DE3214672C2

DE3214672C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Messen des absoluten Drucks in einem Gas

Info

Publication number: DE3214672C2
Application number: DE19823214672
Authority: DE
Inventors: Robert C. Birmingham Mich. Jaklevic
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1981-04-22
Filing date: 1982-04-21
Publication date: 1985-06-13
Also published as: DE3214672A1; GB2097123B; GB2097123A; CA1183594A; JPS57182627A

Abstract

Zum Messen des absoluten Druckes in einem Gas schlägt die Erfindung vor, daß ein bestimmtes Volumen des Gases durch Druck in einem bestimmten Volumenverhältnis komprimiert und die dabei auftretende, in einem bestimmten Verhältnis zum absoluten Druck des Fluids stehende Druckänderung gemessen wird. Zur Durchführung dieses Verfahrens wird ein Drucksensor mit einem ein Gas mit Druckimpulsen beaufschlagenden Vibrator und einem auf akustische Signale ansprechenden Aufnehmer nach Art eines Mikrofons benutzt, welcher mit einer die Stärke der vom Vibrator erzeugten akustischen Signale registrierenden Anzeigeeinrichtung gekoppelt ist. Das erfindungsgemäße Verfahren und der Drucksensor zu seiner Durchführung lassen sich mit Vorteil bei der Regelung der Kraftstoffzufuhr in Kraftfahrzeugen verwenden und liefern auf unkomplizierte Weise sehr zuverlässige Meßergebnisse. er ist doppelt so groß wie der der 360 °-Schleifenanordnung. Die selbsttätige E

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen des absoluten Drucks in einem Gas sowie einen zur Durchführung dieses Verfahrens geeigneten Drucksensor.

Seit einiger Zeit werden in der Kraftfahrzeugtechnik Drucksensoren zum Messen atmosphärischer und Unterdrücke gebraucht. Bei Verbrennungskraftmaschinen mit innerer Verbrennung erfordert die genaue Steuerung der Kraftstoffzufuhr, daß wenigstens die sehr schnellen Druckänderungen im Ansaugrohr und die Druckänderungen des Umgebungsdrucks gemessen werden. Bekannte kapazitive Druck-Meßwertumformer sind jedoch verhältnismäßig teuer. Außerdem lassen sie sich erst testen, nachdem sie mit einer zugehörigen elektronischen Schaltung verbunden worden sind. Stellt sich anschließend ein Fehler heraus, so ist jeweils die gesamte Einheit Ausschuß. Außerdem brauchen die kapazitiven Meßwertumformer einen konstant zu haltenden Referenzdruck. Dies gilt gleichermaßen auch für die üblichen Drucksensoren mit einer Membran, die einerseits vom Referenzdruck, andererseits von dem zu messenden Druck beaufschlagt ist. In allen diesen Fällen besteht das Problem, den Referenzdruck zuverlässig konstant zu halten. Ein Leck des die Referenzatmosphäre umschließenden Behälters führt zur Fehlfunktion.

Es ist auch schon ein Druckmeßverfahren vorgeschlagen worden (DE-OS 30 Ά 838), bei welchem anstelle der sich mit dem Druck ändernden Schallausbreitungsgeschwindigkeit Änderungen von Phasendifferenzen gemessen werden.

Schließlich ist es durch die DE-PS 2 78 316 bekannt, den Unterdruck in Entladungsröhren, Glühlampen und anderen Vakuumröhren dadurch zu messen, daß darin einerseits eine Klingel oder ein Summer und andererseits ein Mikrofon elastisch aufgehängt und die Mikrofonströme gemessen werden, wobei zur Referenz die Tatsache ausgenutzt wird, daß sich der Schall im absoluten Vakuum nicht fortpflanzt. Es braucht bei den genannten Anwendungen nur darauf geachtet zu werden, daß als Zeichen des angestrebten Vakuums das Mikrofön möglichst keinen Schall mehr auffängt

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein insbesondere bei der Steuerung vor Kraftfahrzeugmotoren anwendbares Druckmeßverfahren und einen zu dessen Durchführung geeigneten einfachen Drucksensor zu schaffen, welche Änderungen des zu messenden Drucks sehr schnell und wesentlich genauer als die bisher bekannten auf der Schallübertragung beruhenden Meßverfahren und -einrichtungen registrieren.

Vorstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Druckschwankungen in einem Resonanzhohlraum mit einer öffnung zur Umgebung erzeugt werden.
Durch die Ausnutzung der Resonanz wird die Meßgenauigkeit verbessert Der Aufwand für die Bereitstellung eines Resonanzhohlraumes ist gering. Die den Resonanzhohlraum mit der Umgebung verbindende Öffnung kann dabei die doppelte Funktion haben, den zu messenden Umgebungsdruck in den Resonanzhohlraum einzulassen und die vom Vibrator erzeugten Schallwellen aus dem Resonanzhohlraum heraus zum Mikrofon zu leiten. Da jeweils die einzelnen Druckschwankungen relativ zu dem zu bestimmenden absoluten D.uck gemessen werden, braucht kein Referenzdruck aufrecht erhalten zu werden, und die Meßergebnisse können entsprechend der Frequenz des Vibrators sehr schnell und in dichter Folge gewonnen werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F ι g. 1 eine schematische Darstellung eines Sensors zur Messung des absoluten Drucks, wobei zur Kompression eines Gases eine Kolben-Zylinder-Einheit benutzt wird, deren Kolben in der Stellung vor Beginn des Kompressionshubs dargestellt ist,

F i g. 2 die Vorrichtung nach F i g. 1 mit dem Kolben in Kompressionsstellung,

F i g. 3.4 und 5 vereinfachte Darstellungen eines Kolbens in während eines Kompressionsvorgangs aufeinanderfolgenden Stellungen, wobei nach rechts fortschreitende komprimierte Bereiche im Gas erzeugt werden und durch Pfeile die zu messende Druckdifferenz angedeutet ist, welche als Indikator für den absoluten Druck dient,

F i g. 6 eine graphische Darstellung des Zusammenhangs zwischen Druck und Ausgangsspannung eines Mikrofons, mit welchem die in F i g. 3,4 und 5 gezeigten Druckwellen aufgenommen werden,

Fig. 7 ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Drucksensors.

Bei den in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen führt die Kompression eines bestimmten Gasvolumens, wie z. B. Luft, zu einer Druckänderung, welche ein Maß ist für den Umgebungsdruck. Es bedarf also nicht der Bezugnahme auf einen anderen, statisch stabilen Druck eines weiteren Gasvolumens. F i g. 1 zeigt deshalb lediglich einen Drucksensor 10. welcher den absoluten Umgebungsdruck als eine Funktion der Druckänderung in einem bestimmten Luftvolumen ermittelt. Der Sensor hat einen Kolben 11, der durch eine Betätigungseinrichtung 13 in axialer Richtung in einem Zylinder 12 verschoben werden kann. Eine Öffnung 16 in der Zylinderwand bildet eine Verbindung zwischen dem Innenraum des Zylinders 12 und der umgebenden

Atmosphäre. Gegenüber dem Kolben 11 ist am Ende des Zylinders 12 ein Druckmeßumformer 14 angebracht Dieser ist mit einer Meßschaltung 15 verbunden, welche die Druckveränderungen mißt. In di;r Ausgangsstellung nach Fi g. 1 läßt der Kolben 11 die Öffnung 16 frei, so daß die Verbindung zwischen dem Innenraum des Zylinders und der Außenatmosphäre gewährleistet ist

Gemäß Fig.2 ist dann der Kolben 11 mittels der Betätigungseinrichtung 13 nach rechts verschoben worden. Dadurch wurde das Volumen im Zylinder 12 zwischen dem Kolben 11 und dem Meßumformer 14 verkleinert, während gleichzeitig ein Druckanstieg im Zylinder 12 stattgefunden hat Die von der Meßschaltung 15 festgestellte Druckdifferenz zwischen einerseits dem nichtkomprimierten Zustand gemäß F i g. 1 und andererseits dem komprimierten Zustand gemäß F i g. 2 ist dem absoluten Druck der umgebenden Atmosphäre proportional. Bei konstantem Hub des Kolbens 11 zeigen somit Änderungen der gemessenen Druckdifferenz proportionale Änderungen des Umgebungsdrucks an. Die Meßeinrichtung 15 kann mittels eines bestimmten bekannten Umgebungsdrucks kalibriert werden.

Die mathematischen Zusammenhänge gehen aus der folgenden Beschreibung hervor. Dabei wird davon ausgegangen, daß Luft mit einem anfänglichen Druck P\ und einem anfänglichen Volumen V\ auf ein kleineres Volumen Vi von größerem Druck P₂ komprimiert wird. Ein Meßumformer 14 mißt die Druckdifferenz (Meßdruck)

Wenn die Kompression sehr schnell erfolgt, herrschen adiabatische Verhältnisse, so daß gilt

P - I¹ ' 1

Γ7 — 1 TT"

wobei im Falle von Luft der spezifische Wärmeeinfluß mit γ= 1,4 zu berücksichtigen ist Dieser Wert unterliegt in der Praxis weder bei Druck- noch bei Temperaturänderungen schnellen Schwankungen. So ergibt sich z. B. für VyVi = I Oder Wert «=25, und der obere gemessene Druckwert ist dann

T₀-XP₁-P₁ -(«-!)/>,.
Wenn sich der atmosphärische Druck ändert auf
P,' = Ρ,-ά

und der Kompressionszyklus wiederholt wird, beträgt der neue obere Grenzwert

T-{a-I)P₁;

so daß für die Änderung der Meßwerte gilt
T- T₀ = (_Ä- 1)rf.

wobei rf die Druckänderung repräsentiert. Im Ergebnis können sowohl der absolute Druck als auch Änderungen des absoluten Drucks direkt gemessen werden, ohne daß es dazu eines Referenzdrucks bedarf.

Die Kolbenanordnung nach F i g. 1 und 2 dient lediglich zur Illustration des Funktionsprinzips der Erfindung. In der Praxis kann eine schwingende Membran oder ein vibrierender Kolben an einer kleinen Kammer angebracht sein, die durch eine Öffnung mit dem Umgebungsdruck in Verbindung steht Das schwankende Drucksignal, welches von einem in der Wand der Kammer angebrachten Mikrofons aufgenommen wird, erzeugt dann ein Ausgangssignal, welches dem absoluten Druck proportional ist Die wesentliche Voraussetzung für die Stabilität der Kalibrierung ist, daß das Kompressionsverhältnis bei jedem Zyklus während einer langen Gebrauchsdauer konstant bleibt

Es kann wegen der Schnelligkeit der Vorgänge von einer Kompression unter adiabatischen Voraussetzungen ausgegangen werden. Dies bedeutet, daß das komprimierte Gasvolumen in der in Frage kommenden kurzen Zeit weder Wärme abgibt noch aufnimmt. Die Reaktionen der Meßanordnung folgen somit in einem linearen Verhältnis den Druckänderungen der Umgebung. Dabei bringen auch Temperaturänderungen keine wesentlichen Veränderungen der Betriebscharakteristik mit sich. Selbst wenn die Kompression nicht adiabatisch erfolgt, kann doch angenommen werden, daß sie wenigstens im wesentlichen linear verläuft.
In F i g. 3, 4 und 5 ist in einer Abfolge von Zuständen dargestellt, wie ein Kolben 31 auf eine umgebende Atmosphäre einwirkt und dabei fortschreitende Druckwellen 32 erzeugt In F i g. 5 ist durch Pfeile die Druckdifferenz angedeutet, die gemessen wird, um eine Anzeige für den absoluten Umgebungsdruck zu erhalten.

Gemäß Fig.7 werden Druckwellen durch eine vibrierende Membran 71 eines Hochfrequenzlautsprechers (tweeter) oder durch ein vibrierendes piezoelektrisches Element erzeugt. Der Antrieb erfolgt durch einen Generator 72, der eine Wechselspannung mit konstanter Amplitude liefert. Somit ist auch die Bewegungsamplitude der Membran 71 konstant. Der Druck wird durch ein in der Nähe angeordnetes herkömmliches Mikrofon 73 gemessen. Das Ausgangssignal des Mikrofons wird durch einen Verstärker 78 verstärkt, dann durch einen Gleichrichter 79 gleichgerichtet und schließlich von einem Gleichstrommeßgerät 79 aufgezeichnet.

Das Meßverfahren gemäß Fig. 7 ist ein Resonanz-Meßverfahren, bei welchem ein mit einer Platte 75 abgedeckter Lautsprecher verwendet wird, die eine kleine Öffnung 76 hat. Dadurch wird ein Resonanzhohlraum 77 gebildet, und es treten Resonanzen von 14—52 kHz auf. Bei einer Resonanz (wo der Schallausgang eine Spitze hat) wird der Schalleingang in das Mikrofon 73 gemessen, während der Umgebungsdruck von 0—900 mm Hg (ungefähr 0-1 atm) schwankt. Über diesen Bereich hat sich ein lineares Verhältnis des Ausgangssignals zum Druck gezeigt, jedenfalls innerhalb des Zuverlässigkeitsbereichs der Messung. Der erfaßba^re Druckbereich wird begrenzt durch die benutzte Kammer und kann sich bis zur Messung vieler Atmosphären und Drücke erstrecken.

Die Empfindlichkeit jeder Messung ist sehr gut, und in der Praxis haben sich keine grundsätzlichen Begrenzungen des Schalls ergeben. Die wichtigste Voraussetzung für einen zuverlässigen Betrieb besteht darin, einen stabilen Vibrationszyklus der Membran zu erhalten. Außerdem müssen Störeinflüsse infolge Übertragung von Schallwellen durch die Tragkonstruktion minimiert weraen. Die Möglichkeiten der Miniaturisierung und Integration mit integrierten Halbleiterschaltungen bietet sich in diesem Fall an. Die vibrierende Membran kann unter Verwendung bekannter Techniken mit einem Siliziumchip verbunden werden. Der übrige Teil

der Einrichtung, einschließlich des aufnehmenden
Umformers, Verstärkers, Gleichrichters und der Treiberschaltung kann in demselben Siliziumschaltelement
integriert sein.

Über die dargestellten Ausführungsbeispiele hinaus 5 sind Abwandlungen der Erfindung z. B. durch eine andere Form der Kompressionszone möglich.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Messen des absoluten Drucks in einem Gas, wobei in einem das Gas enthaltenden Raum mittels eines Vibrators Druckschwankungen erzeugt werden, deren Stärke mittels eines Aufnehmers nach Art eines Mikrofons gemessen wird, d a durch gekennzeichnet, daß die Druckschwankungen in einem Resonanzhohlraum mit einer öffnung zur Umgebung erzeugt werden.

2. Drucksensor zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem in einem Gas enthaltenden Raum angeordneten Vibrator zur Erzeugung von Druckschwankungen in dem Gas sowie mit einem deren Stärke registrierenden Aufnehmer nach Art eines Mikrofons, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum (77) als Resonanzhohlraum mit einer Öffnung (76) zur Umgebung ausgebildet ist.

3. Drucksensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufnehmer (73) außerhalb des Resonanzhohlraums (77) nahe der öffnung (76) angeordnet ist.

4. Drucksensor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonanzhohlraum (77) durch den Innenraum eines mit einer Platte (75) abgedeckten Lautsprechers gebildet ist und sich die öffnung (76) in der Platte (75) befindet.