CH702915A1 - Sensor mit verformungs-entkoppelter einspannungsvorrichtung. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sensor mit einer axialen Ausrichtung umfassend ein Gehäuse (2) mit einem Messelement (3) in einer Aussparung (11) und einer radial ausserhalb des Gehäuses (2) angeordneten Einspannvorrichtung (4) mit zwei sich gegenüber liegenden, quer zur Achsrichtung verlaufenden Flächen (5, 6) sowie eine Spannhülse (8) zur Montage der Einspannvorrichtung (4) an ein Bauteil (9). Die Einspannvorrichtung (4) wird im montierten Zustand an seiner ersten Fläche (5) an einem Absatz (10) des Bauteils (9) abgestützt und an seiner zweiten Fläche (6) von der Spannhülse (8), welche mit dem Bauteil (9) verschraubt ist, eingespannt. Erfindungsgemäss ist die Einspannvorrichtung (4) zwischen den beiden Flächen (5, 6) rohrförmig ausgestaltet und zum Bauteil (9) hin radial beabstandet angeordnet. Zudem ist sie einzig in ihrem mittleren Bereich durch einen schmalen Steg (7) mit dem Gehäuse (2) verbunden, sodass die Einspannvorrichtung (4) im Einsatz weder eine axiale noch eine radiale Verspannung vom Bauteil (9) auf das Gehäuse (2) überträgt. Somit wird eine Fehlmessung des Messelements (3) verhindert.

Description

Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung betrifft einen Sensor mit einer axialen Ausrichtung umfassend ein Gehäuse mit einem Messelement in einer Aussparung und einer radial ausserhalb des Gehäuses angeordneten Einspannvorrichtung mit zwei sich gegenüber liegenden, quer zur Achsrichtung verlaufenden Flächen sowie eine Spannhülse zur Montage der Einspannvorrichtung an ein Bauteil, wobei die Einspannvorrichtung im montierten Zustand an seiner ersten Fläche an einem Absatz des Bauteils abgestützt wird und an seiner zweiten Fläche von der Spannhülse, welche mit dem Bauteil verschraubt ist, eingespannt wird.

Stand der Technik

[0002] Die hier beschriebenen Sensoren werden beispielsweise an Strukturen eingesetzt, welche während des Messens starken Verformungen ausgesetzt sind. Beispiele sind Drucksensoren in Zylinderköpfen von Verbrennungsmotoren. Verformungen, die axial und/oder radial von der Struktur auf ein Gehäuse eines solchen Sensors einwirken, verformen auch die jeweils frontal angeordnete Membran eines solchen Sensors und verfälschen dadurch die Messung.

[0003] Bekannte Lösungen betreffen beispielsweise Entkopplungen von Sensorgehäuse und Struktur im Bereich des Sensors. Dadurch werden aber nur radiale, nicht aber axiale Verformungen entkoppelt.

[0004] Andere bekannte Lösungen betreffen ein Zurückversetzen des Sensors von der Wärmekammer. Die dadurch entstandene röhrenförmige Bohrung lässt aber eine Pfeifenschwingung zu, was sich auch störend auf die Messung auswirkt.

Darstellung der Erfindung

[0005] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen eingangs erwähnten Sensor mit Einspannvorrichtung anzugeben, der in heissen Gebieten einsetzbar ist, unempfindlich gegenüber axialen und radialen Verformungen des Bauteils ist sowie nicht durch Pfeifenschwingungen gestört wird.

[0006] Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, indem die Einspannvorrichtung zwischen den beiden Flächen rohrförmig ausgestaltet und zum Bauteil hin radial beabstandet angeordnet ist. Ihre einzige Verbindung zum Gehäuse bildet ein schmaler Steg, welcher im mittigen Bereich der Einspannvorrichtung angebracht ist. Die Einspannvorrichtung überträgt im Einsatz somit weder eine axiale noch eine radiale Verspannung vom Bauteil auf das Gehäuse und verhindert dadurch eine Fehlmessung des Messelements.

[0007] Weitere Erfindungsgemässe Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0008] Im Folgenden wird die Erfindung unter Beizug der Zeichnungen näher erklärt. Es zeigen <tb>Fig. 1<sep>ein Sensor mit einem Gehäuse und einem Messelement in einer dafür vorgesehenen Aussparung; <tb>Fig. 2<sep>ein Sensor nach Fig. 1im eingebauten Zustand nach dem Stand der Technik; <tb>Fig. 3<sep>ein frontdichtender Sensor im eingebauten Zustand nach dem Stand der Technik; <tb>Fig. 4<sep>ein verschraubter frontdichtender Sensor im eingebauten Zustand nach dem Stand der Technik; <tb>Fig. 5<sep>ein verbesserter schulterdichtender Sensor im eingebauten Zustand nach dem Stand der Technik; <tb>Fig. 6<sep>ein verbesserter frontdichtender Sensor im eingebauten Zustand nach dem Stand der Technik; <tb>Fig. 7<sep>ein erfindungsgemässer frontdichtender Sensor im eingebauten Zustand; <tb>Fig. 8<sep>ein erfindungsgemässer schulterdichtender Sensor im eingebauten Zustand; <tb>Fig. 9<sep>ein erfindungsgemässer schulterdichtender Sensor im eingebauten Zustand mit Hitzeschild.

Wege zur Ausführung der Erfindung

[0009] Fig. 1 zeigt einen gebräuchlichen Sensor 1 mit einem Gehäuse 2 mit einem Messelement 3 in einer darin vorgesehenen Aussparung 11. Das Gehäuse 2 ist axial aufgebaut und frontseitig mit einer Membran 14 verschlossen, hinter der in dieser Ausführung ein Druckstempel 15 angebracht ist. Dieser kann einen frontal auf die Membran 14 wirkenden Druck auf das Messelement 3 übertragen.

[0010] Üblicherweise werden piezoelektrische oder optische Messelemente 3 eingesetzt. Der Aufbau nach Fig. 1ist nur ein möglicher, typischer Aufbau eines Sensors 1. Andere Konstruktionen sind auch gebräuchlich und bilden ebenfalls die Grundlagen der weiter dargestellten Aufbauten.

[0011] Die Fig. 2 bis 6 bilden Sensoren 1 mit Einspannvorrichtungen nach dem Stand der Technik. In Fig. 2 ist ein Sensor 1 nach Fig. 1 dargestellt, der schlicht in ein Bauteil 9 eingeschraubt ist. Über das Montagegewinde 16 gelangen sowohl axiale als auch radiale Verformungen ins Gehäuse 2 zum Messelement 3.

[0012] Fig. 3 zeigt einen stirndichtenden Sensor 1, der nicht direkt eingeschraubt ist wie der Sensor 1 in Fig. 2, sondern sich an einem vorderen Absatz 10 am Bauteil 9 abstützt. Gehalten wird das Gehäuse 2 rückseitig mittels einer Spannhülse 8, welche an einem Montagegewinde 16 am Bauteil 9 befestigt wird.

[0013] In dieser Anordnung gelangen radiale Verformungen vom Bauteil 9 über den Absatz 10 über sehr kurze Wege zum Messelement, beispielsweise bei starker Erwärmung des Bauteils 9. Zudem stauchen axiale Verformungen beim Einschrauben einer für die Montage vorgesehene Spannhülse 8 das Gehäuse 2, was sich ebenfalls über die Membran 14 auf das Messelement 3 auswirkt.

[0014] In Fig. 4 ist ein weiterer stirndichtender Sensor 1 dargestellt. In Gegensatz zur Anordnung in Fig. 2oder 3 ist das Gehäuse 2 frontseitig in ein Rohr ausgestaltet, welches radial beabstandet zum Bauteil 9 angeordnet ist. Dadurch gelangen radiale Verformungen über den Absatz 10 kaum noch zum Messelement 3. Dafür stauchen axiale Verformungen zwischen dem Absatz 10 und dem Montagegewinde 16 das Gehäuse 1 im Bereich um das Messelement 3. Auch die axialen und radialen Verformungen am Montagegewinde 16 wirken sich auf kurzen Wegen auf das Messelement 3 aus.

[0015] Eine ähnliche Anordnung wie in Fig. 3ist in Fig. 5gezeigt, allerdings als schulterdichtender Sensor. Bei diesen Sensoren 1 ist der vordere Bereich des Gehäuses 2 berührungsfrei zum Bauteil 9 angeordnet. Da der Gehäuseteil 2 im Bereich des Messelements 3 vollkommen freigestellt ist, ist das Messelement 3 nicht von störenden Verformungen betroffen. Der Nachteil einer solchen Anordnung ist aber, dass in heissen Prozessen die grosse, der Beheizung ausgesetzten Oberfläche der Stirnseite des Gehäuses 2 sowie der Membran 14 zur Überhitzung und schliesslich zur Zerstörung des Sensors 1 führen kann.

[0016] In Fig. 6 wurde dieses Problem dadurch gelöst, dass der Sensor 1 wieder stirndichtend ausgeführt wurde, wobei das Messelement 3 im Gehäuse 2 weit zurückversetzt angeordnet ist. Auch hier ist der gesamte das Messelement 3 umfassende Gehäusebereich 2 vollkommen freigestellt und somit nicht von Verformungen betroffen. Zwingend ist hier der freigestellte grosse axiale Abstand zwischen dem hinteren Ende des Montagegewindes 16 und der Membran 14. In dem langen, vor der Membran 14 vorherrschenden Kanal 17 entstehen Pfeifenschwingungen, welche sich wiederum störend auf die Messung auswirkt. Zudem kann Wärme, welche in den. Sensor 1 einfliesst, schlecht abgeführt werden.

[0017] Es zeigt sich, dass stets bei dem Versuch, ein Problem zu beheben, ein neues Problem auftritt.

[0018] Die nun beschriebenen Anordnungen von erfindungsgemässen Sensoren 1 der Fig. 7, 8 und 9 sollen nun sämtliche, oben aufgeführte Probleme beheben und keine neuen mehr generieren.

[0019] In Fig. 7 ist ein erfindungsgemässer stirndichtender Sensor 1 angegeben. Er umfasst wiederum ein Gehäuse 2 mit einem Messelement 3 in einer darin vorgesehenen Aussparung 11. Das Gehäuse 2 ist axial aufgebaut und frontseitig mit einer Membran 14 verschlossen, hinter der in dieser Ausführung ein Druckstempel 15 angebracht ist. Dieser kann einen frontal auf die Membran 14 wirkenden Druck auf das Messelement 3 übertragen, wie in Fig. 1 durch Pfeile dargestellt. Andere Aufbauten sind auch möglich.

[0020] Radial ausserhalb des Gehäuses 2 ist eine Einspannvorrichtung 4 angeordnet mit zwei sich gegenüber liegenden, quer zur Achsrichtung verlaufenden Flächen 5, 6. Zur Montage ist eine Spannhülse 8 vorgesehen, welche im montierten Zustand die Einspannvorrichtung 4 an ein Bauteil 9 klemmt. Dabei wird die Einspannvorrichtung 4 an seiner ersten Fläche 5 an einem Absatz 10 des Bauteils 9 abgestützt und an seiner zweiten Fläche 6 von der Spannhülse 8, welche mit dem Bauteil 9 verschraubt ist, eingespannt. Die Fläche 6 entspricht in dieser Anordnung keiner Schnittfläche, da dieser Teil der Einspannvorrichtung 4 mit der Spannhülse 8 verbunden ist. Die theoretische Fläche 6 definiert aber das Ende der Einspannvorrichtung 4.

[0021] Erfindungsgemäss ist die Einspannvorrichtung 4 zwischen den beiden Flächen 5, 6 rohrförmig ausgestaltet und umfasst zwei Teile 4a, 4b, welche jedes für sich axial viel länger sein muss als seine Wandstärke. Dadurch wird eine radiale Kraft, welche vom Bauteil 9 über eine der Flächen 5, 6 in die Teile 4a, 4b der Einspannvorrichtung eingeleitet werden, radial nicht übertragen. Zudem ist die Einspannvorrichtung 4 zum Bauteil 9 hin radial beabstandet angeordnet und mit dem Gehäuse 2 einzig in ihrem mittleren Bereich durch einen schmalen Steg 7 verbunden, sodass die Einspannvorrichtung 4 im Einsatz weder eine axiale noch eine radiale Verspannung vom Bauteil 9 auf das Gehäuse 2 überträgt. Dadurch wird eine Fehlmessung des Messelements 3 verhindert.

[0022] Entscheidend bei dieser Anordnung ist, dass im Bereich des Steges 7 sowie im ganzen Bereich der Einspannvorrichtung 4, welche sich axial beidseits des Stegs 7 über die langen, rohrförmigen Teile 4a, 4b erstreckt, ein Spalt 18 in axialer Richtung zum Bauteil 9 vorgesehen ist. Das Gehäuse 2 ist vorzugsweise ausser im Bereich des Steges 7 und der Kabelführung 12 beabstandet zu allen weiteren Komponenten 4, 8, 9 angeordnet.

[0023] Eine Verformung kann somit über das Bauteil 9 nur an den Endbereichen über die Flächen 5, 6 über die beiden Teile der Einspannvorrichtung 4a, 4b und über den Steg 7 in das Gehäuse 2 gelangen. Die beiden Teile der Einspannvorrichtung 4a, 4b beidseits des Steges 7 wirken dabei als Feder, weil sie lang ausgestaltet sind im Gegensatz zu ihrer radialen Wandstärke WE.

[0024] Die axiale Länge LE der Einspannvorrichtung 4 sollte im optimalen Fall mindestens fünfmal, vorzugsweise mindestens zehn Mal so gross sein wie deren Wandstärke WE im rohrförmigen Bereich.

[0025] Die Wandstärke WE der Einspannvorrichtung 4 im rohrförmigen Bereich 4a, 4b sollte vorzugsweise mindestens dreimal, vorzugsweise mindestens fünfmal kleiner sein wie die Wandstärke WG des Gehäuses 2 im Bereich des Messelementes 3. Dadurch wird gewährleistet, dass die Einspannvorrichtung 4 viel weicher ist als das Gehäuse, wodurch weniger radiale Kräfte übertragen werden.

[0026] Der Steg 7 ist dabei axial vergleichsweise kurz gegenüber der axialen Länge LA der Aussparung 11 im Gehäuse 2 für das Messelement 3. Das Längenverhältnis sollte mindestens 1:2, vorzugsweise mindestens 1:4 sein. Dadurch wird verhindert, dass sich axiale Verzerrungen vom Bauteil 9 auf das Messelement 3 übertragen.

[0027] Vorzugsweise ist der Steg 7 mit dem Gehäuse 2 einstückig verbunden. Dies ist aber nicht zwingend, denn der Steg 7 kann auch als Ring ausgestaltet angebracht oder aufgesetzt sein.

[0028] Zudem kann der Steg 7 mit einem oder beiden der daran angrenzenden Teile der Einspannvorrichtung 4a, 4b mit entsprechend einer oder beiden der Abstützflachen 5, 6 einstückig verbunden sein. In Fig. 7 ist der Steg 7 mit dem Teil 4a der Einspannvorrichtung und der der Abstützflache 5 einstückig verbunden. Entsprechend ist die Spannhülse 8 mit dem daran angrenzenden rohrförmigen Teil 4b der Einspannvorrichtung an seiner Einspannfläche 6 einstückig verbunden.

[0029] Es könnten auch, wie hier nicht dargestellt, beide Teile der Einspannvorrichtung 4a, 4b mit dem Steg 7 einstückig und allenfalls dieser wiederum einstückig mit dem Gehäuse 2 verbunden sein.

[0030] Wie in Fig. 7 dargestellt ist der Steg 7 am vorderen Ende des Gehäuses 2 angebracht. Somit ist der Sensor 1 ein frontdichtender Sensor und die Abstützflache 5 ist die vorderste Front des Sensors 1.

[0031] In Fig. 8 ist eine andere Ausführung eines erfindungsgemässen Sensors 1 angegeben. Im Gegensatz der Ausführung in Fig. 7ist diese Ausführung schulterdichtend. Derer Frontbereich des Sensorgehäuse 2 ist axial nach aussen von einem Spalt umgeben, der Steg 7 ist zurückversetzt vom vorderen Ende des Gehäuse 2 angebracht.

[0032] Ansonsten unterscheidet sich diese Ausführung in Fig. 8 von der in Fig. 7, dass der Teil 4a der Einspannvorrichtung ein Ring ist, der nicht mit dem Steg 7 verbunden ist. Ebenso könnte der Teil 4b der Einspannvorrichtung mit einer Einspannfläche 6 als Ring ausgestaltet und nicht mit der Spannhülse 8 einstückig verbunden sein.

[0033] In Fig. 9 ist eine weitere Anordnung eines erfindungsgemässen schulterdichtenden Sensors 1 angegeben. Dieser entspricht weitgehend der Ausführung in Fig. 8, wobei der Ring als Teil 4a der Einspannvorrichtung axial länger ausgestaltet ist und frontal über den Bereich des Gehäuses 2 hinausragt. In Axialrichtung vor dem Sensor 1 ist zudem ein Hitzeschild 13 angebracht, um die Wärmezufuhr zum Sensor zu reduzieren.

[0034] Die erfindungsgemässen Anordnungen in den Fig. 7-9zeichnen sich alle durch eine Verformungsentkoppelte Einspannung aus mit einer Einspannvorrichtung 4, welche weder radial noch axial Verformungen oder Spannungen übertragen kann. Insbesondere können solche erfindungsgemässe Sensoren 1 als Druck, Kraft- oder Beschleunigungssensoren ausgestaltet sein, vorzugsweise mit piezoelektrischen Messelementen 3. Vorteilhafterweise sind diese Sensoren 1 wärmebeständig ausgestaltet zum Messen von Vorgängen in Brennräumen von Verbrennungsmotoren, insbesondere in Zylinderköpfen.

Bezugszeichenliste

[0035] <tb>1<sep>Sensor <tb>2<sep>Gehäuse <tb>3<sep>Messelement <tb>4<sep>Einspannvorrichtung <tb><sep>4a, 4b: rohrförmige Teile der Einspannvorrichtung <tb>5<sep>Erste Fläche der Einspannvorrichtung, Abstützflache <tb>6<sep>Zweite Fläche der Einspannvorrichtung, Einspannfläche <tb>7<sep>Steg <tb>8<sep>Spannhülse <tb>9<sep>Bauteil <tb>10<sep>Absatz <tb>11<sep>Aussparung <tb>12<sep>Kabelführung <tb>13<sep>Hitzeschild <tb>14<sep>Membran <tb>15<sep>Druckstempel <tb>16<sep>Montagegewinde <tb>17<sep>Kanal <tb>18<sep>Spalt <tb>LE<sep>Axiale Länge der Einspannvorrichtung <tb>LS<sep>Axiale Länge des Steges <tb><sep>Axiale Länge der Aussparung <tb>WE<sep>Wandstärke der Einspannvorrichtung <tb>WG<sep>Wandstärke des Gehäuses

Claims (13)

1. Sensor mit einer axialen Ausrichtung umfassend ein Gehäuse (2) mit einem Messelement (3) in einer Aussparung (11) und einer radial ausserhalb des Gehäuses (2) angeordneten Einspannvorrichtung (4) mit zwei sich gegenüber liegenden, quer zur Achsrichtung verlaufenden Flächen (5, 6) sowie eine Spannhülse (8) zur Montage der Einspannvorrichtung (4) an ein Bauteil (9), wobei die Einspannvorrichtung (4) im montierten Zustand an seiner ersten Fläche (5) an einem Absatz (10) des Bauteils (9) abgestützt wird und an seiner zweiten Fläche (6) von der Spannhülse (8), welche mit dem Bauteil (9) verschraubt ist, eingespannt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspannvorrichtung (4) zwischen den beiden Flächen (5, 6) rohrförmig ausgestaltet und zum Bauteil (9) hin radial beabstandet angeordnet ist und einzig in ihrem mittleren Bereich durch einen schmalen Steg (7) mit dem Gehäuse (2) verbunden ist.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Länge LE der Einspannvorrichtung (4) mindestens fünfmal, vorzugsweise mindestens zehnmal so gross ist wie deren Wandstärke WE im rohrförmigen Bereich.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke WE der Einspannvorrichtung (4) im rohrförmigen Bereich (4a, 4b) mindestens dreimal, vorzugsweise mindestens fünfmal kleiner ist wie die Wandstärke WG des Gehäuses (2) im Bereich des Messelementes (3).

4. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Länge LS des Steges (7) höchstens halb so gross, vorzugsweise höchstens ein Viertel so gross ist wie die axiale Länge LA der Aussparung (11) im Gehäuse (2) für das Messelement (3).

5. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) ausser im Bereich des Steges (7) und der Kabelführung (12) beabstandet zu weiteren Komponenten (4, 8, 9) angeordnet ist.

6. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (7) mit dem Gehäuse (2) einstückig verbunden ist.

7. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (7) mit einem oder beiden der daran angrenzenden Teile der Einspannvorrichtung (4a, 4b) mit entsprechend einer oder beiden der Abstützflachen (5, 6) einstückig verbunden ist.

8. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannhülse (8) mit dem daran angrenzenden rohrförmigen Teil der Einspannvorrichtung (4b) an seiner Einspannfläche (6) einstückig verbunden ist.

9. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (7) am vorderen Ende des Gehäuses (2) angebracht ist, um einen frontdichtenden Sensor zu schaffen.

10. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (7) zurückversetzt vom vorderen Ende des Gehäuses (2) angebracht ist, um einen schulterdichtenden Sensor zu schaffen.

11. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Axialrichtung vor dem Sensor ein Hitzeschild (13) angebracht ist, um die Wärmezufuhr zum Sensor zu reduzieren.

12. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein Druck-, Kraft- oder Beschleunigungssensor, insbesondere ein piezoelektrischer Sensor ist.

13. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor wärmebeständig ausgestaltet ist zum Messen von Vorgängen in Brennräumen von Verbrennungsmotoren, insbesondere in Zylinderköpfen.