DE102018114077B4

DE102018114077B4 - Drucksensoranordnung

Info

Publication number: DE102018114077B4
Application number: DE102018114077.0A
Authority: DE
Inventors: Mohamed Benslimane
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 2018-06-13
Filing date: 2018-06-13
Publication date: 2020-02-13
Anticipated expiration: 2038-06-14
Also published as: DE102018114077A1; CN115077787A; WO2019238627A1; US11656141B2; CN112262304A; US20210247258A1

Abstract

Eine Drucksensoranordnung (1) zum Messen eines Drucks eines Fluids wird beschrieben, wobei die Drucksensoranordnung (1) ein Verbindergehäuse (2) mit einer Fluidöffnung (3) und einer Fluidkammer (4) in Verbindung mit einer Fluidöffnung (3), mindestens ein druckempfindliches Element (5), eine Membrane (9), die zwischen dem druckempfindlichen Element (5) und der Fluidkammer (4) angeordnet ist, und eine Druckdämpfungseinrichtung (10) aufweist.Eine derartige Drucksensoranordnung sollte in der Lage sein, die Messmembrane vor Hochfrequenzpulsationen mit niedrigen Kosten zu schützen.Zu diesem Zweck ist die Druckdämpfungseinrichtung (10) in der Fluidkammer (4) in direktem Kontakt mit der Membrane (9) angeordnet, wobei sie die Membrane (9) von dem Fluid in der Fluidkammer trennt, und weist ein homogenes inkompressibles Material mit einem mechanischen Verlustfaktor von 0.1 oder höher bei Frequenzen von 200 Hz oder höher auf.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Drucksensoranordnung zum Messen eines Drucks eines Fluids, die ein Verbindergehäuse mit einer Fluidöffnung und einer Fluidkammer in Verbindung mit der Fluidöffnung, mindestens ein druckempfindliches Element, eine Membran, die zwischen dem druckempfindlichen Element und der Fluidkammer angeordnet ist, und Druckdämpfungsmittel aufweist, wobei die Druckdämpfungseinrichtung in der Fluidkammer angeordnet ist.
Eine derartige Drucksensoranordnung ist aus DE 3 713 236 A1 bekannt.
Eine derartige Drucksensoranordnung wird zum Messen eines Drucks eines Fluids verwendet, beispielsweise in einem hydraulischen Strömungssystem.
In derartigen Strömungssystemen können verschiedene Probleme, die durch Änderungen in dem Fluidstrom verursacht werden, einen Drucksensor beschädigen, insbesondere Dichtmembranen in ölgefüllten MEMS-Sensoren oder Messmembrane in Dünnfilmdrucksensoren können beschädigt werden. Die Probleme, die derartige Beschädigungen verursachen, sind Kavitationen oder Fluidstrahlen beim Anfahren.
Plötzliche Änderungen in dem Fluidstrom in derartigen Strömungssystemen können z.B. beim Schließen eines Ventils auftreten. Es ist bekannt, dass Kavitationen, die auf einen „Flüssigkeitshammer“ bezogen sind, oder Druckstöße zu großen Druckänderungen führen können, die zu Beschädigungen bei den Membranen des Drucksensors führen können. Wenn ein Ventil plötzlich geschlossen wird, wird der Medienstrom verlangsamt, was Kavitationen erzeugt, die Gastaschen bilden. Wenn das Medium zurückkommt, wird es große Druckänderungen verursachen. Wenn diese Kavitationen nahe an einem Drucksensor sind, wird die Druckänderung den Effekt haben, dass Flüssigkeit gegen den Sensor gehämmert wird, was eine mögliche Beschädigung der Membran verursacht. Derartige Erscheinungen werden sowohl bei Sensorpositionen vor als auch hinter dem schließenden Ventil auftreten.
Wenn weiterhin ein derartiges Strömungssystem leer ist und dann mit den Strömungsmedien gefüllt wird, können Anfahrstrahlen auftreten, wenn das Strömungsmedium in die leere Fluidkammer eines Drucksensors mit hoher Geschwindigkeit eintritt. Derartige Anfahrstrahlen können die Sensormembrane beschädigen.
Es ist deswegen bekannt, irgendeine Art von Schutz und Druckdämpfung vorzusehen.
US 4 884 451 zeigt ein Druckdämpfungselement, das aus einem mikroporösen gesinterten Material, einem mikroporösen Keramikmaterial oder einer Platte aus rostfreiem Stahl mit mindestens einer Durchgangsmikrobohrung besteht, das einen Bohrungslochdurchmesser von gleich oder weniger als 0,5 mm hat. Das Mikroloch verhindert einen zu schnellen Anstieg des Drucks.
Eine andere Lösung ist in US 8 117 920 B2 gezeigt, in der ein Restriktionselement vorgesehen ist, das eine Düse mit einer Blendenöffnung aufweist. Die Blendenöffnung erlaubt das Fortschreiten eines Drucks in der Fluidkammer in eine Richtung zu dem druckempfindlichen Element hin. Die Geschwindigkeit von Druckänderungen stromab der Düse kann jedoch begrenzt sein.
Eine ähnliche Lösung ist in US 8 820 168 B2 gezeigt, die eine Einrichtung zum Vermindern von Druckimpulsen in Drucksensoren zeigt. Ein Düsenelement mit einer Düse verbindet einen Druckkanal mit einem druckempfindlichen Element.
US 4 732 042 A zeigt einen gegossenen membrangeschützten Drucksensor, in dem ein Druckübertragungsmedium oder -material zwischen einer Membran und dem druckempfindlichen Element angeordnet ist.
DE 10 2008 026 611 A1 zeigt eine Sensoranordnung, bei der ein Sensorelement von einem Druckübertragungsmedium abgedeckt ist, das in einem hohlkonusförmigem Raum angeordnet ist und eine Oberfläche ausbildet, auf die ein zu ermittelnder Druck wirkt.
EP 2 659 248 B1 zeigt einen Drucksensor mit einem kompressiblen Element, dessen Volumen sich verringern kann, um Drucküberlastungen zu vermeiden.
DE 10 2008 043 323 A1 zeigt einen Drucksensor mit Schutz gegen kurzzeitige Überlastung, der dadurch erreicht wird, dass das Sensorelement in einem Volumen angeordnet ist, das variabel gestaltet ist. Hierzu ist das Volumen in einer Wand angeordnet, die durch eine Federanordnung verlängerbar ist.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist es, eine Drucksensoranordnung mit einer Druckimpulsdämpfungseinrichtung zu haben, die mit niedrigen Kosten hergestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird mit einer Drucksensoranordnung der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, dass die Druckdämpfungseinrichtung in der Fluidkammer in direktem Kontakt mit der Membran angeordnet ist, wobei sie die Membran von dem Fluid in der Fluidkammer trennt und ein homogenes inkompressibles Material aufweist, das einen mechanischen Verlustfaktor von 0.10 oder höher bei Frequenzen von 200 Hz oder höher aufweist.
Der Verlustfaktor, der auch „Verlustwinkel“ oder „Verlusttangente“ genannt wird, ist eine Signatur der Dämpfungseigenschaften eines inkompressiblen Materials. Je höher der Wert ist, desto mehr Dämpfung und Schwingungsverminderung ist vorgesehen. Der mechanische Verlustfaktor ist oft frequenzabhängig. Im vorliegenden Fall hat das Material den mechanischen Verlustfaktor von 0.1 selbst bei höheren Frequenzen von 200 Hz, vorzugsweise mindestens 500 Hz. Dies ergibt eine ausreichende Dämpfung bei Frequenzen oberhalb von 200 Hz.
In einer Ausführungsform der Erfindung hat das Material einen mechanischen Verlustfaktor von 0.1 oder höher bei Frequenzen von 1.000 Hz oder höher. In diesem Fall wird die ausreichende Dämpfung bei Frequenzen oberhalb 1 kHz erreicht.
In einer Ausführungsform der Erfindung hat das Material den mechanischen Verlustfaktor in einem Temperaturbereich zumindest von -40° C bis +250° C. In diesem Fall kann die Drucksensoranordnung in einem großen Temperaturbereich verwendet werden, wobei sie immer noch die notwendigen Dämpfungseigenschaften aufweist.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Material ein Elastomer. Das Elastomer kann beispielsweise ein Gummi oder Silikongummimaterial sein, wie Wacker Elastosil LR 3003. Andere Materialien mit ähnlichen Eigenschaften sind ebenfalls möglich.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist das Material eine Schor-Härte von 20 Shore A oder niedriger auf.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Membrane eine Dichtmembran eines ölgefüllten MEMS- Sensor. Ein MEMS-Sensor oder ein Mikroelektronik-Mechaniksystem-Sensor empfangen den Druck über das Öl. Die Dichtmembran hält das Öl in einem Hohlraum oder einem Raum, in dem ein MEMS-Sensor angeordnet ist. Das inkompressible Material schützt die Dichtmembran vor zu großen Druckimpulsen.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Membran eine Messmembran eines Dünnfilmdrucksensorelements. Ein derartiges Dünnfilmdrucksensorelement kann beispielsweise ein piezo-resistiver Dünnfilmwiderstand sein, der beispielsweise in eine Wheatstone-Brückenanordnung eingebunden ist. Ein derartiger Dünnfilmsensor in Form eines Dünnfilmwiderstands kann auf der Seite der Messmembran angeordnet sein, die von der Fluidkammer wegweist.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Membran Teil des Gehäuses. In diesem Fall hat das Gehäuse eine relativ kleine Dicke an der Position des Dünnfi lmdrucksensorelements.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Membran aus Metall gebildet. Die Metallmembran ist empfindlicher auf Druckspitzen und kann durch das inkompressible Material geschützt werden.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nun genauer unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben, worin:

1 eine erste Ausführungsform eines Drucksensors zeigt,
2 einen Vergleich von Druckspitzendämpfung mit und ohne das inkompressible Material zeigt,
3 eine zweite Ausführungsform der Drucksensoranordnung zeigt, und
4 einen Vergleich von Druckspitzendämpfung mit und ohne das inkompressible Material zeigt.

1 zeigt schematisch eine Drucksensoranordnung 1, die ein Verbindergehäuse 2 mit einer Fluidöffnung 3 und einer Fluidkammer 4 in Verbindung mit der Fluidöffnung aufweist. Ein Drucksensorchip 5 eines MEMS-Sensors (Mikroelektronik-Mechaniksystem-Sensor) ist in einer Ausnehmung 6 eines Körperteils 7 angeordnet. Die Ausnehmung ist mit einem Ölvolumen gefüllt. Das Ölvolumen 8 wird mit Hilfe einer Dichtmembran 9 abgedichtet. Die Dichtmembran 9 ist zwischen dem Drucksensorchip 5 und der Fluidkammer 4 angeordnet.
Weiterhin ist eine Druckdämpfungseinrichtung 10 in der Fluidkammer angeordnet in direktem Kontakt mit der Membran 9 und trennt die Membran 9 von dem Fluid in der Fluidkammer 4. Die Druckdämpfungseinrichtung weist ein homogenes inkompressibles Material mit einem mechanischen Verlustfaktor von 0.10 oder höher bei Frequenzen von 200 Hz oder höher auf, vorzugsweise bei Frequenzen von 500 Hz oder höher und besonders bevorzugt zumindest 1.000 Hz oder höher.
Weiterhin behält das Material der Dämpfungseinrichtung 10 diesen Verlustfaktor über einen großen Temperaturbereich, der beispielsweise -40° C bis +250° C sein kann.
Das Material der Dämpfungseinrichtung ist vorzugsweise ein Elastomer, beispielsweise Gummi oder Silikongummimaterial, wie Wacker Elastosil LR 3003.
Weiterhin kann das Material der Dämpfungseinrichtung eine Shore-Härte von 20 Shore A oder weniger aufweisen.
Der Körperteil 7 kann aus Metall gebildet sein. Er bildet einen Teil einer Untergruppe 11, die den Drucksensorchip 5 aufweist, der beispielsweise eine piezo-resistive Messbrücke haben kann. Das Öl in dem Ölvolumen 8 schützt den Sensorchip 5 und überträgt den Druck, der auf die Dichtmembran 9 wirkt, auf den Sensorchip 5.
Die Dämpfungseinrichtung 10 dämpft andererseits Druckimpulse so, dass die Membran 9 vor Beschädigungen geschützt wird, die von einem zu schnellen Ansteigen des Drucks in der Fluidkammer 4 verursacht werden.
2 zeigt einen Vergleich der Druckspitzendämpfung mit und ohne die Dämpfungseinrichtung in Form eines Elastomervergusses in der Drucksensorausnehmung, d.h. in der Fluidkammer 4. Ein Graph 12 zeigt eine Druckspitzendämpfung mit der Dämpfungseinrichtung 10 des in 1 gezeigten Elements. 13 zeigt unter denselben Bedingungen die Druckspitzendämpfung ohne die Dämpfungseinrichtung in der Ausführungsform von 1.
Man kann sehen, dass die Druckspitzendämpfung viel schneller und besser mit der Dämpfungseinrichtung 10 ist.
Das Material der Dämpfungseinrichtung 10 wird in die Fluidkammer 4 in Kontakt mit der Dichtmembran 9 eingebracht. Ansonsten könnte Kavitation in dem Fluid auftreten, das zwischen der Dämpfungseinrichtung 10 und der Membran 9 eingeschlossen ist.
Das Material der Dämpfungseinrichtung überträgt den Fluiddruck, der auf die Oberfläche der Dämpfungseinrichtung wirkt, die der Fluidkammer 4 oder der Fluidöffnung 3 zugewandt ist, auf die Fühlermembran 9 ohne die Bewegung der Membran 9 zu beeinflussen oder zu behindern, die durch Änderungen im Fluiddruck verursacht werden.
3 zeigt eine zweite Ausführungsform, in der dieselben Elemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind.
In diesem Fall weist die Druckfühleinrichtung 1 ein metallisches Dünnfilmdrucksensorelement 14 mit einer Messmembrane 15 auf. Die Messmembrane ist Teil des Körperteils 7. Die Messmembrane 15 ist ein Wandabschnitt des Körperteils 7 mit einer relativ kleinen Dicke.
Das druckempfindliche Element kann beispielsweise durch piezo-resistive Dünnfilmwiderstände gebildet sein, die z.B. in einer Wheatstone-BrückenKonfiguration eingebunden sind. Sie sind auf der Seite der Messmembrane 15 angeordnet, die von der Fluidversorgungskammer 4 weg weist.
Die Druckausbreitung in die Fluidkammer 4 ist durch einen Pfeil 16 symbolisiert.
4 zeigt die Druckspitzendämpfung mit und ohne die Dämpfungseinrichtung 10. Eine Kurve 17 zeigt die Dämpfung, wenn die Dämpfungseinrichtung 10 verwendet wird. Eine Kurve 18 zeigt die Dämpfung, wenn unter denselben Bedingungen die Druckdämpfungseinrichtung nicht verwendet wird.
In 2 und 4 kann man sehen, dass, wenn eine plötzliche Veränderung des Fluiddrucks erfolgt, die Dämpfungseinrichtung 10 das Auftreten von Druckspitzen vermindert.

Claims

Drucksensoranordnung (1) zum Messen eines Drucks eines Fluids, die ein Verbindergehäuse (2) mit einer Fluidöffnung (3) und einer Fluidkammer (4) in Verbindung mit der Fluidöffnung (3), mindestens ein druckempfindliches Element (5, 14), eine Membrane (9, 15), die zwischen dem druckempfindlichen Element (5, 14) und der Fluidkammer (4) angeordnet ist, und eine Druckdämpfungseinrichtung (10) aufweist, wobei die Druckdämpfungseinrichtung (10) in der Fluidkammer (4) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckdämpfungseinrichtung (10) in direktem Kontakt mit der Membrane (9, 15) angeordnet ist, , wobei sie die Membrane (9, 15) von dem Fluid in der Fluidkammer (4) trennt und ein homogenes inkompressibles Material aufweist mit einem mechanischen Verlustfaktor von 0.1 oder höher bei Frequenzen von 200 Hz oder höher.
Drucksensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material den mechanischen Verlustfaktor von 0.10 oder höher bei Frequenzen von 1.000 Hz oder höher hat.
Drucksensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Material den mechanischen Verlustfaktor in einem Temperaturbereich zumindest von -40° C bis +250° C aufweist.
Drucksensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Material ein Elastomer ist.
Drucksensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Material eine Shore Härte von 20 Shore A oder niedriger aufweist.
Drucksensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Membrane (9) eine Dichtmembrane eines ölgefüllten MEMS-Sensors ist.
Drucksensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Membrane (15) eine Messmembrane eines Dünnfilmdrucksensorelements (14) ist.
Drucksensoranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Membrane (15) Teil des Gehäuses (2) ist.
Drucksensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Membrane (15) aus Metall gebildet ist.