DE102005048450B4 - Sensor mit einem auswechselbaren Sensorelement, insbesondere Drucksensor - Google Patents

Sensor mit einem auswechselbaren Sensorelement, insbesondere Drucksensor

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Abstract

Sensor mit einem auswechselbaren Sensorelement und einem Sensorgehäuse (10), das einen Hohlraum (12), der zur Aufnahme eines Sensorelements (11) ausgestaltet ist; eine Öffnung (14), um das Sensorelement (11) von außen vollständig in den Hohlraum (12) einzuführen; und ein Druckelement (13), das lösbar befestigt ist, um von der Öffnung (14) her eine Druckkraft auf das Sensorelement (11) auszuüben, zur Fixierung des Sensorelements (11) in dem Hohlraum (12), aufweist, wobei das Druckelement (13) im Hohlraum (12) lösbar befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (14) dem zu messenden Außenraum zugewandt ist, dass in dem Hohlraum (12) auf einer der Öffnung (14) gegenüberliegenden Seite ein Anschlag (16) zur Abstützung des Sensorelements (11) angeordnet ist, gegen den das Sensorelement (11) abgedichtet ist, und dass das Druckelement (13) eine durchgehende Öffnung (15) aufweist, die das dahinter liegende Sensorelement (11) mit dem zu messenden Außenraum verbindet.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor mit einem auswechselbaren Sensorelement, insbesondere einen Drucksensor.
  • Im Stande der Technik sind eine Anzahl von Sensoren mit einem auswechselbaren Sensorelement bekannt, insbesondere Drucksensoren dieser Art. So ist aus der DE 36 29 628 C2 ein Hochdruck-Meßwertumformer bekannt, der ein in einem Sensorgehäuse angeordnetes Sensorelement zur kapazitiven Druckmessung umfaßt. In dem Sensorgehäuse ist ein Hohlraum zur Aufnahme des Sensorelements ausgebildet, in welchen das Sensorelement durch eine an einem Ende des Sensorgehäuses vorgesehene Öffnung eingesetzt werden kann. An der der Öffnung gegenüberliegenden Seite des Hohlraums ist eine Anschlagfläche vorgesehen, die zur Abstützung des Sensorelements dient. Das Sensorelement wird mittels eines Druckelements gegen die Anschlagfläche gepreßt, wobei zwischen Sensorelement und Druckelement ein Abstandshalter vorgesehen ist, der gleichzeitig einen Raum für eine gedruckte Schaltungsplatine freiläßt, durch welche die Ausgangssignale des kapazitiven Sensorelements verarbeitet werden. Das Druckelement ist ebenso wie das Sensorelement durch die am Ende des Sensorgehäuses vorgesehene Öffnung in dieses eingesetzt. An der anderen Seite des Sensorgehäuses ist ein Hochdruckanschluß vorgesehen, über den eine Verbindung zwischen dem Sensorelement und einem zu messenden Außenraum hergestellt wird. Die Öffnung des Sensorgehäuses, über welche das Sensorelement und auch das Druckelement in das Sensorgehäuse eingesetzt werden, befindet sich somit an der dem zu messenden Außenraum entgegengesetzten Seite des Sensorgehäuses. Ähnliche Drucksensoren, bei denen ein Sensorelement mittels eines einschraubbaren Druckelements in einem Sensorgehäuse fixiert ist, sind aus der DE 42 13 857 C2 und der EP 0 723 143 B1 bekannt. Auch bei diesen befindet sich die Öffnung des Sensorgehäuses, über welche das Sensorelement in das Sensorgehäuse eingesetzt und das Druckelement in dieses eingeschraubt wird, an der dem zu messenden Außenraum entgegengesetzten Seite des Sensorelements. Zur Abdichtung des Sensorelements gegenüber dem Sensorgehäuse ist bei diesen beiden bekannten Drucksensoren eine ringförmige Dichtung vorgesehen, die an der dem zu messenden Außenraum zugewandten Seite zwischen das Sensorelement und eine diesem gegenüberliegende Dichtfläche eingefügt ist. Bei allen diesen drei bekannten Drucksensoren erfolgt die Erzeugung einer zur Abdichtung des Sensorelements erforderlichen Dichtkraft von dessen Rückseite her durch das in das Sensorgehäuse eingeschraubte Druckelement gegen den an der Vorderseite des Sensorelements herrschenden Druck des zu messenden Außenraums. Weitere, zur Druckmessung dienende Sensoren sind aus der DE 42 34 290 A1 , der US 4 928 376 A der EP 0 735 353 B1 bekannt. Auch bei diesen ist ein zur Druckmessung dienendes Sensorelement in ein Sensorgehäuse eingesetzt durch eine Öffnung, welche der Seite, an welcher sich der zu messende Außenraum befindet, entgegengesetzt ist. Bei diesen bekannten Sensoren ist das Sensorelement auf unterschiedliche Weise in dem Sensorgehäuse befestigt, nämlich durch ein von der Rückseite, d. h. von der dem zu messenden Außenraum entgegengesetzten Seite eingeschraubtes oder eingeklebtes Druckelement oder durch direktes Verkleben mit dem Gehäuse.
  • Sensoren und insbesondere Drucksensoren sind in vielen Anwendungsfällen sehr rauhen Umgebungsbedingungen ausgesetzt. Im Bereich der Raumfahrt wird beispielsweise mittels hochtemperaturbeständiger Sensoren der Druck innerhalb von Raketentriebwerken gemessen. Aber auch in Flugzeugtriebwerken, Motoren und sonstigen Brennkraftmaschinen werden Sensoren eingesetzt, insbesondere Drucksensoren, die hohen Temperaturen und rauhen Umgebungsbedingungen standhalten müssen. Insbesondere durch die hohen Temperaturen und die sonstigen hohen Belastungen kommt es hin und wieder im Betrieb zu Störungen oder Ausfällen der Sensoren.
  • Aber auch unter weniger harten Umgebungsbedingungen haben die meisten Sensoren eine begrenzte Lebensdauer, was zu Ausfällen bzw. Defekten führt. Durch fehlerhafte Sensoren werden hohe Kosten verursacht, wenn die fehlerhaften Sensoren vollständig ausgetauscht werden müssen. Hinzu kommt, dass ein sehr großer Aufwand erforderlich ist, um den gesamten Sensor beispielsweise in einem Triebwerk auszutauschen.
  • Bei Sensoren der eingangs beschriebenen Art, bei denen ein Sensorelement in ein Sensorgehäuse eingesetzt ist, besteht ein besonderes Erfordernis darin, dass die Dichtung zwischen Sensorelement und Sensorgehäuse mit einer dauerhaften Dichtigkeit sichergestellt ist, wobei diese auch bei längerer Betriebszeit oder auch nach dem Auswechseln des Sensorelements zuverlässig gewährleistet sein soll.
  • Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen Sensor mit einem auswechselbaren Sensorelement zu schaffen, der bei einem Defekt mit geringem Aufwand und geringen Kosten wieder instandgesetzt werden kann, und bei dem eine dauerhafte Dichtheit zwischen Sensorelement und Sensorgehäuse gewährleistet ist.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Sensor mit auswechselbarem Sensorelement gemäß dem Anspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Sensors sind Gegenstand der Unteransprüche. Weitere vorteilhafte Merkmale und Aspekte der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den Zeichnungen.
  • Durch die Erfindung wird ein Sensor mit einem auswechselbaren Sensorelement und einem Sensorgehäuse geschaffen, das einen Hohlraum, der zur Aufnahme des Sensorelements ausgestaltet ist, eine Öffnung, um das Sensorelement von außen vollständig in den Hohlraum einzuführen, und ein Druckelement, das lösbar befestigt ist, um von der Öffnung her eine Druckkraft auf das Sensorelement auszuüben, zur Fixierung des Sensorelements im Hohlraum, aufweist, wobei das Druckelement im Hohlraum lösbar befestigt ist. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass die Öffnung dem zu messenden Außenraum zugewandt ist, dass in dem Hohlraum auf einer der Öffnung gegenüberliegenden Seite ein Anschlag zur Abstützung des Sensorelements angeordnet ist, gegen den das Sensorelement abgedichtet ist, und dass das Druckelement eine durchgehende Öffnung aufweist, die das dahinterliegende Sensorelement mit dem zu messenden Außenraum verbindet.
  • Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Sensors ist es, dass aufgrund des Umstandes, dass das Sensorelement von der dem zu messenden Außenraum zugewandten Vorderseite des Sensorgehäuses in den in diesem ausgebildeten Hohlraum eingesetzt und gegen den auf der gegenüberliegenden Rückseite angeordneten Anschlag abgestützt und abgedichtet ist, der von der Vorderseite auf das Sensorelement einwirkende Druck des zu messenden Außenraums die Dichtwirkung zwischen dem Sensorelement und dem Anschlag erhöht. Durch das Befestigen des Druckelements in dem Hohlraum wird die Hohlraum-Öffnung sicher verschlossen, während mittels der durchgehenden Öffnung im Druckelement der Außendruck von der Vorderseite auf das Sensorelement wirken kann. Dadurch ist der Sensor insbesondere als Drucksensor bei hohen zu messenden Drücken zuverlässig verwendbar.
  • Vorteilhafterweise weist das Druckelement an seiner Außenseite ein Gewinde auf, um es in den Hohlraum einzuschrauben. Dadurch kann das Druckelement schnell und einfach befestigt und wieder gelöst werden, wobei das Sensorelement dennoch sicher im Innenraum des Sensorgehäuses fixiert ist.
  • Beispielsweise umfasst der erfindungsgemäße Sensor ein erstes Distanzelement und ein zweites Distanzelement, zwischen denen das Sensorelement im Hohlraum eingeklemmt wird. Die beiden Distanzelemente dienen zum Ausgleich unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten des Sensorelements einerseits und des Sensorgehäuses andererseits. Durch die Distanzelemente ist das Sensorelement nicht in direktem Kontakt mit dem übrigen Sensorgehäuse. Dadurch werden die Auswirkungen thermisch induzierter Spannungen aufgrund von Unterschieden in thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Sensorgehäuse und Sensorelement verringert. Insbesondere kann dazu das jeweilige Distanzelement aus demselben Material wie das Sensorelement gefertigt sein, oder aus einem Material, das einen ähnlichen oder den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist wie das Sensorelement.
  • Bevorzugt ist in dem Sensorgehäuse des erfindungsgemäßen Sensors eine durchgehende Öffnung vorgesehen, zur Durchführung elektrischer Verbindungen von der Rückseite des Sensorgehäuses zum Sensorelement. Dadurch können die elektrischen Verbindungen zur Stromversorgung und Signalleitung sicher im Sensorgehäuse untergebracht werden, ohne den Betrieb zu beeinträchtigen.
  • Vorteilhaft ist ein elastisches Dichtelement vorgesehen, das an dem Anschlag im Hohlraum angeordnet ist und durch Befestigen des Druckelements komprimiert wird. Dadurch ergibt sich eine sichere Abdichtung zwischen dem Sensorelement und dem Anschlag. Dies ist insbesondere bei Verwendung eines Drucksensorelements von Vorteil, da der Bereich hinter dem Sensorelement hermetisch abgedichtet werden kann und somit als Referenzdruckkammer gegenüber dem Außendruck dient.
  • Bevorzugt ist das Dichtelement neben einem Distanzelement an dem Anschlag angeordnet, so dass die Komprimierung des Dichtelements durch das Distanzelement begrenzt ist. D. h., das Distanzelement dient in diesem Fall gleichzeitig als Anschlag, um das Dichtelement beim Einsetzen bzw. Einschrauben des Druckelements definiert, d. h. bis zu einem vorgegebenen Maß, zu komprimieren.
  • Bevorzugt ist der Hohlraum zylindrisch geformt, mit einem ersten Bereich zur Aufnahme des Sensorelements und einem davor liegenden zweiten Bereich zur Aufnahme des Druckelements. Dadurch wird ein besonders einfacher Ein- und Ausbau des Sensorelements in das Sensorgehäuse ermöglicht, wobei zunächst das Sensorelement in den Hohlraum eingeführt wird und anschließend das Druckelement in dem Hohlraum befestigt wird, wobei es gegen das Sensorelement gepresst wird, das dadurch im Hohlraum bzw. Innenraum fixiert ist.
  • Vorteilhafterweise ist das Sensorelement zur Druckmessung ausgestaltet. Dadurch wird ein Drucksensor mit auswechselbarem Sensorelement zur Verfügung gestellt.
  • Insbesondere ist ein zusätzliches äußeres Gehäuse vorgesehen, in dessen Innenraum das Sensorgehäuse einpassbar ist. Dadurch ist es möglich, je nach dem gewünschten Einbauort des Sensorgehäuses unterschiedliche äußere Gehäuse vorzusehen bzw. zu verwenden, die in diesem Fall als Adapter dienen. Insbesondere kann ein einziges Sensorgehäuse durch Verwendung unterschiedlicher äußerer Gehäuse verschiedenartigsten Einsatzzwecken zugeführt werden.
  • Bevorzugt hat das äußere Gehäuse einen länglichen Fortsatz mit einer darin liegenden durchgehenden Öffnung, durch die das Sensorelement im eingebauten Zustand mit dem Außenraum in Verbindung steht. Dadurch ist der Sensor mit dem äußeren Gehäuse als Drucksensor einsetzbar, d. h., ein als Drucksensor ausgestaltetes Sensorelement im Innenraum des Sensorgehäuses kann mit dem Außendruck beaufschlagt werden. Durch den länglichen Fortsatz ergibt sich die Möglichkeit, in sehr heißen Bereichen zu messen, ohne das Sensorelement diesen Temperaturen auszusetzen.
  • Vorteilhafterweise umfasst das Sensorgehäuse ein Kontaktelement zur elektrischen Kontaktierung des Sensorelements im Hohlraum, wobei das Kontaktelement ein oder mehrere Kontaktstifte umfasst. Durch elastische Kontaktstifte werden z. B. Unebenheiten bei der Kontaktierung des Sensorelements ausgeglichen, und es ergibt sich eine bessere und zuverlässigere elektrische Kontaktierung.
  • Bevorzugt umfasst das Kontaktelement einen Keramikträger, in dem die Kontaktstifte in ihrer Längsrichtung bewegbar sind, wobei Federelemente vorgesehen sind, welche die Kontaktstifte zum Sensorelement hin drücken. Durch diese Maßnahme ergeben sich eine erhöhte Temperaturbeständigkeit der Kontaktierung und eine noch größere Zuverlässigkeit.
  • Insbesondere ist der Sensor zum Einbau in ein Triebwerk ausgestaltet.
  • Bevorzugt umfasst das Sensorelement eine Sensorplatte mit einer biegbaren Membran, wobei die Sensorplatte und die Membran z. B. aus Saphir gefertigt sind. Dadurch ergibt sich ein Drucksensor mit auswechselbarem Sensorelement, der hochtemperaturbeständig ist und weitgehend gegen temperaturbedingte Verspannungen geschützt ist.
  • Vorteilhafterweise sind die Sensorplatte und die Membran einstückig ausgebildet, wobei die Membran ein relativ dünner Teilbereich der Sensorplatte ist. Dadurch kann das Sensorelement schnell und kostengünstig mit Techniken der Mikromechanik hergestellt werden, und gleichzeitig ergibt sich eine erhöhte Stabilität und Zuverlässigkeit des Drucksensors.
  • Bevorzugt ist die Membran auf einer Seite über die durchgehende Öffnung des Druckelements mit dem Außenraum verbunden, während die andere Seite der Membran gegenüber dem Außenraum abgedichtet ist. Dadurch kann der Außendruck auf der einen Seite der Membran gegenüber einem Referenzdruck auf der anderen Seite der Membran gemessen werden.
  • Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand der Figuren beschrieben, in denen
  • 1 eine Schnittansicht schräg von oben auf das erfindungsgemäße Sensorgehäuse mit einem darin befestigten Sensorelement schematisch zeigt;
  • 2 einen Längsschnitt durch das in 1 dargestellte Sensorgehäuse zeigt;
  • 3 ein erfindungsgemäßes Sensorgehäuse mit einem äußeren Gehäuse in einer Schnittansicht schräg von vorne schematisch zeigt;
  • 4 einen Längsschnitt durch das in 3 gezeigte Sensorgehäuse zeigt;
  • 5 ein Sensorgehäuse mit elektrischen Durchführungen in einer Schnittansicht schematisch zeigt; und
  • 6 ein Kontaktelement zur Kontaktierung des Sensorelements in einer Schnittansicht zeigt.
  • 1 zeigt ein wieder verwendbares Sensorgehäuse 10 mit einem auswechselbaren Sensorelement 11, das in diesem Fall als Drucksensorelement ausgestaltet ist. Im Inneren des Sensorgehäuses 10 ist ein Hohlraum 12 ausgeformt, der zur Aufnahme des Sensorelements 11 dient. Weiterhin ist in dem Hohlraum 12 ein Druckelement 13 lösbar befestigt, wobei es eine Druckkraft auf das Sensorelement 11 ausübt und es dadurch im Hohlraum 12 fixiert.
  • Das Sensorgehäuse 10 weist an seiner Vorderseite V eine Öffnung 14 auf, durch die das Sensorelement 11 in den Hohlraum 12 eingeführt bzw. aus dem Hohlraum 12 entnommen werden kann. Das Druckelement 13 wird ebenfalls durch die Öffnung 14 in den Hohlraum 12 eingebracht und mit diesem verschraubt. Zu diesem Zweck hat die Außenseite des Druckelements 13 ein Gewinde, das mit einem an der Wandung des Hohlraums 12 angeordneten Gewinde des Sensorgehäuses in Eingriff steht. Das Ein- und Ausschrauben des Druckelements 13 kann auf einfache Weise mit einem Imbusschlüssel durchgeführt werden, der in eine Öffnung 15 formschlüssig eingreift, um eine Drehkraft auf das Druckelement 13 zum Ein- und Ausschrauben auszuüben.
  • Im Hohlraum 12 ist auf der gegenüber liegenden Seite der Gehäuseöffnung 14 ein Anschlag 16 ausgebildet, der zur Abstützung des Sensorelements 11 dient, wenn das Druckelement 13 in den Hohlraum 12 eingeschraubt wird und dabei eine Druckkraft auf das Sensorelement 11 ausübt. Der Anschlag 16 wird durch den Grund des Hohlraums 12 im Sensorgehäuse 10 gebildet, der den Hohlraum 12 innenseitig begrenzt und zu diesem Zweck als Stufe ausgestaltet ist. D. h., beim Einschrauben des Druckelements 13 wird das Sensorelement 11 zwischen dem Anschlag 16 und dem Druckelement 13 eingepresst.
  • In dem hier gezeigten eingebauten Zustand wird das Sensorelement 11 zwischen einem ersten Distanzelement 17, das als Distanzscheibe ausgestaltet ist, und einem zweiten Distanzelement 18, das als Stützring ausgestaltet ist, gehalten. Die Distanzscheibe 17 und der Stützring 18 sind aus demselben Material wie das Sensorelement 11 bzw. die Sensorplatte gefertigt und werden zusätzlich in den Hohlraum 12 eingebracht, damit die Sensorplatte bzw. das Sensorelement 11 nicht direkt mit dem Gehäusematerial bzw. dem Material des Sensorträgers 19 in Kontakt gerät. D. h., die beiden Distanzelemente 17, 18 auf beiden Seiten des Sensorelements 11 haben den gleichen oder zumindest einen ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie das Sensorelement 11, wodurch thermisch induzierte Spannungen bei veränderten Temperaturen deutlich verringert bzw. vermieden werden und sich dadurch geringere Störungen im Messergebnis ergeben. Zwischen dem äußeren Rand des Sensorelements 11 und der Wand des Hohlraums 12 ist ein Abstand bzw. etwas Spiel vorgesehen, um den direkten Kontakt zu verhindern.
  • Der Stützring 18 ist von einer ringförmigen Dichtung 21 umgeben. Die Dichtung 21 ist als Hochtemperatur-Dichtring ausgestaltet und z. B. mit einer Goldbeschichtung und/oder mit einer Gasbefüllung versehen. Die Dichtung 21 hat eine etwas größere Dicke als das Distanzelement 18, so dass sie beim Anpressen des Sensorelements 11, d. h. wenn das Druckelement 13 eingeschraubt wird, definiert komprimiert wird, wobei das Distanzelement 18 als Anschlag dient.
  • Im Sensorträger 19, der ein Teil des Sensorgehäuses 10 ist, befindet sich eine zentral und in Längsrichtung angeordnete durchgehende Öffnung 22, durch die der Hohlraum 12 bzw. Innenraum des Sensorgehäuses 10 mit der Rückseite R verbunden ist. Die durchgehende Öffnung 22 dient zur Durchführung von elektrischen Leitungen bzw. zum Einsatz eines Kontaktelements zur Kontaktierung des Sensorelements 11. Die durchgehende Öffnung 22 wird im Betrieb verschlossen, um eine Referenzdruckkammer zu bilden, wenn das Sensorelement 11 ein Drucksensorelement ist, wie im hier dargestellten Beispiel. Bei Messung sehr hoher Drücke (z. B. 200 bar) ist ein Verschließen nicht erforderlich, da die geringen Schwankungen des Atmosphärendruckes – der damit Referenzdruck ist – im Vergleich zu dem hohen Messdruck nur zu sehr geringen relativen Fehlern führen.
  • Das als Drucksensorelement ausgestaltete Sensorelement 11 besteht aus einer Sensorplatte mit einer zentral gelegenen Membran 11a. In diesem Fall sind die Sensorplatte und die Membran aus Saphir gefertigt, wodurch sich eine besonders hohe Temperaturstabilität ergibt. Sensorplatte und Membran 11a sind einstückig ausgebildet bzw. aus einem Stück gefertigt, wobei die Membran 11a ein besonders dünn ausgestalteter Bereich im Zentrum der Sensorplatte ist. Auf der Membran 11a sind Piezoelemente bzw. Piezowiderstände angeordnet, um bei einer Differenz des an beiden Seiten der Membran anliegenden Drucks eine Verbiegung der Membran 11a zu messen. Zu diesem Zweck ist die Membran 11a über zentrale Öffnungen im Distanzelement 17 und im Druckelement 13 mit dem Außenraum an der Vorderseite V des Sensorgehäuses verbunden, so dass im Betrieb der Außendruck auf die Vorderseite der Membran 11a einwirkt.
  • 2 zeigt ergänzend zur weiteren Veranschaulichung einen Längsschnitt durch das in 1 gezeigte Sensorgehäuse 10 mit dem darin befestigten Druckelement 11. Sämtliche Bauteile und Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in 1 gekennzeichnet, wobei auf die Beschreibung zu 1 Bezug genommen wird.
  • 3 zeigt eine Schnittansicht schräg von oben auf ein äußeres Gehäuse 25, in dem das oben beschriebene Sensorgehäuse 10 mit dem darin befindlichen Sensorelement 11 angeordnet ist. Die Elemente des Sensorgehäuses 10 sind wiederum mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet wie in den 1 und 2 und wie oben beschrieben ausgestaltet.
  • Das äußere Gehäuse 25 dient zur Aufnahme des Sensorgehäuses 10 in seinem Innenraum. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Sensorgehäuse 10 in das äußere Gehäuse 25 eingeschraubt, wobei zu diesem Zweck an der Außenseite des Sensorgehäuses 10 und der Innenseite des äußeren Gehäuses 25 entsprechende Gewinde ausgestaltet sind. Ein Dichtring 26 dichtet den Innenraum vollständig nach außen hin ab. Das äußere Gehäuse 25 weist an seiner Vorderseite V eine Öffnung 27 auf, um den Innenraum des äußeren Gehäuses 25, mit dem darin angeordneten Sensorgehäuse 10, mit dem Außenraum zu verbinden. An der Vorderseite V des äußeren Gehäuses 25 ist weiterhin ein länglich ausgestalteter Fortsatz 28 ausgebildet, der eine innen liegende, durchgehende Bohrung 28a aufweist und die Verbindung zur Öffnung 27 herstellt.
  • Das äußere Gehäuse 25 dient als Adapter bzw. Anpasselement, um das Sensorgehäuse 10 mit dem auswechselbaren Sensorelement 11 an unterschiedliche Bauelemente anzupassen, wobei stets das gleiche Sensorgehäuse 10 verwendbar ist und lediglich das äußere Gehäuse 25 an die jeweiligen Bedingungen angepasst ist. Beispielsweise können verschiedene Adapter 25 mit vorne unterschiedlichen Gewindedurchmessern gefertigt werden, wobei keine Änderung am inneren Sensorteil bzw. Sensorgehäuse 10 notwendig ist. Der Fortsatz 28 kann beispielsweise mit unterschiedlichen Durchmessern und in unterschiedlichen Längen ausgestaltet werden und führt insbesondere auch zu einer geringeren thermischen Belastung des Sensorelements 11 im Inneren der Anordnung. Insbesondere kann das äußere Gehäuse 25 bzw. der Adapter zum Einschrauben in Triebwerke ausgestaltet sein, beispielsweise um dort Druckmessungen vorzunehmen.
  • Zur weiteren Veranschaulichung zeigt ergänzend 4 einen Längsschnitt durch das in 3 gezeigte äußere Gehäuse 25 mit dem darin befindlichen inneren Sensorgehäuse 10 und dem Sensorelement 11 in dessen Innenraum. Im Übrigen wird auf die obige Beschreibung Bezug genommen, wobei in 4 dieselben Bezugszeichen wie in den übrigen Figuren verwendet sind.
  • 5 zeigt schematisch eine Schnittansicht durch den in 3 und 4 gezeigten Sensor mit seinem äußeren Gehäuse 25, dem eigentlichen bzw. inneren Sensorgehäuse 10, das das Sensorelement 11 beinhaltet. Dabei sind elektrische Durchführungen 29 vorgesehen, um das Sensorelement im Innenraum elektrisch zu kontaktieren. Die elektrischen Durchführungen 29 können z. B. als Platin-Stifte ausgestaltet sein, die in einer Keramikhülse befestigt und mit elastischen Elementen versehen sind.
  • 6 zeigt schematisch einen Schnitt durch ein Kontaktelement 31, das zur elektrischen Kontaktierung des Sensorelements 11 im Innenraum 12 des Sensorträgers 19 bzw. Sensorgehäuses 10 dient. Das Kontaktelement 31 besteht aus einem Trägerelement 32, das beispielsweise ein Keramikträger ist, insbesondere Macor®. In einer Ausnehmung im unteren Bereich des Trägerelements 32 befindet sich Glaslot, z. B. Schottglas, in Form einer auszuhärtenden Paste. Das Glaslot kann auch als vorgepresste Glasfritten, die eingeschmolzen werden, bereitgestellt werden. Alternativ kann eine Keramikpaste verwendet werden, wie z. B. Keramikkleber auf Aluminiumoxidbasis.
  • Das Glaslot 33 dient zur Halterung bzw. Befestigung von Kontaktstiften 34, die als Platin-Pins ausgestaltet sind. Die Kontaktstifte 34 sind an ihrem oberen Ende jeweils mit einer Feder 35 verbunden. Die Federn 35 sind aus einer hochtemperaturstabilen Legierung gefertigt. Die Federn 35 dienen zur Kontaktierung des Sensorelements 11 und zum Ausgleich von Unebenheiten und sind so gestaltet, dass sie bei erhöhten Temperaturen nicht plastisch werden. Von besonderem Vorteil ist es, die Federn mit Gold zu beschichten.
  • Zur Verbindung des Kontaktelements 31 mit dem Sensorelement 11 wird das Kontaktelement 31 von der Rückseite R des Sensorgehäuses 10 in die Öffnung 22 eingesetzt und dort fixiert, wobei die Federn 35 entsprechende Kontaktpads auf dem Sensorelement 11 kontaktieren.
  • Die Kontaktstifte 34 sind in das Glaslot 33 eingelötet, wodurch sich ein gasdichter Verschluss ergibt.
  • Es ist auch möglich, die Kontaktstifte 34 in ihrer Längsrichtung beweglich im Trägerelement 32 zu lagern und die Federn zu fixieren, so dass die Kontaktstifte gegen die Federkraft in das Trägerelement 32 gedrückt werden können. In diesem Fall dienen die Kontaktstifte 34 zur elastischen Kontaktierung des Sensorelements 11, d. h. in dieser Variante befindet sich nicht die Oberseite des Kontaktelements 31 direkt an den Kontaktpads auf dem Sensorelement 11, sondern die Unterseite des Kontaktelements 31.
  • Das Trägerelement 32 lässt sich auch aus Metall, insbesondere aus dem selben Metall wie Sensorträger 19 und Druckelement 13, herstellen. Dadurch lässt sich das Kontaktelement 31 beispielsweise durch Elektronenstrahlschweißen direkt am Sensorträger 19 befestigen und hermetisch abdichten. Alternativ lässt es sich bei Anbringung eines Außengewindes in die durchgehende Öffnung 22 einschrauben, wenn auch diese mit einem Gewinde versehen ist, und über einen weiteren Dichtring abdichten.
  • Der hier gezeigte Sensor mit dem Sensorgehäuse 10 und dem auswechselbaren Sensorelement 11 sowie gegebenenfalls dem äußeren Gehäuse 25 ist auch für andere Zwecke anwendbar, beispielsweise zur Kraftmessung. Je nach Ausgestaltung des Sensorelements 11 lassen sich unterschiedlichste Sensorzwecke verwirklichen.

Claims (16)

  1. Sensor mit einem auswechselbaren Sensorelement und einem Sensorgehäuse (10), das einen Hohlraum (12), der zur Aufnahme eines Sensorelements (11) ausgestaltet ist; eine Öffnung (14), um das Sensorelement (11) von außen vollständig in den Hohlraum (12) einzuführen; und ein Druckelement (13), das lösbar befestigt ist, um von der Öffnung (14) her eine Druckkraft auf das Sensorelement (11) auszuüben, zur Fixierung des Sensorelements (11) in dem Hohlraum (12), aufweist, wobei das Druckelement (13) im Hohlraum (12) lösbar befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (14) dem zu messenden Außenraum zugewandt ist, dass in dem Hohlraum (12) auf einer der Öffnung (14) gegenüberliegenden Seite ein Anschlag (16) zur Abstützung des Sensorelements (11) angeordnet ist, gegen den das Sensorelement (11) abgedichtet ist, und dass das Druckelement (13) eine durchgehende Öffnung (15) aufweist, die das dahinter liegende Sensorelement (11) mit dem zu messenden Außenraum verbindet.
  2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckelement (13) an seiner Außenseite ein Gewinde aufweist, um es in den Hohlraum (12) einzuschrauben.
  3. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein erstes Distanzelement (17) und ein zweites Distanzelement (18), zwischen denen das Sensorelement (11) im Hohlraum (12) eingeklemmt wird, zum Ausgleich unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten des Sensorelements (11) und des Sensorgehäuses (10).
  4. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Sensorgehäuse (10) eine durchgehende Öffnung (22) vorgesehen ist, zur Durchführung elektrischer Verbindungen von der Rückseite (R) des Sensorgehäuses (10) zum Sensorelement (11).
  5. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein elastisches Dichtelement (21), das an dem Anschlag (16) im Hohlraum (12) angeordnet ist und durch Befestigen des Druckelements (13) komprimiert wird.
  6. Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (21) neben einem Distanzelement (18) an dem Anschlag (16) angeordnet ist, so dass die Komprimierung des Dichtelements (21) durch das Distanzelement (18) begrenzt ist.
  7. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (12) zylindrisch geformt ist, mit einem innen liegenden ersten Bereich zur Aufnahme des Sensorelements (11) und einem davor liegenden zweiten Bereich zur Aufnahme des Druckelements (13).
  8. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (11) zur Druckmessung ausgestaltet ist.
  9. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens ein zusätzliches äußeres Gehäuse (25), in dessen Innenraum das Sensorgehäuse (10) einpassbar ist.
  10. Sensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das äußere Gehäuse (25) einen länglichen Fortsatz (28) mit einer durchgehenden Öffnung (28a) aufweist, durch die das Sensorelement (10) im eingebauten Zustand mit dem Außenraum in Verbindung steht.
  11. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Kontaktelement (31) zur elektrischen Kontaktierung des Sensorelements (11) im Hohlraum (12), wobei das Kontaktelement (31) ein oder mehrere Kontaktstifte (34) umfasst.
  12. Sensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (31) einen Keramikträger (32) umfasst, in dem die Kontaktstifte (34) in ihrer Längsrichtung bewegbar sind, wobei Federelemente (35) vorgesehen sind, welche die Kontaktstifte (34) zum Sensorelement (11) hin drücken.
  13. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er zum Einbau in ein Triebwerk ausgestaltet ist.
  14. Sensor nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (11) eine Sensorplatte mit einer biegbaren Membran (11a) umfasst, wobei die Sensorplatte und die Membran (11a) aus Saphir gefertigt sind.
  15. Sensor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorplatte und die Membran (11a) einstückig ausgebildet sind, wobei die Membran (11a) ein relativ dünner Teilbereich der Sensorplatte ist.
  16. Sensor nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (11a) auf einer Seite über die durchgehende Öffnung (15) des Druckelements (13) mit dem Außenraum verbunden ist, während die andere Seite der Membran (11a) gegenüber dem Außenraum abgedichtet ist.
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