DE102007018817A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Druckmessung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Druckmessung in einem Messraum, wobei zur Druckmessung die Auslenkung einer mit dem Messraum in Wirkverbindung stehenden Membran mit einer interferometrischen Druckmesseinrichtung bestimmt wird. Die Erfindung sieht vor, dass die Auslenkung zumindest eines Teils der in eine Wandung des Messraums integrierten Membran mit der interferometrischen Druckmesseinrichtung bestimmt wird und wobei die interferometrische Druckmesseinrichtung mit einer räumlich kohärenten, zeitlich kurzkohärenten Strahlungsquelle betrieben wird. Vorteilhaft gegenüber dem Stand der Technik ist, dass ein Teil der Wandung des Messraums selber als Membran ausgebildet ist und keine präzise zu einer Stirnfläche der Lichtleitfaser ausgerichtete hoch reflektierende Membran verwendet werden muss, die in einem Messkopf montiert ist.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Druckmessung in einem Messraum, wobei zur Druckmessung die Auslenkung einer mit dem Messraum in Wirkverbindung stehenden Membran mit einer interferometrischen Druckmesseinrichtung bestimmt wird.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Druckmessung in einem Messraum, wobei zur Druckmessung eine mit dem Messraum in Wirkverbindung stehende Membran und eine interferometrische Druckmesseinrichtung zur Messung einer Auslenkung der Membran vorgesehen sind.
  • In der Automobiltechnik werden an mehreren Stellen Drucksensoren für einen Druckbereich von einigen 100 bar bis 1000 bar eingesetzt. In einer Ausführungsform arbeiten diese Drucksensoren mit einer auf der vom Messraum abgewandten Seite angebrachten Widerstandsschicht (Dehnungsmessstreifen). Die Membran ist so ausgelegt, dass sie im Betrieb einige Mikrometer ausgelenkt wird. Die dabei am Dehnungsmessstreifen auftretende Widerstandsänderung wird mit einer Auswerteelektronik erfasst und mit einer Abtastrate von maximal 1 kHz ausgewertet. Die Ergebnisse haben dabei eine Auflösung von 1% des Maximalwerts, was einer Auflösung der Auslenkung von einigen 10 Nanometern entspricht. Nachteilig an solchen Dehnungsmessstreifen ist, dass deren Ausgangssignal auch von der Temperatur abhängt und dass die maximale Betriebstemperatur verhindert, dass die mit ihnen ausgestatteten Drucksensoren im oder am Brennraum einer Brennkraftmaschine eingesetzt werden können. Weiterhin nachteilig ist die maximal mögliche Abtastfrequenz, die es verbietet, beispielhaft die dynamischen Einspritz- und Verbrennungsprozesse in dem Brennraum zeitlich aufgelöst zu erfassen.
  • Die DE 10312491 beschreibt einen Drucksensor mit einer Sensormembran zur Messung des Druckes in Brennräumen von Verbrennungskraftmaschinen, wobei die Auslenkung der Sensormembran mit einer optischen Abtastung erfasst wird. Ein Lichtstrahl wird über einen Lichtwellenleiter, bevorzugt einen Glasfaserleiter, zu der reflektierend ausgestalteten Rückseite der Sensormembran geleitet. Mit einem zweiten Lichtwellenleiter wird das von der Sensormembran reflektierte Licht einem Lichtempfänger zugeleitet. Aus der Intensität des reflektierten Lichts, die von der Durchbiegung der Sensormembran abhängt, wird auf den Druck an der Sensormembran geschlossen. Nachteilig an einer solchen Anordnung ist es, dass die Intensität des in den zweiten Lichtwellenleiter eintretenden Lichts sich nur unwesentlich bei einer Druckbeaufschlagung der Sensormembran ändert, so dass nur große Druckänderungen einigermaßen genau erfassbar sind. Des weiteren wird die Messgenauigkeit des faseroptischen Drucksensors durch die fehlende Streckenneutralität des konstruktiven Aufbaus vermindert. Die Intensität des Lichts ist in nachteiliger Art und Weise auf seiner optischen Übertragungsstrecke von der Lichtquelle zum optoelektronischen Detektor Schwankungen unterworfen, die einerseits durch ein Verbiegen des Lichtwellenleiters, andererseits durch mangelhafte Verbindungen der Lichtwellenleiter mit der Lichtquelle bzw. dem optoelektronischen Detektor zustande kommen.
  • Die DE 4018998 beschreibt einen faseroptischen Drucksensor mit einer Membran, die auf der vom Messraum abgewandten Seite mit einer hoch reflektierenden Verspiegelung versehen ist, wobei der Membran Licht über einen Lichtleiter zugeführt ist, dessen Stirnfläche teilreflektierend beschichtet ist. Durch die teilreflektierende Beschichtung der Stirnfläche und die hochreflektierende Membran wird ein Fabry-Perot-Resonator ausgebildet, mit dem die Position der Membran und damit auch indirekt deren Druckbeaufschlagung bestimmt werden kann. Nachteilig an einer solchen Anordnung ist, dass die Geometrie zwischen der Stirnfläche und der Stirnfläche der Lichtleitfaser sehr genau eingehalten werden muss, da beispielhaft thermische Einflüsse das Messergebnis verfälschen können. Daher ist es erforderlich, einen solchen Drucksensor in einem eigenen Druckmess-Kopf zu montieren.
  • Die DE 102 44 553 offenbart eine interferometrische Messvorrichtung zum Erfassen der Form, der Rauheit oder des Abstandes der Oberfläche eines Messobjektes mit einem Modulationsinterferometer, dem von einer Strahlungsquelle kurzkohärente Strahlung zugeführt wird und das einen ersten Strahlteiler zum Aufteilen der zugeführten Strahlung in einen über einen ersten Arm geführten ersten Teilstrahl und einen über einen zweiten Arm geführten zweiten Teilstrahl aufweist, von denen der eine gegenüber dem anderen mittels einer Modulationseinrichtung in seiner Licht-Phase oder Lichtfrequenz verschoben wird und eine Verzögerungsstrecke durchläuft, und die anschließend an einem weiteren Strahlteiler des Modulationsinterferometers vereinigt werden, mit einer von dem Modulationsinterferometer räumlich getrennten und mit dieser über eine Lichtleitfaseranordnung gekoppelten oder koppelbaren Messsonde, in der die vereinigten Teilstrahlen in einen durch eine Sonden-Lichtleitfasereinheit zu der Oberfläche geführten Messstrahl und einen Referenzstrahl aufgeteilt und in der der an der Oberfläche reflektierte Messstrahl und der an einer Referenzebene reflektierte Referenzstrahl überlagert werden, und mit einer Empfängervorrichtung und einer Auswerteeinheit zum Umwandeln der ihr zugeleiteten Strahlung in elektrische Signale und zum Auswerten der Signale auf der Grundlage einer Phasendifferenz.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Druckmessung anzugeben, die auch für den Einsatz bei hohen Temperaturen, wie sie beispielhaft in oder an Brennräumen von Brennkraftmaschinen vorkommen, geeignet sind und die eine ausreichend schnelle Messwerterfassung ermöglichen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Vorteile der Erfindung
  • Die Aufgabe der Erfindung betreffend des Verfahrens wird dadurch gelöst, dass die Auslenkung zumindest eines Teils der in eine Wandung des Messraums integrierten Membran mit der interferometrischen Druckmesseinrichtung bestimmt wird und wobei die interferometrische Druckmesseinrichtung mit einer räumlich kohärenten, zeitlich kurzkohärenten Strahlungsquelle betrieben wird. Vorteilhaft gegenüber dem Stand der Technik, wie er beispielhaft in der DE 4018998 dargestellt ist, ist, dass ein Teil der Wandung des Messraums selber als Membran ausgebildet ist und keine präzise zu einer Stirnfläche der Lichtleitfaser ausgerichtete hoch reflektierende Membran verwendet werden muss, die in einem Messkopf montiert ist. Weiterhin ist nach dem Stand der Technik monochromatisches Licht mit langer Kohärenzlänge erforderlich, um eine Interferenz der Wellenpakete zu erzielen, da der Abstand der Stirnfläche der Lichtleitfaser von der Membranfläche dies erfordert. In der erfindungsgemäßen Anordnung beeinträchtigt eine Wölbung der Membran, wie sie bei einer Druckbeaufschlagung zwangsweise auftritt, die Messung nicht, während sie beim Stand der Technik die Interferenzbedingung stört. Der beim Stand der Technik daher erforderliche zusätzliche, mit der vom Messraum abgewandten Seite der Membran verbundene, Planspiegel kann somit entfallen. Die erfindungsgemäße Druckmesseinrichtung ist in der Lage, Abstandsänderungen in einer Größenordnung von 1 Nanometer aufzulösen und ist daher Druckmesseinrichtungen überlegen, die auf Dehnungsmessstreifen beruhen und eine Auflösung von einigen 10 Nanometern aufweisen. Die Membranen können bei Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei gleicher Auflösung des Druckes daher robuster ausgelegt werden oder eine höhere Druckauflösung aufweisen.
  • Wird eine in ein Modulationsinterferometer und eine mit dieser über eine Lichtleitfaseranordnung verbundene Mess-Sonde aufgeteilte interferometrische Druckmesseinrichtung verwendet, können Standard-Messgeräte verwendet werden und insbesondere die Druckmesseinrichtung in eine robuste an die jeweilige Messaufgabe angepasste Mess-Sonde und ein von dieser getrenntes unter kontrollierten Umweltbedingungen aufgestelltes hoch präzises Modulationsinterferometer aufgeteilt werden. Durch die Verwendung eines Modulationsinterferometers kann der Arbeitsabstand der Mess-Sonde in einem weiten Bereich der Messaufgabe angepasst werden.
  • Dadurch, dass die interferometrische Druckmesseinrichtung mit einer Messfrequenz von mehr als 1 kHz, vorzugsweise mehr als 100 kHz, betrieben wird, können auch schnelle Vorgänge, wie sie beispielhaft bei Einspritz- und Verbrennungsprozessen im Brennraum einer Brennkraftmaschine stattfinden, erfasst und ausgewertet werden. Die hier auf Zeitskalen von einigen zehn bis 100 Mikrosekunden stattfindenden Prozesse lassen sich durch das erfindungsgemäße Verfahren erfassen.
  • Die Aufgabe der Erfindung betreffend die Vorrichtung wird dadurch gelöst, dass die Membran in eine Wandung des Messraums integriert ist und dass als Strahlungsquelle der interferometrischen Druckmesseinrichtung eine räumlich kohärente, zeitlich kurzkohärente Strahlungsquelle vorgesehen ist. Durch die Verwendung eines Teils der Wandung des Messraums als Membran kann dessen Innenfläche unverändert erhalten bleiben und insbesondere Dichtflächen können entfallen. Durch die Wahl der restlichen Wanddicke und der Querschnittsfläche der Ausnehmung in der Wandung des Messraums kann die Druckmesseinrichtung an die Messaufgabe angepasst werden.
  • Ist die interferometrische Druckmesseinrichtung in ein Modulationsinterferometer und eine mit diesem über eine Lichtleitfaseranordnung verbundene Mess-Sonde aufgeteilt, kann die Mess-Sonde betreffend Messabstand und Sondenquerschnitt der Messaufgabe individuell angepasst werden. Die Lichtleitfaseranordnung erlaubt es, das Modulationsinterferometer unter kontrollierten Umweltbedingungen entfernt vom Messort anzubringen. Bei Verwendung von handelsüblichen Modulationsinterferometern kann der Messabstand der Mess-Sonde zwischen einigen Mikrometern und 25 cm variiert und damit praktisch allen Messaufgaben angepasst werden.
  • Ist die Membran als ein Teilbereich der Wandung des Messraums mit verringerter Wanddicke ausgebildet, kann die Druckmessung verwirklicht werden, ohne die Wandung des Messraums zu unterbrechen und damit ohne zusätzliche Dichtflächen erforderlich zu machen. Eine Vergrößerung des Volumens des Messraums, wie dies beispielhaft durch in Bohrungen eingebrachte Mess-Köpfe von Drucksensoren geschehen würde, wird vermieden und die Druckbedingungen bei dynamischen Vorgängen, wie beispielhaft im Brennraum einer Brennkraftmaschine, werden realitätsnäher wiedergegeben.
  • Ist die Membran als ein mit der Wandung des Messraums fest verbundenes Bauteil ausgebildet, kann die Wanddicke der Membran besonders gut kontrolliert gewählt werden. Weiterhin ist es möglich, Materialien für die Membran zu verwenden, die eine verbesserte Druckmessung ermöglichen.
  • Eine einfach zu realisierende Ausführungsvariante sieht vor, dass in der Wandung des Messraums eine Ausnehmung vorgesehen ist, die messraumseitig durch die Membran abgeschlossen ist und dass die Mess-Sonde in der Ausnehmung gehalten ist. Die Membran kann dabei als Restwanddicke einer Sacklochbohrung ausgeführt sein, die von außen in die Wandung des Messraums eingebracht ist. Hierbei kann es erforderlich sein, die Druckmesseinrichtung wegen der unzureichend genau bestimmbaren Restwanddicke zu kalibrieren.
  • Eine besonders kleine Ausführung der Mess-Sonde ist realisierbar, indem die Mess-Sonde als eine Lichtleitfaser mit einer angeformten Fokussierungsoptik ausgebildet ist. Der Durchmesser der Mess-Sonde kann dann in der Größenordnung der Faserdicke von einigen 10 Mikrometern gewählt werden. Auch die Membranfläche kann ab einer solchen Größenordnung gewählt werden, wodurch die Membran besonders robust gewählt werden kann und an praktisch jeder gewünschten Position angebracht werden kann. Insbesondere für kleine Messräume ist eine solche Ausführung geeignet.
  • In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Vorrichtung zur Druckmessung eine Referenz-Sonde zur Temperaturkompensation aufweist. Mittels einer nahe an der Mess-Sonde angebrachten Referenz-Sonde können die auf der Wärmedehnung der Wandung des Messraums und der weiteren Komponenten beruhenden Messeffekte berücksichtigt werden.
  • Eine besonders gute Berücksichtigung der temperaturabhängigen Effekte lässt sich verwirklichen, indem die Referenzsonde nahe an der Mess-Sonde angebracht ist und indem ein Referenz-Strahl der Referenz-Sonde auf eine von der Membran mechanisch entkoppelte Oberfläche gerichtet ist. Hierbei kann es sich um einen Referenz-Spiegel handeln, der von der Rückseite der Membran soweit beabstandet ist, dass er auch bei deren Maximalauslenkung nicht bewegt wird.
  • Werden das beschriebene Verfahren und/oder die Vorrichtung zur Bestimmung eines Drucks und eines Druckverlaufs in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine verwendet, können die schnellen Vorgänge bei der Einspritzung und bei der Verbrennung verfolgt werden und es ist eine Optimierung der Vorgänge, beispielsweise mit dem Ziel einer Verminderung des Kraftstoffverbrauchs oder der Abgabe unerwünschter Abgasbeimischungen, möglich.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 in schematischer Darstellung eine interferometrische Druckmesseinrichtung,
  • 2 die Druckmesseinrichtung mit einer Temperaturkompensation,
  • 3 eine miniaturisierte Druckmesseinrichtung.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • 1 zeigt schematisch eine Ausführung der erfindungsgemäßen Druckmesseinrichtung in ihrem technischen Umfeld. Ein Messraum 10, dessen Innendruck bestimmt werden soll, ist von einer Wandung 11 abgeschlossen, in der eine Aussparung 15 vorgesehen ist. Die Aussparung 15 bildet mit einer Rest-Wanddicke eine Membran 12 zum Messraum 10 hin aus. In der Aussparung 15 ist eine Mess-Sonde 14 angebracht, die interferometrisch eine Bewegung der Membran 12 mittels eines Mess-Strahls 13 bestimmen kann. Der Mess-Sonde 14 wird Strahlung eines hier nicht dargestellten Modulationsinterferometers über ein erstes Lichtleitkabel 16 zugeführt. An der vom Messraum 10 abgewandten Seite der Membran 12 reflektierte Strahlung wird über das erste Lichtleitkabel 16 einer hier nicht dargestellten Auswerte-Einrichtung zugeführt.
  • 2 zeigt die Druckmesseinrichtung mit einer Zusatzeinrichtung zur Temperaturkompensation. Die bereits in 1 beschriebenen Komponenten sind mit den gleichen Bezeichnern versehenen. In der Wandung 11 des Messraums 10 ist eine weitere Ausnehmung 25 eingebracht, in der eine Referenz-Sonde 24 montiert ist. Ein Referenz-Strahl 23 der Referenz-Sonde 24 ist auf eine mechanisch entkoppelte Oberfläche 22 gerichtet, die von einer Rest-Wandung 20 in der Wandung 11 mittels eines Spalts 21 mechanisch entkoppelt ist. Die Referenz-Sonde 24 ist über ein zweites Lichtleitkabel 26 mit dem hier nicht dargestellten Modulationsinterferometer und der Auswerte-Einrichtung verbunden. Die Referenz-Sonde 24 ist bevorzugt baugleich zu der Mess-Sonde 14 ausgeführt, so dass beispielhaft Temperatureinflüsse beide Sonden gleich betreffen, Bewegungen der Membran 12 aber nur von der Mess-Sonde 14 erfasst werden.
  • Eine besonders klein ausführbare Ausführungsform der Mess-Sonde 14 ist in der 3 dargestellt. Die Mess-Sonde 14 besteht hier lediglich aus dem ersten Lichtleitkabel 16, dem ein konvexes Faserende 17 angeformt ist. In dieser Ausführung wird der Mess-Strahl 13 durch die Form des konvexen Faserendes 17 auf die vom Messraum 10 abgewandte Seite der Membran 12 fokussiert. Das konvexe Faserende 17 kann auch als zusätzliches Bauteil angebracht sein. In einer Fortbildung der Ausführungsform kann das konvexe Faserende 17 so ausgebildet sein, dass die Strahlung von der optischen Achse des ersten Lichtleitkabels weggebrochen wird, so dass die Achse der Ausnehmung 15 nicht senkrecht zur Oberfläche der Rückseite der Membran 12 liegen muss.
  • 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
    • - DE 10312491 [0004]
    • - DE 4018998 [0005, 0008]
    • - DE 10244553 [0006]

Claims (12)

  1. Verfahren zur Druckmessung in einem Messraum, wobei zur Druckmessung die Auslenkung einer mit dem Messraum (10) in Wirkverbindung stehenden Membran (12) mit einer interferometrischen Druckmesseinrichtung bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslenkung zumindest eines Teils der in eine Wandung (11) des Messraums (10) integrierten Membran (12) mit der interferometrischen Druckmesseinrichtung bestimmt wird und wobei die interferometrische Druckmesseinrichtung mit einer räumlich kohärenten, zeitlich kurzkohärenten Strahlungsquelle betrieben wird
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine in ein Modulationsinterferometer und eine mit dieser über eine Lichtleitfaseranordnung verbundene Mess-Sonde (14) aufgeteilte interferometrische Druckmesseinrichtung verwendet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die interferometrische Druckmesseinrichtung mit einer Messfrequenz von mehr als 1 kHz, vorzugsweise mehr als 100 kHz, betrieben wird.
  4. Vorrichtung zur Druckmessung in einem Messraum, wobei zur Druckmessung eine mit dem Messraum (10) in Wirkverbindung stehende Membran (12) und eine interferometrische Druckmesseinrichtung zur Messung einer Auslenkung der Membran (12) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (12) in eine Wandung (11) des Messraums (10) integriert ist und dass als Strahlungsquelle der interferometrischen Druckmesseinrichtung eine räumlich kohärente, zeitlich kurzkohärente Strahlungsquelle vorgesehen ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die interferometrische Druckmesseinrichtung in ein Modulationsinterferometer und eine mit dieser über eine Lichtleitfaseranordnung verbundene Mess-Sonde (14) aufgeteilt ist.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (12) als ein Teilbereich der Wandung (11) des Messraums (10) mit verringerter Wanddicke ausgebildet ist.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (12) als ein mit der Wandung (11) des Messraums (10) fest verbundenes Bauteil ausgebildet ist.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Wandung (11) des Messraums (10) eine Ausnehmung (15) vorgesehen ist, die messraumseitig durch die Membran (12) abgeschlossen ist und dass die Mess-Sonde (14) in der Ausnehmung (15) gehalten ist.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mess-Sonde (14) als eine Lichtleitfaser mit einer angeformten Fokussierungsoptik ausgebildet ist.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die interferometrische Druckmesseinrichtung eine Referenz-Sonde (23) zur Temperaturkompensation aufweist.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Referenz-Strahl (22) der Referenz-Sonde (23) auf eine von der Membran (12) mechanisch entkoppelte Oberfläche (21) gerichtet ist.
  12. Verwendung des Verfahrens und/oder der Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Bestimmung eines Drucks und eines Druckverlaufs in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine.
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