DE102004002138A1

DE102004002138A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung von physikalischen Eigenschaften eines Gases oder eines Gasgemisches im Bereich eines Hochfrequenz-Resonators

Info

Publication number: DE102004002138A1
Application number: DE200410002138
Authority: DE
Inventors: Ewald Schmidt; Jürgen Hasch; Hans-Oliver Ruoss; Jürgen Seidel; Klaus Linkenheil
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-01-15
Filing date: 2004-01-15
Publication date: 2005-08-04
Also published as: JP4488250B2; JP2007518083A; WO2005068986A1

Abstract

Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung von physikalischen Eigenschaften eines Mediums im Bereich eines Hochfrequenz-Resonators (20) vorgeschlagen, bei dem eine hochfrequente Wechselspannung in den Hochfrequenz-Resonator eingespeist und eine durch das Medium als Messvolumen bewirkte Permittivitätsänderung im Hochfrequenz-Resonator (20) ausgewertet wird. Vorteilhaft wird der Druck (21) oder die Druckdifferenz eines Gases oder eines Gasgemisch in einem geschlossenen Raum, vorzugsweise im Brennraum eines Verbrennungsmotors, ermittelt, der mittels des offenen Endes einer Wellenleiterstruktur des Hochfrequenz-Resonators (20) mit einem hochfrequenten Wechselfeld beaufschlagt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung von physikalischen Eigenschaften, insbesondere des Drucks eines Gases oder eines Gasgemisches im Bereich eines Hochfrequenz-Resonators.

Für sich gesehen ist es beispielsweise aus der DE 197 05 260 A1 oder der DE 43 42 505 C1 bekannt, dass zur Messung von physikalischen Eigenschaften fester Stoffe, insbesondere der Dichte, diese Stoffe einem HF-Resonator zugeführt werden und dann die hochfrequenten Signaländerungen ausgewertet werden. Hierbei wird dann die Resonanzverschiebung, beziehungsweise eine dadurch bewirkte Veränderung der Dielektrizitätskonstante weiterverarbeitet.

Es ist darüber hinaus beispielsweise aus der DE 198 52 652 A1 bekannt, dass bei einer Zündvorrichtung für einen Verbrennungsmotor in einem Kraftfahrzeug die Zündung eines Luft-Kraftstoff-Gemischs unter Verwendung eines koaxialen Leitungsresonators vorgenommen wird. Hierbei wird die Zündspule durch eine genügend starke Mikrowellenquelle, z.B. eine Kombination aus einem Hochfrequenzgenerator und einem Verstärker, ersetzt. Mit einem geometrisch optimierten koaxialen Leitungsresonator stellt sich dann die für die Zündung erforderliche Feldstärke am offenen Ende des kerzenähnlichen Leitungsresonators ein und zwischen den Elektroden der Kerze bildet sich mit dem Spannungsüberschlag eine zündfähige Plasmastrecke heraus.

Eine solche weitergebildete Vorrichtung ist außerdem in der nicht vorveröffentlichten DE 102 39 410.5 beschrieben, bei der durch eine in den Brennraum hineinragende Feldstruktur ein freistehendes Plasma im Luft-Kraftstoff-Gemisch zwischen dem aus der Wellenleiterstruktur einen vorgegebenen Betrag herausragenden Innenleiter und dem Außenleiter der Wellenleiterstruktur erzeugbar ist.

Bisherige Konzepte zur absoluten Druckmessung oder zur Differenzdruckmessung in Gasen werten in der Regel die Krafteinwirkung durch den zu messenden Druck auf einer Oberfläche und mit einem geeigneten Messprinzip die daraus resultierenden Veränderung eines elektrischen Signals aus. Hierzu werden in der Regel vier Gruppen von Messprinzipien angewendet, nämlich: federelastische Druckmessgeräte, wie Federbalg-, Kapselfeder oder Plattfedermanometer; Flüssigkeitsmanometer, wie U-Ror- oder Ringrohr-Manometer; Druckmessumformer nach dem induktiven, kapazitiven, piezoresistiven oder Dehnungsmessstreifenprinzip und unmittelbare elektrische Druckmessumformer, wie druckempfindliche Transistoren, Dioden, Schwingquarze oder Drucksensoren nach dem Prinzip der akustischen Oberflächenwellen (SAW = surface acustic wave).

Diese elektromechanischen Messprinzipien weisen aufgrund ihrer mechanischen Beanspruchungen, insbesondere durch wechselnde Spannungen im Werkstoff, verursacht durch Temperatur, Thermoschock und die Druckänderung selbst einen relativ hohen Verschleiß auf und besitzen daher keine ausreichende Langzeitstabilität.

Ferner ist zu beachten, dass wegen der kleinen Signalpegel und kleiner Signal/Rausch-Verhältnisse der Drucksensor und die damit verbundene, zugehörige Messschaltung darüber hinaus in räumlicher Nähe zueinander angeordnet sein sollten. Daraus folgt, dass zumindest ein Teil der Messschaltung direkt am Sensor angeordnet sein soll, wie beispielsweise durch die Integration einer Membran, eines Dehnungs-Messstreifens und der Messschaltung in einem Gehäuse. Hierdurch sind die einsatzerforderlichen Gestaltungsmöglichkeiten einer solchen Messvorrichtung stark eingeschränkt. Durch die räumliche Nähe von Sensor und Messschaltung ist die Einsatzhöchsttemperatur derartig aufgebauter Messvorrichtungen auf etwa 350°C begrenzt.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Erfassung von physikalischen Eigenschaften eines Mediums im Bereich eines Hochfrequenz-Resonators, bei dem eine hochfrequente Wechselspannung in den Hochfrequenz-Resonator eingespeist wird und eine durch das Medium als Messvolumen bewirkte Permittivitätsänderung im Hochfrequenz-Resonator ausgewertet wird. Erfindungsgemäß wird in vorteilhafter Weise der Druck oder die Druckdifferenz eines Gases oder eines Gasgemisch in einem Raum dadurch ermittelt, dass der Raum mittels des offenen Endes einer Wellenleiterstruktur des Hochfrequenz-Resonators mit einem hochfrequenten Wechselfeld beaufschlagt wird.

In vorteilhafter Weise wird gemäß der Erfindung das Gas oder das Gasgemisch in den Raum eingeführt oder es wirkt entsprechend in den HF-Resonator ein, so dass die sich durch eine Druckänderung ergebende Permittivitätsänderung der den Hochfrequenz-Resonator bildenden Anordnung durch Ermittlung der Hochfrequenzeigenschaften ausgewertet werden kann.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn während der Auswertung weitere das Messergebnis beeinflussende Größen, insbesondere die Temperatur und/oder sich hieraus ergebende mechanische oder elektrische Veränderungen des Hochfrequenz-Resonators, erfasst und zur Kompensation des Messergebnisses herangezogen werden. Bevorzugt kann dabei das Messvolumen das Gasgemisch das Luft-Kraftstoffgemisch im HF-Resonator sein, der mit dem Brennraum einer Brennkraftmaschine in Verbindung steht.

Gemäß einer vorteilhaften Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein dem Gas oder Gasgemisch ausgesetzter Hochfrequenz-Resonator, eine mit dem Hochfrequenz-Resonator verbundene Oszillatorvorrichtung, eine mit dem Hochfrequenz-Resonator und/oder der Oszillatorvorrichtung verbundenen Messeinrichtung vorhanden. Weiterhin kann vorteilhaft eine mit der Messeinrichtung verbundenen Auswertevorrichtung vorgesehen werden, die in Abhängigkeit von der Permittivitätsänderung des Hochfrequenz-Resonators ein Ausgangssignal erzeugt, das über eine geeignete Schnittstelle in einer übergeordneten Datenverarbeitungsanlage weiterverarbeitbar ist.

Gemäß der Erfindung wird somit der mit hochfrequenter Wechselspannung anregbare Resonator mit dem in dem Messvolumen enthaltene Gas oder das Gasgemisch in Verbindung gebracht und somit dessen Permittivität erfasst. Die mit einer Druckveränderung einhergehende Veränderung der Dichte des Gases oder Gasgemischs und die sich daraus ergebende Permittivitätsänderung verstimmt die Resonatorvorrichtung und führt zu einer Veränderung ihrer Hochfre quenzeigenschaften. Als sich verändernde Hochfrequenzeigenschaften sind hierbei insbesondere die Resonanzfrequenz, die Reflexion in Form von nach Betrag und Phase reflektierter Spannung oder, bei Ausführung der Resonatorvorrichtung als Zweitor, die Transmission in Form von nach Betrag und Phase übertragener Spannung sowie die elektrische Laufzeit zu nennen.

Der Vorteil gegenüber den bekannten Messmethoden ist, dass die Änderung der Permittivität augenblicklich erfolgt. Die Druckinformation ist dadurch sofort verfügbar, wobei die Zeitdauer zur Bestimmung des Drucks ausschließlich durch eine leicht zu verwirklichende, schnelle Auswerteelektronik bestimmt wird. Ferner sind keine mechanisch bewegbaren oder mechanisch veränderbaren Sensorkomponenten erforderlich, so das die erfindungsgemäße Anordnung praktisch verschleißfrei arbeitet und auch keine Berstgefahr besteht. Es kann ein hoher Druckmessbereich von sehr kleinen Drücken bis hohen Drücken von ca. 2000 bar über eine große Lebensdauer realisiert werden.

Ein Einsatz der erfindungsgemäßen Anordnung ist auch bei hohen Temperaturen möglich, das hier eine Trennung von Sensorelement und Auswerteschaltung problemlos möglich ist, wobei die Messung über der Frequenz skalierbar ist und somit auch miniaturisiert oder integriert werden kann. Bei einer geeigneten Wahl des Resonatorgebildes, z.B. ein koaxialer Leitungsresonator, und einer geeigneten Materialauswahl kann dieser somit unter extremen Umgebungsbedingungen eingesetzt werden. Die Messgeschwindigkeit wird im Prinzip nur durch die Auswerteschaltung begrenzt.

Es ergeben sich somit zusammenfassend neben der hohen Messempfindlichkeit des Verfahrens auch große Freiheitsgrade bei der konstruktiven Auslegung der Messvorrichtung und nahezu keine Einschränkungen hinsichtlich des Einbauortes. Ferner ist ein hohes Potenzial zu Miniaturisierung vorhanden und bei einer Ausführung der Erfindung zur Druckmessung am Verbrennungsmotor kann auch eine Klopfsensierung durchgeführt werden.

Zur Kompensation von das Messergebnis beeinträchtigenden Temperatureinflüssen kann ein mit dem Messvolumen und/oder mit dem Hochfrequenz-Resonator in Verbindung stehender Temperatursensor vorhanden sein. Auch kann mindestens ein zusätzlicher Referenz-Resonator vorhanden sein, der mit Ausnahme des zu bestimmenden Drucks den gleichen physikalischen Einflüssen wie der Hochfrequenz-Resonator ausgesetzt ist und mit dem eine Kompensation von Temperatureinflüssen bewirkbar ist, wobei der zusätzliche Referenz-Resonator einem Vakuum ausgesetzt werden kann.

Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
1 eine Prinzipansicht einer Vorrichtung zum hochfrequenten Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemischs in einem Verbrennungsmotor,
2 eine schematische Darstellung der Funktionsweise einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Druckmessung in einem Brennraum eines Verbrennungsmotors mit einer Kompensation des Temperatureinflusses anhand eines Temperatursensors und
3 eine schematische Darstellung der Funktionsweise einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Kompensation des Temperatureinflusses anhand eines Referenz-Resonators.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 ist eine Prinzipansicht einer, in der eingangs erwähnten nicht vorveröffentlichten DE 102 39 410.5 beschriebenen Vorrichtung zum hochfrequenten Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemischs gezeigt, die Bestandteile einer sogenannten Hochfrequenzzündkerze 1 aufweist. Es sind hier im einzelnen ein HF-Generator 2 und ein eventuell auch verzichtbarer Verstärker 3 vorhanden, die als Mikrowellenquelle die hochfrequenten Schwingungen erzeugen. Schematisch ist hier eine induktive Einkopplung 4 der hochfrequenten Schwingungen in eine als λ_eff/4-Resonator 5 aufgebaute koaxiale Wellenleiterstruktur als wesentlicher Bestandteil der Hochfrequenzzündkerze 1 gezeigt.
Der koaxiale Resonator 5 besteht aus einem Außenleiter 6 und einem Innenleiter 7, wobei das eine sogenannte offene oder heiße Ende 8 des Resonators 5 mit dem Innenleiter 7, hier als gegenüber dem Außenleiter 6 über eine Dichtung 11 isolierten Zündstift 7a, die Zündung bewirkt. Für die hochfrequenten Schwingungen stellt das andere sogenannte kalte brennraumferne Ende 9 des Resonators 5 einen Kurzschluss dar. Das Dielektrikum 10 zwischen dem Außenleiter 6 und einem Innenleiter 7 besteht im wesentlichen aus Luft oder aus einem geeigneten nichtleitenden Material. Bei dieser Hochfrequenzzündkerze 1 wird das Prinzip der Feldüberhöhung in einem koaxialen Resonator 5 der Länge (2n+l)·λ_eff/4 mit n ≥ 0 genutzt.
Die Vorrichtung nach der 1 kann beispielsweise die Grundlage für die erfindungsgemäße Druckmessung das Gasgemischs, hier Luft-Kraftstoffgemisch im Brennraum des nicht dargestellten Verbrennungsmotors, darstellen. Ein in 2 dargestelltes Funktionsschema veranschaulicht die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Druckmessung. Eine Vorrichtung mit einem Hochfrequenz-Resonator 20 ist dem Druck 21 des in einem Messvolumen, bzw. Brennraum befindlichen Gasgemischs ausgesetzt, so dass das Gasgemisch in den Hochfrequenz-Resonator 20 eindringt oder auf diesen einwirkt. In Abhängigkeit von den physikalischen Eigenschaften, hier insbesondere dem Druck 21 des Gasgemischs werden die Hochfrequenzeigenschaften des Hochfrequenz-Resonators 20 verändert.
Der Hochfrequenz-Resonator 20 ist mit einer Oszillatorvorrichtung 22 verbunden, welche eine hochfrequente Wechselspannung erzeugt und in den Hochfrequenz-Resonator 20 einspeist. Der Hochfrequenz-Resonator 20 und die Oszillatorvorrichtung 22 bilden gemeinsam einen Schwingkreis, dessen Resonanzfrequenz durch eine Veränderung der Permittivität des Hochfrequenz-Resonators 20 verändert wird, was mittels einer Frequenzmesseinrichtung 23 bestimmt werden kann. Weiterhin kann mittels einer Temperaturmessung 24 und unter Einbeziehung weiterer Umgebungsmessgrößen 25 in einer Auswerteinrichtung 26 die Druckmessung anhand der nachfolgend beschriebenen Auswertung der Permittivitätsänderung durchgeführt werden.
Für den zuvor erwähnten Schwingkreis aus den Bausteinen 20 und 21 ist die Resonanzfrequenz für eine bestimmte Permittivität, beispielsweise durch Messung bei der Herstellung in einem Referenzgas unter Referenzdruck oder durch Messung unter Referenzdruck vor einer Druckmessung bekannt. Eine Druckänderung bewirkt dann eine Dichteänderung des in dem Messvolumen, hier Brennraum, enthaltenen Gases, wodurch eine Veränderung der Permittivität des Hochfrequenz-Resonators 20 erfolgt. Der Zusammenhang zwischen der Dichte und der Permittivität eines Gases kann durch das Gesetz von Clausius-Mossotti beschrieben werden:
mit der Molmasse M, der Dichte des Gases ρ, der Avogadro-Konstante N_A und der Polarisierbarkeit α.
Die Dichte verhält sich hierbei wie der Druck unter der Vorrausetzung, dass die Temperatur und das Volumen konstant bleiben, was unter Einbeziehung der zuvor erwähnten Temperaturmessung berücksichtigt werden kann.
Dem Grad der Verschiebung der Resonanzfrequenz des Schwingkreises 20,21 durch die Permittivitätsänderung ε₁ nach ε₂ kann dann wiederum eine bestimmte Dichte- und Druckänderung zugeordnet werden. Eine Frequenzverschiebung von f₁ nach f₂ wird mittels der Frequenzmesseinrichtung 23 gemessen und von dieser an die Auswertevorrichtung 26 weitergegeben.
Geht man beim beschriebenen Ausführungsbeispiel von einem koaxialen Leitungsresonator als Hochfrequenz-Resonator 20 aus, so besteht folgender Zusammenhang zwischen der Permittivität ε und der Resonanzfrequenz f:
Hierdurch ist somit gezeigt, dass die Bestimmung des Drucks durch die Veränderung der Resonanzfrequenz des Hochfrequenz-Resonators 20 möglich ist.
In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Aufbau der Messvorrichtung dargestellt, wobei anstelle einer Kompensation des Temperatureinflusses nach der 2 durch einen Temperatursensor 14, parallel zu dem für die Druckmessung vorgesehenen Hochfrequenz-Resonator 20 ein identischer Referenz-Resonator 30 mit einer eigenen Oszillatorvorrichtung 31 angeordnet ist, welcher mit Ausnahme des Drucks denselben Umgebungsbedingungen wie der für die Druckmessung verwendete Hochfrequenz-Resonator 20 ausgesetzt ist.
Die mittels der Frequenzmesseinrichtung 23 bestimmbare Differenz zwischen der Resonanzfrequenz f der beiden Schwingkreise 20,22 und 30,31 nach der 3 ist ein direktes Maß für den Einfluss des Druckes 21 in dem Messvolumen auf die Permittivität ε unter Eliminierung des Temperatureinflusses im Messvolumen bzw. im Brennraum.

Claims

Verfahren zur Erfassung von physikalischen Eigenschaften eines Mediums im Bereich eines Hochfrequenz-Resonators, bei dem – eine hochfrequente Wechselspannung in den Hochfrequenz-Resonator (20) eingespeist wird und eine durch das Medium als Messvolumen bewirkte Permittivitätsänderung im Hochfrequenz-Resonator (20) ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, dass – der Druck (21) oder die Druckdifferenz eines Gases oder eines Gasgemisch als Messvolumen in einem Raum ermittelt wird, der mittels des offenen Endes einer Wellenleiterstruktur des Hochfrequenz-Resonators (20) mit einem hochfrequenten Wechselfeld beaufschlagt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – das Gas oder das Gasgemisch in den Raum eingeführt wird oder einwirkt und dass – die sich durch eine Druckänderung ergebende Permittivitätsänderung der den Hochfrequenz-Resonator (20) bildenden Anordnung durch Ermittlung der Hochfrequenzeigenschaften ausgewertet wird, wobei insbeson dere eine Änderung der Resonanzfrequenz, eine Änderung der reflektierten Spannung nach Betrag und Phase, eine Änderung der übertragenen Spannung nach Betrag und Phase oder die elektrische Laufzeit der Signale ausgewertet werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass – während der Auswertung weitere das Messergebnis beeinflussende Größen, insbesondere die Temperatur (24) und sich hieraus ergebende mechanische oder elektrische Veränderungen des Hochfrequenz-Resonators (20), erfasst und zur Kompensation des Messergebnisses herangezogen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass – das Messvolumen mit dem Brennraum einer Brennkraftmaschine in Verbindung steht.
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – ein dem Gas oder Gasgemisch ausgesetzter Hochfrequenz-Resonator (20), eine mit dem Hochfrequenz-Resonator (20) verbundene Oszillatorvorrichtung (22), eine mit dem Hochfrequenz-Resonator (20) und/oder der Oszillatorvorrichtung (22) verbundenen Messeinrichtung (23) vorhanden ist und dass – eine mit der Messeinrichtung (23) verbundenen Auswertevorrichtung (26) vorhanden ist, die in Abhängigkeit von der Permittivitätsänderung des Hochfrequenz-Resonators (20) ein Ausgangssignal erzeugt, das über eine geeignete Schnittstelle in einer übergeordneten Datenverarbeitungsanlage weiterverarbeitbar ist.
Messvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass – ein mit dem Messvolumen und/oder mit dem Hochfrequenz-Resonator (20) in Verbindung stehender Temperatursensor (24) vorhanden ist, mit dem eine Kompensation von Temperatureinflüssen bewirkbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass – mindestens ein zusätzlicher Referenz-Resonator (30) vorhanden ist, der mit Ausnahme des zu bestimmenden Drucks (21) den gleichen physikalischen Einflüssen wie der Hochfrequenz-Resonator (20) ausgesetzt ist und mit dem eine Kompensation von Temperatureinflüssen bewirkbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass – der zusätzliche Referenz-Resonator (30) einem Vakuum ausgesetzt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 82, dadurch gekennzeichnet, dass – die hochfrequenten Schaltungsbauteile und die Vorrichtungen zur Auswertung der Signale der hochfrequenten Schaltungsbauteile als integrierte Schaltung räumlich in unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass – das der Hochfrequenz-Resonator Bestandteil einer Zündvorrichtung am Brennraum einer Brennkraftmaschine ist.