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Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Druckmessung in heissen Medien, welcher in eine Messbohrung einsetzbar ist und ein vorzugsweise mit einem Kühlmedium beaufschlagbares, kraft-, spannungs- oder verschiebungsmessendes Geberelement aufweist, sowie eine mit dem Sensorgehäuse gasdicht verbundene Sensormembran mit einer wärmeisolierenden, biegeweichen Beschichtung.
Sensoren für die Druckmessung in heissen Prozessen sind häufig extremen Wärmeströmen ausgesetzt. Diese Wärmeströme führen zu sehr hohen Temperaturen im Sensor, was über die damit verbundenen Änderungen der Geometrie und des Materialverhaltens zur Verschlechterung der Messeigenschaften oder gar zur Zerstörung des Sensors führen kann.
Vielfach sind aufwendige Massnahmen nötig, um die in den Sensor eingetretene Wärmemenge wieder abzuleiten, was beispielsweise durch eine direkte Flüssigkeitskühlung erreicht werden kann.
Manche negative Einflüsse der Wärmeströme auf den Sensor sind aber selbst durch direkte Flüssigkeitskühlung nicht zu beseitigen, wie z. B. die mit dynamischen Wärmeflüssen verbundenen dynamischen Temperaturänderungen an den beheizten Sensoroberflächen, beispielsweise der Sensormembran. Insbesondere bei Messungen in Brennkammern von Motoren können die Verformungen der Sensormembran zu Messfehlern (Temperaturdrift bzw. Thermoschock) führen.
Zur Vermeidung dieser negativen Einflüsse ist es bereits bekannt, wärmeisolierende Beschichtungen auf die beheizten Sensorteile aufzubringen, um auf diese weise den Sensor selbst vor zu hohen Temperaturen und zu grossen Temperaturschwankungen zu schützen. Temperaturschwankungen in der Beschichtung verursachen wegen der Weichheit des verwendeten Materials (z. B. Silikonkautschuk) fast keine Rückwirkungen auf das Messergebnis.
Leider versagen alle bisher verfügbaren Beschichtungen bei grosser Sensorbeheizung, wie sie beispielsweise im Verbrennungsmotor auftreten, nach relativ kurzer Zeit.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Sensor der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass
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die Standzeit, beispielsweise bei Messung im Verbrennungsmotor, wesentlich verlängert wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Drucksensor ein siebartiges Thermoschutzelement aufweist, welches in geringem Abstand zur Beschichtung der Sensormembran angeordnet ist und sich am Sensorgehäuse abstützt.
Der Sensor weist somit zusätzlich zur wärmeisolierenden, biegeweichen Beschichtung, welche zumindest die Sensormembran gegebenenfalls jedoch auch weitere temperaturempfindliche Teile des Sensors schützt, noch ein Thermoschutzelement auf, welches die Beschichtung vor zu grossen Wärmeströmen schützt. Das siebartige Thermoschutzelement besteht aus einem gut wärmeleitenden Material und ist relativ massiv aufgebaut.
Erfindungsgemäss weist das Thermoschutzelement eine Vielzahl von zur Sensorachse parallelen Bohrungen auf. Durch den geringen Abstand zur Beschichtung und aufgrund der vielen Öffnungen, muss nur wenig Druckmedium transportiert werden, sodass auch bei raschen Druckänderungen ein praktisch verzögerungsfreier Druckaufbau am eigentlichen Messteil des Sensors gewährleistet ist. Es sind jedoch auch radial oder parallel angeordnete, schlitzförmige Öffnungen möglich, welche mit Boh- rungen kombiniert sein können.
Die massive, gut wärmeleitende Ausführung des Thermoschutzelementes bewirkt, dass aus dem zur Beschichtung der Sensormembran gelangenen Druckmedium bereits viel Wärme entzogen wird und daher weniger Wärmemenge an die Beschichtung abgegeben werden kann. Daraus ergibt sich ein entscheidender Vorteil gegenüber bisherigen Ausführungen, nämlich bei sehr heissen Druckmedien wesentlich verbesserte Haltbarkeit gegenüber ungeschützen Beschichtungen, ohne nennenswerte Nachteile bei der Druckmessung in Kauf nehmen zu müssen.
Die Wirkung des siebartigen Thermoschutzelementes wird verbessert, wenn es gut leitend mit kühlen Bereichen des Sensors oder der Einbaustelle verbunden ist. Insbesondere ist vorgesehen, dass sich das Thermoschutzelement an einer von der beschichteten, hohen Wärmeströmen ausgesetzten, heissen Sensormembran entfernt liegenden, gekühlten Stelle des Sensorgehäuses abstützt und/oder nach Einbau des Sensors mit der kühlen Wand der Messbohrung in thermischem Kontakt bringbar ist.
Das Thermoschutzelement muss nicht am Sensor selbst montiert sein, sondern kann z. B. bei der Sensormontage zwi-
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sehen Sensor und einem Absatz der Messbohrung eingeklemmt werden. Das Thermoschutzelement wird vorteilhafterweise auswechselbar ausgeführt, um Verschmutzungen im Spalt zwischen Thermoschutzelement und Beschichtung leicht entfernen zu können bzw. um eine einfache Erneuerung der Beschichtung zu ermöglichen.
In einer ersten Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass das Thermoschutzelement topfartig ausgebildet ist, einen Bodenbereich sowie einen daran anschliessenden zylindrischen Wandbereich aufweist, welcher am Sensorgehäuse befestigt ist und dass sich das Thermoschutzelement nach Einbau des Sensors in die Messbohrung über eine radial vorspringende Schulter des zylindrischen Wandbereiches an einem Absatz der Messbohrung schulterdichtend abstützt.
In einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass die beschichtete Sensormembran von einem zylindrischen Kragen des Sensorgehäuses umfasst ist, welcher zur Aufnahme des Thermoschutzelementes dient, sowie dass das Thermoschutzelement einen Flansch aufweist, welcher sich am Kragen des Sensorgehäuses abstützt und nach Einbau des Sensors in die Messbohrung kopfdichtend an einem Absatz der Messbohrung anliegt.
Insbesondere bei der topfförmigen Ausbildung des Thermoschutzelementes kann diese mit dem Sensorgehäuse verschraubt sein. Es ist jedoch auch möglich, dass das Thermoschutzelement mittels Passsitz am Sensorgehäuse befestigt ist.
Die Erfidung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 einen erfindungsgemässen Sensor im Längsschnitt und Fig. 2 eine Ausführungsvariante des erfindunsgemässen Sensors ebenfalls im Längsschnitt.
Der in Fig. 1 dargestellte Sensor 1 weist ein kraft-, spannungs- oder verschiebungsmessendes Geberelement 2 auf, welches im Sensorgehäuse 3 angeordnet ist. Der Sensor 1 ist in eine Messbohrung 4 einer hier nicht weiter dargestellten Montagestelle 5 einsetzbar. Das Sensorgehäuse 3 ist in Richtung zum heissen Druckmedium mit einer Sensormembran 6 gasdicht verschlossen, welche beispielsweise über einen Druckstempel 7 auf das Geberelement 2 wirkt. Weiters wird der Sensor über eine Zuleitung 8 und eine Ableitung 9 mit einem Kühlmedium beaufschlagt, wobei zwischen den beiden Leitungen 8 und 9 die
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elektrischen Anschlüsse 10 angeordnet sind. Die Sensormembran 6 weist auf der dem heissen Druckmedium zugewandten Seite eine Beschichtung 11 aus einem weichen, temperaturbeständigen Material auf, beispielsweise eine Beschichtung aus Silikonkatschuk.
Wie in Fig. 1 dargestellt, kann die weiche, wärmeisolierende Beschichtung 11 auch den gesamten Messteil des Sensors 1 abdecken. In geringem Abstand vor dieser Beschichtung 11 ist ein siebartiges Thermoschutzelement 12 angeordnet, welches aus einem gut wärmeleitenden Material hergestellt ist.
Das Thermoschutzelement 12 gemäss Fig. 1 ist topfartig ausgebildet und weist einen Bodenbereich 13 sowie einen daran anschliessenden zylindrischen Wandbereich 14 auf. Die Befestigung am Sensor kann beispielsweise durch ein Innengewinde 15 am zylindrischen Wandbereich 14 des Thermoschutzelementes 12 erfolgen. Der zylindrische Wandbereich 14 weist eine nach au- ssen radial vorspringende Schulter 16 auf, welche nach Einbau des Sensors in die Messbohrung 4 an einem Absatz 17 der Messbohrung 4 anliegt. Damit steht das Thermoschutzelement 12 mit einem relativ kühlen Bereich der Montagestelle 5 in Verbindung, was zur raschen Abfuhr der Wärme aus dem Thermoschutzelement in die Montagestelle führt. Dies ist insbesondere für Sensoren wichtig, die über keine eigene Kühlung verfügen. Bei direkter Sensorkühlung (z. B.
Sensorinnenkühlung, wie in Fig. 1 dargestellt), ist die Wärmeableitung in das Sensorgehäuse zumeist effektiver.
In der Ausführungsvariante gemäss Fig. 2 - bei welcher gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind wird die mit der Beschichtung 11 versehene Sensormembran 6 von einem zylindrischen Kragen 18 des Sensorgehäuses 3 umfasst. Das Innere des zylindrischen Kragens 18 dient zur Aufnahme des Thermoschutzelementes 12, wobei sich ein radial nach aussen vorspringender Flansch 19 des Thermoschutzelementes 12 am zylindrischen Kragen 18 des Sensorgehäuses 3 abstützt. Nach dem Einbau des Sensors 1 in die Messbohrung 4 liegt der Flansch 19 kopfdichtend an einem Absatz 20 der Messbohrung 4 an. Damit wird auch in dieser Ausführungsvariante für eine gute thermische Anbindung des Thermoschutzelementes 12 an die Montagestelle 5 gesorgt.
Das Thermoschutzelement 12 kann beispielsweise mittels Passsitz an der Innenfläche des zylindrischen Kragens 18 befestigt sein.
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Das siebartige Thermoschutzelement 12 weist in beiden Ausführungsvarianten eine Vielzahl von zur Sensorachse l' parallele Bohrungen 21 auf. Der Durchmesser und die Anzahl der Bohrungen 21 ist so zu wählen, dass auch bei raschen Druckänderungen bzw. kurzen Druckpulsen eine praktisch verlustfreie Beaufschlagung der Sensormembran 6 erfolgt.
Natürlich sind auch beliebige andere Ausführungsvarianten des siebartigen Thermoschutzelementes geeignet, welche beispielsweise parallel oder radial angeordnete schlitzförmige Öffnungen aufweisen, wenn auf eine ausreichend gute radiale Wärmeleitfähigkeit und auf einen geringen Durchflusswiderstand geachtet wird.