-
Stand der Technik
-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung eines Drucks. 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.
-
Aus der
DE 100 57 607 A1 ist ein faseroptischer Druckaufnehmer bekannt, bei dem eine Glasfaser an einen Sensorbereich herangeführt wird. In diesem Sensorbereich ist ein Membranbereich am Ende eines Mantels vorgesehen, welcher zum zu messenden Medium hindeutet. An den Membranbereich anliegend ist eine Hülse innerhalb des Mantels vorgesehen, in der ein längliches Reflexionselement in Längsrichtung bewegbar in der Hülse geführt wird. Die reflektierende Oberfläche des Reflexionselements
115 ist dabei vom Ende der Glasfaser durch einen Spalt innerhalb der Hülse beabstandet. Durch eine Durchbiegung des Membranbereichs erfolgt eine Veränderung des Abstands zwischen Glasfaserende und reflektierender Oberfläche, so dass ein in der Glasfaser geführter Lichtstrahl entsprechend der Durchbiegung reflektiert wird. Durch die Erfassung des reflektierten Lichtstrahls kann auf den Druck und/oder die Temperatur des Mediums geschlossen werden.
-
Aus der
DE 40 18 998 A1 ist ebenfalls ein faseroptischer Drucksensor bekannt, der in einem Gehäuse untergebracht ist. An der Stirnseite des Gehäuses ist eine Hubbewegung ausführende Membran vorgesehen, die auf der Membraninnenseite eine hochreflektierende Verspiegelung aufweist. Auf diese Verspiegelung ist räumlich in einem Innenraum des Gehäuses die Stirnfläche eines ebenfalls im Gehäuse untergebrachten Lichtwellenleiters ausgerichtet. Dabei ist die Stirnseite teilreflektierend ausgestaltet, so dass die von der Verspiegelung und der Teilreflektion zurückgeworfenen Lichtstrahlen einen Fabry-Perot-Resonator ausbilden.
-
Vorteile der Erfindung
-
Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat 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.
-
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der angegebenen Vorrichtung ausgeführt. Besonders vorteilhaft ist, dass die Vorrichtung ein Zwischenelement und ein Gehäuseelement umfasst, wobei die Membran an dem Gehäuseelement fixiert ist, wobei das Zwischenelement mit dem Gehäuseelement verbunden ist und wobei die Glasfaser relativ zu dem Zwischenelement fixiert 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, vorhanden 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 insbesondere durch die Ausbildung des Halteelements in Form eines Glasrohres möglich. Weiterhin ist vorteilhaft, dass hinsichtlich des ersten Abstandes als Strecke für die temperaturinduzierte Längenausdehnung für das Zwischenelement eine erste Strecke, für die Glasfaser oder das Halteelement eine zweite 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 realisiert 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 zu verwirklichen. Weiterhin ist von Vorteil, dass das Gehäuseelement als Metallrohr ausgebildet ist. Dadurch ist es einfach und kostengünstig möglich, ein sehr temperaturfestes Gehäuse für die erfindungsgemäße Vorrichtung zu realisieren. Weiterhin ist von Vorteil, dass das Zwischenelement Federelemente aufweist. Dadurch ist es 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 vorhanden 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 vorhanden ist.
-
Zeichnung
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
-
1 die prinzipielle Anordnung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Sensorelement.
-
2 eine Veranschaulichung der Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Drucksensor und
-
3 eine detaillierte Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
-
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
-
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.
-
In 2 ist das Messprinzip der erfindungsgemäßen Vorrichtung 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.
-
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 α120 bezeichnet wird und wenn der erste Wert, d. h. der Wert des Temperaturausdehnungskoeffizienten des Materials des Zwischenelementes 30 mit α110 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.
-
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 ppm/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.
-
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 Vorrichtungentsprechend der zweiten Strecke bzw. entsprechend der ersten Strecke so ansgeordnet, 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.
