DE102013010015A1

DE102013010015A1 - Drucksensor und Drucksensorsystem

Info

Publication number: DE102013010015A1
Application number: DE102013010015.1A
Authority: DE
Inventors: Michael Daetz; Hans-Peter Poppitz; Sarah Rugen; Christian Röder
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2013-06-14
Filing date: 2013-06-14
Publication date: 2014-12-18

Abstract

Bei dem Drucksensor für ein fluides Medium umfassend ein Gehäuse (5) mit einem Innenraum (15), in dem ein abfragbares OFW-Sensorelement (20) angeordnet ist, ist vorgesehen, dass das Gehäuse (5) einen mit dem Innenraum (15) verbundenen Druckkanal (10) für das fluide Medium aufweist und – im Innenraum (15) eine Membran (21) angeordnet ist, die auf einer Seite von dem fluiden Medium beaufschlagbar ist, – wobei das OFW-Sensorelement (20) zum Detektieren einer Formänderung der Membran (21) in Abhängigkeit von einer Druckdifferenz zwischen von im Druckkanal (10) befindlichen fluiden Medium und einem auf der dem Druckkanal (10) entgegengesetzten Seite der Membran (21) befindlichen Referenzmediums ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Drucksensorsystem mit einem Drucksensor und einer Sende- und Empfangsreinrichtung zum Auslesen des Drucksensor.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drucksensor und ein Drucksensorsystem, jeweils nach den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
Relativdrucksensoren werden beispielsweise zur Überwachung der Funktion von Partikelfiltern der Abgasanlage von Kraftfahrzeugen eingesetzt, für die eine kontinuierliche Bewachung des Beladungszustandes des Partikelfiltermonolithen erforderlich ist. Dabei sind die Drucksensoren starken chemischen, thermischen und mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt, wobei insbesondere die Resistenz des Drucksensors gegenüber aggressiven Abgaskondensaten eine besondere Herausforderung darstellt. Da die bisher verwendeten Differenzdrucksensoren empfindlich auf hohe Temperaturen und auf Abgaskondensat reagieren, wird nicht direkt in der Abgasleitung, sondern durch eine Verbauung der Sensoren am Ende einer Druckentnahmeleitung der Druckabfall über dem Partikelfilter gemessen, um Aufschluss über den Beladungszustand des Filters zu erhalten. Diese Art der Verbauung ist mit hohem Aufwand wegen der dabei eingesetzten Edelstahlleitung, Schläuche, Halterungen usw. verbunden und impliziert ferner Bauraumkonflikte.
Aus der DE 20 2009 006 078 U1 ist bereits eine Messeinrichtung zur Aufnahme von Parametern in strömenden Medien bekannt, die einen Grundkörper aus Strukturkeramik aufweist, in dessen Innenraum ein OFW-Sensorelement (Oberflächen-Wellen-Sensorelement) zur Aufnahme von Parametern eines den Grundkörper durchströmenden Prozessmediums angeordnet ist, wobei das OFW-Sensorelement mit einer im Innenraum des Grundkörpers angeordneten Antennenstruktur in Wirkverbindung steht. Das OFW-Sensorelement soll so ausgestaltet sein, dass das Betriebsverhalten durch die zu beobachtenden physikalischen Größen, wie Druck, Temperatur, beeinflusst wird. Dabei bildet der Verbund aus Oberflächenwellen-Bauelement und Antennenstruktur eine mit Funkwellen passiv betriebene Antwortvorrichtung. Die bekannte Messeinrichtung soll zur drahtlosen Überwachung von Partikelfiltern zur Abgasnachbehandlung eingesetzt werden.
Aus der EP 2 351 992 A1 ist bereits ein Verfahren sowie eine Anordnung zur berührungsfreien Messung der Temperatur und/oder anderer physikalischer Größen an bewegten Teilen im Innenraum von elektrischen Maschinen bekannt, bei denen SAW(Surface Acoustic Waves, akustische Oberflächenwellen)-Sensoren verwendet werden. Insbesondere werden SAW-Sensoren des RDL Typs, d. h. auf dem Prinzip der reflektiven Verzögerungsleitung beruhende akustische Oberflächenwellen Sensoren mit mindest zwei Reflektorarten verwendet, die mit Hilfe eines kontinuierlich frequenzmodulierten Dauerstrich-Radarsignals (FMCW Radar) beim Durchgang durch einen räumlich lokalisierten Lesebereich ausgelesen werden.
Aus der DE 10 2005 047 535 A1 ist ein Hochtemperatur-Drucksensor, insbesondere zur Messung von Drücken innerhalb von Triebwerken bekannt, der ein Substrat aus Saphir umfasst, in dem ein Innenraum ausgestaltet ist. Eine verformbare Membran trennt den Innenraum vom Außenraum und verformt sich im Betrieb bei einer Änderung des äußeren Drucks. Auf der Membran ist ein Dehnungselement aus Metalloxid aufgebracht, mittels dem die Verformung der Membran gemessen werden kann. Auf dem Saphirsubstrat kann ein Platinmäander abgeschieden und strukturiert sein, der einen Temperatursensor bildet.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Drucksensor und ein Drucksensorsystem für ein fluides Medium zu schaffen, die resistent gegen hohe Temperaturen und chemisch aggressive Einflüsse sind, und mit relativ geringem konstruktivem Aufwand, insbesondere bei einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden können.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Der erfindungsgemäße Drucksensor zeichnet sich aus durch:

– ein Gehäuse mit einem Innenraum in dem ein abfragbares piezoelektrisches OFW-Sensorelement angeordnet ist, wobei vorgesehen ist, dass
– das Gehäuse einen mit dem Innenraum verbundenen Druckkanal für das fluide Medium aufweist und
– im Innenraum eine Membran angeordnet ist, die auf einer Seite von dem fluiden Medium beaufschlagbar ist,
– wobei das OFW-Sensorelement zum Detektieren einer Formänderung der Membran in Abhängigkeit von einer Druckdifferenz zwischen von im Druckkanal befindlichen fluiden Medium und einem auf der dem Druckkanal entgegengesetzten Seite der Membran befindlichen Referenzmediums ausgebildet ist.

Das fluide Medium ist im Fall der Druckmessung in der Abgasleitung das Abgas in dem üblicherweise Abgaskondensat enthalten ist. Es versteht sich, dass auch eine Druckmessung von anderen fluiden Medien möglich ist.
Das OFW-Sensorelement umfasst ein piezoelektrisches Substrat, insbesondere ein Einkristall, auf dem Elektroden in Form von Fingern (Interdigitalwandler, IDW) aufgebracht sind. Durch einen Hochfrequenzimpuls einer Send- und Empfangseinheit angeregt, wird eine mechanische Welle erzeugt, die sich auf dem Substrat ausbreitet. Befinden sich Reflektoren auf dem Substrat, wird die mechanische Welle an diesen reflektiert, an dem IDW in einen Hochfrequenzimpuls umgewandelt und zurück zur Sende- und Empfangseinheit geführt.
Wie an sich bekannt ist, wird zum Betrieb eines OFW-Sensorelements in einer Auswerteelektronik von einem Signalgenerator ein hochfrequentes Signal generiert, das an das Sensorelement gesendet wird. Im Sensorelement wird, wie oben beschrieben, ein Antwortsignal erzeugt, welches zurückgesandt und mit dem gesendeten Signal gemischt und in einen digitalen Signalprozessor auf Laufzeitänderung oder Phasenverschiebung mit dem gesendeten Signal ausgewertet wird.
Das OFW-Prinzip wird im folgenden, ohne wesentliche Beschränkung der Allgemeinheit, an dem einfachen Modell eines kreisförmigen Substrats veranschaulicht.
Die Laufzeit der reflektierten Welle ist bei einem kreisförmigen Substrat in unbelastetem Zustand
L entspricht dem Abstand des Interdigitalwandlers zu einem gewählten Reflektor R1.
Mechanische Deformation und Temperatur bewirken Änderungen der akustischen Laufstrecke sowie Änderungen der Materialeigenschaften des Substrats. Diese beeinflussen die Ausbreitungsgeschwindigkeit v der akustischen Welle. Solche Abhängigkeiten werden mit einer relativen Sensitivität beschrieben, die die Änderung der Ausgangsgröße x durch eine Einflussgröße y in Relation zur Ausgangsgröße betrachtet. Sie ist definiert als
Die Gleichung gilt als lineare Taylor-Approximation nur für kleine Änderungen des der Einflussgröße. Mit der Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit v der akustischen Welle ändern sich die Mittenfrequenz f und die Laufzeit z der Welle.
Unter Druck dehnt sich diese Membran in Abhängigkeit von ihren geometrischen Parametern, beispielsweise einem Radius und einer Dicke und dem Material. Diese Änderung der Dehnung einer Membran hat einen ähnlichen Effekt wie eine Temperaturänderung. Wird das Material gedehnt, verlangsamt sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle, was ihre Laufzeit erhöht ν(ε) = ν₀(1 – S ν / ε·Δε) τ(ε) = τ₀·(1 + S ν / ε·Δε)
Aus der Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit, Laufzeit oder ggfs. einer Phase der reflektierten Welle kann der vom fluiden Medium im Druckkanal auf die Membran angewandte Druck ermittelt werden.
Das Sensorelement ist aus piezoelektrischem Material gefertigt, welches hohen Temperaturen standhalten kann, wobei die Höchsttemperatur abhängig ist vom gewählten Piezo-Material. Das Oberflächenwellenkonzept ist durch die Verwendung von geeignetem piezoelektrischem Material unempfindlich gegen Feuchte und Abgaskondensat. Ferner ist das Konzept mit Oberflächenwellen robust, da es nur eine Schwingungsmasse besitzt. Der Drucksensor mit dem piezoelektrischen OFW-Sensorelement kann daher direkt in eine Abgasleitung einer Abgasanlage eingebracht sein, so dass der Druckkanal in die Abgasleitung hinein ragt, beispielweise durch Einschrauben. Bevorzugt ist ein Einbauort stromauf eines Partikelfilters in der Abgasleitung.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Drucksensor ist vorgesehen, dass das OFW-Sensorelement ein piezoelektrisches Substrat umfaßt, welches

– einen Primärwandler, der als Interdigitalwandler ausgebildet ist, sowie
– einen ersten Reflektor und
– einen zweiten Reflektor für Oberflächenwellen aufweist, die auf einer Oberfläche des Substrats angeordnet sind.

Diese Anordnung erlaubt die Detektion der Formänderung der Membran mit geringem konstruktiven und Materialaufwand durchzuführen.
Vorzugsweise wird mit den Laufzeitdifferenzen oder Phasendifferenzen der Antwortsignale zweier an verschiedenen Orten positionierter Reflektoren gearbeitet. Die Laufzeitdifferenz zweier Signale zwischen Reflektoren 1 und 2, die sich an Positionen R1 und R2 befinden, berechnet sich wie folgt:
Dies läßt sich unter Einführung einer relativen Sensitivität schreiben als τ₁₂(ε) = τ_12,0·(1 – S ν / ε·Δε)
Der vordere Teil des Terms, τ_12,0, beschreibt die Laufzeit der Welle im unbelasteten Zustand und konstant. Der hintere Teil, τ_12,0·S ν / ε·Δε, ändert sich, wenn sich die Membran unter Druck dehnt.
Um die Auflösung der Auswertung dieser Laufzeitdifferenz zu verbessern, wird eine Phasendifferenz der beiden Antwortsignale ausgewertet, die sich wie folgt berechnen lässt: ϕ₁₂(ε) = 2·π·f·τ₁₂(ε)
Hierbei ist f die Mittenfrequenz des gewählten OFW-Sensors im unbelasteten Zustand. Mit dieser Frequenz, die bis zu 2,4 GHz betragen kann wird die Phasenverschiebung der Signale groß, was zu einer besseren Auflösung führt.
Der nur vom Druck abhängige Teil der Phasenverschiebung ergibt sich wie folgt: Δϕ₁₂ = 2·π·f·τ_12,0·S ν / ε·Δε
Diese Gleichung beschreibt eine Phasenverschiebungsänderung, welche auf den anliegenden Druck auf die Membran schließen lässt. Die Phasenverschiebung kann mit Hilfe eines DSPs (Digitaler Signalprozessor) ausgewertet werden. Bei der Auswertung kann es, wie an sich bekannt ist, zu Mehrdeutigkeiten kommen, sobald die Phasendifferenz einen Wert von 2π übersteigt. Mit an sich bekannten Methoden, kann dieses Problem gelöst werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Drucksensors ist vorgesehen, das der erste und der zweite Reflektor in einem Bereich in der Membran mit maximaler Dehnung angeordnet sind, womit die Messgenauigkeit erhöht werden kann.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Drucksensors ist vorgesehen, dass die Membran als piezoelektrisches Substrat ausgebildet ist, womit Bauraum gespart werden kann. Ferner kann, falls das Sensorelement selbst als eine Membran ausgebildet ist, die Schwingungsmasse weiter reduziert werden.
In einer weiteren Ausführungsform des Drucksensors ist die Membran als hochtemperaturfeste Metallfolie, beispielsweise aus einem Edelstahl, ausgebildet.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Drucksensors ist vorgesehen, dass ein zusätzliches Reflektor-Paar zum Detektieren der Temperatur auf der Membranoberfläche in einem Bereich der Membran mit minimaler Dehnung ausgebildet ist. Damit kann vorteilhaft eine Temperaturkompensation erfolgen, da bei höheren Temperaturen sonst das Druckmessergebnis verfälscht werden könnte.
Die Temperaturabhängigkeit der Ausbreitungsgeschwindigkeit kann mit einer relativen Sensitivität beschrieben werden als Δν / ν = 1 / ν· δν / δT·ΔT
Mit steigender Temperatur T verringert sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit v der Welle.
Der Term 1 / ν· δν / δT wird negativ:
In der Literatur wird die Sensitivität auch häufig als negativer Wert angegeben.
Für die Änderung der Laufzeit τ = L / ν einer Welle als Funktion der Temperatur gilt bei kleinen Änderungen der Einflussgröße:
Der Einfluss der Längenänderung ist klein gegenüber dem Term der Geschwindigkeitsänderung.
Somit gelten für die Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit und der Laufzeit der Welle in Abhängigkeit von einer Temperaturänderung folgende Gleichungen, die von der Auswerteelektronik ausgewertet werden können: ν(T) = ν₀·(1 – S ν / T·ΔT) τ(T) = τ₀·(1 + S ν / T·ΔT)
Bei einer weiteren Ausführungsform des Drucksensor ist vorgesehen, dass das OFW-Sensorelement funkabfragbar ist. Durch die Übermittlung der Sensor-Werte über Funk kann an der Größe und Verkabelung gespart und gleichzeitig die Funktionssicherheit erhöht werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Drucksensor ist vorgesehen, dass das OFW-Sensorelement keine Spannungsversorgung benötigt, womit konstruktiver Aufwand, Schwingungsmasse und Bauraumerfordernis reduziert werden.
Bei einem erfindungsgemäßen Drucksensorsystem ist eine Hochfrequenzsende- und Empfangseinheit zum Ansteuern und Auslesen von zumindest einem Drucksensor vorgesehen mit den entsprechenden oben beschriebenen Vorteilen des Drucksensors.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Drucksensor ist vorgesehen, dass die Sende- und Empfangseinheit zwei oder mehr Drucksensoren ansteuert und/oder ausliest, womit vorteilhaft der konstruktive Aufwand für die Ansteuerung der zwei oder mehr Drucksensoren vermindert werden kann.
Bei einem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug ist vorgesehen, dass zumindest ein Drucksensor als Niederdrucksensor in einer Abgasanlage des Kraftfahrzeugs eingesetzt ist.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung.
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Patentsprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigt:
1 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Drucksensor;
2 eine Membran eines erfindungsgemäßen Sensors mit einer Anzahl von Interdigitalwandlern;
3 ein Schaubild mit einer Auftragung einer Durchbiegung einer Membran und einer Dehnung der Oberfläche der Membran in Abhängigkeit eines Radius' vom Mittelpunkt ausgehend;
4 eine Darstellung eines erfindungsgemäßen Drucksensorsystems.
1 zeigt in schematischer Darstellung einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Drucksensor 1 mit einem Gehäuse 5, welches einen Innenraum 15 aufweist, der mit einem Druckkanal 10 für ein fluides Medium verbunden ist. In der gezeigten Ausführungsform des Drucksensors 1 weist das Gehäuse 5 einen Gehäusekopf 7 auf, in dem ein oberer Teilabschnitt des Druckkanals 10 angeordnet ist, der mit einem unteren Abschnitt aus dem Gehäusekopf 7 herausragt. Im Bereich des unteren Teilabschnitts weist das Gehäuse 5 ein Außengewinde auf, so dass das Gehäuse in eine entsprechende Montageöffnung einer Abgasleitung einer Abgasanlage, beispielsweise eines Kraftfahrzeugs eingeschraubt werden kann. Vorzugsweise kann das Gehäuse 5 mit dem unteren Abschnitt des Druckkanals 10 in eine Montageöffnung, die an sich für eine Lambdasonde vorgesehen ist, eingeschraubt werden.
Im Innenraum 15 ist eine, vorzugsweise aus einem hochtemperaturfesten und abgasresistenten Material gefertigte, Membran 21 eines piezoelektrischen OFW-Sensor Elements angeordnet, die auf einer dem Druckkanal 10 zugewandten Seite mit dem fluiden Medium beaufschlagbar ist. Auf der dem Druckkanal entgegensetzten Seite der Membran 21 ist ein Hohlraum 22 für ein Referenzmedium (vorzugsweise Luft) vorgesehen. Die Membran 21 verschließt den Hohlraum 22 gegenüber dem Druckkanal 10. Das Gehäuse 5 weist ferner einen Gehäusedeckel 6 auf, der den Hohlraum 22 nach oben, vorzugsweise wasserundurchlässig aber dampfdiffusionsoffen (z. B. durch eine Goretex–Membran) für das Referenzmedium, abschließt.
Im Druckkanal 10 kann ein Filter 12, vorzugsweise aus hochtemperaturfestem Material angeordnet sein, der das Eindringen von Partikeln in den Druckkanal 10 verhindert, durch die eine Verschmutzung der Membran und damit eine Verfälschung der Messergebnisse erfolgen könnte.
In der 1 weist die Membran 21 eine Dicke h auf, wobei sie über eine Länge von 2R mit dem fluiden Medium beaufschlagbar ist. Die Membran 21 ist ferner in ihren Randbereichen im Gehäuse 5 befestigt, vorzugsweise fixiert, so dass die Position eindeutig in diesem Bereich festgelegt ist.
Auf der Membran 21 kann ein piezoelektrisches Substrat angeordnet sein – oder die Membran 21 kann selbst als piezoelektrisches Substrat ausgebildet sein.
Als Material des piezoelektrischen Substrats kommen vor allem Standard Quarz, Langasit (La₃Ga₅SiO₁₄), vorzugsweise mit einem Schnitt von (0°|138,5°26,6°) und Lithiumtantalat (LiTaO₃), vorzugsweise mit einem Schnitt von (90°|90°|112,2°), in Frage.
Wie an sich bekannt ist, können auf der Oberfläche eines piezoelektrischen Substrats zur Anregung und zum Auslesen von Oberflächenwellen ein Primärwandler, der als Interdigitalwandler ausgebildet ist, sowie ein erste Reflektor und ein zweiten Reflektor für Oberflächenwellen angeordnet sein. Die hier verwendete Konfiguration ist optimiert für Rayleigh-Wellen.
Der Primärwandler ist mit einem Antennenelement für Hochfrequenzwellen verbunden oder verbindbar.
Die Antenne kann als Patch-Antenne ausgebildet sein, die direkt auf der Membran angebracht ist. Es versteht sich, dass in diesem Fall das Gehäuse 5 nicht in Voll-Metall ausgeführt ist, damit das Funksignal nicht abgeschirmt wird. Beispielsweise kann der Deckel 6 aus einem Keramik- oder Kunststoffmaterial gefertigt sein.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Antenne aus dem Gehäuse 5 ausgelagert sein, wobei das Gehäuse 5 einen aus Metall gefertigten Deckel 6 aufweisen kann.
Bei Auslegung des Sensors auf Temperaturfestigkeit wird Folgendes beachtet:

• Bei Quarz tritt ab 573°C ein Phasenübergang auf.
• Lithiumtantalat hat eine ferroelektrische Curie-Temperatur von 610°C.
• Die ferroelektrische Curie-Temperatur von Langasite beträgt ca. 1000°C.
• Als Material für die Metallisierung (Reflektoren und Interdigitalwandler) wird oft Aluminium eingesetzt, welches jedoch bei Temperaturen oberhalb 400°C beschädigt wird. Für höhere Temperaturen eignet sich Platin.

Das piezoelektrische Substrat des OFW-Sensorelements kann unterschiedliche Formen aufweisen, beispielsweise eine kreisrunde, rechteckige oder ovale Form haben.
2 zeigt eine Membran 21 eines Sensorelements 20 eines erfindungsgemäßen Drucksensors mit einem als Interdigitalwandler ausgebildeten Primärwandler R0 sowie einem ersten Reflektor R1 und einem zweiten Reflektor R2, die ebenfalls als Interdigitalwandler ausgebildet sind. Auf die weiteren Reflektoren R3 und R4 wird weiter unten eingegangen.
Die Membran 21 ist als kreisförmiges piezoelektrisches Substrat ausgebildet, mit einem Durchmesser 2R, wobei Randbereiche, die im Gehäuse fixiert sind, zur Vereinfachung nicht dargestellt sind. Die Reflektoren R1 und R2 können in anderen Ausführungsformen auch durch Vertiefungen oder andere auf der Oberfläche eines piezoelektrischen Substrats angebrachte Strukturen realisiert sein.
Im folgenden wird am Modell einer kreisförmigen Membran eine vorteilhafte Auslegung des Sensorelements beschrieben.
Die Dehnung ε einer kreisförmigen Membran ist abhängig vom Druckunterschied auf beiden Membranseiten, von den Konstanten E-Modul E und Querkontraktionszahl μ, der Dicke h und dem Radius R der Membran. Die Dehnung in radialer Richtung an einem bestimmten Radius r der Membran berechnet sich wie folgt: ε_r = –z·w''(r)
Hier beschreibt z die Position des Dehnungsbereichs in Richtung der z-Achse, und w''(r) ist die zweite Ableitung der Durchbiegungsfunktion w(r):
Mit z = h/2 ergibt sich für die Dehnung auf der Oberfläche der Membran:
3 zeigt ein Schaubild der Durchbiegungsfunktion w(r) und der Dehnung ε einer bei den Positionen –R und +R eingespannten kreisförmigen Membran mit Wendepunkten 25 und 26 der Durchbiegung bei denen eine Dehnung der Membran in eine Stauchung übergeht.
Die Dehnung der Membran hat ersichtlich bei R = 0 ein Maximum. Vorteilhaft werden die Reflektoren im Bereich um das Maximum angeordnet, da hier noch relativ hohe Dehnungen aufgrund des Druckunterschieds zu erwarten sind.
Für die Berechnung der Phasenverschiebung der zurückgesendeten HF-Impulse wird die Dehnung der Membran für den Bereich zwischen den Reflektoren an den Positionen R1 und R2 ermittelt. Dazu wird die mittlere Dehnung für diesen Bereich berechnet:
Es ergibt sich für die mittlere Dehnung:
Die Laufzeit lässt sich wie folgt berechnen:
Es folgt daraus für die Phasenverschiebung der beiden Antwortsignale: ϕ₁₂(ε) = 2·π·f·τ₁₂(ε) = ϕ_12,0 + Δϕ₁₂(ε)
Aus der Phasenverschiebung in Abhängigkeit von der Dehnung kann eine Kennlinie ermittelt werden, die den Zusammenhang zwischen Phasenverschiebung und Relativdruck wiedergibt. Zur Ermittlung der Kennlinie kann beispielsweise in einer Modellrechnung oder einem Kalibrierungsprozess ein mit der Zeit variierender Druck vorgegeben werden, zu dem die Phasenverschiebung der Sensorantwort ermittelt wird.
2 zeigt, wie erwähnt, neben den Reflektoren R1 und R2 noch weitere Reflektoren R3 und R4. Die Anordnung von weiteren Reflektoren R3 und R4 ermöglicht eine Berechnung der Temperatur an der Oberfläche, der dem gekoppelten fluiden Mediums abgewandten Seite der Membran und somit in guter Näherung an den Reflektoren R1 und R2. Bei Berücksichtigung der Temperatur ergeben sich zu den o. g. Formeln für die Laufzeit τ₁₂ und Phasenverschiebung ϕ₁₂ Korrekturterme. Wie Simulationsrechnungen mit dem Simulationstool Simulink ergeben haben, ist es vorteilhaft, wenn die Reflektoren R3 und R4 bei einer kreisförmigen Membran im Bereich der Wendepunkte der Durchbiegungsfunktion angeordnet sind, da dann der Einfluss der Dehnung auf die Laufzeit und die Phasenverschiebung der Antwortsignale relativ gering ist. Dabei zeigt sich, dass der Abstand zwischen den Reflektoren R3 und R4 für die Erreichung einer ausreichenden Temperaturauflösung nicht zu gering gewählt werden darf.
4 zeigt ein erfindungsgemäßes Drucksensorsystem mit einer Sende- und Empfangseinheit 30 und Sensoren 31, 32, 33, 34. Die Sensoren 31–34 können über eine Hochfrequenzantenne 35 von der Sende- und Empfangseinheit angesteuert und ausgelesen werden. Die Sende- und Empfangseinheit 30 ist über eine Leitung 41 mit der Motorsteuerung 40 verbunden und liefert vorteilhaft Druck- und ggf. Temperaturdaten, die von den Sensoren 31–34 ausgelesen werden für das Motormanagement, insbesondere für die Diagnose der Funktionsfähigkeit eines Dieselpartikelfilters.
Die Sende- und Empfangseinreichung 30 kann eine Auswerteelektronik, wie sie von Radargeräten bekannt ist, umfassen. Dabei können Radarprinzipien, wie Puls, Chirp oder FMCW (Frequency Modulated Continous Wave) verwendet werden. In Europa zulässige Frequenzbänder (ISM-Bänder) liegen im Bereich 433,07... bis 433,77 MHz, 868...878 MHz und 2,4...2,483 GHz und ermöglichen eine hohe Druckauflösung von 1,5% des Messbereiches.
Der erfindungsgemäße Drucksensor ist besonders geeignet zur Relativdruckmessung in einem Druckbereich zwischen –0,5 und 3 bar.
Bezugszeichenliste

1: Drucksensor
5: Gehäuse
6: Gehäusedeckel
7: Gehäusekopf
8: Gewinde
10: Druckkanal
12: Filter
13: Kanalöffnung
15: Innenraum
20: Sensorelement
21: Membran
22: Hohlraum
25: Wendepunkt
26: Wendepunkt
30: Sendeempfangseinheit
31: Sensor
32: Sensor
33: Sensor
34: Sensor
40: Motorsteuereinheit
41: Verbindungsleitung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202009006078 U1 [0003]
EP 2351992 A1 [0004]
DE 102005047535 A1 [0005]

Claims

Drucksensor für ein fluides Medium umfassend ein Gehäuse (5) mit einem Innenraum (15) in dem ein abfragbares OFW-Sensorelement (20) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass – das Gehäuse (5) einen mit dem Innenraum (15) verbundenen Druckkanal (10) für das fluide Medium aufweist und – im Innenraum (15) eine Membran (21) angeordnet ist, die auf einer Seite von dem fluiden Medium beaufschlagbar ist, – wobei das OFW-Sensorelement (20) zum Detektieren einer Formänderung der Membran (21) in Abhängigkeit von einer Druckdifferenz zwischen von im Druckkanal (10) befindlichen fluiden Medium und einem auf der dem Druckkanal (10) entgegengesetzten Seite der Membran (21) befindlichen Referenzmediums ausgebildet ist.
Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das OFW-Sensorelement ein piezoelektrisches Substrat umfaßt, welches – einen Primärwandler, der als Interdigitalwandler ausgebildet ist, sowie – einen ersten Reflektor und – einen zweiten Reflektor für Oberflächenwellen aufweist, die auf einer Oberfläche des Substrats angeordnet sind.
Drucksensor (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Reflektor in einem Bereich in der Membran (21) mit maximaler Dehnung angeordnet sind.
Drucksensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (21) als piezoelektrisches Substrat ausgebildet ist.
Drucksensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das OFW-Sensorelement (20) zum Detektieren der Temperatur der Membran (21) ausgebildet ist.
Drucksensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das OFW-Sensorelement (20) funkabfragbar ist.
Drucksensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das OFW-Sensorelement (20) keine Spannungsversorgung benötigt.
Drucksensorsystem umfassend zumindest einen Drucksensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und eine Hochfrequenzsende- und Empfangseinheit zum Ansteuern und Auslesen des zumindest einen Drucksensors (1).
Drucksensor (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sende- und Empfangseinheit (30) zwei oder mehr Drucksensoren (1) ansteuert und/oder ausliest.
Kraftfahrzeug mit zumindest einem Drucksensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder 1 bis 9.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Drucksensor (1) als Niederdrucksensor in einer Abgasanlage des Kraftfahrzeugs eingesetzt ist.