DE4101871A1 - Flachdichtung mit stationaerem druckverteilungs- und druckverlaufssensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Flachdichtung mit stationärem Druckverteilungs- und Druckverlaufssensor. 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.

Zur Messung von Druckkräften sind zahlreiche Verfahren bekannt, die sich auf verschiedene Wandlereffekte zur Umsetzung der mechanischen Meßgrößen in elektrische Signale stützen. Dabei wird im allgemeinen eine durch die mechanische Meßgröße verursachte Geometrieänderung als Grundlage für das Meßprinzip benutzt. So ist aus Bur, A. J.; Roth, S. C.; "Characterization of Polyvinylidene Fluoride Pressure Transducers"; Proc. 5th Intern. Symp. Elektrets, Heidelberg 1985, 712 und Wübbenhorst, M.; Günther, M.; "Sensoren auf der Basis von Polymeren"; Wiss. Z. Techn. Univ. Dresden 36 (1987), 2, 53 der Einsatz von Dehnungsmeßstreifen, induktiven Wegaufnehmern sowie kapazitiven und piezoelektrischen Drucksensoren bekannt.

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. Dazu wurden beispielsweise resistive Dehnungsmeßstreifen benutzt. Diesem Verfahren haftet der Mangel an, daß für eine Rückrechnung auf die eigentlichen Flanschkräfte komplexe Modelle erforderlich wären. 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.

Direkte Meßverfahren sind bisher nicht bekannt. Ein Grund hierfür wird insbesondere darin gesehen, daß der Einbau von Sensoren in den unmittelbaren Bereich der Dichtung die eigentliche Dichtfunktion stört. Hinzu kommt, daß abzuschätzen ist, daß die Miniaturisierung resistiver, induktiver oder kapazitiver Sensoren die Meßempfindlichkeit unakzeptabel reduzieren würde.

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. Eine Übernahme dieser Lösung für den hierfür vorgesehenen Zweck im Sinne einer Druckmeßmatte würde bedeuten, daß das Dichtungsmaterial gleichzeitig als Dielektrikum fungiert. Hier steht der Forderung nach elastischer Verformung die nach viskoelastischem Fließverhalten beim Dichtungsprinzip entgegen. Die Meßgenauigkeit würde insbesondere bei kleineren Dichtungen in starkem Maße eingeschränkt.

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. Diese nutzen das Prinzip der äußeren Druckmessung mit piezoelektrischen Drucksensoren an den Rohrwänden. Auch bei diesen Lösungen besteht der wesentliche Nachteil in der Durchführung des Meßverfahrens als indirektes Meßverfahren.

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. Die erhaltenen Werte sollen nur von einer geringen Zahl von Einflußgrößen abhängig sein. Dadurch soll eine einfache Umrechnung auf die wirkenden Kräfte möglich sein. Schließlich sollen die Sensoren integraler Bestandteil der Dichtungselemente sein, ohne die Funktionsfähigkeit der Dichtungselemente zu beeinträchtigen.

Erfindungsgemäß wird das Problem dadurch gelöst, daß die Flachdichtung aus zwei Dichtungshälften besteht. 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. In Abhängigkeit von der vorgesehenen Funktion des Sensors ist die polymere Schicht als Ein- oder Mehrelemente-Sensor ausgebildet. Die Sensorfelder des Ein- oder Mehrelemente-Sensors sind mit aus der Flachdichtung herausgeführten elektrischen Signalableitungen verbunden. Die Schutzfolie besteht vorteilhaft aus einer Polyesterfolie.

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. Hierbei erweist sich bei der vorgeschlagenen Anordnung als besonders günstig, daß diese Messung mittels der piezoelektrischen polymeren Schicht direkt erfolgt. 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. 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. Die Form und Art der Dichtung wird durch die Sensoranordnung nicht eingeschränkt.

An spezielle Anforderungen hinsichtlich der Erfassung weiterer Meßgrößen läßt sich die Flachdichtung anpassen. Die im Anspruch 2 dargestellte vorteilhafte Ausgestaltung der Flachdichtung ermöglicht das elastische Fließverhalten des Dichtungsmaterials als einen Grad der Alterung zu erfassen.

Dazu weist die Schutzfolie über den Sensorflächen Aussparungen auf.

Im folgenden wird das Flachdichtungselement in zwei Ausführungsbeispielen näher beschrieben.

In einer ersten Ausführungsform wird eine Flachdichtung beschrieben, die die Erfassung der Druckverteilung und des zeitlichen Druckverlaufes ermöglicht. 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. 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. Weiterhin sind dargestellt der Miniaturkoaxialstecker 6, die Leiterbahnen 7, der Flansch 8 mit den Flanschbohrungen 10 und die Kontaktstellen 9. Die dargestellte Flachdichtung hat die ursprünglichen Abmessungen der für die entsprechende Dichtungsfunktion konstruierten Dichtung. 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. 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.

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. 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.

Die Anschlüsse zum Nachweisgerät werden durch Einlegen mit Kupfer beschichteter verstärkter Polyester- oder Melaminharzfolien gestaltet, die den Kontakt zur Sensorfolie 2 durch Berührung herstellen. Das spätere Verkleben, Verpressen und in Flansch Einspannen sichert diesen Kontakt, der außerhalb des Dichtungselementes je Sensorelement in einem Miniaturkoaxialstecker 6 mündet.

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. 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.). 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. Hierdurch entsteht einmal das nun ganzheitliche Dichtungselement, andererseits werden die verschiedenen Schichten und Oberflächen im eigentlichen Sensorbereich viskoelastisch aneinander angepaßt.

Zur Bestimmung von Druckkräften wird das Nachweisgerät an die am äußeren Dichtungsrand herausragenden Miniaturkoaxialstecker 6 angeschlossen. 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. Die Ladungsmenge ist dem Druckanstieg bzw. -abfall proportional und folgt diesen Größen trägheitslos.

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. 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. Der grundsätzliche Aufbau der Flachdichtung und die Wirkungsweise der Sensoranordnung entspricht der in der ersten Ausführungsform beschriebenen. 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. Damit erfolgt eine direkte Messung der Scherkräfte mittels des an die jeweiligen Sensorfelder 4 angeschlossenen Nachweisgerätes.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

 1 Dichtungshälfte
 2 Sensorfolie
 3 Schutzfolie
 4 Sensorfelder
 5 Aussparung
 6 Miniaturkoaxialstecker
 7 Leiterbahn
 8 Flansch
 9 Kontaktstelle
10 Flanschbohrung

Claims (3)

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.

2. Flachdichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Schutzfolie (3) über den Sensorfeldern (4) Aussparungen (5) aufweist.

3. Flachdichtung nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Schutzfolie (3) aus Polyesterfolie besteht.