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Druckmeßgeber, insbesondere Drehzahlmeßgeber für
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Dieselmotoren Die Erfindung betrifft einen Druckmeßgeber, insbesondere
einen Drehzahlmeßgeber für Dieselmotoren, der die in einer mit.einer Einspritzpumpe
verbundenen Leitung auftretenden Druck des Dieseltreibstoffs in eine entsprechende
elektrische Größe umsetzt.
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Als Druckmeßgeber sind verschiedene Systeme bekannt, die überwiegend
darauf beruhen, daß unter dem Einfluß des Druckes eine Körper, beispielsweise ein
Balgen verstellt wird und daß die Verstellung dieses Körpers auf einen Umsetzer,
der eine mechanische Größe in eine elektrische Größe umsetzt, übertragen wird. Der
Umsetzer kann insbesondere als Potentiometer oder als Tauchspulmeßwerk ausgebildet
sein. Diese bekannten Systeme haben jedoch den Nachteil, daß sie entweder verhältnismäßig
kompliziert, insbesondere hinsichtlich ihrer mechanischen
Ausführung
sind oder direkte elektrische Abgriffe, wie in Potentiometern aufweisen, die zu
Störungen Anlaß geben können. Zur Druckmessung können auch bekannte Dehnungsmeßstreifen
eingesetzt werden, welche die Dehnung eines Körpers unter Druck in eine elektrische
Größe umwandeln. Diese Dehnungsmeßstreifen müssen jedoch in gesonderten Arbeitsgängen
zuverlässig auf den sich ausdehnenden Körper aufgebracht werden und dürfen sich
von diesem auch während längeren Gebrauchs nicht ablösen. Diese Dehnungsmeßstreifen
werden daher für Versuchsaufbauten verwendet, weniger jedoch für den Dauerbetrieb.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Druckmeßgeber,
insbesondere einen Drehzahlmeßgeber für Dieselmotoren zu schaffen, der besonders
zuverlässig unter Verzicht auf mechanisch bewegte Teile arbeitet.
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Dieser Druckmeßgeber soll auch für den Dauerbetrieb unter schwierigen
Bedingungen, insbesondere Erschütterungen und Schwingungen geeignet sein. Schließlich
soll sich der Druckmeßgeber durch einen verhältnismäßig geringen Herstellaufwand
auszeichnen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß für einen Druckmeßgeber, insbesondere
Drehzahlmeßgeber für Dieselmotoren der eingangs genannten Gattung dadurch gelöst,
daß die Leitung in der der Druck gemessen werden soll, durch einen zumindest teilweise
aus einem weichmagnetischen Material bestehenden Körper geführt ist, daß der Körper
dergestalt geformt ist, daß er unter dem Einfluß des in der Leitung herrschenden
Drucks elastisch deformierbar ist, und daß auf dem Körper wenigstens eine Wicklung
aufgebracht ist die an eine Erreger- und Meßschaltungsanordnung der magnetischen
Eigenschaften des weichmagnetischen Materials angeschlossen ist.
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Als weichmagnetisches Material ist vorzugsweise ein solches einer
verhältnismäßig hohen Permeabilität vorgesehen, wie es beispielsweise für Kerne
elektrischer Ubertrager verwendet wird.
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Ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist, daß die an
sich bekannte Veränderung der magnetischen Eigenschaften weichmagnetischer Materialien
durch Zug-, Druck- und/oder Biegebeanspruchungen ausgenutzt wird (Reinboth, Technologie
und Anwendung magnetischer Werkstoffe, Berlin 1970, Seiten 47 ff). Diese Erscheinung
hat jedoch bisher keine unmittelbare technische Anwendung im positiven Sinne gefunden
(Reinboth, a.a.O. Seite 55, Mitte).
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Zur genauen Messung ist der Körper aus weichmagnetischem Material
so geformt, daß er unter dem Einfluß des zu messenden Druckes keine plastische Verformung
erfährt, sondern lediglich elastisch verformt wird. Solange die angelegten mechanischen
Spannungen im elastischen Bereich des Materials bleiben, erreichen die magnetischen
Eigenschaften nach Wegfall der mechanischen Spannung wieder ihre Ausgangswerte und
erlauben so eine exakte reproduzierbare Messung.
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In Verbindung mit dem Drehzahlmesser für Dieselmotoren wird weiter
erfindungsgemäß die Erscheinung ausgenutzt, daß eine Einspritzpumpe einen konstanten
Grunddruck liefert, von dem ausgehend abhängig von der Drehzahl eine Druckerhöhung
erfolgt. Typische Werte sind für den konstanten Grunddruck ca. 120 bar, für den
Druck im Leerlaufbetrieb ungefähr 150 bar und bei der maximalen Drehzahl ungefähr
300 bar. In Verbindung mit dem gemäß Anspruch 1 definierten Druckmeßgeber bewirkt
die Druckänderung in einer Leitung, die mit dem Körper aus weichmagnetischem Material
in Verbindung steht, eine entsprechende
Anderung der Permeabilität.
Besonders bevorzugt wird, wie weiter unten angegeben, zur Permeabilitätsmessung
das Prinzip der Förster-Sonde.
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Dementsprechend wird der Körper aus weichmagnetischem Material mit
einem magnetischen Gleichfeld beaufschlagt.
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Dies kann durch eine Erregung mit einem Gleichstrom oder aber durch
einen Permanentmagneten geschehen.
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Der mit dem Gleichfeld beaufschlagte Körper wird ferner mit einer
vorzugsweise dreieckförmigen Durchflutung einer Erregerwicklung erregt. In einer
Sekundärwicklung auf dem Körper wird dann eine Spannung induziert, deren geradzahlige
Oberwellenein Maß für die Jeweilige Permeabilität des Körpers sind.
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Eine erste bevorzugte Variante des Druckmeßgebers weist die Merkmale
auf, daß der aus weichmagnetischem Material bestehende Körper annähernd D-förmig
mit zwei langen Schenkeln ausgebildet ist, daß durch den ersten Schenkel die Leitung
geradlinig hindurchgeführt ist und daß auf dem zweiten Schenkel die Wicklung(en)
aufgebracht ist (sind).
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Durch diesen Körper wird also das Medium, dessen Druck gemessen werden
soll, geradlinig mit einem Minimum an Strömungswiderstand durch einen Schenkel geleitet.
Die auf diesen Schenkel durch das Medium ausgeübten mechanischen Spannungen werden
auf den zweiten Schenkel, der mit dem ersten Schenkel fest verbunden ist, übertragen.
In beiden Schenkeln, die in einem geschlossenen magnetischen Kreis angeordnet sind,
können deswegen bei Druckänderungen des Mediums, durch diese hervorgerufene entsprechenden
mechanischen Spannungen Anderungen der Permeabilität, insbesondere der Hystereseschleife
erzeugt werden, die durch die auf den zweiten Schenkel aufgebrachten Wicklungen
meßbar sind. Diese Ausführungsform des Druckmeßgebers ist besonders robust.
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Eine andere Variante des Druckmeßgebers besteht darin, daß der aus
weichmagnetischem Material bestehende Körper als Ringkern ausgebildet ist und daß
die Leitung parallel zu den Querschnittsebenen durch den Ringkern hindurchgeführt
ist.
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Dieser Ringkern arbeitet ähnlich wie der voranstehend beschriebene
D-förmige Kern, wobei allerdings bei dem Ringkern die Einflußzone des unter Druck
stehenden Mediums auf den Ringkern kleiner ist. Wenn der Ringkern als Ringbandkern
ausgeführt ist, kann die Leitung nicht ohne weiteres nur als Bohrung aus dem Ringkern
ausgespart sein, sondern es sind zusätzliche Abdichtungsmaßnahmen zu treffen, insbesondere
kann eine Leitung aus verhältnismäßig weichem Material durch die Bohrung des Ringbandkerns
hindurchgeführt sein.
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Eine weitere zweckmäßige Variante des Druckmeßgebers hat die Merkmale,
daß die Leitung in ein Gehäuse mündet, welches aus einem Gehäusedeckel und einem
mit diesem fest verbundenen Boden besteht, und daß der Boden aus einer ersten Folie
mit einer ersten Wicklung, einer unter ihr liegenden Druckmembran aus elastischem
weichmagnetischen Werkstoff und einer unter der Druckmembran liegenden zweiten Folie
mit einer zweiten Wicklung zusammengesetzt ist. - Bei dieser Ausführungsform ist
die Einwirkfläche des Druckes auf den weichmagnetischen Werkstoff besonders groß,
so daß ein entsprechend großer Meßeffekt erzielt wird. Der weichmagnetische Werkstoff
besteht in vorteilhafter Weise aus einem elastischen Werkstoff, der für die notwendigen
Rückstellkräfte ohne zusätzliche Maßnahmen - zusätzliche Platten oder Federn - sorgt.
Durch die an dieser Druckmembran anliegenden Folien, welche die Wicklung tragen,
wird ein besonders kompakter Aufbau erzielt.
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Obwohl unter mechanischen Spannungen verschiedene magnetische Parameter
des weichmagnetischen Werkstoffs Veränderungen unterliegen, ist vorzugsweise vorgesehen,
daß die Erreger- und Meßschaltungsanordnung zur Messung der Permeabilitätsänderung
des weichmagnetischen Materials eingerichtet ist. - Die Permeabilitätsänderung gibt
in besonders guter Weise die Anderung der magnetischen Eigenschaften des Materials
unter mechanischer Spannung wieder.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, daß die Erreger- und Meßschaltungsanordnung
und die Spule (Spulen) des Meßgebers nach dem Prinzip der Förster-Sonde angeordnet
sind. - Die Förster-Sonde läßt die Messung verhältnismäßig geringer Permeabilitätsänderungen
in zuverlässiger Weise zu.
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Als weichmagnetischer Werkstoff, aus dem der Körper besteht, in dem
der Druck gemessen wird, ist vorzugswiese Numetall vorgesehen.
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Ein weiterer gut geeigneter Werkstoff für den Körper ist die Legierung
67Ni33Fe.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung mit 3 Figuren
erläutert. Es zeigt: Figur 1 einen Drehzahlmeßgeber für Dieselmotoren mit einem
annähernd D-förmig ausgebildeten Körper und einer Schaltungsanordnung zur Messung
der Permeabilitätsänderung nach dem Prinzip der Förster-Sonde, Figur 2 einen Ringkern
als Druckmeßgeber in einem Querschnitt und Figur 3 eine weitere Ausführungsform
eines Druckmeßgebers, der als Gehäuse ausgebildet ist in einem Längsschnitt.
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In Figur 1 ist der D-förmige Körper allgemein mit 1 bezeichnet. Dieser
Körper hat im wesentlichen zwei Schenkel 2 und 3, die über Stege 4 und 5 miteinander
in Verbindung stehen Dieser gesamte Körper, der auch als Meßstutzen bezeichnet werden
kann, ist einstückig aus weichmagnetischem Material hergestellt.
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In dem Schenkel 2 ist eine Bohrung 6 vorgesehen, die in Anschlußstücke
7 und 8 übergeht. Ein Pfeil 9 gibt die an sich unkritische Strömungsrichtung des
Kraftstoffs an, der durch eine nicht dargestellte Einspritzpumpe durch den Körper
gepumpt wird.
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Auf dem zweiten Schenkel 3 sind zwei Spulen aufgebracht, und zwar
eine Primärspule 10 als Erregerwicklung und eine Sekundärspule 11 als Indukti onswicklung.
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Die Veränderung der Hystereseschleife des weichmagnetischen Werkstoffs
aus dem der D-förmige Körper 1 besteht, unter Einfluß des durch die Bohrungfließenden
Kraftstoffs, wird nach dem Prinzip der Förster-Sonde gemessen: Dieses Meßprinzip
der Förster-Sonde besteht darin, daß bei größeren Wechselfeldaussteuerungen die
durch eine überlagertes Gleichfeld bedingte Kurvenverzerrung mit Hilfe eines selektiven
Verstärkers als Intensitätsänderung einer geradzahligen Oberwellen gemessen wird.
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Hierzu sind die Primärspule und die Sekundärspule 10, 11 über Leitungen
12, 13 mit der Erreger- und Meßschaltungsanordnung verbunden. Die Primärspule 10
steht mit einer Gleichstromquelle 14 und einem Generator 15 in Verbindung, der einen
dreieckförmigen Strom einer Frequenz von ungefähr 20 kHz erzeugt. Dieser dreieckförmige
Strom durch die Primärspule muß ausreichen um den D-förmigen Körper in das Gebiet
der magnetischen Sättigung zu
treiben. Das durch die Gleichstromquelle
14 hervorgerufene Gleichfeld dient dazu, durch die durch es bedingte Asymmetrie
zur Nullinie in der Sekundärspule 11 Spannungsimpulse zu erzeugen, die sich nicht
zu Jedem Zeitpunkt vollstandig kompensieren und deswegen eine Ausgangsspannung erzeugen
können. Hierzu wird die Ausgangsspannung der Sekundärspule 11 über ein Filter 16,
welches nur die zweite Harmonische durchläßt, einem Verstarker 17 zugeführt. Der
Ausgang des Verstärkers ist über einen gesteuerten Gleichrichter -zur Anzeige der
Feldrichtung - 18 mit einem Drehspulinstrument 19 verbunden. Anstelle des Drehspulinstruments
kann auch ein Zähler vorgesehen sein.
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Aus Figur 2 ist ersichtlich, wie aus einem kreisringförmigen Ringkern
20 aus weicbinagnetischem Material eine Bohrung 21 ausgespart sein kann, die parallel
zu den Querschnittsebenen des Ringkerns liegt und unter Einfluß eines Druckes in
der Bohrung Spannungen auf den Ringkern ausübt. Zur Messung dieser mechanischen
Spannungen sind auf den Ringkern die Primärspule 10 und die Sekundärspule 11 aufgebracht.
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Die Ausführungsform des Körpers gemäß Figur 3 umfaBt ein Gehäuseteil
22, in das eine Kraftstoffleitung 23 hinein reicht. Mit dem annähernd kubusförmigen
Jedoch nach unten offen Gehäuseteil ist ein Boden 24 verbunden.
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Der Boden besteht aus einer Druckmembran 25 aus elastischem weichmagnetischem
Material, die zwischen einer Folie 26 mit einer nicht dargestellten PrinErwicklung
und einer zweiten Folie 27 mit einer ebenfalls nicht dargestellten Sekundärwicklung
liegt.
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Der Boden 24 der Ausführungsform nach Figur 3 wird unter Druckeinfluß
nach außen gewölbt, die dabei in der Druckmembran 25 entstehenden mechanischen Spannungen
(Biegespannungen
und Normalspannungen) verursachen eine Veränderung der Hystereseschleife dieser
Druck membran und können mit einer Schaltungsanordnung gemäß Figur 1 gemessen werden.