DE10355425B4

DE10355425B4 - Aufnahmevorrichtung für ein optisches Fenster und deren Verwendung

Info

Publication number: DE10355425B4
Application number: DE2003155425
Authority: DE
Inventors: Matthias Diezemann; Obrad Masnikosa
Original assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Current assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Priority date: 2003-11-27
Filing date: 2003-11-27
Publication date: 2011-05-05
Anticipated expiration: 2023-11-28
Also published as: DE10355425A1

Abstract

Aufnahmevorrichtung für ein optisches Fenster zur thermischen oder spektroskopischen Ermittlung von Prozessvorgängen innerhalb eines Prozessraums mit folgender Bauart:
– das optische Fenster (6) ist innerhalb der Aufnahmevorrichtung angeordnet, die mit einer Gehäusewand (10) des Prozessraums verbunden ist,
– die Aufnahmevorrichtung besteht aus einem mit einer Dichtfläche zur Auflage des optischen Fensters (6) versehenen Aufnahmezylinder (2) und einem in den Aufnahmezylinder (2) einschraubbaren Zylinderteil (1),
– zwischen dem optischen Fenster (6) und dem einschraubbaren Zylinderteil (1) ist ein Gleitring (4) angeordnet,
dadurch gekennzeichnet, dass
zur Verhinderung einer schnellen Wärmeübertragung vom optischen Fenster (6) auf die Aufnahmevorrichtung zwischen der Auflage (8) des Aufnahmezylinders (2) und dem optischen Fenster (6) ein Wärmeisolationsring (7) sowie zwischen dem optischen Fenster (6) und dem Gleitring (4) ein Wärmeisolationsring (5) angeordnet ist, wobei die Wärmeisolationsringe (5) und (7) aus Keramik bestehen und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, der annähernd dem des optischen Fensters...

Description

Die Erfindung betrifft eine Aufnahmevorrichtung für ein optisches Fenster mit den im Oberbegriff des Patenanspruches 1 genannten Merkmalen und deren Verwendung gemäß den Ansprüchen 4 und 5.
Vorbekannt ist beispielsweise aus der DE 30 11 569 C2 , der DE 36 27 074 A1 und der DE 44 02 310 A1 , dass für das Erfassen der Verbrennungsvorgänge im Brennraum eines Verbrennungsmotors die Lichtmesstechnik in Form von optischen Sonden eingesetzt wird. Zum Erfassen der Strahlung der Verbrennungsvorgänge sind am Brennraum des Verbrennungsmotors ein oder mehrere optische Fenster angeordnet. Gemäß der DE 101 33 970 A1 werden ebenfalls optische Fenster im Zusammenhang mit der Lichtmesstechnik zur Dichte- und Konzentrationsbestimmung von sichtbaren Bestandteilen in Fluiden, insbesondere zur Messung der Trübung von Kraftfahrzeugabgasen, angewendet. Der Einsatz der Lichtmesstechnik in Verbindung mit einem optischen Fenster zur thermischen oder spektroskopischen Ermittlung von Prozessvorgängen innerhalb eines Prozessraums bekommt im Kraftfahrzeugbau eine immer größere Bedeutung. Ein wesentliches Problem bildet hierbei die Befestigung der insbesondere als Saphirscheibe ausgebildeten, optischen Fenster im Gehäuse des jeweilig zu untersuchenden Prozessraumes.
Aus der DE 295 21 685 U1 und der US 5,151,474 A es vorbekannt das optische Fenster durch Verlöten mit dem Gehäuse des Prozessraums oder mit einer speziellen Aufnahmevorrichtung zu verbinden.
Aus der US 5,404,217 A ist es vorbekannt, ein druckfestes Prozessfenster mittels eines Schraubenzylinders mit Außengewinde dichtend gegenüber einem Messzellenkörper zu verschrauben.
Aus der DE 199 13 730 C2 ist eine Aufnahmevorrichtung für ein druckfestes Prozessfenster für die visuelle oder spektroskopische Untersuchung von unter Druck stehenden Produkten vorbekannt, bei der die Aufnahmevorrichtung mit der Gehäusewand des Prozessraums verbunden ist. Die Aufnahmevorrichtung besteht aus einem Hohlzylinder mit Innengewinde, in der ein Schraubzylinder einschraubbar ist.
Der Schraubzylinder weist auf seiner Unterseite eine plane Fläche auf, die mit dem Prozessfenster Kontakt hat. Das Prozessfenster wird mittels des Schraubzylinders über einen Gleitring gegen eine Dichtung gedrückt, die in einer Ringnut im unteren, vorspringenden Teil des Hohlzylinders sitzt und den Innenraum des Prozessraums gegenüber der Umgebung abdichtet.
Aus der US 5,124,555 A ist eine Aufnahmevorrichtung für ein optisches Fenster bekannt, bei der das optische Fenster in einem verschraubbaren Aufnahmezylinder zwischen zwei Dichtringen angeordnet ist.
Die DE 197 23 999 A1 beschreibt eine Messvorrichtung, bei der ein Fenster in einer Hülse durch zwei ringförmige Bauteile gehalten wird, wobei zwischen den ringförmigen Bauteilen und dem Fenster ein Dichtring angeordnet ist.
Bei dem Einsatz der optischen Fester an Bauteilen eines Kraftfahrzeuges treten neben den Wärmbelastungen auch noch Vibrationsbelastungen auf, die insbesondere durch die Schwingungen der Verbrennungskraftmaschine hervorgerufen werden. Bei einer entsprechend dem Stand der Technik beschriebenen Befestigung der Saphirscheibe mittels Verschraubung dehnt sich die Aufnahmevorrichtung aufgrund der unterschiedlichen Wärmeübertragungskoeffizienten anders aus als der Saphir. Hierdurch entsteht eine Wärmeungleichverteilung, deren Längenänderungen nur zu einem bestimmten Grad durch die Dichtung kompensiert werden kann. Die Fassung der Saphirscheibe erfährt Spiel, beginnt aufgrund der Motorschwingungen zu vibrieren und zerbricht.
Bei der beschriebenen Befestigung der Saphirscheibe durch Verlötung wird die in das Saphirfenster lokal eingebrachte Wärme über die Verlötungsflächen abgeführt. Hierdurch entsteht ebenfalls eine Wärmeungleichverteilung, die zu Rissen im Gittergefüge der Verlötungsflächen und somit zu Ablösungserscheinungen des Saphirs führen kann. Außerdem ist der Lötprozess bei größeren Fensterdurchmessern sehr schwierig durchzuführen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Aufnahmevorrichtung für ein optisches Fenster und deren Verwendung zur thermischen oder spektroskopischen Ermittlung von Prozessvorgängen innerhalb eines Prozessraums zu schaffen, bei der eine Beschädigung des optischen Fensters sowie eine Lockerung der Befestigung des optischen Fensters durch auftretende Temperaturwechselbelastungen und Vibrationsbelastungen weitestgehend vermieden wird.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und eine Verwendung der Aufnahmevorrichtung durch die Ansprüche 4 und 5 gelöst.
Dadurch, dass zwischen der Auflagefläche des Aufnahmezylinders der Aufnahmevorrichtung und dem optischen Fenster einerseits und dem optischen Fenster und einem Gleitring andererseits jeweils ein Wärmeisolationsring angeordnet ist, wird eine schnelle Wärmeübertragung vom optischen Fenster zu den Bauteilen der Aufnahmevorrichtung vermieden. Außerdem werden die Wärmeisolationsringe aus einem Material hergestellt, das einen annähernd ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist wie das optische Fenster. Dadurch wird auch bei extrem auftretenden Temperaturwechseln, die bei einem Verbrennungsmotor beim Übergang des Motors vom kalten in den Betriebszustand auftreten, zwischen dem optischen Fenster und dessen Auflageflächen eine annähernd ähnliche Ausdehnung erzielt. Ein auftretendes Spiel infolge unterschiedlicher Längenausdehnung zwischen dem optischen Fenster und dessen Auflagefläche wird weitestgehend vermieden. Die Bruchgefahr des optischen Fensters wird auch bei den auftretenden Motorschwingungen durch die jederzeit feste Verspannung des optischen Fensters auf ein Minimum reduziert.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass durch die Anordnung eines Spiralfederrings innerhalb der Aufnahmevorrichtung zwischen dem Gleitring und dem in den Aufnahmezylinder einschraubbaren Zylinderteil die bei Temperaturwechsel auftretenden unterschiedlichen Längenänderungen zwischen den Wärmeisolationsringen und dem optischen Fenster einerseits und dem Gehäuse der Aufnahmevorrichtung andererseits infolge der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten ausgeglichen werden.
Die erfindungsgemäße Aufnahmevorrichtung wird verwendet zur Aufnahme einer Lichtmesstechnik, beispielsweise einer Thermografiekamera eines Pyrometers, die an den einer thermischen Belastung ausgesetzten Bauteilen einer Verbrennungskraftmaschine, wie zum Beispiel am Brennraum des Verbrennungsmotors und/oder am Abgasstrang und/oder am Katalysator und/oder am Partikelfilter und/oder am Abgasturbolader angeordnet ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben, sie werden in der Beschreibung zusammen mit ihren Wirkungen erläutert.
Anhand einer Zeichnung wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der Aufnahmevorrichtung beschrieben. Die dazugehörige Zeichnung zeigt die schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Aufnahmevorrichtung im Schnitt.
Ein Aufnahmezylinder 2 der Aufnahmevorrichtung für ein optisches Fenster 6 zur thermischen oder spektroskopischen Ermittlung von Prozessvorgängen innerhalb eines Prozessraums ist mit einer Gehäusewand 10 des Prozessraums verbunden. Der ringförmig ausgebildete Aufnahmezylinder 2 ist an seinem unteren Ende, das mit der Gehäusewand 10 verbundenen ist, mit einer Auflage 8 versehen. Im oberen Bereich ist der Aufnahmezylinder 2 mit einem Innengewinde versehen.
Innerhalb des Aufnahmezylinders 2 befindet sich zwischen zwei Wärmeisolationsringen 5 und 7 das optische Fenster 6, das vorzugsweise aus Saphir besteht. Der innerhalb des Aufnahmezylinders 2 angeordnete untere Wärmeisolationsring 7 liegt mit seiner Stirnseite auf der Auflage 8 des Aufnahmezylinders 2 auf. Zur inneren Abdichtung des Aufnahmezylinders 2 ist oberhalb des Wärmeisolationsrings 5 ein Gleitring 4 angeordnet. Die Verspannung der innerhalb des Aufnahmezylinders 2 angeordneten Teile erfolgt mittels eines in den Aufnahmezylinder 2 einschraubbaren Zylinderteils 1, wobei zwischen der Stirnfläche des Zylinderteils 1 und dem Gleitring 4 ein Federring 3 angeordnet ist. In dem Zylinderteil 1 ist eine Aufnahme 9 für eine Lichtmesstechnik, beispielsweise eine Thermografiekamera eines Pyrometers oder dgl., angeordnet.
Durch das Einschrauben des Zylinderteils 1 in den Aufnahmezylinder 2 wird das optische Fenster 6 zwischen den beiden Wärmeisolationsringen 5 und 7 eingeklemmt. Die Wärmeisolationsringe 5 und 7 bestehen vorzugsweise aus Keramik, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient nahe dem des Saphirs liegt. Die Keramikringe verhindern einerseits eine schnelle Wärmeübertragung vom optischen Fenster 6 auf die Aufnahmevorrichtung und gewähren anderseits durch eine ähnliche Wärmeausdehnung wie der Saphir eine feste Verspannung. Die unterschiedliche Wärmeausdehnung zwischen dem Keramikring-Saphirglas-Verbund und der aus Stahl bestehenden Aufnahmevorrichtung wird durch den zwischen dem Zylinderteil 1 und dem Gleitring 4 angeordneten Federring 3 ausgeglichen. Dabei ist der Federring 3 vorzugsweise als Spiralfederring ausgebildet. Der Zylinderteil 1 wird derart in den Aufnahmezylinder 2 eingeschraubt, dass der Federring 3 eine definierte Vorspannung erhält. Die bei den Temperaturänderungen auftretenden unterschiedlichen Längenänderungen des Materials werden durch den Federring 3 kompensiert, ohne dass dabei Mikrobewegungen der eingespannten Komponenten entstehen. Ein Lösen der Einspannung des optischen Fensters 6 durch wechselnde Temperaturbelastungen und durch starke Vibrationen, so wie sie insbesondere bei Kraftfahrzeugen auftreten, wird durch die erfindungsgemäße Lösung weitestgehend ausgeschlossen.
Die erfindungsgemäße Aufnahmevorrichtung eignet sich insbesondere für den Einsatz an Kraftfahrzeugen, bei denen über das optische Fenster die thermischen oder spektroskopischen Prozessvorgänge innerhalb des zu betrachtenden Prozessraums ermittelt werden. Dabei wird die Aufnahmevorrichtung an den thermisch belasteten Bauteilen einer Verbrennungskraftmaschine, wie zum Beispiel am Brennraum des Verbrennungsmotors und/oder am Abgasstrang und/oder am Katalysator und/oder am Partikelfilter und/oder am Abgasturbolader oder dergleichen, angeordnet. Der Einsatz der erfindungsgemäßen Aufnahmevorrichtung beschränkt sich aber nicht auf den konkreten Fall. Sie kann überall dort eingesetzt werden, wo mittels eines optischen Fensters die Prozessvorgänge innerhalb eines Prozessraums betrachtet werden, wie z. B. an einem Reaktor zur Betrachtung der ablaufenden chemischen Produktionsprozesse.

Claims

Aufnahmevorrichtung für ein optisches Fenster zur thermischen oder spektroskopischen Ermittlung von Prozessvorgängen innerhalb eines Prozessraums mit folgender Bauart: – das optische Fenster (6) ist innerhalb der Aufnahmevorrichtung angeordnet, die mit einer Gehäusewand (10) des Prozessraums verbunden ist, – die Aufnahmevorrichtung besteht aus einem mit einer Dichtfläche zur Auflage des optischen Fensters (6) versehenen Aufnahmezylinder (2) und einem in den Aufnahmezylinder (2) einschraubbaren Zylinderteil (1), – zwischen dem optischen Fenster (6) und dem einschraubbaren Zylinderteil (1) ist ein Gleitring (4) angeordnet, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verhinderung einer schnellen Wärmeübertragung vom optischen Fenster (6) auf die Aufnahmevorrichtung zwischen der Auflage (8) des Aufnahmezylinders (2) und dem optischen Fenster (6) ein Wärmeisolationsring (7) sowie zwischen dem optischen Fenster (6) und dem Gleitring (4) ein Wärmeisolationsring (5) angeordnet ist, wobei die Wärmeisolationsringe (5) und (7) aus Keramik bestehen und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, der annähernd dem des optischen Fensters (6) entspricht, und wobei zum Kompensieren von Längenausdehnungen zwischen dem Gleitring (4) und dem Zylinderteil (1) ein Federring (3) angeordnet ist.
Aufnahmevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Fenster (6) aus Saphir besteht.
Aufnahmevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Federring (3) ein Spiralfederring ist.
Verwendung einer Aufnahmevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei in dem Zylinderteil (1) eine Aufnahme (9) für eine Lichtmesstechnik, beispielsweise eine Thermografiekamera eines Pyrometers angeordnet ist.
Verwendung einer Aufnahmevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Aufnahmevorrichtung an den einer thermischen Belastung ausgesetzten Bauteilen einer Verbrennungskraftmaschine, wie zum Beispiel am Brennraum des Verbrennungsmotors und/oder am Abgasstrang und/oder am Katalysator und/oder am Partikelfilter und/oder am Abgasturbolader angeordnet ist.