DE4444831A1 - Drucksensor - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drucksensor,
insbesondere einen solchen Drucksensor, welcher eine
Metallmembran aufweist und Druck über ein Fluid überträgt,
und zur Druckmessung beispielsweise dann eingesetzt wird,
wenn der Verbrennungsdruck in einer Brennkraftmaschine
gemessen wird.
Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht des Aufbaus eines
konventionellen Drucksensors, der zur Messung des
Verbrennungsdrucks in einer Brennkraftmaschine verwendet
wird, und bei ähnlichen Anwendungen, wobei ein im
wesentlichen hohlzylindrisches Gehäuse 1 aus Edelstahl wie
beispielsweise SUS 304 oder dergleichen einen
Gewindeabschnitt 2 aufweist, der am Umfang des Gehäuses 1 in
dessen unterem Abschnitt vorgesehen ist, um das Gehäuse 1 auf
einer Brennkraftmaschine oder dergleichen (nicht gezeigt)
anzubringen. Das Gehäuse 1 ist mit einer im wesentlichen
säulenförmigen, zentralen Bohrung 3 versehen, die sich durch
das Gehäuse hindurch erstreckt und einen Schulterabschnitt 3a
in ihrem mittlerem Abschnitt aufweist. Ein Stiel 7 aus
weichem, unlegiertem Stahl ist auf dem Schulterabschnitt 3a
angeordnet, und ein Druckmeßelement 5, welches aus einem
Halbleiterdehnungsmeßelement besteht, ist an einer Glasbasis
6 befestigt, die an der unteren Oberfläche des Stiels 7
angebracht ist. Darüber hinaus erstrecken sich
Ausgangsleitungen 8 durch den Stiel 7 und sind elektrisch mit
dem Druckmeßelement 5 über Verbindungsdrähte 9 verbunden.
Eine gewellte oder geriffelte Membran 4, die aus Edelstahl
SUS 304 oder dergleichen besteht, und eine Dicke von etwa
40 um sowie einen Durchmesser von etwa 8 mm aufweist, ist an
dem unteren Ende des Gehäuses 1 beispielsweise durch
Schweißen befestigt, und ein Druckübertragungsmedium 10,
welches aus einer Flüssigkeit wie beispielsweise Silikonöl
oder dergleichen besteht, ist in die zentrale Bohrung 3
zwischen dem Stiel 7 und der Membran 4 eingefüllt, um einen
zu erfassenden Druck zu übertragen.
Nachstehend erfolgt eine Schilderung des Betriebsablaufs. Die
Membran 4 wird in der Verbrennungskammer einer
Brennkraftmaschine oder in einem Druckübertragungsweg
angeordnet, der mit der Verbrennungskammer verbunden ist. Die
Membran 4 wird entsprechend einer Druckänderung in der
Verbrennungskammer verformt, und überträgt den Druck an das
Druckmeßelement 5 über das Druckübertragungsmedium 10. Die
übertragene Druckänderung in der Verbrennungskammer wird
durch das Druckmeßelement 5 in ein elektrisches Signal
umgewandelt, und das elektrische Signal wird nach außen über
die Ausgangsleitungen 8 übertragen, die elektrisch durch die
Verbindungsdrähte 9 angeschlossen sind.
Bei dem konventionellen Drucksensor tritt folgendes Problem
auf: Zwar gibt es eine Frequenzdifferenz zwischen einem
Ausgangssignal, welches von einer Druckänderung im
Normalbetrieb herrührt, und einem Ausgangssignal, welches
erzeugt wird, wenn eine nicht normale Druckänderung wie
beispielsweise Klopfen und dergleichen vorhanden ist, jedoch
gibt es keinen Unterschied bei den Größen oder den Amplituden
der Ausgangssignale. Es ist daher schwierig, eine
Unterscheidung der Ausgangssignale zwischen einem normalen
und einem nicht normalen Zustand durchzuführen, und daher
kann das Auftreten einer nicht normalen Druckänderung oder
Druckschwingung wie beispielsweise Klopfen und dergleichen
nur schwer erfaßt werden.
In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, daß der
konventionelle Drucksensor eine Membran verwendet, die einen
Durchmesser von 8 mm und eine Dicke von etwa 40 um aufweist,
und eine Resonanzfrequenz von 10 000 bis 10 300 Hz aufweist,
und daß die Druckschwingungsfrequenz in der
Verbrennungskammer zwischen 5000 Hz und 9000 Hz liegt, wenn
eine nicht normale Druckschwingung wie beispielsweise Klopfen
und dergleichen auftritt, und daher schwingt beim Auftreten
einer nicht normalen Druckschwingung wie beispielsweise
Klopfen und dergleichen die Membran nicht ebenso wie im Falle
eines normalen Betriebsablaufs, und daher kann ein
Ausgangssignal mit hoher Verstärkung nicht erhalten werden.
Daher läßt sich das Auftreten einer nicht normalen
Druckschwingung, die sich von jener unterscheidet, die im
Normalbetrieb auftritt, schwierig unterscheiden.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Lösung des
voranstehend geschilderten Problems, um einen Drucksensor zur
Verfügung zu stellen, welcher eine Membran aufweist, die in
Reaktion auf eine nicht normale Druckschwingung wie
beispielsweise Klopfen und dergleichen so schwingt, daß das
Auftreten einer nicht normalen Druckschwingung wie
beispielsweise Klopfen oder dergleichen einfach auf der
Grundlage der Resonanz der Membran erfaßt werden kann.
Unter Berücksichtigung des voranstehend geschilderten Ziels
stellt die vorliegende Erfindung gemäß Patentanspruch 1 einen
Drucksensor zu Verfügung, welcher ein Gehäuse aufweist, das
mit einem Erfassungshohlraum versehen ist, der ein offenes
Ende aufweist, eine in dem Erfassungshohlraum des Gehäuses
angeordnete Druckmeßanordnung, eine Membran, die so
angeordnet ist, daß sie das offene Ende des
Erfassungshohlraums abdichtet, und ein in den
Erfassungshohlraum eingefülltes Druckübertragungsmedium,
wobei die Membran eine Resonanzfrequenz gleich der Frequenz
einer nicht normalen Druckschwingung aufweist.
Gemäß Patentanspruch 2 ist die Außenform der Membran im
wesentlichen scheibenförmig, und es sind ein solcher
Durchmesser und eine derartige Plattendicke vorgesehen,
welche es der Membran ermöglichen, eine Resonanzfrequenz
aufzuweisen, die gleich der Frequenz der nicht normalen
Druckschwingung ist.
Gemäß Patentanspruch 3 erfüllen der Durchmesser d (mm) und
die Plattendicke t (µm) der Membran folgende Formel:
t = Kd², wobei K = 3,3×10-4 ∼5,3×10-4 ist.
Da bei dem Drucksensor gemäß der vorliegenden Erfindung der
Durchmesser und die Plattendicke der Membran so gewählt sind,
daß die Resonanzfrequenz der Membran im wesentlichen gleich
einer Druckschwingungsfrequenz ist, wenn eine nicht normale
Druckschwingung wie beispielsweise Klopfen und dergleichen in
einer Verbrennungskammer auftritt, gerät die Membran 40 in
Resonanz, wenn die nicht normale Druckschwingung wie
beispielsweise Klopfen und dergleichen auftritt, so daß ein
Ausgangssignal mit hoher Verstärkung erhalten werden kann,
und daher das Auftreten der nicht normalen Druckschwingung
einfach erfaßt werden kann.
Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch
dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus
welchen weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen. Es zeigt
Fig. 1 eine Querschnittsansicht des Aufbaus eines
Drucksensors gemäß einer Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ein Diagramm mit einer Darstellung des
Bereichs für den Durchmesser und die
Plattendicke einer Membran bei der
Ausführungsform von Fig. 1; und
Fig. 3 eine Querschnittsansicht des Aufbaus eines
konventionellen Drucksensors.
Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht, welche den Aufbau eines
Drucksensors gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei
ein im wesentlichen hohlzylindrisches Gehäuse 1 aus einem
Metall wie beispielsweise Edelstahl SUS 304 oder dergleichen
einen Gewindeabschnitt 2 aufweist, der am Umfang des Gehäuses
in dessen unteren Abschnitt vorgesehen ist, um das Gehäuse 1
auf einer Brennkraftmaschine oder dergleichen (nicht gezeigt)
anzubringen. Das Gehäuse 1 ist mit einer im wesentlichen
säulenförmigen, zentralen Bohrung 3 versehen, die sich durch
das Gehäuse hindurch erstreckt, und in ihrem mittleren
Abschnitt einen Schulterabschnitt 3a aufweist. Ein Stiel 7
aus weichem, unlegiertem Stahl ist fest abgedichtet an dem
Schulterabschnitt 3a angebracht. Ein Druckmeßelement 5,
welches ein Halbleiterdehnungsmeßelement aufweist, ist an
einer Glasbasis 6 angebracht, die mit der unteren Oberfläche
des Stiels 7 verbunden ist. Weiterhin sind Ausgangsleitungen
8, die sich vom Stiel 7 aus nach oben und unten erstrecken,
elektrisch mit dem Druckmeßelement 5 über Verbindungsdrähte 9
verbunden.
Wie aus Fig. 1 hervorgeht, wird die zentrale Bohrung 3 durch
den Stiel 7 in eine Druckmeßkammer 3c zur Übertragung eines
Drucks in der Verbrennungskammer der Brennkraftmaschine auf
das Druckmeßelement 5 sowie in eine Ausgangskammer 3b zur
Ausgabe eines Ausgangssignals von dem Druckmeßelement 5 nach
außen unterteilt. Weiterhin ist eine Membran 40, die aus
Metall wie beispielsweise SUS 304 oder dergleichen besteht,
und eine durchgehende Wellenform oder Rippenform aufweist, an
dem unteren Ende des Gehäuses 1 so angebracht, daß sie die
Innenseite der Druckmeßkammer 3c abdichtet. Die
Druckmeßkammer 3c ist mit einem Druckübertragungsmedium 10
gefüllt, welches aus einer Flüssigkeit wie beispielsweise
Silikonöl oder dergleichen besteht, zur Übertragung eines zu
erfassenden Druckes. Statt dessen kann jede andere geeignete
Flüssigkeit statt Silikonöl, welche einen hohen Siedepunkt
aufweist, als das Druckübertragungsmedium 10 verwendet
werden.
Eine nicht gewellte, flache scheibenförmige Platte, deren
Umfang eingespannt ist, weist folgende Proportionalität
zwischen einer Resonanzfrequenz f (Hz) und der Plattendicke t
(µm) auf, die in der nachstehenden Formel angegeben ist:
f = {10·21/(2πr²)}
x [E/{12(1-ν²)ρ}]½ t (Formel 1)
x [E/{12(1-ν²)ρ}]½ t (Formel 1)
In der voranstehenden Formel ist r der Radius, E der
Elastizitätsmodul, ν das Poisson-Verhältnis und ρ die
Dichte. Wie aus der voranstehenden Formel deutlich wird, kann
der Wert der Resonanzfrequenz f dadurch verringert werden,
daß der Radius r erhöht wird und die Plattendicke t
verringert wird.
Da die voranstehende Bedingung im wesentlichen auch bei der
durchgehend wellenförmigen Membran 40 gemäß der vorliegenden
Anmeldung gilt, wurde eine Eigenwertanalyse in Bezug auf die
Membran 40 durchgeführt, unter Verwendung der voranstehenden
Formel mit Hilfe eines Finite-Elemente-Verfahrens, wobei die
durchgehende Wellenform der Membran 40 berücksichtigt wurde.
Hierbei stellte sich heraus, daß die Resonanzfrequenz der
Membran 40 frei innerhalb des Bereiches von 5000 Hz bis
9000 Hz dadurch eingestellt werden kann, daß auf geeignete
Weise die Werte für den Durchmesser d und die Dicke t der
Membran 40 aus dem Bereich zwischen einer Kurve 42 und einer
Kurve 44 von Fig. 2 gewählt werden. Die Kurve 42 ist eine
solche Kurve, auf welcher die Resonanzfrequenz von 9000 Hz
erzielt werden kann, und die Kurve 44 ist eine solche Kurve,
auf welcher die Resonanzfrequenz von 5000 Hz erzielt werden
kann.
Wenn daher die Resonanzfrequenz der Membran 40 auf 5000 Hz
eingestellt werden soll, ist es nur erforderlich, eine frei
wählbare Koordinate (t, d) auf der Kurve 44 auszuwählten, und
wenn sie auf 9000 Hz eingestellt werden soll, ist es nur
erforderlich, eine frei wählbare Koordinate (t, d) auf der
Kurve 42 auszuwählten. Die Kurve 42 und die Kurve 44 sind
durch die nachstehenden Formeln gegeben:
Kurve 42: t = 5,3×10-4×d² (Formel 2)
Kurve 44: t = 3,3×10-4×d² (Formel 3)
Daher ist es ausreichend, nur den Durchmesser d und die
Plattendicke t der Membran 40 so zu wählen, daß sie folgender
Formel genügen:
t = Kd² (Formel 4)
wobei K eine Konstante ist, mit K = 3,3×10-4 ∼5,3×10-4.
Da jedoch experimentell bekannt ist, daß die mit einer
durchgehenden Wellenform versehene Membran 40, die
geschmiedet werden kann, eine Dicke t zwischen 20 µm und
50 µm aufweist, ist der in der Praxis nutzbare Bereich für
den Durchmesser d und die Plattendicke t jener Bereich
zwischen der Kurve 42 und der Kurve 44, in welchem die
Plattendicke t zwischen 20 µm und 50 µm erhalten werden kann,
wie durch die durchgezogene Linie in Fig. 2 dargestellt ist.
Werden der Durchmesser und die Dicke der Membran 40 aus
diesem Bereich ausgewählt, so kann die Resonanzfrequenz der
Membran 40 im wesentlichen gleich einer solchen
Druckschwingungsfrequenz gemacht werden, die dann auftritt,
wenn eine nicht normale Druckschwingung wie beispielsweise
Klopfen und dergleichen vorliegt. Wenn daher ein
Brennkraftmaschinenverbrennungsdruck mit dem Drucksensor
gemäß der vorliegenden Anmeldung gemessen werden soll, so
liegt beim Normalbetrieb eine normale
Druckschwingungsfrequenz in der Verbrennungskammer bei 4 bis 85 Hz,
wogegen die Resonanzfrequenz der Membran 40 zwischen
5000 und 9000 Hz liegt. Dies führt dazu, daß im Normalbetrieb
die Membran 40 nicht in Resonanz gerät, und ein Signal mit
einer Verstärkung üblicher Größe ausgegeben wird,
entsprechend dem konventionellen Drucksensor. Wenn jedoch die
nicht normale Druckschwingung wie beispielsweise Klopfen und
dergleichen auftritt, so gelangt, da die Frequenz der nicht
normalen Druckschwingung erhöht wird und mit der
Resonanzfrequenz der Membran 40 zusammenfällt, die Membran 40
in Resonanz, so daß sich ihre Frequenz erhöht, so daß ein
hoher Druck auf das Druckmeßelement 5 ausgeübt wird. Daher
kann der Drucksensor ein Ausgangssignal mit hoher Verstärkung
abgeben, und kann das Auftreten der nicht normalen
Druckschwingung einfach unterschieden und gemessen werden.
Zwar wurde die voranstehende Ausführungsform in Bezug auf
einen solchen Fall beschrieben, in welchem der Drucksensor
gemäß der vorliegenden Erfindung an der Brennkraftmaschine
angebracht ist, jedoch kann die Ausführungsform auch dazu
verwendet werden, einen Fluiddruck wie beispielsweise einen
Hydraulikdruck zu messen, einen Luftdruck und dergleichen,
und kann auch in derartigen Fällen dieselben Wirkungen wie
voranstehend beschrieben erzielen.
Bei dem Drucksensor gemäß der vorliegenden Erfindung kann wie
voranstehend erläutert dann, wenn der Durchmesser d und die
Plattendicke t der Membran 40 so gewählt sind, daß sie die
Formel t = Kd² erfüllen, wobei K = 3,3×10-4 ∼5,3×10-4 ist
(Formel 4), die Resonanzfrequenz der Membran 40 praktisch
gleich der Druckschwingungsfrequenz gemacht werden, die
auftritt, wenn eine nicht normale Druckschwingung wie
beispielsweise Klopfen und dergleichen in der
Verbrennungskammer vorliegt. Dies führt dazu, da die Membran 40
in Reaktion auf die Druckschwingung nur dann in Resonanz
gerät, wenn die nicht normale Druckschwingung auftritt, um
hierdurch ein Ausgangssignal mit hoher Verstärkung zu
erzeugen, daß das Auftreten der nicht normalen
Druckschwingung, die sich von der Druckschwingung im
Normalbetrieb unterscheidet, einfach unterschieden werden
kann, wodurch das Auftreten der nicht normalen
Druckschwingung einfach festgestellt werden kann.
Claims (3)
1. Drucksensor mit einem Gehäuse, das mit einem
Erfassungshohlraum versehen ist, der ein offenes Ende
aufweist, mit einer Druckmeßeinrichtung, die in dem
Erfassungshohlraum des Gehäuses angeordnet ist, mit
einer Membran, die so angeordnet ist, daß sie das offene
Ende des Erfassungshohlraums abdichtet, und mit einem
Druckübertragungsmedium, welches in den
Erfassungshohlraum eingefüllt ist, wobei die Membran
eine Resonanzfrequenz gleich der Frequenz einer nicht
normalen Druckschwingung aufweist.
2. Drucksensor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Membran
eine im wesentlichen scheibenartige Außenform aufweist,
und darüber hinaus einen solchen Durchmesser und eine
solche Plattendicke, daß die Membran eine
Resonanzfrequenz gleich der Frequenz der nicht normalen
Druckschwingung aufweist.
3. Drucksensor nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der
Durchmesser d (mm) und die Plattendicke t (µm) der
Membran die Formel t = Kd² erfüllen, wobei
K = 3,3×10-4 ∼5,3×10-4 ist.
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