-
Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Hochdrucksensor zum Messen
des Drucks eines Hochdruckfluids.
-
Zum
Messen sehr hoher Drücke
zwischen etwa 2000 und 3000 bar Berstdruck, wie sie z. B. in der
Verteilerschiene (common rail) der Kraftstoffeinspritzanlage einer
Diesel-Brennkraftmaschine
auftreten, sind Hochdrucksensoren bekanntgeworden, bei denen die
Wölbung
einer dem Fluiddruck ausgesetzten metallischen Membran mittels Dehnungsmeßstreifen
erfaßt
und hieraus z. B. in einer Brückenschaltung
ein Drucksignal gebildet wird. Abgesehen davon, daß die Meßempfindlichkeit
derartiger Hochdrucksensoren relativ begrenzt ist, erfüllen sie
meist auch nicht die Anforderungen hinsichtlich der zu erreichenden
Lastschaltspiele, die beispielsweise in der Größenordnung von 1010 liegen.
Es sind ferner piezoelektrische Drucksensoren bekannt, bei denen ein
piezoelektrischer Aufnehmer dem Druck unmittelbar ausgesetzt ist.
Derartige piezoelektrische Drucksensoren werden bisher jedoch im
allgemeinen nur für
niedrigere Drücke
eingesetzt. Bei Hochdrucksensoren mit integrierten Bauelementen
aus Si, die sich in dem Hochdruckfluid (z. B. Öl) befinden, ist eine druckdichte
Durchführung
der Leitungen nach außen erforderlich,
was häufig
nicht mit vertretbarem Aufwand zu verwirklichen ist. Ferner sind
auch Hochdrucksensoren mit sogenannten Keramikpilzen bekannt, die
eine Membran besitzen, deren Durchbiegung gemessen wird. Hierbei
wird die Wandung der Keramikpilze auf Zug beansprucht, was für Materialien
wie Keramik ungeeignet ist.
-
Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hochdrucksensor
hoher Meßempfindlichkeit
und einfacher Herstellbarkeit zu schaffen, bei dem das durch den
Fluiddruck verformbare druckmessende Element keiner Zugspannung
ausgesetzt ist.
-
Die
US 3,672,223 beschreibt
einen Druckmesswandler mit einem Wandlerelement, das einerseits
auf dem Wandlergehäuse
und andererseits auf einer zur Druckübertragung dienenden Platte
abgestützt
ist und das unter dem Einfluss einer mit dem Wandlergehäuse und
der Druckübertragungsplatte verbundenen
elastischen Rohrfeder unter axialer Vorspannung steht. Diese Erfindung
ist dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrfeder als das Wandlerelement
gegen den Messdruck abdichtende Rohrmembrane ausgebildet ist und
dass diese in radialer Richtung auf einem zwischen ihr und dem Wandlerelement
angeordneten Abstützorgan
ruht. Das Wandlerelement ist direkt druckbeaufschlagt.
-
Mit
der
DE 1228825 B wird
ein Verfahren zur elektrischen Widerstandsschweißung von piezoelektrischen
Kraftmesselementen, insbesondere Druckgebern, beschrieben, die eine
das Piezoelement und eine Isolierhülse enthaltende Vorspannhülse und
ein an diese angeschweißtes
Anschlussstück
aufweisen.
-
Die
DE 2052356 A offenbart
ebenfalls einen Druckmesswertwandler, der mit einem Quarzresonator
aufgebaut ist.
-
Diese
Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 definierte Erfindung gelöst.
-
Gemäß der Erfindung
ist das druckmessende Element des Hochdrucksensors ein rohrförmiger Hohlkörper, der
an einem Ende durch eine Stirnwand verschlossen und am anderen Ende
ortsfest abgestützt
ist. Die Stirnwand wird an ihrer Außenseite mit dem zu messenden
Druck des Hochdruckfluids beaufschlagt, so daß der Hohlkörper durch das Hochdruckfluid
in axialer Richtung auf Druck beansprucht wird. Die hierdurch bedingte
Längenänderung
des Hohlkörpers
wird von einem Meßaufnehmer
erfaßt und
an eine elektronische Auswerteschaltung abgegeben, die dann ein
Drucksignal ausgibt.
-
Ein
wichtiger Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, daß der rohrförmige Hohlkörper nicht
auf Zug, sondern auf Druck beansprucht wird. Dies erlaubt eine praktisch
lineare Umsetzung des Fluiddrucks in eine Wegänderung, die dann mittels geeigneter
Meßaufnehmer
zum Erzeugen des Drucksignals erfaßt werden kann. Ausbauchungen des
rohrförmigen
Hohlkörpers
können
hierbei nicht auftreten. Für
den Hohlkörper
lassen sich daher nicht nur metallische, sondern auch keramische
oder glasartige oder kristalline Materialien verwenden.
-
Da
ferner der Hohlkörper
ein einfaches Bauteil ist und der Meßaufnehmer sowie die Auswerteschaltung
in einfacher Weise ausgebildet werden können, ist der erfindungsgemäße Hochdrucksensor konstruktiv
einfach und kostengünstig
herstellbar. Auch ist er äußerst robust,
so daß er
eine entsprechend hohe Anzahl von Lastspielen aushält. Die
hier in Betracht kommenden hohen Drücke von beispielsweise 2000
bis 3000 bar führen
bei entsprechender Gestaltung des Hohlkörpers zu erheblichen Längenänderungen,
die sich mit präzise
arbeitenden Meßaufnehmern
sehr genau erfassen lassen. Der erfindungsgemäß ausgebildete Hochdrucksensor
hat daher auch eine hohe Meßempfindlichkeit.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß keine
Leitungsdurchführungen
durch das das Hochdruckfluid enthaltende Gehäuse erforderlich ist.
-
Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung ist der Meßaufnehmer
ein Wegaufnehmer, der unmittelbar die Längenänderung des rohrförmigen Hohlkörpers erfaßt. Er kann
beispielsweise nach einem akustischen, kapazitiven, induktiven,
magnetischen oder optoelektronischen Meßprinzip arbeiten. Eine weitere
Möglichkeit
besteht darin, daß der
Wegaufnehmer ein Laufzeitbauteil in Form einer Leitschicht an der
Innenseite des Hohlkörpers
ist, das die Laufzeit einer Oberflächenwelle von einem Ende zum
anderen Ende des Hohlkörpers
erfaßt
und in Abhängigkeit
hiervon das Drucksignal erzeugt.
-
Gemäß einer
anderen Ausführungsform
der Erfindung ist der Innenraum des Hohlkörpers allseitig verschlossen
und mit einem druckübertragenden Medium
gefüllt,
so daß sich
bei Längenänderungen des
Hohlkörpers
der Druck des druckübertragenden Mediums ändert. Der
zu messende hohe Druck des Hochdruckfluids wird somit in einen niedrigeren Druck
des druckübertragenden
Mediums umgewandelt, der dann von einem herkömmlichen Druckaufnehmer erfaßt und zum
Erzeugen des eigentlichen Drucksignals verwendet wird.
-
Zweckmäßigerweise
ragt der Hohlkörper
in ein das Hochdruckfluid enthaltendes rohrförmiges Gehäuse, das den Hohlkörper mit
einem kleinen Spalt umgibt. Das rohrförmige Gehäuse kann beispielsweise die
Verteilerschiene (common rail) einer Kraftstoffeinspritzanlage einer
Brennkraftmaschine oder ein mit dieser fluiddicht verbundenes Teil
sein.
-
Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.
-
Anhand
der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele
der Erfindung näher
erläutert.
Es zeigt:
-
1 einen
schematischen Längsschnitt durch
eine Ausführungsform
eines Hochdrucksensors;
-
2 eine
der 1 entsprechende Ansicht eines geringfügig abgewandelten
Hochdrucksensors;
-
3 bis 7 schematische
Längsschnitte durch
den rohrförmigen
Hohlkörper
des Hochdrucksensors in den 1 und 2 in
Verbindung mit unterschiedlichen Ausführungsformen eines Wegaufnehmers;
-
8 eine
schematische Längsschnittansicht
durch eine weitere Ausführungsform
eines Hochdrucksensors.
-
Es
wird zunächst
auf 1 Bezug genommen. Ein rohrförmiges Gehäuse 1 enthält ein Hochdruckfluid
eines zu messenden Druckes p, der beispielsweise in der Größenordnung
von 2000 bis 3000 bar liegt. Wie bereits erwähnt, kann das rohrförmige Gehäuse die
Verteilerschiene einer Kraftstoffeinspritzanlage oder ein damit
verbundenes Rohr sein. Der zu beschreibende Hochdrucksensor läßt sich dann
zum Messen des Kraftstoffdrucks in der Verteilerschiene verwenden.
Es versteht sich jedoch, daß die
Anwendung hierauf nicht beschränkt
ist.
-
Der
Hochdrucksensor weist einen rohrförmigen Hohlkörper 2 auf,
dessen Umfangswand 4 an dem (in 1) linken
Ende durch eine Stirnwand 3 verschlossen und am rechten
Ende bezüglich
des rohrförmigen
Gehäuses 1 ortsfest
abgestützt
ist. Genauer gesagt, hat der Hohlkörper 2 an seinem rechten
Ende einen Flansch 5, der durch eine Mutter 6 gegen
das Stirnende des rohrförmigen
Gehäuses 1 festgespannt
ist. Zwischen dem Flansch 5 und dem Stirnende des Gehäuses 1 ist
eine Dichtung 7 angeordnet, so daß der das Hochdruckfluid enthaltende Innenraum
des Gehäuses 1 fluiddicht
verschlossen ist.
-
Wie
in 1 zu sehen ist, ist die Anordnung so getroffen,
daß die
Stirnwand 3 des Hohlkörpers 2 an
ihrer Außenseite
dem zu messenden Druck p des Hochdruckfluids ausgesetzt ist. Hierdurch
wird der Hohlkörper 2 ausschließlich auf
Druck beansprucht, was entsprechende Längenänderungen des Hohlkörpers 2 zur
Folge hat. Zwischen der Umfangswand 4 des Hohlkörpers 2 und
der Umfangswand des rohrförmigen
Gehäuses 1 ist
ein Spalt 8 vorgesehen. Der Spalt 8 wird so gewählt, daß er im
gesamten auftretenden Temperaturbereich (z. B. von –40°C bis 180°C) immer
so weit offenbleibt, daß es
zu keiner Berührung
zwischen dem Hohlkörper 2 und
dem rohrförmigen
Gehäuse 1 kommt
und keine Kapillarkräfte
wirksam werden können.
-
Der
Hohlkörper 2 und
das rohrförmige
Gehäuse 1 haben
vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt;
sie können
jedoch auch einen anderen Querschnitt haben.
-
Wie
schematisch angedeutet, hat die Stirnwand 3 eine wesentlich
größere Dicke
als die Umfangswand 4, so daß die Stirnwand 3 eine
hohe Steifigkeit im Vergleich zu der Umfangswand 4 hat.
Es kommt daher zu einer im wesentlichen linearen Umsetzung des Fluiddrucks
p in eine Wegänderung
der Stirnwand 3 durch die Umfangswand 4, die ausschließlich unter
einer Druckspannung steht. Der Hohlkörper 4 kann daher
nicht nur aus Stahl, sondern beispielsweise auch aus keramischen
oder glasartigen oder kristallinen Materialien (z. B. Quarz) bestehen.
Die Anordnung wird hierbei so getroffen, daß die Umfangswand 4 des
Hohlkörpers 2 im
gesamten Meßbereich
im linearen Teil der Hookschen Spannungs-Weg-Kennlinie bleibt. Der
Hohlkörper 2 kann somit
extrem hohen Fluiddrücken
ausgesetzt werden.
-
Die
Ausführungsform
der 2 entspricht der in 1, abgesehen
davon, daß die
Dichtung 7 bei der Ausführungsform
in 2 zwischen dem Flansch 5 des Hohlkörpers 2 und
der Mutter 6 angeordnet ist. Bei der Ausführungsform
der 2 braucht daher die innenliegende Anlagefläche der Mutter 6 nicht
so plan wie bei dem Ausführungsbeispiel
der 1 aus gebildet werden. Die Dichtung 7 besteht
beispielsweise aus Weicheisen.
-
Die
durch Änderungen
des Drucks p bedingten Längenänderungen
(Wegänderungen)
des Hohlkörpers 2 werden
mit Hilfe eines (in den 1 und 2 nicht
gezeigten) Meßaufnehmers
zum Erzeugen eines Drucksignals verwendet.
-
Die 3 bis 6 zeigen
verschiedene Ausführungsformen
eines Meßaufnehmers
in Form eines Wegaufnehmers 10, der in Abhängigkeit
von Längenänderungen
des Hohlkörpers 2 ein
Wegsignal erzeugt, das einer elektronischen Auswerteschaltung (nicht
gezeigt) zum Erzeugen des eigentlichen Drucksignals zugeführt wird.
Da derartige elektronische Auswerteschaltungen dem Fachmann bestens bekannt
sind, werden sie nicht weiter beschrieben. Ferner ist in den 3 bis 6 der
Einfachheit halber das rohrförmige
Gehäuse 1 weggelassen.
-
Bei
dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Wegaufnehmer 10 ein
Laufzeitbauteil 11 in Form einer Leitschicht an der Innenseite
der Umfangswand 4 des Hohlkörpers 2. Die Leitschicht kann
beispielsweise in der Weise hergestellt werden, daß der Hohlkörper 2 in
ein entsprechendes Flüssigbad
getaucht, geschleudert, belichtet und schließlich geätzt wird. Vorteilhafterweise
wird das Laufzeitbauteil 11 in Form zweier gegenüberliegender
Leitschichten 11a und 11b ausgebildet, die im
Bereich der Stirnwand 3 miteinander verbunden werden. Es entsteht
dann ein OFW-Bauteil, das sowohl die von dem Sender S durch die
Leitschicht 11a hinlaufende Oberflächenwelle wie auch die durch
die Leitschicht 11b zum Empfänger E zurücklaufende Oberflächenwelle
zum Erzeugen des Wegsignals ausnutzt. Das Laufzeitbauteil 11 kann
somit Teil eines Laufzeitoszillators bilden, wobei die Frequenz
des entstehenden Laufzeitsignals umgekehrt proportional und die
Periodendauer proportional zur Längenänderung
des Hohlkörpers 2 ist.
Dies läßt sich
in einer herkömmlichen
elektronischen Auswerteschaltung zum Erzeugen des Drucksignals verwenden.
-
Bei
dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Wegaufnehmer 10 einen
zylindrischen Innenkörper 2 auf,
der von dem (in 4) rechten Ende des Hohlkörpers 2 aus
mit vorgegebenem Abstand in das Innere des Hohlkörpers 2 ragt. Da nur
der Hohlkörper 2,
nicht jedoch der Innenkörper 12 dem
zu messenden Druck des Hochdruckfluids ausgesetzt ist, haben Längenänderungen
des Hohlkörpers 2 eine
Parallelverschiebung zwischen den sich gegenüberliegenden Umfangsflächen des Hohlkörpers 2 und
des Innenkörpers 12 zur
Folge. Sind die gegenüberliegenden
Umfangsflächen
mit Meßflächen versehen,
zwischen den beispielsweise ein elektrischer, magnetischer oder
optischer Fluß stattfindet,
so hat die Parallelverschiebung zwischen den gegenüberliegenden
Umfangsflächen
des Hohlkörpers 2 und
Innenkörpers 12 eine
entsprechende Änderung
des Flusses zur Folge, die dann zum Erzeugen des Wegsignals verwendet
werden kann.
-
Bei
dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Wegaufnehmer 10 als
kapazitiv arbeitender Wegaufnehmer ausgebildet. Der Wegaufnehmer 10 weist
zwei ringförmige
Elektroden 13, 14 auf, die in der Nähe der Stirnwand 3 an
den einander gegenüberliegenden
Umfangsflächen
des Hohlkörpers 2 und
des Innenkörpers 12 angebracht
sind. Der Hohlkörper 2 und
der Innenkörper 12 bestehen
aus einem elektrisch isolierenden Material wie z. B. Keramik. Bei einer
Längenänderung
des Hohlkörpers 2 kommt
es dann zu einer entsprechenden Kapazitätsänderung zwischen den Elektroden 13, 14,
die zum Erzeugen des Wegsignals verwendet wird.
-
Um
störende äußere Einflüsse auszuschalten,
sind bei dem Ausführungsbeispiel
der 4 zwei Vergleichselektroden 15, 16 im
Bereich des rechten Endes des Hohlkörpers 2 und des Innenkörpers 12 vorgesehen,
die eine Vergleichsmessung erlauben. Wie in 4 schematisch
angedeutet, ist an der Außenseite
des Innenkörpers 12 eine
elektronische Auswerteschaltung 17 angeordnet, die über Zuleitungen 18 und 19 mit
den Elektroden verbunden sind. Die Zuleitungen 18, 19 können, wie
dargestellt, durch den Innenkörper 12 hindurchgeführt oder
auch an der Oberfläche
des aus elektrisch isoliertem Material bestehenden Hohlkörpers 2 entlanggeführt werden.
-
Bei
dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Wegaufnehmer 10 als
magnetisch arbeitender Wegaufnehmer ausgebildet. Zu diesem Zweck
bestehen der Hohlkörper 2 und
der Innenkörper 12 aus
einem ferromagnetischen Material. Die Meßflächen an den einander gegenüberliegenden Umfangsflächen des
Hohlkörpers 2 und
des Innenkörpers 12 sind
so gestaltet, daß zwischen
den Meßflächen ein
Luftspalt 20 entsteht, der Teil eines durch den Hohlkörper 2 und
den Innenkörper 12 verlaufenden
Magnetkreises 22 bildet, wie in 5 durch
gestrichelte Linien schematisch angedeutet ist. Der Magnetkreis 22 verläuft hierbei über einen
sehr kleinen, jedoch großflächigen Luftspalt 21 zwischen
den einander gegenüberliegenden
Stirnseiten des Hohlkörpers 2 und
des Innenkörpers 22 an
ihrem rechten Ende. Längenänderungen
des Hohlkörpers 2 haben eine Änderung
des magnetischen Widerstandes im Luftspalt 20 zur Folge,
dessen Wert mit Hilfe von Hallelementen (nicht gezeigt) oder einer
Spule (nicht gezeigt) erfaßt
und zum Erzeugen des Wegsignals verwendet werden kann.
-
Eine
fertigungstechnisch einfachere Ausführungsform eines magnetisch
arbeitenden Wegaufnehmers 10 ist in 6 schematisch
angedeutet. Bei diesem Ausführungsbeispiel
ist die Innenseite des Hohlkörpers 2 mit
einer Dauermagnetschicht 23 versehen. Auf dem Innenkörper 12 wird
eine Meßeinrichtung
in Form eines magnetfelderzeugenden Bauelementes 24 und
eines magnetfeldmessenden Bauelementes 25, z. B. einer
Spule so angebracht, daß in
dem Luftspalt 20 zwischen der Dauermagnetschicht 23 und
der Meßeinrichtung
des Innenkörpers 12 ein
Magnetfluß entsteht.
Die Dauermagnetschicht 23 kann in der Weise erzeugt werden,
daß die
innere Umfangsfläche
des Hohlkörpers 2 mit
einem magnetischen Material beschichtet wird, das nach der Montage
durch einen Stromstoß in
einen Dauermag neten verwandelt wird. Längenänderungen des Hohlkörpers 2 haben
wiederum Änderungen
des Magnetflusses zur Folge, die durch ein Hallelement (nicht gezeigt)
oder ein GMR-Element (Giant Magnetic Resistor) zur Erzeugen des
Wegsignals erfaßt
werden.
-
Bei
dem in 7 dargestellten Ausführungsbeispiel ist an der Stirnwand 3 des
Hohlkörpers 2 ein stabförmiger Ansatz 26 angeformt,
der Wegänderungen
der Stirnwand 3 in die Ebene des (in 7)
rechten Stirnendes des Hohlkörpers 2 überträgt. Diese Lösung hat
den konstruktiven Vorteil, daß der
Wegaufnehmer nicht mehr im Inneren des Hohlkörpers 2 untergebracht
werden muß.
Wegänderungen
der Stirnwand 3 in Richtung des Pfeils x haben somit eine entsprechende
Wegänderung
der rechten Stirnfläche 27 des
Ansatzes 26 zur Folge, die mittels einfacher herkömmlicher
Wegaufnehmer (nicht gezeigt) erfaßt und zum Erzeugen des Wegsignals
ausgenutzt werden kann.
-
In
besonders einfacher Weise läßt sich
die Bewegung der an die Stirnfläche 27 anschließenden Kante
mit Hilfe des Lichtflusses eines elektrooptischen Aufnehmers (nicht
gezeigt) erfassen. Es versteht sich jedoch, daß auch andere Wegaufnehmer wie
z. B. akustisch, elektrisch oder magnetisch arbeitende Wegaufnehmer
verwendet werden können.
-
Bei
dem in 8 dargestellten Ausführungsbeispiel eines Hochdrucksensors
werden Längenänderungen
(Wegänderungen)
des Hohlkörpers 2 nicht unmittelbar,
sondern lediglich indirekt erfaßt.
Zu diesem Zweck ist der Innenraum des Hohlkörpers 2 allseitig
verschlossen und mit einem druckübertragenden
Medium gefüllt.
Der Meßaufnehmer
ist als Druckaufnehmer 30 ausgebildet, der sich aus einer
die rechte Seite des Hohlkörpers 2 verschließenden Scheibe 31 und
einem im Innenraum des allseitig geschlossenen Hohlkörpers 2 angeordneten
IC-Element 32 zusammensetzt. Die Scheibe 31 wird
von der Mutter 6 zusammen mit dem Flansch 5 des
Hohlkörpers 2 gegen
das rohrförmige
Gehäuse 1 festgespannt,
wobei die Scheibe 31 auf ihrer Außen seite über eine Strömungsverbindung 33 mit
dem Umgebungsdruck p0 beaufschlagt wird.
-
Änderungen
des zu messenden Drucks p1 im Inneren des
rohrförmigen
Gehäuses 1 führen zu
Längenänderungen
und entsprechenden Volumenänderungen
des Innenraums des Hohlkörpers 2,
was entsprechende Änderungen
des niedrigeren Drucks p2 im Innenraum des
Hohlkörpers 2 zur
Folge hat. Diese Änderungen
des Drucks p2 werden von dem druckmessenden
IC-Element 32 erfaßt
und zum Erzeugen des den Druck p1 darstellenden
Drucksignals verwendet.
-
Um
gegebenenfalls vorhandene temperaturabhängige störende Einflüsse auszuschalten, sollte bei
diesem Ausführungsbeispiel
zusätzlich
die Temperatur gemessen werden, um mit Hilfe von Kennlinienfeldern
das von dem IC-Element abgegebene Drucksignal so zu korrigieren,
daß ein
den tatsächlichen
Druck p1 darstellendes Drucksignal entsteht.