DE3604088C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Drucksensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Es ist ein gattungsgemäßer Drucksensor bekannt (US-PS 28 87 882, Fig. 1, 2), bestehend aus einem mit dem zu messenden Druck verbindbaren Druckkörper und einem Sensorteil. Hierbei ist ein als Druckkammer ausgebildetes weichmagnetisches Metallteil von einem nichtmagnetischen, die Primär- und Sekundärwicklung eines Transformators tragenden Gehäuseteil umgeben, wobei das Metallteil den Kern des Transformators bildet. Wird die Druckkammer mit Druck beaufschlagt, so ändern sich aufgrund der erzeugten mechanischen Spannungen in dem Metallteil dessen magnetische Eigenschaften - insbesondere die Magnetflußdichte - und infolgedessen die induzierte Spannung in der Sekundärwicklung, welche Spannungsänderung als Maß für die Druckänderung entsprechend ausgewertet wird. Zur Stör­ größenkompensation ist des weiteren noch eine Referenzanordnung vorgesehen - Referenztransformator mit einer mit Atmosphäre verbundenen Kammer als Kern -, wobei die Sekundärwicklung des Referenztransformators mit der Meß-Sekundärwicklung zu einer Halbbrücke verschaltet sind.

Des weiteren ist ein Drucksensor bekannt (DE-AS 11 45 827), welcher einen ferromagnetischen Torsionskörper mit einer Sacklochausnehmung als Druckkammer und zwei zueinander beabstandeten Flanschen aufweist, zwischen welchen eine Spule angeordnet ist. Auf die beiden Flansche ist eine stromleitende Hülse mit schraubenförmigen Ausschnitten aufgesteckt, derart, daß sie mit dem einen Flansch elektrisch leitend verbunden, gegenüber dem anderen Flansch aber elektrisch isoliert ist. Die Gänge der schraubenförmigen Ausschnitte wiederum sind durch Leiter elektrisch überbrückt. Die Hülse und der Torsionskörper stehen mit einer Wechselstromquelle in Verbindung, so daß um die Achse des Torsionskörpers ein zylindrisches Magnetfeld aufgebaut wird. Der Druck des in den Torsionskörpers eingeführten Mediums verursacht eine Ausdehnung desselben. Diese wird auf die Hülse übertragen und erzeugt in ihr infolge ihrer schraubenförmigen Ausschnitte ein Drehmoment, das wiederum den an den Enden mit ihr verbundenen Torsionskörper auf Drehung beansprucht. Durch die Verdrehung und Streckung des Torsionskörpers wird das zylindrische Magnetfeld deformiert. Diese Deformation induziert in der Spule eine dem Druck des Mediums proportionale elektromotorische Kraft, die über die Klemmen der Spule an einem Instrument gemessen werden kann.

Ferner ist ein Drucksensor bekannt (DE-OS 29 28 617, Fig. 3), bei welchem eine Druckleitung in ein Druckgehäuse mündet, welches aus einem Gehäusedeckel und einem mit diesem fest verbundenen Boden besteht, wobei der Boden aus einer ersten Folie mit einer ersten Spule, einer Druckmembran aus elastischem weichmagnetischem Werkstoff und einer zweiten Folie mit einer zweiten Spule zusammengesetzt ist. Unter Druckeinfluß wird hierbei der Boden nach außen gewölbt und die dabei in der Druckmembran entstehenden mechanischen Spannungen verursachen eine Veränderung der Hystereseschleife dieser Druckmembran, welche mit einer entsprechenden Schaltung gemessen werden kann.

Darüber hinaus ist es grundsätzlich bekannt (DE-Z: Technisches Messen, 52. Jg., Heft 5/1985, S. 189-198), in der Sensortechnik als Werkstoff amorphe Metalle zu verwenden, insbesondere auch bei Drucksensoren (US-PS 44 12 454).

Aufgabe der Erfindung ist es, einen unter Verzicht auf mechanisch bewegte Teile besonders zuverlässig arbeitenden Drucksensor zu schaffen, welcher auch für den Dauerbetrieb unter schwierigen physikalischen Umweltbedingungen geeignet ist, sich durch eine große Universalität hinsichtlich Meßbereich, Einsatzbereich und Einsatzort sowie durch einen relativ geringen Herstellungsaufwand auszeichnet. Darüber hinaus soll der Drucksensor zudem ermöglichen, daß durch ein einfaches physikalisches Wirkungsprinzip und durch einen robusten Aufbau mit einer einfachen kostengünstigen elektronischen Schaltung aus dem zu sensierenden Drucksignal ein analoges Spannungssignal generiert werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Drucksensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Drucksensors sind durch die Merkmale der Unteransprüche ge­ kennzeichnet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 den Drucksensor in einer Schnittdarstellung,

Fig. 2a bis 2c Strukturformen der auf dem Druckkörper des Sensors aufgebrachten Metallschicht,

Fig. 3 die Sensoranordnung in einer Auswerteeinheit.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Drucksensor besteht dessen Druckkörper 1 aus einem eine Sacklochausnehmung 1.2 als Druckkammer und ein Bodenteil 1.3 aufweisenden rohrförmigen Flanschteil 1.1 aus einer nichtmagnetischen Federstahllegierung. Dieses Flanschteil 1.1 trägt an seinem Außenumfang über eine Teillänge a der Sacklochausnehmung 1.2 und eine Länge b des Bodenteils 1.3 als Metallteil eine strukturierte, amorphe und magnetostriktive Metallschicht 1.4, welche mit einem chemischen stromlosen Verfahren oder Ionenstrahlverfahren oder mit einem Mischverfahren aus chemischer Beschichtung und Ionenstrahltechnik auf das Flanschteil aufgebracht ist. Das Sensorteil 2 ist als weichmagnetisches Gehäuseteil 2.1 mit einer topfförmigen Ausnehmung 2.1.1 ausgebildet und koaxial und mit radialem Abstand das Flanschteil 1.1 (über dessen Teillängen a und b) umgebend an diesem angeordnet. In das Gehäuseteil 2.1 bzw. dessen topfförmige Ausnehmung 2.1.1 ist ein elektromagnetischer Kreis eingebaut, bestehend aus einer Meßspule 2.2, einer Referenzspule 2.3, einer - zur Verminderung von Wirbelströmen - mit Längsschlitz 2.4.1 versehenen weichmagnetischen Hülse 2.4 und weichmagnetischen Lochscheiben 2.5, 2.6 und 2.7. Die Lochscheiben 2.5 und 2.6 sind hierbei an den Enden und die Lochscheibe 2.7 etwa in der Mitte der topfförmigen Ausnehmung 2.1.1, das Flanschteil 1.1 in seinem die Metallschicht 1.4 tragenden Bereich umschließend, angeordnet, wobei die mittlere Lochscheibe 2.7 im Übergangsbereich der Sacklochausnehmung 1.2 in das Bodenteil 1.3 liegt. An ihrem Außenumfang stützen sich die Lochscheiben 2.5 bis 2.7 hingegen in der Hülse 2.4 ab. Alternativ könnte die Hülse 2.4 auch entfallen, so daß die Lochscheiben unmittelbar von dem Gehäuseteil 2.1 getragen werden bzw. mit diesem einstückig ausgebildet sind. In den durch die Hülse 2.4, die Lochscheiben 2.5-2.7 und 2.7-2.6 und die Metallschicht 1.4 gebildeten ringförmigen Kammern 2.8 und 2.9 sind die beiden Spulen 2.2 und 2.3 im Gehäuseteil 2.1 angeordnet, wobei die die Sacklochausnehmung 1.2 umgebende Spule 2.2 in der Kammer 2.8 als Meßspule und die das Bodenteil 1.3 umgebende Spule 2.3 in der Kammer 2.9 als Referenzspule dient. Die Spulen selbst sind elektrisch mit einem Anschlußkabel 3 verbunden, welches über eine Kabelzugentlastung 3.1 im Gehäuseteil 2.1 gehalten wird.

Die Lochscheiben 2.5, 2.6, 2.7 und die Hülse 2.4 sind vorzugsweise aus Permenorm hergestellt, so daß eine gute magnetische Abschirmung des Meß- und Referenzkreises sichergestellt ist und aufgrund des großen spezifischen elektrischen Widerstandes von Permenorm in den Teilen 2.4 bis 2.7 nur vernachlässigbare Wirbelströme induziert werden, so daß eine Empfindlichkeitsdämpfung des Sensors nicht erfolgt. Besonders vorteilhaft ist die Ausbildung des magnetischen Rückschlußkreises - bestehend aus den Teilen 2.4 bis 2.7 - jedoch, wenn diese Teile - statt aus Permenorm bestehend - zur Erzeugung der weichmagnetischen Eigenschaft mit einer amorphen, hochpermeablen und nichtmagnetostriktiven Be­ schichtung versehen werden, welche nach einem chemischen oder physikalischen Beschichtungs-Verfahren oder einer nacheinander erfolgenden Anwendung beider Verfahren erzeugt wird.

Wie aus der Fig. 1 ersichtlich ist, bilden also der Druckkörper 1 (Teile 1.1 bis 1.4) und das Sensorteil 2 (Teile 2.1 bis 3.1) zwei selbständige Baueinheiten, welche kraftschlüssig miteinander verbunden sind. Der große konstruktive und fertigungstechnische Vorteil dieser Ausbildung besteht darin, daß es möglich ist, den elektrodynamischen Meß- und Referenzkreis sowie das Gehäuseteil einerseits sowie den Druckkörper 1 andererseits als separate Teileinheiten in verschiedenen Fertigungsstätten herzustellen und danach an anderer Stelle zu einer Einheit zu montieren.

Die physikalische Wirkungsweise des Drucksensors ist nun folgende:

Im Druckkörper 1, welcher mit der Druckmeßstelle verschraubt ist, entstehen unter Einwirkung der Druckkraft in der Sacklochausnehmung 1.2 in Achsrichtung sowie in Umfangsrichtung mechanische Spannungen. Über die magnetoelastische Kopplung erfolgt dann infolge der mechanischen Spannungen in der magnetostriktiven amorphen Metallschicht 1.4 über die Teillänge a eine Änderung der magnetischen Permeabilität der Metallschicht 1.4, welche über die Meßspule 2.2 in eine Induktivitätsänderung umgewandelt wird.

Im mechanisch spannungsfreien Teil des Druckkörpers 1 - Teillänge b - ist eine Referenzinduktivität gebildet, bestehend aus der Referenzspule 2.3 und ebenfalls der magnetostriktiven amorphen Metallschicht 1.4. Wie aus Fig. 3 ersichtlich, sind die Meßinduktivität - Meßspule 2.2 mit der amorphen Metallschicht 1.4 als Kern - und die Referenzinduktivität - Referenzspule 2.3 mit der amorphen Metallschicht 1.4 als Kern - zu einer elektrischen Halbbrücke verschaltet und über das Anschlußkabel 3 mit einer Auswerteeinheit 4 verbunden, welche in einfachster Weise aus einer Trägerfrequenz-Elektronik 4.1 mit nachgeschalteter Anzeige-Elektronik 4.2 besteht. Durch die Schaltung der Meß- und Referenzinduktivität zu einer elektrischen Halbbrücke wird eine Kompensation der thermischen Fehlereinflüsse erzielt. Um des weiteren auch eine gute thermische Nullpunktsfehler- sowie Empfindlich­ keitsfehlerkompensation zu erreichen, weist die magnetostriktive amorphe Metallschicht 1.4 eine achsparallele streifenförmige Struktur 1.4.1 nach Fig. 2a oder 1.4.2 nach Fig. 2b oder 1.4.3 nach Fig. 2c auf, so daß der magnetische Fluß in definierten Bahnen, unabhängig vom mechanischen Spannungszustand, geleitet wird. Obwohl die Querspannung des Druckkörpers größer ist als die Längsspannung, wird für die Messung des Druckes über die mechanische Spannung in der achsparallelen Struktur der Metallschicht 1.4 nur die mechanische Längsspannung ausgenutzt. Die daraus resultierende etwas geringere Empfindlichkeit 7 des Sensors wird durch dessen einfacheren konstruktiven Aufbau und die gute thermische Fehlerkompensation gerechtfertigt.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Drucksensors ist es möglich, ein einziges Sensorteil 2 als "Sensorkopf" für beliebig viele Druckkörper 1 zu verwenden, da die Sensierung der Metallschicht 1.4 berührungslos erfolgt, d. h., es kann mit einem einzigen Sensorteil 2 eine Vielzahl von Meßstellen nach Bedarf abgefragt werden, wenn diese Meßstellen mit einem fest installierten Druckkörper 1 ausgestattet sind. Ferner ist es möglich, durch unterschiedliche Wandstärken des rohrförmigen Flanschteils 1.1 auch unterschiedlichen Drücken an völlig verschiedenen Meßstellen gerecht zu werden und trotzdem alle Druckmeßstellen bei Bedarf mit nur einem Sensorteil 2 mit Auswerteeinheit 4 nach dem aktuell vorhandenen Druckzustand abzufragen. Darüber hinaus kann man als Einzelsensor ein Sensorteil 2 mit diversen Druckkörpern 1 unterschiedlicher Wandstärken des rohrförmigen Flanschteils anbieten, mit welchen man dann eine sehr große Meßbereichsspanne preisgünstig erfassen kann.

Der Aufbau des Sensorteils 2 mit einem magnetisch geschlossenen Meß- und Referenzkreis ermöglicht somit eine elektromagnetisch störsichere und von thermischen Fehlereinflüssen weitgehend ungestörte Arbeitsweise des Drucksensors.

Claims (8)

1. Drucksensor, welcher einen zu messenden Druck in eine entsprechende elektrische Größe umwandelt, bestehend als einem mit dem zu messenden Druck verbindbaren Druckkörper - welcher als ein eine Sacklochausnehmung mit Bodenteil als Druckkammer aufweisendes rohrförmiges Flanschteil ausgebildet ist, dessen die Druckkammer bildendes und unter dem Einfluß des Druckes elastisch verformbares Metallteil weich­ magnetische Eigenschaften aufweist - sowie einem zum Sensieren einer beim Verformen auftretenden Permeabilitätsänderung in dem Metallteil dienenden Sensorteil - welches als Gehäuseteil mit einer topfförmigen Ausnehmung ausgebildet und koaxial und mit radialem Abstand das Flanschteil umgebend an diesem angeordnet ist - mit mit einer Auswerteinheit verbindbaren Spulen, wobei die die Sacklochausnehmung umgebende Spule als Meßspule und die andere als Referenzspule dient, dadurch gekennzeichnet,
daß das Flanschteil (1.1) nichtmagnetisch ausgebildet ist und an seinem Außenumfang mindestens über eine Teillänge (a; b) der Sacklochausnehmung (1.2) und des Bodenteils (1.3) als Metallteil eine strukturierte, amorphe und magnetostriktive Metallschicht (1.4) trägt,
daß die topfförmige Ausnehmung (2.1.1) des weichmagnetischen Gehäuseteils (2.1) an ihren Enden und in der Mitte mit je einer das Flanschteil (1.1) umschließenden, ebenfalls weich­ magnetischen Lochscheibe (2.5, 2.6; 2.7) versehen ist - wobei die mittlere Lochscheibe (2.7) im Übergangsbereich der Sacklochausnehmung (1.2) in das Bodenteil (1.3) liegt - und in den so gebildeten zwei Kammern (2.8, 2.9) die beiden Spulen (2.2, 2.3) im Gehäuseteil (2.1) angeordnet sind, wobei die Referenzspule (2.3) das Bodenteil (1.3) umgibt.

2. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in der topfförmigen Ausnehmung (2.1.1) angeordneten Lochscheiben (2.5, 2.6; 2.7) mit dem Gehäuseteil (2.1) einstückig ausgebildet sind.

3. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die topfförmige Ausnehmung (2.1.1) von einer weich­ magnetischen Hülse (2.4) ausgekleidet ist, an welcher die Lochscheiben (2.5, 2.6; 2.7) angebracht sind.

4. Drucksensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (2.4) in Achsrichtung des Drucksensors einen durchgehenden Längsschlitz (2.4.1) aufweist.

5. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht (1.4) eine bezüglich der Achsrichtung des Drucksensors achsparallele streifenförmige Struktur (1.4.1, 1.4.2, 1.4.3) aufweist.

6. Drucksensor nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (2.4) und die Lochscheiben (2.5, 2.6; 2.7) zur Erzeugung besonders guter weichmagnetischer Eigenschaften mit einer amorphen, hochpermeablen und nichtmagnetostriktiven Beschichtung versehen sind.

7. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtmagnetische Flanschteil (1.1) aus einer Federstahllegierung besteht.

8. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßspule (2.2) und die Referenzspule (2.3) elektrisch zu einer Halbbrücke verschaltet sind und über ein Anschlußkabel (3) mit der Auswerteeinheit (4,4.1, 4.2) verbindbar sind.