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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer
Vorrichtung zur Messung eines Drucks und einem Drucksensor nach
der Gattung der nebengeordneten Ansprüche. Es sind derzeit Drucksensoren
bzw. Kraftsensoren bekannt, bei denen der Druck im Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine
permanent gemessen wird. Bei jedem Start der Verbrennungskraftmaschine
wird der Sensor von der Umgebungstemperatur auf ca. 600°C an der
Spitze aufgeheizt. Hieraus ergibt sich, dass die Aufbau- und Verbindungstechnik während der
Lebensdauer der Verbrennungskraftmaschine und des Sensors mehr als
30.000 schnelle Temperaturwechsel aushalten muss. Herkömmliche bekannte
Sensoren sind hinsichtlich ihrer Aufbau- und Verbindungstechnik
hierzu nur schlecht angepasst.
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Vorteile der
Erfindung
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung und der erfindungsgemäße Drucksensor
mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche haben demgegenüber den
Vorteil, dass thermisch oder mechanisch induzierter Stress weitgehend
von den Glasfasern ferngehalten wird und trotzdem eine mechanische Temperaturkompensation
des Abstandes des Glasfaserendes zur Membran möglich ist.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den
nebengeordneten Ansprüchen
angegebenen Vorrichtung und des Drucksensors möglich. Besonders vorteilhaft
ist, dass die Vorrichtung ein Zwischenelement und ein Gehäuseelement
umfasst, wobei die Membran an dem Gehäuseelement fixiert vorgesehen
ist, wobei das Zwischenelement mit dem Gehäuseelement verbunden vorgesehen
ist und wobei die Glasfaser relativ zu dem Zwischenelement fixiert
vorgesehen ist. Hierdurch ist es möglich, das Zwischenelement
zu einer mechanischen Temperaturkompensation der Abstände einzusetzen.
Weiterhin ist von Vorteil, dass zur Fixierung der Glasfaser an dem
Zwischenelement ein Halteelement, insbesondere in Form eines Glasrohres,
vorgesehen ist. Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, dass das Halteelement
keinen weiteren mechanischen Stress auf die Glasfaser ausübt. Besonders
vorteilhaft ist, wenn hierzu das Halteelement den gleichen thermischen
Ausdehnungskoeffizient wie die Glasfaser aufweist. Dies ist erfindungsgemäß insbesondere
durch die Vorsehung des Halteelements in Form eines Glasrohres vorteilhaft
möglich. Weiterhin
ist vorteilhaft, dass hinsichtlich des ersten Abstandes als Strecke
für die
temperaturinduzierte Längenausdehnung
für die
Glasfaser oder das Halteelement eine zweite Strecke, für das Zwischenelement
eine erste Strecke und für
das Gehäuseelement eine
dritte Strecke vorgesehen ist. Hierdurch ist es möglich, dass
die mechanische Temperaturkompensation exakt durchgeführt wird
und auf den Einzelfall, beispielsweise eine bestimmte Sensorausführung, zugeschnitten
sein kann. Weiterhin ist von Vorteil, dass als Temperaturausdehnungskoeffizient
für die Glasfaser
oder das Halteelement ein zweiter Wert, für das Zwischenelement ein erster
Wert und für
das Gehäuseelement
ein dritter Wert vorgesehen ist, wobei der dritte Wert oberhalb
des zweiten Wertes liegt und wobei der erste Wert oberhalb des dritten
Wertes liegt. Dadurch ist es möglich,
durch die einfache Wahl der Materialien für die Glasfaser bzw. das Halteelement,
für das
Zwischenelement und für
das Gehäuseelement
eine einfache, robuste und mechanische Temperaturkompensation vorzusehen.
Weiterhin ist von Vorteil, dass das Gehäuseelement als Metallrohr vorgesehen
ist. Dadurch ist es einfach und kostengünstig möglich, ein sehr temperaturfestes
Gehäuse für die erfindungsgemäße Vorrichtung
vorzusehen. Weiterhin ist von Vorteil, dass das Zwischenelement Federelemente
aufweist. Dadurch ist es erfindungsgemäß möglich, dass auch Längenänderungen,
die temperaturinduziert sind, in radialer Richtung ausgeglichen
werden. Weiterhin ist von Vorteil, dass das Halteelement entlang
der Glasfaser einen ersten Bereich aufweist, in dem ein Kontakt
zur Glasfaser vorgesehen ist und dass das Halteelement einen zweiten
Bereich aufweist, in dem kein Kontakt zur Glasfaser vorgesehen ist.
Weiterhin ist es vorteilhaft, dass die Federelemente das Halteelement
in seinem zweiten Bereich fixieren. Dadurch ist es möglich, dass
in dem Glasrohr bzw. in dem Halteelement ein Stresspuffer vorgesehen
ist.
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Zeichnung
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert. Es
zeigen
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1 die
prinzipielle Anordnung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Sensorelement,
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2 eine
Veranschaulichung der Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung
als Drucksensor und
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3 eine
detaillierte Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist
eine erfindungsgemäße Vorrichtung
mit einem Sensorelement dargestellt. Die Vorrichtung umfasst eine
Membran 20, die an einem Gehäuseelement 50 befestigt
vorgesehen ist. Die Membran 20 und das Gehäuseelement 50 sind
insbesondere aus Metallmaterial vorgesehen, wobei das Gehäuseelement 50 insbesondere
als Metallrohr vorgesehen ist. Mit dem Gehäuseelement 50 ist
ein Zwischenelement 30 verbunden, welches ein Halteelement 15 trägt. Das
Halteelement ist mit einer Glasfaser 12 verbunden, wobei
das Halteelement 15 die Glasfaser 12 insbesondere
so fixiert, dass ein Ende der Glasfaser 12 gegenüber der
Innenseite der Membran 20 arretiert ist. Am anderen Ende
der Glasfaser 12 befindet sich das Sensorelement 10.
Hierdurch ist es möglich,
dass das Sensorelement 10 vergleichsweise weit vom Bereich
der Membran 20 entfernt vorgesehen ist und so nicht den
extremen Temperaturänderungen
ausgesetzt ist.
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In 2 ist
das Messprinzip der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Drucksensors
dargestellt. Die Membran 20 definiert eine Messfläche, auf
welche eine Druckkraft wirken kann. Die Größe der Messfläche, d.
h. die Größe der Membran 20,
ist zusammen mit einer bestimmten Druckkraft in einen bestimmten
außerhalb,
d. h. auf der einen Seite der Membran 20, wirkenden Druck umsetzbar.
Auf der anderen Seite der Membran 20 ist die Glasfaser 12 vorgesehen,
welche erfindungsgemäß beispielsweise
als eine erste Glasfaser 13 und eine zweite Glasfaser 14 vorgesehen
ist. Gemeinsam wird die erste Glasfaser 13 und die zweite
Glasfaser 14 auch als Glasfaser 12 bezeichnet.
Ein Lichtstrahl bzw. ein Lichtbündel,
der bzw. das aus der ersten Glasfaser 13 austritt und in 2 mit dem Bezugszeichen 139 versehen
ist, wird im Ruhezustand der Membran 20, d h. ohne die
Einwirkung einer Druckkraft auf die Membran 20, von der
Membran 20 reflektiert und, zumindest teilweise, als ein
mit dem Bezugszeichen 140 versehener rückläufiger Strahl in die zweite
Glasfaser 14 reflektiert. Durch die mit einer gestrichelten
Linie 21 versehene andere Position der Membran 20,
welche die Membran 20 einnimmt, wenn eine bestimmte Druckkraft 19 auf
die Membran wirkt, verändern
sich die Reflektionsverhältnisse
der Lichtstrahlen 139, 140. Dadurch ist eine Veränderung der
Lichtintensität
in der Glasfaser 12 möglich.
Die Druckkraft 19 ist in 2 mit
einem gestrichelt gezeichneten Pfeil in Richtung auf die Außenseite
der Membran 20 dargestellt. Der Ein- und Austritt der Lichtstrahlen 139, 140 ist
am ersten Ende der Glasfaser vorgesehen, welche sich gegenüber der
Membran 20 befindet, und mit dem Bezugszeichen 122 versehen.
Am anderen bzw. am zweiten Ende der Glasfaser 12, welches
mit dem Bezugszeichen 123 versehen ist, befindet sich das
Messelement 10, welches die infolge der verformten Membran 20 veränderte Lichtintensität in der
Glasfaser 12 misst bzw. aufnimmt.
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In 3 ist
eine detaillierte Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt.
Im rechten Teil der 3 ist
ein Längsschnitt
durch die Mitte der erfindungsgemäß insbesondere weitgehend rotationssymmetrisch
vorgesehenen Vorrichtung dargestellt. Auf der linken Seite der 3 ist ein Querschnitt entlang
der Schnittlinie A-A aus dem rechten Teil der 3 dargestellt. Die Vorrichtung weist
die Membran 20 auf, welche mittels einer dichten Schweißnaht 22 mit
dem Gehäuseelement 50 verbunden
ist. Hierdurch ist es möglich,
eine besonders widerstandsfähige
Verbindung zwischen dem Gehäuseelement 50 und
der Membran 20 vorzusehen. Im Inneren des Gehäuseelements 50 ist
die Glasfaser 12 vorgesehen, wobei erfindungsgemäß bei unbelasteter
Vorrichtung durch einen äußeren Druck auf
die Membran 20 sich ein erster Abstand 200 zwischen
dem gegenüber
der Membran 20 befindlichen ersten Ende 122 der
Glasfaser 12 und der Innenseite der Membran 20 einstellt.
Die Glasfaser 12, welche insbesondere aus der ersten Glasfaser 13 und
der zweiten Glasfaser 14 besteht, ist mittels eines Halteelements 15,
welches erfindungsgemäß insbesondere
als Glasrohr 15 vorgesehen ist, mit einem Zwischenelement 30 verbunden,
welches seinerseits mit dem Gehäuseelement 50 verbunden
ist. Das Zwischenelement 30 ist in einem mit dem Bezugszeichen 100 versehenen
Abstand mittels einer Schweißnaht
bzw. eines Schweißpunktes,
welcher in 3 mit dem
Bezugszeichen 52 versehen ist, mit dem Gehäuseelement 50 verbunden.
Erfindungsgemäß ist es
selbstverständlich
möglich,
eine andere Verbindungstechnik zwischen dem Gehäuseelement 50 und
dem Zwischenelement 30 vorzusehen. Jedoch ist eine Schweißung erfindungsgemäß besonders
vorteilhaft, um eine dauerhafte und widerstandsfähige Verbindung zwischen dem
Gehäuseelement 50 und
dem Zwischenelement 30 vorzusehen. Der mit dem Bezugszeichen 100 versehene
Abstand wird im Folgenden auch als dritte Strecke 100 bezeichnet. Eine
Ausdehnung des Gehäuseelementes 50,
die insbesondere durch eine temperaturinduzierte Längenausdehnung
hervorgerufen wird, vergrößert die dritte
Strecke 100 gemäß dem linearen
Temperaturausdehnungskoeffizienten des Materials des Gehäuseelements 50,
wobei der Wert des Temperaturausdehnungskoeffizienten des Gehäuseelements 50 als dritter
Wert bezeichnet wird. Das Zwischenelement 30 und das Halteelement 15 sind
letztlich mit dem Gehäuseelement 50 im
Abstand der dritten Strecke 100 von der Innenseite der
Membran 20 verbunden. Daher vergrößert eine Temperaturausdehnung
des Gehäuseelements 50 über die
dritte Strecke 100 den ersten Abstand 200 zwischen
der Innenseite der Membran 20 und der Glasfaser 12.
Das Zwischenelement 30 ist ausgehend von der Schweißstelle 52 in Richtung
der Membran 20 im Abstand einer sogenannten ersten Strecke,
die mit dem Bezugszeichen 110 versehen ist, mit dem Halteelement 15 verbunden.
Hierdurch wirkt eine temperaturinduzierte Längenausdehnung des Zwischenelementes 30 der
Vergrößerung des
ersten Abstandes 200 durch die Längenausdehnung der dritten
Strecke 100 entgegen. Weiterhin ist ausgehend von der Verbindung
des Zwischenelementes 30 mit dem Halteelement 15 in
Richtung zur Membran 20 hin ein Abstand bis zum ersten Ende 122 der
Glasfaser 12 vorgesehen, welcher mit dem Bezugszeichen 120 versehen
und als zweite Strecke 120 bezeichnet ist. Eine temperaturinduzierte
Ausdehnung des Halteelementes 15 über die zweite Strecke 120 wirkt
ebenfalls der temperaturinduzierte Längenänderung der dritten Strecke 100 entgegen.
Durch entsprechende Wahl der Materialien des Gehäuseelementes 50 für die Längenausdehnung
der dritten Strecke 100, des Zwischenelementes 30 für die Längenausdehnung
der ersten Strecke 110 und des Halteelementes 15 für die Längenausdehnung
der zweiten Strecke 120 ist es daher möglich, eine mechanische Temperaturkompensation des
ersten Abstandes 200 von der Innenseite der Membran 20 zum
Ende der Glasfaser 12 vorzusehen. Hierzu ist es erforderlich,
dass der Temperaturausdehnungskoeffizient des Materials des Gehäuseelements 50,
welcher insbesondere auch als dritter Wert bezeichnet wird, multipliziert
mit der Länge
der dritten Strecke 100, gleich ist der Summe der jeweiligen
Produkte aus Temperaturausdehnungskoeffizient und Streckenlänge der
ersten Strecke 110 und der zweiten Strecke 120.
Wenn der dritte Wert, d. h, der Wert des Temperaturkoeffizienten
des Gehäuseelementes 50,
mit α100 bezeichnet wird und der zweite Wert,
d. h. der Wert des Temperaturausdehnungskoeffizienten des Materials
des Halteelements 15 mit α200 bezeichnet
wird und wenn der erste Wert, d. h. der Wert des Temperaturausdehnungskoeffizienten
des Materials des Zwischenelementes 30 mit α100 bezeichnet
wird und wenn zusätzlich
die Länge der
dritten Strecke 100 mit x100, die
Länge der
zweiten Strecke 120 mit x120 und
die Länge
der ersten Strecke 110 mit x110 bezeichnet
wird, dann ist es erfindungsgemäß für eine mechanische
Temperaturkompensation des ersten Abstandes 200 insbesondere
vorgesehen, dass folgende Gleichungen gelten:
Für eine bestimmte
Referenztemperatur sollen die Längen
sich ausgleichen x100 =
x200 + x120 + x110 und pro Kelvin einer Temperaturerhöhung sollen
sich die temperaturinduzierten
Längenausdehnungen der ersten,
zweiten und dritten Strecke 110, 120, 100 ausgleichen α100·x100 = α120·x120 + α110·x110
Hierbei bezeichnet x200 die Länge
des ersten Abstandes 200.
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Die Glasfasern 13, 14,
welche die Glasfaser 12 bilden, sind insbesondere aus Glas
vorgesehen und weisen einen Temperaturausdehnungskoeffizienten von
etwa 0,6·10-6/K oder 0,6 ppm/K auf. Die Glasfaser 12 ist
in dem Halteelement 15 gehalten, welches insbesondere als
Glasrohr 15 vorgesehen ist. Damit weist auch das Halteelement 15 insbesondere
einen an Glas angepassten Temperaturausdehnungskoeffizienten auf.
Das Glasrohr 15 ist insbesondere mittels einer Glasverbindungsschicht
oder mit einer Klebeschicht mit der Glasfaser 12 verbunden.
Erfindungsgemäß kann das
Halteelement 15 auch mittels eines Metallrohres vorgesehen
sein. Alle Materialien sind erfindungsgemäß in ihren Temperaturausdehnungskoeffizienten
möglichst
genau angepasst, um Temperaturspannungen im Verbindungsbereich zu
vermeiden. Dies ist hinsichtlich der Verbindung zwischen der Glasfaser 12 und
dem Halteelement 15 insbesondere dann gut möglich, wenn
das Halteelement 15 als ein Glasrohr vorgesehen ist. Für die Membran 20 und
das Gehäuseelement 50 müssen hitzebeständige Metalle
verwendet werden, die typischerweise einen Temperaturausdehnungskoeffizienten
von ca. 11·10-6/K oder 11 ppmn/K haben. Der Unterschied
der Temperaturausdehnungskoeffizienten zwischen Glas und Metall
wird durch das Zwischenelement 30 kompensiert. Hierzu weist
das Zwischenelement 30 einen Temperaturausdehnungskoeffizienten
auf, welcher eine Kompensation der temperaturinduzierten Ausdehnung
auf der zweiten Strecke 120 und der dritten Strecke 100 vorsieht.
Die Verbindungsstelle bzw. die Verbindungsfläche zwischen der Glasfaser
12 und
dem Halteelement 15 ist in 3 mit
dem Bezugszeichen 150 bezeichnet. Der Bereich der Verbindung
zwischen dem Halteelement 15 und der Glasfaser 12 wird
im Folgenden auch als erster Bereich des Halteelementes 15 bezeichnet und
ist in 3 mit dem Bezugszeichen 153 bezeichnet.
Ein zweiter Bereich des Halteelementes 15 ist in 3 mit dem Bezugszeichen 154 bezeichnet.
Im zweiten Bereich 154 des Halteelementes 15 weist das
Halteelement 15 keinen Kontakt zur Glasfaser 12 auf.
Das Zwischenelement 30 ist erfindungsgemäß im zweiten
Bereich 154 des Halteelementes 15 mit diesem verbunden.
Für die
Verbindung zwischen dem Zwischenelement 30 und dem Halteelement 15 ist
erfindungsgemäß insbesondere
metallisches Lot oder ein Glaslot oder auch ein Kleber vorgesehen, wobei
diese Verbindung in 3 mit
dem Bezugszeichen 32 bezeichnet ist. Die Verbindung zwischen
der Glasfaser 12 und dem Halteelement 15 ist in 3 mit dem Bezugszeichen 150 versehen
und erfindungsgemäß insbesondere
mittels eines Glaslotes oder eines Kapillarklebers vorgesehen. Durch
die Verbindung des Zwischenelements 30 mit dem Halteelement 15 im
zweiten Bereich 154 des Halteelements 15 ist es
erfindungsgemäß insbesondere
vorgesehen, eine vierte Strecke 130 zwischen dem Ende des
Verbindungsbereichs 32 zwischen dem Zwischenelement 30 und
dem Halteelement 15 und dem Beginn der Verbindung 150 zwischen
dem Halteelement 15 und der Glasfaser 12 vorzusehen.
Hierdurch entsteht über
die vierte Strecke 130 ein Stresspuffer in dem Glasrohr 15.
Hierdurch wird ein Teil des mechanischen Stresses, welcher durch
die Halterung der Glasfaser 12 hervorgerufen wird, nicht
in die Glasfaser 12 eingebracht, sondern in das Halteelement 15.
Dies verbessert die optischen Eigenschaften der Glasfaser 12,
wodurch die Druckmessung besser möglich ist.
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Das Zwischenelement 30 weist
in einem in 3 mit dem
Bezugszeichen 31 versehenen Bereich, der den gesamten Verbindungsbereich
zum Halteelement 15 umfasst, Längsschlitze auf, die im linken
Teil der 3 mit dem Bezugszeichen 152 bezeichnet
sind. Hierdurch ergibt sich in der Querschnittsdarstellung entlang
der Schnittlinie A-A ein scheibensektorartiger Querschnitt der Federelemente 31,
wobei die Federelemente 31 zum Halteelement 15 hin
lediglich eine Verbindungsfläche
aufweisen, die am Umfang des Halteelementes 15 aufgeteilt
ist. Ein Teil der Verbindungsfläche
zwischen dem Zwischenelement 30 bzw. dem Federelement 31 und dem
Halteelement 15 ist im linken Teil der 3 mit dem Bezugszeichen 151 bezeichnet.
Dadurch ergeben die Längsschlitze 152 des
Verbindungselements 30 im Bereich der Verbindung zum Glasrohr 15 die Federelemente 31,
wodurch sich die Verbindungsfläche
zwischen den Federelementen 31 und dem Halteelement 15 am
Umfang des Halteelements 15 aufteilt, sodass einzelne kleine
Flächen
entstehen, die aufgrund ihrer minimalen Ausdehnung auch minimalen
mechanischen Stress im Glasrohr 15 bzw. dann in der Glasfaser 12 verursachen.
Durch die Schlitze 152 entstehen außerdem die Federelemente 31 bzw. die
federnden Elemente 31 am Umfang des Halteelements 15,
welche den thermischen Stress zwischen dem Glasrohr 15 und
dem Gehäuseelement 50 durch elastische
Verformung ausgleichen. Hierbei ist insbesondere an den thermischen
Stress durch eine Ausdehnung in radialer Richtung der Vorrichtung
gedacht. Der Ausdehnungskoeffizient des Zwischenelementes 30,
der auch als erster Wert bezeichnet wird und der auch dem Temperaturausdehnungskoeffizient
des Federelements 31 entspricht, liegt erfindungsgemäß insbesondere
oberhalb des dritten Wertes, d. h. dem Temperaturausdehnungskoeffizienten
des Gehäuseelements 50.
Hierzu ist es erfindungsgemäß vorgesehen,
das Zwischenelement 30 aus einer Metalllegierung vorzusehen,
welche einen Temperaturausdehnungskoeffizienten von beispielsweise > 11 ppm/K aufweist.
Die Verbindungen zwischen dem Glasrohr 15 und dem Zwischenelement 30 bzw.
den Federelementen 31 und die Verbindungen zwischen dem
Zwischenelement 30 und dem Gehäuseelement 50 sind
auf der Längsachse
des Sensors bzw. auf der Längsachse
der Vorrichtung entsprechend der zweiten Strecke bzw. entsprechend
der ersten Strecke so angeordnet, dass sie gegenüber der Länge der dritten Strecke 100 unter
Berücksichtigung
ihrer Materialien eine Temperaturausdehnung aufweisen, die eine
mechanische Temperaturkompensation des ersten Abstandes 200 der Glasfaser 12 zur
Membran 20 hin bewirkt. Durch den erfindungsgemäßen Aufbau
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist es möglich,
eine Vorrichtung bzw. einen Drucksensor vorzusehen, der thermisch
oder mechanisch induzierten Stress weitgehend von den Glasfasern 12, 13, 14 fernhält und trotzdem
eine mechanische Temperaturkompensation des ersten Abstandes 200 der
Glasfaserenden zur Membran 20 erlaubt. Das erste Ende 122 der
Glasfaser 12 weist eine Fläche auf, die erfindungsgemäß insbesondere poliert
vorgesehen ist. Diese Fläche,
die insbesondere dem Einkoppeln und Auskoppeln der Lichtstrahlen 139, 140 bzw.
der Lichtbündel
dient, ist in 3 mit dem
Bezugszeichen 16 versehen. Es ist insbesondere vorgesehen,
dass auch das am ersten Ende 122 der Glasfaser 12 befindliche
Ende des Halteelements 15 eine polierte Fläche entsprechend
der polierten Fläche 16 der
Glasfaser 12 aufweist.