AT504485B1 - Piezoelektrischer drucksensor - Google Patents

Description

2 AT 504 485 B1

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Drucksensor mit einem Außengehäuse und einem einen Ringspalt zum Außengehäuse aufweisenden Gehäuse-Innentopf, der druckseitig am Außengehäuse befestigt ist, wobei zwischen einer druckseitig am Gehäuse-Innentopf angeordneten Membran und einer Innentopfbasis zumindest ein piezoelektrisches Messelement angeordnet ist.

Piezoelektrische Drucksensoren für den Einsatz in sehr rauer Umgebung (hohe, bzw. wechselnde Temperaturen, Erschütterungen, Körperschall) benötigen spezielle Bauformen, um ein klares, hoch präzises Nutzsignal bei einem minimierten Störpegel zu liefern. Die genannte raue Umgebung ist beispielsweise beim Einsatz im Brennraum von Brennkraftmaschinen oder auch in Testständen gegeben, wo hohe mechanische Belastungen, hervorgerufen durch Vibrationen und Körperschall, sowie extreme thermische Belastungen durch den Verbrennungsvorgang auftreten.

Herkömmliche piezoelektrische Drucksensoren können beispielsweise wie in der Schnittdarstellung gemäß Fig. 1 dargelegt, ausgebildet sein. In einem Außengehäuse 1 des Sensors sind zwischen den Elektroden 2 und 3 mehrere piezoelektrische Messelemente 4 angeordnet, welche über die druckseitig mit dem Gehäuse 1 verschweißte Membran 5 vorgespannt sind. Eine der Elektroden 2 liegt auf Masse, die andere Elektrode 3 ist gegenüber dem Gehäuse isoliert und elektrisch leitend mit einem Stecker 6 für die Signalableitung verbunden. Für die Befestigung in einer Messbohrung weist der Drucksensor am Außengehäuse 1 ein Gewinde 7 auf, wobei es in nachteiliger Weise im Bereich 8 zu einem störenden Einfluss von Körperschall und Verformung aus dem angrenzenden Bauteil (hier nicht dargestellt) kommt.

Aus der AT 247 028 B ist ein piezoelektrischer Druckgeber, insbesondere zur Messung des Druckverlaufes in Zylindern von Brennkraftmaschinen bekannt, wobei im Inneren eines zylindrischen Außengehäuses eine Vorspannhülse festgeklemmt ist, die die Piezoelemente umschließt und mit einem den zu messenden Druck übertragenden Stempel abgeschlossen ist. Zwischen der Vorspannhülse und dem Außengehäuse ist ein Ringspalt vorgesehen, der von einer kreisringförmigen Membran brennraumseitig abgeschlossen wird. Die Membran überbrückt somit den Spalt zwischen Innengehäuse und Außengehäuse, in welchen ein Kühlmittel über im Außengehäuse vorgesehene Kanäle zugeführt werden kann. Zur Verbesserung der Kühlmittelumlaufs kann im Ringspalt eine Hülse angeordnet sein. Nachteile, auf die weiter unten noch näher eingegangen wird, treten durch das als Vorspannhülse ausgeführte Innengehäuse auf. Ähnliche Nachteile gelten auch für die AT 384 676 B, in welcher ein Messwertaufnehmer zur Messung heißer Medien und ein Verfahren zur Montage eines als Druckaufnehmer ausgebildeten Messwertaufnehmers geoffenbart sind. Auch hier ist in einem relativ massiven Außengehäuse eine dünnwandige Vorspannhülse angeordnet, die die Messelemente aufnimmt. Die Membran des Messwertaufnehmers überbrückt einen Ringspalt zwischen Außengehäuse und Vorspannhülse und ist mit dem Außengehäuse verschweißt.

In diesem Zusammenhang ist aus der EP 0 902 267 A2 ein Drucksensor bekannt geworden, der sich zur Messung von dynamischen Vorgängen in gasförmigen und flüssigen Medien, z.B. in Motoren und Turbo-Systemen eignet. Der Drucksensor weist eine passive Beschleunigungskompensation auf, wobei diese im Wesentlichen durch ein Innengehäuse mit einer relativ dünnen, als Rohrfeder ausgebildeten zylindrischen Wand und einer massiven Basis gebildet ist, die als Kompensationsmasse Verwendung findet. Der Gehäuse-Innenteil weist druckseitig einen Flansch auf, welcher einerseits mit der Sensormembran verschweißt ist und andererseits ebenfalls druckseitig eine Schweißverbindung zum Außengehäuse aufweist. Die piezoelektrischen Messelemente die im Gehäuse-Innenteil zwischen der Membran und der Kompensationsmasse vorgespannt sind, sind somit durch einen Ringspalt zwischen Innengehäuse und Außengehäuse von der direkten Einleitung von Körperschall und Verformungskräften aus dem angrenzenden Bauteil geschützt, in welchen der Drucksensor eingeschraubt ist. Ein Nachteil besteht darin, dass ein derartiger Sensor generell als thermisch anfällig gilt, d.h. es tritt rasch eine 3 AT 504 485 B1 Überhitzung des Messelementstapels auf, da die über die Membran und den Druckstempel in die piezoelektrischen Messelemente eingeleitete Wärmemenge nicht abfließen kann. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass deren Gehäuse-Innenteil eine sehr dünne, zylindrische Wand aufweist, die als Rohrfeder ausgebildet ist. Dadurch ist der Sensor relativ empfindlich gegenüber Beschleunigungskomponenten in radialer Richtung, dies umso mehr, als die Basis des Gehäuse-Innenteils mit einer relativ großen Kompensationsmasse ausgestattet ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen piezoelektrischen Drucksensor mit oder ohne Beschleunigungskompensation derart zu verbessern, dass dieser einerseits negative Einflüsse von Körperschall und Verformung von den Messelementen fernhält und andererseits eine Überhitzung des Sensor vermieden wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Gehäuse-Innentopf durchgehend eine massive zylindrische Wand aufweist, deren Wandstärke im Wesentlichen jener des angrenzenden Außengehäuses entspricht, sowie dass im Ringspalt zwischen Außengehäuse und Gehäuse-Innentopf oder zwischen der Innentopfbasis und einer inneren Schulter des Drucksensors Mittel zur Wärmeableitung in das Außengehäuse vorgesehen sind. Um die in den Gehäuse-Innentopf eingetragene Wärme an das kühlere Außengehäuse und schließlich in die Wand der Messbohrung abzugeben, wird erfindungsgemäß eine thermisch leitende Verbindung hergestellt, die bevorzugt keine, bzw. lediglich eine vernachlässigbare mechanische Kopplung darstellt.

Dies kann einerseits dadurch realisiert werden, dass im Ringspalt zwischen Außengehäuse und Gehäuse-Innentopf ein wärmeleitendes Fluid, beispielsweise Gallium, Natrium, hochtemperaturbeständige Öle, etc. angeordnet ist, bzw. alternativ oder zusätzlich dadurch, dass im Ringspalt eine geprägte Metallfolie, beispielsweise mit einer wellenförmigen Struktur, angeordnet ist, die sowohl den Gehäuse-Innentopf als auch das Außengehäuse thermisch kontaktiert.

Gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung kann zwischen der Innentopfbasis und der inneren Schulter des Drucksensors ein in axialer Richtung im Hinblick auf die Kraftübertragung weich ausgebildetes Wärmeübertragungselement, beispielsweise eine Rohrfeder oder ein Faltenbalg, vorgesehen sein.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass der Drucksensor eine Einrichtung zur aktiven, axialen Beschleunigungskompensation aufweist, welche im Wesentlichen aus einer seismischen Masse besteht, die mit einem Spannelement gegen piezoelektrische Kompensationselemente vorgespannt ist.

Insbesondere ist vorgesehen, dass die Einrichtung zur aktiven Beschleunigungskompensation auf der dem zumindest einen piezoelektrischen Messelement gegenüberliegenden Seite gegen die Basis des Gehäuse-Innentopfes vorgespannt ist. Die vollständige funktionale Trennung der Druckmessfunktion von der Beschleunigungskompensation ermöglicht die Optimierung beider Bereiche unabhängig voneinander.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen: Fig. 1 einen piezoelektrischen Drucksensor gemäß Stand der Technik in einem Längsschnitt, Fig. 2 einen erfindungsgemäßen piezoelektrischen Drucksensor samt Beschleunigungskompensation in einer Schnittdarstellung gemäß Fig. 1, Fig. 3 eine Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Drucksensors - ebenfalls mit Beschleunigungskompensation - in einer Schnittdarstellung gemäß Fig. 1, Fig. 4 eine Variante der Ausführung nach Fig. 2 in einer Schnittdarstellung gemäß Linie IV-IV in Fig. 2, sowie Fig. 5 einen erfindungsgemäßen piezoelektrischen Drucksensor ohne Beschleunigungskompensation teilweise geschnitten.

Der piezoelektrische Drucksensor gemäß Stand der Technik wurde bereits in der Beschrei-

Claims (7)

1. 4 AT 504 485 B1 bungseinleitung ausführlich beschrieben. Der erfindungsgemäßen Drucksensor gemäß Fig. 2 weist ein Außengehäuse 1 auf, welches unter Bildung eines Ringspaltes 12 einen Gehäuse-Innentopf 10 aufnimmt, wobei zwischen der druckseitig am Gehäuse-Innentopf 10 angeordneten Membran 5 und der Basis 11 des Gehäu-se-lnnentopfes 10 zumindest ein piezoelektrisches Messelement 4 gegen die Innentopfbasis vorgespannt ist. Zur besseren Ableitung der über die Membran 5, bzw. deren Druckstempel 9 der zugeführten Wärmemenge aus dem Gehäuse-Innentopf 10 in das Außengehäuse 1 ist im Ringspalt 12 zwischen dem Außengehäuse 1 und dem Gehäuse-Innentopf 10 ein gut wärmeleitendes Fluid 14 vorgesehen. Als Materialien dafür kommen beispielsweise Natrium, Gallium oder höchsttemperaturfeste Öle in Frage. Um einen geschlossenen Innenraum für das wärmeleitende Fluid 14 herzustellen, ist der Ringspalt 12 an der von der Membran 5 abgewandten Seite mit einem Dichtelement, beispielsweise einer Membran oder Folie 15 abgedichtet. Es steht somit im gesamten kritischen Bereich des Gewindes 7 ein direkter thermischer Kontakt zwischen Gehäuse-Innentopf 10 und Außengehäuse 1 zur Verfügung, wobei auf jede mechanische Kopplung in diesem Bereich verzichtet wird. Die Fixierung des Gehäuse-Innentopfes 10 am Außengehäuse 1 erfolgt außerhalb des kritischen Bereichs über den Flansch 13 des Gehäuse-Innentopfes 10. Der Sensor gemäß Fig. 2 weist weiters eine Einrichtung 16 zur aktiven, axialen Beschleunigungskompensation auf, welche im Wesentlichen aus einer seismischen Masse 17 besteht, die mit einem Spannelement 18 (z.B. eine Rohrfeder) gegen zwei piezoelektrische Kompensationselemente 19, 19' vorgespannt ist. Die Kompensationselemente 19, 19' stützen sich dabei an einer inneren Schulter 20 des Drucksensors ab. Die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Drucksensors zeichnet sich vor allem dadurch aus, dass die Einrichtung 16 zur aktiven Beschleunigungskompensation auf der dem piezoelektrischen Messelement 4 gegenüberliegenden Seite direkt gegen die Basis des Gehäuse-Innentopfes 10 vorgespannt ist. Der Ringspalt 12, zur Aufnahme eines wärmeleitenden Fluids 14, erstreckt sich bei dieser Ausführungsvariante bis zur Einrichtung zur Beschleunigungskompensation und ist in diesem Bereich mit Hilfe eines Dichtringes 21 zum übrigen Sensorinnenraum abgedichtet. Wie in Fig. 4 dargestellt, kann als Mittel zur Wärmeableitung im Ringspalt 12 zwischen Außengehäuse 1 und Gehäuse-Innentopf 10 eine geprägte Metallfolie 22 (im dargestellten Beispiel mit einer wellenförmigen Struktur) angeordnet sein, die sowohl den Gehäuse-Innentopf 10 als auch das Außengehäuse 1 auf den einander zugewandten Seitenflächen thermisch kontaktiert. Schließlich ist in Fig. 5 ein erfindungsgemäßer Drücksensor ohne Beschleunigungskompensation dargestellt. Der Gehäuse-Innentopf 10, bzw. dessen Basis 11 weist hier einen größeren Abstand zu der inneren Schulter 20 des Drucksensors auf, sodass zwischen der Basis 11 und der Schulter 20 ein in axialer Richtung im Hinblick auf die Kraftübertragung weich ausgebildetes Wärmeübertragungselement 23 angeordnet werden kann. Das Wärmeübertragungselement 23 ist beispielsweise als Rohrfeder oder als Faltenbalg aüsgebildet und besteht aus einem Metall mit guten Wärmeleiteigenschaften, sodass die im Gehäuse-Innentopf 10 anfallende Wärmemenge in axialer Richtung in das Außengehäuse 1 abgeführt werden kann. Patentansprüche: 1. Piezoelektrischer Drucksensor mit einem Außengehäuse (1) und einem einen Ringspalt (12) zum Außengehäuse (1) aufweisenden Gehäuse-Innentopf (10), der druckseitig am Außengehäuse (1) befestigt ist, wobei zwischen einer druckseitig am Gehäuse-Innentopf (10) angeordneten Membran (5) und einer Innentopfbasis (11) zumindest ein piezoelektri- 5 AT 504 485 B1 sches Messelement (4) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäuse-Innentopf (10) durchgehend eine massive zylindrische Wand (10') aufweist, deren Wandstärke im Wesentlichen jener des angrenzenden Außengehäuses (1) entspricht, sowie dass im Ringspalt (12) zwischen Außengehäuse (1) und Gehäuse-Innentopf (10) oder zwi-5 sehen der Innentopfbasis (11) und einer inneren Schulter (20) des Drucksensors Mittel (14, 22, 23) zur Wärmeableitung in das Außengehäuse (1) vorgesehen sind.
2. 2. Piezoelektrischer Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Ringspalt (12) zwischen Außengehäuse (1) und Gehäuse-Innentopf (10) ein wärmeleitendes io Fluid (14), beispielsweise Gallium, Natrium, oder ein hochtemperaturbeständiges Öl, ange ordnet ist.
3. 3. Piezoelektrischer Drucksensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Ringspalt (12) an der von der Membran (5) abgewandten Seite ein Dichtelement, beispielswei- 15 se ein Dichtring (21), eine Membran (5) oder eine Folie (15) angeordnet ist.
4. 4. Piezoelektrischer Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Ringspalt (12) zwischen Außengehäuse (1) und Gehäuse-Innentopf (10) eine geprägte Metallfolie (22), beispielsweise mit einer wellenförmigen Struktur, angeordnet ist, 20 die sowohl den Gehäuse-Innentopf (10) als auch das Außengehäuse (1) thermisch kontak tiert.
5. 5. Piezoelektrischer Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Innentopfbasis (11) und der inneren Schulter (20) des Drucksen- 25 sors ein in axialer Richtung im Hinblick auf die Kraftübertragung weich ausgebildetes Wär meübertragungselement (23), beispielsweise eine Rohrfeder oder ein Faltenbalg, vorgesehen ist.
6. 6. Piezoelektrischer Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich- 30 net, dass der Drucksensor eine Einrichtung (16) zur aktiven, axialen Beschleunigungskom pensation aufweist, welche im Wesentlichen aus einer seismischen Masse (17) besteht, die mit einem Spannelement (18) gegen piezoelektrische Kompensationselemente (19, 19') vorgespannt ist.
7. 7. Piezoelektrischer Drucksensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ein richtung (16) zur aktiven Beschleunigungskompensation auf der dem piezoelektrischen Messelement (4) gegenüberliegenden Seite gegen die Basis (11) des Gehäuse-Innentopfes (10) vorgespannt ist. 40 Hiezu 3 Blatt Zeichnungen 45 50 55