DE1113840B

DE1113840B - Piezoelectric pressure transmitter

Info

Publication number: DE1113840B
Application number: DEL37088A
Authority: DE
Inventors: Dr Franz Pischinger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1959-10-02
Filing date: 1960-09-22
Publication date: 1961-09-14

Description

Piezoelektrischer Druckgeber Die Erfindung bezieht sich auf einen piezoelektrischen Druckgeber, insbesondere zur Messung des Druckverlaufes in Zylindern von Brennkraftmaschinen, bestehend aus einem Gehäuse und einer in diesem festgeklemmten Vorspannhülse, die mindestens im Bereich ihres druckbeaufschlagten Endes einen dünnwandigen, federnden, die Piezoelemente umschließenden Mantel aufweist und an diesem Ende mit einem den Druck übertragenden Stempel abgeschlossen ist, wobei zwischen der Hülse und dem Gehäuse ein stempelseitig durch eine Membran abgeschlossener und von einer durch je eine Zufluß- und eine Abflußöffnung ein- und austretenden Kühlflüssigkeit durchflossener Ringraum vorgesehen ist.Piezoelectric Pressure Transmitter The invention relates to a piezoelectric pressure transducer, especially for measuring the pressure curve in cylinders of internal combustion engines, consisting of a housing and a clamped in this Pretensioning sleeve, which at least in the area of its pressurized end has a thin-walled, resilient jacket enclosing the piezo elements and at this end with a pressure-transmitting stamp is completed, with between the sleeve and the housing is closed off on the stamp side by a membrane and is surrounded by a membrane through an inflow and an outflow opening each entering and exiting cooling liquid flowed through annulus is provided.

Bei den bekannten Ausführungen dieser Art wird dem Ringraum durch einen Kanal Kühlwasser zugeführt, welches die Vorspannhülse umfließt und den Ringraum durch einen dem Zuflußkanal etwa gegenüberliegend angeordneten Abflußkanal verläßt. Es hat sich dabei gezeigt, daß gerade diejenigen Teile des Druckgebers, die beim Betrieb desselben die höchste Temperatur aufweisen, insbesondere das druckbeaufschlagte Ende der Vorspannhülse und der den Druck übertragende Stempel, nur unzureichend gekühlt werden. Dies hat zur Folge, daß diese Teile einer unzulässig hohen thermischen Belastung unterworfen werden und daß die Temperatur der als Piezoelemente meist verwendeten Quarzkristalle nicht konstant bleibt, wodurch die Messung ungenau wird. In the known designs of this type, the annular space is through a channel is supplied with cooling water, which flows around the prestressing sleeve and the annular space leaves through an outflow channel arranged approximately opposite the inflow channel. It has been shown that just those parts of the pressure transducer that when Operation of the same have the highest temperature, especially the pressurized End of the prestressing sleeve and the stamp transmitting the pressure, only inadequate be cooled. This has the consequence that these parts have an unacceptably high thermal Load are subjected and that the temperature of the piezo elements mostly quartz crystals used does not remain constant, which makes the measurement inaccurate.

Außerdem wurde festgestellt, daß das von der Strömung kaum erfaßte Wasser, insbesondere im Bereich der Membran, zum Sieden kommen kann, wobei die Membran in Schwingungen versetzt wird. Diese Schwingungen übertragen sich auf die Piezoelemente, wodurch es zu Meßfehlern, beispielsweise in Form von Überlagerungen auf der durch einen Kathodenstrahloszillographen angezeigten Druckverlaufkurve kommt.It was also found that this was hardly affected by the current Water, especially in the area of the membrane, can boil, the membrane is set in vibration. These vibrations are transmitted to the piezo elements, which leads to measurement errors, for example in the form of superimpositions on the through A cathode ray oscilloscope displayed the pressure curve.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu beseitigen. Sie geht von der Erkenntnis aus, daß die Voraussetzung für eine befriedigende Wärmeabfuhr die Ableitung der Wärme schon auf ihrem Weg zu den Piezoelementen von dem druckbeaufschlagten Ende der Vorspannhülse und insbesondere aus dem diese druckseitig abschließenden Stempel ist. The invention is based on the object of eliminating these disadvantages. It is based on the knowledge that the prerequisite for satisfactory heat dissipation the dissipation of the heat on its way to the piezo elements from the pressurized one End of the prestressing sleeve and in particular from the one that closes it off on the pressure side Stamp is.

Die Erfindung besteht darin, daß der Stempel im Bereich des Ringraumes mindestens eine quer zur Vorspannhülse verlaufende, durchgehende Bohrung zum Durchtritt der Kühlflüssigkeit aufweist und im Ringraum zwei etwa diametral gegenüberliegende, in axialer Richtung verlaufende und über die gesamte Höhe des Ringraumes sich erstreckende rippenförmige Vorsprünge angeordnet sind, die von der äußeren Mantelfläche des Ringraumes ausgehen und gegen die Vorspannhülse ragen, wobei die Zufluß-und die Abflußöffnung auf verschiedenen Seiten der Vorsprünge liegen. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung wird eine eindeutige Kühlflüssigkeitsströmung innerhalb des ringförmigen Kühlmantels des Druckgebers erzielt und dadurch jeder Wärmefluß von der Stirnfläche des Druckgebers zu den Piezoelementen unterbunden. Zufolge der somit wesentlich verbesserten Kühlwirkung wird eine Beeinflussung des piezoelektrischen Effektes durch Schwankungen der Temperatur der Piezoelemente völlig vermieden. Die rippenförmigen Vorsprünge, die bis nahe an die äußere Mantelfläche der Vorspannhülse reichen können, leiten einen erheblichen Teil der durch die Zuflußöffnung in den Ringraum eintretenden Kühlflüssigkeit durch die Bohrungen im Stempel hindurch und bewirken auf diese Weise, daß die Kühlflüssigkeit an allen Stellen des Ringraumes ständig in Bewegung gehalten wird. Dabei wird auch die Gefahr des Siedens der Kühlflüssigkeit, insbesondere im Bereich der den Ringraum abschließenden Membran, weitgehend vermieden. Die Piezoelemente liegen außerdem weiter im Inneren des Druckgebers, da der Stempel infolge der Bohrungen. eine größere Ausdehnung in Achsrichtung aufweist, ohne daß sich seine Masse dabei nennenswert vergrößert. Als Kühlflüssigkeit kann z. B. Wasser oder eine Flüssigkeit mit höherem Siedepunkt als Wasser, insbesondere Silikonöl, verwendet werden. The invention consists in that the punch in the area of the annular space at least one through hole running transversely to the prestressing sleeve for passage the coolant has and in the annular space two approximately diametrically opposite, running in the axial direction and extending over the entire height of the annular space rib-shaped projections are arranged from the outer circumferential surface of the annular space go out and protrude against the prestressing sleeve, the inflow and the outflow opening lie on different sides of the protrusions. Due to the training according to the invention becomes a clear coolant flow within the annular cooling jacket of the pressure transducer achieved and thereby any heat flow from the end face of the pressure transducer to the piezo elements prevented. As a result of the significantly improved cooling effect the piezoelectric effect is influenced by fluctuations in temperature the piezo elements completely avoided. The rib-shaped protrusions that close up can reach to the outer surface of the prestressing sleeve, guide a considerable Part of the cooling liquid entering the annular space through the inflow opening through the holes in the punch and in this way cause the cooling liquid is constantly kept in motion at all points of the annulus. It will also the risk of the cooling liquid boiling, especially in the area of the annular space final membrane, largely avoided. The piezo elements are also located further inside the pressure transducer, as the stamp as a result of the bores. a bigger one Has expansion in the axial direction without his Mass there significantly enlarged. As a cooling liquid, for. B. water or a liquid with a higher boiling point than water, especially silicone oil, can be used.

Es ist zwar auch schon ein piezoelektrischer Druckgeber bekannt, bei welchem das druckbeaufschlagte Ende der Vorspannhülse durch ständig in Bewegung befindliches Kühlwasser gekühlt wird. Die Piezoelemente sind hierbei außerhalb der Vorspannhülse um diese herum im Innern eines ringförmigen Gehäuses angeordnet, welches von einem äußeren, ebenfalls ringförmigen Kühlmantel umgeben ist. Außer diesem äußeren Kühlkreislauf ist zur Kühlung der Vorspannhülse zusätzlich ein innerer Kühlkreislauf vorgesehen, wobei das Kühlwasser durch ein in das Innere der Vorspannhülse bis nahe an das druckbeaufschlagte Ende derselben reichendes Rohr zugeführt und den Wänden der Vorspannhülse entlang wieder abgeleitet wird. Durch diese Anordnung ergibt sich jedoch eine außerordentlich komplizierte Ausbildung des Druckgebers und trotzdem keine wesentliche Verbesserung der Kühlwirkung, da die vom Kühlwasser umspülte Fläche der Vorspannhülse sehr klein ist und auch nur ein geringer Teil des die VorspannhüIse druckseitig abschließenden Stempels mit dem Kühlwasser in Berührung kommt. A piezoelectric pressure transducer is already known, in which the pressurized end of the preload sleeve is constantly in motion any cooling water present is cooled. The piezo elements are here outside the Pretensioning sleeve arranged around this inside an annular housing, which is surrounded by an outer, also ring-shaped cooling jacket. Except for this outer one The cooling circuit is also an internal cooling circuit for cooling the prestressing sleeve provided, wherein the cooling water through a in the interior of the prestressing sleeve up close supplied to the pressurized end of the same reaching pipe and the walls is diverted along the prestressing sleeve again. This arrangement results however, an extremely complicated design of the pressure transducer and anyway no significant improvement in the cooling effect, since the area around which the cooling water flows the preload sleeve is very small and only a small part of the preload sleeve The stamp on the pressure side comes into contact with the cooling water.

Nach einem weiteren Vorschlag ist es auch schon bekannt, die Membran eines auf kapazitiver Wirkung beruhenden Druckgebers an der Unterseite mit Querrillen zu versehen, die durch eine von unten an die Membran gedrückte Scheibe zu Kanälen für das Kühlmittel ergänzt werden. Entsprechend der Eigenart der bei dieser Ausführung angewendeten physikalischen Erscheinungen sind keine Piezoelemente und auch kein dem Druckstempel des Erfindungsgegenstandes vergleichbares Element vorhanden. Außerdem sind hierbei auch keine Maßnahmen zur Aufrechterhaltung einer geregelten Kühlmittelströmung vorgesehen, so daß die von den Querrillen in der Membran gebildeten Kühlkanäle nur unzureichend von der Kühlflüssigkeit durchströmt sind. According to another suggestion, it is already known, the membrane a pressure transducer based on capacitive action on the underside with transverse grooves to provide the channels through a disc pressed against the membrane from below for the coolant can be added. According to the peculiarity of this version applied physical phenomena are neither piezo elements nor The element comparable to the pressure stamp of the subject of the invention is present. aside from that are also no measures to maintain a regulated coolant flow provided so that the cooling channels formed by the transverse grooves in the membrane only are insufficiently flowed through by the coolant.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Vorsprünge von einer im Ringraum vorgesehenen Leithülse gebildet, die mit ihrer äußeren Mantelfläche am Gehäuse anliegt und sich über die gesamte Höhe des Ringraumes erstreckt. Diese Ausführung zeichnet sich vor allem durch ihre einfache Herstellbarkeit aus. Die Schwierigkeiten, die sich bei fester Anordnung der rippenförmigen Vorsprünge am Gehäuse beim Ein- und Ausbau der Vorspannhülse ergeben, fallen bei dieser Ausführung weg. In a preferred embodiment of the invention, the projections are formed by a guide sleeve provided in the annular space, which with its outer circumferential surface rests on the housing and extends over the entire height of the annular space. These Execution is characterized above all by its ease of manufacture. the Difficulties that arise with a fixed arrangement of the rib-shaped projections on the Housing resulting from the installation and removal of the prestressing sleeve are not included in this design path.

In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes dargestellt. In the drawings is an exemplary embodiment of the subject matter of the invention shown.

Fig. 1 zeigt eine Ansicht des erfindungsgemäßen Druckgebers und Fig. 2 dazu eine Draufsicht; in Fig. 3 ist ein Schnitt durch den die Piezoelemente enthaltenden Teil des Druckgebers nach der Linie III-III in Fig 4 und in Fig. 4 ein Schnitt nach der Linie IV-IV in Fig. 3, jeweils in vergrößertem Maßstab, dargestellt. Fig. 1 shows a view of the pressure transducer according to the invention and Fig. 2 is a plan view; in Fig. 3 is a section through that containing the piezo elements Part of the pressure transducer along the line III-III in FIG. 4 and a section according to FIG the line IV-IV in Fig. 3, each on an enlarged scale.

Der gezeichnete Druckgeber besitzt ein zylindrisches Gehäuse 1, das an seinem unteren Ende mit einem Anschlußgewinde 2 zum Einschrauben beispielsweise in den Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine versehen ist und an seinem oberen Ende einen Sechskantkopf 3 aufweist. Ebenfalls am oberen Ende des Gehäuses 1 sind Rohre 4 und 5 für den An- schluß der Zu- und Abflußleitungen für die Kühlflüssigkeit und ein Durchführungsisolator 6, durch welchen die elektrische Leitung herausgeführt ist, angeordnet. The pressure transmitter shown has a cylindrical housing 1, which at its lower end with a connecting thread 2 for screwing, for example is provided in the cylinder head of an internal combustion engine and at its upper end has a hexagonal head 3. Also at the upper end of the housing 1 are pipes 4 and 5 for the closure of the inlet and outlet lines for the coolant and a bushing insulator 6 through which the electrical line is led out is arranged.

Im Innern des Gehäuses 1 befindet sich die Vorspannhülse 7, die im Gehäuse 1 festgeklemmt und mit einem den zu messenden Druck übertragenden Stempel 8 abgeschlossen ist. Im Bereich des druckbeaufschlagten Endes besitzt die Vorspannhülse 7 einen dünnwandigen federnden Mantel, der die Piezoelemente, z. B. zwei Quarzkristalle 9 und 10, umschließt. Diese sind beim gezeigten Ausführungsbeispiel übereinander angeordnet und gegeneinandergeschaltet, wobei zwischen ihnen eine Elektrode 11 zur Ableitung z. B. der positiven Ladungen vorgesehen ist, während die negativen Ladungen über Masse abfließen können. Zu diesem Zweck ist auf der einen Seite der Quarzkristalle eine Elektrode 12 und auf der anderen Seite ein Stahlzylinder 13 vorgesehen, welcher mit dem Quarzkristall 9 in Verbindung steht und zugleich auch zur Vorspannung der Quarze dient. Die am Quarzkristall 10 anliegende Elektrode 12 steht über eine Schicht 14 aus weichem Metall, beispielsweise aus Aluminium, mit dem Stempel 8 und somit ebenfalls mit Masse in leitender Verbindung. Die Metallschicht 14 hat den Zweck, zwischen der Elektrode 12 und dem Stempel 8 einen elektrischen Kontakt mit möglichst geringem Übergangswiderstand herzustellen. Im Innern des Stahlzylinders 13 ist ein Isolierrohr 15 angeordnet, welches die von der Elektrode 11 nach außen führende elektrische Leitung 16 umschließt. Inside the housing 1 is the prestressing sleeve 7, which is in Housing 1 clamped and with a stamp that transmits the pressure to be measured 8 is complete. The prestressing sleeve has in the area of the pressurized end 7 a thin-walled resilient jacket, which the piezo elements, z. B. two quartz crystals 9 and 10, encloses. In the embodiment shown, these are one above the other arranged and connected to one another, with an electrode 11 between them Derivation z. B. the positive charges is provided, while the negative charges can flow off via mass. For this purpose, the quartz crystals are on one side an electrode 12 and on the other side a steel cylinder 13 is provided, which is connected to the quartz crystal 9 and at the same time also to the bias of the Quartz is used. The electrode 12 lying on the quartz crystal 10 stands over a layer 14 made of soft metal, for example aluminum, with the punch 8 and thus also with ground in conductive connection. The purpose of the metal layer 14 is between the electrode 12 and the punch 8 an electrical contact with as possible produce low contact resistance. Inside the steel cylinder 13 is a Insulating tube 15 arranged, which leads from the electrode 11 to the outside electrical line 16 encloses.

Zwischen dem die piezoelektrischen Quarzkristalle 9 und 10 umschließenden dünnwandigen Mantel der Vorspannhülse 7 und dem Gehäuse 1 ist ein Ringraum 17 ausgespart, der stempelseitig durch eine zwischen dem Gehäuse 1 und dem Stempel 8 dichtend angeordnete Membran 18 abgeschlossen ist. Diese wird durch Ringe 19 und 20 festgehalten. Im oberen Teil des Ringraumes 17 befinden sich eine Zufluß-und eine Abflußöffnung 21 und 22, durch welche eine über die Rohre 4 und 5 und über Kanäle 23 im Gehäuse 1 zu- bzw. abgeführte Kühlflüssigkeit den Ringraum 17 durchströmt. Between the piezoelectric quartz crystals 9 and 10 enclosing thin-walled jacket of the prestressing sleeve 7 and the housing 1, an annular space 17 is recessed, the ram side by a sealingly arranged between the housing 1 and the ram 8 Membrane 18 is complete. This is held in place by rings 19 and 20. in the In the upper part of the annular space 17 there is an inflow and an outflow opening 21 and 22, through which one via the tubes 4 and 5 and via channels 23 in the housing 1 cooling liquid supplied or discharged flows through the annular space 17.

Der Stempel 8 besitzt in seinem im Bereich des Ringraumes 17 liegenden Teil drei quer zur Vorspannhülse verlaufende durchgehende Bohrungen 24, durch welche die Kühlflüssigkeit von der einen Hälfte des Ringraumes 17 in die andere Hälfte gelangen kann. Um nun zu erreichen, daß möglichst viel Kühlflüssigkeit durch die Bohrungen 24 fließt, ist zusätzlich eine Leithülse 25 im Ringraum angeordnet, die mit ihrer äußeren Mantelfläche am Gehäuse 1 anliegt und sich über die gesamte Höhe des Ringraumes 17 erstreckt. Die Leithülse 25 besitzt zwei diametral gegenüberliegende rippenförmige Vorsprünge 26 und 27, die in axialer Richtung verlaufen und gegen den dünnwandigen Mantel derVorspannhülse 7 ragen. Zwischen den Vorsprüngen 26 und 27 einerseits und dem dünnwandigen Mantel der Vorspannhülse 7 andererseits verbleiben lediglich schmale Schlitze für den Durchtritt der Kühlflüssigkeit. Auf diese Weise wird je nach der Breite dieser Schlitze ein größerer oder kleinerer Teil der Kühlflüssigkeit durch die Bohrungen 24 im Stempel 8 geleitet. Zur Erzielung einer günstigen Kühlwirkung werden z. B. die Vorsprünge 26 und 27 so bemessen, daß etwa 600/o der Kühlflüssigkeit durch die Bohrungen 24 hindurchgeleitet werden. The punch 8 has its position in the area of the annular space 17 Part of three through bores 24 running transversely to the prestressing sleeve, through which the cooling liquid from one half of the annular space 17 into the other half can get. In order to achieve that as much cooling liquid as possible through the Bores 24 flows, a guide sleeve 25 is also arranged in the annular space, which rests with its outer surface on the housing 1 and extends over the entire height of the annular space 17 extends. The guide sleeve 25 has two diametrically opposed rib-shaped projections 26 and 27 which run in the axial direction and against the thin-walled jacket of the prestressing sleeve 7 protrude. Between the projections 26 and 27 on the one hand and the thin-walled jacket of the prestressing sleeve 7 on the other hand remain only narrow slots for the coolant to pass through. In this way depending on the width of these slots, a larger or smaller part of the cooling liquid passed through the bores 24 in the punch 8. To achieve a favorable cooling effect z. B. the projections 26 and 27 dimensioned so that about 600 / o of the cooling liquid be passed through the bores 24.

Claims

PATE NTANS PR (JCtI E: 1. Piezoelectric pressure transmitter, in particular for measuring the pressure curve in cylinders of internal combustion engines, consisting of a housing and a clamping sleeve clamped in this, which is at least in the Area of their pressurized end a thin-walled, resilient, the piezo elements having enclosing jacket and at this end with a pressure-transmitting Stamp is complete, with a stamp side between the sleeve and the housing closed by a membrane and one by one inflow and one outflow opening incoming and outgoing cooling liquid through which an annular space is provided, thereby characterized in that the punch (8) in the region of the annular space (17) has at least one across the pretensioning sleeve (7) running through hole (24) for passage the cooling liquid and in the annular space (17) two approximately diametrically opposite, extending in the axial direction and over the entire height of the annular space (17) extending rib-shaped projections (26, 27) are arranged from the outer Extend the outer surface of the annular space and protrude against the prestressing sleeve (7), wherein the inflow and outflow openings (21, 22) on different sides of the projections (26, 27) lie.

2. Piezoelectric pressure transducer according to claim 1, characterized in that that the projections (26, 27) from a guide sleeve (25) provided in the annular space (17) are formed, which rests with its outer surface on the housing (1) and Extends over the entire height of the annular space (17).