CN111602043B - 保护装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于传感器(2)的膜(3)的保护装置(1)；传感器(2)确定由作用在膜(3)上的介质所传递的物理参量；保护装置(1)可安装在传感器(2)上；保护装置(1)具有纵向轴线(Z)；保护装置(1)在安装在传感器(2)上的状态下保护膜(3)免受至少一个辐射源(9)的电磁辐射；保护装置(1)具有至少一个通道(7)，介质在保护装置(1)安装在传感器(2)上的状态下可以通过通道(7)到达膜(3)；在保护装置(1)安装在传感器(2)上的状态下，电磁辐射可以在通道(7)中传播；其中，在通道(7)中传播的电磁辐射只有在通道的壁、简称通道壁(71)上进行至少一次反射之后才到达膜(3)。

Description

保护装置

技术领域

本发明涉及一种用于安装在传感器上的保护装置。

背景技术

传感器确定物理参量，并提供在理想条件下与该物理参量相对应的传感器信号。为此目的，在传感器中布置有对物理参量具有敏感性的传感元件。传感元件通常是由传感器`的保护层(例如膜)来保护，以免受到某些外部影响，例如灰尘和/或液体和/或气体和/或电磁辐射。这种表达和/或被理解为非排他性的对立。膜通常由金属或金属合金或塑料制成。介质是物理参量的载体并作用在膜上。

膜是暴露于外部影响中的。外部影响是指温度、压力等。

物理参量例如是压力。如果传感器确定了压力，则气体或液体就是该物理参量的载体并且作用在膜上。然而，压力传感器的传感元件还具有温度相关性，这代表会对传感器信号产生不利影响。

导致温度变化的热能不仅仅是通过热传导经由介质进行传递，也不仅仅是借助于热夹带通过对流来传递，而是也可以通过电磁辐射这样的热辐射进行传递。在下文中，术语电磁辐射也用作热辐射的同义词。

当在膜附近点燃有火焰时，膜上的电磁辐射会迅速增加。如果火焰熄灭，则膜上的电磁辐射会迅速降低。如果这样入射的电磁辐射被膜部分或完全地吸收，则膜的温度会升高。膜的温度的升高至少部分地传递到传感元件，并由此影响所确定的传感器信号或损坏传感器元件。这种对传感器信号的影响会导致针对物理参量确定错误的值，在此，该物理参量在以后将不再是温度本身。

例如膜或传感元件的材料的快速出现的温度变化也被称为热冲击，并且还会出现在其他有介质燃烧的地方，例如在内燃机的压力室中。内燃机包括四冲程发动机和二冲程发动机，例如Wankel发动机、Otto发动机、柴油发动机等。在其他的充斥有压力的空间内也会发生热冲击，例如燃气涡轮机内、喷气发动机内、火箭发动机内、蒸汽涡轮机内和蒸汽机内或者在类似的结构内部。在下文中，将内燃机的压力室和上述的内部充斥有压力的空间统称为压力室。与随时间变化缓慢的、几乎恒定的环境温度不同，热冲击对于安装于压力室中的传感器的传感器信号的影响是无法最小化的，或者只能在校准的框架下不充分地最小化。

此外，如果温度超过膜材料的取决于材料的阈值，则膜会由于热冲击而损坏。反复的热冲击也会导致膜老化，并引起与膜老化相关的损坏。

由专利文献EP2024710A1已知一种膜保护装置，该膜保护装置被紧固在前部区域中设有膜的传感器的前部区域上，并且该膜保护装置可以承受高达500℃的温度。在一种实施方式中，该膜保护装置具有多个开口、(通道)，带有待测量信息的介质可以穿过这些开口、(通道)。通道的直径被选择为，使火焰不能穿过，这意味该着膜保护装置是防火的。

在此不利的是，来自介质侧上的至少一个辐射源的电磁辐射会直接穿过通道作用在膜上，这可能会引起热冲击。这会影响传感器信号并针对该物理参量确定错误的值。根据电磁辐射的强度，电磁辐射可能会导致膜和/或传感器元件的损坏。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于传感器的膜的保护装置，使得在通道中传播的电磁辐射只有在通道的壁上发生至少一次反射之后才到达膜，从而降低了入射到膜上的电磁辐射的强度。本发明的另一目的在于提供一种保护装置，其使得作为待确定物理参量的载体的介质能够尽可能无阻碍地作用在膜上。

本发明的至少一个目的通过本发明技术方案的特征来实现。本发明涉及一种用于传感器的膜的保护装置；该传感器确定由作用在膜上的介质所传递的物理参量；该保护装置可以安装在传感器上；该保护装置具有纵向轴线；该保护装置在安装于传感器上的状态下保护膜免受至少一个辐射源的电磁辐射；该保护装置具有至少一个通道，在保护装置安装在传感器上的状态下，介质可以通过该通道到达膜；以及在保护装置安装在传感器上的状态下，电磁辐射可以在该通道中传播；其中，在通道中传播的电磁辐射只有在通道的壁(简称为通道壁)上至少一次反射之后才到达膜。

由此，与具有以下通道的保护装置相比，即，在通道中电磁辐射可以在没有在通道的壁上发生反射的情况下从辐射源传播到膜，这将降低入射到膜上的电磁辐射的强度。

电磁辐射的传播是从辐射源开始在空间中以射线形式直线地进行。

如果电磁辐射(简称辐射)入射到保护装置上，则根据本发明需要在通道的壁(简称通道壁)上发生至少一次反射，以使辐射从辐射源到达膜。如果辐射入射在通道壁上，则辐射将有部分被吸收、部分被反射并且部分被散射，并且从通道壁重新以射线形式并直线地传播。

辐射的反射是指辐射在一表面上的定向反射(gerichtete Reflektion)，而辐射的散射是指辐射在一表面上的漫反射。吸收是指辐射在一表面上转化为热能，从而向表面提供热能。

因此，在辐射入射到通道壁上之后，在通道中传播的辐射的强度会降低。这是由于在通道壁上吸收了一部分辐射。这也归因于辐射在下述方向上的部分反射和散射：即，辐射会沿着该方向在保护装置的背对膜的一侧(简称为介质侧)再次从穿通部(Durchführung)射出，因此不会到达膜。这被称为反向散射或反向反射。

只有一小部分辐射可以在仅一次入射在通道壁上之后就入射到膜上。辐射的较大部分会多次入射在通道壁上，在此，由于上述的吸收，强度会随着每次的入射而降低。反向散射和反向反射也降低了到达膜的辐射的强度。因此，到达膜的辐射要比通过根据现有技术的保护装置到达膜的辐射小很多倍。

同时还要求介质应尽可能不受阻碍地通过保护装置，以使保护装置的几何形状对所要确定的信息的影响最小化。如果通道的流动阻力高，则由于介质通过通道的流动阻力而引起的压力变化会延迟地作用在膜上。流动阻力取决于通道的净轮廓和介质通过通道所要经过的路径的长度。通道的净轮廓是通道投影于一平面上的面。因此，存在用于压力变化的极限频率，在此，比极限频率的倒数更快进行的压力变化只能随着压力的时间进程以不足的精度来确定。

此外，通道具有谐振频率，这是由于保护装置和传感器的组合代表了一种具有至少一个谐振频率的亥姆霍兹谐振器。在逆谐振频率的范围内沿时间刻度所发生的压力变化不能被准确地确定。谐振频率取决于保护装置与膜之间的体积以及通道的净轮廓。通道的净轮廓是通道投影于一平面上的面。

保护装置在安装状态下具有面向传感器的膜的表面，该表面被称为膜侧。保护装置的背向膜的一侧被称为介质侧。穿通部从介质侧通到膜侧。

将保护装置构造为，通道在膜侧或介质侧上的净轮廓的和与膜的表面积的商至少为0.25。由此提高了谐振频率和极限频率，并在没有谐振频率的影响的情况下确定了例如出现在内燃机中的快速的压力变化。

附图说明

下面参照附图对本发明进行示例性的详细说明。其中：

图1示出了保护装置的一种优选实施方式的截面图，其在安装部中具有传感器，在此为了清楚起见，传感器没有使用剖面线；

图2示出了平行于纵轴线穿过根据图1所示实施方式的保护装置的横截面；

图3示出了根据图1的保护装置的视图；

图4示出了保护装置的另一种实施方式的截面图，其在安装部中具有传感器，在此为了清楚起见，传感器没有使用剖面线；

图5示出了平行于纵轴线穿过根据图4所示实施方式的保护装置的横截面；

图6示出了根据图4的保护装置的视图。

具体实施方式

图1示出了根据一种优选实施方式的保护装置1的截面图，其在安装部4中具有传感器2。为清楚起见，传感器2没有使用剖面线。

传感器2是被沿着纵向轴线Z大体上成棒状地构成。传感器2被安装在安装部4中。优选地，将传感器2引入到安装部4中。安装部4限定了应该用于确定物理参量的腔室容积11。在该腔室容积11中存在介质，该介质是物理参量的载体。在传感器2的面对腔室容积11的端部上，传感器2具有膜3，该膜平行于第一径向轴线X并平行于第二径向轴线Y。纵向轴线Z、第一径向轴线X和第二径向轴线Y形成一正交系统。第一径向轴线和第二径向轴线形成径向平面XY。介质作用在膜3上。

在一种实施方式中，腔室容积是内燃机的压力室的腔室容积。

在下文中，由第一径向轴线X和第二径向轴线Y扩展而成的径向平面XY将可选地以半径R和极角W来描述。半径R、极角W和纵向轴线Z形成一圆柱坐标系。

在一种优选的实施方式中，保护装置1被构造罐状的，其具有盘状的罐底5和中空圆柱状的罐壁6，该中空圆柱状的罐壁6具有纵向轴线Z。罐壁6和罐底5被一件式地构造或者被材料配合地连接。

保护装置1可安装在传感器2上。在安装于传感器2上的状态下，保护装置1保护膜3免受至少一个辐射源9的电磁辐射，该辐射源9被布置在腔室容积45中。

保护装置1在安装状态下被布置在传感器2上，使得中空圆柱状的罐壁6的内表面与传感器2的外表面相对置，并使膜3面向罐底5的膜侧31。盘形罐底5的另一侧被称为介质侧41。膜3和罐底5在很大程度上平行地定向并且沿着纵向轴线Z间隔开。因此，保护装置1是布置在膜3与腔室容积45之间，并且传感器2的纵向轴线Z对应于中空圆柱状的罐壁6的纵向轴线Z。

在一种实施方式中，保护装置1与传感器2是材料配合地连接，例如通过焊接连接。

在另一种实施方式中，保护装置1与传感器2是力配合地连接，例如通过螺纹连接或夹紧元件。

在另一种实施方式中，保护装置1与传感器2是形状配合地连接，例如通过卡扣连接。

膜3、罐底5和罐壁6围成一膜侧的容积，简称为膜容积35。

在罐底5中布置有至少一个通道7，在保护装置1已安装在传感器2上的状态下，介质通过该通道从介质侧41的腔室容积45到达膜侧31的膜容积35中。在保护装置1安装在传感器2上的状态下，电磁辐射可以在通道7中传播。

根据本发明，保护装置1的罐底5中的通道7被设计为，使得在通道7中传播的、来自腔室容积45中的辐射源9的电磁辐射只有在通道壁71上发生至少一次反射之后才到达膜3。

在膜侧31上的位置与介质侧41上的位置之间不存在通过通道7的直线连接。

图2示出了保护装置1的优选的第一种实施方式，其中包括沿着纵向轴线Z的截面，并且在极角W恒定的情况下半径为R。罐底5具有至少一个通道7，该通道具有限定的宽度B，该宽度在图3中示出，该通道7在所述截面中具有类似于倾斜了90°的字母v的走向。该v字形走向由所述截面中的轨迹曲线给出，该轨迹曲线代表穿通部在径向平面XY中的中心，该轨迹曲线给出了取决于纵向轴线位置的半径R，该轨迹曲线的半径随着沿纵向方向Z的前进而增大了超过宽度B的程度，直至大致位于罐底5的膜侧31与罐底5的介质侧41之间的中心的点。并且从大致位于罐底5的膜侧31与罐底5的介质侧41之间的中心的点起，轨迹曲线的半径R再次减小了超过宽度B的程度。通过轨迹曲线的这种走向，使得在膜侧31与介质侧41之间不可能通过通道7实现直线连接。从辐射源9直线发出并且部分地在通道7中传播的电磁辐射只有在通道壁71上发生至少一次反射之后才到达膜3。

通道7针对每个垂直于纵向轴线Z的平面均以恒定的半径R沿着极角W描述了至少一个圆弧，该圆弧的中心角A小于355°，如图3所示。中心角A是两条从圆(该圆弧是该圆的一部分)的中心点到圆弧末端的两条直线之间的角度。如果在相同的半径R上存在多个通道，则它们的圆弧的中心角A的总和小于355°。剩余的未被通道7的圆弧使用的至少5°的角度用于罐底5的稳定，并防止罐底5被通道7的圆弧分成多个单独的部分。

优选地，将多个通道7这样布置在罐底5中：使得这些通道在介质侧41上以不同的半径R开始，沿着纵向轴线Z呈v字形，并且以不同的半径R终止于膜侧31，而不同的通道7的通道壁71彼此不接触。由此，至少在罐底5的膜侧41上或罐底5的介质侧41上获得通道7的净轮廓的和，从而使得通道7的净轮廓的和与膜3的表面积的商至少为0.25。通道7的净轮廓是通道7的面投影到一平面上，例如罐底5的表面投影在介质侧41或膜侧31上的平面。

在一种优选的实施方式中，保护装置1优选地由金属或金属合金制成。在一种特别优选的实施方式中，保护装置1由耐受高于500℃的温度的金属或金属合金制成。

在另一种实施方式中，保护装置1由陶瓷制成，例如氮化硅。

在一种优选的实施方式中，保护装置1优选地通过选择性激光烧结或选择性激光熔化来制成，该方法是基于粉末状材料的局部熔化，例如合金、金属或陶瓷。通过逐层地施加粉末状材料和逐层地选择性熔化，能够实现上述的复杂成形的通道7。

本领域技术人员也可以使用其它的制造方法，例如激光金属沉积或直接金属沉积，在此，将金属粉末通过喷嘴有目的性地到达某个位置，并在运输过程中通过激光熔化在该位置上。

在一种特别优选的实施方式中，至少一个通道7的通道壁71具有根据DIN EN ISO4287:2010的、高的算术平均粗糙度值，简称为平均粗糙度，至少为5微米。结果是，入射的电磁辐射不仅被反射，而且还被散射。被反射的电磁辐射的定向比重(即，反射)优选小于80％。由此，在通道壁71上被反射并因此从介质侧41到达膜侧31的电磁辐射的比重被最小化，并且降低了电磁辐射对膜3的影响。

在图4中以截面图示出了保护装置1的另一种优选的实施方式。为了清楚起见，传感器2没有使用剖面线。

保护装置1被构造为罐状的，其具有盘状的罐底5和中空圆柱形的罐壁6。盘形的罐底5具有至少两个平行的、叠置的、盘状的罐底部分34、31，它们被材料配合地连接。至少一个罐底部分34在面向另一罐底部分31的一侧，在罐底部分51的表面的外边缘上，沿纵向轴线Z的方向具有接片状的凸出部53，该凸出部被构造为完全围绕该表面的外边缘。该接片状的凸出部53位于相应的另一个罐底部分52上。罐底部分51、52沿着该接片状的凸出部53被材料配合地连接，该材料配合连接在图4和图5中以黑色三角形示出。通过在外边缘上存在接片状的凸出部53，罐底5在罐底部分34、31之间具有一容积，该容积被称为中间容积55。

罐壁6和罐底部分51被一件式地形成或者被材料配合地连接。传感器2被这样布置在保护装置1的内部：即，使得罐壁6的内表面与传感器2的外表面相对置，并且膜3面向罐底5的膜侧31。

罐底部分51、52具有通道7，该通道被这样布置在罐底部分51、52上：即，通道7与中间容积55一起在平行于纵向轴线Z的截面的至少一个截面图中具有大致为s形的走向。罐底部分34、52的通道7的位置和凸出部53的尺寸被选择为，使得来自布置在腔室容积45中的辐射源9的、在通道中传播的电磁辐射只有在通道壁71上发生至少一次反射之后才到达膜3，如图5所示。

至少在罐底5的膜侧31上或罐底5的介质侧41上，通道7的净轮廓的和是这样的：即，通道7的净轮廓的和与膜3的表面积的商为至少0.25，如图6所示。

在一种实施方式中，保护装置1通过切削加工制造方法来制成。例如，通道7可以在多个工作步骤中从不同的角度进行铣削或钻孔来制成。

在保护装置1的一种实施方式中，至少一个通道壁71具有吸收电磁辐射的涂层。该涂层吸收电磁辐射的入射强度的至少10％，这意味着反射强度相对于未被涂层的通道壁71减小了至少10％。

在保护装置1的另一种实施方式中，通道壁71具有涂层，该涂层是抗粘附涂层。由于该抗粘附涂层，存在于介质中的颗粒在该通道壁71上的吸附要比在未被涂层的通道壁71上的吸附少50％。

当然，本领域技术人员也可以选择通道7的其他布置。可以设想：通道7在平行于纵向轴线Z的平面中不是圆弧，而是直线。也可以设想通道7具有圆形的净轮廓。

当然，本领域技术人员也可以将通道7构造为，使其在平行于纵向轴线Z的截平面中具有这样的轨迹曲线：该轨迹曲线很大程度上不是s形或v形的，但是被形成为，辐射源15的在通道7中传播的电磁辐射只有在通道壁71上进行至少一次反射之后才到达膜3。

在一种优选的实施方式中，传感器是压力传感器，在该压力传感器中布置有压电式测量元件。在有压力作用在膜上的情况下，膜在该压电式测量元件上施加力，该压电式测量元件产生与所施加的力相应的电荷。该电荷通过已知的电子组件进行转换并作为传感器信号被提供。

附图标记列表

1 保护装置

2 传感器

3 膜

4 安装部

5 罐底

6 罐壁

7 通道

9 辐射源

31 膜侧

35 膜侧容积，膜容积

41 介质侧

45 腔室容积

51 罐底部分

52 罐底部分

53 凸出部

55 中间容积

71 通道壁，通道的壁

A 中心角

R 半径

W 极角

X 第一径向轴线

Y 第二径向轴线

Z 纵向轴线。

Claims (14)

1.一种用于被用在压力室中的传感器(2)的膜(3)的保护装置(1)；所述传感器(2)确定由作用在所述膜(3)上的介质所传递的物理参量；所述保护装置(1)能够被安装在所述传感器(2)上；所述保护装置(1)具有纵向轴线(Z)；所述保护装置(1)在安装在所述传感器(2)上的状态下保护所述膜(3)免受至少一个辐射源(9)的电磁辐射；所述保护装置(1)具有至少一个通道(7)，在所述保护装置(1)被安装在所述传感器(2)上的状态下，所述介质能够通过所述通道(7)到达所述膜(3)；以及在所述保护装置(1)安装在所述传感器(2)上的状态下，所述电磁辐射能够在所述通道(7)中传播；其特征在于，在所述通道(7)中传播的电磁辐射只有在所述通道的壁、简称为通道壁(71)上进行至少一次反射之后才到达所述膜(3)，其中，所述保护装置(1)在安装状态下具有面向所述膜(3)的表面，简称为膜侧(31)；所述保护装置(1)在安装状态下具有背向所述膜(3)的表面，简称为介质侧(41)；其中，所述通道(7)从所述介质侧(41)通到所述膜侧(31)；并且其中，在所述膜侧(31)上的位置与所述介质侧(41)上的位置之间不存在通过所述通道(7)的直线连接。

2.根据权利要求1所述的保护装置(1)，其特征在于，所述通道(7)在平行于所述纵向轴线(Z)的截面的至少一个截面图中呈v形走向。

3.根据权利要求1所述的保护装置(1)，其特征在于，至少一个通道(7)在平行于所述纵向轴线(Z)的截面的至少一个截面图呈s形走向。

4.根据权利要求1所述的保护装置(1)，其特征在于，所述通道(7)在所述膜侧(31)或所述介质侧(41)上的净轮廓的和与所述膜(3)的表面积的商至少为0.25。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的保护装置(1)，其特征在于，一通道壁(71)，其为通道内部的壁，具有至少5微米的平均粗糙度；并且定向地入射在粗糙表面上的电磁辐射被反射为，使得所反射的辐射的定向比重小于80％。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的保护装置(1)，其特征在于，所述保护装置(1)由至少两个保护装置部分(51，52)组成；所述保护装置部分(51，52)在所述保护装置(1)的安装状态下垂直于所述纵向轴线(Z)相叠地布置；并且所述保护装置部分(51，52)被材料配合地连接。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的保护装置(1)，其特征在于，一通道壁(71)，其为通道内部的壁，具有吸收电磁辐射的涂层；该吸收电磁辐射的涂层吸收电磁辐射的入射强度的至少10％，这意味着反射强度相对于未被涂层的通道壁(71)减小了至少10％。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的保护装置(1)，其特征在于，一通道壁(71)，其为通道内部的壁，具有抗粘附涂层，其中，存在于介质中的颗粒在该通道壁(71)上的吸附比在未被涂层的通道壁(71)上的吸附少50％。

9.根据权利要求1至4中任一项所述的保护装置(1)，其特征在于，所述保护装置(1)由金属或金属合金制成。

10.根据权利要求1至4中任一项所述的保护装置(1)，其特征在于，所述保护装置(1)由陶瓷制成。

11.一种用于确定物理参量的传感器(2)，所述物理参量通过介质传递；所述传感器(2)具有膜(3)，所述介质作用在所述膜(3)上；其特征在于，在所述传感器(2)上安装有根据权利要求1至10中任一项所述的保护装置(1)。

12.根据权利要求11所述的传感器(2)，其特征在于，所述传感器(2)是确定压力的压力传感器；并且在所述压力传感器中布置有压电式测量元件。

13.根据权利要求11所述的传感器(2)，其特征在于，所述传感器(2)被布置在内燃机的压力室中。

14.一种用于制造根据权利要求9所述的保护装置(1)的方法，其特征在于，所述保护装置(1)通过选择性激光熔化技术或激光金属沉积技术制成，其中通过激光辐射部分或完全地熔化金属粉末。

Images