the above-mentioned type with improved explosion protection properties.
Bei einem Druckaufnehmer der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in eine der
Zuleitungen eine Schmelzsicherung eingebunden und im Gehäuse des Druckaufnehmers angeordnet ist, daß die Schmelzsicherung
vollständig von einer hermetisch isolierenden Umhüllung umgeben ist, aus der nur zwei Anschlußleitungen herausführen, und daß
in eine der Zuleitungen zumindest drei parallel geschaltete Gleichrichter so eingebunden sind, daß sie bei falscher Polung
der Betriebsspannung den Stromfluß sperren. Bei einer explosionsgeschützten Ausführung des Druckaufnehmers mit integrierter
Primärelektronik ist insbesondere bei der Spannungsversorgung darauf zu achten, daß die auftretenden Ströme und Spannungen
begrenzt werden, um Überhitzungen der Bauelemente oder Funkenbildungen
zu vermeiden. Dabei muß eine Sicherung das zuverlässige Abschalten der Stromversorgung bei einem zu hohen Strom
gewährleisten. Hierfür ist eine elektronische Sicherung nichtIn a pressure sensor of the type mentioned at the beginning, this object is achieved according to the invention in that a fuse is integrated into one of the supply lines and arranged in the housing of the pressure sensor, that the fuse is completely surrounded by a hermetically insulating casing from which only two connecting lines lead out, and that at least three parallel-connected rectifiers are integrated into one of the supply lines in such a way that they block the flow of current if the polarity of the operating voltage is incorrect. In an explosion-proof version of the pressure sensor with integrated primary electronics, care must be taken, particularly in the power supply, to ensure that the currents and voltages that occur are limited in order to avoid overheating of the components or sparking. A fuse must ensure that the power supply is reliably switched off if the current is too high. An electronic fuse is not sufficient for this.
geeignet, da sie nach dem Abschalten der Spannungsversorgung diese nach einiger Zeit wieder zuschaltet und/oder nach dem Abschalten
weiterhin einen geringen Stromfluß zuläßt. Eine Schmelzsicherung dagegen gestattet eine endgültige und sichere
Abtrennung der Stromversorgung, hat aber den Nachteil, daß ihr Schmelzdraht zum Glühen kommt und beim Unterbrechen Funken bzw.
Lichtbögen erzeugt werden können. Eine Einwirkung dieser Effekte auf die explosionsgefährdete Umgebung wird durch die erfindungsgemäße
hermetisch isolierende Umhüllung beseitigt. Die parallel geschalteten Gleichrichter sorgen für einen Schutz gegen
ein Verpolen der Betriebsspannung und die damit möglicherweise verbundenen thermischen Überlastungen einzelner Bauelemente.
Bei einer explosionsgeschützten Ausführung ist für einen solchen Verpolschutz eine zumindest dreifache Sicherheit für
eine Stromversorgung unter Aufrechterhaltung des Verpolschutzes bei einem möglichen Ausfall eines Gleichrichters erforderlich.suitable because after the power supply has been switched off, it switches it back on again after a while and/or allows a small amount of current to continue to flow after it has been switched off. A fuse, on the other hand, allows the power supply to be permanently and safely disconnected, but has the disadvantage that its fuse wire glows and sparks or arcs can be generated when it is interrupted. The hermetically insulating casing according to the invention eliminates the effect of these effects on the explosive environment. The parallel-connected rectifiers provide protection against reverse polarity of the operating voltage and the thermal overloads of individual components that may be associated with this. In an explosion-proof design, such reverse polarity protection requires at least three times the safety for a power supply while maintaining reverse polarity protection in the event of a rectifier failure.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet.Advantageous further developments of the invention are characterized in the subclaims.
Um jeglichen Stromfluß über das Gehäuse zu unterbinden, ist es vorteilhaft, daß zwischen dem Gehäuse und den leitfähigen
Komponenten der Primärelektronik und der Sensorwiderstände eine elektrische Isolation vorgesehen ist, die eine Spannungsfestigkeit
von ^ 500V aufweist. Sofern diese Isolation durch einen Abstand zwischen Gehäuse und Primärelektronik, d.h. durch einen
Luftspalt zwischen leitfähigen Komponenten der Primärelektronik und dem Gehäuse realisiert werden soll, ist ein Abstand von
mindestens 3mm erforderlich. Dies würde jedoch zu einer unnötig großen Ausführungsform des Gehäuses führen. Bei Verwendung
einer Vergußmasse, beispielsweise einem Epoxidharz, anstelle von Luft wird die gleiche Spannungsfestigkeit schon bei einem
wesentlich geringeren Abstand erreicht. Vorteilhafterweise wird bei dem Druckaufnehmer die Primärelektronik in eine elektrisch
isolierende Vergußmasse eingegossen, die die leitfähigen Komponenten der Primärelektronik vollständig umhüllt und dieIn order to prevent any current flow through the housing, it is advantageous that electrical insulation with a dielectric strength of ^ 500V is provided between the housing and the conductive components of the primary electronics and the sensor resistors. If this insulation is to be achieved by a distance between the housing and the primary electronics, i.e. by an air gap between conductive components of the primary electronics and the housing, a distance of at least 3mm is required. However, this would lead to an unnecessarily large housing design. If a casting compound, such as an epoxy resin, is used instead of air, the same dielectric strength is achieved with a much smaller distance. Advantageously, the primary electronics in the pressure sensor are cast in an electrically insulating casting compound that completely envelops the conductive components of the primary electronics and the
den Raum zwischen den leitfähigen Komponenten der Primärelektronik und dem Gehäuse ausfüllt. Dann ist ein
minimaler Abstand von lmm zwischen den leitfähigen Komponenten der Primärelektronik und der Gehäuseinnenwand ausreichend.fills the space between the conductive components of the primary electronics and the housing. Then a
minimum distance of lmm between the conductive components of the primary electronics and the inner wall of the housing is sufficient.
Eine zusätzliche Maßnahme zur Verbesserung des Explosionsschutzes ist die Einbindung eines Strombegrenzungswiderstandes
in Reihe am Ausgangsanschluß eines Druckaufnehmers, der als Ausgangssignal eine zum Druck proportionale Ausgangsspannung
liefert.An additional measure to improve explosion protection is the integration of a current limiting resistor
in series at the output connection of a pressure sensor, which provides an output voltage proportional to the pressure as an output signal.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der
Zeichnung zeigen:The invention is explained in more detail below using an embodiment shown in the drawing. In the
drawing:
Fig. 1 eine Blockdarstellung eines erfindungsgemäßen Druckaufnehmers;
undFig. 1 is a block diagram of a pressure sensor according to the invention;
and
Fig. 2 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der Primärelektronik
.Fig. 2 is a circuit diagram of an embodiment of the primary electronics.
Der Grundaufbau des erfindungsgemäßen Druckaufnehmers ist schematisch in Fig. 1 dargestellt. In einem metallischen Gehäuse
1 sind vier zu einer Brücke geschaltete Dehnmeßstreifen-Widerstände 2 angeordnet. Bei Druckänderung verformt sich ein
im Gehäuse 1 montierter mechanischer Verformungskörper und die auf ihn aufgebrachten Dehnmeßstreifen-Widerstände 2 werden gedehnt
bzw. gestaucht. Die durch die Dehnung bzw. Stauchung hervorgerufene Widerstandsänderung bedingt eine Ausgangsspannung
ua der durch eine Gleichspannung gespeisten Widerstandsbrücke.
Die Ausgangsspannung ua wird von einer Auswerteschaltung 3 verstärkt
und in ein zum Druck proportionales Ausgangssignal umgewandelt. Die Schaltung 3 sorgt dabei u.a. für einen Abgleich,
für eine Fehlerkompensation, beispielsweise der Temperaturfehler, und für eine Linearisierung. Über die Anschlüsse 4 und 5
wird die Auswerteschaltung 3 mit einer Gleichspannung versorgt. Am Anschluß 6 kann das Ausgangssignal in Form einer Ausgangsspannung
oder auch eines Ausgangsstroms abgegriffen werden. In Fig. 1 ist eine Konfiguration der Auswerteschaltung 3 darge-The basic structure of the pressure sensor according to the invention is shown schematically in Fig. 1. Four strain gauge resistors 2 connected to form a bridge are arranged in a metal housing 1. When the pressure changes, a mechanical deformation body mounted in the housing 1 deforms and the strain gauge resistors 2 applied to it are stretched or compressed. The change in resistance caused by the stretching or compression causes an output voltage u a of the resistance bridge fed by a direct voltage. The output voltage u a is amplified by an evaluation circuit 3 and converted into an output signal proportional to the pressure. The circuit 3 ensures, among other things, an adjustment, error compensation, for example the temperature error, and linearization. The evaluation circuit 3 is supplied with a direct voltage via the connections 4 and 5. The output signal can be tapped at connection 6 in the form of an output voltage or an output current. In Fig. 1 a configuration of the evaluation circuit 3 is shown.
stellt, die am Anschluß 6 eine Ausgangsspannung ua liefert. Um
den Druckaufnehmer extern an eine weitere Auswerteelektronik anschließen zu können, sind aus dem Gehäuse 1 die Anschlüsse 7
(für die Betriebsspannung UB), 8 (für die Ausgangsspannung ua)
und 9 (für die Masse) herausgeführt.which supplies an output voltage u a at terminal 6. In order to be able to connect the pressure sensor externally to another evaluation electronics, terminals 7 (for the operating voltage U B ), 8 (for the output voltage u a ) and 9 (for ground) are led out of the housing 1.
Um beispielsweise bei einem Defekt der Schaltung 3 oder der externen Spannungsversorgung eine lokale Überhitzung einzelner
Bauelemente im Gehäuse 1 des Druckaufnehmers zu vermeiden, ist eine Begrenzung des über die Spannungsversorgungsleitungen 7
und 9 fließenden Stromes durch eine zwischen dem herausgeführten Anschluß 7 und dem Anschluß 4 eingebundene Sicherung 10
vorgesehen. Um im Falle des Durchschmelzens der Sicherung 10 die Explosionsschutzanforderungen zu erfüllen, ist die Sicherung
10 vollständig in eine hermetisch isolierende Vergußmasse 11 eingebettet.In order to avoid local overheating of individual components in the housing 1 of the pressure sensor, for example in the event of a defect in the circuit 3 or the external power supply, the current flowing through the power supply lines 7 and 9 is limited by a fuse 10 integrated between the lead-out connection 7 and the connection 4. In order to meet the explosion protection requirements in the event of the fuse 10 melting, the fuse 10 is completely embedded in a hermetically insulating casting compound 11.
In die Versorgungsleitung der Betriebsspannung sind drei parallel geschaltete Dioden bzw. Gleichrichter 12, 13 und 14
eingebunden, die die Auswerteschaltung 3 bei unabsichtlichem Verpolen der Betriebsspannung bzw. bei einem Defekt der Spannungsversorgungseinrichtung
schützen. Die drei Dioden bzw. Gleichrichter 12, 13 und 14 sind im normalen Betrieb in Durchlaßrichtung
gepolt und begrenzen den Stromfluß bei einer Verpolung der Betriebsspannung Uß auf einen sehr geringen Sperrstrom.
Die Dioden bzw. Gleichrichter sind so dimensioniert (max. Durchlaßstrom, max. Sperrspannung), daß auch eine einzelne
Diode den Verpolschutz gewährleisten kann. Wird der Stromfluß in einem oder zwei der drei Gleichrichter infolge eines
Defekts unterbrochen, so übernehmen die verbleibenden Gleichrichter dessen Funktion allein.Three diodes or rectifiers 12, 13 and 14 connected in parallel are integrated into the supply line of the operating voltage. These protect the evaluation circuit 3 in the event of an accidental polarity reversal of the operating voltage or a defect in the voltage supply device. The three diodes or rectifiers 12, 13 and 14 are polarized in the forward direction during normal operation and limit the current flow to a very low reverse current in the event of a polarity reversal of the operating voltage Uß. The diodes or rectifiers are dimensioned in such a way (max. forward current, max. reverse voltage) that even a single diode can ensure polarity reversal protection. If the current flow in one or two of the three rectifiers is interrupted due to a defect, the remaining rectifiers take over its function alone.
Die Ausgangsspannung ua kann zwischen dem Anschluß 8 und
dem Anschluß 9 abgegriffen werden. Im normalen Betriebsfall fließt über den Anschluß 8 nur ein sehr geringer Ausgangsstrom,
da die die Ausgangsspannung aufnehmende externe Auswerteelektronik einen hohen Eingangswiderstand aufweist. Um eine zusatz-The output voltage u a can be tapped between terminal 8 and terminal 9. In normal operation, only a very low output current flows through terminal 8, since the external evaluation electronics that receive the output voltage have a high input resistance. In order to provide additional
liehe Sicherheit für einen Explosionsschutz zu bieten, weist
die Ausgangsleitung zwischen dem Anschluß 6 und dem externen Anschluß 8 einen Strombegrenzungswiderstand 15 von 100 kQ auf.
Im Falle eines Defekts des an die externen Anschlüsse 7, 8 und 9 angeschlossenen Geräts begrenzt dieser Widerstand von 100 kQ
den Stromfluß durch den Ausgangsanschluß 8.To provide the necessary safety for explosion protection,
the output line between terminal 6 and external terminal 8 has a current limiting resistor 15 of 100 kQ.
In the event of a defect in the device connected to external terminals 7, 8 and 9, this 100 kQ resistor
limits the current flow through output terminal 8.
Die leitfähigen Komponenten der im Gehäuse 1 eingeschlossenen Schaltungsanordnung sind zum Gehäuse 1 beabstandet angeordnet,
so daß zwischen Gehäuse und Schaltung eine Spannungsfestigkeit von &eacgr; 500V gewährleistet ist. Die gesamte Schaltung
ist in eine Vergußmasse (beispielsweise Epoxidharz) eingegossen, die die leitfähigen Komponenten der aus der
Schaltung 3 und den Bauelementen 10 bis 15 bestehenden Primärelektronik vollständig umhüllt und den Raum zwischen den
leitfähigen Komponenten der Primärelektronik und dem Gehäuse 1 ausfüllt. Die minimale Breite des von der Vergußmasse
ausgefüllten Raumes zwischen den leitfähigen Komponenten der Schaltung der Primärelektronik und dem Gehäuse 1 beträgt lmm.
Durch das vollständige Vergießen der gesamten Primärelektronik innerhalb des Gehäuses 1 werden außerdem Kriechströme über die
inneren Oberflächen der Komponenten unterbunden. Daneben bewirkt der Verguß eine Verbesserung der mechanischen
Stabilität des Druckaufnehmers.The conductive components of the circuit arrangement enclosed in the housing 1 are arranged at a distance from the housing 1, so that a dielectric strength of ≈ 500V is guaranteed between the housing and the circuit. The entire circuit is cast in a casting compound (for example epoxy resin) which completely envelops the conductive components of the primary electronics consisting of the circuit 3 and the components 10 to 15 and fills the space between the conductive components of the primary electronics and the housing 1. The minimum width of the space filled by the casting compound between the conductive components of the circuit of the primary electronics and the housing 1 is 1mm. By completely casting the entire primary electronics within the housing 1, leakage currents over the inner surfaces of the components are also prevented. In addition, the casting improves the mechanical stability of the pressure sensor.
In Fig. 2 ist der Stromlaufplan eines Ausführungsbeispiels der in das Gehäuse 1 eingebauten Schaltung 3 mit den vorgeschalteten
Bauelementen 10, 12 bis 15 dargestellt. An die vier auf der linken Seite der Zeichnung dargestellten Eingangsklemmen
wird die Dehnmeßstreifen-Widerstandsvollbrücke angeschlossen. Die an sich bekannte Auswerteschaltung weist u.a. eine
Differenzeingangsstufe, Schaltungselemente zum Nullabgleich,
zur Verstärkungseinstellung, zur Fehlerkompensation und zur Betriebsspannungsstabilisierung
sowie eine wahlweise als Ausgangsspannungsquelle bzw. Ausgangsstromquelle modifizierbare
Ausgangsverstärkungsstufe auf. Soll die Schaltung eine Aus-Fig. 2 shows the circuit diagram of an embodiment of the circuit 3 built into the housing 1 with the upstream components 10, 12 to 15. The strain gauge resistance full bridge is connected to the four input terminals shown on the left-hand side of the drawing. The evaluation circuit, which is known per se, has, among other things, a differential input stage, circuit elements for zero adjustment, for gain adjustment, for error compensation and for operating voltage stabilization, as well as an output gain stage that can be modified as an output voltage source or output current source. If the circuit is to have an output
gangsspannung liefern, so wird der Anschluß 6 mit dem Anschluß A verbunden und der bereits in Fig. 1 beschriebene Strombegrenzungswiderstand
15 eingesetzt. Soll die Schaltung am Anschluß 8 einen zum gemessenen Druck proportionalen Ausgangsstrom ia liefern,
so ist der Anschluß 6 mit den Anschlüssen B und D und intern der Anschluß A mit dem Anschluß C zu koppeln. In diesem
Fall muß der Widerstand 15 durch eine Drahtbrücke ersetzt werden. output voltage, terminal 6 is connected to terminal A and the current limiting resistor 15 already described in Fig. 1 is used. If the circuit at terminal 8 is to deliver an output current i a proportional to the measured pressure, terminal 6 is to be coupled to terminals B and D and internally terminal A is to be coupled to terminal C. In this case, resistor 15 must be replaced by a wire bridge.
AnsprücheExpectations
1. Druckaufnehmer mit einem Gehäuse (1), mit wenigstens einem
im Gehäuse (1) eingebauten druckabhängigen Sensorwiderstand (2) und einer im Gehäuse (1) angeordneten, mit dem wenigstens
einen Sensorwiderstand (2) gekoppelten Primärelektronik (3), die ein Ausgangssignal in Abhängigkeit von einer Widerstandsänderung
in wenigstens einem Sensorwiderstand (2) erzeugt und über zwei Zuleitungen (4, 7; 5, 9) mit einer Betriebsspannung
(Ug) versorgt wird,1. Pressure sensor with a housing (1), with at least one
pressure-dependent sensor resistor (2) built into the housing (1) and a primary electronics unit (3) arranged in the housing (1) and coupled to the at least one sensor resistor (2), which generates an output signal depending on a change in resistance
in at least one sensor resistor (2) and is supplied with an operating voltage
(Ug) via two supply lines (4, 7; 5, 9),
dadurch gekennzeichnet,characterized,
daß in eine der Zuleitungen (4, 7) eine Schmelzsicherung (10) eingebunden und im Gehäuse (1) des Druckaufnehmers angeordnet
ist,that a fuse (10) is integrated into one of the supply lines (4, 7) and arranged in the housing (1) of the pressure sensor,
daß die Schmelzsicherung (10) vollständig von einer hermetisch isolierenden Umhüllung (11) umgeben ist, aus der nur zwei
Anschlußleitungen herausführen, undthat the fuse (10) is completely surrounded by a hermetically insulating casing (11) from which only two
connecting lines lead out, and
daß in eine der Zuleitungen (4, 7) zumindest drei parallel geschaltete Gleichrichter (12 - 14) so eingebunden sind, daß
sie bei falscher Polung der Betriebsspannung (UB) den Stromfluß
sperren.that at least three parallel-connected rectifiers (12 - 14) are integrated into one of the supply lines (4, 7) in such a way that they block the flow of current in the event of incorrect polarity of the operating voltage (U B ).
2. Druckaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Gehäuse (1) und den leitfähigen Komponenten
der Primärelektronik (3, 10, 12 - 15) und der Sensorwiderstände (2) eine elektrische Isolation vorgesehen ist, die eine Spannungsfestigkeit
von ^ 500V hat.2. Pressure sensor according to claim 1, characterized in that an electrical insulation is provided between the housing (1) and the conductive components
of the primary electronics (3, 10, 12 - 15) and the sensor resistors (2), which has a dielectric strength
of ^ 500V.
3. Druckaufnehmer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärelektronik (3, 10, 12 - 15) in eine elektrisch
isolierende Vergußmasse eingegossen ist, die die leitfähigen Komponenten der Primärelektronik vollständig einschließt und
den Raum zwischen den leitfähigen Komponenten der Primärelektronik und dem Gehäuse (1) ausfüllt.3. Pressure sensor according to claim 2, characterized in that the primary electronics (3, 10, 12 - 15) is cast in an electrically insulating casting compound which completely encloses the conductive components of the primary electronics and fills the space between the conductive components of the primary electronics and the housing (1).
4. Druckaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal der Primärelektronik
eine zum Druck proportionale Ausgangsspannung ist, die zwischen einem Ausgangsanschluß (6) und einer der beiden Zuleitungen (9)
der Betriebsspannung abgreifbar ist, und daß am Ausgangsanschluß (6) ein Widerstand (15) in Reihe geschaltet ist, der den
durch den Ausgangsanschluß (6) fließenden Strom begrenzt.4. Pressure sensor according to one of claims 1 to 3, characterized in that the output signal of the primary electronics
an output voltage proportional to the pressure, which can be tapped between an output terminal (6) and one of the two supply lines (9) of the operating voltage, and that a resistor (15) is connected in series to the output terminal (6), which limits the current flowing through the output terminal (6).
5. Druckaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal der Primärelektronik ein
zum Druck proportionaler Ausgangsstrom ist.5. Pressure sensor according to one of claims 1 to 3, characterized in that the output signal of the primary electronics is an output current proportional to the pressure.