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Stand der Technik
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In verschiedenen Bereichen der Technik müssen eine oder mehrere Eigenschaften fluider Medien erfasst werden. Hierbei kann es sich grundsätzlich um beliebige physikalische und/oder chemische Eigenschaften der fluiden Medien, also der Gase und/oder Flüssigkeiten, handeln, wie beispielsweise Temperatur, Druck, Strömungseigenschaften oder Ähnliches.
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Ein wichtiges Beispiel, auf welches die vorliegende Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, ist die Erfassung eines Drucks des fluiden Mediums. Die Messgröße Druck ist eine in Gasen und Flüssigkeiten auftretende, allseitig wirkende, nicht gerichtete Kraftwirkung. Zur Messung der Drücke gibt es dynamisch und statisch wirkende Messwertaufnehmer bzw. Sensoren. Dynamisch wirkende Drucksensoren dienen nur zur Messung von Druckschwingungen in gasförmigen oder flüssigen Medien. Die Druckmessung kann direkt, über Membranverformungen oder über einen Kraftsensor erfolgen.
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Insbesondere zur Messung sehr hoher Drücke wäre es ausreichend, einfach einen elektrischen Widerstand dem Medium auszusetzen, denn alle bekannten Widerstände zeigen mehr oder weniger ausgeprägt eine Druckabhängigkeit. Dabei gestaltet sich jedoch die Unterdrückung der gleichzeitigen Abhängigkeit der Widerstände von der Temperatur und die druckdichte Durchführung ihrer elektrischen Anschlüsse aus dem Druckmedium heraus schwierig.
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Die am weitesten verbreitete Methode der Druckerfassung verwendet daher zur Signalgewinnung zunächst eine dünne Membran als mechanische Zwischenstufe, die einseitig dem Druck ausgesetzt ist und sich unter dessen Einfluss mehr oder weniger durchbiegt. Sie kann in weiten Grenzen nach Dicke und Durchmesser dem jeweiligen Druckbereich angepasst werden. Niedrige Druckmessbereiche führen zu vergleichsweise großen Membranen mit Durchbiegungen, die im Bereich von 0,1 bis 1 mm liegen können. Hohe Drücke erfordern jedoch dickere Membranen geringen Durchmessers, die sich meist nur wenige Mikrometer durchbiegen. Derartige Drucksensoren sind beispielsweise in Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage, 2010, S. 80–82 und S. 134–136 beschrieben.
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Ein wichtiges Anwendungsbeispiel, auf welches die vorliegende Erfindung jedoch ebenfalls nicht beschränkt ist, sind so genannte Raildrucksensoren, welche im Verteilerrohr (Rail) von Hochdruckspeichereinspritzsystemen (Common-Rail-Systemen) den Kraftstoffdruck messen. Hierzu werden Raildrucksensoren in der Regel axial oder radial in das Verteilerrohr eingeschraubt. Hierbei kann jedoch die Problematik auftreten, dass beim Einschrauben, welches aufgrund der hohen abzudichtenden Drücke in der Regel mit einem hohen Anzugsmoment erfolgen muss, der gesamte Druckstutzen des Sensors, ausgehend von den Gewindeflanken, verspannt und verformt wird. Verformungen, welche im Bereich einer Messbrücke des Sensors auftreten, können sich jedoch auf das Sensorsignal negativ auswirken und dort beispielsweise einen Offset verursachen oder die Genauigkeit beeinflussen.
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Hochdrucksensoren bestehen üblicherweise aus einem Druckstutzen, dem Gehäuseunterteil mit Schlüsselflächen zum Einschrauben, einer Leiterplatte mit der Auswerteschaltung und einem Steckergehäuse. Der Einschraubstutzen besteht aus einem Sensorelement mit Messbrücke, das auf ein Gewindestück aufgeschweißt ist. Das Sensorelement wird beispielsweise aufgeschweißt. Das Sensorelement besteht aus einem Metallsubstrat auf dessen Oberfläche eine Messbrücke aufgebracht ist. Bei Hochdrucksensoren wird diese Messbrücke beispielsweise in Metalldünnschichttechnik ausgeführt, andere Sensoren verwenden hierzu jedoch Siliziummessbrücken. Das Metallsubstrat des Sensorelements ist entweder als Drehteil ausgeführt oder als laservereinzeltes Blechsubstrat, das an der Schweißkontur für die Membran zerspanend bearbeitet wird.
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Trotz der zahlreichen Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Drucksensoren beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial. So sind beispielsweise aufgrund der spanenden Formgebung der Sensorelementmembran Sensornenndrücke unterhalb von 140 bar nicht darstellbar. Gleichzeitig verhindert die durch die Schweißnaht in den Druckkanal eingebrachte Kerbe, dass große Systemdrücke möglich sind. Für Common-Rail-Systemdrücke oberhalb von 2000 bar wird daher der Druckkanal aktuell spanend nachbearbeitet bzw. geglättet. Dadurch ist die Herstellung aufwändig und somit vergleichsweise teuer.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird daher ein Sensor zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums vorgeschlagen, welcher die Nachteile bekannter Sensoren zumindest weitgehend vermeidet und bei dem sich insbesondere die Herstellungskosten für das Sensorelement senken lassen und der eine gemeinsame Sensorelementtechnik für mittlere Drücke, d. h. Drücke ab ungefähr 5 bar, bis zu Höchstdrücken oberhalb von 3000 bar realisieren lässt.
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Ein erfindungsgemäßer Sensor zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums, insbesondere eines Drucks, umfasst einen Sensorkörper, wobei der Sensorkörper zum Einbringen in eine Wand eines Messraums eingerichtet ist, und ein Sensorelement zur Erfassung der Eigenschaft. In dem Sensorkörper ist mindestens ein Zuführkanal zum Zuführen des fluiden Mediums zu dem Sensorelement ausgebildet. Das Sensorelement ist als Blechmembran ausgebildet.
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Das Sensorelement kann mit dem Sensorkörper stoffschlüssig verbunden sein. Das Sensorelement kann mit dem Sensorkörper beispielsweise verschweißt sein. Das Sensorelement kann den Zuführkanal abschließen. Auf dem Sensorelement kann eine Messbrücke angeordnet sein. Ein Druckaufnehmer kann den Zuführkanal abschließen. Das Sensorelement kann auf dem Druckaufnehmer angeordnet sein. Das Sensorelement kann auf einer dem Zuführkanal abgewandten Seite des Druckaufnehmers angeordnet sein. Das Sensorelement kann mit dem Druckaufnehmer stoffschlüssig verbunden sein. Das Sensorelement kann auf den Druckaufnehmer geklebt, geglast oder geschweißt sein. Der Sensor kann insbesondere als Raildrucksensor ausgebildet sein. Zur Vermeidung von Spannungen, insbesondere thermischen Spannungen, ist es bevorzugt, wenn die Materialien des Sensorelements bzw. der Blechmembran und des Sensorkörpers oder des Druckaufnehmers Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, die sich nicht oder nur unwesentlich unterscheiden.
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Unter einem Blech ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein flaches Walzwerkfertigprodukt, das aus Metall hergestellt ist, zu verstehen. Dieses Blech kann dünn ausgebildet werden, d. h. mit einer Dicke kleiner 60 µm. Ein solches dünnes Blech kann auch als Folie bezeichnet werden.
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Unter einer Membran ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine dünne Schicht eines Materials zu verstehen. Membranen haben die Eigenschaft, sich unter einer Belastung zu verformen, insbesondere zu verbiegen, nur Zugkräfte aufzunehmen und an ihre Ränder weitergeben zu können.
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Der Ausdruck Blechmembran, so wie er im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ist daher als dünne Schicht eines Metalls zu verstehen, die die oben genannten Eigenschaften einer Membran aufweist.
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Unter einer Schicht ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine einheitliche Masse in flächenhafter Ausdehnung einer gewissen Höhe zu verstehen, die über, unter oder zwischen anderen Elementen liegt.
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Unter einer stoffschlüssige Verbindung ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung jede Verbindung zu verstehen, bei der die Verbindungspartner durch atomare oder molekulare Kräfte zusammengehalten werden. Eine stoffschlüssige Verbindung ist gleichzeitig eine nicht lösbare Verbindung, die sich nur durch Zerstörung der Verbindungsmittel trennen lässt. Zu den stoffschlüssigen Verbindungen im Rahmen der vorliegenden Erfindung gehören insbesondere Löten, Schweißen, Kleben und Aufglasen.
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Unter einem Druckaufnehmer ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Bauteil zu verstehen, das den in dem Sensorkörper ausgebildeten Zuführkanal auf der der Beaufschlagungsseite gegenüberliegenden Seite verschließt. Der Druckaufnehmer weist einen an den Zuführkanal angrenzenden Abschnitt auf, der in einen membranförmigen Abschnitt übergeht. Der membranförmige Abschnitt bildet dabei den eigentlichen Abschluss des Zuführkanals. Der Druckaufnehmer kann dabei eine Art Kaverne bilden. Bei einer derartigen Ausbildung weist der Druckaufnehmer somit einen invertierten, annähernd U-förmigen Querschnitt auf. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können der Druckaufnehmer und der Sensorkörper zweiteilig ausgebildet sein, wobei beide Bauteile stoffschlüssig miteinander verbunden sind, insbesondere verschweißt. Alternativ können der Druckaufnehmer und der Sensorkörper einteilig ausgebildet sein, so dass der Druckaufnehmer ein Abschnitt des Sensorkörpers ist. Die einteilige Ausbildung ist beispielsweise durch eine drehende Bearbeitung möglich.
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Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist, das Sensorelement als dünnes Blech oder Folie auszuführen. Die Brückenschaltung kann ähnlich oder gleich ausgeführt werden wie bei den Sensorelementen des Standes der Technik. Die Technik der Funktionsschicht ist unabhängig von der Erfindung. Diese kann eine Metalldünnschicht, eine High-K-Funktionsschicht wie auch eine aufgebrachte Siliziummessbrücke sein. Dieses Blechsensorelement wird auf das Gewindestück von oben aufgeschweißt. Alternativ kann für höhere Drücke die Blechmembran auf einen Druckkaufnehmer aufgeklebt, aufgeglast oder aufgeschweißt werden. Dies kann entweder als komplette Wheatstone-Brücke mit Schweißnähten oder als Einzelbrücken erfolgen.
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Durch das Blechsensorelement entfallen die spanende Bearbeitung an Sensorelementen und die damit verbundenen Kosten. Außerdem kann durch den Schweißfügeprozess von oben der Schweißprozess zusammen mit dem Vereinzelungsprozess erfolgen. Da der Schweißprozess von oben erfolgt, ist auch eine Ringoptik denkbar, wodurch der Druckaufnehmer während des Schweißens nicht bewegt werden muss.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
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Es zeigen:
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1 eine Schnittansicht eines Sensors gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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2 eine Schnittansicht eines Sensors gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung und
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3 eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Sensorelement.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine Schnittansicht eines Sensors 10 zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums. Der Sensor 10 ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel als Drucksensor und insbesondere als Raildrucksensor ausgebildet. Raildrucksensoren messen im Verteilerrohr (Rail) den Kraftstoffdruck. Ein Raildrucksensor wird hierzu in das Rail oder eine Wand des Rails entweder axial oder radial eingeschraubt.
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Der Sensor 10 umfasst in dem dargestellten Ausführungsbeispiel einen Druckstutzen 12 mit einem Sensorkörper 14 und einem Sensorelement 16. Der Sensorkörper 14 kann bei diesem Ausführungsbeispiel insbesondere als Gewindestück 18 ausgestaltet sein und kann ein oder mehrere Verbindungselemente 20 in Form eines oder mehrerer Gewinde 22 umfassen. In dem Sensorkörper 14 ist ein Zuführkanal 24 ausgebildet. Der Zuführkanal 24 erstreckt sich von einer dem fluiden Medium zuweisenden Beaufschlagungsseite 26, an welcher der Zuführkanal 24 eine Öffnung 28 aufweist, hin zu einer der Beaufschlagungsseite 26 gegenüberliegenden Gegenseite 30. Das Sensorelement 16 ist als Blechmembran 32 ausgebildet. Das heißt das Sensorelement 16 ist als dünnes Blech oder Folie ausgeführt. Das eigentliche Sensorelement 16 umfasst bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Messbrücke 34, die auf dem Sensorelement 16 angeordnet ist. Die Messbrücke 34 ist auf einer dem Zuführkanal 24 abgewandten Seite 36 des Sensorelements 16 angeordnet. Die Messbrücke 34 kann mehrere sensitive Elemente umfassen, wie beispielsweise piezoresistive Elemente und/oder andere Arten von sensitiven Elementen, wie beispielsweise elektrische Widerstände. Die sensitiven Elemente können beispielsweise in Form einer Wheatstone-Brücke angeordnet sein. Das Sensorelement 16 schließt den Zuführkanal 24 ab. Das Sensorelement 16 ist insbesondere mit dem Sensorkörper 14 stoffschlüssig verbunden, wie beispielsweise verschweißt oder verlötet.
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2 zeigt eine Schnittansicht eines Sensors 10 zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums gemäß einer zweiten Ausführungsform. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu der ersten Ausführungsform beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Auch bei dem Sensor 10 der zweiten Ausführungsform ist das Sensorelement 16 als Blechmembran 32 ausgebildet. Der Zuführkanal 24 wird allerdings nicht unmittelbar von dem Sensorelement 16 verschlossen. Ein Druckaufnehmer 38 schließt den Zuführkanal 24 ab. Das Sensorelement 16 ist auf dem Druckaufnehmer 38 angeordnet. Insbesondere ist das Sensorelement 16 auf der dem Zuführkanal 24 abgewandten Seite 36 des Druckaufnehmers 38 angeordnet. Das Sensorelement 16 ist mit dem Druckaufnehmer 38 stoffschlüssig verbunden, wie beispielsweise aufgeklebt, aufgeglast oder aufgeschweißt.
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3 zeigt eine Draufsicht auf das Sensorelement 16. Das Sensorelement 16 kann sowohl bei dem Sensor 10 der ersten Ausführungsform als auch bei dem Sensor 10 der zweiten Ausführungsform eingesetzt werden. Zu erkennen sind dabei sensitive Elemente 40 in Form von Widerständen. Des Weiteren sind Schweißnähte 42 zu erkennen, die neben den sensitiven Elementen angeordnet sind und das Sensorelement 16 mit dem Sensorkörper 14 stoffschlüssig verbinden.
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Durch die Ausbildung des Sensorelements 16 als Blechmembran 32 entfallen die spanende Bearbeitung an Sensorelementen und die damit verbundenen Kosten. Außerdem kann durch den Schweißfügeprozess von oben, d.h. der dem Sensorkörper 14 abgewandten Seite, der Schweißprozess zusammen mit dem Vereinzelungsprozess erfolgen. Da der Schweißprozess von oben erfolgt, ist auch eine Ringoptik denkbar, wodurch der Druckaufnehmer 38 während des Schweißens nicht bewegt werden muss.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011078048 A1 [0007]
- DE 102010038881 A1 [0007]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage, 2010, S. 80–82 und S. 134–136 [0004]
