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Technisches Gebiet
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Bei
faseroptischen Sensorsystemen dient eine durch Totalreflexion in
einem Lichtwellenleiter geführte
optische elektromagnetische Welle als Informationsträger. In
einem Sensorelement moduliert dabei ein optischer Effekt das Licht
in Abhängigkeit
von der zu erfassenden Messgrösse,
z. B. dem Druck. Vorteile dieser Sensoren sind kleine Abmessungen, eine
hohe Auflösung,
eine hohe Störsicherheit
gegenüber
elektromagnetischer Strahlung, elektrische Potentialfreiheit und
die Möglichkeit,
aus ihnen Multisensorsysteme aufzubauen. Faseroptische Systeme sind
folglich prädestiniert
für den
Einsatz in explosionsgefährdeten
Bereichen, in Bereichen mit hoher elektromagnetischer Strahlung
und in der Medizin.
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Stand der Technik
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Ein
bekannter faseroptischer Drucksensor ist unter der Bezeichnung Fabry-Perot-Druckmesssensor bekannt.
Als Sensorelement dient dabei eine Miniaturspaltanordnung mit druckempfindlicher
Membran. Der Resonatorspalt wird von zwei teilreflektierenden Spiegeln
begrenzt. Der äussere
Spiegel ist als Membran ausgebildet. Aus interferenzoptischer Sicht
ist der Spalt ein Fabry-Perot-Resonator geringer Güte, der
das Licht teilweise reflektiert. Das Reflexionsspektrum ist periodisch
moduliert. Die spektralen Positionen der Interferenzminima und -maxima bzw.
die periodischen Abstände
hängen
von der Spaltbreite bzw. von der Membrandurchbiegung ab. Ein auf
diesem Messprinzip basierender faseroptischer Drucksensor ist beispielsweise
aus
DE-A1 40 18 998 bekannt.
Die Änderung
des Interferenzmusters wird sehr aufwendig mit einem Spektralmessgerät und zugehörigen Auswerteverfahren
detektiert bzw. ausgewertet.
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Ein
weiterer im Stand der Technik bekannter faseroptischer Drucksensor
umfasst einen Druckmesskopf mit ebenfalls einer als Druckaufnehmer fungierenden,
unter Druckbeauf schlagung einer Hubbewegung ausführenden Membran mit einer hochreflektierend
verspiegelten Membraninnenseite. Bei Druckbeaufschlagung wölbt sich
die Membran nach Innen in den Druckmesskopf, wodurch der Einfallswinkel
der aus einem Lichtwellenleiter austretenden Lichtstrahlen auf die
Membran verändert
wird. Aus dieser Änderung
des Einfallswinkels resultiert eine Änderung des Reflexionswinkels
und folglich eine Verringerung der in den Lichtwellenleiter zurückreflektierten
Lichtmenge. Das Verhältnis
der aus dem Lichtwellenleiter austretenden Lichtintensität zu der in
den Lichtwellenleiter durch die Membraninnenseite zurückreflektierten
und von ihm aufgenommenen Lichtintensität ist ein Maß für den auf
die Membran wirkenden Druck. Die Druckbestimmung erfordert bei diesem
im Vergleich zu dem erstgenannten vereinfachten Messprinzip lediglich
die Messung der in den Lichtwellenleiter zurückreflektierten Lichtintensität. Ein solcher
faseroptischer Drucksensor ist beispielsweise aus
US 6,131,465 bekannt, wobei er in
eine Zündkerze
integriert ist. Diese Ausführung
eines faseroptischen Drucksensors hat jedoch den Nachteil, dass
zur Detektierung des Druckes über
die Intensitätsänderungen
ein grosser Sensormembranhub erforderlich ist.
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Darstellung der Erfindung
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Der
erfindungsgemäße faseroptische
Drucksensor vermeidet die im Stand der Technik auftretenden Nachteile
und ermöglicht
eine Druckmessung mit einer geringen erforderlichen Sensormembranauslenkung.
Dadurch ergibt sich u. a. eine geringere Empfindlichkeit des Sensors
gegen Verschmutzungen der Membran. Ferner weist er insbesondere
im Vergleich zu dem oben beschriebenen Fabry-Perot-Druckmesssensor
erhebliche Vorteile in bezug auf Kosten, Montage- und Fertigungsaufwand
auf.
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Diese
Vorteile werden erfindungsgemäß durch
einen faseroptischen Drucksensor erreicht mit einem Druckmesskopf,
der ein Gehäuse
aufweist, in dem eine als Druckaufnehmer fungierende, unter Druckbeaufschlagung
eine Hubbewegung ausführende
Membran aufgenommen ist und mit mindestens einem Lichtwellenleiter,
dessen Stirnfläche
auf die Membraninnenseite der Membran ausgerichtet ist und über den
von einer Lichtquelle emittiertes Licht in den Druckmesskopf geleitet
wird, wobei die Membraninnenseite ein Muster aus hochreflektierenden
Bereichen und Bereichen geringerer Reflektivität aufweist.
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Der
erfindungsgemäße faseroptische
Drucksensor beruht auf dem Prinzip der Intensitätsmessung von Licht. Das von
einer Lichtquelle emittierte Licht wird über einen Lichtwellenleiter
in den Druckmesskopf geleitet, an der Membraninnenseite reflektiert
und das reflektierte Licht zum Teil von dem selben oder einem anderen
Lichtwellenleiter aufgenommen und zu einem Detektor geführt. Der
Detektor misst die Intensität
des ihn erreichenden Lichts. Je nach Auslenkung der Membran ergibt
sich eine Änderung
der von dem Detektor aufgenommenen Intensität. Bei der Intensitätsänderung
handelt es sich je nach Anordnung der Bestandteile des Druckmesskopfes
um eine Reduzierung oder eine Erhöhung der Intensität relativ
zu der gemessenen Intensität
ohne Druckbeaufschlagung. Die Druckbestimmung erfolgt mittels einer
Intensitäts-Druck-Kennlinie,
die den Zusammenhang zwischen der durch den Detektor gemessenen
Intensität
bzw. dem Verhältnis
der gemessenen Intensität
zu der durch die Lichtquelle eingestrahlten Intensität und dem
an dem Druckmesskopf anliegenden Druck angibt.
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Durch
die gemusterte Membraninnenseite resultiert schon aus einer kleinen
Sensormembranauslenkung eine messbare Intensitätsreduzierung des in den Lichtwellenleiter
zurückreflektierten
Lichtes. Eine Wölbung
der Membran verursacht bei dem erfindungsgemäßen Drucksensor eine Änderung
des Einfalls- und damit des Reflektionswinkels für das an den hochreflektierenden
Bereichen reflektierte Licht und zusätzlich eine Vergrößerung der
Bereiche geringerer Reflektivität.
Aus diesen beiden Effekten resultiert eine große Intensitätsverringerung des in Richtung
des Lichtwellenleiters reflektierten Lichts schon bei einer geringen
Wölbung
der Membran.
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Bei
den Bereichen geringerer Reflektivität kann es sich z. B. um Schnitte
oder Vertiefungen in der Membraninnenfläche handeln. Zur Herstellung solcher
Membraninnenflächen
mit Schnitten oder Vertiefungen kann ein Laser die Schnitte oder
Vertiefungen in einen Membran mit einer polierten oder beschichteten
hochreflektierenden Oberfläche
hineinbrennen.
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Des
weiteren kann es sich bei den Bereichen geringerer Reflektivität um mattierte
Bereiche auf der Membraninnenseite handeln. Zur Herstellung solcher Membraninnenflächen mit
mattierten Bereichen kann die polierte oder beschichtete hochreflektierende Oberfläche der
Membran chemisch oder mechanisch in den gewünschten Bereichen mattiert
werden.
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Die
hochreflektierenden Bereiche haben eine Reflektivität ≥ 0,5, bevorzugt ≥ 0,8. Die
Bereiche geringerer Reflektivität
haben eine Reflektivität < 0,5, bevorzugt < 0,3.
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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist ferner eine Zündkerze für eine fremdgezündete Brennkraftmaschine
mit einem eingebauten erfindungsgemäßen Drucksensor, wobei der
Druckmesskopf so an dem einen Ende der Zündkerze positioniert ist, dass
die Membran direkt dem Druck in einem Zylinder der Brennkraftmaschine
ausgesetzt ist. Die kontinuierliche Überwachung des Druckes in Brennkraftmaschinen
ermöglicht
eine erhebliche Verbesserung der Motoreffizienz, -leistung und -verlässlichkeit.
Ferner können
die Betriebskosten und die unerwünschten
Emissionen der Brennkraftmaschine reduziert werden.
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Die
erfindungsgemäße Zündkerze
mit dem faseroptischen Drucksensor erlaubt die Überwachung jedes einzelnen
Zylinders der Brennkraftmaschine auf Klopfen oder Fehlzündungen,
so dass diese Fehlfunktionen erkannt und behoben werden können. Der
Einsatz des erfindungsgemäßen faseroptischen
Drucksensors in der Zündkerze
ist unter anderem möglich
durch die ausschließliche
Verwendung hochtemperaturresistenter Materialien in dem Druckmesskopf.
Ferner genügen
schon kleine Auslenkungen der Membran des erfindungsgemäßen faseroptischen
Drucksensors um ein messbares und aussagekräftiges Signal zu erhalten.
Daher kann der erfindungsgemäße Drucksensor
und insbesondere seine Membran in der für den Einsatz in der Zündkerze
notwendigen Stabilität
und Robustheit hergestellt werden und er ist weniger anfällig gegen
Verschmutzungen, z. B. durch Ruß.
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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist weiterhin ein Injektor für eine Brennkraftmaschine
mit mindestens einem eingebauten erfindungsgemäßen faseroptischen Drucksensor
zur Messung des Druckes im Brennraum der Brennkraftmaschine und/oder
des Kraftstoffdruckes. Die vorstehend für fremdgezündete Brennkraftmaschinen genannten Vorteile
einer Drucküberwachung
durch die Kombination Zündkerze/Drucksensor
stellen sich auch bei der Überwachung
direkt einspritzender Motoren durch mindestens einen erfindungsgemäßen Drucksensor
ein, der in den Injektor integriert ist. Dabei können z. B. auch zwei erfindungsgemäße Drucksensoren
in den Injektor integriert werden, einer zur Überwachung des statischen Kraftstoffdruckes
in dem Injektor und der andere zur Messung des dynamischen Brennraumdruckes.
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Ein
weiterer möglicher
Einbauort für
den erfindungsgemäßen faseroptischen
Drucksensor ist die Brennkammer selbst. Denkbar ist weiterhin die Druckmessung
mit dem erfindungsgemäßen Sensor in
den Turbinen von Luftfahrttriebwerken oder in den Gasturbinen bei
der Gaskraftwerksstromerzeugung.
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Zeichnung
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Anhand
der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.
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Es
zeigt:
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1 Den
schematischen Aufbau des Druckmesskopfes eines erfindungsgemäßen faseroptischen
Drucksensors mit einem Lichtwellenleiter,
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2 den
schematischen Aufbau des Druckmesskopfes eines erfindungsgemässen faseroptischen
Drucksensors mit einem Eingangs- und einem Ausgangslichtwellenleiter,
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3 den
schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen faseroptischen Drucksensors
mit einem Lichtwellenleiter und
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4 das
von einer gestreiften Membran eines erfindungsgemäßen faseroptischen
Drucksensors reflektierte Bild ohne und mit Druckbeaufschlagung.
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Ausführungsvarianten
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1 zeigt
den schematischen Aufbau des Druckmesskopfes in einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen faseroptischen
Drucksensors.
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Der
Druckmesskopf 1 weist ein Gehäuse 2 auf. Ein Lichtwellenleiter 3 ist
in dem Gehäuse 2 befestigt,
wobei eine Hülse 4 das
Ende 7 des Lichtwellenleiters 3 umfasst. Ein Hohlraum 5 trennt
das Ende 7 des Lichtwellenleiters 3 von der Membran 6.
Die dem Hohlraum 5 und dem Lichtwellenleiter 7 zugewandte
Membraninnenseite 8 weist erfindungsgemäß ein (nicht dargestelltes)
Muster aus hochreflektierenden Bereichen und Bereichen geringerer
Reflektivität
auf. Durch den Lichtwellenleiter 3 wird Licht von einer
(nicht dargestellten) Lichtquelle in den Druckmesskopf 1 geleitet.
Das Licht wird am Ende 7 des Lichtwellenleiters 3 in
den Hohlraum 5 gestrahlt und an der gemusterten Membraninnenseite 8 zum Teil
reflektiert. Das reflektierte Licht wird wiederum teilweise in den
Lichtwellenleiter 3 eingekoppelt und über ihn zu einem (nicht dargestellten)
Detektor geleitet. Die Membran 6 ist auf ihrer Aussenseite 9 dem zu
messenden Druck ausgesetzt. Durch eine Druckerhöhung wölbt sich die Membran 6 in
den Hohlraum 5 hinein. Die im Ruhezustand plane Membraninnenfläche 8 wird
bei einer Druckerhöhung
folglich gebogen, so dass sich der Reflektionswinkel für das an
der Membraninnenfläche
reflektierte Licht ändert. Dadurch
verringert sich der Anteil des eingestrahlten Lichts, der nach der
Reflektion wieder in den Lichtwellenleiter 3 eingekoppelt
wird und den Detektor erreicht. Die Intensität des den Detektor erreichenden Lichts
relativ zur Intensität
des eingestrahlten Lichts ist korreliert mit dem auf die Membranaussenfläche 9 wirkenden
Druck. Bei dieser Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dient der eine Lichtwellenleiter 3 als
Eingangs- und Ausgangslichtwellenleiter, durch den sowohl das eingestrahlte
Licht zu dem Druckmesskopf 1 hin, als auch ein Teil des
reflektierten Lichts von dem Druckmesskopf 1 weg geführt wird.
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2 zeigt
den schematischen Aufbau des Druckmesskopfes in einer weiteren Ausführungsform des
erfindungsgemäßen faseroptisehen
Drucksensors.
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Prinzipiell
entspricht der Aufbau des in 2 dargestellten
Druckmesskopfes 1 dem in 1. Er umfasst
ein Gehäuse 2,
eine Membran 6 und einen angrenzenden Hohlraum 5.
Die Membran 6 weist erfindungsgemäß auf ihrer Membraninnenseite 8 ein (nicht
dargestelltes) Muster aus Bereichen hoher und geringerer Reflektivität auf. Bei
dieser Ausführungsform
handelt es sich um eine hutförmige
Membran 6, die an dem Gehäuse 2 festgeschweißt ist.
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Die
Membran enthält
bei der vorliegenden Erfindung vorzugsweise mindestens eines der
folgenden Materialien: einen metallischen Werkstoff (z. B. Edelstahl,
Remanit® oder
Platin), ein Halbleitermaterial (z. B. Silicium) oder Siliciumnitrid.
Remanit® ist die
Bezeichnung für
eine Gruppe von 40 nichtrostenden Stählen (Thyssen Edelstahlwerke
AG, Krefeld, Deutschland) und hat den Vorteil einer geringen Wärmedehnung
und einer hohen Korrosionsbeständigkeit.
Siliciumnitrid weist ebenfalls eine geringe Wärmedehnung auf, zusätzlich zu
einem hohen E-Modul und zu einem geringen Gewicht.
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Im
Unterschied zu dem in 1 dargestellten Druckmesskopf
weist der in 2 gezeigte Druckmesskopf 1 zwei
Lichtwellenleiter 10 auf, die durch eine Hülse 4 in
dem Druckmesskopf 1 gehalten werden. Der erste (Eingangs-)Lichtwellenleiter
führt Licht
von einer (nicht dargestellten) Lichtquelle in den Druckmesskopf 1 hinein.
Bei dieser bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung nimmt der zweite (Ausgangs-) Lichtwellenleiter
das von der Membraninnenseite 8 reflektierte Licht teilweise
auf und führt
dieses zu einem (nicht dargestellten) Detektor.
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3 zeigt
den schematischen Aufbau einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen faseroptischen
Drucksensors.
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Der
Druckmesskopf 1 befindet sich an dem einen Ende eines Lichtwellenleiters 3.
Eine Lichtquelle 11, in dieser bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung eine Leuchtdiode (LED), emittiert Licht 14,
das von einem ersten Lichtwellenleiter 12 über einen
Y-Koppler 13 in den mit dem Druckmesskopf 1 verbundenen
Lichtwellenleiter 3 führt.
Der Druckmesskopf 1 ist bei der in 3 dargestellten
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Drucksensors
z. B. wie in 1 aufgebaut. Bei dieser bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung nimmt der Lichtwellenleiter das von der (nicht
dargestellten) gemusterten Membraninnenseite reflektierte Licht
teilweise auf und führt
dieses über den
Y-Koppler 13 und den zweiten Lichtwellenleiter 17 zu
einem Detektor 16, hier einer Fotodiode. Das Intensitätsverhältnis von
emittierten Licht 14 zu detektiertem Licht 15 ist
ein Maß für den am
Druckmesskopf 1 herrschenden Druck. Der Wert des zu messenden
Druckes kann über
eine Druck-Intensitätsverhältnis-Kennlinie
bestimmt werden, die für
den Drucksensor ermittelt wurde.
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In
einer weiteren bevorzugten (nicht dargestellten) Ausführungsform
ist die Lichtquelle 11 ein Laser. Vorzugsweise ist der
bzw. sind die Lichtwellenleiter 3, 12, 17 Monomode-Fasern.
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4 zeigt
das von einer gestreiften Membran eines erfindungsgemäßen faseroptischen
Drucksensors reflektierte Bild ohne und mit Druckbeaufschlagung.
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Der
obere Teil von 4 zeigt die reflektierten Streifen 18 bei
nicht gewölbter
Membran (ohne Druckbeaufschlagung), der untere Teil die reflektierten
Streifen 19 bei gewölbter
Membran (mit Druckbeaufschlagung). Bei dieser bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung weist die Membraninnenseite in dem erfindungsgemäßen Drucksensor abwechselnd
hochreflektierende Streifen und Streifen geringerer Reflektivität auf. Die
hochreflektierenden Streifen ergeben bei Einstrahlung von Licht
auf die gestreifte Membraninnenseite im oberen Teil von 4 helle
reflektierte Streifen. Die Streifen geringerer Reflektivität reflektieren
nur einen geringen Anteil des angestrahlten Lichts und erscheinen
daher als dunkle Streifen. Bei Druckbeaufschlagung wölbt sich die
Membran, so dass die hochreflektierenden Streifen einen geringeren
Anteil des egestrahlten Lichts in Beobachtungsrichtung reflektieren.
Daher erscheinen die im oberen Teil der 4 hellen
Streifen im unteren Teil dunkler. Ferner verbreitern sich die Streifen
geringerer Reflektivität
bei einer Wölbung
der Membran, so dass die dunklen Streifen aus dem oberen Teil im
unteren Teil verbreitert sind. Sie nehmen folglich einen größeren Flächenanteil
auf der gleichgroßen
Fläche
ein als ohne Druckbeaufschlagung. Durch diese zwei Auswirkungen
einer Membranwölbung
auf die Streifen verschiedener Reflektivität ergibt sich schon bei einer
geringen Wölbung
der Membran des erfindungsgemäßen Drucksensors
eine messbare Intensitätsänderung.
In einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung sind die Streifen geringerer Reflektivität breiter
als die hochreflektierenden Streifen. Dadurch wird eine hohe Empfindlichkeit
für eine
(druckbedingte) Wölbung
der Membran erreicht.
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In
einer bevorzugten (nicht dargestellten) Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung mit gestreifter Membraninnenfläche sind die Streifen geringerer
Reflektivität
breiter als die hochreflektierenden Streifen. Folglich ist die Auswirkung
einer Membranwölbung
auf die von dem Detektor gemessene Intensität noch größer als bei gleicher Streifenbreite,
so dass der Drucksensor noch empfindlicher auf eine Druckänderung
anspricht.
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- 1
- Druckmesskopf
- 2
- Gehäuse
- 3
- Lichtwellenleiter
- 4
- Hülse
- 5
- Hohlraum
- 6
- Membran
- 7
- Ende
des Lichtwellenleiters
- 8
- Membraninnenseite/-fläche
- 9
- Membranaussenseite/-fläche
- 10
- zwei
Lichtwellenleiter
- 11
- Lichtquelle
- 12
- erster
Lichtwellenleiter
- 13
- Y-Koppler
- 14
- emittiertes
Licht
- 15
- detektiertes
Licht
- 16
- Detektor
- 17
- zweiter
Lichtwellenleiter
- 18
- reflektierte
Streifen bei nicht gewölbter
Membran
- 19
- reflektierte
Streifen bei gewölbter
Membran