Piezoelektrischer Druckgeber
Die Erfindung bezieht sich auf einen piezoelektrischen Druckgeber, insbesondere zur Messung des Druckverlaufes in Zylindern von Brennkraftmaschinen, mit einem Gehäuse, in welchem die Piezoelemente und ein den Druck auf diese übertragender Stempel angeordnet sind, wobei zwischen Gehäuse und Stempel ein durch eine Membrane abgeschlossener Ringspalt vorgesehen ist.
Bei piezoelektrischen Druckgebern dieser Art soll, um eine stets gleichbleibende Charakteristik des Druckgebers zu erzielen, der Ringspalt derart abgedichtet sein, dass stets der gleiche Anteil der auf die Abdichtung entfallenden Druckkraft auf den Stempel übertragen wird. Insbesondere soll eine Relativbewegung zwischen dem Gehäuse und dem Stempel, die zufolge verschiedener Wärmedehnung oder verschiedener mechanischer Beanspruchung der Teile, z. B. beim Einschrauben des Druckgebers in den Zylinder einer Brennkraftmaschine, wobei der das Gewinde tragende Teil des Gehäuses gestreckt wird, auftreten kann, den Kraftübertragungsfaktor nicht ändern. Eine Abdichtung ist auch bei ungekühlten Druckgebern erforderlich, da die Piezoelemente bzw. die diese umgebenden empfindlichen Teile, z.
B. eine Vorspannhülse, dem zu messenden Druck nicht ausgesetzt werden dürfen und ein Gasdurchtritt durch den Druckgeber tunlichst vermieden werden soll.
Bei den bekannten Druckgebern wird zur Abdichtung meist eine ebene Membrane verwendet, die ringförmig ausgebildet und mittels zweier koaxial angeordneter Ringe am Gehäuse und am Stempel festgespannt ist. Dabei weist die Membrane aus Festigkeitsgründen eine grössere Wandstärke auf und es wird die bei einer Relativbewegung zwischen Stempel und Gehäuse zu ihrer Durchwölbung erforderliche Kraft vom Stempel aufgenommen. Eine gleichbleibende Charakteristik des Druckgebers (Verhältnis zwischen Gasdruck vor dem Druckgeber zu der durch den Gasdruck hervorgerufenen Druckkraft auf dem Piezoelement) ist hierbei jedoch nicht gewährleistet, da der Kraftübertragungsfaktor für eine Membrane grösserer Wandstärke mit gewölbter Form von dem Mass der Durchwölhung abhängt.
Verstärkt wird diese Erscheinung meist noch dadurch, dass es praktisch unmöglich ist, ideal scharfe Kanten an den Auflagestellen der Membrane zu verwirklichen sowie die Kanten zu beiden Seiten der Membrane exakt auf gleichem Durchmesser zu halten. Zur Vermeidung dieses Nachteiles und zur Erzielung einer wenigstens annähernd gleichbleibenden Charakteristik wäre eine Membrane mit sehr dünner Wandstärke erforderlich, die jedoch festigkeitsmässig zur Messung von hohen Drücken nicht geeignet ist.
Es ist auch schon vorgeschlagen worden, die Kraftübertragung von der Aufgabe der Abdichtung zu trennen. Die Kraftübertragung erfolgt hierbei durch in den Ringspalt eingelegte starre Ringsegmente, die sich auf Schneiden am Gehäuse und am Stempel abstützen, wogegen die Abdichtung durch eine auf diesen Segmenten aufliegende, meist gewellte Membrane vorgenommen wird. Bei dieser Anordnung ist es jedoch erfahrungsgemäss schwierig, eine gute Abdichtung zu erzielen. Die Messung von Unterdrücken stösst dadurch auf Schwierigkeiten, dass sich die Membrane, falls sie keine genügend grosse Vorwölbung besitzt bzw. die Vorwölbung im Betrieb nachlässt, von den Segmenten abhebt.
Ausserdem ist die Membrane durch die Ringsegmente einer direkten Kühlung durch ein Kühlmittel entzogen, wodurch thermische Schäden bei Messungen an hei ssen Medien auftreten können, und es besteht die Gefahr, dass die Membrane im Bereich der Spalten zwischen den Ringsegmenten bricht. Schliesslich ist auch noch der komplizierte Aufbau und die unwirtschaftliche Herstellbarkeit dieser Ausführung von Nachteil.
Die Erfindung hat sich nun die Schaffung eines robusten und einfach herstellbaren piezoelektrischen Druckgebers zum Ziel gesetzt, bei welchem die an die Abdichtung des Ringspaltes gestellten Anforderungen hinsichtlich der Kraftübertragung zwischen Gehäuse und Stempel erfüllt sind und dadurch eine stets gleichbleibende Charakteristik gewährleistet ist.
Die Erfindung besteht darin, dass die Membrane über die gesamte Breite des Ringspaltes gewölbt ist und die Innenseite der Wölbung in den unmittelbar an die Klemmstellen im Gehäuse und im Stempel anschliessenden Bereichen praktisch in der Bewegungsrichtung des Stempels verläuft. Durch diese Formgebung werden die bei einer Relativbewegung zwischen Gehäuse und Stempel auftretenden Biegebeanspruchungen der Membrane erheblich vermindert, so dass ein dünnerer und dadurch biegsamerer gewölbter Membranteil auch bei hoher Druckbeanspruchung möglich ist. In den etwa in der Bewegungsrichtung des Stempels verlaufenden Bereichen der Membrane treten überhaupt nur Zugbeanspruchungen auf.
Die in Bewegungsrichtung des Stempels übertragenen Biegekräfte sind daher auch bei Messungen an heissen Gasen und bei hohen Drücken wesentlich geringer als bei den bekannten Ausführungen und vernachlässigbar klein, so dass sich über den gesamten Messbereich eine stets gleichbleibende Charakteristik des Druckgebers ergibt.
Die Kanten der auf der Aussenseite der Wölbung der Membrane liegenden Auflageflächen des Gehäuses und des Stempels können abgerundet sein und die Membrane im Bereich dieser Abrundungen satt anliegen. Dadurch wird eine Verletzung der Membrane an diesen Stellen, z. B. durch Abscherung, verhindert. Um eine eindeutig definierte druckbeaufschlagte Fläche der Membrane zu erzielen, können hingegen die etwa in Bewegungsrichtung des Stempels verlaufenden Bereiche der Innenseite der Wölbung scharfe Randkanten besitzen.
Vorteilhaft besitzt die Wölbung der Membrane wenigstens im mittleren Teil einen kreisringförmigen Querschnitt, dessen Krümmungsmittelpunkt gegen über der durch die Randkanten der Membrane gegebenen Ebene in Richtung zur Wölbung, vorzugsweise um die Dicke der Membrane, verschoben ist.
Hierbei handelt es sich um eine einfach herstellbare Ausführungsform, bei welcher sich eine vorteilhafte Beanspruchung der Membrane ergibt und auch bei dünner Wandstärke günstige Festigkeitseigenschaften erzielt werden.
Nach einem weiteren Vorschlag kann die Membrane in ihrem gewölbten Teil eine geringere Wandstärke als in ihren am Gehäuse und am Stempel anliegenden Bereichen besitzen. Dadurch ergeben sich Vorteile bei der Herstellung des gewölbten Teiles der Membrane sowie bei der Abdichtung und Befestigung derselben am Gehäuse und am Stempel des Druckgebers.
Schliesslich kann bei einer am Gehäuse und am Stempel mittels zweier, z. B. eingepresster oder aufgeschrumpfter, koaxial angeordneter Ringe befestigten Membrane die Membrane mit den Ringen unlösbar fest verbunden, zum Beispiel verschweisst, vorzugsweise jedoch mit diesen in einem Stück hergestellt sein. Durch diese Massnahme wird eine gute Halterung der Membrane, eine verlässliche Abdichtung des Ringspaltes und ausserdem eine Verbesserung der Wärmeableitung von der Wölbung der Membrane zu den koaxial angeordneten Ringen und von diesen zum Gehäuse bzw. zum Stempel erzielt.
In der Zeichnung ist zur näheren Erläuterung der Erfindung ein Ausführungsbeispiel dargestellt.
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch den die Piezoelemente enthaltenden Teil des Druckgebers und
Fig. 2 eine vergrösserte Darstellung eines Details, ebenfalls im Schnitt.
Im Inneren des zylindrischen Gehäuses 1 des Druckgebers ist eine Vorspannhülse 2 festgeklemmt, die die Piezoelemente, z. B. zwei Quarzkristalle 3 und 4, umschliesst und mit einem den zu messenden Druck übertragenden Stempel 5 abgeschlossen ist.
Zur Ableitung der elektrischen Ladungen sind Elektroden 6 und 7 vorgesehen, von welchen die Elektrode 6 mit einer isolierten Ausleitung 8 versehen ist und die Elektrode 7 über die Vorspannhülse 2 mit dem Gehäuse 1 in leitender Verbindung steht.
Um den die Quarzkristalle 3 und 4 umschliessenden Teil der Vorspannhülse 2 herum ist zwischen dieser und dem Gehäuse 1 ein Ringspalt 9 vorgesehen, der stempelseitig durch eine zwischen dem Gehäuse 1 und dem Stempel 5 dichtend angeordnete Membrane 10 abgeschlossen ist. Der Ringspalt 9 ist von einem Kühlmittel durchflossen, das durch im Gehäuse 1 vorgesehene Kanäle, von welchen in Fig. 1 nur der Kanal 11 ersichtlich ist, zu- bzw. abgeführt wird.
Zur Verbesserung des Kühlmittelumlaufes ist im Ringspalt 9 eine im Gehäuse 1 eingesetzte Hülse 12 angeordnet, an deren druckseitiger Stirnfläche die Membrane 10 anliegt.
Zur Befestigung der Membrane 10 am Gehäuse 1 bzw. an der Hülse 12 und am Stempel 5 sind zwei z. B. eingepresste oder aufgeschrumpfte, koaxial angeordnete Ringe 13 und 14 vorgesehen, die die Membrane 10 gegen Auflageflächen an der Hülse 12 und am Stempel 5 drücken. Wie insbesondere aus Fig. 2 ersichtlich ist, erfolgt die Abdichtung der Membrane 10 mittels elastischer Dichtungsringe 15 und 16, die je in einer in den Auflageflächen an der Hülse 12 und am Stempel 5 ausgesparten Ringnut 17 bzw. 18 liegen und die Auflageflächen in Achsrichtung überragen. Die Ringe 13 und 14 sind im Bereich der Dichtungsringe 15 und 16 abgeschrägt, so dass sich die Ränder 19 und 20 der Membrane 10 elastisch verformen können und fe dernd an den Dichtungsringen 15 und 16 fest anliegen.
Die Membrane 10 ist über die gesamte Breite des Ringspaltes 9 gewölbt ausgeführt. Die Wölbung besitzt im mittleren Teil einen kreisringförmigen Querschnitt, dessen Krümmungsmittelpunkt in Richtung der Wölbung verschoben ist und etwa in der Ebene der Auflageflächen der Membrane 10 an der Hülse 12 und am Stempel 5 liegt. In ihren unmittelbar an die Klemmstellen in der Hülse 12 und im Stempel 5 anschliessenden Bereiche verläuft die Innenseite der Wölbung der Membrane 10 etwa in Bewegungsrichtung des Stempels 5 und ist zylindrisch ausgebildet.
Die Membrane 10 besitzt ausserdem in ihrem gewölbten Teil eine geringere Wandstärke als in ihren an der Hülse 12 und am Stempel 5 anliegenden Bereichen. Durch diese Formgebung der Membrane 10 treten bei einer Relativbewegung zwischen Gehäuse 1 und Stempel 5 nur geringe Biegebeanspruchungen des gewölbten Teiles der Membrane 10 auf, so dass eine die Charakteristik des Druckgebers verändernde Kraftübertragung weitgehend vermieden wird.
Die Kanten 21 und 22 der auf der Aussenseite der Wölbung der Membrane 10 zu beiden Seiten des Ringspaltes 9 liegenden Auflageflächen an der Hülse 12 und am Stempel 5 sind abgerundet, und die Membrane 10 liegt im Bereich dieser Abrundungen satt an. Dadurch werden Beschädigungen der Membrane 10, z. B. durch Abscherung, während des Betriebes vermieden. Die etwa in Achsrichtung des Stempels 5 verlaufenden zylindrischen Teile der Innenseite der Wölbung besitzen dagegen scharfe Randkanten 23 und 24, um eine eindeutig definierte druckbeaufschlagte Fläche der Membrane 10 sicherzustellen.
Im Rahmen der Erfindung kann jedoch die Membrane 10 auch mit den Ringen 13 und 14 unlösbar fest verbunden, z. B. verschweisst sein oder mit diesen aus einem Stück bestehen. Bei eingepressten oder aufgeschrumpften Ringen 13 und 14 kann sich bei dieser Ausbildung unter Umständen eine eigene Abdichtung der Membrane bzw. der Ringe 13 und 14 gegenüber dem Gehäuse 1 und dem Stempel 5 erübrigen.