DE3727221A1 - Sensor fuer druckkraft - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Sensor für Druckkraft, wie er im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 um­ rissen ist.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Drucksensor für insbesondere Gasdrucke. Er ist vorzugsweise geeignet für die Verwendung zur dynamischen Druckmessung im Verbrennungs­ raum eines Kolbenmotors.

Aus der US-PS 43 82 377 ist ein Drucksensor bekannt, der ein Gehäuse besitzt, das in den Block eines Verbrennungsmotors derart einzusetzen ist, daß ein Teil der Oberfläche des Sen­ sorgehäuses mit der Gasathmosphäre im Zylinder des Motors in Kontakt ist. Vorzugsweise hat der bekannte Sensor ein solches Gehäuse, das einen rohrförmigen Anteil besitzt, dessen dem Hauptteil des Gehäuses abgewandtes Ende dieses Rohres in den Verbrennungsraum des Motors hineinreicht. Das vordere Ende dieses Rohres besitzt eine stirnseitige Membran, die vom Gas­ druck im Zylinder des Motors elastisch und/oder nachgiebig um eine gewisse Wegstrecke bewegt werden kann.

Auf der Innenseite dieses Gehäuse liegt an der besagten Mem­ bran mit seinem Ende ein Stössel an, dessen anderes Ende eine Scheibe aus piezoelektrischer Keramik berührt. Die gesamte An­ ordnung ist so bemessen, daß auf die erwähnte Membran einwir­ kende Druckkraft den Stössel auf die piezoelektrische Scheibe drücken läßt, wobei diese Druckeinwirkung auf die piezoelek­ trische Scheibe zu einer piezoelektrisch erzeugten Spannung führt. Diese elektrische Spannung wird an Anschlußleitungen abgenommen, die mit Elektroden der piezoelektrischen Scheibe verbunden sind.

Eine solche piezoelektrische Scheibe ist im Regelfall als Bi­ morph ausgebildet, d.h. als Biegewandler. Die Halterung dieser Scheibe im Gehäuse geht aus der genannten Druckschrift eben­ falls hervor. Bekannt ist Piezokeramik wie Bleiziskonat-Tita­ nit mit entsprechend hoher Curietemperatur zu verwenden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine besonders günstige Bauform für einen Drucksensor des Prinzips des Druck­ sensors der oben genannten Druckschrift zu finden. Vorzugs­ weise kommt es dabei auf besonders kompakte Bauweise an und insbesondere sind die für die Anwendung als Drucksensor in einem Verbrennungsmotor auftretenden hohen Temperaturen zu berücksichtigen.

Diese Aufgabe wird mit einem Sensor mit den Merkmalen des Pa­ tentanspruchs 1 gelöst und weitere Ausgestaltungen und Weiter­ bildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Der erfindungsgemäße Drucksensor besitzt anstelle der bekanntermaßen verwendeten Scheibe aus Piezokeramik ein in Axialrichtung seines Piezokörpers belastetes Sensorelement, wobei dieser Körper ein Röhrchen ist. Die in Richtung der Rohrachse einwirkende Druckkraft bewirkt über den transversalen piezoelektrischen Effekt die Erzeugung der an den Elektroden des Röhrchens abzunehmenden Signalspannung, wobei die eine der Elektroden auf der Außenseite des Röhrchens und die andere Elektrode im wesentlichen auf der gegenüberliegenden Innen­ seite des Röhrchens angeordnet ist.

Ansich wird die Ausnutzung des Transversaleffekts bei piezo­ elektrischen Körpern als weniger empfehlenswert angesehen, nämlich gegenüber dem longitudinalen Piezoeffekt. Die vor­ teilhafte Formgabe für das Sensorelement des erfindungsgemäßen Sensors, nämlich die Wahl eines Röhrchens aus piezoelektrischem Material läßt jedoch ein vergleichsweise günstigeres Ergebnis insbesondere auch aus der vorgesehenen technischen Anwendung gesehen, erzielen.

Weitere Erläuterungen zur Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen eines erfindungsgemäßen Sensors mit piezoelektrischem Körper in Röhrchenform hervor.

Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors. Das Röhrchen 2 aus piezoelektrischem Material, z.B. aus Bleizirkonat-Titanant, ist axial in dem Gehäuse 3 angeord­ net. Dieses Gehäuse 3 hat als Anteil desselben die Form einer Hülse 4. Diese Hülse 4 ist stirnseitig an ihrem einen Ende mit einer dünnen Membran 5 abgeschlossen. Diese Membran 5 ist elastisch bzw. nachgiebig gegenüber der mit 6 bezeichneten Druckkraft. In diesem Gehäuse 3 steht das Röhrchen 2 aus piezoelektrischem Material stirnseitig wenigstens kraftschlüs­ sig auf der Membran 5 auf. Dadurch kann auf die Membran einwirkende Druckkraft 6, z.B. die Druckkraft des Verbrennungs­ gases, unmittelbar, und zwar in axialer Richtung, auf das Röhrchen 2 einwirken und diese Membran um eine Wegstrecke bewegen. Als Widerlager gegenüber der Druckkraft 6 ist das Röhrchen 2, wie aus der Fig. 1, ersichtlich mit Klebstoff 7 in einem Anteil des Gehäuses 3 befestigt. Da dieser Klebstoff auf Scherwirkung beansprucht bzw. belastet ist und die Druckkraft 6, z.B. bei Verbrennungsdruck-Messungen, wechselnde Höhe hat, kann ein solcher Klebstoff hier gut verwendet werden. Als Klebstoff eignen sich keramischer Kleber, Epoxidkleber und dergleichen. Es kann auch eine Löt- oder Schweißverbindung vorgesehen sein.

Mit 8 und 9 sind Elektroden des Röhrchens 2 bezeichnet. Die auf der Außenwand des Röhrchens angebrachte Elektrode 8 ist mit der Anschlußleitung 18 verbunden. Die auf der Innenseite angebrachte Elektrode 9 ist an dem in der Fig. 1 oberen Ende des Röhrchens 2 um das Ende dieses Röhrchens herumgeführt, so daß die Anschlußleitung 19 ebenfalls auf der Außenseite des Röhrchens kontaktiert werden kann.

Vorzugsweise wird der Sensor 1 mit dem zylinderischen Anteil 4 des Gehäuses 3 in die Wand 11 des Zylinderkopfes des Motors (ähnlich wie die Zündkerze) eingesetzt. Eine Einkerbung 12 der Hülse 4 dient der besseren Wirksamkeit der Membran 5.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform mit einzelnen Merkmalen wie sie der Sensor nach Fig. 1 aufweist. Übereinstimmende Merkmale sind daher mit den bereits zur Fig. 1 verwendeten Bezugszeichen versehen.

Das Gehäuse 23 hat einen hülsenförmigen Anteil 24, der, und zwar vergleichsweise zum Röhrchen 2 aus piezoelektrischem Ma­ terial, relativ große axiale Nachgiebigkeit bzw. Elastizität aufweist. Daher genügt es, daß der stirnseitige Abschluß der Hülse 24 eine Platte 25 sein kann, die keine der Membran 5 ent­ sprechende Nachgiebigkeit bzw. Elastizität aufweisen muß.

Mit 27 ist Klebstoff oder dergleichen bezeichnet, mit dem das Röhrchen 2 an dieser Platte 25 gegen unerwünschte Verschiebungen gehalten ist.

Zusätzlich zur Ausführungsform nach Fig. 1 besitzt die Ausfüh­ rungsform nach Fig. 2 für das Röhrchen 2 eine äußere Ummante­ lung 28 aus gut wärmeleitendem Material. Dieses wärmeleitende Material hat eine gegenüber den Eigenschaften des Röhrchens vernachlässigbare Steifigkeit bezüglich der Druckkraft 6. Mit Hilfe dieser Ummantelung 28 läßt sich das piezoelektrische Röhrchen 2 kühl halten, und zwar in demjenigen Bereich, über den sich die Elektroden 8 und 9 erstrecken.

Die beiden Ausführungsformen der Fig. 1 und 2 weisen Elektroden 8 und 9 auf, die nicht bis zum in den Figuren unteren Ende der piezoelektrischen Röhrchen 2 reichen. Der Grund dafür ist, daß in diesem unteren Bereich der Röhrchen 2 das piezoelektrische Material, vorzugsweise Piezokeramik, derart warm wird, daß der piezoelektrische Effekt aufgrund fehlender permanenter Polari­ sierung uninteressant ist.

Fig. 3 zeigt eine der Fig. 1 sehr ähnliche Ausführungsform, bei der jedoch das voranstehend erwähnte untere Ende des Röhrchens 32 aus piezoelektrischem Material weggelassen ist. Stattdessen ist ein Stössel 33 vorgesehen. Hinsichtlich der übrigen Merkmale der Ausführungsform nach Fig. 3 sei auf diejenige der Fig. 1 hingewiesen.

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform, bei der das Röhrchen 2 wiederum mit Klebstoff 7 gehaltert ist. Die Ausführungsform nach Fig. 4 hat weitgehende Übereinstimmung mit der Ausfüh­ rungsform nach Fig. 2. Gleichermaßen verwendete Bezugszeichen haben gleiche Bedeutung.

In das Innere des Röhrchens 2 der Ausführungsform nach Fig. 4 ist eine Litze aus Kupfer eingesetzt, die als Wärmeableiter dient. Diese Maßnahme ist hinsichtlich der Wärmeleitung beson­ ders effektiv und hat wegen der Anwendung des Materials als Litze keine nachteilige Auswirkung auf die Nachgiebigkeit bzw. meßtechnische Empfindlichkeit des Röhrchens 2 aus Piezoma­ terial. Es liegt guter Wärmekontakt zwischen dem Röhrchen 2 und der Hitze 28 vor. Die Litze ist z.B. mit einem kühlen bzw. gekühlten Anteil des Gehäuses 3, 53 verbunden.

Die Ausführungsform nach Fig. 4 hat eine Hülse 44 mit außen­ seitig vorhandenem Gewinde 144 bzw. ist sie (außen) gewellt oder gerippt. Dieses Gewinde 144 kann auch zum Einschrauben des Sensors in die Wandlung des Motorblocks vorgesehen sein. Eine solche Maßnahme hat aber auch Vorteile hinsichtlich der Stabilität. Da die Hülse 44 ebenso wie die Hülse 24 in Axialrichtung erhebliche Nachgiebigkeit bzw. Elastizität haben soll, ist diese Hülse 44 dünnwandig auszuführen. Das um diese Hülse 44 herumlaufende Gewinde 144 oder die entsprechenden Rippen bewirken eine radial gerichtete Versteifung der Hülse 44, ohne daß diese in axialer Richtung wesentlich weniger nachgiebig wird.

Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform, bei der das schon erwähnte Widerlager für das Röhrchen 2 ein Einsatz 153 des Gehäuses 53 ist. Das Röhrchen 2 ist zwischen dem in der Fig. 5 unteren Ab­ schluß 25 und diesem Einsatz 153 eingespannt. Ebenso wie bei den anderen Ausführungsformen bewirkt Druckkraft 6 eine Stauchung des Röhrchens 2 und damit ein piezoelektrisches Si­ gnal zwischen den Anschlüssen 18 (Masse des Gehäuses 53) und 19.

Vorzugsweise ist das Röhrchen 2, 32 unter mechanischer Vor­ spannung in das Gehäuse 3, 53 eingebaut.

Eine weitere Maßnahme zur Kühlung des Röhrchens 2, 32 ist, das Gehäuse bzw. die Hülse wenigstens so weit mit wärmeleitender Flüssigkeit zu füllen, daß die im Betrieb das Röhrchen umspült und Wärme an eine Wärmesenke ableitet.

Mit 16 ist auf die durch die zu messende Druckkraft 6 bewirkte Stauchung des Röhrchens 2, 32 und gegebenenfalls der Hülse 24 hingewiesen.

Claims (20)

1. Sensor für das Feststellen und/oder Messen eines in einer Vorrichtung (11) auftretenden Druckes (6), vorzugsweise eines Gases, geeignet für dynamische Druckmessung im Verbrennungsraum eines Kolbenmotors,
mit einem Gehäuse (3, 53), daß in der Vorrichtung derart anzu­ ordnen ist, daß die zu detektierende bzw. zu messende Druck­ kraft (6) auf einen Anteil (5, 25) der Oberfläche dieses Gehäuses (3, 53) einwirken kann, wobei diese Oberfläche gegenüber der Druckkraft (6) innerhalb des Gehäuses (3, 53) elastisch und/oder nachgiebig bewegbar ist,
mit einen piezoelektrischen Sensorelement (2, 32), das in dem Gehäuse (3, 53) derart angeordnet ist, daß eine Übertragung derjenigen Druckkraft (6) folgt, die auf den besagten Anteil (5, 25) der Oberfläche des Gehäuses (3, 53) einwirkt, wobei für das Sensorelement (2, 32) ein entsprechendes Widerlager (7, 153) vorgesehen ist und
mit elektrischen Außenanschlüssen (18, 19), die mit Elektroden (8, 9) des Sensorelements verbunden sind,
gekennzeichnet dadurch, daß das Sensorelement die Form eines Röhrchens (2, 32) hat, daß die Anbringung des Röhrchens (2, 32) im Gehäuse (3, 53) derart ist, daß das Röhrchen (2, 32) durch die besagte Druckkraft (6) im wesentlichen nur axiale Stauchung (16) erfährt, daß die Elektroden (8, 9) auf der inneren und auf der äußeren Mantelfläche dieses Röhrchens (2, 32) angebracht sind, wobei das erzeugte elektrische Signal auf dem transversalen piezoelelektrischen Effekt des Materials des Röhrchens (2, 32) beruht.

2. Sensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß dieser Sensor als Gasdruck-Sensor ausgebildet ist.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch , daß das Röhrchen zu mindenstens einem Anteil in einer zylinder­ förmigen Hülse (4, 24, 44) angeordnet ist, wobei diese Hülse ein Anteil des Gehäuses (3, 23) ist und das eine Ende dieser Hülse der besagte Anteil (5, 25) der Oberfläche dieses Gehäuses ist, auf den die Druckkraft (6) einwirkt.

4. Sensor nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Hülse in Axialrichtung eine Nachgiebigkeit aufweist, die vergleichsweise zur Nachgiebigkeit des Röhrchens (2, 32) des Sensorelements klein ist, so daß durch die Druckkraft (6) revisible axiale Stauchung (16) dieser Hülse ohne relevanten Kraftverlust erfolgt.

5. Sensor nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, daß diese Hülse (4, 24, 44) für ein großes Verhältnis der Elasti­ zität bzw. Nachgiebigkeit in Axialrichtung (16) gegenüber den dazu senkrechten Richtungen bemessen ist (Fig. 4).

6. Sensor nach Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, daß die Hülse (44) eine gerippte bzw. gewellte Oberfläche besitzt.

7. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß das Ende der Hülse, das der Druckkraft ausgesetzt ist eine Druckmembran (5) ist, die die Hülse (4) dicht abschließt.

8. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet dadurch, daß das Material des Röhrchens (2, 32) piezoelektrische Keramik ist.

9. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet dadurch, daß das Röhrchen in dem Gehäuse (3, 23) bzw. der Hülse (4, 24, 44) derart angeordnet ist, daß sich Röhrchen und Gehäuse bzw. Hülse nur an bzw. nahe den Enden des Röhrchens (2, 32) berühren.

10. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet dadurch, daß das Röhrchen (2, 32) in dem Gehäuse (3, 23) mit Klebstoff (7) befestigt ist.

11. Sensor nach Anspruch 10, gekennzeichnet dadurch, daß Epoxidkleber (7) verwendet ist.

12. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet dadurch, daß das Material (7), das der mechanischen Verbindung des Röhr­ chens (2, 32) mit dem Gehäuse (3, 53) dient, eine mit elektrisch leitenden und/oder dielektrischen Mitteln modifizierte Paste ist, wie sie in der Dickschichttechnik verwendet wird.

13. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet dadurch, daß das Röhrchen (2, 32) im Gehäuse (3, 53) unter mechanischer Vorspannung gehaltert ist.

14. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet dadurch, daß das Röhrchen (2, 32) in dem Gehäuse (3, 23) mittels einer Löt- bzw. Schweißverbindung gehaltert ist.

15. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, gekennzeichnet dadurch, daß dieser als Widerlager dienende Halterung des Röhrchens (2, 32) in dem Gehäuse (3, 23) mit elektrisch leitfähigem Mittel (7) bewirkt ist.

16. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 15, gekennzeichnet dadurch, daß Mittel (28, 44) vorgesehen sind mit deren Hilfe Wärme von dem Röhrchen (2, 32) abzuleiten ist.

17. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 16, gekennzeichnet dadurch, daß die Elektroden (8, 9) des Röhrchens (2, 32) in einem Abstand von demjenigen Ende des Röhrchens enden, das der Druckkraft (6) zugewandt ist, wobei dieser Abstand so bemessen ist, daß die Elektroden (8, 9) keine solchen Anteile des Röhrchens (2, 32) be­ legen, die durch die betriebsgemäße Wärmeeinwirkung ohnehin ohne piezoelektrische Wirkung sind.

18. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 17, gekennzeichnet dadurch, daß zwischen demjenigen Ende des Gehäuses (3, 23), das der Druckkraft (6) ausgesetzt ist und dem diesem Ende zugewandten Ende des Röhrchens (2, 32) ein als Stössel wirksames Zusatzteil (33) eingefügt ist.

19. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 18, gekennzeichnet dadurch, daß das Gehäuse (3, 23) wenigstens zu einem Anteil mit einer wärmeleitenden Flüssigkeit gefüllt ist, die mit dem Röhrchen (2, 32) und einer Wärmesenke im Betrieb in Wärmekontakt ist.

20. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 19, gekennzeichnet dadurch, daß wärmeisolierendes jedoch die Druckkraft übertragenes Ma­ terial zwischen der Innenseite des Bodens der Hülse und dem der Druckkraft (6) zugewandten Ende des Röhrchens (2, 32) ein­ gefügt ist.