AT504958B1 - Piezoelektrische sensoreinrichtung - Google Patents

Description

äiteifcscsstiiö patesat AT504 958B1 2009-08-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft eine piezoelektrische Sensoreinrichtung für eine Mikro-waagen-Anwendung mit einem Sensorgehäuse, welches eine Sensorhalterung für ein im Wesentlichen streifenförmiges, piezoelektrisches Resonatorelement aufnimmt, wobei der Messbereich des Resonatorelementes in einen zu messenden Fluidstrom ragt.

[0002] Bekannte piezoelektrische Sensoreinrichtungen, beispielsweise zur Messung der Inhaltsstoffe einer Abgasprobe, weisen piezoelektrische Resonatorelemente mit kreisrundem Querschnitt auf, welche in einer speziellen Hochtemperatur-halterung für runde Kristallelemente gehalten sind. Ein einfaches Wechseln der vom Fluidstrom beaufschlagten Kristallelemente ist allerdings mit derartigen Flalterungen nicht möglich. Weiters erfordert das runde Kristalldesign eine relativ platzaufwändige Bauform (s. z.B. EP 1 316 796 A1).

[0003] Eine Verbesserung stellt die Ausführung gemäß DE 10 2007 047 628 A1 dar, welche eine piezoelektrische Sensoreinrichtung in einer Mikrowaagen-Anwendung zeigt, bei welcher in einem Sensorgehäuse eine Halterung zur Aufnahme eines streifenförmigen, piezoelektrischen Resonatorelementes vorgesehen ist. Das Resonatorelement ist einseitig in einer Klemmhalterung gehalten, wobei der freie Messbereich in den zu messenden Fluidstrom ragt. Die hochtemperaturfeste Halterung weist ein Klemmelement bestehend aus einem ersten, elastischen Arm und einem zweiten, unelastischen Arm auf, zwischen welchen Armen eine Freistellung ausgebildet ist, die zur Aufnahme des piezoelektrischen Resonatorelementes dient. Die beiden Arme sind auf einer im Wesentlichen kreisförmigen Grundplatte angeordnet, wobei die gesamte Anordnung aus einer spanend bearbeitbaren Glaskeramik besteht. Die beiden Arme des Klemmelementes dienen sowohl zur elektrischen Kontaktierung als auch zur Stabilisierung des Resonatorelementes, wobei durch die Federwirkung des ersten Armes die Klemmfunktion auch bei Temperaturänderungen erfüllt bleibt. Zur elektrischen Kontaktierung des Sensorelementes weist die Halterung eine elektrisch leitende Beschichtung auf, wobei die Beschichtungsbereiche der beiden Arme elektrisch voneinander getrennt und mit jeweils einem elektrischen Anschluss in der Grundplatte verbunden sind. Nachteilig ist die Tatsache, dass bei einem Wechsel des Resonatorelementes dessen empfindliche Oberfläche erfasst werden muss, wobei auch die dünnen, elektrisch leitfähigen Schichten des Resonatorelementes, bzw. die Be-schichtungen auf den beiden Armen des Klemmelementes durch die mechanische Beanspruchung beim Ausbau bzw. Einsetzen des Resonatorelementes beschädigt werden können. Nachteilig ist auch die relativ komplizierte Herstellung der Klemmhalterung.

[0004] Einseitig gehaltene piezoelektrische Sensorelemente sind auch aus anderen Bereichen der Messtechnik bekannt, welche jedoch nicht direkt für Mikrowaagen-Anwendungen eingesetzt werden können. Es sind dies beispielsweise piezoelektrische Sensoreinrichtungen, deren Sensorelement durch Beschleunigungskräfte oder durch einen Gasstrom verbogen wird, so dass eine Spannungsänderung gemessen werden kann.

[0005] Aus der EP 0 768 532 A2 ist ein Beschleunigungssensor mit einem zweiteiligen piezoelektrischen Element bekannt. Ein Verbiegen des einseitig gehaltenen Sensorelementes durch Beschleunigungskräfte bewirkt eine Spannungsänderung im piezoelektrischen Element.

[0006] Weiters ist aus der US 2005/150 305 A1 eine Messapparatur bekannt, die einen einseitig eingespannten Sensorstab zeigt, welcher bei einer mechanischen Belastung ein der Belastung proportionales Signal abgibt. Dabei wird der piezo-resistive Effekt in Zusammenschaltung mit einer Messbrücke genutzt.

[0007] Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile der eingangs beschriebenen Sensoreinrichtungen zu vermeiden und ein rasches, unproblematisches Wechseln des piezoelektrischen Resonatorelementes zuzulassen. Weiters soll die Sensorhalterung möglichst einfach herstellbar sein.

[0008] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäße dadurch gelöst, dass das piezoelektrische Resonatorelement im Kontaktbereich seiner elektrischen Anschlussleitungen in einem die Sensor- 1/7

ästeifcscfistiiö patent AT504 958B1 2009-08-15 halterung bildenden Kunststoffkörper eingegossen ist, welcher auswechselbar im Sensorgehäuse angeordnet ist. Das Resonatorelement liegt bei der Erfindung nicht als Einzelelement vor, sondern ist im Bereich der elektrischen Anschlussleitungen in ein Hochtemperatur-Epoxidharz eingegossen, welche Gussmasse die Sensorhalterung bildet, die nicht in das Sensorgehäuse eingegossen ist und somit frei ausgewechselt werden kann.

[0009] Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Sensorhalterung ein im Wesentlichen zylindrischer Körper und weist am vom piezoelektrischen Resonatorelement abgewandten Ende einen HF-Steckerteil auf, der zusammen mit den elektrischen Anschlussleitungen im Kunststoffkörper eingegossen ist. Es entsteht somit ein handlicher Bauteil, beispielsweise aus elektrisch isolierendem Epoxidharz, aus welchem stirnseitig der Messbereich des Resonators ragt und welcher am gegenüberliegenden Ende eine HF-Buchse aufweist. Dieser gusstechnisch einfach herstellbare Bauteil kann problemlos in das Sensorgehäuse aus- und eingebaut werden, ohne dass empfindliche Messflächen berührt werden müssen und ohne dass kritische Kontaktstellen zwischen Resonatorelement und Anschlussleitungen mechanisch beansprucht werden.

[0010] Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das Sensorgehäuse eine Adapterhülse auf, deren Kopfteil die Sensorhalterung umfasst und eine Durchtrittsöffnung für das piezoelektrische Resonatorelement aufweist, wobei ein Schaftteil der Adapterhülse mit einem Basisteil des Sensorgehäuses verschraub-bar ist, der einen von den Anschlussleitungen kontaktierten Signalstecker, vorzugsweise einem BNC-Stecker, aufnimmt.

[0011] In diesem Zusammenhang ist es von Vorteil, wenn im Schaftteil der Adapterhülse ein sich an der Sensorhalterung abstützendes Distanzelement angeordnet ist, welches an einem Absatz im Basisteil anliegt und beim Verschrauben des Basisteiles mit der Adapterhülse die Sensorhalterung dichtend an den Kopfteil der Adapterhülse anpresst.

[0012] Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: [0013] Fig. 1 die piezoelektrische Sensoreinrichtung in einem Längsschnitt, [0014] Fig. 2 die Sensorhalterung der Sensoreinrichtung gemäß Fig. 1 samt Resonatorelement und HF-Steckverbindung im Detail, [0015] Fig. 3 einen Längsschnitt der Adapterhülse der Sensoreinrichtung gemäß Fig. 1, [0016] Fig. 4 den Basisteil des Gehäuses in einem Längsschnitt, [0017] Fig. 5 das Distanzelement der Sensoreinrichtung gemäß Fig. 1 in einem Längsschnitt normal zur Schnittdarstellung gemäß Fig. 1, [0018] Fig. 6 die Sensoreinrichtung in einer typischen Einbausituation in einer Schnittdarstellung, sowie [0019] Fig. 7 eine zweiteilige Gussform zur Herstellung der Sensorhalterung.

[0020] Die in den Fig. 1 bis 6 dargestellte piezoelektrische Sensoreinrichtung 1 weist ein zweiteiliges Sensorgehäuse 2 aus Metall auf, welches aus einer Adapterhülse 3 und einem mit der Adapterhülse 3 verschraubten Basisteil 4 besteht. Im Kopfteil 5 der Adapaterhülse 3 ist eine Sensorhalterung 6, beispielsweise aus einem Epoxidharz oder einem anderen geeigneten Kunststoff angeordnet, in welche der Kontaktbereich 7 des piezoelektrischen Resonatorelementes 8, die elektrischen Anschlussleitungen 9, sowie ein HF-Steckerteil 10 (z.B. eine Koaxialbuchse Mini-SMP Fa. Rosenberger) eingegossen sind. Zur Anwendung kommt beispielsweise ein Zweikomponenten-Epoxidharz (Aremco-Bond 805, Karger GmbH Industrieprodukte, DE) mit Polyamid, bzw. Amin als Härter, Aluminium als Füllstoff und einer Temperaturbeständigkeit bis 300 °C.

[0021] Wie in Fig. 2 dargestellt, entsteht dadurch eine kompakte, im Wesentlichen zylindrische Halterung, aus welcher der Messbereich 11 des Resonatorelementes 8 frei hervorragt wobei am gegenüberliegenden Ende die HF-Steckerbuchse 10 für die Anschlussleitungen 9 eingegossen ist. Der Kopfteil 5 der Adapterhülse 3 weist eine Durchtrittsöffnung 17 für das piezo- 2/7

Claims (10)

1. oiteüsäisd'is patenuimt AT504 958 B1 2009-08-15 elektrische Resonatorelement 8 auf. [0022] Der Basisteil 4 des Sensorgehäuses 2 nimmt einen Signalstecker 12, vorzugsweise einem BNC-Stecker, auf, der an eine zur Sensorhalterung 6 bzw. deren HF-Steckerteil 10 führende Verbindungsleitung 18 mit einem HF-Steckerteil 19 (z.B. Koaxialstecker Mini-SMP Fa. Rosenberger) angeschlossen ist. [0023] Im Schaftteil der Adapterhülse 3 ist ein sich an der Sensorhalterung 6 abstützendes Distanzelement 13 angeordnet, welches an einem Absatz 14 im Basisteil 4 anliegt und beim Verschrauben des Basisteiles 4 mit der Adapterhülse 3 die Sensorhalterung 6 von innen dichtend an den Kopfteil 5 der Adapterhülse 3 anpresst. Um die Dichtwirkung zu verbessern, kann die Sensorhalterung 6 stirnseitig - beispielsweise in einem ringförmigen Absatz - eine Dichtung 20, vorzugsweise eine O-Ringdichtung, aufweisen, welche einen Dichtsitz zum Kopfteil 5 der Adapterhülse 3 herstellt. [0024] Wie in Fig. 5 im Detail dargestellt, ist das Distanzelement 13 im Wesentlichen rohrförmig ausgeführt, nimmt im Inneren die elektrische Verbindungsleitung 18 zum piezoelektrischen Resonatorelement 8 auf (siehe Fig. 1) und weist zumindest eine seitliche Wandausnehmung 15 auf. Diese ist beim Lösen und Verbinden der HF-Steckerteile 10,19 hilfreich. [0025] Fig. 6 zeigt eine typische Messsituation, bei der die Sensoreinrichtung 1 mit dem Kopfteil 5 der Adapterhülse 3 in die Messbohrung 24 eines in eine Rohrwand 26 eingeschweißten Schweißnippels 25 eingesetzt wird. Der Schaftteil der Adapterhülse 3 weist eine Dichtfläche 16 auf, die im Einbauzustand der Sensoreinrichtung 1 mit dem Klemmring 27 einer Klemmringdichtung dichtend zusammenwirkt. [0026] Der Messbereich 11 des Resonatorelementes 8 ragt durch eine Öffnung 28 in der Rohrwand 26 in das zu messende Fluid und kann je nach gewünschter Messanforderung unterschiedliche Beschichtungen aufweisen, sodass beispielsweise ein Feuchtesensor oder ein Sensor zur Messung der Inhaltsstoffe einer Abgasprobe realisiert werden kann. [0027] Fig. 7 zeigt zwei im Wesentlichen spiegelsymmetrische Gussformhälften 21 21' aus Metall, welche mit Passstiften und Schrauben, die in die Bohrungen 22 eingesetzt werden, zu einer Gussform zusammengefügt werden. In eine der beiden Gussformhälften 21 wird das Resonatorelement 8 und der HF-Steckerteil 10 samt angelöteten Anschlussleitungen 9 eingelegt, die Gussform geschlossen und mit Hilfe der Gusskanäle 23 mit einem Epoxidharz ausgegossen. Die Gussformhälften 21, 21' weisen im Messbereich 11 des Resonatorelementes 8 eine Freistellung auf, sodass der Messbereich 11 bei geschlossener Gussform frei in den Raum zwischen den Gussformhälften ragt. Nach der Aushärtung des Epoxidharzes entsteht ein kompakter Bauteil gemäß Fig. 2. Patentansprüche 1. Piezoelektrische Sensoreinrichtung (1) für eine Mikrowaagen-Anwendung mit einem Sensorgehäuse (2), welches eine Sensorhalterung (6) für ein im Wesentlichen streifenförmiges, piezoelektrisches Resonatorelement (8) aufnimmt, wobei der Messbereich (11) des Resonatorelementes (8) in einen zu messenden Fluidstrom ragt, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Resonatorelement (8) im Kontaktbereich (7) seiner elektrischen Anschlussleitungen (9) in einem die Sensorhalterung (6) bildenden Kunststoffkörper eingegossen ist, welcher auswechselbar im Sensorgehäuse (2) angeordnet ist.
2. 2. Sensoreinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorhalterung (6) ein im Wesentlichen zylindrischer Körper ist und am vom piezoelektrischen Resonatorelement (8) abgewandten Ende einen HF-Steckerteil (10) aufweist, der zusammen mit den elektrischen Anschlussleitungen (9) im Kunststoffkörper eingegossen ist.
3. 3. Sensoreinrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoffkörper der Sensorhalterung (6) aus einem Zweikomponenten-Epoxidharz besteht. 3/7

   oiteüsdisd'« patenuimt AT504 958 B1 2009-08-15
4. 4. Sensoreinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorgehäuse (2) eine Adapterhülse (3) aufweist, deren Kopfteil (5) die Sensorhalterung (6) umfasst und eine Durchtrittsöffnung (17) für das piezoelektrische Resonatorelement (8) aufweist, wobei ein Schaftteil der Adapterhülse (3) mit einem Basisteil (4) des Sensorgehäuses (2) verschraubbar ist.
5. 5. Sensoreinrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Basisteil (4) einen Signalstecker (12), vorzugsweise einem BNC-Stecker, aufnimmt, der an eine zur Sensorhalterung (6) führende Verbindungsleitung (18) angeschlossen ist.
6. 6. Sensoreinrichtung (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Schaftteil der Adapterhülse (3) ein sich an der Sensorhalterung (6) abstützendes Distanzelement (13) angeordnet ist, welches an einem Absatz (14) im Basisteil (4) anliegt und beim Verschrauben des Basisteiles (4) mit der Adapterhülse (3) die Sensorhalterung (6) dichtend an den Kopfteil (5) der Adapterhülse (3) anpresst.
7. 7. Sensoreinrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorhalterung (6) stirnseitig eine Dichtung, vorzugsweise eine O-Ringdichtung aufweist, welche einen Dichtsitz zum Kopfteil (5) der Adapterhülse (3) herstellt.
8. 8. Sensoreinrichtung (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Distanzelement (13) im Wesentlichen rohrförmig ausgeführt ist, im Inneren die Verbindungsleitung (18) zum piezoelektrischen Resonatorelement (8) aufnimmt und zumindest eine seitliche Wandausnehmung (15) aufweist.
9. 9. Sensoreinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaftteil der Adapterhülse (3) eine Dichtfläche (16) aufweist, die im Einbauzustand der Sensoreinrichtung (1) mit dem Klemmring (27) einer Klemmringdichtung zusammenwirkt.
10. 10. Sensoreinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Adapterhülse (3) und der Basisteil (4) des Sensorgehäuses (2) sowie das Distanzelement (13) aus Metall bestehen. Hierzu 3 Blatt Zeichnungen 4/7