DE3807196A1 - Messwertumformer zur aufnahme von druckaenderungen in rohrleitungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Meßwertumformer zur Aufnahme von Druckänderungen in Rohrleitungen zum Zweck der Erfas­ sung des Innendrucks z. B. in Einspritzleitungen eines Dieselmotors oder in Rohrleitungen eines Öldruck-Geräts, wobei eine Verformung von Stahlrohrleitungen erfaßt wird.

Als Meßwertumformer zur Aufnahme von Druckänderungen in Rohrleitungen ist ein Meßwertumformer bekannt, der ein mit Dehnungsmeßstreifen oder piezoelektrischen Elementen arbei­ tender Druckfühler ist und unmittelbar an der Innenwand einer Kraftstoffeinspritzleitung eines Dieselmotors ange­ ordnet ist. Zum Einbau dieses Meßwertumformers in die Lei­ tung muß ein Teil der Kraftstoffeinspritzleitung zum Öffnen ausgebildet sein, und durch diese Öffnung muß der Meßwert­ umformer ein- bzw. ausgebaut werden. Beim Einbau des Meß­ wertumformers in die Rohrleitung kann somit, falls das Formstück für die Öffnung nicht perfekt ist, Staub in die Leitung gelangen, wodurch eventuell die Leitung mit Staub zusetzt. Infolgedessen können Störungen im Kraftstoffein­ spritzsystem oder im Motor selbst auftreten.

Ferner ist ein Meßwertumformer bekannt, der unter Vermei­ dung des vorgenannten Problems außerhalb der Rohrleitung montiert wird. Z. B. zeigt die JP-PS 58-40 133 einen Meß­ wertumformer, bei dem ein piezoelektrisches Element gewölbt ausgebildet ist, so daß es in innigem Kontakt mit der Rohr­ leitung an dieser montiert ist, wobei zwischen diesem piezoelektrischen Element und einem formsteifen Umformer­ gehäuse eine elastische Halterung angeordnet ist, die um das Äußere des piezoelektrischen Elements gewickelt ist. Da das piezoelektrische Element dieses Meßwertumformers durch die Halterung eng anliegend an der Rohrleitung gehalten ist, wird bei einer Verformung der Rohrleitung eine starke Reibungskraft zwischen der Rohrleitung und dem piezoelek­ trischen Element erzeugt, so daß die Verformung der Rohr­ leitung exakt auf das piezoelektrische Element übertragen wird.

Bei diesem Meßwertumformer wird als Fühler z. B. ein dünnes piezoelektrisches Element verwendet. Da der Fühler die Änderungen der Umfangslänge der Rohrleitung und nicht die Änderungen des Rohrleitungsdurchmessers aufnimmt, muß die Rohrleitungsverformung exakt auf den Fühler übertragen wer­ den. Zur exakten Übertragung der Rohrleitungsverformung auf den Fühler muß der Kontaktdruck zwischen der Rohrleitung und dem Fühler eingestellt werden.

Bei diesem Meßwertumformer wirkt auf den Fühler eine Träg­ heitskraft infolge von Schwingungen der Rohrleitung bei einem plötzlichen Druckanstieg in dieser, und im Ausgangs­ signal des Meßwertumformers wird als weitere, von den Schwankungen des Rohrinnendrucks verschiedene Kraft Rau­ schen erzeugt. Um dieses Rauschen zu vermindern, muß das Gehäuse des Meßwertumformers eine formsteife Konstruktion sein, das Gehäuse muß fest an der Rohrleitung montiert sein, und der Fühler darf in keiner Weise selbsthalternd sein. Daher ist bei diesem Meßwertumformer der Befesti­ gungsaufbau für den Fühler kompliziert, und die Justierung bei der Montage wird schwierig.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Meßwertumformer anzugeben, der gegenüber den vorgenannten Nachteilen keine komplizierte Justierung der Anpreßkraft an den Fühler benötigt, der einfach aufgebaut, bei der Montage einfach einstellbar und von geringem Gewicht ist, so daß er prak­ tisch keinen Einfluß auf das Einspritzsystem ausübt, und der gegenüber den Auswirkungen von Rauschen aufgrund von Schwingungen weniger empfindlich ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Meßwertumformer zur Auf­ nahme von Druckänderungen in einer Rohrleitung vorgesehen, der eine Verformung der Rohrleitung erfaßt und die Druck­ änderungen in dieser in elektrische Signale umwandelt; der Meßwertumformer ist gekennzeichnet durch einen Fühler mit einer bimorphen bzw. Doppelplatteneinheit aus einem piezo­ elektrischen Material und durch eine Halterung, die den Fühler an eine Außenfläche der Rohrleitung preßt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Fühler eine Zwischenlage zwischen piezoelektrischen Elementen auf.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausbildung ist die Halte­ rung von einem formsteifen Gehäuse abgestützt, das die Rohrleitung umgibt.

In weiterer Ausbildung der Erfindung ist die Halterung ein dehnbares Band.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Enden des dehnbaren Bands an dem Gehäuse festgelegt sind.

Ferner ist zur Lösung der vorgenannten Aufgabe ein Meßwert­ umformer zur Aufnahme von Druckänderungen in einer Rohr­ leitung vorgesehen, der eine Verformung der Rohrleitung erfaßt und die Druckänderungen in der Rohrleitung in elek­ trische Signale umwandelt; der Meßwertumformer ist gekenn­ zeichnet durch einen Fühler aus einer bimorphen bzw. Dop­ pelplatteneinheit aus piezoelektrischem Material und durch ein Druckmedium, das den Fühler gegen eine Außenfläche der Rohrleitung preßt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Druckmedium ein Gas oder eine Flüssigkeit.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind zwi­ schen dem Druckmedium und dem Fühler weiche dünnwandige Organe angeordnet.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung beste­ hen die weichen dünnwandigen Organe aus Gummi.

In weiterer Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Halterung die Rohrleitung umschließt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausbildung sind die Enden der Halterung durch Spannstücke festgelegt.

Dabei ist die im Fühler verwendete bimorphe bzw. Doppel­ platteneinheit durch Verkleben von zwei piezoelektrischen Elementen gebildet. Gemäß Fig. 3 sind bei einer Art einer Doppelplatteneinheit zwei piezoelektrische Elemente 51, 52 in zueinander entgegengesetzten Polarisationsrichtungen 53, 54 miteinander haftend verbunden, und Elektroden 55, 56 sind an der Außenseite angeordnet und mit elektrischen Anschlüssen 57, 58 verbunden; dieser Typ wird als Reihen- Doppelplatteneinheit bezeichnet. Bei einer anderen bi­ morphen Einheit gemäß Fig. 4 sind zwei piezoelektrische Elemente 59, 60 so miteinander haftend verbunden, daß sie gleiche Polarisationsrichtungen 61, 62 haben. Zwischen den piezoelektrischen Elementen 59 und 60 ist eine Elektrode 63 haftend angeordnet und an einen elektrischen Anschluß 67 geführt. Elektroden 64, 65 sind an der Außenseite angeord­ net und elektrisch leitend miteinander verbunden und an einen Anschluß 66 geführt; dieser Typ wird als Parallel- Doppelplatteneinheit bezeichnet. Bei der vorliegenden Erfindung können beide Arten von Doppelplatteneinheit ver­ wendet werden.

Piezoelektrische Platten zur Bildung der Doppelplattenein­ heit bestehen normalerweise aus einem hochpolymeren piezo­ elektrischen Werkstoff oder einem Gemisch aus einer piezo­ elektrischen Keramik und einem hochpolymeren Werkstoff oder hochpolymeren piezoelektrischen Werkstoff, und Bespiele eines hochpolymeren piezoelektrischen Werkstoffs sind Vinyliden-Fluoridpolymere wie ein Vinyliden-Fluorid-Hoch­ polymerisat oder Vinyliden-Fluorid-Trifluorethylen-Copoly­ merisat.

Das Meßprinzip des die bimorphe Einheit verwendenden Meß­ wertumformers ist wie folgt. Der Meßwertumformer kann durch Änderungen des Rohrleitungsinnendrucks hervorgerufene Ände­ rungen im Rohrleitungsdurchmesser durch Erfassen der Span­ nungsänderungen nachweisen. Wenn man die Ausgangsspannung des Meßwertumformers mit Vp [V] annimmt, wird dies wie folgt ausgedrückt:

Vp = cgt²r ^-1 (1)

wobei

c:Elastizitätsmodul des piezoelektrischen Elements [N/m²],g:Ausgangsspannungs-Koeffizient des piezoelektrischen Elements [V · _m/N],t:Dicke eines piezoelektrischen Elements [m],r:Krümmungsradius (Entfernung zwischen Rohrmitte und Mitte der bimorphen Einheit) [m].

Da, wie aus der Gleichung (1) hervorgeht, die Ausgangsspan­ nung Vp dem Quadrat der Dicke eines einzelnen piezoelektri­ schen Elements proportional ist, wird eine höhere Ausgangs­ spannung erhalten, wenn die Dicke des piezoelektrischen Elements größer gemacht wird, so daß die Meßempfindlichkeit verbessert wird. Durch das Vorsehen einer Zwischenlage zwi­ schen den piezoelektrischen Elementen kann ferner die Transformation der piezoelektrischen Elemente (insbesondere des äußeren piezielektrischen Elements) verstärkt werden, so daß die Meßempfindlichkeit verbessert wird. Hinsichtlich des Werkstoffs für die Zwischenschicht besteht keine spe­ zielle Einschränkung, solange dieser ein Leiter ist; bevor­ zugt werden Metallbleche wie Kupfer- und Aluminiumbleche verwendet. Die Dicke der Zwischenlage beträgt bevorzugt 0,1-2,0 mm.

Bei der vorliegenden Erfindung muß die bimorphe Einheit an die Rohrleitungsoberfläche so angepreßt sein, daß sie Än­ derungen des Rohrdurchmessers mit hoher Präzision folgt, und zu diesem Zweck wird eine Halterung verwendet. Als Werkstoff für die Halterung wird bevorzugt ein Gummiband oder ein dehnbares Band verwendet. Wenn als Halterung ein elastisches Element verwendet wird, wird dieses bevorzugt zwischen einem Gehäuse und der bimorphen Einheit angeord­ net, wobei das Gehäuse die Rohraußenseite umschließt. Im Fall der Verwendung eines geteilten Gehäuses kann dieses lösbar an der zu messenden Rohrleitung befestigt sein, indem es mit einer Spannschraube, einer Schnappklemme oder einer Federklemme versehen wird. Bei Verwendung eines dehn­ baren Bands als Halterung wird dieses Band so angeordnet, daß es um das Rohräußere gewickelt wird, und die bimorphe Einheit wird dann zwischen Rohrleitung und Band angeordnet; wenn am Ende des Bands eine Klammer vorgesehen ist, kann diese abnehmbar an der Rohrleitung befestigt werden, ohne daß ein Gehäuse verwendet wird.

Wenn die Doppelplatteneinheit mittels der Halterung auf die Rohroberfläche gedrückt wird, kann sie entweder direkt oder über eine Schutzlage, z. B. eine Metallfolie, auf die Rohr­ oberfläche gedrückt werden. In jedem Fall genügt es, wenn die Doppelplatteneinheit derart gegen die Rohroberfläche gedrückt wird, daß die Änderungen des Krümmungsradius des Rohrs durch Verfolgen der Rohrdurchmesseränderungen gemes­ sen werden können, und es wird keine Reibungskraft zur exakten Übertragung der gesamten Verformung der Rohrober­ fläche zwischen der Rohrleitung und der Doppelplattenein­ heit benötigt. Wenn, wie beim Stand der Technik, der Fühler ein einfaches piezoelektrisches Element ist, muß dieses in engen Kontakt mit der Rohrleitung gedrückt werden, damit die Änderungen der Umfangslänge der Rohrleitung erfaßt wer­ den können. Dagegen ist im Fall der Erfindung unter Anwen­ dung der Doppelplatteneinheit das Meßprinzip ein anderes;, d. h. die Anderungen des Krümmungsradius des Rohrs werden anstatt der Änderungen der Umfangslänge des Rohrs erfaßt, und somit braucht das piezoelektrische Element nicht eng gegen das Rohr gepreßt zu werden. Wenn im übrigen im Fall der Doppelplatteneinheit aufgrund von Änderungen der Um­ fangslänge des Rohrs eine Kraft in Umfangsrichtung des Rohrs zur Einwirkung gelangt, werden Spannungsänderungen nicht aufgenommen, weil die in dem einen piezoelektrischen Element der Doppelplatteneinheit auftretende elektrische Ladung und die im anderen piezoelektrischen Element auftre­ tende elektrische Ladung einander aufheben.

Da bei dem Meßwertumformer nach der Erfindung eine Doppel­ platteneinheit im Fühler verwendet wird, können Auswirkun­ gen von Rauschen, das durch Schwingungen der Rohrleitung hervorgerufen werden, unterbunden werden, ohne daß ein speziell aufgebautes Gehäuse zur Absorption der Haltekräfte für den Fühler wie bei dem konventionellen Meßwertumformer benötigt wird. Wenn also in der Doppelplatteneinheit selbst aufgrund von Rohrschwingungen eine Trägheitskraft ausgebil­ det wird, wird die Doppelplatteneinheit von dieser Träg­ heitskraft in Dickenrichtung mit einer Druckkraft beauf­ schlagt, aber in diesem Fall heben die in dem einen und dem anderen piezoelektrischen Element der Doppelplatteneinheit auftretenden elektrischen Ladungen einander auf, so daß keine Spannungsänderungen aufgenommen werden. Daher kann die Konstruktion des Meßwertumformers stark vereinfacht werden.

Gemäß der Erfindung wird eine komplizierte Justierung der Änpreßkraft des Fühlers an das Rohr nicht benötigt, so daß die Konstruktion vereinfacht werden kann, und Rauschen, das durch die den Fühler selbst beaufschlagende Trägheitskraft infolge von Rohrschwingungen entsteht, kann verhindert werden.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel des Meßwertumformers;

Fig. 2 einen Schnitt I-I nach Fig. 1;

Fig. 3 einen Schnitt durch eine Ausführungsform einer bimorphen bzw. Doppelplatteneinheit;

Fig. 4 einen Schnitt durch eine weitere Ausführungs­ form der Doppelplatteneinheit;

Fig. 5 einen Schnitt durch eine weitere Ausführungs­ form der Doppelplatteneinheit;

Fig. 6 einen Schnitt II-II nach Fig. 5;

Fig. 7 einen Schnitt durch eine andere Ausführungs­ form des Meßwertumformers;

Fig. 8 einen Schnitt III-III nach Fig. 7;

Fig. 9 einen Schnitt durch eine andere Ausführungs­ form des Meßwertumformers;,

Fig. 10 einen Schnitt IV-IV nach Fig. 9;

Fig. 11 einen Schnitt durch eine andere Ausführungs­ form des Meßwertumformers; und

Fig. 12 einen Schnitt V-V nach Fig. 11.

Nach Fig. 1 sollen Druckänderungen in einer Druckleitung 1 aufgenommen werden, und eine Doppelplatten- bzw. bimorphe Einheit 3, die als Fühler dient, ist durch eine Halterung 4 über eine Schutzlage 2 gegen diese Druckleitung 1 gedrückt. Die Schutzlage 2 dient zum Schutz der Doppelplatteneinheit 3 und ist z. B. eine Metallfolie. Eine Halterung 5 haltert die Druckleitung 1 direkt. Die Halterungen 4, 5 sind ela­ stische Werkstoffe, z. B. Gummi. An den Außenseiten der Halterungen 4, 5 sind zwei Gehäusehälften 6, 7 mittels Befestigungselementen 8, z. B. Spannschrauben, festgelegt.

Nachstehend wird die Funktionsweise des Meßwertumformers nach den Fig. 1 und 2 erläutert. Wenn Dieselöl unter Druck in die Druckleitung 1 einströmt, ändert sich der Durchmes­ ser der Druckleitung 1 entsprechend. Eine Durchmesserände­ rung der Druckleitung 1 bedeutet eine Änderung des Krüm­ mungsradius r des Rohrs, und in der Doppelplatteneinheit 3 entsteht entsprechend der obigen Gleichung (1) eine Span­ nung Vp, die der Anderung des Krümmungsradius r entspricht. Durch Erfassen dieser Spannungsänderung erhält man die Druckänderung in der Druckleitung. Wenn die Druckleitung 1 vibriert, wird in dem Meßwertumformer eine Trägheitskraft erzeugt, und diese kann die Doppelplatteneinheit beauf­ schlagen. Wenn jedoch auf die Doppelplatteneinheit eine Trägheitskraft einwirkt, wird eine Spannungsänderung auf­ grund der vorher genannten Wirkung nicht erfaßt. Daher kann mit diesem Meßwertumformer die Erfassung von trägheits­ kraftbedingtem Rauschen verhindert werden.

Die Fig. 5 und 6 zeigen eine weitere Ausführungsform des Meßwertumformers. Gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist keine Halterung 5 vorgesehen, und der untere Teil (in Fig. 5) der Druckleitung 1 ist von einer Gehäuse­ hälfte 9 mit V-Einschnitt gehaltert. Da es bei diesem Meß­ wertumformer nicht immer notwendig ist, die Fühler symme­ trisch zur Rohrleitung anzuordnen, kann dieser vereinfachte Aufbau realisiert werden. Die Funktionsweise der Doppel­ platteneinheit 3 zur Aufnahme von Druckänderungen in der Druckleitung 1 ist die gleiche wie bei dem Meßwertumformer nach Fig. 1.

Die Fig. 7 und 8 zeigen eine andere Ausführungsform des Meßwertumformers. Dabei zeigt Fig. 7 Halterungen 10, 11 aus dehnbaren Bändern, und das Band 10 drückt aufgrund seiner Spannung die Doppelplatteneinheit 3 an die Außenfläche der Druckleitung 1, während das Band 11 die Druckleitung 1 unmittelbar haltert. Die Enden der Bänder 10, 11 sind jeweils an Gehäusehälften 12, 13 festgelegt. Auch hier ent­ spricht die Funktionsweise der Doppelplatteneinheit 3 bei der Aufnahme von Druckänderungen in der Druckleitung 1 der­ jenigen des Meßwertumformers nach Fig. 1.

Die Fig. 9 und 10 zeigen eine weitere Ausführungsform des Meßwertumformers. In Fig. 9 sind aus Gummi oder anderem weichem Werkstoff bestehende dünnwandige Organe 16, 17 in Gehäusehälften 14, 15 angeordnet, und zwischen den Gehäuse­ hälften 14, 15 und den weichen dünnwandigen Organen 16, 17 sind luftdichte Kammern 18, 19 gebildet. Die Enden der weichen dünnwandigen Organe 16, 17 sind jeweils an den Gehäusehälften 14, 15 festgelegt. Die Doppelplatteneinheit ist auf der Druckleitung 1 angeordnet und von dem weichen dünnwandigen Organ 16 geschützt. Wenn diese luftdichten Kammern 18, 19 mit Luft oder einem anderen Gas oder mit Öl oder einem anderen Druckmedium gefüllt werden, wird die Doppelplatteneinheit 3 gegen die Außenfläche der Drucklei­ tung 1 gepreßt, und die Druckleitung 1 wird abgestützt. In der luftdichten Kammer 18 ist außerdem eine Einlaßöffnung 20 vorgesehen, und der Druck in den luftdichten Kammern 18, 19 kann durch Regeln des Förderdrucks einer Pumpe 30 ein­ gestellt werden. Auch hier entspricht die Funktionsweise der Doppelplatteneinheit 3 bei der Aufnahme von Druckände­ rungen in der Druckleitung 1 derjenigen des Meßwertumfor­ mers nach Fig. 1.

Die Fig. 11 und 12 zeigen eine weitere Ausführungsform des Meßwertumformers. Nach Fig. 11 dient ein dehnbares Band 21 als Halterung, die die Doppelplatteneinheit 3 gegen die Außenfläche der Druckleitung 1 drückt. An beiden Enden des Bands 21 sind Spannelemente 22, 23 als Befestigungsmittel angeordnet, und diese Spannelemente 22, 23 können an der Druckleitung 1 mittels einer Schraube 24 und einer Mutter 25 befestigt sein. Da bei dieser Ausführungsform kein Gehäuse benötigt wird, kann die Konstruktion außerordent­ lich einfach sein. Wiederum ist die Funktionsweise der Dop­ pelplatteneinheit 3 zur Aufnahme von Druckänderungen in der Druckleitung 1 die gleiche wie bei dem Meßwertumformer nach Fig. 1.

Selbstverständlich sind weitere Modifikationen des Meßwert­ umformers im Rahmen der Erfindung möglich.

Claims (11)

1. Meßwertumformer zur Aufnahme von Druckänderungen in einer Rohrleitung (1) durch Erfassung einer Verformung derselben und zum Umformen der in der Rohrleitung auftre­ tenden Druckänderungen in elektrische Signale, gekennzeichnet durch einen Fühler (3), der als Doppelplatten- bzw. bimorphe Ein­ heit aus piezoelektrischem Material ausgebildet ist, und eine Halterung (4, 5, 10, 11, 21), die den Fühler (3) gegen eine Außenfläche der Rohrleitung drückt.

2. Meßwertumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fühler (3) eine zwischen piezoelektrischen Platten angeordnete Zwischenlage (2) aufweist.

3. Meßwertumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (4, 5) von einem die Rohrleitung (1) umgebenden formsteifen Gehäuse (6, 7) abgestützt ist.

4. Meßwertumformer nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung ein dehnbares Band (10, 11) ist.

5. Meßwertumformer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden des dehnbaren Bands (10, 11) an dem Gehäuse (12, 13) festgelegt sind.

6. Meßwertumformer zur Aufnahme von Druckänderungen in einer Rohrleitung (1) durch Erfassung einer Verformung der­ selben und zum Umformen der in der Rohrleitung auftretenden Druckänderungen in elektrische Signale, gekennzeichnet durch einen Fühler (3), der als Doppelplatten- bzw. bimorphe Ein­ heit aus piezoelektrischem Material ausgebildet ist, und ein Druckmedium, das den Fühler (3) an eine Außenfläche der Rohrleitung (1) drückt.

7. Meßwertumformer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckmedium ein Gas oder eine Flüssigkeit ist.

8. Meßwertumformer nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Druckmedium und dem Fühler (3) weiche dünnwandige Organe (16) angeordnet sind.

9. Meßwertumformer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die weichen dünnwandigen Organe (16) aus Gummi bestehen.

10. Meßwertumformer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (21) die Rohrleitung (1) umgibt.

11. Meßwertumformer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Halterung (21) durch Spannelemente (22, 23) festgelegt sind.