DE102009051072A1

DE102009051072A1 - Explosionsgeschützter Sensor

Info

Publication number: DE102009051072A1
Application number: DE102009051072A
Authority: DE
Inventors: Mladen Schlichte; Björn Dr. Lange
Original assignee: Draeger Safety AG and Co KGaA
Current assignee: Draeger Safety AG and Co KGaA
Priority date: 2009-10-28
Filing date: 2009-10-28
Publication date: 2011-05-05
Also published as: US20110094880A1; GB2474922A; GB2474922B; GB201012818D0; US8632666B2; CN102053135A; CN102053135B

Abstract

Ein explosionsgeschützter Sensor zum Nachweis von brennbaren Gasen mit einer Glasdurchführung (9) zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen Verbindung zum Gehäuseinneren soll hinsichtlich der Druckfestigkeit seines Gehäuses verbessert werden. Zur Lösung der Aufgabe ist vorgesehen, dass die Glasdurchführung (9) zumindest einseitig einen biegesteifen, die Glasdurchführung (9) mechanisch stabilisierenden Verguss (16, 17, 18) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen explosionsgeschützten Sensor, z. B. zum Nachweis von brennbaren/toxischen Gasen oder Rauch.
Zum Nachweis von brennbaren/toxischen Gasen werden beispielsweise Gassensoren eingesetzt, welche einen Katalysator enthalten, der auf eine vorbestimmte Temperatur erhitzt wird, wodurch die brennbaren Gase unter Verbrauch eines Teils des in dem Messgas vorhandenen Sauerstoffs an der Sensoroberfläche katalytisch verbrennen und dabei die Sensortemperatur erhöhen. Die bei der Verbrennungsreaktion auftretende Sensortemperaturerhöhung wird als Messsignal für die Konzentration des Gases in dem zu untersuchenden Luftgemisch ausgewertet.
Zur Durchführung der Messung werden üblicherweise ein katalytisch aktives Sensorelement und ein passiver Sensor als Kompensator in einem Brückenhalbzweig angeordnet, wobei der passive Sensor zur Kompensation des Umgebungstemperatureinflusses dient. Die Brückenverstimmung ist ein Maß für die katalytische Umsetzung der brennbaren Gaskomponente an dem katalytisch aktiven Sensorelement.
Um ein Entzünden des brennbaren Gases zu unterbinden, ist zumindest das katalytisch aktive Sensorelement in einem Sensorgehäuse aufgenommen, welches beispielsweise mit einem porösen, gasdurchlässigen Sintermaterial als Flammensperre abgedeckt ist.
Ein katalytisch aktiver Gassensor der genannten Art ist aus der EP 94 863 A1 bekannt. In einem Sensorgehäuse, das durch ein poröses, gasdurchlässiges Sintermaterial begrenzt ist, befindet sich das katalytisch aktive Sensorelement. Zwei Metallstifte, die das Sensorelement kontaktieren, werden durch eine Glasscheibe an der Unterseite des Sensorgehäuses nach draußen geführt. Das Sensorelement ist von Zeolithmaterial umgeben, um durch dessen Isolationswirkung und Adsorptionseigenschaften den Energieverbrauch zu senken und die Lebensdauer zu erhöhen.
Die bekannte Glasdurchführung für die Metallstifte ist für den Einsatz in druckfest gekapselten, explosionsgeschützten Sensorgehäusen nicht geeignet. Derartige Sensorgehäuse müssen so dimensioniert sein, dass sie dem 1,5- bis vierfachen Druck, der sich im Fall einer Explosion im Inneren des Sensorgehäuses aufbauen kann, standhalten. In einschlägigen Normen wird sogar eine Druckfestigkeit bis über 400 bar gefordert. Eine flache Scheibe aus Glasmaterial, das heißt eine Glasscheibe mit geringem Verhältnis von Stärke zu Durchmesser, die zudem durch Integration mehrerer Metallstifte geschwächt ist, wird im Fall der bei einer Gasexplosion austretenden Druckbeaufschlagung durch Rissbildung zerstört.
Es sind auch druckfest gekapselte Sensoren bekannt, die aus einem Metallgehäuse bestehen, welches in Kunststoffmaterial eingebettet ist. Bei derartigen Gehäusebauformen müssen bestimmte Mindestvergussstärken eingehalten werden und es müssen Nachweise hinsichtlich der Einhaltung bestimmter Normanforderungen geführt werden Ein Sensor in einem Kunststoffgehäuse geht beispielhaft aus der WO 2004/048955 A1 hervor.
Aus der DE 10 2005 020 131 B3 ist ein Gassensor bekannt, bei dem die das Sensorelement kontaktierenden Metallstifte jeweils einzeln in separaten Glaseinsätzen in der Bodenplatte des Sensorgehäuses eingeschmolzen sind. Zwar hat der bekannte Gassensor aufgrund der einzeln angeordneten Glaseinsätze eine hohe Druckfestigkeit, jedoch ist der Herstellungsprozess relativ aufwändig. Für jeden Metallstift muss eine separate Bohrung in die Bodenplatte eingebracht werden. Wegen der zur Erzielung der Druckfestigkeit notwendigerweise kleinen Bohrungsdurchmesser müssen die Metallstifte sehr genau mittig in ihrer Bohrung platziert werden, um elektrischen Kurzschluss zwischen Metallstift und Bodenplatte zu verhindern. Zudem sind hinsichtlich der thermischen Ausdehnung speziell gewählte Glas/Metall-Paarungen und/oder abdichtende Oxidschichten und zwecks mechanischer Stabilität eine Mindestdicke von Bodenplatte und Glaseinsätzen erforderlich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor mit vereinfachtem Gehäuseaufbau für eine druckfeste Kapslung anzugeben.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Der Vorteil des erfindungsgemäß angegebenen explosionsgeschützten Sensors ist darin zu sehen, dass eine für sich nicht druckfeste Glasdurchführung durch das Aufbringen eines biegesteifen Vergusses eine mechanische Stabilisierung erfährt und dadurch eine Rissbildung oder auch komplettes Herausdrücken des Glaseinsatzes unterbunden wird. Aufgrund der mechanischen Stabilisierung durch den Verguss können sowohl Glasdurchführungen mit einem einzigen großen Glaseinsatz für viele Metallstifte verwendet werden als auch Glasdurchführungen ohne abdichtende Oxidschichten bzw. mit Glas-Metall-Paarungen von weniger stark aufeinander abgestimmten thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäß angegebenen explosionsgeschützten Sensors ist darin zu sehen, dass der Verguss zusätzlich zur mechanischen Stabilisierung der Glasdurchführung weitere gewünschte Zwecke erfüllen kann. Hier sind unter anderem die teilweise auch von den einschlägigen Normen geforderte elektrische Isolierung der leitfähigen Kontakte, Kriechstromfestigkeit, Schutz der Metallstifte vor Verbiegen und Zugentlastung der an den Metallstiften angelöteten Kabel zu nennen. Zur gleichzeitigen Erfüllung einer Kombination der vorgenannten Zwecke kann es sinnvoll sein, einen mehrschichtigen Verguss aus Vergussmaterialien mit verschiedenen Eigenschaften zu kombinieren. So eignen sich z. B. Keramiken und Zemente wegen ihrer hohen Biegesteifigkeit gut zur mechanischen Stabilisierung, während Polyurethane und Epoxidharze Vorzüge hinsichtlich Isolationsfestigkeit und Haftung/Zugentlastung aufweisen.
Der Verguss kann einseitig oder beidseitig der Glasdurchführung vorgesehen sein. Zur mechanischen Stabilisierung befindet er sich bevorzugt auf der dem Druck abgewandten Seite der Glasdurchführung. Ein beidseitiger Verguss ist z. B. in den Fällen sinnvoll, in denen von einer möglichen Druckbelastung von beiden Seiten ausgegangen werden muss.
Die Stärke des Vergusses hängt vom Volumen und vom Durchmesser des Sensorgehäuses und von den Abmessungen der Glasdurchführung innerhalb des Sensorgehäuses ab und liegt typischerweise in einem Bereich zwischen 3 mm und 25 mm.
Als Vergussmaterialien eignen sich Zemente, keramische Vergussmassen, Epoxidharze und Polyurethane.
Bei einem einseitigen, einschichtigen Verguss mit Epoxidharz oder Zement sind typische Stärken des Vergusses bei einem Sensorgehäusevolumen kleiner 10 cm³ etwa 3 mm, während bei einem Sensorgehäusevolumen zwischen 10 cm³ und 100 cm³ die Stärke des Vergusses etwa 6 mm beträgt. Bei einem Sensorgehäusevolumen von größer 100 cm³ beträgt die Stärke des Vergusses etwa 10 mm. Je nach angestrebter Zulassung und angewendeter Norm können aber auch Vergusshöhen bis 25 mm und mehr sinnvoll sein. Der Durchmesser des Vergusses liegt typischerweise in einem Bereich zwischen 3 mm und 100 mm.
Zur besseren Verankerung des Vergusses im Sensorgehäuse kann das Sensorgehäuse mit einem Hinterschnitt oder einem Innengewinde versehen sein, damit die Vergussmasse sowohl auf der Glasdurchführung als auch auf Teilen des Sensorgehäuses formschlüssig aufliegt. Typischerweise ist der Glaseinsatz der Glasdurchführung in einer metallischen Bodenplatte aufgenommen, wobei diese Bodenplatte mit dem Sensorgehäuse verschweißt ist.
Der Elastizitätsmodul der Vergussmasse liegt für keramische Vergussmassen typischerweise in einem Bereich zwischen 50 kN/mm² und 150 kN/mm². Für hochreine keramische Vergussmassen kann der Elastizitätsmodul bis zu 380 kN/mm² betragen. Geeignete Materialien sind Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Aluminiumoxid, Zirconiumoxid, Aluminiumnitrid oder Borosilicatglas. Der Elastizitätsmodul für Vergussmassen auf Kunststoffbasis liegt bevorzugt in einem Bereich von 1 bis 100 N/mm² für Silikone und Polyurethane und 1 bis 10 kN/mm² für – ggfs. gefüllte – Epoxidharze. Durch die Nennung bestimmter Materialien für den Verguss wird der Schutzbereich der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht eingeschränkt, da auch Vergussmaterialien umfasst sind, die ähnliche Materialeigenschaften zu den bereits genannten Materialien besitzen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Figur gezeigt und im Folgenden näher erläutert.
Die einzige Figur zeigt einen Gassensor 1 im Längsschnitt, bei dem in einem Sensorgehäuse 2 ein katalytisch aktives Sensorelement 3 und ein katalytisch inaktives Sensorelement 4 an Metallstiften 5, 6, 7 befestigt sind. Für den Gaszutritt ist die Oberseite des Sensorgehäuses 2 in bekannter Weise mit einer porösen, gasdurchlässigen Scheibe 8 aus Metallsintermaterial abgeschlossen. Die Metallstifte 5, 6, 7 werden durch einen flächig ausgeführten Glaseinsatz 9 aufgenommen, wobei der Glaseinsatz 9 von einer ringförmigen, metallischen Bodenplatte 10 umgeben ist, mit dem mittels einer Schweißnaht 11 eine gasdichte Verbindung zum Sensorgehäuse 2 hergestellt wird. Die freien Enden der Metallstifte 5, 6, 7 an der Unterseite des Glaseinsatzes 9 sind mit Zuleitungsdrähten 12, 13, 14 versehen, die die Verbindung zu einer Auswerteeinheit 15 herstellen. An der Oberseite und der Unterseite des Glaseinsatzes 9 befindet sich jeweils ein Verguss 16, 17 aus einer Keramikmasse mit einer Stärke von 6 mm. Ein erster Verguss 17 an der Unterseite des Glaseinsatzes 9 ummantelt die Kontaktierung der Zuleitungsdrähte 12, 13, 14 an den Metallstiften 5, 6, 7, so dass einerseits eine elektrische Isolierung der Zuleitungsdrähte 12, 13, 14 und andererseits eine Zugentlastung erreicht wird. Ein zweiter Verguss 16 befindet sich an der dem Sensorelement 3, 4 zugewandten Seite des Glaseinsatzes 9. Zusätzlich ist das Sensorgehäuse 2 an der Unterseite mit einem Verguss 18 aus Epoxidharz verschlossen.
Bezugszeichenliste

1: Gassensor
2: Sensorgehäuse
3: aktives Sensorelement
4: inaktives Sensorelement
5, 6, 7: Metallstifte
8: gasdurchlässige Scheibe
9: Glaseinsatz
10: Bodenplatte
11: Schweißnaht
12, 13, 14: Zuleitungsdrähte
15: Auswerteeinheit
16, 17, 18: Verguss

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 94863 A1 [0005]
WO 2004/048955 A1 [0007]
DE 102005020131 B3 [0008]

Claims

Explosionsgeschützter Sensor mit einem Sensorelement (3, 4), das elektrisch leitfähig mit Metallstiften (5, 6, 7) verbunden ist, einem das Sensorelement allseitig umschließenden Sensorgehäuse (2) und mindestens einer Glasdurchführung (9) für einen oder mehrere Metallstifte (5, 6, 7), wobei die Glasdurchführung (9) zumindest einseitig einen biegesteifen, die Glasdurchführung (9) abstützenden Verguss (16, 17, 18) aufweist.
Explosionsgeschützter Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasdurchführung (9) einen einstückigen Glaseinsatz (9) aufweist, in dem die Metallstifte aufgenommen sind.
Explosionsgeschützter Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Verguss (17) an der Sensoraußenseite der Glasdurchführung (9) vorgesehen ist.
Explosionsgeschützter Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Verguss (16) an der Sensorinnenseite der Glasdurchführung (9) angebracht ist.
Explosionsgeschützter Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verguss (16, 17) beidseitig der Glasdurchführung (9) vorhanden ist.
Explosionsgeschützter Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich im Bereich des Vergusses ein Hinterschnitt im Metallgehäuse befindet, so dass in Druckrichtung Formschluss zwischen Verguss und Metallgehäuse besteht.
Explosionsgeschützter Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Vergussmaterialien Zemente, keramische Massen, Epoxidharze oder Polyurethane vorgesehen sind.
Explosionsgeschützter Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stärke des Vergusses zwischen 3 mm und 25 mm liegt.
Explosionsgeschützter Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Elastizitätsmodul des Vergusses für keramische Vergussmassen in einem Bereich zwischen 50 kN/mm² und 380 kN/mm², für Vergussmassen aus Silikonen und Polyurethanen in einem Bereich zwischen 1 N/mm² und 100 N/mm² und für Epoxidharze zwischen 1 kN/mm² und 10 kN/mm² liegt.
Explosionsgeschützter Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verguss mehrschichtig aufgebaut ist.
Explosionsgeschützter Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verguss im Bereich strom- oder spannungsführender Elemente ein Polyurethan oder Epoxidharz ist.
Explosionsgeschützter Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor zur Messung von brennbaren oder toxischen Gasen oder zur Detektion von Rauch bestimmt ist.
Explosionsgeschützter Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stärke der Glasdurchführung zwischen 0,5 mm und 6 mm liegt.
Explosionsgeschützter Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Glasdurchführung zwischen 2 mm und 20 mm liegt.