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Dokumentenidentifikation DE3735066A1 27.04.1989
Titel Drucksensor
Anmelder Bochumer Eisenhütte Heintzmann GmbH & Co KG, 4630 Bochum, DE
Erfinder Nerlich, Ernst-Günter, Ing.(grad.), 4300 Essen, DE;
Berger, Karl-Heinz, Dipl.-Ing. (FH), 4660 Gelsenkirchen, DE
Vertreter Andrejewski, W., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat.; Honke, M., Dipl.-Ing. Dr.-Ing.; Masch, K., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat., Pat.-Anwälte, 4300 Essen
DE-Anmeldedatum 16.10.1987
DE-Aktenzeichen 3735066
Offenlegungstag 27.04.1989
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.04.1989
IPC-Hauptklasse G01L 9/14
Zusammenfassung Der Drucksensor weist einen mechanisch arbeitenden Druckaufnehmer und einen diesem nachgeschalteten mechanisch-elektrischen Wandler auf. Der Wandler besteht aus einem mit dem beweglichen Teil 2 des Druckaufnehmers verbundenen Permanentmagneten 3, der mit einem ortsfest im Gehäuse 1 angeordneten Hallsensor 4 in Wirkverbindung steht. Zur Linearisierung der Kennlinie des Wandlers ist die Gehäuseinnenwandung im Bereich zwischen Hallsensor 4 und Permanentmagnet 3 sowie im Bereich des Permanentmagneten 3 etwa trichterförmig ausgebildet. Durch diese Ausbildung wird erreicht, daß mit zunehmender Entfernung des Permanentmagneten 3 vom Hallsensor 4 die Feldlinien 7 zunehmend gebündelt werden, so daß die Feldstärke am Hallsensor 4 etwa linear mit dem Verschiebeweg des Magneten 3 zu- bzw. abnimmt.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Drucksensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Drucksensoren dieser Art bestehen aus einem mechanisch arbeitenden Druckaufnehmer, der auf seiner einen Seite mit dem zu messenden Druckraum verbunden ist und einen Stift, eine Membran, eine Rohrfeder oder ein anderes geeignetes Übertragungsmittel aufweist, das entsprechend dem im Druckraum herrschenden Druck eine Längenänderung innerhalb des Drucksensors hervorruft. Innerhalb des Gehäuses ist dieser bewegliche Teil des Druckaufnehmers mit einem Permanentmagneten versehen, der wiederum mit einem ortsfest im Gehäuse angeordneten Hallsensor in Wirkverbindung steht. Entsprechend dem im Druckraum herrschenden Druck wird der bewegliche Teil und somit der damit verbundene Permanentmagnet mehr oder weniger weit auf den Hallsensor bewegt. Je nach Abstand des Permanentmagneten zum Hallsensor wirkt ein unterschiedlich starkes Magnetfeld auf den Hallsensor, wodurch sich der elektrische Widerstand dieses Sensors ändert. Diese Widerstandsänderung wird von einer nachgeschalteten Auswertelektronik (Meßverstärker) erfaßt und in ein elektrisches Signal umgewandelt, mit dem eine elektronische Anzeige, eine Meßwerterfassung, eine Regelvorrichtung oder dergleichen steuerbar ist.

Ein Drucksensor dieser Art ist aus der DE-OS 28 42 140 bekannt. Nachteilig bei diesem bekannten Drucksensor ist, daß der Meßbereich verhältnismäßig klein ist. Zwar ist es möglich, durch Einsatz eines anderen Druckaufnehmers einen entsprechend größeren Meßbereich zu erfassen, beispielsweise von 0 bis 1000 bar, doch ist hierzu eine sehr aufwendige Auswertelektronik erforderlich, die den Einsatz eines solchen Drucksensors in der Regel unwirtschaftlich macht. Der Grund hierfür liegt darin, daß der Hallsensor nur in einem verhältnismäßig kleinen Bereich eine lineare Kennlinie aufweist, da die Feldstärke des Magneten mit zunehmendem Abstand vom Magneten nicht linear, sondern überproportional abnimmt. Entsprechend sich auch die Widerstandsänderungen im Hallsensor bei größerem Abstand des Magneten, wie er bei großem Meßbereich (bei gleichbleibender Auflösung) gegeben sein kann, entsprechend gering, was durch eine aufwendige und anfällige Auswertelektronik ausgeglichen werden muß. Der Einsatz einer solchen hochauflösenden Auswertelektronik ist insbesondere im untertägigen Grubenbetrieb nicht nur wegen der hohen Anschaffungskosten problematisch. Die dort herrschenden rauhen Bedingungen hinsichtlich Temperatur, Luftfeuchte und Erschütterungen bringen unerwünschte Störeinflüsse mit sich, die zu ungenauen Messungen oder gar zu einem Ausfall der Geräte führen können.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, mit technisch einfachen Mitteln einen robusten und kompakten Drucksensor zu schaffen, der einen weiten Meßbereich bei hoher Auflösung überspannt.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Drucksensor gemäß der Erfindung mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.

Die erfindungsgemäße Lösung sieht eine Anpassung des Drucksensorgehäuses im Bereich des mechanisch-elektrischen Wandlers derart vor, daß die Feldstärke der den Hallsensor erreichenden Feldlinien mit wachsendem Abstand des Magneten zum Hallsensor proportional abnimmt. Das Gehäuse ist also so ausgebildet, daß die Feldlinien mit zunehmendem Abstand vom Hallsensor entsprechend gebündelt werden. Auf diese Weise kann ein Druckwandler mit verhältnismäßig hohem Meßbereich eingesetzt werden, dessen bewegliches Teil (Membran, Stift, Rohrfeder oder dergleichen) eine entsprechend größere Auslenkung vollziehen kann. Die damit verbundene genau so große Auslenkung des Permanentmagneten in bezug auf den Hallsensor wird hinsichtlich der Magnetfeldänderung durch den entsprechend ausgebildeten Gehäusequerschnitt kompensiert, so daß die sonst üblichen elektronischen Ausgleichskomponenten entfallen können. Die Erfindung schafft also die Möglichkeit, lediglich mit rein mechanischen Mitteln eine lineare Magnetfeldänderung bei Verlagerung des Magneten in Richtung auf den Hallsensor oder umgekehrt herbeizuführen, so daß der Wandler eine lineare Kennlinie erhält.

In der Regel ist eine lineare Kennlinie erstrebenswert, es versteht sich jedoch, daß der Erfindungsgedanke, durch Anpassung des Gehäuses im Bereich zwischen Wandler und Druckaufnehmer die Kennlinie des Wandlers zu verändern, auch dazu eingesetzt werden kann, das Gehäuse entsprechend so auszubilden, daß eine andere gewünschte, nicht lineare Kennlinie des Wandlers erreicht wird. Die Anpassung des Gehäusequerschnitts kann sowohl durch Formgebung der Gehäusewand als auch durch Wahl der Wanddicke oder vorteilhaft durch Ausnutzung beider Möglichkeiten erfolgen.

Anspruch 2 beschreibt eine weitere Möglichkeit, auf den magnetischen Fluß innerhalb des Gehäuses Einfluß zu nehmen, und zwar durch entsprechende Materialwahl der Gehäusewand. So kann beispielsweise eine Kennlinienänderung auch dadurch erreicht werden, daß die Gehäusewand aus Materialien unterschiedlicher Permeabilität aufgebaut wird. Besonders vielfältige Möglichkeiten zur Kennlinienbeeinflussung des Wandlers ergeben sich durch Kombination von Gehäusewandgestaltung und entsprechender Materialwahl.

Eine konstruktiv einfache und zugleich wirksame Ausbildung des Gehäuses zur Bündelung der Feldlinien bei größer werdendem Abstand zwischen Permanentmagnet und Hallsensor beschreibt Anspruch 3. Durch diese Ausbildung werden bei größer werdendem Abstand zwischen Magnet und Hallsensor die vom Magneten ausgehenden Feldlinien im Randbereich nach vorne, also zum Hallsensor hin gebündelt und laufen so nicht direkt quer zur Gehäusewand hin.

Anspruch 4 beschreibt eine weitere vorteilhafte bauliche Ausgestaltung des Gehäuses, und zwar in dem Bereich jenseits des Permantentmagneten, dort wo der bewegliche Teil des Druckaufnehmers bzw. das damit verbundene Übertragungsglied angeordnet sind. Durch diese Stufe innerhalb des Gehäuses kann ein Anschlag gebildet sein, gegen den der bewegliche Teil des Druckaufnehmers fährt, wenn beispielsweise ein unzulässig hoher Druck am Druckaufnehmer anliegt. Hierdurch wird einerseits der Hallsensor vor direktem Kontakt mit dem Permanentmagneten geschützt, zum andern kann hierdurch ein Überlastungsschutz für den Druckaufnehmer gebildet sein.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 in schematischer Darstellung einen Längsschnitt durch einen Teil eines Drucksensors nach dem Stand der Technik;

Fig. 2 bis 4 einen Teil eines Drucksensors nach der Erfindung in Darstellung nach Fig. 1, und zwar in unterschiedlichen Stellungen des Permanentmagneten.

Der in den Fig. 2 bis 4 dargestellte Drucksensor ist in einem etwa zylindrischen Gehäuse 1 integriert und besteht im wesentlichen aus einem hier nicht dargestellten mechanisch arbeitenden Druckaufnehmer und einem sich daran anschließenden mechanisch-elektrischen Wandler. Seitens des Druckaufnehmers ist in den Figuren lediglich ein axial innerhalb des Gehäuses 1 (bzw. 1&min; in Fig. 1) verschiebbar angeordneter Zapfen 2 dargestellt, der mit dem beweglichen Teil des Druckaufnehmers, beispielsweise einer Membran, einem Stift, einer Rohrfeder oder dergleichen verbunden ist. An der vom Druckaufnehmer abgewandten Seite des Zapfens 2 ist mittig ein Permanentmagnet 3 angebracht. Der Permanentmagnet 3 ist in Bewegungsrichtung des Zapfens 2, also in Achsrichtung des Gehäuses 1 polarisiert.

Mit Abstand vom Permanentmagneten 3 ist innerhalb des Gehäuses 1 ortsfest ein Hallsensor 4 angeordnet. Der Hallsensor 4 ist auf der zum Druckaufnehmer weisenden Stirnseite eines Zapfens 5 angebracht, der fest mit dem Gehäuse 1 verbunden ist. Der Hallsensor 4 steht mit dem Permanentmagneten 3 in Wirkverbindung. Je nach Abstand des Permanentmagneten 3 zum Hallsensor 4 ändert sich das vom Permantenmagneten 3 ausgehende magnetische Feld, wodurch sich die elektrischen Eigenschaften, insbesondere der elektrische Widerstand des Hallsensors, ändert. Diese Widerstandsänderung wird von einer nachgeschalteten Meßeinrichtung erfaßt und in ein elektrisches Signal umgesetzt.

Bei einem Gehäuse 1&min;, wie es in Fig. 1 dargestellt und bisher üblicherweise verwendet wurde, breiten sich die Feldlinien 6 des Permanentmagneten 3 wie in Fig. 1 schematisch dargestellt aus. Wie aus dieser Figur ersichtlich, ist die Feldstärke des Permanentmagneten 3 im polnahen Bereich verhältnismäßig hoch, und nimmt dann mit wachsendem Abstand zum Pol überproportional ab. Der mit einem Hall-Effekt-Bauelement ausgerüstete Hallsensor 4 reagiert dagegen annähernd proportional, d. h. die Widerstandsänderung des Hallsensors ist etwa proportional zur dort herrschenden magnetischen Feldstärke. Dies hat zur Folge, daß der axiale Verschiebebereich, innerhalb dessen sich der Permanentmagnet 3 in bezug auf den Hallsensor 4 bewegen kann, bei der Ausführung nach Fig. 1 verhältnismäßig klein ist, wodurch der Meßbereich des Drucksensors bei Einhaltung einer vorgeschriebenen Auflösung eng begrenzt ist oder aber aufwendige elektronische Hilfsmittel nachzuschalten sind, um dieses nicht lineare Verhalten zu kompensieren.

Bei der Ausführung nach den Fig. 2 bis 4 ist durch entsprechende Ausbildung des Gehäuses 1 im Bereich des Permanentmagneten 3 und zwischen Permanentmagnet 3 und Hallsensor 4 erreicht, daß die Feldlinien 7, 8, 9 des Permanentmagneten 3 mit wachsendem Abstand vom Hallsensor 4 durch das Gehäuse 1 gebündelt werden, so daß über einen weiten axialen Verschiebebereich des Magneten 3 bzw. des Zapfens 2 eine etwa lineare Feldstärkeabnahme am Hallsensor 4 eintritt. Wie anhand der Fig. 2 bis 4 im Vergleich mit Fig. 1 deutlich zu erkennen ist, werden die Feldlinien 7, 8, 9 mit wachsendem Abstand des Magneten 3 vom Hallsensor 4 zunehmend gebündelt.

Fig. 2 zeigt die eine und Fig. 4 die andere Endposition des Zapfens 2 bzw. des Permanentmagneten 3. Die unterschiedliche Stellung des Permanentmagneten 3 in den Fig. 2 bis 4 ist durch die strichpunktierten Linien 14, 15, 16verdeutlicht, die jeweils der zum Hallsensor 4 gerichteten Stirnseite des Permantmagneten 3 zugeordnet sind (Fig. 2 - Linie 14, Fig. 3 - Linie 15, Fig. 4 - Linie 16). Der Abstand der Linien 14 und 16 gibt den möglichen Verschiebeweg des Permanentmagneten 3 an, innerhalb dessen eine lineare Ab- bzw. Zunahme der Feldstärke am Hallsensor 4 eintritt. Dieser Verschiebeweg, innerhalb dessen eine lineare Feldstärkenänderung in bezug auf den Hallsensor 4 erfolgt, bestimmt bei vorgegebener Auflösung den Meßbereich des Drucksensors.

Das anhand der Fig. 2 bis 4 dargestellten Gehäuse 1 weist einen im dargestellten Bereich glatten, zylindrischen Außenmantel auf. Die Innenwandung des Gehäuses 1 ist im Bereich 10 (siehe Fig. 4) des Zapfens 5 zylindrisch ausgebildet. An diesen Bereich 10 schließt sich in Richtung zum Zapfen 2 gesehen ein zur Gehäusemitte hin flach konisch zulaufender Bereich 11 an, der sich zwischen dem Hallsensor 4 und dem vorderen, zum Hallsensor 4 weisenden Teil des Permanentmagneten 3 erstreckt (bezogen auf die dem Hallsensor 4 naheliegende Endposition des Permanentmagneten 3, siehe Fig. 4). An den konischen Bereich 11 schließt sich in Richtung auf den Zapfen 2 gesehen ein zylindrischer Bereich 12 an, der sich etwa über die Länge des Magneten 3 erstreckt. Am Ende dieses zylindrischen Bereichs 12 springt die Gehäuseinnenwandung in einen zylindrischen Bereich 13 zurück, der in seiner Ausbildung etwa dem Bereich 10 entspricht und den Zapfen 2 umgibt. Die hierdurch gebildete Stufe innerhalb des Gehäuses 1 bildet zugleich einen Anschlag für den Zapfen 2 in Richtung auf den Hallsensor 4, der verhindert, daß Permanentmagnet 3 und Hallsensor 4 zu nahe aneinanderkommen oder gar kollidieren.

Wie anhand der Fig. 2 bis 4 deutlich erkennbar ist, hat diese etwa trichterförmige Ausbildung der Gehäuseinnenwand im Bereich 11 zwischen Hallsensor 4 und Permantenmagnet 3 und im Bereich 12 des Permanentmagneten 3 die Wirkung, daß die vom Permanentmagneten 3 ausgehenden Feldlinien 7, 8, 9 mit wachsendem Abstand zum Hallsensor 4 zunehmend gebündelt werden, so daß die magnetische Feldstärke am Hallsensor 4 etwa linear abnimmt. Da der Hallsensor 4 ebenfalls lineares Verhalten aufweist, kann die nachgeschaltete Auswertelektronik entsprechend einfach gestaltet sein. Der verhältnismäßig große Verschiebeweg (Abstand zwischen 14 und 16) ermöglicht den Einsatz eines für einen großen Meßbereich ausgelegten Druckaufnehmers.


Anspruch[de]
  1. 1. Drucksensor mit einem Gehäuse, in dem ein mechanisch arbeitender Druckaufnehmer und ein diesem nachgeschalteter mechanisch-elektrischer Wandler angeordnet sind, wobei der bewegliche Teil des Druckaufnehmers zumindest mittelbar mit einem Permanentmagneten verbunden ist, der mit einem Hallsensor in Wirkverbindung steht, und zusammen mit diesem den Wandler bildet, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehäusequerschnitt im Bereich des Permanentmagneten (3) und im Bereich zwischen Permanentmagneten (3) und Hallsensor (4) zum Erzielen einer linearen Kennlinie des Hallsensors (4) einer etwa linearen Feldstärkeabnahme am Hallsensor (4) bei Bewegung des Permanentmagneten von der einen Endposition (14) zur anderen Endposition (16) angepaßt ist.
  2. 2. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehäusequerschnitt durch Materialwahl der Gehäusewand angepaßt ist.
  3. 3. Drucksensor nach Anspruch 1 oder 2, mit einem im Bereich zwischen Permanentmagneten und Hallsensor im Querschnitt runden Gehäuse, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäuseinnenwand bezogen auf die dem Hallsensor (4) naheliegende Endposition (16) des Permanentmagneten (3)
    1. a) im Bereich (11) zwischen Hallsensor (4) und Permanentmagneten (3) in Richtung auf den Permanentmagneten (3) konisch zulaufend und
    2. b) im Bereich (12) des Permanentmagneten (3) zylindrisch
  4. ausgebildet ist, bei zylindrischer Ausbildung der Gehäuseaußenwand.
  5. 4. Drucksensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) im Bereich (13) des Permanentmagneten (3) ausgebildet ist.






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