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Druckaufnehmer
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Die Erfindung betrifft einen Druckaufnehmer, insbesonders zur direkten
Bestimmung des Innendruckes von Brennräumen, mit einem Gehäuse, einem darin angeordneten,
den zu messenden Druck auf ein zumindest ein Meßelement enthaltendes Meßsystem übertragenden
Druckübertragungselement und einer das Eindringen der Verbrennungsgase inden Druckaufnehmer
unterbindenden Abdichtungsmembrane, welche an der dem zu messenden Druck ausgesetzten
vorderen Stirnseite des Druckaufnehmers angeordnet und mit dem Gehäuse verbunden
ist.
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Derartige Druckaufnehmer sind beispielsweise aus der AT-PS 247 028
bekannt und werden z.B. bei der Entwicklung bzw. Überprüfung von Brennkraftmaschinen
dazu eingesetzt, den Druckverlauf im Brennraum zu bestimmen.
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Da die im eingebauten Zustand des Druckaufnehmers dem Brennraum zugewandte
Stirnseite des Aufnehmers unmittelbar den heißen Verbrennungsabgasen ausgesetzt
ist, ist es erforderlich, eine Abdichtung gegen das Eindringen von Verbrennungsabgasen
vorzusehen, welche einerseits das Innere des Aufnehmers vor Verschmutzung und andererseits
die üblicherweise - z.B. bei der Verwendung von piezoelektrischen Materialien -
temperaturempfindlichen Meßelemente vor einer direkten Einwirkung der Verbrennungsgase
und vor Verunreinigung schützt.
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Bei dem angeführten bekannten Druckaufnehmer ist zu diesem Zweck
eine einen relativ großen Spalt zwischen dem in gewissen Grenzen unter Einwirkung
des zu messenden Druckes axial beweglichen Druckübertragungselement und dem in die
Druckraumbegrenzung eingesetzten Gehäuse überbrückende Abdichtungsmembrane vorgesehen,
welche flexibel ist, um die durch den zu messenden Druck bedingten Bewe-
gungen
des Druckübertragungselementes nicht zu behindern, was zu einer Verfälschung der
Messung führen würde. Diese flexible Abdichtungsmembrane ist an ihrem im eingebauten
Zustand des Druckaufnehmers dem Brennraum zugewandten Außenseite direkt den heißen
Verbrennungsabgasen ausgesetzt was eine sehr hohe thermische Beanspruchung ergibt.
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Insbesonders bei Kolbenbrennkraftmaschinen kommt es noch zu einer
Verschärfung dieser Nachteile dadurch, daß die Abdichtungsmembrane während des Verbrennungsvorganges
mit Abgasen von Temperaturen bis zu 20000 C und während des Ladungswechsels mit
der ungefähr Außentemperatur aufweisenden kühlen Ansaugluft beaufschlagt wird. Aufgrund
dieser enormen Temperaturunterschiede kann es zu einem Verzug der Abdichtungsmembrane
und daher zu einer sogenannten Temperaturschockdrift der Kennlinie des Druckaufnehmers
kommen, was Fehler in der Auswertung der Druckmessung ergibt. Aber auch für andere
Anwendungsfälle ist die Charakteristik des Druckaufnehmers - also im wesentlichen
die Abhängigkeit des abgegebenen Signals vom zu messenden Druck - nicht unwesentlich
durch die Eigenschaften der Abdichtungsmembrane selbst bzw. der Anbringung derselben
beeinflußt, was in vielen Fällen Nachteile im praktischen Einsatz bringt, Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, einen Druckaufnehmer der eingangs genannten Art
so auszubilden, daß die genannten Nachteile vermieden werden und daß insbesonders
die Auswirkungen der Abdichtungsmembrane -speziell die negativen Auswirkungen von
auftretenden Temperaturschocks - auf die Kennlinie des Druckaufnehmers entfallen.
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Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß die Abdichtungsmembrane
mit einem Teil des dem Druckübertragungselement bezüglich des Meßsystems gegenüberliegenden
Widerlagers für das Meßelement verbunden ist und im übrigen einen Spalt zum Meßsystem
und zum Druckübertraggungselement bildet. Es ist damit also sichergestellt, daß
die nach wie vor an der Stirnseite des Druckaufnehmers das Eindringen der Verbrennungsgase.
unterbindende Ab-
dichtungsmembrane die Kennlinie des Druckaufnehmers
praktisch nicht beeinflußen kann, da die Übertragung von Membrankräften bzw. -spannungen
an einem funktionell bereits hinter dem Meßelement liegenden Teil des Widerlagers
für das Meßelement erfolgt; das Druckübertragungselement selbst ist dabei völlig
frei von Membrankräften, weshalb sich auch die erwähnten Temperaturunterschiede
bei Verwendung des Druckaufnehmers beispielsweise an einer Kolbenbrennkraftmaschine
nicht in der Kennlinie äußern können.
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In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Verbindungsstelle
zwischen der Abdichtungsmembrane und dem Gehäuse zumindest annähernd den gleichen
Abstand zur vorderen Stirnseite des Druckaufnehmers hat wie die Verbindungsstelle
zwischen Abdichtungsmembrane und Widerlager und daß die Abdichtungsmembrane im übrigen
auch zum Gehäuse einen Spalt bildet. Damit ist auch die Verbindungsstelle zwischen
Abdichtungsmembrane und Gehäuse in einen bezüglich der Kraftübertragung bereits
hinter dem Meßelement liegenden Bereich verlegt. In diesem Zusammenhang kann beispielsweise
der Spalt auf beiden Seiden der Abdichtungsmembrane auch von einer das Eindringen
des zu messenden Mediums verhindernden, engen Passung gebildet sein, womit die an
den Spalt angrenzenden Bauteile des Druckaufnehmers gegen die Einwirkung des zu
messenden Mediums überhaupt abgeschirmt sind, was insbesonders im Zusammenhang mit
der als Beispiel besprochenen Verwendung zur Messung von heißen Druckmedien sehr
vorteilhaft ist.
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Bei einem Druckaufnehmer, mit einem Zu- und Ableitanschluß für einen
Kühlmediumkreislauf zur Kühlung des Bereiches des temperaturempfindlichen Meßsystems,
ist es nach einer Weiterbildung der Erfindung auch möglich, daß in der Abdichtungsmembrane
ein das Meßsystem umgebender ringförmiger Hohlraum vorgesehen ist, der über Bohrungen
mit dem Zu- und Ableitanschluß in Verbindung steht. Auf diese Weise ist eine größtmögliche
Kühlwirkung im Bereich des temperaturempfindlichen Meßsystems gegeben, wobei der
Aufbau des Druckaufnehmers einfach bleibt und gleichzeitig
die ebenfalls
relativ empfindliche Membrane geschützt wird.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung weist die axiale Verformung
der Abdichtmembrane bei Wirkung des zu messenden Druckes zumindest annähernd die
gleiche Größe wie die des Meßsystems auf. Als Meßsystem ist diesem Zusammenhang
im weiteren Sinne die gesamte Baueinheit innerhalb des Druckaufnehmers zu verstehen,
welche sich bei Druckbeaufschlagung der Stirnseite des Druckübertragungselementes
von dem den zu messenden Druck aufweisenden Raum her unter der Wirkung der damit
aufgebrachten Kraft gegenüber zumindest annähernd feststehenden Bauteilen deformieren
kann. So ist beispielsweise bei piezoelektrischen Meßwertaufnehmern mit innerhalb
einer Vorspannhülse angeordneten Meß- und Kompensationselementen nicht nur die elastische
Verformung der Meßelemente selbst, sondern auch diejenige der Kompensationselemente
und aller weiteren, unmittelbar im Kraftfluß liegenden Bauteile zu berücksichtigen.
Durch diese Maßnahmen kann der Spalt zwischen Druckübertragungselement und Meßsystem
einerseits und Abdichtungsmembrane andererseits sowie auch ggf. der Spalt zwischen
Abdichtungsmembrane und umgebendem Gehäuse sehr klein gemacht werden, ohne daß das
Auftreten von Reibung befürchtet werden müßte, welche sich wiederum negativ auf
die Kennlinie des Druckaufnehmers auswirken würde.
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Die Abdichtmembrane kann gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung
in einer Bohrung in der vorderen Stirnseite des Druckaufnehmers angeordnet und mittels
einer Ringschulter im Bereich des Widerlagers für das Meßelement über die Befestigung
des Meßsystems gegen die dem Druckübertragungselement abgewandte Grundfläche der
Bohrung verspannt sein. Auf diese Weise ergibt sich eine konstruktiv sehr einfache
Befestigung der Membrane, welche damit - wie auch das Meßsystem - einfach ausbaubar
ist. Damit ist die Wartung des Druckaufnehmers - beispielsweise auch die Reinigung
der von der Membrane begrenzten Spalte sehr vereinfacht.
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Der Spalt zwischen Abdichtungsmembrane einerseits und
Druckübertragungselement
und Meßsystem andererseits kann in weiterer Ausbildung der Erfindung im Bereich
des druckseitigen Endes des Meßsystems mittels eines Dichtungsringes, beispielsweise
eines 0-Ringes, abgedichtet sein. Der Einbau eines derartigen Dichtungsringes ist
bei einem Druckaufnehmer gemäß der Erfindung möglich, da zwischen dem Meßsystem
bzw. dem Druckübertragungselement und der Abdichtungsmembrane keine Relativbewegung
auftritt und somit durch den Dichtungsring kein Meßfehler verursacht wird. Durch
die Anordnung des Dichtringes wird das Eindringen des zu vermessenden Mediums in
den Spalt und damit das Auftreten von Verunreinigungen bzw. Wärmebeaufschlagung
im Bereich des Meßsystems vorteilhaft weiter vermindert.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten
Ausführungen näher erläutert, wobei die Fig. 1 bis 6 jeweils einen Axialschnitt
durch ein anderes Ausführungsbeispiel zeigen.
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Der in Fig. 1 nur teilweise dargestellte Druckaufnehmer, welcher
beispielsweise zur direkten Bestimmung des Innendruckes in Brennräumen von Brennkraftmaschinen
verwendet werden kann, weist ein Gehäuse 1 auf, welches über einen Einschraubansatz
2 in eine hier nicht dargestellte Indizierbohrung in der Wand des zu untersuchenden
Brennraumes einsetzbar ist. Im Inneren des Gehäuses 1 ist ein Meßsystem 3 angeordnet,
welches über ein Druckübertragungselement 4 in Richtung des Pfeiles 5 mit dem zu
messenden Druck beaufschlagbar ist und welches aufgrund seiner hier nicht näher
zu erläuternden Ausbildung in der Lage ist, bei dieser Druckbeaufschlagung entstehende
Deformation in Meßsignale umzusetzen, welche über eine Signalleitung 6 einer hier
nicht dargestellten Auswerteschaltung zugeführt werden können.
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In der dargestellten Ausführung weist das Meßsystem 3 beispielsweise
ein aus mehreren piezoempfindlichen Quarzscheiben bestehendes Meßelement 7 samt
hier nicht dargestellten Kontaktelektroden sowie gegebenenfalls Elementen zur Beschleunigungs-
und Temperaturkompensation
auf, welche in einer Vorspannhülse 8
angeordnet sind.
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Mittels dieser Vorspannhülse 8 wird das Meßelement 7 samt allenfalls
vorhandenen Kompensationselementen bei der Montage des Druckaufnehmers elastisch
vorgespannt, wobei die dazu erforderlichen konstruktiven Vorkehrungen in der vorliegenden
schematischen Darstellung nicht gezeichnet sind.
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An der dem zu messenden Druck ausgesetzten vorderen Stirnseite 9
des Druckaufnehmers ist eine das Eindringen der Verbrennungsgase unterbindende Abdichtungsmembrane
10 angeordnet, welche den im Bereich des Meßsystems 3 bestehenden Spalt 11 zwischen
dem Einschraubansatz 2 des Gehäuses 1 und den innerhalb des Gehäuses angeordneten
Bauteilen überbrückt. Die Abdichtungsmembrane 10 ist an der Seite des Meßsystems
3 mit einem dem Druckübertragungselement 4 gegenüberliegenden und funktionell hinter
dem Meßelement 7 liegenden Teil des Widerlagers 12 für das Meßelement 7 sowie in
einem in radialer Richtung etwa gegenüberliegenden Bereich mit dem Gehäuse 1 verbunden.
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Abgesehen von diesen beiden ringförmigen Verbindungsteilen der Abdichtungsmembrane
10 bildet diese zu den umgebenden Bauteilen einen Spalt 13.
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Durch diese Anordnung der Verbindungsstellen der Abdichtungsmembrane
10 ist auf einfache Weise sichergestellt, daß Membrankräfte - sei es durch montagebedingte
Verspannungen, Temperaturspannungen oder ähnliches hervorgerufen - sich nicht unmittelbar
im abgegebenen Meßsignal und damit in der Charakteristik des Druckaufnehmers bemerkbar
machen können, da sowohl das Übertragungselement 4 als auch die Teile des Meßsystems
3 keine direkte Verbindung mit der Abdichtungsmembrane 10 haben und nicht in deren
Kraftfluß liegen.
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Das Qn Fig. 2 schematisch ausgeführte Ausführungsbei spiel unterscheidet
sich von dem gemäß Fig. 1 im wesentlichen lediglich dadurch, daß hier die.Abdichtungsmembrane
10 im Bereich der vorderen Stirnseite 9 eine verdickte Wandstärke aufweist und plan
mit dieser vorderen Stirnseite abschließt. Im Bereich der Spalte 13 ist
die
Membrane hier mit zu den Oberflächen der angrenzenden Bauteile konzentrisch verlaufenden
Oberflächen ausgebildet, was eine durchgehend konstante Dicke der Spalte 13 ergibt.
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In diesem Zusammenhang wäre zu erwähnen, daß in allen dargestellten
Ausführungsbeispielen zur Erleichterung des Verständnisses die Dicke der Spalte
13 relativ groß eingezeichnet ist; es ist jedoch im Rahmen der Erfindung durchaus
möglich, daß diese Spalte 13 beispielsweise auch von einer das Eindringen des zu
messenden Mediums verhindernden engen Passung gebildet sind. Soferne dies der Fall
ist, ist es besonders vorteilhaft, wenn die axiale Verformung der Abdichtmembrane
10 bei Wirkung des zu messenden Druckes in Richtung des Pfeiles 5 zumindest annähernd
die gleiche Größe wie die entsprechende Verformung des Meßsystems 3 aufweist, da
dann keine Relativbewegungen zwischen den den Innenspalt 13 begrenzenden Bauteilen
und damit auch keine wiederum in die Charakteristik des Druckaufnehmers nachteilig
eingehende Reibung auftreten kann.
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Das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht in seinen
wesentlichen Grundzügen wiederum den bereits besprochenen beiden Ausführungen nach
Fig. 1 und 2. Die Abdichtmembrane 10 ist hier in einer Bohrung 14 in der vorderen
Stirnseite 9 des Druckaufnehmers angeordnet und mittels einer Ringschulter 15 im
Bereich des Widerlagers 12 für das Meßelement 7 über die hier nicht dargestellte
Befestigung des Meßsystems 3 gegen die dem Druckübertragungselement 4 abgewandte
Grundfläche 16 der Bohrung 14 verspannt. Damit ist eine sehr einfache Montage und
Befestigung der Abdichtungsmembrane 10 gegeben, was sich beispielsweise auch beim
Ausbau derselben zur Wartung oder Reinigung sehr vorteilhaft auswirkt.
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Die Abdichtungsmembrane 10 ist hier - im Gegensatz zur Ausführung
nach Pig. 2 - auch an der der Stirnseite 9 des Druckaufnehmers abgewandten Seite
geschlossen ausgebildet, wodurch ein das Meßsystem 3 ringförmig umgebender Hohlraum
17 gebildet ist. Dieser Hohlraum 17 dient als
Kühlraum und ist
über Bohrungen 18, 19, in der Abdichtungsmembrane 10 bzw. im Gehäuse 1 des Druckaufnehmers
mit hier nicht dargestellten Zu- und Ableitanschlüssen eines Kühlmedienkreislaufs
verbunden.
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Auf diese Weise kann beispielsweise im Zusammenhang mit der Messung
von heißen Druckmedien eine wirkungsvolle externe Kühlung des Bereichs der üblicherweise
sehr temperaturempfindlichen Meßelemente erfolgen. Aber auch die an ihrer Stirnseite
ebenfalls unmittelbar dem zu messenden Medium ausgesetzte Abdichtungsmembrane 10
selbst ist auf diese Weise ausreichend gekühlt.
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Das in Fig. 4 dargestellte Ausführungsbeispiel weist eine Abdichtungsmembrane
10' auf, die an der Seite des das Meßsystem umgebenden Gehäuses unmittelbar einstückig
an der Stirnseite 9 des Druckaufnehmers in das Gehäuse 1 selbst übergeht. Es ist
daher nur auf der Seite des Meßsystems 3 ein Spalt 13 zwischen der Abdichtungsmembrane
10 und den umgebenden Bauteilen gebildet, wobei die meßsystemseitige Verbindung
der Abdichtungsmembrane 10' auch hier wiederum an einem dem Druckübertragungselement
4 gegenüberliegenden und funktionell hinter dem Meßelement 7 liegenden Teil des
Widerlagers 12 für das Meßelement 7 erfolgt.
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Zwischen dem den Spalt 13 begrenzenden inneren Teil der Abdichtungsmembrane
10' und dem hier keinen Einschraubansatz aufweisenden umgebenden Teil des Gehäuses
1 ist wiederum ein Hohlraum 17' gebildet, der ähnlich wie in Fig. 3 über eine Bohrung
19 im Gehäuse 1 mit einem nicht dargestellten Kühlmediumkreislauf verbunden ist.
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Auch bei diesem Ausführungsbeispiel erweist es sich als sehr vorteilhaft,
wenn die axiale Verformung der Abdichtungsmembrane 10' bei Wirkung des zu messenden
Druckes in Richtung des Pfeiles 5 zumindest annähernd die gleiche Größe wie die
entsprechende Verformung des Meßsystems 3 aufweist, da dann keine Relativbewegungen
zwischen den den Spalt 15 begrenzenden Bauteilen und somit keine die Druckmessung
verfälschende Reibung auftreten kann.
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Die Ausführungsbeispiele nach den Fig. 5 und 6 entsprechen jeweils
im wesentlichen dem zu Fig. 3 bereits ausführlich besprochenen. Darüberhinaus ist
sowohl bei der Ausführung nach Pig. 5 als auch nach Fig. 6 im Bereich des Meßelementes
eine Erweiterung 20 des Spalts 13 zwischen Abdichtungsmembrane 10 einerseits und
Druckübertragungselement 4 und Meßsystem 3 andererseits vorgesehen, welche über
Bohrungen 21, 22 in der Abdichtungsmembrane 10 und im Gehäuse 1 nach außen entlüftet
ist.
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Die Ausführung nach Pig. 6 unterscheidet sich dabei von der nach
Fig. 5 dadurch, daß die Erweiterung 20 im Bereich des Meßsystems 3 am druckseitigen
Ende des Meß~ systems 3 mittels eines in eine Nut 23 eingelegten O-Ringes 24 abgedichtet
ist.