DE3727221C2

DE3727221C2 -

Info

Publication number: DE3727221C2
Application number: DE19873727221
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl.-Phys. 8000 Muenchen De Kleinschmidt; Dieter Dipl.-Phys. 8150 Holzkirchen De Stein; Hans Dipl.-Phys. 8031 Haar De Meixner; Hans Dipl.-Phys. Dr. 8000 Muenchen De Winter
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1987-08-14
Filing date: 1987-08-14
Publication date: 1990-03-01
Also published as: DE3727221A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Sensor für das Feststellen und/oder Messen eines in einer Vorrichtung auftretenden Druckes, wie er im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 um rissen ist.

Insbesondere dient der Sensor nach der vorliegenden Erfindung der Erfassung von Gasdrucken. Er ist vorzugsweise geeignet für die Verwendung zur dynamischen Druckmessung im Verbrennungs raum eines Kolbenmotors.

Aus der US-PS 43 82 377 ist ein Drucksensor bekannt, der ein Gehäuse besitzt, das in den Block eines Verbrennungsmotors derart einzusetzen ist, daß ein Teil der Oberfläche des Sen sorgehäuses mit der Gasatmosphäre im Zylinder des Motors in Kontakt ist. Vorzugsweise hat der bekannte Sensor ein Gehäuse, das einen rohrförmigen Anteil besitzt, dessen dem Hauptteil des Gehäuses abgewandtes Ende dieses Rohres in den Verbrennungsraum des Motors hineinreicht. Das vordere Ende dieses Rohres besitzt eine stirnseitige Membran, die vom Gas druck im Zylinder des Motors elastisch und/oder nachgiebig um eine gewisse Wegstrecke bewegt werden kann.

Auf der Innenseite dieses Gehäuses liegt an der besagten Mem bran mit seinem Ende ein Stößel an, dessen anderes Ende eine Scheibe aus piezoelektrischer Keramik berührt. Die gesamte An ordnung ist so bemessen, daß eine auf die erwähnte Membran einwir kende Druckkraft den Stößel auf die piezoelektrische Scheibe drücken läßt, wobei diese Druckeinwirkung auf die piezoelek trische Scheibe zu einer piezoelektrisch erzeugten Spannung führt. Diese elektrische Spannung wird an Anschlußleitungen abgenommen, die mit Elektroden der piezoelektrischen Scheibe verbunden sind.

Eine solche piezoelektrische Scheibe ist im Regelfall als Bi morph ausgebildet, d. h. als Biegewandler. Die Halterung dieser Scheibe im Gehäuse geht aus der genannten Druckschrift eben falls hervor. Bekannt ist Piezokeramik wie Bleiziskonat-Tita nit mit entsprechend hoher Curietemperatur zu verwenden.

Aus der DE-PS 8 72 664 ist ein Drucksensor mit einem piezoelek trischen Röhrchen als Sensorelement bekannt. Dieses ist in dem Gehäuse so angebracht, daß es sich zwischen einem Widerlager und einem solchen Oberflächenteil des Gehäuses befindet, auf das die Druckkraft einwirkt und das elastisch und/oder nachgie big bewegbar ist. Das Röhrchen erfährt durch die Druckeinwir kung im wesentlichen nur axiale Stauchungen, wobei auf den transversalen piezoelektrischen Effekt beruhend dabei das elek trische Sensorsignal erzeugt wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, für einen Drucksen sor dieser Art Maßnahmen zur besonders intensi ven Kühlung des Piezoröhrchens zu finden.

Diese Aufgabe wird mit einem Sensor mit den Merkmalen der Pa tentansprüche 1 bzw. 2 gelöst.

Fig. 1 zeigt einen Sensor mit dem Röhrchen 2 aus piezoelektri schem Material, z. B. aus Bleizirkonat-Titanat, das axial in dem Gehäuse 3 angeordnet ist. Dieses Gehäuse 3 hat als Anteil desselben die Form einer Hülse 4. Diese Hülse 4 ist stirnseitig an ihrem einen Ende mit einer dünnen Membran 5 abgeschlossen. Dieses Membran 5 ist elastisch bzw. nachgiebig gegenüber der mit 6 bezeichneten Druckkraft. In diesem Gehäuse 3 steht das Röhrchen 2 aus piezoelektrischem Material stirnseitig wenigstens kraftschlüssig auf der Membran 5 auf. Dadurch kann die auf die Membran einwirkende Druckkraft 6, z. B. die Druckkraft des Verbrennungsgases, unmittelbar, und zwar in axialer Richtung, auf das Röhrchen 2 einwirken und diese Membran um eine Wegstrecke bewegen. Als Widerlager gegenüber der Druckkraft 6 ist das Röhrchen 2, wie aus der Fig. 1 ersichtlich, mit Klebstoff 7 in einem Anteil des Gehäuses 3 befestigt. Da dieser Klebstoff auf Scherwirkung beansprucht bzw. belastet ist und die Druckkraft 6, z. B. bei Verbrennungsdruck-Messungen, wechselnde Höhe hat, kann ein solcher Klebstoff hier gut verwendet werden. Als Klebstoff eignen sich keramischer Kleber, Epoxidkleber und dergleichen. Es kann auch eine Löt- oder Schweißverbindung vorgesehen sein.

Mit 8 und 9 sind Elektroden des Röhrchens 2 bezeichnet. Die auf der Außenwand des Röhrchens angebrachte Elektrode 8 ist mit der Anschlußleitung 18 verbunden. Die auf der Innenseite angebrachte Elektrode 9 ist an dem in der Fig. 1 oberen Ende des Röhrchens 2 um das Ende dieses Röhrchens herumgeführt, so daß die Anschlußleitung 19 ebenfalls auf der Außenseite des Röhrchens kontaktiert werden kann.

Vorzugsweise wird der Sensor 1 mit dem zylindrischen Anteil 4 des Gehäuses 3 in die Wand 11 des Zylinderkopfes des Motors (ähnlich wie die Zündkerze) eingesetzt. Eine Einkerbung 12 der Hülse 4 dient der besseren Wirksamkeit der Membran 5.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform mit einzelnen Merkmalen, wie sie der Sensor nach Fig. 1 aufweist. Übereinstimmende Merkmale sind daher mit den bereits zur Fig. 1 verwendeten Bezugszeichen versehen.

Das Gehäuse 3 hat einen hülsenförmigen Anteil 24, der, und zwar vergleichsweise zum Röhrchen 2 aus piezoelektrischem Ma terial, relativ große axiale Nachgiebigkeit bzw. Elastizität aufweist. Daher genügt es, daß der stirnseitige Abschluß der Hülse 24 eine Platte 25 sein kann, die keine der Membran 5 ent sprechende Nachgiebigkeit bzw. Elastizität aufweisen muß.

Mit 7 ist Klebstoff oder dergleichen bezeichnet, mit dem das Röhrchen 2 an dieser Platte 25 gegen unerwünschte Verschiebungen gehalten ist.

Der Sensor nach Fig. 2 hat als eine erste erfindungsgemäße Alternative eine äußere Ummantelung 28 aus gut wärmeleitendem Material. Dieses wärmeleitende Material hat eine gegenüber den Eigenschaften des Röhrchens vernachlässigbare Steifigkeit bezüglich der Druckkraft 6. Mit Hilfe dieser Ummantelung 28 läßt sich das piezoelektrische Röhrchen 2 kühl halten, und zwar in demjenigen Bereich, über den sich die Elektroden 8 und 9 erstrecken.

Die Ausführungsformen der Fig. 1 und 2 weisen Elektroden 8 und 9 auf, die nicht bis zum in den Figuren unteren Ende der piezoelektrischen Röhrchen 2 reichen. Der Grund dafür ist, daß in diesem unteren Bereich der Röhrchen 2 das piezoelektrische Material, vorzugsweise Piezokeramik, derart warm wird, daß der piezoelektrische Effekt aufgrund fehlender permanenter Polari sierung uninteressant ist.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform, bei der das Röhrchen 2 wiederum mit Klebstoff 7 gehaltert ist. Die Ausführungsform nach Fig. 3 hat weitgehende Übereinstimmung mit der Ausfüh rungsform nach Fig. 2. Gleichermaßen verwendete Bezugszeichen haben gleiche Bedeutung.

In das innere des Röhrchens 2 der Ausführungsform nach Fig. 3 ist als zweite Alternative der Erfindung eine Litze 41 aus Kupfer eingesetzt, die als erfindungsgemäßer Wärmeableiter dient. Diese Maßnahme ist hinsichtlich der Wärmeleitung besonders effektiv und hat wegen der Anwendung des Materials als Litze keine nachteilige Auswirkung auf die Nachgiebigkeit bzw. meßtechnische Empfindlichkeit des Röhrchens 2 aus Piezoma terial. Es liegt guter Wärmekontakt zwischen dem Röhrchen 2 und der Litze 41 vor. Die Litze ist z. B. mit einem kühlen bzw. gekühlten Anteil des Gehäuses 3 verbunden.

Die Ausführungsform nach Fig. 3 hat eine Hülse 44 mit außen seitig vorhandenem Gewinde 144 bzw. ist sie (außen) gewellt oder gerippt. Dieses Gewinde 144 kann auch zum Einschrauben des Sensors in die Wandlung des Motorblocks vorgesehen sein. Eine solche Maßnahme hat aber auch Vorteile hinsichtlich der Stabilität. Da die Hülse 44 ebenso wie die Hülse 24 in Axialrichtung erhebliche Nachgiebigkeit bzw. Elastizität haben soll, ist diese Hülse 44 dünnwandig auszuführen. Das um diese Hülse 44 herumlaufende Gewinde 144 oder die entsprechenden Rippen bewirken eine radial gerichtete Versteifung der Hülse 44, ohne daß diese in axialer Richtung wesentlich weniger nachgiebig wird.

Mit 16 ist in Fig. 1 auf die durch die zu messende Druckkraft 6 bewirkte Stauchung des Röhrchens 2 und gegebenenfalls der Hülse 4 hingewiesen.

Claims

1. Sensor für das Feststellen und/oder Messen eines in einer Vorrichtung auftretenden Druckes (6), vorzugsweise eines Gases, geeignet für dynamische Druckmessungen im Verbrennungsraum eines Kolbenmotors,
mit einem Gehäuse (3), das in der Vorrichtung derart anzuord nen ist, daß die zu detektierende bzw. zu messende Druckkraft (6) auf einen Anteil (5, 25) der Oberfläche dieses Gehäuses (3) einwirken kann,
wobei diese Oberfläche aufgrund der Druckkraft (6) gegenüber weiteren Teilen des Gehäuses (3) elastisch und/oder nachgiebig bewegbar ist, mit einem piezoelektrischen Sensorelement in Form eines Röhrchens (2), das in dem Gehäuse (3) derart angeordnet ist, daß es von der Druckkraft (6) beaufschlagt wird, die auf den besagten Anteil (5) der Oberfläche des Gehäuses (3) einwirkt, wobei für das Röhrchen (2) ein entsprechendes Widerlager (7) vorgesehen ist, und
mit elektrischen Außenanschlüssen (18, 19), die mit Elektroden (8, 9) des piezoelektrischen Röhrchens (2) verbunden sind,
wobei die Anbringung des Röhrchens (2) im Gehäuse (3) derart ist, daß das Röhrchen (2) durch die besagte Druckkraft (6) im wesentlichen nur axiale Stauchungen (16) erfährt, und
wobei ferner die Elektroden (8, 9) auf der inneren und auf der äußeren Mantelfläche des Röhrchens (2) angebracht sind und das erzeugte elektrische Signal auf dem transversalen piezoelek trischen Effekt des Materials des Röhrchens (2) beruht,
gekennzeichnet dadurch, daß ein sich über die Länge der Elektroden erstreckender Anteil der Innenfläche des Röhrchens (2) mit einer aus gut wärmeleitendem Material bestehenden Litze (41) im Wärmekontakt steht, die gegenüber dem Röhrchen (2) eine vernachlässigbare Steifigkeit aufweist.

2. Sensor für das Feststellen und/oder Messen eines in einer Vorrichtung auftretenden Druckes (6), vorzugsweise eines Gases, geeignet für dynamische Druckmessungen im Verbrennungsraum eines Kolbenmotors,
mit einem Gehäuse (3), das in der Vorrichtung derart anzuord nen ist, daß die zu detektierende bzw. zu messende Druckkraft (6) auf einen Anteil (5, 25) der Oberfläche dieses Gehäuses (3) einwirken kann,
wobei diese Oberfläche aufgrund der Druckkraft (6) gegenüber weiteren Teilen des Gehäuses (3) elastisch und/oder nachgiebig bewegbar ist, mit einem piezoelektrischen Sensorelement in Form eines Röhrchens (2), das in dem Gehäuse (3) derart angeordnet ist, daß es von der Druckkraft (6) beaufschlagt wird, die auf den besagten Anteil (5, 25) der Oberfläche des Gehäuses (3) einwirkt, wobei für das Röhrchen (2) ein entsprechendes Widerlager (7) vorgesehen ist, und
mit elektrischen Außenanschlüssen (18, 19), die mit Elektroden (8, 9) des piezoelektrischen Röhrchens (2) verbunden sind,
wobei die Anbringung des Röhrchens (2) im Gehäuse (3) derart ist, daß das Röhrchen (2) durch die besagte Druckkraft (6) im wesentlichen nur axiale Stauchungen (16) erfährt, und
wobei ferner die Elektroden (8, 9) auf der inneren und auf der äußeren Mantelfläche des Röhrchens (2) angebracht sind und das erzeugte elektrische Signal auf dem transversalen piezoelek trischen Effekt des Materials des Röhrchens (2) beruht,
dadurch gekennzeichnet, daß ein sich über die Länge der Elektroden (8, 9) erstreckender Anteil der Außenfläche des Röhrchens (2) mit einer aus gut wärmeleitendem Material bestehenden Ummantelung (28) im Wärme kontakt steht, die gegenüber dem Röhrchen eine vernachlässigbare Steifigkeit aufweist.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß die wärmeleitende Litze bzw. Ummantelung (41; 28) mit einem kühlen bzw. gekühlten Anteil des Gehäuses (3) wärmeleitend verbunden ist.