AT523905A1 - Pressure sensor for pressure measurement in hot media with thermal shock-optimized membrane - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Drucksensor (20), insbesondere einen Brennraumdrucksensor, zur Druckmessung in heißen Medien, aufweisend ein Sensorgehäuse (21), ein in dem Sensorgehäuse (21) angeordnetes Sensorelement (22) zur Druckmessung, sowie eine Membran (10) die an dem Sensorgehäuse (21) angebracht und dazu ausgebildet ist, einen an einer Außenseite der Membran (10) wirkenden Druck auf das an einer Innenseite der Membran (10) angeordnete Sensorelement (22) zu übertragen, wobei der Außenrand des Randbereichs (11) der Membran (10) einen ersten Anlenkbereich (A) bildet, ein Verbindungsbereich zwischen dem ringförmigen Randbereich (11) und dem Zwischenbereich (12) einen zweiten Anlenkbereich (B) bildet, und ein Verbindungsbereich zwischen dem Zwischenbereich (12) und dem Sensorkontaktierungsbereich (13) einen dritten Anlenkbereich (C) bildet, und wobei der zweite Anlenkbereich (B) gegenüber dem ersten Anlenkbereich (A) in Richtung der Innenseite der Membran (10) zurückgesetzt ist.The invention relates to a pressure sensor (20), in particular a combustion chamber pressure sensor, for measuring the pressure in hot media, having a sensor housing (21), a sensor element (22) arranged in the sensor housing (21) for measuring the pressure, and a diaphragm (10) which is attached to the sensor housing (21) and is designed to transmit a pressure acting on an outside of the membrane (10) to the sensor element (22) arranged on an inside of the membrane (10), the outer edge of the edge region (11) of the membrane ( 10) forms a first articulation area (A), a connection area between the annular edge area (11) and the intermediate area (12) forms a second articulation area (B), and a connection area between the intermediate area (12) and the sensor contacting area (13) forms a third Articulation area (C) forms, and wherein the second articulation area (B) is set back in relation to the first articulation area (A) in the direction of the inside of the membrane (10).
Description
Drucksensor zur Druckmessung in heißen Medien mit thermoschockoptimierter Membran Pressure sensor for pressure measurement in hot media with thermal shock-optimized membrane
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Drucksensor zur Druckmessung in heißen Medien gemäß dem Gegenstand von Anspruch 1. The present invention relates to a pressure sensor for measuring pressure in hot media according to the subject matter of claim 1.
Sensoren zur Druckmessung in heißen Medien werden beispielsweise bei der Messung von Drücken in Brennräumen von Verbrennungskraftmaschinen benötigt, um den Brennrauminnendruck während eines Verbrennungsvorgangs zu erfassen. Die so erhaltenen Druckwerte sind für die Analyse des Brennvorgangs sowie für mögliche Regelungen der Verbrennungskraftmaschine im Betrieb von großer Bedeutung, da sie besonders kurzfristig detaillierte und aussagekräftige Rückschlüsse auf den Verbrennungsvorgang erlauben. Sensors for measuring pressure in hot media are required, for example, when measuring pressures in the combustion chambers of internal combustion engines, in order to record the internal pressure in the combustion chamber during a combustion process. The pressure values obtained in this way are of great importance for the analysis of the combustion process and for possible regulation of the internal combustion engine during operation, since they allow detailed and meaningful conclusions to be drawn about the combustion process, particularly in the short term.
Für die Druckmessung in Brennräumen muss ein Drucksensor in Kontakt mit dem Brennraum montierbar sein. Dazu wird der Sensor so konstruiert, dass er in eine in den Brennraum reichende Messbohrung druckdicht eingebaut werden kann und eine zur Druckaufnahme vorgesehene Fläche des Sensors in Kontakt mit dem Brennraum steht. For pressure measurement in combustion chambers, a pressure sensor must be mountable in contact with the combustion chamber. For this purpose, the sensor is designed in such a way that it can be installed in a pressure-tight manner in a measuring hole reaching into the combustion chamber and a surface of the sensor intended for pressure recording is in contact with the combustion chamber.
Als Sensorelemente werden häufig piezoelektrische Sensoren verwendet, die bei kleiner Baugröße eine hohe Empfindlichkeit mit geringer Hysterese aufweisen. Um die Sensorelemente vor den beim Verbrennungsvorgang auftretenden extremen thermischen Bedingungen zu schützen, werden die Sensorelemente in einem gasdichten Sensorgehäuse angeordnet, das druckraumseitig mit einer hitzebeständigen Membran abgeschlossen ist. Damit kann das Sensorelement von dem Druckbereich getrennt werden. Die Membran überträgt den im Brennraum herrschenden Druck auf das Sensorelement, so dass der Druck im Brennraum gemessen werden kann. Piezoelectric sensors are often used as sensor elements, which have a high sensitivity with low hysteresis while being small. In order to protect the sensor elements from the extreme thermal conditions occurring during the combustion process, the sensor elements are arranged in a gas-tight sensor housing, which is sealed off on the pressure chamber side with a heat-resistant membrane. The sensor element can thus be separated from the pressure area. The diaphragm transmits the pressure in the combustion chamber to the sensor element, so that the pressure in the combustion chamber can be measured.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Lösungsvorschläge zur Optimierung derartiger Sensorelemente bekannt, beispielsweise für den Einsatz in Verbrennungsmotoren. Various proposed solutions for optimizing such sensor elements are known from the prior art, for example for use in internal combustion engines.
So beschreibt die WO2010/040 239 A1 einen Drucksensor mit einer Membran, die einen äußeren Rand und einen inneren Druckstempel umfasst, die über ein elastisches, konvex bzw. konkav ausgestaltetes Segment verbunden sind. Aus der EP3 059 567 A1 ist eine sehr ähnliche Konstruktion eines Drucksensors bekannt, bei dem ein ringförmig angeordnetes Membransegment in konstanter Materialstärke in einem druckraumseitig konvexen Kreisbogen angeordnet ist. Bei beiden Vorschlägen sollen über die Elastizität dieser Segmente bei größerer Stabilität unter thermischer Beaufschlagung Auslenkungen besser kompensierbar sein. For example, WO2010/040 239 A1 describes a pressure sensor with a membrane that includes an outer edge and an inner pressure plunger, which are connected via an elastic, convex or concave segment. A very similar construction of a pressure sensor is known from EP3 059 567 A1, in which a ring-shaped membrane segment with a constant material thickness is arranged in a convex circular arc on the pressure chamber side. In both proposals, deflections should be better able to be compensated for by the elasticity of these segments with greater stability under thermal stress.
Ein Problem, das bei derartig aufgebauten Drucksensoren bei der Messung in heißen Medien auftritt, wird als Thermoschock oder zyklische Drift bezeichnet. Darunter ist eine thermisch induzierte Spannung zu verstehen, die ohne äußeren Krafteinfluss entsteht. Derartige Thermoschocks treten beim Betrieb einer Brennkraftmaschine zyklisch in den Brennräumen —- und damit an einem dort angeordneten Drucksensor —- auf, wenn die Zündung von eingeleitetem Brennstoff erfolgt. Bevor die durch die Zündung des Brennstoffs erzeugte Druckwelle den Drucksensor erreicht, wird der Drucksensor mit einem Thermoschock beaufschlagt, der durch die beim Zündvorgang und während der Verbrennung entstehende Wärme hervorgerufen wird. Die durch den Thermoschock induzierte Verformung der Membran des Drucksensors führt zu einer Verfälschung der zur Regelung des Verbrennungsprozesses zu erfassenden Drücken im Brennraum einer Brennkraftmaschine. Dies kann weder bei einem über seine Schulter an der Messöffnung abdichtend angeordneten noch bei einem über die Frontseite dichtend am Brennraum angeordneten Drucksensor zuverlässig vermieden werden. A problem that occurs with pressure sensors constructed in this way when measuring in hot media is referred to as thermal shock or cyclic drift. This is to be understood as a thermally induced voltage that occurs without the influence of external forces. During the operation of an internal combustion engine, such thermal shocks occur cyclically in the combustion chambers—and thus at a pressure sensor arranged there—when the fuel introduced is ignited. Before the pressure wave generated by the ignition of the fuel reaches the pressure sensor, the pressure sensor is subjected to a thermal shock caused by the heat generated during the ignition process and during combustion. The deformation of the membrane of the pressure sensor induced by the thermal shock leads to a falsification of the pressures in the combustion chamber of an internal combustion engine that are to be detected in order to regulate the combustion process. This cannot be reliably avoided either with a pressure sensor arranged sealingly over its shoulder at the measurement opening or with a pressure sensor arranged sealingly over the front side on the combustion chamber.
Vor dem Hintergrund der obenstehenden Ausführungen besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, Sensoren der eingangs beschriebenen Art dahingehend zu verbessern, dass die durch Thermoschock induzierten Verfälschungen bei Druckmessungen in heißen Medien weitgehend reduziert bzw. ganz vermieden werden können. Against the background of the above explanations, the object of the present invention is to improve sensors of the type described at the outset such that the distortions induced by thermal shock in pressure measurements in hot media can be largely reduced or avoided entirely.
Die Aufgabe wird durch einen Drucksensor mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. The object is solved by a pressure sensor with the features of claim 1. Advantageous configurations result from the dependent claims.
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst durch einen Drucksensor, insbesondere Brennraumdrucksensor, zur Druckmessung in heißen Medien, aufweisend ein Sensorgehäuse, ein in dem Sensorgehäuse angeordnetes Sensorelement zur Druckmessung, sowie eine thermoschockoptimierte Membran die an dem Sensorgehäuse angebracht und dazu ausgebildet ist, einen an einer Außenseite der Membran wirkenden Druck auf das an einer Innenseite der Membran angeordnete Sensorelement zu übertragen, wobei die Membran Folgendes aufweist: The object is achieved in particular by a pressure sensor, in particular a combustion chamber pressure sensor, for measuring pressure in hot media, having a sensor housing, a sensor element arranged in the sensor housing for measuring pressure, and a thermal shock-optimized membrane which is attached to the sensor housing and is designed to have a membrane on an outside of the to transmit pressure acting on the membrane to the sensor element arranged on an inner side of the membrane, the membrane having the following:
° einen Randbereich, der sich von einem äußeren Randbereich der Membran in Richtung der Mitte der Membran erstreckt, ° an edge area extending from an outer edge area of the membrane towards the center of the membrane,
° einen zentralen Sensorkontaktierungsbereich, der gegenüber dem Randbereich in Richtung der Innenseite der Membran zurückgesetzt ist und zur direkten oder indirekten Kontaktierung des Sensorelements ausgebildet ist, ° a central sensor contacting area, which is set back from the edge area towards the inside of the membrane and is designed for direct or indirect contacting of the sensor element,
° einen Zwischenbereich, der den Randbereich und den Sensorkontaktierungsbereich verbindet; ° an intermediate area connecting the edge area and the sensor contacting area;
wobei der Außenrand des Randbereichs der Membran einen ersten Anlenkbereich bildet, ein Verbindungsbereich zwischen dem Randbereich und dem Zwischenbereich einen zweiten Anlenkbereich bildet, und ein Verbindungsbereich zwischen dem Zwischenbereich und dem Sensorkontaktierungsbereich einen dritten Anlenkbereich bildet, wherein the outer edge of the edge area of the membrane forms a first articulation area, a connection area between the edge area and the intermediate area forms a second articulation area, and a connection area between the intermediate area and the sensor contacting area forms a third articulation area,
wobei der zweite Anlenkbereich gegenüber dem ersten Anlenkbereich in Richtung der Innenseite der Membran zurückgesetzt ist. wherein the second articulation area is set back in relation to the first articulation area in the direction of the inside of the membrane.
Vorzugsweise ist der Randbereich der Membran ringförmig ausgebildet. Ein Kerngedanke der Erfindung besteht darin, an der Membran Anlenkbereiche Preferably, the edge area of the membrane is ring-shaped. A core idea of the invention consists in articulation areas on the membrane
vorzusehen. Diese Anlenkbereiche sind dazu ausgebildet, bei Beaufschlagung der Membran mit einem Thermoschock und der damit einhergehenden thermisch to foresee. These articulation areas are designed so that when the membrane is subjected to a thermal shock and the associated thermal shock
induzierten Verformung der Membran eine Verformung, insbesondere eine gelenkige Ausgleichsbewegung der Membran zu ermöglichen, bei der der eigentliche Sensorkontaktierungsbereich der Membran keine bzw. im Wesentlichen keine Auslenkung zur Vermeidung von Messfehlern erfährt. Durch den Aufbau des Sensors nach der Erfindung wird erreicht, dass der für eine präzise Erfassung der Messwerte ausschlaggebende Sensorkontaktierungsbereich der Membran unverschieblich starr mit dem Sensorelement in Verbindung bleibt, während die Kompensation der bei dem Thermoschock auftretenden Hitzespitze über die Anlenkbereiche im Sensorkontaktierungsbereich zuverlässig erfolgen kann. Damit wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Drucksensor mit einer thermoschockoptimierten Membran angegeben. induced deformation of the membrane to allow a deformation, in particular an articulated compensatory movement of the membrane, in which the actual sensor contacting area of the membrane experiences no or essentially no deflection to avoid measurement errors. The structure of the sensor according to the invention ensures that the sensor contact area of the membrane, which is decisive for precise acquisition of the measured values, remains immovably rigidly connected to the sensor element, while the heat peak that occurs during the thermal shock can be reliably compensated for via the articulation areas in the sensor contact area. A pressure sensor with a thermal shock-optimized membrane is thus specified within the scope of the present invention.
Unter einem Thermoschock ist eine thermisch induzierte Spannung zu verstehen, die ohne äußeren Krafteinfluss entsteht. Derartige Thermoschocks treten bei plötzlichen Temperaturänderungen auf, beispielsweise wenn an der Außenseite der Membran ein Zündvorgang oder eine andere stark exotherme Reaktion auftritt. Der bei einer Brennkraftmaschine im Brennraum wiederholt auftretende Thermoschock wird auch als zyklische Drift bezeichnet. A thermal shock is to be understood as a thermally induced voltage that occurs without the influence of an external force. Such thermal shocks occur with sudden changes in temperature, for example when an ignition process or another highly exothermic reaction occurs on the outside of the membrane. The thermal shock that occurs repeatedly in the combustion chamber of an internal combustion engine is also referred to as cyclic drift.
Unter einem Anlenkbereich ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Bereich der Membran zu verstehen, der zwei Membranbereiche derart miteinander verbindet, dass diese über den Anlenkbereich gelenkig bzw. gelenkartig miteinander verbunden bzw. aneinander angelenkt sind. Bei einer thermischen Beaufschlagung der Membran kann durch Vorsehen der Anlenkbereiche die thermisch induzierte Ausdehnung des Membranmaterials in eine gelenkartige Ausgleichsbewegung übersetzt werden. Anlenkbereiche können beispielsweise durch Bereiche der Membran gebildet werden, in denen der Verlauf der Membran eine Richtungsänderung aufweist. Beispielsweise können die Anlenkbereiche kanten-, absatz- oder falzartige Bereiche auf der Membran ausbilden, an denen die über den Anlenkbereich verbundenen Membranbereiche unter einem von 180° verschiedenen Winkel aufeinandertreffen. Bei einer im Wesentlichen rotationssymmetrischen Membran ist es bevorzugt, dass Anlenkbereiche zwischen radial aneinandergrenzenden Membranbereichen mit einem im kreisförmigen Verlauf ausgebildet sind, an der die aneinandergrenzenden Membranbereiche vorzugsweise unter einem Winkel (ungleich 180°) aufeinandertreffen. In the context of the present invention, an articulation area is to be understood as an area of the membrane which connects two membrane areas to one another in such a way that they are connected to one another in an articulated or articulated manner or articulated to one another via the articulation area. When the membrane is subjected to thermal stress, the thermally induced expansion of the membrane material can be translated into a joint-like compensating movement by providing the articulation areas. Articulation areas can be formed, for example, by areas of the membrane in which the course of the membrane has a change in direction. For example, the articulation areas can form edge-like, step-like or fold-like areas on the membrane, where the membrane areas connected via the articulation area meet at an angle different from 180°. In the case of a substantially rotationally symmetrical membrane, it is preferred that articulation areas between radially adjacent membrane areas are designed with a circular profile at which the adjacent membrane areas preferably meet at an angle (not equal to 180°).
Zusätzlich oder alternativ kann ein Anlenkbereich in Bereichen gebildet werden, in denen zwei Bereiche der Membran mit unterschiedlicher Dicke in Verbindung miteinander stehen. Die Dicke der Membran im Anlenkbereich kann sich von der Dicke der Membran in den an den Anlenkbereich angrenzenden Bereichen unterscheiden. Additionally or alternatively, an articulation area can be formed in areas in which two areas of the membrane with different thicknesses are connected to one another. The thickness of the membrane in the articulation area can differ from the thickness of the membrane in the areas adjacent to the articulation area.
Entscheidend ist, dass die Anlenkbereiche der Membran derart ausgebildet sind, dass sie eine gelenkige bzw. gelenkartige Verbindung zwischen den angrenzenden Bereichen der Membran bereitstellen. Dies erlaubt bei einer thermischen Beaufschlagung der Membran eine Verformung, bei der die thermische Ausdehnung der an einen Anlenkbereich angrenzenden Membranbereiche in eine Bewegung übersetzbar ist, bei der Anlenkbereich eine gelenkige bzw. gelenkartige Bewegung der angrenzenden Membranbereiche zueinander ermöglicht. Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Anlenkbereiche wird die durch einen Thermoschock induzierte thermische Expansion der Membran durch die Anlenkbereiche in eine Bewegung der Membran übersetzt, bei der der innenliegende Sensorkontaktierungsbereich im Wesentlichen keine Auslenkung erfährt. Die Form der Membran und der einzelnen Bereiche unterliegt keiner besonderen Einschränkung. Wird der Drucksensor beispielsweise im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet, kann die Membran in Draufsicht im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgeführt werden, also in Draufsicht eine Kreisform oder elliptische Form annehmen. Der dann auch im Wesentlichen ringförmige Randbereich kann in diesem Fall an der Außen- und/oder Innenseite der Membran eben ausgeführt sein und die Mantelfläche eines Kegelstumpfs beschreiben. Der Randbereich kann aber ebenso uneben, beispielsweise wellig ausgeführt werden. Entscheidend ist lediglich, dass der Randbereich so ausgebildet ist, dass der zweite Anlenkbereich gegenüber dem ersten Anlenkbereich in Richtung der Innenseite der Membran zurückgesetzt ist. It is crucial that the articulation areas of the membrane are designed in such a way that they provide an articulated or articulated connection between the adjacent areas of the membrane. When the membrane is subjected to thermal stress, this allows a deformation in which the thermal expansion of the membrane areas adjoining an articulation area can be translated into a movement in which the articulation area enables an articulated or articulated movement of the adjoining membrane areas relative to one another. The arrangement of the articulation areas according to the invention translates the thermal expansion of the membrane induced by a thermal shock through the articulation areas into a movement of the membrane in which the inner sensor contacting area experiences essentially no deflection. The shape of the membrane and the individual areas is not subject to any particular restriction. If the pressure sensor is, for example, of essentially cylindrical design, the membrane can be designed to be essentially rotationally symmetrical in plan view, that is to say assume a circular or elliptical shape in plan view. In this case, the edge region, which is then also essentially ring-shaped, can be flat on the outside and/or inside of the membrane and can describe the outer surface of a truncated cone. However, the edge area can also be uneven, for example wavy. The only decisive factor is that the edge area is designed in such a way that the second articulation area is set back in relation to the first articulation area in the direction of the inside of the membrane.
Der Verbindungsbereich kann bei einer im Wesentlich rotationssymmetrischen Ausführung der Membran die Form der Mantelfläche eines Zylinders, eines elliptischen Zylinders oder eines Kegelstumpfs annehmen, falls die Flächen des Verbindungsbereichs eben ausgeführt sind. Alternativ kann auch der Verbindungsbereich uneben, beispielsweise wellig ausgeführt werden. In the case of a substantially rotationally symmetrical design of the membrane, the connection area can assume the shape of the lateral surface of a cylinder, an elliptical cylinder or a truncated cone if the surfaces of the connection area are flat. Alternatively, the connection area can also be uneven, for example wavy.
Der Sensorkontaktierungsbereich, der sich in einem zentralen Bereich der Membran befindet, ist bei einer im Wesentlichen rotationssymmetrischen The sensor contacting area, which is located in a central area of the membrane, is essentially rotationally symmetrical
Ausgestaltung der Membran vorzugsweise in Draufsicht kreisförmig oder elliptisch ausgebildet. Configuration of the membrane preferably circular or elliptical in plan view.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Dicke des Sensorkontaktierungsbereichs größer als eine Dicke des Zwischenbereichs. Dadurch wird die Trägheit des Sensorkontaktierungsbereichs relativ zu dem Zwischenbereich bei Beaufschlagung mit einem Thermoschock erhöht. Die durch den Thermoschock induzierte thermische Bewegung der Membran wird damit überwiegend von dem Zwischenbereich ausgeführt, während der Sensorkontaktierungsbereich eine wesentlich geringere Auslenkung erfährt. Damit kann eine durch den Thermoschock hervorgerufene Verfälschung einer Druckmessung deutlich reduziert bzw. ganz vermieden werden, da der Teil der Membran, der in (direktem oder indirektem) Kontakt mit dem Sensorelement steht, bei der thermischen Verformung der Membran keine wesentliche Auslenkung erfährt. According to a preferred embodiment of the invention, a thickness of the sensor contacting area is greater than a thickness of the intermediate area. This increases the inertia of the sensor contacting area relative to the intermediate area when a thermal shock is applied. The thermal movement of the membrane induced by the thermal shock is thus predominantly carried out by the intermediate area, while the sensor contacting area experiences a significantly smaller deflection. In this way, a distortion of a pressure measurement caused by the thermal shock can be significantly reduced or completely avoided, since the part of the membrane that is in (direct or indirect) contact with the sensor element does not experience any significant deflection during the thermal deformation of the membrane.
Es ist weiterhin bevorzugt, dass eine Dicke des Zwischenbereichs größer als eine oder gleich einer Dicke des ringförmigen Randbereichs ist. Vorzugsweise sind der ringförmige Randbereich und der Zwischenbereich, insbesondere die Dicke des ringförmigen Randbereichs und die Dicke des Zwischenbereichs, derart ausgeführt, dass sich der zweite Anlenkbereich bei Beaufschlagung der Membran mit einem Thermoschock radial nach innen und in Richtung der Außenseite der Membran, vorzugsweise zunächst radial nach innen und dann in Richtung der Außenseite der Membran, bewegt. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Dicke des Zwischenbereichs größer als die Dicke des ringförmigen Randbereichs gewählt wird. Mit dieser Konstruktion wird bei Beaufschlagung der Membran mit einem Thermoschock die resultierende thermische Verformung fast vollständig durch die Bewegung des zweiten Anlenkbereichs kompensiert, während der Sensorkontaktierungsbereich nahezu keine Auslenkung erfährt. Dadurch wird eine Verfälschung der Druckmessung durch das Auftreten eines Thermoschocks nahezu vollständig unterdrückt. It is further preferred that a thickness of the intermediate area is greater than or equal to a thickness of the annular edge area. Preferably, the annular edge area and the intermediate area, in particular the thickness of the annular edge area and the thickness of the intermediate area, are designed such that the second articulation area moves radially inward and in the direction of the outside of the membrane, preferably initially radially, when the membrane is subjected to a thermal shock inward and then towards the outside of the membrane. This can be achieved, for example, by selecting the thickness of the intermediate area to be greater than the thickness of the ring-shaped edge area. With this construction, when the membrane is subjected to a thermal shock, the resulting thermal deformation is almost completely compensated for by the movement of the second articulation area, while the sensor contacting area experiences almost no deflection. As a result, a falsification of the pressure measurement due to the occurrence of a thermal shock is almost completely suppressed.
Durch eine solche Ausführung des Gegenstands der Erfindung bleibt eine konstante Anlage des Sensorkontaktierungsbereichs am Sensorelement gewährleistet. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Sensorkontaktierungsbereich, insbesondere an der Innenseite der Membran befindlichen Seite des Sensorkontaktierungsbereichs, planar ausgebildet. Damit Such an embodiment of the subject matter of the invention ensures that the sensor contact area remains in constant contact with the sensor element. According to a further preferred embodiment, the sensor contacting area, in particular on the side of the sensor contacting area located on the inside of the membrane, is of planar design. In order to
wird eine optimale Kontaktierung zwischen Sensorelement und dem Membranaufbau erreicht. an optimal contact between the sensor element and the membrane structure is achieved.
Es ist ferner bevorzugt, dass die Membran einen Befestigungsbereich aufweist, der den ringförmigen Randbereich umschließt und eine größere Dicke als der ringförmige Randbereich aufweist. Damit ist eine stabile und zuverlässigere Verbindung mit dem Sensorgehäuse erreicht. Vorzugsweise kann der Befestigungsbereich mit dem Sensorgehäuse verschweißt werden, ohne dass die für die Thermoschockoptimierung relevanten Eigenschaften der Membran beeinflusst werden. Es ist aber alternativ ebenso ein einstückiger Aufbau von Sensorgehäuse mit dem Befestigungsbereich der Membran denkbar. It is further preferred that the membrane has a fastening area which encloses the annular edge area and has a greater thickness than the annular edge area. This achieves a stable and more reliable connection with the sensor housing. Preferably, the attachment area can be welded to the sensor housing without affecting the properties of the membrane that are relevant for thermal shock optimization. Alternatively, however, a one-piece construction of the sensor housing with the fastening area of the membrane is also conceivable.
Die Membran ist vorzugsweise aus einem flexiblen und druckdichten Material ausgebildet. The membrane is preferably made of a flexible and pressure-tight material.
Ferner kann der Drucksensor in vorteilhafter Weitergestaltung des Gegenstands der Erfindung mindestens ein Versteifungselement, bei ringförmiger Ausführung z.B. einen teilweise oder ganz umlaufend angeordneten Versteifungsring aufweisen. Die Versteifungselemente bzw. der Versteifungsring können an der Außenseite der Membran angebracht sein, vorzugsweise auf dem Befestigungsbereich und/oder einem äußeren Randbereich des Befestigungsbereichs. Vorzugsweise sind die Versteifungselemente bzw. ist der Versteifungsring aus einem Material gebildet, das eine geringere Dehnbarkeit aufweist als der Randbereich und der Verbindungsbereich der Membran. Durch die Anordnung solcher Versteifungen können zu starke Verformungen der Membran verhindert werden. Furthermore, in an advantageous development of the subject matter of the invention, the pressure sensor can have at least one stiffening element, in the case of an annular design, for example, a partially or completely peripherally arranged stiffening ring. The stiffening elements or the stiffening ring can be attached to the outside of the membrane, preferably on the fastening area and/or an outer edge area of the fastening area. The stiffening elements or the stiffening ring are preferably made of a material that has less elasticity than the edge area and the connecting area of the membrane. By arranging such reinforcements, excessive deformation of the membrane can be prevented.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Sensorkontaktierungsbereich an der Außenseite einen mit erhöhter Dicke ausgeführten, vom Verbindungsbereich abgesetzten Verstärkungsbereich auf. Der Verstärkungsbereich sollte in vorteilhafter Weise ein von dem Verbindungsbereich umschlossenes Volumen zumindest teilweise, vorzugsweise bis zu 50%, weiter vorzugsweise bis zu 75%, ausfüllen. Mittels einer solchen Ausgestaltung des Sensorkontaktierungsbereichs kann die Krafteinleitung über die Membran in das Sensorelement optimiert werden. Zudem wird eine höhere Steifigkeit des Sensorkontaktierungsbereichs erreicht. According to a preferred embodiment, the sensor contacting area has on the outside a reinforcement area that is designed with increased thickness and is offset from the connection area. The reinforcement area should advantageously fill out a volume enclosed by the connection area at least partially, preferably up to 50%, more preferably up to 75%. By means of such a configuration of the sensor contact area, the introduction of force via the membrane into the sensor element can be optimized. In addition, a higher rigidity of the sensor contact area is achieved.
Es ist ferner bevorzugt, dass der ringförmige Randbereich, der Verbindungsbereich und der Sensorkontaktierungsbereich einteilig ausgebildet sind. Falls an der Außenseite der Membran ein Versteifungsring angeordnet ist, ist es ferner bevorzugt, dass der ringförmige Randbereich, der Verbindungsbereich, der Sensorkontaktierungsbereich und der Versteifungsring einteilig ausgebildet sind. Die Membran kann in bevorzugter Ausgestaltung mit dem Sensorgehäuse mittels Verbindungsmitteln verbunden sein, wobei die Verbindungsmittel vorzugsweise durch Schweiß-, Löt- oder Klebeverbindungen gebildet sind. In vorteilhafter Weise kann die Membran auch durch ein additives Verfahren gefertigt werden. It is also preferred that the ring-shaped edge area, the connection area and the sensor contacting area are formed in one piece. If a stiffening ring is arranged on the outside of the membrane, it is also preferred that the ring-shaped edge region, the connection region, the sensor contacting region and the stiffening ring are designed in one piece. In a preferred embodiment, the membrane can be connected to the sensor housing by means of connecting means, the connecting means preferably being formed by welded, soldered or adhesive connections. The membrane can advantageously also be manufactured by an additive method.
Durch die einteilige Ausbildung von Verbindungsbereich und Sensorkontaktierungsbereich und/oder die Verbindung von Membran mit dem Sensorgehäuse wird in vorteilhafter Weise eine hohe Stabilität der Konstruktion verbunden mit der erforderlichen hohen Gasdichtigkeit erreicht. The one-piece design of the connection area and sensor contacting area and/or the connection of the membrane to the sensor housing advantageously results in a high degree of stability of the construction combined with the required high level of gas tightness.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Sensorelement durch einen piezoelektrischen oder optischen Sensor gebildet. Erfindungsgemäß unterliegt die Wahl des Sensorelements keiner besonderen Beschränkung. Piezoelektrische und optische Sensoren zeichnen sich allerdings durch eine hohe Messgenauigkeit, Robustheit und geringe Hysterese aus und sind daher für die Druckmessung bevorzugt. In a preferred embodiment, the sensor element is formed by a piezoelectric or optical sensor. According to the invention, the selection of the sensor element is not subject to any particular restriction. However, piezoelectric and optical sensors are characterized by high measuring accuracy, robustness and low hysteresis and are therefore preferred for pressure measurement.
Es ist ferner bevorzugt, dass das Sensorgehäuse im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet ist und die Membran an einer Stirnseite des Sensorgehäuses angebracht ist, so dass der Drucksensor in eine Messbohrung einsetzbar ist. Dies erleichtert den gasdichten Einbau des Drucksensors, beispielsweise an einem Verbrennungsraum und verbessert auch die Genauigkeit der Druckmessung. Die Geometrie des Sensorgehäuses unterliegt ebenso wie die Geometrie der Membran keiner speziellen Beschränkung. Insbesondere bei einer im Wesentlichen zylindrischen Ausführungsform des Sensorgehäuses kann die Membran in Draufsicht im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgeführt werden. Der ringförmige Außenbereich hat in diesem Fall eine im Wesentlichen kreisförmige oder elliptische Außenkontur. Der Verbindungsbereich kann in diesem Fall zylindrisch oder konisch ausgestaltet sein und der Sensorkontaktierungsbereich in Draufsicht im Wesentlichen kreisförmig oder elliptisch. It is also preferred that the sensor housing is essentially cylindrical and the membrane is attached to an end face of the sensor housing, so that the pressure sensor can be inserted into a measuring bore. This facilitates the gas-tight installation of the pressure sensor, for example in a combustion chamber, and also improves the accuracy of the pressure measurement. The geometry of the sensor housing, like the geometry of the membrane, is not subject to any special restrictions. In particular in the case of a substantially cylindrical embodiment of the sensor housing, the membrane can be designed to be substantially rotationally symmetrical in plan view. In this case, the annular outer area has an essentially circular or elliptical outer contour. In this case, the connection area can be configured cylindrically or conically and the sensor contacting area can be essentially circular or elliptical in plan view.
Der Drucksensor kann in bekannter Weise sowohl front- oder schulterdichtend konfiguriert sein, d.h. er kann außenseitig auf der Schulter dichtend bündig an die Messöffnung angesetzt oder in die Messöffnung abdichtend eingesetzt werden. Entscheidend ist, dass durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Membran durch Thermoschock induzierte Verfälschungen bei der Druckmessung zuverlässig unterbunden werden können. The pressure sensor can be configured with a front or shoulder seal in a known manner, i.e. it can be attached to the measurement opening on the outside of the shoulder to form a seal, or it can be inserted into the measurement opening to form a seal. What is decisive is that the configuration of the membrane according to the invention can reliably prevent falsifications in the pressure measurement induced by thermal shock.
Nachfolgend wird die Erfindung auch hinsichtlich weiterer Einzelheiten, Merkmale und Vorteile beschrieben, die anhand der Figuren näher erläutert werden. Die beschriebenen Merkmale und Merkmalskombinationen, wie nachfolgend in den Figuren der Zeichnung gezeigt und anhand der Zeichnung beschrieben, sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung anwendbar, ohne dass damit der Rahmen der Erfindung verlassen wird. The invention is also described below with regard to further details, features and advantages, which are explained in more detail with reference to the figures. The features and feature combinations described below, as shown below in the figures of the drawing and described with reference to the drawing, can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the invention.
Hierbei zeigt: This shows:
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht eines zur Kontaktierung eines Druckraums vorgesehenen Bereichs eines Drucksensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 1 shows a schematic sectional view of a region of a pressure sensor provided for contacting a pressure chamber according to an exemplary embodiment of the present invention;
Fig. 2 den Bereich des Sensors aus Fig. 1 bei Beaufschlagung mit einem Thermoschock, wobei die durch den Thermoschock induzierte Bewegung der Membran schematisch dargestellt ist; FIG. 2 shows the area of the sensor from FIG. 1 when subjected to a thermal shock, the movement of the membrane induced by the thermal shock being shown schematically;
Fig. 3 eine schematische Schnittansicht eines zur Kontaktierung eines Druckraums vorgesehenen Bereichs eines Drucksensors gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem an der Außenseite der Membran ein Versteifungsring angebracht ist; 3 shows a schematic sectional view of an area of a pressure sensor provided for contacting a pressure chamber according to a further exemplary embodiment of the present invention, in which a stiffening ring is attached to the outside of the membrane;
Fig. 4 eine schematische Schnittansicht eines zur Kontaktierung eines Druckraums vorgesehenen Bereichs eines Drucksensors gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem ein Sensorkontaktierungsbereich der Membran an der Außenseite einen Verstärkungsbereich aufweist; 4 shows a schematic sectional view of an area of a pressure sensor provided for contacting a pressure chamber according to a further exemplary embodiment of the present invention, in which a sensor contacting area of the membrane has a reinforcement area on the outside;
Fig. 5 eine schematische Schnittansicht eines zur Kontaktierung eines Druckraums vorgesehenen Bereichs eines Drucksensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit einer alternativen Ausgestaltung der Membran; 5 shows a schematic sectional view of an area of a pressure sensor provided for contacting a pressure chamber according to an exemplary embodiment of the present invention with an alternative configuration of the membrane;
Fig. 6 eine schematische Schnittansicht eines zur Kontaktierung eines Druckraums vorgesehenen Bereichs eines Drucksensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit einer alternativen Ausgestaltung der Membran; 6 shows a schematic sectional view of an area of a pressure sensor provided for contacting a pressure chamber according to an exemplary embodiment of the present invention with an alternative configuration of the membrane;
Fig. 7 eine schematische Ansicht eines Drucksensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in frontdichtender Bauweise; 7 shows a schematic view of a pressure sensor according to an exemplary embodiment of the present invention in a front-sealing design;
Fig. 8 eine schematische Ansicht eines Drucksensors gemäß einem 8 shows a schematic view of a pressure sensor according to one
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in schulterdichtender Bauweise. Embodiment of the present invention in shoulder sealing construction.
Fig. 1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines zur Kontaktierung eines Druckraums vorgesehenen Bereichs eines Drucksensors 20 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Drucksensor 20 weist ein Sensorgehäuse 21 auf. Die einzelnen Bauteile bei diesem Ausführungsbeispiel des erfinderischen Drucksensors sind vorzugsweise rotationssymmetrisch ausgebildet, so dass in relativ einfacher Weise z. B. ein Einsetzen in eine Bohrung eines Zylindergehäuses einer Brennkraftmaschine und aufgrund der rotationssymmetrischen Ausführung eine vergleichsweise einfache Abdichtung erfolgen kann. Bei einer rotationssymmetrischen Ausbildung des Sensors stellt die mit O bezeichnete Achse die Mittellinie bzw. Symmetrieachse dar. 1 shows a schematic sectional view of a region of a pressure sensor 20 provided for contacting a pressure chamber according to an exemplary embodiment of the present invention. The pressure sensor 20 has a sensor housing 21 . The individual components in this embodiment of the inventive pressure sensor are preferably designed to be rotationally symmetrical, so that z. B. an insertion into a bore of a cylinder housing of an internal combustion engine and due to the rotationally symmetrical design, a comparatively simple seal can be done. If the sensor is designed to be rotationally symmetrical, the axis marked O represents the center line or axis of symmetry.
Am Sensorgehäuse 21 angelenkt, im Ausführungsbeispiel bei entsprechender Materialauswahl mit dem Sensorgehäuse über eine Schweißverbindung (in Fig. 1 als Verbindungsmittel 23 dargestellt) verbunden, ist eine Membran 10 angeordnet. Die Verbindung der Membran 10 mit dem Sensorgehäuse 21 kann je nach den ausgewählten Materialien - über an sich bekannte Verbindungsmittel 23, z. B. über Schweißen, Löten, Kleben usw. erfolgen. A membrane 10 is arranged in a hinged manner on the sensor housing 21, in the exemplary embodiment connected to the sensor housing via a welded connection (shown in FIG. 1 as connecting means 23) if the material selected is appropriate. The connection of the membrane 10 to the sensor housing 21 can, depending on the selected materials - via known connecting means 23, z. B. via welding, soldering, gluing, etc. done.
Die vorzugsweise einstückig aus einem druckdichten und flexiblen Material ausgebildete Membran 10 weist einen sich in Richtung ihrer Mitte erstreckenden Randbereich 11, einen mit dem Randbereich 11 verbundenen Zwischenbereich 12 und einen innenliegenden Sensorkontaktierungsbereich 13 auf, so dass der Sensorkontaktierungsbereich 13 über den Zwischenbereich 12 mit dem Randbereich 11 verbunden ist. Über den Randbereich 11 ist die eigentliche Membrankonstruktion über einen Befestigungsbereich 14 und das Verbindungsmittel 23 an das Gehäuse 21 des Sensors angelenkt. The membrane 10, which is preferably made in one piece from a pressure-tight and flexible material, has an edge area 11 extending in the direction of its center, an intermediate area 12 connected to the edge area 11, and an internal sensor contacting area 13, so that the sensor contacting area 13 connects to the edge area via the intermediate area 12 11 is connected. The actual membrane construction is articulated via the edge area 11 via a fastening area 14 and the connecting means 23 to the housing 21 of the sensor.
Der Befestigungsbereich 14, der in dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel im Wesentlichen ringförmig ausgebildet ist, ist über einen ersten Anlenkbereich A an den (vorzugsweise ebenfalls ringförmig ausgebildeten) Randbereich 11 der Membran 10 angelenkt. Der Randbereich 11 ist über einen Anlenkbereich B mit dem Zwischenbereich 12 verbunden. Der Zwischenbereich 12 ist über einen dritten Anlenkbereich C mit den Sensorkontaktierungsbereich 13 verbunden, der mit dem Sensorelement in direktem oder indirektem Kontakt, beispielsweise über ein zwischenliegendes, nicht dargestelltes Kraftübertragungselement, steht. Der Anlenkbereich B zwischen Randbereich 11 und Zwischenbereich 12 ist gegenüber dem Anlenkbereich A in Richtung der Innenseite der Membran 10 zurückgesetzt und näher an der Mittellinie O der ringförmigen Membran 10 angeordnet als der Anlenkbereich A zwischen dem Randbereich 11 und dem Befestigungsbereich 14 der Membran 10. In dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Bereiche 11, 12, 13, 14 der Membran im Wesentlichen planar ausgebildet. The attachment area 14, which is essentially ring-shaped in the exemplary embodiment shown in FIG. The edge area 11 is connected to the intermediate area 12 via an articulation area B. FIG. The intermediate area 12 is connected to the sensor contacting area 13 via a third articulation area C, which is in direct or indirect contact with the sensor element, for example via an intermediate force transmission element (not shown). The articulation area B between the edge area 11 and the intermediate area 12 is set back in relation to the articulation area A towards the inside of the membrane 10 and is arranged closer to the center line O of the annular membrane 10 than the articulation area A between the edge area 11 and the attachment area 14 of the membrane 10. In In the exemplary embodiment shown in FIG. 1, the regions 11, 12, 13, 14 of the membrane are designed to be essentially planar.
Der Winkel a bezeichnet den Winkel zwischen einer senkrecht auf der Mittellinie © stehenden Ebene und dem Randbereich 11. Da der zweite Anlenkbereich B gegenüber dem ersten Anlenkbereich A in Richtung der Innenseite der Membran 10 zurückgesetzt ist, schließt der Randbereich 11 mit einer Ebene senkrecht zur Mittellinie O den Winkel a ein. The angle a denotes the angle between a plane perpendicular to the center line © and the edge area 11. Since the second articulation area B is set back in relation to the first articulation area A in the direction of the inside of the membrane 10, the edge area 11 closes with a plane perpendicular to the center line O the angle a.
Die Anlenkbereiche A, B, C bilden Bereiche der Membran 10 aus, an denen aneinandergrenzende Bereiche der Membran unter einem Winkel ungleich 180° miteinander verbunden sind. Dadurch bilden die Anlenkbereiche A, B, C kanten-, falz- oder kantenartige Bereiche an der Membran 10 aus, die sich in der Schnittdarstellung in Fig. 1 als abgewinkelte Bereiche der Membran 10 niederschlagen. Der Außenbereich 11 trifft an dem zweiten Anlenkbereich B unter einem Winkel ß auf den Verbindungsbereich 12. The articulation areas A, B, C form areas of the membrane 10 at which adjacent areas of the membrane are connected to one another at an angle that is not equal to 180°. As a result, the articulation areas A, B, C form edges, folds or edge-like areas on the membrane 10 which are reflected in the sectional view in FIG. 1 as angled areas of the membrane 10 . The outer area 11 meets the connection area 12 at the second articulation area B at an angle β.
Die Anlenkbereiche A, B und C sind so ausgebildet, dass bei einer Beaufschlagung der Membran 10 mit einem Thermoschock über das Sensorelement 22 eine gelenkartige Verformung der Membrankonstruktion erfolgen kann, bei der der Sensorkontaktierungsbereich 13 im Wesentlichen keine Auslenkung erfährt. Damit kann vermieden werden, dass die eigentliche Druckmessung in irgendeiner Form beeinflusst wird. The articulation areas A, B and C are designed such that when the membrane 10 is subjected to a thermal shock via the sensor element 22, a joint-like deformation of the membrane construction can take place, in which the sensor contacting area 13 experiences essentially no deflection. This can prevent the actual pressure measurement from being influenced in any way.
An dem ersten Anlenkbereich A, an dem der Befestigungsbereich 14 mit dem Randbereich 11 verbunden ist, weist der Verlauf der Membran 10 eine Richtungsänderung und eine Dickenänderung auf. Dadurch wird eine gelenkartige Bewegung der Membran 10 an dem ersten Anlenkbereich A ermöglicht. In analoger Weise weist der Verlauf der Membran 10 an dem zweiten und dritten Anlenkbereich B und C eine Richtungsänderung und eine Dickenänderung auf, so dass auch die Anlenkbereiche B und C eine gelenkartige Bewegung der Membran 10 ermöglichen. At the first articulation area A, where the fastening area 14 is connected to the edge area 11, the course of the membrane 10 has a change in direction and a change in thickness. As a result, a joint-like movement of the membrane 10 at the first articulation area A is made possible. In an analogous manner, the course of the membrane 10 at the second and third articulation areas B and C has a change in direction and a change in thickness, so that the articulation areas B and C also enable an articulated movement of the membrane 10 .
Um diese gezielte Verformung und/oder Auslenkung der Membran 10, insbesondere des Randbereichs 11 und des Verbindungsbereichs 12 bei einer Beaufschlagung mit einem Thermoschock erreichen zu können, ist es bevorzugt, die Materialstärke d3 des Sensorkontaktierungsbereichs 13 stärker bzw. dicker auszuführen als die Dicke/Stärke d2 des Zwischenbereichs 12. Ebenfalls vorzugsweise ist die mit dı bezeichnete Materialstärke des ringförmigen Randbereichs 11 kleiner als die Dicke d2 des Zwischenbereichs 12 ausgeführt. Über diese unterschiedlichen Dicken der Elemente 11, 12 und 13 ist erreichbar, dass über die Anlenkbereiche A, B und C bei Einwirkung eines Thermoschocks, beispielsweise aus dem Brennraum einer Brennkraftmaschine, durch die unterschiedlich schnelle Aufheizung der Membranbauteile und die damit unterschiedlich schnell erfolgende thermische Expansion eine Verformung bzw. Bewegung der Bereiche 11, 12 in radialer Richtung und parallel zu der Mittellinie O erfolgt. In order to be able to achieve this targeted deformation and/or deflection of the membrane 10, in particular the edge area 11 and the connecting area 12 when subjected to a thermal shock, it is preferable for the material thickness d3 of the sensor contacting area 13 to be thicker or thicker than the thickness d2 of the intermediate region 12. The material thickness of the ring-shaped edge region 11, which is denoted by d1, is also preferably designed to be smaller than the thickness d2 of the intermediate region 12. These different thicknesses of the elements 11, 12 and 13 make it possible to achieve that via the articulation areas A, B and C in the event of a thermal shock, for example from the combustion chamber of an internal combustion engine, due to the different rates of heating of the membrane components and the thermal expansion that occurs at different rates a deformation or movement of the areas 11, 12 in the radial direction and parallel to the center line O takes place.
Fig. 2 zeigt den Bereich des Sensors aus Fig. 1 bei Beaufschlagung mit einem Thermoschock, wobei die durch den Thermoschock induzierte Bewegung der Membran 10 dargestellt ist. Mit gestrichelten Linien ist die Konfiguration der Membran 10 im Ruhezustand gezeigt. die durchgezogenen Linien geben die Konfiguration der Membran 10 nach der thermoschockinduzierten Auslenkung bzw. Verformung an. FIG. 2 shows the area of the sensor from FIG. 1 when subjected to a thermal shock, the movement of the membrane 10 induced by the thermal shock being illustrated. The configuration of the membrane 10 at rest is shown in dashed lines. the solid lines indicate the configuration of the membrane 10 after thermal shock induced deflection.
Wird die in Fig. 1 und 2 gezeigte Membran 10 mit einem Thermoschock beaufschlagt, wird der Randbereich 11 mit der geringsten Dicke dı am schnellsten und am stärksten erhitzt und erfährt damit eine rasche Expansion des Membranmaterials. Dabei dehnt sich der Randbereich 11 in radialer Richtung nach innen aus. Dadurch erfährt der zweite Anlenkbereich B eine Auslenkung in radialer Richtung nach innen. If the membrane 10 shown in FIGS. 1 and 2 is subjected to a thermal shock, the edge area 11 with the smallest thickness d1 is heated the fastest and most intensely and thus experiences a rapid expansion of the membrane material. The edge area 11 expands inward in the radial direction. As a result, the second articulation area B is deflected inward in the radial direction.
Der Verbindungsbereich 12, der eine größere Dicke d; als der Randbereich 11 aufweist, dehnt sich in axialer Richtung im Wesentlichen parallel zu der Mittellinie O aus. Der zweite Anlenkbereich B stellt eine gelenkige Verbindung zwischen dem Randbereich 11 und dem Verbindungsbereich 12 bereit und erfährt durch die Ausdehnung des Mittelbereichs 12 eine Auslenkung in axialer Richtung in Richtung des Druckraums. The connection area 12, which has a greater thickness d; than the edge portion 11 extends substantially parallel to the center line O in the axial direction. The second articulation area B provides an articulated connection between the edge area 11 and the connection area 12 and is deflected in the axial direction in the direction of the pressure chamber as a result of the expansion of the central area 12 .
Der erste Anlenkbereich A und der dritte Anlenkbereich C ermöglichen zudem jeweils eine Auslenkung des Randbereichs 11 gegenüber dem Verbindungsbereich 14 bzw. eine Auslenkung des Verbindungsbereichs 12 gegenüber dem Sensorkontaktierungsbereich 13. The first articulation area A and the third articulation area C also allow a deflection of the edge area 11 in relation to the connection area 14 or a deflection of the connection area 12 in relation to the sensor contacting area 13.
Insgesamt ergibt sich eine Auslenkung des zweiten Anlenkbereichs B in radialer Richtung nach innen und in axialer Richtung in Richtung des Druckraums, wie in Fig. 2 durch die Pfeile angedeutet ist. Overall, the result is a deflection of the second articulation area B in the radial direction inwards and in the axial direction in the direction of the pressure chamber, as indicated by the arrows in FIG.
Der Sensorkontaktierungsbereich 13 erfährt aufgrund der Auslenkungsbewegung des zweiten Anlenkbereichs B bei der Beaufschlagung mit dem Thermoschock keine bzw. keine wesentliche Auslenkung. Due to the deflection movement of the second articulation area B when the thermal shock is applied, the sensor contact area 13 experiences no or no significant deflection.
Da der Sensorkontaktierungsbereich 13 zudem eine größere Dicke d; als der Randbereich 11 und der Verbindungsbereich 12 aufweist, erfährt der Sensorkontaktierungsbereich 13 eine geringere thermische Ausdehnung. Eine thermische Ausdehnung des Sensorkontaktierungsbereichs 13 in radialer Richtung wird durch eine gelenkartige Bewegung des dritten Anlenkbereichs C kompensiert. Since the sensor contacting area 13 also has a greater thickness d; than the edge region 11 and the connecting region 12, the sensor contacting region 13 experiences less thermal expansion. A thermal expansion of the sensor contacting area 13 in the radial direction is compensated for by a joint-like movement of the third articulation area C.
Um die gewünschte Bewegung der Bauteile des Sensors in den Anlenkbereichen A, B und C bei einer Temperaturbeaufschlagung des Sensors erreichen zu In order to achieve the desired movement of the components of the sensor in the articulation areas A, B and C when the sensor is exposed to temperature
können, kann es besonders vorteilhaft sein, die Konstruktion des Sensors einstückig und vorzugsweise materialeinheitlich auszuführen. it can be particularly advantageous to construct the sensor in one piece and preferably from the same material.
In einer bevorzugten Ausführung eines Drucksensors nach Erfindung ist es denkbar, in den Anlenkbereichen A, B und/oder C Materialverformungen durch spanlose oder spanende Bearbeitung anzubringen, z.B. durch Prägen, Pressen, Lasern, Fräsen u.a. Damit kann bei einer Hitzebeaufschlagung des Drucksensors 20 bzw. der Membran 10 ein besonders schnelles Ansprechen der Bauteile 11 und 12 und eine gezieltere Auslenkung/Verformung zur Ableitung eines Thermoschocks erreicht werden. In a preferred embodiment of a pressure sensor according to the invention, it is conceivable to apply material deformations in the articulation areas A, B and/or C by non-cutting or cutting processing, e.g. by embossing, pressing, lasering, milling, etc. In this way, when the pressure sensor 20 or of the membrane 10, a particularly rapid response of the components 11 and 12 and a more targeted deflection/deformation for deriving a thermal shock can be achieved.
Der Sensorkontaktierungsbereich 13 liegt vorzugsweise planar am Sensorelement 22 an, um eine einwandfreie Einleitung der Druckmessgrößen in das Sensorelement 22 zu gewährleisten. The sensor contact area 13 is preferably in planar contact with the sensor element 22 in order to ensure that the measured pressure variables are introduced into the sensor element 22 without any problems.
In Fig. 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Dabei ist auf der Außenseite der Membran im Befestigungsbereich 14 ein Versteifungsring 16 angebracht. Der Versteifungsring ist bei rotationssymmetrischer Ausgestaltung des Drucksensors 20 vorzugsweise ringförmig ausgeführt. In Fig. 3 a second embodiment of the invention is shown. A stiffening ring 16 is attached to the outside of the membrane in the attachment area 14 . In the case of a rotationally symmetrical design of the pressure sensor 20, the stiffening ring is preferably ring-shaped.
Dieser Versteifungsring 16 kann aus einem Material gebildet sein, das einen geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizient als das Material der Membran 10, insbesondere das Material des ringförmigen Randbereichs 11 und des Verbindungsbereichs 12, aufweist. Durch die Anordnung eines solchen Versteifungsrings 16 wird eine sensiblere Funktion der Membrankonstruktion bei Beaufschlagung mit einem Thermoschock erreicht. This stiffening ring 16 can be formed from a material that has a lower coefficient of thermal expansion than the material of the membrane 10 , in particular the material of the annular edge area 11 and the connecting area 12 . By arranging such a stiffening ring 16, a more sensitive function of the membrane construction is achieved when a thermal shock is applied.
Um den Sensorkontaktierungsbereich 13 weiter zu versteifen, und um das Volumen der durch den Verbindungsbereich 12 umschriebenen Ausnehmung in der Membran 10 zu verringern, kann der Sensorkontaktierungsbereich 13 abgesetzt vom Zwischenbereich 12 auf seiner dem Sensorelement 22 abgewandten Seite einen Verstärkungsbereich 15 aufweisen. Dieser Verstärkungsbereich 15 sollte ein vom Verbindungsbereich 12 umschriebenes Volumen bis zu ca. 50 %, vorzugsweise bis zu 75 % ausfüllen. Fig. 4 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Drucksensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem derartigen Verstärkungsbereich 15. Mit einer solchen Materialanhäufung an dem Sensorkontaktierungsbereich 13 wird In order to further reinforce the sensor contacting area 13 and to reduce the volume of the recess in the membrane 10 circumscribed by the connecting area 12, the sensor contacting area 13 can have a reinforcement area 15 offset from the intermediate area 12 on its side facing away from the sensor element 22. This reinforcement area 15 should fill a volume circumscribed by the connection area 12 up to approximately 50%, preferably up to 75%. 4 shows a schematic sectional view of a pressure sensor according to an exemplary embodiment of the invention with such a reinforcement area 15. With such an accumulation of material on the sensor contacting area 13
die durch einen Thermoschock induzierte Auslenkung und/oder Verformung der des Randbereichs 11 und des Verbindungsbereichs 12 der Membran 10 deutlich begünstigt und die Trägheit des Sensorkontaktierungsbereichs 13 weiter erhöht. Damit können durch Thermoschock induzierte Druckmessfehlern weiter reduziert werden. the thermal shock-induced deflection and/or deformation of the edge region 11 and the connecting region 12 of the membrane 10 is clearly favored and the inertia of the sensor contacting region 13 is further increased. Pressure measurement errors induced by thermal shock can thus be further reduced.
In den Fig. 5 und 6 sind alternative Ausgestaltungen der Membrankonstruktion mit einer veränderten Geometrie des Sensorkontaktierungsbereiches 13 und entsprechend verändertem Verlauf der Bereiche 11 und 12 der Sensorkonstruktion gezeigt. In der Konfiguration gemäß Fig. 5 weist der Verbindungbereich 12 einen im Wesentlichen konischen Verlauf auf, bei dem der zweite Anlenkbereich B radial weiter innen liegt als der dritte Anlenkbereich C. In der Konfiguration gemäß Fig. 6 weist der Verbindungsbereich 12 ebenfalls einen im Wesentlichen konischen Verlauf auf, wobei der zweite Anlenkbereich B radial weiter außen liegt als der dritte Anlenkbereich C. 5 and 6 show alternative configurations of the membrane construction with a changed geometry of the sensor contacting area 13 and a correspondingly changed course of the areas 11 and 12 of the sensor construction. In the configuration according to FIG. 5, the connection area 12 has an essentially conical course, in which the second articulation area B lies radially further inwards than the third articulation area C. In the configuration according to FIG. 6, the connection area 12 also has an essentially conical course course, with the second articulation area B being radially further outward than the third articulation area C.
Die Wirkungsweise bei Beaufschlagung mit einem Thermoschock entspricht der vorstehend in Bezug auf Fig. 1 und 2 beschriebenen Wirkungsweise der Sensorkonstruktion. The mode of operation when subjected to a thermal shock corresponds to the mode of operation of the sensor construction described above with reference to FIGS.
In den Fig. 7 und 8 sind lediglich zur Erläuterung von Einbaumöglichkeiten eines erfindungsgemäßen Drucksensors 20 anhand von zwei Beispielen dargestellt, in welcher Weise ein Sensorelement 22 mit seinem Sensorgehäuse 21 in eine entsprechende Öffnung bzw. Bohrung an einem Brennraum einer Brennkraftmaschine verlässlich dichtend eingesetzt werden kann. Dabei zeigt Fig. 7 einen Drucksensor 20 mit einer frontseitigen Abdichtung der an einer Bohrung. Fig. 8 zeigt eine Drucksensor 20, bei dem die Abdichtung über eine am Sensorgehäuse angeformte ringförmige Schulter an der Bohrung bereitgestellt wird. 7 and 8 show two examples of the way in which a sensor element 22 with its sensor housing 21 can be reliably sealed in a corresponding opening or bore in a combustion chamber of an internal combustion engine . 7 shows a pressure sensor 20 with a front seal on a bore. Figure 8 shows a pressure sensor 20 in which the seal is provided by an annular shoulder on the bore formed on the sensor housing.
Bezugszeichenliste Reference List
10 Membran 10 membrane
11 Randbereich 11 edge area
12 Zwischenbereich 12 intermediate area
13 Sensorkontaktierungsbereich 14 Befestigungsbereich 15 Verstärkungsbereich 16 Versteifungsring 13 sensor contact area 14 fastening area 15 reinforcement area 16 stiffening ring
20 Drucksensor 20 pressure sensor
21 Sensorgehäuse 21 sensor housing
22 Sensorelement 22 sensor element
23 Verbindungsmittel 23 lanyards
A erster Anlenkbereich A first articulation area
B zweiter Anlenkbereich C dritter Anlenkbereich B second articulation area C third articulation area
Claims (18)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ATA50999/2020A AT523905A1 (en) | 2020-11-17 | 2020-11-17 | Pressure sensor for pressure measurement in hot media with thermal shock-optimized membrane |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ATA50999/2020A AT523905A1 (en) | 2020-11-17 | 2020-11-17 | Pressure sensor for pressure measurement in hot media with thermal shock-optimized membrane |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| AT523905A1 true AT523905A1 (en) | 2021-12-15 |
Family
ID=78951084
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ATA50999/2020A AT523905A1 (en) | 2020-11-17 | 2020-11-17 | Pressure sensor for pressure measurement in hot media with thermal shock-optimized membrane |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| AT (1) | AT523905A1 (en) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS449672Y1 (en) * | 1965-05-26 | 1969-04-18 | ||
| EP0649011A2 (en) * | 1993-10-13 | 1995-04-19 | K.K. Holding Ag | Temperature compensated diaphragm structure for a pressure transducer |
| US20040231425A1 (en) * | 2003-05-21 | 2004-11-25 | Kabushiki Kaisha Toyota Chuo Kenkyusho | Pressure sensor |
| US20100224003A1 (en) * | 2009-03-04 | 2010-09-09 | Epson Toyocom Corporation | Pressure sensor |
| KR20160102355A (en) * | 2015-02-20 | 2016-08-30 | 키스틀러 홀딩 아게 | Pressure sensor with a membrane applied on the pressure chamber side and use of such a pressure sensor |
-
2020
- 2020-11-17 AT ATA50999/2020A patent/AT523905A1/en not_active Application Discontinuation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS449672Y1 (en) * | 1965-05-26 | 1969-04-18 | ||
| EP0649011A2 (en) * | 1993-10-13 | 1995-04-19 | K.K. Holding Ag | Temperature compensated diaphragm structure for a pressure transducer |
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| KR20160102355A (en) * | 2015-02-20 | 2016-08-30 | 키스틀러 홀딩 아게 | Pressure sensor with a membrane applied on the pressure chamber side and use of such a pressure sensor |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| REJ | Rejection |
Effective date: 20220715 |