DE4101871A1 - Pressure sensing flat seal - comprises piezoelectric sensor sheet between electrically insulating vapour-proof protective ones - Google Patents

Pressure sensing flat seal - comprises piezoelectric sensor sheet between electrically insulating vapour-proof protective ones

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Abstract

The flat seal contains a stationary pressure-distribution and pattern sensor, in two halves comprising a flexible piezo-electric sensor sheet of polymer or polymer-ceramic composition between two electrically-insulating protective sheets impervious to vapour. The sensor sheet is in one or more sections and connected to electric signal wires brought out from the seal. The protective sheets can be of polyester. ADVANTAGE - Accurate pressure measurement.

Description

Die Erfindung betrifft eine Flachdichtung mit stationärem Druckverteilungs- und Druckverlaufssensor. The invention relates to a flat gasket with a stationary pressure distribution and pressure distribution sensor. Die Erfassung der räumlichen Druckverteilung und des zeitlichen Druckverlaufes in Flanschdichtungen und anderen Dichtungselementen ermöglicht sowohl die Auswirkungen der konstruktiven Gestaltung von Flansch und Dichtung auf die Funktionsweise und Funktionssicherheit des Dichtungselementes zu untersuchen als auch die Funktionstüchtigkeit der Dichtung unter Betriebsbedingungen zu überwachen. The detection of the spatial distribution of pressure and the time pressure profile in flange gaskets and other sealing elements allows both to examine the impact of the structural design of the flange and gasket on the operation and reliability of the sealing element as to monitor the functioning of the seal under operating conditions.

Zur Messung von Druckkräften sind zahlreiche Verfahren bekannt, die sich auf verschiedene Wandlereffekte zur Umsetzung der mechanischen Meßgrößen in elektrische Signale stützen. For the measurement of compressive forces, numerous methods are known which are based on various effects converter for converting the mechanical variables into electrical signals. Dabei wird im allgemeinen eine durch die mechanische Meßgröße verursachte Geometrieänderung als Grundlage für das Meßprinzip benutzt. In this case, a geometry change caused by the mechanical process variable is used as the basis for the principle of measurement in general. So ist aus Bur, AJ; Thus, from Bur, AJ; Roth, SC; Roth, SC; "Characterization of Polyvinylidene Fluoride Pressure Transducers"; "Characterization of polyvinylidene fluoride Pressure Transducers"; Proc. Proc. 5th Intern. 5th Intern. Symp. Elektrets, Heidelberg 1985, 712 und Wübbenhorst, M.; Symp. Electret, Heidelberg, 1985, 712 and Wübbenhorst, M .; Günther, M.; Guenther, M .; "Sensoren auf der Basis von Polymeren"; "Sensors on the basis of polymers"; Wiss. Wiss. Z. Techn. Univ. Z. Tech. Univ. Dresden 36 (1987), 2, 53 der Einsatz von Dehnungsmeßstreifen, induktiven Wegaufnehmern sowie kapazitiven und piezoelektrischen Drucksensoren bekannt. known Dresden 36 (1987), 2, 53, the use of strain gauges, displacement transducers inductive and capacitive and piezoelectric pressure sensors.

Hierbei wurde die Bestimmung der Druckkräfte in Flanschdichtungen bisher nur indirekt gelöst, in dem auf diese Kräfte aus der Messung der Deformationen des Flansches und/oder angrenzender Rohrabschnitte rückgeschlossen wurde. Here, the determination of the compressive forces in flange has been solved only indirectly, was inferred in to these forces by measuring the deformation of the flange and / or adjacent pipe sections. Dazu wurden beispielsweise resistive Dehnungsmeßstreifen benutzt. These resistive strain gauges were used, for example. Diesem Verfahren haftet der Mangel an, daß für eine Rückrechnung auf die eigentlichen Flanschkräfte komplexe Modelle erforderlich wären. This method, the shortage is liable to that complex models would be required for back-calculation to the actual flange forces. Diese müssen eine Vielzahl von Einflußgrößen beinhalten, wie beispielsweise mechanische Spannungen durch die Herstellung der Schweißnaht zwischen Flansch und Rohr, Anzugsmoment der Schrauben und deren Verteilung. These have a variety of influencing variables include, such as mechanical stresses due to the production of the weld between the flange and the pipe, tightening torque of the screws and their distribution.

Direkte Meßverfahren sind bisher nicht bekannt. Direct measuring methods are not yet known. Ein Grund hierfür wird insbesondere darin gesehen, daß der Einbau von Sensoren in den unmittelbaren Bereich der Dichtung die eigentliche Dichtfunktion stört. One reason for this is seen in particular that the installation of sensors in the immediate area of ​​the seal interferes with the actual sealing function. Hinzu kommt, daß abzuschätzen ist, daß die Miniaturisierung resistiver, induktiver oder kapazitiver Sensoren die Meßempfindlichkeit unakzeptabel reduzieren würde. In addition, is to be estimated that the miniaturization of resistive, inductive or capacitive sensors would reduce the measurement sensitivity unacceptable.

Aus der DE 37 04 870 ist eine Vorrichtung zur Messung der flächigen Verteilung von Druckkräften bekannt, die die Kapazitätsänderung von Kondensatoren mit elastisch verformbaren Dielektrika und einer Matrixanordnung der Elektroden nutzt. From DE 37 04 870 a device for measuring the areal distribution of pressure forces is known, which uses the change in capacitance of capacitors with elastically deformable dielectrics and a matrix array of electrodes. Eine Übernahme dieser Lösung für den hierfür vorgesehenen Zweck im Sinne einer Druckmeßmatte würde bedeuten, daß das Dichtungsmaterial gleichzeitig als Dielektrikum fungiert. An acquisition of this solution for the purpose intended purpose in the sense of Druckmeßmatte would mean that the sealing material also acts as a dielectric. Hier steht der Forderung nach elastischer Verformung die nach viskoelastischem Fließverhalten beim Dichtungsprinzip entgegen. Here the demand for elastic deformation is after viscoelastic flow behavior contrary to the sealing principle. Die Meßgenauigkeit würde insbesondere bei kleineren Dichtungen in starkem Maße eingeschränkt. The accuracy would be limited particularly with smaller seals greatly.

Weitere Vorrichtungen zum Messen der Druckverteilung über den Umfang eines angeströmten Rohres sind aus der DE 31 03 848 und für einen piezoelektrischen Drucksensor aus der DE 33 33 315 bekannt. Further devices for measuring the pressure distribution over the circumference of an incident flow tube are known from DE 31 03 848 and for a piezoelectric pressure sensor disclosed in DE 33 33 315.. Diese nutzen das Prinzip der äußeren Druckmessung mit piezoelektrischen Drucksensoren an den Rohrwänden. These use the principle of external pressure measurement using piezoelectric pressure sensors on the pipe walls. Auch bei diesen Lösungen besteht der wesentliche Nachteil in der Durchführung des Meßverfahrens als indirektes Meßverfahren. Even with these solutions, the essential disadvantage in the implementation of the measurement method as an indirect method of measurement.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, in Flachdichtungselementen Sensoren so zu integrieren, daß die Druckverteilung über die Fläche des Dichtungselementes und der zeitliche Druckverlauf mit hoher Genauigkeit erfaßt werden können. The invention is based on the problem to be integrated in the flat gasket elements sensors so that the pressure distribution can be detected over the area of ​​the sealing element and the time pressure pattern with high accuracy. Die erhaltenen Werte sollen nur von einer geringen Zahl von Einflußgrößen abhängig sein. The values ​​obtained should be dependent only on a small number of influencing factors. Dadurch soll eine einfache Umrechnung auf die wirkenden Kräfte möglich sein. This should be possible a simple conversion to the active forces. Schließlich sollen die Sensoren integraler Bestandteil der Dichtungselemente sein, ohne die Funktionsfähigkeit der Dichtungselemente zu beeinträchtigen. Finally, the sensors should be an integral part of the sealing elements without affecting the functionality of the sealing elements.

Erfindungsgemäß wird das Problem dadurch gelöst, daß die Flachdichtung aus zwei Dichtungshälften besteht. According to the invention the problem is solved in that the flat seal consists of two seal halves. Zwischen den Dichtungshälften ist zwischen zwei elektrisch isolierende, dampfundurchlässige Schutzfolien eine Sensorfolie angeordnet, die aus einer flexiblen, piezoelektrischen Polymer- oder Polymer-Keramik-Komposit-Schicht besteht. Between the halves of the seal two electrically insulating, vapor-impermeable protective film is arranged between a sensor film, which consists of a flexible, piezoelectric polymer or polymer-ceramic composite layer. In Abhängigkeit von der vorgesehenen Funktion des Sensors ist die polymere Schicht als Ein- oder Mehrelemente-Sensor ausgebildet. Depending on the intended function of the sensor, the polymeric layer is formed as a single or multi-element sensor. Die Sensorfelder des Ein- oder Mehrelemente-Sensors sind mit aus der Flachdichtung herausgeführten elektrischen Signalableitungen verbunden. The sensor fields of single- or multi-sensor elements are connected to leading out of the flat gasket electrical signal derivatives. Die Schutzfolie besteht vorteilhaft aus einer Polyesterfolie. The protective sheet is advantageously made of a polyester film.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß das dargestellte Flachdichtungselement die direkte Messung des Druckes einschließlich der räumlichen Verteilung sowie dessen Veränderungen über die Zeit ermöglicht. The advantages achieved with the invention consist in particular in that the flat sealing member illustrated allows for direct measurement of the pressure including the spatial distribution and the changes over time. Hierbei erweist sich bei der vorgeschlagenen Anordnung als besonders günstig, daß diese Messung mittels der piezoelektrischen polymeren Schicht direkt erfolgt. It was found that this measurement is carried out directly by means of the piezoelectric polymer layer turns out to the proposed arrangement as particularly favorable. Eine die Druckmessung störende Beeinflussung durch das plastisch- elastische Fließverhalten der Dichtungsmedien und damit Beeinflussung der Meßgenauigkeit ist durch die erfindungsgemäße Gestaltung umgangen, indem zwischen dem Dichtungsmaterial und der piezoelektrischen Schicht eine Polyesterfolie angeordnet ist. A pressure measurement interference by the plastic-elastic flow properties of the sealing media and thus influence the accuracy of measurement is circumvented by the inventive design, by a polyester film is arranged between the sealing material and the piezoelectric layer. Die geringe Stärke von Sensor- und Zwischenfolie garantiert eine nach wie vor gesamtflächig funktionierende Dichtung, in der die Sensoranordnung während der gesamten Funktionszeit der Dichtung verbleibt. The low strength of the sensor and intermediate film ensures a still functioning total surface seal, in which the sensor assembly remains during the entire working life of the seal. Die Form und Art der Dichtung wird durch die Sensoranordnung nicht eingeschränkt. The shape and type of seal is not limited by the sensor arrangement.

An spezielle Anforderungen hinsichtlich der Erfassung weiterer Meßgrößen läßt sich die Flachdichtung anpassen. To special requirements regarding the collection of other variables, the gasket can be adapted. Die im Anspruch 2 dargestellte vorteilhafte Ausgestaltung der Flachdichtung ermöglicht das elastische Fließverhalten des Dichtungsmaterials als einen Grad der Alterung zu erfassen. The illustrated in claim 2 advantageous embodiment of the gasket allows the elastic flow properties of the sealing material to be recorded as a degree of aging.

Dazu weist die Schutzfolie über den Sensorflächen Aussparungen auf. For this purpose, the protective film over the sensor surfaces recesses.

Im folgenden wird das Flachdichtungselement in zwei Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Next, the flat sealing element is described in detail in two embodiments.

In einer ersten Ausführungsform wird eine Flachdichtung beschrieben, die die Erfassung der Druckverteilung und des zeitlichen Druckverlaufes ermöglicht. In a first embodiment, a gasket is disclosed which enables detection of the pressure distribution and the temporal pressure course. Die dazugehörigen Zeichnungen zeigen in Fig. 1 die Dichtung in einer Schnittdarstellung, in Fig. 3 eine Aufsicht auf eine Einzelsensoranordnung, in Fig. 4 eine Aufsicht auf einen Kreisring-Abschnitt aus einer Flachdichtung mit zwei unterschiedlichen Mehrelementsensoren (3fach und 4fach-Sensor) und in Fig. 5 eine Aufsicht auf die zur Bedampfung einer 4-Element-Sensorfolie erforderliche Schablone. The associated drawings show in Fig. 1, the seal in a sectional view in Fig. 3 is a plan view of a single sensor arrangement, in Fig. 4 is a plan view of an annular portion of a flat seal with two different multi-element sensors (3-fold and 4-sensor) and in Fig. is a plan view of the required for vapor deposition of a 4-element sensor film 5 template. Die in den Zeichnungen dargestellte Flachdichtung besteht aus den beiden Dichtungshälften 1 , der Sensorfolie 2 mit den aktiven, bedampften Sensorfeldern 4 und der Schutzfolie 3 . The gasket illustrated in the drawings consists of the two seal halves 1, 2 of the sensor film with the active, steamed sensor arrays 4 and the protective film. 3 Weiterhin sind dargestellt der Miniaturkoaxialstecker 6 , die Leiterbahnen 7 , der Flansch 8 mit den Flanschbohrungen 10 und die Kontaktstellen 9 . Further are shown the Miniaturkoaxialstecker 6, the conductor tracks 7, the flange 8 with the flange 10 and the contact points. 9 Die dargestellte Flachdichtung hat die ursprünglichen Abmessungen der für die entsprechende Dichtungsfunktion konstruierten Dichtung. The flat seal shown has the original dimensions of the constructed for the appropriate sealing function seal. Die eigentliche Sensoranordnung, bestehend aus einer flexiblen, piezoelektrischen Polymer- oder Polymer-Keramik-Komposit-Schicht als Sensorfolie 2 , ist zwischen den beiden Dichtungshälften 1 der ringförmigen Flachdichtung angeordnet. The actual sensor arrangement, consisting of a flexible, piezoelectric polymer or polymer-ceramic composite as a sensor layer film 2 is disposed between the two halves of the seal 1 of the annular gasket. Im hier vorliegenden Fall besteht die Sensorfolie 2 aus einer 9 µm dicken polarisierten PVDF- (Polyvinylidenfluorid)-Folie, die zur Kontaktierung und zur Gestaltung der eigentlichen Sensorgebiete mit Aluminium in einer wie in der Fig. 1 gezeigten Weise bedampft ist. In the present case 2, the sensor film from a 9 micron thick polarized PVDF (polyvinylidene fluoride) film, which is vapor-deposited for contacting and shaping the actual sensor areas with aluminum in a as shown in FIG. 1 manner.

Die Anordnung von aktiven Sensorfeldern 4 auf einer gemeinsamen PVDF-Folie zur Matrix wird durch den Bedampfungsprozeß und die anschließende elektrische Vorbehandlung der einzelnen Elemente der Anordnung gezielt auf den Anwendungsfall zugeschnitten. The array of active sensor arrays on a common 4 PVDF film to the matrix is cut by the vapor deposition process and the subsequent electrical pretreatment of the individual elements of the array selectively to the application. In der Fig. 5 ist eine Anordnung dargestellt, mit der die Druckverteilung in einer Flansch-Flachdichtung in radialer und/oder tangentialer Richtung mit Mehrfachsensoren gemessen werden kann. In FIG. 5 illustrates an arrangement with which the pressure distribution can be measured in a flange gasket in the radial and / or tangential direction with multiple sensors.

Die Anschlüsse zum Nachweisgerät werden durch Einlegen mit Kupfer beschichteter verstärkter Polyester- oder Melaminharzfolien gestaltet, die den Kontakt zur Sensorfolie 2 durch Berührung herstellen. The connections for the detection apparatus can be made by insertion of copper-coated reinforced polyester or melamine resin films that make contact with the sensor film 2 by touch. Das spätere Verkleben, Verpressen und in Flansch Einspannen sichert diesen Kontakt, der außerhalb des Dichtungselementes je Sensorelement in einem Miniaturkoaxialstecker 6 mündet. The subsequent adhesive bonding, pressing in and flange clamping ensures that contact, which opens outside the sealing element for each sensor element in a Miniaturkoaxialstecker. 6

Zwischen Sensorfolie 2 und Dichtungsmaterial ist jeweils eine aus Polyester bestehende Schutzfolie 3 von etwa 5 µm Dicke derart eingelegt, daß nach Verklebung der Ränder mit einem elastischen Kontaktkleber die innenliegende Sensorfolie 2 dampfdicht und mechanisch vom Dichtungsmaterial getrennt ist. Between sensor film 2 and sealing material in each case an existing polyester protective film 3 of about 5 microns thickness is inserted such that, after adhesive bonding of the edges with an elastic contact adhesive, the inner sensor sheet 2 vapor-tight and mechanically separated from the sealing material. Diese Schutzfolien 3 tragen dazu bei, daß die in viskoelastischen Dichtungen auftretende Schwerkräfte nicht auf die Sensorelemente übertragen werden, wo sie zur Meßwertverfälschung oder auch zur vorzeitigen Zerstörung der Sensorfolie 2 führen würden, abgesehen von der Schutzwirkung gegen chemische Belastung (Dämpfe, Lösungsmittel, Wasser usw.). These protective films 3 contribute to that which occurs in viscoelastic seals gravitational forces are not transferred to the sensor elements, where they would lead to a falsification of measured values, or to premature destruction of the sensor film 2, apart from the protective effect against exposure to chemicals (vapors, solvents, water, etc. .). Nach Einlegen des so gestalteten Sensorelementes zwischen die Dichtungshälften 1 und Verkleben der sich berührenden Dichtungsflächen wird die Anordnung in einen entsprechenden Flansch eingelegt und einem Druck von etwa 2-3 MPa ausgesetzt. After inserting the thus constructed sensing element between the seal halves 1 and bonding of the contacting surfaces, the seal assembly is inserted in a corresponding flange and exposed to a pressure of about 2-3 MPa. Hierdurch entsteht einmal das nun ganzheitliche Dichtungselement, andererseits werden die verschiedenen Schichten und Oberflächen im eigentlichen Sensorbereich viskoelastisch aneinander angepaßt. In this way, once created, the now integral sealing element, on the other hand, the various layers and surfaces are adapted in the actual sensor area viscoelastic each other.

Zur Bestimmung von Druckkräften wird das Nachweisgerät an die am äußeren Dichtungsrand herausragenden Miniaturkoaxialstecker 6 angeschlossen. For determination of compressive forces, the detection device is connected to the protruded on the outer sealing rim Miniaturkoaxialstecker. 6 Wird die im Flansch liegende Flachdichtung einem Druck ausgesetzt, so wird durch die aktiven, polarisierten Sensorfelder 4 auf Grund des Wirkens des piezoelektrischen Effektes elektrische Ladung auf den metallisierten Kontaktflächen erzeugt, deren Größe durch das angeschlossene Meßgerät ermittelt wird. If the flat gasket which is in the flange exposed to a pressure so generated electric charge on the metallized contact surfaces by the active polarized sensor fields 4 due to the action of the piezoelectric effect, the size of which is determined by the connected meter. Die Ladungsmenge ist dem Druckanstieg bzw. -abfall proportional und folgt diesen Größen trägheitslos. The amount of charge is proportional to the pressure increase or -Slope and follows these sizes without inertia.

In einer weiteren Ausführungsform wird eine Flachdichtung beschrieben, mit der zusätzlich sowohl der Einfluß der Schwerkräfte auf die Sensoren als auch der Einfluß des Alterungsprozesses im Dichtungsmaterial (Setzen der Dichtung) untersucht bzw. überwacht werden kann. In another embodiment, a flat seal is described, both the influence of gravitational forces on the sensors as well as the influence of the aging process in the sealing material (setting the seal) can be investigated and monitored additionally with. Die zugehörige Abbildung zeigt in Fig. 2 eine schematische Darstellung der gegenseitigen Anordnung der aufgetrennten Dichtungshälften 1 , der Sensorfolie 2 mit den aktiven, bedampften Sensorfeldern 4 und der Schutzfolie 3 , die Aussparungen 5 aufweist. The accompanying figure shows in Fig. 2 is a schematic illustration of the mutual arrangement of the split seal halves 1, 2 of the sensor film with the active, steamed sensor arrays 4 and the protective film 3 having recesses 5.. Der grundsätzliche Aufbau der Flachdichtung und die Wirkungsweise der Sensoranordnung entspricht der in der ersten Ausführungsform beschriebenen. The basic structure of the flat gasket and the operation of the sensor arrangement corresponds to that described in the first embodiment. Die Anpassung der Anordnung an die zusätzlich zu erfassenden Meßgrößen erfolgt dadurch, daß in die Schutzfolie 3 Aussparungen 4 über einem oder einem Teil der Sensorfelder 4 eingebracht sind. The adaptation of the arrangement in which in addition to sensing measured variables takes place in that in the protective film 3 recesses 4 via one or a part of the sensor pads are incorporated. 4 Damit erfolgt eine direkte Messung der Scherkräfte mittels des an die jeweiligen Sensorfelder 4 angeschlossenen Nachweisgerätes. This results in a direct measurement of shear forces by means of the connected to the respective sensor arrays 4 Detection device.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen List of references used

1 Dichtungshälfte One seal half
2 Sensorfolie 2 sensor film
3 Schutzfolie 3 protector
4 Sensorfelder 4 sensor fields
5 Aussparung 5 recess
6 Miniaturkoaxialstecker 6 Miniaturkoaxialstecker
7 Leiterbahn 7 interconnect
8 Flansch 8 flange
9 Kontaktstelle 9 contact point
10 Flanschbohrung 10 Flange

Claims (3)

  1. 1. Flachdichtung mit stationärem Druckverteilungs- und Druckverlaufssensor, dadurch gekennzeichnet , daß in der aus zwei Dichtungshälften ( 1 ) bestehenden Flachdichtung zwischen zwei elektrisch isolierende, dampfundurchlässige Schutzfolien ( 3 ) eine aus einer flexiblen, piezoelektrischen Polymer- oder Polymer-Keramik-Komposit-Schicht bestehende Sensorfolie ( 2 ) angeordnet ist, die als Ein- oder Mehrelement-Sensor ausgebildet ist und mit aus der Flachdichtung herausgeführten elektrischen Signalableitungen verbunden ist. 1. Flat seal with stationary pressure distribution and pressure distribution sensor, characterized in that existing in the two halves of the seal (1) Flat seal between two electrically insulating, vapor-impermeable protective film (3) made of a flexible piezoelectric polymer or polymer-ceramic composite layer existing sensor film (2) is arranged, which is designed as a single- or multi-element sensor and is connected to leading out of the flat gasket electrical signal derivatives.
  2. 2. Flachdichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Schutzfolie ( 3 ) über den Sensorfeldern ( 4 ) Aussparungen ( 5 ) aufweist. 2. A flat gasket according to claim 1, characterized in that the protective film (3) over the sensor arrays (4) has recesses (5).
  3. 3. Flachdichtung nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Schutzfolie ( 3 ) aus Polyesterfolie besteht. 3. A flat gasket according to claims 1 and 2, characterized in that the protective foil (3) is made of polyester film.
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