Piezoelektrischer Druckgeber
Die Erfindung bezieht sich auf einen piezoelektrischen Druckgeber, insbesondere zur Messung des Druckverlaufes in Zylindern von Brennkraftmaschinen, bestehend aus einem Gehäuse und einer in diesem festgeklemmten Vorspannhülse, die mindestens im Bereich ihres druckbeaufschlagten Endes einen dünnwandigen, federnden, die Piezoelemente umschliessenden Mantel aufweist und an diesem Ende mit einem den Druck übertragenden Stempel abgeschlossen ist, wobei zwischen der Hülse und dem Gehäuse ein stempelseitig durch eine Membran abgeschlossener und von einer durch je eine Zufluss- und eine Abflussöffnung eine und austretenden Kühlflüssigkeit durchflossener Ringraum vorgesehen ist.
Bei den bekannten Ausführungen dieser Art wird dem Ringraum durch einen Kanal Kühlwasser zugeführt, welches die Vorspannhülse umfliesst und den Ringraum durch einen dem Zuflusskanal etwa gegen überliegend angeordneten Abflusskanal verlässt. Es hat sich dabei gezeigt, dass gerade diejenigen Teile des Druckgebers, die beim Betrieb desselben die höchste Temperatur aufweisen, insbesondere das druckbeaufschlagte Ende der Vorspannhülse und der den Druck übertragende Stempel, nur unzureichend gekühlt werden. Dies hat zur Folge, dass diese Teile einer unzulässig hohen thermischen Belastung unterworfen werden und dass die Temperatur der als Piezoelemente meist verwendeten Quarzkristalle nicht konstant bleibt, wodurch die Messung ungenau wird.
Ausserdem wurde festgestellt, dass das von der Strömung kaum erfasste Wasser, insbesondere im Bereich der Membran, zum Sieden kommen kann, wobei die Membran in Schwingungen versetzt wird. Diese Schwingungen übertragen sich auf die Piezoelemente, wodurch es zu Messfehlern, beispielsweise in Form von Überlagerungen auf der durch einen Kathodenstrahloszillographen angezeigten Druckverlaufkurve kommt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu beseitigen. Sie geht von der Erkenntnis aus, dass die Voraussetzung für eine befriedigende Wärmeabfuhr die Ableitung der Wärme schon auf ihrem Weg zu den Piezoelementen von dem druckbeaufschlagten Ende der Vorspannhülse und insbesondere aus dem diese druckseitig abschliessenden Stem pelist.
Die Erfindung besteht darin, dass der Stempel im Bereich des Ringraumes mindestens eine quer zur Vorspannhülse verlaufende, durchgehende Bohrung zum Durchtritt der Kühlflüssigkeit aufweist und im Ringraum zwei etwa diametral gegenüberliegende, in axialer Richtung verlaufende und über die gesamte Höhe des Ringraumes sich erstreckende, rippenförmige Vorsprünge angeordnet sind, die von der äusseren Mantelfläche des Ringraumes ausgehen und gegen die Vorspannhülse ragen, wobei die Zufluss- und die Abflussöffnung auf verschiedenen Seiten der Vorsprünge liegen.
Durch die erfindungsgemässe Ausbildung wird eine eindeutige Kühlflüssigkeitsströmung innerhalb des ringförmigen Kühlmantels des Druckgebers erzielt und dadurchjeder Wärmefluss von der Stirnfläche des Druckgebers zu den Piezoelementen unterbunden. Zufolge der somit wesentlich verbesserten Kühlwirkung wird eine Beeinflussung des piezoelektrischen Effektes durch Schwankungen der Temperatur der Piezoelemente völlig vermieden. Die rippenförmigen Vorsprünge, die bis nahe an die äussere Mantelfläche der Vorspannhülse reichen können, leiten einen erheblichen Teil der durch die Zuflussöffnung in den Ringraum eintretenden Kühlflüssigkeit durch die Bohrungen im Stempel hindurch und bewirken auf diese Weise, dass die Kühlflüssigkeit an allen Stellen des Ringraumes ständig in Bewegung gehalten wird.
Dabei wird auch die Gefahr des Siedens der Kühlflüssigkeit, insbesondere im Be reich der den Ringraum abschliessenden Membran, weitgehend vermieden. Die Piezoelemente können ausserdem weiter im Inneren des Druckgebers liegen, da der Stempel infolge der Bohrungen eine grössere
Ausdehnung in Achsrichtung aufweist, ohne dass sich seine Masse dabei nennenswert vergrössert. Als Kühl flüssigkeit kann z. B. Wasser oder eine Flüssigkeit mit höherem Siedepunkt als Wasser, insbesondere Silikon öl, verwendet werden.
Es ist zwar auch schon ein piezoelektrischer Druck geber bekannt, bei welchem das druckbeaufschlagte
Ende der Vorspannhülse durch ständig in Bewegung befindliches Kühlwasser gekühlt wird. Die Piezo elemente sind hierbei ausserhalb der Vorspannhülse um diese herum im Innern eines ringförmigen Gehäuses angeordnet, welches von einem äusseren, ebenfalls ringförmigen Kühlmantel umgeben ist.
Ausser diesem äusseren Kühlkreislauf ist zur Kühlung der Vorspannhülse zusätzlich ein innerer Kühlkreislauf vorgesehen, wobei das Kühlwasser durch ein in das
Innere der Vorspannhülse bis nahe an das druckbeaufschlagte Ende derselben reichendes Rohr zugeführt und den Wänden der Vorspannhülse entlang wieder abgeleitet wird. Durch diese Anordnung ergibt sich jedoch eine ausserordentlich komplizierte Ausbildung des Druckgebers und trotzdem keine wesentliche Verbesserung der Kühlwirkung, da die vom Kühlwasser umspülte Fläche der Vorspannhülse sehr klein ist und auch nur ein geringer Teil des die Vorspannhülse druckseitig abschliessenden Stempels mit dem Kühlwasser in Berührung kommt.
Nach einem weiteren Vorschlag ist es auch schon bekannt, die Membran eines auf kapazitiver Wirkung beruhenden Druckgebers an der Unterseite mit Querrillen zu versehen, die durch eine von unten an die Membran gedrückte Scheibe zu Kanälen für das Kühlmittel ergänzt werden. Entsprechend der Eigenart der bei dieser Ausführung angewendeten physikalischen Erscheinungen sind keine Piezoelemente und auch kein dem Druckstempel des Erfindungsgegenstandes vergleichbares Element vorhanden. Ausserdem sind hierbei auch keine Massnahmen zur Aufrechterhaltung einer geregelten Kühlmittel strömung vorgesehen, so dass die von den Querrillen in der Membran gebildeten Kühlkanäle nur unzureichend von der Kühlflüssigkeit durchströmt sind.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Vorsprünge von einer im Ringraum vorgesehenen Leithülse gebildet, die mit ihrer äusseren Mantelfläche am Gehäuse anliegt und sich über die gesamte Höhe des Ringraumes erstreckt. Diese Ausführung zeichnet sich vor allem durch ihre einfache Herstellbarkeit aus. Die Schwierigkeiten, die sich bei fester Anordnung der rippenförmigen Vorsprünge am Gehäuse beim Ein- und Ausbau der Vorspannhülse ergeben, fallen bei dieser Ausführung weg.
In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes dargestellt. Fig. 1 zeigt eine Ansicht des erfindungsgemässen Druckgebers und Fig. 2 dazu eine Draufsicht. In Fig. 3 ist ein Schnitt durch den die Piezoelemente enthaltenden Teil des Druckgebers nach der Linie III-III in Fig. 4 und in Fig. 4 ein Schnitt nach der Linie IV-IV in Fig. 3 jeweils in vergrössertem Massstab dargestellt.
Der gezeichnete Druckgeber besitzt ein zylindrisches Gehäuse 1, das an seinem unteren Ende mit einem Anschlussgewinde 2, zum Einschrauben beispielsweise in den Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine, versehen ist und an seinem oberen Ende einen Sechskantkopf 3 aufweist. Ebenfalls am oberen Ende des Gehäuses 1 sind Rohre 4 und 5 für den Anschluss der Zu- und Abflussleitungen für die Kühlflüssigkeit und ein Durchführungsisolator 6, durch welchen die elektrische Leitung herausgeführt ist, angeordnet.
Im Innern des Gehäuses 1 befindet sich die Vorspannhülse 7, die im Gehäuse 1 festgeklemmt und mit einem den zu messenden Druck übertragenden Stempel 8 abgeschlossen ist. Im Bereich des druckbeaufschlagten Endes besitzt die Vorspannhülse 7 einen dünnwandigen federnden Mantel, der die Piezoelemente, z. B. zwei Quarzkristalle 9 und 10, umschliesst. Diese sind beim gezeigten Ausführungsbeispiel übereinander angeordnet und gegeneinander geschaltet, wobei zwischen ihnen eine Elektrode 11 zur Ableitung z. B. der positiven Ladungen vorgesehen ist, während die negativen Ladungen über Masse abfliessen können. Zu diesem Zweck ist auf der einen Seite der Quarzkristalle eine Elektrode 12 und auf der anderen Seite ein Stahlzylinder 13 vorgesehen, welcher mit dem Quarzkristall 9 in Verbindung steht und zugleich auch zur Vorspannung der Quarze dient.
Die am Quarzkristall 10 anliegende Elektrode 12 steht über eine Schicht 14 aus weichem Metall, beispielsweise aus Aluminium, mit dem Stempel 8 und somit ebenfalls mit Masse in leitender Verbindung. Die Metallschicht 14 hat den Zweck, zwischen der Elektrode 12 und dem Stempel 8 einen elektrischen Kontakt mit möglichst geringem Übergangswiderstand herzustellen. Im Inneren des Stahlzylinders 13 ist ein Isolierrohr 15 angeordnet, welches die von der Elektrode 11 nach aussen führende elektrische Leitung 16 umschliesst.
Zwischen dem die piezoelektrischen Quarzkristalle 9 und 10 umschliessenden, dünnwandigen Mantel der Vorspannhülse 7 und dem Gehäuse 1 ist ein Ringraum 17 ausgespart, der stempelseitig durch eine zwischen dem Gehäuse 1 und dem Stempel 8 dichtend angeordnete Membran 18 abgeschlossen ist. Diese wird durch Ringe 19 und 20 festgehalten. Im oberen Teil des Ringraumes 17 befindet sich eine Zufluss- und eine Abflussöffnung 21 und 22, durch welche eine über die Rohre 4 und 5 und über Kanäle 23 im Gehäuse 1 zubzw. abgeführte Kühlflüssigkeit den Ringraum 17 durchströmt.
Der Stempel 8 besitzt in seinem im Bereich des Ringraumes 17 liegenden Teil drei quer zur Vorspannhülse verlaufende, durchgehende Bohrungen 24, durch welche die Kühlflüssigkeit von der einen Hälfte des Ringraumes 17 in die andere Hälfte gelangen kann.
Um nun zu erreichen, dass möglichst viel Kühlflüssigkeit durch die Bohrungen 24 fliesst, ist zusätzlich eine Leithülse 25 im Ringraum angeordnet, die mit ihrer äusseren Mantelfläche am Gehäuse 1 anliegt und sich über die gesamte Höhe des Ringraumes 17 erstreckt.
Die Leithülse 25 besitzt zwei diametral gegenüberliegende, rippenförmige Vorsprünge 26 und 27, die in axialer Richtung verlaufen und gegen den dünnwandigen Mantel der Vorspannhülse 7 ragen. Zwischen den Vorsprüngen 26 und 27 einerseits und dem dünnwandigen Mantel der Vorspannhülse 7 anderseits verbleiben lediglich schmale Schlitze für den Durchtritt der Kühlflüssigkeit. Auf diese Weise wird je nach der Breite dieser Schlitze ein grösserer oder kleinerer Teil der Kühlflüssigkeit durch die Bohrungen 24 im Stempel 8 geleitet. Zur Erzielung einer günstigen Kühlwirkung werden z. B. die Vorsprünge 26 und 27 so bemessen, dass etwa 60 % der Kühlflüssigkeit durch die Bohrungen 24 hindurchgeleitet werden.
Piezoelectric pressure transmitter
The invention relates to a piezoelectric pressure transducer, in particular for measuring the pressure profile in cylinders of internal combustion engines, consisting of a housing and a prestressing sleeve clamped in this, which at least in the area of its pressurized end has a thin-walled, resilient jacket surrounding the piezo elements and on this The end is closed with a pressure-transmitting stamp, with an annular space being provided between the sleeve and the housing, which is closed on the stamp side by a membrane and through which a cooling liquid flows through an inflow and an outflow opening.
In the known designs of this type, cooling water is supplied to the annular space through a channel, which flows around the prestressing sleeve and leaves the annular space through an outflow channel arranged approximately opposite the inflow channel. It has been shown that precisely those parts of the pressure transmitter which have the highest temperature during operation, in particular the pressurized end of the pretensioning sleeve and the stamp transmitting the pressure, are only insufficiently cooled. This has the consequence that these parts are subjected to an impermissibly high thermal load and that the temperature of the quartz crystals mostly used as piezo elements does not remain constant, which makes the measurement inaccurate.
In addition, it was found that the water, which is hardly caught by the flow, especially in the area of the membrane, can boil, causing the membrane to vibrate. These vibrations are transmitted to the piezo elements, which leads to measurement errors, for example in the form of superimpositions on the pressure curve displayed by a cathode ray oscilloscope.
The invention is based on the object of eliminating these disadvantages. It is based on the knowledge that the prerequisite for a satisfactory heat dissipation is the dissipation of the heat already on its way to the piezo elements from the pressurized end of the prestressing sleeve and in particular from the stem closing it on the pressure side.
The invention consists in that the punch in the area of the annular space has at least one through-hole running transversely to the prestressing sleeve for the cooling liquid to pass through, and in the annular space two approximately diametrically opposite, axially extending, rib-shaped projections extending over the entire height of the annular space are arranged, which extend from the outer jacket surface of the annular space and protrude against the prestressing sleeve, the inflow and outflow opening being on different sides of the projections.
The design according to the invention achieves a clear flow of cooling liquid within the ring-shaped cooling jacket of the pressure transducer and thereby prevents any heat flow from the end face of the pressure transducer to the piezo elements. As a result of the significantly improved cooling effect, influencing the piezoelectric effect through fluctuations in the temperature of the piezo elements is completely avoided. The rib-shaped projections, which can reach close to the outer circumferential surface of the prestressing sleeve, guide a considerable part of the cooling liquid entering the annular space through the holes in the punch and in this way ensure that the cooling liquid is constantly at all points in the annular space is kept moving.
The risk of the cooling liquid boiling, especially in the area of the membrane closing off the annular space, is largely avoided. The piezo elements can also lie further inside the pressure transducer, since the punch is larger due to the bores
Has expansion in the axial direction without its mass increasing significantly. As a cooling liquid z. B. water or a liquid with a higher boiling point than water, especially silicone oil, can be used.
Although there is already a piezoelectric pressure transducer known in which the pressurized
The end of the prestressing sleeve is cooled by cooling water that is constantly moving. The piezo elements are arranged outside the prestressing sleeve around the latter inside an annular housing which is surrounded by an outer, likewise annular, cooling jacket.
In addition to this outer cooling circuit, an inner cooling circuit is also provided for cooling the prestressing sleeve, the cooling water being fed into the
The inside of the prestressing sleeve is fed to the tube reaching close to the pressurized end thereof and is diverted again along the walls of the prestressing sleeve. However, this arrangement results in an extremely complicated design of the pressure transducer and nevertheless no significant improvement in the cooling effect, since the area of the pretensioning sleeve around which the cooling water flows is very small and only a small part of the plunger closing the pretensioning sleeve on the pressure side comes into contact with the cooling water.
According to a further proposal, it is already known to provide the membrane of a pressure transducer based on a capacitive effect on the underside with transverse grooves, which are supplemented by a disk pressed against the membrane from below to form channels for the coolant. In accordance with the nature of the physical phenomena used in this embodiment, there are no piezo elements and no element comparable to the pressure stamp of the subject matter of the invention. In addition, no measures are provided for maintaining a regulated coolant flow, so that the cooling channels formed by the transverse grooves in the membrane are only insufficiently flowed through by the cooling liquid.
In a preferred embodiment of the invention, the projections are formed by a guide sleeve provided in the annular space, the outer surface of which rests against the housing and extends over the entire height of the annular space. This version is characterized above all by its ease of manufacture. The difficulties that arise with a fixed arrangement of the rib-shaped projections on the housing when installing and removing the prestressing sleeve are eliminated with this design.
An exemplary embodiment of the subject matter of the invention is shown in the drawings. FIG. 1 shows a view of the pressure transducer according to the invention and FIG. 2 shows a plan view. FIG. 3 shows a section through the part of the pressure transmitter containing the piezo elements along the line III-III in FIG. 4 and FIG. 4 shows a section along the line IV-IV in FIG. 3, each on an enlarged scale.
The pressure transducer shown has a cylindrical housing 1 which is provided at its lower end with a connecting thread 2 for screwing into the cylinder head of an internal combustion engine, for example, and which has a hexagonal head 3 at its upper end. Also at the upper end of the housing 1 are pipes 4 and 5 for connecting the inlet and outlet lines for the cooling liquid and a bushing insulator 6 through which the electrical line is led out.
In the interior of the housing 1 there is the prestressing sleeve 7, which is clamped in the housing 1 and closed with a stamp 8 which transmits the pressure to be measured. In the area of the pressurized end, the prestressing sleeve 7 has a thin-walled resilient jacket, which the piezo elements, for. B. two quartz crystals 9 and 10, encloses. In the embodiment shown, these are arranged one above the other and connected to one another, with an electrode 11 between them for deriving z. B. the positive charges is provided, while the negative charges can flow away via ground. For this purpose, an electrode 12 is provided on one side of the quartz crystals and a steel cylinder 13 is provided on the other side, which is connected to the quartz crystal 9 and at the same time also serves to bias the quartz.
The electrode 12 resting on the quartz crystal 10 is in a conductive connection via a layer 14 made of soft metal, for example made of aluminum, with the stamp 8 and thus also with ground. The purpose of the metal layer 14 is to produce an electrical contact with the lowest possible contact resistance between the electrode 12 and the stamp 8. In the interior of the steel cylinder 13, an insulating tube 15 is arranged, which surrounds the electrical line 16 leading from the electrode 11 to the outside.
Between the thin-walled jacket of the prestressing sleeve 7 surrounding the piezoelectric quartz crystals 9 and 10 and the housing 1, an annular space 17 is cut out, which is closed on the stamp side by a membrane 18 sealingly arranged between the housing 1 and the stamp 8. This is held in place by rings 19 and 20. In the upper part of the annular space 17 there is an inflow and an outflow opening 21 and 22, through which a zubzw via the tubes 4 and 5 and channels 23 in the housing 1. removed cooling liquid flows through the annular space 17.
In its part located in the area of the annular space 17, the punch 8 has three through bores 24 running transversely to the prestressing sleeve, through which the cooling liquid can pass from one half of the annular space 17 into the other half.
In order to ensure that as much cooling liquid as possible flows through the bores 24, a guide sleeve 25 is additionally arranged in the annular space, the outer surface of which rests against the housing 1 and extends over the entire height of the annular space 17.
The guide sleeve 25 has two diametrically opposed, rib-shaped projections 26 and 27, which run in the axial direction and protrude against the thin-walled jacket of the prestressing sleeve 7. Between the projections 26 and 27 on the one hand and the thin-walled jacket of the prestressing sleeve 7 on the other hand, only narrow slots remain for the passage of the cooling liquid. In this way, depending on the width of these slots, a larger or smaller part of the cooling liquid is passed through the bores 24 in the punch 8. To achieve a favorable cooling effect z. B. the projections 26 and 27 are dimensioned so that about 60% of the cooling liquid is passed through the bores 24.