DE10018623C2 - High pressure sensor with electromechanical converter - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hochdrucksensor zum Messen des Drucks eines Fluids im Inneren eines Bauteils.The present invention relates to a high pressure sensor for Measure the pressure of a fluid inside a 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 bekannt geworden, bei denen die Wölbung einer dem Druck ausgesetzten metallischen Membran mittels Dehnungsmessstreifen erfasst und hieraus z. B. in ei ner Brückenschaltung ein Drucksignal gebildet wird. Der Durchmesser derartiger metallischer Membranen ist sehr klein, und ihre maximale Wölbung liegt in der Größenordnung von 10 µm bis 50 µm. Ferner müssen sie bis zu 1010 Lastschalt spiele aushalten. Damit sich die Kennlinie des Hochdrucksen sors nicht ändert, muss der Hochdrucksensor so ausgelegt wer den, dass die beteiligten Materialien im Betrieb nicht über den Hookschen Bereich hinaus belastet werden. Das Verhältnis von Membrandicke zu Membrandurchmesser ist somit an die Ei genschaften der beteiligten Materialien gebunden und kann da her ein vorgegebenes materialbedingtes Verhältnis nicht über schreiten. Dies begrenzt die Messempfindlichkeit. Da die me tallische Membran dem Hochdruck unmittelbar ausgesetzt ist, muss sie strömungsmitteldicht in das druckführende Rohr ein gesetzt werden. Dies erfolgt z. B. dadurch, dass der Hoch drucksensor über eine Doppelkegeldichtung an das druckführen de Rohr angeflanscht wird. Die hierbei auftretenden Abdich tungs- und Fertigungsschwierigkeiten schlagen sich in ent sprechend hohen Herstellungskosten nieder.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 metal membrane exposed to pressure is detected by means of strain gauges and z. B. a pressure signal is formed in egg ner bridge circuit. The diameter of such metallic membranes is very small and their maximum curvature is in the order of 10 µm to 50 µm. Furthermore, they have to withstand up to 10 10 load switching games. To ensure that the characteristic curve of the high-pressure sensor does not change, the high-pressure sensor must be designed so that the materials involved are not subjected to loads beyond the Hook range during operation. The ratio of membrane thickness to membrane diameter is thus tied to the properties of the materials involved and therefore cannot exceed a predetermined material-related ratio. This limits the measurement sensitivity. Since the metallic membrane is directly exposed to high pressure, it must be inserted into the pressure-carrying pipe in a fluid-tight manner. This is done e.g. B. by the fact that the high pressure sensor is flanged to the pressure-carrying tube via a double cone seal. The resulting sealing and manufacturing difficulties are reflected in correspondingly high manufacturing costs.
Es sind ferner piezoelektrische Drucksensoren bekannt, bei denen ein piezoelektrisches Element dem Druck (z. B. Öl- oder Zylinderdruck) unmittelbar ausgesetzt wird. Derartige piezoelektrische Drucksensoren werden bisher jedoch im allgemeinen nur für niedrigere Drücke eingesetzt. Im übrigen treten auch bei derartigen Drucksensoren die oben beschriebenen Abdich tungs- und Fertigungsprobleme auf, abgesehen davon, dass die maximal mögliche Lastspielanzahl derartiger Sensoren relativ beschränkt sein dürfte.Piezoelectric pressure sensors are also known which a piezoelectric element is under pressure (e.g. oil or Cylinder pressure) is immediately exposed. Such piezoelectric So far, however, pressure sensors have generally been used only used for lower pressures. For the rest also kick in such pressure sensors, the above described Abdich problems, apart from the fact that the maximum possible number of duty cycles of such sensors relative should be limited.
Aus der DE 31 24 340 C2 ist ein Drucksensor zum Prüfen des Innendrucks eines geschlossenen Behälters, insbesondere einer Blechbüchse, bekannt, bei dem der Deckel des Behälters durch einen elektro-akustischen Wandler mit einer elektromagneti schen Spule, einem zylindrischen Magnetkern und einem Mikro phon in Schaltschwingungen versetzt wird. Die Schallfrequenz des Deckels ist vom Innendruck des Behälters abhängig, so dass mit Hilfe einer entsprechenden Auswerteschaltung Ände rungen der Schallfrequenz zur Erzeugung eines Drucksignals verwendet werden können.DE 31 24 340 C2 describes a pressure sensor for testing the Internal pressure of a closed container, especially one Tin can, known in which the lid of the container through an electro-acoustic transducer with an electromagnetic coil, a cylindrical magnetic core and a micro phon is set into switching vibrations. The sound frequency the lid is dependent on the internal pressure of the container, so that with the help of an appropriate evaluation circuit the sound frequency to generate a pressure signal can be used.
Aus der DE 17 73 491 A ist ein Drucksensor bekannt, bei dem ein Druckraum von einer metallischen Membran verschlossen wird. Die Membran wird über einen elektromagnetischen Wandler zu Schwingungen angeregt, um durch Druckänderung bedingte Än derungen der Resonanzfrequenz zum Erzeugen eines Drucksignals auszunutzen. Bei diesem Drucksensor ist in der Mitte der me tallischen Membran mittels eines Ringmagnetgehäuses ein klei ner zylindrischer Permanentmagnet angebracht, der in das In nere einer ringförmigen Spule ragt. Das Ringmagnetgehäuse ist mittels eines kleinen zylindrischen Ansatzes an der metalli schen Membran angebracht.A pressure sensor is known from DE 17 73 491 A, in which a pressure chamber closed by a metallic membrane becomes. The membrane is via an electromagnetic transducer excited to vibrate to change due to pressure change changes in the resonance frequency for generating a pressure signal exploit. This pressure sensor is in the middle of the me metallic membrane by means of a ring magnet housing a small ner cylindrical permanent magnet attached, which in the In protrudes from an annular coil. The ring magnet housing is by means of a small cylindrical attachment on the metalli membrane attached.
Diese vorbekannten Drucksensoren sind zum Erfassen von rela tiv niedrigen Brücken vorgesehen und als Hochdrucksensoren nicht geeignet.These previously known pressure sensors are for detecting rela tiv low bridges provided and as high pressure sensors not suitable.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hochdrucksensor hoher Messempfindlichkeit zu schaffen, der einfach und kostengünstig herstellbar ist und bei dem keine Abdichtungsprobleme auftreten.The present invention has for its object a High pressure sensor to create high measuring sensitivity, the is simple and inexpensive to manufacture and none Sealing problems occur.
Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 definierte Erfin dung gelöst.This task is accomplished by the inven defined in claim 1 solved.
Bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Hochdrucksensor bildet die ferromagnetische Platte, die dem Fluiddruck unmittelbar ausgesetzt ist, einen integralen Wandabschnitt des Bauteils. Mit Hilfe eines elektromechanischen Wandlers wird sie zu Schwingungen angeregt, deren Frequenz von der mechanischen Spannung der ferromagnetischen Platte und damit vom Fluiddruck direkt abhängt. Die durch den Fluiddruck bedingten Änderungen der Schwingungseigenschaften, insbesondere der Re sonanzfrequenz der ferromagnetischen Platte lassen sich dann mittels einer elektronischen Auswerteschaltung zum Erzeugen eines Drucksignals verwenden.In the high-pressure sensor designed according to the invention the ferromagnetic plate, the fluid pressure immediately is exposed to an integral wall portion of the component. With the help of an electromechanical transducer, it becomes Vibrations excited, their frequency from the mechanical Voltage of the ferromagnetic plate and thus from Fluid pressure depends directly. Those caused by the fluid pressure Changes in the vibration properties, especially the Re The resonance frequency of the ferromagnetic plate can then be by means of an electronic evaluation circuit for generation use a pressure signal.
Da die ferromagnetische Platte einen integralen Bestandteil des Bauteils bildet, mit dem sie beispielsweise durch Schwei ßen verbunden ist, treten die eingangs geschilderten Abdich tungsprobleme nicht auf. Der erfindungsgemäß ausgebildete Hochdrucksensor setzt sich aus einfachen mechanischen und e lektronischen Bauelementen zusammen, so dass seine Herstel lung einfach und kostengünstig ist. Da aufgrund des zu mes senden hohen Drucks beträchtliche Änderungen in der mechani schen Spannung der ferromagnetischen Platte auftreten, hat der Hochdrucksensor eine entsprechend große Messempfindlich keit.Because the ferromagnetic plate is an integral part of the component with which it is welded, for example is connected, the Abdich described at the beginning occur problems. The trained according to the invention High pressure sensor consists of simple mechanical and e electronic components together, so that its manuf is simple and inexpensive. Because due to the mes send high pressure considerable changes in mechani voltage of the ferromagnetic plate occurs the high pressure sensor is a correspondingly large measurement sensitive ness.
Der Hochdrucksensor ist zum Messen sehr hoher Drücke von zum Beispiel 2000 Bar geeignet. Er lässt sich daher zum Messen des Kraftstoffdrucks in der Verteilerschiene (common rail) der Kraftstoffeinspritzanlage einer Diesel-Brennkraftmaschine verwenden, bei der Druckwerte bis etwa 3000 Bar Berstdruck auftreten. Hierbei kann das mit dem Hochdrucksensor versehene Bauteil als ein mit der Verteilerschiene verbundenes Rohr oder aber als Verteilerschiene selbst ausgebildet sein. Die ferromagnetische Platte bildet dann zweckmäßigerweise eine Stirnwand des betreffenden Rohrkörpers.The high pressure sensor is for measuring very high pressures from to Example 2000 bar suitable. It can therefore be used for measuring the fuel pressure in the common rail the fuel injection system of a diesel engine use at pressure values up to about 3000 bar burst pressure occur. This can be done with the high pressure sensor Component as a tube or connected to the distribution rail but be designed as a distribution rail itself. The The ferromagnetic plate then expediently forms one End wall of the tube body in question.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprü chen definiert.Further advantageous embodiments are in the subclaims Chen defined.
Anhand der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel näher er läutert. Es zeigt:Using the drawing, an embodiment is closer purifies. It shows:
Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch einen Hochdruck sensor; Figure 1 is a schematic cross section through a high pressure sensor.
Fig. 2 das Ersatzschaltbild einer im Hochdrucksensor verwen deten Wicklung; Fig. 2 shows the equivalent circuit diagram of a high pressure sensor in USAGE Deten winding;
Fig. 3 das Schaltbild einer Auswerteschaltung für den Hoch drucksensor in Fig. 1. Fig. 3 is a circuit diagram of an evaluation for the high-pressure sensor in FIG. 1.
Der in Fig. 1 dargestellte Hochdrucksensor ist am Stirnende eines als Rohrkörper ausgebildeten Bauteils 1 angeordnet, das ein Fluid eines Druckes von z. B. 2000 bis 3000 bar enthält. Beispielsweise bildet das Bauteil 1 die Verteilerschiene (common rail) der Kraftstoffeinspritzanlage einer Diesel- Brennkraftmaschine (nicht gezeigt) oder steht mit ihr in Verbindung. Der Hochdrucksensor lässt sich dann zum Messen des Kraftstoffdrucks in der Verteilerschiene verwenden.The high-pressure sensor shown in Fig. 1 is arranged at the front end of a component 1 formed as a tubular body, the fluid of a pressure of z. B. contains 2000 to 3000 bar. For example, component 1 forms the common rail of the fuel injection system of a diesel internal combustion engine (not shown) or is connected to it. The high pressure sensor can then be used to measure the fuel pressure in the rail.
Die Stirnwand des Bauteils 1 wird von einer ferromagnetischen (magnetostriktiven) Platte 2 gebildet, die als Membran für einen elektromechanischen Wandler 3 dient. Damit die elektro magnetische Platte 2 zu konzentrischen Schwingungen angeregt werden kann, ist sie mit einer geeigneten Masseverteilung in Form eines ringförmigen Vorsprungs 4 versehen, der an der Außenseite der Platte 2 koaxial zur Achse x des Bauteils 1 angeordnet ist. Zwischen der ferromagnetischen Platte 2 und der Rohrwand des Bauteils 1 ist ein ringförmiger Einschnitt 5 vorgesehen, der die Schwingungsfähigkeit der ferromagneti schen Platte 2 verbessert.The end wall of component 1 is formed by a ferromagnetic (magnetostrictive) plate 2 , which serves as a membrane for an electromechanical transducer 3 . So that the electromagnetic plate 2 can be excited to concentric vibrations, it is provided with a suitable mass distribution in the form of an annular projection 4 , which is arranged on the outside of the plate 2 coaxial to the axis x of the component 1 . Between the ferromagnetic plate 2 and the tube wall of the component 1 , an annular incision 5 is provided, which improves the vibrational capability of the ferromagnetic plate 2 .
Der elektromechanische Wandler 3 weist eine ringförmige Wick lung 6 auf, die in einer Ringnut 7 eines Schalenkerns 8 ange ordnet ist. Die Zuordnung ist hierbei so getroffen, dass der ringförmige Vorsprung 4 der Wicklung 6 gegenüberliegt und et was in die Ringnut 7 hineinragt, wobei zwischen dem Vorsprung und der Wicklung 6 ein Luftspalt 9 vorhanden istThe electromechanical transducer 3 has an annular winding 6 , which is arranged in an annular groove 7 of a shell core 8 . The assignment is made in such a way that the annular projection 4 is opposite the winding 6 and something protrudes into the annular groove 7 , an air gap 9 being present between the projection and the winding 6
Der Schalenkern 8 mit der Wicklung 6 ist in einem kappenför migen Halter 10 angeordnet, der durch eine Schraubverbindung 11 auf dem Bauteil 1 gehalten wird. Durch Drehen des Halters 10 relativ zum Bauteil 1 lässt sich die Größe des Luftspaltes 9 einstellen. Der Luftspalt 9 wird naturgemäß so gewählt, dass es auch bei maximaler Schwingungsamplitude der ferromag netischen Platte 2 zu keinem mechanischen Kontakt zwischen dem ringförmigen Vorsprung 4 und der Wicklung 6 kommt.The shell core 8 with the winding 6 is arranged in a kappenför shaped holder 10 , which is held by a screw connection 11 on the component 1 . The size of the air gap 9 can be adjusted by rotating the holder 10 relative to the component 1 . The air gap 9 is naturally chosen so that there is no mechanical contact between the annular projection 4 and the winding 6 even at the maximum vibration amplitude of the ferromagnetic plate 2 .
Die ferromagnetische Platte 2 wird von dem elektromechani schen Wandler 3 zu konzentrischen Schwingungen angeregt. Die Resonanzfrequenz der ferromagnetischen Platte 2 hängt direkt von ihrer mechanischen Spannung (Biegespannung) und somit von dem im Inneren des Bauteils 1 herrschenden Fluiddruck ab. Die aus einer Änderung des Fluiddrucks resultierenden Änderungen des Wechselmagnetfeldes des elektromechanischen Wandlers 3 lassen sich dann in einer Auswerteschaltung zum Erzeugen ei nes Drucksignals verwenden.The ferromagnetic plate 2 is excited by the electromechanical converter 3 to concentric vibrations. The resonance frequency of the ferromagnetic plate 2 depends directly on its mechanical stress (bending stress) and thus on the fluid pressure prevailing inside the component 1 . The changes in the alternating magnetic field of the electromechanical transducer 3 resulting from a change in the fluid pressure can then be used in an evaluation circuit to generate a pressure signal.
Fig. 2 zeigt das Ersatzschaltbild einer Spule mit idealer Spule L0 und Verlustwiderstand R0 mit den transponierten me chanischen Elementen R, L und C. Änderungen der mechanischen Komponenten, die durch Änderungen des Fluiddrucks und damit der mechanischen Spannung der ferromagnetischen Platte 2 be dingt sind, lassen sich dann mit einer einfachen Oszillator schaltung beispielsweise in eine Amplituden- oder Frequenzän derung des Wechselmagnetfeld-Signals umsetzen. Fig. 2 shows the equivalent circuit diagram of a coil with ideal coil L0 and loss resistance R0 with the transposed mechanical elements R, L and C. Changes in the mechanical components, which are caused by changes in the fluid pressure and thus the mechanical tension of the ferromagnetic plate 2 , can then be implemented with a simple oscillator circuit, for example, in an amplitude or frequency change of the alternating magnetic field signal.
Ein Beispiel einer derartigen als Auswerteschaltung 12 die nenden Oszillatorschaltung ist in Fig. 3 dargestellt. Es han delt es sich hierbei um eine sogenannte Colpitt- Oszillatorschaltung mit einer Anregungsspule AS, einer Rück kopplungsspule RS, Widerständen R1, R2, R3, R4 und Kondensa toren C1, C2, C3, die mit einem einzigen aktiven Bauelement in Form eines Transistors T auskommt.An example of such an oscillator circuit as the evaluation circuit 12 is shown in FIG. 3. It is a so-called Colpitt oscillator circuit with an excitation coil AS, a feedback coil RS, resistors R1, R2, R3, R4 and capacitors C1, C2, C3, which have a single active component in the form of a transistor T. gets along.
Derartige Oszillatorschaltungen sind dem Fachmann in großer Vielfalt bekannt. So werden beispielsweise in der Uhrenschal tungstechnik komfortablere und genauere Schaltungen verwen det, die einen negativ differentiellen Widerstand oder Leit wert darstellen und als Zweipoloszillator verwendet werden können. Aus der Schaltungstechnik für induktive Näherungs schalter sind Schaltkreise bekannt, die einen Oszillator und eine Auswerteschaltung für einen Analogausgang beinhalten.Such oscillator circuits are large in the art Diversity known. For example, in the watch scarf tion technology use more comfortable and more precise circuits det, which is a negative differential resistor or guide represent value and can be used as a two-pole oscillator can. From the circuit technology for inductive proximity switches are known which have an oscillator and include an evaluation circuit for an analog output.
Die Auswerteschaltung 12 kann die Frequenz, Periodendauer, Phasenverschiebung, eine Schwebungsfrequenz oder Pulsweiten modulation eines den elektromechanischen Wandler durchlaufen den Schwingungssignals zur Erzeugung des Drucksignals verwen den. Da derartige Oszillatorschaltungen dem Fachmann bekannt sind, wird auf sie nicht näher eingegangen. The evaluation circuit 12 can use the frequency, period, phase shift, a beat frequency or pulse width modulation of the electromechanical transducer to pass the vibration signal to generate the pressure signal. Since oscillator circuits of this type are known to the person skilled in the art, they are not dealt with in more detail.
Wie bereits erwähnt, kann es sich bei dem Bauteil 2 um die Verteilerschiene (common rail) einer Kraftstoffeinspritzanla ge handeln. Der beschriebene Hochdrucksensor lässt sich dann zu einer Diagnose der Verteilerschiene verwenden, nachdem der Hochdrucksensor im eingebauten Zustand kalibriert wurde. Fer ner können derartige Hochdrucksensoren zur Diagnose der Ein spritzventile verwendet werden. Beim Einspritzvorgang der einzelnen Einspritzventile treten Druckspitzenschwankungen auf, deren Ausmaß von der Qualität der einzelnen Einspritz ventile abhängt und auch einen Rückschluss auf die einge spritzte Kraftstoffmenge erlaubt. Diese kurzfristig auftre tenden Druckschwankungen können durch den beschriebenen Hoch drucksensor gemessen werden, und die Abweichungen der Druck schwankungen an den einzelnen Einspritzventilen lassen sich dann als Maß für die Qualität des betreffenden Einspritzven tils im Verhältnis zum Durchschnittswert der Einspritzventile oder auch im Verhältnis zum zeitlichen Mittelwert der Eigen schaften eines einzelnen Einspritzventils (Alterung) auswer ten.As already mentioned, the component 2 can be the common rail of a fuel injection system. The high pressure sensor described can then be used to diagnose the busbar after the high pressure sensor has been calibrated in the installed state. Fer ner 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 about the amount of fuel injected. These short-term occurring pressure fluctuations can be measured by the high pressure sensor described, and the deviations in the pressure fluctuations at the individual injectors can then be used as a measure of the quality of the relevant injection valve in relation to the average value of the injectors or also in relation to the time average of Evaluate properties of a single injector (aging).
Claims (6)
einer ferromagnetischen Platte (2), die einen integralen Wandabschnitt des Bauteils (1) bildet, um dem Fluiddruck un mittelbar ausgesetzt zu werden,
einem elektromechanischen Wandler (3), der die ferromagneti sche Platte (2) zu Schwingungen anregt, und
einer elektronischen Auswerteschaltung (12), die durch den Fluiddruck bedingte Änderungen der mechanischen Spannung und somit des Schwingungsverhaltens der ferromagnetischen Platte (2) zur Erzeugung eines Drucksignals verwendet,
wobei die ferromagnetische Platte (2) eine Stirnwand des als Rohrkörper ausgebildeten Bauteils (1) bildet und an der Au ßenseite der ferromagnetischen Platte (2) zwecks Erzeugung konzentrischer Schwingungen ein ringförmiger Vorsprung (4) angeformt ist, der einer entsprechend ringförmigen Wicklung (6) des elektromechanischen Wandlers (3) gegenüberliegt, wo bei zwischen dem Vorsprung (4) und der Wicklung (6) ein Luft spalt (9) vorgesehen ist.1. High pressure sensor for measuring the pressure of a fluid in the interior of a component ( 1 ), with
a ferromagnetic plate ( 2 ) which forms an integral wall section of the component ( 1 ) in order to be exposed to the fluid pressure un indirectly,
an electromechanical transducer ( 3 ) which excites the ferromagnetic plate ( 2 ) to vibrate, and
an electronic evaluation circuit ( 12 ) which uses changes in the mechanical tension caused by the fluid pressure and thus in the vibration behavior of the ferromagnetic plate ( 2 ) to generate a pressure signal,
The ferromagnetic plate ( 2 ) forms an end wall of the component ( 1 ) designed as a tubular body and an annular projection ( 4 ) is formed on the outside of the ferromagnetic plate ( 2 ) for the purpose of generating concentric vibrations, said projection ( 4 ) corresponding to an annular winding ( 6 ). the electromechanical transducer ( 3 ) is opposite, where an air gap ( 9 ) is provided between the projection ( 4 ) and the winding ( 6 ).
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
| D2 | Grant after examination | ||
| 8364 | No opposition during term of opposition | ||
| 8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: FIRST SENSOR TECHNOLOGY GMBH, 12489 BERLIN, DE |
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| 8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |