DE102015001213A1

DE102015001213A1 - Diaphragm pressure sensor with a heat distribution body

Info

Publication number: DE102015001213A1
Application number: DE102015001213.4A
Authority: DE
Inventors: Christian Jedelhauser
Original assignee: Imes GmbH
Current assignee: Imes GmbH
Priority date: 2015-01-30
Filing date: 2015-01-30
Publication date: 2016-08-04
Anticipated expiration: 2035-01-31
Also published as: DE102015001213B4; DE102015001213C5

Abstract

Membrandrucksensor zur Druckmessung in strömenden Medien hoher und schwankender Temperatur, z. B. zur Messung des Brennraumdrucks in Verbrennungsmotoren, bestehend aus einem Gewindekörper (1), der einen zentrischen, axialen, gasführenden Kanal (5) aufweist, dessen Mündungsöffnung (6) gegen die Unterseite (14) eines im axialen Abstand vor der Mündungsöffnung (6) angeordneten Wärmeverteilungskörpers (3) gerichtet ist, wobei der Wärmeverteilungskörper (3) in einem Druckraum (9) angeordnet ist, der von einem Messelement (21) gebildet ist, dessen Oberseite durch eine Membran (4) gebildet ist, auf der ein Druckmesselement (16) befestigt ist, wobei der gasführende Kanal (5, 6) frontal gegen die Unterseite (14) des Wärmeverteilungskörpers (3) gerichtet ist, und dass im Druckraum (9) zwischen der Oberseite des Wärmeverteilungskörpers (3) und der Membran (4) des Messelements (21) ein Wärmeverteilungsspalt (10) gebildet ist.Diaphragm pressure sensor for pressure measurement in flowing media of high and fluctuating temperature, eg. B. for measuring the combustion chamber pressure in internal combustion engines, consisting of a threaded body (1) having a central, axial, gas-conducting channel (5) whose mouth opening (6) against the underside (14) of an axial distance in front of the mouth opening (6 ) is arranged, wherein the heat distribution body (3) in a pressure chamber (9) is arranged, which is formed by a measuring element (21) whose upper side is formed by a membrane (4) on which a pressure measuring element ( 16), wherein the gas-carrying channel (5, 6) is directed frontally against the underside (14) of the heat distribution body (3), and that in the pressure space (9) between the top of the heat distribution body (3) and the membrane (4) the measuring element (21) a heat distribution gap (10) is formed.

Description

Die Erfindung betrifft einen Membrandrucksensor nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to a membrane pressure sensor according to the preamble of claim 1.

Die vorliegende Erfindung beschreibt einen Membrandrucksensor, der mithilfe eines Wärmeverteilungskörpers für thermodynamisch hochgenaue Druckmessungen unter hohen und stark schwankenden Temperaturen optimiert ist, sowie verbesserte Strömungseigenschaften und minimale Anfälligkeit für Verrußen durch Rückstände aus dem unter Druck stehenden Medium besitzt.The present invention describes a membrane pressure sensor that is optimized for high thermodynamic pressure measurements under high and highly fluctuating temperatures using a heat distribution body, and has improved flow characteristics and minimal susceptibility to debris from residues from the pressurized medium.

Stand der Technik mit FundstellenPrior art with references

Membrandrucksensoren, die zur Druckmessung in Medien hoher und stark schwankender Temperatur eingesetzt werden, besitzen häufig einen temperaturbedingten Messfehler. Insbesondere bei der Indizierung des Brennraumdruckes in Verbrennungsmotoren wird eine Druckwelle von einer Temperaturwelle begleitet. Diese führt zu einer zeitlich und lokal schwankenden Temperatur an der Membran. Darüber hinaus erwärmt sich die Membran an ihrer Unterseite stärker als an ihrer Oberseite, was insbesondere bei stärkeren, druckfesteren Membranen zu einer thermisch bedingten Messabweichung führt.Diaphragm pressure sensors, which are used to measure pressure in high and fluctuating temperature media, often have a temperature-related measurement error. In particular, in the indexing of the combustion chamber pressure in internal combustion engines, a pressure wave is accompanied by a temperature wave. This leads to a temporally and locally fluctuating temperature at the membrane. In addition, the membrane heats up more strongly on its underside than on its upper side, which leads to a thermally induced measurement deviation, especially in the case of stronger, pressure-resistant membranes.

Sensoren mit dieser Problematik sind in den Schriften DE10232315A1 , DE 10 2004 063 598 A1 und DE 10 2004 024 920 B4 zu finden.Sensors with this problem are in the writings DE10232315A1 . DE 10 2004 063 598 A1 and DE 10 2004 024 920 B4 to find.

Die DE19847793B4 beschreibt einen piezoresistiven Drucksensor, dessen erste Membran durch einen Stift von einer zweiten Membran ausgelenkt wird. Durch diese thermische Entkopplung wird die verwendete Widerstandsanordnung vor einer Überhitzung geschützt. Außerdem wird das Totvolumen des Motors nur minimal vergrößert. Die in dieser Schrift genannten, konischen Flächen an der Außen- bzw. Innenseite der zweiten Membran sollen eine Reduzierung thermisch bedingter Messabweichungen ermöglichen. Nachteilig an einem solchen Membrandrucksensor ist sein aufwendiger und teurer Aufbau. Des Weiteren ist die Reduzierung des Thermoschockfehlers über die Kombination von konvexen und konkaven Innen- und Außenseiten an der Membran sehr komplex.The DE19847793B4 describes a piezoresistive pressure sensor whose first membrane is deflected by a pin from a second membrane. As a result of this thermal decoupling, the resistor arrangement used is protected against overheating. In addition, the dead volume of the engine is only minimally increased. The conical surfaces mentioned in this document on the outside or inside of the second membrane should allow a reduction of thermally induced errors. A disadvantage of such a diaphragm pressure sensor is its complex and expensive construction. Furthermore, reducing the thermal shock error through the combination of convex and concave inner and outer surfaces on the membrane is very complex.

Die Erfindung nach EP2446239B1 nutzt ebenfalls die thermische Entkopplung von einer ersten Membran und einer zweiten Membran über einen Stößel. Auf der Messmembran sitzt ein Biegebalken mit Widerstandsmäandern. Das Motor-Totvolumen wird nur minimal beeinflusst und es gibt keine Öffnungen, die insbesondere bei Dieselmotoren verrußen können. Nachteilig an einem solchen Drucksensor ist sein aufwendiger und teurer Aufbau. Des Weiteren werden die Membran und der Stößel von der Seite stärker beheizt als die Hülse. Dadurch ergeben sich unterschiedliche thermische Längenänderungen und somit wiederum ein thermisch bedingter Messfehler. Außerdem kann der lange Stößel leicht zum Schwingen angeregt werden.The invention according to EP2446239B1 also uses the thermal decoupling of a first membrane and a second membrane via a plunger. On the measuring membrane sits a bending beam with resistance meanders. The engine dead volume is only minimally affected and there are no openings that can be sooty, especially in diesel engines. A disadvantage of such a pressure sensor is its complex and expensive construction. Furthermore, the membrane and the plunger are more heated from the side than the sleeve. This results in different thermal length changes and thus again a thermally induced measurement error. In addition, the long pestle can be easily excited to swing.

In der DE4419138A1 wird ein piezoelektrischer Hochtemperaturdrucksensor mit konischem Membranabschnitt beschrieben. Weitere Ausgestaltungen beinhalten ein Wärmeisolierteil. Dieses kann eine aufgeschichtete Wärmeisolierschicht, eine Kappe vor dem Membranabschnitt oder eine mit dem Membranabschnitt verbundene Platte sein. Nachteilig an einem solchen Membrandrucksensor ist sein aufwendiger und teurer Aufbau. Des Weiteren kann der offenbarte Wärmeisolierteil leicht verrußen.In the DE4419138A1 A description will be given of a conical membrane portion high temperature piezoelectric pressure sensor. Further embodiments include a heat insulating part. This may be a layered heat insulating layer, a cap in front of the membrane section, or a plate connected to the membrane section. A disadvantage of such a diaphragm pressure sensor is its complex and expensive construction. Furthermore, the disclosed heat insulating member can easily become sooty.

Auch in der DE29716060U1 wird ein piezoelektrischer Membrandrucksensor mit einer wärmeisolierenden, biegeweichen Membranbeschichtung beschrieben. Die Beschichtung wird zusätzlich durch ein siebartiges Thermoschutzelement vor zu großen Wärmeströmen geschützt. Nachteilig an einem solchen Membrandrucksensor ist sein aufwendiger und teurer Aufbau. Des Weiteren kann das offenbarte Thermoschutzelement leicht verrußen und vergrößert das Totvolumen des Motors.Also in the DE29716060U1 describes a piezoelectric membrane pressure sensor with a heat-insulating, flexible membrane coating. The coating is additionally protected by a sieve-like thermal protection element against excessive heat flows. A disadvantage of such a diaphragm pressure sensor is its complex and expensive construction. Furthermore, the disclosed thermal protector can easily become sooty and increase the dead volume of the motor.

In der US3857287A wird ein weiterer piezoelektrischer Drucksensor beschrieben, dessen Membran im Mittenbereich deutlich stärker dimensioniert ist als im Randbereich. Der flexible Bereich der Membran ist also ringförmig ausgebildet. Der Mittenbereich soll mit seiner größeren Wärmekapazität die Temperaturschwankungen der Ringmembran ausgleichen. Weitere Ausgestaltungen des Sensors besitzen ebenfalls eine Wärmeschutzschicht sowie eine Art Hitzeschutzschild, das nur etwas kleiner dimensioniert ist als die Membran selbst und damit ein minimaler Spalt die Beweglichkeit der Membran gewährleistet. Nachteilig an einem solchen Membrandrucksensor ist sein aufwendiger und teurer Aufbau. Des Weiteren kann der enge Spalt leicht verrußen.In the US3857287A a further piezoelectric pressure sensor is described, the membrane is dimensioned much stronger in the central region than in the edge region. The flexible region of the membrane is thus annular. The center area should compensate with its larger heat capacity, the temperature fluctuations of the annular membrane. Further embodiments of the sensor also have a heat protection layer and a kind of heat shield, which is dimensioned only slightly smaller than the membrane itself and thus ensures a minimum gap the mobility of the membrane. A disadvantage of such a diaphragm pressure sensor is its complex and expensive construction. Furthermore, the narrow gap can easily become sooty.

Die EP2023113B1 beschreibt den Aufbau eines piezoresistiven Membrandrucksensors, der durch einen thermisch günstigen Einbau im Motorblock eines Verbrennungsmotors gekühlt sein soll. Dieser nutzt, ähnlich wie eine Ausführung in der DE4419138A1 , eine Umlenkung der Druckwelle. Die Umlenkung soll die Gasdruckwelle vor dem Auftreffen auf die Membran abkühlen. Bei diesem Membrandrucksensor soll die Umlenkung durch großflächige Verbindungen mit dem gekühlten Motorblock gekühlt werden. Nachteilig an einem solchen Sensor ist, dass die notwendigerweise vorhandenen Öffnungen verrußen, insbesondere bei mit Schweröl betriebenen Zweitakt-Dieselmotoren. Darüber hinaus verschlechtern die Umlenkung und die offenbarten Öffnungen die Strömungsverhältnisse und damit den Gasaustausch, den Druckauf- und -abbau. Ein weiterer Nachteil ist, dass die Kühlung an der Umlenkung nur gewährleistet ist, wenn der Sensor thermisch günstig im gekühlten Motorblock eingebaut ist, da er selbst eine Kühlung erfahren muss.The EP2023113B1 describes the structure of a piezoresistive diaphragm pressure sensor, which should be cooled by a thermally favorable installation in the engine block of an internal combustion engine. This one uses, similar to an execution in the DE4419138A1 , a deflection of the pressure wave. The deflection is to cool the gas pressure wave before hitting the membrane. In this diaphragm pressure sensor, the deflection is to be cooled by large-area connections with the cooled engine block. A disadvantage of such a sensor is that the openings which are necessarily present become sooty, especially in heavy-duty two-stroke diesel engines. Furthermore worsen the deflection and the disclosed openings, the flow conditions and thus the gas exchange, the pressure build-up and dismantling. Another disadvantage is that the cooling of the deflection is only guaranteed if the sensor is thermally cheap installed in the cooled engine block, since he himself must undergo cooling.

Nachteilig an einem solchen Membrandrucksensor ist auch, dass die offenbarten Öffnungen bei korrosionsbeständigen, langspanenden Stählen mit guter Schweißeignung schlecht fertigbar sind. Des Weiteren bilden sie eine zusätzliche Engstelle/Drossel für den Gasaustausch. Besonders bei Messmembranen mit kleinem Innendurchmesser muss auch der Durchmesser des Gaskanals und der Umlenkung sehr klein werden. Dadurch wird der Gasaustausch erschwert und die Kühlung an der Umlenkung verschlechtert.A disadvantage of such a membrane pressure sensor is also that the disclosed openings are poorly manufacturable in corrosion-resistant, long-chipping steels with good weldability. Furthermore, they form an additional bottleneck / throttle for gas exchange. Especially with measuring membranes with a small inner diameter, the diameter of the gas channel and the deflection must be very small. As a result, the gas exchange is difficult and the cooling deteriorates at the deflection.

Ein weiterer Nachteil ist das relativ große Volumen im Membranraum, welches zusätzlich den Druckaufbau und Druckabbau verzögert. Es ist somit aufgrund der Verzögerung von Druckauf- und -abbau schwierig, mit kleinen Druckmesszellen einen thermodynamisch guten Sensor aufzubauen. Außerdem hängt die Funktion des Sensors stark von den Kühlungsbedingungen im Motor ab.Another disadvantage is the relatively large volume in the membrane space, which additionally delays the pressure build-up and pressure reduction. It is thus difficult to build a thermodynamically good sensor with small pressure cells due to the delay of Druckauf- and -abbau. In addition, the function of the sensor depends greatly on the cooling conditions in the engine.

Ein großer Nachteil ist auch, dass das die Umlenkung bildende Element sowohl an der Unter- als auch an der Oberseite die Strömung der Gasdruckwelle erschwert und dadurch den Druckverlauf zeitlich verschleppt. Des Weiteren kann mit dem, die Umlenkung bildenden Element kein Einfluss auf Temperaturen einzelner Widerstandsmäander genommen werden bzw. ein gezieltes Temperaturfeld eingestellt werden.A major disadvantage is that the element forming the deflection impedes the flow of the gas pressure wave both at the bottom and at the top and thereby delays the pressure course in time. Furthermore, the element forming the deflection element can not be used to influence temperatures of individual resistance meanders or a specific temperature field can be set.

Aufgabetask

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kostengünstigen und thermodynamisch genauen Drucksensor aufzubauen, der unempfindlich gegenüber Verrußung und Temperatureinflüssen ist, wie sie bei der Druckmessung in Verbrennungsmotoren auftreten. Diese Unempfindlichkeit gegenüber Temperaturschwankungen soll unabhängig von der Einbausituation im gekühlten Motorblock gewährleistet sein.The present invention has for its object to build a cost-effective and thermodynamically accurate pressure sensor, which is insensitive to fouling and temperature effects, such as occur in the pressure measurement in internal combustion engines. This insensitivity to temperature fluctuations should be ensured regardless of the installation situation in the cooled engine block.

Außerdem wird ein Sensor beschrieben, dessen Element zur Kompensation von Temperaturschwankungen die Strömung des unter Druck stehenden Mediums nur unwesentlich beeinflusst. Die vorliegende Erfindung beschreibt insbesondere einen Sensor, der auch den Einsatz von kleinen Druckmesszellen erlaubt und es ermöglicht, ein gezieltes Temperaturfeld auf der Druckmessmembran einzustellen.In addition, a sensor is described, the element of which only insignificantly influences the flow of the pressurized medium to compensate for temperature fluctuations. In particular, the present invention describes a sensor which also allows the use of small pressure measuring cells and makes it possible to set a specific temperature field on the pressure measuring membrane.

Lösung und AusführungsbeispieleSolution and embodiments

Die vorliegende Erfindung löst die genannte Problemstellung durch folgende Sensorkonstruktion: Ein Gewindekörper, der zum Beispiel in einen Zylinderkopf eines Hubkolbenmotors eingeschraubt wird, besitzt ein oder mehrere Kanäle mit einem oder mehreren Durchmessern. Auf der Stirn des Gewindekörpers tritt das unter Druck stehende Medium in den Kanal ein. An der Schulter des Gewindekörpers ist ein vom unter Druck stehenden Medium direkt beheizter Wärmeverteilungskörper angebracht, der so beschaffen ist, dass er einerseits die darüber befindliche Membran ideal beheizt und andererseits die Strömung des unter Druck stehenden Mediums möglichst wenig beeinflusst. Ein Beheizen des Wärmeverteilungskörpers durch das unter Druck stehenden Medium schützt die Membran selbst vor lokaler Überhitzung. Außerdem wird die Membran selbst dadurch indirekt beheizt und auf einer konstanten Temperatur gehalten. Somit werden lokale und zeitliche Temperaturgradienten an der Membran und damit auch der Thermoschockfehler auf ein Minimum reduziert. Zwischen der Wärmeverteilungskörperoberseite und der Membranunterseite verbleibt nur ein sehr kleiner Spalt, was eine geringe Veränderung des Motortotvolumens und eine effektivere Beheizung der Membran zur Folge hat. Ein oder mehrere Stege befestigen den Wärmeverteilungskörper am Gewindekörper. Der Verbindungsbereich ist möglichst kleinflächig ausgebildet.The present invention solves said problem by the following sensor construction: A threaded body, which is screwed, for example, in a cylinder head of a reciprocating engine, has one or more channels with one or more diameters. On the front of the threaded body, the pressurized medium enters the channel. Attached to the shoulder of the threaded body is a pressurized medium directly heated heat distribution body adapted to, on the one hand, ideally heat the membrane above it and, on the other hand, to minimize affect the flow of the pressurized medium. Heating the heat distribution body by the pressurized medium protects the membrane itself from local overheating. In addition, the membrane itself is thereby indirectly heated and maintained at a constant temperature. Thus, local and temporal temperature gradients on the membrane and thus also the thermal shock error are reduced to a minimum. Only a very small gap remains between the heat distribution body top and the membrane bottom, resulting in little change in engine dead volume and more effective heating of the membrane. One or more webs attach the heat distribution body to the threaded body. The connection area is formed as small as possible.

Dadurch werden eine effektivere Beheizung der Membran, bessere Strömungsverhältnisse und eine geringe Anfälligkeit für Verrußung erzielt. Somit sind alle für einen thermodynamisch hochgenauen Drucksensor erforderlichen Forderungen erfüllt: Die Membran wird auf konstanter Temperatur gehalten, der Gasaustausch ist sehr gut und das zu komprimierende Volumen ist sehr gering.As a result, a more effective heating of the membrane, better flow conditions and low susceptibility to carbon fouling are achieved. Thus, all the requirements for a thermodynamically highly accurate pressure sensor are met: The membrane is kept at a constant temperature, the gas exchange is very good and the volume to be compressed is very low.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt demnach gemäß der Erfindung dadurch, dass im Druckraum unterhalb der Membran, welche das Druckmesselement trägt, ein Wärmeverteilungskörper angeordnet ist, dessen Abmessung etwa der Abmessung des Druckmesselementes entspricht und welcher von dem unter Druck stehenden Medium direkt angeströmt ist.The solution of the problem is therefore according to the invention in that in the pressure chamber below the membrane, which carries the pressure measuring element, a heat distribution body is arranged, whose dimension corresponds approximately to the dimension of the pressure measuring element and which is directly flowed by the pressurized medium.

Mit der gegebenen technischen Lehre ergibt sich der wesentliche Vorteil, dass nunmehr ein Wärmeverteilungskörper zu einer gleichmäßigen und gleichflächigen Wärmeverteilung des unter Druck stehenden Mediums in Richtung auf die Membran und dem auf der Membran angeordneten Druckmesselement sorgt.With the given technical teaching, there is the significant advantage that now a heat distribution body to a uniform and uniform heat distribution of the pressurized medium in the direction of the membrane and arranged on the diaphragm pressure measuring element provides.

Dies war beim Stand der Technik nicht möglich, weil der dort gezeigte Wärmeverteilungskörper lediglich eine radiale Umlenkung des unter Druck stehenden Mediums in Richtung auf die Seitenwand des Membrankörpers ermöglichte, wodurch gerade keine gleichmäßige Wärmeverteilung unterhalb des Druckmesselementes erreicht werden konnte.This was not possible in the prior art, because of the heat distribution body shown there only a radial deflection of the pressurized medium in the direction of the side wall of the membrane body made possible, whereby just no uniform heat distribution could be achieved below the pressure measuring element.

Hier setzt die Erfindung ein, die einen speziellen Wärmeverteilungskörper im Druckraum unterhalb der Membran vorschlägt.This is where the invention begins, which proposes a special heat distribution body in the pressure space below the membrane.

In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist deshalb vorgesehen, dass der Wärmeverteilungskörper etwa scheibenförmig ausgebildet ist, und in seiner Flächenausdehnung etwa der Fläche des darüber angeordneten Druckmesselementes entspricht. Damit wird dafür gesorgt, dass das unter Druck stehende Medium erst frontal auf den Wärmeverteilungskörper auftrifft, und die im Gasstrom enthaltenen Temperaturunterschiede von dem Wärmeverteilungskörper aufgenommen und in einen gleichmäßigen, die gesamte Fläche überstreichenden Abstrahlwärmestrom umgesetzt werden, der somit über einen relativ eng dimensionierten Wärmeverteilungsspalt gegen die Unterseite der Membran gerichtet ist.In a first embodiment of the invention, it is therefore provided that the heat distribution body is approximately disc-shaped, and in its surface extent corresponds approximately to the surface of the pressure measuring element arranged above. This ensures that the pressurized medium first impinges on the heat distribution body frontally, and the differences in temperature contained in the gas stream are absorbed by the heat distribution body and converted into a uniform, sweeping over the entire surface Abstrahlwärmestrom, thus over a relatively narrow-sized heat distribution gap against the bottom of the membrane is directed.

Auf diese Weise wird erreicht, dass eine gleichmäßige Wärmeverteilung über einen Wärmeverteilungskörper erfolgt, der über einen klein dimensionierten Wärmeverteilungsspalt den gleichmäßig von ihm erzeugten Abstrahlwärmestrom gegen die Unterseite der Membran lenkt und somit erreicht, dass das auf der Membran angeordnete Druckmesselement gleichmäßig über die gesamte Fläche erwärmt wird.In this way it is achieved that a uniform heat distribution via a heat distribution body takes place, which directs a uniformly distributed heat dissipation through him small heat distribution gap against the underside of the membrane and thus ensures that the arranged on the membrane pressure measuring element uniformly heated over the entire surface becomes.

In der ersten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Wärmeverteilungskörper als einfache ebene Scheibe ausgebildet ist, wobei eine solche Scheibe eine Dicke von etwa 1 mm und einen Durchmesser von etwa 2 mm aufweist.In the first embodiment of the invention, it is provided that the heat distribution body is formed as a simple flat disc, wherein such a disc has a thickness of about 1 mm and a diameter of about 2 mm.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Wärmeverteilungskörper sowohl an der Oberseite und/oder an der Unterseite eine von der ebenen Kontor abweichende Kontur aufweist.In another embodiment of the invention, it is provided that the heat distribution body both at the top and / or at the bottom has a deviating from the flat Kontor contour.

Beide Konturen, die sowohl an der Oberseite als auch an der Unterseite angeordnet sind, sollen für eine gleichmäßige Wärmeverteilung des auf dem Wärmeverteilungskörper auftreffenden Gasstromes sorgen.Both contours, which are arranged both at the top and at the bottom, are to ensure a uniform heat distribution of the impinging on the heat distribution body gas flow.

Sämtliche Konturen, die nachfolgend beschrieben werden, können sich deshalb sowohl auf die Unterseite des Wärmeverteilungskörpers als auch auf die Oberseite des Wärmeverteilungskörpers beziehen, und sie können jede beliebige Kombination untereinander bezüglich Ober- und Unterseite einnehmen.All the contours described below may therefore refer to both the underside of the heat distribution body and the top of the heat distribution body, and may take any combination with respect to top and bottom.

Es werden deshalb nur einige wenige Konturen beschrieben, die sowohl an der Oberseite als auch an der Unterseite oder in Kombination untereinander angeordnet sein können.Therefore, only a few contours are described, which can be arranged both at the top and at the bottom or in combination with each other.

In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung kann es deshalb vorgesehen sein, dass der scheibenförmige Wärmeverteilungskörper an seiner Unterseite eine zentrische Einsenkung aufweist, die den an der Unterseite auftreffenden Wärmestrom in radialer Richtung auf die unterseitige Außenseite des Wärmeverteilungskörpers umlenkt.In a first embodiment of the invention it can therefore be provided that the disk-shaped heat distribution body has on its underside a central depression, which deflects the incident on the underside heat flow in the radial direction on the underside outside of the heat distribution body.

In einer anderen Ausgestaltung kann es vorgesehen sein, dass die Oberfläche des Wärmeverteilungskörpers, welche in den Wärmeverteilungsspalt hineinragt und diesen Wärmeverteilungsspalt nach unten hin begrenzt, entweder konisch, konvex oder konkav ausgebildet sein kann.In another embodiment, it may be provided that the surface of the heat distribution body, which projects into the heat distribution gap and limits this heat distribution gap downwards, may be formed either conically, convexly or concavely.

Ebenso kann die Unterseite und/oder die Oberseite mit zugeordneten, einseitig offenen Ausnehmungen oder Einsenkungen versehen werden, um an bestimmten Stellen auf der Oberfläche des Wärmeverteilungskörpers (entweder an der Oberseite und/oder an der Unterseite) wärmegekühlte Flächen zu ermöglichen, um so durch eine partielle und punktförmige Ausbildung der Oberseite und/oder der Unterseite des Wärmeverteilungskörpers dafür zu sorgen, dass die das Druckmesselement ausbildenden Dehnungsmessstreifen (DMS) gerade nicht aufgeheizt werden, sondern kühler bleiben als vergleichsweise die Bereiche der Membran, wo die DMS nicht angeordnet sind.Likewise, the underside and / or the top can be provided with associated, unilaterally open recesses or depressions to allow at certain locations on the surface of the heat distribution body (either at the top and / or at the bottom) heat-cooled surfaces, so as by a partial and punctiform formation of the top and / or the bottom of the heat distribution body to ensure that the pressure measuring element forming strain gauges (DMS) just not heated, but remain cooler than comparatively the areas of the membrane where the strain gauges are not arranged.

Es kann demnach die Oberseite und/oder die Unterseite des Wärmeverteilungskörpers bestimmte Konturen aufweisen, die als Einsenkungen oder auch als Vorsprünge oder linsenförmige Erhebungen ausgebildet sind.Accordingly, the upper side and / or the lower side of the heat distribution body may have certain contours which are formed as depressions or else as projections or lenticular elevations.

Die vorliegende Erfindung beschreibt einen kostengünstigen Membrandrucksensor mit nur wenigen Bauteilen. Der offenbarte Wärmeverteilungskörper erlaubt das Einstellen einer einheitlichen Temperatur über die gesamte Fläche der Membran und bewahrt diese vor Überhitzung durch zu starke, direkte Beheizung durch das heiße, unter Druck stehende Medium. Durch die einheitliche, indirekte Beheizung der Membran werden zeitliche und lokale Temperaturunterschiede an der Membran auf ein Minimum reduziert und dadurch der Thermoschockfehler minimiert. Der offenbarte Wärmeverteilungskörper erlaubt demnach die thermodynamische Optimierung eines Drucksensors für eine Messung in heißen, strömenden Medien, speziell für Druckmessung in Verbrennungsräumen.The present invention describes a cost-effective membrane pressure sensor with only a few components. The disclosed heat distribution body allows a uniform temperature to be set across the entire surface of the membrane and prevents it from overheating due to excessive direct heating by the hot, pressurized medium. The uniform, indirect heating of the membrane reduces temporal and local temperature differences at the membrane to a minimum and thus minimizes the thermal shock error. The disclosed heat distribution body thus allows the thermodynamic optimization of a pressure sensor for measurement in hot, flowing media, especially for pressure measurement in combustion chambers.

Somit können auch mit dickeren, Überdruck-festeren und kleineren Messmembranen thermodynamisch gesehen sehr genaue Sensoren gebaut werden. Das ermöglicht die Schaffung von sehr betriebssicheren Sensoren mit kleiner Baugröße. Dadurch, dass keine Öffnungen verwendet werden, wie in DE4419138A1 und EP2023113B1 beschrieben, sondern kleinste Stege ist der Sensor erheblich unempfindlicher gegenüber Verrußung, was seine Betriebssicherheit speziell bei Dieselmotoren deutlich erhöht.Thus, even with thicker, over-pressure-resistant and smaller measuring membranes thermodynamically speaking very accurate sensors are built. This allows the creation of very reliable small size sensors. Because no openings are used as in DE4419138A1 and EP2023113B1 but smallest webs, the sensor is significantly less sensitive to fouling, which significantly increases its reliability, especially in diesel engines.

Der beschriebene Sensoraufbau ist außerdem gekennzeichnet durch optimale Strömungseigenschaften und eine nur geringfügige Veränderung des Motor-Totvolumens. Durch die erfindungsgemäße Positionierung von Membran und Wärmeverteilungskörper zueinander kann an der Membran ein gewünschtes Temperaturfeld gezielt eingestellt werden. Außerdem ist der beschriebene Sensor-Aufbau auch bei den für Drucksensoren üblichen, langspanenden Stählen leicht und ohne ein Risiko, dass Späne am Sensor verbleiben, fertigbar.The sensor structure described is also characterized by optimum flow characteristics and only a slight change in engine dead volume. As a result of the positioning according to the invention of the membrane and heat distribution body relative to one another, a desired temperature field can be set in a targeted manner on the membrane. In addition, the described sensor construction is easily manufacturable even with the customary for pressure sensors, long-chipping steels and no risk that chips remain on the sensor.

Der Erfindungsgegenstand der vorliegenden Erfindung ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch aus der Kombination der einzelnen Patentansprüche untereinander.The subject of the present invention results not only from the subject matter of the individual claims, but also from the combination of the individual claims with each other.

Alle in den Unterlagen, einschließlich der Zusammenfassung offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellte räumliche Ausbildung, werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.All information and features disclosed in the documents, including the abstract, in particular the spatial design shown in the drawings, are claimed to be essential to the invention insofar as they are novel individually or in combination with respect to the prior art.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor.In the following the invention will be explained in more detail with reference to drawings showing only one embodiment. Here are from the drawings and their description further features essential to the invention and advantages of the invention.

Es zeigen:Show it:

1: Schnitt durch eine erste Ausführungsform eines Membrandrucksensors mit einem Wärmeverteilungskörper 1 : Section through a first embodiment of a membrane pressure sensor with a heat distribution body

1A: der Wärmeverteilungskörper nach 1 in einer vergrößerten Darstellung 1A : the heat distribution body after 1 in an enlarged view

2: eine gegenüber 1 abgewandelte Ausführungsform eines Membrandrucksensors 2 : one opposite 1 modified embodiment of a diaphragm pressure sensor

3: eine weitere abgewandelte Ausführungsform bezüglich der Formgebung des Wärmeverteilungskörpers 3 FIG. 1 shows a further modified embodiment with regard to the shaping of the heat distribution body. FIG

4: eine dritte Ausführungsform der Ausbildung eines Wärmeverteilungskörpers in Verbindung mit einer anderen Ausführungsform eines Membrandrucksensors 4 a third embodiment of the formation of a heat distribution body in conjunction with another embodiment of a membrane pressure sensor

5: schematisiert die Wirkungsweise des Wärmeverteilungskörpers 5 : schematizes the mode of operation of the heat distribution body

6: schematisiert eine Temperaturverteilung auf einem Druckmesselement nach dem Stand der Technik 6 FIG. 1 schematically shows a temperature distribution on a pressure measuring element according to the prior art

7: schematisiert die Temperaturverteilung über die Oberfläche des Druckmesselementes und der Membran mit einem Wärmeverteilungskörper nach der Erfindung 7 FIG. 1 schematically shows the temperature distribution across the surface of the pressure measuring element and the membrane with a heat distribution body according to the invention

8: eine weitere schematisierte Darstellung nach dem Stand der Technik ( EP 20 23 113 B1 ) mit einem Strömungsverteiler 8th FIG. 3: a further schematized representation according to the prior art ( EP 20 23 113 B1 ) with a flow distributor

9: ein Temperaturprofil über der Membran und dem darauf angeordneten Druckmesselement bei einem Wärmeverteilungskörper 3 nach der Erfindung 9 a temperature profile across the membrane and the pressure sensing element disposed thereon at a heat distribution body 3 according to the invention

10: eine gegenüber 9 abgewandelte Ausführungsform eines Wärmeverteilungskörpers, der an seiner Oberseite punktuelle Ausnehmungen aufweist 10 : one opposite 9 modified embodiment of a heat distribution body having punctiform recesses on its upper side

Die Erfindung beschreibt einen piezoresistiven Membrandrucksensor, der zum Beispiel mit dem Gewindekörper 1 in den Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors eingeschraubt wird und auf diese Weise mit dem Brennraum verbunden ist. Am Gewindekörper 1 ist mindestens ein Steg 2 angebracht, der einen Wärmeverteilungskörper 3 trägt. An der Schulter des Gewindekörpers 1 ist außerdem eine Membran 4 angebracht, deren elastische Auslenkung eine Wheatstonesche Brückenschaltung aus Dehnungsmessstreifen verstimmt und so ein elektrisches Signal erzeugt.The invention describes a piezoresistive membrane pressure sensor, for example, with the threaded body 1 is screwed into the cylinder head of an internal combustion engine and is connected in this way with the combustion chamber. At the threaded body 1 is at least one jetty 2 attached, the a heat distribution body 3 wearing. At the shoulder of the threaded body 1 is also a membrane 4 attached, the elastic deflection detuned a Wheatstone bridge circuit of strain gauges, thus generating an electrical signal.

Das unter Druck stehende Medium strömt in den Kanal 5. Bei Verwendung von Membranen mit kleinem Durchmesser und besseren thermodynamischen Eigenschaften verengt sich der Kanal an der Stelle 6. Die heiße Druckwelle trifft zunächst direkt (frontal) auf den Wärmeverteilungskörper 3, der dadurch an seiner Unterseite direkt beheizt wird. Der Wärmeverteilungskörper 3 ist aus einem Material hoher Wärmekapazität ausgeführt und gibt Wärme an seiner Oberseite an die Unterseite der Membran 4 ab. Die Membran 4 wird dadurch indirekt beheizt. Dadurch besitzt die Membran 4 jederzeit eine etwa gleiche Temperatur, was einen Thermoschockfehler und auch lokale Temperaturgradienten vermeiden lässt. Durch die gewählte Sensorkonstruktion in Verbindung mit den dünnen Stegen 2 ist selbst bei kleiner Membranbauform ein großflächiger Querschnitt für den Gasaustausch realisierbar.The pressurized medium flows into the channel 5 , Using small diameter membranes and better thermodynamic properties, the channel narrows at the site 6 , The hot pressure wave strikes first directly (frontally) on the heat distribution body 3 which is thereby directly heated at its bottom. The heat distribution body 3 is made of a material of high heat capacity and gives heat at its top to the bottom of the membrane 4 from. The membrane 4 is thereby indirectly heated. As a result, the membrane has 4 at any time an approximately equal temperature, which can avoid a thermal shock error and also local temperature gradients. Due to the selected sensor construction in connection with the thin webs 2 Even with a small membrane design, a large-area cross-section for the gas exchange can be realized.

Gegenstand der Erfindung sind auch konkave und konvexe Formen an der Unter- und/oder Oberseite der Wärmeverteilungskörper 3 sowie Kombinationen aus diesen Geometrien. Diese Kombinationen und unterschiedlich hoch ausgeprägte Flächen am Wärmeverteilungskörper 3 erlauben eine gezielte Einstellung von Strömungsverhältnissen und Temperaturfeldern. The invention also concave and convex shapes on the bottom and / or top of the heat distribution body 3 as well as combinations of these geometries. These combinations and different degrees of pronounced areas on the heat distribution body 3 allow a specific adjustment of flow conditions and temperature fields.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist eine Schlitzung/Vertiefung an der Unter- bzw. Oberseite der Wärmeverteilungskörper 3, die für einen besseren und gezielteren Mediumtransport sorgt. Durch die fluchtende Positionierung von Wärmeverteilungskörper 3 und Membran 4 zueinander können einzelne Membranbereiche kühler bzw. heißer gestaltet werden, um den Thermoschockfehler zu verringern, um dadurch die Temperaturschwankungen im Bereich der Dehnungsmessstreifen möglichst klein zu halten.A further embodiment of the invention is a slit / depression on the lower or upper side of the heat distribution body 3 , which ensures a better and more targeted medium transport. By the flush positioning of heat distribution body 3 and membrane 4 To each other, individual membrane areas can be made cooler or hotter in order to reduce the thermal shock error, thereby keeping the temperature fluctuations in the area of the strain gauges as small as possible.

Gegenstand der Erfindung ist auch der mechanische Aufbau des Sensors: Die Einheit aus Gewindekörper 1, Steg 2 und Wärmeverteilungskörper 3 kann aus einem Material herausgearbeitet oder mehrteilig ausgeführt sein. Für einen einteiligen Aufbau können klassische umformende und trennende Fertigungsverfahren (zum Beispiel Gießen, Drehen, Fräsen, Schleifen, Ätzen, Erodieren) eingesetzt werden. Bei einem mehrteiligen Aufbau können klassische form-, stoff- und kraftschlüssige Fügeverfahren angewandt werden.The invention is also the mechanical structure of the sensor: The unit of threaded body 1 , Footbridge 2 and heat distribution body 3 can be worked out of a material or executed in several parts. For a one-piece construction classical forming and separating manufacturing processes (for example casting, turning, milling, grinding, etching, eroding) can be used. In the case of a multi-part construction, classical positive, material and non-positive joining methods can be used.

Zum Gegenstand der Erfindung zählt auch die Wahl der Materialien. Bei einteiligem Aufbau sind sowohl Metalle als auch keramische Werkstoffe vorgesehen. Die Eigenschaften beider Werkstoffgruppen können bei einem mehrteiligen Aufbau ideal miteinander kombiniert werden. Dabei kann das Stegmaterial ein Material mit schlechter Wärmeleitfähigkeit sein, während die Wärmeverteilungskörper 3 aus einem Material hoher Wärmekapazität, hoher Wärmeleitfähigkeit und guter Wärmeübergangseigenschaften ausgeführt sind.The invention also includes the choice of materials. In one-piece construction both metals and ceramic materials are provided. The properties of both material groups can ideally be combined with one another in a multi-part structure. In this case, the web material may be a material with poor thermal conductivity, while the heat distribution body 3 are made of a material of high heat capacity, high thermal conductivity and good heat transfer properties.

1 zeigt einen Schnitt durch den erfindungsgemäßen Drucksensor in der Gestalt, dass Gewindekörper 1, Steg 2 und Wärmeverteilungskörper 3 aus einem Material herausgearbeitet sind. Bei dieser Ausgestaltung besitzt die Wärmeverteilungskörperunterseite eine Ausbuchtung (siehe 1a), was die Fertigung, etwa in Form einer auslaufenden Sacklochbohrung, erleichtert. 1 shows a section through the pressure sensor according to the invention in the form that threaded body 1 , Footbridge 2 and heat distribution body 3 made out of a material. In this embodiment, the heat distribution body lower side has a bulge (see 1a ), which facilitates the production, for example in the form of an expiring blind hole.

Der Wärmeverteilungskörper 3 besitzt außerdem eine konkave Einbuchtung (Kontur 13) auf seiner Oberseite. Mit einer vorteilhaften Dimensionierung dieser Einbuchtung kann eine gleichmäßigere Beheizung der Membran 4 erreicht werden. Durch die Verwendung zweier Kanaldurchmesser können auch Sensoren mit kleinem Membrandurchmesser mit einem solchen Wärmeverteilungskörper 3 ausgestattet werden.The heat distribution body 3 also has a concave indentation (contour 13 ) on its top. With an advantageous dimensioning of this indentation, a more uniform heating of the membrane 4 be achieved. By using two channel diameters, even sensors with a small membrane diameter can be used with such a heat distribution body 3 be equipped.

2 zeigt einen Schnitt durch eine weitere Ausgestaltung der Erfindung, bei der die Einheit aus Gewindekörper 1, Steg 2 und Wärmeverteilungskörper 3 mehrteilig ausgebildet ist. Aus diesem Grund ist eine Linie an der Unterseite des Steges eingetragen. Der Gewindekörper 1 besitzt einen großen Kanaldurchmesser des Kanals 5, was die Strömung des unter Druck stehenden Mediums erleichtert, jedoch nur die Verwendung von Membranen mit großem Durchmesser erlaubt. 2 shows a section through a further embodiment of the invention, in which the unit of threaded body 1 , Footbridge 2 and heat distribution body 3 is formed in several parts. For this reason, a line is entered at the bottom of the bridge. The threaded body 1 has a large channel diameter of the channel 5 , which facilitates the flow of the pressurized medium, but only allows the use of large diameter membranes.

Der Wärmeverteilungskörper 3 ist bei dieser Ausgestaltung an der Unterseite flach, was zu einer sehr gleichmäßigen Beheizung der Wärmeverteilungskörper 3 führt. Die Oberseite ist leicht konvex gewölbt (Kontur in 2), um die Strömung des unter Druck stehenden Mediums an der Membranunterseite zu erleichtern. Alternativ zu dieser Kontur kann die Wärmeverteilungskörperoberseite auch flach bzw. flach und leicht geschlitzt sein. Nur in dem Bereich, wo Steg 2 und Wärmeverteilungskörper 3 verbunden werden, ist der Wärmeverteilungskörper 3 größer dimensioniert. Es verbleibt ein sehr großer Querschnitt für die Strömung des unter Druck stehenden Mediums.The heat distribution body 3 is flat in this embodiment at the bottom, resulting in a very uniform heating of the heat distribution body 3 leads. The top is slightly convex (contour in 2 ) to facilitate the flow of the pressurized medium at the membrane bottom. As an alternative to this contour, the heat distribution body top can also be flat or slightly slit. Only in the area where jetty 2 and heat distribution body 3 are connected, the heat distribution body 3 larger dimensions. There remains a very large cross section for the flow of the pressurized medium.

3 zeigt einen Schnitt durch eine weitere Ausgestaltung, bei der die Wärmeverteilungskörperunterseite für verbesserte Strömungsverhältnisse konvex mit der Kontur 14b ausgeführt ist. Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung werden Wärmeverteilungskörper 3 und Membran 4 bzw. Widerstandsmäander zueinander positioniert. Durch die individuelle Gestaltung der Wärmeverteilungskörperoberseite aus einer Kombination von konvexen und konkaven Bereichen sowie Bereichen unterschiedlicher Höhen kann an der Membran 4 ein gewünschtes Temperaturfeld eingestellt werden und dadurch zum Beispiel genau in den Bereichen der Widerstandsmäander die Beheizung reduziert werden, während sie in Bereichen, die weniger temperaturempfindlich sind, erhöht werden kann. 3 shows a section through a further embodiment, wherein the heat distribution body bottom for improved flow conditions convex with the contour 14b is executed. In this embodiment of the invention are heat distribution body 3 and membrane 4 or resistance meander positioned to each other. Due to the individual design of the heat distribution body top from a combination of convex and concave areas and areas of different heights can be attached to the membrane 4 a desired temperature field can be set and thereby, for example, the heating can be reduced precisely in the areas of the resistance meanders, while they can be increased in areas which are less temperature-sensitive.

In 1 bis 3 ist allgemein ein Membrandrucksensor dargestellt, der in vereinfachter Form als Gewindekörper 1 ausgebildet ist, der mit einem zugeordneten Außengewinde 7 in den Gewindekopf zum Beispiel eines Hochleistungsdieselmotors eingeschraubt ist.In 1 to 3 is generally a diaphragm pressure sensor shown in simplified form as a threaded body 1 is formed, with an associated external thread 7 screwed into the threaded head, for example, a high-performance diesel engine.

Die heißen Verbrennungsgase mit einer Temperatur von etwa 1000°C strömen demnach in Pfeilrichtung 8 durch einen am Gewindekörper 1 angeordneten, zentrischen axialen Kanal 5 und gelangen über einen Übergangsquerschnitt 6 mit verringertem Durchmesser in einen Druckraum 9, in dem der erfindungsgemäße Wärmeverteilungskörper 3 angeordnet ist. Der Druckraum 9 ist Teil eines Messelements 21, das als einseitig offene Hülse ausgebildet ist, deren Deckfläche durch die Membran 4 gebildet ist. Auf der Oberseite der Membran 4 ist das Druckmesselement 16 angeordnet.The hot combustion gases at a temperature of about 1000 ° C thus flow in the direction of the arrow 8th through one on the threaded body 1 arranged, central axial channel 5 and arrive via a transition cross section 6 with reduced diameter in a pressure chamber 9 in which the Heat distribution body according to the invention 3 is arranged. The pressure room 9 is part of a measuring element 21 , which is designed as a sleeve open on one side, whose top surface through the membrane 4 is formed. On top of the membrane 4 is the pressure measuring element 16 arranged.

Wichtig ist, dass das Gas in Pfeilrichtung 8 direkt die Unterseite des Wärmeverteilungskörpers 3 frontal anströmt, sodass dieser direkt von dem Gasstrom an der Unterseite getroffen wird und im Wesentlichen den gesamten Druckraum 9 unter Beibehaltung von geringen radialen Spalten ausfüllt.It is important that the gas in the direction of arrow 8th directly the bottom of the heat distribution body 3 flows frontally so that it is struck directly by the gas flow at the bottom and essentially the entire pressure chamber 9 while maintaining low radial gaps.

Wichtig ist ferner, dass die Oberseite des Wärmeverteilungskörpers 3 nur einen geringen axialen Spalt, nämlich einen Wärmeverteilungsspalt 10, in Richtung zur Unterseite der Membran 4 ausbildet, sodass eine günstige Wärmeübertragung eines vergleichmäßigten Abstrahlwärmestroms 28 auf die Unterseite der Membran 4 erfolgt. Lichte Weite des Warmeverteilungsspaltes liegt bevorzugt im Bereich zwischen 0,1 bis 1 mm, bevorzugt etwa 0,4 mm.It is also important that the top of the heat distribution body 3 only a small axial gap, namely a heat distribution gap 10 , towards the bottom of the membrane 4 forms, so that a favorable heat transfer of a uniform Abstrahlwärmestroms 28 on the underside of the membrane 4 he follows. Clear width of the heat distribution gap is preferably in the range between 0.1 to 1 mm, preferably about 0.4 mm.

Diese Unterseite der Membran 4 wird auch als Druckseite 4a bezeichnet, während dieser Druckseite 4a die Messseite 4b der Membran 4 gegenüberliegt.This underside of the membrane 4 is also called a print page 4a referred to, during this print page 4a the measurement page 4b the membrane 4 opposite.

Auf der Messseite 4b der Membran 4 ist ein Druckmesselement 16 angeordnet, das im gezeigten Ausführungsbeispiel aus einer Anzahl von Dehnungsmessstreifen (DMS) 26 besteht, die gemäß 1 mithilfe von Anschlusselementen 17 und über Bonddrähte 18 elektrisch nach außen geführt sind. Die durch ein Bondverfahren angeschlossenen Bonddrähte 18 enden in einem Keramikring in Form von Anschlusselementen 19. Die Anschlusselemente 19 sind mit den Anschlusspins 20 leitfähig verbunden. Die DMS 26 sind in der Art einer Messbrücke elektrisch miteinander verbunden.On the measurement side 4b the membrane 4 is a pressure measuring element 16 arranged in the embodiment shown, from a number of strain gauges (DMS) 26 exists according to 1 using connection elements 17 and over bonding wires 18 are guided electrically to the outside. The bonding wires connected by a bonding process 18 ends in a ceramic ring in the form of connecting elements 19 , The connection elements 19 are with the connection pins 20 conductively connected. The DMS 26 are electrically connected in the manner of a measuring bridge.

Somit bildet die Membran 4 mit dem darauf angeordneten Druckmesselement 16 und den Anschlussleitungen das als einseitig offene Hülse ausgebildete Messelement 21, welches in einer bevorzugten Ausgestaltung im Bereich der Befestigungsfläche 22 mit dem Gewindekörper 1 verschweißt oder in anderer Weise verbunden ist.Thus, the membrane forms 4 with the pressure measuring element arranged thereon 16 and the connecting lines designed as a unilaterally open sleeve measuring element 21 which in a preferred embodiment in the region of the attachment surface 22 with the threaded body 1 welded or otherwise connected.

Im Ausführungsbeispiel nach den 1 bis 3 ist der Wärmeverteilungskörper 3 über einen oder mehrere Stege 2 mit der Bodenseite des Druckraums 9 verbunden, das heißt die Stege 2 sind metallische dünne oder auch keramische Pins, welche dem Wärmeverteilungskörper 3 eine geforderte Standfestigkeit im Druckraum 9 zuordnen, der demnach im Druckraum 9 bevorzugt in axialer Richtung durch den einen oder die mehreren Stege 2 abgestützt ist.In the embodiment of the 1 to 3 is the heat distribution body 3 over one or more bridges 2 with the bottom side of the pressure chamber 9 connected, that is the webs 2 are metallic thin or ceramic pins, which the heat distribution body 3 a required stability in the pressure chamber 9 assign, therefore, in the pressure room 9 preferably in the axial direction through the one or more webs 2 is supported.

Um nun eine erfindungsgemäße Wärmeverteilung in Umsetzung des auf die Unterseite des Wärmeverteilungskörpers 3 auftreffenden Wärmestroms auf die Oberseite dieses Wärmeverteilungskörpers 3 zu erreichen, ist gemäß 1 vorgesehen, dass die Unterseite 14 des Wärmeverteilungskörpers 3 eine konische Einsenkung 14a aufweist, um so den Gasstrom an der Unterseite dieses Wärmeverteilungskörpers 3 zu zentrieren und erst nach der Zentrierung radial nach außen abzuleiten. Damit wird der Gasstrom sozusagen an der Unterseite des Wärmeverteilungskörpers 3 eingefangen und sorgt für eine gleichmäßige, über die gesamte Fläche des Wärmeverteilungskörpers 3 sich erstreckende Wärmeverteilung.In order now to heat distribution according to the invention in the implementation of the on the underside of the heat distribution body 3 impinging heat flow on top of this heat distribution body 3 to reach is according to 1 provided that the bottom 14 of the heat distribution body 3 a conical depression 14a so as to control the gas flow at the bottom of this heat distribution body 3 to center and only after the centering to dissipate radially outward. Thus, the gas flow becomes, so to speak, at the bottom of the heat distribution body 3 captured and ensures a uniform, over the entire surface of the heat distribution body 3 extending heat distribution.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die Oberseite des Wärmeverteilungskörpers entweder eben ausgebildet ist oder eine konkave Kontur 13 aufweist, wie es in 1 dargestellt ist. Die ebene Kontur ist mit dem Bezugszeichen 12 bezeichnet.In a further embodiment of the invention, it may be provided that the top of the heat distribution body is either flat or a concave contour 13 has, as it is in 1 is shown. The planar contour is denoted by the reference numeral 12 designated.

Je nach den Erfordernissen der Wärmeverteilung, die an den Wärmeverteilungskörper 3 gerichtet sind, kann demnach sowohl die Unterseite als auch die Oberseite des Wärmeverteilungskörpers eine bestimmte Kontur 11, 12, 13, 15 aufweisen.Depending on the requirements of the heat distribution, to the heat distribution body 3 Accordingly, both the bottom and the top of the heat distribution body can therefore have a certain contour 11 . 12 . 13 . 15 exhibit.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel nach 2 ist die Kontur 11 konvex ausgebildet, sodass sich im Wärmeverteilungsspalt 10 eine andere Wärmeverteilung in Richtung auf die Druckseite 4a der Membran 4 ergibt.In the illustrated embodiment according to 2 is the contour 11 Convex formed so that in the heat distribution gap 10 another heat distribution towards the pressure side 4a the membrane 4 results.

Wichtig ist auch hier, dass die Unterseite 14c, die eben ausgebildet ist, direkt vom Gasstrom angeströmt wird, der demnach senkrecht (frontal) auf die Unterseite 14 des Wärmeverteilungskörpers 3 auftrifft.It is also important here that the bottom 14c , which is just formed, is directly flowed by the gas flow, therefore perpendicular (frontal) to the bottom 14 of the heat distribution body 3 incident.

Die 3 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel, dass die Unterseite des Wärmeverteilungskörpers 3 eine konisch, radial nach außen ansteigende Kontur 14b aufweisen kann, wobei die Kontur entweder glatt oder geriffelt sein kann.The 3 shows as a further embodiment, that the underside of the heat distribution body 3 a conical, radially outwardly rising contour 14b may have, wherein the contour may be either smooth or corrugated.

Im Bereich der Unterseite 14 können auch Nuten oder halb offene Ringnuten eingearbeitet sein.In the area of the bottom 14 also grooves or semi-open grooves can be incorporated.

Die Oberseite zeigt entweder eine ebene Kontur 12 oder auch eine Kontur 15, die durch Ringnuten oder die durch einzelne, über die Fläche des Wärmeverteilungskörpers 3 sich erstreckende Erhebungen gebildet sind, wodurch sich eine mit Erhöhungen besetzte Oberfläche als Kontur 15 für den Wärmeverteilungskörper 3 ergibt.The top shows either a flat contour 12 or a contour 15 passing through annular grooves or through individual, over the surface of the heat distribution body 3 extending ridges are formed, resulting in a raised surface occupied as a contour 15 for the heat distribution body 3 results.

Die 3 zeigt jeweils einen Halbschnitt durch den Wärmeverteilungskörper 3, wobei die linke Seite eine andere Ausführung als vergleichsweise die rechte Seite zeigt.The 3 shows in each case a half-section through the heat distribution body 3 , where the left side shows a different version than the right side comparatively.

Die 4 zeigt ein demgegenüber abgewandeltes Ausführungsbeispiel mit Darstellung weiterer Einzelheiten. Im Kanal 6 strömt das Heißgas in Pfeilrichtung 8 über ein sich an die Stirnseite des Kanals und des Gewindekörpers 1 anschließendes Strömungsrohr 23, das seitliche Ausströmöffnungen 24 aufweist, die als großvolumige Schlitze ausgebildet sind.The 4 shows a contrast modified embodiment with representation of further details. In the channel 6 the hot gas flows in the direction of the arrow 8th via a to the front of the channel and the threaded body 1 subsequent flow tube 23 , the lateral outflow openings 24 has, which are formed as large-volume slots.

Damit wird vermieden, dass das heiße Medium in Pfeilrichtung 25 gegen die Innenwand des Membrankörpers 4 stößt. Denn durch die Schlitzung trifft das heiße Medium zunächst direkt in Pfeilrichtung 25 auf die Unterseite des Wärmeverteilungskörpers 3, um diesen gleichmäßig über seine gesamte Unterseite zu beheizen.This avoids that the hot medium in the direction of arrow 25 against the inner wall of the membrane body 4 encounters. Because through the slit, the hot medium first strikes directly in the direction of the arrow 25 on the bottom of the heat distribution body 3 to heat it evenly over its entire underside.

Im Hinblick auf die vorher genannten Ausführungsbeispiele nach den 1 bis 3 wird darauf hingewiesen, dass der Gasstrom, der im Übergangsquerschnitt 6 oder direkt über den Kanal 5 kommt, in seiner radialen Erstreckung durchaus nicht eine gleichmäßige Temperatur aufweist. Es ist bekannt, dass die radial äußeren Bereiche kälter sind als vergleichsweise die im Zentrumsbereich strömenden Gasanteile, sodass der erfindungsgemäße Wärmeverteilungskörper 3 für eine Vergleichmäßigung der mit unterschiedlicher Temperatur auf die Unterseite auftreffenden Gasströme sorgt.With regard to the aforementioned embodiments according to the 1 to 3 It should be noted that the gas flow in the cross-section 6 or directly over the channel 5 does not have a uniform temperature in its radial extent. It is known that the radially outer regions are colder than comparatively the gas fractions flowing in the center region, so that the heat distribution body according to the invention 3 for a homogenization of the impact with different temperature on the bottom gas flows.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel nach 4 werden die zentrisch aus dem Strömungsrohr 23 relativ geringen Durchmessers ausströmenden, heißen Gasanteile radial nach außen gegen die Unterseite des Wärmeverteilungskörpers 3 geleitet, um so für eine Wärme-Vergleichmäßigung zu sorgen.In the illustrated embodiment according to 4 be the centrically out of the flow tube 23 relatively small diameter effluent, hot gas components radially outward against the bottom of the heat distribution body 3 directed to provide a heat equalization.

Die vergleichmäßigte Temperatur wird in der Art eines Abstrahlwärmestroms 28 in den Wärmeverteilungsspalt 10 oberhalb der Fläche des Wärmeverteilungskörpers 3 auf die Unterseite der Membran 4 eingestrahlt, und es ist erkennbar, dass auf der Oberseite der Membran, nämlich auf der Messseite 4b, eine Anzahl von Dehnungsmessstreifen 26 angeordnet sind. Es wird angestrebt, dass die Dehnungsmessstreifen einer gleichen Temperatur unterworfen sind, und dass im Bereich der Dehnungsmessstreifen kein Temperaturgefälle sein soll.The uniformed temperature is in the manner of a radiated heat flow 28 in the heat distribution gap 10 above the surface of the heat distribution body 3 on the underside of the membrane 4 irradiated, and it can be seen that on top of the diaphragm, namely on the measuring side 4b , a number of strain gauges 26 are arranged. It is intended that the strain gauges are subjected to a same temperature, and that in the area of the strain gauges should not be a temperature gradient.

Die Erfindung ist nicht auf die Anordnung von Dehnungsmessstreifen 26 beschränkt. Diese können sowohl gleichmässig verteilt sein oder auch nur auf einer Seite einer Messfläche angeordnet werden; und auch hier ist es wesentlich, dass dieser Bereich, wo die Dehnungsmessstreifen 26 angeordnet sind, einer gleichmäßigen Temperatur unterworfen ist, sodass in diesen Bereichen ein Temperaturgradient vermieden wird.The invention is not limited to the arrangement of strain gauges 26 limited. These can be either evenly distributed or even arranged only on one side of a measuring surface; and again it is essential that this area where the strain gages 26 are arranged, is subjected to a uniform temperature, so that in these areas a temperature gradient is avoided.

5 zeigt schematisiert die Verteilung eines Wärmestroms 27, der in radial äußeren Bereichen eine niedrigere Temperatur hat als vergleichsweise in seinem Zentrumsbereich, und durch die Beströmung der Unterseite eines erfindungsgemäßen Wärmeverteilungskörpers 3 wird nun ein gleichmäßiger Abstrahlwärmestrom 28 im Wärmeverteilungsspalt 10 in Richtung auf die Druckseite 4a der Membran 4 erreicht. 5 schematically shows the distribution of a heat flow 27 which has a lower temperature in radially outer regions than comparatively in its center region, and by the flow of the underside of a heat distribution body according to the invention 3 now becomes a uniform Abstrahlwärmestrom 28 in the heat distribution gap 10 towards the pressure side 4a the membrane 4 reached.

Die 6 zeigt die Temperaturverteilung nach dem Stand der Technik, wenn kein Wärmeverteilungskörper vorhanden ist. Hier ist erkennbar, dass es zu einer unerwünschten Temperaturkurve 29 aufgrund der im Zentrumsbereich mit höherer Temperatur strömenden Gase im anströmenden Wärmestrom 27 kommt. Der Wärmestrom 27 weist im Mittenbereich eine Spitze 31 auf, welche die Erfindung vermeiden soll. Der Randbereich ist somit kühler als der Mittenbereich.The 6 shows the temperature distribution according to the prior art, when no heat distribution body is present. Here it can be seen that there is an undesirable temperature curve 29 due to the gases flowing in the center region at a higher temperature in the oncoming heat flow 27 comes. The heat flow 27 has a peak in the middle area 31 on, which should avoid the invention. The edge area is thus cooler than the middle area.

Die 7 zeigt die Wirkung des Wärmeverteilungskörpers 3, der dafür sorgt, dass im Wärmeverteilungsspalt 10 ein gleichmäßiger Abstrahlwärmestrom 28 über die gesamte Oberfläche 4a der Membran 4 erzeugt wird, sodass eine vergleichmäßigte Temperaturkurve 30 gemäß der Erfindung nach 7 an den Dehnungsmessstreifen 26 erzeugt wird.The 7 shows the effect of the heat distribution body 3 that ensures that in the heat distribution gap 10 a uniform radiant heat flux 28 over the entire surface 4a the membrane 4 is generated, so a uniform temperature curve 30 according to the invention according to 7 on the strain gages 26 is produced.

Die 8 zeigt eine Temperaturkurve 29 nach dem Stand der Technik, und zwar nach dem Gegenstand der EP 20 23 113 B1 . Dort ist dargestellt, dass lediglich im Druckraum 9 weit unterhalb der Druckseite 4a einer Membran 4 ein Strömungsverteilungsrohr angeordnet ist, das den Gasstrom radial auswärts gegen die Wandung des Druckraumes 9 lenkt. Damit ist ebenfalls der Randbereich gegenüber dem Mittenbereich kühler, weist aber gegenüber der 6 ein Plateau auf.The 8th shows a temperature curve 29 According to the prior art, namely according to the subject matter of EP 20 23 113 B1 , There it is shown that only in the pressure room 9 far below the pressure side 4a a membrane 4 a flow distribution tube is arranged, the gas flow radially outward against the wall of the pressure chamber 9 directs. Thus, the edge area is also cooler compared to the central area, but points opposite to the 6 a plateau up.

Daher kommt es in unerwünschter Weise zu einer ungleichmäßigen Wärmeverteilung 29 mit einem heißem Mittenbereich 31, was die Erfindung vermeidet.Therefore, uneven heat distribution undesirably occurs 29 with a hot midrange 31 what the invention avoids.

Die 9 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel die Beeinflussung eines Abstrahlwärmestroms 28 im Wärmeverteilungsspalt 10 dadurch, dass dem Wärmeverteilungskörper 3 eine konkave Kontur 13 zugeordnet wird.The 9 shows as a further embodiment, the influence of a Abstrahlwärmestroms 28 in the heat distribution gap 10 in that the heat distribution body 3 a concave contour 13 is assigned.

Die im mittleren Bereich entstehenden heißen Gase, die an der Unterseite des Wärmeverteilungskörpers anströmen, haben deshalb einen größeren Strahlungsabstand zur Unterseite der Druckseite 4a der Membran 4, und gelangen daher geschwächt auf die Druckseite 4a der Membran, während die radial außen liegenden Wärmeströme nun einen kürzeren Abstand zu der Druckseite 4a der Membran 4 haben und daher eine Vergleichmäßigung der Temperaturkurve 30a stattfindet.The mid-range hot gases flowing at the bottom of the heat distribution body therefore have a greater radiation distance to the bottom of the pressure side 4a the membrane 4 , and therefore get weaker on the pressure side 4a the membrane, while the radially outer heat flows now a shorter distance to the pressure side 4a the membrane 4 have and therefore a homogenization of the temperature curve 30a takes place.

Somit werden die zentral einströmenden Wärmeströme aufgrund der konkaven Formgebung der Oberseite des Wärmeverteilungsstromes 3 vergleichmäßigt.Thus, the central inflowing heat flows due to the concave shape of the top of the heat distribution stream 3 uniform.

Die genannten Darstellungen – für alle hier dargestellten Zeichnungen – bedeuten auch, dass die verschiedenen Konturen, die vorstehend erwähnt wurden, sowohl an der Oberseite und/oder an der Unterseite des Wärmeverteilungskörpers 3 angeordnet sein können. Die Erfindung betrifft also sämtliche Konturformen, unabhängig von deren Kombination an der Ober- und Unterseite des Wärmeverteilungskörpers.The said illustrations - for all drawings shown here - also mean that the various contours mentioned above are at the top and / or at the bottom of the heat distribution body 3 can be arranged. The invention thus relates to all contour shapes, regardless of their combination at the top and bottom of the heat distribution body.

Die 10 zeigt, dass es nach einer Weiterbildung der Erfindung angestrebt wird, wenn im Bereich des Druckelementes 16 am Ort der Dehnungsmessstreifen 26 die Temperatur an den Dehnungsmessstreifen 26 erniedrigt wird.The 10 shows that it is desirable according to a development of the invention, if in the region of the pressure element 16 at the location of the strain gauges 26 the temperature at the strain gauges 26 is lowered.

Zu diesem Zweck ist vorgesehen, dass im Bereich der Fluchtlinie 33 zu jedem Dehnungsmesselement 26 im Bereich der Oberfläche des Wärmeverteilungskörpers 3 Ausnehmungen 32 vorgesehen sind, und im Bereich der Ausnehmungen 32 ein verringerter Abstrahlwärmestrom 28a erzeugt wird als vergleichsweise in den Bereichen rund um die Ausnehmung 32, wo ein Abstrahlwärmestrom 28 vergrößerter Stärke erzeugt wird.For this purpose it is provided that in the area of the alignment 33 to every strain gauge 26 in the area of the surface of the heat distribution body 3 recesses 32 are provided, and in the area of the recesses 32 a reduced radiant heat flux 28a is generated as comparatively in the areas around the recess 32 where a radiant heat flow 28 increased strength is generated.

Aufgrund der Ausnehmungen 32, die fluchtend unterhalb der Orte der Dehnungsmessstreifen 26 angeordnet sind, wird eine lokale Erwärmung am Ort der Dehnungsmessstreifen 26 vermieden.Because of the recesses 32 that are aligned below the locations of the strain gages 26 are arranged, a local heating at the location of the strain gages 26 avoided.

Auf diese Weise erfolgt eine Vergleichmäßigung des Abstrahlwärmestroms 28.In this way, a homogenization of the Abstrahlwärmestroms 28 ,

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Gewindekörperthreaded body
22: Stegweb
33: WärmeverteilungskörperHeat distribution body
44: Membran 4a Druckseite 4b Messseitemembrane 4a pressure side 4b measuring side
55: Kanal (Gas)Channel (gas)
66: ÜbergangsquerschnittTransition section
77: Gewindethread
88th: Pfeilrichtungarrow
99: Druckraumpressure chamber
1010: WärmeverteilungsspaltHeat distribution gap
1111: Kontur (konvex)Contour (convex)
1212: Kontur (eben)Contour (even)
1313: Kontur (konkav)Contour (concave)
1414: Unterseite (von 3) 14a 14b 14c Bottom (from 3 ) 14a 14b 14c
1515: Konturcontour
1616: DruckmesselementPressure sensing element
1717: Anschlusselementconnecting element
1818: Bonddrahtbonding wire
1919: Anschlusselementconnecting element
2020: Anschlusspinconnector pin
2121: Messelementmeasuring element
2222: Befestigungsflächemounting surface
2323: Strömungsrohrflow tube
2424: Ausströmöffnungoutflow
2525: Pfeilrichtungarrow
2626: DMSDMS
2727: Wärmestromheat flow
2828: Abstrahlwärmestrom 28a Abstrahlwärmestrom 28a
2929: Temperaturkurve (St. d. T.)Temperature curve (pc.
3030: Temperaturkurve (Erfindung)Temperature curve (invention)
30a30a: Temperaturkurvetemperature curve
3131: Spitze (von 29)Top (from 29 )
3232: Ausnehmungrecess
3333: Fluchtliniealignment

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 10232315 A1 [0004]
DE 102004063598 A1 [0004]
DE 102004024920 B4 [0004]
DE 19847793 B4 [0005]
EP 2446239 B1 [0006]
DE 4419138 A1 [0007, 0010, 0034]
DE 29716060 U1 [0008]
US 3857287 A [0009]
EP 2023113 B1 [0010, 0034, 0048, 0088]

Claims

Diaphragm pressure sensor for pressure measurement in flowing media of high and fluctuating temperature, eg. B. for measuring the combustion chamber pressure in internal combustion engines, consisting of a threaded body ( 1 ), which has a central, axial, gas-carrying channel ( 5 ), whose mouth opening ( 6 ) against the underside ( 14 ) one at an axial distance in front of the mouth opening ( 6 ) arranged heat distribution body ( 3 ), wherein the heat distribution body ( 3 ) in a pressure room ( 9 ) arranged by a measuring element ( 21 ) is formed, whose top through a membrane ( 4 ) is formed, on which a pressure measuring element ( 16 ), characterized in that the gas-carrying channel ( 5 . 6 ) frontally against the underside ( 14 ) of the heat distribution body ( 3 ), and that in the pressure chamber ( 9 ) between the top of the heat distribution body ( 3 ) and the membrane ( 4 ) of the measuring element ( 21 ) a heat distribution gap ( 10 ) is formed.

Diaphragm pressure sensor according to claim 1, characterized in that the heat distribution body ( 3 ) the clear width of the pressure chamber ( 9 ) in the measuring element ( 21 ) approximately filling while maintaining a small radial clearance.

Diaphragm pressure sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the diameter of the heat distribution body ( 3 ) approximately the diameter of the pressure measuring element ( 16 ) corresponds.

Membrane pressure sensor according to one of claims 1 to 3, characterized in that the heat distribution body ( 3 ) both at the top and / or at the bottom ( 14 ) a contour deviating from the planar contour ( 11 . 12 . 13 . 15 ) having.

Membrane pressure sensor according to one of claims 1 to 4, characterized in that the disc-shaped heat distribution body ( 3 ) on its underside ( 14 ) a centric depression ( 14a ) which directs the heat flow impinging on the underside in the direction of the underside outside of the heat distribution body ( 3 ) redirects.

Diaphragm pressure sensor according to one of claims 1 to 5, characterized in that the surface of the heat distribution body ( 3 ), which in the heat distribution gap ( 10 protrudes axially and this heat distribution gap is limited axially downwards, either conical or convex or concave.

Membrane pressure sensor according to one of claims 1 to 6, characterized in that the heat distribution body ( 3 ) of at least one axial web ( 2 ) is worn.

Diaphragm pressure sensor according to one of claims 1 to 7, characterized in that in the threaded body ( 1 ) channel ( 5 ) in a flow tube ( 23 ), the lateral outflow openings ( 24 ), which against the underside of the heat distribution body ( 3 ) are directed.

Membrane pressure sensor according to one of claims 1 to 8, characterized in that in the region of the surface of the heat distribution body ( 3 ) Recesses ( 32 ) provided with alignment lines ( 33 ) by a respective strain gauge element ( 26 ) are aligned.

Diaphragm pressure sensor according to one of claims 1 to 9, characterized in that in the threaded body ( 1 ) channel ( 5 ) via a transitional cross section ( 6 ) reduced diameter in the pressure chamber ( 9 ) of the measuring element ( 21 ), one of which is opposite to the diameter of the transition cross section ( 6 ) has increased diameter.