CN101258393B - 压力测量装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于测量气体压力的装置，其中，所述装置包括：框架(10)；贯穿框架的通道；测量单元(11、12)；以及冷却体(18)。所述通道沿轴向包括：引导段，所述引导段包括用于接收气体的开口；具有壁体的测量段(B)；以及终端段，所述终端段的端部在测量期间封闭。所述测量单元(11、12)用于测量作用在测量段壁体上的径向力，所述测量单元包括测量体(13、14)，所述测量体(13、14)与所述测量段壁体的第一部分处于机械接触。所述冷却体(18)用于将热从测量段的壁体传递到所述框架，其中，所述冷却体与所述测量段壁体的第二部分以及与所述框架处于热接触。

Description

压力测量装置
技术领域
本发明涉及用于测量气体中压力的装置。根据本发明的所述装置例如适合用于测量内燃机气缸内的气体压力。本发明尤其适合用于测量大型柴油机中的气体压力。这种发动机例如用作船舶发动机和用作用于驱动发电机和气体压缩机的固定式发动机。 
背景技术
随着日益增长的降低燃料消耗的要求以及不断增加的关于废气化学组分的环境要求，对内燃机的操作进行监控的标准不断增加。失火影响废气的化学组分并能够不利地影响内燃机的工作寿命。借助连续测量，可以检测出失火从而恢复确保正确运行而采取的动作。 
将用于测量内燃机中压力的装置设置在非常恶劣的环境下，所述环境具有几百巴的高压并且温度高达并超过1000℃。在内燃机的每个工作循环期间进行连续测量从而确定所述压力对压力传感器的用以进行快速处理的动态响应提出了很高的要求。 
在现有技术中，通过力传感器来测量内燃机气缸中的气体压力的装置是公知的，所述力传感器所测量的是由气体施加在柔性膜上的力。例如，US4,408,496公开了这种类型的装置。该文献示出了一种装置，其具有管形通道，通道的一端连接到并开口于气缸，通道的另一端则闭合。所述管形通道的闭合端包括柔性膜，所述气缸的气体压力对此柔性膜施加作用。通过力传递装置，所述气体压力从柔性膜传递到压力测量单元。所述力传递装置具有这样的形状，使得源于气体压力的影响所述柔性膜的力能够转换成力测量单元中的张力。 
与测量内燃机中的气体压力相关的一个问题在于：大的温度变化形成了误差源，大的温度变化源于气缸压缩和燃料燃烧过程中的短脉冲。如果测量源于气体压力的力的压力传感器同时也测量源于温度变化的力，则所述测量将会包含误差。 
国际专利申请第WO99/58945号公开了解决这个问题的方案。该文献示出了一种用于测量内燃机气缸中的气体压力的压力传感器，其中，所述压力传感器包括管子，所述馆子由连接到气缸的段、由测量段和由终端段构成，终端段的端部封闭。所述测量段具有呈砂漏形状的横截面，所述砂漏形状由两个通过腰部彼此连接的圆形部分构成，从而形成了两个平行的测量表面。所述管子在外部与两个位于测量表面任一侧上的实心梁接触，所述实心梁将空腔中的压力传递到力测量装置。所述的管子具有这样的形状，使得可利用管子壁体的移动来确定压力，而不是利用施加在管子封闭端上的压力。能够使管子的壁体变得更薄弱，也就是壁体比管子端部处的膜体更薄。这意味着降低了在测量过程中因温度增加而产生的额外力。这种压力传感器适用于二冲程和四冲程柴油机。 
然而，随着柴油机的发展已产生具有更高压力和回转的发动机，例如快速四冲程柴油机。经过传感器的来自待测量气体的能流将会产生高的温度和应力。因此，对于所述这些发动机，由热造成的问题增大了。 
发明内容
本发明的目的是提供一种用于测量气体中压力的改进装置，所述装置进一步缓解了在测量过程中因大的温度变化而产生的上述问题。 
根据本发明，所述目的由如下所述的装置实现。所述装置包括：框架；贯穿框架的通道；测量单元；冷却体。所述通道沿轴向包括引导段、测量段以及终端段，其中：所述引导段包括用于接收气体的开口；所述测量段具有壁体；所述终端段的端部在测量过程中闭合，。所述测量单元用于测量作用在测量段壁体上的径向力，测量单元包括与测量段壁体的第一部分处于机械接触的测量体。所述冷却体用于将测量段壁体的热传递到所述框架，其中，所述冷却体与测量段壁体的第二部分和框架处于热接触。术语“热接触”指的是：彼此热接触的部件或者是彼此直接接触或者是在他们之间设置有导热材料。 
通过冷却体，热从测量段的壁体传递到框架。由此，加大了与气体接触的表面的热流动，从而使测量段中的热分布更均匀。温度变化降低的结果使得测量段中壁体的热膨胀得以降低。因此，降低了因温度变化而产生的测量误差。与现有的压力测量装置相比，本发明的另一个优点在于：在不增加壁体刚度的情况下能够对测量段壁体进行冷却。对壁体温度更好的控制使得增加测量装置的刚度成为可能。本发明在不增加装置应力的情况下，能够增加测量装置的刚度和热流动。 
如果冷却体和测量体彼此接触，则存在冷却体干扰测量的可能性。因此，为了避免冷却体影响测量，所述冷却体应当与测量体分开，至少在测量段处分开。因此，第二部分应当设置成与第一部分相隔一定距离。 
根据本发明的实施方式，所述测量体与所述框架处于热接触。因此，所述测量体也用作冷却体，从而来自所述表面的热流进一步增大，由此进一步促进了测量段壁体的冷却。 
根据本发明的实施方式，所述测量单元包括第二测量体，其与所述测量段壁体的第三部分处于机械接触，其中，第一和第三部分大致位于延伸穿过通道中心的纵向轴线的相对侧。由于具有哦两个对称设置的测量体，因此能够进行两个对称测量，从而增加了测量信号以使信号水平增大并使噪音水平降低。 
根据本发明的实施方式，所述冷却体与测量段的第四部分处于热接触，其中所述第二和第四部分大致位于延伸穿过通道中心的纵向轴线的相对侧。由此进一步促进了测量段壁体的冷却。 
根据本发明的实施方式，两个测量体和两个冷却体这样设置，使得经过第一和第三部分的线大致垂直于经过第二和第四部分的线。因此，实现了测量段壁体的均匀冷却。测量体和冷却体的这种设置所获得的另一个优点在于：防止冷却体干涉测量体。 
根据本发明的实施方式，所述测量段具有形如狗骨的横截面，所述横截面具有第一对彼此相对设置的内弯部分和第二对彼此相对设置的内弯部分。第一对内弯部分包括第一和第三部分，并且第二对内弯部分包括第二和第四部分。这种形状相当有利，原因为其增大了通道的自由长度一即直径，从而使通道壁体更薄弱，这意味着保持壁体所需的力更小，从而导致源于壁体热膨胀的干扰更少，进而导致测量误差更小。 
根据本发明的实施方式，所述测量体包括对应于第一内弯部分的突出部分，并且所述测量体的突出部分和测量段的第一内弯部分彼此处于机械接触。所述冷却体包括对应于第二内弯部分的突出部分，并且所述冷却体的突出部分和测量段的第二内弯部分彼此处于热接触。 
根据本发明的实施方式，所述测量单元包括适于对测量体中的力进行测量的传感器。所测量的力例如为切应力、拉力或者压缩力。举例说明，所述传感器为磁弹性传感器、压电传感器或者应变仪。 
根据本发明的实施方式，所述传感器适于测量测量体中的横向切应力。此实施方式允许测量体进行轴向移动而不会干扰测量。 
根据本发明的实施方式，所述发动机包括发动机本体，并且设置所述框架使其安装成与发动机本体热接触。通过框架，来自冷却体和测量体的热被引导到发动机本体。传统地，所述发动机本体包括冷却系统，因而适合处理传递到其上的热。因此，进一步促进了测量段的冷却。 
根据本发明的实施方式，所述装置包括盖构件，其具有接纳测量体、冷却体和测量段的开口，并且所述盖构件包括实心冷却梁，所述冷却梁适于与所述冷却体和框架热接触。通过冷却梁，来自盖构件的热被引导到框架。因此，进一步促进了测量装置的冷却。 
本发明尤其适合用于测量柴油机中的气体压力。根据本发明的测量装置不仅能够对二冲程柴油机而且也能够对四冲程柴油机进行测量。 
用在本申请文件中的术语“包括”用于指明所陈述的特征或部件的存在。然而，所述术语并不排除一个或多个附加特征，整体，步骤或者其部件或群组的存在和增加。 
附图说明
现通过对本发明的实施方式进行描述以及通过参照附图而更加详细地阐述本发明，所述附图为： 
图1是根据本发明的实施方式用于测量气体压力的装置的分解图； 
图2是图1中的装置当部分组装时的前视立面图； 
图3是图2中的部分组装的装置的俯视图； 
图4示出切掉一部分的组装时的图1中的装置； 
图5是图1-4中的装置的上部部分的截面图； 
图6是图1-5中的安装在发动机上的装置； 
图7a-b是测量段的两个不同实施方式的截面图。 
具体实施方式
图1，2，3示出了根据本发明的实施方式用于测量气体压力的装置。所述装置包括底部部分1，管子2以及上部部分3，其中：所述底部部分1适于连接到其气体压力将被测量的内燃机的气缸；所述管子沿纵向延伸， 并且具有这样的形状，即可利用管子壁体的移动来确定管子中的压力；所述上部部分用作装置的盖子。图2示出了处于组装状态下的管子2和底部部分1。底部部分1包括贯穿其中的开口5。开口5的一端适于接纳管子2并且其另一端适于连接到发动机气缸。上部部分3也包括贯穿其中的开口7(如图5所示)。所述开口的一端适于接纳管子2并且其另一端适于连接到阀。在测量过程中，所述阀必须关闭。 
图4示出了组装时的装置。底部部分1的开口5、所述管子2以及穿过上部部分3的开口7形成了贯穿装置的通道8，如图4所示。所述上部部分3和底部部分1例如焊接在一起。所述通道8沿轴向包括引导段A、测量段B、以及终端段C，其中：所述引导段包括用于接收来自气缸的气体的入口；在所述测量段B处进行气体压力的测量；而所述终端段C的端部则在测量过程中封闭。需要注意的是，所述管子2不必具有与通道长度相同的长度。在此实施方式中，管子2的长度稍微短于通道的长度，以简化组件的安装。管子的端部焊接到底部和上部部分的壁体上。 
如图4所示，管子2贯穿框架10。为了便于装置的安装，将所述框架10分割成第一框架部件10a和第二框架部件10b。优选地，所述框架10沿着管子2的整个长度延伸。所述框架的第一和第二部件彼此处于热接触。优选地，框架部件10a-b焊接在一起。所述框架由导热材料制成，例如钢。框架10a-b材料的重要属性为其是热的良好导体。 
底部部分1包括圆柱形的框架部件10a。底部部分1进一步包括两个测量单元11、12，用于测量作用在管子测量段B的壁体上的径向力。每一个测量单元11、12包括测量体13、14和传感器15、16，所述测量体13、14与测量段B的壁体外侧处于机械接触，而所述传感器15、16则适于测量测量体中的切应力。所述传感器例如是磁弹性传感器。用在本实施方式中的传感器的原理例如为公开在瑞典专利第151267号中的传感器原理。然而，在本发明的另一个实施方式中，能够使用其他类型的力传感器，例如应变仪或者压电传感器。 
所述底部部分1进一步包括冷却体18，其适于将热从管子2的壁体传递到框架部件10a-b。所述冷却体也应当由属于良好热导体的材料制成，例如钢。所述冷却体应当安装成与测量段和框架部件10a-b热接触，以将热从管子测量段的壁体传导到框架10a-b。在此实施方式中，如图4所示，所述冷却体18安装成与测量段和框架部件10a-b机械接触。 
图3是部分组装的图2中的装置的俯视图。如图3所示，所述管子2具有狗骨形横截面，所述横截面具有第一对彼此相对设置的内弯部分23、24和第二对彼此相对设置的内弯部分28、29。所述测量体的突出部分20、21与所述壁体的内弯部分23、24处于机械接触。所述冷却体的突出部分26、27与所述壁体的内弯部分28、29处于热接触。 
第一测量体13包括突出部分20，其与测量段壁体的部分23处于机械接触。第二测量体14包括突出部分21，其与测量段壁体的部分24处于机械接触。所述测量段壁体的部分20、21大致位于通道18的相对侧。所述测量体13、14与框架10a-b处于热接触和机械接触。因此，热从壁体的部分20、21传递到框架，由此，所述测量体还具有冷却测量段的壁体的功能。所述测量体15、16优选地由导热材料制成，例如金属一比如钢。 
冷却体18包括第一突出部分26，其与测量段壁体的部分28处于热接触。冷却体18还包括第二突出部分27，其与测量段壁体的部分29处于热接触。所述测量段壁体的部分28、29大致位于通道18的相对侧。测量体13、14这样设置，即经过壁体的部分23、24的线大致垂直于经过壁体的部分28、29的线。 
在此实施方式中，冷却体18是设置有用于接纳管子2的通孔的一体金属实心部件。然而，在本发明的另一个实施方式中，所述冷却体可包括两个部件，第一部件包括第一突出部分26并且第二部件包括第二突出部分27。所述冷却体18将热从测量段的壁体传递到框架10a-b。如图2所示，所述冷却体18设置有上部部分32，通过在冷却体的每一侧设置窄缝34a-34b而使所述冷却体的上部部分32比下部部分33薄弱。每个窄缝34a-b延伸穿过冷却体的一部分。更薄弱的上部部分32处理因快速温度变化而产生的冷却体材料中的应力。 
在此实施方式中，冷却体18构造成具有使得所述冷却体18围绕着管子2的形状。为了避免对测量的干扰，优选地，不应当允许所述冷却体和测量体在所述测量段的附近彼此接触。因此，在所述冷却体18和测量体13、14之间设置有沿管子方向延伸的细长狭槽35、36(如图2所示)。 
所述测量段的轮廓也可用四个正半径和四个负半径来描述。所述负半径提供了由测量体支撑的薄弱部位。具有负半径的部分中的两个部分用于力的测量。另外两个则与框架热接触从而用于冷却。所述两个冷却体沿对称平面设置从而不会对测量造成干涉。 
管子2的壁体制成相当薄弱使得能够测量壁体上的压力。所述管子2优选地由金属制成，例如钢。壁体的厚度优选地小于1mm，例如在0.1-0.8mm的范围内，从而提供使得能够进行压力测量的足够薄弱的壁体。因此，测量段的壁体是薄弱的，而测量体则是刚性的。通过对经过测量体13、14的力进行测量而测量出测量段内的压力。在此实施方式中，所测量的是测量体中的切应力。在图2中，箭头示出了测量体13、14中的切应力。每一个测量体13、14设置有窄缝25a、25b，如图2所示。窄缝25a-b允许测量体中的轴向应力和移动，从而减少了测量体中的应力。所述测量单元11、12相对于管子的测量段B对称设置。将来自传感器15、16的输出信号加在一起，从而提供了更强的信号并降低了信号中的噪音。 
图5示出了包括第二框架部件10b的装置的上部部分3。所述框架部件10b的一端包括螺纹孔38，其设计成在测量期间接纳关闭通道8的上端部的阀。所述框架部件10b具有圆柱形状。在其另一端，所述框架10b设置有空腔40，其设计成接纳测量体13、14，冷却体18以及所述管子2。该框架部件10b的该端部适于连接到第一框架部件10a并且适于与其处于热接触和机械接触。所述第二框架部件10b还设置有两个实心冷却梁42(图5仅示出一个)，所述冷却梁设置在空腔40的相对侧。所述冷却梁42适于与冷却体18以及与第一框架部件10a热接触和机械接触，以将热从冷却体传递到第一框架部件。当上部部分3和底部部分1组装时，所述冷却梁支承于所述第一框架部件10a上。 
在此实施方式中，所述底部部分1制成一体，并且所述上部部分也制成一体。所述上部部分设置有多个开口44，所述多个开口44在组装装置时用来使焊接便于进行。 
图6示出了安装在内燃机上的上述装置。所述装置的通道8连接到发动机的气缸46。通道8的连接到气缸的端部是通开的，以允许来自气缸的气体进入所述通道内。将所述装置的第一框架部件10a安装成与发动机本体48热接触并且机械接触，以将来自框架10的热传递到发动机。所述装置的另一端设置有阀50。 
本发明不局限于所公开的实施方式，而是可以在所附的权利要求书的范围内进行变化和修改。例如，测量段的横截面不必一定呈狗骨形；例如，能够使用如图7所示的具有砂漏形状的测量段，所述砂漏形状具有两个彼此相对设置的、用于测量的内弯部分50、51。而冷却体则设置在大致呈平面的其他两个相对侧。图7b示出了另一种可行方案，其中所述测量段具 有大致矩形形状。 

Claims (18)

1.一种用于测量气体压力的装置，其中，所述装置包括：
框架(10)；
贯穿所述框架的通道(8)，所述通道(8)沿轴向包括：引导段(A)，所述引导段(A)包括接收气体的开口；具有壁体的测量段(B)，所述壁体包括第一部分(23)、第二部分(28)、第三部分(24)和第四部分(29)，所述第一部分(23)和所述第三部分(24)位于延伸穿过所述通道(8)的中心的纵向轴线的相对侧，而所述第二部分(28)和所述第四部分(29)位于延伸穿过所述通道(8)的中心的纵向轴线的另外相对侧；以及终端段(C)，所述终端段(C)的端部在测量期间封闭；
测量单元(11)，所述测量单元(11)用于测量作用在所述测量段的壁体上的径向力，所述测量单元包括第一测量体(13)，所述第一测量体(13)与所述第一部分(23)处于机械接触，其特征在于：所述装置进一步包括用于将热从所述测量段的壁体传递到所述框架的冷却体(18)，其中，所述冷却体与所述第二部分(28)以及与所述框架处于热接触。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一测量体(13)与所述框架(10)处于热接触。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述测量单元(11)进一步包括第二测量体(14)，所述第二测量体(14)与所述第三部分(24)处于机械接触。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述冷却体(18)还与所述第四部分(29)处于热接触.
5.根据权利要求3所述的装置，其中，所述冷却体(18)还与所述第四部分(29)处于热接触；并且，所述第一和第二测量体(13、14)和所述冷却体(18)设置成使得经过所述第一和第三部分(23、24)的线垂直于经过所述第二和第四部分(28、29)的线。
6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述测量段具有狗骨形横截面，所述横截面具有位于所述通道(8)的所述相对侧的第一对内弯部分(23、24)和位于所述通道(8)的所述另外相对侧的第二对内弯部分(28、29)。
7.根据权利要求3所述的装置，其中，所述冷却体(18)还与所述第四部分(29)处于热接触；所述测量段具有狗骨形横截面，所述横截面具有位于所述通道(8)的所述相对侧的第一对内弯部分(23、24)和位于所述通道(8)的所述另外相对侧的第二对内弯部分(28、29)；并且所述第一对内弯部分(23、24)包括所述第一和第三部分，并且所述第二对内弯部分(28、29)包括所述第二和第四部分。
8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述第一测量体(13)包括对应于所述第一部分(23)的突出部分(20)，而所述第二测量体(14)则包括对应于所述第三部分(24)的突出部分(21)，并且，所述第一和第二测量体的突出部分与所述测量段的第一对内弯部分机械接触。
9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述冷却体(18)包括对应于所述第二和第四部分(28、29)的第一和第二突出部分(26、27)，并且，所述冷却体的突出部分与所述测量段的第二对内弯部分彼此处于热接触。
10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述测量单元(11、12)包括适于对所述第一和第二测量体(13、14)中的切应力、拉力或压缩力进行测量的传感器(15、16).
11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述传感器是磁弹性传感器。
12.根据权利要求10所述的装置，其中，所述传感器是压电传感器。
13.根据权利要求10所述的装置，其中，所述传感器是应变仪。
14.根据权利要求10所述的装置，其中，所述装置适于测量内燃发动机的气缸(46)中的气体压力。
15.根据权利要求14所述的装置，其中，所述内燃发动机包括发动机本体(48)，并且，以这样的方式设置所述框架(10)，使得所述框架(10)安装成与所述发动机本体热接触。
16.根据权利要求15所述的装置，其中，所述装置包括底部部分(1)和上部部分(3)，所述底部部分(1)包括所述框架(10)、所述测量单元(11、12)、所述冷却体(18)和所述通道(8)的引导段(A)，而所述上部部分(3)则包括所述通道的终端段(C)和用于接纳所述第一和第二测量体、所述冷却体以及所述测量段(B)的空腔(40)，其中，所述底部和上部部分适于配合在一起。
17.根据权利要求16所述的装置，其中，所述上部部分(3)包括冷却梁(42)，当所述上部和底部部分组装时，所述冷却梁(42)适于与所述冷却体(18)以及与所述框架(10)热接触。
18.根据权利要求1-17中任一项所述的用于测量气体压力的装置在测量柴油发动机的气缸中的压力中的应用。
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