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Die
Erfindung betrifft ein neuartiges, stufenweises Urformverfahren,
mit dem durch Galvanoformung selbsttragende, einstückige,
metallische Bauteile mit makroskopischen Abmessungen hergestellt werden,
wobei der Abscheidprozess nach Erreichen einer bestimmten Geometrie
unterbrochen wird, und wobei wenigstens auf einen Bereich des Bauteils bzw.
der erzeugten Schichtoberfläche etwas formgenau aufgebracht
oder aufgetragen wird, was als Bestandteil im oder auf dem Bauteil
verbleibt. Auf diese Weise können Bauteile mit größeren
Bereichen, die partiell mehrwandig sind oder aber die eine extrem dünne
Wanddicke aufweisen, hergestellt werden, was mit den konventionell
bekannten Verfahren nicht möglich ist. Somit lassen sich
Bauteile herstellen, die unterschiedliche technische Funktionen
erfüllen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
lassen sich unter anderem auch vorteilhafte Bauformen von Sensoren zur
Umwandlung von technischen Messgrößen in elektrische
Messsignale herstellen, wobei die Messsignale nachgeschaltet mit
Hilfe von aktiven Messschaltungen verarbeitet und ausgewertet werden. Das
Verfahren lässt sich aber auch in vielen anderen Bereichen
der Technik vorteilhaft einsetzen, da es die Urformung von technischen
Bauteilen ermöglicht, die bisher in der mit dem Verfahren
realisierbaren Eigenschaftskombination nicht urgeformt werden konnten.
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Die
bekannten Urformverfahren, mit denen metallische Bauteile hergestellt
werden können, die weitestgehend die Gestalt und die Abmessungen
von fertigen Bauteilen oder Maschinenelementen besitzen, benötigen
meist Temperaturen weit oberhalb von 50°C. Sie sind darüber
hinaus in aller Regel ungeeignet, um in den Bauteilen größere
Bereiche mit einer Wanddicke von kleiner 1 mm zu erzeugen (siehe: Dubbel,
Taschenbuch für den Maschinenbau, 20. Auflage 2001, Springer
Verlag Berlin, Heidelberg, New York, Seite 84 bis S23).
Selbst die konventionellen, spanabhebenden Fertigungsverfahren,
wie zum Beispiel Fräsen oder Drehen, die für Metalle
eingesetzt werden, stoßen an ihre Grenzen, wenn es darum
geht, in dem zu fertigenden einstückigen Bauteil einen
größeren Bereich herzustellen, der eine sehr geringe
Wanddicke aufweisen soll.
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Eine
Ausnahme bildet die Galvanoformung, bei der normalerweise sehr dünne
Schichten durch Abscheidung aus wässrigen und organischen
Lösungen erzeugt werden. Im Gegensatz zu den meisten anderen
Urformverfahren sind somit auch Wanddicken weit unterhalb von 1
mm problemlos realisierbar. Dagegen ist es eher unüblich,
im Galvanoverfahren größere Wanddicken zu erzeugen,
wie sie bei den meisten Bauteilen mit makroskopischen Abmessungen
schon aus Festigkeitsgründen erforderlich sind, da einerseits
die Zeiten zum Abscheiden sehr lang werden und andererseits das
Material sich mit zunehmender Abscheidezeit immer ungleichmäßiger abscheidet,
so dass keine einheitlichen Wanddicken erzeugt werden können.
Bei der Abscheidung werden in aller Regel Temperaturen von 50°C
nicht überschritten. Ziel bei der Entwicklung des erfindungsgemäßen
Verfahrens war es nun Bauteile herzustellen, die unterschiedliche
technische Funktionen erfüllen können. So können
beispielsweise Sensoren in komplexe dreidimensionale makroskopische
Bauteile integriert werden.
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Damit
erfüllt das Bauteil neben seiner rein mechanischen Funktion
gleichzeitig eine Sensorfunktion. Derartige Multifunktionsbauteile
können mit den bisher bekannten Fertigungsverfahren nicht
realisiert werden.
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Es
gibt die unterschiedlichsten Formen von Sensoren zur Messung technischer
Größen. Der Stand der Technik im Bereich der Herstellung
von Sensoren wird in
H.-R. Tränkler, E. Obermeier:
Sensortechnik; Handbuch für Praxis und Wissenschaft, Springer
Verlag 1998, beschrieben. Als Sensor wird danach „heute
die erste in sich abgeschlossene Komponente verstanden, die an ihrem
Eingang die Messgröße aufnimmt und an ihrem Ausgang
ein konditioniertes Messsignal liefert". Meist sind Sensorelemente
mit aktiven Messschaltungen in einem gemeinsamen spezifisch für
den Sensor ausgelegten Gehäuse zusammengefasst oder die
Sensoren werden nachträglich, wie in
DE 10 2005 015 691 A1 beschrieben,
in ein vorgefertigtes Gehäuse integriert. Die Erfindung
betrifft nun einerseits das Verfahren, mit dem vorteilhafte Bauformen
von Sensoren durch Urformung realisiert werden können,
als auch andererseits die neuartigen Bauformen der Sensoren selbst.
Ihr liegt der generelle Gedanke zu Grunde, die Sensorelemente in
ein Bauteil oder ein Maschinenelement zu integrieren, das in einer
technischen Anlage oder Maschine ohnehin notwendig ist, da es eine technische
Funktion übernimmt. Ziel war es somit beispielweise, dass
man zum Messen der gewünschten technischen Größe
kein separates Gehäuse für das Sensorelement benötigt,
das dann auch noch in die jeweilige Anlage oder Maschine integriert
werden muss, um die jeweilige Größe messen zu
können, sondern das Sensorelement direkt in ein in der
Anlage ohnehin vorhandenes Bauteil direkt zu integrieren. So wird
aus dem Bauteil ein Multifunktionsbauteil. Es übernimmt
zwei technische Funktionen indem es die mechanische Aufgabenstellung
innerhalb der Anlage erfüllt, und gleichzeitig noch eine
wichtige technischen Prozessgröße misst.
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Um
dieses Ziel zu erreichen war es notwendig, ein Verfahren zu entwickeln,
mit dem einstückige technische Bauteile oder auch Maschinenelemente hergestellt
werden können, die partiell mehrwandig oder aber auch partiell
sehr dünnwandig sind, bzw. die definierte Hohlräume
besitzen, oder die andere Teile entweder komplett oder auch nur
bereichsweise abdecken bzw. umschließen. Derartige Bauteile
lassen sich mit konventionellen Verfahren entweder überhaupt
nicht, oder aber nur aus mehreren Einzelteilen durch Anwendung der
für Metalle bekannten Fügeverfahren, wie zum Beispiel
durch Verschweißen, herstellen. Weiterhin musste dafür
ein Verfahren gefunden werden, mit dem temperaturempfindliche Teile
oder Systeme, zum Beispiel Sensoren, in metallische Bauteile eingegossen
werden können.
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Das
Verfahren sollte es unter anderem ermöglichen, Sensoren
so zu bauen, dass:
- 1. sie unempfindlicher gegenüber
einer möglichen Beschädigung sind,
- 2. der Einfluss von äußeren Störgrößen
verringert wird
- 3. das eigentliche Sensorelement direkt in ein ohnehin erforderliches
Bauteil integriert werden kann
- 4. damit keine komplizierten separaten Sensorgehäuse
gefertigt werden müssen
- 5. das eigentliche Sensorelement näher an die Stelle
positioniert werden kann, an der die technische Größe
gemessen werden soll
- 6. das fertige Bauteil gleichzeitig als Sensor fungieren kann
- 7. Störungen in technischen Prozessen durch den Einbau
von Sensoren verhindert werden.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
dass die selbsttragenden, einstückigen, metallischen Bauteile
stufenweise durch Galvanoformung hergestellt werden, wobei der Abscheidprozess
nach Erreichen einer bestimmten Schichtdicke unterbrochen wird,
und dass wenigstens auf einen Bereich des Bauteils bzw. der erzeugten
Schichtoberfläche etwas aufgetragen oder aufgebracht wird, was
als fester Bestandteil im oder auf dem Bauteil verbleibt. Besonders
vorteilhaft ist es, wenn das, was auf das halb fertige Bauteil aufgetragen
wird, zumindest bereichsweise die Oberfläche des Bauteils
formgenau abbildet, und wenn das dann im nachfolgenden neuerlichen
Abscheidprozess wieder mit einer weiteren Galvanoschicht zumindest
bereichsweise formgenau abgedeckt wird und als fester Bestandteil des
Bauteils verbleibt.
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Formgenau
heißt in diesem Zusammenhang, dass das Material, das im
neuerlichen Abscheidprozess abgeschieden wird, sich in idealer Weise
auf die jeweils vorhandene Oberfläche abscheidet. Dabei
werden auch kleinste Rauheiten in der Oberfläche exakt
nachgebildet, ohne dass in der Grenzfläche irgendwelche
Spalte oder Hohlräume entstehen. Besonders vorteilhaft
ist es, dass man mit dem stufenweisen Verfaren Bauteile mit einer
komplexen dreidimensionalen Geometrie erzeugen kann. Interessant
ist auch das Verfahren, bei dem auf eine erzeugte Oberfläche
des Bauteils etwas aufgetragen wird, was, nachdem es dann im nachfolgenden
neuerlichen Abscheidprozess mit einer weiteren Galvanoschicht formgenau
abgedeckt worden ist, wieder herausgeschmolzen wird, so dass im
hergestellten Bauteil ein Hohlraum mit einer genau definierten Geometrie
entsteht.
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Mit
dem Verfahren können Sensoren oder auch elektronische Baugruppen,
die keine hohen Temperaturen vertragen, wie zum Beispiel Dehnungsmessstreifen
oder Thermoelemente in ein metallisches Bauteil integriert werden,
indem Gegenstände bei Temperaturen von weniger als 50°C
zumindest partiell von einem metallischen Material, das einen Schmelzpunkt
von größer 50°C vorzugsweise jedoch größer
als 200°C besitzt, zumindest bereichsweise oder auch komplett
formgenau eingegossen bzw. ummantelt werden. In vielen Fällen
ist vorteilhaft, wenn auch die vom Sensorelement ausgehende Signalleitung
mindestens über eine bestimmte Länge vom homogenen,
einstückigen, metallischen Material umschlossen ist. Besonders
interessant ist, dass man mit dem Verfahren auch einstückige
metallische Bauteile, die zumindest bereichsweise Wanddicken von
kleiner 0,5 mm, vorzugsweise sogar kleiner als 0,1 mm besitzen,
herstellen kann. Das erfindungsgemäße Verfahren
ist auch geeignet um einstückige, metallische Bauteile
herzustellen, die ein Wanddickenverhältnis zwischen der
größten und der kleinsten Wanddicke von größer
5, vorzugsweise sogar größer 20, besitzen.
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Erfindungsgemäß lassen
sich auch einstückige, metallische Bauteile, die einen
mehrwandigen Bereich besitzen, der ringsum von einem einwandigen
Bereich umgeben ist, herstellen.
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Für
Anwendungen im höheren Temperaturbereich und in Gegenwart
von aggressiven Medien sollte das homogene, einstückige,
metallische Material, dass das Sensorelement formgenau umschließt, einen
Schmelzpunkt oberhalb 200°C besitzen und resistent gegen
Korrosion sein. Je nach Einsatzzweck des verwendeten Sensors kann
es von Vorteil sein, wenn die Sensoroberfläche und die
den Sensor umgebende homogene, einstückige, metallische Oberfläche
haftend miteinander verbunden sind, oder wenn die metallische Oberfläche
zusätzlich auch noch mit einem dritten Teil fest verbunden
ist.
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Die
Empfindlichkeit eines erfindungsgemäßen Sensors
kann zusätzlich verbessert werden, wenn das homogene, einstückige,
metallische, Material partiell mehrwandig ist. Bei Spezialsensoren kann
auch noch in das homogene, einstückige, metallische Material
oder in das Bauteil wenigstens eine Wand integriert sein, die aus
einem anderen Material besteht. Je nach Anwendung ist es vorteilhaft,
wenn diese Wand über ihren gesamten Umfang fest, das heißt
gas- und mediendicht mit dem homogenen, einstückigen, metallischen
Material verbunden ist. Nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren lassen sich besonders gut Sensoren herstellen, die bereichsweise eine
Wand mit einer geringen Dicke besitzen. Erfindungsgemäße
Sensoren können Wanddicken von kleiner gleich 0,5 mm vorzugsweise
sogar kleiner 0,1 mm aufweisen. Sie reagieren damit beispielsweise sehr
empfindlich auf geringste Druckänderungen. Erfindungsgemäße
Bauteile können auch einen Hohlraum aufweisen, der komplett
nach außen abgeschlossen ist. Dieser Hohlraum kann vollständig nach
außen abgeschlossen sein und teilweise oder auch vollständig
mit einer anderen Substanz gefüllt sein. Meist ist es vorteilhaft,
wenn eine den Hohlraum begrenzende Wand eine bewegliche Membran
ist.
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Besonders
störungsunanfällig sind Sensoren, bei denen das
homogene, einstückige, metallische Material die Geometrie
eines fertigen funktionstüchtigen Sensorgehäuses
besitzt. So können zum Messen des Drucks in einer Leitung
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte
einstückige Rohre mit zwei einwandigen Endbereichen verwendet
werden, bei denen zwischen den zwei einwandigen Rohrendbereichen
zumindest ein Wandbereich existiert, der bei einer Änderung
des im Rohr herrschenden Drucks membranartig beweglich ist.
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Membranartige
dünne Wände können innerhalb eines Bauteils
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt
werden, indem ein spezieller Oberflächenbereich des im
ersten Schritt erzeugten halb fertigen Bauteils nach Erreichen der
gewünschten Wanddicke abgedeckt wird und dann der Abschscheideprozess
fortgeführt wird. Behandelt man eine Oberfläche
im Mittenbereich des halb fertigen Bauteils so, dass die im neuerlichen
Abscheidprozess erzeugte Galvanoschicht diesen behandelten Oberflächenbereich
zwar formgenau abdeckt, dass sie aber keine Haftung mit der ersten
Schichtoberfläche eingeht, so erhält man einstückige,
metallische Bauteile, die einen mehrwandigen Bereich besitzen, der
ringsum von einem einwandigen Bereich umgeben ist. Die jeweiligen
Oberflächen der Einzelwände liegen dabei formgenau
aufeinander. Es gibt somit absolut keinen Spalt zwischen diesen
Oberflächen. Sie können sich allerdings relativ
zueinander bewegen, da sie nicht aneinander haften.
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Auf
diese Weise kann man in einem homogenen metallischen Bauteil an
Stellen, wo es benötigt wird, Wände erzeugen,
die als Membran wirken. Die Empfindlichkeit des membranartigen Bereichs
kann genau nach den jeweiligen Erfordernissen frei dimensioniert
werden. Als Freiheitsgrade stehen dem Ingenieur die Größe
des mehrwandigen Bereichs, die Anzahl der Einzelwände sowie
die Dicke der Einzelwand zur Verfügung. Zusätzlich
kann man die Beweglichkeit des membranartigen Bereichs noch verbessern,
wenn man dem erfindungsgemäß hergestellten einstückigen,
metallischen Bauteil im mehrwandigen Bereich eine die Verformung
fördernde dreidimensionale Geometrie gibt. Für
die Beweglichkeit der Membran ist es natürlich von besonderem Vorteil,
dass man die Wanddicken in dem einstückigen, metallischen
Bauteil kleiner als 0,5 mm, vorzugsweise sogar kleiner als 0,1 mm,
ausführen kann. Die Möglichkeiten der Anwendung
des erfindungsgemäßen Verfahrens werden auch dadurch
erweitert, dass man mit dem Verfahren Wanddickenverhältnisse
zwischen der größten und der kleinsten Wanddicke
erzeugen kann, die größer 5, vorzugsweise sogar
größer 20 sind. Für den membranartigen,
mehrwandigen Bereich ist es natürlich von Vorteil, wenn
er ringsum von einem einwandigen Bereich abgeschlossen werden kann,
was das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht.
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Vorteilhaft
ist das Verfahren auch dadurch, dass man im einstückigen,
metallischen Bauteil in einfacher Weise Hohlräume erzeugen
kann, indem man auf die Oberfläche etwas aufträgt,
was man, nachdem es im nachfolgenden Abscheidprozess abgedeckt worden
ist, wieder herausschmelzt. Dazu müssen nach dem Abdecken
nur zwei kleine Löcher gebohrt werden, durch die das Füllmaterial
wieder herausfließen kann. Die Bohrungen können
danach bei Bedarf wieder zugalvanisiert werden, so dass wirklich
ein abgeschlossener Hohlraum in dem einstückigen, metallischen
Bauteil realisiert werden kann. Besonders vorteilhaft ist das Verfahren
dadurch, dass man Gegenstände bei Temperaturen von weniger
als 50°C komplett von einem metallischen Material, das
einen Schmelzpunkt von oberhalb 50°C, vorzugsweise sogar
größer als 200°C besitzt, formgenau eingießen
bzw. ummanteln kann.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren kann somit beispielsweise
ein anderes Teil, vorzugsweise zum Beispiel ein Sensorelement, zur
Umwandlung einer technischen Größe in ein messtechnisch
auswertbares Signal, vollständig und formgenau von einem
homogenen, einstückigen, metallischen Material umschlossen
werden. Das homogene einstückige, metallische Material
kann dabei die Wand eines in einer Anlage oder in einer Maschine
befindlichen Bauteils sein. Soll zum Beispiel in einem Rohr die
Temperatur der Rohrinnenwand oder die des die Rohrleitung durchströmenden
Mediums gemessen werden, so kann man mit dem Verfahren das Sensorelement direkt
in die Wand des Rohres integrieren. Dazu wird erfindungsgemäß das
Thermoelement direkt unterhalb der Rohrinnenoberfläche
quasi in die Rohrwand eingegossen. Es ist dabei meist von Vorteil,
wenn zusätzlich auch die vom Sensorelement ausgehende Signalleitung
mindestens über eine bestimmte Länge vom homogenen,
einstückigen, metallischen Material umschlossen ist. An
der äußeren Oberfläche des Rohres sollte
dann vorteilhaft ein Stecker positioniert werden, über
den das Sensorelement mit der elektrischen Auswerteeinheit verbunden
werden kann. Die möglichen Einsatzgebiete für
derartige Sensoren werden deutlich erweitert, wenn das homogene,
einstückige, metallische Material einen Schmelzpunkt besitzt,
der wenigstens oberhalb 200°C, vorzugsweise sogar oberhalb
600°C liegt und wenn es zusätzlich resistent gegen
Korrosion ist.
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Für
die Druckermittlung kann es vorteilhaft sein, wenn die Sensoroberfläche
und die den Sensor umgebende homogene, einstückige, metallische Oberfläche
haftend miteinander verbunden sind. In anderen Anwendungsfällen
kann es aber auch vorteilhaft sein, wenn zwischen dem Sensorelement
und den Oberflächen der angrenzenden Wände keine Haftung
vorhanden ist. Zusätzlich ist es von Vorteil, wenn das
homogene, einstückige, metallische Material partiell mehrwandig
ist. Wird bei einer Rohrwand in einem bestimmten Bereich das Material
partiell mehrwandig ausgeführt und ein Dehnungsmessstreifen
haftend mit der Oberfläche einer Wand verbunden, so wird
das Rohrstück zum Drucksensor. Um eine gute Empfindlichkeit
des Sensors bezüglich kleiner Druckänderungen
zu erreichen, sollten die Dicken der Einzelwände möglichst
gering sein. Sie sollten je nach Anwendungsfall kleiner als 0,5
mm vorzugsweise sogar kleiner als 0,1 mm sein, damit sich die Wand
bei geringen Druckänderungen bereits bereichsweise messbar
in ihrer Position verschiebt. Um bezogen auf die Festigkeit des
Bauteils beziehungsweise der Gesamtwand keine Einbußen
hinnehmen zu müssen, sollten die Oberflächen der
einzelnen Wände bzw. Schichten in einem innigen Kontakt
miteinander stehen. Zwischen ihren einzelnen Oberflächen
darf demnach absolut kein Spalt vorhanden sein.
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Für
manche Sensoren kann es vorteilhaft sein, wenn das homogene, einstückige,
metallische Material wenigstens einen Hohlraum aufweist, der komplett
nach außen abgeschlossen ist. Für wieder andere
Sensoren kann es notwendig sein, dass der Hohlraum teilweise oder
vollständig mit einer anderen Substanz gefüllt
ist. Der Hohlraum kann dabei mit einem Gas, mit einer Flüssigkeit
oder auch mit einem Feststoff in kompakter oder auch pulvriger oder ähnlicher
Form gefüllt sein. Speziell für Druckmessungen ist
es günstig, wenn das den Sensor umgebende Material wenigstens
einen Hohlraum aufweist und wenn wenigstens eine den Hohlraum begrenzende
Wand als bewegliche Membran fungiert. Die Wanddicke der Membran
sollte auf den jeweils zu messenden Druck abgestimmt sein. Für
sehr genaue Sensoren sollte die Wanddicke dünn sein. Sie
sollte kleiner 1 mm, vorzugsweise sogar kleiner 0,1 mm sein. Für
Differenzdrucksensoren ist es vorteilhaft, wenn wenigstens ein Hohlraum
eine Verbindung zur umgebenden Atmosphäre besitzt.
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Besonders
interessant sind Sensoren, die direkt in ein funktionstüchtiges
Bauteil integriert sind. Dies ist dann der Fall, wenn das homogene,
einstückige, metallische Material die Geometrie eines fertigen
funktionstüchtigen Bauteils bzw. Maschinenteils besitzt,
wobei das komplette Sensorelement von der homogenen, einstückigen,
metallischen Bauteilwand umschlossen ist. Damit kann dann zum Beispiel
in einer Rohrleitung der Druck gemessen werden, ohne dass man ein
T-Stück in die Rohrleitung integrieren muss und ohne dass
man einen zusätzlichen Sensor anflanschen muss. Es lassen
sich aber auch in die Wand eines Gehäuses, das durchaus
auch eine komplexe dreidimensionale Geometrie besitzen kann, Temperatursensoren
oder Dehnungsmessstreifen integrieren, um beispielsweise die Temperatur
des Gehäuses selbst sowie den Druck innerhalb des Gehäuses
zu erfassen. Bei Gehäusen, die eine große Wanddicke
besitzen, kann es vorteilhaft sein, wenn die Gehäusewand
im Bereich des Drucksensors (Dehnungsmessstreifens) mehrwandig ausgeführt
ist, um eine messbare Verformung mit der Änderung des Drucks
zu erhalten. Speziell für Drucksensoren kann es vorteilhaft
sein, wenn das den Sensor umgebende homogene, einstückige,
metallische Material wenigstens einen Hohlraum aufweist, und wenn wenigstens
eine den Hohlraum begrenzende Wand als bewegliche Membran fungiert,
mit deren Oberfläche der Dehnungsmessstreifen fest haftend
verbunden ist.
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Weitere
Details ergeben sich aus den nachfolgenden Beschreibungen einzelner
Ausführungsformen sowie einzelner Anordnungen an Hand der Zeichnungen.
Es zeigen:
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1 eine stark vergrößerte
Schnittdarstellung durch eine metallische Wand mit einem erfindungsgemäß eingebetteten
Temperatursensor
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2 eine stark vergrößerte
Schnittdarstellung durch einen neuartigen Sensor, in den mehrere unterschiedliche
Sensorelemente integriert sind
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In
der Schnittdarstellung der 1 ist ein
erfindungsgemäßer Temperatursensor in einer stark vergrößerten
Form dargestellt. In der homogenen, einstückigen, metallischen
Wand 1 ist beispielsweise ein Pt100 oder ein einfaches
Nickel-Eisen Sensorelement 2 quasi fest eingegossen. Als
Wandmaterialien kommen vorzugsweise Metalle wie Aluminium, Nickel,
Kupfer, Chrom, Kobalt, Silber, Gold oder ähnliche in reiner
oder aber auch als Verbindung bzw. in legierter Form in Frage. Vom
Sensorelement führen die zwei Signalkabel 3, die
ebenfalls vollständig von dem homogenen, einstückigen,
metallischen Wandmaterial umschlossen sind, an die Oberfläche.
Damit durch den Kontakt des Sensorelements 2 mit dem metallischen
Wandmaterial 1 keine Fehlspannungen entstehen können,
ist das Sensorelement komplett mit einer dünnen elektrisch
isolierenden Schicht 4 überzogen. Im einfachsten
Fall kann dies ein Isolierlack sein.
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Die
im Schnitt dargestellte Wand 1 kann nun Teil einer Rohrleitung,
einer Welle, eines Gehäuses oder von etwas ähnlichem
sein, wobei die Bauteile eine komplexe dreidimensionale Geometrie
aufweisen können. Will man die Oberflächentemperatur
der Wand messen, so bietet es sich an, den Abstand d des Sensorelements 2 von
der zu messenden Wandoberfläche so klein wie möglich
zu machen. Besonders vorteilhaft sind Abstände d von 0,1
mm und kleiner. Die Gesamtwanddicke D der metallischen Wand 1 ist
prinzipiell frei wählbar, sie sollte aber vorzugsweise
wenigstens minimal größer sein als die Summe aus
dem Radius R des Sensorelements 2 und dem Abstand d, um
sicherzustellen, dass das Sensorelement 2 sich nicht aus
der Wand 1 herauslösen kann. Zur Messung des Temperaturprofils
in der Wand 1 können beliebig viele weitere Thermoelemente 2 in
beliebigem Abstand zu der Wandoberfläche in die Wand integriert
werden.
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Bei
dem in 2 im Schnitt dargestellten Sensor,
sind mehrere unterschiedliche Sensorelemente integriert. So ist
beispielsweise ein Dehnmessstreifen 5 in dem homogenen,
einstückigen, metallischen Material 1 eingebettet.
Er befindet sich zwischen zwei dünnen Wänden 6 und 7 des
homogenen, einstückigen, metallischen Materials 1.
Ober- und unterhalb der beiden Einzelwände 6 und 7 können
sich zum Beispiel zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit
des Sensors beliebig viele weitere Einzelwände befinden.
Die Wanddicken a bzw. b dieser Einzelwände können
entsprechend der jeweiligen Anwendung beliebig dimensioniert werden.
In aller Regel sollten sie kleiner 1 mm vorzugsweise kleiner 0,1
mm sein. Sie können natürlich auch jede beliebige
größere Dicke aufweisen. Sie müssen nicht zwangsweise
gerade sein, sondern können auch zur Erhöhung
der Beweglichkeit bzw. der Empfindlichkeit beispielsweise eine gewölbte
Form besitzen. Für manche Anwendungen ist es von Vorteil,
wenn einzelne Wände aus einer anderen Legierung als die des
umgebenden homogenen, einstückigen, metallischen Materials 1 bestehen,
wobei sie ringsum fest mit dem homogenen Material verbunden sind.
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Die
Signalleitung 3 des Dehnmessstreifens 5 ist wiederum
von dem homogenen Material 1 fest umschlossen, bis sie
an der Oberfläche des Bauteils 1 nach außen
tritt. Die Oberflächen der Wände 6 und 7 liegen
im Bereich der Grenzfläche 8 ohne jeden Spalt
absolut dicht aufeinander. Auch zwischen dem eingebetteten Dehnmessstreifen 5 und
dem umgebenden metallischen Material 1 gibt es an keiner
Stelle einen Hohlraum oder einen Spalt. Der Dehnmessstreifen 5 und
die Signalleitung 3 sind somit fest und formgenau in das
Material 1 eingegossen. Je nach Anwendung kann es vorteilhaft
sein, dass der Dehnmessstreifen 5 in den Grenzflächen 8 und 9 zum
Material 1 nicht mit den Oberflächen der sie umgebenden
metallischen Wände haftend verbunden ist, oder aber dass
er mit einer oder auch beiden Oberflächen des metallischen
Materials 1 fest haftend verbunden ist.
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Weiterhin
kann der Sensor einen Hohlraum 10 besitzen, der entweder
vollständig von dem Material 1 umschlossen ist
oder aber über eine Bohrung 11 eine Verbindung
zur Umgebung besitzt. Auf den sich gegenüberliegenden Oberflächen 12 des
Hohlraums 10 können sich beispielsweise Kondensator-Elektroden 12 befinden.
Der Hohlraum 10 wiederum kann zusätzlich mit einem
Gas, mit einer Flüssigkeit oder auch mit einem Feststoff,
z. B mit einem Pulver, gefüllt sein. Bei druckbedingten
Deformationen der Einzelwände 6 und 7 kann
dieser Bereich als kapazitiver Sensor wirken. Ähnlich wie
bei den Einzelwänden kann das Sensorelement natürlich
auch mehrere derartige Hohlräume 10 besitzen,
die entweder abgeschlossen sind oder aber auch mit der Umgebung
verbunden sein können.
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Darüber
hinaus kann auch noch ein Thermofühler 2, der
wie für die 1 beschrieben,
in dem Material eingebettet ist, in das Sensorelement nach 2 integriert sein. Die Kombination aus
Dehnmessstreifen 5 und kapazitivem Sensor 13 und
Thermofühler 2 in einem einzigen Sensorelement
ist geeignet, die Präzision der Messung gegenüber
konventionellen Sensoren, die nur nach einem oder zwei physikalischen
Prinzipien messen, weiter zu erhöhen. Der integrierte Thermosensor 2 kann
dabei eine eventuell vorhandene Temperaturdrift erfassen, um Temperatureinflüsse
im Sensorelement in der nachgeschalteten Sensorelektronik berücksichtigen
und damit auch eliminieren zu können.
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Prinzipiell
lassen sich fast alle bekannten physikalischen Wirkprinzipien in
derartigen Sensoren integrieren. Mit den Sensoren können
dann die bekannten technischen Größen wie beispielsweise Kraft,
Druck, Temperatur, Drehmoment usw. gemessen werden. Die in den 1 und 2 gezeichnete Wand
kann nun Bestandteil eines technischen Bauteils mit einer mehr oder
weniger komplexen Geometrie sein. Sie kann auch mit einem dritten
Teil 14 verbunden sein, indem die äußere
Oberfläche 15 des dritten Teils 14 wiederum
bereichsweise formgenau von dem Material 1 umschlossen
wird. Auf diese Weise kann man dann beispielsweise ein Rohr, eine
Welle oder auch ein Gehäuse mit einer möglichen
komplexen, dreidimensionalen Geometrie gleichzeitig mit einer Sensorfunktion
versehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005015691
A1 [0005]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Dubbel, Taschenbuch
für den Maschinenbau, 20. Auflage 2001, Springer Verlag
Berlin, Heidelberg, New York, Seite 84 bis S23 [0002]
- - H.-R. Tränkler, E. Obermeier: Sensortechnik; Handbuch
für Praxis und Wissenschaft, Springer Verlag 1998 [0005]