DE102005043688B4

DE102005043688B4 - Vorrichtung zur Messung eines Drucks innerhalb eines Brennraums einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102005043688B4
Application number: DE102005043688.9A
Authority: DE
Inventors: Oliver Stoll; Janpeter Wolff
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-09-14
Filing date: 2005-09-14
Publication date: 2016-11-24
Anticipated expiration: 2025-09-15
Also published as: DE102005043688A1

Abstract

Vorrichtung zur Messung eines Drucks (p), wobei ein Druck über einen Druck-Kraft-Wandler (2) an einen Kraftsensor (6) geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck-Kraft-Wandler (2) mit einem axial in einem Hülsenkörper (4) verschiebbaren Kraftübertragungselement (8, 12, 15, 17) ausgebildet ist, welches an seiner dem Druckangriff abgewandten Seite mit einer Sensormembran (16) des Kraftsensors (6) in Wirkverbindung steht und auf der Sensormembran (16) zwei Widerstände (R1, R2) in einer Brückenschaltung zur Messung der mechanischen Spannung der Sensormembran (16) angeordnet sind, wobei die Widerstände (R1, R2) in einem äußeren Randbereich (20) der Sensormembran (16) angeordnet sind und zueinander um wenigstens annähernd 90° versetzt angeordnet sind.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung eines Drucks, insbesondere des Drucks innerhalb eines Brennraums einer Brennkraftmaschine, nach der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art.
Sowohl zu Prüfzwecken im Bereich der Diagnose als auch zur Durchführung eines Motormanagements ist der Brennraumdruck eine wichtige Größe, welche optimalerweise on-line ermittelt wird. Mit Kenntnis des Brennraumdrucks kann im Motormanagement beispielsweise zwischen einer homogenen und teilhomogenen Verbrennung unterschieden werden sowie die Emissionen und der Geräuschpegel insbesondere bei einem Dieselmotor reduziert werden. Zudem ist die Ermittlung des Brennraumdrucks auch bei der Erkennung und Vermeidung von Motorfehlern hilfreich.
Da bei modernen Motoren das Platzangebot in der Nähe der Brennkammern sehr eingeschränkt ist und kein zusätzlicher Kanal zur Verfügung gestellt werden kann, wird in der Praxis ein Verbrennungsraumdrucksensor in bereits vorhandene Bauelemente integriert, wobei insbesondere die Integration in eine Glühstiftkerze favorisiert wird.
Die DE 41 32 842 A1 offenbart eine in einer Halterung angeordnete Glühkerze, wobei achsparallel zu der Glühkerze eine weitere Bohrung zur Aufnahme eines Drucksensors vorgesehen ist, um den Druck in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine zu messen. Nachteilig ist hierbei, dass für die Anordnung des Sensors zusätzlicher Bauraum benötigt wird, der bei modernen Brennkraftmaschinen aufgrund des engen verfügbaren Bauraumes nur sehr begrenzt oder nicht zur Verfügung gestellt werden kann.
Aus der DE 103 46 330 A1 ist eine Druckmessglühkerze bekannt, bei welcher ein ringförmiger Drucksensor in einem Kerzenkörper und zwischen diesem und dem Heizstab so angeordnet ist, dass er durch die über den Kerzenkörper übertragene Kraft belastet wird. Nachteilig dabei ist, dass die im Betrieb der Glühkerze auftretende Vibrationen das Messsignal verfälschen, insbesondere da aufgrund der geringen Eigenresonanzfrequenz der Glühkerze die Resonanzfrequenz im nutzbaren Frequenzbereich liegt, so dass eine Filterung nur unzureichend möglich ist und das Signal in diesem Frequenzbereich nur eingeschränkt nutzbar ist.
DE 41 06 102 A1 hat einen Druckgeber zur Druckerfassung im Brennraum von Brennkraftmaschinen zum Gegenstand, in dessen auf einer Seite von einer Membran abgeschlossenem Gehäuse ist ein aus einem piezoresistiven Werkstoff bestehendes Messelement angeordnet. Zwischen der Membran und dem Messelement befindet sich ein Stempel, der den zu bestimmenden Druck auf das Messelement einleitet. Das Messelement ist Teil eines monokristallinen Silizium-Chips, der eine piezoresistive Brückenschaltung, eine das Messsignal verstärkende Verstärkerschaltung und zusätzliche Elemente zur Temperaturkompensation des Nullpunktes und der Empfindlichkeit aufweist.
DE 195 38 854 C1 hat ebenfalls einen Druckgeber zur Druckerfassung im Brennraum von Brennkraftmaschinen zum Gegenstand. Im Gehäuse des Druckgebers ist eine Bohrung ausgebildet, wobei in der Bohrung ein Stempel angeordnet ist, der mit seinem einen Ende direkt auf einem Messelement aufliegt und auf dieses einwirkt, so dass ein dem zu bestimmenden Druck proportionales Messsignal erzeugt wird. Die Fließgrenze des Werkstoffs des Stempels ist kleiner als die Bruchgrenze des Materials des Messelementes. Das eine auf dem Messelement aufliegende Ende des Stempels ist ballig ausgebildet, wobei das ballige Ende des Stempels mit einer so großen Kontaktfläche auf dem Messelement aufliegt, dass die auftretenden mechanischen Spannungen einen vorgegebenen Sollwert nicht überschreiten.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Messung eines Drucks innerhalb eines Brennraums einer Brennkraftmaschine zu schaffen, welche wenig Bauraum erfordert und zuverlässige Druckwerte liefert.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung sieht vor, dass eine Vorrichtung zur Messung eines Drucks, insbesondere eines Drucks innerhalb eines Brennraums einer Brennkraftmaschine, bei der ein Druck über einen Druck-Kraft-Wandler an einen Kraftsensor geführt wird, derart ausgestaltet ist, dass der Druck-Kraft-Wandler mit einem axial in einem Hülsenkörper verschiebbaren Kraftübertragungselement ausgebildet ist, welches an seiner dem Druckangriff abgewandten Seite mit einer Sensormembran des Kraftsensors in Wirkverbindung steht.
Die Signalwandlung erfolgt somit in einem von dem Druckraum entfernten Bereich, in den die Kraft übertragen wird. Dies hat den Vorteil, dass im Bereich des Raums, in dem der Druck zu messen ist, nur ein geringer Bauraum benötigt wird, da der mehr Bauraum beanspruchende Kraftsensor entfernt hierzu in einem Bereich mit größerem Bauraumangebot angeordnet werden kann. Auf diese Weise ist eine größere Auswahl an tauglichen Messelementen und Messprinzipien bei der Realisierung des Kraftsensors anwendbar, da auch größer bauende Sensorelemente zum Einsatz kommen können.
Weiterhin vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Druckmessung bei Druckräumen mit hohen Temperaturen, da durch die Entfernung des Kraftsensors von dem Druckraum die Messelemente auf deutlich niedrigerem Temperaturniveau gehalten werden können als dies bei einer Platzierung direkt an dem Druckraum möglich wäre. Auch durch die Einschränkung der maximalen Temperatur erhöht sich die Auswahl der verwendbaren Messelemente, so dass z. B. bei einer maximalen Temperatur von 150°C herkömmliche Metalldünnschicht-Dehnmessstreifen oder piezoresistive Sensorelemente, z. B. basierend auf Silizium, verwendet werden können.
Mit diesen Vorteilen eignet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung insbesondere zur Druckmessung in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine, da bei einem Brennraum sowohl ein sehr geringes Platzangebot als auch ein sehr hohes Temperaturniveau gegeben ist.
Der Druck-Kraft-Wandler kann mit einer Membran zur Druckaufnahme ausgebildet sein, welche den aufgenommenen Druck als Kraft an das axial verschiebbare Kraftübertragungselement weitergibt.
Alternativ hierzu kann das Kraftübertragungselement gleichzeitig auch den Druck aufnehmen, so dass auf eine Membran im Bereich des Druckraumes verzichtet werden kann. Dies ist insbesondere bei einem Brennraum von Vorteil, da durch den Verzicht auf eine Membran auf der dem Brennraum zugewandten Seite des Kraftübertragungselements eine Verschmutzung und Beeinträchtigung der Membran durch Ruß vermieden werden kann.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist weiterhin den Vorteil auf, dass sie mit ihrem bauraumsparenden Aufbau problemlos in andere Vorrichtungen integrierbar ist, so dass beispielsweise eine Glühkerze mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ausstattbar ist, um den Druck innerhalb eines Brennraums einer Brennkraftmaschine zu detektieren.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung sind auf der Sensormembran als Sensorelemente Widerstände in einer Brückenschaltung zur Messung der mechanischen Spannung in der Sensormembran angeordnet, wobei bestimmte Anordnungen der Widerstände auf der Sensormembran bzw. ihre Orientierung zueinander vorteilhaft im Hinblick auf die Vermeidung von Störsignalen sind. Dabei hat es sich gezeigt, dass bestimmte Anordnungen besonders geeignet zur Kompensation von Störsignalen, welche durch transversale Schwingungen des axial verschiebbaren Kraftübertragungselements bezogen auf dessen Längsachse hervorgerufen werden, sind.
Bei einer solchen besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung nach der Erfindung können auf der Sensormembran vier Widerstände in einer Brückenschaltung angeordnet sein, wobei die Widerstände in einem äußeren Randbereich der Sensormembran angeordnet sind und je zwei Widerstände zueinander um annähernd 90° versetzt angeordnet sind. Hierbei kann jeweils ein Paar um 90° zueinander versetzt angeordneter Widerstände punktsymmetrisch bezüglich eines Mittelpunkts der Sensormembran oder symmetrisch bezüglich einer Halbierenden der Sensormembran zu dem weiteren Paar Widerstände angeordnet sein.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Vorteile der Vorrichtung nach der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.
Zeichnung
In der Zeichnung sind mehrere bevorzugte Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung zur Messung eines Drucks innerhalb eines Brennraums einer Brennkraftmaschine schematisch vereinfacht dargestellt, welche in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert werden. Es zeigt:
1 einen schematisierten Längsschnitt durch eine Vorrichtung zur Druckmessung, bei der ein Druck-Kraft-Wandler mit einer Membran zur Druckaufnahme auf der dem Brennraum zugewandten Seite eines axial verschiebbaren Kraftübertragungselements ausgebildet ist;
2 einen schematisierten Längsschnitt durch eine weitere Vorrichtung zur Druckmessung, bei der der Druck-Kraft-Wandler mit einem axial verschiebbaren Kraftübertragungselement ausgebildet ist, welches gleichzeitig auch den Druck aufnimmt;
3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführung einer Vorrichtung zur Druckmessung;
4 eine Draufsicht auf die Vorrichtung der 3;
5 eine Darstellung der Einwirkung von Kräften auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung;
6 eine schematische Darstellung einer Wheatstone-Vollbrücke;
7 eine schematische Darstellung einer Wheatstone-Halbbrücke;
8 eine Anordnung von Piezo-Widerständen auf einer Sensormembran der Vorrichtung nach 1 oder 2;
9 eine weitere Anordnung von Piezo-Widerständen auf einer Sensormembran;
10 eine weitere Anordnung von Piezo-Widerständen auf einer Sensormembran;
11 eine weitere Anordnung von Piezo-Widerständen auf einer Sensormembran;
12 eine weitere Anordnung von Piezo-Widerständen auf einer Sensormembran; und
13 eine weitere Anordnung von Piezo-Widerständen auf einer Sensormembran.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Die 1 bis 4 zeigen jeweils eine Vorrichtung 1 zur Messung eines Drucks p innerhalb eines in der Zeichnung nur symbolisch angedeuteten Brennraums 10 einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges, wobei zur Druckmessung ein Druck-Kraft-Wandler 2 vorgesehen ist, über den der Brennraumdruck p in eine Kraft F gewandelt und an einen Kraftsensor 6 geführt wird.
Bei der Ausführung nach 1 ist der Druck-Kraft-Wandler 2 mit einer Membran 3 ausgebildet, welche den Druck p aufnimmt, in eine Kraft F wandelt und an ein axial in einem Hülsenkörper 4 verschiebbares Kraftübertragungselement 8 weitergibt, welches an seiner dem Druckangriff abgewandten Seite mit einer Sensormembran 16 des Kraftsensors 6 in Wirkverbindung steht. Der Kraftsensor 6 ist bei den gezeigten Ausführungen als piezoresistiver Sensor ausgebildet, womit das Drucksignal p über den Druck-Kraft-Wandler 2 in ein proportionales Spannungssignal U umgewandelt wird.
Das axial verschiebbare Kraftübertragungselement 8 ist bei der Ausführung nach 1 in einfacher Weise als ein Stößel ausgebildet, welcher einerseits mit der Membran 3 und andererseits mit der Sensormembran 16 des Kraftsensors 6 in Wirkverbindung steht.
Die 2 zeigt eine alternative Ausführung der Vorrichtung 1 zur Messung eines Drucks p im Brennraum 10 einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges, wobei hier ein Druck-Kraft-Wandler 2 zum Einsatz kommt, welcher integraler Bestandteil einer Glühkerze ist. Zur Aufnahme des Drucksignals p seitens des Brennraums 10 dient ein Glühkerzenstift 12, welcher in dem Hülsenkörper 4 axial verschieblich gelagert ist und an seinem Umfang über eine hier als O-Ring ausgeführte Dichteinrichtung 11 gegenüber dem Hülsenkörper 4 gedichtet ist. An seiner dem Brennraum 10 abgewandten Seite schließt sich an den Glühkerzenstift 12 als axial verschiebliches Kraftübertragungselement des Druck-Kraft-Wandlers 2 eine Hülse 15 an, welche an ihrem dem Glühkerzenstift 12 abgewandten Ende mit der Sensormembran 16 des Kraftsensors 6 zusammenwirkt.
Vorzugsweise weist der Glühkerzenstift 12 bei einer derartigen Ausführung eine Länge auf, die geringer ist als die halbe Länge der Hülse 15, wobei ein Teil des Glühkerzenstiftes 15 aus dem Hülsenkörper 4 axial in Richtung des Brennraumes 10 herausragt.
An seinem der Hülse 15 zugewandten Ende ist der Glühkerzenstift 12 mit einer Stromzuführeinrichtung 14 gekoppelt, welche innerhalb der der Kraftübertragung dienenden Hülse 15 geführt ist und eine zentrale Ausnehmung 19 der Sensormembran 16 durchtritt.
Die Verwendung der Hülse 15 zur Kraftübertragung auf die Sensormembran 16 ist dahingehend vorteilhaft gegenüber der Verwendung eines Stößels als Kraftübertragungselement, dass eine Hülse eine höhere Steifigkeit, eine geringere Masse und eine höhere Resonanzfrequenz aufweist als ein massiver Stößel. Beispielsweise hat ein massiver Stößel mit einer Länge von 40 mm und 3 mm Durchmessern eine Resonanzfrequenz von 3,82 kHz, während eine Hülse mit gleicher Länge und einem Außendurchmesser von 3 mm und einem Innendurchmesser von 2 mm eine Resonanzfrequenz von 4,6 kHz hat.
Für den Fall, dass das nutzbare Signal unterhalb dieser Resonanzfrequenz liegt, ist eine Hülse als Kraftübertragungselement einem massiven Stößel überlegen, da die bei einer Hülse auftretenden longitudinalen Resonanzfrequenzen aufgrund der größeren Ausbreitungsgeschwindigkeiten der Welle bei gleicher Geometrie bedeutend höher und nicht störend sind, während die niedrige Resonanzfrequenz bei transversalen Schwingungen des Stößels die Übertragung des im gleichen Frequenzbereich liegenden Messsignals an ein Steuergerät gegebenenfalls stören kann.
Darüber hinaus hat eine Hülse als Kraftübertragungselement den Vorteil, dass in ihrer Mitte weitere Bauteile wie z. B. ein Anschlussbolzen für einen Glühkerzenstift geführt werden können.
Die 3 und 4 zeigen eine weitere Ausführung einer Vorrichtung 1 zum Messen eines Drucks p in einem Brennraum 10, wobei der Druck-Kraft-Wandler wie bei der Ausführung nach 1 mit einer Membran 3 an seinem dem Brennraum 10 zugewandten Ende ausgebildet ist und als axialbewegliches Kraftübertragungselement eine Hülse 17 aufweist, welche an ihrer der Membran 3 abgewandten Seite an die Sensormembran 16 des Kraftsensors 6 gekoppelt ist.
Wie der 3 zu entnehmen ist, ist die Sensormembran 16 in ihrem Querschnitt hier S-förmig bzw. Doppel-U-förmig mit zwei radialen Schenkeln 16A und 16C und einem axialen Schenkel 16B ausgebildet. Der äußere radiale Schenkel 16C ist dabei mit dem Hülsenkörper 4 verbunden, und der innere radiale Schenkel 16A ist mittels eines Bosses 18 mit der kraftübertragenden Hülse 17 verbunden.
Vorteilhaft kann als Membran eine Stahlmembran verwendet werden, wobei auch andere Materialien, wie beispielsweise Silizium verwendbar sind. Stahl hat jedoch den Vorteil, dass es eine geringe Sprödigkeit aufweist und mit dem äußeren Hülsenkörper 4 bei dessen Ausgestaltung aus Stahl besser verbindbar ist.
Auf der Sensormembran 16 sind Sensorelemente angeordnet, um die Krafteinkopplung auf die Sensormembran 16 zu detektieren. Als Sensorelemente werden bei den gezeigten vorteilhaften Ausführungen Piezo-Widerstände verwendet.
Eine vorteilhafte Membranform wie bei den Ausführungen der 2 und 3 stellt eine Ringmembran mit einer zentralen Ausnehmung 19 dar, wobei auch eine geschlossene im Wesentlichen tellerförmige Membran ohne zentrale Ausnehmung wie bei 1 verwendbar ist.
Die 5 zeigt schematisch die Krafteinwirkung auf die Hülse 17 gemäß 3. Dabei kann eine axiale Kraft F_y einwirken und/oder eine transversale Kraft F_x. Die axiale Kraft F_y tritt entlang Längserstreckung der Hülse 17 auf und entspricht der Kraft des Nutzsignals. Sie tritt ebenfalls bei longitudinalen Schwingungen auf. Die transversale Kraft F_x tritt auf bei transversalen Schwingungen der Hülse 17.
Finite-Elemente-Berechnungen haben gezeigt, dass bei axialer Krafteinwirkung auf die Hülse 17 ein radiales Zugmaximum am inneren Rand der Sensormembran 16 und ein radiales Druckmaximum am äußeren Rand der Sensormembran 16 auftritt. Die Tangentialspannung ist am inneren Rand der Sensormembran 16 maximal und verschwindet am äußeren Rand. Die gesamte Spannungsverteilung ist dabei radialsymmetrisch.
Bei einer transversalen Krafteinwirkung senkrecht zur Längsachse der Hülse 17 tritt ebenfalls ein radiales Zugmaximum und ein Druckmaximum am inneren bzw. äußeren Rand der Sensormembran 16 auf. Es entspricht jedoch das Druckmaximum auf der einen Seite der Sensormembran 16 dem Zugmaximum auf der anderen Seite der Sensormembran 16 und umgekehrt. Der Betrag der Spannungsverteilung ist punktsymmetrisch um den Mittelpunkt der Sensormembran 16 angeordnet, und die Spannungsverteilung selbst ist spiegelsymmetrisch in der Ebene senkrecht zur transversalen Auslenkung. Das gleiche gilt auch für die Tangentialspannung, wobei hier der Betrag der Tangentialspannung am inneren Rand der Sensormembran 16 maximal ist.
Durch eine definierte Verteilung und Orientierung der Sensorelemente und ihre Verschaltung zu einer Wheatstone-Brücke kann erreicht werden, dass im Fall der transversalen Krafteinwirkung bzw. der transversalen Schwingung das parasitäre Signal kompensiert wird, während sich im Fall der axialen Krafteinwirkung bzw. der longitudinalen Belastung aufgrund des zu messenden Drucks p ein Maximum des Signals ausbildet.
Die 6 zeigt eine bekannte Wheatstone-Vollbrücke, bei welcher vier mit mechanischer Belastung belastete Piezo-Widerstände R1, R2, R3 und R4 in der Brücke angeordnet sind. Die 7 zeigt eine bekannte Wheatstone-Halbbrücke, bei der zwei unter mechanischer Belastung stehende Piezo-Widerstände R1 und R2 in einem Zweig der Brücke angeordnet sind und zwei unbelastete Piezo-Widerstände R in dem anderen Zweig angeordnet sind. In dieser Variante können die konstanten Widerstände auch extern angeordnet sein.
Die Widerstandsänderung eines piezoresistiven Sensorelements als Einzelwiderstand bestimmt sich nach der Formel: ΔR/R = π_Lσ_L + π_Tσ_T.
Dabei ist σ_L die Spannung longitudinal zur Stromrichtung und σ_T die Spannung transversal zur Stromrichtung. π_L und π_T sind die piezoresistiven Koeffizienten.
Für Silizium (Si) in (110)-Richtung haben sie die Werte π_L = 70·10^–11 1/Pa und π_T = –66·10^–11 1/Pa, wobei hier wesentlich die Vorzeichenumkehr zwischen den beiden Koeffizienten ist, so dass bei transversaler und longitudinaler Belastung eine Vorzeichenwechsel vorzufinden ist. Dies bedeutet, dass ein Widerstand bei gleich hoher radialer oder tangentialer Belastung mit gleichem Vorzeichen fast keine Änderung erfährt.
Vorteilhaft ist daher die Anordnung von Si-(110)-Einzelwiderständen im Fall der Belastung mit axialer Krafteinwirkung am radial äußeren Rand der Sensormembran.
Werden vier Piezo-Widerstände zu einer vollständigen Wheatstone-Brücke gemäß 6 verschaltet, so kann das Gesamtsignal U_b/U_o gemäß nachfolgender Formel berechnet werden: U_b/U_o = (R1·R3 – R2·R4)/[(R1 + R4)·(R2 + R3)].
Das Signal ist dann maximal wenn ΔR1 = ΔR3, ΔR2 = ΔR4, ΔR1 = –ΔR2 und ΔR3 = –ΔR4. Es liegt kein Signal vor, wenn sich alle Widerstände gleich verhalten, d. h. ΔR1 = ΔR2 = ΔR3 = ΔR4, wie z. B. bei einer Temperaturänderung.
Erfindungsgemäß werden die Piezo-Widerstände R1, R2, R3, R4 auf der Sensormembran 16 derart angeordnet, dass im Fall der transversalen Krafteinwirkung bzw. bei transversalen Schwingungen das Sensorsignal zumindest teilweise oder weitestgehend kompensiert wird.
Im Fall der longitudinalen Belastung ist eine Positionierung der Piezo-Widerstände vorteilhaft, bei der alle Widerstandsänderungen ΔR_n mit n = 1, 2, 3, 4, betragsmäßig gleich groß sind und jeweils alternierende Vorzeichen besitzen: R1 = R + ΔR R2 = R – ΔR R3 = R + ΔR R4 = R – ΔR.
Das Brückensignal hat dann den Wert U_L = U₀·ΔR/R.
Im Fall der transversalen Belastung sind zwei Fälle zu unterscheiden:
Im ersten Fall sind alle Widerstandsänderungen betragsmäßig gleich groß, aber je zwei weisen ein zum Belastungsfall der longitudinalen Belastung unterschiedliches Vorzeichen auf, d. h. R1 = R + ΔR R2 = R – ΔR R3 = R – ΔR R4 = R + ΔR.
Das Brückensignal hat dann die Größe U_b = 0. Das Störsignal ist dann optimal kompensiert.
Im zweiten Fall sehen innere und äußere Piezo-Widerstände betragsmäßig verschiedene Änderungen ΔR1 und ΔR2. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die Piezo-Widerstände, wie in 11 dargestellt, auf eine Linie angeordnet sind. Dann gilt: R1 = R + ΔR1 R2 = R + ΔR2 R3 = R – ΔR1 R4 = R + ΔR2.
Das Brückensignal hat dann die Größe U_T = U₀·(ΔR1² – ΔR2²)/4R².
Das Störsignal ist dann nicht optimal kompensiert. Setzt man jedoch das Störsignal in das Verhältnis zum Nutzsignal, so erhält man, wenn ΔR1, ΔR2 sehr viel kleiner als R ist, die Beziehung: Fehlersignal/Nutzsignal = U_T/U_L = ΔR/R ≈ 10^–3 bis 10^–2
Das heißt, dass das Fehlersignal klein ist gegen das Nutzsignal. Die Kompensation bleibt also auch dann erhalten, wenn sich die Schwingungsebene gegen die Widerstandsposition verdreht. Es besteht somit bei jedem Drehwinkel der Anordnung der Piezo-Widerstände eine symmetrische Spannungsverteilung.
Daraus ergeben sich nun verschiedene erfindungsgemäß vorteilhafte Anordnungen für die Piezo-Widerstände R1 bis R4 auf der Sensormembran 16. Diese sind in den 8 bis 13 dargestellt.
Die 8 und 9 zeigen eine Anordnung von vier Piezo-Widerständen R1, R2, R3 und R4 auf der Sensormembran 16, die ringförmig mit der zentralen Öffnung 19 gemäß den in den 2 und 3 dargestellten Ausführungen oder tellerförmig ohne zentrale Öffnung wie in 1 ausgebildet sein kann.
Die Piezo-Widerstände R1 bis R4 befinden sich jeweils in einem äußeren Randbereich 20 der Sensormembran 16 und sind mit einer Wheatstone-Vollbrücke verschaltet, wobei jeweils zwei der Piezo-Widerstände R1 bis R4 um 90° gegeneinander versetzt sind, damit sie ein optimales Signal liefern, wie dies bezüglich der Sensoren R1 und R4 bzw. R3 und R2 dargestellt ist.
Werden Si-Widerstände als Sensorelemente verwendet, so ist die Anordnung der Piezo-Widerstände an der radialen Position des äußeren Spannungsmaximums vorteilhaft, da sie bei einer Verdrehung um 90° einen Vorzeichenwechsel im Signal aufweisen.
Hingegen sollten Metall-Dehnungsmessstreifen aufgrund ihres gleichen Vorzeichens bei einer Drehung um 90° an Positionen mit Dehnungsmaxima mit unterschiedlichem Vorzeichen positioniert werden.
Da die Störsignalkompensation optimal ist, wenn die Piezo-Widerstände nahe beieinander liegen, sind die zueinander verdrehten Piezo-Widerstände bei den Ausführungen nach 8 und 9 in vorteilhafter Weise nahe beieinander angeordnet, so dass sie nahe dem Spannungsmaximum liegen und möglichst der gleichen Spannung ausgesetzt sind.
Diesbezüglich ist die Anwendung von Halbleiter-Piezowiderständen vorteilhaft, da sie ein unterschiedliches Vorzeichen bei einer 90°-Verdrehung haben sowie einen hohen spezifischen Widerstand und nur eine sehr geringe Ausdehnung aufweisen, so dass eine nahe benachbarte Anordnung möglich ist.
Im Unterschied zu der Anordnung der Piezo-Widerstände gemäß 8, bei der jeweils ein Paar um 90° zueinander versetzt angeordneter Widerstände R2, R3 punktsymmetrisch bezüglich eines Mittelpunkts der Sensormembran 16 zu dem weiteren Paar Widerstände R1, R4 angeordnet ist, ist bei der Anordnung der Piezo-Widerstände gemäß 9 jeweils ein Paar um 90° zueinander versetzt angeordneter Widerstände R2, R3 symmetrisch bezüglich einer Halbierenden der Sensormembran 16, d. h. spiegelsymmetrisch zu dem weiteren Paar Widerstände R1, R4 angeordnet.
Die Störsignalkompensation wird bei der Ausführung nach 9 durch die Anordnung der Piezo-Widerstände und den Aufbau einer Vollbrücke aus zwei vollständig kompensierten Halbbrücken optimal gewährleistet.
Die 10 zeigt eine alternative Anordnung von vier Piezo-Widerständen R1 bis R4, die wiederum auf dem äußeren Rand 20 der Sensormembran 16 jeweils um 90° versetzt angeordnet sind. Die Kompensation wird durch den Aufbau der Vollbrücke aus zwei vollständig kompensierten Halbbrücken gewährleistet.
Bei der in 11 ersichtlichen Anordnung von vier Piezo-Widerständen R1 bis R4 sind jeweils zwei Widerstände R2, R4 auf sich gegenüber liegenden Seiten der Sensormembran 16 in ihrem äußeren Randbereich 20 und je zwei Widerstände R1, R3 in einem zentralen Ringbereich 21 um die zentrale Ausnehmung 19 angeordnet, wobei die Widerstände R1, R2, R3, R4 gleich ausgerichtet auf einer Linie angeordnet sind.
Die Störsignalkompensation ist bei dieser Anordnung dahingehend limitiert, dass die inneren Piezo-Widerstände R1, R3 nur eine geringe Änderung erfahren, da sich Radial- und Transversalspannungen kompensieren. Allerdings ist die Kompensation des Signals aufgrund von Transversalschwingungen in einer verwendbaren Größenordnung, da das Störsignal um einen Faktor 100 bis 1000 geringer ist als das Nutzsignal.
Bei der Ausführung nach 12 entspricht die Anordnung der Piezo-Widerstände R1, R2, R3 und R4 im Wesentlichen derjenigen nach 11, indem sich jeweils ein Piezo-Widerstand eines Piezo-Widerstandpaares R1, R2 bzw. R3, R4 am radial äußeren Randbereich 20 der Sensormembran 16 und am radial inneren Rand 21 der Sensormembran 16 befindet und sich die Piezo-Widerstandpaare bezüglich des Mittelpunkts der Sensormembran 16 gegenüberliegen.
Die Piezo-Widerstände R1, R2, R3 und R4 sind bei der 12 jedoch parallel zueinander in tangentialer Richtung angeordnet. Das Nutzsignal und die Störsignalkompensation ist für diesen Fall der Anordnung der Piezo-Widerstände vergleichbar mit der Anordnung gemäß der 11.
Vorteilhaft sind die Piezo-Widerstände hier derart angeordnet, dass sie bei axialer Belastung ein möglichst hohes Signal, d. h. einen möglichst großen Unterschied zwischen den Werten für die Longitudinal- und Transversalspannungen, liefern und bei transversalen Schwingungen entweder kompensierte Halbbrücken darstellen oder aber die Kompensation dadurch erreichen, dass sie so nahe beieinander liegen, dass alle Widerstandsänderungen betragsmäßig etwa gleich sind, so dass der Störfaktor sehr gering ist oder verschwindet.
Statt der oben beschriebenen Wheatstone-Vollbrücke kann auch eine Wheatstone-Halbbrücke mit zwei aktiven Widerständen R1, R2 zu Ausgestaltung des Kraftsensors 6 der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet werden. Dabei erhält man bei optimaler Platzierung der Widerstände nur die Hälfte des Nutzsignals gemäß der Beziehung: U_L = U₀·ΔR/2·R
Für die Störsignalkompensation ist es vorteilhaft, wenn die beiden Widerstände der Halbbrücke sich jeweils auf der Sensormembran 16 gegenüberliegen, wie z. B. gemäß 13 dargestellt. Dort sind die beiden Piezo-Widerstände R1, R2 auf der Sensormembran 16 gegenüberliegend angeordnet und jeweils um 90° gegeneinander verdreht ausgerichtet. Mit Hilfe von im Wesentlichen kompensierten Wheatstone-Halbbrücken lassen sich im Wesentlichen kompensierte Wheatstone-Vollbrücken darstellen.
Weiterhin können auch die Piezo-Widerstände nur auf einer Seite der Sensormembran angeordnet sein, wenn die Signale der Piezo-Widerstände weitestgehend optimal ausgebildet sein sollen und eine Störsignalkompensation nachrangig ist.
Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die beschriebene kreisförmige bzw. kreisringförmige Ausgestaltung der Sensormembran beschränkt ist, sondern dass auch eine eckige Sensormembran, wie Rechteckmembran, oder eine andere Membranform anwendbar ist.
Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die dargestellten Ausführungsbeispiele, sondern kann auch im Zusammenhang mit anderen Druck- oder Kraftmesseinrichtungen verwendbar sein, bei welchen bei der Kraftübertragung Störsignale aufgrund von nicht radialsymmetrischen Belastungen auftreten.

Claims

Vorrichtung zur Messung eines Drucks (p), wobei ein Druck über einen Druck-Kraft-Wandler (2) an einen Kraftsensor (6) geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck-Kraft-Wandler (2) mit einem axial in einem Hülsenkörper (4) verschiebbaren Kraftübertragungselement (8, 12, 15, 17) ausgebildet ist, welches an seiner dem Druckangriff abgewandten Seite mit einer Sensormembran (16) des Kraftsensors (6) in Wirkverbindung steht und auf der Sensormembran (16) zwei Widerstände (R1, R2) in einer Brückenschaltung zur Messung der mechanischen Spannung der Sensormembran (16) angeordnet sind, wobei die Widerstände (R1, R2) in einem äußeren Randbereich (20) der Sensormembran (16) angeordnet sind und zueinander um wenigstens annähernd 90° versetzt angeordnet sind.
Vorrichtung zur Messung eines Drucks (p), wobei ein Druck über einen Druck-Kraft-Wandler (2) an einen Kraftsensor (6) geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck-Kraft-Wandler (2) mit einem axial in einem Hülsenkörper (4) verschiebbaren Kraftübertragungselement (8, 12, 15, 17) ausgebildet ist, welches an seiner dem Druckangriff abgewandten Seite mit einer Sensormembran (16) des Kraftsensors (6) in Wirkverbindung steht, und auf der Sensormembran (16) vier Widerstände (R1, R2, R3, R4) in einer Brückenschaltung zur Messung der mechanischen Spannungen der Sensormembran (16) angeordnet sind, wobei die Widerstände (R1, R2, R3, R4) in einem äußeren Randbereich (20) der Sensormembran (16) angeordnet sind und je zwei Widerstände zueinander um wenigstens annähernd 90° versetzt angeordnet sind, wobei entweder jeweils ein Paar um 90° zueinander versetzt angeordneter Widerstände (R2, R3) punktsymmetrisch bezüglich eines Mittelpunkts der Sensormembran (16) zu dem weiteren Paar Widerstände (R1, R4) angeordnet ist, oder dass jeweils ein Paar um 90° zueinander versetzt angeordneter Widerstände (R2, R3) symmetrisch bezüglich einer Halbierenden der Sensormembran (16) zu dem weiteren Paar Widerstände (R1, R4) angeordnet ist, oder auf der Sensormembran (16) vier Widerstände (R1, R2, R3, R4) in einer Brückenschaltung zur Messung der mechanischen Spannungen der Sensormembran (16) angeordnet sind, wobei je zwei Widerstände (R2, R4) in einem äußeren Randbereich (20) der Sensormembran (16) und je zwei Widerstände (R1, R3) in einem zentralen Ringbereich (21) angeordnet sind, wobei die Widerstände (R1, R2, R3, R4) gleich ausgerichtet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstände (R1, R2, R3, R4) als Piezowiderstände, insbesondere auf Silizium-Basis, ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstände (R1, R2, R3, R4) nach Art einer Wheatstone-Vollbrücke oder Wheatstone-Halbbrücke verschaltet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das axial verschiebbare Kraftübertragungselement als ein Stößel (8, 12) oder eine Hülse (15, 17) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das axial verschiebbare Kraftübertragungselement mehrteilig wenigstens mit einem Stößel (12) auf der dem Druckangriff zugewandten Seite und einer Hülse (15) auf der dem Kraftsensor (6) zugewandten Seite ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensormembran (16) kreisförmig ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensormembran (16) mit einer zentralen Ausnehmung (19) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck ein Druck innerhalb eines Brennraums (10) einer Brennkraftmaschine ist.