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Die Erfindung betrifft eine optische Druckmessvorrichtung gemäß Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein optisches Druckmessverfahren gemäß Oberbegriff von Anspruch 10.
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Mit zunehmenden Ansprüchen an die Feinfühligkeit der Regelung von Kraftfahrzeugbremsanlagen, insbesondere im Bereich auch kleinster Hydraulikdrücke, ist es erforderlich, die jeweils vorherrschenden Druckverhältnisse in der Kraftfahrzeugbremsanlage möglichst exakt zu bestimmen. Zum Bestimmen der Druckverhältnisse sind im Stand der Technik dabei im Wesentlichen zwei unterschiedliche Ansätze bekannt: Zum Einen die Verwendung von direkt messenden Drucksensoren, zum Anderen die indirekte Druckerfassung, z.B. über das vordruckbelastete Auslaufverhalten des elektrischen Motors eines Motorpumpenaggregats. Die Verwendung von direkt messenden Drucksensoren ermöglicht dabei in der Regel eine vergleichsweise genauere Druckbestimmung, ist allerdings auch mit höherem Herstellungs- und Kostenaufwand verbunden.
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In diesem Zusammenhang offenbart die
DE 10 2005 041 556 A1 ein Verfahren zur Bestimmung eines Vordrucks in einer Kraftfahrzeugbremsanlage ohne Verwendung eines Drucksensors. Hierzu wird ein pulsweitenmoduliert betriebener Elektromotor eines Motorpumpenaggregats zwischen zwei Spannungspulsen als Generator genutzt. Die im Generatorbetrieb erzeugten und vom Vordruck abhängigen Spannungswerte werden ausgelesen, bewertet und gefiltert. Unter Zugrundelegung eines funktionalen Zusammenhangs wird aus jeder einzelnen dieser Kenngrößen ein Vordruck errechnet. Die verschiedenen bestimmten Vordruckwerte werden außerdem sowohl über die Zeit als auch über den Druckbereich gemittelt. Durch die Verwendung einer Vielzahl von Spannungswerten, deren Bewertung und die Mittelung der bestimmten Druckwerte kann hier der Einfluss von Messfehlern, Ausreißern oder sonstigen kurzzeitigen Störungen minimiert werden.
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In der
DE 10 2006 039 422 A1 wird ein Drucksensor beschrieben, der insbesondere zur Messung von Druckwerten größer als 100 bar geeignet ist. Dazu weist der Drucksensor eine bei Druckbeaufschlagung auslenkbare bzw. verformbare Membran auf, unter welcher sich ein abgeschlossenes erstes Hohlvolumen befindet. Die Membran liegt auf einem Auflagerahmen auf, welcher den Randbereich der Membran gegenüber einem Grundkörper dicht abschließt. Der Drucksensor weist außerdem einen Druckmesswandler, welcher die Auslenkung bzw. Verformung der Membran nach einem kapazitiven oder piezoresistiven Prinzip oder mit Hilfe mindestens eines Dehnungsmessstreifens in mindestens eine elektrische Größe umwandelt, auf. Der Drucksensor ist allseitig dicht gekapselt und weist keine nach außen geführten elektrischen Kontakte oder Leitungen auf, wodurch auch unter rauen und feuchten Umgebungsbedingungen, insbesondere in aggressiven Flüssigkeiten, eine lange Lebensdauer des Sensors gewährleistet wird. Zum Übermitteln der erfassten Druckinformationen weist der beschriebene Drucksensor eine integrierte Sendeeinheit auf, welche die Druckinformationen drahtlos überträgt.
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Die unveröffentlichte
DE 10 2011 085 329.4 beschreibt einen optischen Druckfühler, welcher einen hydraulischen Druck in einer Fahrzeugbremsanlage erfühlt. Der optische Druckfühler umfasst einen optischen Sender in Form einer Leuchtdiode, einen optischen Empfänger in Form einer Photodiode oder eines Phototransistors und eine reflektierende Membran. Der optische Sender emittiert dabei Licht auf die Membran, welche das auf sie fallende Licht reflektiert, und der optische Empfänger empfängt das reflektierte Licht, um daraus ein elektrisches Signal zu erzeugen. Wenn die Membran nun mit einem zu erfühlenden Druck beaufschlagt wird, so verwölbt sich diese. Die Verwölbung wiederum bewirkt eine Änderung des Anteils des zum Empfänger reflektierten Lichts, wodurch auch das elektrische Signal geändert wird. Das elektrische Signal ist somit ein Maß für den hydraulischen Druck.
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Die im Stand der Technik bekannten Drucksensoren bzw. Druckbestimmungsverfahren sind jedoch aus verschiedenen Gründen nachteilbehaftet. Im Falle von sensorlosen Druckbestimmungsverfahren wird der Druck nicht direkt bestimmt, sondern nur indirekt über das druckbelastete Auslaufverhalten eines elektrischen Pumpenmotors, was derartige Verfahren trotz des betriebenen Aufwands vergleichsweise ungenau macht. Zudem ist eine Druckerfassung nur möglich, solange der Pumpenmotor nicht aktiv betrieben wird und sich im Generatorbetrieb befindet. Die bekannten nicht-optischen Drucksensoren wiederum verfügen über einen vergleichsweise komplexen elektrischen Innenaufbau, der mit vergleichsweise hohem Herstellungs- und Kostenaufwand verbunden ist. Obwohl der in der
DE 10 2011 085 329.4 beschriebene optische Druckfühler die genannten Nachteile zwar überwindet, ist seine Messgenauigkeit anfällig gegenüber Temperaturschwankungen und Alterungseffekten.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine optische Druckmessvorrichtung vorzuschlagen, die eine robuste Messgenauigkeit gegenüber Temperaturschwankungen und Alterungseffekten aufweist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die optische Druckmessvorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Die Erfindung betrifft eine optische Druckmessvorrichtung, umfassend eine Lichtquelle, einen Lichtempfänger sowie eine druckverwölbbar und reflektierend ausgebildete Membran, wobei die Lichtquelle die Membran mit einer ersten Lichtleistung beleuchtet, wobei die Membran eine von der ersten Lichtleistung, von einer Reflektivität der Membran und von einer Membranverwölbung abhängige zweite Lichtleistung zum Lichtempfänger reflektiert und wobei der Lichtempfänger die zweite Lichtleistung empfängt und nach deren Maßgabe ein elektrisches Signal erzeugt. Die Druckmessvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Druckmessvorrichtung weiterhin einen Referenzempfänger umfasst, welcher eine dritte Lichtleistung empfängt und ein elektrisches Referenzsignal nach Maßgabe der dritten Lichtleistung erzeugt.
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Die erste Lichtleistung ist somit diejenige Lichtleistung, welche von der Lichtquelle abgegeben wird und auf die Membran trifft. Dies ist im Allgemeinen nur ein Anteil der von der Lichtquelle insgesamt abgegebenen Lichtleistung. Die Membran reflektiert einen Anteil dieser ersten Lichtleistung, nämlich die zweite Lichtleistung, zum Lichtempfänger, wobei die zweite Lichtleistung durch die Reflektivität der Membran, die Membranverwölbung sowie die auf die Membran auftreffende erste Lichtleistung festgelegt ist. Je geringer die Reflektivität und die erste Lichtleistung sind und je stärker die Membranverwölbung ist, desto geringer wird die zum Lichtempfänger reflektierte zweite Lichtleistung. Bei der Membranverwölbung handelt es sich um eine konkave Verwölbung, welche das reflektierte Licht streut und somit am Lichtempfänger zu einer geringeren zweiten Lichtleistung führt. Der Lichtempfänger empfängt nun die zweite Lichtleistung und erzeugt ein entsprechendes elektrisches Signal. Hierzu ist der Lichtempfänger photosensitiv ausgebildet. Das elektrische Signal ist somit ein Maß für die Membranverwölbung und damit für den auf die Membran wirkenden Druck. Je größer der auf die Membran wirkende Druck ist, desto größer ist auch die Membranverwölbung. Eine Zuordnung des Drucks zu einem bestimmten elektrischen Signal ist beispielsweise über eine Kennlinie möglich. Je nach Ausbildung des Lichtempfängers kann das elektrische Signal die zweite Lichtleistung bzw. den Druck über einen elektrischen Strom oder eine elektrische Spannung beschreiben.
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Indem zusätzlich ein Referenzempfänger vorgesehen ist, der die dritte Lichtleistung empfängt und nach deren Maßgabe ein Referenzsignal erzeugt, ergibt sich der Vorteil, dass mit dem elektrischen Referenzsignal eine Vergleichsgröße zur Bewertung des elektrischen Signals zur Verfügung steht, welche eine Überwachung der Funktionsfähigkeit und des Zustands der optischen Druckmessvorrichtung erlaubt.
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Vorzugsweise ist die Membran aus einem Metall, insbesondere aus Stahl, hergestellt. Metalle sind im Allgemeinen vergleichsweise robust und ausreichend elastisch, um eine reversible Membranverwölbung zu gewährleisten.
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Bevorzugt ist es vorgesehen, dass die dritte Lichtleistung und unabhängig von der Membranverwölbung ist und insbesondere ein von der Druckmessvorrichtung umfasster Referenzspiegel die dritte Lichtleistung von der Lichtquelle zum Referenzempfänger reflektiert. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass die dritte Lichtleistung im Wesentlichen ausschließlich abhängig vom Zustand der Lichtquelle ist. Somit ermöglicht das erzeugte Referenzsignal jederzeit eine Erkennung des aktuellen Zustands der Lichtquelle. Der Zustand der Lichtquelle und insbesondere deren Wirkungsgrad sind dabei in erster Linie abhängig von der Temperatur der Lichtquelle sowie von Alterungseffekten. Sofern der Referenzspiegel verwendet wird, um die dritte Lichtleistung von der Lichtquelle zum Referenzempfänger zu reflektieren, bietet sich die Möglichkeit einer vergleichsweise einfachen Anordnung der Lichtquelle, des Lichtempfängers und des Referenzempfängers in der Druckmessvorrichtung, da der Referenzempfänger der Lichtquelle nicht gegenüberliegend angeordnet werden muss, um die dritte Lichtleistung zu empfangen.
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Weiterhin ist es vorgesehen, dass die Druckmessvorrichtung ein Elektronikmodul umfasst, welches die erste Lichtleistung mittels des Referenzsignals konstant hält. Da das Referenzsignal über die dritte Lichtleistung den Zustand der Lichtquelle und damit auch die erste Lichtleistung beschreibt, kann das Referenzsignal vorteilhaft herangezogen werden, um die erste Lichtleistung konstant zu halten. Somit werden Schwankungen bzw. Änderung der zweiten Lichtleistung am Lichtempfänger und damit einhergehend des elektrischen Signals ohne Änderung der Membranverwölbung bzw. des Drucks vermieden. Die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Druckbestimmung wird somit weiter verbessert. Zudem können insbesondere Temperatureffekte und Alterungseffekte der Lichtquelle ausgeglichen werden.
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Es ist vorteilhaft, dass der Lichtempfänger und der Referenzempfänger als Photodioden ausgebildet sind. Photodioden sind vergleichsweise günstig in ihrer Herstellung und weisen eine vergleichsweise lange Lebensdauer auf. Da sie außerdem über eine vergleichsweise kompakte und raumsparende Bauform verfügen, eignen sie sich vorteilhaft als Lichtempfänger für die erfindungsgemäße Druckmessvorrichtung.
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Insbesondere ist es vorteilhaft, dass der Lichtempfänger und der Referenzempfänger aus ein und demselben Halbleiterträger hergestellt sind. Halbleiterträger sind dabei auch unter dem Begriff „Waver“ bekannt. Da die Temperaturabhängigkeit und die Alterungseffekte materialinhärente Eigenschaften sind, ergibt sich somit der Vorteil, dass der Lichtempfänger und der Referenzempfänger sich hinsichtlich ihrer Temperaturabhängigkeit und der auftretenden Alterungseffekte weitgehend identisch verhalten. Somit können auftretende Temperatureffekte und Alterungseffekte der erfindungsgemäßen Druckmessvorrichtung noch besser kompensiert werden.
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Ganz besonders vorteilhaft ist es, dass der Lichtempfänger und der Referenzempfänger als ein gemeinsames Halbleiterbauelement hergestellt sind. In diesem Fall ist ein weitestgehend völlig identisches Verhalten hinsichtlich ihrer Temperaturabhängigkeit und Alterungseffekte gewährleistet, da der der Lichtempfänger und der Referenzempfänger ein gemeinsames, zusammenhängendes und nicht-getrenntes Stück des Halbleiterträgers umfassen. Daher weisen der Lichtempfänger und der Referenzempfänger in diesem Fall auch eine gemeinsame Kathode bzw. eine gemeinsame Anode auf.
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Außerdem ist es vorteilhaft, dass die Lichtquelle als Leuchtdiode ausgebildet ist. Ebenso wie Photodioden sind Leuchtdioden kostengünstig herstellbar und dabei baulich äußerst kompakt. Hinzu kommen eine lange Lebensdauer und eine hohe Energieeffizienz.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass je ein gleichpoliger elektrischer Kontakt des Lichtempfängers und des Referenzempfängers, insbesondere die Kathode des Lichtempfängers und die Kathode des Referenzempfängers, über einen elektrischen Skalierwiderstand kurzgeschlossen sind. Somit ergibt sich der Vorteil, dass eine Empfindlichkeit des Lichtempfängers und damit eine Empfindlichkeit der Druckmessung über den Skalierwiderstand einstellbar sind. Je größer dabei der Wert des Skalierwiderstands ist, desto unempfindlicher reagiert die Druckmessvorrichtung gegenüber auf die Membran wirkenden Drücken.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass ein Widerstandswert des Skalierwiderstands verstellbar ist. Somit können die Empfindlichkeit und der Druckmessbereich der erfindungsgemäßen Druckmessvorrichtung an die jeweiligen Erfordernisse angepasst werden.
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Zweckmäßigerweise ist es vorgesehen, dass die Lichtquelle ein Emissionsmaximum im infraroten Spektralbereich aufweist und der Lichtempfänger und der Referenzempfänger ein Sensitivitätsmaximum im infraroten Spektralbereich aufweisen. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass auf die seit langem bekannten, besonders kostengünstigen und technisch ausgereiften Infrarot-Halbleiter-Bauelemente zurückgegriffen werden kann. Ein weiterer Vorteil ist es, dass die Reflektionsfähigkeiten von Metallen im infraroten Spektralbereich im Allgemeinen vergleichsweise gut sind.
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Es ist zweckmäßig, dass die Lichtquelle, der Lichtempfänger und der Referenzempfänger auf einer gemeinsamen Leiterplatte angeordnet sind. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die gemeinsame Anordnung vergleichsweise kompakt ist, da zum Ansteuern bzw. Auslesen der Lichtquelle, des Lichtempfängers und des Referenzempfängers auf Leiterbahnen der gemeinsamen Leiterplatte zurückgegriffen werden kann. Die gemeinsame Leiterplatte kann zudem auch weitere Elemente, wie z.B. das Elektronikmodul, aufweisen.
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Insbesondere ist es zweckmäßig, dass die gemeinsame Leiterplatte in einer Einhausung der Druckmessvorrichtung der Membran im Wesentlichen parallel gegenüberliegend ausgerichtet ist. Somit ergibt sich der Vorteil, dass die Membran im Wesentlichen optimal von der Lichtquelle beleuchtet werden kann und die zweite Lichtintensität im Wesentlichen optimal auf den Lichtempfänger reflektiert werden kann. Um zu verhindern, dass eine an die seitlichen Innenwände der Einhausung der Druckmessvorrichtung reflektierte Lichtleistung dort weiterreflektiert wird und somit über mehrere Reflektionsvorgänge letztendlich auf den Lichtempfänger trifft und somit die Druckbestimmung verfälscht, kann die Einhausung an ihren seitlichen Innenwänden nichtreflektierend ausgeführt sein. Je nach verwendeter Wellenlänge gibt es hierfür unterschiedliche Möglichkeiten. Im Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts wäre etwa eine mattierte Schwarzfärbung der seitlichen Innenwände denkbar.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein optisches Druckmessverfahren, bei welchem eine druckverwölbbar und reflektierend ausgebildete Membran von einer Lichtquelle mit einer ersten Lichtleistung beleuchtet wird, wobei eine von der ersten Lichtleistung, von einer Reflektivität der Membran und von einer Membranverwölbung abhängige zweite Lichtleistung von der Membran zu einem Lichtempfänger reflektiert wird und wobei die zweite Lichtleistung vom Lichtempfänger empfangen wird und nach deren Maßgabe vom Lichtempfänger ein elektrisches Signal erzeugt wird. Das Druckmessverfahren zeichnet sich dadurch aus, dass von einem Referenzempfänger eine dritte Lichtleistung empfangen wird und ein elektrisches Referenzsignal nach Maßgabe der dritten Lichtleistung erzeugt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren führt somit eine Bestimmung eines auf die Membran wirkenden Drucks in einer erfindungsgemäßen Druckmessvorrichtung aus und bietet daher die in diesem Zusammenhang bereits beschriebenen Vorteile.
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Außerdem betrifft die Erfindung eine Verwendung der erfindungsgemäßen Druckmessvorrichtung in einer Kraftfahrzeugbremsanlage. Aufgrund der in einer Kraftfahrzeugbremsanlage üblicherweise vorherrschenden korrosiven Umgebungsbedingungen ist die Druckmessvorrichtung in diesem Fall bevorzugt von einer Einhausung aus Stahl oder einem anderen korrosionsbeständigen Metall umgeben. Ebenso besteht die Membran in diesem Fall bevorzugt aus Stahl oder einem anderen korrosionsbeständigen Metall.
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Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand von Figuren.
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Es zeigt
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1 eine mögliche Ausbildungsform einer erfindungsgemäßen Druckmessvorrichtung ohne Druckbeaufschlagung und mit Druckbeaufschlagung,
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2 eine weitere mögliche Ausbildungsform der Druckmessvorrichtung,
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3 nochmals eine weitere mögliche Ausbildungsform der Druckmessvorrichtung
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4 schematisch einen möglichen Verfahrensablauf als Flussdiagramm,
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5 beispielhaft einen weiteren möglichen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens als Flussdiagramm und
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6 schematisch die Abhängigkeit der Messgenauigkeit des erfindungsgemäßen Druckmessverfahrens vom Widerstandswert des Skalierwiderstands.
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1 zeigt beispielhaft eine erfindungsgemäße Ausführungsform von Druckmessvorrichtung 101 ohne Druckbeaufschlagung (1a) und mit Druckbeaufschlagung (1b). Druckmessvorrichtung 101 umfasst Lichtquelle 102, Lichtempfänger 103, Referenzempfänger 104, druckverwölbbare und reflektierende Membran 105 aus Stahl sowie Referenzspiegel 106. Lichtquelle 102 ist als infrarot emittierende Leuchtdiode ausgebildet während Referenzempfänger 104 und Lichtempfänger 103 als infrarotsensitive Photodioden ausgebildet sind. Lichtquelle 102, Lichtempfänger 103 und Referenzempfänger 104 sind auf gemeinsamer Leiterplatte 107 angeordnet, welche planparallel zu Membran 105 ausgerichtet ist. Membran 105 ist an den umgebogenen Enden mit den Außenwänden von Fluidport 107 verschweißt, welcher Fluid 108 und damit einhergehend einen hydraulischen Druck an Membran 105 führt. Fluidport 107 ist eingefasst von Hydraulikblock 109 einer elektrohydraulischen Steuereinheit einer Fahrzeugbremsanlage. Im Betrieb von Druckmessvorrichtung 101 beleuchtet Lichtquelle 102 Membran 105 mit erster Lichtleistung 110. Erste Lichtleistung 110 wird von Membran 105 nun reflektiert, wodurch zweite Lichtleistung 111 zu Lichtempfänger 103 reflektiert wird. Lichtempfänger 103 wandelt empfangene zweite Lichtleistung 111 in ein elektrisches Signal, dessen elektrische Spannung zweite Lichtleistung 111 beschreibt. Mittels einer Kennlinie wird anschließend die elektrische Spannung des Signals einem auf Membran 105 wirkenden Druck zugeordnet. Außerdem wird Anteil 112 der von Lichtquelle 102 insgesamt emittierten Lichtleistung über Referenzspiegel 106 zu Referenzempfänger 104 reflektiert. Anteil 112 stellt dritte Lichtleistung 112. Referenzspiegel 106 ist dabei derart angeordnet, dass er Referenzempfänger 104 weitestgehend gegen von Membran 105 reflektiertes Licht abschirmt. Somit ist gewährleistet, dass Referenzempfänger 104 ausschließlich dritte Lichtleistung 112 empfängt, welche unabhängig von einer Membranverwölbung ist. Referenzempfänger 104 erzeugt nun aus dritter Lichtleistung 112 ein elektrisches Referenzsignal, welches dritte Lichtleistung 112 in Form einer elektrischen Spannung beschreibt. Somit ist das Referenzsignal unabhängig von einer Membranverwölbung. Bei Auftreten einer Temperaturänderung oder bei Eintreten von Alterungseffekten von Lichtquelle 102 ändert sich jedoch die von Lichtquelle 102 emittierte Lichtleistung. Entsprechend ändern sich auch dritte Lichtleistung 112, welche von Referenzempfänger 104 empfangen wird und das elektrische Referenzsignal. Über einen nicht dargestellten Rückkopplungskreis kann nun die Ansteuerung von Lichtquelle 102 derart angepasst werden, dass das Referenzsignal wieder seinen Soll-Wert einnimmt. Druckmessvorrichtung 101 umfasst also einen Rückkoppelkreis, der Temperatur- und Alterungseffekte von Leuchtquelle 102 ausgleicht.
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In 1a ist der von Fluid 108 erzeugte hydraulische Druck derart gering, dass keine Membranverwölbung von Membran 105 erzeugt wird. Erste Lichtleistung 110 wird dementsprechend in einem vergleichsweise schmalen Lichtkegel 110‘ zurückreflektiert. Aufgrund von vergleichsweise schmalem Lichtkegel 110‘ ist von Lichtempfänger 103 empfangene zweite Lichtleistung 111 vergleichsweise groß.
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In 1b hingegen ist der von Fluid 108 erzeugte hydraulische Druck ausreichend groß, um eine deutliche Membranverwölbung von Membran 105 zu bewirken. Von Leuchtquelle 102 erzeugte erste Lichtleistung 110 wird aufgrund der konvexen Membranverwölbung von Membran 105 in vergleichsweise breitem Lichtkegel 110‘ zurückreflektiert. Aufgrund von vergleichsweise breitem Lichtkegel 110‘ ist von Lichtempfänger 103 empfangene zweite Lichtleistung 111 in diesem Fall vergleichsweise gering.
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2 zeigt Druckmessvorrichtung 201, welche Lichtquelle 202, Lichtempfänger 203, Referenzempfänger 204, druckverwölbbare und reflektierende Membran 205 sowie Referenzspiegel 206 umfasst, die auf gemeinsamer Leiterplatte 207 angeordnet sind. Druckmessvorrichtung 201 ist von Einhausung 208 eingefasst, deren Oberseite Membran 205 darstellt. Von Lichtquelle 202 emittierte erste Lichtleistung 209 trifft auf Membran 205 und wird dort als zweite Lichtleistung 210 auf Lichtempfänger 203 reflektiert. Lichtempfänger 203 empfängt zweite Lichtleistung 210 und erzeugt daraus ein elektrisches Signal. Anteil 211 der insgesamt von Lichtquelle 202 abgegebenen Lichtleistung trifft auf Referenzspiegel 206 und wird von diesem als dritte Lichtleistung 212 auf Referenzempfänger 204 reflektiert, welcher aus dritter Lichtleistung 212 ein elektrisches Referenzsignal erzeugt. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind Lichtempfänger 203 und Referenzempfänger 204 als ein gemeinsames Halbleiterbauelement hergestellt, welches zusammenhängend aus einem Halbleiterträger bzw. Waver herausgeschnitten bzw. gespalten wurde. Da Lichtempfänger 203 und Referenzempfänger 204 ein gemeinsames Halbleiterbauelement darstellen, verfügen sie über eine gemeinsame Kathode. Dies führt dazu, dass die Empfindlichkeit für Änderungen einer Lichtleistung durch eines der Bauelemente (Lichtempfänger 203 oder Referenzempfänger 204) bzw. die Messgenauigkeit zwar gedämpft sind, zur Druckmessvorrichtung gehörige elektronische Auswerteschaltungen gegenüber sogenannten EMV-Störungen (elektromagnetische Verträglichkeit) aber robuster werden.
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In 3 ist Druckmessvorrichtung 301 dargestellt, welche Lichtquelle 302, Lichtempfänger 303, Referenzempfänger 304, druckverwölbbare und reflektierende Membran 305 sowie Referenzspiegel 306 umfasst, die auf gemeinsamer Leiterplatte 307 angeordnet sind. Druckmessvorrichtung 301 ist von Einhausung 308 eingefasst, deren Oberseite Membran 305 darstellt. Zusätzlich umfasst beispielsgemäße Druckmessvorrichtung 301 Trennblende 312, die Lichtempfänger 303 gegen unmittelbar von Lichtquelle 302 emittierte Lichtleistung und von Referenzspiegel 306 reflektierte Lichtleistung abschattet. Somit ist gewährleistet, dass Lichtempfänger 303 im Wesentlichen ausschließlich zweite Lichtleistung 310 empfängt, welche von Membran 305 reflektiert wird. Referenzspiegel 306 ist derart angeordnet, dass Anteil 311 von erster Lichtleistung 309 als dritte Lichtleistung 314 von Referenzspiegel 306 auf Referenzempfänger 304 reflektiert wird. Lichtempfänger 303 und Referenzempfänger 304 sind beispielsgemäß als separate Bauelemente hergestellt, welche jedoch aus demselben Halbleiterträger bzw. Waver stammen. Ihre Kathoden sind über veränderbaren Skalierwiderstand 313 kurzgeschlossen. Durch eine Änderung des Widerstandswerts von Skalierwiderstand 313 kann die Empfindlichkeit von Lichtempfänger 303 und damit die Empfindlichkeit des Druckmessverfahrens bzw. dessen Messgenauigkeit situationsangepasst eingestellt werden.
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In 4 ist schematisch ein möglicher Verfahrensablauf in Form eines Flussdiagramms zu sehen. In Schritt 41 wirkt ein Druck auf die Membran der Druckmessvorrichtung, welcher in Schritt 42 zu einer Membranverwölbung führt. Die Membranverwölbung ist proportional zum auf die Membran wirkenden Druck. In Schritt 43 emittiert eine Lichtquelle infrarotes Licht, welches auf die Membran fällt. Die von der Membran reflektierte zweite Lichtleistung wird in Schritt 44 von einem infrarotsensitiven Lichtempfänger empfangen und in ein dem auf die Membran wirkenden Druck entsprechendes elektrisches Signal umgewandelt, d.h., dass der Lichtempfänger aus der zweiten Lichtleistung in Schritt 44 ein dem auf die Membran wirkenden Druck entsprechendes elektrisches Signal erzeugt. Das in Verfahrensschritt 43 emittierte infrarote Licht wird mittels eines Referenzspiegels teilweise zum Referenzempfänger reflektiert, welcher in Schritt 45 ein entsprechendes elektrisches Referenzsignal erzeugt. Dieses Referenzsignal wiederum wird genutzt, um die in Schritt 43 emittierte Lichtleistung auf einem konstanten Leistungswert zu halten und insbesondere um Temperatureinflüsse und Alterungseffekte der Lichtquelle auszugleichen. Da beispielsgemäß der Lichtempfänger und der Referenzempfänger über ihre jeweilige Kathode kurzgeschlossen sind, besteht eine elektrische Kopplung, über welche das elektrische Signal teilweise zum Referenzempfänger gelangt und das elektrische Referenzsignal teilweise zum Lichtempfänger gelangt. Dies bewirkt zwar eine Dämpfung der Empfindlichkeit und damit der Messgenauigkeit des Druckmessverfahrens, gleichzeitig aber auch eine Zunahme der Robustheit gegenüber EMV-Störungen.
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5 zeigt beispielhaft einen weiteren möglichen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Flussdiagramms. In Verfahrensschritt 51 wirkt zunächst ein Druck auf die Membran, welche sich daraufhin in Schritt 52 verwölbt. Die Membranverwölbung und somit auch der auf die Membran wirkende Druck werden in Schritt 54 anhand der zweiten, von der Membran auf den Lichtempfänger reflektierten Lichtleistung erkannt. Außerdem wird in Schritt 54 nach Maßgabe der zweiten Lichtleistung ein elektrisches Signal erzeugt. Zuvor wird in Verfahrensschritt 53 von der Lichtquelle Licht emittiert, welches in Schritt 52 von der Membran, u.a. in Abhängigkeit von der ebenfalls in Schritt 52 auftretenden Membranverwölbung, auf den Lichtempfänger reflektiert wird. Ein Anteil des in Schritt 53 emittierten Lichts gelangt in Schritt 55 über einen Referenzspiegel zum Referenzempfänger, welcher ebenfalls in Schritt 55 ein entsprechendes elektrisches Referenzsignal erzeugt. Dieses Referenzsignal wiederum wird genutzt, um die in Schritt 53 emittierte Lichtleistung auf einem konstanten Leistungswert zu halten und insbesondere um Temperatureinflüsse und Alterungseffekte der Lichtquelle auszugleichen. Beispielsgemäß sind der Lichtempfänger und der Referenzempfänger über ihre jeweilige Kathode mittels eines verstellbaren Skalierwiderstands kurzgeschlossen. In Verfahrensschritt 56 gelangt daher das elektrische Signal aus Schritt 54 teilweise nach Maßgabe des Skalierwiderstands zum Referenzempfänger und das elektrische Referenzsignal aus Schritt 55 gelangt teilweise nach Maßgabe des Skalierwiderstands zum Lichtempfänger. Somit kann die Dämpfung der Empfindlichkeit bzw. die Messgenauigkeit und damit ein bevorzugter Messbereich des Druckmessverfahrens über den Skalierwiderstand gezielt eingestellt werden. Je größer der Wert des Skalierwiderstands ist, desto empfindlicher bzw. feinfühliger und genauer ist das Druckmessverfahren.
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6 zeigt Kurve 61, welche die Empfindlichkeit bzw. die Messgenauigkeit des erfindungsgemäßen Druckmessverfahrens in Abhängigkeit vom Widerstandswert des Skalierwiderstands darstellt. Die y-Achse zeigt dabei logarithmisch den Widerstandswert des Skalierwiderstands in kΩ während die x-Achse die Empfindlichkeit bzw. die Messgenauigkeit in hPa angibt. Wie zu sehen ist, nimmt die Messgenauigkeit mit der logarithmischen Widerstandsskala exponentiell ab.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005041556 A1 [0003]
- DE 102006039422 A1 [0004]
- DE 102011085329 [0005, 0006]
