DE3422945A1

DE3422945A1 - Sensor

Info

Publication number: DE3422945A1
Application number: DE19843422945
Authority: DE
Inventors: Wolfgang 7860 Schopfheim Geiger; Walter Dipl.-Phys. Dr. 7853 Steinen Kästel
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 1984-06-20
Filing date: 1984-06-20
Publication date: 1986-01-02
Also published as: SE454214B; JPS6182133A; GB2160651A; GB8515185D0; FR2566529B1; IT8521152A0; IT1185100B; DE3422945C2; SE8502941L; GB2160651B; SE8502941D0; FR2566529A1; CH668482A5; NL8501598A; JPH0445062B2; US4640135A

Description

PRINZ, LBISER. -BUNKE: & PARTNER Patentanwälte *.. Ei.'ro'peän Parent Attorneys

München Stuttgart 34229

19. Juni 1984

Endress u. Hauser GmbH u. Co.
Hauptstraße 1
7867 Maulburg

Unser Zeichen: E 1145

Sensor

Die Erfindung bezieht sich auf einen Sensor mit einem Gehäuse und wenigstens zwei Membranen, die ein mit einer Hydraulikflüssigkeit gefülltes Volumen einschließen.

Sensoren dieser Art werden insbesondere als Drucksensoren verwendet, wobei die Druckübertragung zwischen den Membranen hydraulisch mittels einer inkompressiblen Flüssigkeit erfolgt. Diese Ausbildung ist aus mehreren Gründen vorteilhaft. Bei einfachen Drucksensoren steht nur eine der beiden Membranen mit dem Medium in Berührung, dessen Druck gemessen werden soll, während die andere Membran von dem Medium getrennt ist und die Meßmembran bildet. Die beiden Membranen können mit unterschiedlicher Querschnittsfläche ausgebildet werden, wodurch eine Kraftoder Wegumsetzung erzielt wird. Bei Differenzdrucksensoren wirken die beiden Drücke, deren Differenz gemessen werden soll, jeweils auf eine der Membranen ein.

Lei/Ma

Bei bekannten Drucksensoren dieser Art erfolgt das Einbringen der Hydraulikflüssigkeit überlicherweise durch einen im Gehäuse angebrachten Einfüllkanal, der nach dem Einfüllen mittels Kugel und Schraube, durch eine Expanderdichtung oder auf ähnliche Weise verschlossen wird. Diese Lösung ist aufwendig und in vielen Anwendungsfällen nicht anwendbar oder ungünstig, zumal die Einfüllstelle höher liegen muß als das höchste Ölniveau zwischen den Membranen. Die Einfüllung der Hydraulikflüssigkeit muß von der Außenseite des Gehäuses aus erfolgen, also von einer Stelle aus, an der der Drucksensor eingeschraubt, eingepreßt oder auf andere Weise befestigt ist, so daß diese Stelle im eingebauten Zustand nicht mehr erreichbar ist. Ferner steht die Stelle/ an welcher der Einfüllkanal angebracht ist, oft mit dem Meßmedium in Verbindung, so daß der Einfüllkanal oder sein Verschluß korrosionsgefährdet ist. In vielen Fällen ist es auch gar nicht möglich, einen seitlichen Kanal am Gehäuse des Drucksensors anzubringen oder den Einfüllkanal so anzuordnen, daß das Einfüllen der Hydraulikflüssigkeit ohne die Gefahr von Lufteinschlüssen möglich ist.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Sensors der eingangs angegebenen Art mit einer sehr einfachen, auch unter schwierigen Einbaubedingungen gut zugänglichen Einrichtung zum Einfüllen der Hydraulikflüssigkeit ohne die Gefahr von Lufteinschlüssen.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zur Einfüllung der Hydraulikflüssigkeit eine Membran mit einer öffnung versehen ist und daß eine Kanüle flüssigkeitsdicht mit dem Rand der öffnung verbunden ist.

Der erfindungsgemäße Sensor unterscheidet sich von den bekannten Drucksensoren grundsätzlich dadurch, daß die Einrichtung zum Einfüllen der Hydraulikflüssigkeit nicht

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- foGehäuse, sondern an einer der Membranen angebracht ist. Dies ist ohne Nachteil für die Funktion und Festigkeit der Membran möglich, insbesondere wenn die Kanüle in der Mittelzone der Membran angebracht wird, die mechanisch wenig beansprucht wird. Bei einfachen Drucksensoren wird die Kanüle vorzugsweise an der nicht mit dem Meßmedium in Kontakt stehenden Meßmembran angebracht, so daß sie gegen Korrosion geschützt ist und auf der dem Meßmedium abgewandten Seite des Drucksensors liegt, wo sie gut zugänglich ist. Die Einrichtung zum Einfüllen der Hydraulikflüssigkeit ist sehr einfach und billig, da sie keine mechanische Bearbeitung des Gehäuses und keine aufwendigen Verschlußglieder erfordert. Ein wesentlicher Vorteil liegt dabei darin, daß die Öleinfüllstelle grundsätzlich über dem höchsten Punkt des ölraums liegt. Der Drucksensor nach der Erfindung weist den zusätzlichen Vorteil auf, daß das kraft- oder wegübertragende Glied als Kanüle benutzt werden kann.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Drucksensor nach der Erfindung und

Fig. 2 die beiden Hauptbestandteile des Drucksensors von Fig. 1 vor dem Zusammenbau.

Die Zeichnung zeigt als Beispiel einen Drucksensor 10, dessen Gehäuse als Einschraubstück 11 ausgebildet ist. Der untere, zylindrische Teil des Einschraubstücks 11 ist mit einem Außengewinde 12 versehen, mit dem das Einschraubstück 11 in eine Gewindeöffnung in der Wand eines Behälters eingeschraubt werden kann, in dem sich das Meßmedium befindet, dessen Druck mittels des Drucksensors gemessen werden soll. Der obere Teil des Einschraubstücks 11 ist als Sechskant 13 zum Ansetzen eines Schraubenschlüssels ausgebildet. Die Angaben "unten" und "oben" beziehen sich nur auf die Darstellung in der Zeichnung; der Drucksensor kann in jeder beliebigen Lage eingebaut werden, wobei in jedem Fall der Sechskant 13 außerhalb des Behälters liegt und die untere Stirnfläche des Einschraubstücks 11 dem Behälterinneren zugewandt ist.

Im Einschraubstück 11 ist eine axial durchgehende zentrale Ausnehmung 14 gebildet, die aus drei Abschnitten 15, 16 und 17 unterschiedlichen Durchmessers besteht (Fig. 2). Der obere Abschnitt 15 ist zylindrisch mit glatter Umfangswand und erstreckt sich von der oberen Stirnfläche über mehr als ein Drittel der Höhe des Einschraubstücks 11 und somit über mehr als die Hälfte der Höhe des Sechskantabschnitts 13. Daran schließt sich der zylindrische Abschnitt 16 an, der einen etwas größeren Durchmesser hat, so daß zwischen den Abschnitten 15 und 16 eine ringförmige Schulter 18 besteht. Die Umfangswand des Abschnitts 16 ist mit einem Innengewinde 19 versehen. Der Abschnitt 16 hat eine etwas größere axiale Ausdehnung als der Abschnitt 15, so daß er sich annähernd bis zur Höhe der Mitte des Gewindes 12 erstreckt. Der untere Abschnitt 17 der Ausnehmung 14, der den restlichen Teil des Einschraubstücks 11 bis zu dessen unterer Stirnfläche einnimmt, hat eine wesentlich geringere Höhe als

jeder der Abschnitte 15 und 16, aber einen beträchtlich größeren Durchmesser als der Abschnitt 16, so daß zwischen den beiden Abschnitten 16 und 17 eine verhältnismäßig breite ringförmige Schulter 20 besteht.

In das Innengewinde 19 des mittleren Abschnitts 16 ist ein Einsatz 21 eingeschraubt, der im wesentlichen die Abschnitte 16 und 17 der Ausnehmung 14 einnimmt und den von der Ausnehmung 14 gebildeten Durchlaß durch das Einschraubstück 11 druckdicht verschließt. Der Einsatz 21 besteht im wesentlichen aus einer Schraubfassung 22 und einer in die Schraubfassung 22 eingeschraubten Ölvorlage 23. Die Schraubfassung 22 hat eine zylindrische Umfangswand 24 und eine diametrale Trennwand 25, die den hohlen Innenraum der Schraubfassung in zwei ungleiche Abschnitte unterteilt. Eine zylindrische Bohrung 26 durchsetzt die Trennwand 25 koaxial zur Achse der Schraubfassung 22. An der Unterseite der Trennwand 25 ist koaxial zur Bohrung 26 eine flache zylindrische Ausnehmung 27 gebildet, die in der Mitte eine zylindrische Vertiefung 28 aufweist. Der Durchmesser der Ausnehmung 27 ist so groß, daß nur eine ringförmige Schulter 29 geringer Breite rings um den Rand der Unterseite der Trennwand 25 verläuft. Die sich von der Schulter 29 nach unten erstreckende Innenfläche der Umfangswand 24 der Schraubfassung 22 ist mit einem Innengewinde 30 versehen. Die Außenfläche der Umfangswand 24 ist über ihre ganze Höhe mit einem in das Innengewinde 19 des Abschnitts 16 einschraubbaren Außengewinde 31 versehen.

Die ölvorlage 23 besteht im wesentlichen aus zwei gewellten Membranen 32 und 33 und einem dazwischen angeordneten Zwischenkörper 34. Der Zwischenkörper 34 ist ein massives Metallteil, das zwei zylindrische Abschnitte 35 und 36 unterschiedlichen Durchmessers aufweist. Der untere zylin-

drische Abschnitt 35 des Zwischenkörpers 34 ist nach Umfang und Höhe genau in den untersten Abschnitt 17 der zentralen Ausnehmung 14 eingepaßt. Der sich nach oben anschließende zylindrische Abschnitt 35 von kleinerem Durchmesser hat ein Außengewinde 37, das in das Innengewinde 30 der Schraubfassung 22 einschraubbar ist.

An der dem Inneren des Behälters zugewandten unteren Stirnfläche des Zwischenkörpers 34 ist eine flache Ausnehmung 38 gebildet. Die gewellte Membran 32 ist in der flachen Ausnehmung 38 angeordnet und am Rand der Ausnehmung druckdicht mit dem Zwischenkörper 34 verschweißt. Die Ausnehmung 38 ist der Form der gewellten Membran 3 angepaßt/ so daß an allen Stellen nur ein enger Zwischenraum 39 zwischen der Membran 33 und dem Boden der flachen Ausnehmung 38 besteht.

Rings um den Umfang der gegenüberliegenden, der Schraubfassung 22 zugewandten Stirnfläche des Zwischenkörpers 34 ist eine schmale ringförmige Schulter 40 angeformt, die der Schulter 29 gegenüberliegt und eine flache zylindrische Ausnehmung 41 umgibt. In der Mitte der Ausnehmung ist eine zylindrische Vertiefung 42 gebildet, die der Vertiefung 28 gegenüberliegt und etwa den gleichen Durchmesser wie diese hat. Durch den Zwischenkörper 34 geht ein axialer Kanal 43, der die Verbindung zwischen der flachen Ausnehmung 38 an der Unterseite und der Vertiefung 42 an der Oberseite des Zwischenkörpers herstellt.

Der Rand der gewellten Membran 33 liegt zwischen der Schulter 29 der Schraubfassung 22 und der Schulter 40 des Zwischenkörpers 34 und ist durch das Verschrauben der beiden Teile druckdicht eingepannt. Die Wellungen der Membran 33 liegen in dem von den flachen Ausnehmungen 27 und 41 gebildeten Hohlraum, der für die Aufnahme der

Hubbewegungen der Membran ausreichend groß bemessen ist. Die Ausnehmungen 27 und 41 können auch der Form der Membran 33 angepaßt sein, wie dies bei der Ausnehmung 38 an der Unterseite des Zwischenkörpers 34 der Fall ist. Auf jeden Fall besteht zwischen der Membran 33 und dem Boden der flachen Ausnehmung 41 nur ein enger Zwischenraum 44, der über den axialen Kanal 43 mit dem Zwischenraum 39 an der Unterseite des Zwischenkörpers 34 verbunden ist.

Im Mittelpunkt der Membran 33 ist eine kreisrunde öffnung 45 angebracht, durch die eine Kanüle 46 gesteckt ist. Die Kanüle 46 ist durch ein Metallröhrchen gebildet/ an dessen unterem Ende ein scheibenförmiger Bund 4 7 angeformt ist. Im zusammengebauten Zustand liegt der Bund 47 in der Vertiefung 42 des Zwischenkörpers 34, die er nahezu ausfüllt, so daß nur ein schmaler Zwischenraum 48 zwischen den Wänden der Vertiefung 42 und dem scheibenförmigen Bund 47 besteht. Die Oberseite des Bundes 4 7 ist an der Unterseite des ebenen, nichtgewellten inneren ringförmigen Bereichs der Membran 33, dem sogenannten "Auge" angeklebt. Ein von oben über die Kanüle 46 geschobener Ring 49 ist an der gegenüberliegenden Seite der Membran 32 angeklebt. Im zusammengebauten Zustand wird der Ring 49 von der Vertiefung 28 in der Trennwand 25 aufgenommen. In Verbindung mit einer präzisen Bearbeitung der Außenfläche der Kanüle 46, die mit sehr enger Passung in der öffnung 45 der Membran 33 sitzt, ergibt sich dadurch eine sehr sichere und vollkommen druckdichte Befestigung der Kanüle 46 an der Membran 33. Durch den Bund 47 und den gegenüberliegenden Ring 49 erhält der zentrale Teil der Membran, das sogenannte "Auge", eine Versteifung, so daß es schon deshalb nicht mehr zum elastischen Teil der Membran gehört.

Die Kanüle 46 ist durch die Bohrung 26 der Trennwand 25 geführt und so lang, daß sie über die Schraubfassung 22 hinaus bis in den obersten Abschnitt 15 der zentralen Ausnehmung 14 ragt, wenn der Drucksensor 10 zusammengebaut ist (Fig. 1). Das obere Ende der Kanüle 4 6 ist durch Zusammenquetschen druckdicht verschlossen.

Das von den beiden Membranen 32 und 33, dem Zwischenkörper 34 und der Kanüle 46 umschlossene Volumen ist vollständig mit einer inkompressiblen Hydraulikflüssigkeit 50 gefüllt. Die Hydraulikflüssigkeit 50 dient zur Druckübertragung zwischen den beiden Membranen 32 und 33. Die Membran 32 steht mit dem im Behälter befindlichen Meßmedium in Kontakt, dessen Druck gemessen werden soll. Der von dem Meßmedium auf die Membran 32 ausgeübte Druck wird durch die Hydraulikflüssigkeit 50 auf die Membran 33 übertragen. Die Membran 33 ist über die Kanüle 46 mit einem (nicht dargestellten) Kraft- oder Wegsensor verbunden, der ein Signal liefert, das entweder der auf die Membran 33 ausgeübten Kraft oder der Auslenkung der Membran 33 proportional ist. Dieses Signal zeigt somit den im Behälter herrschenden Druck an.

Die Hydraulikflüssigkeit 50 kann erst eingefüllt werden, wenn der Einsatz 21 vollständig zusammengebaut ist. Das Einfüllen muß so erfolgen, daß keine Lufteinschlüsse verbleiben. Dies wird durch die Kanüle 46 ermöglicht, die somit die doppelte Funktion eines Einfüllstutzens und eines Kraft- bzw. Weg-übertragungsgliedes (Stößels) ausübt.

Der Zusammenbau des als Ausführungsbeispiel dargestellten und beschriebenen Drucksensors ist besonders einfach und billig durchzuführen. Zunächst werden die beiden

Membran-Baugruppen vorbereitet. Hierzu wird die Membran

32 in den Zwischenkörper 34 eingelegt und der Rand der Membran 32 am Umfang der flachen Ausnehmung 38 verschweißt. Die Kanüle 46, die am oberen Ende noch offen ist, wird durch die Öffnung 45 der Membran 33 gesteckt, und der Bund 47 sowie der Ring 49 werden mit der Membran

33 verklebt. Dann wird die Kanüle 46 durch die Bohrung 26 der Trennwand 25 gesteckt, bis der Rand der Membran 33 an der Schulter 29 anliegt. Anschließend wird das Außengewinde 37 des Zwischenkörpers 34 in das Innengewinde 30 der Schraubfassung 22 eingeschraubt und festgezogen, damit der Rand der Membran 33 druckdicht zwischen den Schultern 29 und 49 eingespannt wird. Nun kann die Hydraulikflüssigkeit 50 durch das offene obere Ende der Kanüle 46 eingefüllt werden, bis das ganze umschlossene Volumen gefüllt ist, das durch die Zwischenräume 39, 44 und 48/ den axialen Kanal 43 und das hohle Innere der Kanüle 46 gebildet ist. Dies geschieht unter Vakuum. Zunächst wird der Einsatz 21 in einer speziellen Vorrichtung so gehalten, daß das offene Ende der Kanüle 46 oben, also an der höchsten Stelle des umschlossenen Volumens liegt. Dann evakuiert man die Vorrichtung und füllt die Hydraulikflüssigkeit ein. Wenn die Hydraulikflüssigkeit das obere Ende der Kanüle 46 erreicht hat, wird der abgeschlossene Raum geöffnet und die Kanüle 46 druckdicht verschlossen. Dies kann, wie in der Zeichnung dargestellt, durch Quetschen erfolgen, oder auch durch Löten, Schweißen, Kleben oder Einsetzen eines Verschlußpfropfens.

Der auf diese Weise gebildete Einsatz 21 wird schließlich mit Hilfe der Gewinde 19 und 31 in das Einschraubstück eingebaut, wodurch der Drucksensor 10 fertiggestellt ist und die in Fig. 1 dargestellte endgültige Form hat.

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Die Kanüle 46 liegt an einer geschützten Stelle des Drucksensors und sie wird von dem Meßmedium nicht berührt, so daß sie keiner Korrosionsgefahr ausgesetzt ist, wenn der Drucksensor zum Messen des Druckes eines korrodierenden Mediums verwendet wird.

Die beschriebene Ausführungsform kann natürlich in verschiedener Weise abgeändert werden. So kann die Kanüle 46 anstatt durch Kleben auch auf andere geeignete Weise druckdicht an der Membran 33 befestigt werden, beispielsweise durch Löten, Schweißen usw..

Die Verwendung der Kanüle 46 als Kraft- oder Weg-Übertragungsglied ist zwar vorteilhaft/ doch ist es auch dann günstig, die Kanüle als Einfüllstutzen vorzusehen, wenn die übertragung des Meßwerts (Kraft oder Weg) auf irgendeine andere Weise erfolgt.

Die beschriebene Ausbildung des Drucksensors ist natürlich unabhängig von der Form des Gehäuses und der Anzahl der verwendeten Membranen. Sie ist beispielsweise auch bei Differenzdrucksensoren anwendbar, bei denen mehr als zwei Membranen mit der Hydraulikflüssigkeit in dem abgeschlossenen Volumen in Kontakt stehen.

Claims

PRINZ, LEISER, BUNKER PARTNER Patentanwälte^ -_- European Patent ^Attorneys

München Stuttgart 3422945

19. Juni 1984

Endress u. Hauser GmbH & Co,
Hauptstraße 1
786 7 Maulburg

Unser Zeichen: E 1145

Patentansprüche

1 . Sensor mit einem Gehäuse und wenigstens zwei Membranen, die ein mit einer Hydraulikflüssigkeit gefülltes Volumen einschließen/ dadurch gekennzeichnet/ daß zum Einfüllen der Hydraulikflüssigkeit (50) eine Membran (33) mit einer Öffnung (45) versehen ist, und daß eine Kanüle (46) flüssigkeitsdicht mit dem Rand der Öffnung (45) verbunden ist.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanüle (46) als kraft- oder wegübertragendes Glied zur Verbindung der Membran (33) mit einem Kraftoder Wegsensor dient.
3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet/ daß die Öffnung (45) in der Mittelzone der Membran (33) angebracht ist.

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4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet/ daß die Kanüle (46) durch ein Metallröhrchen gebildet ist.
5. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an der Kanüle (46) ein ringförmiger Bund (47) angebracht ist, der mit der Membran (33) dicht verbunden ist.
6. Sensor nach Anspruch 5/ dadurch gekennzeichnet, daß auf der dem Bund (47) entgegengesetzten Seite der Membran (33) ein über die Kanüle (46) geschobener Ring (49) mit der Membran (33) dicht verbunden ist.
7. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6_r dadurch gekennzeichnet/ daß die Kanüle (46) mit der Membran (33) durch Kleben, Löten oder Schweißen verbunden ist.
8. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanüle (46) durch Quetschen, Löten oder Schweißen geschlossen ist.
9. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse als Einschraubstück (11) mit einem Gewinde (12) zum Einschrauben in eine Gewindeöffnung einer Behälterwand ausgebildet ist, daß das Einschraubstück eine axial durchgehende zentrale Ausnehmung (14) aufweist, und daß die beiden Membranen (32, 33) in einem in der zentralen Ausnehmung (14) angeordneten Einsatz (21) angebracht sind.
10. Sensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Membranen (32, 33) zu beiden Seiten eines Zwischenkörpers (34) angeordnet sind, der flache Ausnehmungen (38, 41) aufweist, in denen jeweils eine

Membran (32, 33) unter Bildung eines schmalen Zwischenraums (39, 44) druckdicht befestigt ist, und daß die beiden Ausnehmungen (38, 41) durch einen Kanal (43) miteinander verbunden sind.
11. Sensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Membranen (32) entlang ihrem Rand mit dem Zwischenkörper (34) verschweißt ist.
12. Sensor nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (21) eine Schraubfassung (22) aufweist, in die der Zwischenkörper (34) einschraubbar ist, und daß der Rand der dem Behälter abgewandten Membran (33) zwischen dem Zwischenkörper (34) und der Schraubfassung (22) eingespannt ist.
13. Sensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraubfassung (22) in das Einschraubstück (11) einschraubbar ist.