DE4118824A1 - Drucksensor - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Drucksensor und sie betrifft
im einzelnen einen Drucksensor zur Verwendung in einem
Verbrennungsmotor für Automobile, in dem zwischen einer
biegsamen Membran und einer Druckmeßvorrichtung eine den
Druck übertragende Flüssigkeit eingefüllt ist.
Fig. 5 stellt eine Ausführungsform eines üblichen
Drucksensors zum Messen des Gasdruckes innerhalb der
Verbrennungskammer eines Verbrennungsmotors dar. In Fig. 5
bezeichnet die Bezugsziffer 1 ein Gehäuse aus rostfreiem
Stahl, das an einem nicht dargestellten Verbrennungsmotor
angebracht werden kann, 2 bezeichnet eine Membran, die am
inneren oder unteren Ende des Gehäuses 1 angebracht ist, 3
bezeichnet einen elektrisch isolierenden Grundkörper, 4 ist
ein Befestigungsbett, das aus keramischem Material besteht
und mit dem Gehäuse 1 verbunden ist und die Bezugsziffer 5
bezeichnet ein Druck-Sensor-Element, das am
Befestigungsbett 4 befestigt ist. Das Druck-Sensor-Element
5 ist ein Dehnungs-Meßgerät, das aus einem
Silikon-Halbleiter besteht. Zwischen dem Drucksensorelement
5 und der flexiblen Membran 2 ist als druckübertragende
Flüssigkeit ein Silikonöl eingefüllt, das einen hohen
Siedepunkt aufweist.
Mit der Bezugsziffer 6 sind Anschlußklemmen bezeichnet, die
am Grundkörper 3 angebracht sind; 7 bezeichnet
Anschlußdrähte, welche die Anschlußklemmen 6 mit dem
Druck-Sensor-Element 5 verbinden, 8 bezeichnet einen im
Gehäuse 1 eingeschraubten Stopfen und mit der Bezugsziffer
9 sind Ausgangsleitungen bezeichnet, die sich durch den
Stopfen 8 hindurch erstrecken und mit einem Ende an den
Anschlußklemmen 6 angeschlossen sind.
Der Druckanstieg innerhalb der Verbrennungskammer bewirkt,
daß die Membran 2 sich in Fig. 5 nach oben auswölbt und der
Druck im Silikonöl 10 vergrößert wird, was wiederum durch
das Drucksensorelement 5 erfühlt und gemessen wird. Das
Druck-Sensor-Element erzeugt danach ein elektrisches
Signal, das diesen Druckwechsel anzeigt und überträgt es
mit Hilfe der Anschlußdrähte 7, der Anschlußklemmen 6 und
der Ausgangsleitungen 9 auf einen nicht dargestellten
äußeren Schaltkreis zum Steuern des Zündzeitpunktes der
Zündkerzen entsprechend den Verbrennungsbedingungen
innerhalb der Verbrennungskammer.
Während der Montage des üblichen Drucksensors, wie er oben
beschrieben ist, werden der Grundkörper 3, auf dem die
Anschlußklemmen 6 befestigt sind und das Befestigungsbett
4, auf dem das Drucksensorelement 5 angeordnet ist, an der
Innenfläche des im wesentlichen tassen-förmigen Gehäuses 1
angebracht. Danach werden sowohl das Drucksensorelement 5
als auch die Anschlußklemmen 6 innerhalb des tassenförmigen
Gehäuses 1 verdrahtet, um sie auf diese Weise mit Hilfe der
Anschlußdrähte 7 elektrisch miteinander zu verbinden. Der
Verdrahtungsvorgang muß daher innerhalb des relativ engen
und schwer zugänglichen Raumes erfolgen, der innerhalb des
Gehäuses 1 besteht, wobei die Effektivität des
Montagevorganges ziemlich schlecht ist.
Da das Befestigungsbett 4, das das Drucksensorelement 5
trägt, mit dem Gehäuse 1 verschweißt wird, bewirkt die
Schweißhitze, die während der Montage zugeführt wird, daß
sich das Befestigungsbett 4 verzieht und deformiert, was
unerwünschte Wirkungen auf dem Drucksensorelement 5
hervorruft, die sich ihrerseits in Meßfehlern
niederschlagen können.
Das Drucksensorelement 5 bei einem üblichen Drucksensor ist
darüber hinaus einer extrem großen Temperaturdifferenz von
z. B. 800°C zwischen seinen beiden Hauptflächen unterworfen.
Während des Betriebes des Motors kann das
Drucksensorelement 5 auf der vom Druck beaufschlagten
Seite, auf der das Hochtemperatur-Silikonöl 5 mit ihm in
Berührung steht, auf eine erhöhte Temperatur aufgeheizt
werden, während die gegenüberliegende Hauptseite des
Elementes 5, die mit der Atmosphäre in Berührung ist, auf
einer relativ niedrigen Temperatur gehalten wird. Es ist
daher sehr schwierig, die Temperaturdifferenz am
Drucksensorelement 5 zu kompensieren.
Da die biegsame Membran 2 ferner mit ihrer Umfangskante am
unteren Ende oder an der relativ scharfen Kante des
Gehäuses 1 befestigt ist, wird die Membran stetig und
wiederholt an derselben Umfangskante verbogen, die vom
Gehäuse 1 getragen wird, wobei ein relativ kleiner
Krümmungsradius dann auftritt, wenn die Membran 2 sich
aufgrund des Druckes verwölbt. Die Membran ist auf diese
Weise einer wiederholten Biegung unterworfen und könnte
letztendlich zerstört werden.
Da das innere Volumen der Meß-Kammer, in der das
druckübertragende Silikonöl 10 eingefüllt ist, relativ groß
ist, wird eine große Menge von Silikonöl 10 benötigt und
die thermische Ausdehnung dieses Öls ist groß, so daß
Fehler in der Druckmessung entstehen können. Es ist daher
wünschenswert, daß das innere Volumen der Meßkammer
erheblich verkleinert werden kann und zwar durch eine
einfache Maßnahme. Es ist ferner wünschenswert, daß eine
Maßnahme zum Kompensieren der thermischen Ausdehnung der
druckübertragenden Flüssigkeit innerhalb der Meßkammer
vorgesehen wird, um auf diese Weise eine größere
Genauigkeit der Druckmessung zu erzielen.
Das druckübertragende Öl 10 ist dicht in die Meßkammer
eingefüllt, aber innerhalb des Öles entsteht oft ein Druck
und es ist unmöglich, diesen Druck dann abzulassen, wenn
der Sensor einmal zusammengebaut ist. Der Druck im
druckübertragenden Öl 10 bewirkt auf diese Weise eine
Vorspannung der biegsamen Membran 2.
Der Erfindung liegt mithin die Aufgabe zugrunde, einen
Drucksensor anzugeben, bei dem die Effektivität der Montage
verbessert ist. Gleichzeitig soll erreicht werden, daß das
Drucksensorelement weniger empfindlich für eine thermische
Verwindung des Befestigungsbettes ist. Schließlich soll ein
Drucksensor angegeben werden, bei dem die
Temperaturkompensation leicht ist.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht
darin, einen Drucksensor anzugeben, bei dem die
Temperaturkompensation möglich ist und bei dem die
Meßgenauigkeit hoch ist.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht
darin, einen Drucksensor anzugeben, in dem die biegsame
Membran eine hohe Lebensdauer hat, so daß der Drucksensor
eine lange Betriebszeit aufweist.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht
darin, einen Drucksensor anzugeben, in dem nur eine kleine
Menge eines druckübertragenden Öls benötigt wird.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht
darin, einen Drucksensor anzugeben, in dem nur eine kleine
Menge eines druckübertragenden Öles benötigt wird und der
eine erhöhte Meßgenauigkeit aufweist.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht
darin, einen Drucksensor anzugeben, in dem die thermische
Ausdehnung der den Druck übertragenden Flüssigkeit
innerhalb der Meßkammer kompensiert werden kann.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht
darin, einen Drucksensor anzugeben, in dem der Druck der
druckübertragenden Flüssigkeit eingestellt werden kann.
Im Hinblick auf die obigen Aufgaben umfaßt der Drucksensor
nach der vorliegenden Erfindung einen hohlen Hauptkörper,
durch den hindurch sich eine Bohrung erstreckt und der ein
Meßende und ein Ausgangsende hat. Innerhalb der Bohrung des
Hauptkörpers ist eine Druckmeßvorrichtung angeordnet, die
die Bohrung in eine Meßkammer zum Übertragen des mit Hilfe
der Druckmeßvorrichtung zu messenden Druckes unterteilt
sowie in eine Ausgangskammer, durch die hindurch die
Ausgangssignale von der Druckmeßvorrichtung ausgeleitet
werden. Der Drucksensor umfaßt ferner eine biegsame
Membran, die am Meßende der Bohrung des Hauptkörpers
angebracht ist, um die Meßkammer abzudichten sowie eine
druckübertragende Flüssigkeit, die in die Meßkammer
eingefüllt ist. Die Druckmeßvorrichtung umfaßt eine
Abstützeinheit, die aus einem Befestigungsbett bestehen
kann, das abdichtend am Hauptkörper befestigt ist, einem
Druckmeßelement, das wirkungsmäßig an der Abstützeinheit
angebracht ist und innerhalb der Meßkammer des Hauptkörpers
liegt sowie eine Signalleitung, die mit dem Druckmeßelement
verbunden ist und sich abgedichtet durch die Abstützeinheit
von der Meßkammer zur Ausgangskammer hindurcherstreckt.
Das Druckmeßelement kann innerhalb des druckübertragenden
Mediums angeordnet sein und das Druckmeßelement kann eine
Verbindungsfläche haben, an der es abdichtend mit der
Abstützeinheit verbunden ist sowie eine druckbeaufschlagte
Fläche, die der Abstützeinheit abgewandt ist. Das
Befestigungsbett kann ein Volumen aufweisen, das ausreicht,
das Volumen der Meßkammer wirkungsvoll herabzusetzen, die
ihrerseits mit dem druckübertragenden Medium gefüllt wird.
Die Meßkammer kann eine erste Kammer aufweisen, in der die
Druckmeßvorrichtung aufgenommen ist sowie eine zweite
Kammer, in die hinein sich die biegsame Membran dann
verbiegen kann, wenn ein Druck auf sie ausgeübt wird und
eine im Durchmesser verminderte Flüssigkeitspassage, die
die erste und zweite Kammer miteinander verbindet.
Alternativ kann das Meßende der Bohrung, längs deren sich
die biegsame Membran verformt, wenn sie einem Druck
unterworfen wird, eine geneigte Kantenfläche aufweisen, um
die Konzentration der Biegung der Membrane abzumildern. Die
Meßkammer ist mit einem Abstandshalter verbunden, mit
dessen Hilfe das Volumen der Meßkammer so herabgesetzt
wird, daß ein Rohr oder ein sich bei Wärme
zusammenziehendes Material mit einem negativen
Wärmeausdehnungskoeffizienten, wie z. B. eine
Eisen-Platin-Legierung, zum Absorbieren der thermischen
Ausdehnung des den Druck übertragenden Mediums.
Um das Volumen der Meßkammer nach der Montage einstellbar
zu verändern, ist am Hauptkörper ein Volumeneinsteller
angebracht, der eine Gewindebohrung umfassen kann, die im
Hauptkörper ausgebildet ist und die mit der Meßkammer in
Verbindung steht sowie eine Einstellschraube, die in dem
Gewindeloch eingeschraubt ist, wobei die Einstellschraube
ihre axiale Lage dann verändert, wenn sie in dem
Gewindeloch verdreht wird.
Anhand der beigefügten Zeichnungen werden nun bevorzugte
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben,
wobei aus der nachfolgenden genauen Beschreibung
Einzelheiten der Erfindung noch klarer hervortreten werden.
Es zeigen:
Fig. 1 ist eine Längsschnittansicht einer Ausführungsform
des Drucksensors nach der Erfindung;
Fig. 2 ist eine vergrößerte Teilschnittansicht der
Halbleiter-Druckmeßvorrichtung, wie sie in Fig. 1
dargestellt ist;
Fig. 3 ist eine Längsschnittansicht einer weiteren
Ausführungsform des Drucksensors nach der
Erfindung;
Fig. 4 ist eine Längsschnittansicht einer weiteren
Ausführungsform des Drucksensors nach der
Erfindung; und
Fig. 5 ist eine Längsschnittansicht eines üblichen
Drucksensors.
Fig. 1 stellt einen Drucksensor nach der vorliegenden
Erfindung dar, der einen im wesentlichen zylindrischen,
metallischen Hauptkörper 11 mit einem unteren
Gewindeabschnitt 12 und einem im wesentlichen
tassenförmigen oberen Abschnitt 13 umfaßt. Im Hauptkörper
11 ist eine Mittelbohrung 14 eingeformt, die sich durch die
gesamte Länge des Hauptkörpers 11 hindurcherstreckt. Die
Mittelbohrung 14 hat in ihrem Mittelabschnitt eine Schulter
15, auf der eine Druckmeßvorrichtung 16 hermetisch
abdichtend angebracht ist. Die Druckmeßvorrichtung 16
unterteilt die Mittelbohrung 14 in eine Meßkammer 17, durch
die hindurch ein Druck innerhalb des nicht dargestellten
Verbrennungsmotors zur Druckmeßvorrichtung 16 übertragen
wird und eine Ausgangskammer 18, durch die hindurch ein
Ausgangssignal von der Druckmeßvorrichtung 16 zu einem
nicht dargestellten äußeren Schaltkreis abgeleitet wird.
Der Drucksensor umfaßt ferner eine flexible Membran 19, die
am Meßende 20 der Meßkammer 17 des Hauptkörpers 11
angebracht ist, um auf diese Weise die Meßkammer 17
abzudichten, welche ihrerseits mit dem druckübertragenden
Medium 21 gefüllt ist, das eine geeignete Flüssigkeit, wie
z. B. Silikonöl, sein kann.
Die Druckmeßvorrichtung 16 gemäß der vorliegenden Erfindung
umfaßt eine Tragplatte 24 aus Kohlenstoff-Stahl, die
dichtend an der Schulter 15 des Hauptkörpers, z. B. durch
Schweißen, angebracht ist. An der Tragplatte 24 ist ein
keramisches Befestigungsbett 25 angebracht und an diesem
Befestigungsbett 25 ist ein Halbleiter-Druckmeßelement 26
befestigt. Wie dies aus Fig. 2 hervorgeht, ist das
Druckmeßelement 26 an der Tragplatte 24 an der Seite
angebracht, die zur Meßkammer weist und es liegt mithin
innerhalb der Meßkammer 17 und ist vom druckübertragenden
Medium 21 umgeben. Das Druckmeßelement 26 ist daher nicht
direkt der atmosphärischen Temperatur ausgesetzt, die sehr
ungleichmäßig ist, so daß das Druckelement von der
Umgebungs-Lufttemperatur nicht beeinflußt wird und die
Temperatur-Kompensation des Drucksensors sehr leicht ist.
Das Druckmeßelement 26 hat eine Verbindungsfläche 27, an
der es abdichtend an der Tragplatte 24 verbunden ist sowie
eine Druckbeaufschlagungsfläche 28, die mit dem
druckübertragenden Medium 21 in Berührung steht. Die
Verbindungsfläche 27 hat in ihrem Mittelabschnitt eine
evakuierte Vertiefung, so daß sich das Druckmeßelement 26
unter dem Druck verbiegen kann, der auf die
druckbeaufschlagte Fläche 28 aufgebracht wird. Relativ
steife elektrische Signalleitungen 30 sind mit dem
Druckmeßelement 26 über Verbindungsdrähte 31 verbunden und
erstrecken sich von der Meßkammer 17 durch die Trageplatte
24 hindurch zur Ausgangskammer 18. Die Signalleitungen 30
sind mit Hilfe von geeigneten Dichtmitteln 32 in der
Trageplatte 24 abgedichtet.
Während der Herstellung des Drucksensors kann die
Druckmeßvorrichtung 16 als eine Einheit außerhalb des
Hauptkörpers 11 zusammengebaut werden und sie kann
innerhalb des Hauptkörpers 11 an der Trageplatte 24, z. B.
durch einen Schweißvorgang, angebracht werden. Das heißt,
daß die Druckmeßvorrichtung 16 durch Anbringen des
Halbleiter-Druckmeßelements 26 am Befestigungsbett 25
hergestellt werden känn, das wiederum seinerseits mit der
Trageplatte 24 verbunden wird, worauf die steifen
Signal-Ausgangsleistungen 30 mit Hilfe des Dichtmittels 32
fest mit der Trageplatte 24 verbunden werden und zwar so,
daß ihre inneren Enden nahe bei dem Druckmeßelement 26
liegen, worauf die Verbindungsdrähte 31 sowohl mit dem
Druckemßelement 26 als auch mit den
Ausgangs-Signalleitungen 30 verbunden werden, wodurch die
Druckmeßvorrichtung 16 als unabhängige Einheit
zusammengebaut worden ist. Diese so hergestellte
Druckmeßvorrichtung kann leicht innerhalb des äußeren
Abschnitts 13 des Hauptkörpers 11 mit Hilfe einer nicht
dargestellten Schweißung zwischen der Tragplatte 24 und dem
Schulterabschnitt 15 des Hauptkörpers 11 angeordnet und
befestigt werden. Der Verdrahtungsvorgang kann mithin
außerhalb des Hauptkörpers 11 ausgeführt werden.
Das Druckmeßelement 26 besteht beispielsweise aus einem
Silikon-Halbleiter (Wärme-Ausdehnungskoeffizient 4×
10-6) und wird von einem Befestigungsbett 25 getragen,
das aus Keramik besteht (Wärmeausdehnungskoeffizient 8×
10-6). Das Befestigungsbett 25 ist am Hauptkörper 11 aus
rostfreiem Stahl befestigt (Wärmeausdehnungskoeffizient:
16,4×10-6), und zwar mit Hilfe der Tragplatte 24, die
aus Kohlenstoffstahl besteht (Wärmeausdehnungskoeffizient
11×10-6). Die Verwindung oder Deformation des
keramischen Befestigungsbettes 25, die durch die Hitze
erzeugt wird, die während des Schweißvorganges oder die
Arbeitsweise des Verbrennungsmotors erzeugt wird, und die
das Druckmeßelement 26 unerwünscht beansprucht, wird auf
diese Weise wesentlich herabgesetzt.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 umfaßt die Meßkammer
17 eine erste Kammer 34 zum Aufnehmen der
Druckmeßvorrichtung 16, eine zweite Kammer 35, die eine
Biegung der flexiblen Membran 19 durch den Druck in der
Verbrennungskammer des nicht dargestellten
Verbrennungsmotors ermöglicht und eine relativ enge,
durchmesserreduzierte Passage 36, die eine
Flüssigkeitsverbindung zwischen der ersten und zweiten
Kammer 34, 35 herstellt. Der Innendurchmesser der Passage
36 kann etwa 1 mm betragen. Das Halbleiter-Druckmeßelement
26 ist so am Befestigungsbett 25 befestigt, daß seine
druckbeaufschlagte Fläche 28 vom Befestigungsbett 25
entfernt ist und daß die evakuierte Ausnehmung 29 auf das
Befestigungsbett 26 zuweist. Die Verbindungsfläche 27 wird
daher durch den Druck vom Silikonöl 21 gegen das
Befestigungsbett 25 gedrückt, so daß die Verbindungsfläche
27 rund um die evakuierte Ausnehmung 29 relativ klein
gemacht werden kann; auf diese Weise kann die evakuierte
Ausnehmung 29 oder der wirksame Druckmeßbereich des
Druckmeßelements 26 bei einem Element mit gegebenem
Außendurchmesser relativ groß gemacht werden, wodurch die
Empfindlichkeit des Druckmeßelementes 26 vergrößert wird.
Die durchmesserreduzierte Passage 36 dient dazu, das
Volumen der Meßkammer 17 wesentlich zu vermindern und damit
auch das Volumen des Silikonöls 21, wodurch ein
unerwünschtes Ansteigen des Druckes im Silikonöl 21
aufgrund der thermischen Expansion bei einem
Temperaturanstieg wesentlich herabgesetzt wird. In diesem
Sinne wirkt der dicke zylindrische Innenabschnitt 12 rund
um die enge Passage 36 dahingehend, das Volumen dieser
Meßkammer 17 herabzusetzen.
Fig. 3 stellt eine weitere Ausführungsform des Drucksensors
nach der Erfindung dar, die im wesentlichen denselben
Aufbau hat wie er in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist, die
sich von dieser Ausführungsform aber in einigen Punkten
unterscheidet. Einer von diesen Unterschieden besteht
darin, daß ein tassenförmiges Teil 40 in den äußeren,
tassenförmigen Abschnitt 41 des Hauptkörpers 42
eingeschraubt ist. Das tassenförmige Teil 40 hat ein Loch
43, durch das sich die Signalleitungen 30 zum äußeren
Anschluß hindurcherstrecken können. Ferner hat die
Meßkammer 44 eine unterschiedliche Form. Die Meßkammer 44
umfaßt eine erste Kammer 45, in der die Druckmeßvorrichtung
46 angeordnet ist, eine zweite Kammer 47, die es
ermöglicht, daß sich die flexible Membran 48 verbiegt und
eine Flüssigkeitspassage 49, die die erste und zweite
Kammer 45, 47 miteinander verbindet. Die
Druck-Meßvorrichtung 46 hat ein großes Befestigungsbett 50
zum Abstützen des Halbleiter-Druckmeßelementes 51. Das
Befestigungsbett 50 füllt einen wesentlichen Teil der
ersten Kammer 45 und hat ein Volumen, das ausreicht, das
Volumen der Meßkammer 44 wirkungsvoll herabzusetzen, die
ihrerseits mit dem den Druck übertragenden Medium 21
gefüllt ist. Das Befestigungsbett 50 hat Durchgangslöcher
52, durch die die Signalleitungen 30 sich
hindurcherstrecken können.
Ein weiterer Unterschied besteht darin, daß innerhalb der
relativ engen Flüssigkeitspassage 49, die zwischen der
ersten und zweiten Kammer 45, 47 ausgebildet ist, ein
Metallrohr 53 fest eingesetzt ist. Das Metallrohr kann
einen Außendurchmesser von ungefähr 3 mm und einen
Innendurchmesser von ungefähr 1 mm haben. Das Metallrohr 53
wirkt in der Richtung, daß das innere Volumen der Meßkammer
44 dann leicht vermindert werden kann, wenn es schwierig
ist, eine enge Flüssigkeitspassage 49 im Hauptkörper 42 des
Drucksensors auszubilden.
Die zweite Kammer 47 hat ein Meß-Ende 54 oder eine
Umfangskante der Bohrung, längs deren die biegsame Membran
48 zum Beispiel durch einen Schweißvorgang befestigt ist,
wobei sich die Membran durchbiegt, wenn sie einem Druck
ausgesetzt wird. Die Meßkante 54 ist eine flach geneigte
Kantenfläche, um die Biege-Konzentration der Membran 48
abzumildern und bei der dargestellten Ausführungsform ist
die zweite Kammer 47 im wesentliche flach konisch
ausgebildet. Wenn ein Druck auf die Membran 48 ausgeübt
wird, verbiegt sie sich längs der leicht geneigten Fläche
54, so daß der Krümmungsradius des gebogenen Abschnittes
der Membran 48 groß genug gehalten wird. Wenn die Membran
48 um eine rechtwinklige Kante gebogen wird, wie dies in
Fig. 1 dargestellt ist, und wenn die Verbiegung der Membran
48 stets an derselben Stelle wiederholt wird und ferner um
einen kleinen Krümmungsradius herum ausgeführt wird, so daß
in der Membran 48 eine Metallermüdung auftreten kann, dann
sinkt die Lebensdauer des Drucksensors.
Fig. 4 stellt noch eine weitere Ausführungsform des
Drucksensors nach der Erfindung dar, bei der ein
ringförmiger Abstandshalter 60 aus Material mit einem
negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten innerhalb der
Meßkammer 61 angebracht ist, mit dessen Hilfe die
Wärmeausdehnung des Druckübertragungsmediums 21 absorbiert
wird, das in die Meßkammer 61 eingefüllt ist. Das sich bei
Wärmezuführung zusammenziehende Material des
Abstandshalters 60 kann eine Legierung aus Eisen und Platin
sein. Dieser Abstandshalter dient nicht nur als Mittel zum
Vermindern des Volumens der Meßkammer 61, sondern auch
dazu, die thermische Ausdehnung der druckübertragenden
Flüssigkeit 21 dadurch zu absorbieren, daß diese Ausdehnung
durch die thermische Zusammenziehung des sich bei
Wärmezufuhr zusammenziehenden Abstandshalters
60 zu kompensieren, so daß der Flüssigkeitsdruck im
wesentlichen konstant gehalten werden kann, und zwar selbst
dann, wenn Temperaturänderungen auftreten; auf diese Weise
werden sowohl die Zuverlässigkeit als auch die
Meßgenauigkeit des Drucksensors verbessert.
Aus Fig. 4 geht ferner hervor, daß eine Einstellschraube 62
beweglich am Hauptkörper 11 angebracht ist, um eine
Einstellmöglichkeit für ein veränderbares Volumen in der
Meßkammer 61 zu schaffen. Die Einstellschraube 62 ist in
eine Gewindebohrung 63 eingeschraubt, die im Hauptkörper 11
eingeformt ist und mit der Meßkammer 61 in Verbindung
steht. Die Gewindebohrung umfaßt einen zylindrischen
Abschnitt 64 mit großem Durchmesser, der mit der
Gewindebohrung 63 konzentrisch ist und die Einstellschraube
62 umfaßt einen Einstellkolben 65, der verschiebbar im
zylindrischen Abschnitt 64 mit dem großen Durchmesser liegt
und mit der Innenwand dieses Abschnittes über einen O-Ring
66 in Verbindung steht. Durch Drehen der Einstellschraube
62 kann der Druck in der druckübertragenden Flüssigkeit 21
innerhalb der Meßkammer 61 eingestellt werden, um auf diese
Weise sicherzustellen, daß kein unerwünschter
Vorspannungsdruck in der Flüssigkeit 21 herrscht, wodurch
die Genauigkeit und die Zuverlässigkeit des Drucksensors
verbessert wird.
Claims (19)
1. Drucksensor, gekennzeichnet durch
einen hohlen Hauptkörper (11, 42) mit einer sich durch ihn hindurch erstreckenden Bohrung und einem Meßende (20, 54) und einem Ausgangsende (18);
eine Druckmeßvorrichtung (16, 46), die in der Bohrung des Hauptkörpers (11, 42) liegt und diese Bohrung in eine Meßkammer (17, 44) zum Übertragen des durch die Meßvorrichtung zu messenden Druckes und in eine Ausgangskammer unterteilt, durch welche ein Ausgangssignal von der Druckmeßvorrichtung (16, 46) ausgeleitet wird;
eine am offenen Ende der Meßkammer (17, 44) des Hauptkörpers (11) angebrachte flexible Membran (19, 48) zum Abdichten der Meßkammer; und
ein druckübertragendes Medium (10, 21), das in die Meßkammer (17, 44) eingefüllt ist, wobei die Druckmeßvorrichtung (16, 46) aus folgenden Teilen besteht:
Tragemittel (24), die dichtend im Hauptkörper (11) angebracht sind;
ein Druckmeßelement (26, 51), das wirkungsmäßig am Tragemittel (24) angebracht ist und innerhalb der Meßkammer (17, 44) des Hauptkörpers (11) liegt;
eine Signalleitung (30), die mit dem Druckmeßelement (26, 51) verbunden ist und sich durch die Tragemittel (24) von der Meßkammer (17, 44) in die Ausgangskammer (18) hindurch erstreckt, wobei diese Signalleitung gegenüber dem Tragemittel (24) abgedichtet ist.
einen hohlen Hauptkörper (11, 42) mit einer sich durch ihn hindurch erstreckenden Bohrung und einem Meßende (20, 54) und einem Ausgangsende (18);
eine Druckmeßvorrichtung (16, 46), die in der Bohrung des Hauptkörpers (11, 42) liegt und diese Bohrung in eine Meßkammer (17, 44) zum Übertragen des durch die Meßvorrichtung zu messenden Druckes und in eine Ausgangskammer unterteilt, durch welche ein Ausgangssignal von der Druckmeßvorrichtung (16, 46) ausgeleitet wird;
eine am offenen Ende der Meßkammer (17, 44) des Hauptkörpers (11) angebrachte flexible Membran (19, 48) zum Abdichten der Meßkammer; und
ein druckübertragendes Medium (10, 21), das in die Meßkammer (17, 44) eingefüllt ist, wobei die Druckmeßvorrichtung (16, 46) aus folgenden Teilen besteht:
Tragemittel (24), die dichtend im Hauptkörper (11) angebracht sind;
ein Druckmeßelement (26, 51), das wirkungsmäßig am Tragemittel (24) angebracht ist und innerhalb der Meßkammer (17, 44) des Hauptkörpers (11) liegt;
eine Signalleitung (30), die mit dem Druckmeßelement (26, 51) verbunden ist und sich durch die Tragemittel (24) von der Meßkammer (17, 44) in die Ausgangskammer (18) hindurch erstreckt, wobei diese Signalleitung gegenüber dem Tragemittel (24) abgedichtet ist.
2. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Tragemittel (24) eine Platte umfassen, die
hermetisch dichtend am Hauptkörper (11) angeschweißt
ist sowie ein Befestigungsbett, das an der Trageplatte
(24) zum Abstützen des Druckmeßelemtentes (26, 51)
angebracht ist.
3. Drucksensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das Trageteil (24) aus einem Material besteht, das
einen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, der zwischen
demjenigen des Hauptkörpers (11) und des
Befestigungsbettes (25) liegt.
4. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Druckmeßelement (26, 51) innerhalb des den
Druck übertragenden Mediums (10, 21) liegt.
5. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Druckmeßelement (26, 51) innerhalb des den
Druck übertragenden Mediums (10, 21) liegt, daß das
Druckmeßelement eine Verbindungsfläche (27) hat, an
der es mit dem Tragmittel (24) hermetisch anliegend
verbunden ist sowie eine druckbeaufschlagte Fläche
(28), die auf der dem Tragmittel (24)
gegenüberliegenden Seite angeordnet ist.
6. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Druckmeßelement (26, 51) innerhalb des den
Druck übertragenden Mediums (10, 21) liegt und daß das
Tragmittel (24) eine Platte umfaßt, die hermetisch
abdichtend am Hauptkörper (11) angeschweißt ist sowie
ein Befestigungsbett, das an der Platte zum Abstützen
des Druckmeßelementes (26, 51) befestigt ist, wobei
das Befestigungsbett (25) ein Volumen hat, das
ausreicht, um das Volumen der Meßkammer (17, 44)
wirksam herabzusetzen, das seinerseits mit dem den
Druck übertragenden Medium (10, 21) zu fülllen ist.
7. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Meßkammer (17, 44) eine erste Kammer (34) zum
Aufnehmen der Druckmeßvorrichtung (26, 51) hat sowie
eine zweite Kammer (35), in die hinein sich die
biegsame Membran (19, 48) dann verbiegen kann, wenn
ein Druck auf sie einwirkt sowie eine im Durchmesser
verminderte Flüssigkeitspassage (36), die die erste
und zweite Kammer (34, 35) miteinander verbindet.
8. Drucksensor, gekennzeichnet durch
einen hohlen Hauptkörper (11), der eine Bohrung (17, 44) aufweist, die sich durch ihn hindurcherstreckt und ein Meßende (20, 54) und ein Ausgangsende (18) aufweist;
eine Druckmeßvorrichtung (16, 46), die innerhalb der Bohrung des Hauptkörpers liegt und diese Bohrung in eine Meßkammer (35, 47) einschl. des Meßendes (20, 54) unterteilt, in der der zu messende Druck übertragen wird und eine Ausgangskammer (18) einschl. des Ausgangsendes, durch die hindurch ein Signal von der Druckmeßvorrichtung (16, 46) abgeführt werden kann;
eine biegsame Membran (19, 48), die am Meßende (20, 54) der Meßkammer (35, 47) des Hauptkörpers (11) angebracht ist, um diese Meßkammer dichtend abzuschließen; und ein druckübertragendes Medium (10, 21), das in die Meßkammer (35, 47) eingefüllt ist;
wobei das Meßende (20, 54) der Bohrung, längs dessen die biegsame Membran (19, 48) gebogen wird, wenn sie einem Druck unterworfen wird, eine geneigte Kantenfläche aufweist, mit deren Hilfe die Konzentration der Biegung der Membran vermindert wird.
einen hohlen Hauptkörper (11), der eine Bohrung (17, 44) aufweist, die sich durch ihn hindurcherstreckt und ein Meßende (20, 54) und ein Ausgangsende (18) aufweist;
eine Druckmeßvorrichtung (16, 46), die innerhalb der Bohrung des Hauptkörpers liegt und diese Bohrung in eine Meßkammer (35, 47) einschl. des Meßendes (20, 54) unterteilt, in der der zu messende Druck übertragen wird und eine Ausgangskammer (18) einschl. des Ausgangsendes, durch die hindurch ein Signal von der Druckmeßvorrichtung (16, 46) abgeführt werden kann;
eine biegsame Membran (19, 48), die am Meßende (20, 54) der Meßkammer (35, 47) des Hauptkörpers (11) angebracht ist, um diese Meßkammer dichtend abzuschließen; und ein druckübertragendes Medium (10, 21), das in die Meßkammer (35, 47) eingefüllt ist;
wobei das Meßende (20, 54) der Bohrung, längs dessen die biegsame Membran (19, 48) gebogen wird, wenn sie einem Druck unterworfen wird, eine geneigte Kantenfläche aufweist, mit deren Hilfe die Konzentration der Biegung der Membran vermindert wird.
9. Drucksensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die Meßkammer (20, 54) eine erste Kammer (34)
aufweist, in der die Druckmeßvorrichtung (16, 46)
angeordnet ist, eine zweite Kammer (47), in die hinein
sich die biegsame Membran (19, 48) dann verbiegt, wenn
ein Druck auf sie einwirkt und eine
Flüssigkeitspassage (36, 49) zum Verbinden der ersten
und zweiten Kammer.
10. Drucksensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die zweite Kammer im wesentlichen konisch geformt
ist.
11. Drucksensor, gekennzeichnet durch
einen hohlen Hauptkörper (11), durch den hindurch sich eine Bohrung erstreckt und der ein Meßende (20, 54) und ein Ausgangsende (18) hat;
eine Druckmeßvorrichtung (16, 46), die innerhalb der Bohrung des Hauptkörpers (11) angeordnet ist und diese Bohrung in eine Meßkammer (17, 44) einschl. des Meßendes (20, 54) zum Übertragen des zu messenden Druckes unterteilt sowie in eine Ausgangskammer (18) einschl. des Ausgangsendes, durch die hindurch ein Signal von der Druckmeßvorrichtung abgeführt werden kann;
eine biegsame Membran (19, 48), die am Hauptkörper (11) am Meßende (20, 54) der Meßkammer angebracht ist, um diese Meßkammer dichtend abzuschließen;
ein druckübertragendes Medium (10, 21), das in die Meßkammer eingefüllt ist; und
Mittel, die in der Meßkammer liegen, um das Volumen der Meßkammer zu vermindern.
einen hohlen Hauptkörper (11), durch den hindurch sich eine Bohrung erstreckt und der ein Meßende (20, 54) und ein Ausgangsende (18) hat;
eine Druckmeßvorrichtung (16, 46), die innerhalb der Bohrung des Hauptkörpers (11) angeordnet ist und diese Bohrung in eine Meßkammer (17, 44) einschl. des Meßendes (20, 54) zum Übertragen des zu messenden Druckes unterteilt sowie in eine Ausgangskammer (18) einschl. des Ausgangsendes, durch die hindurch ein Signal von der Druckmeßvorrichtung abgeführt werden kann;
eine biegsame Membran (19, 48), die am Hauptkörper (11) am Meßende (20, 54) der Meßkammer angebracht ist, um diese Meßkammer dichtend abzuschließen;
ein druckübertragendes Medium (10, 21), das in die Meßkammer eingefüllt ist; und
Mittel, die in der Meßkammer liegen, um das Volumen der Meßkammer zu vermindern.
12. Drucksensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß die Mittel zum Vermindern des Volumens und der
Meßkammer ein Befestigungsbett (25, 50) zum Abstützen
des Druckmeßelementes (26, 51) umfassen.
13. Drucksensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß die Mittel zum Herabsetzen des Volumens der
Meßkammer ein Rohr (53) umfassen, das in die Meßkammer
(44) eingesetzt ist.
14. Drucksensor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,
daß die Meßkammer eine erste Kammer (34) zum Aufnehmen
der Druckmeßvorrichtung (16, 46) umfaßt sowie eine
zweite Kammer (35, 47), in die hinein die biegsame
Membran (19, 48) sich dann verbiegen kann, wenn ein
Druck auf sie einwirkt sowie eine im Durchmesser
reduzierte Flüssigkeitspassage (36, 49), die die erste
und zweite Kammer (34, 35) miteinander verbindet,
wobei die durchmesserreduzierte Passage (35, 49) durch
das Rohr (53) gebildet ist.
15. Drucksensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß die Mittel zum Herabsetzen des Volumens der
Meßkammer eine Masse (60) eines sich bei Wärmezufuhr
zusammenziehenden Materials enthält, das einen
negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, um auf
diese Weise die thermische Ausdehnung des
druckübertragenden Mediums aufzunehmen.
16. Drucksensor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,
daß das sich bei Wärme zusammenziehende Material aus
einer Legierung von Eisen und Platin besteht.
17. Drucksensor, gekennzeichnet durch
einen hohlen Hauptkörper (11), durch den hindurch sich eine Bohrung (14, 36) erstreckt und der ein Meßende (20) und ein Ausgangsende (18) hat;
eine Druckmeßvorrichtung (16, 46), die innerhalb der Bohrung des Hauptkörpers (11) angeordnet ist und diese Bohrung in eine Meßkammer (35, 47) einschl. des Meßendes (20) zum Übertragen des zu messenden Druckes unterteilt sowie in eine Ausgangskammer (18) einschl. des Ausgangsendes, durch die hindurch ein Signal von der Druckmeßvorrichtung (16, 46) ausgeführt werden kann;
eine biegsame Membran (19, 48), die am Meßende der Meßkammer des Hauptkörpers angebracht ist, um die Meßkammer dichtend abzuschließen;
ein in die Meßkammer (35, 47) eingefülltes, druckübertragendes Medium (10, 21); und
Einstellmittel (62), die bewegbar im Hauptkörper (11) angeordnet sind, um eine Veränderung des Volumens der Meßkammer einzustellen.
einen hohlen Hauptkörper (11), durch den hindurch sich eine Bohrung (14, 36) erstreckt und der ein Meßende (20) und ein Ausgangsende (18) hat;
eine Druckmeßvorrichtung (16, 46), die innerhalb der Bohrung des Hauptkörpers (11) angeordnet ist und diese Bohrung in eine Meßkammer (35, 47) einschl. des Meßendes (20) zum Übertragen des zu messenden Druckes unterteilt sowie in eine Ausgangskammer (18) einschl. des Ausgangsendes, durch die hindurch ein Signal von der Druckmeßvorrichtung (16, 46) ausgeführt werden kann;
eine biegsame Membran (19, 48), die am Meßende der Meßkammer des Hauptkörpers angebracht ist, um die Meßkammer dichtend abzuschließen;
ein in die Meßkammer (35, 47) eingefülltes, druckübertragendes Medium (10, 21); und
Einstellmittel (62), die bewegbar im Hauptkörper (11) angeordnet sind, um eine Veränderung des Volumens der Meßkammer einzustellen.
18. Drucksensor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet,
daß die Einstellmittel eine Gewindebohrung (63)
umfassen, die im Hauptkörper (11) ausgebildet ist und
die mit der Meßkammer in Verbindung steht sowie eine
Einstellschraube (62), die in die Gewindebohrung (63)
eingeschraubt ist, wobei die Einstellschraube (62)
ihre axiale Lage dann ändert, wenn sie in der
Gewindebohrung (63) verdreht wird.
19. Drucksensor nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet,
daß die Gewindebohrung (63) einen zylindrischen
Abschnitt (64) mit großem Durchmesser aufweist, der
mit der Gewindebohrung (63) konzentrisch ist und daß
die Einstellschraube (62) einen Einstellkolben (65)
aufweist, der verschiebbar in dem zylindrischen
Abschnitt (64) mit großem Durchmesser sitzt.
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