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Dokumentenidentifikation DE19933134A1 25.01.2001
Titel Druckmeßsystem
Anmelder Claas Industrietechnik GmbH, 33106 Paderborn, DE
Erfinder Kleine, Herbert, 46286 Dorsten, DE;
Berkemann, Stephan, 33100 Paderborn, DE
Vertreter Weeg, T., Rechtsanw., 33428 Harsewinkel
DE-Anmeldedatum 19.07.1999
DE-Aktenzeichen 19933134
Offenlegungstag 25.01.2001
Veröffentlichungstag im Patentblatt 25.01.2001
IPC-Hauptklasse G01L 9/14
IPC-Nebenklasse F15B 15/28   
Zusammenfassung Es wird eine Vorrichtung zur Druckmessung von flüssigen oder gasförmigen Medien in in hydraulisch oder pneumatisch betriebenen Anlagen oder Maschinen beschrieben, welche gekennzeichnet ist durch mindestens einen ein Magnetfeld erkennenden Sensor (1) und mindestens einen Magneten (2), wobei die räumliche Lage zwischen dem Sensor (1) und dem Magneten (2) ein Maß für den zu messenden Druck ist und das mindestens ein Mittel vorhanden ist, welches die räumliche Lage zwischen dem Sensor (1) und dem Magneten (2) in Abhängigkeit von dem zu messenden Druck verändert.

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung des Druckes flüssiger oder gasförmiger Medien. Derartige Druckmeßvorrichtungen werden zum Beispiel in hydraulisch oder pneumatisch betriebenen Anlagen und Maschinen zu Kontroll-, Steuer- und Regelzwecken eingesetzt.

Für diese Zwecke sind eine Reihe von Druckmeßvorrichtungen bekannt. In der Regel wird die Bewegungen einer Membran mittels Dehnungsmeßstreifen, induktiven oder kapazitiven Sensoren in ein elektrisches Signal umgewandelt. Als weitere Druckmeßsysteme sind Vorrichtungen bekannt, die aus einer Verformung von Quarzen oder keramischen Wertstoffen ein druckabhängiges elektrisches Signal ermitteln.

Die bekannten Systeme besitzen eine gute bis sehr gute Meßwertauflösung und eignen sich besonders zur genauen Ermittlung eines anstehenden Druckes beziehungsweise einer Druckdifferenz in gasförmigen oder flüssigen Medien. Die Verwendung dieser bekannten Druckmeßvorrichtungen wird durch hohe Herstellkosten beziehungsweise durch zum Teil aufwendige Auswerteverfahren eingeschränkt. Vielfach werden die Druckmessungen aufgrund der hohen Kosten der bekannten Systeme auf die Abfrage nur eines bestimmten anstehenden Druckes, durch beispielsweise die Verwendung eines kostengünstigeren Druckschalter, beschränkt. Für die Ermittlung unterschiedlicher Drücke in einem System werden mehrere Druckschalter mit unterschiedlichen Schaltpunkten eingesetzt. Die ermittelbaren Druckmeßwerte werden mit zunehmender Anzahl, durch die entstehenden Kosten, auf die Verwendung nur weniger Druckschalter begrenzt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher eine Vorrichtung zu Druckmessung von flüssigen oder gasförmigen Medien zu schaffen, die einfach und kostengünstig aufgebaut ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Druckmeßvorrichtung gelöst, welche gekennzeichnet ist durch mindestens einen ein Magnetfeld erkennenden Sensor und mindestens einen Magneten, wobei die räumliche Lage zwischen dem Sensor und dem Magneten ein Maß für den zu messenden Druck ist und das mindestens ein Mittel vorhanden ist, welches die räumliche Lage zwischen dem Sensor und dem Magneten in Abhängigkeit von dem zu messenden Druck verändert.

Diese Vorrichtung zeichnet sich durch besonders kostengünstige Elemente und durch einen einfachen Aufbau aus. Der Sensor ist im Handel als sogenannter Hallsensor oder Feldplatte in vielfälligen Variationen verfügbar. Das berührungslose Meßprinzip erlaubt ferner einen vorteilhaften kostengünstigen Aufbau der Vorrichtung dadurch, daß mindestens ein Element, Sensor oder Magnet, außerhalb des zu messenden Mediums angebracht werden kann und somit nicht für die Verwendung bei einem bestimmten Druck oder für ein Verwendung in einem bestimmtes Medium ausgelegt werden muß und durch die Verwendung bekannter, einfach herstellbarer Mittel, die die räumliche Lage zwischen dem Sensor und dem Magneten in Abhängigkeit des anstehenden Druckes verändern.

Für alle Anbringungsarten und Ausrichtungen von Sensor zu Magnet ist es erfindungsgemäß so vorgesehen, daß sich bei einer Druckänderung im Medium die räumliche Lage zwischen dem Sensor und dem Magneten so ändert, das sich das durch den Sensor dringende Magnetfeld ändert. Ausgewertet wird eine relative Lageänderung, dabei kann die Lageänderung durch eine Rotation, durch eine Translation oder eine überlagerte Bewegung von Bewegungsarten in Abhängigkeit des zu messenden Druckes erzeugt werden. Jegliche Lageänderung wird von dem Sensor erkannt, wobei es besondere Ausgestaltungen von Führungselementen gibt, bei denen bestimmte Lageänderungen des Mittels keinen Einfluß auf die Meßwerte hat. Beispielsweise bei einer axialen Ausrichtung von Sensor und eines symmetrisch aufgebauten Magneten, wobei eine Rotation um die gemeinsame Achse keine Meßwertänderung hervorruft.

Die Vorrichtung ist sehr Robust in der Art der Auswertung der Lageänderung zwischen dem Sensor und dem Magneten. Es muß bei der Auswahl der Mittel lediglich sichergestellt werden, daß die Lageänderung aufgrund einer Druckänderung im Medium entstanden ist und weitere Bewegungen der Mittel keinen Einfluß auf die Meßwerte haben.

Die Vorrichtung besitzt nun erfindungsgemäß Mittel, die so ausgebildet sind, daß der Sensor ortsfest (unbeweglich) in der Vorrichtung angeordnet ist, während der Magnet druckabhängig gegenüber dem Sensor seine räumliche Lage ändert. Eine umgekehrte Anordnung, bei der der Magnet ortsfest angeordnet und der Sensor druckabhängig gegenüber dem Magneten seine räumliche Lage ändert, ist weiter denkbar. Ferner kann sowohl der Sensor als auch der Magnet jeweils für sich und in ihrer relativen Lage zueinander druckabhängig verschiebbar sein. Das verwendete Mittel kann erfindungsgemäß ein Kolben in einer Kolben-Zylindereinheit sein. Dabei wird in einer ersten Ausgestaltung der Erfindung der Magnet an der nicht mit dem Medium in Berührung stehenden Kolbenseite fest mit dem Kolben verbunden. Der Kolben wird in einen Zylinder eingebracht, welcher auf der einen Seite des Zylinders mit einem nach außen angebrachten Gewindestutzen zur Verbindung des Kolbens mit dem zu messenden Medium versehen ist. Die noch offene Seite des Zylinders wird durch den Sensor selbst oder durch eine Element, wie beispielsweise eine Scheibe, mit einem Sensorhalteelement verschlossen. Der sich bildende Raum zwischen Kolben und Sensor wird hermetisch abgedichtet, dazu besitzt der Kolben und die Scheibe auf dem Umfang je eine Dichtung. Bewegt sich nun der Kolben bei einer Druckerhöhung im Medium aus seiner Ruhelage in Richtung des Sensors, so erhöht sich auch der Druck im Raum zwischen dem Kolben und dem Sensor. Dieser bewirkt dann bei einer Druckverminderung im Medium, die Rückstellungen des Kolbens in eine dem Druck im Medium entsprechende angepaßte, entferntere Stellung des Kolbens.

Die Anordnung von Sensor zu Magnet läßt sich entsprechend der obigen Ausführungsform auch umgekehrt ausführen. Die Bewegungen des Kolbens sind sehr gering, so daß der Sensor mit den notwendigen elektrischen Anschlüssen auch durch die Zylinderwandung oder die den Zylinder verschließende Scheibe geführt werden kann. Eine Lageänderungen des Sensors im Kolben gegenüber dem Zylinder kann durch eine Leitungsschleife ausgeglichen werden. An dem Wirkprinzip ändert sich dadurch nichts.

In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführung der Erfindung, wird das Mittel zur Veränderung der räumlichen Lage zwischen Magneten und Sensor durch eine Membrane gebildet. Die Membrane steht einerseits mit dem zu messenden Medium in Verbindung und andererseits in einer ersten Ausführungsform mit dem Magneten. Vorteilhaft bei dieser Ausführungsform ist, daß die Membran das Meßsystem von dem Medium trennt und außerdem die notwendigen Rückstellkräfte zu Verfügung stellt. Der Magnet ist in einer Ausführungsform an der von dem Medium abgewandten Seite der Membrane fest mit der Membrane, durch bekannte Techniken, wie beispielsweise verkleben oder verschrauben, angebracht und bewegt sich so bei einer Druckerhöhung im Medium auf den Sensor zu. Der Sensor kann auch hier in einer Scheibe, an der dem Gewindestutzen gegenüberliegenden Seite des Zylinders, angebracht sein. Eine Abdichtung der Scheibe gegenüber dem Zylinder ist hier nicht erforderlich. Der Zylinder ist so ausgebildet, daß er an der dem Medium zugewandten Seite eine Verschluß/Deckel besitzt, durch welchen die Membran gegenüber der Zylinderwandung mittels beispielsweise einer Dichtung abgedichtet und andererseits auch die Verbindung zum Medium mittels eines Gewindestutzens hergestellt werden kann. Die Anordnung von Sensor zu Magnet kann auch hier in umgekehrter Weise ausgeführt werden.

In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Erfindung wird dem Mittel zur Veränderung der räumlichen Lage zwischen Sensor und Magnet mindestens ein Rückstellmittel zugeordnet. Dadurch wird erreicht, daß das Druckmeßsystem an verschiedene Druckmeßbereiche angepaßt werden kann. Desweiteren wird durch das Rückstellmittel das Mittel zur Veränderung der räumlichen Lage zwischen Sensor und Magnet im drucklosen Zustand in seine Ausgangslage zurückbewegt. Das Rückstellmittel kann beispielsweise, wie zuvor beschrieben pneumatisch, hydraulisch, hydropneumatisch oder auch mechanisch ausgeführt sein. Besonders geeignet sind mechanische Federn, die einzeln oder in Kombination verwendet werden können. Diese können als Zugfedern auf der Druckseite des Druckmeßsystems oder als Druckfeder vorteilhaft zwischen dem Sensor und dem Magneten angeordnet werden.

Das Druckmeßsystem kann auch als Differenzdruckmeßsystem ausgebildet sein. Hierzu wird das Mittel zur Veränderung der räumlichen Lage zwischen Sensor und Magnet beidseitig mit dem jeweilig zu messenden Medium beaufschlagt. Bei der Verwendung einer Zylinder-Kolben-Anordnung wird, zur Fixierung des Kolbens im drucklosem Zustand in seiner notwendigen Mittellage, der Kolben von gleich starken Federn gehalten.

Damit das Meßprinzip besonders wirkungsvoll ausgenutzt werden kann, ist in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung der Sensor und der Magnet in seiner Bewegungsrichtung axial zueinander ausgerichtet. Hierdurch wird erreicht, daß bei einem symmetrischen Aufbau von Magnet und Sensor, Drehbewegungen des Sensors oder des Magnetes keinen Lageänderung zwischen Sensor und Magnet bewirken. Ein weiterer Vorteil entsteht bei dieser Anordnung durch eine vereinfachte Montage der Elemente. Hierbei kann auf eine exakte Lagejustierung der Elemente zueinander verzichte werden.

Eine weitere Verbesserung des Druckmeßsystem ergibt sich durch die Verwendung von unmagnetisierbaren Materialien im System. Bekanntlich werden Eisenwerkstoffe, wenn sie sich eine bestimmte Zeit in einem Magnetfeld befinden, aufmagnetisiert. Hierdurch werden dann die Änderungen der magnetischen Flußdichte, welche bei einer Druckänderung beziehungsweise räumlichen Lageänderung entstehen, verringert, so daß das Meßsystem dann mit veränderter Auflösung und verändertem Meßbereich arbeitet. Durch den Einsatz von unmagnetischen Werkstoffen in unmittelbarer Nähe des Sensor beziehungsweise des Magneten kann dieser Effekt vermindert werden. Dabei kann die Scheibe, welche den Sensor im Zylinder fixiert, beziehungsweise das Mittel zur Veränderung der räumlichen Lage zwischen Sensor und Magnet teilweise oder komplett aus einem solchen unmagnetisierbaren Material wie beispielsweise Messing bestehen.

Ein besonders einfacher Aufbau des System entsteht durch die Verwendung eines Zylinders, der an der einen Stirnfläche verschlossen und mit einem für den Einsatz des Systems üblichen Anschluß und auf der gegenüberliegenden Stirnfläche mit einem erweiterten Querschnitt versehen ist. Durch die Querschnittserweiterung entsteht eine Auflageschulter, welche zur Anlage einer Scheibe dient. In dem erweiterten Zylinderbereich kann eine zusätzliche Nut, zur Befestigung der Scheibe mittels beispielsweise eines Seegeringes, gedreht werden. Der besondere Vorteil besteht darin, daß das Zylinderteil als einfaches Drehteil kostengünstig hergestellt werden.

Zur Erkennung einer möglichst kleinen Druckänderung im Medium, ist es bei einer Zylinder-Kolben-Druckmeßanordnung erforderlich, die Reibungs- und Haltekräfte zwischen Kolben und Zylinderwandung zu kennen und außerdem so gering wie möglich zu gestalten. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird daher die Scheibe und/oder der Kolben mit einem Fortsatz zur Zentrierung und Lagerung des Rückstellmittels ausgestattet. Diese Ausgestaltung ist bei der Verwendung einer Feder als Rückstellmittel besonders vorteilhaft. Durch den Fortsatz wird die Feder in dem Zylinder in radialer Richtung zentriert. Dadurch wird ein verkanten des Kolbens in dem Zylinder und außerdem werden undefinierte Kontakte zwischen dem Rückstellmittel und der Zylinderwandung verhindert. Ferner wird erreicht, daß die axiale Ausrichtung des Kolbens mir seiner Bewegungsrichtung übereinstimmt und somit der minimalste Kontakt zwischen Zylinderwandung und Kolben erreicht wird.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung besitzt das Mittel zur Veränderung der räumlichen Lage zwischen Sensor und Magnet eine Fortsatz zur Halterung des Magneten oder des Sensors. Bei der Verwendung von leicht zu bearbeitenden kostengünstigen Werkstoffen, wie Eisen, werden die magnetisierbaren Teile durch den Fortsatz so gering wie möglich gehalten. Durch die Einbringung eines Rückstellmittels in die Zylinder-Kolben-Druckmeßanordnung, wird zwischen dem Kolben und der Scheibe beziehungsweise dem Sensor ein durch die Bauart der Feder bestimmter Abstand benötigt. Damit der Anstand zwischen Sensor und Magnet aber nicht unnötig groß wird, dient dieser Fortsatz zur Verringerung diesen Abstandes. Bei entsprechender Dimensionierung der Feder und des Kolbens ist es ferner möglich, daß der Fortsatz am Kolben zur Zentrierung der Feder und zur Fixierung des Magneten oder Sensors dient.

Als Magnet wird vorzugsweise ein magnetischer Dipol in Form eines Stabmagneten verwendet. Vorteilhaft lassen sich diese leicht mittels einer Bohrung im Kolben oder in der Scheibe, zentriert zur Bewegungsrichtung des Kolbens, anbringen. Diese Stabmagneten haben den weiteren Vorteil, daß ihre Querschnittfläche symmetrisch ist und somit bei entsprechender axialer Ausrichtung auf der Bewegungsachse, bei einer eventuell auftretenden Drehbewegung, keine Änderung des Magnetfeldes durch den Sensor bewirken. Diese Magnete sind in verschiedenen Abmessungen auf dem Markt kostengünstig verfügbar und werden anhand der magnetische Feldstärke H, der magnetische Flußdichte B oder auch nach dem Produkt aus B.H charakterisiert.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden erfindungsgemäß als Sensor handelsübliche Hallsonden und Feldplatten verwendet. Diese sind auf dem Markt kostengünstig erhältlich und unterscheiden sich durch unterschiedliche Größen, Formen und Segmentierungen und sind außerdem durch ihrer aktiven Flächen gekennzeichnet. Vorteilhaft sind die Hallsonden oder Feldplatten mit einer eigenen Auswerte- und Verstärkerschaltung ausgestattet und können hierdurch entsprechend der Art der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgewählt werden.

Besonders vorteilhaft ist die Verwendung eines Sensors, welcher einen eigenen programmierbaren Datenspeicher beziehungsweise eine programmierbare Auswerteschaltung besitzt. Somit können die Ausgangssignale des Sensors vorgewählt und Korrekturwerte, Anpassungen an gewünschte Ausgangskennlinien oder Schaltpunkte abgelegt oder eingestellt werden. Die ermittelten Sensorwerte könnte dadurch beispielsweise durch eine programmierbare Kennlinie der gewünschten Ausgangsspannung des Sensors zugeordnet werden.

Der einfache kostengünstige Aufbau des Drucksystems stellt keine hohen Ansprüche an die Fertigungs- und Bauteiltoleranzen. Für eine ausreichend gute Ermittlung des tatsächlichen Druckes im zu messenden Medium wird eine Kalibrierung oder Eichung des Sensor durch eine Vergleichsmessung, mittels eines parallelgeschalteten, hochauflösenden Druckmeßsystems durchgeführt. Dazu werden die Meßergebnisse des hochauflösenden Vergleichsmeßsystems den Meßwerten des erfindungsgemäß arbeitenden Meßsystems zuordnet. Dies kann bereichsweise derart geschehen, indem der Druck im System in festgelegten Bereichen variiert wird, für jeden Bereich ein Korrekturwert ermittelt und im Druckmeßsystem abgespeichert wird. Eine weitere Zuordnung kann mittels einer einmalig, programmierten Tabelle erfolgen. Zwischenmeßwerte, die bei einer späteren Druckmessung auftreten und nicht aufgeführt sind, können mittels einer Mittelung von benachbarten Tabellenwerten durch eine Interpolation ermittelt werden. Aus den ermittelten einzelnen Meß- und zugehörigen Druckwerten kann auch durch mathematische Regressionsberechnung eine Kennlinie beziehungsweise eine näherungsweise vorhandene mathematische Beziehung zwischen den Meßwerten und den tatsächlichen Druckwerten ermittelt und als solche abgespeichert werden.

Bei der Verwendung des Druckmeßsystems als Druckschalter ist die punktuelle Zuordnung eines Meßwertes an einen Schaltpunkt vorteilhaft. Dafür wird der Druck im System anhand des Vergleichssystems auf den Druck eingestellt, bei welchem das Druckmeßsystem ein Schaltsignal abgeben soll. Für diesen Druckwert oder für mehrere Druckwerte wird dann jeweils der Meßwert dem Schaltpunkt beziehungsweise dem Druckwert zugeordnet und dann in der Auswerteschaltung des Drucksensors abgespeichert. Das vom Druckmeßsystem abgegebene Schaltsignal kann ein Spannungssprung von dem Sensormassepotential zur Betriebsspannung oder aber auch nur eine Sprung zu einem definierten Potential sein. Sollen mehrere Schaltpunkte realisiert werden, ist es vorteilhaft Spannungssprünge so einzuteilen, daß dem höheren Druckschaltpunkt auch das höhere Spannungspotential zugewiesen wird. Beispielsweise springt das Spannungspotential, bei einem Arbeitsbereich des Druckmeßsystems von 0-200 bar, einem Ausgangsspannungsbereich von 0-10 V und zwei Schaltpunkten einen bei 70 bar und einen bei 180 bar, beim erreichen von 70 bar von 0 V auf 3,5 V und beim erreichen von 180 bar von 3,5 V auf 9 V.

Der Drucksensor kann ferner mit einem bekannten Bussystem verbunden sein oder die ermittelten Druckwerte digitalisiert zur Verfügung stellen.

Die Programmierung des Sensors kann über die vorhanden Sensoranschlüsse oder über eine spezielle Schnittstelle durch ein externe Programmiergerät oder auch durch vorhandene Kalibriereinrichtungen am Drucksensor, wie beispielsweise Taster, durchgeführt werden.

Ein besonders vorteilhafte Ausgestaltung ergibt sich durch die erfindungsgemäße Integration der Vorrichtung in einem Gehäuse eines vorhandenen Systembauteils der hydraulisch oder pneumatisch betriebenen Anlagen oder Maschinen. Die Vorrichtung wird von wenigen Bauteilen gebildet und ist von ihren Abmessungen her leicht in das Gehäuse eines Systembauteils integrierbar. Beispielsweise wird die Druckmeßvorrichtung in einem Ventilgehäuse mit integriert. Hierzu müssen lediglich einige Bohrungen an einer geeigneter Stelle in das Ventilgehäuse gebohrt und dann entsprechend der beschriebenen Kolben-Zylinder-Anordnung oder Membran-Zylinder- Anordnung der Sensor und der Magnet eingebracht werden.

Die Erfindung beschränkt sich nicht nur auf die Verwendung von Mitteln, die den räumlichen Abstand zwischen dem Sensor und dem Magneten durch eine axiale Abstandsänderung verändern, sondern läßt sich auch auf Mittel ausweiten, welche in Abhängigkeit des zu messenden Druckes rotieren oder eine Kombination aus Rotation und Translation ausführen. Für einen Fachmann liegt es in Verbindung mit der beschriebenen Erfindung besonders nahe, eine Kolben-Zylinder-Anordnung zu wählen, bei der der Kolben eine schraubenförmige Längsnut und die Zylinderwandung eine entsprechende Führung aufweist. Bei einer Druckerhöhung vollführt der Kolben dann neben seiner Abstandsänderung auch eine Rotation.

Die verwendeten Bauteile wie Hallsensoren, Stabmagnete, Zylinder und Kolben lassen sich in großen Stückzahlen fertig und sind relativ preiswerte, so daß sich hiermit erfindungsgemäß ein kostengünstiges Druckmeßsystem aufbauen läßt. Zur Ermittlung des Druckes im dem zu messenden Medium, wird auf bekannte berührungslos arbeitende Prinzipien zurückgegriffen, welche den Halleffekt oder den magnetoresistiven Effekt ausnutzen. Die Effekte treten an elektrisch leitfähigen Festkörpern auf, die einerseits von einem Strom durchflossen werden und sich andererseits in einem Magnetfeld befinden. Als Halleffekt bezeichnet man die durch das Magnetfeld auftretende Ladungsverschiebung in Festkörpern. Eine Anwendung des Halleffekts findet bei den sogenannten Hailsonden satt. Hier wird die sogenannte Hall-Spannung UH als Meßsignal ausgewertet. Die maximale Spannung läßt sich senkrecht zur Stromrichtung und senkrecht zur Magnetfeldrichtung an dem Festkörper abgreifen. Bei den sogenannten Feldplatten wird der Einfluß des Magnetfeldes durch die entstehende elektrische Widerstandserhöhung im Festkörper als Sensorsignal ausgewertet. Man spricht von dem sogenannten magnetoresistiven Effekt. Hierbei ist die Widerstandsänderung, bei gleichbleibender Flußdichte und einem entsprechend starken Magneten, ein Maß für den Winkel zwischen der Magnetfeld- und Stromrichtung. In der erfindungsgemäßen Vorrichtung können alle Verwendungsarten des Halleffekts angewendet werden. Nachfolgend soll aber nur die Verwendung der Hall-Spannung UH beschrieben werden, da die Erläuterung der Verwendung des magnetoresistiven Effekts lediglich eine weitere konstruktive Ausgestaltung des erflndungsgemäßen Druckmeßsystems beschreiben würde.

Die Hall-Spannung UH läßt sich für einen quaderförmigen Festkörper mit der Dicke d, der von einem elektrischen Strom I parallel zu den Seitenkanten durchflossen und außerdem senkrecht zum Strom von einem Magnetfeld mit der magnetischen Flußdichte B durchdrungen wird, anhand der nachfolgenden Gleichung berechnen. In der Gleichung werden die Werkstoffeigenschaften und das Volumen des Festkörpers anhand der Hallkonstante RH berücksichtigt. Die Gleichung lautet dann:





Die Höhe der meßbaren Hall-Spannung UH ist unter anderem von der magnetischen Flußdichte B abhängig. Die magnetische Flußdichte B, die die Hallsonde durchdringt, hängt weiterhin vom Abstand s zwischen der Hallsonde und der Feldstärke H des Magneten ab. Erfindungsgemäß sind nun Mittel vorgesehen, die die räumliche Lage, insbesondere den Abstand zwischen der Hallsonde und dem Magneten in Abhängigkeit von dem zu messenden Druck verändern. Damit ändert sich die die Hallsonde durchdringende, vom Magneten erzeugte magnetischen Flußdichte B, da diese mit zunehmendem Abstand von dem Magneten abnimmt. Die Hall-Spannung UH wird weiterhin von dem, durch die Hallsonde fließenden Strom I beeinflußt. Er sollte daher bei der Messung der Hall-Spannung UH konstant gehalten oder mit ausgewertet werden. Das erfinderische Druckmeßsystem liefert ein elektrisches Ausgangssignal, vorteilsweise in Form einer bekannten Ausgangsspannung 0-10 V in Abhängigkeit des anstehenden Druckes. Dazu wird die Hall-Spannung UH ausgewertet, korrigiert und mittels nachgeschalteter Auswerteschaltungen entsprechend verstärkt.

Anhand der beigefügten Zeichnungen soll die Erfindung nachfolgend näher erläutert werden. Es zeigt:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Druckmeßvorrichtung,

Fig. 2 einen Schnitt wie in Fig. 1, wobei der Kolben mit dem Magneten jedoch in einer verschobenen Stellung zu sehen ist,

Fig. 3 einen Schnitt durch eine Differenzdruckmeßvorrichtung,

Fig. 4 einen hydraulischen Zylinder, an den die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Druckmessung angeschlossen ist,

Fig. 5 den prinzipiellen Aufbau des Meßprinzips und

Fig. 6 die Hall-Spannung UH und die Ausgangsspannung U des Sensors in Abhängigkeit des Weges s des Kolbens.

In Fig. 1 ist ein Schnitt durch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt. Dabei wird das Mittel (3) zur Veränderung des Abstandes zwischen dem Sensor (1) und dem Magneten (2) von einem in einem Zylinder (4) verschiebbar gelagerten Kolben (3) gebildet, an dem der Magnet (2) angeordnet ist. Der Kolben (3) steht durch die Öffnung (4B) in dem Zylinder (4) mit dem zu messenden Medium in Verbindung. Der Magnet (2) wird mittels des Kolben unter dem Druck (P1) des Mediums in Richtung auf den in der Vorrichtung ortsfest montierten Sensor (1) verschoben.

Zur Aufnahme des Magneten (2) ist im Kolben (3) eine entsprechende Aussparung (3B) vorgesehen. Die Aussparung (3B) ist so angeordnet, daß der Magnet (2) und der Sensor (1) axial zueinander auf der Zylinderachse ausgerichtet sind. In einer Ausführungsform ist der Magnet (2) herausnehmbar in der Aussparung (3B) befestigt (z. B. über eine seitliche Klemmschraube). Die Aussparung kann auch so dimensioniert sein, daß der Magnet (2) unter Klemmwirkung in der Aussparung (3B) gehalten ist. Alternativ dazu kann der Magnet (2) in der Aussparung (3B) auch eingeklebt sein. In einer nicht dargestellten Ausführungsform wird für den Kolben (3) ein magnetisches Material verwendet, so daß der Kolben (3) selbst gleichzeitig als Magnet fungiert. Der Kolben (3) weist eine Dichtung (3A) auf - vorzugsweise einen in einer umlaufenden Nut des Kolbens befestigten O-Ring. Durch diese Dichtung (3A) sind zwei von dem Kolben (3) getrennte Druckkammern in dem Zylinder (4) gegeneinander abgedichtet.

Der Zylinder (4) weist an einer Stirnseite einen Gewindestutzen (4A) mit einer durchgehenden Bohrung (4B) auf, wobei die Bohrung (4B) die Öffnung in dem Zylinder (4) bildet, über die der Kolben (3) von einer Seite mit dem Medium in Berührung steht. Über diesen Gewindestutzen (4A) wird die Vorrichtung zum Beispiel an eine Hydraulikleitung angeschlossen. Die Bohrung (4B) im Gewindestutzen ist der Zugang zu der ersten Druckkammer des Zylinders (4). Auf der anderen Seite des Kolbens (3) befindet sich die andere Druckkammer des Kolbens (3). Nicht dargestellt ist die einfachste Ausführungsform, bei der die durch die Auslenkung des Kolbens (3) entstehende Druckerhöhung als Rückstellmittel dient. Die Scheibe (5) ist dann gegenüber dem Zylinder (4) abgedichtet und der Zylinder 4 besitzt keine Entlüftungsöffnung (4C). Bei der Verwendung eines Rückstellmittels (6) in dieser Druckkammer, befindet sich in dem Mantel des Zylinders (4) eine Entlüftungsöffnung (4C), damit die beim Verfahren des Kolbens (3) verdrängte Luft dort entweichen kann.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 ist der Sensor (1) ortsfest auf einer stirnseitig an dem Zylinder (4) angeordneten Scheibe (5) befestigt. Aus Wartungs- und Reparaturgründen ist die Scheibe (5) vorzugsweise abnehmbar an dem Zylinder (4) montiert.

Zur Aufnahme der Scheibe (5) weist der Zylinder (4) stirnseitig einen größeren Innendurchmesser auf als in dem Bereich, wo der Kolben (3) verschiebbar ist, wodurch in dem Zylinder (4) eine eingefaßte Auflageschulter (4D) für die Scheibe (5) gebildet wird. Dabei wird die Scheibe (5) beispielsweise über einen Seegering (5A), der in einer in der Innenwandung des Zylinders (4) angeordneten Nut befestigt wird, gehalten.

Der Sensor (1) ist in der dargestellten Ausführungsform über einen in den Zylinder (4) eingebrachten Ring (5B) unter Klemmwirkung auf der Scheibe (5) angeordnet; und zwar auf der Seite der Scheibe (5), die dem Kolben (3) mit dem Magneten (3) abgewandt ist. Die elektrischen Anschlußleitungen (1A) des Sensors (1) ragen aus dem Zylinder (4) heraus. Der Klemmring (5B) hat den Vorteil, daß der Sensor (1) jederzeit lösbar auf der Scheibe (5) montiert ist. Auf diese Weise kann die erfindungsgemäße Vorrichtung in einfacher Weise mit einem anderen Sensor (z. B. für verschiedene Meßbereiche) konfektioniert werden. Statt eines Klemmringes, kommen selbstverständlich noch andere Mittel in Betracht, um den Sensor (1) lösbar auf der Scheibe (5) zu montieren (z. B. Verschraubungen). In einer nicht dargestellten Ausführungsform wird der Sensor (1) auf die Scheibe (5) aufgeklebt. Der Sensor (1) kann auch in eine Vertiefung oder Aussparung in der Scheibe eingelassen sein. Ebenso kann er auf der anderen Seite der Scheibe angeordnet sein, wobei dann seine elektrischen Anschlußleitungen durch die Scheibe oder den Zylinder hindurch geführt werden müssen. Die Entlüftungsöffnung (4C) kann auch in der Scheibe (5) vorgesehen sein.

Damit das vom Magneten (2) erzeugte Magnetfeld den Sensor (1) zur Erzeugung des Meßsignals möglichst unabgeschwächt durchdringen kann, besteht insbesondere die Scheibe (5), auf der der Sensor (1) montiert ist, aus unmagnetischem beziehungsweise unmagnetisierbarem Material, zum Beispiel aus Messing. Vorzugsweise ist auch der Kolben (3) aus diesem Material hergestellt.

Wie in Fig. 1 dargestellt, ist eine Feder (6) als Rückstellmittel vorgesehen, die der durch den Druck bewirkten Abstandsänderung zwischen dem Sensor (1) und dem Magneten (2) entgegenwirkt. Auf den Kolben (3) übt also einerseits der zu messende Druck (P1) eine Kraft (FP) auf die Kolbenstirnfläche (A) und andererseits die Feder eine entgegengerichtete Kraft (FF) aus:



FP = P1.A

Die Feder (6) und die Kolbenstirnfläche sind in einem Ausführungsbeispiel so ausgelegt, daß die Feder bei einer Verschiebung des Kolbens (3) um Δs = 3 mm eine Rückstellkraft erzeugt, die einen Druck im Medium von P1 = 200 bar ausgleicht. Selbstverständlich ist die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht auf diesen Druckbereich beschränkt. Die Feder (6) ist zwischen der Scheibe (5), mittels welcher der Sensor (1) fixiert ist, und dem Kolben (3) angeordnet. Zur Lagerung der Feder (6) weist der Kolben (3) vorzugsweise einen Fortsatz (3C) auf. Dadurch wird die Feder (6) zumindest einerseits lagefixiert abgestützt und zum anderen wird verhindert, daß die Feder (6) bei der Verschiebung des Kolbens (3) an der Innenwandung des Zylinders (4) schleift oder schrammt und dadurch ein undefinierte Kraftkomponente in das System einbringen würde.

In Fig. 2 wird die Druckmeßvorrichtung in einer weiteren Schnittdarstellung gezeigt. Gegenüber der Fig. 1 ist hier die räumliche Lage von Magnet (2) zu Sensor (1), durch eine ausgelenkte verschobene Stellung des Kolbens (3) und eine weitere Anbringungsart des Sensors (1) in der Scheibe (5), verändert dargestellt. Diese Anbringungsart des Sensors (1) ergibt die bestmöglichste Erkennung des Abstandes (s) zwischen dem Sensor (1) und Magneten (2). Das aus der Stirnfläche des Magneten (2) austretende Magnetfeld durchdringt hierbei auf kürzestem Wege den Sensor (1) mit größtmöglichster magnetischen Flußdichte B. Der Magnet (2) kann somit in dieser Ausführungsform gegenüber anderen Ausführungsformen kostengünstiger mit einem schwächeren Magnetfeld ausgestattet ausgelegt werden.

In Fig. 3 ist das Druckmeßsystem als Differenzdruckmeßvorrichtung ausgeführt. An dem prinzipiellen Aufbau des Systems ändert sich gegenüber der einfachen Druckmeßvorrichtung nichts. Lediglich der Kolben (3) wird beidseitig mit einem Fortsatz zur Zentrierung des jeweiligen Rückmittels (6A, 6B) ausgestattet und die Scheibe (5) gegenüber dem Zylinder (4) durch eine Dichtung (7) abgedichtet. Die beiden Druckkammern werden über die beiden Bohrungen (8, 9) mit dem jeweiligen zu vergleichendem Druckmedium verbunden. Der Sensor (1) befindet sich außerhalb der Druckkammer auf der dem Kolben (3) abgewandten Seite der Scheibe (5) oder auch an der Anbringungsposition (10) in der Scheibe (5) versenkt.

In einer nicht dargestellten, vereinfachten Ausführungsform wird bei dem beschriebenem Differenzdruckmeßsystem auf ein Rückstellmittel (6A, 6B) verzichtet. Je nach dem in welcher Druckkammer der größere Druck (P1, P2) herrscht, stellt sich der Kolben (3) mit dem Magneten (2) minimal oder maximal weit von dem Sensor (1) entfernt ein. Ein Vergleich zweier Drücke ist dahingehend möglich, indem man feststellen kann, ob der zu messende Druck (P1) größer oder kleiner als der Druck (P2) ist. Anhand der Geschwindigkeit der räumlichen Lageänderung des Magneten, kann man Rückschlüsse auf die Größe der Druckdifferenz ziehen.

Die in den vorhergehenden Figuren dargestellten Ausführungsformen sind sehr positiv für die Serienfertigung, da sie sich in einfacher Weise montieren lassen. Zunächst wird der Magnet (2) in die Aussparung (3B) des Kolbens (3) eingesetzt. Dann der Kolben (3) mit dem Magneten (2) in den Zylinder (4) eingeführt. Anschließend wird die Feder (6) eingesetzt und auf dem Haltekragen (3C) des Kolbens (3) fixiert. Nun wird die Scheibe (5) auf die Auflageschulter (4D) des Zylinders (4) gelegt und mittels eines Seegeringes (5A) fixiert. Schließlich wird der Sensor (1) über den Klemmring (5B) auf der Scheibe (5) befestigt.

Alternativ zu den dargestellten Ausführungsformen, kann auch der Sensor (1) auf dem Kolben (3) angeordnet sein und mit diesem verschoben werden, während der Magnet (2) ortsfest mit der Scheibe (5) montiert ist.

Die Kalibrierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt zum Beispiel in der folgenden Weise: Der Kolben (3) wird mit unterschiedlichen Drücken beaufschlagt, die außerdem in einer parallelgeschalteten, kalibrierten oder geeichten Druckmeßvorrichtung gemessen werden. Die entsprechenden Meßwerte beider Druckmeßsysteme werden aufgezeichnet und anschließend ausgewertet. Auf diese Weise erhält man eine Kennlinie des erfindungsgemäßen Druckmeßvorrichtung in Abhängigkeit vom Druck im zu messenden Medium. Das Ergebnis kann dann in den Drucksensor oder in die Auswerteschaltung einprogrammiert werden.

Die Messung erfolgt vorzugsweise über den gesamten Verschiebebereich des Kolbens und kann mehrfach wiederholt werden. Die Beaufschlagung des Kolbens mit unterschiedlichen Drücken kann zu den Kalibrierzwecken in diskreten Schritten oder kontinuierlich erfolgen.

In Fig. 4 ist ein doppelt wirkender hydraulischer Zylinder (11) mit seiner Kolbenstange (12) gezeigt, an dem die erfindungsgemäße Vorrichtung als Differenzdruckmessung ausgeführt angeschlossen ist. Die Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit der Kolbenstange (12) wird hier beispielsweise durch einen hydraulischen Kreis, bestehend aus einer Hydraulikpumpe, welche eine bestimmte Hydraulikflüssigkeitsmenge aus einem Tank entnimmt und über ein 4/3-Wege Schaltventil dem Zylinder (11) zuführt, bestimmt. Die zwischen den Zylinder und das Schaltventil geschaltete Differenzdruckmeßvorrichtung, ermöglicht eine Überwachung des Schaltventils, die Erkennung der Endlagen des Zylinderkolbens und eine Erkennung der Belastung der Kolbenstange in unbetätigter Stellung des Ventils. Hierdurch läßt sich auf einfachster Weise eine Auflagedruckregelung an mit dem Boden in Berührung stehenden Arbeitswerkzeugen an Landmaschinen realisieren. Vorteilsweise läßt sich die Druckmeßvorrichtung direkt in das Schaltventil integrieren.

In Fig. 5 ist zur Erläuterung des Meßprinzips, ein Stabmagnet (2) mit gedachten magnetischen Feldlinien dargestellt. Der Stabmagnet (2) ist gegenüber dem Sensor (1) verschiebbar angebracht. Die dargestellten Feldlinien durchdringen den Sensor (1) zumindest teilweise. Bei einer Änderung des Abstandes (s) des Magneten (2) in der angezeigten Richtung (13) erhöht oder verringert sich die magnetische Flußdichte B, welches durch die Anzahl der durch den Sensor verlaufenden Magnetfeldlinien bildlich darstellbar ist.

In Fig. 6 sind zwei Kennlinien (K1) und (K2) dargestellt, die die Abhängigkeit der Hall-Spannung (UH) beziehungsweise die Ausgangsspannung (U) des Sensors (1) von dem Abstand (s) zeigen. Die Steigung dieser Kennlinie (K1) hängt unter anderem auch von dem eingeprägten Steuerstrom durch die Hallsonde ab, welcher aber als konstant angesehen werden soll. Aus dem Verlauf von (K1) ist der unlineare Zusammenhang zwischen der Hall-Spannung (UH) und dem Abstand (s) zu erkennen. Die Hall-Spannung wird beispielsweise digitalisiert und mittels der programmierten Kalibrierung in eine digitale oder analoge Ausgangsgröße (K2) transformiert.


Anspruch[de]
  1. 1. Vorrichtung zur Messung des Druckes flüssiger oder gasförmiger Medien in hydraulisch oder pneumatisch betriebenen Anlagen oder Maschinen, gekennzeichnet durch mindestens einen ein Magnetfeld erkennenden Sensor (1) und mindestens einen Magneten (2), wobei die räumliche Lage zwischen dem Sensor (1) und dem Magneten (2) ein Maß für den zu messenden Druck ist und das mindestens ein Mittel vorhanden ist, welches die räumliche Lage zwischen dem Sensor (1) und dem Magneten (2) in Abhängigkeit von dem zu messenden Druck verändert.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zur Veränderung der räumlichen Lage zwischen dem Sensor (1) und dem Magneten (2) von einem in einem Zylinder (4) verschiebbar gelagerten Kolben (3) gebildet wird, an dem ein Magnet (2) angeordnet ist, wobei der Kolben (3), der über eine Öffnung (4B) in dem Zylinder (4) mit dem Medium in Verbindung steht, mit dem Magneten (2) unter dem Druck des Mediums in Richtung auf den in der Vorrichtung ortsfest montierten Sensor (1) verschiebbar ist.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zur Veränderung der räumlichen Lage zwischen dem Sensor (1) und dem Magneten (2) von einem in einem Zylinder (4) verschiebbar gelagerten Kolben (3) gebildet wird, an dem der Sensor (1) angeordnet ist, wobei der Kolben (3), der über eine Öffnung (4B) in dem Zylinder (4) mit dem Medium in Verbindung steht, mit dem Sensor (1) unter dem Druck des Mediums in Richtung auf den in der Vorrichtung ortsfest montierten Magneten (2) verschiebbar ist.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zur Veränderung der räumlichen Lage zwischen dem Sensor (1) und dem Magneten (2) von einer mit dem Medium in Verbindung stehenden, reversibel verformbaren Membran gebildet wird, an der der Magnet (2) angeordnet ist, wobei die Membran in Abhängigkeit des Druckes im Medium in Richtung auf den in der Vorrichtung ortsfest montierten Sensor (1) auslenkbar ist.
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zur Veränderung der räumlichen Lage zwischen dem Sensor (1) und dem Magneten (2) von einer mit dem Medium in Verbindung stehenden, reversibel verformbaren Membran gebildet wird, an der der Sensor (1) angeordnet ist, wobei die Membran in Abhängigkeit des Druckes im Medium in Richtung auf den in der Vorrichtung ortsfest montierten Magneten (2) auslenkbar ist.
  6. 6. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (3) eine Dichtung (3A) aufweist, durch die zwei von dem Kolben (3) getrennte Kammern in dem Zylinder (4) gegeneinander abgedichtet sind.
  7. 7. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch mindestens ein Rückstellmittel (6), das der durch den Druck bewirkten räumlichen Lageänderung zwischen dem Sensor (1) und dem Magneten (2) entgegenwirkt.
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückstellmittel von mindestens einer Feder (6) gebildet wird.
  9. 9. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (6) zwischen der Scheibe (5) und dem Kolben (3) angeordnet ist.
  10. 10. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (1) und der Magnet (2) axial zueinander ausgerichtet sind.
  11. 11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (5) und/oder der Kolben (3) aus einem unmagnetisierbaren Material, beispielsweise Messing, besteht.
  12. 12. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (4) stirnseitig zur Aufnahme der Scheibe (5) einen größeren Innendurchmesser aufweist als in dem Bereich, wo der Kolben (3) verschiebbar ist, wodurch in dem Zylinder (4) eine Auflageschulter (4D) gebildet wird.
  13. 13. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens der Kolben (3) oder mindestens die Scheibe (5) einen Fortsatz (3C) zur Zentrierung und Lagerung der Feder (6) aufweist.
  14. 14. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (3) eine Fortsatz (3B) zur Aufnahme des Magneten (2) aufweist.
  15. 15. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (2) ein Stabmagnet ist.
  16. 16. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (1) eine Hallsonde ist.
  17. 17. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (1) eine Feldplatte ist.
  18. 18. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (1) eine integrierte Auswerteelektronik mit einem programmierbaren Datenspeicher besitzt.
  19. 19. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichneten, daß die Vorrichtung in einem Gehäuse eines vorhandenen Systembauteils der hydraulisch oder pneumatisch betriebenen Anlagen oder Maschinen integriert ist.






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