DE10018618A1 - High pressure sensor for measuring pressure of fluid in tubular component e.g. in diesel engine - Google Patents
High pressure sensor for measuring pressure of fluid in tubular component e.g. in diesel engineInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Hochdrucksensor zum Messen des Drucks eines Fluids in einem rohrförmigen Bauteil.The invention relates to a high pressure sensor for measuring the Pressure of a fluid in a tubular component.
Zum Messen sehr hoher Drücke bis etwa 3000 bar Berstdruck, wie sie z. B. in der Verteilerschiene (common rail) der Kraft stoffeinspritzanlage einer Diesel-Brennkraftmaschine auftre ten, sind Hochdrucksensoren bekanntgeworden, bei denen die Wölbung einer dem Fluiddruck ausgesetzten metallischen Memb ran mittels Dehnungsstreifen erfaßt und hieraus z. B. in einer Brückenschaltung ein Drucksignal gebildet wird. Der Durchmes ser derartiger metallischer Membranen ist sehr klein, und ih re maximale Wölbung liegt in der Größenordnung von 10 µm bis 50 µm. Ferner müssen sie bis zu 1010 Lastschaltspiele aushal ten. Damit sich die Kennlinie des Hochdrucksensors nicht än dert, muß er so ausgelegt werden, daß die beteiligten Materi alien im Betrieb nicht über den Hookschen Bereich hinaus be lastet werden. Das Verhältnis von Membrandicke zum Membran durchmesser ist somit an die Eigenschaften der beteiligten Materialien gebunden und kann daher ein vorgegebenes materi albedingtes Verhältnis nicht überschreiten. Dies begrenzt die Meßempfindlichkeit. Ein weiteres Problem ist die Haftung zwi schen der metallischen Membran und den Dehnungsmessstreifen.For measuring very high pressures up to about 3000 bar burst pressure, such as z. B. in the distribution rail (common rail) of the fuel injection system of a diesel internal combustion engine, high pressure sensors have become known in which the curvature of a metallic membrane exposed to the fluid pressure ran by means of stretch marks and z. B. a pressure signal is formed in a bridge circuit. The diameter of such metallic membranes is very small, and their maximum curvature is in the order of 10 microns to 50 microns. Furthermore, they have to withstand up to 10 10 load switching cycles. So that the characteristic curve of the high-pressure sensor does not change, it must be designed so that the materials involved in operation are not loaded beyond the Hook range. The ratio of membrane thickness to membrane diameter is thus linked to the properties of the materials involved and can therefore not exceed a predetermined material-related ratio. This limits the measuring sensitivity. Another problem is the adhesion between the metallic membrane and the strain gauges.
Es sind ferner piezoelektrische Drucksensoren bekannt, bei denen ein piezoelektrischer Aufnehmer dem Druck (z. B. Öl oder Zylinderdruck) unmittelbar ausgesetzt ist. Derartige piezo elektrische Drucksensoren werden bisher jedoch im allgemeinen nur für niedrigere Drücke eingesetzt. Auch dürfte die maximal mögliche Lastspielanzahl derartiger Drucksensoren relativ be schränkt sein.Piezoelectric pressure sensors are also known which a piezoelectric sensor can measure pressure (e.g. oil or Cylinder pressure) is immediately exposed. Such piezo electrical pressure sensors have so far been used in general only used for lower pressures. The maximum is also likely possible number of duty cycles of such pressure sensors be relatively be limited.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hochdrucksensor hoher Meßempfindlichkeit zu schaffen, der einfach herstellbar ist und eine sehr große Anzahl von Last schaltspielen aushält.The present invention has for its object a High pressure sensor to create high sensitivity, the is easy to manufacture and has a very large number of loads endures switching games.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 definierten Erfin dung gelöst.This task is accomplished by the inven defined in claim 1 solved.
Bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Hochdrucksensor ist das scheibenförmige piezoelektrische Element am Stirnende des rohrförmigen Bauteils so angeordnet und eingespannt, daß es durch den Fluiddruck auf Wölbung beansprucht wird. Die elekt ronische Auswerteschaltung erzeugt in Abhängigkeit von einer Änderung der Wölbung und der hierdurch bedingten Änderung ei ner elektrischen Eigenschaft des piezoelektrischen Elementes ein Drucksignal.In the high-pressure sensor designed according to the invention, this is disc-shaped piezoelectric element at the front end of the tubular component arranged and clamped so that it is stressed by the fluid pressure on curvature. The elect ronic evaluation circuit generated depending on one Change in the curvature and the resulting change ner electrical property of the piezoelectric element a pressure signal.
Als piezoelektrisches Element kann ein Quarzkristall oder ei ne Piezokeramik verwendet werden. Die elektronische Auswerte schaltung kann z. B. eine herkömmliche Oszillatorschaltung sein. Der erfindungsgemäß ausgebildete Hochdrucksensor zeich net sich daher durch große Einfachheit, eine geringe Anzahl von Einzelteilen und entsprechend niedrige Herstellungskosten aus. Das in Verbindung mit Dehnungsmeßstreifen auftretende Problem der Haftung ist nicht gegeben. Darüber hinaus besteht eine große Gestaltungsvielfalt. Dennoch hat der erfindungsge mäß ausgebildete Hochdrucksensor eine hohe Messempfindlich keit, da er aufgrund der hohen Fluiddrücke (z. B. bis zu 3000 bar) einer starken Biegebeanspruchung ausgesetzt wird, die sich in einer entsprechend starken Änderung seiner elektri schen Eigenschaften auswirkt. Schließlich kann ein erfin dungsgemäß ausgebildeter Hochdrucksensor eine extrem große Anzahl von Lastschaltspielen (z. B. bis zu 1010) aushalten.A quartz crystal or egg piezoceramic can be used as the piezoelectric element. The electronic evaluation circuit can, for. B. a conventional oscillator circuit. The high pressure sensor designed according to the invention is therefore characterized by great simplicity, a small number of individual parts and correspondingly low production costs. The problem of liability associated with strain gauges does not exist. There is also a large variety of designs. Nevertheless, the high-pressure sensor according to the invention has a high measuring sensitivity, since due to the high fluid pressures (e.g. up to 3000 bar) it is exposed to a strong bending stress, which results in a correspondingly strong change in its electrical properties. Finally, a high pressure sensor designed according to the invention can withstand an extremely large number of load switching cycles (e.g. up to 10 10 ).
Das piezoelektrische Element kann durch den Fluiddruck direkt oder indirekt auf Wölbung beansprucht werden.The piezoelectric element can directly through the fluid pressure or indirectly claimed on curvature.
So ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß das rohrförmige Bauteil an seinem Stirnende durch eine metallische Membran verschlossen ist, die durch den Flu iddruck auf Wölbung beansprucht wird und diese Wölbungsbean spruchung auf das piezoelektrische Element überträgt. Diese Lösung hat den Vorteil, daß keine Abdichtungsprobleme auftre ten.In a further embodiment of the invention, that the tubular component at its front end by a metallic membrane is sealed by the flu is printed on bulge and this bulge bean transfers stress to the piezoelectric element. This Solution has the advantage that there are no sealing problems ten.
Wird dagegen das piezoelektrische Element dem Fluiddruck un mittelbar ausgesetzt, indem es beispielsweise zwischen dem Stirnende des rohrförmigen Bauteils und einer mutterartigen Klammer unter Kompression einer Dichtung eingespannt wird, so ergibt sich eine besonders hohe Meßempfindlichkeit.In contrast, the piezoelectric element is the fluid pressure un indirectly suspended, for example, between the Front end of the tubular component and a nut-like Clamp is clamped under compression of a seal, so there is a particularly high sensitivity.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.Further advantageous embodiments of the invention are in the sub-claims defined.
Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfin dung näher erläutert. Es zeigt:Based on the drawings, embodiments of the invention explained in more detail. It shows:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Hochdrucksensors, der durch den Fluiddruck indirekt beansprucht wird;1 shows a longitudinal section through a high-pressure sensor which is claimed indirectly by the fluid pressure.
Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Hochdrucksensor, der durch den Fluiddruck direkt beansprucht wird;2 shows a longitudinal section through a high-pressure sensor which is claimed directly by the fluid pressure.
Fig. 3 ein Ersatzschaltbild eines piezoelektrischen Elementes; Fig. 3 is an equivalent circuit diagram of a piezoelectric element;
Fig. 4 bis 7 schematische Schaltbilder verschiedener Aus führungsformen der Auswerteschaltung; Fig. 4 to 7 are schematic circuit diagrams of various embodiments of the evaluation circuit;
Fig. 8 einen Längsschnitt durch eine abgewandelte Aus führungsform des in Fig. 2 gezeigten Hochdruck sensors; Fig. 8 is a longitudinal section through a modified form of the guide from the high-pressure sensor shown in Figure 2.
Fig. 9 ein schematisches Schaltbild einer Auswerteschal tung für den Hochdrucksensor in Fig. 8. FIG. 9 is a schematic circuit diagram of an evaluation circuit for the high pressure sensor in FIG. 8.
Das in Fig. 1 dargestellte Bauteil ist ein geschlossener Rohrkörper aus einem elastisch dehnbaren Material wie z. B. Stahl, der mit einem Hochdruckfluid gefüllt ist. Beispiels weise steht das Innere des Bauteils 1 mit der Verteilerschie ne (common rail) der Kraftstoffeinspritzanlage einer Diesel- Brennkraftmaschine (nicht gezeigt) in Verbindung. Das Bauteil 1 kann jedoch auch selbst die Verteilerschiene bilden. Jeden falls herrscht bei einer derartigen Anwendung im Inneren des Bauteils 1 ein hoher Druck von beispielsweise 2000 bis 3000 bar.The component shown in Fig. 1 is a closed tubular body made of an elastically stretchable material such as. B. Steel filled with a high pressure fluid. For example, the interior of component 1 is connected to the common rail of the fuel injection system of a diesel engine (not shown). However, component 1 can itself form the distributor rail. In any case, a high pressure of, for example, 2000 to 3000 bar prevails in the interior of component 1 in such an application.
Das (in Fig. 1) rechtsseitige Ende des rohrförmigen Bauteils 1 ist durch eine Membran 4 aus einem elastisch dehnbaren Ma terial geschlossen, das z. B. Federstahl sein kann. Die Memb ran 4 kann mit dem übrigen Bauteil 1 beispielsweise durch Schweißen integral verbunden sein. Die Membran 4 ist so aus gebildet, dass sie sich in Abhängigkeit von Fluiddruck nach außen wölbt. Zweckmäßigerweise ist der Querschnitt des rohr förmigen Bauteils 1 und damit der Membran 4 kreisrund, so daß sich die Membran 4 konzentrisch wölbt.The (in Fig. 1) right-hand end of the tubular member 1 is closed by a membrane 4 from an elastically stretchable Ma material, the z. B. can be spring steel. The membrane 4 can be integrally connected to the remaining component 1, for example by welding. The membrane 4 is formed in such a way that it bulges outwards as a function of fluid pressure. The cross section of the tubular component 1 and thus the membrane 4 is expediently circular, so that the membrane 4 bulges concentrically.
Der mit dem Bauteil 1 verbundene Hochdrucksensor erfaßt diese Wölbung der Membran 4. Zu diesem Zweck hat er ein scheiben förmiges piezoelektrisches Element 2, das an seinem Außenum fang von einer mutterartigen Klammer 3 axial gegen einen ringförmigen Vorsprung 5 am Außenumfang des Bauteils 1 fest gespannt wird. Die mutterartige Klammer 3 ist auf ein Außen gewinde 6 des Bauteils 1 aufgeschraubt und umgreift mit einem radial einwärts gerichteten Flansch das piezoelektrische Ele ment 2, das als kreisrunde Scheibe ausgebildet ist und den gleichen Durchmesser wie das Bauteil 1 hat. Durch die Schraubverbindung kann das piezoelektrische Element 2 mit ei ner gewünschten Vorspannung gegen das Stirnende des Bauteils 1 festgespannt werden. Statt einer Schraubverbindung könnte jedoch auch eine Schweißverbindung gewählt werden. The high pressure sensor connected to component 1 detects this curvature of membrane 4 . For this purpose, it has a disk-shaped piezoelectric element 2 , which is clamped axially at its outer circumference by a nut-like clamp 3 against an annular projection 5 on the outer circumference of the component 1 . The nut-like bracket 3 is screwed onto an external thread 6 of the component 1 and encompasses the piezoelectric element 2 with a radially inward flange, which is designed as a circular disk and has the same diameter as the component 1 . By means of the screw connection, the piezoelectric element 2 can be clamped with a desired bias against the front end of the component 1 . Instead of a screw connection, however, a welded connection could also be selected.
Die Membran 4 hat einen zentralen Vorsprung 7, der zentral an dem piezoelektrischen Element 2 anliegt. Da somit das piezo elektrische Element 2 lediglich im Bereich der Vorsprünge 5 und 7 mit dem Bauteil 1 bzw. der Membran 4 in Berührung steht, kann sie sich konzentrisch wölben, wenn die Membran 4 aufgrund von Druckänderungen des Fluids nach außen verformt wird. Die Membran 4 überträgt somit ihre Wölbung in eine ent sprechende Wölbung des piezoelektrischen Elementes 2. Die hierdurch bedingte Änderung der Resonanzfrequenz des piezo elektrischen Elementes 2 wird dann in einer Auswerteschaltung zur Erzeugung eines Drucksignals verwendet, wie im folgenden noch genauer erläutert wird.The membrane 4 has a central projection 7 , which bears centrally on the piezoelectric element 2 . Since the piezoelectric element 2 is only in contact with the component 1 or the membrane 4 in the area of the projections 5 and 7 , it can bulge concentrically when the membrane 4 is deformed outward due to pressure changes in the fluid. The membrane 4 thus transmits its curvature into a corresponding curvature of the piezoelectric element 2 . The resulting change in the resonance frequency of the piezoelectric element 2 is then used in an evaluation circuit for generating a pressure signal, as will be explained in more detail below.
Das piezoelektrische Element 2 hat zwei Elektroden 8, 9. Die Elektrode 9 ist als Masseelektrode ausgebildet, wobei die Masse von dem Bauteil 1 und der Klammer 3 gebildet wird. Die Elektrode 8 besteht beispielsweise aus einer auf die Außen seite des piezoelektrischen Elementes 2 aufgedampften Metall schicht, die kapazitiv (also kontaktlos) mit der Platte eines Kondensators C der Auswerteschaltung verbunden ist. Die Kon densatorplatte hat von dem piezoelektrischen Element 2 einen so großen Abstand, daß es auch bei der maximalen Wölbung des piezoelektrischen Elementes 2 zu keinem mechanischen Kontakt mit der Kondensatorplatte kommt. An der Außenseite der Klam mer 3 kann ein Deckel (nicht gezeigt) aufgesetzt werden, an dem die Auswerteschaltung angebracht werden kann.The piezoelectric element 2 has two electrodes 8 , 9 . The electrode 9 is designed as a ground electrode, the mass being formed by the component 1 and the clamp 3 . The electrode 8 consists, for example, of a vapor-deposited metal layer on the outside of the piezoelectric element 2 , which is capacitively (ie contactless) connected to the plate of a capacitor C of the evaluation circuit. The Kon capacitor plate has such a large distance from the piezoelectric element 2 that there is no mechanical contact with the capacitor plate even with the maximum curvature of the piezoelectric element 2 . On the outside of the clamp 3 , a cover (not shown) can be placed on which the evaluation circuit can be attached.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ist wieder ein rohr förmiges Bauteil 1 vorgesehen, das ein Hochdruckfluid ent hält, dessen Druck gemessen werden soll. Im Gegensatz zu der Ausführungsform der Fig. 1 ist jedoch in Fig. 2 das piezo elektrische Element 2 dem Fluiddruck unmittelbar ausgesetzt. Tatsächlich wird das Stirnende des rohrförmigen Bauteils 1 von dem piezoelektrischen Element 2 verschlossen. Es muß da her für eine Abdichtung zwischen dem piezoelektrischen Ele ment 2 und dem Bauteil 1 gesorgt werden. In the embodiment of FIG. 2, a tubular component 1 is again provided, which holds a high pressure fluid ent, the pressure of which is to be measured. In contrast to the embodiment of FIG. 1, however, the piezoelectric element 2 in FIG. 2 is directly exposed to the fluid pressure. In fact, the front end of the tubular component 1 is closed by the piezoelectric element 2 . It must be taken care of a seal between the piezoelectric element 2 and the component 1 .
Zu diesem Zweck ist das piezoelektrische Element 2 als kreis runde, doppelkonusförmige Scheibe ausgebildet, die zwischen dem Stirnende des Bauteils 1 und einer mutterartigen Klammer 10 unter Kompression einer Dichtung 14 eingespannt wird. Ge nauer gesagt, liegen an den konischen Umfangsflächen 11 des piezoelektrischen Elementes 2 entsprechend abgeschrägte Anla geflächen 12, 13 der Klammer 10 bzw. des Bauteils 1 an. In dem Bereich, in dem sich die abgeschrägten Anlageflächen 12, 13 schneiden, ist in der Klammer 10 ein Ringraum gebildet, der die ringförmige Dichtung 14 aufnimmt. Die Dichtung be steht aus einem den im Betrieb auftretenden Temperaturen und der hohen Lastspielanzahl standhaltenden Werkstoff, z. B. ei nem bis zu 150°C dauerelastischem Kunststoff, einem plasti schen Glas (wie bei Glasdurchführungen) oder Weicheisen. Es ist nicht notwendig, daß das Dichtmaterial immer im linear elastischen Bereich bleibt, wenn dafür gesorgt wird, daß wäh rend der gesamten Lebensdauer des Hochdrucksensors der durch die Vorspannung auf das Dichtmaterial ausgeübte Druck größer ist als der vom Fluiddruck auf das Dichtmaterial ausgeübte maximale Druck.For this purpose, the piezoelectric element 2 is designed as a circular, double-cone-shaped disk which is clamped between the front end of the component 1 and a nut-like clamp 10 with compression of a seal 14 . Ge more specifically, lie on the conical peripheral surfaces 11 of the piezoelectric element 2 correspondingly beveled contact surfaces 12 , 13 of the bracket 10 or the component 1 . In the area in which the bevelled contact surfaces 12 , 13 intersect, an annular space is formed in the bracket 10 , which receives the annular seal 14 . The seal be made of a temperature occurring during operation and the high number of cycles withstanding material, eg. B. egg nem up to 150 ° C permanently elastic plastic, a plastic rule's glass (as with glass bushings) or soft iron. It is not necessary that the sealing material always remains in the linear elastic range if care is taken that the pressure exerted by the prestress on the sealing material is greater than the maximum pressure exerted by the fluid pressure on the sealing material during the entire service life of the high pressure sensor.
Die Dichtung 14 und der sie aufnehmende Ringraum haben einen im wesentlichen runden Querschnitt und sind so angeordnet, daß die Dichtung durch Anlage an angrenzenden Flächen der Klammer 10, des Bauteils 1 und des piezoelektrischen Elemen tes 2 mit einer vorgegebenen Spannung komprimiert wird, wenn die Klammer 10 mit einer vorgegebenen Axialkraft in Richtung auf das Bauteil 1 gezogen wird. Dies wird dadurch erreicht, daß die Klammer 10 mit dem Bauteil 1 verschraubt wird (ange deutet durch ein Gewinde 15 auf der rechten Seite in Fig. 2)oder in einem entsprechenden Spannungszustand mit dem Bau teil 1 verschweißt wird (angedeutet durch eine Schweißnaht 16 auf der linken Seite in Fig. 2). Zum Erzielen des Spannungs zustandes kann beispielsweise das Bauteil 1 während des Schweißvorganges mit einem entsprechend hohen Druck von z. B. 2000 bar beaufschlagt werden. Eine andere Möglichkeit ist, den Schweißvorgang bei Umgebungsdruck durchzuführen und danach für eine lokale Erwärmung bis Rotglut und anschließende Abkühlung in einem Bereich benachbart zu der Schweißnaht 16 zu sorgen.The seal 14 and the annular space receiving it have a substantially round cross section and are arranged so that the seal is compressed by contact with adjacent surfaces of the clip 10 , the component 1 and the piezoelectric element 2 with a predetermined voltage when the clip 10 is pulled towards the component 1 with a predetermined axial force. This is achieved in that the clamp 10 is screwed to the component 1 (indicated by a thread 15 on the right-hand side in FIG. 2) or is welded to the construction part 1 in a corresponding stress state (indicated by a weld seam 16) the left side in Fig. 2). To achieve the voltage state, for example, the component 1 during the welding process with a correspondingly high pressure of z. B. 2000 bar. Another possibility is to carry out the welding process at ambient pressure and then to provide local heating up to red heat and subsequent cooling in an area adjacent to the weld seam 16 .
Das piezoelektrische Element 2 hat wiederum zwei Elektroden 8, 9, beispielsweise in Form von aufgedampften Metallschich ten, die wiederum kapazitiv mit den Platten des Kondensators C gekoppelt sind, dessen Dielektrikum im wesentlichen von dem piezoelektrischen Element 2 gebildet wird und der einen Teil der Auswerteschaltung bildet.The piezoelectric element 2 in turn has two electrodes 8 , 9 , for example in the form of vapor-deposited metal layers th, which in turn are capacitively coupled to the plates of the capacitor C, the dielectric of which is essentially formed by the piezoelectric element 2 and which forms part of the evaluation circuit .
Wie bereits erwähnt, besteht das piezoelektrische Element 2 beispielsweise aus einem Quarz. Die elektrischen Eigenschaf ten des Quarzes lassen sich bekanntlich durch ein elektri sches Ersatzschaltbild (Fig. 3) veranschaulichen. Der Quarz stellt gewissermaßen einen Schwingkreis mit Kondensator C, Widerstand R und Spule L sowie mit einer Streukapazität C0 dar, für den üblicherweise das auf der rechten Seite in Fig. 3 gezeigte Schaltzeichen verwendet wird. Im folgenden wird daher das piezoelektrische Element 2 der Fig. 1 und 2 als piezoelektrisches Glied Q bezeichnet und mit dem Schaltzei chen rechts in Fig. 3 dargestellt.As already mentioned, the piezoelectric element 2 consists for example of a quartz. As is known, the electrical properties of the quartz can be illustrated by an electrical equivalent circuit diagram ( FIG. 3). The quartz represents a resonant circuit with capacitor C, resistor R and coil L as well as with a stray capacitance C0, for which the circuit symbol shown on the right in FIG. 3 is usually used. In the following, the piezoelectric element 2 of FIGS. 1 and 2 is therefore referred to as the piezoelectric element Q and shown with the switch symbol on the right in FIG. 3.
Die Auswerteschaltung 17 des Hochdrucksensors weist zweckmä ßigerweise eine Oszillatorschaltung auf, deren frequenzbe stimmendes Element das piezoelektrische Glied Q ist. Da der artige Oszillatorschaltungen dem Fachmann in großer Vielfalt bekannt sind, werden im folgenden lediglich einige Ausfüh rungsbeispiele kurz angerissen. Unter frequenzbestimmend wird dabei verstanden, daß das piezoelektrische Glied Q die Eigen schaften eines Oszillators maßgeblich beeinflußt. Dabei kann es sich beispielsweise um die Resonanzfrequenz handeln.The evaluation circuit 17 of the high pressure sensor expediently has an oscillator circuit, the frequency-determining element of which is the piezoelectric element Q. Since the type of oscillator circuits are known to those skilled in a wide variety, only a few exemplary embodiments are briefly outlined below. Frequency determining is understood to mean that the piezoelectric element Q significantly influences the properties of an oscillator. This can be the resonance frequency, for example.
So zeigt beispielsweise Fig. 4 eine Auswerteschaltung 17 in Form einer einfachen Oszillatorschaltung mit dem piezoelekt rischen Glied Q (piezoelektrischen Element 2) als frequenzbe stimmendem Element, zwei invertierenden Operationsverstärkern OP und einem Widerstand R. Eine andere Ausführungsform einer Oszillatorschaltung zeigt Fig. 5, bei der das piezoelektri sche Glied Q über seine eine Elektrode einseitig geerdet ist, während die andere Elektrode über zwei Kondensatoren C1 und C2 zur Phasendrehung mit einem Verstärker V verbunden ist. Ein weiterer Kondensator C3 ist zu dem das piezoelektrische Element Q, die Kondensatoren C1, C2 und den Verstärker V ent haltenden Zweig parallel geschaltet.For example, Fig. 4 shows an evaluation circuit 17 in the form of a simple oscillator circuit with the piezoelectric element Q (piezoelectric element 2 ) as a frequency-determining element, two inverting operational amplifiers OP and a resistor R. Another embodiment of an oscillator circuit is shown in Fig. 5, at of the piezoelectric element Q is grounded on one side via its one electrode, while the other electrode is connected via two capacitors C1 and C2 for phase rotation to an amplifier V. Another capacitor C3 is connected in parallel with the branch containing the piezoelectric element Q, the capacitors C1, C2 and the amplifier V.
In einer derartigen Auswerteschaltung 17 wird das piezoelekt rische Glied Q zu Schwingungen angeregt, bei denen es sich um Longitudinal-, Transversal- oder Scherschwingungen handeln kann. Hierbei können die gebräuchlichen Schnitte des Quarz kristalls zur Anwendung kommen, wobei der AT-Schnitt wegen seiner bekannt guten Temperatureigenschaften bevorzugt wird.In such an evaluation circuit 17 , the piezoelectric element Q is excited to vibrations, which can be longitudinal, transverse or shear vibrations. The usual cuts of the quartz crystal can be used here, the AT cut being preferred because of its known good temperature properties.
Die Auswerteschaltung 17 kann die Frequenz, Periodendauer, Phasenverschiebung, eine Schwebungsfrequenz oder Pulsweiten modulation eines das piezoelektrische Glied Q durchlaufenden elektrischen Signals zur Erzeugung eines Drucksignals verwen den. In den Fig. 6 und 7 ist nochmals in stark schemati sierter Weise eine Auswerteschaltung 17 in Form einer Oszil latorschaltung dargestellt, deren frequenzbestimmendes Ele ment von dem piezoelektrischen Glied Q gebildet wird. Die Fig. 9 zeigt eine "Dreidraht-Ausführung" der Auswerteschal tung, bei der zwei Leitungen zur Stromversorgung und eine ei gene Signalleitung für das abgegriffene Drucksignal vorgese hen ist. Bei der Ausführungsform der Fig. 7 handelt es sich um eine "Zweidraht-Ausführung", bei der die Signalübertragung und die Stromversorgung auf denselben Leitungen erfolgen, je doch durch unterschiedliche Frequenzen oder durch Gleich- und Wechselstrom voneinander getrennt werden.The evaluation circuit 17 can use the frequency, period, phase shift, a beat frequency or pulse width modulation of an electrical signal passing through the piezoelectric element Q to generate a pressure signal. In Figs. 6 and 7 is again an evaluation circuit shown in latorschaltung strong schemati lized way 17 in the form of a Oszil whose frequency-determining Ele ment of the piezoelectric element Q is formed. Fig. 9 shows a "three-wire version" of the Auswerteschal device, in which two lines for power supply and egg egg signal line for the tapped pressure signal is hen. The embodiment of FIG. 7 is a "two-wire version" in which the signal transmission and the power supply take place on the same lines, but are separated from one another by different frequencies or by direct and alternating current.
Das Drucksignal kann als Augenblickswert- oder Mittelwertsig nal ausgegeben werden. Das Mittelwertsignal hat eine hohe Ge nauigkeit und erlaubt ein Integrierendes Auswerteverfahren, ist jedoch langsam. Es wird vorzugsweise als digitaler Wert und als serielle Information ausgegeben. Das Augenblickswert signal hat zwar eine geringere Genauigkeit, ist jedoch schneller. Es muß deshalb meist mit einem Filter einer Grenz frequenz oberhalb des gewünschten Übertragungsfrequenzberei ches gegen Störimpulse nachbearbeitet werden. Es wird vor zugsweise als pulsweitenmoduliertes Signal für einen Mikro controller verwendet.The pressure signal can be an instantaneous or average value output. The mean signal has a high Ge accuracy and allows an integrating evaluation method, is slow, however. It is preferably used as a digital value and output as serial information. The momentary value signal is less accurate, but it is more quickly. It usually has to be with a filter of a limit frequency above the desired transmission frequency range ches are reworked against interference. It will be before preferably as a pulse width modulated signal for a microphone controller used.
Wie bereits erwähnt, kann es sich bei dem Bauteil 2 um die Verteilerschiene (common rail) einer Kraftstoffeinspritzanla ge handeln. Der Hochdrucksensor ist dann zu einer Diagnose der Verteilerschiene verwendbar, nachdem der Hochdrucksensor im eingebauten Zustand kalibriert wurde. Ferner können derar tige Hochdrucksensoren zur Diagnose der Einspritzventile ver wendet werden. Beim Einspritzvorgang der einzelnen Einspritz ventile treten Druckspitzenschwankungen auf, deren Ausmaß von der Qualität der einzelnen Einspritzventile abhängt und auch einen Rückschluß auf die eingespritzte Kraftstoffmenge er laubt. Diese kurzfristig auftretenden Druckschwankungen kön nen durch die beschriebenen Hochdrucksensoren gemessen wer den, und die Abweichungen der Druckschwankungen an den ein zelnen Einspritzventilen lassen sich dann als Maß für die Qualität des betreffenden Einspritzventils im Verhältnis zum Durchschnittswert der Einspritzventile oder auch im Verhält nis zum zeitlichen Mittelwert der Eigenschaften eines einzel nen Einspritzventils (Alterung) auswerten.As already mentioned, the component 2 can be the common rail of a fuel injection system. The high pressure sensor can then be used to diagnose the busbar after the high pressure sensor has been calibrated in the installed state. Furthermore, such high-pressure sensors can be used to diagnose the injection valves. During the injection process of the individual injection valves, pressure peak fluctuations occur, the extent of which depends on the quality of the individual injection valves and also allows a conclusion to be drawn on the quantity of fuel injected. These short-term pressure fluctuations can be measured by the high-pressure sensors described, and the deviations in the pressure fluctuations at the individual injectors can then be used as a measure of the quality of the injector in question in relation to the average value of the injectors or also in relation to the mean value over time Evaluate the properties of a single injector (aging).
Statt eines Quarzkristalls mit piezoelektrischen Eigenschaf ten kann auch eine Piezokeramik verwendet werden. Piezokera mik ist kostengünstiger und auch hinsichtlich seiner mechani schen Gestaltungsfähigkeit flexibler als Quarz, jedoch tempe raturempfindlicher. Wird daher Piezokeramik als piezoelektri sches Element 2 verwendet, sollte für eine Kompensation von Temperatureinflüssen (und gegebenenfalls auch anderen Umwelt einflüssen) zu sorgen. Eine hierzu geeignete Ausführungsform eines Hochdrucksensors ist in Fig. 8 dargestellt. Instead of a quartz crystal with piezoelectric properties, a piezoceramic can also be used. Piezokera mik is cheaper and also more flexible than quartz in terms of its mechanical design capability, but is more temperature-sensitive. If piezoceramic is therefore used as the piezoelectric element 2 , compensation for temperature influences (and possibly also other environmental influences) should be ensured. A suitable embodiment of a high pressure sensor is shown in FIG. 8.
Der in Fig. 8 gezeigte Hochdrucksensor entspricht in seinem grundsätzlichen Aufbau dem in Fig. 2 gezeigten Hochdrucksen sor. Das piezoelektrische Element 2 ist wiederum kapazitiv mit einem Kondensator C gekoppelt, der beispielsweise über eine Kontaktfeder 19 mit einer auf der Klammer 10 angebrach ten Platine 18 elektrisch verbunden ist. An der Platine 18 ist die Auswerteschaltung 17, wie schematisch angedeutet, an gebracht.The high-pressure sensor shown in FIG. 8 corresponds in its basic structure to the high-pressure sensor shown in FIG. 2. The piezoelectric element 2 is in turn capacitively coupled to a capacitor C, which is electrically connected, for example, via a contact spring 19 to a board 18 attached to the bracket 10 . On the board 18 , the evaluation circuit 17 is , as indicated schematically, brought on.
Ferner ist zusätzlich zu dem piezoelektrischen Element 2 ein zweites piezoelektrisches Element 2 vorgesehen, das auf der Außenseite der Platine 18 angeordnet und mit dieser elekt risch verbunden ist. Das zweite piezoelektrische Element 20 ist somit den gleichen Umwelteinflüssen (Temperatur, Luft) wie das erste piezoelektrische Element ausgesetzt, nicht je doch dem Fluiddruck. Ein mit Hilfe des zweiten piezoelektri schen Elementes gewonnenes Signal kann daher zum Eliminieren von Umwelteinflüssen auf das mit Hilfe des ersten piezoelekt rischen Elementes 2 gewonnenen Signals verwendet werden.Furthermore, in addition to the piezoelectric element 2, a second piezoelectric element 2 is provided, which is arranged on the outside of the circuit board 18 and is electrically connected to this. The second piezoelectric element 20 is thus exposed to the same environmental influences (temperature, air) as the first piezoelectric element, but not to the fluid pressure. A signal obtained with the aid of the second piezoelectric element's can therefore be used to eliminate environmental influences on the signal obtained with the aid of the first piezoelectric element 2 .
Wie in Fig. 8 angedeutet, hat das zweite piezoelektrische E lement 20 wesentlich kleinere geometrische Abmessungen und daher eine wesentlich höhere Resonanzfrequenz als das erste piezoelektrische Element 2. Die Auswerteschaltung 17 kann da her, wie in Fig. 9 schematisch dargestellt, einen Oszillator O1 niedriger Frequenz, dessen frequenzbestimmendes Element das piezoelektrische Element 2 ist, und einen Oszillator O2 höherer Frequenz, dessen frequenzbestimmendes Element das zweite piezoelektrische Element 20 ist, aufweisen, die mit einem aus einer Torschaltung und einem Zähler bestehenden Glied G verbunden sind. Das vom Oszillator O2 abgegebene Sig nal hoher Frequenz dient hierbei gewissermaßen als Ver gleichsnormal, das durch einen Vergleich mit dem von dem Os zillator 1 abgegebenen Signal niedriger Frequenz für eine Temperaturkompensation des zu erzeugenden Drucksignals ver wendbar ist. Das Glied G kann das Drucksignal in Form von Zählimpulsen ausgeben, die über eine Ausgangsleitung A an übergeordnete Steuereinheiten weitergeleitet werden. Die Da tenübergabe kann seriell oder parallel, analog oder digital erfolgen.As indicated in FIG. 8, the second piezoelectric element 20 has significantly smaller geometric dimensions and therefore a substantially higher resonance frequency than the first piezoelectric element 2 . The evaluation circuit 17 can therefore, as shown schematically in FIG. 9, have an oscillator O1 low frequency, the frequency-determining element of which is the piezoelectric element 2 , and an oscillator O2, the frequency-determining element of which is the second piezoelectric element 20 , which are connected to a gate G consisting of a gate circuit and a counter. The output from the oscillator O2 signal high frequency serves as a comparison standard, which can be used for temperature compensation of the pressure signal to be generated by comparison with the signal output by the oscillator 1 low frequency. The link G can output the pressure signal in the form of counting pulses, which are forwarded via an output line A to higher-level control units. The data transfer can be serial or parallel, analog or digital.
Claims (20)
einem scheibenförmigen piezoelektrischen Element (2), das an einem Stirnende des rohrförmigen Bauteils (1) angeordnet und an seinem Umfang fest eingespannt ist und durch den im rohr förmigen Bauteil (1) herrschenden Fluiddruck auf Wölbung be ansprucht wird und
einer elektronischen Auswerteschaltung (17), die in Abhängig keit von einer Änderung der Wölbung und einer hierdurch be dingten Änderung einer elektrischen Eigenschaft des piezo elektrischen Elementes (2) ein Drucksignal erzeugt.1. High pressure sensor for measuring the pressure of a fluid in a tubular component ( 1 ) with
a disk-shaped piezoelectric element (2) which is arranged at an end face of the tubular member (1) and tightly clamped at its periphery and ruling by the shaped tubular component (1) fluid pressure to buckle be is ansprucht and
an electronic evaluation circuit ( 17 ) which generates a pressure signal as a function of a change in the curvature and thereby a change in an electrical property of the piezoelectric element ( 2 ).
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