DE3342248C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Druckaufnehmer, insbe­ sondere zur direkten Bestimmung des Innendruckes von Brenn­ räumen, mit einem Gehäuse, einem darin angeordneten, den zu messenden Druck auf ein mindestens ein Meßelement ent­ haltendes Meßsystem übertragenden Druckübertragungselement, das an seiner Stirnseite vom zu messenden Druck beaufschlag­ bar ist und zumindest in einem sich von dieser Stirnseite bis zu einer von dieser Stirnseite abgekehrten Begrenzung des Meßelementes des Meßsystems erstreckenden Bereich durch einen umlaufenden Spalt von einer Wand des Gehäuses distanziert ist, der durch eine das Eindringen von Ver­ brennungsgasen verhindernde Abdichtungsmembrane abgedich­ tet ist.

Derartige Druckaufnehmer sind beispielsweise aus der AT-PS 2 47 028 bekannt und werden z. B. bei der Entwicklung bzw. Überprüfung von Brennkraftmaschinen dazu eingesetzt, den Druckverlauf im Brennraum zu bestimmen. Da die im ein­ gebauten Zustand des Druckaufnehmers dem Brennraum zuge­ wandte Stirnseite des Aufnehmers unmittelbar den heißen Verbrennungsabgasen ausgesetzt ist, ist es erforderlich, eine Abdichtung gegen das Eindringen von Verbrennungsab­ gasen vorzusehen, welche einerseits das Innere des Aufneh­ mers vor Verschmutzung und andererseits die üblicherweise - z. B. bei der Verendung von piezoelektrischen Materiali­ en - temperaturempfindlichen Meßelemente vor einer direk­ ten Einwirkung der Verbrennungsgase und vor Verunreini­ gung schützt.

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 überbrücken­ de Abdichtungsmembrane vorgesehen, welche flexibel ist, um die durch den zu messenden Druck bedingte Bewegungen des Druckübertragungselementes nicht zu behindern, was zu einer Verfälschung der Messung führen würde.

Weiters wurden durch die DE-AS 19 24 623 und die DE-AS 15 73 680 Druckaufnehmer der eingangs erwähnten Art bekannt, bei denen Abdichtungsmembranen vorgesehen sind, die mit dem Gehäuse verschweißt sind und die das Drucküber­ tragungselement überspannen und mit diesem in ständigem Kon­ takt stehen.

Bei allen diesen bekannten Lösungen ist die flexible Abdichtungsmembrane an ihrem im eingebauten Zustand des Druckaufnehmers dem Brennraum zugewandten Außenseite di­ rekt den heißen Verbrennungsabgasen ausgesetzt, was eine sehr hohe thermische Beanspruchung ergibt. Insbesondere bei Kolbenbrennkraftmaschinen kommt es noch zu einer Ver­ schärfung dieser Nachteile dadurch, daß die Abdichtungs­ membrane während des Verbrennungsvorganges mit Abgasen von Temperaturen bis zu 2000°C und während des Ladungswechsels mit der ungefähr Außentemperatur aufweisenden kühlen An­ saugluft beaufschlagt wird. Aufgrund dieser enormen Tem­ peraturunterschiede kann es zu einem Verzug der Abdich­ tungsmembrane und daher zu einer sogenannten Temperatur­ schockdrift 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 Abhängig­ keit des abgegebenen Signals vom zu messenden Druck - nicht unwesentlich durch die Eigenschaften der Abdichtungsmem­ brane 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 ins­ besonders die Auswirkungen der Abdichtungsmembrane - spe­ ziell die negativen Auswirkungen von austretenden Tempera­ turschocks - auf die Kennlinie des Druckaufnehmers ent­ fallen.

Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß die Abdichtungsmembrane an einem, von der dem zu messenden Druck ausgesetzten Stirnseite des Druckübertragungselemen­ tes aus gesehen, hinter dem Meßelement liegenden Widerla­ ger mit dem Druckübertragungselement verbunden ist und zwi­ schen der sich bis zu dessen Stirnseite erstreckenden Ab­ dichtungsmembrane und dem Druckübertragungselement ein Ab­ dichtspalt vorgesehen ist. Es ist damit also sichergestellt, daß die nach wie vor an der Stirnseite des Druckaufnehmers das Eindringen der Verbrennungsgase unterbindende Abdich­ tungsmembrane die Kennlinie des Druckaufnehmers praktisch nicht beeinflussen kann, da die Übertragung von Membrankräf­ ten bzw. -spannungen an einem funktionell bereits hinter dem Meßelement liegenden Teil des Widerlagers für das Meß­ element erfolgt; das Druckübertragungselement selbst ist dabei völlig frei von Membrankräften, weshalb sich auch die erwähnten Temperaturunterschiede bei Verwendung des Druck­ aufnehmers, beispielsweise an einer Kolbenbrennkraftmaschi­ ne, nicht in der Kennlinie äußern können.

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 Ver­ bindungsstelle zwischen Abdichtungsmembrane und Widerla­ ger und daß die Abdichtungsmembrane im übrigen auch zum Ge­ häuse einen Spalt bildet. Damit ist auch die Verbindungs­ stelle zwischen Abdichtungsmembrane und Gehäuse in einen bezüglich der Kraftübertragung bereits hinter dem Meßele­ ment liegenden Bereich verlegt. In diesem Zusammenhang kann beispielsweise der Spalt auf beiden Seiten der Ab­ dichtungsmembrane 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 Me­ diums überhaupt abgeschirmt sind, was insbesonders im Zu­ sammenhang mit der als Beispiel besprochenden Verwendung zur Messung von heißen Druckmedien sehr vorteilhaft ist.

Bei einem Druckaufnehmer mit einem Zu- und Ableit­ anschluß für einen Kühlmediumkreislauf zur Kühlung des Be­ reiches 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.

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 in diesem Zu­ sammenhang im weiteren Sinne die gesamte Baueinheit inner­ halb des Druckaufnehmers zu verstehen, welche sich bei Druckbeaufschlagung der Stirnseite des Druckübertragungs­ elementes von dem den zu messenden Druck aufweisenden Raum her unter der Wirkung der damit aufgebrachten Kraft gegen­ über zumindest annähernd feststehenden Bauteilen deformie­ ren kann. So ist beispielsweise bei piezoelektrischen Meß­ wertaufnehmern mit innerhalb einer Vorspannhülse angeord­ neten Meß- und Kompensationselementen nicht nur die ela­ stische Verformung der Meßelemente selbst, sondern auch diejenige der Kompensationselemente und aller weiteren, unmittelbar im Kraftfluß liegenden Bauteile zu berück­ sichtigen. Durch diese Maßnahmen kann der Spalt zwischen Druckübertragungselement und Meßsystem einerseits und Ab­ dichtungsmembrane 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.

Die Abdichtmembrane kann gemäß einer anderen Ausge­ staltung 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, wel­ che damit - wie auch das Meßsystem - einfach ausbaubar ist. Damit ist die Wartung des Druckaufnehmers - beispielsweise auch die Reinigung der von der Membrane begrenzten Spalten - sehr vereinfacht.

Der Spalt zwischen Abdichtungsmembrane und Drucküber­ tragungselement einerseits und Meßsystem andererseits kann in weiterer Ausbildung der Erfindung im Bereich des druck­ seitigen Endes des Meßsystems mittels eines Dichtungsringes, beispielsweise eines O-Ringes, abgedichtet sein. Der Ein­ bau eines derartigen Dichtungsringes ist bei einem Druck­ aufnehmer gemäß der Erfindung möglich, da zwischen dem Meß­ system bzw. dem Druckübertragungselement und der Abdich­ tungsmembrane keine Relativbewegung auftritt und somit durch den Dichtungsring kein Meßfehler verursacht wird. Durch die Anordnung des Dichtringes wird das Eindringen des zu ver­ messenden Mediums in den Spalt und damit das Auftreten von Verunreinigungen bzw. Wärmebeaufschlagung im Bereich des Meßsystems vorteilhaft weiter vermindert.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungen näher erläutert, wo­ bei die

Fig. 1 bis 6 jeweils einen Axialschnitt durch ein anderes Ausführungsbeispiel zeigen.

Der in Fig. 1 nur teilweise dargestellte Druckauf­ nehmer, welcher beispielsweise zur direkten Bestimmung des Innendruckes in Brennräumen von Brennkraftmaschinen verwen­ det werden kann, weist ein Gehäuse 1 auf, welches über einen Einschraubansatz 2 in eine hier nicht dargestellte Indizierbohrung in der Wand des zu untersuchenden Brenn­ raumes einsetzbar ist. Im Inneren des Gehäuses 1 ist ein Meßsystem 3 angeordnet, welches über ein Druckübertragungs­ element 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 umsetzen, welche über eine Signalleitung 6 einer hier nicht dargestellten Auswerteschaltung zugeführt werden können.

In der dargestellten Ausführung weist das Meßsystem 3, beispielsweise ein aus mehreren piezoempfindlichen Quarzscheiben bestehendes Meßelement 7 samt hier nicht dargestellten Kontaktelektroden sowie gegebenenfalls Ele­ menten zur Beschleunigungs- und Temperaturkompensation auf, welche in einer Vorspannhülse 8 angeordnet sind. Mittels dieser Vorspannhülse 8 wird das Meßelement 7 samt allen­ falls vorhandenen Kompensationselementen bei der Montage des Druckaufnehmers elastisch vorgespannt, wobei die dazu erforderlichen konstruktiven Vorkehrungen in der vorlie­ genden schematischen Darstellung nicht gezeichnet sind.

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 besteh­ henden Spalt 11 zwischem dem Einschraubansatz 2 des Gehäu­ ses 1 und den innerhalb des Gehäuses angeordneten Bauteilen überbrückt. Die Abdichtungsmembrane 10 ist an der Seite des Meßsystems 3 mit einem dem Druckübertragungselement 4 ge­ genüberliegenden und funktionell hinter dem Meßelement 7 liegenden Teil des Widerlagers 12 für das Meßelement 7 so­ wie in einem in radialer Richtung etwa gegenüberliegenden Bereich mit dem Gehäuse 1 verbunden. Abgesehen von diesen beiden ringförmigen Verbindungsteilen der Abdichtungsmem­ brane 10 verbleiben zwischen dieser und den umgebenden Bau­ teilen Spalte 13, 13′.

Durch diese Anordnung der Verbindungsstellen der Ab­ dichtungsmembrane 10 ist auf einfache Weise sichergestellt, daß Membrankräfte - sei es durch montagebedingte Verspan­ nungen, Temperaturspannungen oder ähnliches hervorgerufen - sich nicht unmittelbar im abgegebenen Meßsignal und da­ mit 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.

Das in Fig. 2 schematisch ausgeführte Ausführungs­ beispiel unterscheidet sich von dem gemäß Fig. 1 im wesent­ lichen lediglich dadurch, daß hier die Abdichtungsmembrane 10 im Bereich der vorderen Stirnseite 9 eine verdickte Wand­ stärke aufweist und plan mit dieser vorderen Stirnseite ab­ schließt. Im Bereich der Spalte 13, 13′ ist die Membrane hier mit zu den Oberflächen der angrenzenden Bauteile kon­ zentrisch verlaufenden Oberflächen ausgebildet, was eine durchgehend konstante Dicke der Spalte 13, 13′ ergibt.

In diesem Zusammenhang wäre zu erwähnen, daß in al­ len dargestellten Ausführungsbeispielen zur Erleichterung des Verständnisses die Dicke der Spalte 13, 13′ relativ groß eingezeichnet ist; es ist jedoch im Rahmen der Erfin­ dung durchaus möglich, daß diese Spalte 13, 13′ beispiels­ weise auch von einer das Eindringen des zu messenden Me­ diums verhindernden engen Passung gebildet sind. Sofern dies der Fall ist, ist es besonders vorteilhaft, wenn die axiale Verformung der Abdichtungsmembrane 10 bei Wirkung des zu messenden Druckes in Richtung des Pfeiles 5 zumin­ dest annähernd die gleiche Größe wie die entsprechende Ver­ formung des Meßsystems 3 aufweist, da dann keine Relativbe­ wegungen zwischen dem den Innenspalt 13 begrenzenden Druck­ übertragungselement 4 und der Abdichtungsmembrane 10 und damit auch keine wiederum in die Charakteristik des Druck­ aufnehmers nachteilig eingehende Reibung auftreten kann.

Das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel ent­ spricht in seinen wesentlichen Grundzügen wiederum den be­ reits besprochenen beiden Ausführungen nach Fig. 1 und 2. Die Abdichtungsmembrane 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 Druckübertra­ gungselement 4 abgewandte Grundfläche 16 der Bohrung 14 verspannt. Damit ist eine sehr einfache Montage und Be­ festigung der Abdichtungsmembrane 10 gegeben, was sich beispielsweise auch beim Ausbau derselben zur Wartung oder Reinigung sehr vorteilhaft auswirkt.

Die Abdichtungsmembrane 10 ist hier - im Gegensatz zur Ausführung nach Fig. 2 - auch an der der Stirnseite 9 des Druckaufnehmers abgewandten Seite geschlossen ausge­ bildet, 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 Abdich­ tungsmembrane 10 bzw. im Gehäuse 1 des Druckaufnehmers mit hier nicht dargestellten Zu- und Ableitanschlüssen eines Kühlmedienkreislaufs verbunden.

Auf diese Weise kann beispielsweise im Zusammen­ hang mit der Messung von heißen Druckmedien eine wirkungs­ volle externe Kühlung des Bereichs der üblicherweise sehr temperaturempfindlichen Meßelemente erfolgen. Aber auch die an ihrer Stirnseite ebenfalls unmittelbar dem zu mes­ senden Medium ausgesetzte Abdichtungsmembrane 10 selbst ist auf diese Weise ausreichend gekühlt.

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 Meß­ systems 3 ein Spalt 13 zwischen der Abdichtungsmembrane 10′ und den umgebenden Bauteilen gebildet, wobei die meßsystem­ seitige Verbindung der Abdichtungsmembrane 10′ auch hier wiederum an einem dem Druckübertragungselement 4 gegenüber­ liegenden und funktionell hinter dem Meßelement 7 liegen­ den Teil des Widerlagers 12 für das Meßelement 7 erfolgt.

Zwischen dem den Spalt 13 begrenzenden inneren Teil der Abdichtungsmembrane 10′ und dem hier keinen Ein­ schraubansatz 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.

Auch bei diesem Ausführungsbeispiel erweist es sich als sehr vorteilhaft, wenn die axiale Verformung der Ab­ dichtungsmembrane 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 13 begrenzenden Bauteilen und somit keine die Druckmessung verfälschende Reibung auftreten kann.

Die Ausführungsbeispiele nach den Fig. 5 und 6 ent­ sprechen jeweils im wesentlichen dem zu Fig. 3 bereits ausführlich besprochenen. Darüber hinaus ist sowohl bei der Ausführung nach Fig. 5 als auch nach Fig. 6 im Be­ reich des Meßelementes eine Erweiterung 20 des Spalts 13 zwischen Abdichtungsmembrane 10 einerseits und Drucküber­ tragungselement 4 und Meßsystem 3 andererseits vorgesehen, welche über Bohrungen 21, 22 in der Abdichtungsmembrane 10 und im Gehäuse 1 nach außen entlüftet ist.

Die Ausführung nach Fig. 6 unterscheidet sich dabei von der nach Fig. 5 dadurch, daß die Erweiterung 20 im Be­ reich des Meßsystems 3 am druckseitigen Ende des Meßsystems 3 mittels eines in eine Nut 23 eingelegten O-Ringes 24 ab­ gedichtet ist.

Claims (6)

1. Druckaufnehmer, insbesondere zur direkten Bestimmung des Innendruckes von Brennräumen, mit einem Gehäuse, einem darin angeordneten, den zu messenden Druck auf ein mindestens ein Meßelement enthaltendes Meßsystem übertragenden Druckübertragungselement, das an seiner Stirnseite vom zu messenden Druck beaufschlagbar ist und zumindest in einem sich von dieser Stirnseite bis zu einer von dieser Stirnseite abgekehrten Begren­ zung des Meßelementes des Meßsystems erstreckenden Bereich durch einen umlaufenden Spalt von einer Wand des Gehäuses distanziert ist, der durch eine das Ein­ dringen von Verbrennungsgasen verhindernde Abdich­ tungsmembrane abgedichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdichtungsmembrane (10, 10′) an einem, von der dem zu messenden Druck ausgesetzten Stirnseite (9) des Druckübertragungselementes (4) aus gesehen, hinter dem Meßelement (7) liegenden Widerlager (12) mit dem Druck­ übertragungselement (4) verbunden ist und zwischen der sich bis zu dessen Stirnseite erstreckenden Abdichtungs­ membrane (10, 10′) und dem Druckübertragungselement (4) ein Abdichtspalt (13) vorgesehen ist.

2. Druckaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsstelle zwischen der Abdichtungsmem­ brane (10) und dem Gehäuse (1) zumindest annähernd den gleichen Abstand zur vorderen Stirnseite (9) des Druck­ aufnehmers hat wie die Verbindungsstelle zwischen Ab­ dichtungsmembrane (10) und Widerlager (12) und daß die Abdichtungsmembrane (10) im übrigen auch zum Gehäuse (1) einen Spalt (13′) bildet.

3. Druckaufnehmer nach Anspruch 1 oder 2, mit einem Zu- und Ableitanschluß für einen Kühlmediumkreislauf zur Kühlung des Bereiches des temperaturempfindlichen Meß­ systems, dadurch gekennzeichnet, daß in der Abdicht­ membrane (10, 10′) ein das Meßsystem (3) umgebender ringförmiger Hohlraum (17, 17′) vorgesehen ist, der über Bohrungen (18, 19) mit dem Zu- und Ableitanschluß in Verbindung steht.

4. Druckaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die axiale Verformung der Abdichtungsmembrane (10, 10′) bei Wirkung des zu messen­ den Druckes zumindest annähernd die gleiche Größe wie die des Meßsystems (3) aufweist.

5. Druckaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Abdichtungsmembrane (10) in einer Bohrung (14) in der vorderen Stirnseite (9) des Druckaufnehmers angeordnet und mittels einer Ring­ schulter (15) im Bereich des Widerlagers (12) für das Meßelement (7) über die Befestigung des Meßsystems (3) gegen die dem Druckübertragungselement (4) abgewandte Grundfläche (16) der Bohrung (14) verspannt ist.

6. Druckaufnehmer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abdichtspalt (13) zwischen Abdichtungsmembrane (10) und Druckübertragungselement (4) einerseits und Meßsystem (3) andererseits im Bereich des druckseiti­ gen Endes des Meßelementes (7) mittels eines Dich­ tungsringes, beispielsweise eines O-Ringes (24), ver­ schlossen ist.