DE69710385T2

DE69710385T2 - Sensor für flüssige und gasförmige Medien

Info

Publication number: DE69710385T2
Application number: DE69710385T
Authority: DE
Inventors: Shigeki Nakao; Masahiko Namerikawa; Kazuyoshi Shibata; Yukihisa Takeuchi
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1996-05-22
Filing date: 1997-05-22
Publication date: 2003-03-06
Anticipated expiration: 2017-05-23
Also published as: US5877411A; ID16950A; EP0809106A1; JPH1038789A; EP0809106B1; DE69710385D1; CN1174988A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Fluidsensor, der in einem Fluid funktioniert, und insbesondere einen Fluidsensor, der in einem korrosiven Fluid, wie z. B. Schwefelsäure funktioniert, vor allem in einem Bleiakkumulator oder in einem Tank für polare Lösungsmittel.

2. Beschreibung des verwandten Standes der Technik

Sensorvorrichtungen mit piezoelektrischem Element oder dergleichen werden zur Messung der Viskosität einer Flüssigkeit, zur Detektion fester Teilchen in einem Fluid, zur Detektion von Vibrationen usw. verwendet. Beispielsweise werden in der Sensorvorrichtung der US-A-5.889.351 ein piezoelektrischer Film und ein Vibrationsabschnitt in Schwingungen versetzt und die Viskosität eines Fluids entsprechend der Änderung des Verlustkoeffizienten, des elektrischen Widerstands, der Reaktanz oder dergleichen des piezoelektrischen Films gemessen. Da in diesem Beispiel der piezoelektrische Film oder der Vibrationsabschnitt mit dem Fluid in Kontakt steht, nimmt die Amplitude des piezoelektrischen Films und Vibrationsabschnitts ab, wenn die Viskosität des Fluids hoch ist. Wenn hingegen die Viskosität des Fluids gering ist, nimmt die Amplitude des piezoelektrischen Films und Vibrationsabschnitts zu. Wenn somit Spannung an den piezoelektrischen Film angelegt wird, wird der der Amplitude entsprechende Strom detektiert. Wenn die Viskosität des Fluids mit der Konzentration des Fluids oder der Dichte der Fluidkomponenten korreliert, kann auch die Konzentration oder Dichte des Fluids detektiert werden. Beispielsweise besitzt wässrige Schwefelsäure eine bestimmte Korrelation zwischen der Viskosität und der Konzentration sowie zwischen der Viskosität und der Dichte von Schwefelsäure.
Die Detektion fester Teilchen im Fluid wird auch in der US-A-5.698.931 vorgeschlagen, die einen Partikelsensor mit einem piezoelektrischen Film offenbart. Aufgrund der Zusammenstöße von Teilchen im Fluid mit einem Detektionsabschnitt, der den piezoelektrischen Film oder einen Vibrationsabschnitt aufweist, an dem der Detektionsabschnitt fixiert ist, werden der Vibrationsabschnitt und der Detektionsabschnitt in Schwingungen versetzt, der piezoelektrische Film wandelt die Vibrationen in ein elektrisches Signal um, und ein Elektroden paar, zwischen denen der piezoelektrische Film angeordnet ist, sendet dieses elektrische Signal aus.
Bei der Messung der Viskosität des Fluids, dem Detektieren fester Teilchen im Fluid und dem Detektieren der Vibrationen durch Einsatz der obigen Sensorvorrichtung ist es erforderlich, dass die Sensorvorrichtung im Fluid angeordnet ist, sodass ein Elektrodenanschluss für die Ableitung des Signals aus der im Fluid betätigten Sensorvorrichtung nach außen in gas- und/oder fluiddichter Beziehung zum Fluid gehalten werden muss.
Aus dem obigen Grund ist normalerweise, wie aus Fig. 5 ersichtlich, ein Leiterdraht 11 mit einem Elektrodenanschluss 6 verbunden; dieser verbundene Abschnitt wird dann mit einem organischen Harz 30 oder dergleichen geformt, um abgedichtet zu sein, damit der Elektrodenanschluss in gas- und/oder flüssigkeitsdichter Beziehung zum Fluid gehalten wird.
Da jedoch im obigen herkömmlichen Verfahren die Haftung des organischen Harzes am Keramikmaterial, aus dem der Basiskörper der Sensorvorrichtung besteht, gering ist, tritt insofern ein Problem auf, als sich das organische Formungsharz 30 oder dergleichen leicht vom verbundenen Abschnitt ablöst.
Die US-A-5.189.914 beschreibt einen Plattenmodus-Ultraschallsensor für die Flüssigkeitsviskositäts-Messung mit einer dünnen planaren Bahn mit einer vibrationsfähigen Schicht und Elektroden auf einer piezoelektrischen Schicht, die ein Lamb-Wellenausbreitungsmedium bilden. In einer Vorrichtung der Fig. 22 und 23 der vorliegenden Be schreibung ist ein Ausbreitungselement ein Einwegchip. Es sind auf dem Chip Dünnfilmelektroden vorgesehen. Der Chip ist in einer Halterung untergebracht, die ein Klemmelement sowie Flüssigkeits- und Dampfabdichtungen enthält. Der Chip umfasst ferner einen transparenten Film.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung wurde angesichts der obigen Probleme des Stands der Technik entwickelt; ein Ziel der Erfindung ist daher die Bereitstellung eines Fluidsensors, der einen Elektrodenanschluss zuverlässig und sicher halten kann, um ein Signal aus der Sensorvorrichtung in gas- und/oder flüssigkeitsdichter Beziehung zum Fluid nach außen abzuleiten.
Gemäß der Erfindung wird ein Fluidsensor bereitgestellt wie in Anspruch 1 dargelegt.
Man beachte, dass der vorliegende Sensor vor allem Flüssigkeiten misst, insbesondere hochkorrosive Flüssigkeiten, wie z. B. wässrige Schwefelsäure in einem Bleiakkumulator, polare Lösungsmittel, wie z. B. Wasser, oder Lösungen in polaren Lösungsmitteln.

KURZBESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN

Diese und andere Merkmale, Ziele und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Abbildungen, worin:
die Fig. 1A und 1B ein Beispiel für einen erfindungsgemäßen Fluidsensor zeigen, wobei Fig. 1A eine schematische perspektivische Ansicht des Fluidsensors ist und Fig. 1B eine schematische Explosionsansicht des Fluidsensors ist;
Fig. 2 eine Querschnittsansicht ist, die ein erklärendes Beispiel für eine Sensorvorrichtung darstellt;
die Fig. 3A bis 3C ein Beispiel für einen Fluidsensor zeigen, in dem der periphere Abschnitt des flachen Basiskörpers abgedichtet ist, worin Fig. 3A eine schematische perspektivische Ansicht des Fluidsensors ist, Fig. 3B eine schematische Explosionsansicht des Fluidsensors ist und Fig. 3C eine schematische Querschnittsansicht des Fluidsensors ist;
Fig. 4 eine partielle Querschnittsansicht ist, die den peripheren Abschnitt des Elektrodenanschlusses veranschaulicht;
Fig. 5 eine partielle Querschnittsansicht ist, die den peripheren Abschnitt des Elektrodenanschlusses in einem herkömmlichen Fluidsensor veranschaulicht;
die Fig. 6A und 6B ein weiteres Beispiel für einen erfindungsgemäßen Fluidsensor zeigen, wobei Fig. 6A eine schematische perspektivische Ansicht des Fluidsensors ist und Fig. 6B eine schematische Explosionsansicht des Fluidsensors ist;
die Paare der Fig. 7A und 7B bis Fig. 27A und 27B jeweils weitere Beispiele für einen erfindungsgemäßen Fluidsensor veranschaulichen, wobei die obere als A bezeichnete Figur eine schematische perspektivische Ansicht des Fluidsensors ist und die untere als B bezeichnete Figur eine schematische Explosionsansicht des Fluidsensors ist.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN

Es folgt eine ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen.
Die Fig. 1A und 1B zeigen ein Beispiel für einen erfindungsgemäßen Fluidsensor, wobei Fig. 1A eine schematische perspektivische Ansicht des Fluidsensors und Fig. 1B eine schematische Explosionsansicht des Fluidsensors ist. Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht, die ein Beispiel für ein Sensorgerät zeigt.
In den Abbildungen umfasst das Sensorgerät 1 einen flachen Basiskörper 2 mit einem Vibrationsabschnitt 7 und ein piezoelektrisches Element 3, das an einer Oberfläche 7s des Vibrationsabschnitts 7 befestigt ist. Ein Innenraum 5 ist im flachen Basiskörper 2 so definiert, dass der Vibrationsabschnitt 7 dünner wird. Obwohl dies nicht zu sehen ist, ist der Innenraum 5 solcherart strukturiert, dass ein zu messendes Fluid durch ein Loch oder dergleichen, das in einem Teil des Basiskörpers 2 ausgebildet ist, in den Innenraum 5 geleitet wird. Das piezoelektrische Element 3 umfasst einen piezoelektrischen Film 4 und ein Paar Elektroden 5a und 5b, zwischen denen der piezoelektrische Film 4 angeordnet ist. Ferner ist ein Elektrodenanschluss 6, der elektrisch mit dem Paar Elektroden 5a und 5b verbunden ist, auf der Oberfläche des flachen Basiskörpers 2 ausgebildet.
Ein Beschichtungsmaterial 8, das auf einer bedruckten Glasschicht ausgebildet ist, ist auf der Oberfläche des flachen Basiskörpers 2 angeordnet, auf dem sich der Elektrodenanschluss 6 befindet, um den peripheren Abschnitt abzudecken, der den Elektrodenanschluss 6 umgibt. Ein ausgehöhlter Abschnitt 9, in dem ein dem Elektrodenanschluss 6 entsprechender Abschnitt ausgehöhlt ist, ist auf dem Beschichtungsmaterial 8 ausgebildet. Man beachte, dass der ausgehöhlte Abschnitt 17, in dem ein dem piezoelektrischen Element 3 des flachen Basiskörpers 2 entsprechender Abschnitt ausgehöhlt ist, ebenfalls auf dem Beschichtungsmateial ausgebildet ist und dass der obere Abschnitt des ausgehöhlten Abschnitts 17 mit einer Abdeckung 16, die aus einem Keramikmaterial, wie z. B. ZrO&sub2;, besteht, abgedeckt und an dieser befestigt ist.
Ein O-Ring 12, der ein Dichtungselement ist, das solcherart ausgebildet ist, dass es den Elektrodenanschluss 6 umgibt, wird zwischen dem flachen Basiskörper 2 und einer An pressplatte 14a festgehalten, um dem ausgehöhlten Abschnitt 9 des Beschichtungsmaterials 8 zu entsprechen. Ein Leiterdraht 11 mit einem blattfederförmigen Anschluss 10 an seiner Spitze wird so gehalten, dass er in die Anpressplatte 14a eindringt, um in Kontakt mit dem Elektrodenanschluss 6 zu stehen. Um die Seite des flachen Basiskörpers 2 unterzubringen, an der kein Elektrodenanschluss 6 ausgebildet ist, ist eine Vertiefung 15 in der Anpressplatte 14b definiert.
Wie oben beschrieben wird der O-Ring 12 zwischen der Oberfläche des flachen Basiskörpers 2 im peripheren Abschnitt des Elektrodenanschlusses 6 oder der Oberfläche des Beschichtungsmaterials 8 und den Oberflächen der Anpressplatten 14a, 14b gehalten, um dadurch den Elektrodenanschluss 6 des flachen Basiskörpers 2 in gas- und/oder flüssigkeitsdichter Beziehung zum zu messenden Fluid zu halten.
Ein Spalt zwischen der An pressplatte 14a und dem Leiterdraht 11 wird in einem flüssigkeitsdichten Zustand gehalten, sodass er mit einem Abdichtmaterial gefüllt wird, das sowohl an der Anpressplatte 14a als auch am Leiterdraht 11 anhaftet; diese Elemente werden so aneinander gepasst, dass der Spalt im Wesentlichen verschwindet, oder einstückig geformt.
Fig. 3A bis 3C zeigen ein Beispiel für einen Fluidsensor, in dem der periphere Abschnitt des flachen Basiskörpers abgedichtet ist, worin Fig. 3A eine schematische perspektivische Ansicht des Fluidsensors ist, Fig. 3B eine schematische Explosionsansicht davon ist und Fig. 3C eine schematische Querschnittsansicht davon ist. Fig. 4 ist eine partielle Querschnittsansicht, die den peripheren Abschnitt des Elektrodenanschlusses erklärt.
Im Beispiel der Fig. 3A bis 3C ist der periphere Abschnitt des flachen Basiskörpers 2 mit einem Dichtungselement 13 überzogen, damit der Elektrodenanschluss 6 auf einem Endabschnitt der Oberfläche des flachen Basiskörpers 2 in gas- und/oder flüssigkeitsdichter Beziehung zum Fluid gehalten wird, und beide Oberflächen des Dichtungselements 13 werden zwischen einem Paar Anpressplatten 18a und 18b festgehalten, um dadurch den Elektrodenanschluss 6 in gas- und/oder flüssigkeitsdichter Beziehung zum zu messenden Fluid zu halten. Der Basiskörper 2 besitzt einen Dichtungsschicht auf seiner Oberfläche, die der Dichtungsschicht 8 aus Fig. 1 entspricht.
Sogar in diesem Beispiel sind die Anpressplatten 18a, 18b und der Leiterdraht 11 wie im obigen Beispiel aus Fig. 2 in einem Flüssigkeits-abdichtenden Zustand strukturiert, und außerdem sind die peripheren Abschnitte der Anpressplatten 18a und 18b mit Kleber angeklebt, oder es ist das Dichtungselement 13 verlängert, wodurch der Elektrodenanschluss 6 in gas- und/oder flüssigkeitsdichter Beziehung zum zu messenden Fluid gehalten wird.
Man beachte, dass es in diesem Beispiel - da möglicherweise die Dichtung des dicken (Stufen-)Abschnitts des Sensorgeräts 1 durch das Dichtungselement 13 mangelhaft ist - wichtig ist, ein Material hoher Flexibilität als Material für das Dichtungselement 13 auszuwählen. Die in Fig. 1A und 1B gezeigte Ausführungsform weist aufgrund der Dicke des Sensorgeräts 1 dieses Problem der mangelhaften Dichtung nicht auf, wodurch der Elektrodenanschluss 6 zuverlässig in gas- und/oder flüssigkeitsdichter Beziehung zum Fluid abgedichtet werden kann.
Im erfindungsgemäßen Fluidsensor ist der Basiskörper 2 vorzugsweise flach, kann jedoch auch die Form einer Stange oder eines Rohrs aufweisen. Das Material des Basiskörpers 2 ist vorzugsweise Keramik, noch bevorzugter ein Material, das Zirkoniumoxid und Aluminiumoxid enthält.
Der Vibrationsabschnitt 7 ist vorzugsweise plattenförmig, was sich für Vibrationen eignet, und das piezoelektrische Gerät 3 ist auf einer Oberfläche des Vibrationsabschnitts 7 angeordnet.
Das piezoelektrische Gerät 3 enthält den piezoelektrischen film 4 und ein Paar Elektroden 5a und 5b, zwischen denen der piezoelektrische Film 4 angeordnet ist. Wenn über das Paar Elektroden 5a und 5b eine Spannung an den piezoelektrischen Film 4 angelegt wird, entsteht dielektrische Polarisation, mit dem Ergebnis, dass das piezoelektrische Element 3 gemeinsam mit dem Vibrationsabschnitt 7 flexibel in Dickerichtung des piezoelektrischen Films 4 und des Vibrationsabschnitts 7 schwingen.
Das Elektrodenverbindungselement 10, wie z. B. ein blattfederförmiger Anschluss, ist an einer Spitze des Leiterdrahts 11 angeordnet, der in die Anpressplatte 14a eindringt, und das Elektrodenverbindungselement 10 und der Elektrodenanschluss 6 stehen in Kontakt.
Das Verfahren zum In-Kontakt-Bringen des elektrischen Verbindungsabschnitts 10 mit dem Elektrodenabschnitt 6 kann abgesehen vom mechanischen Verfahren unter Verwendung des Blattfederanschlusses oder dergleichen als elektrisches Verbindungselement ein Verfahren sein, bei dem das elektrische Verbindungselement 10 aus einem Elektrodenpol oder dergleichen besteht, der aus einem Material gebildet ist, das sich bei mechanischer Beanspruchung leicht verformt, sodass der Elektrodenpol verformt wird, um Leitung durch einen mechanischen Kontakt sicherzustellen; es kann auch ein Verfahren sein, bei dem das elektrische Verbindungselement 10 aus einem fließfähigen leitenden Element, wie z. B. Lötmittel oder einer elektrisch leitenden Paste, besteht und das leitende Element verfestigt ist, um Leitung sicherzustellen.
Das Beschichtungsmaterial 8 ist so angeordnet, dass es zumindest eine Seite des piezoelektrischen Elements 3 in Bezug auf den Elektrodenanschluss 6 an der Oberfläche des flachen Basiskörpers 2, auf dem sich der Elektrodenanschluss 6 befindet, abdeckt.
Wenn der Elektrodenanschluss 6 auf der Oberfläche des flachen Basiskörpers 2 angeordnet ist, muss das Beschichtungsmaterial 8 nicht immer eine Fläche aufweisen, die dem flachen Basiskörper 2 entspricht, wenn das Beschichtungsmaterial den Elektrodenanschluss 6 abdeckt; der ausgehöhlte Abschnitt 9 für den Elektrodenanschluss und der rahmenförmige ausgehöhlte Abschnitt 17 für die Abdeckung sind vorzugsweise auf beiden Enden des Beschichtungsmaterials 8 ausgebildet. Man beachte, dass der rahmenför mige ausgehöhlte Abschnitt 17 für die Abdeckung nicht immer erforderlich ist, wenn er so ausgelegt ist, dass er den direkten Kontakt zwischen dem Beschichtungsmaterial 8 und dem piezoelektrischen Element 3 verhindert.
Die Art des Beschichtungsmaterials 8 unterliegt keinen besonderen Einschränkungen, vorzugsweise besteht es aber aus Glas, organischem Harz, Keramik usw.
Man beachte, dass es vom Standpunkt der Haftung bevorzugter ist, dass das Beschichtungsmaterial 8 aus Glas besteht, da der Basiskörper 2 vorzugsweise aus Keramik besteht.
In diesem Fall ist es vorzuziehen, dass das Beschichtungsmaterial 8 aus Glas auf dem Basiskörper 2 angeordnet wird, die Abdeckung 16 dann so positioniert wid, dass sie den ausgehöhlten Abschnitt 17 abdeckt, und sie danach durch Erhitzen geschmolzen werden, sodass das Beschichtungsmaterial 8 am Basiskörper 2 sowie an der Abdeckung 16 anhaftet. Wenn keine Abdeckung 16 vorgesehen ist, ist es vorzuziehen, dass der ausgehöhlte Abschnitt 17 des Beschichtungsmaterials 8 ebenfalls fehlt; nachdem das durch Erhitzen verschwindende Material zwischen dem Beschichtungsmaterial 8 des dem ausgehöhlten Abschnitt 17 entsprechenden Abschnitts und dem piezoelektrischen Element 3 angeordnet ist, werden sie solcherart erhitzt, dass ein Raum zwischen dem piezoelektrischen Element 3 und dem Beschichtungsmaterial 8 entsteht und gleichzeitig das Beschichtungsmaterial 8 am Basiskörper anhaftet.
Das Dichtungselement 12 ist vorzugsweise als O-Ring ausgebildet (siehe Fig. 1B), es ist jedoch nicht darauf beschränkt; jedes Element, dass so ausgelegt ist, dass es den Elektrodenanschluss 6 umgibt, eignet sich problemlos als Dichtungselement 12.
Der das Dichtungselement bildende O-Ring wird zwischen der Anpressplatte 14a und dem Beschichtungsmaterial 8 so festgehalten, dass der O-Ring 12 durch die Oberfläche des Beschichtungsmaterials 8 und die Oberflächen der Anpressplatten 14a, 14b ver formt wird und das Gas abgeschlossen wird; auf diese Weise können der Anschlussdraht 11, das Elektrodenverbindungselement 10 und der Elektroden anschluss 6 zuverlässig in gas- und/oder flüssigkeitsdichter Beziehung zum zu messenden Fluid gehalten werden.
Es ist vorzuziehen, dass das Material der Dichtungselemente 12 und 13 hervorragende elastische Verformung aufweist.
Es entsteht jedoch kein Problem, wenn das Material das Elektrodenverbindungselement 10 und den Elektrodenanschluss 6 in gas- und/oder flüssigkeitsdichter Beziehung um zu messenden Fluid halten kann, obwohl es plastisch verformt ist.
Ein Material der Dichtungselemente 12 und 13, das die obigen Bedingungen erfüllt, ist beispielsweise ein Gummimaterial, wie etwa Fluor-, Acrylat-, Silizium-, Butyl-, Nitril- oder Urethangummi, ein organisches Harz, wie z. B. weiches Vinylchlorid, Polyester oder Urethan.
Mit dem Vorsehen nur einer der Anpressplatten 14a und 14b kann der Basiskörper von der einzigen Anpressplatte getragen werden. Es ist allerdings bevorzugter, dass - wie aus Fig. 1B ersichtlicht - die Anpressplatten 14a und 14b auf beiden Seiten des flachen Basiskörpers 2 angeordnet sind, um diesen dazwischen zu halten, da auf diese Weise der Dichtungseffekt zuverlässiger erzielt wird.
Wenn die Anpressplatten 14a und 14b auf beiden Seiten des flachen Basiskörpers 2 verwendet werden (siehe Fig. 1B), werden Bolzen 20 verwendet, um in in den Anpressplatten 14a und 14b definierte Löcher 21 einzudringen; sie werden dann mit Mutter 22 festgeschraubt, wodurch sie die Anpressplatten 14a und 14b festhalten können.
In einem weiteren Verfahren werden - nachdem stangenförmige Körper aus organischem Harz so angeordnet werden, dass sie in die in den Anpressplatten 14a und 14b definierten Löcher 21 eindringen - Teile, die aus den Anpressplatten 14 und 14b ragen, durch Erhitzen verformt, während Druck auf die Anpressplatten 14a und 14b ausgeübt wird, wodurch die Anpressplatten 14a und 14b festgehalten werden. In einem weiteren Verfahren werden die Anpressplatten 14a und 14b durch Klemmen auf den Anpressplatten 14a und 14b angepresst, sodass diese Klemmen fest ineinander greifen, wodurch die Anpressplatten 14a und 14b festgehalten werden. Wenn ein Element verwendet wird, das den flachen Basiskörper 2 und andere Elemente festhalten kann, unterliegt es allerdings keinen besonderen Einschränkungen.
Es ist vorzuziehen, dass - wie aus Fig. 3C ersichtlich - die Anpressplatten 18a und 18b auf beiden Seiten des flachen Basiskörpers 2 angeordnet sind und durch das Dichtungselement 13, das auf dem peripheren Abschnitt des flachen Basiskörpers 2 aufgebracht ist, festgehalten werden.
In diesem Fall ist vorzuziehen, dass die Anpressplatten 18a und 18b eine Form aufweisen, die mit dem mit dem Dichtungselement 13 beschichteten flachen Basiskörper 2 einstückig verbunden werden kann und der elastischen Veränderung des Dichtungselements 13 folgen kann.
Das Material der Anpressplatte 14 ist nicht speziell eingeschränkt, Keramik, Glas, organisches Harz oder dergleichen werden jedoch bevorzugt. Das Material der Anpressplatte 14 ist noch bevorzugter Vinylchlorid, Polyester, ABS, Acryl oder Polypropylen und aus Kostengründen am bevorzugtesten das gleiche Material wie das Beschichtungsmaterial für den beschichteten Leiterdraht.
Das Mittel zum Festhalten des flachen Basiskörpers ist nicht - wie in der obigen Anpressplatte - auf einen Plattenkörper beschränkt; beispielsweise kann der flache Basiskörper zwischen zwei Arten von Stützelementen 23 und 24 gehalten werden, von denen einer in den anderen eingepasst ist (siehe Fig. 6A und 6B; in der vorliegenden Beschreibung werden diese Stützelemente im Vergleich zum später beschriebenen "Kastentyp" als "Standard" bezeichnet.)
Der flache Basiskörper 2 ist in einer Ausnehmung 25 eines Stützelements 23 aufgenommen und wid durch ein weiteres Stützelement 24 festgehalten. Dann werden Schaftkörper 28 in die Löcher 26 und 27 in diesen zwei unterschiedlichen Elementen 23 und 24 eingeführt, sodass diese zwei Stützelemente 23 und 24 in einem Zustand miteinander fixiert sind, in dem der flache Basiskörper 2 zwischen ihnen gehalten wird.
In der obigen Struktur sind die Formen der Teile vereinfacht, wodurch man die Anzahl an Elementen verringern, das Verfahren vereinfachen und den Korrosionswiderstand verbessern kann.
Betreffend die Form der Stützelemente eignen sich kastenartige Elemente 29 und 30 (siehe die Fig. 7A und 7B), wobei im Element 29 ein Öffnungsabschnitt 31, in den der flache Basiskörper 2 eingesetzt ist, vorgesehen ist. Wie aus den Fig. 8A, 8B und 9A, 9B ersichtlich können die Stützelemente 23 und 24 sowie 24 und 29 auch verkehrt sein.
Die Querschnittsform des Schaftkörpers 28 kann rund, oval oder polygonal sein, doch ein Polygon (z. B. das Dreieck 32 aus den Fig. 10A und 10B) ist vorzuziehen, da die Montagegenauigkeit ohne Drehung um eine Welle verbessert werden kann. Ein rechteckiger Plattenkörper 33, der die Querschnittsfläche vergrößern kann (siehe die Fig. 11A und 11B) ist am bevorzugtesten.
Im Fall der Verwendung eines rechteckigen Plattenkörpers 33 können die Lochabschnitte 34 und 35 die Form von Schlitzen aufweisen, sodass sie sich über die gesamte Länge der Stützelemente 29 und 30 erstrecken. Mit dieser Struktur sind die Plattenkörper 33 besser in die Stützelemente 29 und 30 integriert.
Man beachte, dass die Querschnittsform des Plattenkörpers 33 in der gesamten Längsrichtung nicht identisch sein muss und eine sich verjüngende oder diskontinuierliche Form aufweisen kann.
Ferner sind Modifikationen der Struktur möglich, z. B. ein Schraubengewinde, das in die Schaftkörper 28 geschnitten ist, oder organisches Harz, das in die Löcher 26 und 27 stelle der Schaftkörper 28 fließt und sich dann verfestigt.
Die Löcher 26 und 27, in die die Schaftkörper 28 eindringen, sind auf einzelne beschränkt, können aber auch mehrere sein (siehe die Fig. 13A und 13B). Dank dieser Struktur können die Festigkeit und Haltbarkeit des Verbindungsabschnitts des flachen Basiskörpers 2 verbessert werden.
Es ist auch nicht immer erforderlich, dass die Schaftkörper 28 in beide Stützelemente 23 und 24 eindringen. Wie aus Fig. 14A und 14B ersichtlich können die in das Stützelement 23 eindringenden Schaftkörper 28 durch beide Enden des Stützelements 24 hindurchgehen, sodass die jeweiligen Elemente fixiert werden.
Außerdem sind die Löcher 26 und 27 in einer Richtung definiert, die quer zur Richtung verläuft, entlang der der flache Basiskörper 2 nach außen rag. Bei Verwendung der kastenartigen Stützelemente 29 und 30 können die Löcher 26 und 27 jedoch in einer Richtung definiert sein, die identisch zur Richtung ist, entlang der der flache Basiskörper nach außen ragt (siehe die Fig. 15A und 15B).
Wie in Fig. 16C zu sehen sind die Schaftkörper 28 in das Stützelement so eingesetzt, dass der Winkel θ in Bezug auf die Richtung der Abstoßung des O-Rings die Beziehung 0º < θ < 90º erfüllt, mit dem Ergebnis, dass die Verbindung der Stützelemente zueinander fest ist.
Man beachte, dass zur Verbesserung des gas- und/oder flüssigkeitsdichten Abschlusses des O-Ring-Dichtungsabschnitts ein elastisches Element 36, wie z. B. eine Blattfeder, ein Gummischwamm oder ein Federring, zwischen dem flachen Basiskörper 2 und dem Stützelement 24 eingesetzt sein kann.
Die Form des Stützelements, die Form des Schaftkörpers, die Einsetzrichtung des Schaftkörpers und die Verwendung des elastischen Elements können in Kombination entsprechend ausgewählt werden. Tabelle 1 zeigt die Kombinationsbeispiele und die Nummern der zugehörigen Figuren.
Die Abdeckung dient zum Schutz des piezoelektrischen Elements 3 und ist nicht entscheidend. Das Material der Abdeckung kann aus einem Metall, Kunstharz, Keramikmaterial oder dergleichen ausgewählt sein. Vom Standpunkt der Korrosionsbeständigkeit ist es jedoch vorzuziehen, Keramik, wie z. B. ZrO&sub2;, zu verwenden. Man beachte, dass das Beschichtungsmaterial 8 aus organischem Harz oder Glas zwischen der Abdeckung 16 und dem flachen Basiskörper 2 als Kleberschicht dient; wenn die Abdeckung 16 und der flache Basiskörper 2 zusätzlich zum Beschichtungsmaterial 8 aus Keramik bestehen, können diese Elemente durch Sintern einstückig miteinander verbunden werden.
Aufgrund der obigen Struktur kann bei Verwendung eines stark sauren Fluids, wie z. B. Schwefelsäure, oder einer starken Base, wie z. B. von wässrigem Natriumhydroxid, die Abdeckung 16 dafür sorgen, dass das piezoelektrische Element 3 und die Flüssigket weiter voneinander isoliert werden.
Als bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird Keramik, wie z. B. Zirkoniumoxid, oder Glas einzeln oder in Kombination erhitzt, sodass ein Raum im oberen Abschnitt des piezoelektrischen Elements an der Spitze der Sensorvorrichtung entsteht, wodurch der piezoelektrische Elementabschnitt in gas- und/oder flüssigkeitsdichter Beziehung zum zu messenden Fluid gehalten wird. Das Beschichtungsmaterial, wie z. B. Glas oder Keramik, wird erhitzt, und ein Teil des Elektrodenabschnitts auf der beschichteten Seite des piezoelektrischen Elements wird mit dem erhitzten Beschichtungsmaterial dann erhitzt, wenn ein Teil des Elektrodenanschlusses freiliegt. Danach wird das Dichtungselement zwischen der Oberfläche des Beschichtungsmaterials, wie z. B. Glas oder Keramik, im peripheren Abschnitt des freiliegenden Elektrodenanschlusses und der Oberfläche der An pressplatte gehalten, wodurch der Elektrodenanschluss in gas- und/oder flüssigkeitsdichter Beziehung zum zu messenden Fluid steht.
Es folgt eine Beschreibung der Erfindung anhand von Beispielen, auf die die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist.

Beispiel 1

Eine Sensorvorrichtung 1 mit einer in Fig. 2 dargestellten Spitzenstruktur und dem auf der Oberfläche freiliegenden Elektrodenanschluss besteht aus Zirkoniumoxid und wurde durch wiederholtes Drucksintern hergestellt.
Ein Beschichtungsmaterial 8 mit einer Form der Fig. 1A und 1B wurde auf den oberen Abschnitt der Sensorvorrichtung 1 mit einer Glaspaste aufgedruckt und eine Platte 16 aus Zirkoniumoxid auf dem oberen Abschnitt eines ausgehöhlten Abschnitts 17 montiert. Anschließend wurden sie miteinander bei 700ºC gesintert, wodurch eine Vorrichtung entstand, in der der gesamte Elektrodenanschluss mit Glas und Zirkoniumoxid überzogen war - mit Ausnahme des hinteren Endabschnitts (des ausgehöhlten Abschnitts 9) des Elektrodenanschlusses 6.
Wie aus den Fig. 1A und 1B ersichtlich wurden nach dem Positionieren der Anpressplatte 14a aus Vinylchlorid, des Dichtungselements 12 aus Butylgummi und der Sensorvorrichtung 1 Bolzen 20 und Muttern 22 aus Vinylchlorid solcherart befestigt, dass der Elektrodenanschluss in gas- und/oder flüssigkeitsdichter Beziehung zum Dichtungselement 12, der Anpressplatte 14a und der Glasoberfläche auf der Oberfläche der Sensorvorrichtung 1 stand.
Ein Kleber aus Vinylchlorid wurde zwischen der Anpressplatte 14a und dem mit Vinylchlorid beschichteten Leiterdraht 11 aufgebracht, wodurch eine Struktur entstand, in der der Raum des Elektrodenanschlussabschnitts in Bezug auf das zu messende Fluid vollkommen gas- und/oder flüssigkeitsdicht abgedichtet war.
Der gesamte solcherart ausgebildete Sensor wurde drei Monate lang bei 60ºC in 50%- ige wässrige Schwefelsäure eingetaucht und seine Gas- und/oder Flüssigkeitsdichtheit gemessen. Das Eintauchen des Sensors in Schwefelsäure hatte keine Auswirkungen.

Beispiel 2

Nach dem gleichen Verfahren wie in Beispiel 1 wurde eine Vorrichtung erzeugt, in der der gesamte Elektrodenanschluss mit Glas und Zirkoniumoxid beschichtet war.
Anschließend wurde - wie aus den Fig. 11A und 11 B ersichtlich - nach dem Positionieren der Stützelemente 23 und 24, des Dichtungselements 12 aus Butylgummi und der Sensorvorrichtung 1 ein rechteckiger Plattenschaftkörper 33 in die Stützelemente 23 und 24 eingesetzt, sodass der Elektrodenanschluss durch das Dichtungselement 12, die Stützplatten 23, 24 und die Glasoberfläche auf der Oberfläche der Sensorvorrichtung in gas- und/oder flüssigkeitsdichter Beziehung gehalten wurde.
Ein Kleber aus Vinylchlorid wurde zwischen der Stützplatte 23, 24 und dem mit Vinylchlorid beschichteten Leiterdraht 11 aufgebracht, wodurch eine Struktur entstand, in der der Raum des Elektrodenanschlussabschnitts in Bezug auf das zu messende Fluid vollkommen gas- und/oder flüssigkeitsdicht abgedichtet war.
Der gesamte solcherart ausgebildete Sensor wurde drei Monate lang bei 60ºC in 50%- ige wässrige Schwefelsäure eingetaucht und seine Gas- und/oder Flüssigkeitsdichtheit gemessen. Das Eintauchen des Sensors in Schwefelsäure hatte keine Auswirkungen.
Wie oben beschrieben kann gemäß dem Fluidsensor der Erfindung der Elektrodenanschlussabschnitt zum Ableiten eines Signals aus der Sensorvorrichtung nach außen problemlos und zuverlässig in gas- und/oder flüssigkeitsdichter Beziehung zum Fluid gehalten werden. Daher eignet sich die Erfindung besonders für Fluidsensoren, die in einem korrosiven Fluid, wie z. B. Schwefelsäure in einem Bleiakkumulator, in einem polaren Lösungsmittel oder in einer Lösung unter Verwendung des polaren Lösungsmittels eingesetzt werden.
Die obige Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung diente lediglich zur Veranschaulichung und näheren Erläuterung.

Claims

1. Fluidsensor, umfassend:

einen Basiskörper (2) mit einem Vibrationsabschnitt (7);

ein piezoelektrisches Element (4), das an einer Oberfläche des Vibrationsabschnitts (7) fixiert ist und einen piezoelektrischen Film und zumindest ein Elektrodenpaar aufweist, die in Kontakt mit dem piezoelektrischen Film angeordnet sind;

einen Elektrodenanschluss (6), der an der Oberfläche des Basiskörpers angeordnet und elektrisch mit einer der Elektroden verbunden ist;

ein Dichtungselement (12); sowie

ein Anpresselement (14a);

dadurch gekennzeichnet, dass er weiters Folgendes umfasst:

ein Beschichtungsmaterial (8), das an der Oberfläche des Basiskörpers um den Elektrodenanschluss herum angeordnet ist;

wobei das Dichtungselement (12) den Elektroden anschluss (6) umgibt und zwischen dem Beschichtungsmaterial auf dem Basiskörper und dem Anpresselement festgehalten wird;

wodurch der Elektrodenanschluss gasdicht und/oder flüssigkeitsdicht in Bezug auf ein zu messendes Fluid gehalten wird, indem das Dichtungselement zwischen dem Beschichtungsmaterial und dem Anpresselement festgehalten wird.

2. Fluidsensor nach Anspruch 1, weiters umfassend einen Leiterdraht (11), der das Anpresselement (14a) durchdringt; und ein Elektrodenanschlusselement (10), das am Ende des Leiterdrahts (11) angeordnet ist; worin das Elektrodenanschlusselement (10) und der Elektrodenanschluss (6) miteinander in Kontakt stehen.

3. Fluidsensor nach Anspruch 1 oder 2, worin der Basiskörper (2) in Form einer ebenen Platte vorliegt und aus Keramik besteht.

4. Fluidsensor nach Anspruch 1, 2 oder 3, worin das Dichtungselement (12) den Elektrodenanschluss (6) an der Oberfläche des Basiskörpers (2) umgibt.

5. Fluidsensor nach Anspruch 4, worin das Dichtungselement (12) in Form eines O- Rings vorliegt.