AT502125B1

AT502125B1 - Piezoelektrische sensoreinrichtung

Info

Publication number: AT502125B1
Application number: AT0167806A
Authority: AT
Inventors: Richard Schauperl; Peter Prenninger; Johannes Macher
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2006-10-09
Filing date: 2006-10-09
Publication date: 2008-05-15
Also published as: US20080083284A1; AT502125A2; DE102007047628A1; US7661322B2

Description

2 AT 502 125 B1

Die Erfindung betrifft eine piezoelektrische Sensoreinrichtung, insbesondere für eine Mikrowaage, mit einem Sensorgehäuse und einer Halterung zur Aufnahme eines piezoelektrischen Sensorelementes.

Bekannte piezoelektrische Sensoreinrichtungen weisen piezoelektrische Sensorelemente mit kreisrundem Querschnitt auf, welche in einer speziellen Hochtemperaturhalterung für rundes Kristalldesign gehalten sind. Ein schnelles Wechseln der Kristalle ist allerdings mit dieser Halterung nicht möglich. Weiters erfordert das runde Kristalldesign eine relativ platzaufwendige Bauform.

Es sind zwar Halterungen für Druck- und Kraftsensoren bekannt, welche sich jedoch für die Aufnahme eines Resonatorelementes nicht eignen. So ist aus der EP 0 394 540 B1 eine Halterung für einen piezoelektrischen, röhrchenförmigen Drucksensor geoffenbart, bei welchem ein piezokeramisches Röhrchen zwischen einer Membran und einer Halterung eingespannt ist.

Aus der DE 40 02 790 A1 ist ein Messwertgeber zum Ermitteln von Druckänderungen in Rohren bekannt, bei welchem ein piezoelektrisches Element mit einer Klemmvorrichtung am äußeren Umfang eines Rohres befestigt wird. Das piezoelektrische Element befindet sich allerdings nicht in Kontakt mit dem Fluidstrom.

Aus der EP 0 768 532 A2 ist ein Beschleunigungssensor mit einem zweiteiligen piezoelektrischen Element bekannt. Ein Verbiegen des Sensorelementes durch Beschleunigungskräfte bewirkt eine Spannungsänderung im piezoelektrischen Element. Eine Resonatoranwendung ist nicht geoffenbart.

Aus der US 2005/150305 A1 ist eine Messapparatur bekannt, die einen einseitig eingespannten Sensorstab zeigt, welcher bei einer mechanischen Belastung ein der Belastung proportionales Signal abgibt. Dabei wird der piezo-resistive Effekt in Zusammenschaltung mit einer Messbrücke genutzt.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und bei einer Sensoreinrichtung der eingangs genannten Art ein rasches Wechseln des piezoelektrischen Sensorelementes zu ermöglichen.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass die Halterung durch ein Klemmelement gebildet ist, welches zumindest einen elastischen, ersten Arm zur klemmenden Halterung des Kontaktbereichs eines im Wesentlichen streifenförmigen, piezoelektrischen Resonatorelementes aufweist, dessen Messbereich vom zu messenden Fluidstrom beaufschlagt ist, wobei die Klemmeinrichtung beispielsweise einen unelastischen, zweiten Arm aufweist.

Der erste und der zweite Arm sind dabei voneinander beabstandet, so dass das Resonatorelement zwischen erstem und zweitem Arm der Halterung einschiebbar ist.

Dabei kann vorgesehen sein, dass der erste und der zweite Arm von einer vorzugsweise zylinderförmigen Grundplatte in axialer Richtung hervorspringend ausgebildet sind.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Halterung in ein vorzugsweise zylindrisches Führungsund Schutzelement, zumindest teilweise, einsetzbar ist.

Das Sensorgehäuse kann mehrteilig ausgeführt sein und einen ersten und einen zweiten Sensorgehäuseteil aufweisen, welche vorzugsweise über ein Gewinde miteinander verbindbar sind. In einer ersten Ausführungsvariante ist das Führungs- und Schutzelement in das Sensorgehäuse, vorzugsweise in einen hohlzylindrischen zweiten Sensorgehäuseteil, einsetzbar.

Alternativ ist es auch möglich, dass das Führungs- und Schutzelement in einer Bohrung eines 3 AT 502 125 B1

Ringes, vorzugsweise eines Keramikringes, eingesetzt, vorzugsweise eingeklebt ist, und dass der Ring in einen zweiten Sensorgehäuseteil des Sensorgehäuses eingesetzt ist.

Dabei kann vorgesehen sein, dass das Führungs- und Schutzelement zum Teil in einem, vorzugsweise als Anschweißnippel ausgebildeten dritten Sensorgehäuseteil angeordnet ist, welcher mit einem den Ring aufnehmenden zweiten Sensorgehäuseteil verbunden ist.

Bei der zweiten Ausführungsvariante der Erfindung werden Halterung und Führungs- und Schutzelement in einem Ring aus Keramik eingeklebt. Die Oberflächen des Rings werden als Dichtflächen verwendet.

Bei dieser Variante besteht das Sensorgehäuse aus einem ersten, einem zweiten und einem dritten Sensorgehäuseteil. Der zweite Sensorgehäuseteil wird dabei mit dem dritten Sensorgehäuseteil verbunden, beispielsweise durch Schweißen.

Im zweiten Sensorgehäuseteil ist das Führungs- und Schutzelement samt dem Ring eingesetzt. Der dritte Sensorgehäuseteil ist durch einen Anschweißnippel gebildet und wird an ein Rohrleitungssystem angeschweißt. Der erste Bauteil ist in diesem Fall eine Verschlusskappe, die mit dem zweiten Bauteil über ein Gewinde verbunden sein kann.

Um eine sichere Aufnahme des Resonatorelementes zu ermöglich, ist es vorteilhaft, wenn der erste und/oder zweite Arm der Klemmeinrichtung gekrümmt ausgeführt ist. Die Halterung besteht vorteilhafterweise aus einer spanend bearbeitbaren Glaskeramik, welche keinerlei Porosität besitzt. Sie dient zur seitlichen Kontaktierung und Stabilisierung des Resonatorelementes, welches besonders vorteilhaft durch einen GaP04-Streifenresonator (Strip-Resonator) gebildet ist. Durch die Federwirkung des ersten Armes des Klemmelementes ist diese Funktion auch bei Temperaturänderungen erfüllt. Die speziell für Strip-Resonatoren konstruierte Halterung kann an die Größe des eingesetzten Strip-Resonators angepasst werden. Die Halterung ist hochtemperaturfest und gasdicht ausgeführt.

Wie die Halterung kann auch das Führungs- und Schutzelement aus Glaskeramik bestehen. Die Halterung wird dabei in das Innere des zylindrischen Führungs- und Schutzelementes geschoben. Dadurch wird die Halterung samt dem Resonatorelement geführt und vor äußeren Einflüssen geschützt.

Das Sensorgehäuse besteht aus mehreren, beispielsweise zwei oder drei, Metallteilen. Diese positionieren gasdicht Führungs- und Schutzelement, Halterung und Resonatorelement im zu messenden Gasstrom. Die Metallteile werden miteinander über ein Gewinde verbunden.

Das Sensorgehäuse wird gasdicht über eine anschweißbare Schneidringverschraubung an ein Rohrleitungssystem angebracht.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.

Es zeigen Fig. 1 eine erfindungsgemäße Sensoreinrichtung in einer ersten Ausführungsvariante in einer Schrägansicht, Fig. 2 die Sensoreinrichtung in einem Längsschnitt gemäß der Linie ll-ll in Fig. 1, Fig. 3 ein Führungs- und Schutzelement mit Halter und Sensorelement in einer Schrägansicht, Fig. 4 eine Halterung der Sensoreinrichtung in einer Schrägansicht, Fig. 5 die Halterung in einer Seitenansicht, Fig. 6 ein Führungs- und Schutzelement in einer Schrägansicht, Fig. 7 das Führungs- und Schutzelement in einem Längsschnitt, Fig. 8 eine Einbausituation der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung in einer zweiten Ausführungsvariante in einer Schrägansicht, Fig. 9 einen ersten Sensorgehäuseteil der Sensoreinrichtung aus Fig. 8 in einer Schrägansicht, Fig. 10 einen zweiten Sensorgehäuseteil der Sensoreinrichtung aus Fig. 8 in einer Schrägansicht, Fig. 11 einen dritten Sensorgehäuseteil der Sensoreinrichtung aus Fig. 8 in einer Schrägansicht, Fig. 12 den Ring der Sensoreinrichtung aus Fig. 8 in einer Schrägan- 4 AT 502 125 B1 sicht, Fig. 13 ein piezoelektrisches Sensorelement in einer Seitenansicht gemäß dem Pfeil XIII in Fig. 14, Fig. 14 das Sensorelement in einer Ansicht gemäß dem Pfeil XIV in Fig. 13 und Fig. 15 das Sensorelement in einer Ansicht gemäß dem Pfeil XV in Fig. 13.

Fig. 1 und Fig. 2 zeigen eine piezoelektrische Sensoreinrichtung 1 mit einem Sensorgehäuse 2, bestehend aus einem ersten Sensorgehäuseteil 2a und einem zweiten Sensorgehäuseteil 2b. Die metallischen Sensorgehäuseteile 2a, 2b positionieren gasdicht ein zylindrisches Führungsund Schutzelement 3 in einem zu messenden Gasstrom. Das Führungs- und Schutzelement 3 dient zur Aufnahme einer Halterung 4 für ein als streifenförmiges Resonatorelement (Strip-Resonator) ausgebildetes Sensorelement 30, welches in Fig. 13 und Fig. 14 im Detail dargestellt ist. Über eine Öffnung 5 im unteren Sensorgehäuseteil 2b und einen Schlitz 6 im zylindrischen Führungs- und Schutzelement 3 ist das Resonatorelement 30 mit dem zu messenden Gasstrom verbunden.

Die Fig. 3 bis Fig. 5 zeigen die Halterung 4 im Detail. Die hochtemperaturfest ausgebildete Halterung 4 weist ein Klemmelement 7, bestehend aus einem elastischen Arm 7a und einem unelastischen Arm 7b, auf. Zwischen dem elastischen ersten Arm 7a und dem unelastischen zweiten Arm 7b ist eine Freistellung 8 ausgebildet, welche zur Aufnahme des Sensorelementes 30 dient. Die beiden Arme 7a, 7b sind auf einer im wesentlichen kreisförmigen Grundplatte 9 angeordnet. Die Anordnung besteht aus einer spanend bearbeitbaren Glaskeramik, die keine Porosität besitzt. Sie dient zur seitlichen Kontaktierung und Stabilisierung des durch einen GaP04-Streifen-Resonator gebildeten Sensorelementes 30. Durch die Federwirkung des ersten Armes 7a des Klemmelementes 7 ist diese Funktion auch bei Temperaturänderungen erfüllt. Die Halterung 4 weist dabei eine elektrisch leitende Beschichtung, beispielsweise eine Platinbeschichtung, auf, wobei die Beschichtungsbereich der beiden Arme 7a, 7b elektrisch voneinander getrennt und mit jeweils einem elektrischen Anschluss 17a, 17b leitend verbunden sind.

Die Halterung 4 wird in das Innere des zylindrische Führungs- und Schutzelementes 3 geschoben. Dadurch wird die Halterung 4 samt dem Resonatorelement 30 geführt und vor äußeren Einflüssen geschützt. Die Fig. 6 und Fig. 7 zeigen Details des Führungs- und Schutzelementes 3.

Das Sensorgehäuse 2 der Sensoreinrichtung 1 wird gasdicht über eine anschweißbare Schneidringverschraubung an einem Rohrleitungssystem 11 angebracht.

Die Fig. 8 bis Fig. 12 zeigen eine zweite Ausführungsvariante einer Sensoreinrichtung 1. Das Sensorgehäuse 2 der Sensoreinrichtung 1 besteht aus einem ersten 2a, einem zweiten 2b und einem dritten Sensorgehäuseteil 2c. Wie bei der in den Fig. 1 bis Fig. 7 dargestellten ersten Ausführung, werden für die seitliche Kontaktierung und Führung des Resonatorelementes 30 eine Halterung 4 mit einem Klemmelement 7 und ein zylindrisches Führungs- und Schutzelement 3 eingesetzt. Die Halterung 4 und das zylindrische Führungs- und Schutzelement 3 werden in eine Bohrung 12 eines Ringes 13 aus Keramik eingeklebt. Die Hauptflächen des Ringes 13 werden dabei als Dichtflächen verwendet.

Das Sensorgehäuse 2 setzt sich aus drei Sensorgehäuseteilen zusammen. Der zweite Sensorgehäuseteil 2b und der dritte Sensorgehäuseteil 2c werden miteinander fest verbunden, beispielsweise verschweißt. In den zweiten Bauteil 2b wird der Ring 13 samt dem zylindrischen Führungs- und Schutzelement 3 und der Halterung 4 mit dem Sensorelement 30 eingesetzt. Der dritte Sensorgehäuseteil 2c ist ein Anschweißnippel und wird an das Rohrleitungssystem 11 angeschweißt. Der erste Sensorgehäuseteil 2a ist eine Verschlusskappe, die mit dem zweiten Sensorgehäuseteil 2b über ein Gewinde 14 verbunden wird. Zusätzlich werden Kupferdichtringe 15, 16 als Dichtung eingesetzt.

Die Fig. 13 bis Fig. 15 zeigen ein durch einen GaP04-Streifen-Resonator gebildetes Resonatorelement 30 samt Beschichtung. Mit 31a ist der in die Halterung 4 eingespannte Kontaktbereich

Claims

5 AT 502 125 B1 bezeichnet. Der Messbereich 31b wird vom zu messenden Gasstrom beaufschlagt. Die schraffierte Fläche deutet Elektroden 32a, 32b, beispielsweise Platinelektroden, an, welche sich jeweils vom Messbereich 31b bis zum Kontaktbereich 31a und den Kanten 33a, 33b erstrecken. An den Kanten 33a, 33b erfolgt die elektrische Kontaktierung über den ersten und zweiten Arm 7a, 7b. Im Messbereich 31b ist eine katalytische Nickelschicht vorgesehen. Patentansprüche: 1. Piezoelektrische Sensoreinrichtung (1), insbesondere für eine Mikrowaage, mit einem Sensorgehäuse (2) und einer Halterung (4) zur Aufnahme eines piezoelektrischen Sensorelementes, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterung (4) durch ein Klemmelement (7) gebildet ist, welches zumindest einen elastischen ersten Arm (7a) zur klemmenden Halterung des Kontaktbereichs eines im Wesentlichen streifenförmigen, piezoelektrischen Resonatorelementes (30) aufweist, dessen Messbereich vom zu messenden Fluidstrom beaufschlagt ist.
2. Sensoreinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmeinrichtung (7) einen vorzugsweise unelastischen zweiten Arm (7b) aufweist.
3. Sensoreinrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Arm (7a) vom zweiten Arm (7b) beabstandet ist, so dass das Resonatorelement (30) zwischen erstem und zweitem Arm (7a, 7b) der Halterung einschiebbar ist.
4. Sensoreinrichtung (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Arm (7a, 7b) von einer vorzugsweise zylinderförmigen Grundplatte (9) in axialer Richtung hervorspringend ausgebildet sind.
5. Sensoreinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterung (4) in ein vorzugsweise zylindrisches Führungs- und Schutzelement (3), zumindest teilweise, einsetzbar ist.
6. Sensoreinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorgehäuse (2) einen ersten und einen zweiten Sensorgehäuseteil (2a, 2b) aufweist, welche vorzugsweise über ein Gewinde (14) miteinander verbindbar sind.
7. Sensoreinrichtung (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Führungs- und Schutzelement (3) in das Sensorgehäuse (2), vorzugsweise in einen hohlzylindrischen zweiten Sensorgehäuseteil (2b), einsetzbar ist.
8. Sensoreinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Führungs- und Schutzelement (3) in einer Bohrung (12) eines Ringes (13), vorzugsweise eines Keramikringes, eingesetzt, vorzugsweise eingeklebt ist, und dass der Ring (13) in einen zweiten Sensorgehäuseteil (2b) des Sensorgehäuses (2) eingesetzt ist.
9. Sensoreinrichtung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Führungs- und Schutzelement (3) zum Teil in einem, vorzugsweise als Anschweißnippel ausgebildeten dritten Sensorgehäuseteil (2c) angeordnet ist, welcher mit einem den Ring (13) aufnehmenden zweiten Sensorgehäuseteil (2b) verbunden ist.
10. Sensoreinrichtung (1) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Sensorgehäuseteil (2a) als Verschlusskappe ausgebildet ist.
11. Sensoreinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und/oder zweite Arm (7a, 7b) der Klemmeinrichtung (7) gekrümmt ausgeführt ist. 6 AT 502 125 B1
12. Sensoreinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterung (4) aus einer vorzugsweise spanend bearbeiteten Glaskeramik besteht.
13. Sensoreinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Führungs- und Schutzelement (3) aus Glaskeramik besteht.
14. Sensoreinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorgehäuse (2) aus Metall besteht.
15. Sensoreinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterung (4) hochtemperaturfest und gasdicht ausgeführt ist. Hiezu 4 Blatt Zeichnungen