DE20216822U1 - Pressure transducer for indirect measurement of the liquid level in a tank, whereby the tank weight is transferred to the transducer via a pressure transfer medium, thus enabling precise measurements with an inexpensive device - Google Patents
Pressure transducer for indirect measurement of the liquid level in a tank, whereby the tank weight is transferred to the transducer via a pressure transfer medium, thus enabling precise measurements with an inexpensive deviceInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Druck-Transducer nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a pressure transducer according to the preamble of claim 1.
Piezoresistive Druckmesszellen, Druckwandler oder Druck-Transducer, teilweise auch als Sensoren bezeichnet, sind beispielsweise aus dem G 85 00 494 oder beispielsweise aus der WO 96/26423 bekannt. Sie umfassen üblicherweise ein zylinderförmiges Gehäuse, welches druckmessseitig an geeigneter Stelle eine Messmembran aufweist. Unterhalb dieser Messmembran liegt der eigentliche Druckraum, in welchem eine Druckmesszelle, beispielsweise eine piezoresistive Druckmesszelle angeordnet ist. Dieser Druckmessraum ist mit einem geeigneten inkompressiblen Fluid, in der Regel Öl, befüllt. Anstelle einer piezoresistiven Druckmesszelle können aber auch beliebige andere Kraftoder Druckmesseinrichtungen im Rahmen der vorliegenden Erfindung Anwendung finden, beispielsweise auch Druckmesseinrichtung, die mit dünnfilm-kapazitiven Messmethoden oder beliebigen sonstigen anderen Technologien arbeiten.Piezoresistive pressure measuring cells, pressure converters or pressure transducers, sometimes also referred to as sensors, are known for example from G 85 00 494 or for example from WO 96/26423. They usually comprise a cylindrical housing which has a measuring membrane at a suitable location on the pressure measuring side. Below this measuring membrane is the actual pressure chamber in which a pressure measuring cell, for example a piezoresistive pressure measuring cell, is arranged. This pressure measuring chamber is filled with a suitable incompressible fluid, usually oil. Instead of a piezoresistive pressure measuring cell, any other force or pressure measuring device can also be used within the scope of the present invention, for example pressure measuring devices that work with thin-film capacitive measuring methods or any other technologies.
Zur Druckmessmembran versetzt liegend ist der mit derOffset from the pressure measuring membrane is the
Messmembran versehene Druckinnenraum auf geeignete Weise verschlossen, üblicherweise durch eine sogenannte Glasdurchführung, durch die hindurch Sockelstifte von außen her in den Druckinnenraum hineingeführt sind, von deren Ende dann beispielsweise sogenannte Bond-Drähtchen zu den piezoresistiven Widerständen auf der Druckmesszelle führen. The pressure interior provided with a measuring membrane is closed in a suitable manner, usually by a so-called glass feedthrough, through which base pins are led from the outside into the pressure interior, from the end of which, for example, so-called bond wires lead to the piezoresistive resistors on the pressure measuring cell.
Darüber hinaus kann in geeigneter Weise auch noch eine Leiterplatinenanordnung, ein sogenanntes Print vorgesehen sein, auf welchem noch aktive und/oder passive elektrische Bauelemente oder Baugruppen vorgesehen sind, um beispielsweise eine Messwertformung, Auswertung, etc. vorzunehmen.In addition, a circuit board arrangement, a so-called print, can also be provided in a suitable manner, on which active and/or passive electrical components or assemblies are provided, for example in order to carry out measured value formation, evaluation, etc.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen verbesserten Druck-Transducer zu schaffen, der beispielsweise zur Gewichtsmessung, d.h. auch zur indirekten Bestimmung der Befüllungshöhe eines Tanks verwendet werden kann.The object of the present invention is to provide an improved pressure transducer which can be used, for example, for weight measurement, i.e. also for the indirect determination of the filling level of a tank.
Die Aufgabe wird bezüglich des Druck-Transducers entsprechend den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.The object is achieved with respect to the pressure transducer according to the features specified in claim 1. Advantageous embodiments of the invention are specified in the subclaims.
Erfindungsgemäß ist nunmehr vorgesehen, dass der Transducer eine Gehäuseanordnung aufweist, die druckmessseitig mit einer bewegbaren Kraft- oder Druckübertragungseinrichtung vorzugsweise in Form eines axialbeweglichen Kolbens oder Kraftaufnehmers gestaltet ist. Auf diesem Kraftaufnehmer aufliegend kann das zu messende Gewicht eines Gegenstandes oder beispielsweise der Fuß eines unterschiedlich stark befüllbaren Tanks aufgelegt werden. Vorzugsweise wird hier als KraftübertragungseinrichtungAccording to the invention, the transducer has a housing arrangement which is designed on the pressure measuring side with a movable force or pressure transmission device, preferably in the form of an axially movable piston or force sensor. The weight of an object to be measured or, for example, the base of a tank that can be filled to different levels can be placed on this force sensor. Preferably, the force transmission device is
eine Metallkugel verwendet, die auf dem bevorzugt zylinderförmigen Kraftaufnehmer in einer entsprechenden Halteoder Aufnahmeeinrichtung liegt.a metal ball is used, which lies on the preferably cylindrical force transducer in a corresponding holding or receiving device.
Zwischen diesem axial den Druck weitergebenden Kraftaufnehmer und dem eigentlichen Druckaufnehmer mit einer Messzelle im Innenraum ist dann ein Übertragungsfluid vorgesehen, vorzugsweise in Form eines Gels. Dieses allseitig umschlossene Gel bildet ein den Druck übertragendes PoI-ster. A transmission fluid, preferably in the form of a gel, is then provided between this axially pressure-transmitting force sensor and the actual pressure sensor with a measuring cell in the interior. This gel, which is enclosed on all sides, forms a cushion that transmits the pressure.
Erfindungsgemäß ist der zylinderförmige Kraftaufnehmer mit zumindest einem Dichtungsring oder mehreren in Umfangsrichtung versetzt liegenden Dichtungsringen, vorzugsweise O-Ringen versehen, um eine sichere Dichtung zwischen diesem Kraftaufnehmer und dem eigentlichen Druckaufnehmer unter sandwichartiger Auf-nahme des Gel-Polsters zu gewährleisten. According to the invention, the cylindrical force transducer is provided with at least one sealing ring or several sealing rings offset in the circumferential direction, preferably O-rings, in order to ensure a secure seal between this force transducer and the actual pressure transducer with a sandwich-like accommodation of the gel pad.
Bevorzugt auf der gegenüberliegenden Seite zum Kraftaufnehmer sind in der Gehäuseanordnung dann die Zuführleitungen für die Druckmesszelle einschließlich einer die Druckmesszelle abschirmenden sogenannten Glasdurchführung vorgesehen, die üblicherweise aus einer Metall- oder Legierungsplatte besteht, in der entsprechende Axialbohrungen eingebracht sind, durch die hindurch die entsprechenden Anschluss-Sockelstifte in sogenannten Glasdurchführungen hindurchgeführt sind. Außerhalb des Messinnenraums kann danach bevorzugt ein Print mit elektrischen und elektronischen Bauteilen sitzen, wobei der gesamte untere Raum bevorzugt mit einer Vergussmasse befüllt ist und damit auch den Print mit den elektrischen und elektronischen aktiven oder passiven Bauelementen schützt.Preferably on the opposite side to the force transducer, the supply lines for the pressure measuring cell are provided in the housing arrangement, including a so-called glass feedthrough that shields the pressure measuring cell. This usually consists of a metal or alloy plate in which corresponding axial holes are made, through which the corresponding connection base pins are led in so-called glass feedthroughs. A print with electrical and electronic components can then preferably be located outside the measuring interior, with the entire lower space preferably being filled with a potting compound, thus also protecting the print with the electrical and electronic active or passive components.
Weitere Vorteile, Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich nachfolgend aus dem anhand von Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiel. Dabei zeigen im einzelnen:
5Further advantages, details and features of the invention will become apparent from the embodiment shown below with reference to the drawings. In detail:
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Figur 1 : eine ausschnittsweise im Schnitt wiedergegebene Darstellung eines Tanks mit einem Fuß, welcher auf einem erfindungsgemäßen Transducer ruht; und
10Figure 1 : a partial sectional view of a tank with a base resting on a transducer according to the invention; and
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Figur 2: eine schematische axiale Querschnittsdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Druck-Transducer. Figure 2: a schematic axial cross-sectional view through a pressure transducer according to the invention.
In Figur 1 ist ein Ausschnitt eines Tanks 1 gezeigt, der unterschiedlich stark mit einer Flüssigkeit, beispielsweise auch einem zum Lebensmittelbereich gehörenden Getränk befüllt sein kann. Unter dem Boden 3 sind beispielsweise drei in Umfangsrichtung in gleichen Abständen versetzt angeordnete Fußkonstruktionen 5 vorgesehen, in deren Fuß-Auflage 5' eine Bohrung 9 eingebracht sein kann, die kleiner ist als der Außendurchmesser einer Kugel 11, auf der die Fuß-Auflage 5' gemäß Figur 1 aufliegt. Der Tank kann so über drei Fuß-Stützkonstruktionen 13 getragen werden, wobei zumindest eine oder z.B. zwei Fuß-Stützkonstruktionen 13 mit einem Druckaufnehmer gemäß Figur 1 versehen sind, wie in weiterem Detail anhand von Figur 2 erläutert ist. Im Prinzip ist es sogar ausreichend gegebenenfalls nur eine einzige mit einem Druckaufnehmer versehene Fuß-Stützkonstruktion 13 vorzusehen, wenn beispielsweise drei Auflager vorgesehen sind. Die Fuß-Stützkonstruktionen 13, die nicht mit Druckaufnehmern versehen sind, bestünden dann in der Regel aus einfachen mecha-Figure 1 shows a section of a tank 1 which can be filled to varying degrees with a liquid, for example a beverage belonging to the food sector. For example, three foot structures 5 are provided under the base 3, which are arranged at equal distances in the circumferential direction, in whose foot support 5' a bore 9 can be made which is smaller than the outer diameter of a ball 11 on which the foot support 5' rests according to Figure 1. The tank can thus be supported by three foot support structures 13, with at least one or, for example, two foot support structures 13 being provided with a pressure sensor according to Figure 1, as explained in further detail with reference to Figure 2. In principle, it is even sufficient to provide only a single foot support structure 13 provided with a pressure sensor if, for example, three supports are provided. The foot support structures 13 which are not provided with pressure sensors would then generally consist of simple mechanical
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nischen Auflagern, die in optischer Hinsicht jenen Fuß-Stützkonstruktion 13 in Figur 1 und Figur 2 vergleichbar sein können, allerdings ohne die direkte Druckaufnehmereinrichtung.
5mechanical supports, which in optical terms can be comparable to the foot support structure 13 in Figure 1 and Figure 2, but without the direct pressure sensor device.
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Durch die nachfolgend erläuterten Druckaufnehmer kann also das Gewicht des Tanks mit der Befüllung gemessen werden. Mit abnehmender Befüllung nimmt also das Gewicht insgesamt ab, so dass darüber indirekt über eine angeschlossene Auswerteinrichtung der Befüllungsgrad oder die Befüllungshöhe sehr exakt festgestellt und gemessen werden kann.The pressure sensors explained below can be used to measure the weight of the tank as it is filled. As the tank becomes less full, the overall weight decreases, so that the degree of filling or the filling height can be determined and measured very precisely indirectly via a connected evaluation device.
Nachfolgend wird der Transducer im weiteren Detail unter Bezugnahme auf Figur 2 erläutert.The transducer is explained in more detail below with reference to Figure 2.
Aus Figur 2 ist zu entnehmen, dass der Druck-Transducer ein Gehäuse 17 umfasst, beispielsweise ein zylinderförmiges Gehäuse. In diesem ist von oben her über eine vergleichsweise große Axialerstreckung eine Axialbohrung 19 eingebracht, die an einem nach innen vorstehenden Ringansatz 21 endet.From Figure 2 it can be seen that the pressure transducer comprises a housing 17, for example a cylindrical housing. In this housing an axial bore 19 is introduced from above over a comparatively large axial extension, which ends at an inwardly projecting ring extension 21.
Eine weitere Axialbohrung 23 ist von unten her ebenfalls in Axialrichtung konzentrisch zur oberen Axialbohrung 19 in das Gehäuse 1 eingebracht und endet ebenfalls wieder an dem erwähnten Ringansatz 21, der mit einer zentralen Durchlaßbohrung 25 versehen ist. Von oben her ist in die Axialbohrung 19 ein Druckaufnehmer 26 mit einer Druckkammerhülse 27 eingesetzt, die nach oben hin durch eine Messmembran 29 hermetisch dicht abgeschlossen ist. Über einen zentralen unterhalb der Messmembran liegenden Druckkanal 31 ist eine Verbindung von dem Raum unterhalb der Messmembran 29 zu einem Druckinnenraum 32 hergestellt, welcherA further axial bore 23 is also introduced into the housing 1 from below in the axial direction, concentric to the upper axial bore 19, and also ends again at the mentioned ring extension 21, which is provided with a central through-bore 25. A pressure sensor 26 with a pressure chamber sleeve 27 is inserted into the axial bore 19 from above, which is hermetically sealed at the top by a measuring membrane 29. A central pressure channel 31 located below the measuring membrane creates a connection from the space below the measuring membrane 29 to a pressure interior 32, which
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nach unten hin durch eine sogenannte Glasdurchführung 35 verschlossen ist, welche eine Messzelle, vorzugsweise piezoresistive Druckmesszelle 37 trägt, auf deren Oberfläche entsprechende den Druck messende Messwiderstände ausgebildet oder vorgesehen sein können.is closed at the bottom by a so-called glass feedthrough 35, which carries a measuring cell, preferably a piezoresistive pressure measuring cell 37, on the surface of which corresponding measuring resistors measuring the pressure can be formed or provided.
Die entsprechenden Anschlussdrähte 39 für die Messzelle 37 führen von einer Kabelanordnung 40 kommend zunächst zu einer Print- oder Leiterplatine 41, auf welcher aktive und/oder passive elektrische Bauteile und Baugruppen vorgesehen sein können, zur Signalformung, Signalauswertung etc.The corresponding connecting wires 39 for the measuring cell 37 lead from a cable arrangement 40 first to a printed circuit board 41, on which active and/or passive electrical components and assemblies can be provided for signal shaping, signal evaluation, etc.
Von diesem Print 41 führen Sockelstifte 43 durch die Glasdurchführung 35 hindurch, wobei die Glasdurchführung 35 bekanntermaßen aus Metall besteht, in der die Bohrungen für die Hindurchführung der Sockelstifte 43 ausgebildet sind, wobei die Sockelstifte in diesen Bohrungen in Glaspropfen sitzen, weshalb die entsprechende Metallplatte auch als Glasdurchführung 35 insgesamt bezeichnet wird. In der Regel sind von den Enden der innen vorstehenden Sockelstifte dann sogenannte Bond-Drähte zu den Anschlussstellen der Messwiderstände geführt.From this print 41, base pins 43 lead through the glass feedthrough 35, whereby the glass feedthrough 35 is known to be made of metal in which the holes for the base pins 43 to pass through are formed, whereby the base pins are seated in these holes in glass plugs, which is why the corresponding metal plate is also referred to as the glass feedthrough 35 as a whole. As a rule, so-called bond wires are then led from the ends of the base pins protruding from the inside to the connection points of the measuring resistors.
Der Druckinnenraum des Druckaufnehmers 26 ist ebenfalls mit einer inkompressiblen Flüssigkeit, in der Regel Öl, befüllt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist noch in einer umlaufenden Ringnut 45 ein Dichtring, in der Regel ein sogenannter O-Ring 45' in der Druckkammerhülse 27 eingesetzt, der mit der Innenwandung der Axialbohrung 19 zusammenwirkt.The pressure chamber of the pressure sensor 26 is also filled with an incompressible liquid, usually oil. In the embodiment shown, a sealing ring, usually a so-called O-ring 45', is inserted in a circumferential annular groove 45 in the pressure chamber sleeve 27, which interacts with the inner wall of the axial bore 19.
Der gesamte untere Axialraum 24, durch den hindurch dieThe entire lower axial space 24 through which the
Anschlussdrähte zum Print und von dort über die Glasdurchführung 35 zur Messzelle 37 führen, ist vollständig mit einer Vergussmasse 47 ausgefüllt, wodurch auch die Leiterplatine sowie die elektronischen Baugruppen und Bauelemente auf der Leiterplatine 41 geschützt sind.The connecting wires that lead to the print and from there via the glass feedthrough 35 to the measuring cell 37 are completely filled with a potting compound 47, which also protects the printed circuit board as well as the electronic assemblies and components on the printed circuit board 41.
Oberhalb der Messmembran 29 ist in der Axialbohrung 23 ein Kraftübertrager 51 vorgesehen, dessen Außenkontur der Innenkontur der Axialbohrung 19 entspricht und in Axialrichtung druckbelastbar und zumindest leicht verschiebbar ist. Durch diesen Kraftaufnehmer 51 ist ein Abstandsraum 55 zwischen der stirnseitigen Unterseite 51' und der im Abstand dazu gegenüberliegenden Messmembran 29 des Druckaufnehmers ausgebildet, der mit einem Druckübertragungsmedium, vorzugsweise in Form eines Gels, vollständig befüllt ist. Dieses Druckübertragungsmedium im Abstandsraum 55 bildet also ein Polster.Above the measuring membrane 29, a force transmitter 51 is provided in the axial bore 23, the outer contour of which corresponds to the inner contour of the axial bore 19 and can be subjected to pressure in the axial direction and is at least slightly displaceable. This force transducer 51 forms a space 55 between the front underside 51' and the measuring membrane 29 of the pressure transducer, which is located at a distance from it, which is completely filled with a pressure transmission medium, preferably in the form of a gel. This pressure transmission medium in the space 55 thus forms a cushion.
Die Kraftübertragungseinrichtung 51 weist in Axialrichtung zwei versetzt zueinander liegende Ringnuten 57' und 57" auf, die jeweils mit einem Dichtring 59' und 59" in Form eines O-Ringes befüllt sind und eine Abdichtung gegenüber dem Druckübertragungsmedium 55 gewährleisten.The force transmission device 51 has two annular grooves 57' and 57" offset from one another in the axial direction, each of which is filled with a sealing ring 59' and 59" in the form of an O-ring and ensures a seal against the pressure transmission medium 55.
An der nach außen weisenden Stirnseite ist die Kraftübertragungseinrichtung 51 im gezeigten Ausführungsbeispiel mit einer im wesentlichen kegelförmigen Vertiefung 61 versehen, in welcher die bereits erwähnte Kugel 11 sitzt, auf der dann der erwähnte Fußaufleger 5' ruht.On the outward-facing front side, the force transmission device 51 in the embodiment shown is provided with a substantially conical recess 61 in which the already mentioned ball 11 sits, on which the mentioned footrest 5' then rests.
Mit sich verändernder Befüllung und damit sich veränderndem Gesamtgewicht des Tanks 1 einschließlich seiner Befüllung, verändert sich der auf der jeweiligen Kugel ruhendeWith changing filling and thus changing total weight of the tank 1 including its filling, the pressure resting on the respective ball changes.
Druck und damit der über die Kraftübertragungseinrichtung 51 und das darunter befindliche Gel-Polster 55' der Druck, der über die Messmembran und das darunter befindliche Druckübertragungsmedium auf die im Messraum befindliche Messzelle wirkt.Pressure and thus the pressure via the force transmission device 51 and the gel pad 55' located underneath, which acts on the measuring cell located in the measuring chamber via the measuring membrane and the pressure transmission medium located underneath.
Auf diese Art und Weise kann sehr viel genauer und kostengünstiger - zumindest indirekt - auch die Befüllungshöhe in einem Tank gemessen oder ermittelt werden, wodurch sich klare Vorteile gegenüber einer die Flüssigkeitshöhe in einem Tank messenden Einrichtung ergeben.In this way, the filling level in a tank can be measured or determined much more accurately and cost-effectively - at least indirectly - which offers clear advantages over a device that measures the liquid level in a tank.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R163 | Identified publications notified | ||
| R207 | Utility model specification |
Effective date: 20030918 |
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| R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years |
Effective date: 20051027 |
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| R151 | Utility model maintained after payment of second maintenance fee after six years |
Effective date: 20081021 |
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| R158 | Lapse of ip right after 8 years |
Effective date: 20110502 |