DE19813756A1

DE19813756A1 - Fluid pressure measuring method

Info

Publication number: DE19813756A1
Application number: DE1998113756
Authority: DE
Inventors: Andreas Kappel; Randolf Mock; Reinhard Freitag; Bernhard Gottlieb
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1998-03-27
Filing date: 1998-03-27
Publication date: 1999-10-07
Also published as: FR2776772A1

Abstract

The method measures the pressure of a fluid (2). A fluid (2) is applied to a measurement object. The pressure of the fluid (2) deflects a mechanical measurement pick up (12) which is part of the measurement object. The deflection of the measurement pick-up (12) at its side furthest from the fluid (2) is measured using at least one sensor (4). Preferably the movements of the pick up are of a membrane type. The mechanical pick up (12) may be formed by structuring on the side of the object furthest from the fluid (2). Preferably the pick up (12) is formed by at least one blind hole (3) perpendicular to a side of the object nearest the fluid (2).

Description

Eine Druckmessung ist in vielen Bereichen problematisch, weil die Einbringung eines externen Drucksensors in ein Meßobjekt zu Schwierigkeiten führt.Pressure measurement is problematic in many areas because the introduction of an external pressure sensor into a test object leads to difficulties.

Bei der herkömmlichen Druckmessung wird ein externer Druck sensor in einen mit einem Fluid, d. h. mit einer Flüssigkeit oder einem Gas, druckbeaufschlagten Raum eines Meßobjekts, z. B. in ein mit einer Flüssigkeit gefülltes Strömungsrohr, dichtend eingeführt, beispielsweise eingeschraubt oder eingepreßt. Der Drucksensor besteht beispielsweise aus einem mechanischen Meßaufnehmer, beispielsweise einer Membran, und einem zur Detektion einer Meßgröße, beispielsweise einer Auslenkung oder einer Kraft, des mechanischen Meßaufnehmers notwendigen elektrischen Wandler bzw. Sensor, beispielsweise einem Abstandssensor. Der mechanische Meßaufnehmer und der Abstandssensor sind dabei in einem gemeinsamen, externen Gehäuse integriert. Der Drucksensor steht somit in direktem Kontakt mit dem Medium.With conventional pressure measurement, an external pressure is used sensor in one with a fluid, d. H. with a liquid or a gas, pressurized space of a measurement object, e.g. B. into a flow tube filled with a liquid, inserted sealingly, for example screwed or pressed in. The pressure sensor consists of, for example mechanical sensor, for example a membrane, and one for the detection of a measured variable, for example one Deflection or a force, the mechanical sensor necessary electrical converter or sensor, for example a distance sensor. The mechanical sensor and the Distance sensors are in a common, external Integrated housing. The pressure sensor is thus in direct Contact with the medium.

Zum Einbau eines solchen externen Druckmessers muß also eine Verbindung zwischen dem druckbeaufschlagten Raum und der Außenwelt hergestellt werden, beispielsweise indem ein Loch zwischen Innen- und Außenwand des Meßobjekts gebohrt wird (im folgenden ist mit "Innenwand" bzw. "Außenwand" eine mit bzw. nicht mit dem druckbeaufschlagten Fluid in Berührung stehende Fläche des Meßobjektes gemeint). Der beispielsweise aus einem mechanischen Meßaufnehmer und einem Abstandssensor bestehende Drucksensor wird also invasiv in das Meßobjekt eingebaut. Bei der invasiven Einbauweise kann es vorkommen, daß durch die Einbringung eines externen Sensors die Strömungsbedingun gen verändert werden. Auch kann es vorkommen, daß durch den Einbau eines solchen Sensors hydraulische Volumina unzulässig verändert werden. To install such an external pressure gauge, a Connection between the pressurized room and the Outside world, for example by making a hole is drilled between the inside and outside wall of the measurement object (in the following is with "inner wall" or "outer wall" one with or not in contact with the pressurized fluid Area of the measurement object). The one, for example mechanical sensor and a distance sensor existing Pressure sensor is therefore installed invasively in the test object. With the invasive installation method it can happen that through the introduction of an external sensor the flow conditions gene can be changed. It can also happen that the Installation of such a sensor does not allow hydraulic volumes to be changed.

Weiterhin stellt der Einbau eines externen Sensors ein Pro blem dar, wenn eine hohe Anforderung in bezug auf die Dich tigkeit eines Druckkreislaufes erfüllt werden muß, z. B. bei einer kerntechnischen Anlage oder im Bereich der chemischen Prozeßtechnik. In diesem Fall muß unbedingt vermieden werden, daß eine kontaminierte bzw. chemisch aggressive Substanz aus dem druckbeaufschlagten Bereich nach außen dringt, beispiels weise durch einen Spalt zwischen Meßobjekt und Sensor. Die Gefahr eines Austritts von Fluid kann beispielsweise auch beim Kontakt eines Sensors mit einem korrosiven Medium auf treten. Bei einem hohen Druck des Fluids kann es zu Undich tigkeiten im Bereich des Sensors kommen, die ebenfalls zu schweren Störungen im Betriebsablauf führen können. Allgemein ist die Druckmessung von aggressiven, strahlenden oder unter hohem Druck stehenden Medien problematisch.Furthermore, the installation of an external sensor is a pro blemish when a high requirement regarding you activity of a pressure circuit must be fulfilled, for. B. at a nuclear plant or in the field of chemical Process engineering. In this case, it is essential to avoid that a contaminated or chemically aggressive substance the pressurized area escapes, for example through a gap between the test object and the sensor. The There may also be a risk of fluid leakage, for example when a sensor comes into contact with a corrosive medium to step. If the pressure of the fluid is high, it can become too activities in the area of the sensor also occur can cause serious disruptions in the operational process. In general, the pressure measurement is aggressive, radiating or media under high pressure is problematic.

Ein Beispiel für diese Problematik ist die Druckmessung an Einspritzsystemen für Hochdruck-Direkteinspritzungen von Kraftstoff in Motoren, beispielsweise für Benzin- oder Die selkraftstoff (sog. "Common-Rail"). Für die Erfassung der im Inneren des Einspritzers wirkenden Drücke (typischerweise 150-2000 bar) gibt es bisher keine geeignete Druckmessung: eine Vergrößerung der hydraulischen Volumina durch Anbringung ei nes herkömmlichen Drucksensors muß beispielsweise aufgrund der genauen Abstimmung der Einspritzsysteme und ihrer gerin gen Fertigungstoleranzen vermieden werden. Weiterhin ist eine Abdichtung eines Drucksensors bei Drücken bis 2000 bar sehr schwierig, und die Unterbringung eines Drucksensors ist auf grund der beengten baulichen Verhältnisse im Inneren des Ein spritzsystems nahezu unmöglich. Zur ortsaufgelösten Erfassung der Druckverhältnisse sind zudem keine ausreichend kleinen Drucksensoren vorhanden.An example of this problem is pressure measurement Injection systems for high pressure direct injections from Fuel in engines, for example for petrol or die fuel (so-called "common rail"). For capturing the im Pressures acting inside the injector (typically 150-2000 bar) there is no suitable pressure measurement so far: one Increasing the hydraulic volume by attaching egg Nes conventional pressure sensor must for example the precise coordination of the injection systems and theirs manufacturing tolerances can be avoided. Furthermore, one Sealing a pressure sensor at pressures up to 2000 bar very difficult, and the placement of a pressure sensor is on due to the cramped structural conditions inside the Ein spraying system almost impossible. For spatially resolved recording the pressure conditions are also not sufficiently small Pressure sensors available.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen schädi genden Einfluß eines Fluids bei einer Druckmessung zu redu zieren. The object of the present invention is a harmful to reduce the influence of a fluid in a pressure measurement adorn.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 bzw. 17 gelöst.This object is achieved by the features of claims 1 and 17 solved.

Das Grundprinzip der vorliegenden Erfindung ist es, das Meß objekt selbst oder geeignete Teile hiervon (z. B. ein zu die sem Zweck strukturierter Bereich) als mechanischen Meßaufneh mer zu verwenden, die Druckmessung also nicht-invasiv durch zuführen.The basic principle of the present invention is to measure object itself or suitable parts of it (e.g. one to the structured purpose) as a mechanical measuring device to use the pressure measurement non-invasively respectively.

Dabei wird die mit dem Fluid in Kontakt stehende Wand des Meßobjektes ("Innenwand") nicht verändert. Es folgt, daß das Fluid keine wesentlich gegenüber einem ohne Druckmessung aus gestatteten Meßrohr veränderte Angriffsfläche vorfindet (insbesondere keine Passungen, Gewinde, empfindlicheren Ma terialien usw.).The wall of the Target ("inner wall") not changed. It follows that Fluid is not significantly different from one without pressure measurement permitted measuring tube finds modified attack surface (especially no fits, threads, more sensitive dimensions materials, etc.).

Eine Strukturierung kann beispielsweise durch geeignete Bear beitung des Meßobjekts geschehen, beispielsweise durch Her stellung von Aussparungen mittels mechanischem Abtrag. Al ternativ kann schon bei der Herstellung des Meßobjekts ein zum Zwecke der Druckmessung geeigneter Bereich als mechani scher Meßaufnehmer vorgesehen werden.A structuring can be carried out, for example, using suitable bearers Processing of the object to be done, for example by Her provision of recesses by means of mechanical removal. Al ternatively can already in the manufacture of the measurement object range suitable for pressure measurement as mechani shear sensors are provided.

Die Detektion einer mechanischen Meßgröße (z. B. einer Aus lenkung oder einer Kraft) des mechanischen Meßaufnehmers er folgt mit Hilfe eines externen Sensors, beispielsweise eines Abstandssensors. Die Tatsache, daß der mechanische Meßauf nehmer integraler Bestandteil des Meßobjektes ist, bewirkt, daß der Einfluß der Druckmessung auf die hydraulischen Ei genschaften des Meßobjekts, beispielsweise Strömungsbedin gungen oder hydraulische Volumina, keinen Einfluß mehr be sitzt. Weiterhin minimiert sich der Einfluß des Fluids auf den Sensor. Zusätzlich entfällt der beim herkömmlichen Einbau eines Drucksensors auftretende Zwischenraum zwischen Sensor und Meßobjekt, durch den Fluid aus dem druckbeaufschlagten Bereich austreten könnte.The detection of a mechanical measured variable (e.g. an off steering or a force) of the mechanical sensor follows with the help of an external sensor, for example one Distance sensor. The fact that the mechanical measuring is an integral part of the measurement object, causes that the influence of pressure measurement on the hydraulic egg properties of the measurement object, for example flow conditions conditions or hydraulic volumes, no more influence sits. Furthermore, the influence of the fluid is minimized the sensor. In addition, this is not necessary for conventional installation of a pressure sensor occurring space between the sensor and measurement object, through which fluid from the pressurized Area could leak.

Es ist zur einfachen Handhabung vorteilhaft, wenn der mecha nische Meßaufnehmer durch die Einbringung einer zylinderför migen Aussparung, beispielsweise eines Sacklochs, von einer Außenwand des Meßobjektes hergestellt wird.For easy handling, it is advantageous if the mecha African sensors by introducing a cylinder-shaped recess, for example a blind hole, from a Outside wall of the test object is produced.

Es ist zur vereinfachten Auswertung des Meßsignals weiterhin vorteilhaft, wenn der mechanische Meßaufnehmer rotationssym metrische Form besitzt, beispielsweise wenn die Bohrung senk recht zu der dem Fluid zugewandten Seite erzeugt wird.It is still for simplified evaluation of the measurement signal advantageous if the mechanical sensor is rotationally symmetrical has a metric shape, for example when the hole is lowered right to the side facing the fluid is generated.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der mechanische Meßaufneh mer membranähnlich ist, d. h., daß die Auslenkung des mecha nischen Meßaufnehmers sich ähnlich der Auslenkung einer Mem bran verhält. Mögliche Abweichung zum Verhalten eines Idealen Membran können beispielsweise durch eine Kalibrierung des me chanischen Meßaufnehmers berücksichtigt werden. Alternativ können die Eigenschaften des mechanischen Meßaufnehmers denen einer dünnen oder einer dicken Scheibe angenähert werden.Furthermore, it is advantageous if the mechanical measuring transducer mer is membrane-like, d. that is, the deflection of the mecha African sensor similar to the deflection of a mem bran behaves. Possible deviation from the behavior of an ideal Membrane can, for example, by calibrating the me chanic sensor are taken into account. Alternatively can the properties of the mechanical sensor can be approximated to a thin or a thick disc.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn die verbliebene Wanddicke des mechanischen Meßaufnehmers konstant ist. Dadurch wird die Auswertung der mechanischen Auslenkungen zur Bestimmung des Drucks erleichtert.It is particularly advantageous if the remaining wall thickness of the mechanical sensor is constant. This will make the Evaluation of the mechanical deflections to determine the Relieved pressure.

Der Sensor zur Messung der Auslenkung des mechanischen Meß aufnehmers kann beispielsweise auf der dem Fluid abgewandten Seite des Meßobjekts aufgebracht werden.The sensor for measuring the deflection of the mechanical measurement sensor can, for example, on the side facing away from the fluid Side of the object to be applied.

Bei Vorliegen einer Strukturierung ist es vorteilhaft, wenn der Sensor in die Strukturierung eingelassen wird.If there is a structuring, it is advantageous if the sensor is embedded in the structure.

Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Strukturierung symmetrisch ist, beispielsweise ein auf den mechanischen Meßaufnehmer zu laufendes zylindrisches Sackloch. Die Bohrung besitzt dabei zur optimierten Anpassung an einen Sensor und an ein Befesti gungsmittel vorteilhafterweise verschiedene Durchmesser.It is advantageous if the structuring is symmetrical is, for example, towards the mechanical sensor running cylindrical blind hole. The hole has for optimized adaptation to a sensor and a fastening means advantageously different diameters.

Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn der Sensor in die Struktu rierung eingelassen wird und durch ein Befestigungsmittel in Form einer Fixierhohlschraube in der Strukturierung gehalten wird, weil durch die Öffnung in der Fixierhohlschraube das mindestens eine mit dem Sensor verbundene Sensordatenkabel nach außen geführt werden kann.It is also advantageous if the sensor is in the structure is inserted and by a fastener in Form of a banjo bolt held in the structure is because through the opening in the banjo bolt at least one sensor data cable connected to the sensor can be led outside.

Es ist vorteilhaft, wenn der Sensor die Auslenkung des mecha nischen Meßaufnehmers mit Hilfe eines Piezoelementes mißt.It is advantageous if the sensor detects the deflection of the mecha African sensor using a piezo element measures.

Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn der Sensor mittels eines kapazitiven Meßverfahrens arbeitet, weil dies eine hohe Meß genauigkeit erbringt.It is also advantageous if the sensor by means of a capacitive measuring method works because this is a high measuring provides accuracy.

Dabei ist es bei elektrisch leitenden Meßobjekten besonders vorteilhaft, wenn der mechanische Meßaufnehmer gleichzeitig als eine Kondensatorplatte des kapazitiven Sensors wirkt. Bei nicht leitenden Meßobjekten kann alternativ der mechanische Meßaufnehmer auf der dem Sensor zugewandten Seite mit einem elektrisch leitendem Material beschichtet sein.It is special with electrically conductive test objects advantageous if the mechanical sensor at the same time acts as a capacitor plate of the capacitive sensor. At Non-conductive test objects can alternatively be mechanical Sensor on the side facing the sensor with a be electrically conductive material coated.

Es können aber auch andere geeignete Sensorprinzipien verwen det werden, beispielsweise mittels piezoresistiver Messung.However, other suitable sensor principles can also be used be detected, for example by means of piezoresistive measurement.

Es ist vorteilhaft, wenn der Sensor zur Auswertung von Kenn größen des mechanischen Meßaufnehmers direkt mit der Auswer teelektronik verbunden ist. Die Auswerteelektronik kann dabei mit dem externen Sensor in einem Gehäuse untergebracht sein. Dadurch können die Signale dieses Sensors schon ganz oder teilweise in für den Beobachter brauchbare Daten umgewandelt werden, bevor sie über das Sensordatenkabel weitergeleitet werden. Es ergibt sich durch die so erreichte kurze Leitungs führung der Vorteil, daß erstens eine stabilere Abstimmung des Meßsystems und zweitens eine hohe Störunempfindlichkeit erreicht wird. Zudem ist eine solche Vorauswertung der Meß werte anwenderfreundlich.It is advantageous if the sensor for evaluating characteristics sizes of the mechanical sensor directly with the ejector teelectronics is connected. The evaluation electronics can be housed with the external sensor in a housing. As a result, the signals from this sensor can be completely or partially converted into data useful for the observer be passed on via the sensor data cable become. It results from the short line achieved in this way leadership the advantage that firstly a more stable vote of the measuring system and secondly a high immunity to interference is achieved. Such a preliminary evaluation is also the measurement values user-friendly.

Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn der externe Sensor, beispielsweise der Abstandssensor, und die Auswerteelektronik in einer Einheit ausgeführt sind, beispielsweise mittels ei nes kapazitiven Abstandssensors und einer Auswerteelektronik in Silizium-Technolgie, vorteilhafterweise auf einem Bauele ment. Ein solches Bauelement in Si-Technolgie ist sehr gut beherrschbar aufgrund der Erfahrung in der Herstellung von mikroelektronischen und mikromechanischen Bauteilen. Der ex terne Sensor selbst, beispielsweise ein kapazitiver oder piezoresistiver Abstandssensor, muß dabei, beispielsweise aus Kostengründen, nicht in mikromechanischer Bauweise ausgeführt sein.It is particularly advantageous if the external sensor, for example the distance sensor and the evaluation electronics are carried out in one unit, for example by means of egg capacitive distance sensor and evaluation electronics in silicon technology, advantageously on a component ment. Such a component in Si technology is very good controllable due to the experience in the production of microelectronic and micromechanical components. The ex ternal sensor itself, for example a capacitive or Piezoresistive distance sensor must, for example, off Cost reasons, not in a micromechanical design be.

Weiterhin ist es zur Platzersparnis vorteilhaft- den Sensor in mikromechanischer Weise auszuführen. Gerade bei Meßobjek ten mit kleinen Bauteildimensionen ist es oft ein Problem, einen vergleichsweise großen Sensor in das Meßobjekt zu inte grieren. Ein Sensor in mikromechanischer Ausführung hingegen bereitet in bezug auf den zu seinem Einbau benötigten Platz wenig Probleme. Auch kann bei Einbau eines Sensors in mikro mechanischer Bauweise sichergestellt werden, daß bei einer Verwendung mehrerer Sensoren die Stabilität des Meßobjekts ausreichend hoch ist.Furthermore, it is advantageous for saving space perform in a micromechanical manner. Especially at Messobjek With small component dimensions, it is often a problem to integrate a comparatively large sensor into the measurement object freeze. A sensor in micromechanical execution, however prepares in terms of the space required for its installation few problems. Also, when installing a sensor in micro mechanical design to ensure that at a Using multiple sensors the stability of the measurement object is sufficiently high.

Ein weiterer Vorteil der nicht-invasiven Druckmessung ist es, daß ohne wesentliche konstruktive Schwierigkeiten Über- und Unterdruck mit dem gleichen Drucksensor gemessen werden kann. Bei einer Ausführung des mechanischen Meßaufnehmers in Form einer Membran ist beispielsweise die Auslenkung der Membran für Über- und Unterdruck gleich.Another advantage of non-invasive pressure measurement is that over and without major constructive difficulties Vacuum can be measured with the same pressure sensor. When the mechanical sensor is in the form A membrane is, for example, the deflection of the membrane for overpressure and underpressure the same.

Die nicht-invasive Druckmessung kann neben der Druckmessung in Einspritzsystemen besonders vorteilhaft auch zur Messung eines Brennraumdrucks, eines Kraftstoffdrucks in einem Kraft stoffördersystem (z. B. in einem "Common-Rail"-Kreislauf), bei hydraulischen Systemen (z. B. Bremsen oder Servolenkung), me dizinischen Anwendungen oder in Anlagen der Prozeßtechnik eingesetzt werden. Unter anderem bei einer dieser Anwendungen läßt eine Überwachung des Drucks einen vorteilhaften Effekt bei einer Systemsteuerung erwarten, beispielsweise durch Nutzung in einer Motorsteuerung. The non-invasive pressure measurement can be carried out in addition to the pressure measurement particularly advantageous for measurement in injection systems a combustion chamber pressure, a fuel pressure in a force material handling system (e.g. in a "common rail" cycle), at hydraulic systems (e.g. brakes or power steering), me medical applications or in process engineering systems be used. Among other things in one of these applications monitoring the pressure has an advantageous effect expect at a system control, for example by Use in a motor control.

Aufgrund der allgemeinen Anwendbarkeit kann die erfindungsge mäße Druckmessung an Bauteilen bzw. Meßobjekten in allen Größenordnungen und Formen durchgeführt werden. In den folgenden Ausführungsbeispielen wird schematisch die vorliegende Erfindung weiter ausgeführt.Due to the general applicability, the fiction moderate pressure measurement on components or test objects in all Sizes and shapes can be performed. In the following exemplary embodiments, the present invention carried out further.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Druckmessung, bei der der Sensor ein kapazitiver Abstandssensor ist, Fig. 1 shows schematically a pressure measurement, wherein the sensor is a capacitive distance sensor,

Fig. 2 zeigt schematisch in Aufsicht eine Meßkörpergeome trie zur Druckmessung, Fig. 2 shows schematically in plan view a Meßkörpergeome trie for pressure measurement,

Fig. 3 zeigt schematisch den Aufbau einer Druckmessung, bei der der Sensor ein piezoelektrischer Ab standssensor ist, Fig. 3 shows schematically the structure of a pressure measurement, wherein the sensor is a piezoelectric Ab is level sensor,

Fig. 4 zeigt Meßergebnisse einer Druckmessung. Fig. 4 shows measurement results of a pressure measurement.

In Fig. 1 ist schematisch als Seitenansicht in Schnittdar stellung das Meßprinzip einer nicht-invasiven Druckmessung mittels eines Sensors 4 in Form eines kapazitiven Ab standssensors 41 aufgetragen. Dabei ist das Meßobjekt ein Rohr 1 aus elektrisch leitendem Material, beispielsweise Me tall, beispielsweise zur Verwendung als ein Injektorkörper, beispielsweise zum Zumessen und Zerstäuben von Fluid 2, bei spielsweise bei einer Kraftstoffeinspritzung. Die Bohrung 11 des Rohrs 1 ist mit einem Fluid 2 druckbeaufschlagt. Von der der Bohrung 11 entgegengesetzten Wandseite des Rohrs ("Außenwand") ist ein Sackloch 3 erzeugt worden, beispiels weise durch Funkenerodieren, Bohren oder Fräsen. Der mecha nische Meßaufnehmer 12 ist Teil des Rohrs 1 und entspricht der stirnseitigen Fläche des Sacklochs 3. Der mechanische Meßaufnehmer 12 verformt sich unter Einwirkung des Drucks des Fluids 2 ähnlich einer Membran. Detektiert wird die Auslen kung des mechanischen Meßaufnehmers 12 mit Hilfe eines kapa zitiven Abstandssensors 41. Der kapazitive Abstandssensor 41 ist in das Sackloch 3 eingelassen, so daß der mechanische Meßaufnehmer 12 gleichzeitig als eine Elektrode des kapaziti ven Abstandssensors 41 wirkt. Die Elektrode 81 des kapaziti ven Abstandssensors 41 liegt dem mechanischen Meßaufnehmer 12 gegenüber. Gemessen wird der Abstand der beiden Elektroden (81, 12) zueinander, der durch die Durchbiegung des mechani schen Meßaufnehmers 12 bestimmt wird und der ein Maß für den auf den mechanischen Meßaufnehmer 12 wirkenden Druck des Fluids 2 ist. Der kapazitive Abstandssensor 41 wird durch eine Fixierhohlschraube 5 im Sackloch 3 gehalten. Die Meßda ten des Sensors 4, 41 werden mit Hilfe einer Auswerteeinheit 9 ausgewertet, beispielsweise durch Umrechnung von Spannungs werte in Druckwerte, beispielsweise unter Berücksichtigung einer Kalibrierung, und über ein Sensordatenkabel 6 an einen externen Beobachter weiterleitet. Das Sensordatenkabel 6 wird durch die Fixierhohlschraube 5 nach außen geführt. Das Sensordatenkabel 6 ist beispielsweise ein flexibles Miniatur- Koaxialkabel. Der kapazitive Abstandssensor 41 ist ohne Außengewinde gefertigt und wird in das Sackloch 3 geschoben, alternativ kann beispielsweise der kapazitive Abstandssensor 41 mit Außengewinde gefertigt und dann in das Sackloch 3 eingedreht werden.In Fig. 1, the measuring principle of a non-invasive pressure measurement by means of a sensor 4 in the form of a capacitive sensor 41 is schematically applied as a side view in a sectional view. The measurement object is a tube 1 made of electrically conductive material, for example Me tall, for example for use as an injector body, for example for metering and atomizing fluid 2 , for example in a fuel injection. The bore 11 of the tube 1 is pressurized with a fluid 2 . A blind hole 3 has been created from the wall side of the tube opposite the bore 11 (“outer wall”), for example by spark erosion, drilling or milling. The mecha African transducer 12 is part of the tube 1 and corresponds to the end face of the blind hole 3rd The mechanical sensor 12 deforms like a membrane under the influence of the pressure of the fluid 2 . The deflection of the mechanical sensor 12 is detected with the aid of a capacitive distance sensor 41 . The capacitive distance sensor 41 is let into the blind hole 3 , so that the mechanical sensor 12 simultaneously acts as an electrode of the capacitive distance sensor 41 . The electrode 81 of the capacitive distance sensor 41 lies opposite the mechanical sensor 12 . The distance between the two electrodes (81, 12) from one another which is determined by the deflection of the mechanical measuring transducer 12 and the rule is a measure of the pressure acting on the mechanical transducer 12 pressure of the fluid 2 is measured. The capacitive distance sensor 41 is held in the blind hole 3 by a hollow fixing screw 5 . The Meßda th of the sensor 4 , 41 are evaluated with the aid of an evaluation unit 9 , for example by converting voltage values into pressure values, for example taking into account a calibration, and forwarded to an external observer via a sensor data cable 6 . The sensor data cable 6 is guided through the fixing hollow screw 5 to the outside. The sensor data cable 6 is, for example, a flexible miniature coaxial cable. The capacitive distance sensor 41 is manufactured without an external thread and is pushed into the blind hole 3 , alternatively, for example, the capacitive distance sensor 41 can be manufactured with an external thread and then screwed into the blind hole 3 .

Zur Erhöhung der Meßempfindlichkeit des mechanischen Meßauf nehmers 12 sollte seine Dicke, entsprechend der verbliebenen Wandstärke der Stirnfläche des Sacklochs 3, möglichst gering sein. Auf der anderen Seite besteht die Gefahr, daß ein dün ner mechanischer Meßaufnehmer 12 unter einem hohen Druck nachteilig irreversibel verformt wird. Daher muß die Dicke des mechanischen Meßaufnehmers 12 so ausgelegt werden, daß sich dieser reversibel, d. h. rein elastisch, verformt. Die Auslegung des mechanischen Meßaufnehmers 12 (beispielsweise Wandstärke oder Durchmesser) kann beispielsweise durch eine Finite-Elemente-Analyse durchgeführt werden. Diese Methode ist besonders nützlich bei Formen des mechanischen Meßauf nehmers 12, deren Auslenkung sich nicht analytisch berechnen läßt, beispielsweise auch bei asymmetrischer Formgestaltung.To increase the sensitivity of the mechanical Meßauf nehmers 12 , its thickness should be as small as possible, according to the remaining wall thickness of the end face of the blind hole 3 . On the other hand, there is a risk that a thin mechanical transducer 12 will be irreversibly deformed under high pressure. Therefore, the thickness of the mechanical sensor 12 must be designed so that it deforms reversibly, ie purely elastically. The mechanical measuring sensor 12 (for example wall thickness or diameter) can be designed, for example, by means of a finite element analysis. This method is particularly useful for forms of the mechanical transducer 12 , the deflection of which cannot be calculated analytically, for example also in the case of asymmetrical design.

Außer dem in diesem Ausführungsbeispiel gezeigten Sensor kön nen auch mehrere Sensoren, beispielsweise in mehreren Sack löchern, in das Meßobjekt eingebracht werden. Dies ist bei spielsweise vorteilhaft, wenn eine ortsaufgelöste Messung der Druckverhältnisse im Meßobjekt durchgeführt werden soll.Except for the sensor shown in this exemplary embodiment also several sensors, for example in several sacks holes in the object to be measured. This is at for example advantageous if a spatially resolved measurement of the Pressure conditions in the object to be measured.

Der in dieser Figur gezeigte Drucksensor kann vorteilhafter weise auch gänzlich in Silizium-Technologie ausgeführt sein. Der kapazitive Abstandssensor 41 mit seiner Elektrode 81 ist dann auf dem gleichen Bauteil ausgeführt wie die Auswerteein heit 9. Außer einem kapazitiven Abstandssensor 41 kann bei spielsweise auch ein piezoresistiver Abstandssensor in Sili zium-Technologie ausgeführt sein.The pressure sensor shown in this figure can advantageously also be implemented entirely in silicon technology. The capacitive distance sensor 41 with its electrode 81 is then executed on the same component as the evaluation unit 9 . In addition to a capacitive distance sensor 41 , a piezoresistive distance sensor can also be designed in silicon technology, for example.

Der kapazitive Abstandssensor 41 kann alternativ in mikro mechanischer Bauweise ausgeführt sein. Dies ist beispiels weise bei mehreren Drucksensoren oder bei einer geringen Wandstärke des Meßobjekts vorteilhaft.The capacitive distance sensor 41 can alternatively be designed in a micro-mechanical construction. This is advantageous, for example, with several pressure sensors or with a small wall thickness of the measurement object.

Fig. 2 zeigt schematisch als Schnittdarstellung in Aufsicht die Form eines Rohrs 1 als Meßobjekt, wobei das Rohr 1 mit einer zentriert geführten Bohrung 11 versehen ist, die mit einem Fluid 2 gefüllt ist. Der Schnitt wird durch ein als Strukturierung dienendes Sackloch 3 geführt. Man erkennt, daß der mechanische Wegaufnehmer 12 in Aufsicht aufgrund der im Schnitt runden Bohrung eine auf der Innenwand des Meßobjektes einseitig konkave Form besitzt, also keiner planaren Membran entspricht. Fig. 2 shows schematically as a sectional view in supervision the shape of a tube 1 as a measurement object, the tube 1 being provided with a centrally guided bore 11 which is filled with a fluid 2 . The cut is made through a blind hole 3 serving as structuring. It can be seen that the mechanical displacement transducer 12 in supervision has a concave shape on one side on the inner wall of the measurement object due to the round bore in the section, ie it does not correspond to a planar membrane.

Fig. 3 zeigt als Seitenansicht in Schnittdarstellung eine Ausgestaltung zur Druckmessung mit Hilfe eines Sensors 4 in Form eines piezoelektrischen Abstandssensors 42. Der piezo elektrische Abstandssensor 42 besteht im wesentlichen aus ei nem Piezoelement und zwei Elektroden 81, 82 sowie einer Aus werteeinheit 9 und einem Sensordatenkabel 6, wobei die Aus lenkung des mechanischen Meßaufnehmers 12 mit Hilfe des Pie zoelementes gemessen wird. Dieses Piezoelement ist hier in Form eines Piezoröhrchens 7 ausgebildet, welches hohl ist und das mit seinen Stirnseiten auf dem mechanischen Meßaufnehmer 12 bzw. auf einer Fixierhohlschraube 5 aufliegt. Durch die Auslenkung des mechanischen Meßaufnehmers 12 wird das Piezo röhrchen 7 gestaucht, so daß in diesem eine Spannung in indu ziert wird. Diese Spannung wird durch Elektroden 83, 82 ab gegriffen, die an der Innen- bzw. der Außenwand des Piezo röhrchens 7 anliegen. In diesem Ausführungsbeispiel liegt die Außenelektrode 82 auf Masse, während die Innenelektrode 83 mit einem durch die Fixierhohlschraube 5 geführten Sensor datenkabel 6 verbunden ist, welches Meßdaten an einen ex ternen Beobachter weitergibt. Fig. 3 shows a side view in section of an embodiment of pressure measurement with the aid of a sensor 4 in the form of a piezoelectric sensor 42 distance. The piezoelectric distance sensor 42 consists essentially of egg nem piezo element and two electrodes 81 , 82 and an evaluation unit 9 and a sensor data cable 6 , the deflection of the mechanical sensor 12 being measured with the aid of the piezo element. This piezo element is designed here in the form of a piezo tube 7 which is hollow and which rests with its end faces on the mechanical measuring sensor 12 or on a hollow banjo screw 5 . Due to the deflection of the mechanical sensor 12 , the piezo tube 7 is compressed, so that a voltage is induced in it. This voltage is gripped by electrodes 83 , 82 which abut the inner or outer wall of the piezo tube 7 . In this embodiment, the outer electrode 82 is connected to ground, while the inner electrode 83 is connected to a sensor data cable 6 guided by the fixing hollow screw 5 , which passes measurement data to an external observer.

Fig. 4 zeigt die Auftragung der an einem kapazitiven Ab standssensor abgegriffenen Spannung in beliebigen Einheiten gegen den Druck eines Fluids 3 in beliebigen Einheiten. Es ist deutlich zu erkennen, daß das Verhältnis zwischen Sen sorspannung und (vorbestimmten) Druck des Fluids 2 linear ist, und zwar über den gesamten Meßbereich. Dabei ist zu be achten, daß diese Figur verbundene Meßpunkte, und keine Kur venanpassung zeigt. Es wird in Fig. 3 somit eindrücklich die Eignung der hier beschriebenen Art der Druckmessung zur Bestimmung des Drucks des Fluids eines druckbeaufschlagten Meßobjekts nachgewiesen. Fig. 4 shows the application of the voltage tapped from a capacitive sensor in any unit against the pressure of a fluid 3 in any unit. It can clearly be seen that the ratio between sensor voltage and (predetermined) pressure of the fluid 2 is linear, namely over the entire measuring range. It should be noted that this figure shows connected measuring points and no curve fitting. The suitability of the type of pressure measurement described here for determining the pressure of the fluid of a pressurized test object is thus impressively demonstrated in FIG. 3.

Das Auflösungsvermögen der Druckmessung ist mit < 0,1% sehr gut, so daß neben einer statischen Druckmessung auch schnelle Druckschwankungen sehr gut reproduzierbar sind (ohne Abbil dung).The resolution of the pressure measurement is very low at <0.1% good, so that in addition to a static pressure measurement also quick Pressure fluctuations are very reproducible (without fig dung).

Claims

1. A method for measuring the pressure of a fluid ( 2 ), in which

a test object is pressurized with a fluid ( 2 ),
a mechanical measuring transducer ( 12 ) is deflected by the pressure of the fluid ( 2 ), the mechanical measuring transducer ( 12 ) being part of the measurement object,
- The deflection of the mechanical measuring sensor ( 12 ) on its side facing away from the fluid ( 2 ) is measured with the aid of at least one sensor ( 4 , 41 , 42 ).

2. The method according to claim 1, wherein the movements of at least one mechanical measuring sensor ( 12 ) are membrane-like,

3. The method as claimed in one of the preceding claims, in which at least one mechanical measuring sensor ( 12 ) is produced by structuring on a side of the measurement object which is remote from the fluid ( 2 ),

4. The method according to claim 3, wherein the mechanical measuring sensor ( 12 ) through at least one blind hole ( 3 ) perpendicular to a fluid ( 2 ) facing side of the object is generated.

5. The method according to any one of claims 2-4, wherein at least one sensor ( 4 , 41 , 42 ) in the structuring and can be held in this.

6. The method according to claim 5, wherein the structuring has the shape of a cylindrical blind hole ( 3 ) with at least one diameter.

7. The method according to any one of the preceding claims, wherein at least one sensor ( 4 ) is a piezoelectric distance sensor ( 42 ).

8. The method according to any one of the preceding claims, wherein at least one sensor ( 4 ) is a capacitive distance sensor ( 42 ).

9. The method according to any one of the preceding claims, in which an evaluation unit ( 9 ) for processing the data output by the sensor ( 4 , 41 , 42 ) is present between the sensor ( 4 , 41 , 42 ) and a sensor data cable ( 6 ).

10. The method according to claim 9, wherein the sensor ( 4 , 41 , 42 ) and the evaluation unit ( 9 ) are integrated in one component.

11. The method according to any one of the preceding claims, wherein at least one sensor ( 4 , 41 , 42 ) is designed in a micromechanical construction.

12. The method according to any one of the preceding claims, in which at least one sensor ( 41 , 42 ) is produced on the basis of silicon technology.

13. The method according to any one of the preceding claims, wherein the pressure of the fluid ( 2 ) can be both in the positive and negative pressure range.

14. The method according to any one of the preceding claims, at which the pressure measurement is calibrated.

15. The method according to any one of the preceding claims Use in process engineering systems.

16. The method according to any one of the preceding claims Use in fuel injection systems or on Combustion chambers.

17. Device for measuring the pressure of a fluid ( 2 ) consisting of

- a measurement object which is pressurized with a fluid ( 2 ),
at least one mechanical measuring transducer ( 12 ) which is part of the measurement object and which can be deflected by a pressure of the fluid ( 2 ),
- a sensor (4, 41, 42) via a deflection of the abgewand th rule mechanical measuring transducer (12) on its side facing the fluid (2) side of the pressure of the fluid (2) can be measured.

18. The apparatus of claim 17, wherein the mechanical measuring sensor ( 12 ) is membrane-like and can be represented by a blind hole ( 3 ) from a side of the measurement object facing away from the fluid ( 2 ).

19. The apparatus of claim 18, wherein the sensor ( 4 , 41 , 42 ) is at least partially in the blind hole ( 3 ) and can be fixed in this by a Befestigungsein direction.

20. Use of the device according to one of claims 17-19 in process engineering systems.

21. Use of the device according to one of claims 17-20 in systems for fuel injection or on combustion chambers.