DE3013857A1

DE3013857A1 - Mechanisch-elektrischer druckwandler

Info

Publication number: DE3013857A1
Application number: DE19803013857
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl.-Ing. Dr. 7000 Stuttgart Herdem
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1980-04-10
Filing date: 1980-04-10
Publication date: 1981-10-15
Also published as: FR2480432A1; SE446414B; ES8204173A1; US4352085A; IT1138253B; SE8100569L; GB2073888A; ES501207A0; IT8120910A0; DE3013857C2; GB2073888B; JPS56155824A; FR2480432B3

Description

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14.3.1980 Wt/Hm

ROBERT BOSCH GMBH₃ 7000 STUTTGART 1

Mechanisch-elektrischer Druckwandler Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen mechanisch-elektrischen Wandler zur Messung von Drücken, insbesondere zur Messung des Saugrohrunterdruckes in einer Brennkraftmaschine, welcher zur Gattung des Hauptanspruchs gehört.

Bei den seither bekannten Druckwandler dieser Art, beispielsweise nach der DE-OS 16 73 938 ist ein Dauermagnet in einem Eisenkreis vorgesehen, in welchem das magnetfeldabhängige Halbleiter-Bauelement (Hall-Generator) und außerdem ein Luftspalt angeordnet ist, in welchen ein Regulierstück -eintaucht, welches die Kraftlinien im Luftspalt beein-

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flußt. 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.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen vor allem zur Messung des Ansaugluftdruckes in Brennkraftmaschinen geeigneten Druckwandler zu schaffen, welcher trotz einfachen, konstruktiven Aufbaus eine hohe Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Druckwerte aufweist. Zur Lösung dieser Aufgabe sind erfindungsgemäße die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebenen Maßnahmen vorgesehen.

Zweckmäßig können die Magnete in bekannter Weise aus einer Verbindung von Kobald mit Seltenenerden insbesondere aus Kobald und Samarium (CoSm) bestehen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen in Verbindung mit den nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen, die in der Zeichnung schematisch dargestellt sind.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Der Druckwandler nach Fig. 1 ist zum Einbau in die Ansaugleitung eines nicht dargestellten Fahrzeugmotors bestimmt und erhält ein metallisches Gehäuse 1 mit einer zentralen Längsbohrung 2 und einem Schraubgewinde 3 zum Eindrehen des Druckwandlers in die Luftansaugleitung. Hierzu ist' am unteren Endabschnitt des Gehäuses 1 ein Außensechskant 4 vorgesehen.

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Im Inneren des Gehäuses 1 befindet sich eine an ihrem Rand eingespannte Wellmembran 5. Diese trägt an ihrer von einer stirnseitigen, zentralen Einlaßbohrung 6 abgekehrten Unterseite einen niedrigen, zylindrischen Dauermagnet 7, der aus einer Kobald-Seltene-Erde-Verbindung hergestellt ist und sich beim Auftreten wechselnder, auf die Membran 5 wirkender Drucke in Richtung der Längsachse 8 des Druckwandlers bewegt. Diesem oberen Dauermagneten steht mit geringem axialen Abstand ein ebenfalls in der Längsachse 8 angeordneter, zweiter Dauermagnet 9 gegenüber, welcher ebenso wie der Magnet 7 aus CoSm hergestellt ist. Beide Magnete 7 und 9 sind derart längsmagnetisiert, daß ihre einander gegenüberstehenden Stirnflächen gleiche Polarität aufweisen.

Etwa in der Mitte zwischen beiden Magneten ist ein Hallelement 10 vorgesehen, das bei einer beyprzugten Ausführungsform Teil eines monolithischen, integrierten Halbleiterschaltkreises (IC) ausgebildet ist, welcher zusätzlich zum Hall-Element eine Konstantstromquelle, einen Verstärker'und eine Temperaturkompensation enthält. Der integrierte Schaltkreis liefert eine Ausgangsspannung, welche zu der am Ort des Hall-Elementes herrschenden

magnetischen Induktion proportional ist und wenn nötig einer bei 11 angedeuteten Auswerteschaltung 11 zugeführt wird. Diese ermöglicht z.B. den Abgleich und erlaubt es, den Nullpunkt und die Steigung so einzustellen, daß bei der Axialbewegung des oberen Dauermagneten ein bestimmter linearer Kennlinienbereich durchfahren wird. Die Auswerteschaltung 11 kann als Hybrid-Schaltung ausgebildet sein und ist beim dargestellten Ausführungsbeispiel in einer gummielastischen Dämpfungsmasse 12 zum Schutz gegen Schwingungseinflüsse gelagert. Anstelle des Hallelementes 10 wird in einer bevorzugten Ausführungsform eine Hybrids (!haltung verwendet, die einen Hall-IC mit Abgleichmöglichkeiten aufweist, so

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daß gegebenenfalls die Auswerteschaltung 11 entfallen kann. Anstelle des Hall-Effekt-Bauelementes sind selbstverständlich auch andere magnetfeldempfindliche Bauelemente geeignet (Feldplatte, Permalloy usw.). Der untere, zur Kompensation dienende Dauermagnet 9 sitzt am freien Ende einer Stellschraube 13, die es ermöglicht, den Magneten 9 axial zu justieren und die Nullinduktion einzustellen. Hierdurch ist es ohne weiteres möglich, bei einer maximalen Auslenkung von ca 0,5 mm des oberen Dauermagneten 7 einen annähernd linearen Zusammenhang zwischen dem auf die Membran 5 wirkenden Druck und der Ausgangsspannung zu erreichen. An der Unterseite des Gehäuses sind drei elektrische Anschlußkontakte vorgesehen, von denen nur die beiden Anschlußkontakte 14 und 15 dargestellt sind.

Der besondere Vorteil des dargestellten Druckgebers liegt im folgenden:

1. Die Stelle der magnetischen Induktion B=O liegt in der Mitte zwischen den beiden Magneten 7 und 9.

2. Die Induktion B=O ist leicht mechanisch justierbar durch Verschieben des Kompensationsmagneten 9, insbesondere, wenn die Schraube 13 mit Einern Feingewinde versehen ist.

3· Die· Aussteuerung kann von B=O ausgehen, was dazu führt, daß man sich im gut linearen Bereich des Hall-IC befindet,

4. Die Erkennung von über- oder Unterdruck ergibt sich in einfacher Weise aus B>0 oder B<0.

5· Bei Auslenkung im Bereiche der Nullinduktion ergibt sich eine sehr gute Linearität der Ausgangsspannung in Abhängigkeit von der Induktion.

6. Da keine Grundinduktion vorhanden ist (Offset), ist eine hohe Verstärkung möglich und demzufolge eine höhere Genauigkeit.

7· Durch Befestigung des ersten Magneten an der Membran ist keine mechanische Führung für den Magneten erforderlich.

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In Pig. 2 ist ein anderes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Druckwandlers dargestellt, wobei gleiche oder gleichwirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 versehen sind. Abweichend von Pig. I ist hier statt einer Membran eine Druckdose 17 verwendet, an deren Unterseite der obere Magnet 7 befestigt ist. Die übrigen Bauteile des zweiten Ausführungsbeispieles stimmen mit denjenigen nach Fig. 1 überein.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist ebenfalls eine Druckdose 17 verwendet. An der Unterseite der Druckdose 17 ist ein Haltestift 18 befestigt, an welchem der Hall-IC 10 sitzt und bei wechselndem Druck P in Richtung der Pfeile 19 nach oben oder unten bewegt wird. Der obere Dauermagnet 7 ist ebenso wie der untere Dauermagnet 9 ortsfest bzw. raumfest angeordnet und enthält eine zentrale Durchgangsbohrung 20 für den Haltestift 18.

Fig. 4 zeigt eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Druckgebers mit einer Membran 5, welche im Gegensatz zu Fig. 1 an ihrer Unterseite den Hall-IC oder ein Hybrid 10 trägt. Der obere Dauermanget 7 ist oberhalb der Membran 5, der untere Magnet 9 unterhalb der Membran 5 im gleichen axialen Abstand von dem Hall-IC 10 angeordnet wie der obere Dauermagnet 7. Ebenso wie in den seither beschriebenen Ausführungsbeispielen ist dieser IC mit flexiblen Anschlußleitungen 21 verbunden, welche, wenn erforderlich, zu einer in den Fig. 1 und 2 bei 11 angedeuteten Auswerte-· schaltung oder direkt an die Steckeranschlüsse 14, 15 führen.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 sind die beiden Dauermagnete 7 und 9 zusammen mit dem Hall-IC 10 gleichachsig zueinander auf einer quer zur Längsachse 8 verlaufenden Querachse 23 raumfest angeordnet. Zur druckabhängigen Beeinflussung der am Ort des Hall-IC 10 wirkenden magnetischen Induktion ist an der Unterseite der Druckdose ein weichmagnetisches, keilförmiges Leitstück 24 vorgesehen, _welches mehr oder weniger tief in den Zwischenraum zwischen den linken Dauermagneten 7 und dem Hall-IC 10 hineinragt und sich in Richtung der Pfeile 25 parallel

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zur Längsachse 8 des Druckwandlers 8 bewegt, wenn der zu messende Druck sich ändert.

Für die Ausführungsbeispiele nach den Fig. 2 bis 5 gelten die gleichen, im Zusammenhang mit Fig. 1 genannten Vorteile.

Die Ausführungsbeispiele nach Figur 3 und Figur 4 weisen infolge der Tatsache, daß sich nur das Hallelement auf einer Membrane oder Membrandose bewegt, eine besonders gute Linearität der Ausgangsspannung als Funktion des Druckes auf.

Das Ausführungsbeispxel nach Figur 6 stellt eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung dar. Dort ist ebenso wie in Figur 3 und Figur 5 eine Druckdose 17 vorgesehen, welche an-'einem mit einer Längsbohrung 25 versehenen Gewindezapfen 26 sitzt, welcher in den Boden 27 des Gehäuses 1 zur Justierung der Druckdose 17 mehr oder weniger tief eingedreht und in der Justierstellung durch eine Gegenmutter 28 fixiert werden kann. An der Innenseite der mit dem Gewindezapfen verbundenen Membran der Druckdose 17 ist der erste CöSm-Magnet 7 ortsfest angeordnet. Diesem steht mit gleichnamigem, stirnseitigem Pol der zweite CoSm-Magnet 9 gegenüber, welcher auf einem in Richtung der Achse 8 des Gehäuses 1 verstellbaren Gewindezapfen 29 sitzt, welcher in eine Querwand 30 eingedreht ist. Zwischen den beiden Magneten 7 und 9 ist das Hallelement lOjder Hall-IC oder der Hybrid Schaltkreis angeordnet und im Zentrum der Druckdose 17 an deren von dem Magneten 7 abgekehrten Membran befestigt. In Verlängerung der Achse 8 ist gegebenenfalls ein integrierter Schaltkreis 11 zur Auswertung der vom Hallelement 10 gelieferten Spannung vorgesehen und mittels einer Dämpfungsmasse 12 befestigt.

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Das Ausführungsbeispiel nach Figur 6 bietet folgende Vorteile:

1. Sehr gute Linearität, da das Hall-Element 10 bewegt wird und die beiden Magnete 7 und 9 raumfest angeordnet sind,

2. die Verwendung einer Membrandose ist hinsichtlich Linearität und Genauigkeit günstiger als eine Einzelmembran;

3. sehr einfache Herstellung.

Das Ausführungsbeispiel nach Figur 7 stellt eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung dar. Dort ist ebenso wie in den Figuren 3, 5 und 6 eine Druckdose 17 vorgesehen, deren Membranen in Abhängigkeit von dem zu messenden Druck ausgelenkt werden. An der Druckdose 17 ist ein Bügel 30 befestigt, der aus zwei gegeneinander verschieblichen Bügeln 300, 301 besteht. An den Schenkeln des Bügels 30 sind die beiden Permanentmagnete 7, 9 derart angeordnet, daß sich gleichnamige Pole, im dargestellten Beispiel die Nordpole einander gegenüberstehen. Zwischen den Schenkeln des Bügels 30 und damit des Permanentmagneten 7, 9 befindet sich das Hall-Element 10, das ortsfest angebracht ist. Wird nun durch Druckeinwirkung die Membran der Druckdose 17 ausgelenkt, bewegen sich druckabhängig die beiden damit verbundenen Permanentmagnete 7, 9. Da beide Magnete 7, 9 bewegt werden, ist die Ausgangskennlinie des Druckgebers: Ausgangsspannung/Druck gut linear, wobei durch mechanische Justierung des Bügels 30 bezüglich des Hall-Elementes 10 der Nullpunkt und .durch gegenseitiges Verschieben der Teile 300, 301 zueinander die Steigung der Kennlinie getrennt eingestellt werden kann. Nullpunkt und Steigung können ebenfalls durch Auf- oder Abmagnetisieren der beiden Magnete/justiert werden.

Die Ausführungsbeispiele nach den Figuren 1, 2, 3, 5, 6 und 7 mit einer Wellmembrandose 17 können selbstverständlich anstelle des in diesen Figuren vorgesehene'n Differenz drucks auch Absolutdruck messen, wenn die Dose 17 verschlossen wird.

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ROBERT BOSCH GMBH, 7OOO STUTTGART

Mechanisch-elektrischer Druckwandler

Zus ammenfas sung

Zwischen zwei Dauermagneten, die sich stirnseitig mit gleichnamigen Polen gegenüberstehen, befindet sich ein Hall-Effekt-Bauelement, dessen Abstand zu einem oder beiden Magneten in Abhängigkeit von dem zu messenden Druck verändert wird.

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Claims

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ROBERT BOSCH GMBH, 7000 STUTTGART 1

Ansprüche

f1.)Mechanisch-elektrischer Wandler zur Messung von Drücken, mit einer von dem zu messenden Druck beaufschlagbaren Membran, mit einem magnetfeldabhängigen Bauelement.vorzugsweise einem Hall-Effekt-Bauelement.und mit einem Dauermagneten, dessen Magnetfeld am Ausgang des Bauelementes eine in Abhängigkeit vom Druck sich ändernde elektrische Größe, insbesondere eine elektrische Spannung liefert, wobei ferner auf der vom ersten Magneten abgekehrten Seite des Hall-Effekt-Bauelementes ein zweiter Magnet angeordnet ist und beide Magnete sich mit gleichnamigen Polen gegenüberstehen, dadurch gekennzeichnet, daß beide Magnete (9> 10) starr miteinander und mit der Membran (17) verbunden sind.

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ORIGINAL INSPECTED

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2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Magnete (9₃ 10) über einen wenigstens in Richtung der Magnete (9i 10) zueinander verstellbaren Bügel (30) miteinander verbunden sind.

3. Wandler nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch' gekennzeichnet, daß die Magnete (7, 9) aus einer Kobald-Seltene-Erden-Verbindung insbesondere aus CoSm besteht.

4. Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Dauermagnet (7) an der Membran (5j 17) und zwar zwischen dieser und dem Bauelement (10) angeordnet ist.

5· Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kennlinie des Wandlers durch definierte Auf- oder Abmagnetisierung der beiden Magnete (7₅ 9) bezüglich Nullpunkt und Steigung eingestellt wird.

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