GLASER, Josef (Berlinerring 73/14, Graz, A-8047, AT)
Patentansprüche
1. Drucksensor für die Messung in heissen, dynamischen Prozessen, umfassend ein zylindrisches Gehäuse (1) , in dem sich ein Messelement (2) befindet, sowie eine runde oder ringförmige Membrane (3) mit mindestens einem äusseren Auflager (4), wobei das äussere Auflager (4) am Gehäuse (1) zurückversetzt, hinter einem Gehäusefortsatz (6) angebracht ist, und wobei das Messelement (2) Messdaten auf Grund einer axialen Verschiebung der Membrane (3) erfas- sen kann, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäusefortsatz (β) mit einem Hitzeschild (7) versehen ist, der aus- ser an seinen Rändern (9) beabstandet hinter einem Spalt (8) angebrachten ist.
2. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) über einen Absatz. (10) verfügt für eine schulterdichtende Montage des Sensors.
3. Drucksensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement (2) ein piezoelektrisches, pie- zoresistives, kapazitives, induktives, oder optisches Messelement oder ein Dehnmessstreifen ist.
4. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hitzeschild (7) an seinem äusseren Rand (9) über ein Gewinde (12) verfügt zum montieren des Sensors in eine Bohrung (11) .
5. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Membrane (3) ringförmig ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Membrane (3) über ein inneres Auflager (5) verfügt, an welchem ein Stempel (13) angebracht ist, welcher innerhalb des Gehäusefortsatz (6) angeordnet ist und - S -
mit einem Hitzeschild (7) versehen ist, der, ausser an seinen Rändern, beabstandet angebrachten ist.
6. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hitzeschild (7) an seinen Rändern (9), die im Bereich eines Auflagers (4, 5) sind, dicht verschweisst sind.
7. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement (2) in einem Messeinsatz gelagert ist, wobei der Messeinsatz in einem Hohlraum im Gehäuse (1) im Bereich des Auflagers (4) des Gehäuse (1) angebracht ist und eine Vorspannung auf das Messelement aufbringt. |
DRUCKSENSOR FüR MESSUNGEN IN HEISSEN, DYNAMISCHEN PROZESSEN
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Drucksensor für die Messung in heissen, dynamischen Prozessen, umfassend ein zylindrisches Gehäuse, in dem sich ein Messelement befindet, sowie eine runde oder ringförmige Membrane mit mindestens einem äusseren Auflager, wobei das äussere Auflager am Gehäuse zurückversetzt, hinter einem Gehäusefortsatz angebracht ist, nach dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs.
Stand der Technik
Messung in heissen, dynamischen Prozessen sind oft Messfehlern unterworfen, die von thermisch bedingten Verformungen der Sensorstirn stammen. Da die Messelemente in den Sensoren Messdaten auf Grund einer axialen Verschiebung der Membrane erfassen, ergeben sich Fehlmessungen durch Verkippen der Membraneinspannungen .
Zündungen in Brennräumen, beispielsweise Motoren, verursachen kurzzeitige, zyklische Temperaturspitzen von teilweise über 2000K. Um in einem solchen Brennraum Drücke messen zu können, dürfen die starken, kurzzeitigen Temperaturschwankungen keine Messfehler verursachen. Zu diesem Zweck werden beispielsweise metallische Gitter in Einbaubohrungen vor die Sensoren eingelegt, welche als Flammschutz wirken. Nachteilig an solchen Systemen ist, dass diese Gitter mühselig aus den Bohrungen geholt werden müssen beim Ausbau der Sensoren.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Drucksensor eingangs beschriebener Art anzugeben, der unempfindlich auf kurzzeitige Temperaturspitzen reagiert.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Gehäusefortsatz mit einem Hitzeschild versehen ist, der ausser an seinen Rändern beabstandet angebrachten ist. Dadurch wird die Erwärmung der Sensorspitze und somit die radiale Expansion des Gehäusefortsatzes verringert, was weniger Verdrehung und Verspannung der. Membran und letztlich einen geringeren Messfehler bedeutet.
Die thermischen Verformungen der Sensorbauteile sind unvermeidlich. Um Messfehler zu vermeiden, muss deren Rückwirkung auf das Messsignal möglichst vermieden werden.
Die Verformung entsteht im Wesentlichen durch zwei Effekte. Zum einen übt die temperaturbedingte Verformung der Membrane Kräfte auf das Auflager aus und verformt diese. Diese Verformungen bewirken wiederum eine Kraft auf die Membran. Zum anderen wird das Auflager selbst beheizt und verwirft sich durch deren Ausdehnung.
Die beheizte Membrane wird in ihrer Wärmedehnung durch die Auflager behindert und erzeugt dadurch grosse radiale Kräfte. Diese Kräfte haben keine Rückwirkung auf das axial wirkende Messelement, wenn die Membrane exakt radial ausgerichtet ist. Bei der üblichen Ausführung der Messelementauflager' wird aber das Auflager auch verdreht / tordiert und verdreht die Membrane mit. Aus dieser Verformung entstehen axiale Verschiebungen zwischen dem radial inneren liegenden Membranbereich und dem aussen liegenden. Die vorliegende Erfindung vermeidet eine solche Verdrehung der Auflager.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden wird die Erfindung unter Beizug der Zeichnungen näher erklärt. Es zeigen
Fig. 1 eine Darstellung eines erfindungsgemässen Drucksen- sors im Schnitt, einseitig in eine Vorrichtung eingebaut;
Fig. 2 eine alternative Darstellung eines erfindungsgemässen Drucksensors im Schnitt mit einem Aussengewinde am Hitzeschild;
Fig. 3 eine wiederum alternative Darstellung eines erfindungsgemässen Drucksensors im Schnitt mit einem Stempel auf der Membran, geschützt mit einem Hitzeschild.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Die Fig. 1 zeigt eine Darstellung eines erfindungsgemässen Drucksensors für die Messung in heissen, dynamischen Prozessen im Schnitt, einseitig in eine Vorrichtung 16 eingebaut. Vor dem Sensor befindet sich beispielsweise ein Brennraum 15, dessen Drücke der Sensor messen soll.
Der Sensor umfasst ein Gehäuse 1, in dem sich ein Messelement 2 befindet, sowie eine runde Membrane 3 mit einem äusseren Auflager 4. Dieses Auflager 4 kann als Gelenk betrachtet werden, um welches die Membrane 3 schwingen kann. Das Messele ¬ ment kann Messdaten auf Grund einer axialen Verschiebung der Membrane 3 erfassen. Axiale Verschiebungen, die nicht von einer Druckdifferenz im Brennraum 15 sondern von einer thermi-
schen Ausdehnung von Sensorkomponenten herrühren, bewirken demnach eine Fehlmessung. Radiale Ausdehnungen der Membrane 3 bewirken allerdings keinen Messfehler.
Das Auflager 4 am Gehäuse 1 ist zurückversetzt, hinter einem Gehäusefortsatz 6 angebracht. Dadurch ist der Wärmeeinfluss auf der Membrane 3 bereits geringer, als wenn die Membrane stirnseitig am Gehäuse 1 angebracht ist.
Erfindungsgemäss ist der Gehäusefortsatz 6 mit einem Hitzeschild 7 versehen, der, ausser an seinen Rändern 9, beabstan- det hinter einem Spalt 8 angebrachten ist. Der Hitzeschild ist aus einem Material, das Temperaturen über 600 0 C aushält, beispielsweise aus Stahl. Dank der in Gegensatz zu wärmeisolierenden Materialien vergleichsweise hohen Wärmeleitfähigkeit von Metallen verteilt sich die Wärme schnell und kann nach aussen abgeleitet werden. Die Hauptwirkungsweise des Hitzeschildes ist es aber, eine Wärmebarriere, nämlich den Spalt 8 zu schaffen, der eine sehr geringe Wärmeleitung aufweist. Die Wärme wird demnach hauptsächlich durch Strahlung vom Hitzeschild zum Gehäusefortsatz 6 übertragen, was um ein Vielfaches geringer ist als die Wärmeübertragung durch Leitung. Der Hitzeschild 7 ist nur an seinen Rändern 9 in Kontakt mit dem Gehäuse 1. Der eine Rand 9 befindet sich in unmittelbarer Nähe des äusseren Auflagers 4. Der andere Rand 9 befindet sich auf der Aussenseite des Gehäuses 1. An dieser Aussenseite des Gehäuses 1 kann sich auch ein Gewinde 12 befinden, welches die schulterdichtende Montage des Sensors in einer Bohrung 11 der Vorrichtung 16 erlaubt. Dazu ist ein Absatz 10 vorgesehen, an dem der Sensor dichtend anliegt.
Die Ränder 9 des Hitzeschildes 7 sind vorzugsweise dicht ver- schweisst am Gehäuse 1 angebracht, damit bei einer Verbren ¬ nung im Brennraum 15 keine heissen Gase in den Spalt 8 gelan-
gen. Eine undichte Stelle könnte einen einseitigen Gaseintritt erlauben, was eine einseitige Erwärmung des Gehäusefortsatzes 6 und deren asymmetrische Ausdehnung zur Folge hätte. Dies wiederum bewirkt eine Verwerfung der Membrane, was zu einem Messfehler führt.
Alle hier beschriebenen Merkmale gelten auch für die Beschreibungen der Figuren 2 und 3, welche dieselben Bezeichnungen tragen wir Fig. 1.
Das Messelement 2 kann in allen Anordnungen insbesondere ein piezoelektrisches, piezoresistives, kapazitives, induktives, oder optisches Messelement 2 oder ein Dehnmessstreifen sein. Der in Fig. 1-3 dargestellte Aufbau entspricht einem piezoelektrischen Messelement 2, das sich über eine Druckplatte 14 auf der Membrane 3 abstützt. Drucksensoren mit anderen Mess- elementen sind entsprechend konstruiert, unterscheiden sich aber nicht in den ansonsten beschriebenen Merkmalen. Insbesondere umfassen sie auch die Membrane 3 mit dem äusseren Auflager 4 und das beabstandet angeordnete Hitzeschild 7.
Das Messelement 2 kann vorzugsweise in einem eigenen Mess- einsatz (nicht dargestellt) gelagert sein, der in einem Hohlraum im Gehäuse 1 angeordnet ist. Dieser Messeinsatz kann beispielsweise eine Hülse sein, welche die Vorspannung des Messelements aufbringt. Er ist nahe der Membrane im Membranauflagerbereich angebunden, wo keine starken Verformungen des Gehäuses 1 auftreten. Damit ist das Auflager 4 auch gegen Verformungen der Montagestelle geschützt.
Fig. 2 beschreibt einen Drucksensor wie Fig. 1, wobei lediglich das Gewinde 12 für die Montage des Sensors in einer Bohrung 11 direkt am Hitzeschild 7 angebracht ist. Entsprechend ist der Hitzeschild 7 in diesem äusseren Bereich stärker ausgeführt als in inneren Bereich. Dazu ist der Hitzeschild 7
auf der Aussenseite des Gehäuses 1 weiter nach hinten beführt, in Richtung des Absatzes 10. Der direkte Kontakt zwischen Hitzeschild 7 und Vorrichtung 16 verbessert die Abführung der Wärme aus den heissen Gebieten.
Fig. 3 entspricht wiederum Fig. 1, wobei die Membrane in dieser Anordnung ringförmig ausgestaltet ist. Somit verfügt die Membrane 3 auch über ein inneres Auflager 5, an welchem ein Stempel 13 angebracht ist. Dieser ist innerhalb des Gehäusefortsatz 6 angeordnet und ebenfalls mit einem Hitzeschild 7 oben beschriebener Art versehen. Insbesondere ist auch dieser Hitzeschild, ausser an seinen Rändern, beabstandet angebrachten. Diese Anordnung ist bevorzugt, weil der Grossteil der Membrane nun durch Stempel 13 und Hitzeschild 7 sehr gut vor Wärme geschützt ist. Der restliche, übrig bleibende Teil der Membrane 3 ist nun zurückversetzt, demnach geschützt, und kleiner, was kleine Verwerfungen und Spannungen verursacht. Insbesondere ist es vorteilhaft, auch die Ränder 9 dieses zweiten Hitzeschildes dicht zu verschweissen.
Bezugszeichenliste
1 Gehäuse
2 Messelement
3 Membrane 4 Auflager, äusseres
5 Auflager, inneres
6 Gehäusefortsatz
7 Hitzeschild
8 Spalt 9 Rand, Anbindungsstelle
10 Absatz
11 Bohrung
12 Gewinde
13 Stempel 14 Druckplatte
15 Brennraum
16 Vorrichtung