DE20219732U1

DE20219732U1 - Druckaufnehmer für die Messung hydraulischer Drücke

Info

Publication number: DE20219732U1
Application number: DE20219732U
Authority: DE
Original assignee: DBT Automation GmbH
Current assignee: Caterpillar Global Mining Europe GmbH
Priority date: 2002-12-18
Filing date: 2002-12-18
Publication date: 2003-03-06
Anticipated expiration: 2012-12-19
Also published as: CN1508525A; CN100385220C; US20040129085A1; US7040174B2

Description

Patentanwälte·'··

buschhoff ■ hennicke ■ althaus

KAISER-WILHELM-RING 24 ■ 50672 KÖLN

Datum I_8-I₂. 2002//

Anmelder: DBT Automation GmbH, Industriestrasse 1, D-44534 Lünen Titel: Druckaufnehmer für die Messung hydraulischer Drücke

Die Erfindung betrifft einen Druckaufnehmer zur Messung hydraulischer Drücke, mit einem an einem Druckaufnahmeanschluß anschließbaren Anschlußelement und einem Sensorgehäuse, in dessen Inneren ein hydroelektrischer Druckwandler angeordnet ist, der von dem am Druckaufnahmeanschluß anstehenden Hydraulikdruck beaufschlagt ist und diesen in ein elektrisches Drucksignal umwandelt. Der erfindungsgemäße Druckaufnehmer ist insbesondere zum Einsatz an bergbauhydraulischen Einrichtungen im eigensicheren Leistungsbereich und dabei bevorzugt für den Einsatz an wasser- oder ölhydraulischen Einrichtungen ausgebildet.

Druckaufnehmer dieser Art werden im Bergbau zur Ermittlung der Drücke von bergbauhydraulischen Einrichtungen wie beispielsweise von Stützstempeln an schreitenden Ausbaugestellen oder anderen Hydrauliksystemen und -antrieben eingesetzt, wie man sie vielfältig untertage antrifft. Mit Hilfe der Druckaufnehmer ist es möglich, die ermittelten Druckwerte zur Fernanzeige beispielsweise an einer entfernt gelegenen Leitwarte od.dgl. zu bringen.

Druckaufnehmer der gattungsgemäßen Art sind beispielsweise aus der DE 39 37 573 Al oder der DE 296 15 534 U bekannt. Bei diesen bekannten Druckaufnehmern kommt als Druckwandler eine Metallmembran mit einer Dehnungsmeßstreifenanordnung zur Anwendung. Diese Ausgestaltung hat den Nachteil, daß die Kalibrierung des Druckwandlers insbesondere bei hohen zu messenden

Drücken und bei Temperaturschwankungen der Umgebungstemperaturen vergleichsweise schnell verloren gehen kann, da die Metallmembran bei auftretenden Druckspitzen oder Temperaturschwankungen selbst mit Form- und/oder Lageänderungen reagiert, wodurch es zu einer Verfälschung der von den Dehnmeßstreifen gelieferten Meßergebnisse bis hin zu einem Driften des Meßsignals kommen kann. Dies hat zur Folge, daß der Druckwandler bei den bekannten Druckaufnehmern verhältnismäßig oft ausgetauscht oder aufwendig neu kalibriert werden muß.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und einen Druckaufnehmer zu schaffen, der über einen langen Betriebszeitraum eine hohe Meßgenauigkeit gewährleistet, ohne daß hierfür Auswechselungen des Druckwandlers oder dessen Neukalibrierung erforderlich sind.

Diese Aufgabe wird mit der Erfindung dadurch gelöst, daß der Druckwandler eine keramische Druckmeßzelle aufweist.

Die Verwendung einer keramischen Druckmeßzelle hat den Vorteil, daß diese auf Temperaturschwankungen wenn überhaupt, so nur in einem geringen Maße und auch auf große Druckspitzen nicht mit bleibenden Verformungen reagiert. Darüber hinaus kommt es bei Verwendung der erfindungsgemäßen keramischen Druckmeßzelle regelmäßig nicht zu Driften des Meßsignals. Somit reicht eine einmalige Kalibrierung des Sensors vor seiner ersten Inbetriebnahme aus, um eine lange Betriebsdauer mit hoher Meßgenauigkeit zu gewährleisten.

Vorzugsweise besteht die keramische Druckmeßzelle im wesentlichen aus einem Keramikkörper mit mindestens einem an diesem angeordneten Dehnungsmeßelement. Der Keramikkörper ist zweckmäßig im Sensorgehäuse lösbar arretiert, so daß er bei Bedarf leicht aus- und wieder eingebaut werden kann. Hierzu hat es

sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Sensorgehäuse mehrteilig ausgestaltet ist und zwei miteinander verschraubbare Gehäuseteile aufweist, zwischen denen der Keramikkörper bzw. das diesen aufnehmende Anschlußelement eingeklemmt gehaltert ist.

Es ist möglich, den Keramikkörper so anzuordnen, daß er in einer Aufnahmeöffnung im Sensorgehäuse bzw. im in das Sensorgehäuse hineinragenden Teil des Anschlußelements aufgenommen ist. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn der Keramikkörper in der Aufnahmeöffnung mittels eines Schraubrings gesichert ist. Um den widrigen Umgebungsbedingungen Rechnung zu tragen, wie sie untertage im allgemeinen herrschen, ist es vorteilhaft, wenn der Keramikkörper in der Aufnahmeöffnung mittels einer aushärtenden Vergußmasse vergossen ist.

Im Sensorgehäuse können eine (hochintegrierte) Verstärkerschaltung und/oder eine Vorschaltelektronik angeordnet sein. Dabei hat die Vorschaltelektronik insbesondere die Aufgabe, die hochintegrierte Verstärkerschaltung mit einer konstanten Spannung zu versorgen und die Eigensicherheit der gesamten Schaltung sicherzustellen. Die Verstärkerschaltung und/oder die Vorschaltelektronik sind zweckmäßig im Sensorgehäuse bzw. dem in das Sensorgehäuse hineinragenden Teil des Anschlußelements vorzugsweise gemeinsam mit dem Keramikkörper vergossen.

Das Sensorgehäuse kann in an sich bekannter Weise mit einem von dessen Außenseite zugänglichen elektrischen Steckanschluß versehen sein, der mit dem mindestens einen Dehnungsmeßelement bzw. der an diesem angeschlossenen Verstärkerschaltung verbunden ist. Eine ganz besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich, wenn im Sensorgehäuse eine von außen zugängliche Kommunikations-Schnittstelle der Verstärkerelektronik angeordnet ist. Hierdurch wird es möglich, der Vorschaltelektronik weitere Funktionen zuzuordnen. So kann bei-

spielsweise über den von der Außenseite des Druckaufnehmers zugänglichen Kommunikations-Schnittstelle, die ein BUS sein kann, der Meßbereich des Sensors digital neu justiert werden.

Vorzugsweise ist der Keramikkörper gegenüber dem Anschlußelement mittels mindestens eines O-Rings od.dgl. abgedichtet, so daß Feuchtigkeit und Schmutz nicht an die empfindlichen Meßelemente gelangen kann. Ganz besonders vorteilhaft ist eine Ausgestaltung, bei der das Anschlußelement eine von Druckflüssigkeit beaufschlagte Zylinderöffnung aufweist, in der ein Medienrückhaltesystem verschieblich aufgenommen, beispielsweise in die Zylinderöffnung eingeschraubt ist. Sollte es im Betrieb des Druckaufnehmers beispielsweise bei Überschreiten eines Maximaldrucks im System dazu kommen, daß die Keramik-Meßzelle birst, reißt die dann plötzlich durch die Zylinderöffnung strömende Druckflüssigkeit ein Stopfenelement des Medienrückhaltesystems los, das dann die Zylinderbohrung an einer hierfür vorgesehenen Engstelle dicht verschließt und ein weiteres Einströmen der Druckflüssigkeit in das Innere des Druckaufnehmers wirksam unterbindet.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung, worin eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung an einem Beispiel näher erläutert wird. Die Figur zeigt einen erfindungsgemäßen Druckaufnehmer in einem Längsschnitt.

In der Zeichnung bezeichnet 10 einen Druckaufnehmer in seiner Gesamtheit, wie er zum Messen hydraulischer Drücke an bergbauhydraulischen Systemen untertage im eigensicheren, elektrischen Leistungsbereich zum Einsatz kommt. Der Druckaufnehmer 10 weist ein an einem (nicht dargestellten) Druckaufnahmeanschluß eines Hydraulikzylinders od.dgl. anschließbares An-

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Schlußelement 11 und ein Sensorgehäuse 12 auf, in dessen Inneren ein hydroelektrischer Druckwandler 13 angeordnet ist. Der Druckwandler ist über einen sich längs durch das Anschlußelement 11 erstreckenden Druckkanal 14 von dem am Druckaufnahmeanschluß anstehenden Hydraulikdruck beaufschlagt und wandelt die Druckwerte in elektrische Meßsignale um, die einem Steuergerät, einer entfernt gelegenen Meßwarte oder einer Fernanzeige zugeleitet werden können.

Erfindungsgemäß weist der Druckwandler 13 eine keramische Druckmeßzelle 15 auf, die im wesentlichen aus einem etwa kreisrunden Keramikkörper 16 mit mehreren an diesem angeordneten Dehnungsmeßstreifen 17 besteht, die in geeigneter Weise auf dem Keramikkörper 16 aufgebracht sind. Zur Arretierung des Keramikkörpers 16 im Sensorgehäuse 12 ist das Anschlußelement 11 an seinem ins Innere des Gehäuses ragenden Ende mit einer sacklochartigen Ausdrehung 18 versehen, deren Durchmesser im Bodenbereich dem Außendurchmesser des Keramikkörpers entspricht. In diese Ausdrehung ist der Keramikkörper 16 mit seinen daran befestigten Dehnungsmeßstreifen 17 eingesetzt; ein im oberen Bereich der Ausdrehung angeordnetes Gewinde 19 und ein darin eingeschraubter Sicherungsring 20, der bis in Anlage mit der Oberseite des Keramikkörpers 16 geschraubt ist, sorgen dafür, daß der Keramikkörper in der Ausdrehung 18 axial gesichert ist und nicht herausfallen kann und daß die Druckkräfte des Mediums aufgenommen werden.

Gegenüber dem Druckkanal 14 ist der Keramikkörper mit einem O- oder R-Ring 21 aus Gummi oder einem anderen elastischen Material abgedichtet. Damit ist sichergestellt, daß keine im Kanal 14 anstehende Flüssigkeit seitlich am Keramikkörper vorbei zwischen diesen und die Wand der Ausdrehung gelangen und weiter ins Innere des Sensorgehäuses fließen kann, sondern nur in

die zentrale Meßkammer 22 des Keramikkörpers gelangt. Ein in dem Druckkanal axialverschieblich aufgenommenes und darin durch Verschraubung (nicht dargestellt) gesichertes Medienrückhalteelement 23 verhindert, daß im Falle eines Versagens der keramischen Meßzelle Druckflüssigkeit ins Innere des Druckaufnehmers und aus diesem in die Umgebung austreten kann. Kommt es zu einem Bersten der keramischen Meßzelle, strömt plötzlich Druckflüssigkeit mit hoher Geschwindigkeit und unter hohem Druck durch den Druckkanal und reißt dabei die vordere Spitze des Medienruckhalteelements ab. Die abgerissene Spitze wird von der strömenden Druckflüssigkeit bis zu einem engeren Abschnitt 24 des Druckkanals mitgerissen, den sie dann düsennadelartig dauerhaft verschließt, so daß Druckflüssigkeit nicht mehr ins Innere des Druckaufnehmers gelangen und aus diesem demgemäß auch nicht austreten kann.

Wie die Zeichnung gut erkennen läßt, ist auf der Oberseite des Keramikkörpers neben den Dehnmeßstreifen 17 eine Meßverstärkerschaltung 25 mit nicht näher dargestellten, geeigneten Mitteln befestigt. Zum Schutz vor Feuchtigkeit und Schmutz und zur Erhöhung der mechanischen Belastbarkeit ist der Druckwandler gemeinsam mit der daran montierten Verstärkerschaltung mit einem geeigneten Vergußmittel 26, z.B. mit Kunstharz, in der Ausdrehung 18 vergossen.

Oberhalb des Vergusses 26 und des Gewindes 19 der Ausdrehung eine Platine 27 mit einer Vorschaltelektronik 28 eingesetzt, die über mehrere Kontaktstifte 29 mit der Druckmeßzelle bzw. deren Verstärkerschaltung verbunden ist. Von der Vorschaltelektronik führen mehrere Verbindungsleitungen 3 0 zu einem am rückwärtigen (oberen) Ende des Druckaufnehmers 10 angeordneten, von außen zugänglichen elektrischen Steckanschluß

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31, an dem ein übliches elektrisches Verbindungskabel (nicht dargestellt) anschließbar ist.

Um die im Inneren des Sensorgehäuses befindlichen Teile zugänglich zu halten, ist das Sensorgehäuse 12 mehrteilig ausgebildet, mit einer rückwärtigen, das elektrische Steckerteil aufweisenden Steckerkappe 32, die unter Zwischenlage eines 0-Rings 33 auf das Anschlußelement 11 von hinten bis in Anlage mit einem Anschlagbund 34 aufgesteckt ist, und mit einer Überwurfmutter 35, die von vorne über das Anschlußelement 11 aufgesteckt ist und unter Einklemmung des Anschlagbundes auf ein Außengewinde 36 an der Steckerkappe 32 aufgeschraubt ist.

Durch die Verwendung eines Keramikkörpers als Trägerelement für die Dehnmeßstreifen wird in besonders wirksamer Weise vermieden, daß sich Temperaturschwankungen in der Umgebungstemperatur des erfindungsgemäßen Sensors verfälschend auf das Meßergebnis der Druckmessungen auswirken. Auch kommt es nicht zu Fehlern infolge von bleibenden Materialverformungen an der Druckmeßzelle, was auf die besonders vorteilhafte Materialwahl beim keramischen Trägerkörper, teils auch den Medienrückhaltekolben zurückzuführen ist, der unzulässig hohe Druckspitzen im System wirksam unterbindet.

In vorteilhafter Weiterbildung kann der Druckaufnehmer noch mit einem von der Außenseite des Aufnehmers zugänglichen, an die Vorschaltelektronik angeschlossenen Kommunikations Schnittstelle versehen sein, beispielsweise eine digitale Schnittstelle, so daß es ohne Öffnen des Sensorgehäuses möglich ist, die eingestellten Parameter der Vorschaltelektronik neu zu programmieren.

Claims

1. Druckaufnehmer zur Messung hydraulischer Drücke mit einem an einem Druckaufnahmeanschluß anschließbaren Anschlußelement und einem Sensorgehäuse, in dessen Inneren ein hydroelektrischer Druckwandler angeordnet ist, der von dem am Druckaufnahmeanschluß anstehenden Hydraulikdruck beaufschlagt ist und diesen in ein elektrisches Drucksignal umwandelt, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckwandler (13) eine keramische Druckmeßzelle (15) aufweist.

2. Druckaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er zum Einsatz an bergbauhydraulischen Einrichtungen im eigensicheren Leistungsbereich ausgebildet ist.

3. Druckaufnehmer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er für den Einsatz an wasser- oder ölhydraulischen Einrichtungen ausgebildet ist.

4. Druckaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die keramische Druckmeßzelle (15) im wesentlichen aus einem Keramikkörper (16) mit mindestens einem an diesem angeordneten Dehnungsmeßelement (17) besteht.

5. Druckaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Keramikkörper (16) im Sensorgehäuse (12) lösbar arretiert ist.

6. Druckaufnehmer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorgehäuse (12) mehrteilig ausgestaltet ist und zwei miteinander arretierbare Gehäuseteile (32, 35) aufweist, zwischen denen der Keramikkörper (16) bzw. das diesen aufnehmenden Anschlußelement (11) eingeklemmt gehaltert ist.

7. Druckaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Keramikkörper (16) in einer Aufnahmeöffnung (18) im Sensorgehäuse bzw. im in das Sensorgehäuse hineinragenden Teil des Anschlußelements (11) aufgenommen ist.

8. Druckaufnehmer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Keramikkörper (16) in der Aufnahmeöffnung (18) mittels eines Sicherungselements (19) fixiert ist.

9. Druckaufnehmer nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Keramikkörper (16) in der Aufnahmeöffnung (18) mittels einer aushärtenden Vergußmasse (26) vergossen ist.

10. Druckaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Sensorgehäuse (12) eine Verstärkerschaltung (25) und/oder eine Vorschaltelektronik (28) angeordnet ist.

11. Druckaufnehmer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkerschaltung (25) und/oder die Vorschaltelektronik (28) im Sensorgehäuse (12) bzw. dem in das Sensorgehäuse hineinragenden Teil des Anschlußelements (11) vorzugsweise gemeinsam mit dem Keramikkörper (16) vergossen sind.

12. Druckaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorgehäuse (12) mit einem von dessen Außenseite zugänglichen elektrischen Steckanschluß (31) versehen ist, der mit dem mindestens einen Dehnungsmeßelement (17) bzw. der an diesem angeschlossenen Verstärkerschaltung (25) oder der Vorschaltelektronik (28) verbunden ist.

13. Druckaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß am Sensorgehäuse (12) eine von außen zugängliche Kommunikations- Schnittstelle der Vorschaltelektronik (28) angeordnet ist.

14. Druckaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Keramikkörper (16) gegenüber dem Anschlußelement (11) mittels mindestens eines O-Rings (21) od. dgl. abgedichtet ist.

15. Druckaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Anschlußelement (11) eine von Druckflüssigkeit beaufschlagte Zylinderöffnung (14) aufweist, in der ein Medienrückhaltesystem (23) aufgenommen ist.