DE10018618B4

DE10018618B4 - High pressure sensor with piezo effect

Info

Publication number: DE10018618B4
Application number: DE2000118618
Authority: DE
Inventors: Manfred Glehr
Original assignee: First Sensor Technology GmbH
Current assignee: First Sensor Technology GmbH
Priority date: 2000-04-14
Filing date: 2000-04-14
Publication date: 2006-01-12
Anticipated expiration: 2020-04-15
Also published as: DE10018618A1

Abstract

Hochdrucksensor zum Messen des Drucks eines Fluids in einem rohrförmigen Bauteil (1) mit
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 rohrförmigen Bauteil (1) herrschenden Fluiddruck auf Wölbung beansprucht wird und
einer elektronischen Auswerteschaltung (17), die in Abhängigkeit von einer Änderung der Wölbung und einer hierdurch bedingten Änderung einer elektrischen Eigenschaft des piezoelektrischen Elementes (2) ein Drucksignal erzeugt,
wobei das piezoelektrische Element (2) dem Fluiddruck in dem rohrförmigen Bauteil (1) unmittelbar ausgesetzt ist und zwischen dem Stirnende des rohrförmigen Bauteils (1) und einer mutterartigen Klammer (10) unter Kompression einer Dichtung (14) eingespannt ist, die das Innere des rohrförmigen Bauteils (1) gegenüber der Umgebung abdichtet.High pressure sensor for measuring the pressure of a fluid in a tubular member (1) with
a disk-shaped piezoelectric element (2), which is arranged at a front end of the tubular member (1) and clamped firmly at its periphery and by the in the tubular member (1) prevailing fluid pressure is claimed to buckle and
an electronic evaluation circuit (17) which generates a pressure signal as a function of a change in the curvature and a change in an electrical property of the piezoelectric element (2) caused thereby;
the piezoelectric element (2) being directly exposed to the fluid pressure in the tubular member (1) and being clamped between the front end of the tubular member (1) and a nut - like clamp (10) under compression of a gasket (14) forming the interior of the tubular member (1) seals against the environment.

Description

Die Erfindung betrifft einen Hochdrucksensor zum Messen des Drucks eines Fluids in einem rohrförmigen Bauteil mit einem scheibenförmigen piezoelektrischen Element, das an einem Stirnende des rohrförmigen Bauteils angeordnet ist.The The invention relates to a high pressure sensor for measuring the pressure of a Fluids in a tubular Component with a disk-shaped piezoelectric element attached to a front end of the tubular component is arranged.

Zum Messen sehr hoher Drücke bis etwa 3000 bar Berstdruck, wie sie z.B. in der Verteilerschiene (common rail) der Kraftstoffeinspritzanlage einer Diesel-Brennkraftmaschine auftreten, sind Hochdrucksensoren bekannt geworden, bei denen die Wölbung einer dem Fluiddruck ausgesetzten metallischen Membran mittels Dehnungsstreifen erfasst und hieraus z.B. in einer Brückenschaltung ein Drucksignal gebildet wird. Der Durchmesser derartiger metallischer Membranen ist sehr klein, und ihre maximale Wölbung liegt in der Größenordnung 10 μm bis 50 μm. Ferner müssen sie bis zu 10¹⁰ Lastschaltspiele aushalten. Damit sich die Kennlinie des Hochdrucksensors nicht ändert, muss er so ausgelegt werden, dass die beteiligten Materialien im Betrieb nicht über den Hookschen Bereich hinaus belastet werden. Das Verhältnis von Membrandicke zum Membrandurchmesser ist somit an die Eigenschaften der beteiligten Materialien gebunden und kann daher ein vorgegebenes materialbedingtes Verhältnis nicht überschreiten. Dies begrenzt die Messempfindlichkeit. Ein weiteres Problem ist die Haftung zwischen der metallischen Membran und den Dehnungsmessstreifen.For measuring very high pressures up to about 3000 bar burst pressure, such as occur in the rail (common rail) of the fuel injection system of a diesel internal combustion engine, high pressure sensors have become known in which detects the curvature of the fluid pressure exposed metallic membrane by means of stretch marks and from this example in a bridge circuit, a pressure signal is formed. 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 games. To ensure that the characteristic of the high-pressure sensor does not change, it must be designed so that the materials involved are not loaded beyond the Hooke range during operation. The ratio of membrane thickness to the membrane diameter is thus bound to the properties of the materials involved and therefore can not exceed a given 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.It piezoelectric pressure sensors are also known in which a piezoelectric transducer immediately to the pressure (e.g., oil or cylinder pressure) is exposed.

Aus DE 714 992 C ist ein piezoelektrischer Drucksensor bekannt, bei dem ein scheibenförmiges piezoelektrisches Element an einer Stirnseite eines rohrförmigen Bauteils angeordnet und an seinem Umfang fest eingespannt ist, wobei das piezoelektrische Element dem Fluiddruck in dem rohrförmigen Bauteil direkt ausgesetzt ist. Aus DE 2 324 399 A ist ein piezoelektrischer Druckwandler bekannt, bei dem der Druckraum von einer metallischen Membran verschlossen ist. Das piezoelektrische Element ist dem Druck so nicht unmittelbar ausgesetzt. Einzelheiten zur Auswerteschaltung und zur Verbindungstechnik mit der Auswerteschaltung sind den DE 2 052 356 A und DE 33 11 128 A1 zu entnehmen. Derartige piezoelektrische Drucksensoren werden bisher jedoch im Allgemeinen nur für niedrigere Drücke eingesetzt. Auch dürfte die maximal mögliche Lastspielanzahl derartiger Drucksensoren relativ beschränkt sein.Out DE 714 992 C For example, a piezoelectric pressure sensor is known in which a disk-shaped piezoelectric element is disposed on an end face of a tubular member and firmly clamped on its periphery, the piezoelectric element being directly exposed to the fluid pressure in the tubular member. Out DE 2 324 399 A a piezoelectric pressure transducer is known in which the pressure chamber is closed by a metallic membrane. The piezoelectric element is thus not directly exposed to the pressure. Details of the evaluation circuit and the connection technology with the evaluation circuit are the DE 2 052 356 A and DE 33 11 128 A1 refer to. However, such piezoelectric pressure sensors are generally used only for lower pressures. Also, the maximum possible number of load cycles of such pressure sensors should be relatively limited.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hochdrucksensor hoher Messempfindlichkeit zu schaffen, der einfach herstellbar ist und eine sehr große Anzahl von Lastschaltspielen aushält.Of the present invention is based on the object, a high pressure sensor To create high sensitivity, which is easy to produce and a very big one Number of power-shift games endures.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 definierte Erfindung gelöst.These The object is achieved by the invention defined in claim 1.

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 elektronische Auswerteschaltung erzeugt in Abhängigkeit von einer Änderung der Wölbung und der hierdurch bedingten Änderung einer elektrischen Eigenschaft des piezoelektrischen Elementes ein Drucksignal. Das piezoelektrische Element ist dem Fluiddruck unmittelbar ausgesetzt, indem es zwischen dem Stirnende des rohrförmigen Bauteils und einer mutterartigen Klammer unter Kompression einer Dichtung eingespannt wird.at the inventively designed high pressure sensor is the disc-shaped piezoelectric element at the front end of the tubular member so arranged and clamped that it claimed by the fluid pressure to buckle becomes. The electronic evaluation circuit generates depending on from a change the vault and the resulting change an electrical property of the piezoelectric element Pressure signal. The piezoelectric element is the fluid pressure directly suspended by being between the front end of the tubular member and a nut-like clamp under compression of a gasket is clamped.

Als piezoelektrisches Element kann ein Quarzkristall oder eine Piezokeramik verwendet werden. Die elektronische Auswerteschaltung kann z.B. eine herkömmliche Oszillatorschaltung sein. Der erfindungsgemäß ausgebildete Hochdrucksensor zeichnet 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 erfindungsgemäß ausgebildete Hochdrucksensor eine hohe Messempfindlichkeit, 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 elektrischen Eigenschaften auswirkt. Schließlich kann ein erfindungsgemäß ausgebildeter Hochdrucksensor eine extrem große Anzahl von Lastschaltspielen (z.B. bis zu 10¹⁰) aushalten.As a piezoelectric element, a quartz crystal or a piezoceramic can be used. The electronic evaluation circuit may be, for example, a conventional oscillator circuit. The inventively designed high pressure sensor is therefore characterized by great simplicity, a small number of items and correspondingly low production costs. The problem of adhesion occurring in connection with strain gages is not given. In addition, there is a great variety of design. Nevertheless, the high-pressure sensor designed according to the invention has a high measuring sensitivity, since due to the high fluid pressures (eg 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 (eg up to 10 ¹⁰ ).

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.Further advantageous embodiments of the invention are defined in the subclaims.

Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigt: Based The drawings are exemplary embodiments closer to the invention explained. It shows:

1 einen Längsschnitt durch einen Hochdrucksensor; 1 a longitudinal section through a high pressure sensor;

2 ein Ersatzschaltbild eines piezoelektrischen Elementes; 2 an equivalent circuit diagram of a piezoelectric element of interest;

3 bis 6 schematische Schaltbilder verschiedener Ausführungsformen der Auswerteschaltung; 3 to 6 schematic circuit diagrams of various embodiments of the evaluation circuit;

7 einen Längsschnitt durch eine abgewandelte Ausführungsform des in 1 gezeigten Hochdrucksensors; 7 a longitudinal section through a modified embodiment of the in 1 shown high pressure sensor;

8 ein schematisches Schaltbild einer Auswerteschaltung für den Hochdrucksensor in 7. 8th a schematic diagram of an evaluation circuit for the high pressure sensor in 7 ,

Nach 1 ist ein rohrförmiges Bauteil 1 vorgesehen, das ein Hochdruckfluid enthält, dessen Druck gemessen werden soll. Das piezoelektrische Element 2 ist dem Fluiddruck unmittelbar aussetzt. Tatsächlich wird das Stirnende des rohrförmigen Bauteils 1 von dem piezoelektrischen Element 2 verschlossen. Es muss daher für eine Abdichtung zwischen dem piezoelektrischen Element 2 und dem Bauteil 1 gesorgt werden.To 1 is a tubular component 1 provided, which contains a high pressure fluid whose pressure is to be measured. The piezoelectric element 2 is directly exposed to the fluid pressure. In fact, the front end of the tubular member 1 from the piezoelectric element 2 locked. It must therefore be for a seal between the piezoelectric element 2 and the component 1 be taken care of.

Zu diesem Zweck ist das piezoelektrische Element 2 als kreisrunde, doppelkonusförmige Scheibe ausgebildet, die zwischen dem Stirnende des Bauteils 1 und einer mutterartigen Klammer 10 unter Kompression einer Dichtung 14 eingespannt wird. Die mutterartige Klammer 10 ist auf ein Außengewinde 15 des Bauteils 1 aufgeschraubt. Durch die Schraubverbindung kann das piezoelektrische Element 2 mit einer gewünschten Vorspannung gegen das Stirnende des Bauteils 1 festgespannt werden. Statt einer Schraubverbindung könnte jedoch auch eine Schweißverbindung gewählt werden.For this purpose, the piezoelectric element 2 formed as a circular, double-cone-shaped disc, which between the front end of the component 1 and a motherly brace 10 under compression of a seal 14 is clamped. The motherly brace 10 is on an external thread 15 of the component 1 screwed. Due to the screw connection, the piezoelectric element 2 with a desired bias against the front end of the component 1 be tightened. Instead of a screw connection, however, a welded connection could also be selected.

Genauer gesagt, liegen an den konischen Umfangsflächen 11 des piezoelektrischen Elementes 2 entsprechend abgeschrägte Anlageflächen 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 besteht aus einem den im Betrieb auftretenden und der hohen Lastspielanzahl standhaltenden Werkstoff, z. B. einem bis zu 150 °C dauerelastischem Kunststoff, einem plastischen Glas (wie bei Glasdurchführungen) oder Weicheisen. Es ist nicht notwendig, dass das Dichtmaterial immer im linear elastischen Bereich bleibt, wenn dafür gesorgt wird, dass während 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.More precisely, lie on the conical peripheral surfaces 11 of the piezoelectric element 2 corresponding beveled contact surfaces 12 . 13 the bracket 10 or of the component 1 at. In the area where the beveled contact surfaces 12 . 13 cut is in the clip 10 an annulus formed, which is the annular seal 14 receives. The seal consists of a occurring during operation and the high load cycle number resistant material, eg. B. up to 150 ° C permanently elastic plastic, a plastic glass (as in glass bushings) or soft iron. It is not necessary that the sealing material always remain in the linear elastic range, if it is ensured that during the entire life of the high pressure sensor, the pressure exerted by the bias on the sealing material pressure is greater than the pressure exerted by the fluid pressure on the sealing material maximum pressure.

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 Elementes 2 mit einer vorgegebenen Spannung komprimiert, 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 (angedeutet durch ein Gewinde 15 auf der rechten Seite in 1) oder in einem entsprechenden Spannungszustand mit dem Bauteil 1 verschweißt wird (angedeutet durch eine Schweißnaht 16 auf der linken Seite in 1). Zum Erzielen des Spannungszustandes 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 receiving annular space have a substantially circular cross-section and are arranged so that the seal by abutting adjacent surfaces of the clip 10 , of the component 1 and the piezoelectric element 2 compressed with a given tension when the clamp 10 with a predetermined axial force in the direction of the component 1 is pulled. This is achieved by using the clip 10 with the component 1 is screwed (indicated by a thread 15 on the right in 1 ) or in a corresponding state of tension with the component 1 is welded (indicated by a weld 16 on the left in 1 ). To achieve the state of stress, for example, the component 1 be subjected during the welding process with a correspondingly high pressure of eg 2000 bar. Another possibility is to perform the welding operation at ambient pressure and thereafter for local heating to red-hot and subsequent cooling in a region adjacent to the weld 16 to care.

Das piezoelektrische Element 2 hat zwei Elektroden 8, 9. Die Elektrode 9 ist als Masseelektrode gebildet, wobei die Masse von dem Bauteil 1 und der Klammer 10 gebildet wird. Die Elektrode 8 besteht beispielsweise aus einer auf die Außenseite des piezoelektrischen Elementes 2 aufgedampften Metallschicht, die kapazitiv (also kontaktlos) mit der Platte eines Kondensators C der Auswerteschaltung verbunden ist. Die Kondensatorplatte 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 Klammer 10 kann ein Deckel (nicht gezeigt) aufgesetzt werden, an dem die Auswerteschaltung angebracht werden kann.The piezoelectric element 2 has two electrodes 8th . 9 , The electrode 9 is formed as a ground electrode, wherein the mass of the component 1 and the clip 10 is formed. The electrode 8th for example, consists of one on the outside of the piezoelectric element 2 vapor-deposited metal layer, the capacitive (ie, contactless) is connected to the plate of a capacitor C of the evaluation circuit. The capacitor plate has of the piezoelectric element 2 such a large distance that even at the maximum curvature of the piezoelectric element 2 does not come to any mechanical contact with the capacitor plate. On the outside of the bracket 10 a lid (not shown) can be placed on which the evaluation circuit can be attached.

Das piezoelektrische Element 2 besteht beispielsweise aus einem Quarz. Die elektrischen Eigenschaften des Quarzes lassen sich bekanntlich durch ein Ersatzschaltbild (2) veranschaulichen. Der Quarz stellt gewissermaßen einen Schwingkreis mit Kondensator C, Widerstand R und Spule L sowie mit einer Streukapazität CO dar, für den üblicherweise das auf der rechten Seite in 2 gezeigte Schaltzeichen verwendet wird. Im Folgenden wird daher das piezoelektrische Element 2 der 1 als piezoelektrisches Glied Q bezeichnet und mit dem Schaltzeichen rechts in 2 dargestellt.The piezoelectric element 2 For example, it consists of a quartz. The electrical properties of the quartz can be known by an equivalent circuit diagram ( 2 ) illustrate. The quartz represents a kind of resonant circuit with capacitor C, resistor R and coil L and with a stray capacitance CO, for which usually on the right in 2 shown switching symbol is used. In the following, therefore, the piezoelectric element 2 of the 1 denoted as piezoelectric element Q and having the circuit symbol right in 2 shown.

Die Auswerteschaltung 17 des Hochdrucksensors weist zweckmäßigerweise eine Oszillatorschaltung auf, deren frequenzbestimmendes Element das piezoelektrische Glied Q ist.The evaluation circuit 17 the high-pressure sensor expediently has an oscillator circuit whose frequency-determining element is the piezoelectric element Q.

Da derartige Oszillatorschaltungen dem Fachmann in großer Vielfalt bekannt sind, werden im Folgenden lediglich einige Ausführungsbeispiele kurz angerissen. Unter frequenzbestimmend wird dabei verstanden, dass das piezoelektrische Glied Q die Eigenschaften eines Oszillators maßgeblich beeinflusst. Dabei kann es sich beispielsweise um die Resonanzfrequenz handeln.Since such oscillator circuits are known to a person skilled in the art in great variety, only a few exemplary embodiments will be briefly described below. Under frequency determining is there when understood that the piezoelectric element Q significantly affects the properties of an oscillator. This may, for example, be the resonant frequency.

So zeigt beispielsweise 3 eine Auswerteschaltung 17 in Form einer einfachen Oszillatorschaltung mit dem piezoelektrischen Glied Q (piezoelektrischen Element 2) als frequenzbestimmendem Element, zwei invertierenden Operationsverstärkern OP und einem Widerstand R. Eine andere Ausführungsform einer Oszillatorschaltung zeigt 4, bei der das piezoelektrische 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 enthaltenden Zweig parallel geschaltet.So shows, for example 3 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 shows 4 in which the piezoelectric element Q is grounded on one side via its one electrode, while the other electrode is connected to an amplifier V via two capacitors C1 and C2 for phase rotation. Another capacitor C3 is connected in parallel to the branch containing the piezoelectric element Q, the capacitors C1, C2 and the amplifier V.

In einer derartigen Auswerteschaltung 17 wird das piezoelektrische Glied Q zu Schwingungen angeregt, bei denen es sich um Longitudinal-, Transversal- oder Scherschwingungen handeln kann. Hierbei können die gebräuchlichen Schnitte des Quarzkristalls zur Anwendung kommen, wobei der AT-Schnitt wegen seiner bekannt guten Temperatureigenschaften bevorzugt wird.In such an evaluation circuit 17 For example, the piezoelectric element Q is excited to vibrate, which may be longitudinal, transverse or shear. In this case, the customary sections of the quartz crystal can be used, the AT section being preferred because of its known good temperature properties.

Die Auswerteschaltung 17 kann die Frequenz, Periodendauer, eine Schwebungsfrequenz oder Pulsweitenmodulation eines das piezoelektrische Glied Q durchlaufenden elektri schen Signals zur Erzeugung eines Drucksignals verwenden. In den 5 und 6 ist nochmals in stark schematisierter Weise eine Auswerteschaltung in Form einer Oszillatorschaltung dargestellt, deren frequenzbestimmendes Element von dem piezoelektrischen Glied Q gebildet wird. Die 8 zeigt eine „Dreidraht-Ausführung" der Auswerteschaltung, bei der zwei Leitungen zur Stromversorgung und eine eigene Signalleitung für das abgegriffene Drucksignal vorgesehen ist. Bei der Ausführungsform der 6 handelt es sich um eine „Zweidraht-Ausführung", bei der die Signalübertragung und die Stromversorgung auf denselben Leitungen erfolgen, jedoch durch unterschiedliche Frequenzen oder durch Gleich- und Wechselstrom voneinander getrennt werden.The evaluation circuit 17 may use the frequency, period, a beat frequency or pulse width modulation of an electrical signal passing through the piezoelectric element Q to generate a pressure signal. In the 5 and 6 is again shown in a highly schematic manner an evaluation circuit in the form of an oscillator circuit whose frequency-determining element is formed by the piezoelectric element Q. The 8th shows a "three-wire version" of the evaluation circuit, in which two lines for power supply and a separate signal line is provided for the tapped pressure signal 6 It is a "two-wire version" in which the signal transmission and the power supply are on the same lines, but separated by different frequencies or by direct and alternating current.

Das Drucksignal kann als Augenblickswert- oder Mittelwertsignal ausgegeben werden. Das Mittelwertsignal hat eine hohe Genauigkeit und erlaubt ein integrierendes Auswerteverfahren, ist jedoch langsam. Es wird vorzugsweise als digitaler Wert und als serielle Information ausgegeben. Das Augenblickswertsignal hat zwar eine geringere Genauigkeit, ist jedoch schneller. Es muss deshalb meist mit einem Filter einer Grenzfrequenz oberhalb des gewünschten Übertragungsfrequenzbereiches gegen Störimpulse nachbearbeitet werden. Es wird vorzugsweise als pulsweitenmoduliertes Signal für einen Mikrocontroller verwendet.The Pressure signal can be output as instantaneous or average signal become. The average signal has a high accuracy and allows a integrating evaluation process, but is slow. It is preferably output as digital value and as serial information. The Although the instantaneous signal has a lower accuracy, it is more quickly. It must therefore usually with a filter of a cutoff frequency above the desired transmission frequency range against interference pulses be reworked. It is preferably as pulse width modulated Signal for uses a microcontroller.

Wie bereits erwähnt, kann es sich bei dem Bauteil 2 um die Verteilerschiene (common rail) einer Kraftstoffeinspritzanlage handeln. Der Hochdrucksensor ist dann zu einer Diagnose der Verteilerschiene verwendbar, nachdem der Hochdrucksensor im eingebauten Zustand kalibriert wurde. Ferner können derartige Hochdrucksensoren zur Diagnose der Einspritzventile verwendet werden. Beim Einspritzvorgang der einzelnen Einspritzventile treten Druckspitzenschwankungen auf, deren Ausmaß von der Qualität der einzelnen Einspritzventile abhängt und auch einen Rückschluss auf die eingespritzte Kraftstoffmenge erlaubt. Diese kurzfristig auftretenden Druckschwankungen können durch die beschriebenen Hochdrucksensoren gemessen werden, und die Abweichungen der Druckschwankungen an den einzelnen Einspritzventilen lassen sich dann als Maß für die Qualität des betreffenden Einspritzventils im Verhältnis zum Durchschnittswert der Einspritzventile oder auch im Verhältnis zum zeitlichen Mittelwert der Eigenschaften eines einzelnen Einspritzventils (Alterung) auswerten.As already mentioned, it may be in the component 2 to the busbar (common rail) a fuel injection system act. The high pressure sensor is then usable for a diagnosis of the busbar after the high pressure sensor has been calibrated when installed. Further can such High pressure sensors are used to diagnose the injectors. During the injection process of the individual injection valves, pressure peak fluctuations occur on whose extent of the quality the individual injectors depends and also a conclusion allowed on the injected fuel quantity. This in the short term occurring pressure fluctuations can are measured by the described high pressure sensors, and the Deviations of the pressure fluctuations at the individual injection valves can then be used as a measure of the quality of the relevant Injection valve in proportion to the average value of the injectors or in relation to time average of the characteristics of a single injector Evaluate (aging).

Statt eines Quarzkristalls mit piezoelektrischen Eigenschaften kann auch eine Piezokeramik verwendet werden. Piezokeramik ist kostengünstiger und auch hinsichtlich seiner mechanischen Gestaltungsfähigkeit flexibler als Quarz, jedoch temperaturempfindlicher. Wird daher Piezokeramik als piezoelektrisches Element 2 verwendet, sollte für eine Kompensation von Temperatureinflüssen (und gegebenenfalls auch anderen Umwelteinflüssen) gesorgt werden. Eine hierzu geeignete Ausführungsform eines Hochdrucksensors ist in 7 dargestellt.Instead of a quartz crystal with piezoelectric properties, a piezoceramic can also be used. Piezoceramic is less expensive and more flexible than quartz in terms of its mechanical design capability, but more temperature sensitive. Is therefore piezoceramic as a piezoelectric element 2 should be used to compensate for temperature effects (and possibly other environmental influences). A suitable embodiment of a high-pressure sensor is in 7 shown.

Der in 7 gezeigte Hochdrucksensor entspricht in seinem grundsätzlichen Aufbau dem in 1 gezeigten Hochdrucksensor. Das piezoelektrische Element 2 ist wiederum kapazitiv mit einem Kondensator C gekoppelt, der beispielsweise über eine Kontaktfeder 19 mit einer auf der Klammer 10 angebrachten Platine 18 elektrisch verbunden ist. An der Platine 18 ist die Auswerteschaltung 17, wie schematisch angedeutet, angebracht.The in 7 shown high pressure sensor corresponds in its basic structure in the 1 shown high pressure sensor. The piezoelectric element 2 is in turn capacitively coupled to a capacitor C, for example via a contact spring 19 with one on the bracket 10 attached board 18 electrically connected. On the board 18 is the evaluation circuit 17 , as indicated schematically attached.

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 elektrisch verbunden ist. Das zweite piezoelektrische Element 20 ist somit den gleichen Umwelteinflüssen (Temperatur, Luft) wie das erste piezoelektrische Element ausgesetzt, nicht jedoch dem Fluiddruck. Ein mit Hilfe des zweiten piezoelektrischen Elementes gewonnenes Signal kann daher zum Eliminieren von Umwelteinflüssen auf das mit Hilfe des ersten piezoelektrischen Elementes 2 gewonnenen Signals verwendet werden.Further, in addition to the piezoelectric element 2 a second piezoelectric element 2 provided on the outside of the board 18 arranged and electrically connected thereto. The second piezoelectric element 20 is thus exposed to the same environmental influences (temperature, air) as the first piezoelectric element, but not the fluid pressure. A signal obtained by means of the second piezoelectric element can therefore be used to eliminate environmental influences on the by means of the first piezoelectric element element 2 obtained signal can be used.

Wie in 7 angedeutet, hat das zweite piezoelektrische Element 20 wesentlich kleinere geometrische Abmessungen und daher eine wesentlich höhere Resonanzfrequenz als das erste piezoelektrische Element 2. Die Auswerteschaltung 17 kann daher, wie in 8 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 Signal hoher Frequenz dient hierbei gewissermaßen als Vergleichsnormal, das durch einen Vergleich mit dem von dem Oszillator 1 abgegebenen Signal niedriger Frequenz für eine Temperaturkompensation des zu erzeugenden Drucksignals verwendbar ist. Das Glied G kann das Drucksignal in Form von Zählimpulsen ausgeben, die über eine Ausgangsleistung A an übergeordnete Steuereinheiten weitergeleitet werden. Die Datenübergabe kann seriell oder parallel, analog oder digital erfolgen.As in 7 indicated, has the second piezoelectric element 20 much smaller geometric dimensions and therefore a much higher resonant frequency than the first piezoelectric element 2 , The evaluation circuit 17 can therefore, as in 8th schematically illustrated, a low-frequency oscillator O1 whose frequency-determining element, the piezoelectric element 2 and a higher frequency oscillator O2 whose frequency determining element is the second piezoelectric element 20 is, which are connected to a consisting of a gate circuit and a counter G member. The output from the oscillator O2 high frequency signal serves as it were as a reference standard, by comparison with that of the oscillator 1 emitted low frequency signal for temperature compensation of the pressure signal to be generated is used. The member G can output the pressure signal in the form of counts, which are forwarded via an output power A to higher-level control units. Data transfer can be serial or parallel, analog or digital.

Claims

High pressure sensor for measuring the pressure of a fluid in a tubular component ( 1 ) with a disk-shaped piezoelectric element ( 2 ), which at a front end of the tubular member ( 1 ) is arranged and clamped at its periphery and by the in the tubular member ( 1 ) prevailing fluid pressure is claimed on curvature and an electronic evaluation circuit ( 17 ) which is dependent on a change in the curvature and a change in an electrical property of the piezoelectric element ( 2 ) generates a pressure signal, wherein the piezoelectric element ( 2 ) the fluid pressure in the tubular component ( 1 ) is exposed directly and between the front end of the tubular member ( 1 ) and a mother-like bracket ( 10 ) under compression of a seal ( 14 ) is clamped, which is the interior of the tubular member ( 1 ) seals against the environment.

High-pressure sensor according to claim 1, characterized in that the piezoelectric element ( 2 ) is formed as a double-cone-shaped disc, at whose conical peripheral surfaces ( 11 ) according to beveled contact surfaces ( 12 . 13 ) of the tubular component ( 1 ) and the bracket ( 3 ) issue.

High-pressure sensor according to claim 2, characterized in that the seal ( 14 ) is arranged in a region in which the beveled contact surfaces ( 12 . 13 ) of the tubular component ( 1 ) and the bracket ( 3 ) to cut.

High-pressure sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the seal ( 14 ) through the bracket ( 10 ) is biased so much that the thereby on the seal ( 14 ) exerted greater pressure than that due to the fluid on the seal ( 14 ) is applied pressure.

High-pressure sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the clamp ( 10 ) with the component ( 1 ) is screwed or welded.

High-pressure sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the seal ( 14 ) is disposed in an annulus formed by the piezoelectric element ( 2 ), the front end of the tubular member ( 1 ) and the bracket ( 10 ) is limited.

High pressure sensor according to claim 6, characterized in that the seal ( 14 ) and the annulus have a substantially circular cross-section.

High-pressure sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the material of the seal ( 14 ) is a permanently elastic plastic, plastic glass or soft iron.

High-pressure sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the piezoelectric element ( 2 ) two electrodes ( 8th . 9 ), of which one ( 8th ) with the other evaluation circuit ( 17 ) is connected without contact and the other ( 9 ) is grounded.

High-pressure sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the evaluation circuit ( 17 ) has an oscillator circuit (O) whose frequency-determining element is the piezoelectric element ( 2 ).

High-pressure sensor according to claim 10, characterized in that the piezoelectric element ( 2 ) is designed as a longitudinal, transversal or shear oscillator.

High-pressure sensor according to claim 10 or 11, characterized in that the evaluation circuit ( 17 ) a frequency, period, phase shift, beat frequency or pulse width modulation of a piezoelectric element ( 2 ) continuous electrical signal used to generate the pressure signal.

High-pressure sensor according to claim 12, since characterized in that the measuring signal is a mean value or instantaneous value signal.

High-pressure sensor according to one of the preceding claims, characterized in that a second piezoelectric element ( 20 ), the same environmental conditions as the first piezoelectric element ( 2 ), but no stress is exposed by the fluid pressure, and that the evaluation circuit ( 17 ) with the aid of the second piezoelectric element ( 20 ) used for eliminating environmental influences on the pressure signal.

High-pressure sensor according to claim 14, characterized in that the evaluation circuit ( 17 ) has two oscillators (O1, O2) whose frequency-determining elements are the two piezoelectric elements ( 2 . 20 ), wherein the two oscillators (O1, O2) are operated at widely different frequencies, and in that the two oscillators (O1, O2) are connected to a gating circuit and a counter (G) to form the pressure signal.