CN103547909A - 用于光学流量传感器的传感器构件 - Google Patents

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CN103547909A CN201280023509.7A CN201280023509A CN103547909A CN 103547909 A CN103547909 A CN 103547909A CN 201280023509 A CN201280023509 A CN 201280023509A CN 103547909 A CN103547909 A CN 103547909A
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Abstract

本发明涉及一种用于流体和/或气态介质的光学流量传感器(4)的传感器构件(1)，其包括至少一个构件区段(11)和至少一个传感器区段(5)，其中，传感器区段(5)包括至少两个在传感器区段中的多个空隙(50)的区域中的可视玻璃(3.1,3.2)，其以如下方式布置，即，使得光能够穿透传感器区段的横截面，或传感器区段(5)在空隙的区域中包括正好一个可视玻璃且在与该空隙对置的侧面上设置有反射面、尤其是镜面的或抛光的表面，从而使得光能够两次穿透传感器区段的横截面，其特征在于，传感器构件(1)包括可被安装到一个或多个空隙中的容纳构件(20)且可视玻璃与容纳构件材料锁合地连接。

Description

用于光学流量传感器的传感器构件
技术领域
本发明涉及一种尤其用于流体和/或气态介质的光学流量传感器的传感器构件，其包括至少一个构件区段和至少一个传感器区段，其中，传感器区段包括至少一个或多个空隙，在空隙中布置有至少一个可视玻璃。
背景技术
由DE102008058071A1已知一种流量传感器形式的传感器构件，其中介质(例如液体或气体)的物理特性被确定。其物理特性(例如温度)被检测的介质例如在管道系统中被引导或被保存在容器(例如箱罐)中。在DE102008058071A1中所描述的传感器仅包括机械传感器和电传感器，例如湿度传感器、压力传感器、电容传感器、用于测量电导率的传感器以及温度传感器。光学传感器迄今为止未在根据DE102008058071A1的应用中被用于确定物理特性。电容传感器的缺点是，仅可测量出介质、尤其液体、优选推进燃料的一个组成部分。介质的这种可被确定的成分例如是乙醇。
由DE102007025585A1已知一种用于运行内燃机的方法和一种用于确定其运行参数的装置。在该方法中，用于内燃机的燃料的至少一部分被照射并且透过燃料的或反射的光线的强度被确定。为此在DE102007025585A1中，包括两个石英玻璃窗的玻璃比色皿被放入到推进燃料管道中。玻璃比色皿于是形成在推进燃料流中或者在推进燃料管道中的测量点。玻璃比色皿作为用于光学流量传感器的传感器构件的缺点是，玻璃比色皿不可容易地安装到推进燃料管道中。另一缺点是，该制造是耗费成本的且在玻璃比色皿处(尤其在石英玻璃窗的区域中)的横截面的匹配也是困难的。
US2005/0286054A1显示了一种光学传感器系统。监控在飞机油箱中的推进燃料惰化系统中的氧含量。为此，测量空腔设有由蓝宝石玻璃或石英玻璃构成的玻璃片。该测量空腔由多孔的金属泡沫构成。测量空腔不被装到燃料管道中，而是宁可被装到油箱空腔中。因此，由US2005/0286054A1已知的传感器系统不适合作为流量传感器而使用在推进燃料管道中。
DE4241098A1显示了一种用于光学测量热废气流的装置，其中，透光的片被直接安装到废气管中。此外，在DE4241098A1中既未对片的材料也未对废气管的材料进行说明，而且也同样缺少对片与废气管如何连接的说明。DE4241098A1的装置同样具有如下缺点，即，横截面的匹配仅可困难地实现。
US6023324A显示了一种用于确定在喷涂机中的研磨微粒的流动的装置。关于传感器区段的构造在US6023324A中丝毫没有进行说明，仅实施如下，即，传感器区段是呈管状的且是光学透明的。
由EP0967466A1描述了一种涡流传感器，利用该涡流传感器可测量流体的体积流量和/或流动速度。根据EP0967466A1的测量管具有壁，在该壁中流体密封且压力密封地安装有两个由光学的、无条痕且无气泡的耐高温的玻璃构成的窗，其中，测量管的材料未被说明。如在所有其它先前所描述的文献中那样，可视玻璃被直接玻璃式包铸到测量管的材料的壁中，该可视玻璃带有在那里提及的缺点。另一缺点像在所有先前所提及的系统中那样。这具有如下缺点，即，在玻璃式包铸中整个测量管必须被加热。
介质、尤其液体或气体、优选燃料的物理特性的测量在US7,030,629B1以及US2007/0056365A1中进行描述。在所有这些传感器中，为了检测物理特性，电容测量装置是必要的。这具有如下缺点，即，如先前所描述的那样仅可确定介质的一个成分，例如乙醇。
发明内容
因此本发明的任务是说明一种避免现有技术的缺点的传感器构件。尤其，该传感器构件应以简单的方式和方法集成到通过其传输介质的管道中且使得在管道中传输的介质的物理特性的光学检测成为可能。尤其，该待传输的介质应该是推进燃料，例如汽油、柴油燃料、菜油、甲酯等等，且被提供有压力密封性。此外，该构件可简单地制造且可匹配于不同的介质。
根据本发明这通过如下方式实现，即，在用于流体和/或气态介质的光学流量传感器的包括构件区段和至少一个传感器区段的传感器构件中，传感器区段包括可容纳可视玻璃的空隙。在传感器区段中可设置有一个可视玻璃或至少两个可视玻璃。可视玻璃优选地以如下方式布置，即，可实现光穿透传感器区段的横截面。这优选地通过如下方式实现，即，两个可视玻璃被安装在对置的侧面上。
此外根据本发明作如下设置，即，该传感器构件包括可被安装到一个或多个空隙中的容纳构件，其中，该容纳构件容纳可视玻璃且可视玻璃与容纳构件材料锁合地和/或压力密封地连接。
带有容纳可视玻璃的容纳构件的传感器构件的多件式的设计方案具有大量优点。
因此一方面如下是可能的，即，在与其余的传感器构件装配之前将可视玻璃安装到容纳构件中。由此如下是不必要的，即，整个传感器构件承受针对玻璃式包铸的高温。另一优点在于，容纳构件可被单独地安装到传感器构件的空隙中。由此例如如下是可能的，即，流体介质在带有可视窗的容纳构件的区域中流经的横截面可单独匹配于待检测的流体介质、光学部件(例如光源或玻璃材料)。在光学部件中尤其可实现对光源的辐射光线的波长的匹配，在玻璃材料中可实现对其光学特性(例如透明度或反射性)的匹配。
多件式设计方案的另一优点是如下可能性，即，协调于相应的过程控制进行材料选择。
此外，多件式设计方案开启了传感器构件主要通过成型的无切削的制造的可能性。空隙可通过冲压或钻孔被安装到传感器构件中。
在本发明的第一设计方案中，可被安装到一个或多个空隙中的容纳构件尤其构造成罩盖、优选地构造成不锈钢罩盖(或由可伐合金或钢构成)。如先前所描述的那样，可视玻璃可在容纳构件安装到传感器区段的空隙中之前安装到容纳构件中。这具有如下优点，即，在安装可视玻璃时仅容纳构件、尤其是罩盖而不是整个传感器区段须被处理或被加热。首先，玻璃材料被安装或者被置入到罩盖的凹槽中。原则上，于是可视玻璃与容纳构件的连接的多种可行性是可想到的。
在第一设计方案中，可视玻璃与容纳构件通过钎焊材料(例如金属焊料或玻璃焊料)连接。
在可视玻璃和容纳构件利用金属焊料或玻璃焊料的连接中，可视玻璃材料和容纳构件的材料的膨胀系数近似相等，也就是说其是所谓的匹配的玻璃式包铸，其中，玻璃材料是在膨胀系数上协调于容纳构件的材料的玻璃。在匹配的执行方案中的近似相等的膨胀系数意味着，该膨胀系数彼此偏差小于20%、尤其小于10%。
在带有匹配的执行方案的本发明的第一设计方案中，由于在温度变化时不同膨胀的应力裂纹被可靠地避免。
如果可视玻璃被安装到带有外径AD的呈圆形的容纳构件的带有内径ID的大致上呈圆形的凹槽中，则对于其中可视玻璃被钎焊的容纳构件来说适用如下，即，AD<1.2·ID、尤其AD<1.1·ID、非常优选地AD<1.05·ID，也就是说容纳构件的外壁相对薄。
包括借助于金属焊料或玻璃焊料与凹槽连接的可视玻璃的传感器构件的密封性优选为小于10bar、优选地其处在1bar与10bar之间。包括利用金属焊料或利用玻璃焊料与容纳构件连接的可视玻璃的容纳构件可被钎焊到传感器构件的空隙中，传感器构件又可通过钎焊或通过激光熔焊与推进燃料供应管道连接。在玻璃材料的钎焊中，钎焊温度(第一钎焊温度)优选为200℃至500℃，优选地250℃至350℃。在钎焊推进燃料供应管道与带有钎焊的容纳构件的传感器构件时，钎焊温度(第二钎焊温度)始终处在将玻璃材料钎焊到罩盖中的钎焊温度之下。
在第二设计方案中，可视玻璃被玻璃式包铸到容纳构件的凹槽中，也就是说玻璃材料首先被置入到凹槽中，然后玻璃材料和容纳构件(优选由金属构成)被加热，从而使得玻璃材料被熔化且在冷却之后金属被热装到玻璃材料上且构造出在玻璃材料与容纳构件的金属之间的力锁合的连接。该方式是所谓的耐压玻璃式包铸，其中玻璃材料与容纳构件的材料的膨胀系数不同，也就是说该区别一般(然而非强制地)大于20%。如果在本发明的第二实施方式中容纳构件呈圆形带有外径AD而凹槽呈圆形带有内径ID，则在这样的情况中适用如下，即，AD>1.3·ID、优选地AD>1.4·ID、非常优选地AD>1.5·ID。
第二设计方案(其中玻璃材料被熔化且构造出耐压玻璃连接)的优点在于，容纳构件在空隙的区域中可通过硬钎焊与传感器构件连接。硬钎焊例如具有在700℃至1050℃、优选地800℃至900℃的范围中的钎焊温度。
在安装到容纳构件的凹槽中之后，该容纳构件被安装到在传感器区段中的凹槽中且该容纳构件例如通过用于第一个实施例的钎焊或激光熔焊或用于第二个实施例的硬钎焊或激光熔焊与传感器区段连接。整个传感器区段为了玻璃式包铸如在现有技术中那样的加热是不必要的。
有利地，容纳构件安装到传感器区段的凹槽中和传感器区段与管件(例如推进燃料管道)的钎焊、激光熔焊或者硬钎焊一起进行。通过使大致上所有构件可被一起处理(也就是说被钎焊或者硬钎焊)而相对在现有技术中的构件显著地节省处理时间。
备选于将可视玻璃安装到容纳构件中，可视玻璃可借助于金属焊料直接与在空隙的区域中的传感器区段连接。
在本发明的第一设计方案中，为了可以以简单的方式和方法，借助于金属焊料，通过钎焊来连接可视玻璃与金属(尤其不锈钢、可伐合金或钢)，可视玻璃优选至少在边缘区域中也就是说在其平坦面的周边处被金属涂覆。
优选地然而非强制地，金属涂覆部可包括高的铜部分。
碱金属硅酸盐玻璃、硼硅玻璃或蓝宝石玻璃尤其具有足够的机械负荷能力，其在构造有金属涂覆的边缘层的情形中可直接与不锈钢连接。
碱金属硅酸盐玻璃、硼硅玻璃或蓝宝石玻璃由于其高的机械强度和高的化学稳定性作为可视玻璃是优选的。
带有容纳构件、尤其容纳可视玻璃的罩盖的传感器区段的设计方案具有如下优点，即，在传感器区段的区域中的光学流量传感器或者传感器构件的空隙中可附加地使用预制的、例如设有可视玻璃的罩盖、尤其金属罩盖(例如不锈钢罩盖)。
备选于容纳构件作为罩盖的设计方案，作为环形件的设计方案同样是可想到的，其中，该环形件容纳一个或多个蓝宝石玻璃且环形件与蓝宝石玻璃一起布置在传感器区段的空隙的区域中。为此，环形件可与传感器区段钎焊。
优选地，该传感器构件构造成带有某一横截面、优选地呈环形的横截面的呈管状的物体。
在这种实施方式中有利的是，在传感器区段中的传感器构件的横截面Q1大致上与相联接的管件的横截面Q2相等。这具有如下优点，即，在由管件过渡到传感器区段时仅出现很小的流动阻力。
通过调整容纳构件彼此在空隙中的距离A，光源或者玻璃材料或者待检测的介质的光学特性可被容易地调整。通过传感器构件的内径DS的进一步调整可实现将横截面Q1匹配于供应管道的横截面Q2。
根据本发明的设计方案的另一优点是，在容纳构件中的凹槽的大小可被调整。凹槽的大小且在此可视玻璃的直径被保障，从而使得例如在束宽度或透射体积方面可满足光学要求。
除了传感器构件之外，本发明同样提供一种带有至少一个光学传感器的光学流量传感器，其中，光学流量传感器包括根据本发明的传感器构件。
光学流量传感器有利地包括光源、尤其发光二极管、尤其发光二极管阵列。
光源、尤其发光二极管、优选发光二极管阵列优选发射带有红外线波长的、尤其在1μm至2μm的波长范围中的光线。
其它波长同样是可想到的。优选地选择在穿过待测量的流体和/或气态介质时具有足够高的传输率的这样的波长。就此而言参照DE102007025585A1，其公开内容被完全包括到本申请中。光学传感器的一种类型包括光源(例如LED光源阵列)，光线在分束器之后穿过第一可视玻璃、介质(尤其液体、优选带有待探测的液体的推进燃料)和第二可视窗偏转到探测到来的光信号的第一探测器上。特别优选的是，到来的光束被光谱分解地探测。在这样的情况中，利用探测器可探测多种流经光学流量传感器的物质。如果利用探测器仅探测一种物质，则对于该物质而言表征特征的唯一的波长的探测例如是足够的。光源的光线的一部分在分束器之后被直接偏转到第二探测器上且在那里同样被光谱分解地探测。出于第一探测器的信号与第二探测器的信号的比较，于是可推断出介质、尤其液体、优选推进燃料的成分。
特别优选的是，可视玻璃是呈平行面的、可机械负荷的且优选地可与金属、尤其不锈钢、可伐合金或钢连接的玻璃片。呈平行面的且与金属、尤其不锈钢、可伐合金或钢连接的玻璃片可被机械负荷。玻璃片可不仅平面地而且弯曲地实施，以便于示出光学特性。在本申请中，玻璃片理解为不同的设计方案，即不仅理解为单玻璃片而且理解为片的复合或层压材料。尤其，玻璃片同样包括特别的功能，例如滤波器功能、例如作为边缘滤波器、彩色滤波器或传输滤波器。此外，玻璃片同样可设有涂层、尤其功能涂层，例如防反射涂层或屏蔽确定的波长的涂层(例如UV涂层或IR涂层)。
除了根据本发明的光学流量传感器之外，本发明同样提供一种用于利用这种光学流量传感器来容纳和/或引导液态或气态介质的装置。
其物理特性在管道中或在容器中可借助于光学流量传感器被测量的介质可以是气体或液体。气体尤其可以是不仅气态的而且压缩的或液态形式的天然气或汽车尾气。同样地，工业气体(例如氢气、N2、O2)，尤其同样以液态的形式，例如液态的氢气和液态的氮气可被测量。此外，内燃机的废气以及化学工业和半导体工业的过程气体和空气可针对其物理特性进行检验。在管道或者容器中可对其物理特性借助于根据本发明的传感器构件进行测量的另外的介质尤其是水、海水、尤其发动机传动装置的油、液压油、醇，尤其是甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、丁二醇，尤其作为燃料中的混合物。另外的液体（其物理特性借助于根据本发明的设计方案在一种传感器设备中可进行测量）尤其是燃料、例如汽油和柴油燃料、菜油、甲酯以及用于飞机涡轮机或船用发动机和/或船用涡轮机的推进燃料。同样地，用于废气净化的液态物质(例如尿素或尿素溶液，其目前例如在柴油车中被用于废气净化)借助于根据本发明的执行方案在管道或容器中进行探测。此外，在工业中、尤其在化学工业中和半导体工业中的每种类型的过程液体可借助于根据本发明的执行方案利用管道或者箱罐来检测。同样地，被使用在空调设备或冷柜中的介质(例如碳氟化合物)可借助于根据本发明的装置来探测。
可借助根据本发明的装置来探测的气体或者液体的在此引用的列举仅是示例的而决不理解为限制。
特别优选地，该装置优选地包括管件，其与传感器构件（优选地构件段）尤其材料锁合地优选通过钎焊、硬钎焊或熔焊、尤其是激光熔焊来连接。
特别优选地，根据本发明的流量传感器被使用在燃料管道中，尤其用于确定燃料混合物的成分。除了用于利用这种光学流量传感器来容纳和/或引导液态或气态介质的装置的光学流量传感器、(简短地为)传感器构件以外，本发明同样提供一种用于制造用于光学流量传感器的传感器构件的方法。用于光学流量传感器的根据本发明的传感器构件可以不同的方式和方法制成。
在根据本发明的方法中，可视玻璃首先被安装到容纳构件、例如罩盖中且与其连接。
随后，容纳构件与可视玻璃被安装到传感器构件的传感器区段的空隙中。
为了将可视玻璃安装到容纳构件的容纳开口中，根据第一种方法可视玻璃和容纳构件可以如下方式被加热，即，耐压玻璃形式的可视玻璃被玻璃式包铸到至少一个容纳开口中。在此，玻璃熔化。
随后，容纳构件被安装到空隙中且在空隙的区域中与传感器构件或者传感器区段连接。
备选于在容纳构件的容纳开口中的直接的玻璃式包铸可将玻璃焊料安装到至少一个容纳开口中。随后，可视玻璃被安装且可视玻璃和容纳构件被以如下方式加热，即，玻璃焊料与在容纳开口中的耐压玻璃形式的可视玻璃一起熔化。随后，容纳构件被安装到空隙中且在空隙的区域中与传感器构件或者传感器区段连接。
先前所描述的其中玻璃材料被熔化且作为耐压玻璃式包铸件被安装到容纳开口中的两种方法的优点是如下可能性，即，容纳构件与传感器构件通过硬钎焊或激光熔焊连接。同样地，传感器构件可利用硬钎焊与例如管件连接。碱金属硅酸盐玻璃、例如带有α≈10·10-6K的膨胀系数的SCHOTT AG公司的玻璃B270或带有α≈5至6·10-6K的膨胀系数的SCHOTT AG公司的玻璃8800或8436适合作为用于直接玻璃式包铸的玻璃材料。
用于借助于焊料玻璃来玻璃式包铸可视玻璃的可能示例性的玻璃组合是作为可视玻璃的SCHOTT AG公司的硼硅玻璃8800与作为焊料玻璃的玻璃G018161的组合。为此备选地，人们可同样可使用Schott AG公司的硼硅玻璃8800作为焊料玻璃与作为可视玻璃的蓝宝石玻璃组合。
在另一备选的方法中首先可视玻璃至少在边缘区域中被金属涂覆。然后进行金属涂覆的可视玻璃到容纳构件、尤其是罩盖、尤其是不锈钢罩盖中的钎焊。备选于罩盖，环形件同样可安装在空隙的区域中，其中，在环形件中布置有一个或多个可视玻璃。在制成罩盖或者环形件并且将环形件装配以可视玻璃之后，带有钎焊的可视玻璃的罩盖或者环形件与传感器构件尤其在传感器构件的开口区域中，优选通过熔焊、尤其通过激光熔焊、钎焊来连接。
在另一备选的实施方式中，为了制造用于流体和/或气态介质的流量传感器的传感器构件，传感器构件的传感器区段在空隙的区域中可设有玻璃焊料、尤其玻璃焊料环。随后，可视玻璃与玻璃焊料环、尤其通过熔化连接。因为玻璃焊料一般具有低的熔化温度，所以传感器构件和可视玻璃的热负荷一般很小。
附图说明
下面，本发明应该借助附图在不局限于此的情形下描述。其中：
图1以原理视图示出了带有借助于金属焊料或玻璃焊料与容纳构件连接的可视玻璃的根据本发明的传感器构件；
图2示出了带有发光器件和传感器的可视玻璃；
图3示出了带有在边缘区域被金属涂覆的可视玻璃的容纳构件;
图4示出了穿过根据图3的罩盖的区域中的传感器构件的横截面;
图5示出了可视玻璃和不锈钢管的连接的备选的设计方案;
图6示出了带有直接被玻璃式包铸的可视玻璃的容纳构件;
图7示出了带有借助于玻璃焊料被玻璃式包铸的可视玻璃的容纳构件;
图8以原理视图示出了带有根据图6或在图7中的直接被玻璃式包铸的可视玻璃的传感器构件。
图9示出了穿过根据图6或图7的罩盖的区域中的传感器构件的横截面。
具体实施方式
图1以原理视图显示了带有两个被安装在用于光学流量传感器4的传感器构件的传感器区段5的区域中的可视玻璃3.2、3.1的根据本发明的传感器构件1。可视玻璃3.2、3.1当前利用金属焊料或玻璃焊料与容纳构件(其在此以如在图3中具体说明的那样的罩盖20、20.1、20.2形式示出)连接且被安装到传感器构件的各一个凹槽50.1、50.2中且与传感器构件1例如通过钎焊或激光熔焊材料锁合地连接。传感器构件1且进而光学流量传感器又被安装或者被联接到带有管件7.1、7.2的管道处。管件7.1、7.2与光学流量传感器1的传感器构件的连接在传感器构件1的区域9.1、9.2中进行。光学流量传感器的传感器构件1除了传感器区段5之外包括两个构件区段11.1、11.2，它们与管件7.1、7.2连接。光学流量传感器包括光源、分束器以及两个光学探测器(第一探测器和第二探测器)。这详细地在图2中显示。用于光学流量传感器的传感器构件1优选是带有某一横截面、优选环形的横截面的呈管状的物体。该呈管状的物体例如可以是不锈钢管。
在如图1中所显示的那样的设计方案中，传感器区段5或者呈管状的物体的横截面由Q2降低到在带有可视玻璃3.1、3.2的传感器区段5的区域中的Q1上。这是有利的，然而并不是强制性的。在根据图1的设计方案中的可视玻璃3.1、3.2布置在传感器区段的对置的侧面上。可视玻璃3.1、3.2的布置确定在传感器区段的区域中的横截面Q1。在传感器区段的区域中的横截面Q1一方面通过两个具有可视玻璃的容纳构件的距离A以及通过传感器构件的内径DS来确定。通过调整容纳构件彼此在传感器构件的空隙中的距离A容易进行调整。尤其如下是可能的，即，尤其以如下方式按照待检测的介质的透明度来选择该距离，即，在考虑光源和玻璃材料的光学特性的情形下确保介质的对于测量而言足够的透射。传感器构件的内径DS于是以如下方式来选择，即，在传感器区段中的横截面Q1大致上相应于在管件的区域中的横截面Q2。因为管件一般是带有内径DR的环形的横截面的管子，所以Q2以Q2=π·(DR/2)2给定。因为容纳构件(例如罩盖)可以与可视玻璃一起在传感器区段的空隙中竖直地也就是说垂直于轴向地运动，所以罩盖彼此的距离A且进而在传感器区段的区域中的横截面Q1可被调整以匹配于流动介质、光源或可视玻璃的光学特性。另一优点是，在容纳构件中的凹槽的大小和可视玻璃的直径可匹配于光学要求。
在图1中示出的实施方式中，可视玻璃3.1、3.2根据本发明的第一实施方式利用金属焊料安装到不锈钢罩盖形式的容纳构件中。如在图1中显示的那样，该容纳构件当前是环形的，其外径为AD，该容纳构件具有带有内径ID的环形的容纳开口22。在根据图1的容纳构件中，外壁非常薄，也就是说AD<1.2·ID、优选地AD<1.1·ID、尤其AD<1.05·ID。为了可优选地通过利用金属焊料的钎焊连接可视玻璃与带有非常薄的外壁的容纳构件，可视窗3.1、3.2被金属涂覆。可视玻璃或者可视窗3.1、3.2例如是金属涂覆的蓝宝石玻璃，其呈平行面地构造且被安装到容纳部分(在此是不锈钢罩盖20)中。其它的玻璃材料也是可能的。当前，可视玻璃3.1、3.2在呈平行面的面12.1、12.2、12.3、12.4的侧面上的边缘区域中具有金属涂覆部10。优选地，金属涂覆部10被安装，以便于可以简单的方式和方法尤其通过钎焊连接可视玻璃3.1、3.2与金属、尤其是容纳构件1的不锈钢。这在图2中详细示出。
此外在图2中详细地显示了实施光学传感器的可能性，即，如何可以在光学流量传感器中实施该光学传感器。此外(不限于此地)显示了可视玻璃3.1、3.2，其如何可以像例如在图1中显示的那样，通过利用金属焊料的钎焊来安装在容纳容器中、尤其是不锈钢罩盖中。
在根据图6至图7的带有被玻璃式包铸到容纳容器中的可视窗的实施方式中，并且在根据图5的被直接安装到传感器构件上的可视窗的实施方式中，在图2中所显示的光学传感器也可不限于此地被使用。
该光学传感器包括优选地可以是发光二极管的光源200，其发出在例如1μm至2μm的IR波长范围中的光线。在光源之后的光路中，分束器210穿过第一可视玻璃3.1被导引到传感器构件的内部(未显示)。部分光线220穿过在传感器构件的内部中的介质230，在此例如被专门用于被透射的介质的吸收所削弱，部分光线220穿过第二可视窗3.2且然后打到第一探测器240.1上。在第一探测器240.1上，打上的光线被光谱分散。在确定的IR波长中的光信号的削弱于是可根据例如IR光谱分析推断出被透射的介质的成分。为了可量化通过介质的吸收，光源200的另一部分光线250在分束器210之后被偏转到第二探测器240.2上且在那里同样又被光谱分散。第一探测器和第二探测器的信号比较于是可直接量化。
备选于带有两个探测器的先前所描述的设计方案如下同样是可能的，即，仅使用唯一的探测器且光源以交替的脉冲运行形式运行。如所描述的那样，设有金属涂覆部10的可视玻璃3.1、3.2可利用金属焊料钎焊到容纳开口22中或可利用金属焊料钎焊在带有尤其罩盖20形式的容纳构件的容纳开口之上。在利用玻璃焊料的钎焊的情形中可取消金属涂覆。在此优选使用钎焊。在此，钎焊温度优选处在200℃至500℃的范围中、优选处在250℃至350℃的范围中。
当金属涂覆部具有高的铜部分时，钎焊特别容易。
优选在例如在图1中所显示那样的传感器构件中，可视玻璃(尤其硼硅玻璃或蓝宝石玻璃)被直接或间接安装或放上或直接钎焊到传感器区段5的区域中的传感器构件1的空隙或者开口中或者安装或放上或直接钎焊到它们上。
图3作为容纳构件的例子显示了带有薄的外壁的不锈钢罩盖20，其例如通过深冲制成。该不锈钢罩盖具有开口或者容纳开口22。在开口或者容纳开口22之上，可视玻璃、尤其蓝宝石玻璃3.1被安装且在金属涂覆部10的区域中与不锈钢罩盖20钎焊。作为钎焊材料在此尤其使用Au/Sn。
在制造容纳构件、尤其带有可视玻璃、例如蓝宝石玻璃的不锈钢罩盖之后，该不锈钢罩盖如在图4中显示的那样被安装到根据图1的传感器构件1的传感器区段5中的空隙50.1、50.2中。不锈钢罩盖20(其承载可视玻璃3.1、3.2)与传感器构件1的传感器区段5的连接可借助于熔焊或钎焊来进行。此外由图4出发，两个可视玻璃片3.1、3.2以距离A对置，从而使得光线可由传感器构件1的一侧穿过至另一侧且因此能够确定在可视玻璃3.1、3.2之间流经的流体的物理特性。在图4中可清楚地辨认出用于光学流量传感器的传感器构件1的空隙50.1、50.2，容纳构件，尤其是罩盖20(其以距离A包括可视玻璃3.1、3.2)当前被安装到其中。
在传感器区段的区域中的横截面Q1一方面通过两个具有可视玻璃的容纳构件的距离A以及通过传感器构件的内径DS来确定。通过调整容纳构件彼此在传感器构件的空隙中的距离A容易地进行调整。尤其如下是可能的，即，尤其以如下方式按照待检测的介质的透明度来选择距离，即，在考虑光源和玻璃材料的光学特性的情形下确保介质的对于测量而言足够的透射。传感器构件的内径DS于是以如下方式选择，即，在传感器区段中的横截面Q1大致上相应于在管件的区域中的横截面Q2。因为管件一般是带有内径DR的环形的横截面的管子，所以Q2以Q2=π(DR/2)2给定。
另一优点是，在容纳构件中的凹槽的大小和可视玻璃的直径可匹配于光学要求。
替代于将可视玻璃3.1、3.2容纳在容纳构件中和将容纳构件安装在传感器构件的空隙50.1、50.2中，可视玻璃3.1、3.2同样可例如通过将金属涂覆的玻璃件钎焊到空隙中来直接安装到空隙中且被连接。然而这种实施方式具有如下缺点，即，可视玻璃的距离通过传感器构件的几何形状来给定，因此可视玻璃3.1、3.2彼此的距离的容易的可调性是不可能的且因此光学特性不可被调整。
备选于将可视玻璃3.1、3.2钎焊到空隙中，可视玻璃3.1、3.2在空隙50.1、50.2的区域中可被钎焊到传感器区段1中。在图5中显示了可视玻璃与例如实施成不锈钢管的传感器构件的连接的一种备选的设计方案。作为可视玻璃(例如蓝宝石玻璃)安装到容纳构件(例如不锈钢罩盖或空隙中)的替代，如在图3和图4中所描述的那样，可作如下设置，即，在传感器区段5的空隙50.1、50.2的区域中将可视玻璃3.1、3.2放到尤其管子形状的传感器构件1上。可视玻璃3.1、3.2(尤其蓝宝石玻璃)利用金属焊料与区域202.1、202.2中的传感器区段钎焊。
在图6和图7中显示了将至少一个可视玻璃安装和连接到容纳构件的容纳开口中的第二种备选的可行性，该容纳构件然后被安装到传感器构件的空隙中且与该传感器构件连接。如先前所描述的那样，可视玻璃在第一步中与容纳构件连接。在此优选地，容纳构件被预制且在进一步的方法步骤中预制的容纳构件然后在空隙的区域中与传感器构件例如通过熔焊、优选激光熔焊、钎焊或硬钎焊连接。在此，在可视玻璃之间的距离A可被调整。
在根据图6至图9的设计方案中，容纳构件的外壁足够厚，从而耐压玻璃形式的玻璃可被玻璃式包铸到容纳构件中。如果容纳构件以外径AD环形地实施且例如通过钻孔或冲压被安装到容纳构件中的容纳开口具有内径ID，则足够的壁厚以AD>1.3·ID、优选地AD>1.4·ID、尤其AD>1.5·ID来给定。外径和内径在图6,图7和图9中显示。
图6显示了本发明的一种设计方案，其中，可视玻璃403被直接玻璃式包铸到容纳构件的容纳开口中，该容纳构件当前不局限于此地设计成优选由不锈钢、可伐合金或钢构成的环形的环形件420。直接的玻璃式包铸通过可视玻璃403到优选由钢、尤其不锈钢或可伐合金构成的容纳构件的容纳开口422中的安装和随后的加热进行，由此玻璃材料被熔化且金属、优选不锈钢热装到可视玻璃的玻璃材料上，得出耐压玻璃式包铸。耐压玻璃式包铸是容纳构件的玻璃材料和金属的不同热膨胀的结果。优选地，在耐压玻璃式包铸中使用具有非常高的大于800℃、优选地大于900℃、尤其大于950℃的熔化温度的玻璃，例如硼硅玻璃、铝硅玻璃或蓝宝石玻璃。具有高熔化温度的玻璃具有如下优点，即，容纳构件且进而整个传感器构件可被硬钎焊。借助于硬钎焊来联接到管件上同样是可能的。
耐压玻璃式包铸的另一优点是，压力密封性即使在高压力、尤其至少10bar的压力的情形中同样被确保。作为用于可视玻璃的材料优选使用硼硅玻璃、碱金属硅酸盐玻璃(例如SCHOTT AG,Mainz公司的玻璃B270)或蓝宝石玻璃。
图7显示了本发明的一种设计方案，其中可视玻璃503借助于焊料玻璃500不局限于此地玻璃式包铸到容纳构件的容纳开口中，该容纳构件当前不局限于此地设计成优选由不锈钢构成的环形的环形件520。玻璃式包铸通过将焊料玻璃500与可视玻璃503一起安装到优选由钢、尤其不锈钢构成的容纳构件的容纳开口522中和随后的加热来进行，由此焊料玻璃与金属和可视玻璃503压力密封地被熔化。如在根据图6的实施例中那样，根据图5的实施例同样涉及一种耐压玻璃式包铸，也就是说非匹配的玻璃式包铸，其中不同材料(也就是说玻璃材料以及金属)的膨胀系数不同。在非匹配的执行方案中，玻璃材料和金属的膨胀系数可区别大于20%。
相对根据图6的直接玻璃式包铸，人们可在使用具有较低温度的焊料玻璃的情形中获得金属-可视玻璃的压力密封的连接，这是因为焊料玻璃具有低于可视玻璃的熔化温度。可能的组合是使用焊料玻璃G018161与可视玻璃8800、硼硅玻璃的组合或使用作为焊料玻璃的硼硅玻璃8800与作为可视玻璃的蓝宝石玻璃。尤其对于具有在1000℃之上的熔化温度的蓝宝石玻璃而言(对其而言直接的玻璃式包铸是不可能的)，借助于高熔点的焊料玻璃的玻璃式包铸以耐压玻璃连接形式示出一种安装到容纳构件的凹槽中的可行性。
在图8中显示了如在图4中那样穿过传感器构件的横截面。与在图4中相同的构件被赋以增加了400的附图标记。相对图4，在图8中被安装到传感器构件的两个空隙450.1、450.2中的容纳构件是具有根据图6或图7的耐压玻璃式包铸的容纳构件，在此作为参考而引入。该传感器构件除了空隙的安装之外可通过成型以简单的方式和方法制成。管件407.1、407.2同样可通过成型制成。管件407.1、407.2具有横截面Q2。管件407.1、407.2的横截面Q2大约相应于在可视玻璃的区域中的传感器构件的横截面Q1。这在图9中进行显示。通过使在管道的区域中的横截面尽可能相应于在测量区域中的横截面，不出现由于流动阻力的损失。在构件区段411.1、411.2的区域中的传感器构件的横截面大于Q1和Q2且以如下方式进行选择，即，管件407.1、407.2可例如通过如下方式被联接到传感器构件处，即，管件407.1、407.2与构件区段411.1、411.2被硬钎焊或被激光熔焊。在传感器构件的区域中的横截面Q1通过可视玻璃彼此的距离A和内径DS来确定。距离A是可调整的。通过容纳构件彼此在传感器构件的空隙中的距离A的调整，传感器构件的光学特性可被容易地调整。尤其如下是可能的，即，尤其以如下方式按照待检测的介质的透明度来选择该距离，即，在考虑光源和玻璃材料的光学特性的情形下确保介质的对于测量而言足够的透射。传感器构件的内径DS于是以如下方式进行选择，即，在传感器区段中的横截面Q1大致上相应于在管件的区域中的横截面Q2。因为管件一般是带有环形的横截面和内径DR的管子，所以Q2以Q2=π·(DR/2)2来给定。
另一优点是，在容纳构件中的凹槽的大小和可视玻璃的直径可匹配于光学要求。
在图9中(如在图4中那样)显示了穿过传感器区段的区域中的传感器构件的横截面。相对图4，容纳构件如在图6中显示的那样具有足够厚的外壁，以便于可将玻璃材料或者耐压玻璃形式的可视玻璃403.1、403.2容纳在容纳开口中。在图9中的容纳构件构造成带有外径AD>1.3·ID、优选地AD>1.4·ID、尤其AD>1.5·ID的环形的环形件420.1、420.2。容纳构件在当前呈管状地构造的传感器区段405中的两个空隙450.1、450.2中被硬钎焊。此外在图9中画出了环形的环形件420.1、420.2形式的两个容纳构件的距离A以及内径DS，它们一起确定在传感器区段405中的流动横截面。
备选于带有两个空隙50.1、50.2、450.1、450.2和一个在激光束的透射方向上布置的探测器的示出的实施方式，如下同样是可能的，即，仅设置有一个带有可视玻璃的空隙且在与该空隙对置的侧面上设置有反射的或者镜面的或抛光的面，从而使得被引导穿过介质的光束被反射且被引导到布置到与光源相同侧上的探测器上。这种设计方案具有如下优点，即，光学路径在两次穿过液体介质时被加倍，这尤其在很小的传输变化中(例如在高稀释的物质中)或在探测波长的测量中是有利的，所述探测波长处在待探测的物质的吸收最小量中或附近。虽然未详尽地示出，但这种设计方案对于专业人士而言是可实行的。
利用本发明因此首次说明了一种传感器构件，其使光学测量流体介质、尤其是推进燃料、推进燃料成分、天然气、氢气、氮气、氧气、内燃机的废气、工业过程气体、汽车尾气、空气、水、尤其海水、尤其是用于发动机、传动装置和液压应用的油、酒精、尤其甲醇和乙醇、汽油和柴油燃料、菜油、甲酯、飞机涡轮机推进燃料、尿素、尿素溶液、氢氟碳化物成为可能。
此外，在传感器区段的区域中的容纳构件的距离可非常容易地匹配于不同的介质、光源等等，而不改变传感器构件，一个或多个容纳构件安装在传感器构件的空隙中。在传感器区段中的内径DS又可以如下方式匹配于在传感器区段的区域中的距离，即，在传感器区段的区域中的流动横截面Q1与联接管道的管道横截面Q2一致，由此可防止流动阻力。尤其，带有被放入到容纳构件的容纳开口中的可视玻璃的根据本发明的设计方案使得如下成为可能，即，可视玻璃的大小且尤其直径可容易地匹配于光学要求。另一优点是通过成型且尤其用于耐压玻璃式包铸的容易的可制造性，即，各个构件可被硬钎焊。
本发明涉及在下面的段落中所规定的方面，这些段落是说明书的部分而不是权利要求。
1.尤其用于流体和/或气态介质(1)的光学流量传感器，其包括至少一个构件区段(11.1、11.2)和至少一个用于容纳光学传感器的传感器区段(5)，其特征在于，传感器区段(5)包括至少一个可视玻璃(3.1、3.2)。
2.根据段落1所述的光学流量传感器(1)，其特征在于，传感器区段(5)尤其在一个或多个空隙(50.1、50.2)的区域中包括至少两个可视玻璃(3.1、3.2)，其以如下方式布置，即，使得光能够穿透传感器区段(5)的横截面(Q2)或传感器区段(5)尤其在空隙的区域中包括刚好一个可视玻璃(3.1)，且在与该空隙对置的侧面上设置有反射面、尤其镜面的或抛光的表面，从而使得光能够两次穿透传感器区段的横截面(Q2)。
3.根据段落1至2中任一项所述的光学流量传感器，其特征在于，所述可视玻璃(3.1、3.2)是呈平行面的、可机械负荷的且可与不锈钢连接的玻璃板。
4.根据段落1至3中任一项所述的光学流量传感器，其特征在于，所述可视玻璃(3.1、3.2)具有带有边缘区域(10)的平坦面(12.1、12.4)，其中，边缘区域(10)包括金属涂覆部。
5.根据段落4所述的光学流量传感器，其特征在于，该金属涂覆部包括某一铜部分。
6.根据段落1至5中任一项所述的光学流量传感器，其特征在于，可视玻璃(3.1、3.2)是硼硅玻璃、尤其蓝宝石玻璃。
7.根据段落1至6中任一项所述的传感器构件，其特征在于，所述传感器区段(5)尤其在空隙(50.1、50.2)的区域中包括罩盖(20)、尤其是不锈钢罩盖或由可伐合金或钢构成的罩盖(20)，其容纳可视玻璃(3.1、3.2)。
8.根据段落1至6中任一项所述的光学流量传感器，其特征在于，在空隙(50.1、50.2)的区域中的传感器区段(5)包括玻璃环(200.1、200.2)，其可与可视玻璃(3.1、3.2)和/或传感器区段(5)的材料一起被熔化。
9.用于容纳和/或引导液态或气态介质的装置，其特征在于，该装置具有至少一个根据权利要求1至8中任一项所述的光学流量传感器(1)。
10.根据段落9所述的装置，其特征在于，液态或气态介质是下列介质中的其中一个：天然气、氢气、氮气、氧气、内燃机的废气、工业过程气体、汽车尾气、空气、水、尤其海水、尤其用于发动机、传动装置和液压应用的油、酒精、尤其甲醇和乙醇、汽油和柴油燃料、菜油、甲酯、飞机涡轮机推进燃料、尿素、尿素溶液、氢氟碳化物。

Claims (25)

1.用于流体和/或气态介质的光学流量传感器的传感器构件(1)，所述传感器构件包括至少一个构件区段(11.1、11.2)和至少一个传感器区段(5)，其中，
-所述传感器区段(5)包括至少两个在传感器区段(5)中的多个空隙(50.1、50.2；450.1、450.2)的区域中的可视玻璃(3.1、3.2；403.1、403.2)，所述可视玻璃被布置为使得光能够穿透所述传感器区段(5)的横截面(Q1)，或
-所述传感器区段(5)在空隙的区域中包括正好一个可视玻璃(3.1)且在与所述空隙对置的侧面上设置有反射面，尤其是镜面的或抛光的表面，从而使得光能够两次穿透所述传感器区段的横截面(Q1)，
其特征在于，
所述传感器构件包括能够被安装到所述一个或多个空隙(50.1、50.2；450.1、450.2)中的容纳构件且所述可视玻璃(3.1、3.2、403、403.1、403.2、503)与所述容纳构件材料锁合地连接。
2.根据权利要求1所述的传感器构件，其特征在于，所述可视玻璃(403)优选地作为耐压玻璃式包铸件，直接玻璃式包铸到所述容纳构件的容纳开口(422)中。
3.根据权利要求1所述的传感器构件，其特征在于，所述可视玻璃(503)优选地作为耐压玻璃式包铸件，借助于焊料玻璃被玻璃式包铸到所述容纳构件的容纳开口(522)中。
4.根据权利要求1所述的传感器构件，其特征在于，所述可视玻璃(3.1、3.2)与所述容纳构件(20)利用金属焊料或玻璃焊料来钎焊。
5.根据权利要求4所述的传感器构件，其特征在于，所述可视玻璃(3.1、3.2、403、503)是呈平行面的、可机械负荷的且能够与金属、尤其钢、优选不锈钢或可伐合金连接的玻璃板。
6.根据权利要求4或5所述的传感器构件，其特征在于，所述可视玻璃(3.1、3.2)具有带有边缘区域(10)的平坦面(12.1、12.4)，其中，所述边缘区域(10)包括金属涂覆部。
7.根据权利要求6所述的传感器构件，其特征在于，所述金属涂覆部是可钎焊的，所述金属涂覆部尤其包括铜部分。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的传感器构件，其特征在于，所述可视玻璃(3.1、3.2、403、403.1、403.2、503)是硼硅玻璃、碱金属硅酸盐玻璃或蓝宝石玻璃。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的传感器构件，其特征在于，所述可视玻璃(403.1、403.2)承受住至少10bar的压力。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的传感器构件，其特征在于，所述传感器构件构造成带有一横截面、优选环形的横截面Q3的呈管状的物体。
11.根据权利要求10所述的传感器构件，其特征在于，所述传感器区段(5)中的传感器构件的横截面Q1小于所述构件区段(11.1、11.2)中的横截面Q3。
12.根据权利要求4至11中任一项所述的传感器构件，其特征在于，所述容纳构件(22)是带有容纳开口的薄壁的罩盖(20)，其中，对于所述罩盖(20)的外径AD而言适用如下：
AD<1.2·ID，优选地
AD<1.1·ID，尤其
AD<1.05·ID，
其中，ID是所述罩盖(20)的内径ID，该内径与所述容纳开口(22)的直径一致。
13.根据权利要求1至11中任一项所述的传感器构件，其特征在于，所述容纳构件是优选呈环形的厚壁的容纳构件(420.1、420.2、420)，其中，对于所述呈环形的容纳构件的外径AD而言适用如下：
AD>1.3·ID，优选地
AD>1.4·ID，尤其
AD>1.5·ID，
其中，ID是所述容纳构件的内径，该内径与所述容纳开口(422、522)的直径一致。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的传感器构件，其特征在于，选择所述容纳开口(22)的大小、尤其所述容纳开口(22)的直径，使得尤其在穿透的光束的束直径方面尽可能满足所述可视玻璃的光学要求。
15.带有至少一个光学传感器的光学流量传感器，其特征在于，所述光学流量传感器包括根据权利要求1至14中任一项所述的传感器构件。
16.根据权利要求15所述的光学流量传感器，其特征在于，所述光学流量传感器包括光源、尤其发光二极管、尤其发光二极管阵列。
17.根据权利要求16所述的光学流量传感器，其特征在于，所述光源、尤其发光二极管、优选发光二极管阵列发射带有红外线波长的、尤其在1μm至2μm的波长范围中的光线。
18.用于容纳和/或引导液态或气态介质的装置，其特征在于，所述装置具有至少一个根据权利要求15至17中任一项所述的光学流量传感器(1)。
19.根据权利要求18所述的装置，其特征在于，所述液态或气态介质是下列介质之一：天然气、氢气、氮气、氧气、内燃机的废气、工业过程气体、汽车尾气、空气、水、尤其海水、尤其用于发动机、传动装置和液压应用的油、醇、尤其甲醇和乙醇、汽油和柴油、菜油、甲酯、飞机涡轮机推进燃料、尿素和尿素溶液、氢氟碳化物。
20.根据权利要求18或19所述的装置，其特征在于，所述装置包括管件(7.1、7.2、407.1、407.2)，其与所述传感器构件，优选是构件区段，尤其材料锁合地优选通过钎焊、硬钎焊或熔焊来连接。
21.根据权利要求20所述的装置，其特征在于，所述管件(7.1、7.2、407.1、407.2)具有横截面Q2且所述横截面Q2大致上相应于在所述传感器区段中的传感器构件的横截面Q1。
22.用于制造尤其根据权利要求1至14中任一项所述的用于流体和/或气态介质的光学流量传感器的传感器构件的方法，带有下列步骤：
-提供带有至少一个空隙(450.1、450.2)的传感器区段；
-提供带有容纳开口(422)的容纳构件；
-将可视玻璃(403、403.1、403.2)安装到所述容纳构件的至少一个容纳开口(422)中；
-加热可视玻璃和容纳构件，使得所述可视玻璃被熔化且以耐压玻璃形式被玻璃式包铸到所述至少一个容纳开口(422)中；
-尤其通过硬钎焊将所述容纳构件安装和连接到所述传感器区段的空隙(450.1、450.2)中。
23.用于制造尤其根据权利要求1至14中任一项所述的用于流体和/或气态介质的光学流量传感器的传感器构件的方法，带有下列步骤：
-提供带有至少一个空隙(450.1、450.2)的传感器区段；
-提供带有容纳开口(522)的容纳构件；
-将玻璃焊料(500)和可视玻璃(503)安装到所述至少一个容纳开口(522)中；
-加热玻璃焊料(500)、可视玻璃(503)和容纳构件，使得所述可视玻璃(503)与玻璃焊料(500)在所述容纳开口(522)中以耐压玻璃形式熔化；
-尤其通过硬钎焊、激光熔焊或钎焊，将所述容纳构件安装和连接到所述传感器区段的空隙(450.1、450.2)中。
24.用于制造尤其根据权利要求1至14中任一项所述的用于流体和/或气态介质的光学流量传感器的传感器构件的方法，带有下列步骤：
-提供带有至少一个空隙(50.1、50.2)的传感器区段；
-提供带有容纳开口(22)的容纳构件；
-为可视玻璃(3.1、3.2)设置金属涂覆部(10)；
-将所述可视玻璃(3.1、3.2)以第一钎焊温度在所述容纳开口(22)中或在容纳开口的区域中利用金属焊料来钎焊和安装；
-尤其通过钎焊，以第二钎焊温度将所述容纳构件安装和连接到所述传感器区段的空隙(50.1、50.2)中，其中，所述第二钎焊温度处在所述玻璃材料与所述容纳构件连接的钎焊温度之下。
25.用于制造尤其根据权利要求1至14中任一项所述的用于流体和/或气态介质的光学流量传感器的传感器构件的方法，带有下列步骤：
-提供带有至少一个空隙(50.1、50.2)的传感器区段；
-提供带有容纳开口(22)的容纳构件；
-将所述可视玻璃(3.1、3.2)以第一钎焊温度在所述容纳开口(22)中或在所述容纳开口的区域中利用玻璃焊料来钎焊和安装；
-尤其通过钎焊，以第二钎焊温度将所述容纳构件安装和连接到所述传感器区段的空隙(50.1、50.2)中，其中，所述第二钎焊温度处在所述玻璃材料与所述容纳构件连接的钎焊温度之下。
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