WO2010054958A1

WO2010054958A1 - Druckmessgerät

Info

Publication number: WO2010054958A1
Application number: PCT/EP2009/064541
Authority: WO
Inventors: Mirko Di Marco; Arno Klug
Original assignee: Wika Alexander Wiegand Gmbh & Co. Kg
Priority date: 2008-11-11
Filing date: 2009-11-03
Publication date: 2010-05-20
Also published as: DE102008043649A1

Abstract

Ein erfindungsgemäßer Druckwandler (1) umfasst ein Gehäuse (2), eine in dem Gehäuse (2) angeordnete Rohrfeder (3), deren eines Ende (31) an dem Gehäuse (2) festgelegt ist, einen magnetischen Drehgeber (5), der an dem anderen Ende (32) der Rohrfeder (3) drehfest angebracht ist, und einen Drehaufnehmer (61), der in dem Gehäuse (2) dem Drehgeber (5) gegenüberliegend angebracht ist und eine sich durch den drehenden Anteil der druckbedingten Verformung der Rohrfeder (3) ändernde Drehlage des Drehgebers (5) anhand der Ausrichtung des Magnetfelds des Drehgebers (5) erfasst.

Description

DRUCKMESSGERAT

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Druckwandler gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Druckwandler werden für verschiedene Anwendungen in der Technik eingesetzt, beispielsweise zur Druckmessung von Gastanks in Kraftfahrzeugen oder von Drucklufttanks für Druckluftkompressoren. Dabei sind Druckwandler mit einer Rohrfeder, d.h. einem Bourdonrohr in der Herstellung meist preiswerter als Druckwandler mit einem elektronischen Drucksensor. Des Weiteren sind Druckwandler mit und ohne optische Anzeigeeinrichtung bekannt. Druckwandler mit Rohrfedersystem haben in der Regel eine Anzeigeeinrichtung, z. B. ein Zeiger, ein Zeigerwerk und ein Ziffernblatt oder einen Schreiber.

In der US 5 121 637 ist ein Druckwandler mit einem Bourdonrohr als Drucksensor gezeigt. Ein Ende des Bourdonrohrs steht in Wirkverbindung mit einem Zeigerwerk. Das Zeigerwerk betätigt einen Zeiger, so dass mittels des Zeigers und einem Ziffernblatt der Druck angezeigt werden kann .

Die DE 36 10 946 Al zeigt einen Druckwandler mit einem Drucksensor, bei dem ein Ende eines Bourdonrohrs an einer Grundplatte befestigt ist und mit einem Druckanschlussloch in Verbindung steht. Ein freies Ende des Bourdonrohrs ist mit einem Befestigungsflansch verbunden, der ein Bauteil mit zwei Behältern mit Gewindelöchern trägt. Die Gewindelöcher nehmen Permanentmagneten auf. In Verlängerung der Permanentmagneten sind Halleffekt-Elemente angeordnet, die beispielsweise auf einer gedruckten Schaltung angeordnet sind. Das freie Ende des Bourdonrohrs bewegt sich bei einer Druckänderung in dem Bourdonrohr, so dass sich die Abstände zwischen den Permanentmagneten und den Halleffekt-Elementen ändern. Die Halleffekt-Elemente sind in einem großen Abstand zu einer Wickelachse des Bourdonrohrs angeordnet, so dass der Drucksensor große Abmessungen aufweist.

Aus der EP 1 850 096 Al ist ein weiterer Druckwandler mit einem Drucksensor bekannt. Eine Rohrfeder als Teil eines mechanischen Druckmesssystems bewegt einen Zeiger zur optischen Anzeige des Druckes. An dem Zeiger ist ein Permanentmagnet angeordnet, dessen Drehwinkel mit einem als Hallsensor eingerichteten Drehwinkelsensor erfasst wird. Der Drehwinkel des Zeigers einer analogen Anzeige wird berührungslos erfasst und in ein proportionales elektrisches Ausgangssignal umgewandelt.

Anders als es mit den vorhergehend beschriebenen Druckwandlern erzielt werden kann, besteht bei vielen Anwendungen auf dem Gebiet der Druckmessung ein Bedarf an Druckwandlern, die nicht mit einer optischen Anzeigeeinrichtung versehen sind und einen kleinen, kompakten Aufbau aufweisen. Hierbei kann es von Vorteil sein, den erfassten Druck ausschließlich mittels eines elektrischen Messsignals auszugeben.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, einen Druckwandler zur Verfügung zu stellen, der einen kompakten Aufbau aufweist, in der Herstellung preiswert ist und eine einfache und zuverlässige Handhabung ermöglicht . Diese Aufgabe wird mit einem Druckwandler mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Genauer gesagt hat ein erfindungsgemäßer Druckwandler ein Gehäuse, eine in dem Gehäuse angeordneten Rohrfeder, deren eines Ende an dem Gehäuse festgelegt ist, einen magnetischen Drehgeber, der an dem anderen Ende der Rohrfeder drehfest angebracht ist, sowie einen Drehaufnehmer, der in dem Gehäuse dem Drehgeber gegenüberliegend angebracht ist und eine sich durch den drehenden Anteil der druckbedingten Verformung der Rohrfeder ändernde Drehlage des Drehgebers anhand der Ausrichtung des Magnetfelds des Drehgebers erfasst.

Das bedeutet, dass der Drehaufnehmer über den an der Rohrfeder angebrachten Drehgeber nur eine Drehung der sich durch eine Druckänderung verformenden Rohrfeder erfasst, da sich der Drehaufnehmer in einem vorbestimmten Abstand zum Drehgeber befindet und damit mit diesem nicht in direkter Verbindung steht. Der Drehaufnehmer gibt anschließend die erfasste Drehung in einem der Druckänderung entsprechendes Messsignal aus. Eine bei der Aufdehnung der Rohrfeder auftretende geringe translatorische Bewegung des Drehgebers wird durch diese spezielle Anordnung von Drehgeber und Drehaufnehmer vorteilhafterweise nicht erfasst.

Bei dem oben genannten Aufbau kann der Drehgeber an dem geschlossenen Ende der Rohrfeder vorgesehen sein, wobei der Drehaufnehmer vorzugsweise ein Hall-Sensor ist, der in der Lage ist, eine durch die Drehung des Drehgebers verursachte Änderung der magnetischen Flussdichte des Drehgebers zu erfassen. Alternativ kann der Drehaufnehmer ein induktiver Sensor, ein Wirbelstromsensor oder ein AMR-Sensor sein. Der Drehaufnehmer weist darüber hinaus vorzugsweise eine integrierte Schaltung auf, die die erfasste Drehung des Drehgebers in ein Messsignal ausgibt. Dieses vom Drehaufnehmer ausgegebene Signal ist weiter vorzugsweise ein elektrisches Signal. Sofern der erfasste Druck ausschließlich mittels eines elektrischen Messsignals ausgegeben wird, weist der Druckwandler beispielsweise keine digitale oder analoge Anzeigeeinrichtung Druck oder keinen Schreiber auf. Weiterhin denkbar ist, dass das Messsignal mittels wenigstens einer elektrischen Leitung aus dem Druckwandler geleitet wird, wobei das Gehäuse als Masseanschluss verwendet werden kann.

Alternativ dazu ist es zudem denkbar, dass Messsignal als Funksignal durch eine entsprechende Funkvorrichtung bereitzustellen, die mit dem Drehaufnehmer und dessen integrierter Schaltung verbunden ist. Dadurch kann eine kontaktfreie Messsignalübertragung realisiert werden. Darüber hinaus wird das Messsignal vorzugsweise mittels einer Pulsweitenmodulation als analoge Spannung oder mittels einer Spannungs-/Stromwandlung als 4 bis 20 mA- Signal zur Verfügung gestellt.

Bei dem vorhergehend beschriebenen Druckwandler kann der Drehaufnehmer vollständig oder nur teilweise innerhalb eines gedachten Zylinders angeordnet sein, dessen Längsachse mit der Drehachse der Rohrfeder zusammenfällt, wobei der Radius des Zylinders weniger als der doppelte maximale Abstand zwischen der Drehachse der Rohrfeder und einem äußeren Rand der Rohrfeder ist. Die Drehachse der Rohrfeder ist dabei vorzugsweise die Wickelachse der Rohrfeder, wenn die Rohrfeder schraubenförmig oder als eine in einer Ebene angeordnete Spirale ausgebildet ist. Es ist darüber hinaus denkbar, dass die Drehachse der Rohrfeder nicht, wie bisher angenommen, mit der Gehäuselängsachse übereinstimmt, sondern in einem beliebigen Winkel zu der Gehäuselängsachse ausgerichtet ist. Eine Abweichung zu der Gehäuselängsachse sollte in diesem Fall weniger als 30° betragen . Als Alternative zu den vorhergehend genannten Rohrfederformen ist es auch denkbar, eine gekrümmte Rohrfeder mit einer Wicklung von weniger als 360°, z. B. eine C-förmige Rohrfeder zu verwenden, bei der die Drehachse der Rohrfeder eine Achse ist, die durch den Schwerpunkt der Rohrfeder geht.

In einer weiteren denkbaren Ausgestaltung ist der Drehaufnehmer vollständig innerhalb des vorhergehend erwähnten gedachten Zylinders angeordnet. Die Rohrfeder kann ebenfalls innerhalb des gedachten Zylinders angeordnet sein. Das Volumen des gedachten Zylinders beträgt vorzugsweise maximal 1,5 cm³.

Durch einen derartigen, oben beschriebenen Aufbau kann ein Druckwandler erzielt werden, der eine äußerst kompakte Bauweise aufweist. Erwünschte Raumersparnisse beim Einsatz von Druckwandlern können daher auf diese Weise erreicht werden .

Das Gehäuse hat außerdem einen Druckanschluss zum Anschließen des Druckwandlers an einen zu messenden Prozess, wobei die Rohrfeder vorzugsweise in dem Druckanschluss druckdicht angebracht ist. Die Rohrfeder kann dabei z.B. in dem Druckanschluss festgelötet, eingeschweißt oder eingeklebt sein. Vorzugsweise sind der Druckanschluss, die Rohrfeder und der Drehaufnehmer in dem Gehäuse in einer Reihe entlang der Gehäuselängsachse angeordnet, um eine erwünschte kompakte Bauweise zu ermöglichen. Die maximale Ausdehnung des Gehäuses in axialer Richtung des Gehäuses ist dabei vorzugsweise größer oder gleich wie in radialer Richtung des Gehäuses. Um unerwünschte druckänderungsbedingte Schwingungen der Rohrfeder zu vermeiden bzw. zu dämpfen, kann ein Fluid in dem Gehäuse vorgesehen sein. Das Fluid ist vorzugsweise Öl, kann aber auch ein anderes inkompressibles Fluid sein.

Vorzugsweise hat das Gehäuse an dessen Außenseite einen Werkzeugangriff, der eine Vierkant- oder eine Sechskant- Form haben kann, um eine Handhabung des Druckwandlers mittels eines entsprechenden Werkzeugs zu ermöglichen.

Der Druckwandler kann darüber hinaus zusätzlich eine analoge Anzeigeeinheit aufweisen, die an dem Gehäuse vorgesehen ist, so dass ein zu messender Druck auch stromlos analog ablesbar ist. Die Anzeigeeinheit besteht dabei vorzugsweise aus einem Zeiger, der an der Rohrfeder vorgesehen ist, einem Fenster und einer Skala, die an dem Gehäuse vorgesehen ist.

Der Drehgeber des Druckwandlers ist vorzugsweise ein Permanentmagnet, wobei es aber auch denkbar ist, dass der Drehgeber jede andere Art von Element ist, dass ein Magnetfeld erzeugt.

Vorzugsweise ist das Gehäuse mit einem Stopfen oder einem Vergussmaterial fluiddicht verschlossen, so dass keine schädigenden Stoffe in das Gehäuse eindringen können. Das Gehäuse ist des Weiteren vorzugsweise einstückig und aus Metall ausgeführt, insbesondere aus Messing oder einer Messinglegierung .

Im nachfolgenden Teil ist ein erfindungsgemäßer Druckwandler unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt: Fig. 1 einen Längsschnitt eines ersten

Ausführungsbeispiels eines Druckwandlers gemäß der Erfindung;

Fig. 2 einen Querschnitt entlang einer Linie A-A des in Fig. 1 gezeigten Druckwandlers;

Fig. 3 eine Explosionsdarstellung des ersten

Ausführungsbeispiels des Druckwandlers gemäß der Erfindung; und

Fig. 4 eine Explosionsdarstellung eines zweiten

Ausführungsbeispiels eines Druckwandlers gemäß der Erfindung.

In Fig. 1 ist ein Längsschnitt eines ersten

Ausführungsbeispiels eines Druckwandlers 1 dargestellt, der beispielsweise zur Druckmessung von Drucklufttanks bei Druckluftkompressoren dient. Der Druckwandler 1 hat ein einstückiges Gehäuse 2, das aus Messing besteht und das symmetrisch zu einer Gehäuselängsachse ausgebildet ist. Das Gehäuse 2 weist eine durchgehende, abgestufte Aussparung 23 auf .

In der Aussparung 23 ist eine Rohrfeder 3 angeordnet, die sich schraubenförmig um ihre Wickelachse 3a windet. In dem ersten Ausführungsbeispiel ist die Wickelachse 3a die Drehachse 3a der Rohrfeder. In einer nicht dargestellten Alternativausführung kann die Rohrfeder 3 auch als eine in einer Ebene angeordnet Spiralförmige Rohrfeder ausgebildet sein. Ein offenes Ende 31 der Rohrfeder 3 ist in einem Druckanschluss 22 des Gehäuses 2 druckdicht angebracht. Das andere, geschlossene Ende 32 der Rohrfeder 3 ist mit einer Drehscheibe 4 verbunden, an der ein als Permanentmagnet ausgebildeter Drehgeber 5 angeordnet ist. Die Drehscheibe 4 ist direkt mit dem geschlossenen Ende 32 der Rohrfeder 3 verbunden. Ein unterer Abschnitt des Gehäuses 2 ist mit einem Außengewinde 21 versehen, so dass das Gehäuse 2 beispielsweise in eine Gewindebohrung eines Drucklufttanks (nicht dargestellt) eingeschraubt werden kann. Dadurch kann die Druckluft durch den Druckanschluss 22 in den Innenraum der Rohrfeder 3 einströmen. Eine Druckänderung in dem Innenraum der Rohrfeder 3 bewirkt eine Rotationsbewegung der Rohrfeder 3 und damit der Drehscheibe 4, so dass sich die Stellung des Permanentmagneten 5 bezüglich eines Hall- Sensors 61 als Teil eines Drehaufnehmers verändert.

Im Bereich des oberen Endes des Gehäuses ist in der Aussparung 23 eine Leiterplatte 6 angeordnet, an der eine integrierte Schaltung aufgebracht ist und an der der Hall- Sensor 61 angeschlossen ist, die zusammen als der Drehaufnehmer wirken. Der Hall-Sensor 61 erfasst eine Stellung des Permanentmagneten 5. Mit Hilfe der integrierten Schaltung wird die von dem Hall-Sensor 61 erfasste Stellung des Permanentmagneten 5 in ein elektrisches Messsignal umgewandelt, das von Signalleitungen an Anschlüsse weitergeleitet wird. Das obere Ende des Gehäuses 2 ist durch einen scheibenförmigen Stopfen 7 fluiddicht verschlossen. Wie es in Figuren 2 bis 4 zu sehen ist, wird der Stopfen 7 von drei Anschlüssen 62 durchdrungen, die beispielsweise als eine elektrische Steckverbindung für die Signalleitungen und/oder als ein Einstellorgan für ein Nullsignal dienen.

Eine Druckänderung wird somit von der Rohrfeder 3 in eine Drehbewegung der Drehscheibe 4 umgewandelt. Das kann unter anderem bedeuten, dass einem bestimmten Druck eine bestimmte Stellung der Drehscheibe 4 zugeordnet ist. Die Stellung des Magneten 5 wird von dem Drehaufnehmer 6 berührungslos erfasst und in ein proportionales elektrisches Messsignal umgewandelt. Beispielsweise entspricht ein elektrischer Strom von 4mA einem Druck von Obar und ein elektrischer Strom von 2OmA entspricht einem Druck von lObar, wobei dazwischen liegende Druckwerte linear interpoliert werden. Der Druckwandler kann somit Druckwerte zwischen 0 und lObar messen und diese als Messsignal elektrisch bereitstellen. Wenn elektrische Messsignale weniger als 4mA oder mehr als 2OmA betragen, liegt ein Fehler an dem Druckwandler 1 vor, der von einer externen Verarbeitungseinheit erkannt und angezeigt werden kann .

Der Drehaufnehmer 61 ist in diesem Ausführungsbeispiel vollständig innerhalb eines gedachten Zylinders 8 (in Fig. 1 durch Strichlinien dargestellt) angeordnet, dessen Längsachse der Gehäuselängsachse bzw. der Drehachse 3a der Rohrfeder 3 entspricht und dessen Radius dem maximalen Abstand von einem äußeren Rand 33 der Rohrfeder 3 zu der der Drehachse 3a der Rohrfeder 3 entspricht. Der Radius beträgt in diesem Ausführungsbeispiel ungefähr 4mm. Ein Durchmesser D2 des gedachten Zylinders 8 entspricht damit ungefähr 8 mm.

Der Druckwandler 1 bzw. das Gehäuse 2 kann durch den vorhergehend beschriebenen Aufbau kompakt mit einer einfachen geometrischen Anordnung mit geringen Außenabmessungen ausgebildet werden, was die

Herstellungskosten senkt. Ein oberer Abschnitt des Gehäuses 2 ist außenseitig im Querschnitt als Sechseck ausgebildet, wie es in Figuren 2 und 3 zu sehen ist, so dass an diesem Abschnitt mittels eines Gabelschlüssels mit der Schlüsselweite SW von z.B. 14mm das Gehäuse 2 in eine Rotationsbewegung um die Gehäuselängsachse versetzt werden kann, um das Gehäuse 2 mit dem Außengewinde 21 in ein Innengewinde, z. B. an einem Drucklufttankanschluss, einzuschrauben. Die geringen Abmessungen des Gehäuses 2 aus Messing führen in vorteilhafter Weise dazu, dass für die Herstellung des Gehäuses wenig Messing benötigt wird und auch dadurch die Herstellungskosten gering gehalten werden können .

Figur 4 zeigt einen Druckwandler 1, bei dem zusätzlich an der Drehscheibe 4 ein Zeiger 41 angebracht ist, welcher durch ein Fenster 24 den an der Rohrfeder 3 anliegenden Druck zudem stromlos auf analoge Weise an einer an dem Gehäuse 2 vorgesehenen Skala 25 anzeigt.

Insgesamt betrachtet sind mit dem Druckwandler 1 wesentliche Verbesserungen möglich. Der Druckwandler 1 ist u.a. in der Herstellung preiswert und weist aufgrund des kompakten Aufbaues geringe Außenabmessungen auf, so dass dieser für viele Anwendungen gut eingesetzt werden kann.

Claims

PATENTANSPRUCHE

1. Druckwandler (1) mit: einem Gehäuse (2); einer in dem Gehäuse (2) angeordneten Rohrfeder (3), deren eines Ende (31) an dem Gehäuse (2) festgelegt ist; einem magnetischen Drehgeber (5) , der an dem anderen Ende (32) der Rohrfeder (3) drehfest angebracht ist; und einem Drehaufnehmer (61), der in dem Gehäuse (2) dem Drehgeber (5) gegenüberliegend angebracht ist und eine sich durch den drehenden Anteil der druckbedingten Verformung der Rohrfeder (3) ändernde Drehlage des Drehgebers (5) anhand der Ausrichtung des Magnetfelds des Drehgebers (5) erfasst .

2. Druckwandler (1) nach Anspruch 1, wobei der Drehgeber (5) an dem geschlossenen Ende (32) der Rohrfeder (3) vorgesehen ist.

3. Druckwandler (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Drehaufnehmer (61) nur einen drehenden Anteil der Bewegung des Drehgebers (5) erfasst, während ein translatorischer Anteil der Bewegung des Drehgebers (5) unberücksichtigt bleibt.

4. Druckwandler (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Drehaufnehmer (61) ein Hall-Sensor ist, der in der Lage ist, eine durch die Drehung des Drehgebers (5) verursachte Änderung der magnetischen Flussdichte des Drehgebers (5) zu erfassen.

5. Druckwandler (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Drehaufnehmer (61) eine integrierte Schaltung aufweist .

6. Druckwandler (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das vom Drehaufnehmer (61) ausgegebene Signal ein elektrisches Signal ist.

7. Druckwandler (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Drehaufnehmer (61) vollständig innerhalb eines gedachten Zylinders (8) angeordnet ist, dessen Längsachse mit der Drehachse (3a) der Rohrfeder (3) zusammenfällt und der Radius des gedachten Zylinders (8) weniger als der doppelte maximale Abstand zwischen der Drehachse (3a) der Rohrfeder (3) und einem äußeren Rand (33) der Rohrfeder (3) ist.

8. Druckwandler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Drehaufnehmer (61) wenigstens teilweise innerhalb eines gedachten Zylinders (8) angeordnet ist, dessen Längsachse mit der Drehachse (3a) der Rohrfeder (3) zusammenfällt und der Radius des gedachten Zylinders (8) weniger als der doppelte maximale Abstand zwischen der Drehachse (3a) der Rohrfeder (3) und einem äußeren Rand (33) der Rohrfeder (3) ist.

9. Druckwandler (1) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei die Drehachse (3a) der Rohrfeder (3) die Wickelachse der Rohrfeder (3) ist.

10. Druckwandler (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Rohrfeder (3) innerhalb des gedachten Zylinders

(8) angeordnet ist.

11. Druckwandler (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei das Volumen des gedachten Zylinders (8) maximal 1,5 cm³ beträgt.

12. Druckwandler (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (2) einen Druckanschluss (22) zum Anschließen des Druckwandlers (1) an einen zu messenden Prozess aufweist und wobei die Rohrfeder (3) in dem Druckanschluss (22) druckdicht angebracht ist.

13. Druckwandler nach Anspruch 12, wobei der Druckanschluss (22), die Rohrfeder (3) und der Drehaufnehmer (61) in dem

Gehäuse (2) in einer Reihe entlang der Gehäuselängsachse angeordnet sind.

14. Druckwandler (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die maximale Ausdehnung des Gehäuses (2) in axialer Richtung des Gehäuses (2) größer oder gleich wie in radialer Richtung des Gehäuses (2) ist.

15. Druckwandler (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Rohrfeder (3) eine Spiralform oder eine Schraubenform aufweist.

16. Druckwandler (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Fluid in dem Gehäuse (2) vorgesehen ist, um druckänderungsbedingte Schwingungen der Rohrfeder (3) zu dämpfen.

17. Druckwandler (1) nach Anspruch 16, wobei das Fluid ein Öl ist.

18. Druckwandler (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (2) an dessen Außenseite einen Werkzeugangriff (SW) aufweist.

19. Druckwandler (1) nach Anspruch 18, wobei der Werkzeugangriff (SW) durch eine an der Gehäuseaußenseite vorgesehene Vierkant-Form oder Sechskant-Form gegeben ist.

20. Druckwandler (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Druckwandler (1) zusätzlich eine analoge Anzeigeeinheit (41, 24, 25) aufweist.

21. Druckwandler (1) nach Anspruch 20, wobei die Anzeigeeinheit (41, 24, 25) aus einem Zeiger (41), der an der Rohrfeder (3) angebracht ist, einem Fenster (24) und einer an dem Gehäuse (2) vorgesehenen Skala (25) besteht.

22. Druckwandler (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Drehgeber (5) ein Permanentmagnet ist