DE3805636C2

DE3805636C2 -

Info

Publication number: DE3805636C2
Application number: DE19883805636
Authority: DE
Inventors: Stefan 7507 Pfinztal De Kreuzberger; Gerhard Prof. Dr. 7515 Linkenheim De Ondracek
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1988-02-24
Filing date: 1988-02-24
Publication date: 1993-03-25
Also published as: DE3805636A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur induktiven Wegaufnahme, der nach dem Wirbelstromprinzip arbeitet und eine Spule besitzt, die im Bereich der Stirnfläche eines keramischen Spulenkörpers angeordnet ist, wobei der Spulenträger von einer metallischen Kapsel umgeben ist.

Bei solchen Sensoren genügte es bisher, die Spule am Spulenkörper bzw. der halternden Kapsel mittels organischen Bindemitteln oder Glasschmelzen zu fixieren bzw. zu haltern. Probleme treten erst hinsichtlich auf, wenn die Sensoren bei Drucklagern zur Schmierfilmdickenmessung, bei Turbinen zur Abstandsmessung der Turbinenschaufeln, bei Kernreaktoren zur Messung an Brennplattenelementen, bei Elektromotoren zur Kollektorvermessung und Luftspaltmessung oder bei Walzmaschinen zur Messung von Walzendurchbiegung und Walzenspalt zum Einsatz kommen sollen. Dann nämlich treten extreme Umweltbedingungen bzw. Anforderungen auf in Form von Temperaturwechseln, aggressiven Medien, hohen Temperaturen um 550°C und hohen Drücken bis über 150 bar. Zudem wird eine Heliumdichtigkeit der Sensorbauteile gegeneinander gefordert, da der Sensor über seine metallische Kapsel an bzw. in Bauteilen mechanisch dicht, insbesondere eingeschweißt werden muß.

Aus der DE-AS 26 37 413 B2 ist ein gattungsgemäßer Sensor zur Messung der Schwingungen von Meßobjekten bekannt. Bei diesem Sensor ist die metallische Kapsel stirnseitig mit einer eingelöteten Keramikplatte verschlossen. Bei den o. a. hohen Drücken und Temperaturen kann mit einer solchen Abdichtung keine absolute Heliumdichtigkeit erreicht werden.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe bestand darin, den e. g. Sensor derart auszugestalten, daß er sowohl den mechanischen als auch den durch die extremen Umweltbedingungen entstehenden Anforderungen gerecht wird.

Die Lösung ist erfindungsgemäß in den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 beschrieben.

Die übrigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung an.

Entscheidend für die Verwendbarkeit unter den geforderten Bedingungen sind die Materialien, die zur Anwendung kommen. Es handelt sich ausschließlich um hochtemperaturfeste, anorganische Werkstoffe. Besondere Bedeutung kommt der heliumdichten Verbindung der Bauteile zu. Erreicht wird dies erfindungsgemäß durch Verschmelzen der Bauteile mit einem Glas bzw. einer Email-Keramik oder alternativ durch Einsintern von Glas bzw. Email-Keramik, wodurch ebenfalls heliumdichte Verbindungen der Bauteile erreicht werden. Mit dem entwickelten Sensor ist es möglich, Längen, Abstände oder Wege bei sehr hoher Umgebungstemperatur zu messen. Außerdem widersteht der Sensor auch anderen schwierigen Umweltbedingungen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels mittels der Fig. 1 und 2 näher erläutert.

Die Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen Sensor. Er besteht aus einem zylinderförmigen Spulenträger 1 aus Keramikmaterial, in dessen Stirnfläche 2 eine Spule 3 eingebettet ist. Die Spule 3 und der obere Teil des Spulenträgers 1 ist mittels einer Kappe 4 aus Keramikmaterial überdeckt. Die Kappe 4 und mit ihr die Spule/Spulenträgerkombination werden wiederum von einem zylinderförmigen Mantel bzw. Kapsel 5, vorzugsweise aus Inconel, umhüllt, wobei von der Kappe 4 die vordere Stirnseite bzw. deren Boden freibleibt und nur deren Fortsatz 6 zwischen Spulenträger 1 und Mantel 5 eingepreßt wird. Der Zwischenraum 7 zwischen Spulenträger 1, Kappe 4 und Innenfläche des Mantels 5 wird mittels einer Abdichtmasse 8 ausgefüllt. Zur besseren Benetzung der Oberflächen kann die äußere Mantelfläche des Fortsatzes 6 auf einen geringeren Querschnitt verjüngt sein, so daß das Abdichtmaterial 8 zusätzlich in diesen entstandenen Zwischenraum eindringen kann. Als weitere Maßnahme zur Benetzungs- und Haftungsverbesserung kann ein Oxidieren des Metallmantels, ein Glasieren oder Metallisieren (Ni-Beschichtung) der entsprechenden Kappenteile vorgesehen werden. Die Kappe 4 (s. Fig. 2) kann zudem so ausgestaltet sein, daß die Stirnseite einen umlaufenden bzw. überstehenden Rand 9 aufweist, der die Stirnseite des Mantels 5 überdeckt.

Zwei Herstellungsverfahren für den Sensor sehen folgendermaßen aus:

Die gereinigte Inconel-Kapsel 5 erfährt bei 1000°C eine Wärmebehandlung (Haltezeit 1 h), die eine gleichmäßige Oxidschicht erzeugt. Die erhitzte Kapsel 5 wird über eine kalte Al₂O₃-Kappe 4 geschoben. Beim Abkühlen stellt sich dann eine Preßpassung ein. Nachfolgend wird der Spulenkörper 1 in das Sensorgehäuse 4/5 gestellt. Der Zwischenraum 7 (Inconel-Spulenkörper) wird durch die Abdichtmasse 8 (in Pulverform) ausgefüllt und durch Klopfen soweit verdichtet, daß der Spulenkörper 1 noch ca. 1 mm aus dem Pulver herausragt. Beim Erschmelzen (eine Stunde bei 850°C) sinkt die Masse 8 auf 1/3 ihres Ausgangsvolumens zusammen, so daß ausreichend Platz für den Sensorboden entsteht. Die Abkühlrate liegt bei ca. 50°C/h.

Die Inconel-Kapsel 5 und Al₂O₃-Kappe 4 werden in einen Ofen gestellt und auf ca. 700 bis 750°C erhitzt. Die größere Wärmedehnung von Inconel bewirkt eine Aufweitung der Kapsel 5, so daß die Al₂O₃-Kappe 4 in den Inconel-Mantel 5 gleitet. Beim Abkühlen schrumpft die Kapsel 5 auf die Kappe 4 auf. Die Al₂O₃-Kappe 4 kann jetzt auf Risse untersucht werden (z. B. mittels von Farbeindringverfahren). Auf diese Weise können schadhafte Teile schon vor dem Fixieren des Spulenkörpers 1 durch Abdichtmasse 8 aussortiert werden, d. h. es werden keine teuren Spulenkörper 1 verschwendet.

Zusammengefaßt sieht das Ablaufschema der Sensorherstellung folgendermaßen aus:

1. Säubern der fertig bemaßten Inconel-Hülle 5 (Alkohol, Aceton).
2. Trocknen der Hülle (z. B. Fön).
3. Oxidieren der Inconel-Kapsel 5 bei 1000°C im vorgeheizten Ofen, Oxidationsdauer 1 Stunde, Abkühlen bei Raumtemperatur.
4. Aufschrumpfen der Inconel-Kapsel 5 auf die Al₂O₃-Kappe 4. Hierbei wird die Al₂O₃-Kappe 4 in der Vorrichtung von oben in die Inconel-Hülle 5 gedrückt. Dieser Vorgang läuft im Ofen bei ca. 700°C ab.
5. Abkühlen der kompletten Vorrichtung im Ofen (ca. 2 Stunden).
6. Al₂O₃-Kappe 4 auf Rißfreiheit untersuchen (Farbeindringmethode).
7. Spulenkörper 1 plazieren.
8. Auffüllen des Zwischenraumes 7 Spulenkörper-Inconelkapsel mit Abdichtmasse 8, Verdichten der noch pulverförmigen Abdichtmasse 8 bis die Klopfdichte erreicht ist.
9. Sensor im Ofen auf 800 bis 850°C erhitzen. Die Haltezeit für diesen Schmelzvorgang (oder Sintervorgang) beträgt 1 bis 2 Stunden.
10. Langsames Abkühlen des Sensors bei einer Abkühlrate von ca. 50 K/h.
11. Al₂O₃-Kappe 4 auf gewünschte Bodenstärke (ca. 0,6 mm) abschleifen.
12. Überprüfung der Heliumdichtigkeit.
13. Aufstecken (und evtl. Verschweißen) des Sensorbodens.
14. Polieren der Inconel-Kapsel 5.

Von Sensoren, hergestellt nach dem beschriebenen Fertigungsverfahren, konnten funktionsfähige Exemplare gefertigt werden.

Problematisch ist die hohe Temperaturbelastung des Spulenmaterials. Aufgrund von Gefügeumwandlungen erhöht sich der Wert des elektrischen Widerstandes um etwa das Vierfache. Um diese große Temperaturbelastung für die Spule 3 zu verringern, wurde die Al₂O₃-Kappe 4 modifiziert (Fig. 2). Bei dieser Konstruktion sind beim ersten Einschmelzprozeß lediglich die Sensorkomponenten Kapsel 5 und Al₂O₃-Kappe 4 beteiligt; mit Abdichtmasse 8 wird der Zwischenraum 7 Inconel/Al₂O₃-Kappe abgedichtet. Erst in einem zweiten Einschmelzprozeß, der bei niedrigeren Temperaturen ablaufen kann, da das Sensorgehäuse ja bereits heliumdicht ist, wird der Spulenkörper 1 in der Kapsel 5 fixiert.

Ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens besteht in der Verringerung des Ausschußanteils. Nach dem ersten Einschmelzprozeß kann die Sensorkapsel auf Heliumdichtigkeit geprüft werden. Falls die geforderten Werte nicht erreicht werden, kann ein weiterer Verglasungsschritt eingefügt werden. Bleibt der Sensor dennoch undicht, so ergbit sich als Ausschuß lediglich die Inconel-Kapsel, sowie die Al₂O₃-Kappe. Der teure Spulenkörper bleibt unbeschädigt.

Erfindungsgemäß erfolgt die Verwendung von Glas bzw. Email-Keramik 8 zur Verbindung der Sensorbauteile. Damit wird die Temperaturbeständigkeit bis 550°C und die Resistenz gegenüber aggressiver Medien erreicht (entscheidend dafür ist die Heliumdichtigkeit, die durch die Materialkombination erreicht wird). Heliumdichtigkeit wird u. a. gefordert, weil das Eindringen aggressiven Medien in den Sensor zu Veränderungen im elektrischen Verhalten der Spule führen kann und so die Meßergebnisse verfälscht.

Nachfolgend werden die Einsatzgebiete der Glas- bzw. Keramikwerkstoffe 8 angegeben:

- Keramik

- Spuleneinbettung (Al₂O₃, MgO o. ä.)
- Stirn-(Meß-)Seite des Sensors (Al₂O₃, MgO, Macor o. ä.)
- Spulenträgerwerkstoff (z. B. Al₂O₃, MgO, Macor o. ä.)
- Abdichtmasse 8 (Email-Keramik)

- Glas

- Abdichtmasse (Borosilikatglas) Eigenschaften (wie auch Email-Keramik)
- - Gute Benetzung und Haftung (v. a. durch angepaßte Ausdehnungskoeffizienten)
  - - Sensorkapsel (Inconel)
  - - Spulenträgermaterial (Keramik)
  - - Sensorkappe (Keramik)

Zusammensetzungen von Glas- bzw. Keramikabdichtmasse 8:

- Zusammensetzungen des Glas-Abdichtmaterials

SiO₂
50-60 Gew.-%
TiO₂	3-7 Gew.-%
Al₂O₃	2-5 Gew.-%
B₂O₃	10-15 Gew.-%
MgO	0-5 Gew.-%
CaO	2-6 Gew.-%
Na₂O	15-20 Gew.-%

- Zusammensetzungen des Email-Keramik-Abdicht- materials

SiO₂
45-55 Gew.-%
TiO₂	5 Gew.-%
Fe₂O₃	3 Gew.-%
B₂O₃	15-20 Gew.-%
CoO	3 Gew.-%
BaO	5 Gew.-%
Na₂O	12 Gew.-%
K₂O	5 Gew.-%

Von den getesteten Abdichtmaterialien 8 liefert die Email-Keramik die besten Ergebnisse bzgl. Heliumdichtigkeit und Ausschußrate. Mit der Mischung (50 Gew.-% VG 98/12, 50 Gew.-% Email-Keramik) wurden etwas schlechtere Ergebnisse, vor allem bzgl. der Ausschußrate erzielt.

Mit heliumdichten Sensoren wurden Tests zur Ermittlung der Temperaturschockbeständigkeit durchgeführt. Die Sensoren wurden auf 550°C erhitzt und eine Stunde bei dieser Temperatur im Ofen gehalten. Es folgte eine schnelle Abkühlung an Luft bei Raumtemperatur. Dieser Zyklus wurde anfangs 10mal, später 100mal durchlaufen, ohne daß sich eine Veränderung bei der Heliumdichtigkeit gezeigt hätte. Die maximale Testtemperatur betrug 600°C. Auch hierbei blieb der Sensor schadlos.

Claims

1. Sensor zur induktiven Wegaufnahme, der nach dem Wirbelstromprinzip arbeitet und eine Spule besitzt, die im Bereich der Stirnfläche eines keramischen Spulenträgers angeordnet ist, wobei der Spulenträger von einer metallischen Kapsel umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß über die Stirnfläche des Spulenträgers (1) eine Spule (3) überdeckende Kappe (4) aus keramischem Material angeordnet ist, deren zylindrischer Fortsatz (6) zwischen dem Spulenträger (1) und der Kapsel (5) eingefügt ist, und daß die Kapsel (5) mit dem Fortsatz (6) der Kappe (4) und dem Spulenträger (1) mittels eines Glas- bzw. Email-Keramik-Abdichtmaterials (8) gasdicht und mechanisch stabil verbunden ist.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kappe (4) einen überstehenden Rand (9) aufweist, der die Stirnfläche der Kapsel (5) überdeckt.

3. Sensor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Glas-Abdichtmaterial (8) aus SiO₂ zu 50 bis 60, TiO₂ zu 3 bis 7, Al₂O₃ zu 2 bis 5, B₂O₃ zu 10 bis 15, MgO bis zu 5, CaO zu 2 bis 6 und Na₂O zu 15 bis 20 Gew.-% besteht.

4. Sensor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Email-Keramik-Abdichtmaterial (8) aus SiO₂ zu 45 bis 55, TiO₂ zu ca. 5, Fe₂O₃ zu ca. 3, B₂O₃ zu 15 bis 20, CaO zu ca. 3, BaO zu ca. 5, Na₂O zu ca. 12 und K₂O zu ca. 5 Gew.-% besteht.