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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Vorrichtungen und Verfahren zum Erfassen von Drücken von fluiden Medien, wie beispielsweise Gasen und Flüssigkeiten, bekannt. Die Messgröße Druck ist eine in Gasen und Flüssigkeiten auftretende, allseits 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 beispielsweise direkt, über Membranverformung oder durch einen Kraftsensor erfolgen. Insbesondere zur Messung sehr hoher Drücke wäre es grundsätzlich möglich, einen elektrischen Widerstand dem Medium auszusetzen, denn viele bekannte elektrische Widerstände zeigen eine Druckabhängigkeit. Dabei gestalten sich jedoch die Unterdrückung der gleichzeitigen Abhängigkeit der Widerstände von der Temperatur und die druckdichte Durchführung der elektrischen Anschlüsse aus dem Druckmedium heraus als schwierig.
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Eine weit 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 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 mm 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, Seiten 80–82 und Seiten 134–136 beschrieben.
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Um die Drucksensoren in oder an dem Messraum anzubringen, weisen diese üblicherweise einen Druckanschluss auf. Der Druckanschluss kann beispielsweise als Gewindestutzen ausgeführt sein und in eine Wand eines Messraums eingeschraubt werden. Der eigentliche Messwertaufnehmer bzw. das eigentliche Sensorelement ist entweder direkt oder indirekt über einen Zwischenträger an einem Gehäusesockel angeordnet. Der Gehäusesockel ist entweder integral bzw. einstückig mit dem Druckanschluss ausgebildet, wie es beispielsweise in der
DE 10 2009 054 689 A1 offenbart ist, oder der Gehäusesockel und der Druckanschluss sind separate Bauteile, die mittels einer Schweißung dauerhaft miteinander verbunden werden, wie es beispielsweise in der
EP 1 518 098 B1 offenbart ist.
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Trotz der zahlreichen Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Drucksensoren beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial. So können bei den bekannten Drucksensoren durch Schwingungsvorgänge im betreffenden zu messenden System Druckspitzen auftreten, die zu einer Zerstörung des Drucksensors führen können.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird daher ein Drucksensor vorgeschlagen, welcher die Nachteile bekannter Drucksensoren zumindest weitgehend vermeidet und der insbesondere Druckspitzen an einem Drucksensorelement vermeidet.
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Ein erfindungsgemäßer Drucksensor zur Erfassung eines Drucks eines fluiden Mediums in einem Messraum umfasst ein Sensorgehäuse, mindestens ein Sensorelement, das so in oder an dem Sensorgehäuse angeordnet ist, dass es zum Messen eines Drucks des Mediums dem Medium aussetzbar ist, und einen Druckanschluss, mittels dessen der Drucksensor an oder in dem Messraum anbringbar ist. Der Druckanschluss weist zum Zuführen des fluiden Mediums zu dem Sensorelement mehrere Öffnungen und einen sich daran anschließenden Zuführkanal auf.
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Das Sensorelement kann beispielsweise Bestandteil eines Drucksensormoduls sein. Unter einem Drucksensormodul ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein vormontiertes Modul mit dem Sensorelement, welches die eigentlichen Messsignale bezüglich des Drucks und/oder der Messwerte liefert, die zur Erfassung des Drucks des fluiden Mediums genutzt werden, und weiteren Bauteilen zu verstehen. Beispielsweise kann das Sensorelement eine als Messbrücke ausgebildete Sensormembran mit einem oder mehreren piezoresistiven Elementen und/oder anderen Arten von sensitiven Elementen umfassen, wie dies bei Drucksensoren üblich ist. Für weitere mögliche Ausgestaltungen von derartigen Drucksensoren kann auf den oben beschriebenen Stand der Technik, insbesondere auf Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, Seiten 134–136, verwiesen werden. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich. Die weiteren können Bauteile beispielsweise Bauteile zur Signalverarbeitung, ein Gel als Schutz gegenüber dem fluiden Medium und Berührung, Bauteile der Aufbau- und Verbindungstechnik, insbesondere Bonddrähte, Kleber und dergleichen, ein Kunststoff-Moldkörper mit Stanzgitter und Kondensatoren sein. Bei den Bauteilen zur Signalverarbeitung kann es sich beispielsweise um eine anwendungsspezifisch integrierte Schaltung (application specific integrated circuit – ASIC) handeln, die auch als Custom-Chip bekannt ist. Eine derartige Schaltung ist eine elektronische Schaltung, die als integrierter Schaltkreis realisiert wird. Das Sensorelement und die Auswerteschaltung (ASIC) können sich auf zwei getrennten Chips oder auf einem gemeinsamen Chip befinden. Beispielsweise kann das Drucksensormodul zur Erfassung eines Drucks einen Glassockel sowie einen auf diesem angeordneten Siliziumchip als Sensorelement aufweisen, auf dessen Oberfläche beispielsweise eine Messbrücke vorgesehen ist, die beispielsweise in Form einer Wheatstone-Brücke aus piezoresistiven Widerstandselementen aufgebaut sein kann. Die für die Druckerfassung notwendige Membran kann durch Ätzen der Siliziumchiprückseite hergestellt sein. Das Sensorelement kann mit dem Glassockel verbunden sein und beinhaltet mindestens die Messbrücke.
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Unter einem Stutzen ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein kurzes rohrförmiges Ansatzstück zu verstehen, beispielsweise ein zumindest teilweise zylindrisch ausgebildetes Ansatzstück, beispielsweise mit einem runden oder einem polygonalen Querschnitt. Da im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Zuführkanal zum Zuführen des Mediums zumindest teilweise in dem Stutzen ausgebildet ist und das fluide Medium üblicherweise einen Druck oberhalb des Atmosphären- oder Normaldrucks aufweist, wird der Stutzen im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Druckstutzen oder Druckanschluss bezeichnet.
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Die Öffnungen können so angeordnet sein, dass sich Strecken für das fluide Medium von den Öffnungen zu dem Sensorelement unterscheiden. Mit anderen Worten sind die Öffnungen so angeordnet, dass für das fluide Medium unterschiedliche Lauflängen von den Öffnungen bis zu dem Sensorelement bestehen. Dies verhindert das gleichzeitige Eintreffen von Druckwellen an der Sensormembran. Mindestens eine der Öffnungen kann so angeordnet sein, dass das fluide Medium bei einer Zuführung zu dem Sensorelement eine Umlenkung von mehr als 90 ° erfährt. Die Öffnungen können mit dem Zuführkanal mittels Kanalabschnitten verbunden sein. Der Zuführkanal kann eine Zuführkanalachse aufweisen. Die Kanalabschnitte können Kanalabschnittsachsen aufweisen. Die Kanalabschnittsachsen können in unterschiedlichen Winkeln zu der Zuführkanalachse angeordnet sein. Mit anderen Worten ist die Kanalabschnittsachse eines jeden Kanalabschnitts in einem unterschiedlichen Winkel zu der Zuführkanalachse angeordnet.
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Mindestens eine Öffnung kann so angeordnet sein, dass die Kanalabschnittsachse des damit verbundenen Kanalabschnitts zu der Zuführkanalachse in einem spitzen Winkel angeordnet ist. Die Kanalabschnitte können unterschiedliche Durchmesser aufweisen. Eine den Zuführkanal begrenzende Zuführkanalwand kann mindestens einen gestuften Zuführkanalwandabschnitt aufweisen. Der gestufte Zuführkanalwandabschnitt kann eine Öffnung zuweisen. Der gestufte Zuführkanalwandabschnitt kann einem Kanalabschnitt mit der Zuführkanalachse dazwischen gegenüberliegen. Der Drucksensor kann insbesondere ein Hochdrucksensor sein.
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Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist, durch geschickte Gestaltung des Druckstutzens Druckspitzen zu reduzieren. Dazu können geometrische Variationen genutzt werden, um Druckwellen, bevor sie an der Sensormembran eintreffen, aufzuteilen und um dann durch unterschiedliche Lauflängen ein gleichzeitiges Eintreffen an der Sensormembran zu vermeiden. Durch Reflexionsflächen, die nicht glatt, sondern gestuft sind, wird ebenfalls eine Dispersion der Druckwellen erreicht und damit die Druckspitze am Sensor reduziert.
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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 der Figur schematisch dargestellt sind.
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Es zeigt:
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1 eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Drucksensors.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Drucksensors 10. Der Drucksensor 10 kann beispielsweise zum Erfassen eines Drucks von Kraftstoff in einer Kraftstoffleitung eines Verbrennungsmotors ausgebildet sein. Der Drucksensor 10 umfasst ein Sensorgehäuse 12, einen Druckanschluss 14, einen Gehäusesockel 16 und ein Sensorelement 18. An dem Gehäusesockel 16 kann eine nicht näher gezeigte Leiterplatte mit einer Auswerteschaltung, die eingerichtet ist, ein Signal auszugeben, das einen auf das Sensorelement 18 wirkenden Druck anzeigt, angebracht sei, wie beispielsweise verklebt.
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Der Druckanschluss 14 kann aus Metall hergestellt sein. Der Druckanschluss 14 kann als zylindrischer Druckstutzen, insbesondere als Gewindestutzen, ausgebildet sein. Der Druckanschluss 14 weist zum Zuführen des fluiden Mediums zu dem Sensorelement 18 mehrere Öffnungen 20, 22, 24 auf. Des Weiteren weist der Druckanschluss 14 einen sich an die Öffnungen 20, 22, 24 anschließenden Zuführkanal 26 auf. Wie aus der Darstellung der 1 zu erkennen ist, weist der Drucksensor 10 lediglich beispielhaft eine erste Öffnung 20, eine zweite Öffnung 22 und eine dritte Öffnung 24 auf. Die erste Öffnung 20 ist mit dem Zuführkanal 26 mittels eines ersten Kanalabschnitts 28 verbunden. Die zweite Öffnung 22 ist mit dem Zuführkanal 26 mittels eines zweiten Kanalabschnitts 30 verbunden. Die dritte Öffnung 24 ist mit dem Zuführkanal 26 mittels eines dritten Kanalabschnitts 32 verbunden.
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Die Öffnungen 20, 22, 24 sind dabei so angeordnet, dass sich Strecken 36, 38, 40 für das fluide Medium bei einer Zuführung zu dem Sensorelement 18 unterscheiden. So ist mindestens eine der Öffnungen 20, 22, 24, wie beispielsweise die erste Öffnung 20, so angeordnet, dass das fluide Medium bei einer Zuführung zu dem Sensorelement 18 eine Umlenkung von mehr als 90 ° erfährt, wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird.
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So weist der Zuführkanal 26 eine Zuführkanalachse 40 auf. Die Kanalabschnitte 28, 30, 32 weisen jeweils Kanalabschnittsachsen 42, 44, 46 auf. Die Kanalabschnittsachsen 42, 44, 46 sind in unterschiedlichen Winkeln zu der Zuführkanalachse 40 angeordnet. So ist beispielsweise die erste Kanalabschnittsachse 42 des ersten Kanalabschnitts 34 zu der Zuführkanalachse 40 in einem spitzen Winkel α angeordnet.
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Des Weiteren kann eine den Zuführkanal 26 begrenzenden Zuführkanalwand 48 mindestens einen gestuften Zuführkanalwandabschnitt 50 aufweisen, Der gestufte Zuführkanalwandabschnitt 50 kann einer Öffnung 20, 22, 24 zuweisen, Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist der gestufte Zuführkanalwandabschnitt 50 der ersten Öffnung 20 zu. Genauer liegt der gestufte Zuführkanalwandabschnitt 50 dem ersten Kanalabschnitt 28 mit der Zuführkanalachse 40 dazwischen gegenüber. Optional können die Kanalabschnitte 28, 30, 32 unterschiedliche Durchmesser aufweisen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009054689 A1 [0003]
- EP 1518098 B1 [0003]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, Seiten 80–82 und Seiten 134–136 [0002]
- Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, Seiten 134–136 [0007]
