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Die Erfindung betrifft einen Drucksensor gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und ein Steuergerät gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 14.
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Moderne Automobile sind heute vielfach mit elektronischen Bremssystemen ausgestattet, die sicherheitsrelevante Funktionen wie eine Brems- und/oder Antriebsschlupfregelung der Räder und/oder eine Fahrdynamikregelung bereitstellen. Bei Verwendung hydraulischer Reibbremsen werden diese Funktionen über ein gezieltes Abschwächen oder Erhöhen des auf einzelne Radbremszylinder wirkenden Drucks realisiert. Eine Steuerung oder Regelung des Bremssystems erfordert vielfach eine Kenntnis des hydraulischen Drucks, insbesondere des Drucks im Hauptbremszylinder.
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Es ist bekannt, eine Druckmessung über eine Gestaltänderung (Verformung) eines als Membran gestalteten Verformungskörpers durchzuführen, wobei z.B. die Membran eine Platte eines Kondensators bildet und die druckinduzierte Verformung der Membran den Abstand der Kondensatorplatten verringert und somit als Änderung einer Kapazität gemessen werden kann.
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In der
DE 10 2006 018 480 A1 wird ein magnetomechanischer Drucksensor vorgeschlagen, welcher aus einem im hydraulischen Ventilblock (HCU) befindlichen ferromagnetischen Dehnungselement sowie einer aufgesteckten Spule mit Joch besteht, die in eine elektronische Kontrolleinheit (ECU) integriert ist. Das ferromagnetische Dehnungselement bildet den magnetischen Rückschluss eines Spule und Joch umfassenden Magnetkreises. Daher ist die Schnittstelle zwischen HCU und ECU eine rein magnetomechanische, die somit nicht vor elektromagnetischen Einstrahlungen und elektrostatischen Entladungen geschützt werden muss. Je nach Druck im Hydraulikkreis verformt sich das Dehnungselement, woraufhin sich der magnetische Widerstand bzw. der magnetische Fluss ändern.
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Die
DE 10 2006 018 482 A1 offenbart einen magnetoelastischen Drucksensor, der einen hohlen Verformungskörper, ein Flussleitstück und ein Detektionsmittel zum Messen einer druckinduzierten Permeabilitätsänderung umfasst. Als Detektionsmittel wird eine Spule oder ein Hallsensor mit einem Magnetfelderzeugungsmittel eingesetzt. Der in einem hydraulischen Ventilblock (HCU) integrierte Verformungskörper besteht aus einem magnetoelastischen Material oder ist mit diesem beschichtet. Das in eine Elektronikeinheit (ECU) eingebaute Detektionsmittel und der Verformungskörper werden beim Zusammenbau von ECU und HCU gekoppelt, woraufhin die druckproportionale Änderung der Permeabilität des Verformungskörpers gemessen werden kann.
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Nachteilhafterweise sind die in den genannten Schriften offenbarten Drucksensoren mit komplex geformten Dehnungselementen bzw. Verformungskörpern ausgestattet, die aufwändig zu fertigen sind.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen alternativen Drucksensor insbesondere zur Messung von Bremsdrücken in Kraftfahrzeugen bereitzustellen. Zweckmäßigerweise sollte der Drucksensor darüber hinaus einfach zu fertigen und robust sein.
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Diese Aufgabe wird durch einen Drucksensor gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Es wird also ein Drucksensor bereitgestellt, bei welchem eine an den Rändern fixierte Membran sich elastisch unter dem auf einer Seite der Membran anliegenden Druck eines Fluids verformt, wobei die Krümmung der Membran als Maß für den Druck dient. Erfindungsgemäß wird die Krümmung der Membran über eine Winkeländerung der Normalen auf einen außerhalb eines eventuell vorhandenen Symmetriezentrums der Membran liegenden Punkt oder mehrere entsprechende Punkte gemessen.
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Die Erfindung basiert auf dem Gedanken, eine Krümmung einer einseitig mit einem Fluid beaufschlagten, an den Rändern eingespannten, vorzugsweise ebenen, Membran als Maß für den Fluiddruck zu verwenden. Unter Fluid ist hierbei in erster Linie eine Flüssigkeit zu verstehen, es kann sich jedoch auch um ein Gas oder Gasgemisch handeln, welches unter einem Druck von z.B. 2 bar oder höher steht. Indem die Krümmung der Membran betrachtet wird, kann eine geometrische Skalierung erfolgen. Wird z.B. ein Laserstrahl auf einen geeigneten Punkt der Membran gerichtet und von dieser reflektiert, so ändert sich der Auftreffpunkt des reflektierten Strahls auf einen ortsempfindlichen Detektor (wie einem geeignet positionierten CCD-Chip) umso mehr, je größer der (im wesentlichen konstante) Abstand zwischen Detektor und Membran ist. Allgemein nimmt die absolute Änderung der Messgröße mit dem Abstand zwischen Messelement und Membran zu. Bei einer Abstandsmessung, wie diese z.B. in kapazitiven Drucksensoren üblich ist, nimmt demgegenüber die relative Größe der Änderung ab, während die absolute Größe gleich bleibt.
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Bevorzugt wird die Krümmung der Membran in die Änderung einer elektromagnetischen Größe eines zur Membran benachbarten Messelements, insbesondere einer Spule, umgesetzt. Unter einer elektromagnetischen Größe eines Messelements kann hierbei sowohl eine intrinsische Eigenschaft des Messelements, insbesondere die Induktivität, als auch die an dem Messelement anliegenden Spannung und der durch das Messelement fließende Strom verstanden werden. Elektromagnetische Größen können besonders einfach in einer für die Weiterverarbeitung bzw. Auswertung geeigneten Form erfasst werden.
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Besonders bevorzugt wird die Krümmung der Membran über einen starr mit einem außerhalb eines eventuell vorhandenen Symmetriezentrums der Membran liegenden Punkt oder begrenzten Areal der Membran verbundenen Körper gemessen, dessen Abstand von dem Messelement sich in Abhängigkeit von der Krümmung der Membran ändert. Ein solcher Körper ermöglicht die Nutzung einer geometrischen Skalierung, um die gemessene Größe zu „verstärken“ – ohne dass dies mit Verstärkerrauschen verbunden ist.
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Ganz besonders bevorzugt wird der starr mit der Membran verbundene Körper aus einem leitfähigen Material gefertigt oder mit einer dünnen Schicht eines leitfähigen Materials bedeckt. Eine leitfähige bzw. leitfähig beschichtete Membran vereinfacht die Messung elektromagnetischer Größen.
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Hierbei ist es ganz besonders zweckmäßig, wenn das leitfähige Material metallische, insbesondere ferromagnetische, Eigenschaften aufweist. Damit wird besonders eine Messung magnetischer Größen vereinfacht.
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Vorzugsweise ist der starr mit der Membran verbundene Körper an mindestens einem Punkt mit dieser verschweißt. Schweißen ist eine bewährte und kostengünstige Fertigungsmethode, die sowohl mit Metallen als auch Kunststoffen durchführbar ist.
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Es ist vorteilhaft, wenn das Messelement Bestandteil eines elektromagnetischen Schwingkreises ist. Elektromagnetische Schwingkreise sind z.B. durch die Radiotechnik technisch gut beherrscht, d. h. geeignete Schaltungen zur Ermittlung ihrer Eigenschaften sind einfach und kostengünstig zu fertigen. Insbesondere kann die Schaltung in ein vorhandenes elektrisches Steuergerät integriert werden.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Schwingkreis elektrisch mit einen Demodulator und einen Filter und/oder einem Analog-Digital-Wandler verbunden ist. Somit wird die hochfrequente Messgröße in ein für die Weiterverarbeitung geeignetes Signal umgesetzt. Der Filter kann hierbei insbesondere eine Tiefpaßfilterung oder eine Bandpaßfilterung vornehmen.
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Es ist besonders vorteilhaft, wenn eine Änderung der elektromagnetischen Größe des Messelements über eine Messung der Verluste oder der Güte des Schwingkreises bestimmt wird. Eine derartige Messung, z.B. der abgestrahlten Leistung, ist besonders einfach durchführbar.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn eine Änderung der elektromagnetischen Größe des Messelements über eine Messung der Verstimmung oder Eigenfrequenz des Schwingkreises bestimmt wird. Frequenzmessungen sind einfach und mit hoher Genauigkeit durchführbar.
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Zweckmäßigerweise wird die Membran aus einem metallischen Material gefertigt, insbesondere Federstahl. Federstahl ist kostengünstig und weist geeignete mechanische Eigenschaften auf.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein erfindungsgemäßer Drucksensor an einem hydraulischen Bauteil befestigt, welches mindestens ein elektromagnetisch ansteuerbares Magnetventil umfasst. Indem der Drucksensor direkt an einem hydraulischen Bauteil befestigt wird, kann dieses zugleich als Gehäuse dienen.
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Gemäß einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Membran mit dem hydraulischen Bauteil verschweißt und/oder in diesem verstemmt oder gecrimpt. Eine derartige Verbindung ist kostengünstig herstellbar und dauerhaft.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein elektrohydraulisches Steuergerät eines Bremssystems für ein Kraftfahrzeug, welches mindestens einen erfindungsgemäßen Drucksensor umfasst.
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Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung eines erfindungsgemäßen Drucksensors zur Messung des Hydraulikdrucks in einem Hauptbremszylinder eines Bremssystems.
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Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand von Figuren.
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Es zeigen
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1 einen erfindungsgemäßen Sensor bei geringem Fluiddruck,
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2 einen erfindungsgemäßen Sensor bei hohem Fluiddruck,
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3 ein Blockdiagramm der Auswerteschaltung,
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4 ein alternatives Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sensors,
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5 eine beispielhafte Kennlinie des erfindungsgemäßen Sensors, und
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6 eine beispielhafte Messkurve des erfindungsgemäßen Sensors.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Drucksensors 1 in drucklosem Zustand. Membran 2 ist entlang des gesamten Umfangs mit einem Grundkörper 8 verschweißt, der eine Bohrung 10 aufweist, über die ein Fluid auf eine Seite der Membran 2 einwirken kann. Körper 4 ist starr an einem Punkt 3 der Membran befestigt (z.B. durch Punktschweißen). Wenn an Membran 2 kein erhöhter Druck anliegt, befindet sich Körper 4 in einen vorgegebenen Abstand 5 vom Joch der Spule 6, die über Kontakte 14, 14‘ mit einer nicht gezeigten elektronischen Schaltung verbunden werden kann. Grundkörper 8 ist vorzugsweise durch Clinchen an Hydraulikblock 12 eines elektronischen Bremssystems befestigt, wodurch sich ein gegenüber der Umgebung abgeschlossenes Volumen bildet, in dem sich ein nicht gezeigtes Fluid befindet, insbesondere Bremsflüssigkeit. Die an einer Seite der Membran 2 anliegende Hydraulikflüssigkeit dämpft unerwünschte mechanische Schwingungen.
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2 zeigt den erfindungsgemäßen Drucksensor 1 bei hohem anliegenden Fluiddruck. Das durch Hydraulikblock 12, Grundkörper 8 und Membran 2 begrenzte Volumen ist mit unter einem hohen Druck stehenden Fluid gefüllt. Da eine Seite von Membran 2 mit einem deutlich höheren Druck beaufschlagt wird als die gegenüberliegende Seite, verformt sich Membran 2. Die Normale auf der Membranfläche in Punkt 3 steht nun unter einem Winkel 16 gegenüber der Normalen in drucklosem Zustand, d. h. Membran 2 weist nun eine (idealerweise druckproportionale) Krümmung auf. Der in Punkt 3 starr mit der Membran verbundene Körper 4 befindet sich nun in einen größeren Abstand 5 von der ortsfesten Spule 6. Aufgrund der Länge von Körper 4 wird die Verformung der Membrane 2 geometrisch skaliert bzw. verstärkt in einen Abstand umgesetzt.
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Ist Körper 4 aus einem ferromagnetischen Material gefertigt, so bewirkt der geänderte Abstand 5 zur Spule 6 eine Änderung der Induktivität der Spule. Bildet Spule 6 mit einem über die Kontakte 14, 14‘ verbundenen elektrischen Kondensator (nicht gezeigt) einen Schwingkreis, so resultiert dies in einer Verstimmung des Schwingkreises gegenüber dem drucklosen Zustand. Eine Auswerteschaltung wandelt die Verstimmung vorzugsweise in ein Spannungssignal um.
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Auswerteschaltung 18, die ein von der Krümmung der Membran 2 abhängiges Ausgangssignal 26 erzeugt. Hier wird der Abstand zwischen Körper 4, der aus einem elektrisch leitenden Material besteht, und Spule 6 berührungslos nach dem Wirbelstromprinzip gemessen. Spule 6 dient als Sensor und ist Bestandteil eines Hochfrequenz-Oszillators 20. Der leitfähige Körper 4 nähert sich der Spule 6, woraufhin das veränderliche Magnetfeld einen Wirbelstrom in Körper 4 induziert. Dadurch wird die Schwingung gedämpft und der Strom im Schwingkreis verringert sich. Über Demodulator 22 und Tiefpaßfilter und/oder Analog-Digital-Wandler 24 wird diese Änderung in ein geeignetes Ausgangssignal 26 umgewandelt.
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4 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sensors. Membran 2 wird mit Hilfe von Grundkörper 8 durch Clinchen direkt in Hydraulikblock 12 befestigt, wodurch der Fertigungsaufwand gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel verringert wird. Körper 4 besteht aus einem gebogenen Blech, welches an Punkt 3 mit der Membran 2 verschweisst ist. Entsprechend der geringen Masse des Körpers ist auch die Trägheit gering, wodurch eine Änderung des Drucks schnell detektiert werden kann.
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5 zeigt eine beispielhafte Kennlinie 50 des erfindungsgemäßen Sensors. Auf der Abszisse ist der Druck p des Fluids aufgetragen, die Ordinate gibt das Ausgangssignal U des mit einer Auswerteschaltung verbundenen Drucksensors an. Nach erfolgter Kalibration kann die gemessene Spannung direkt in einem Fluiddruck umgerechnet werden, da ein streng monoton steigender Zusammenhang zwischen Druck p und Ausgangssignal U besteht.
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Eine beispielhafte Messkurve des erfindungsgemäßen Sensors ist in 6 gezeigt. Die Abszisse gibt die Zeit t an, während auf der Ordinate das Ausgangssignal 60 des erfindungsgemäßen Sensors und ein druckproportionales Ausgangssignal 61 eines Referenzdrucksensors dargestellt sind.
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Der erfindungsgemäße Sensor liefert mit geringem Aufwand geeignete Drucksignale. Durch die Verwendung eines starr mit einem Punkt der Membran verbundenen Körpers 6 findet eine mechanische Verstärkung des Drucksignals statt, die nicht mit elektronischem Rauschen verbunden ist. Das Ausgangssignal des erfindungsgemäßen Sensors besitzt eine hohe Stabilität gegenüber elektrischen Störungen von außen. Die Messanordnung kann sehr kompakt ausgelegt werden. Der robuste und einfache Aufbau des erfindungsgemäßen Sensors ermöglicht gleichbleibend hohe Qualität und Zuverlässigkeit bei geringen Herstellungskosten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006018480 A1 [0004]
- DE 102006018482 A1 [0005]
