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Piezoelektrischer Druckaufnehmer für Rohrleitungen
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Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der piezoelektrischen Meßwertaufnehmer
(Sensoren) und ist bei der konstruktiven Ausgestaltung von Meßwertaufnehmern für
Druckverläufe in Rohrleitungen anzuwenden. Spezielles Anwendungsgebiet sind Druckaufnehmer
für Brennstoffzuleitungen von Dieselmotoren.
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Zur Uberwachung, Regelung und Uberprüfung von technischen Geräten
und Anlagen, in denen Flüssigkeiten transportiert werden, sind Meßwertaufnehmer
erforderlich, mit denen der Flüssigkeitsdruck in den entsprechenden Rohrleitungen
in ein elektrisches Signal umgewandelt wird.
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Dabei können entweder der Druck selbst oder vom Druck abhängige Vorgänge
von Interesse sein. Beispielsweise bei der Diagnose von Dieselbrennkraftmaschinen
kann über den Druckverlauf in der Brennstoffzuleitung der Einspritzbeginn des Kraftstoffes
in den Brennraum festgestellt werden.
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Zur Ermittlung des Druckverlaufes in den Brennstoffzuleitungen von
Dieselmotoren ist ein Druckaufnehmer bekannt, der auf elastische Durchmesserveränderungen
der Brennstoffzuleitung anspricht. Hierzu wird ein druckempfindlicher Umwandler
radial an die Brennstoffzuleitung angekoppelt. Als druckempfindlicher Umwandler
kommt insbesondere ein piezoelektrisches Bauelement in Betracht (DE-OS 19 39 332).
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Um einen solchen Druckaufnehmer ohne großen Zeitaufwand und ohne Beeinflussung
des Brennstoffstromes an der Brennstoffeinspritzleitung anbringen zu können, ist
es weiterhin bekannt, das Gehäuse des Druckaufnehmers als zweiteilige Schelle auszubilden,
deren Ober- und Unterteil über ein Scharnier verbunden sind. Dabei enthält das Unterteil
ein Lager für die Brennstoffeinspritzleitung und das Oberteil den Druckumwandler
mit Kraftübertragungskörper (DE-OS 25 38 381).
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Die bekannten piezoelektrischen Druckaufnehmer geben wegen der verwendeten
scheibenförmigen Sensoren und deren unzureichender mechanischer Ankopplung an die
runde Rohrleitung nur ein kleines Signal ab. Außerdem wird dieses Signal durch Störsignale
überdeckt, die beispielsweise bei Dieselmotoren von Motorvibrationen herrühren.
Damit bereitet es beispielsweise bei Dieselmotoren Schwierigkeiten, den Beginn und
das Ende des Einspritzvorganges genau zu bestimmen.
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An sich ist für Rohrleitungen ein kapazitiver Druckaufnehmer bekannt,
der aus einem schalenartigen, die Rohrleitung umfassenden Gehäuse besteht; die beiden
halbschalenartigen Gehäuseteile bilden zusammen mit der metallischen Rohrleitung
und einer elastischen, isolierenden Zwischenschicht einen Zylinderkondensator, dessen
Kapazität durch die elastischen Durchmesseränderungen der Rohrleitung verändert
wird (DE-OS 27 47 949).
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen piezoelektrischen
Druckaufnehmer für eine Rohrleitung, insbesondere für die Brennstoffzuleitung eines
Dieselmotors, so auszugestalten, daß Störsignale weitestgehend unterdrückt werden
und durch bessere mechanische Ankopplung an die Rohrleitung ein erwünschtes Signal
mit möglichst großer Amplitude erzeugt wird.
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Ausgehend von einem piezoelektrischen Druckaufnehmer, der aus einer
Rohrschelle mit einem an die Rohrleitung angekoppelten Piezokeramikkörper besteht,
wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Piezokeramikkörper aus
zwei Halbschalen besteht, von denen sich Jede aus zwei zur Rohrleitung konzentrisch
angeordneten, radial geschichteten und gleichpolig aufeinanderliegenden Piezokeramikschichten
zusammensetzt.
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Bei einem derart ausgebildeten Druckaufnehmer ist aufgrund der konzentrisch-symmetrischen
Ausgestaltung der Massenschwerpunkt des Druckaufnehmers in die Achse der Rohrleitung
gelegt, so daß vibrationsbedingte Störsignale weitestgehend ausgeschaltet sind.
Dadurch, daß der piezoelektrische Druckaufnehmer die Rohrleitung vollständig umfaßt,
ist gleichzeitig eine optimale mechanische Anpassung des Druckaufnehmers an die
Rohrleitung und damit ein ausreichend großes Meßsignal gegeben.
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Die Größe des Meßsignals wird weiterhin durch die elektrisch symmetrische
Anordnung der Piezokeramikschichten Jeder Halbschale verstärkt.
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Die beiden piezokeramischen Halbschalen des Druckaufnehmers sind an
der einen Längskante der Trennungsebene zweckmäßig durch ein Gelenk mechanisch miteinander
verbunden, das Bestandteil des Druckaufnehmers ist. Die elektrische Verbindung der
beiden Halbschalen erfolgt zweckmäßig über Kontaktflächen oder Kontaktfedern, die
beim
Aufsetzen des schellenartigen Druckaufnehmers auf die Rohrleitung die sich entsprechenden
Pole der beiden Halbschalen miteinander elektrisch verbinden. Der Abgriff der beiden
Pole der Piezokeramikschichten kann beispielsweise mit Hilfe des Gelenks oder Scharniers
erfolgen, wenn dieses aus elektrisch leitendem Material besteht und mit einem der
elektrischen Pole des Druckaufnehmers elektrisch verbunden ist. Der meßtechnische
Zugang zur elektrischen Symmetrieebene einer der beiden Halb schalen und damit zum
mittleren elektrischen Pol kann beispielsweise auch mittels einer Radialbohrung
erfolgen, die dann eine elektrische AnschluBleitung aufnimmt.
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Für die Funktion des Druckaufnehmers ist an sich noch notwendig, daß
ein fester Formschluß mit der Rohrleitung besteht. Hierfür sorgt zweckmäßig eine
Spannvorrichtung, mit der die beiden Halbschalen miteinander verspannt werden. Dies
kann in an sich bekannter Weise mittels einer Verschraubung oder mittels eines kräftigen
Federbügels erfolgen.
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Ein Ausführungsbeispiel des neuen Druckaufnehmers ist in den Figuren
1 bis 4 dargestellt.
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Figur 1 zeigt einen Druckaufnehmer 3, der die Rohrleitung 1 mit der
Bohrung 2 umfaßt. Der Druckaufnehmer 3 besteht aus zwei Halbschalen 4 und 5, die
gemeinsam ein Gehäuse bilden. Die Halbschalen 4 und 5 sind einerseits durch das
Gelenk 8 und andererseits durch die Spannvorrichtung 9 kraft- und formschlüssig
miteinander verbunden. Jede Halbschale 4 bzw. 5 besteht aus zwei konzentrisch zur
Rohrleitung 1 angeordneten, radial geschichteten piezokeramischen Schichten 6 und
7, die gleichpolig aufeinanderliegen und somit zueinander elektrisch symmetrisch
angeordnet sind. Die Mittelebene 16 Jeder
Halbschale bildet dabei
den einen Pol des piezoelektrischen Körpers, während die innere zylindrische Fläche
und die äußere zylindrische Fläche den anderen Pol bilden.
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In die Halbschale 5 ist die Radialbohrung 10 eingebracht, die zur
elektrischen Symmetrieebene der Halbschale führt und die elektrische Anschlußleitung
11 aufnimmt. Die elektrische Anschlußleitung 12 führt zum anderen Pol des piezoelektrischen
Körpers. Dieser Pol wird von dem Scharnier 8 gebildet, das aus Metall besteht und
mit der äußeren zylindrischen Fläche der Halbschalen 4 und 5 sowie in nicht dargestellter
Weise mit der inneren zylindrischen Fläche der Halbschalen 4 und 5 elektrisch verbunden
ist.
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Eine mögliche Ausführungsform einer Spannvorrichtung 9 ist in den
Figuren 2 bis 4 dargestellt. Hierzu ist ein Spannhebel 13 vorgesehen, der mit seinem
einen Ende in der einen Halbschale drehbar gelagert ist, der weiterhin den gegen
eine Feder 14 beweglichen Riegel 15 trägt und der mit diesem Riegel in eine Ausnehmung
der Halbschale 5 einrasten kann, wie es in den Figuren 3 und 4 dargestellt ist.
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Bei dem in Figur 1 dargestellten Druckaufnehmer ist durch nicht näher
dargestellte Kontaktfedern oder Kontaktflächen gewährleistet, daß die sich entsprechenden
Pole der piezokeramischen Halbschalen 4 und 5 miteinander in Kontakt stehen.
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