DE2913935A1

DE2913935A1 - Mechanisch-elektrischer druckwandler

Info

Publication number: DE2913935A1
Application number: DE19792913935
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl Ing Dr Herden
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1979-04-06
Filing date: 1979-04-06
Publication date: 1980-10-23
Also published as: US4326419A

Description

κ. 5402

22.3.1979 Bt/Ba

ROBERT BOSCH GMBH, 7OQO Stuttgart 1

Mechanisch-elektrischer Druckwandler

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem mechanisch-elektrischen Wandler zur Messung von Drücken, insbesondere zur Messung des Saugrohrunterdruckes in einer Brennkraftmaschine, nach der Gattung des Hauptanspruchs.'Aus der DE-OS 1 673 938 ist ein Druckwandler bekannt, bei dem ein Dauermagnet ir. einem Eisenkreis vorgesehen ist, in welchem ein magnetfeldabhängiges Halbleiter-Bauelement (Hall-Generator) und außerdem ein Luftspalt angeordnet ist. In den Luftspalt taucht ein Regulierstück ein, so daß die Kraftlinien im Luftspalt beeinflußt werden. Derartige Wandler erfordern jedoch eine sehr hohe Präzision bei der Herstellung und Einstellung und haben außerdem den Nachteil, daß sie beim Betrieb auf Kraftfahrzeugen nur mit erheblichem Aufwand gegen Verschmutzung geschützt werden können. Außerdem ist der Hall-Generator sehr temperaturabhängig, so daß bei verschiedenen Temperaturen, aber gleichen Drücken verschiedene Spannungswerte erhalten werden.

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"erteile der Erfindung

Jer erfindungsgemäße Druckwandler mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daö Temperaturänderungen bei der Anwendung von mit konstantem S^rom gespeisten Hall-Generatoren bzw. HaIl-ICs kompensiert ■werden, so daß der Nullpunkt konstant bleibt. Außerdem wird der Offset sämtlicher Gleichspannungsverstärker von HaIl-I3s ausgeschaltet, so daß eine gute Langzeitstabilität erhalten vrird.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 einen Schnitt durch den erfindungsgenäiäen Wandler, Fig. 2-5 weitere mögliche Anordnungen von Hall-Generatoren und Magneten.

Beschreibung

Der Druckwandler nach Fig. 1 ist zum Einbau in das Saugrohr eir.es nicht dargestellten Fahrzeugmotors bestimmt und enthält ein metallisches Gehäuse 1 mit einer zentralen Längsbohrung und einem Schraubgewinde 3 zum Eindrehen des Druckwandlers in das Saugrohr. Hierzu ist am unteren Endabschnitt des Gehäuses 1 ein Außensechskant 4 vorgesehen. Im Innern des Gehäuses 1 befindet sich eine Membrandose 5₅ die mit Hilfe eines an ihr befestigten Gewindestiftes 7 durch eine Einlaßbohrung 8 geführt ist und mit der Mutter 6 an dem Gehäuse 1 befestigt ist. An der der Einlaßbohrung 8 abgewandten Unterseite der Membrandose 5 ist ein Hall-Element 9 befestigt, das bei einer bevorzugten Ausführungsform als Teil eines monolithischen, integrierten Halbleiterschaltkreises (IC) ausgebildet ist, der zusätzlich zum

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Hall-Element ζ. B. eine Konstantstromquelle und einen Verstärker enthält. Der Hall-IC 9 ist mit flexiblen Anschlußleitungen 10 mit einer Auswerteschaltung 11 verbunden, die als Hybridschaltung ausgebildet sein kann und die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel in einer gummielastischen Dämpfungsmasse zum Schutz gegen Schwingungseinflüsse gelagert ist. Gegenüber dem Hall-IC ist ein Elektromagnet 13 angeordnet, der am freien Ende einer Stellschraube 14 sitzt. Dadurch ist es möglich, den Elektromagneten 13 axial zu justieren. An der Unterseite des Gehäuses sind elektrische Anschlußkontakte 15 vorgesehen.

Zur Erfassung des Druckes dient das Prinzip der Relativbewegung zwischen dem Hall-IC 9 und dem Elektromagneten 13. Die Umsetzung von Druck in Weg erfolgt über die Wellmembrandose 5, wobei sich das auf der Membrandose befindliche Hall-Element 9 relativ zum raumfesten Elektromagneten 13 bewegt. Der Elektromagnet 13 soll an seiner Spitze einen möglichst hohen Gradienten der magnetischen Flußdichte (Induktion) aufweisen, damit schon bei geringen Auslenkungen der Membrandose (typisch 0,5-1 mm) eine ausreichend Hall-Spannungsänderung erreicht wird. Ein Hall-Generator betrieben mit konstantem Strom, liefert folgende Hai1-Sp annung:

u_u = u +k-B'I= R_UT I + k ■ B · I η O tiL·

Dabei ist u_Q die Hall-Spannung ohne Magnetfeld, k die Hall-Konstante, B die magnetische Flußdichte, I der Erregerstrom, und RjTT der Widerstand des Halbleitermaterials. Die Spannung U₀ ist abhängig von der Temperatur, so daß der Nullpunkt erheblich mit der Temperatur driftet. Diese Temperaturabhängigkeit soll nun ausgeschaltet werden. Dazu wird das Magnetfeld vorzugsweise mit Hilfe eines konstanten rechteckförmigen Wechselstroms periodisch abgeschaltet oder umgepolt. Durch Bildung der Differenz des Ausgangssignals des Hall-Elementes 9 mit Magnetfeld und des Ausgangssignals ohne Magnetfeld bzw. der Ausgangssignale bei positivem und negativem Magnetfeld bleibt k · B · I. bzw. 2-k · 5 · das über die magnetische Flußdichte dem Druck proportional ist, als auszuwertende Größe. Es muß also der Elektromagnet periodisch abge

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schaltet oder umgepolt werden, wobei vor und nach dem Einschalten bzw. Umpolen des Elektromagneten 13 gemessen wird und die Differenz der Spannungen gebildet wird, so daß dadurch der Temperatureinfluß ausgeschaltet wird.

In Fig. 2 ist ein anderes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Druckwandlers dargestellt, wobei gleiche oder gleichv.'irkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 versehen sind. Bei Benutzung eines einzelnen Elektromagneten vrie in Fig. 1, ist die Funktion der magnetischen Induktion und damit auch der Hall-Spannung in Abhängigkeit des Drucks annähernd hyperbolisch. Um eine lineare Funktion zu realisieren, sind zwei Elektromagnete 16, 17 (Fig. 2) vorgesehen, die sich ir.it gleichnamigen Polen gegenüberstehen, zwischen denen der Hall-Generator (oder Hall-IC) 9 bewegt wird. Dadurch wird ein steiler Gradient der Induktion erzielt und die Induktion B=O befindet sich leicht justierbar in der Mitte zwischen den beiden Magneten. Nach Fig. 2 ist an der Unterseite der WeIlr.embrandose· 5 ein Haltestift 18 befestigt, an welchem der Hall-IC 9 sitzt und bei wechselndem Druck in Richtung der Pfeile nach oben oder unten bewegt wird. Der obere Elektromagnet Ί6 ist ebenso wie der untere Elektromagnet 17 ortsfest bzw. raumfest angeordnet.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist ebenso wie in Fig. der Hall-IC 9 mit Hilfe eines Haltestiftes 18 an der Membrandose befestigt. Seitlich des Hall-IC 9 liegen sich zwei Elektromagnete 22, 23 gegenüber, die jeweils einen C-förmigen Kern 20, 21 aufweisen. Die Luftspalte 2k, 25 der Kerne 20 21 befinden sich direkt neben dem Hall-IC 9- Die Elektromagnete 22, 23 sind so gepolt, daß sich jeweils in Quer- und Längsrichtung ungleichnamige Pole gegenüberstehen. Die Bewegungsrichtung des HaIl-ICs 9 wird wieder durch die Richtungspfeile 19 angegeben.

Fig. H zeigt eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Druckwandlers, bei der der Elektromagnet 16 auf dem Gewindestift sitzt. Dazu ist der Kern 26 des Elektromagneten 16 mit einer

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Bohrung 27 versehen. Der interessierende Pol des Elektromagneten 16 ragt in die Membrandose 5 hinein und befindet sich gegenüber des an der Unterseite der Membrandose 5 angebrachten HaIl-ICs 9· Ebenso wie in den anderen Ausführungsbeispielen ist der Elektromagnet 17, der dem Hall-IC 9 gegenüberliegt, raumfest angeordnet.

Fig. 5 zeigt eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäjäen Druckwandlers mit einer Membran 28, die an ihrem Rand eingespannt ist. Die Membran 28 trägt an ihrer Unterseite den Hall-IC 9· Der obere Elektromagnet 16 ist oberhalb der Membran 28, der untere Magnet 17 unterhalb der Membran 28 im gleichen axialen Abstand von dem Hall-IC 9 angeordnet wie der obere Elektromagnet

Es gibt verschiedene Möglichkeiten zum Ansteuern des Gebers und zum Auswerten der Schaltsignale des Gebers. Der Geber kann extern über ein möglicherweise schon vorhandenes Steuergerät für eine vollelektronische Spulenzündung angesteuert werden, d. h. das Steuergerät erzeugt den periodischen rechöeckförmigen Wechselstrom, mit dem der Elektromagnet aus- und eingeschaltet bzw. umgepolt wird. Der Druckwandler liefert dann ein entsprechend periodisches Spannungsausgangssignal, das im Steuergerät ausgewertet wird. Der Wandler wird nur dann erregt, wenn im Steuergerät die Druckinformation (z. B. durch Software) abgerufen werden soll.

Eine weitere Möglichkeit ist, daß der Wandler eine integrierte Halbleiterschaltung enthält, in dem Taktgenerator, getaktete Konstantstromquelle, Hall-Generator, Verstärker und Auswerteschaltung vorhanden sind, so daß der Geber unabhängig vom Steuergerät arbeiten kann.

Der Geber kann auch mit reinem Wechselstrom z. B. sinusförmigem Wechselstrom aus- und eingeschaltet bzw. umgepolt werden. Dabei ist aber darauf zu achten,, daß immer zum gleichen Zeitpunkt (z. B. im Maximum des Sinus) gemessen wird.

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Claims

R- 54 0 2 22.3.1979 Bt/Ba ROBERT BOSCH GMBH3 7OOO Stuttgart 1 Ansprüche

1. Mechanischelektrischer Wandler zur Messung von Drücken, insbesondere des Ansaugluftdruckes einer Brennkraftmaschine, mit einer von dem zu messenden Druck beaufschlagbaren Membran, mit einem Hall-Effekt-Bauelement und mit mindestens einem Magneten, dessen Magnetfeld am Ausgang des Bauelementes eine in Abhängigkeit vom Druck sich ändernde elektrische Größe, insbesondere eine elektrische Spannung liefert, dadurch gekennzeichnet, daß als Magnet ein Elektromagnet (13, 17, 22, 23) vorgesehen ist, dessen Magnetfeld periodisch abgeschaltet oder umgepolt wird.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Konstantstromquelle zur Erzeugung des zum periodischen Abschalten des Magnetfeldes benötigten Wechselstroms, insbesondere rechteckförmigen, konstanten Wechselstroms vorgesehen

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ist j und daß eine Auswertschaltung zur Bildung der Differenz der vom Bauelement gelieferten elektrischen Größen bei vorhandenem und abgeschaltetem Magnetfeld bzw. bei positivem und negativem Magnetfeld vorgesehen ist.

3. Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Eiektromagnete (16, 17) vorgesehen sind, die sich mit gleichnamigen Polen gegenüberstehen und zwischen denen das Bauelement (9) angeordnet ist.

4. Wandler nach einem der Ansprüche 1-3» dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement (9) mit der Membran (5, 28) verbunden ist.

5. Wandler nach einem der Ansprüche l-h_} dadurch gekennzeichnet, daß die Elektromagnete (13, 16, 17» 22, 23) ortsfest angeordnet sind.

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