Drucksensormodul Messanordnung mit einem Drucksensormodul.

Messananordnungen mit Drucksensormodulen umfassen gewöhnlich eine Druckmesszelle, und ein Bauteil zur Montage der Druckmesszelle in der Messanordnung.

Das Patent DE 10133066 B4 offenbart beispielsweise ein Druckmessgerät, welches eine Druckmesszelle aufweist, die in eine Hülse eingefasst ist. Die Hülse weist an einem ersten Ende eine sich radial nach innen erstreckende Schulter auf, gegen welche die Druckmesszelle eingespannt ist, wobei die Druckmesszelle durch eine von der Schulter begrenzte Öffnung mit einem Druck beaufschlagbar ist, Wobei das durch die

Druckmesszelle und die Hülse gebildete Drucksensormodul in eine Hülse eingebaut ist.

Die Offenlegungsschrift DE 102014207394 A1 beschreibt einen Drucksensor mit einer Druckmesszelle die auf einem als Prozessanschluss dienenden Metallblock mittels eines deckeiförmigen Stützelements gehalten wird, wobei die Druckmesszelle zwischen einem elastischen Dichtring und dem Stützelement axial eingespannt ist, der Dichtring auf der membranseitigen Stirnseite der Druckmesszelle aufliegt, das Stützelement mit einem Deckelbereich und einem dazu umgebogenen Rand kappenartig ausgebildet und über die Druckmesszelle gestülpt ist, die Innenkontur des Stützelements näherungsweise der Außenkontur der Druckmesszelle entspricht und das Stützelement stoffschlüssig mit dem

Prozessanschluss verbunden ist. Das Stützelement dient bei der axialen Einspannung der Druckmesszelle als Widerlager.

Die Offenlegungsschrift DE 10308820 A1 beschreibt eine keramische

Druckmesszelle. Zum Zweck der chemischen und thermischen Beständigkeit für eine Vielzahl von Chemikalien ist auf der medienberührenden Messmembran der Druckmesszelle eine Kunststoff-Folie aufgebracht. Die Offenlegungsschrift DE 04234290 A1 offenbart einen Drucksensor mit einer Druckmesszelle in einem definierten Abstand an einem Gegenkörper angebracht ist. Zur Aufnahme der Druckmesszelle weist der Drucksensor ein Gehäuse mit einer

Durchgangsöffnung auf, deren Durchmesser in einem vorderen Bereich des Gehäuses so weit abnimmt, dass stirnseitig zwischen dem Gehäuse der darin bündig eingesetzten Druckmesszelle ein Ringspalt verbleibt, der mit einer Radialdichtung abgedichtet ist.

Die Offenlegungsschrift EP 0 1939600 A2 betrifft einen möglichst korrosionsfreien Druckmessaufnehmer, der einen geringen Druckverlust bewirkt, mit einem

Messaufnehmergehäuse, das einen geraden, rohrförmigen Leitungsabschnitt aufweist, der im Messbetrieb von einem Medium, dessen Druck zu messen ist, durchströmt wird, an dessen einem Ende ein konisch in Richtung des Leitungsabschnitts zulaufender Einlass angeformt ist, über den das Medium zuströmt, an dessen anderem Ende ein konisch in Richtung des Leitungsabschnitts zulaufender Auslass angeformt ist, über den das Medium abfließt, der eine Ausnehmung aufweist, in die eine keramische Druckmesszelle mit einer druckempfindlichen Membran unter Zwischenfügung einer Messzellendichtung derart eingesetzt ist, dass das Messaufnehmergehäuse eine Frontseite der Druckmesszelle

außenseitlich umfasst, und die Messzellendichtung eine Abdichtung zwischen der

Druckmesszelle und dem Messaufnehmergehäuse bewirkt, und einem Messzellengehäuse, das unter Zwischenfügung einer Gehäusedichtung unmittelbar auf dem

Messaufnehmergehäuse montiert ist, das eine Ausnehmung aufweist, die eine Rückseite der Druckmesszelle außenseitlich umschließt, bei dem die Druckmesszelle zwischen dem Messzellengehäuse und dem Messaufnehmergehäuse in axialer Richtung eingespannt ist.

Bei den genannten Dokumenten zum Stand der Technik ist die Druckmesszelle stets frontseitig gegen eine Dichtung eingespannt, welche Positionierungstoleranzen ausgleicht.

Es besteht jedoch Bedarf an Drucksensormodulen, die einerseits einfach zu montieren und auszutauschen sind, und die andererseits ihre Position reproduzierbar mit minimalen Toleranzen einnehmen. Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, solche Sensormodule und Messanordnungen mit solchen Sensormodulen bereitzustellen. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das Sensormodul gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 und durch die Messanordnung gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 7.

Das erfindungsgemäße Drucksensormodul umfasst: eine Druckmesszelle; und einen Montagering, wobei die Druckmesszelle einen Gegenkörper, eine Messmembran und einen Wandler zum Wandeln einer druckabhängigen Auslenkung der Messmembran in mindestens ein elektrisches oder optisches Signal aufweist, wobei die Messmembran entlang eines umlaufenden Randes druckdicht mit dem Gegenkörper verbunden ist, wobei zwischen dem Gegenkörper und der Messmembran eine Messkammer gebildet ist, wobei die

Messmembran eine dem Gegenkörper abgewandte Stirnseite aufweist, die mit einem zu messenden Druck beaufschlagbar ist, wobei die wobei der Gegenkörper eine der

Messmembran abgewandte Rückseite aufweist, die einen umlaufenden Randbereich aufweist, wobei der Montagering eine Montageöffnung aufweist, wobei der Montagering eine ringförmig umlaufende, innere Montagefläche in der Montageöffnung aufweist, wobei die innere Montagefläche eine innere axiale Anschlagebene zur Montage der Druckmesszelle definiert, wobei der Montagering eine äußere Montagefläche außerhalb der Montageöffnung des Montagerings aufweist, wobei die äußere Montagefläche eine Orientierung einer Montageachse des Montagerings bezüglich einer zur äußeren Montagefläche komplementären Gegenfläche definiert, wobei ein Normalenvektor der inneren axialen Anschlagebene parallel zur Montageachse verläuft, wobei die Druckmesszelle mit der Rückseite voran in die

Montageöffnung eingesetzt ist, wobei der Randbereich der Rückseite des Gegenkörpers mit der inneren Montagefläche verklebt ist, wobei die innere Montagefläche eine Schulter aufweist, welche sich von einer inneren Mantelfläche des Montagerings radial einwärts erstreckt, wobei die Schulter zwischen der axialen Anschlagfläche und der inneren

Mantelfläche eine ringförmig umlaufende Vertiefung aufweist, um überschüssigen Klebstoff beim Verkleben der axialen Anschlagfläche mit der Rückseite des Gegenkörpers aufzunehmen.

Durch die Gestaltung der inneren Montagefläche kann die Druckmesszelle unabhängig von Toleranzen bei der Dosierung und Verteilung des Klebstoffs zwischen der Druckmesszelle und dem Montagering in einer hinreichend genau definierten Lage bezüglich des Montagerings positioniert werden.

In einer Weiterbildung der Erfindung weist die Klebstoffschicht zwischen der axialen Anschlagfläche und der Rückseite des Gegenkörpers eine Stärke von nicht mehr als 40 μιη, insbesondere nicht mehr als 20 μιη und bevorzugt nicht mehr als 10 μιη auf. In einer Weiterbildung der Erfindung ist ein Normalenvektor zu einer durch den Randbereich der Rückseite des Gegenkörpers definierten Ebene gegenüber dem

Normalenvektor der axialen Anschlagfläche um nicht mehr als 2,4 mrad, insbesondere nicht mehr als 1 ,2 mrad und bevorzugt nicht mehr als 0,6 mrad verkippt. In einer Weiterbildung der Erfindung verläuft eine durch den umlaufenden

Randbereich der Rückseite des Gegenkörpers definierte Ebene bis auf Fertigungstoleranzen parallel zu einer durch die Stirnseite der Messmembran definierte Ebene. In einer

Ausgestaltung dieser Weiterbildung der Erfindung weicht die durch den Randbereich der Rückseite des Gegenkörpers definierte Ebene von der Parallelität zur durch die Stirnseite der Messmembran definierte Ebene aufgrund von Fertigungstoleranzen um nicht mehr als 3 mrad, insbesondere nicht mehr als 1 ,5 mrad und bevorzugt nicht mehr als 1 mrad ab.

In einer Weiterbildung der Erfindung weist die Vertiefung zwischen der

Anschlagfläche und der inneren Mantelfläche in einem Längsschnitt durch die

Montageachse eine Fläche von nicht weniger als 0,06 mm ² , insbesondere nicht weniger als 0,1 mm ² und bevorzugt nicht weniger als 0,15 mm ² auf.

In einer Weiterbildung der Erfindung weist die Druckmesszelle einen keramischen Werkstoff, insbesondere Korund auf.

In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Montagering einen Glasfaser verstärkten Kunststoff auf. Die erfindungsgemäße Messanordnung umfasst ein Drucksensormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche; und ein Fluidmodul, wobei das Fluidmodul einen mindestens einen Fluidkanal und eine Sensormodulaufnahme aufweist, welche mit dem Fluidkanal kommuniziert, wobei die Sensormodulaufnahme eine zur äußeren Montagefläche des Montagerings komplementäre Gegenfläche aufweist, wobei die äußere Montagefläche durch Anliegen an der Gegenfläche eine Orientierung einer Montageachse des

Montagerings bezüglich der Gegenfläche festlegt, wobei die Messmembran mit einem in dem Fluidkanal herrschenden Druck beaufschlagbar ist.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist die äußere Montagefläche gegen die Gegenfläche gespannt, wobei die Gegenfläche eine Ebene definiert, deren Normalenvektor gegenüber einem Normalenvektor zur Stirnseite der Messmembran um nicht mehr als 10 mrad, insbesondere nicht mehr als 7 mrad und bevorzugt nicht mehr als 4 mrad verkippt ist. In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Fluidkanal einen der Messmembran gegenüberliegenden Wandbereich auf, wobei der mittlere Abstand des Wandbereichs von der Messmembran oder von einer die Messmembran abdeckende Dichtungsmatte nicht mehr als ein Fünftel, insbesondere nicht mehr als ein Zehntel, und bevorzugt nicht mehr als ein Zwanzigstel des Durchmessers der Messmembran beträgt.

In einer Weiterbildung der Erfindung weist die Sensormodulaufnahme eine erste Dichtfläche auf, wobei der Montagering stirnseitig eine zweite Dichtfläche aufweist, wobei die erste Dichtfläche und die zweite Dichtfläche einander zugewandt sind, wobei mindestens eine der Dichtflächen der Mantelfläche der Druckmesszelle zugewandt ist, und wobei zwischen den Dichtflächen und der Mantelfläche der Druckmesszelle ein Dichtring elastisch eingespannt ist.

Die Erfindung wird nun anhand des in den Zeichnungen dargestellten

Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Es zeigt: Fig. 1 : einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen

Messanordnung; und

Fig. 2: einen vereinfachten Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sensormoduls der Messanordnung aus Fig. 1.

Das in Fig. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen

Messanordnung 1 umfasst ein Sensormodul 2 und ein Fluidmodul 3, wobei das Fluidmodul 3 eine Sensormodulaufnahme 4 aufweist, in welcher das Sensormodul 2 angeordnet ist.

Das Sensormodul 2 umfasst eine keramische Druckmesszelle 10 mit einer

Messmembran 12 und einem Gegenkörper 14, wobei die Messmembran 12 mit dem Gegenkörper unter Bildung einer Messkammer zwischen der Messmembran und dem Gegenkörper entlang einer umlaufenden Fügestelle druckdicht verbunden sind. Die

Druckmesszelle 10 umfasst weiterhin einen elektrischen Wandler zum Wandeln einer druckabhängigen Auslenkung der Messmembran in ein elektrisches Signal, insbesondere einen kapazitiven oder resistiven Wandler. Der derzeit bevorzugte kapazitive Wandler umfasst in der Messkammer mindestens eine erste Elektrode an der Messmembran 12, die dem Gegenkörper 14 zugewandt ist und mindestens eine zweite Elektrode am

Gegenkörper14, die der Messmembran zugewandt ist. Die Elektroden sind nicht im

Einzelnen dargestellt, da es im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung der Wandler nicht von Interesse ist. Die Kapazität zwischen den Elektroden wird von einer Hybridschaltung 15 ausgewertet, die auf einer der Messmembran 12 abgewandten Rückseite gekapselt angeordnet ist. Über eine Steckverbinderkupplung 16 und eine Leiterplatte 18, welche beispielsweis eine Impedanzwandlerschaltung aufweisen kann, ist die Hybridschaltung 15 mittels eines Kabels an eine übergeordnete Einheit anschließbar. Durch einen

Kabelabschnitt zwischen der Steckverbinderkupplung 16 und der Leiterplatte 18 ist die Leiterplatte 18 mechanisch von der Hybridschaltung entkoppelt, so dass auf die Leiterplatte einwirkende Zugkräfte nicht über Schaltungskomponenten auf die Druckmesszelle 10 übertragen werden können. Das Sensormodul 2 umfasst weiterhin einen Montagering 20, welcher die

Druckmesszelle 10 trägt und andererseits die definierte Montage des Sensormoduls 2 in der Sensormodulaufnahme 4 des Fluidmoduls 3 ermöglicht. Der Montagering 20 weist einen Kunststoff, auf beispielsweise ein Polyamid, das unter der Bezeichnung Grivory ® erhältlich ist. Der Montagering 20 weist eine als durchgehende, gestufte Bohrung ausgebildete Montageöffnung 21 auf, welche verschiedene Konturelemente aufweist, die für die Montage der Druckmesszelle 10 Bedeutung haben, und welche im Folgenden unter Bezugnahme auf Fign. 1 und 2 erläutert werden.

Die Montageöffnung 21 eine ringförmig umlaufende, innere Montagefläche 23 auf, welche eine innere axiale Anschlagebene zur Montage der Druckmesszelle 10 definiert. Die innere Montagefläche 23 ist durch eine Schulter 22 gebildet, welche sich von einer inneren Mantelfläche des Montagerings 20 radial einwärts erstreckt. Die Montagefläche 23 weist zwischen der axialen Anschlagfläche und der inneren Mantelfläche des Montagerings eine ringförmig umlaufende Vertiefung auf.

Die Druckmesszelle 10 ist mit dem Gegenkörper 14 voran in die Montageöffnung 21 eingesetzt, wobei der Gegenkörper 14 mit der Montagefläche 23 mittels einer

Klebstoffschicht 50 verklebt ist. Somit ist die Position der Messzelle 10 bis auf die Stärke der Klebstoffschicht 50 zwischen der axialen Anschlagfläche und der Rückseite der

Druckmesszelle 10 festgelegt. Die umlaufende Vertiefung dient dazu, überflüssigen, beim Anpressen der Druckmesszelle verdrängten Klebstoff aufzunehmen, so dass bei ausreichender Beschichtung mit Klebstoff bei der Montage die resultierende, gehärtete

Klebstoffschicht im Ergebnis eine Stärke von nicht mehr als 50 μιη insbesondere nicht mehr als 25 μιη aufweist. Dies ist insofern beachtlich, als ein Fig. 3 dargestelltes Maß d1 , welches den axialen Abstand zwischen einer äußeren axialen Anschlagfläche 25 des Montagerings 20 und der Stirnseite der Messmembran 12 beschreibt, für den Betrieb der Messanordnung kritisch ist, und die Stärke der Klebstoffschicht 50 über ein Maß d2, welches den axialen Abstand zwischen der axialen Anschlagfläche der Montagefläche 23 und der Stirnseite der

Messmembran 12 beschreibt, additiv in dieses Maß eingeht. Abgesehen vom dem Maß d2, ist es weiterhin wichtig, dass eine durch die Stirnseite der Messmembran 12 definierte Ebene möglichst parallel zu einer durch die äußere axiale Anschlagfläche 25 definierten Ebene verläuft. Auch dies wird erleichtert wenn bei der Montage der Druckmesszelle überflüssiger Klebstoff in die Vertiefung der Montagefläche 23 verdrängt werden kann.

An der druckmesszellenseitigen Stirnfläche weist der Montagering 20 eine einwärts geneigte erste Dichtungsfläche 24 auf, an welcher im montierten Zustand ein elastischer O- Ring 31 anliegt, der zwischen der Dichtfläche 24, der Mantelfläche des Gegenkörpers der Druckmesszelle 12, und einer durch eine radiale Stufe in der Sensormodulaufnahme 4 gebildeten zweiten Dichtfläche eingespannt ist.

Die Montageöffnung 21 weist weiterhin eine der Druckmesszelle 12 abgewandte, zweite axiale Anschlagfläche 26 auf, an welcher die Leiterplatte 18 anliegt, von der sich ein Kabel zum Anschluss an eine übergeordnete Einheit erstreckt. Die Leiterplatte 18 ist beispielsweise mit einem Sprengring 28 gesichert, welcher in eine Ringnut 27 in der Montageöffnung 21 eingreift. Anders als in Fig. 1 sind in Fig. 2. die Hybridschaltung und weitere Elektronikkomponenten im Sinne der Übersichtlichkeit nicht dargestellt, da hier ausschließlich konstruktive Gesichtspunkte zu erörtern sind.

Das Fluidmodul 3 weist einen Modulkörper 30 auf, der insbesondere einen metallischen Werkstoff aufweist. In dem Modulkörper 30 ist die Sensormodulaufnahme 4 in Form einer gestuften, Bohrung ausgebildet. Die Sensormodulaufnahme 4 weist eine durch eine radiale Stufe gebildete Gegenfläche 35 auf an welcher die äußere axiale

Anschlagfläche 25 des Montagerings 20 im montierten Zustand anliegt. Damit ist bestimmungsgemäß die Position der Messmembran 12 bezüglich des Modulkörpers 30 festgelegt. Zum Fixieren des Sensormoduls 2 weist die Messanordnung 1 beispielsweise einen

Spannkörper 34 auf, der nach dem Einsetzen des Sensormoduls 2 in die

Sensormodulaufnahme 4 auf eine der Druckmesszelle 10 abgewandte zweite Stirnfläche des Montagerings 20 einwirkt. Der Spannkörper 34 ist seinerseits mit einem Schraubring 38 in der Sensormodulaufnahme gesichert.

Das Fluidmodul 3 kann einen auswechselbaren medienberührenden

Elastomerkörper 39 aufweisen, welcher aufweist, und welcher an einer Unterseite des ersten Modulkörpers 30 angeordnet ist welcher an einer Unterseite des Modulkörper 30 angeordnet ist und das Sensormodul 2 gegenüber einem Fluidkanal 5 abdichtet, welcher an der Unterseite des Modulkörpers verläuft, und gegenüber dem Sensormodul durch eine

Bodenplatte begrenzt ist.

Bei kleinen Fluidkanalquerschnitten hängt deren jeweiliger Wert im Bereich der Messmembran 12 erheblich von deren axialer Position und Neigungswinkel ab. Daher trägt das erfindungsgemäße Sensormodul mit seiner genauen Positionierung der Druckmesszelle zu einer relevanten Steigerung der Messgenauigkeit der Messanordnung bei.