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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur sensortechnischen Ermittlung einer zwischen einer ersten Stelle und einer in Strömungsrichtung beabstandet hierzu angeordneten zweiten Stelle auftretenden Druckdifferenz im Bereich einer in einer druckluftdurchströmten Arbeitsleitung eingefügten Drossel.
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Das Einsatzgebiet der vorliegenden Erfindung erstreckt sich auf fluidtechnische Anwendungsfälle, bei denen das Vorhandensein einer Druckmittelströmung in einer Leitung sowie deren Richtung festgestellt werden soll, um diese Informationen in einer übergeordneten Steuereinheit signalzuverarbeiten. Mögliche Anwendungsfälle sind beispielsweise Reifendrucküberwachungseinrichtungen, bei denen die Druckbeaufschlagung mindestens eines luftgefederten Reifens eines Kraftfahrzeuges gesteuert wird. Hierbei benötigt die übergeordnete Steuerung eine sensortechnisch zu ermittelnde Information über den aktuellen Druck der angeschlossenen luftgefederten Reifen. Es sind jedoch auch anderen Anwendungsfälle denkbar, beispielsweise bei pneumatischen Türbetätigungsanlagen oder im Bereich der Verbrennungsmotorentechnik.
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Aus der
EP 0 003 188 A1 geht eine technische Lösung zur Ermittlung einer Druckdifferenz im Bereich einer in einer druckmittelführenden Arbeitsleitung eingefügten Drossel hervor. Die Arbeitsleitung führt hier Verbrennungsluft, deren Zufuhr gesteuert werden soll. Das Vorhandensein einer Luftströmung durch die Arbeitsleitung wird durch deren Anzapfen an zwei beabstandet zueinander angeordneten Stellen ermittelt. Im Bereich einer eine Drosselwirkung hervorrufenden Engstelle sowie in Strömungsrichtung gesehen vor dieser Engstelle wird der dort herrschende Druck beidseits einer in einem geschlossenen Gehäuse untergebrachten Elastomermembran zugeführt. Dabei lässt sich eine untere Anschlagstellung durch eine Einstellschraube justieren. Über einen Hebelmechanismus wird die sich je nach Druckdifferenz zwischen beiden Stellen ergebende Position der Elastomermembran abgegriffen. Über die aktuelle Position der Elastomermembran lassen sich somit Rückschlüsse über die herrschende Druckdifferenz im Bereich der Drossel ziehen.
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Die
DE 2 318 973 A1 offenbart eine andere Vorrichtung zur sensortechnischen Ermittlung einer Druckdifferenz, bei welcher diese Druckdifferenz zu beiden Seiten eines Kolbens nach Größe und Vorzeichen zur Gewinnung von Schaltsignalen für eine übergeordnete Steuerung herangezogen wird. Der Kolben ist axial verschiebbar in einem Gehäuse angeordnet, das beidseits des gegen Federkräfte längs verschieblich gelagerten Kolbens je eine mit einem Druckmittelanschluss versehene Druckkammer bildet. Der Kolben ist für seine beiden Verschiebrichtungen zwei Federanordnungen zugeordnet, die sich mit ihren einander abkehrenden ersten Enden dauernd auf Anschlägen am Gehäuse und mit ihren zweiten Enden an auf das Bauteil aufgezogene Anschlagscheiben aufstützen. Die den Anschlagscheiben der jeweiligen Feder abgekehrten Stirnflächen sind je nach Anlage an dem Kolben und an dem Gehäuse derart zugeordnet, dass in einer von den Endstellungen abweichenden neutralen Stellung des Kolbens beide Anschlagscheiben auf den zugeordneten Anlagen an Kolben und Gehäuse aufliegen, während bei Verschiebungen des Kolbens die in Richtung der jeweiligen Verschiebung vorhandene Anschlagscheibe nur auf der zugeordneten Anlage am Kolben, dagegen die in Richtung der jeweiligen Verschiebung hintere Anschlagscheibe nur auf der zugeordneten Anlage am Gehäuse aufliegt. Der Kolben ist mit Mitteln zur von seiner Stellung abhängigen Betätigung von elektrischen Schaltmitteln versehen. Als elektrische Schaltmittel sind zwei einander gegenüberliegend angeordnete Tippschalter vorgesehen, deren wechselseitige Betätigung über einen Mitnehmerarm erfolgt, der mechanisch mit dem Kolben des Differenzdrucksensors verbunden ist.
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Nachteilhaft bei diesem Stand der Technik ist die recht hohe Anzahl von Bauelementen, verursacht durch die Anschlagscheiben, Druckfedern, Dichtungen und dergleichen.
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Aus der
DE 42 26 941 A1 geht eine andere technische Lösung für einen Differenzdruckschalter hervor, bei der die vorstehend geschilderte Problematik dadurch gelöst wird, dass wenige funktionsintegrierte Bauteile mit einem berührungslos arbeitenden Schalter kombiniert werden. In einem quaderförmigen Gehäuse, in dem ein einseitig eingespanntes Band angeordnet ist, hängt die Position des freien Endes dieses Bandes von einem Differenzdruck ab. Die zu vergleichenden Druckquellen münden auf den gegenüberliegenden zu dem Band parallelen Wandungen des Gehäuses. Mit Hilfe eines berührungslosen Sensors wird die Bewegung oder Position des freien Endes des Bandes in entsprechend elektrische Signale umgesetzt. Wenn das Band als ein Metallband ausgeführt ist, kann der Sensor nach Art eines induktiven Sensors ausgebildet sein. Ferner wird vorgeschlagen, zumindest das bewegliche Teil des Bandes zu magnetisieren, um eine zuverlässige Messung sicherzustellen.
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Auch mit dieser technischen Lösung lässt sich ein Differenzdruck messen und in ein Schaltsignal umwandeln. Dieser Differenzdruckschalter wird vorzugsweise in der Fahrwerksregelung, bei der sich in den Schwingungsdämpfern der Druck durch Übergang von zug- auf druckperiodisch ändert, eingesetzt. Nachteilhaft hierbei ist jedoch der recht empfindliche Aufbau, der den Einsatzumfang dieser technischen Lösung beschränkt.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur sensortechnischen Ermittlung eines Differenzdrucks zu schaffen, die mit einfachen Bauteilen robust aufgebaut ist und stets zuverlässige Messwerte liefert.
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Die Aufgabe wird ausgehend von einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
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Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass der Druck an der ersten Stelle in Strömungsrichtung vor und an der zweiten Stelle in Strömungsrichtung – nicht bei sondern – nach der Drossel abgezweigt wird, um die Druckdifferenz über der in der Arbeitsleitung integrierten Drossel beidseits einer hierzu parallel geschalteten Druckwaageeinheit zuzuführen. Die Druckwaageeinheit meldet im Zusammenwirken mit einer elektrischen Schaltereinheit einer übergeordneten Steuereinheit ein binäres Be- oder Entlüftungssignal, falls die Druckwaageeinheit eine signifikante positive bzw. negative Druckdifferenz über der Drossel detektiert, die im Rahmen der erfindungsgemäßen Vorrichtung insoweit als eine Art Messdrossel dient.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt insbesondere darin, dass sich die spezielle Nebeneinanderordnung von Messdrossel zu Druckwaageeinheit zu elektrischer Schaltereinheit mit wenigen Bauteilen einfach umsetzen lässt. Dabei wird mit der ersten Paarung von Messdrossel zu Druckwaageeinheit die bestehende Druckdifferenz in einen Stellung umgesetzt. Mit der Paarung Druckwaageeinheit zu elektrischer Schaltereinheit wird der so erzeugte Stellung als Betätigungskraft für die elektrische Schaltereinheit genutzt. Das so ausgehend von einer Druckdifferenz erzeugte elektrische Signal kann zur Einleitung und Beendigung von auf Druckluftströmungen in Arbeitsleitungen basierenden Anwendungsfällen genutzt werden.
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Die Druckwaageeinheit, welche zur Umsetzung der gemessenen Druckdifferenz in einen Stellweg dient, besteht vorzugsweise aus einem zylindrischen Gehäuse mit endseitigen Druckanschlüssen für den Anschluss mit der ersten bzw. zweiten Stelle vor/nach der Drossel und enthält einen durch die Druckdifferenz axial und bidirektional verstellbaren Waagekolben, der gegenüber der Wandung des Gehäuses dynamisch abgedichtet ist. Zur Positionierung des Waagekolbens in eine als differenzdrucklose Ausgangsstellung definierte Mittelstellung ist der Waagekolben beidseits zweier Federelemente angeordnet, die mit dem dem Waagekolben jeweils angewandten Ende an den Stirnseiten des Gehäuses zur Anlage kommen. Somit werden zwei den Waagekolben gegenüberliegend und gegen Federkräfte beaufschlagbaren Druckkammern geschaffen. Eine solche Druckwaageeinheit ist einfach und robust aufgebaut und besteht aus den vorstehend erwähnten wenigen Einzelbauteilen.
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Das Zusammenwirken dieser Druckwaageeinheit mit der ihr zugeordneten elektrischen Schalteeinheit erfolgt vorzugsweise nach den beiden nachfolgend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen:
Gemäß einer ersten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass magnetische Koppelmittel zum Einsatz kommen. Als magnetisches Koppelmittel wirkt dabei vorzugsweise ein im Waagekolben integrierter Permanentmagnet mit der als induktiver Reedschalter ausgebildeten Schaltereinheit zusammen. Dabei kann der Waagekolben auch gänzlich aus Permanentmagnetmaterial bestehen. Diese magnetischen Kuppelmittel ermöglichen ein berührungsloses Betätigen der elektrischen Schaltereinheit, welche eine druckdichte Unterbringung der Bauteile der Druckwaageeinheit innerhalb eines vollkommen geschlossenen Gehäuses gestattet. Somit werden Abdichtungsprobleme vermieden und dank der magnetischen Koppelmittel lässt sich die Vorrichtung insgesamt recht kompaktbauend realisieren.
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Gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass die Druckwaageeinheit über mechanische Koppelmittel mit der elektrischen Schaltereinheit zusammenwirkt. Als geeignetes mechanisches Koppelmittel kann dabei ein den Waagekolben mit der Schaltereinheit verbindender Betätigungsstößel vorgesehen werden, der sich quer zur Bewegungsachse des Waagekolbens in Richtung elektrischer Schaltereinheit erstreckt. Der Betätigungsstößel kann dabei entweder Bestandteil des Waagekolbens sein oder Bestandteil der Schaltereinheit. Letzterenfalls lässt sich die elektrische Schaltereinheit als herkömmlicher mehrpoliger Kipphebelschalter ausbilden, der als Standardbauteil zur Verfügung steht.
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Gemäß einer die Betätigung einer als Kipphebelschalter ausgebildeten elektrischen Schaltereinheit verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, dass der Waagekolben zwischen zwei Elastomermembranen angeordnet ist, die je einen Druckraum begrenzen, welcher mit der ersten bzw. zweiten Stelle der Drossel verbunden ist. Das distale Ende des Betätigungsstößels wirkt dabei mit einer radialen Ausnehmung am Waagekolben zur Schalterbetätigung zusammen. Dank der beiden den Waagekolben einschließenden Elastomermembranen steht der mit dem Betätigungsstößel und dem elektrischen Schalter zusammenwirkende Übergangsbereich nicht unter Druck, so dass keine weiteren Dichtungsmaßnahmen getroffen werden müssen. Das Elastomermaterial der Elastomermembranen ist so dick ausgeführt, dass sich im Falle eines Druckgleichgewichts, also bei nicht vorhandender Druckdifferenz, die neutrale Mittelstellung einstellt, ohne dass zusätzliche Federelemente benötigt werden.
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Vorzugsweise ist die elektrische Schaltereinheit im Rahmen der vorliegenden Erfindung mit drei Schaltstellungen ausgestattet und signalisiert der übergeordneten – vorzugsweise elektronischen – Steuereinheit in der besagten Mittelstellung des Waagekolbens keinen Druckbedarf.
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Wird dagegen eine der Endanschlagstellungen des Waagekolbens, linksseitig oder rechtsseitig, angenommen, so lässt sich hierdurch ein Belüftungsbedarf bzw. Entlüftungsbedarf signalisieren. Hierdurch lässt sich eine 3/n-Ventilfunktion umsetzen. Eine 2/2-Ventilfunktion kann aus der Summe der vorhandenen Möglichkeiten dadurch realisiert werden, dass lediglich die neutrale Mittelstellung als Abschlussstellung und der Belüftungsbedarf oder Entlüftungsbedarf signalisiert wird.
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Gemäß eines bevorzugten Anwendungsfalls ist die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur sensortechnischen Ermittlung eines Differenzdruckes ausgestattete Arbeitsleitung eingangsseitig von einem elektropneumatischen Ventil mit Druckluft beaufschlagbar, um endseitig einen vorzugsweise geschlossenen Behälter zu befüllen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermittelt hierbei, ob Druckluft in den Behälter strömt und wann sich ein Strömungsausgleich einstellt und meldet ein dementsprechendes elektrisches Signal an die übergeordnete Steuereinheit weiter, die wiederum das Steuerventil ansteuert. Der elektronischen Steuereinheit kann ein gewünschtes Drucklevel manuell oder automatisch vorgegeben bekommen. Dieses Einsatzbeispiel lässt sich bei der Befüllung luftgefederter Reifen eines Kraftfahrzeuges, der Befüllung kesselartiger Druckluftspeicherbehälter und dergleichen anwenden.
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung zweier bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
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1 eine schaltbildartige Darstellung einer Vorrichtung zur Ermittlung eines Differenzdrucks in einer ersten Ausführungsform, und
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2 eine Vorrichtung zur Ermittlung eines Differenzdrucks in einer zweiten Ausführungsform.
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Gemäß 1 fließt ausgehend von einem – hier nur schematisch angedeuteten – elektropneumatischen Steuerventil 1 eine Druckluftströmung durch eine Arbeitsleitung 2 in einem – ebenfalls nur schematisch angedeuteten – geschlossenen Behälter 3, der mit der Druckluft zu befüllen ist. In die Arbeitsleitung 2 ist eine den wirksamen Strömungsquerschnitt verengende Drossel 4 eingefügt. An einer ersten Stelle 5a vor der Drossel 4 sowie einer zweiten Stelle 5b nach der Drossel 4 steht bei der Durchströmung der Arbeitsleitung 2 mit Druckluft ein unterschiedlich hoher Druck an. Eine parallel zur Drossel 4 geschaltete Druckwaageeinheit 6 ermittelt die aus den unterschiedlichen Drücken an der ersten Stelle 5a und der zweiten Stelle 5b resultierende Druckdifferenz, in dem die besagten Drücke von der Arbeitsleitung 2 abgezweigt werden.
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Die Druckwaageeinheit 6 besteht im Wesentlichen aus einem zylindrischen Gehäuse 7 mit je stirnflächenseitigen Druckanschlüssen für den Anschluss mit der ersten und zweiten Stelle 5a und 5b der Arbeitsleitung 2. Innerhalb des Gehäuses 7 ist mittig ein axial bidirektional verstellbarer Waagekolben 8 integriert. Der Waagekolben 8 ist durch Beaufschlagung zweier gegensinnig hierauf einwirkender Federelemente 9a und 9b im differenzdrucklosen Ausgangszustand in der gezeigten Mittelstellung.
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Die Druckwaageeinheit 6 wirkt über diese Ausführungsform über magnetische Koppelmittel mit einer ortsnah hierzu positionierten elektrischen Schaltereinheit 10 zusammen. Als magnetisches Koppelmittel besteht der Waagekolben 8 hier aus einem Permanentmagneten, wogegen die hiermit zusammenwirkende elektrische Schaltereinheit 10 als induktiver Reedschalter ausgebildet ist. Detektiert die Druckwaageeinheit 6 je nach Durchströmungsrichtung der Arbeitsleitung 2 eine signifikante positive bzw. negative Druckdifferenz über der Drossel 4, so lässt sich dieses sensortechnisch ermittelte Ereignis über die elektrische Schaltereinheit 10 an eine übergeordnete Steuereinheit 11 melden, die in Abhängigkeit vorgegebener Steuerwerte und des ermittelten Druckdifferenzwertes das elektropneumatische Steuerventil 1 ansteuert.
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Wenn nach Öffnen des elektropneumatischen Steuerventils 1 Druckluft solange in den angeschlossenen Behälter 3 strömt, bis dieser vollständig gefüllt ist, lässt sich über die Drossel 4 schließlich keine Druckdifferenz mehr feststellen, so dass die elektronische Steuereinheit 11 anschließend das elektropneumatische Ventil 1 von der geöffneten in die geschlossene Stellung bringen kann.
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Nach der in 2 dargestellten zweiten Ausführungsform ist ein Waagekolben 8' zwischen zwei Elastomermembranen 12a und 12b angeordnet, die je einen Druckraum 13a bzw. 13b begrenzen, welcher mit der – nicht dargestellten – ersten bzw. zweiten Stelle der Arbeitsleitung verbunden ist, analog zu der vorstehend beschriebenen Ausführungsform.
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Zur Betätigung einer dem Waagekolben 8' zugeordneten elektrischen Schaltereinheit 10' dient ein mechanisches Koppelmittel, das als Betätigungsstößel 14 mit einer korrespondierenden radialen Ausnehmung 15 am Waagekolben 8' zum Eingriff kommt. Die aufgrund der Druckdifferenz erzeugte Axialbewegung des Waagekolbens 8' führt somit zu einem kippenden Schalten des Betätigungsstößels 14 der elektrischen Schalteinheit 10' zu dem bereits in Verbindung mit der vorstehenden Beschreibung der ersten Ausführungsform genannten Zweck.
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Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die beiden vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche mit umfasst sind. So ist es beispielsweise auch möglich, die erfindungsgemäße Vorrichtung zur sensortechnischen Ermittlung einer Druckdifferenz zu einem anderen Zweck als zum Druckbeaufschlagen eines geschlossenen Behälters zu verwenden. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung im Zusammenhang mit einer Reifendrucküberwachungseinrichtung für luftgefederte Reifen eines Kraftfahrzeuges.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektropneumatisches Ventil
- 2
- Arbeitsleitung
- 3
- Behälter
- 4
- Drossel
- 5
- Stelle
- 6
- Druckwaageeinheit
- 7
- Gehäuse
- 8
- Waagekolben
- 9
- Federelement
- 10
- elektrische Schalteeinheit
- 11
- Steuereinheit
- 12
- Elastomermembran
- 13
- Druckraum
- 14
- Betätigungsstößel
- 15
- Ausnehmung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0003188 A1 [0003]
- DE 2318973 A1 [0004]
- DE 4226941 A1 [0006]