Die
Erfindung betrifft einen Längensensor zum
Messen einer Längenänderung
eines Bauteils. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Längensensor,
der als Hochdrucksensor verwendet werden kann. Bei dem Längensensor
ist das piezoelektrische Element zwischen den mit dem Bauteil fest
verbundenen Halteteilen so eingespannt, dass eine Längenänderung
des Bauteils eine Längenänderung
einer mechanischen Spannung (der Druck- und Zugspannung oder auch
der Scherspannung) des piezoelektrischen Elementes bewirkt. Die
hierdurch bedingte Änderung
der elektrischen Eigenschaften des piezoelektrischen Elementes werden
von einer elektronischen Auswerteschaltung zur Erzeugung eines Messsignals
verwendet.The
The invention relates to a length sensor for
Measuring a change in length
a component. In particular, the invention relates to a length sensor,
which can be used as a high pressure sensor. In the length sensor
is the piezoelectric element between the fixed with the component
connected holding parts clamped so that a change in length
of the component a change in length
a mechanical stress (the compressive and tensile stress or else
the shearing stress) of the piezoelectric element. The
resulting change
the electrical properties of the piezoelectric element become
from an electronic evaluation circuit for generating a measurement signal
used.
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 Druck ausgesetzten metallischen Membran mittels Dehnungsmessstreifen
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
von 10 μm
bis 50 μm.
Ferner müssen
sie bis zu 1010 Lastschaltspiele aushalten.
Damit sich die Kennlinie des Hochdrucksensors nicht ändert, muss
der Hochdrucksensor so ausgelegt werden, dass die beteiligten Materialien
im Berieb nicht über
den Hookschen Bereich hinaus belastet werden. Das Verhältnis von Membrandicke
zu Membrandurchmesser ist somit an die Eigenschaften der beteiligten
Materialien gebunden und kann daher ein vorgegebenes materialbedingtes
Verhältnis
nicht überschreiten.
Dies begrenzt die Messempfindlichkeit. Da die metallische Membran
dem Hochdruck unmittelbar ausgesetzt ist, muss sie strömungsmitteldicht
in das druckführende
Rohr eingesetzt werden. Dies erfolgt z. B. dadurch, dass der Hochdrucksensor über eine
Doppelkegeldichtung an das druckführende Rohr angeflanscht wird. Die
hierbei auftretenden Abdichtungs- und Fertigungsschwierigkeiten
schlagen sich in entsprechend hohen Herstellungskosten nieder.For measuring very high pressures up to about 3000 bar bursting pressure, as z. B. 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 a pressure-exposed metallic membrane by means of strain gauges and z. B. in a bridge circuit, a pressure signal is formed. The diameter of such metallic membranes is very small, and their maximum curvature is on the order of 10 microns to 50 microns. Furthermore, they have to withstand up to 10 10 load switching games. To prevent the characteristic curve of the high-pressure sensor from changing, the high-pressure sensor must be designed in such a way that the materials involved are not loaded beyond the Hooke range during operation. The ratio of membrane thickness to 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. Since the metallic membrane is directly exposed to the high pressure, it must be fluid-tightly inserted into the pressure-carrying pipe. This is done z. B. in that the high pressure sensor is flanged via a Doppelkeegtichtung to the pressure-carrying pipe. The resulting sealing and manufacturing difficulties are reflected in correspondingly high production 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 Abdichtungs-
und Fertigungsprobleme auf, abgesehen davon, dass die maximal mögliche Lastspielanzahl
derartiger Sensoren relativ beschränkt sein dürfte.It
piezoelectric pressure sensors are also known in which a
piezoelectric element immediately exposed to pressure (eg oil or cylinder pressure)
becomes. However, such piezoelectric pressure sensors are so far
generally only for
lower pressures
used. By the way
Even with such pressure sensors, the above-described sealing
and manufacturing issues, except that the maximum possible number of load cycles
such sensors should be relatively limited.
Längensensoren
der eingangs genannten Art, bei denen die piezoelektrischen Elemente
dem Druck nicht unmittelbar ausgesetzt sind, sondern zwischen mit
dem Bauteil fest verbundenen Halteteilen eingespannt sind, sind
beispielsweise aus US 1,950,905 und US 4,430,899 bekannt.Length sensors of the type mentioned, in which the piezoelectric elements are not directly exposed to the pressure, but are clamped between fixedly connected to the component holding parts are, for example US 1,950,905 and US 4,430,899 known.
Piezokeramik
ist kostengünstiger
und in der mechanischen Gestaltungsfähigkeit flexibler als Quarz.
Andererseits ist Piezokeramik temperaturfreundlicher.piezoceramic
is cheaper
and more flexible in mechanical design capability than quartz.
On the other hand, piezoceramic is more temperature-friendly.
Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Längensensor
zu schaffen, der extrem geringe Längenänderungen eines Bauteils erfassen
kann und daher auch als Hochdrucksensor verwendet werden kann. Der
Längensensor
soll eine hohe Messempfindlichkeit haben, einfach und kostengünstig herzustellen
sein, temperaturkompensiert sein und eine sehr große Anzahl
von Lastschaltspielen aushalten.Of the
present invention is based on the object, a length sensor
to create that record extremely small changes in length of a component
can and therefore can also be used as a high pressure sensor. Of the
length sensor
should have a high measuring sensitivity, simple and inexpensive to manufacture
be temperature compensated and a very large number
withstand load-shifting games.
Diese
Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 definierte Erfindung gelöst.These
The object is achieved by the invention defined in claim 1.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass ein weiteres piezoelektrisches Element zwischen den Halteteilen
so eingespannt ist, dass eine Längenänderung
des Bauteils gegensinnige Änderungen
der mechanischen Spannungen und elektrischen Eigenschaften der beiden
piezoelektrischen Elemente bewirkt. Beispielsweise durch Differenzbildung
der die beiden piezoelektrischen Elemente durchlaufenden Signale
lassen sich dann Temperatureinflüsse
oder andere Umwelteinflüsse
wie Alterung weitgehend ausschalten.According to the invention, it is provided
that another piezoelectric element between the holding parts
is clamped so that a length change
of the component contrary changes
the mechanical stresses and electrical properties of the two
causes piezoelectric elements. For example by subtraction
the signals passing through the two piezoelectric elements
can then be influenced by temperature
or other environmental factors
as aging largely off.
Als
piezoelektrisches Element kann ein Quarzkristall oder eine Piezokeramik
verwendet werden. Die Halteteile, die z. B. aus Stahl bestehen,
können
durch Schweißen
oder Schrauben in einfacher Weise an dem Bauteil befestigt werden.
Als elektronische Auswerteschaltung kann z. B. eine herkömmliche
Oszillatorschaltung verwendet werden. Der erfindungsgemäß ausgebildete
Längensensor
zeichnet sich daher durch große
Einfachheit und entsprechend niedrige Herstellungskosten aus. Dennoch
hat er eine hohe Messempfindlichkeit, da sich bereits bei sehr geringen
Längenänderungen
des Bauteils die mechanische Spannung des piezoelektrischen Elementes
und damit seine elektrischen Eigenschaften deutlich ändern.When
piezoelectric element may be a quartz crystal or a piezoceramic
be used. The holding parts, the z. B. made of steel,
can
by welding
or screws are easily attached to the component.
As an electronic evaluation z. B. a conventional
Oscillator circuit can be used. The inventively designed
length sensor
is characterized by large
Simplicity and correspondingly low production costs. Yet
he has a high sensitivity, since already at very low
changes in length
of the component, the mechanical stress of the piezoelectric element
and thus significantly change its electrical properties.
Ist
das Bauteil ein ein Hochdruckfluid enthaltender Rohrkörper, bei
dem sich Längenänderungen aufgrund
von Änderungen
des Hochdrucks ergeben, so kann der Längensensor als Hochdrucksensor
verwendet werden. Da das piezoelektrische Element dem Druck nicht
unmittelbar ausgesetzt ist, sondern mit Hilfe der Halteteile an
der Außenseite
des Rohrkörpers
befestigt wird, treten die eingangs geschilderten Abdichtungs- und
Fertigungsprobleme nicht auf. Darüber hinaus kann ein entsprechend
ausgebildeter Hochdrucksensor eine extrem hohe Anzahl von Lastschaltspielen
(bis zu 1010) aushalten. Außerdem ist
er zum Erfassen von sehr großen
Drücken
bis 3000 bar Berstdruck ohne Weiteres geeignet. Der erfindungsgemäß ausgebildete
Hochdrucksensor lässt sich
daher beispielsweise als Hochdrucksensor für den Druck in einer Verteilerschiene
einer Kraftstoffeinspritzanlage einer Brennkraftmaschine verwenden.If the component is a tube body containing a high-pressure fluid, which results in changes in length due to changes in the high pressure, so the length sensor can be used as a high pressure sensor. Since the piezoelectric element is not directly exposed to the pressure, but is fixed by means of the holding parts on the outside of the tubular body, the above-mentioned sealing and manufacturing problems do not occur. In addition, an appropriately designed high-pressure sensor can withstand an extremely high number of load switching cycles (up to 10 10 ). In addition, it is suitable for detecting very large pressures up to 3000 bar bursting pressure readily. The high-pressure sensor designed according to the invention can therefore be used, for example, as a high-pressure sensor for the pressure in a distributor rail of a fuel injection system of an internal combustion engine.
Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.Further
advantageous embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims.
Anhand
der Zeichnungen werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung
näher erläutert. Es
zeigt:Based
The drawings are preferred embodiments of the invention
explained in more detail. It
shows:
1 einen
Längsschnitt
durch eine schematisch dargestellte Ausführungsform eines an einem Bauteil
angebrachten gattungsgemäßen Längensensors; 1 a longitudinal section through a schematically illustrated embodiment of a mounted on a component generic length sensor;
2 eine
der 1 entsprechende Darstellung einer abgewandelten
Ausführungsform; 2 one of the 1 corresponding representation of a modified embodiment;
3–5 verschiedene
Ausführungsformen
der Elektroden des piezoelektrischen Elementes des Längensensors
in den 1 und 2; 3 - 5 various embodiments of the electrodes of the piezoelectric element of the length sensor in the 1 and 2 ;
6 ein
Ersatzschaltbild des piezoelektrischen Elementes; 6 an equivalent circuit diagram of the piezoelectric element;
7–10 schematische
Schaltbilder verschiedener Ausführungsformen
der Auswerteschaltung; 7 - 10 schematic circuit diagrams of various embodiments of the evaluation circuit;
11 eine
schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Längensensors; 11 a schematic sectional view of a length sensor according to the invention;
12 eine
schematische Draufsicht auf eine abgewandelte Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Längensensors
mit Temperaturausgleich; 12 a schematic plan view of a modified embodiment of a length sensor according to the invention with temperature compensation;
13, 14 schematische
Schnittdarstellungen einer abgewandelten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Längensensors
mit Temperaturausgleich; 13 . 14 schematic sectional views of a modified embodiment of a length sensor according to the invention with temperature compensation;
15 eine
schematische Schnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Längensensors
mit Temperaturausgleich; 15 a schematic sectional view of another embodiment of a length sensor according to the invention with temperature compensation;
16–19 verschiedene Ausführungsformen einer Auswerteschaltung
für die
Längensensoren
der 11 bis 15. 16 - 19 Various embodiments of an evaluation circuit for the length sensors of 11 to 15 ,
Das
in 1 dargestellte Bauteil 1 ist ein geschlossener
Rohrkörper
aus einem elastisch dehnbaren Material wie z. B. Stahl, der mit
einem Hochdruckfluid gefüllt
ist. Beispielsweise steht das Innere des Bauteils 1 mit
der Verteilerschiene (common rail) der Kraftstoffeinspritzanlage
einer Diesel-Brennkraftmaschine (nicht gezeigt) in Verbindung. Aufgrund des
im Inneren des Bauteils 1 herrschenden hohen Drucks von
z. B. 2000 bar bis 3000 bar erfährt
das Bauteil 1 eine Längenänderung
(angedeutet durch den Pfeil Δl)
in Richtung der x-Achse. Durch Messen der Längenänderung Δ1 wird dann auf den im Bauteil 1 herrschenden
Druck des Fluides rückgeschlossen.This in 1 illustrated component 1 is a closed tubular body made of an elastically stretchable material such. As steel, which is filled with a high pressure fluid. For example, the interior of the component stands 1 to the common rail of the fuel injection system of a diesel internal combustion engine (not shown). Due to the inside of the component 1 prevailing high pressure of z. B. 2000 bar to 3000 bar undergoes the component 1 a change in length (indicated by the arrow .DELTA.l) in the direction of the x-axis. By measuring the change in length Δ1 is then on the component 1 prevailing pressure of the fluid inferred.
Zum
Messen der Längenänderung Δl ist der in 1 dargestellte
Längensensor
vorgesehen, dessen mechanischer Teil aus einem piezoelektrischen
Element 2 mit Elektroden 6, 7 und zwei
Halteteilen 3, 4 besteht. Das piezoelektrische
Element 2 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als das Bauteil 1 umgebender
Ringkörper
ausgebildet, der von den Halteteilen 3, 4 mit
einer vorgegebenen Vorspannung in Richtung der x-Asche eingespannt
wird. Die aus Stahl bestehenden, ebenfalls ringförmig ausgebildeten Halteteile 3, 4 sind
mit dem Bauteil 1 fest verbunden, beispielsweise durch
Schweißen,
wie durch Schweißnähte 5 angedeutet,
oder durch Schrauben. Die Halteteile 3, 4 übertragen
somit eine Längenänderung Δl des Bauteils 1 unmittelbar
auf das piezoelektrische Element 2, was sich in einer entsprechenden Änderung
der Druck- bzw. Zugspannung des piezoelektrischen Elementes 2 niederschlägt. Die
hierdurch bedingte Änderung
der Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Elementes 2 wird
dann in einer Auswerteschaltung zur Erzeugung eines Messsignals
verwendet, wie im Folgenden noch genauer erläutert wird.To measure the change in length .DELTA.l is the in 1 shown length sensor provided, the mechanical part of a piezoelectric element 2 with electrodes 6 . 7 and two holding parts 3 . 4 consists. The piezoelectric element 2 is in the illustrated embodiment as the component 1 surrounding ring body formed by the holding parts 3 . 4 is clamped with a predetermined bias in the direction of the x-ash. The existing steel, also ring-shaped holding parts 3 . 4 are with the component 1 firmly connected, for example by welding, as by welds 5 indicated, or by screws. The holding parts 3 . 4 thus transmit a change in length .DELTA.l of the component 1 directly on the piezoelectric element 2 , resulting in a corresponding change in the compressive or tensile stress of the piezoelectric element 2 reflected. The consequent change in the resonant frequency of the piezoelectric element 2 is then used in an evaluation circuit for generating a measurement signal, as will be explained in more detail below.
Wie
bereits erwähnt,
werden die Halteteile 3, 4 am Bauteil 1 so
angebracht, dass das piezoelektrische Element 2 in Richtung
der x-Achse vorgespannt wird und somit unter einer vorgegebenen
Druckspannung steht. Diese Vorspannung wird zweckmäßigerweise
so gewählt,
dass das piezoelektrische Element 2 im gesamten Bereich
der möglichen
Längenänderungen Δl des Bauteils 1 im
Druckspannungsbereich ver bleibt, da piezoelektrisches Material,
insbesondere Piezokeramik, auf Druckspannungen besser als auf Zugspannungen
reagiert.As already mentioned, the holding parts 3 . 4 on the component 1 attached so that the piezoelectric element 2 is biased in the direction of the x-axis and thus is under a predetermined compressive stress. This bias is suitably chosen so that the piezoelectric element 2 in the entire range of possible changes in length Δl of the component 1 ver remains in the compressive stress region, since piezoelectric material, in particular piezoceramics, reacts better to compressive stresses than to tensile stresses.
An
dieser Stelle sei angemerkt, dass das piezoelektrische Element von
den Halteteilen auch so eingespannt werden kann, dass es auf Scherung
beansprucht wird, wie dies anhand der 13, 14 noch
genauer erläutert
wird.It should be noted that the piezoelectric element of the holding parts can also be clamped so that it is subjected to shear, as shown by the 13 . 14 will be explained in more detail.
Bei
dem in 1 dargestellten Längensensor ist die Elektrode 6 als
Masseelektrode ausgebildet, wobei die Masse von den Halteteilen 3, 4 und dem
Bauteil 1 gebildet wird. Die andere Elektrode 7 besteht
beispielsweise aus einer auf das piezoelektrische Element 2 aufgedampften
Metallschicht, die kapazitiv (also kontaktlos) mit einer Kondensatorplatte
C verbunden ist. Wie gezeigt, ist die Elektrode 7 radial
innerhalb des piezoelektrischen Elementes 2 angeordnet,
während
ein einhülsenförmiger Abschnitt des
Halteteils 3, der einen Teil der Elektrode 6 bildet, das
piezoelektrische Element 2 außen umgibt. Hierdurch wird
eine gewisse elektrische Abschirmung der Elektrode 7 und
des piezoelektrischen Elementes 2 erzielt. Grundsätzlich ist
jedoch auch die umgekehrte Anordnung möglich, bei der sich die Masseelektrode radial
innerhalb und die andere Elektrode radial außerhalb des piezoelektrischen
Elementes 2 befindet.At the in 1 shown length sensor is the electrode 6 formed as a ground electrode, wherein the mass of the holding parts 3 . 4 and the component 1 is formed. The other electrode 7 for example, consists of one on the piezoelectric element 2 vapor-deposited metal layer which is capacitively (ie contactless) connected to a capacitor plate C. As shown, the electrode is 7 radially within the piezoelectric element 2 arranged while a sleeve-shaped portion of the holding part 3 which is part of the electrode 6 forms, the piezoelectric element 2 outside surrounds. This will cause some electrical shielding of the electrode 7 and the piezoelectric element 2 achieved. In principle, however, the reverse arrangement is possible, in which the ground electrode radially inside and the other electrode radially outside of the piezoelectric element 2 located.
Die
Ausführungsform
der 2 unterscheidet sich von der in 1 dadurch,
dass das piezoelektrische Element 2 und die Halteteile 3, 4 nicht
als Ringkörper,
sondern lediglich als seitlich am Bauteil 1 angebrachte
Stabkörper
ausgebildet sind. Die ringförmige
Anordnung der 1 wird insbesondere bei kleinen
Gesamtabmessungen gewählt,
während die in 2 gezeigte
seitliche Anordnung bei größeren Gesamtabmessungen
ausreichend ist.The embodiment of the 2 is different from the one in 1 in that the piezoelectric element 2 and the holding parts 3 . 4 not as a ring body, but only as a side of the component 1 attached rod body are formed. The annular arrangement of 1 is chosen especially for small overall dimensions, while the in 2 shown lateral arrangement is sufficient for larger overall dimensions.
Ein
weiterer Unterschied des Ausführungsbeispiels
der 2 gegenüber
dem der 1 besteht darin, dass die Elektroden 6, 7 nicht
quer zur x-Achse, sondern parallel zur x-Achse angeordnet sind. Hierbei wird
die als Masseelektrode ausgebildete Elektrode 6 wiederum
von den Halteteilen 3, 4 und dem Bauteil 1 gebildet,
während
die zwischen dem piezoelektrischen Element 2 und dem Halteteil 3 liegende
Elektrode 7 durch einen Isolator 8 gegenüber der
Masse isoliert ist.Another difference of the embodiment of 2 opposite to the 1 is that the electrodes 6 . 7 not transverse to the x-axis, but are arranged parallel to the x-axis. Here, the electrode formed as a ground electrode 6 turn from the holding parts 3 . 4 and the component 1 formed while between the piezoelectric element 2 and the holding part 3 lying electrode 7 through an insulator 8th isolated from the mass.
Die 3 bis 5 zeigen
verschiedene Möglichkeiten
zum Anordnen und Ausbilden der Elektroden 6, 7.
Die Anordnung der Elektroden 6, 7 in 3 entspricht
der in 2. Bei der Anordnung der 4 sind beide
Elektroden 6, 7 gegenüber den Halteteilen 3, 4 durch
jeweils einen Isolator 8 bzw. 9 isoliert. Bei
der Anordnung der 5 sind die Elektroden 6, 7 auf
Flächen
des piezoelektrischen Elementes 2 aufgedampft, die quer
zur Richtung der Längenänderung
ausgerichtet sind. Dies bietet die Möglichkeit, die Elektroden 6, 7 kontaktlos
mit den Platten eines Kondensators C zu koppeln, dessen Dielektrikum
im Wesentlichen von dem piezoelektrischen Element 2 gebildet
wird.The 3 to 5 show various possibilities for arranging and forming the electrodes 6 . 7 , The arrangement of the electrodes 6 . 7 in 3 corresponds to the in 2 , In the arrangement of 4 are both electrodes 6 . 7 opposite the holding parts 3 . 4 by one insulator each 8th respectively. 9 isolated. In the arrangement of 5 are the electrodes 6 . 7 on surfaces of the piezoelectric element 2 vapor-deposited, which are aligned transversely to the direction of change in length. This offers the possibility of using the electrodes 6 . 7 to couple contactlessly with the plates of a capacitor C, whose dielectric substantially from the piezoelectric element 2 is formed.
Wie
bereits erwähnt,
besteht das piezoelektrische Element 2 beispielsweise aus
einem Quarz. Die elektrischen Eigenschaften des Quarzes lassen sich
bekanntlich durch elektrisches Ersatzschaltbild (6)
veranschaulichen. Der Quarz stellt gewissermaßen einen Schwingkreis mit
Kondensator C, Widerstand R und Spule L sowie mit der Streukapazität CO dar,
für den üblicherweise
das in 6 gezeigte Schaltzeichen verwendet wird. Im Folgenden
wird daher das piezoelektrische Element 2 der 1 bis 5 als
piezoelektrisches Glied Q bezeichnet und mit dem Schaltzeichen rechts
in 6 dargestellt.As already mentioned, the piezoelectric element is made 2 for example, from a quartz. The electrical properties of the quartz can be known by electrical equivalent circuit diagram ( 6 ) illustrate. The quartz represents a kind of resonant circuit with capacitor C, resistor R and coil L and with the stray capacitance CO, for which usually the in 6 shown switching symbol is used. In the following, therefore, the piezoelectric element 2 of the 1 to 5 denoted as piezoelectric element Q and having the circuit symbol right in 6 shown.
Die
Auswerteschaltung 10 des Längensensors weist zweckmäßigerweise
eine Oszillatorschaltung auf, deren frequenzbestimmendes Element
das piezoelektrische Glied Q ist. Da derartige Oszillatorschaltungen
dem Fachmann in großer
Vielfalt bekannt sind, werden im Folgenden lediglich einige Ausführungsbeispiele
kurz angerissen. Unter frequenzbestimmend wird daher verstanden,
dass das piezoelektrische Glied Q die Eigenschaften eines Schwingkreises
maßgeblich
beeinflusst. Dabei kann es sich beispielsweise um die Resonanzfrequenz handeln.The evaluation circuit 10 of the length sensor expediently has an oscillator circuit whose frequency-determining element is the piezoelectric element Q. 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. Frequency-determining is therefore understood to mean that the piezoelectric element Q decisively influences the properties of a resonant circuit. This may, for example, be the resonant frequency.
So
zeigt beispielsweise 7 eine Auswerteschaltung 10 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 8, 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 7 an evaluation circuit 10 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 8th 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 10 wird das piezoelektrische
Glied Q zu Schwingungen angeregt, bei denen es sich um Longitudinal-,
Transversal- oder Schwerschwingungen handeln kann. Hier 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 10 For example, the piezoelectric element Q is excited to vibrate, which may be longitudinal, transversal, or heavy. Here, the usual cuts of the quartz crystal can be used, the AT cut is preferred because of its known good temperature properties.
Die
Auswerteschaltung 10 kann die Frequenz, Periodendauer,
Phasenverschiebung, eine Schwebungsfrequenz oder Pulsweitenmodulation
eines das piezoelektrische Glied Q durchlaufenden elektrischen Signals
zur Erzeugung eines Messsignals verwenden. Das Messsignal kann in
Form eines Längensignals
abgegeben werden, wenn der Längensensor
ausschließlich
zum Messen von Längenänderungen
verwendet wird. Soll der Längensensor jedoch
als Hochdrucksensor eingesetzt werden, so wird das Längenänderungssignal
durch die Auswerteschaltung 10 in ein Drucksignal umgewandelt.The evaluation circuit 10 may use the frequency, period, phase shift, beat frequency or pulse width modulation of an electrical signal passing through the piezoelectric element Q to generate a measurement signal. The measurement signal can be output in the form of a length signal if the length sensor is used exclusively for measuring changes in length. However, if the length sensor is to be used as a high-pressure sensor, the length change signal is output by the evaluation circuit 10 converted into a pressure signal.
In
den 9 und 10 ist nochmals in stark schematischer
Weise eine Auswerteschaltung 10 in Form einer Oszillatorschaltung
dargestellt, deren frequenzbestimmendes Element von dem piezoelektrischen
Glied Q gebildet wird. Die 9 zeigt eine „Dreidraht-Ausführung" der Auswerteschaltung, bei
der zwei Leitungen zur Stromversorgung und eine eigene Signalleitung
für das
abgegriffene Messsignal vorgesehen ist. Bei der Ausführungsform
der 10 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.In the 9 and 10 is again in a highly schematic way an evaluation circuit 10 represented in the form of an oscillator circuit whose frequency-determining element is formed by the piezoelectric element Q. The 9 shows a "three-wire design" of the evaluation circuit, in which two lines for power supply and a separate signal line is provided for the tapped measurement signal 10 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
Messsignal 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 mit einer Grenzfrequenz
oberhalb des gewünschten Übertragungsfrequenzbereichs
gegen Störimpulse
nachbearbeitet werden. Es wird vorzugsweise als pulsweitenmoduliertes
Signal für
einen Microcontroller verwendet.The
Measurement 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 therefore usually needs a filter with a cutoff frequency
above the desired transmission frequency range
against interference pulses
be reworked. It is preferably as pulse width modulated
Signal for
used a microcontroller.
Wie
bereits erwähnt,
kann es sich bei dem Bauteil 2 um die Verteilerschiene
(common rail) einer Kraftstoffeinspritzanlage handeln. Der als Hochdrucksensor
ausgebildete Längensensor
lässt sich dann
durch Messen des Drucks zu einer Diagnose der Verteilerschiene verwenden,
nachdem der Sensor 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 nach 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 trade the common rail of a fuel injection system. The length sensor designed as a high-pressure sensor can then be used by measuring the pressure for a diagnosis of the busbar after the sensor has been calibrated in the installed state. Furthermore, such high pressure sensors can be used to diagnose the injectors. When injecting the individual injectors occur pressure spike fluctuations, the extent of which depends on the quality of the individual injectors and after a conclusion on the injected fuel quantity allowed. These short-term pressure fluctuations can be measured by the described high-pressure sensors, and the deviations of the pressure fluctuations at the individual injectors can then be used as a measure of the quality of the injector concerned in relation to the average value of the injectors or in relation to the time average of the characteristics of a single injector Evaluate (aging).
Wie
bereits erwähnt,
ist Quarz teuerer als Piezokeramik und hinsichtlich seiner mechanischen Gestaltungsfähigkeit
nicht so flexibel. Piezokeramik ist jedoch temperaturempfindlicher.
Die in den 11 bis 15 dargestellten
erfindungs gemäßen Längensensoren
bzw. Hochdrucksensoren sind daher so ausgebildet, dass sich Temperatureinflüsse auch
bei Verwendung von Piezokeramik als Sensorelement ausschalten lassen.As already mentioned, quartz is more expensive than piezoceramic and less flexible in terms of its mechanical design capability. Piezoceramic is more temperature sensitive. The in the 11 to 15 illustrated fiction, contemporary length sensors or high pressure sensors are therefore designed so that can be turned off even when using piezoelectric ceramic as a sensor element temperature influences.
Der
in 11 dargestellte Längensensor entspricht den in
den 1 und 2 dargestellten Längensensoren
insofern, als ein piezoelektrisches Element 2 zwischen
zwei Halteteilen 3, 4 eingespannt ist, die ihrerseits
an dem Bauteil 1 befestigt sind. Bei dem in 4 dargestellten
Ausführungsbeispiel
ist jedoch noch ein zweites piezoelektrisches Element 2a vorgesehen,
das zwischen den Halteteilen 3, 4 so eingespannt
ist, dass es bei einer Längenänderung Δl des Bauteils 1 gegensinnig
zu dem piezoelektrischen Element 2 beansprucht wird. Wenn somit
das piezoelektrische Element 2 gedehnt wird, wird das piezoelektrische
Element 2a gestaucht, und umgekehrt.The in 11 shown length sensor corresponds to the in the 1 and 2 shown length sensors insofar as a piezoelectric element 2 between two holding parts 3 . 4 is clamped, in turn, on the component 1 are attached. At the in 4 However, the embodiment shown is still a second piezoelectric element 2a provided that between the holding parts 3 . 4 is clamped so that it at a change in length .DELTA.l of the component 1 in the opposite direction to the piezoelectric element 2 is claimed. Thus, when the piezoelectric element 2 is stretched, the piezoelectric element 2a compressed, and vice versa.
Zu
diesem Zweck hat das Halteteil 4 einen am Bauteil 1 befestigten
Befestigungsabschnitt 12, von dem ein Arm 14 mit
einem zur x-Achse parallelen Abschnitt und einem senkrecht dazu
nach innen verlaufenden Abschnitt abgeht. Das Halteteil 3 besteht aus
einem Befestigungsabschnitt 11, von dem ein Arm 13 abgeht.
Der Arm 13 hat einen senkrecht zur x-Achse nach außen verlaufenden
Abschnitt, einen parallel zur x-Achse verlaufenden Abschnitt, der
das piezoelektrische Element 2a übergreift, und einen quer zur
x-Achse nach innen verlaufenden Abschnitt. Aufgrund dieser Gestaltung
hat jedes Halteteil 3, 4 zwei entgegengesetzt
gerichtete Abstützflächen 13a, 13b und 14a, 14b,
die paarweise einander so zugeordnet sind, dass das piezoelektrische
Element 2 zwischen den Abstützflächen 13a und 14a und
das piezoelektrische Element 2a zwischen den Stützflächen 13b und 14b eingespannt
wird. Die Anordnung ist hierbei so getroffen, dass die beiden piezoelektrischen
Elemente 2 und 2a in einer Richtung senkrecht zur
x-Achse fluchten.For this purpose, has the holding part 4 one on the component 1 fixed attachment section 12 from which an arm 14 with a parallel to the x-axis section and a perpendicular to this inward extending section. The holding part 3 consists of a mounting section 11 from which an arm 13 going on. The arm 13 has a portion extending perpendicular to the x-axis, a portion extending parallel to the x-axis, which is the piezoelectric element 2a overlaps, and a transverse to the x-axis inward section. Due to this design has each holding part 3 . 4 two oppositely directed support surfaces 13a . 13b and 14a . 14b , which are pairwise associated with each other so that the piezoelectric element 2 between the support surfaces 13a and 14a and the piezoelectric element 2a between the support surfaces 13b and 14b is clamped. The arrangement is in this case made such that the two piezoelectric elements 2 and 2a are aligned in a direction perpendicular to the x-axis.
Es
versteht sich, dass die piezoelektrischen Elemente 2 und 2a als
Ringkörper
wie in 1 oder als Stabkörper wie in 2 ausgebildet
werden können.It is understood that the piezoelectric elements 2 and 2a as a ring body as in 1 or as a rod body as in 2 can be trained.
12 zeigt
einen Längensensor,
der an einer Seite eines eben ausgebildeten Bauteils 1 angebracht
werden kann und der zum Messen einer Längenänderung Δl in Form einer Parallelverschiebung dient,
die durch die Zeichen x sowie x + dx angedeutet ist. In diesem Fall
ist das Halteteil 3 T-förmig
mit einem Befestigungsabschnitt 11 und einem quer dazu
verlaufenden Arm 13 ausgebildet, während das Halteteil 4 hufeisenförmig mit
einem Befestigungsabschnitt 12 und zwei daran angeformten
Armen 14 ausgebildet ist. Der Arm 13 des Halteteils 3 greift hierbei
so zwischen die Arme 14 des Halteteils 4, dass
die piezoelektrischen Elemente 2 zwischen den sich gegenüberliegenden
Abstützflächen 13a, 14a und 13b, 14b der
beiden Haltefile 3, 4 eingespannt werden. Erfährt somit
das Bauteil 1 im Bereich der Schweißnaht 5 des Halteteils 4 eine
Längenänderung Δl relativ
zu der Schweißnaht 5 des
Halteteils 3, so kommt es zu einer gegensinnigen Beanspruchung der
piezoelektrischen Elemente 2 und 2a ähnlich wie in 11. 12 shows a length sensor which is on one side of a newly formed component 1 can be attached and used to measure a change in length .DELTA.l in the form of a parallel displacement, which is indicated by the characters x and x + dx. In this case, the holding part 3 T-shaped with a fastening section 11 and a transverse arm 13 formed while the holding part 4 horseshoe-shaped with a fastening section 12 and two arms molded to it 14 is trained. The arm 13 of the holding part 3 In doing so, grab between your arms 14 of the holding part 4 in that the piezoelectric elements 2 between the opposing support surfaces 13a . 14a and 13b . 14b the two Haltefile 3 . 4 clamped become. Thus experiences the component 1 in the area of the weld 5 of the holding part 4 a change in length Δl relative to the weld 5 of the holding part 3 , it comes to an opposite sense of the piezoelectric elements 2 and 2a similar to in 11 ,
In
diesem Fall ist die Anordnung allerdings so getroffen, dass die
piezoelektrischen Elemente 2 und 2a in Richtung
der x-Achse zueinander fluchten.In this case, however, the arrangement is such that the piezoelectric elements 2 and 2a aligned with each other in the direction of the x-axis.
Bei
den Ausführungsformen
der 11 und 12 werden
die piezoelektrischen Elemente 2 und 2a auf Druck
und Zug beansprucht. Bei der in 13 und 14 gezeigten
Ausfüh rungsform
werden die piezoelektrischen Elemente 2 und 2a dagegen
auf Scherung beansprucht. Zu diesem Zweck sind die piezoelektrischen
Elemente 2, 2a zwischen sich gegenüberliegenden
Abstützflächen 13a, 14a und 13b, 14b eingespannt,
die nicht senkrecht zur Richtung der Längenänderung Δl, sondern parallel dazu verlaufen.
Hierzu sind die beiden Halteteile 3, 4 L-förmig mit
einem senkrecht zur x-Achse verlaufenden Befestigungsabschnitt 11 bzw. 12 und
einem parallel zur x-Achse verlaufenden Arm 13 bzw. 14 versehen,
wie die in den 13 und 14 dargestellt
ist.In the embodiments of the 11 and 12 become the piezoelectric elements 2 and 2a stressed on pressure and train. At the in 13 and 14 The embodiment shown, the piezoelectric elements 2 and 2a on the other hand claimed to shear. For this purpose, the piezoelectric elements 2 . 2a between opposing support surfaces 13a . 14a and 13b . 14b clamped, which are not perpendicular to the direction of change in length .DELTA.l, but parallel to it. These are the two holding parts 3 . 4 L-shaped with a perpendicular to the x-axis mounting portion 11 respectively. 12 and an arm parallel to the x-axis 13 respectively. 14 provided, like those in the 13 and 14 is shown.
Auch
bei den in den 11 bis 14 dargestellten
Ausführungsbeispielen
werden die piezoelektrischen Elemente 2 und 2a einer
mechanischen Vorspannung unterworfen, um Zugspannungen in den piezoelektrischen
Elementen zu vermeiden. Zweckmäßigerweise
wird die Vorspannung so gewählt,
dass sie doppelt so groß ist
wie die im Betrieb maximal auftretende Zugspannung. Die mechanische
Vorspannung der Sensoren ist in 13 durch eine
Schrägstellung
des piezoelektrischen Elementes 2a symbolisch angedeutet. 14 zeigt
den Zustand nach einer Längenänderung Δl, wobei
die hierdurch bedingte Änderung
der mechanischen Beanspruchung der piezoelektrischen Elemente 2, 2a wiederum
symbolisch angedeutet ist.Also in the in the 11 to 14 Illustrated embodiments are the piezoelectric elements 2 and 2a subjected to a mechanical bias to avoid tensile stresses in the piezoelectric elements. Conveniently, the bias voltage is chosen so that it is twice as large as the maximum tensile stress occurring during operation. The mechanical preload of the sensors is in 13 by an inclination of the piezoelectric element 2a symbolically indicated. 14 shows the state after a change in length .DELTA.l, the resulting change in the mechanical stress of the piezoelectric elements 2 . 2a again symbolically indicated.
Bei
dem in 15 dargestellten Ausführungsbeispiel
besteht das Bauteil 1 aus einer Welle. Der aus den piezoelektrischen
Elementen 2, 2a und den Halteteilen 3, 4 bestehende
Sensor dient in diesem Fall ausschließlich als Längensensor. Er hat einen ähnlichen
Aufbau wie in 11, wobei die Anordnung allerdings
so getroffen ist, dass die piezoelektrischen Elemente 2, 2a nicht
senkrecht zur x-Achse,
sondern parallel zur x-Achse fluchten. Hierdurch ergibt sich ein
besonders kompakter Aufbau des Sensors und eine einfach geometrische
Form der Halteteile 3, 4, die, wie schematisch
angedeutet, beispielsweise mittels Passstiften an der Welle befestigt werden.At the in 15 illustrated embodiment, the component 1 from a wave. The from the piezoelectric elements 2 . 2a and the holding parts 3 . 4 existing sensor serves in this case exclusively as a length sensor. He has a similar structure as in 11 However, the arrangement is made such that the piezoelectric elements 2 . 2a not perpendicular to the x-axis, but aligned parallel to the x-axis. This results in a particularly compact design of the sensor and a simple geometric shape of the holding parts 3 . 4 , which, as indicated schematically, for example, be attached by means of dowel pins on the shaft.
Wenn
auch in 11 bis 15 nicht
dargestellt, versteht es sich jedoch, dass die piezoelektrischen
Elemente 2 und 2a jeweils mit zwei Elektroden versehen
sind, die wie in den 3 bis 5 ausgebildet
sein können.Although in 11 to 15 not shown, it is understood, however, that the piezoelectric elements 2 and 2a are each provided with two electrodes, as in the 3 to 5 can be trained.
Da
bei den Ausführungsbeispielen
der 11 bis 15 die
piezoelektrischen Elemente 2, 2a bei einer Längenänderung Δl des Bauteils 1 gegensinnig
beansprucht werden, wird bei einer Differenzbildung der die piezoelektrischen
Elemente 2, 2a durchlaufenden Signale der Signalhub
verdoppelt. Bei einer Änderung
der Umgebungstemperatur (oder anderen Umwelteinflüssen) kommt
es dagegen zu einer gleichsinnigen Dehnung oder Kontraktion der
piezoelektrischen Elemente 2 und 2a. Durch die
oben erwähnte
Differenzbildung werden daher die durch die Temperaturänderung
bedingten Signalanteile eliminiert.As in the embodiments of the 11 to 15 the piezoelectric elements 2 . 2a at a change in length .DELTA.l of the component 1 are claimed in opposite directions, the difference in the piezoelectric elements 2 . 2a continuous signals doubled the signal swing. On the other hand, if the ambient temperature (or other environmental influences) changes, the same direction elongation or contraction of the piezoelectric elements occurs 2 and 2a , Due to the difference formation mentioned above, therefore, the signal components caused by the temperature change are eliminated.
Eine
andere Möglichkeit
zur Kompensation von Temperatureinflüssen besteht darin, durch einen Vergleich
der die beiden piezoelektrischen Elemente 2 und 2a durchlaufenden
Signale den temperaturbedingten Signalanteil zu ermitteln und diesen
dann bei der Bildung des Messsignals entsprechend zu berücksichtigen.Another way to compensate for temperature effects is by comparing the two piezoelectric elements 2 and 2a continuous signals to determine the temperature-related signal component and then take into account when forming the measurement signal accordingly.
Entsprechend
ausgebildete Auswerteschaltungen 10 sind in den 16 bis 19 dargestellt.Appropriately designed evaluation circuits 10 are in the 16 to 19 shown.
So
besteht die Auswerteschaltung 10 der 16 aus
einer mit einem sinusförmigen
Signal gespeisten Brückenschaltung
mit den beiden piezoelektrischen Gliedern Q1, Q2 und zwei zweipoligen Gliedern
Z1, Z2 (z. B. in Form von Widerständen). Der Q1 und Z1 enthaltende
Zweig und Q2 und Z2 enthaltende Zweig sind mit einem Differenzverstärker OPDiff zur Erzeugung eines Differenzsignals
verbunden, dessen Amplitude oder Frequenz oder Phase zur Bildung
des Messsignals auswertbar ist.So there is the evaluation circuit 10 of the 16 from a bridge circuit fed with a sinusoidal signal with the two piezoelectric elements Q1, Q2 and two two-pole elements Z1, Z2 (eg in the form of resistors). The branches containing Q1 and Z1 and branches containing Q2 and Z2 are connected to a differential amplifier OP Diff for generating a difference signal whose amplitude or frequency or phase can be evaluated to form the measurement signal.
In 17 ist
in schematischer Weise eine Auswerteschaltung 10 angedeutet,
bei der Rechtecksignale die beiden piezoelektrischen Glieder Q1
und Q2 durchlaufen und in einer Vergleichsschaltung durch Erfassen
ihrer Laufzeit- oder
Phasenunterschiede zur Bildung des Messsignals ausgewertet werden.In 17 is a schematic evaluation circuit 10 indicated in the square wave signals through the two piezoelectric elements Q1 and Q2 and are evaluated in a comparison circuit by detecting their transit time or phase differences to form the measurement signal.
Die
in 18 dargestellte Auswerteschaltung 2 besteht
aus zwei einfachen Oszillatoren gemäß 7 mit jeweils
einem piezoelektrischen Glied Q1 bzw. Q2, zwei invertierenden Operationsverstärkern OP1
bzw. OP2 und einem Widerstand R1 bzw. R2. Die Ausgänge der
beiden Oszillatoren sind in einem Exklusiv-ODER-Glied verknüpft. Die
als Rechteckimpulse vorliegenden Ausgangssignale a und b der beiden
Oszillatoren werden in dem Exklusiv-ODER-Glied OR so verknüpft, dass
die entstehenden x-Impulse eine umso größere Impulsbreite haben, je
größer die
Frequenzdifferenz zwischen a und b ist. Dadurch werden, wie bereits
erwähnt,
die temperaturbedingten Signalanteile eliminiert. Im Fall analoger
Signalpegel entsteht durch die Überlagerung
der beiden Ausgangssignale der Oszillatoren eine Differenzfrequenz,
die umso größer ist,
je größer die Änderung
der mechanischen Spannung in den piezoelektrischen Elementen ist.In the 18 illustrated evaluation circuit 2 consists of two simple oscillators according to 7 each with a piezoelectric element Q1 or Q2, two inverting operational amplifiers OP1 and OP2 and a resistor R1 and R2, respectively. The outputs of the two oscillators are linked in an exclusive-OR gate. The output signals a and b of the two oscillators present as rectangular pulses are combined in the exclusive-OR gate OR in such a way that the resulting x-pulses have an even larger pulse width, the greater the frequency difference between a and b is. As a result, as already mentioned, the temperature-related signal components are eliminated. In the case of analog signal levels, as a result of the superimposition of the two output signals of the oscillators, a difference frequency is generated which is greater, the greater the change in the mechanical stress in the piezoelectric elements.
In 19 sind die piezoelektrischen Glieder Q1
und Q2 wiederum die frequenzbestimmenden Elemente zweier Oszillatoren,
die als Frequenzoszillator oder Laufzeitoszillator ausgebildet sein
können. Die
Datenübergabe
durch die Auswertelogik kann seriell oder parallel, analog oder
digital erfolgen.In 19 For example, the piezoelectric elements Q1 and Q2 are again the frequency-determining elements of two oscillators, which can be designed as frequency oscillators or time-of-flight oscillators. The data transfer by the evaluation logic can be serial or parallel, analog or digital.
