DE10337966A1

DE10337966A1 - Drucksensor

Info

Publication number: DE10337966A1
Application number: DE2003137966
Authority: DE
Inventors: Erhard Giese
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-08-19
Filing date: 2003-08-19
Publication date: 2005-04-07
Anticipated expiration: 2023-08-20
Also published as: DE10337966B4

Abstract

Faseroptischer Drucksensor, mit einem eine Glasfaser aufnehmenden Sensorgrundkörper (43) und einer von dem Sensorgrundkörper (43) getragenen, auf der Innenseite mit einer das Licht der Glasfaser reflektierenden Reflexionsschicht versehenen federelastischen Membran (44), dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (44) aus einer Metalllegierung, gewählt aus der Gruppe der Platinmetalle, Titan, Nickel und Silizium, gefertigt ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen faseroptischer Drucksensor, bestehend aus einem eine Glasfaser aufnehmenden Sensorgrundkörper und einer von dem Sensorgrundkörper getragenen, auf der Innenseite mit einer das Licht der Glasfaser reflektierenden Reflexionsschicht versehenen, federelastischen Membran.

Derartige Drucksensoren, bei denen sich der Abstand zwischen dem Ende der Glasfaser und der das Licht reflektierenden Membran gebildete Messspalt in Abhängigkeit von dem auf die Außenseite der Membran wirkenden Druck ändert, werden häufig unter Bedingungen eingesetzt, bei denen das Medium, dessen Druck gemessen werden soll, sehr heiß und mit Verbrennungsrückständen belastet ist, besondere Probleme stellen sich bei der Messung des Drucks in den Zylindern einer Verbrennungskraftmaschine aufgrund des sogenannten Flammschocks.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drucksensor zu schaffen, der den besonderen Anforderungen, die sich bei besonders hohen Temperaturen des Mediums, dessen Druck zu messen ist, geeignet ist.

Erfindungsgemäß wird dieses Aufgabe dadurch gelöst, dass die Membran aus einer Edelmetalllegierung, vorzugsweise einer Legierung aus Metallen der Gruppe der Platinelemente, einer Titanlegierung. Nickellegierung oder Silizium gefertigt ist, wobei die Platinlegierung bevorzugt Platin-Rhodium, Platin-Iridium oder Platin-Gallium ist und die Reflexionsschicht bevorzugt aus Platin besteht.

Die Membran kann auf ihrer Innenseite spiegelnd poliert und mit einer temperaturfesten, inerten, optisch transparenten Schutzschicht überzogen sein, wobei die Schutzschicht vorzugsweise aus SiO₂ oder Al₂O₃ besteht.

Auf die Innenseite der Membran kann aber auch ein temperaturfester Metallspiegel aufgebondet oder in einem Hochvakuumbeschichtungsprozess als Dünnschicht abgeschieden sein, vorzugsweise besteht dieser Metallspiegel aus Platin.

Die Membran kann aus in einem Umformvorgang aus einem Blech mit gerundetem Übergang zwischen der Membranfrontfläche zu dem die Verbindung mit dem Sensorgrundköroper herstellenden zylindrischen Rand hergestellt sein, wobei die Membran vorzugsweise mit einem über die Membranfrontfläche vorstehenden Wulst ausgebildet ist.

Die Membranfrontfläche kann nach Innen eingezogen sein, sie ist vorzugsweise konkav gekrümmt ausgebildet.

Die Außenseite der Membran sollte mit einem Edelmetall, vorzugsweise Platin, beschichtet sein.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Außenseite der Membran mit einem Material beschichtet, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient geringer ist als der des Materials der Membran. Die Beschichtung der Außenseite der Membran sollte aus einem Wärmestrahlung gut reflektierendem Material, vorzugsweise Gold, bestehen. Andererseits kommt Platin aufgrund seiner eine Selbstreinigung bewirkenden katalytischen Eigenschaften in Betracht. Als besonders geeignet stellt sich daher eine Gold/Platin-Legierung dar.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer Zeichnung erläutert. Dabei zeigt:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Schnittansicht,
2 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Schnittansicht,
3 ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Schnittansicht, und
4 ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Schnittansicht.
1 zeigt einen zylindrischen faseroptischen Drucksensor, bei dem die Durchbiegung der Membran berührungslos optisch gemessen wird. Die topfartig ausgebildete Membran 44 wird z. B. durch Schweißen oder Löten mit dem äußeren Ende des Sensorgrundkörpers 43 verbunden.
Dabei besteht die Membran aus einer Platinlegierung, vorzugsweise Platin-Rhodium, Platin-Iridium oder Platin-Gallium, einer Titanlegierung, einer Nickellegierung oder aus Silizium, wodurch sie den Belastungen, die sich aus der Beaufschlagung mit heißen Gasen ergeben, widerstehen kann. Durch die Verwendung eines Elements der dritten Hauptgruppe des Periodensystems (Bor, Aluminium, Gallium, Indium, Thallium) wird das sonst duktile Platin federelastisch.
Die dem Ende der – nicht gezeigten – Faser zugewandte, das aus dieser austretende Licht wieder in diese reflektierende Innenseite besteht bevorzugt aus Platin, sie kann auf ihrer Innenseite spiegelnd poliert und mit einer temperaturfesten, inerten, optisch transparenten Schutzschicht, vorzugsweise aus SiO₂ oder Al₂O₃, überzogen sein.
Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist auf die Innenseite der Membran 44 ein – vorzugsweise aus Platin bestehender – Metallspiegel 78 aufgebondet.
Die Membran ist dabei aus in einem Umformvorgang aus einem Blech mit gerundetem Übergang zwischen der Membranfrontfläche zu dem die Verbindung mit dem Sensorgrundkörper herstellenden zylindrischen Rand hergestellt, in den 2, 3 und 4 mit einem über die Membranfrontfläche 74, 76 vorstehenden Wulst 72 ausgebildet. Dabei ist die sonst ebene Membranfrontfläche 74 in dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel nach Innen eingezogen, bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel konkav gekrümmt ausgebildet. Formgebung und Beschichtung dienen der Minimierung des Flammschocks. der eine Membranauslenkung bei konstant bleibendem Druck verursacht und damit dem Drucksignal bei schnellen Temperaturänderungen (beispielsweise verursacht durch einen Flammschock) als Fehlersignal untrennbar überlagert ist..
Die Beschichtung der Außenseite der Membran 44 sollte aus einem Wärmestrahlung gut reflektierendem Material bestehen, insbesondere kommt dabei Gold in Betracht. Anderseits sollte das Material eine selbstreinigende Wirkung haben, so dass Platin aufgrund seines katalytischen Effekts in Betracht kommt. Ganz besonders bevorzugt ist eine Gold/Platin-Legierung, die beide Eigenschaften miteinander verbindet.
Die Außenseite der Membran 44 ist bevorzugt mit einem Material beschichtet, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient geringer als der des Materials der Membran 44 ist, wobei die Beschichtung relativ dünn auszubilden ist.
Die Außenseite der Membran 44 kann außen mit zwei oder mehren Schichten belegt sein. Die erste Schicht ist dabei relativ dick, aber federelastisch und hat einen geringe ren Ausdehnungskoeffizienten als das Membrangrundmaterial. Die außen liegende Schicht kann (und soll) möglichst dünn ausgebildet sein, um keine mechanischen Veränderungen zu verursachen. Membrangrundmaterial und die erste Schicht wirken bei ausreichender Dicke wie ein Bimetallstreifen, der sich bei Temperaturerhöhung nach innen wölbt und so dem Nullpunktfehler durch Kompensation der Luftspaltausdehnung durch eine sich nach innen wölbende Membran entgegenwirkt. Bei einer solchen Ausbildung wird gleichzeitig auch der Flammschockfehler reduziert: ohne Beschichtung der Membran bewirkt der Flammschock eine Wölbung der Membran nach außen, der Bimetalleffekt wirkt in die entgegengesetzte Richtung.
Eine Edelmetallmembran hat den besonderen Vorteil, dass die Innenfläche bei polierter Ausbildung ohne weitere Maßnahmen wie einer Schutzschichtaufbringung als temperaturfester Lichtreflektor genutzt werden kann, der Membranwerkstoff also zugleich den Spiegelwerkstoff bildet. Außerdem besitzt eine Membran aus einer Platinlegierung auch ohne zusätzliche Maßnahmen einen katalytischen Selbstreinigungseffekt.

Claims

Faseroptischer Drucksensor, mit einem eine Glasfaser aufnehmenden Sensorgrundkörper (43) und einer von dem Sensorgrundkörper (43) getragenen, auf der Innenseite mit einer das Licht der Glasfaser reflektierenden Reflexionsschicht versehenen federelastischen Membran (44), dadurch gekennzeichnet, das die Membran (44) aus einer Metalllegierung gewählt aus der Gruppe der Platinmetalle, Titan, Nickel und Silizium gefertigt ist.
Faseroptischer Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Platinlegierung aus Platin und Zugabe von Elementen der 3. Hauptgruppe (Bor, Aluminium, Gallium, Indium, Thallium) besteht.
Faseroptischer Drucksensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Platinlegierung eine Platium/Gallium-Legierung ist.
Faseroptischer Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Platinlegierung Platin-Iridium oder Platin Rhodium ist.
Faseroptischer Drucksensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet_; dass die Reflexionsschicht aus Platin besteht.
Faseroptischer Drucksensor, nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (44) auf ihrer Innenseite spiegelnd poliert und mit einer temperaturfesten, inerten, optisch transparenten Schutzschicht überzogen ist.
Faseroptischer Drucksensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht aus SiO₂ oder Al₂O₃ besteht.
Faseroptischer Drucksensor nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen auf die Innenseite der Membran (44) aufgebondeten oder als Dünnschicht abgeschiedenen temperaturfesten Metallspiegel (78).
Faseroptischer Drucksensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallspiegel (78) aus Platin besteht.
Faseroptischer Drucksensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran aus in einem Umformvorgang aus einem Blech mit gerundetem Übergang zwischen der Membranfrontfläche zu dem die Verbindung mit dem Sensorgrundköroper herstellenden zylindrischen Rand hergestellt ist.
Faseroptischer Drucksensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran mit einem über die Membranfrontfläche (76) vorstehenden Wulst (72) ausgebildet ist.
Faseroptischer Drucksensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das die Membranfrontfläche (76) nach Innen eingezogen ist.
Faseroptischer Drucksensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranfrontfläche (76) konkav gekrümmt ausgebildet ist.
Faseroptischer Drucksensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenseite der Membran (44) mit einem Edelmetall beschichtet ist.
Faseroptischer Drucksensor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung der Außenseite der Membran (44) aus Gold, Platin oder einer Gold/Platin-Legierung besteht.
Faseroptischer Drucksensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine auf die Außenseite der Membran (44) aufgebrachte Zwischenschicht, deren thermischer Ausdehnungskoeffizient geringer als der des Materials der Membran (44) ist.