DE3026617A1

DE3026617A1 - Druckgeber zur messung von heissen druckmedien

Info

Publication number: DE3026617A1
Application number: DE19803026617
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl Ing Claassen; Helmut Dipl Ing List; Rudolf Ing Zeiringer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-08-09
Filing date: 1980-07-14
Publication date: 1981-02-19
Also published as: DE3026617C2; CH646789A5; AT374922B; ATA544979A; US4399706A

Description

ELI&A*»ETH JUNG dr. phil, dipl-cke«. " JÜRGEN SCHIRDEWAHN dr. rer. nat.. dipl-phys. GERHARD SCHMITT-NILSON dr.-inq. GERHARD B. HAGEN dr.phil. ₉

PETER HIRSCH dipl-inq. O

PATENTANWÄLTE PROFESSIONAL REPRESENTATIVES BEFORE THE EUROPEAN PATENT OFFICE

8000 MÖNCHEN 40, $ U £. D U I / P. O. BOX 4014 68 CLEMENSSTRASSE 30 TELEFON: (089) 34 60 67 TELEQRAMM/CABLE: INVENT MÖNCHEN TELEX: 5-29 βββ

u.Z.: Q 437 M

(Dr.SchN/ba)

14.JuIi 1980

Professor Dipl.Ing.Dr.Dr.h.c. Hans LIST Heinrichstraße 126, Graz, Österreich

"Druckgeber zur Messung von heißen Druckmedien"

Beanspruchte Priorität:

9.August 1979 Österreich Nr. A 5449/79

130008/0676

POSTSCHECKKONTO: MÖNCHEN 50175-809 · BANKKONTO: DEUTSCHE BANK A.Q. MDNCHEN, LEOPOLDSTRASSE 71, KONTO-NR. 60/35784

Die Erfindung betrifft einen Druckgeber zur Messung von heißen Druckmedien, mit einem ein Meßelement enthaltenden, in eine Öffnung in der Druckraumbegrenzung einsetzbaren Gebergehäuse und einer mit dem Gebergehäuse verbundenen Membrane, welche über ein Kraftübertragungselement mit dem Meßelement in Verbindung steht und wobei zwischen der Membrane und/oder dem Kraftübertragungselement einerseits und dem Gebergehäuse andererseits ein enger, vorzugsweise nur 0,01 bis 0,1 mm breiter Spalt gebildet ist.

Druckgeber zur Messung von heißen Druckmedien, welche z.B. zur Messung an Verbrennungsmotoren bestimmt sind, sind so aufgebaut, daß die Meßelemente selbst nur verhältnismäßig niedrigen Temperaturen ausgesetzt werden, äa sie bei höheren Temperaturen ihre Meßeigenschaften einbüßen wurden.

Es ist bekannt, die Meßelemente vor den im DruckrauE auftretenden hohen Temperaturen dadurch zu schützen, daß die Wärme von dem das Meßelement enthaltenden Teil des Druckgebers über eine eigens für den Druckgeber vorzusehen-. de Kühleinrichtung abgeführt wird. Weiters ist ein Druckgeber bekannt, bei welchem die Übertragung des zu messenden Druckes auf das Meßelement mittels eines längeren Kolbens bewerkstelligt wird, welcher einerseits mit der das Meßsystem gegen den Druckraum abdichtenden Membrane und andererseits über eine Vorspanneinrichtung mit dem Meßelement in Verbindung steht und so das Meßelement von der Wärmer quelle distanziert. Dieser Übertragungskolben ist in einem Aufnahmeteil in axialer Richtung gleitbar geführt, wobei Kolben und Aufnahmeteil etwa dasselbe Temperaturdehungsverhalten aufweisen müssen, um ein Verklemmen des Kolbens im Aufnahmeteil zu verhindern. Der Aufnahmeteil ist dabei in unmittelbarer Nähe der Vorspanneinrichtung und damit des temperaturempfindlichen Meßelementes in das Gebergehäuse eingeschraubt und bildet gegenüber dem Teil des Gebergehäuses, welcher in die gekühlte Druckraumwand einge-

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schraubt ist, einen relativ großen Spalt. Obwohl also die temperaturempfindlichen Meßelemente außerhalb des unmittelbar wärembeaufschlagten .Bereiches liegen, wird bei dieser Anordnung über den Druckübertragungskolben und den Aufnahmeteil, welche ja beide ungekühlt sind und aus gut wärmeleitendem Material bestehen, noch immer soviel Wärme zu den temperaturempfindlichen Elementen geleitet, daß ein zufriedenstellender Langzeitbetrieb dieser Anordnung nicht möglich erscheint.

Weiters ist z.B. aus der AT-PS 285 207 ein Druckgeber der eingangs genannten Art bekannt, der über einen eigenen Flüssigkeitskreislauf gekühlt ist, wobei eine Abtrennung des direkt von der Kühlflüssigkeit durchspülten Raumes von dem an die Membrane bzw. das Eraftübertragungselement und das Meßelement anschließenden Raum durchgeführt wurde, um Schwingungen bzw. Druckänderungen des Kühlmittels nicht direkt auf die Innenseite der Membrane zu übertragen, dn dsmit insbesonders bei Niederdruckgebern, die eigentlichen Messungen in unkontrollierbarer Weise beeinflußt wurden. Der vorzugsweise nur 0,01 bis 0,1 mm breite Spalt beim bekannten Druckgeber ermöglicht eine gute Wärmeableitung von der Membrane bzw. vom Kraftübertr^gungselement, jedoch ist durch die erforderliche Flüssigkeitskühlung der Aufbau und der Betrieb dieses bekannten Druckgebers relativ kompliziert.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Druckgeber der eingangs genannten Art so auszubilden, daß bei Messung von heißen Druckmedien der das temperaturempfindliche Meßelenent enthaltende Bereich des Druckgebers ohne zusätzliche kühlung, eine Temperatur aufweist, die unter der f^!ir das "eßelement höchst zulässigen Temperatur liegt.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß der den engen Spalt begrenzende Teil des Gebergehäuses bei in die Druckraumbegrenzung eingesetztem Druckgeber im wesentlichen direkt in wärmeleitender Verbindung mit der Druckraumbegrenzung ist. Bei Verwendung des Druckgebers zur

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Messung des Druckes z.B. im Brennraum eines Motors, ist das Gebergehäuse zumeist direkt in den wasser- oder luftgekühlten Zylinderkopf eingesetzt und wird somit von der Kühlung des Zylinderkopfes selbst auf einer relativ niedrigen Temperatur gehalten. Der enge Spalt zwischen der Ilerbrane und/oder dem Kraftübertragungselement einerseits und dem Gebergehäuse andererseits ist gerade so groß, daS eine vollkommen freie axiale Beweglichkeit des Kraftübertragungselementes und der Membrane gegenüber dem Gebergehäuse bei allen auftretenden Temperaturen gewährleistet ist. Das Kraftübertragungselement und die Membrane können aber über den engen Spalt genügend Wärme an das an das llotorkühlsystem angeschlossene Gebergehäuse abgeben, womit gesichert ist, daß auch bei hoher Tempera tarbeauf schlagung der llembrane das am anderen Ende des Kraftübertragungselementes befindliche temperaturempfindliche Meßelement keine unzulässig hohe Erwärmung erfährt.

Das Kraftübertragungselement kann nach einem weiteren Vorschla.g der Erfindung aus einem an sich bekannten verstärkten Mittelteil der Membrane bestehen. Durch diesen fest an der Membrane angebrachten verstärkten Mittelteil ist eine sichere kraftschlüssige Übertragung der druckbedingten Kembranbewegungen auf das Meßelement gewährleistet. Der verstärkte Mittelteil der Membrane kann dabei mit dieser einstückig ausgeführt sein, oder aber aus einem auf die Membrane aufgesetzten Teil bestehen.

Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung kann die Membrane in an sich bekannter Weise an dem verstärkten Mittelteil einen sie zumindest teilweise übergreifenden Hitzeschild aufweisen. Durch die Anordnung dieses Hitzeschildes am verstärkten Mittelteil der Membrane können auf sehr einfache Weise kurzzeitige Temperaturschwankungen von der empfindlichen Membrane ferngehalten werden, was sich im Zusammenhang mit der durch den Spalt ermöglichten verbesserten Wärmeableitung von der Membrane an das Gehäuse, bzw. auch von der Membrane über das Kraftübertra-

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gungselement an das Gehäuse in einer weiteren Erhöhung der Lebensdauer der Membrane bemerkbar macht.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann zwischen dem verstärkten Mittelteil der Membrane und ceir. lleßelement ein Stempel als zusätzliches Krsf^übertragungselement angeordnet sein. Dieser Stempel bedeutet eine Vergrößerung der Oberfläche die für die Übertragung der mem branseitig aufgebrachten Wärme über den Spalt an das gekühlte G-ebergehäuse zur Verfügung steht. Im weiteren ist über die Länge des Stempels der Abstand des temperaturempfindlichen Meßelementes von der unmittelbar wärmebeaufschlagten Membrane frei wählbar, so daß es möglich ist α?s Meßelement zur Vermeidung von unzulässigen Temperaturen in kühlere Zonen des Gebergehäuses zu verlegen.

Bei Druckgebern mit einer das Meßelement enthaltenden Vorspannhülse kann nach einem anderen Vorschlag der Irfindung zumindest ein Teil des Stempels mit dem .Boden der Vorspannhülse einstückig sein. Dadurch ist einerseits die Herstellung vereinfacht und andererseits auch die Verwendung von verschiedenen Werkstoffen für Stempel und Vorspannhülse, die in ihrer Punktion doch sehr unterschiedlich sind, möglich.

In weiterer Ausbildung der Erfindung kann der Stempel in axialer Richtung aus mehreren Teilen bestehen, wovon mindestens einer in an sich bekannter Weise durch seinen Wärmeausdehnungskoeffizienten und seine Länge eine Tempera turkompens?tion ergibt. Temperaturschwankungen, die sich in unterschiedlichen Ausdehnungen der einzelnen Teile des Druckgebers und damit in einer temperaturbedingten Ereft auf das Meßelement, welche das Meßsignal in unerwünschter Weise beeinflußt, äußert, können durch diese Ausbildung des Stempels weitgehend vermieden werden.

Der Stempel kann, gemäß einem anderen Vorschlag nccjh der Erfindung, zumindest teilweise rohrförmig ausgebildet sein. Dies ist eine besonders einfache Möglichkeit, die Wärmeleitfähigkeit des Stempels bei gleichbleibender für

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die Wärmeableitung an das ü-ebergehäuse zur Verfugung stehender Oberfläche herabzusetzen. Andererseits wird damit auch erreicht, daß durch die verringerte Masse des 9ls Übertragungsglied zwischen der Membrane und dem Meßelement dienenden Stempels das Frequenzverhalten des Druckgebers und im besonderen seine obere Grenzfrequenz wesentlich verbessert wird.

JSach einem anderen Vorschlag der Erfindung ist es möglich, daß der enge Spalt mit einem Medium gefüllt ist, welches geringe Viskosität und gute Wärmeleitung aufweist. Es kann sich dabei z.B. um Quecksilber oder Silikonfett handeln, welches zur Verbesserung der Wärmeübertragung bei gleichzeitiger Sicherstellung einer vollkommen freien exialen Beweglichkeit in den engen Spalt eingebracht wird, "sch einer besonders vorteilhaften Ausbildung der Irfindung kann der Stempel einen unrunden, z.B. sternförmigen Querschnitt aufweisen. Dies bedeutet eine wesentliche Vergrößerung der für die Wärmeabgabe an das gekühlte G-ebergehäuse zur Verfügung stehenden Oberfläche des Stempels, wobei natürlich der enge Spalt gegenüber dem Gebergehäuse an allen Stellen weiterhin gewahrt bleiben muß.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Schnitt durch

einen erfindungsgemäß ausgeführten Druckgeber im eingebauten Zustand und Fig. 2 einen Schnitt durch den in die Druckra.umwand einsetzbaren Teil einer anderen Ausführungsform nach der Erfindung.

Das Gebergehäuse 1 in Fig. 1 weist einen Gewindeteil 2 auf, mit welchem es in eine entsprechende Bohrung in die Brennraumwsnd 2' eines nicht näher dargestellten Motors einschraubbar und mittels der Dichtung 3' abdichtbar ist. Das Gebergehäuse 1 ist in axialer Richtung durchbohrt und weist an dem die Vorspannhülse 3 enthaltenden Bereich an

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seiner Außenseite Kühllamellen 4 auf, welche ringförmig ura das Gebergehäuse 1 angeordnet sind und zur selbsttätigen Kühlung dieses Bereiches durch Wärmeabstrahlung beitragen. Eine Bohrung 5 sorgt für die notwendige Entlüftung des Innenraumes des Gebergehäuses. Die Vorspannhülse 3 ist mit sehr geringer Wandstärke ausgeführt und wirkt sozusagen als Rohrfeder. Sie enthält das nur schematisch dargestellte Meßelement 6 welches zur elektrischen Ableitung der Keßsignale mit einem Pol mit der Gebermasse und mit dem anderen Pol über das Anschlußkabel 7 mit der Anschlußbuchse kontaktiert ist. Die Anschlußbuchse 8 sowie das Anschlußknbel 7 sind mittels des Isolators 9 gegenüber dem oberen Teil 10 der Vorspannhülse 3 elektrisch isoliert.

I'2S Ileßelement 6 ist mit Hilfe der elastischen VorspennlrJlse ? sowie dem oberen Teil 10 und dem Boden 11 n"r Ynrspannhülse ;■ vorgespannt, um einen guten elektrischen Eontakt und einen festgelegten Nullpunkt für das Meßsigrr-1 zu gewährleisten. Mit dem Boden 11 der Vorspannhülse 3 einstückig ausgeführt ist der Stempel 12, welcher zur Übertr-·- gung der druckbedingten Bewegungen der Membrane 13 auf d;_:s Keßelement 6 dient. Die Länge des Stempels 12 ist hier so groß, daß die Vorspannhülse 3 und das in dieser enthaltene temperatürempfindliche Meßelement 6 oberhalb des Gewindeteiles 2 des Gebergehäuses 1 liegt und somit bei in den Brennraum eingeschraubtem Gebergehäuse 1 das Meßelement 6 außerhalb des unmittelbar mit hoher Temperatur beaufschlagten Bereiches des Gebergehäuses 1 liegt. Wie strichpunktiert eingezeichnet ist es auch möglich den Stempel 12 mit einer Bohrung 12' zu versehen und ihn auf diese Art zumindest teilweise rohrförmig auszuführen. Dadurch wird die Masse des Stempels 12 bei gleichzeitig erhalten bleibender Oberfläche zum Spalt 15 verringert. Die Membrane 13 ist an ihrem zur verbesserten Wärmeableitung a.n den Gewindeteil 2 des Gebergehäuses 1 mit vergrößerter Wandstärke ausgebildeten Rand 14 mit dem Gewindeteil 2 des Gebergehäuses 1 gasdicht verbunden. Der Stempel 12 weist gegenüber dem Gewin-

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teil 2 des Gebergehäuses 1 einen engen Spalt 15 auf, welcher in einem gleichartigen Spalt 15' zwischen Membrane ^Z■ und Gewindeteil 2 des Gebergehäuses 1 seine Fortsetzung findet. Die Spalte 15 und 15' sichern einerseits die erforderliche vollkommen ungehinderte Beweglichkeit von Kembrnne 13 und Stempel 12 gegenüber dem Gebergehäuse 1 und andererseits eine ausreichende Wärmeableitung sowohl von dor Membrane 13 als auch vom Stempel 12 über die Spalte Yj und 15' an den in die gekühlte Brennraumwand 2' eingesetzten Gewindeteil 2 des Gebergehäuses 1.

Die Membrane 13 weist weiters an dem mit dem Stempel 12 zusammenwirkenden verstärkten Mittelteil 16 einen Hitzeschild 17 nuf, welcher die Membrane 13 teilweise übergreift. On durch ist cie dünne V.'andstärke der Membrane 13 vor der direkten LJnwirKung der Flsmmenfront im Brennraum und äen dvrnus resultierenden hohen Tempereturschwankungen geschätzt, w;is sich günstig auf die Erhöhung der Lebensdauer der HeTnr'ine auswirkt.

Die von den heizen Verbrennungsgasen zwangsläufig ~n eier- ^T"i t-seschild 1? und die Membrane 13 abgegebene >."-Irr.e breitet sich bei erfindungsgemäßer Ausführung des Druck-Gebers entlang der Pfeile 18 aus und wird somit zu einem großen Teil bereits innerhalb des in den Brennraum eingeschraubten Gewindeteiles 2 an die gekühlte 3rennraumwand 2' abgegeben. Es ist damit gesichert, daß auch ohne zusätzliche Kühlung des temperaturempfindlichen Meßelementes 6 die für sein einwandfreies Funktionieren höchst zulässige Temperatur nicht überschritten wird.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel nach der Erfindung besteht das Eraftübertragungselement nur nus dem verstärkten Mittelteil 19 der Membrane 20. Das Meßelement 6 steht hier in direktem kraftschlüssigen Kontakt mit dem Mittelteil 19 der Membrane 20 über welche auch der eine Pol der Ableitung der Meßsignale an den Gewindeteil 2 des nicht näher dargestellten Gebergehäuses und damit an Masse erfolgt. Der andere Pol der Ableitung ist wieder über

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AA

- ys -

άηε Anschlußkabel 7, welches mittels des Isolators 9 gegi-r.-'.;ber den Vorsparjiteil 21 elektrisch isoliert ist, in nicht sillier dargestellter Weise mit einer Anschlußbuchse konf-ktiert. Ler \veitere Aufbau und die Punktion des Druckr-'oors n^ch ?ig. 2 entspricht dem bereits zu Pig. 1 besrrochenpn.

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Nach der Lehre der Erfindung läßt sich ein Druckgeber erstellen, der - kurz zusammengefaßt - folgendermaßen aufgebaut ist:

'-.in Iruc"■:£eier zur I-Iessung von heißen Druckmedien, "-it
einem ein Keielement enthaltenden, in eine C ffnv.nr in äer Druckroumbegrenzung einsetzbaren Gebergehäuse und einer mit dem Gebergehäuse verbundenen Membrane, welche ücsr
cir. Enftübertrogungselement mit dem He 13element in Verbindung steht und wobei zwischen der Membrane und/oder den: ^T'7v'Ttäbertr.?gungselement einerseits und dem Gebergehäuse .'•nJcrc-rseits ein enger, vorzugsweise nur 0,01 bis 0, ' mm
;i:^-i?iter Spalt gebildet ist, ist, um einen Setrieb des Lruclcgeb'?rs ohne zusätzliche Kühlung zu ermöglichen, εο λ umgebildet, daß der den engen Spalt begrenzende Teil des Geber- £oh^;i.uses bei in die Druccraumbegrenzung eingesetztem L'ruci:- <yhr._T in wesentlichen direlrt in wärmeleitender Verbindung η:⁴, eier Druclrrnucbegrenzung ist.

"Dr-s Ernftübertragungselement und die Hembrcne könnei. über don ent"f>n Spplt geniigenä Värme an άεε im eingesetzten Zustind des Gebers direkt mit der Bruckraumbegrenzung in
Verbindung stehende Gebergehäuse abgeben, womit gesichert. irt, d.--3i?. auch bei hoher Temperaturbeaufschlsgung der Membr'r:·'¹ cHs °.in anderen Ende des Kr.iftübertrogungselenr-ntes ^v-»fjr.dliche tempernturempfindliche HeSelement keine unsu-1"If:rig hohe Erwärmung erfährt.

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Leerseite

Claims

Patent ansprüche

Druckgeber zur Kessung von heißen Druckmedien, mit einen, ein Meßelement enthaltenden, in eine Öffnung in der Drue¹·: rpumbegrenzung einsetzbaren Gebergehäuse und einer mit dem Gebergehäuse verbundenen Membrane, welche über ein Kraftübertragungselement mit dem Meßelement in Verbindung steht und wobei zwischen der Membrane und/oder den Ώ?8 ^übertragungselement einerseits und dem Gebergehä^se andererseits ein enger-,vorzugsweise nur 0,01 bis 0,1 mm breiter Spnlt gebildet ist, dadurch gekenn-" zeichnet, daß der den engen Spalt (15, 15') begrenzende Teil des Gebergehäuses (.1) bei in die Druckraumbegrenzung (2¹) eingesetztem Druckgeber im wesentlichen direkt in wärmeleitender Verbindung mit der Druckraumbegrenzung (.2') ist.

Druckgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, ä:S> das Kraftübertragungselement aus einem an sich bekannten verstärkten Mittelteil (16, 19) der Membrane (13, 20) besteht.

Druckgeber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, anH die Membrane (13) in an sich bekannter Weise an dem verstärkten Mittelteil (.16) einen sie zumindest teilweise übergreifenden Hitzeschild (17) aufweist. Druckgeber nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem verstärkten .'iiitelteil (16) der Membrane (1"J und dem IIeielenent (C) ei.·- Stempel (12) als zusätzliches Kraftübertrogun^selemen ■. angeordnet ist.

Druckgeber nach Anspruch 4, mit einer das Meßelement enthaltenden Vorspannhülse, dadurch gekennzeichnet, di.ß zumindest ein Teil des Stempels (12) mit dem Boden (11) der Vorspannhülse (3) einstückig ist. Druckgeber nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dr.J?

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ORIGINAL INSPECTED

der Stempel in axialer Richtung aus mehreren Teilen besteht, wovon mindestens einer in an sich "bekannter Weise durch seinen Wärmeausdehnungskoeffizienten und seine Länge eine Temperaturkompensation ergibt.
Druckgeber nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Stempel (.12) zumindest teilweise
rohrförmig ausgebildet ist.

Druckgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der enge Spalt (.15» 15') mit einem Medium gefüllt ist, welches geringe Viskosität und gute
Wärmeleitung aufweist.

Druckgeber nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Stempel einen unrunden, z.B.
sternförmigen Querschnitt aufweist.

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