DE102013001085A1

DE102013001085A1 - Inductive pressure sensor

Info

Publication number: DE102013001085A1
Application number: DE201310001085
Authority: DE
Inventors: Paul Szasz; Thomas Scholl; Andrea Pozzi; Eugenio Volonterio; Ezio Pravettoni; Jörg Gebhardt; Guruprasad Sosale
Original assignee: ABB Technology AG
Current assignee: ABB Schweiz AG
Priority date: 2013-01-23
Filing date: 2013-01-23
Publication date: 2014-07-24

Abstract

Die Erfindung betrifft einen induktiven Drucksensor, bei dem die Druckänderung in einem Prozessmedium durch Veränderung einer Induktivität einer Messspule (4), die ein Signal in einer Elektronik erzeugt, zur Druckbestimmung dient. Es wird vorgeschlagen, die Membran (1) konzentrisch mit einer dünnen Auflage (2) aus einer eisenhaltigen amorphen Metalllegierung mit hoher magnetischer Permeabilität zu beschichten. Die Messspule (4) ist in einem Spulenträger (3) durch einen Verguss (5) fixiert, wobei die der Membran (1) zugewandte Oberfläche des Spulenträgers (3) der Membranform im Überlastfall angepasst ist.The invention relates to an inductive pressure sensor in which the pressure change in a process medium by changing an inductance of a measuring coil (4), which generates a signal in an electronics used to determine the pressure. It is proposed to coat the membrane (1) concentrically with a thin support (2) of an iron-containing amorphous metal alloy with high magnetic permeability. The measuring coil (4) is fixed in a coil carrier (3) by a casting (5), wherein the membrane (1) facing surface of the bobbin (3) of the membrane shape is adapted in case of overload.

Description

Die Erfindung betrifft einen induktiven Drucksensor, bei dem die Druckänderung in einem Prozessmedium durch Veränderung einer Induktivität, die ein Signal in einer Elektronik erzeugt, zur Druckbestimmung dient.The invention relates to an inductive pressure sensor, in which the pressure change in a process medium by changing an inductance, which generates a signal in an electronics used to determine the pressure.

Drucksensoren, welche zum Messen von Drücken in Gasen oder Flüssigkeiten eingesetzt werden, basieren im Allgemeinen auf der Verwendung von Dehnmessstreifen oder Piezoaufnehmern, die auf eine Membran aufgebracht sind. Die Druckmessung des auf die Membran wirkenden Druckes wird dabei über eine Widerstandsänderung über die mechanische Deformation im Dehnmessstreifen oder über die Leitfähigkeitsänderung einer SI-Membran bei einem piezoresistiven Effekt erfasst. Die Ausdehnung einer Membran innerhalb eines Drucksensors, welche aufgrund von Druckänderung erfolgt, wird in Form von Signalen an eine Auswerteeinheit weitergeleitet, wo die Signale letztendlich ausgewertet werden, und so die zuvor aufgebrachte Druckänderung ermittelt wird.Pressure sensors used to measure pressures in gases or liquids are generally based on the use of strain gauges or piezoelectric sensors mounted on a membrane. The pressure measurement of the pressure acting on the membrane pressure is detected by a change in resistance on the mechanical deformation in the strain gauge or on the conductivity change of an SI membrane in a piezoresistive effect. The expansion of a membrane within a pressure sensor, which occurs due to pressure change, is forwarded in the form of signals to an evaluation unit, where the signals are finally evaluated, and thus the previously applied pressure change is determined.

Aus der DE 103 11 795 A1 ist ein Drucksensor bzw. eine Drucksensoranordnung zur berührungslosen Druckmessung bekannt. Dabei ist ein Druckschalter in einen elektrischen Schwingkreis mit LC-Schaltung eingebaut. In Abhängigkeit vom herrschenden Druck im System kann der Schalter, bei Über- oder Unterschreitung einer vorgegebenen Schaltschwelle, beispielsweise einen LC-Schaltkreis sowohl ein- als auch ausschalten. Um das Messergebnis zu verbessern und damit eine präzisere Aussage bezüglich des Druckwerts zu erhalten, wird in der DE 103 11 795 A1 empfohlen, mehrere Drucksensoren mit unterschiedlichen Schaltschwellen in der Messanordnung vorzusehen, um einen genaueren Wert bezüglich des Ergebnisses treffen zu können.From the DE 103 11 795 A1 a pressure sensor or a pressure sensor arrangement for non-contact pressure measurement is known. In this case, a pressure switch is installed in an electrical resonant circuit with LC circuit. Depending on the prevailing pressure in the system, the switch, on exceeding or falling below a predetermined threshold, for example, an LC circuit both on and off. In order to improve the measurement result and thus obtain a more precise statement regarding the pressure value, is in the DE 103 11 795 A1 It is recommended to provide several pressure sensors with different switching thresholds in the measuring arrangement in order to be able to make a more precise value with regard to the result.

In der DE 10 2008 025 752 A1 ist ein induktiver Drucksensor beschrieben, der zwei Baugruppen aufweist, welche voneinander beabstandet, d. h. mechanisch, elektrisch und/oder galvanisch entkoppelt, angeordnet sind. Bei der ersten Baugruppe handelt es sich um einen Druckbehälter, dessen eine Seite zumindest teilweise durch eine Membran ausgebildet wird, die ein mit ihr gekoppeltes Bedämpfungselement aufweist. Die zweite zur ersten Baugruppe beabstandet angeordnete Baugruppe weist ein induktives Element mit einem elektrischen Schalt- oder Schwingkreis auf. Aufgrund des vorliegenden Aufbaus kommt es zwischen dem Bedämpfungselement auf der ersten Baugruppe und dem induktivem Element zu keinerlei Berührung oder Kontakt, d. h. weder mechanisch, noch elektrisch noch galvanisch.In the DE 10 2008 025 752 A1 an inductive pressure sensor is described, which has two modules, which are spaced apart, ie, mechanically, electrically and / or galvanically decoupled, are arranged. The first assembly is a pressure vessel, one side of which is at least partially formed by a membrane having a damping element coupled thereto. The second assembly spaced apart from the first assembly has an inductive element with an electrical switching or resonant circuit. Due to the present structure, there is no contact or contact between the damping element on the first module and the inductive element, ie, neither mechanically, nor electrically or galvanically.

Induktiv arbeitende Drucksensoren beruhen auf einem Messprinzip, wonach eine hochfeste metallische Membran druckabhängig ausgelenkt wird und die Verschiebung der Membran durch ein induktives System ausgelesen wird. Dieses induktive System umfasst eine ortsfeste Spule, in die ein Ferrit eintaucht, der mechanisch mit der Membran verbunden ist. Dabei wird die Bewegung des Ferrits mit der Membran mit hoher Genauigkeit und Zuverlässigkeit erfasst.Inductive pressure sensors are based on a measurement principle, according to which a high-strength metallic membrane is deflected pressure-dependent and the displacement of the membrane is read by an inductive system. This inductive system comprises a stationary coil into which a ferrite immersed, which is mechanically connected to the membrane. The movement of the ferrite with the membrane is detected with high accuracy and reliability.

Üblicherweise ist das Ferrit als Topfkern ausgebildet, um das magnetische Feld zu formen und eine hohe Messempfindlichkeit zu erreichen. Dabei stellt es einen erheblichen Aufwand dar, das spröde Ferrit ohne Beschädigung auf der Membran zu befestigen und zu halten. Zwar gelingt es, durch Zwischenlage einer stabilen Trägerplatte, die auf der Membran befestigt wird, das Ferrit vor mechanischer Beanspruchung zu schützen, doch ist diese Montageform sehr aufwendig und bringt darüber hinaus auch technische Nachteile mit sich. Im Einzelnen wird dabei die Zwischenlage auf die Membran geschweißt und das Ferrit auf die Zwischenlage geklebt. Die Messempfindlichkeit sinkt, der Toleranzbereich wächst und es kommt zu einer breiten Streuung der Messlücke bei diesem Aufbau. Je größer die Messlücke um so geringer ist die Messempfindlichkeit.The ferrite is usually designed as a pot core in order to shape the magnetic field and to achieve a high measuring sensitivity. It is a considerable effort to attach the brittle ferrite without damage to the membrane and hold. Although it is possible to protect the ferrite from mechanical stress by interposing a stable support plate which is mounted on the membrane, but this form of assembly is very expensive and also brings with it technical disadvantages. In detail, the intermediate layer is welded onto the membrane and the ferrite is glued to the intermediate layer. The measuring sensitivity decreases, the tolerance range grows and there is a wide dispersion of the measurement gap in this structure. The larger the measuring gap, the lower the measuring sensitivity.

Darüber hinaus muss das Ferrit bei Überlastung davor geschützt werden, die ortsfeste Spule zu berühren, um Abbrüche oder andere mechanische Beschädigungen zu vermeiden. Dazu muss die Trägerplatte in einen ausreichenden Hohlraum mit hoher Genauigkeit in dem Sensorkörper aufweisen, was den Aufwand weiter steigert. Aufgrund der erforderlichen Toleranzen ist es nicht möglich, die Membran vollständig zu unterstützen, so daß die Membran an der Ecke der Trägerplatte einem signifikant erhöhten Stress ausgesetzt ist. Diese Beanspruchungübersteigt häufig die Plastizitätsgrenze des Membranmaterials, was zu Hysterese und so Verlust der Genauigkeit des Systems führt.In addition, the ferrite must be protected from overloading the stationary coil to avoid crashes or other mechanical damage. For this purpose, the support plate must have a sufficient cavity with high accuracy in the sensor body, which further increases the expense. Due to the required tolerances, it is not possible to fully support the membrane, so that the membrane is exposed to significantly increased stress at the corner of the support plate. This stress often exceeds the plastic limit of the membrane material, resulting in hysteresis and thus loss of system accuracy.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den bekannten induktiven Drucksensor weiterzuentwickeln, so dass dieser die Nachteile des Standes der Technik vermeidet und mit geringem Aufwand herstellbar ist.The invention is therefore based on the object to further develop the known inductive pressure sensor, so that it avoids the disadvantages of the prior art and can be produced with little effort.

Die Erfindung geht aus von einem induktiven Drucksensor, bei dem die Verschiebung einer Membran durch ein induktives System mit einer ortsfesten Spule ausgelesen wird.The invention is based on an inductive pressure sensor, in which the displacement of a membrane is read out by an inductive system with a stationary coil.

Erfindungsgemäß ist die Membran mit einer dünnen, im Wesentlichen kreisförmigen Auflage aus einer amorphen Metalllegierung mit hoher magnetischer Permeabilität beschichtet.According to the invention, the membrane is coated with a thin, substantially circular support made of an amorphous metal alloy with high magnetic permeability.

Ein solches Material ist als Folie mit einer Stärke von etwa 20 μm handelsüblich und wird beispielsweise von den Firmen Metglass/Hitachi oder Vakuumschmelze angeboten. Such a material is commercially available as a film with a thickness of about 20 microns and is offered for example by the company Metglass / Hitachi or vacuum melt.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist die Folie mit einem für sich bekannten Fügeprozess auf der Membran befestigt. Insbesondere ist es vorteilhaft, die Folie auf die Membran zu kleben oder durch Schweißpunkte zu befestigen.According to a further feature of the invention, the film is fastened on the membrane with a joining process known per se. In particular, it is advantageous to glue the film to the membrane or to fix it by welding points.

Vorteilhafterweise hat dieses Material eine etwa 10..20-fach höhere Permeabilität als bekannte Ferrite. Dadurch gelingt es, ohne die spezifische geberseitigen Topfform ein Messignal hoher Messempfindlichkeit abzuleiten.Advantageously, this material has an approximately 10..20 times higher permeability than known ferrites. This makes it possible to derive a measuring signal of high measuring sensitivity without the specific sensor-side pot shape.

Durch den Verzicht auf eine Trägerplatte ist das Messsystem kompakter und insgesamt maßhaltiger; die Toleranzen des Messsystems sind geringer.By dispensing with a carrier plate, the measuring system is more compact and overall dimensionally stable; the tolerances of the measuring system are lower.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass die Metalllegierung mindestens einen ferromagnetischen Werksoff aufweist.According to a further feature of the invention it is provided that the metal alloy has at least one ferromagnetic Werksoff.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass die Metalllegierung mindestens einen stark paramagnetischen Werksoff aufweist.According to a further feature of the invention, it is provided that the metal alloy has at least one highly paramagnetic Werksoff.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, die Auflage durch ein für sich bekanntes physikalisches Beschichtungsverfahren auf die Membran abzuscheiden. Hierfür ist insbesondere das sogenannte Sputtern geeignet.According to a further feature of the invention is intended to deposit the support by a known per se physical coating method on the membrane. For this purpose, in particular the so-called sputtering is suitable.

Vorteilhafterweise wird dabei die Auflage unmittelbar auf der Membran befestigt, so dass gesonderte Fügeschritte verzichtbar sind.Advantageously, while the support is mounted directly on the membrane, so that separate joining steps are dispensable.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, die Auflage kreisförmig auszubilden.According to a further feature of the invention is intended to form the support circular.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, die Spule in dem Gegenstück der Membran zu vergießen und die der Membran zugewandte Oberfläche der Membranform im Überlastfall anzupassen. Dadurch wird für den Überlastschutz keine besondere Kammer mehr benötigt. Darüber hinaus werden dadurch plastische Deformationen des Messsystems und somit die Hysterese vermieden und die Messgenauigkeit verbessert.According to a further feature of the invention, it is provided to shed the coil in the counterpart of the membrane and to adapt the membrane facing surface of the membrane shape in case of overload. As a result, no special chamber is required for the overload protection. In addition, this plastic deformation of the measuring system and thus the hysteresis are avoided and improves the accuracy of measurement.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der einzigen Figur ist das Messsystem eines induktiven Drucksensors, bei dem die Verschiebung einer Membran 1 durch ein induktives System mit einer ortsfesten Messspule 4 ausgelesen wird, prinzipiell dargestellt. Der zu messende Druck P übt eine Kraft, deren Richtung in der Figur als Pfeil dargestellt ist, auf die Membran 1 aus, die sich proportional zum zu messende Druck P verformt.The invention will be explained in more detail below with reference to an embodiment. In the single figure is the measuring system of an inductive pressure sensor, in which the displacement of a membrane 1 by an inductive system with a fixed measuring coil 4 is read out, shown in principle. The pressure to be measured P exerts a force on the membrane, whose direction is shown in the figure as an arrow 1 which deforms in proportion to the pressure P to be measured.

Die Messspule 4 ist in einem Spulenträger 3 untergebracht, dessen der Membran 1 zugewandte Oberfläche derart konkav ausgebildet ist, dass sie der Membranform im Überlastfall angepasst ist. Soweit der zu messende Druck P den Messbereich des Messsystem überschreitet, liegt ein Überlastfall vor. Dabei ist die Membran 1 stark verformt. Jedoch liegt die Membran 1 flächig auf dem Spulenträger 3 auf. Die konkave, angepasste Kontur des Spulenträgers 3 schützt dabei die Membran 1 vor Beschädigungen im Überlastfall.The measuring coil 4 is in a coil carrier 3 housed, of which the membrane 1 facing surface is formed concave such that it is adapted to the membrane shape in case of overload. As far as the pressure to be measured P exceeds the measuring range of the measuring system, there is an overload case. Here is the membrane 1 strongly deformed. However, the membrane is lying 1 flat on the bobbin 3 on. The concave, adapted contour of the bobbin 3 protects the membrane 1 against damage in case of overload.

Die Messspule 4 ist durch einen Verguß 5 in dem Spulenträger 3 fixiert.The measuring coil 4 is through a casting 5 in the coil carrier 3 fixed.

Die Membran 1 ist im Wesentlichen konzentrisch mit einer dünnen Auflage 2 aus einer amorphen Metalllegierung mit hoher magnetischer Permeabilität beschichtet. Diese Metalllegierung weist ferromagnetische und/oder stark paramagnetische Werkstoffe, wie Eisen, Ferrit, Kobalt oder Nickel auf. In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist Auflage 2 kreisförmig ausgebildet und der Messspule 4 gegenüberliegend auf der Membran 1 angeordnet.The membrane 1 is essentially concentric with a thin overlay 2 coated from an amorphous metal alloy with high magnetic permeability. This metal alloy has ferromagnetic and / or strong paramagnetic materials such as iron, ferrite, cobalt or nickel. In a preferred embodiment of the invention is edition 2 circular shaped and the measuring coil 4 opposite to the membrane 1 arranged.

Die Auflage 2 kann durch sehr einfach durch maschinelle Bearbeitung in die gewünschte Form gebracht werden. Insbesondere aber nicht abschließend sind hierfür Stanzen sowie Schneiden mit einem Wasserstrahl geeignet.The edition 2 can be made very easy by machining in the desired shape. In particular but not exhaustive punching and cutting with a water jet are suitable.

in einer Ausführungsform ist die Auflage 2 durch eine kraftschlüssige Fügetechnik mit der Membran 1 verbunden. Dabei kann vorgesehen sein, die Auflage 2 auf die Membran 1 zu kleben. Hierfür sind insbesondere aber nicht abschließend acryl- und epoxybasierte Klebstoffe geeignet. Insbesondere kann vorgesehen sein, die Auflage 2 vollflächig mit der Membran 1 zu verkleben. Da die Auflage 2 weicher und flexibler ist als die Membran 1, kann sie deren Bewegung ohne Beschädigung uneingeschränkt folgen.in one embodiment, the overlay 2 by a non-positive joining technique with the membrane 1 connected. It can be provided, the edition 2 on the membrane 1 to stick. Acrylic and epoxy-based adhesives are particularly suitable for this, but not exclusively. In particular, it can be provided, the edition 2 full surface with the membrane 1 to stick together. Because the edition 2 softer and more flexible than the membrane 1 , it can follow their movement without damage without restriction.

In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, die Auflage 2 mittels einer stoffschlüssigen Fügetechnik mit der Membran 1 zu verbinden. Insbesondere kann eine Punktschweißverbindung vorgesehen sein. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Punktschweißverbindung auf einen zentralen Bereich der Auflage 2 begrenzt, um eine Kristallisierung der amorphen Struktur der Auflage 2 zu vermeiden, wodurch die Auflage 2 ihre magnetischen Eigenschaften verlieren würde. In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist die Punktschweißverbindung durch ein Feld von Schweißpunkten gebildet.In an alternative embodiment of the invention can be provided, the support 2 by means of a cohesive joining technique with the membrane 1 connect to. In particular, a spot welding connection can be provided. In a preferred embodiment of the invention, the spot weld joint is on a central portion of the overlay 2 limited to crystallization of the amorphous structure of the overlay 2 to avoid causing the overlay 2 lose their magnetic properties. In an alternative embodiment of the invention, the spot welded joint is formed by a field of welding spots.

Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Membranmembrane
22: Auflageedition
33: Spulenträgercoil carrier
44: Messspulemeasuring coil
55: Vergussgrouting

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 10311795 A1 [0003, 0003]
DE 102008025752 A1 [0004]

Claims

Inductive pressure sensor, in which the pressure-dependent displacement of a membrane ( 1 ) by an inductive system with a fixed measuring coil ( 4 ), characterized in that the membrane ( 1 ) concentric with a thin pad ( 2 ) is coated from an amorphous metal alloy with high magnetic permeability.

Inductive pressure sensor according to claim 1, characterized in that the metal alloy has at least one ferromagnetic Werksoff.

Inductive pressure sensor according to claim 1, characterized in that the metal alloy has at least one strongly paramagnetic Werksoff.

Inductive pressure sensor according to one of claims 1 to 3, characterized in that the thin support ( 2 ) consists of a film, which with a known joining process on the membrane ( 1 ) is attached.

Inductive pressure sensor according to claim 4, characterized in that the thin support ( 2 ) on the membrane ( 1 ) is glued.

Inductive pressure sensor according to claim 4, characterized in that the thin support ( 2 ) on the membrane ( 1 ) is welded.

Inductive pressure sensor according to one of claims 1 to 3, characterized in that the thin support ( 2 ) by a per se known physical coating method on the membrane ( 1 ) is deposited.

Inductive pressure sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the support ( 2 ) is circular.

Inductive pressure sensor according to claim 1, characterized in that the measuring coil ( 4 ) in a coil carrier ( 3 ), of which the membrane ( 1 ) facing surface of the membrane shape is adapted in case of overload.