DE10018493C1

DE10018493C1 - Dynamic calibration device for piezoelectric pressure sensor uses signal from reference pressure sensor for regulating pressure in fluid-filled pressure chamber used for calibration

Info

Publication number: DE10018493C1
Application number: DE10018493A
Authority: DE
Inventors: Axel Poehls
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-04-14
Filing date: 2000-04-14
Publication date: 2001-10-31
Anticipated expiration: 2020-04-15

Abstract

The calibration device has a fluid-filled pressure chamber (1) provided with threaded bores for reception of a pressure sensor (3) to be calibrated and a reference pressure sensor (2). The pressure chamber is coupled to a piston/cylinder device (8) with a double-action piston (7), subjected to the pressure provided by a pressurized air source (10) or the environmental pressure, under control of a regulating circuit (12), receiving an input signal from the reference pressure sensor.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur dynamischen Kalibrierung piezoelektrischer Drucksensoren.The invention relates to a device for dynamic calibration of piezoelectric pressure sensors.

Ein piezo-keramischer Drucksensorkalibrator ist bekannt (SU 5 85 419. Soviet patent abstracts. S-X, Electrical, Week A45, S. 8-9, J 9494A/45).A piezo-ceramic pressure sensor calibrator is known (SU 5 85 419. Soviet patent abstracts. S-X, Electrical, Week A45, pp. 8-9, J 9494A / 45).

Piezoelekrische Druckaufnehmer sind für die Messung schneller Druckänderungen in heißen Medien geeignet. Sie werden daher an Verbrennungskraftmaschinen zur Bestimmung von Drücken in Brennräumen und benachbarten Bauteilen eingesetzt.Piezoelectric pressure transducers are for the measurement suitable for faster pressure changes in hot media. she are therefore used on internal combustion engines for determination of pressures in combustion chambers and neighboring components used.

Piezoelektrische Druckaufnehmer enthalten einen Piezoquarz, der bei Beaufschlagung mit einem Druck eine dem Druck proportionale Ladung erzeugt. Diese elektrische Ladung wird in Ladungsverstärkern in eine Messspannung umgesetzt, die ebenfalls dem Druck proportional ist. Die Messspannung wird schließlich durch ein Messwerterfassungssystem digitalisiert aufgezeichnet und dann ausgewertet. Weil jedoch die in den Quarzen erzeugte Ladung mit der Zeit abfließt, "driften" die Druckaufnehmer über der Zeit. Sie sind dadurch für die Messung statischer Drücke und deren Absolutwerte nicht geeignet und mit statischen Methoden folglich auch nicht genau zu kalibrieren.Piezoelectric pressure sensors contain a piezo quartz, the one when pressure is applied to the pressure proportional charge generated. This electric charge will in charge amplifiers converted into a measurement voltage that is also proportional to the pressure. The measuring voltage is finally digitized by a data acquisition system recorded and then evaluated. However, because in the Charges generated over time drain off, they "drift" Pressure sensor over time. They are for them Measurement of static pressures and their absolute values are not suitable and consequently not with static methods to calibrate exactly.

Einen weiteren wichtigen Aspekt bei der Kalibrierung piezoelektrischer Druckaufnehmer stellt deren Linearität dar. Änderungen der Empfindlichkeit des Druckaufnehmers in Abhängigkeit vom Druck haben zur Folge, daß Kalibrierungen in unterschiedlichen Druckbereichen auch zu unterschiedlichen Ergebnissen führen. Im Umkehrschluß ist demnach ein in einem bestimmten Druckbereich ermitteltes Kalibrierergebnis nur mit Genauigkeitsverlusten in einem anderen, bei anschließenden Messungen auftretenden Druckbereich verwendbar, es sei denn, der Druckbereich für die Kalibrierung entspricht dem der Messung.Another important aspect in calibration piezoelectric pressure transducers represent their linearity changes in the sensitivity of the pressure sensor in Dependence on pressure result in calibrations in different pressure ranges too lead to different results. The opposite is true accordingly a determined in a certain pressure range Calibration result only with loss of accuracy in one other, occurring in subsequent measurements Print area can be used unless the print area is for the calibration corresponds to that of the measurement.

Bei einem bekannten Verfahren zur Erzeugung von Druckverläufen in einem flüssigkeitsgefüllten Hochdruckbehälter (DE 36 18 504 A1) ist der Druckverlauf durch ein schnelles Alternieren zwischen einem einstellbaren Höchstdruck und Umgebungsdruck gekennzeichnet. Ziel ist dabei das dynamische Kalibrieren von piezoelektrischen Drucksensoren. Der Druck wird durch ein inertes Gas aus einer Druckflasche zur Verfügung gestellt, wobei der Gasdruck etwa so groß ist, wie der Flüssigkeitsdruck zum Kalibrieren. In einem Behälter wirkt das Gas direkt (ohne Kolben oder Membran) auf die Flüssigkeit, welche über eine Leitung zur Kalibrierungsanordnung geführt ist. Eine gesteuerte (aber nicht geregelte) Schaltvorrichtung setzt den Prüfling hier abwechselnd dem Flüssigkeitsdruck bzw. dem Umgebungsdruck aus. Der Flüssigkeitsdruck wird durch eine Art Messwaage (Schaltgewichtstaster) genau bestimmt und für einen gewissen Zeitraum auch konstant gehalten.In a known method for generating Pressure curves in a liquid-filled High pressure tank (DE 36 18 504 A1) is the pressure curve by quickly alternating between an adjustable one Maximum pressure and ambient pressure marked. the goal is thereby the dynamic calibration of piezoelectric Pressure sensors. The pressure is generated by an inert gas a pressure bottle provided, the Gas pressure is approximately as high as the liquid pressure for Calibrate. The gas acts directly in a container (without Piston or membrane) on the liquid, which has a Line is led to the calibration arrangement. A controlled (but not regulated) switching device sets the test object here alternately the liquid pressure or the Ambient pressure. The fluid pressure is determined by a Type measuring scale (switching weight probe) precisely determined and for also kept constant for a certain period of time.

Der Referenzdruck ist nur durch zwei Einzelwerte gegeben, daher können nicht die gesamten Druckverläufe zur Auswertung mit herangezogen werden. Die Aufnahme des hohen Referenzdruckes erfolgt räumlich weit entfernt vom Ort des Prüflings, was Ungenauigkeiten mit sich bringt. Der Tiefstdruck ist nicht variabel, somit steht kein frei einstellbarer Druckbereich zur Verfügung. Der Druck des Arbeitsmediums ist der Gasdruck und entspricht etwa dem Höchstdruck beim Kalibrieren, dadurch ist die Druckflasche unentbehrlich. Der Druckgradient wird durch die Vorrichtung determiniert, es besteht keine Möglichkeit für eine schnelle Anpassung des Druckgradienten auf einen beliebigen Wert. Außerdem arbeitet die Schaltvorrichtung im inkompressiblen Bereich, wodurch der Druckgradient extrem hoch ist und somit eine Regelung der Druckänderungszyklen sehr erschwert wäre. Durch den Rotor ist mit Undichtigkeiten zu rechnen.The reference pressure is only given by two individual values, therefore, the entire print history cannot be evaluated are also used. The inclusion of the high The reference print is spatially far from the location of the DUT, which brings inaccuracies. The Low pressure is not variable, so no one is free adjustable pressure range available. The pressure of the Working medium is the gas pressure and corresponds approximately to that Maximum pressure when calibrating, which makes the pressure bottle essential. The pressure gradient is determined by the device determined, there is no way for a quick Adjustment of the pressure gradient to any value. In addition, the switching device works in the incompressible Area where the pressure gradient is extremely high and therefore it would be very difficult to regulate the pressure change cycles. Leaks can be expected from the rotor.

Bei einem bekannten Gerät (EP 0 197 042 B1) wird zur Erzeugung treppenförmiger Druckverläufe ein flüssigkeitgefüllter Behälter eingesetzt. Ziel ist die Kalibrierung von Druckmessgeräten, die zum Driften oder zur Verschiebung des Nullpunktes neigen, d. h. also eine dynamische Kalibrierung von Sensoren mit den Eigenschaften piezoelektrischer Druckaufnehmer. Der Druck in der Flüssigkeit wird durch das Absinken eines Körpers in einem zylindrischen Gehäuse erzeugt. Er baut sich durch die bei der Verdrängung der Flüssigkeit durch den Spalt zwischen Körper und Wand entstehende Reibungskraft auf. Während des Absinkens des Körpers wird dessen Gewichtskraft durch das Absetzen von Zusatzgewichten schrittweise verringert. Auf die Druckmessung durch ein Referenzdruckmessgerät wird verzichtet. Statt dessen wird der tatsächlich vorhandene Druck am Prüfling allein mit Hilfe der geometrischen Daten des Gerätes sowie der Stoffdaten der Flüssigkeit und des Körpers mit den Zusatzgewichten berechnet. In a known device (EP 0 197 042 B1) Generation of stepped pressure curves liquid-filled container used. The goal is Calibration of pressure gauges used for drifting or Shifting the zero point, d. H. so one dynamic calibration of sensors with the properties piezoelectric pressure transducer. The pressure in the Liquid is created by the sinking of a body in one cylindrical housing. He builds himself through the the displacement of the liquid through the gap between Body and wall friction. During the Sinking of the body becomes its weight through the Deposition of additional weights gradually reduced. On the pressure measurement by a reference pressure measuring device waived. Instead, the actually existing one Pressure on the test object using only the geometric data of the device as well as the material data of the liquid and the Body calculated with the additional weights.

Der Referenzdruck ist durch mehrere Einzelwerte gegeben, daher ist keine Auswertung ganzer Druckverläufe möglich. Dennoch ist durch Messung mehrerer Werte eine Fehlerabschätzung und Mittelung bedingt möglich. Ungenauigkeiten bei der Berechnung gehen in die Messung ein, außerdem muß das Gerät selbst kalibriert werden. Innerhalb eines Messvorganges können mehrere Druckbereiche nacheinander gemessen werden, für die dann jeweils nur der Höchst- sowie Tiefstdruck als Referenzwerte zur Verfügung stehen. Veränderung der Einstellung dieser Stufen ist aber vergleichsweise aufwendig. Das Absetzen der Zusatzgewichte führt jeweils zu Drucksprüngen mit sehr hohen und nicht beeinflußbaren Druckgradienten. Damit entfällt aber die Anpassungsfähigkeit auf betriebsübliche Druckgradienten.The reference pressure is given by several individual values, therefore it is not possible to evaluate entire pressure profiles. Nevertheless, measuring multiple values is one Error estimation and averaging possible. Inaccuracies in the calculation are included in the measurement, the device itself must also be calibrated. Within Several pressure ranges can be used for one measuring process be measured one after the other, for which only the High and low pressure available as reference values stand. However, changing the setting of these levels is comparatively complex. The removal of the additional weights leads to pressure jumps with very high and not influenceable pressure gradients. But this does not apply Adaptability to normal pressure gradients.

Durch die Erfindung soll eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so ausgebildet werden, daß schnelle Druckänderungen bei der Kalibrierung berücksichtigt werden können und sowohl der Höchst- als auch der Tiefstdruck variabel und genau eingestellt werden können.The invention is intended to be a device at the beginning mentioned type are trained so that fast Changes in pressure are taken into account in the calibration can and both the maximum and the minimum pressure can be set variably and precisely.

Erreicht wird dies durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.This is achieved by a device with the features of claim 1.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.Find further advantageous embodiments of the invention themselves in the subclaims.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung hat somit folgende Merkmale:
Sie ermöglicht die dynamische Kalibrierung piezoelektrischer Druckaufnehmer durch Erzeugung von Druckänderungszyklen, deren Frequenz und Druckbereich genau einstellbar und reproduzierbar sind. Die Druckänderungszyklen können dadurch den charakteristischen Druckverläufen in Brennraum, Saug- oder Abgasrohr von Verbrennungskraftmaschinen angepaßt werden.The device according to the invention thus has the following features:
It enables dynamic calibration of piezoelectric pressure sensors by generating pressure change cycles, the frequency and pressure range of which can be precisely set and reproduced. The pressure change cycles can thus be adapted to the characteristic pressure profiles in the combustion chamber, intake or exhaust pipe of internal combustion engines.

Bei der Ermittlung eines Kalibrierwertes werden die gesamten Druckverläufe des Referenzdruckaufnehmers einerseits und der Prüflinge andererseits zur Auswertung herangezogen, und nicht etwa nur die Extrema.When determining a calibration value, the total Pressure curves of the reference pressure sensor on the one hand and the Test subjects, on the other hand, are used for evaluation, and not just the extremes.

Es können mehrere Prüflinge zugleich kalibriert werden.Several test objects can be calibrated at the same time.

Die Vorrichtung wird mit Druckluft betrieben, die entweder aus einer Druckluftflasche oder aus einer betriebsinternen Druckluftversorgungsanlage stammt. Dabei reicht ein Überdruck von wenigen bar (z. B. 5 bar) aus, um durch den Doppelkolben einen Druck von über 100 bar in der Hochdruckkammer zu erzeugen. Das Querschnittsflächenverhältnis am Doppelkolben kann hinreichend hoch gewählt werden, praktisch ist es jedoch durch die Umsetzung einer möglichst weitgehenden Entlüftung der Hochdruckkammer begrenzt.The device is operated with compressed air, either from a compressed air bottle or from an internal company Compressed air supply system comes. It is enough Overpressure of a few bar (e.g. 5 bar) to pass through the Double piston a pressure of over 100 bar in the Generate high pressure chamber. The Cross-sectional area ratio on the double piston can be chosen high enough, but it is practical by implementing the greatest possible ventilation the high pressure chamber is limited.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert:
Die einzige Figur zeigt ein Funktionsschema für die Vorrichtung gemäß der Erfindung.The invention is explained below with reference to the drawing, for example:
The single figure shows a functional diagram for the device according to the invention.

Die Vorrichtung besteht aus einer ölgefüllten Hochdruckkammer 1 und einer Niederdruckkammer 8, welche abwechselnd mit Druckluft befüllt und wieder entleert wird. Beide Kammern sind durch einen Doppelkolben 7 miteinander verbunden, der dem Querschnittsflächenverhältnis seiner beiden Seiten entsprechend ein Druckverhältnis zwischen den Kammern erzeugt. Dadurch entstehen in der Hochdruckkammer Druckschwankungen, deren Mittelwert, Amplitude und Frequenz durch den Befüll- und Entleervorgang in der Niederdruckkammer determiniert ist.The device consists of an oil-filled high-pressure chamber 1 and a low-pressure chamber 8 , which is alternately filled with compressed air and emptied again. Both chambers are connected to one another by a double piston 7 , which generates a pressure ratio between the chambers in accordance with the cross-sectional area ratio of its two sides. This creates pressure fluctuations in the high pressure chamber, the mean value, amplitude and frequency of which are determined by the filling and emptying process in the low pressure chamber.

Die in die Hochdruckkammer eingebauten Prüflinge 3 werden zeitgleich mit einem piezoresistiven Referenzdruckaufnehmer 2, der im Gegensatz zu den Prüflingen den Absolutdruck mißt und statisch kalibriert werden kann, mit dem sich ändernden Druck beaufschlagt. Der Referenzdruckaufnehmer erfüllt dabei zwei Aufgaben:
The test specimens 3 installed in the high-pressure chamber are simultaneously subjected to the changing pressure with a piezoresistive reference pressure transducer 2 which , in contrast to the test specimens, measures the absolute pressure and can be statically calibrated. The reference pressure transducer fulfills two tasks:

1. It provides the necessary for the calibration Comparative reading.
2. It shows the absolute pressure in the high pressure chamber.

Die zweite Funktion bewirkt nun eine Steuerung des Befüll- und Entleervorgangs in der Niederdruckkammer: In einer Schaltung 12 wird das eingehende Referenzdrucksignal 13 mit zwei einstellbaren Grenzwerten 15 und 16 verglichen. Überschreitet das Eingangssignal den oberen Grenzwert, bewirkt ein Ausgangssignal 14 an ein elektromagnetisches 3,2-Wegeventil 9 das Entleeren der Niederdruckkammer. Daraufhin fällt der Druck in beiden Kammern, bis das Referenzdrucksignal den unteren Grenzwert erreicht. Nun läßt das Ausgangssignal das 3,2-Wegeventil in die zweite Schaltstellung springen und die Niederdruckkammer wieder befüllen. Dieser Ablauf gewährleistet die Einhaltung eines vorzugebenden Druckbereichs, dessen untere Grenze vom Umgebungsdruck abweichen kann.The second function now controls the filling and emptying process in the low-pressure chamber: In a circuit 12 , the incoming reference pressure signal 13 is compared with two adjustable limit values 15 and 16 . If the input signal exceeds the upper limit value, an output signal 14 to an electromagnetic 3.2-way valve 9 causes the low-pressure chamber to be emptied. The pressure in both chambers then drops until the reference pressure signal reaches the lower limit. Now the output signal causes the 3.2-way valve to jump into the second switch position and refill the low pressure chamber. This sequence ensures compliance with a pressure range to be specified, the lower limit of which may differ from the ambient pressure.

Die Frequenz der Druckänderungszyklen ergibt sich nach dem beschriebenen Funktionsschema zufällig aufgrund der eingestellten Grenzwerte wie auch aus der Geometrie des Zuström- und des Abströmkanals. Durch die Montage jeweils einer einstellbaren Drossel zwischen der Druckluftversorgung und dem 3,2-Wegeventil sowie zwischen dem 3,2-Wegeventil und der Atmosphäre kann die Frequenz jedoch beeinflußt werden. Zum Aus- und Einbau der Prüflinge muß die Hochdruckkammer über die Ölablassbohrung 5 entleert werden, zum Kalibrieren wird sie wieder befüllt.The frequency of the pressure change cycles results randomly according to the described functional diagram based on the set limit values as well as on the geometry of the inflow and outflow channels. However, the frequency can be influenced by installing an adjustable throttle between the compressed air supply and the 3.2-way valve and between the 3.2-way valve and the atmosphere. To remove and install the test specimens, the high-pressure chamber must be emptied via the oil drain hole 5 ; it is refilled for calibration.

Der piezoresistive Drucksensor als Referenzdruckgeber liefert mit hoher Genauigkeit den Absolutdruck im Hochdruckzylinder, dem auch die Prüflinge ausgesetzt sind. Er misst ebenso, wie die Prüflinge, zeitlich hoch aufgelöst, so daß nicht nur einzelne Druckwerte, sondern die gesamten Druckverläufe mit einer Vielzahl von Messwerten zur Auswertung herangezogen werden. Dies hat den Vorteil, daß das Driftverhalten der Prüflinge bei der Kalibrierung sichtbar gemacht, abgeschätzt und rechnerisch kompensiert werden kann. Darüber hinaus kann das Auftreten von Schwingungen im Fluid keine Verfälschung des Ergebnisses hervorrufen. Dies setzt jedoch voraus, daß die Formgebung des Hochdruckzylinders sowie die Anordnung von Referenzdrucksensor und Prüflingen zueinander gewährleisten, daß alle Drucksensoren von potentiellen Schwingungen im Fluid zeitgleich erfaßt werden. Ein weiterer Vorteil der Auswertung ganzer Druckverläufe besteht darin, daß durch eine größere Zahl von Messwerten der Einfluß zufälliger Störungen, wie etwa Signalrauschen, deutlich verkleinert werden kann.The piezoresistive pressure sensor as a reference pressure transmitter provides the absolute pressure in the High pressure cylinder to which the test specimens are also exposed. Like the test specimens, he measures in high time, so that not only individual pressure values, but the total Pressure curves with a large number of measured values for Evaluation can be used. This has the advantage that the drift behavior of the test objects during calibration made visible, estimated and mathematically compensated can be. In addition, the occurrence of Vibrations in the fluid do not falsify the result cause. However, this requires that the shape of the high pressure cylinder and the arrangement of Ensure reference pressure sensor and test objects to each other that all pressure sensors of potential vibrations in the Fluid can be detected at the same time. Another advantage of Evaluation of entire pressure profiles is that by a larger number of measurements the influence more randomly Interferences such as signal noise are significantly reduced can be.

Die Beeinflussung des Druckluft-Massenstroms beim Befüllen des Niederdruckzylinders bzw. bei dessen Entlüftung durch jeweils eine Drosselstelle verändert die Druckanstiegs- bzw. Druckabfallgeschwindigkeit sowie die Schaltabstände des Dreiwegeventils. Somit können die Druckgradienten bei Druckanstieg und -abfall getrennt voneinander genau eingestellt werden. Gemeinsam mit der zuvor genannten Einstellbarkeit des Druckbereichs ist eine gute Anpassung der Druckverläufe beim Kalibrieren an die am Einsatzort zu messenden Druckverläufe möglich.Influencing the compressed air mass flow when filling of the low pressure cylinder or when venting it one throttle point changes the pressure rise or Pressure drop speed and the switching distances of the Three-way valve. Thus, the pressure gradients at The pressure rise and fall are separated separately can be set. Together with the aforementioned Adjustment of the pressure range is a good adjustment the pressure curves during calibration to those at the place of use measuring pressure curves possible.

Der Niederdruckzylinder wird mit Druckluft beaufschlagt, deren Druck aufgrund der unterschiedlichen Kolbenflächen am Doppelkolben wesentlich geringer ist als der Druck im Hochdruckzylinder, dem die Prüflinge ausgesetzt sind. Dadurch kann für die Druckluftversorgung wahlweise eine interne Druckluftversorgungsanlage, ein eigener Kompressor oder eine Druckluftflasche verwendet werden.The low pressure cylinder is pressurized with compressed air, their pressure due to the different piston surfaces on Double piston is much lower than the pressure in the High pressure cylinder to which the test objects are exposed. This can be used for the compressed air supply internal compressed air supply system, its own compressor or a compressed air bottle can be used.

Claims

1. Device for dynamic calibration of piezoelectric pressure sensors, comprising a liquid-filled pressure chamber ( 1 ) with at least one threaded bore for pressure sensors ( 3 ) to be calibrated and for a reference pressure sensor ( 2 ), a piston-cylinder arrangement ( 8 ) with double-acting on the pressure chamber ( 1 ) Piston ( 7 ) is connected,
the piston ( 7 ) of the piston-cylinder arrangement ( 8 ) is pressurized with compressed air on the side facing away from the pressure chamber ( 1 ),
on the side of the piston-cylinder arrangement ( 8 ) facing away from the pressure chamber ( 1 ), a controlled connection ( 9 ) to a compressed air source ( 10 ) and a controlled connection ( 11 ) to the environment are provided and
a control circuit ( 12 ) receives an input signal from the reference pressure sensor ( 2 ) and, depending on the pressure value ( 15 , 16 ), connects the connection ( 9 ) to the environment ( 11 ) or to the compressed air source ( 10 ).

2. Device according to claim 1, characterized in that the controlled connection ( 9 ) is designed as an electromagnetic three-way valve.

3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that throttle devices are provided between the controlled connection ( 9 ) and the piston-cylinder arrangement ( 8 ) and / or at the outputs ( 10 , 11 ) of the connection.