DE3937641A1 - Pressure sensor with piezoelectric and temp. compensation elements - enables temp. compensation without knowing temp. dependency of piezoelectric voltage - Google Patents

Pressure sensor with piezoelectric and temp. compensation elements - enables temp. compensation without knowing temp. dependency of piezoelectric voltage

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DE3937641A1 DE19893937641 DE3937641A DE3937641A1 DE 3937641 A1 DE3937641 A1 DE 3937641A1 DE 19893937641 DE19893937641 DE 19893937641 DE 3937641 A DE3937641 A DE 3937641A DE 3937641 A1 DE3937641 A1 DE 3937641A1
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Abstract

A pressure sensor contains a piezoelectric working element sensor (1.1) exposed to the measurement pressure and a temp. compensation element sensor (1.2) made of the same material. The compensation sensor is continuously exposed to the working sensor temp. and to the measurement vol. (1.5) ambient pressure. The voltages between the sensor and surfaces are tapped via cables and fed via signal lines: to a subtraction element generating a signal corresp. to the pressure on the working pressure sensor. USE/ADVANTAGE - Piezoelectric pressure sensor is temp. compensated without exolicit knowledge of temo. dependency of electrical voltage required.

Description

Die Erfindung betrifft einen Drucksensor gemäß dem Ober­ begriff des Patentanspruches 1.The invention relates to a pressure sensor according to the Ober Concept of claim 1.

Es ist bereits ein gattungsgemäßer Drucksensor bekannt (DE 35 38 453 A1), wonach mittels einer Druckfühleinrich­ tung der Druck durch Anwendung des piezoresistiven Ef­ fektes gemessen wird. Dabei werden Piezowiderstandselemente so angebracht, daß sie sich bei einer Beaufschlagung mit Druck deformieren. Durch eine Brückenschaltung werden mehrere Piezowiderstandselemente verbunden und aus der sich in der Brückenschaltung erge­ benden elektrischen Spannung kann der wirkende Druck be­ stimmt werden. Eine Temperaturkompensation erfolgt dabei, indem Temperaturkompensationselemente zwischen die Eingangs- und/oder Ausgangsklemmen der Brückenschaltung geschaltet werden, wobei die Temperaturkompensationsele­ mente einen solchen Temperaturkoeffizienten aufweisen, daß der Temperaturkoeffizient der Brückenschaltung gerade kompensiert wird.A generic pressure sensor is already known (DE 35 38 453 A1), after which by means of a pressure sensor pressure by using the piezoresistive Ef is measured. In doing so Piezo resistor elements attached so that they are deform when subjected to pressure. By a Bridge circuit will be several piezoresistive elements connected and from which emerges in the bridge circuit The electrical pressure can be applied be true. Temperature compensation takes place by using temperature compensation elements between the  Input and / or output terminals of the bridge circuit are switched, the temperature compensation elements have such a temperature coefficient that the temperature coefficient of the bridge circuit just is compensated.

Des weiteren ist es bekannt (DE 36 16 308 A1) den Druck durch Anwendung des piezoresistiven Effektes zu messen, wobei vorgeschlagen wird, eine gesonderte Messung der Temperatur durchzuführen; allerdings werden keine Angaben zur Durchführung einer Temperaturkompensation gemacht.Furthermore, it is known (DE 36 16 308 A1) the pressure to measure by using the piezoresistive effect, where it is proposed a separate measurement of the Perform temperature; however, no information is given made to perform temperature compensation.

Bei den bisher bekannten Drucksensoren ergeben sich Nach­ teile dahin gehend, daß eine Temperaturkompensation nur erfolgen kann, wenn die Kennlinien der Temperaturabhän­ gigkeit des zu messenden Piezo-Effektes der Elemente des Sensors bekannt sind und zur Temperaturkompensation aus­ gewertet werden. Die Messung und die anschließende Aus­ wertung dieser Kennlinien ist aufwendig und stellt eine Fehlerquelle bei der Bestimmung des zu messenden Druckes dar.In the previously known pressure sensors, after parts in that a temperature compensation only can take place if the characteristics of the temperature depend the piezo effect of the elements of the Sensors are known and used for temperature compensation get ranked. The measurement and the subsequent off The evaluation of these characteristics is complex and represents a Error source when determining the pressure to be measured represents.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Temperaturkompensation bei einem Drucksensor durchzuführen, bei dem der Druck aufgrund des piezoelektrischen Effektes gemessen wird, wobei die Temperaturkompensation durch einen Temperatur­ kompensationselementarsensor durchgeführt werden soll, ohne daß die Abhängigkeit der elektrischen Spannung eines Piezoelementes als Arbeitselementarsensor von der Tempe­ ratur explizit bekannt sein muß.The object of the invention is temperature compensation perform on a pressure sensor where the pressure is measured based on the piezoelectric effect, the temperature compensation by a temperature compensation elementary sensor is to be carried out, without the dependence of the electrical voltage of a  Piezo element as a working element sensor from the Tempe must be explicitly known.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Drucksensor erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des An­ spruchs 1 gelöst, wobei die Merkmale der Unteransprüche vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen kennzeichnen.This task is performed with a generic pressure sensor according to the invention with the characteristic features of the An claim 1 solved, the features of the subclaims Characterize advantageous training and further education.

Vorteile der Erfindung gegenüber dem bekannten Stand der Technik bestehen insbesondere darin, daß bei einer starken Änderung der Temperatur in dem Volumen, in dem der Druck gemessen werden soll, durch die erfindungsgemäße Verwen­ dung des Temperaturkompensationselementarsensors ein Si­ gnal zur Verfügung steht, das unmittelbar den Druck in dem Volumen darstellt. Der erfindungsgemäße Drucksensor ist somit in besonders vorteilhafter Weise für die Messung des Druckes in dem Brennraum eines Zylinders einer Brenn­ kraftmaschine geeignet.Advantages of the invention over the known prior art Technology consists in particular in that with a strong Change in temperature in the volume in which the pressure to be measured by the use according to the invention the temperature compensation element sensor an Si gnal is available that immediately the pressure in the Represents volume. The pressure sensor according to the invention is thus in a particularly advantageous manner for measuring the Pressure in the combustion chamber of a cylinder of a combustion suitable for an engine.

Weist ein Kristall piezoelektrische Eigenschaften auf, so bedeutet dies, daß bei einer mechanischen Beanspruchung (Zug bzw. Druck) zwischen seinen Endflächen eine elek­ trische Spannung auftritt. Umgekehrt ändert ein solcher Kristall seine Längenausdehnung, wenn an seine Endflächen eine elektrische Spannung angelegt wird. An diesen Kri­ stallen tritt außerdem eine als Pyroelektrizität bezeich­ nete Eigenschaft auf. Als Pyroelektrizität wird dabei be­ zeichnet, daß sich die zwischen den Endflächen auftretende elektrische Spannung mit der Temperatur ändert. Diese Änderung beruht einerseits darauf, daß sich mit der Tem­ peratur die Längenausdehnung des Kristalls ändert, wobei die Änderung der elektrischen Spannung auf der Piezoelek­ trizität beruht und daß sich andererseits die permanent vorhandene elektrische Polarisation mit der Temperatur ändert und somit zu einer Änderung der elektrischen Span­ nung zwischen den Endflächen des Kristalls führt.If a crystal has piezoelectric properties, see above this means that with mechanical stress (Tension or pressure) between its end faces an elec trical voltage occurs. Conversely, one changes Crystal its length when at its end faces an electrical voltage is applied. At this kri stall also occurs as pyroelectricity nete property. As pyroelectricity, be records that the occurring between the end faces electrical voltage changes with temperature. These  Change is based on the one hand that with the Tem temperature changes the length of the crystal, whereby the change in electrical voltage on the piezoelectric Tricity rests and that on the other hand the permanent existing electrical polarization with temperature changes and thus to a change in electrical span leads between the end faces of the crystal.

Bei dem erfindungsgemäßen Drucksensor erfolgt eine Tempe­ raturkompensation derart, daß ein Arbeitselementarsensor sowohl dem zu messenden Druck als auch der Temperatur ausgesetzt wird, die an dem Ort des zu messenden Druckes vorliegt, und daß ein Temperaturkompensationselementar­ sensor einem Druckreferenzwert und der Temperatur ausge­ setzt wird, die an dem Ort des zu messenden Druckes vor­ liegt. Der Temperaturkompensationselementarsensor besteht dabei aus demselben Material, um zu gewährleisten, daß bei dem Temperaturkompensationselementarsensor eine identische Änderung der elektrischen Spannung mit der Temperatur ge­ schieht wie bei dem Arbeitselementarsensor. Der Tempera­ turkompensationselementarsensor weist in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform auch dieselbe Form wie der Arbeitselementarsensor auf. In einem Subtraktionsglied wird die elektrische Spannung des Temperaturkompensati­ onselementarsensors von der elektrischen Spannung des Ar­ beitselementarsensors abgezogen, so daß das resultierende Ausgangssignal unmittelbar den zu messenden Druck reprä­ sentiert.A temp takes place in the pressure sensor according to the invention rature compensation such that a working element sensor both the pressure to be measured and the temperature suspended at the location of the pressure to be measured and that a temperature compensation element sensor a pressure reference value and the temperature is set in front of the location of the pressure to be measured lies. The temperature compensation elementary sensor exists while using the same material to ensure that at an identical to the temperature compensation elementary sensor Change in electrical voltage with temperature ge looks like the working element sensor. The tempera In particular, the compensation elementary sensor shows advantageous embodiment also the same shape as the Working elementary sensor on. In a subtractor the electrical voltage of the temperature compensation onselementarsensors from the electrical voltage of the Ar deducted element sensors, so that the resulting Output signal directly represents the pressure to be measured sent.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden näher be­ schrieben. Es zeigen:An embodiment of the invention is in the drawing is shown schematically and will be described in more detail below wrote. Show it:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drucksensors als Klopfsensor für eine Brennkraftmaschine, Fig. 1 shows a first embodiment of a pressure sensor of the invention as a knock sensor for an internal combustion engine,

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drucksensors als Klopfsensor für eine Brennkraftmaschine und Fig. 2 shows a second embodiment of a pressure sensor according to the invention as a knock sensor for an internal combustion engine and

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel einer elektrischen Schal­ tung zur Auswertung der Ausgangssignale eines Ar­ beitselementarsensors und eines Temperaturkompen­ sationselementarsensors. Fig. 3 shows an embodiment of an electrical circuit device for evaluating the output signals of an Ar beitselementarsensors and a temperature compensation sationselementarsensors.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, werden zwei ringförmige Piezoelemente 1.1 und 1.2 in Verbindung mit mehreren Ringen 1.6, 1.7 und 1.8 aus elektrisch leitendem Material sowie einer elektrisch isolierenden Schicht 1.10, die in einer vorteilhaften Ausführungsform eine schlechte Wärme­ leitfähigkeit aufweist, als Unterlegscheiben einer Schraube 1.3 mit der Außenseite 1.4.1 einer ein Vo­ lumen 1.5 begrenzenden Wand in Verbindung gebracht, wobei der Druck in dem Volumen 1.5 bestimmt werden soll. Die Piezoelemente 1.1 und 1.2 bestehen dabei aus demselben Material und weisen in einer besonders vorteilhaften Aus­ führungsform auch dieselbe geometrische Form und dieselbe Größe auf, so daß kein weiterer Abgleich bei der Subtrak­ tion der elektrischen Spannungen notwendig ist, um die den Druck repräsentierende elektrische Spannung zu erhalten. Haben die beiden Piezoelemente 1.1 und 1.2 unterschied­ liche Größen, müssen zunächst die abgegriffenen Spannungen auf die mittels der pyroelektrischen und piezoelektrischen Konstanten auf die entsprechenden Größen der beiden Piezoelemente 1.1 und 1.2 zurückbezogen werden. Die beiden Piezoelemente 1.1 und 1.2 sind dabei so angebracht, daß die sich gegenüber liegenden Endflächen 1.1.2 und 1.2.1 der Piezoelemente 1.1 und 1.2 bezogen auf die jeweils zu­ gehörige andere Endfläche 1.1.1 und 1.2.2 bei einer Tem­ peraturänderung dasselbe Potential aufweisen. Wenn die Endfläche 1.1.2 des Piezoelementes 1.1 also bei einer Temperaturänderung gegenüber der Endfläche 1.1.1 ein niedrigeres Potential einnimmt, muß auch die Endflä­ che 1.2.1 des Piezoelementes 1.2 bei derselben Tempera­ turänderung ein niedrigeres Potential gegenüber der End­ fläche 1.2.2 aufweisen. Das Piezoelement 1.1 stellt dabei den Arbeitselementarsensor des Drucksensors dar, während das Piezoelement 1.2 den Temperaturkompensationselemen­ tarsensor des Drucksensors darstellt. Die beiden Piezoelemente 1.1 und 1.2 sind durch mehrere Ringe 1.6, 1.7 und 1.8 eingebunden, wobei diese Ringe 1.6, 1.7 und 1.8 elektrisch leitend sind und wobei zwischen den Ringen 1.6 und 1.7 eine elektrisch isolie­ rende Schicht 1.9 eingebracht ist. Dadurch wird verhin­ dert, daß ein elektrischer Kurzschluß zwischen den beiden Endflächen 1.1.1 und 1.1.2 des Piezoelementes 1.1 auftritt. Ein elektrischer Kurzschluß zwischen den beiden Endflächen 1.2.1 und 1.2.2 des Piezoelementes 1.2 wird dadurch verhindert, daß die Endfläche 1.2.2 des Piezoelementes 1.2 keine elektrisch leitende Verbindung zu dem Ring 1.8 aufweist. In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel können die Ringe 1.7 und 1.8 zu einem Ring zusammengefaßt werden, allerdings ist der erfindungsgemäße Drucksensor leichter zu fertigen bei ge­ trennten Ringen 1.7 und 1.8. Die Piezoelemente 1.1 und 1.2 sowie die Ringe 1.6, 1.7 und 1.8 sind dabei von einer elektrisch isolierenden Schicht 1.10 umgeben, die in einer vorteilhaften Ausführungsform eine schlechte Wärmeleitfä­ higkeit aufweist. Durch diese schlechte Wärmeleitfähigkeit der elektrisch isolierenden Schicht 1.10 erfährt das als Arbeitselementarsensor verwendete Piezoelement 1.2 eine geringere Temperaturschwankung als bei einer guten Wärme­ leitfähigkeit der elektrisch isolierenden Schicht 1.10, so daß auch nur diese geringeren Temperaturschwankungen kom­ pensiert werden müssen. Der Kopf 1.3.1 der Schraube 1.3 und die Außenseite 1.4.1 der das Volumen 1.5 begrenzenden Wand bewirken, daß die elektrisch isolierende Schicht 1.10 sowie die Ringe 1.6, 1.7 und 1.8 kraftschlüssig verbunden sind. Das Piezoelement 1.1 ist in direktem Kraftschluß zwischen die beiden Ringe 1.6 und 1.7 eingebracht, während das Piezoelement 1.2 keinen Kraftschluß mit dem Ring 1.8 aufweist. Dadurch ist gewährleistet, daß sich bei Druck­ schwankungen in dem Volumen 1.5 ergebende Formänderungen der Ringe 1.6, 1.7 und 1.8 direkt eine Längenänderung des Piezoelementes 1.1 bewirken, während das Piezoelement 1.2 bei einer Formänderung des Ringes 1.7 in das freie Vo­ lumen 1.11 ausweichen kann und somit keine Längenänderung erfährt bei einer Druckschwankung in dem Volumen 1.5. Das freie Volumen 1.11 kann mit einer Substanz ausgefüllt werden, die elektrisch isolierend wirkt und eine geringe Festigkeit aufweist. Die Ringe 1.6, 1.7 und 1.8 sowie die elektrisch isolierende Schicht 1.10 weisen eine solche Festigkeit auf, daß Druckschwankungen in dem Volumen 1.5 zu Formänderungen der elektrisch isolierenden Schicht 1.10 sowie der Ringe 1.6, 1.7 und 1.8 führen, die sich dann auf das Piezoelement 1.1 übertragen. Gleichzeitig weisen die Ringe 1.6, 1.8 und insbesondere der Ring 1.7 eine gute Wärmeleitfähigkeit auf, so daß die Änderung der elek­ trischen Spannung zwischen den Endflächen 1.1.1 und 1.1.2 des Piezoelementes 1.1 bei einer Änderung der Temperatur in dem Volumen 1.5 gleich der Änderung der elektrischen Spannung zwischen den Endflächen 1.2.1 und 1.2.2 des Piezoelementes 1.2 bei derselben Änderung der Temperatur in dem Volumen 1.5 ist. Die elektrischen Spannungen zwi­ schen den Endflächen 1.1.1 und 1.1.2 sowie 1.2.1 und 1.2.2 der Piezoelemente 1.1 und 1.2 werden in dem Ausführungs­ beispiel der Fig. 1 durch ein zweiadriges, isoliertes und abgeschirmtes Kabel 1.12 abgegriffen. Dabei wird die Ab­ schirmung 1.12.1 des Kabels 1.12 mit dem Ring 1.7 elek­ trisch leitend in Verbindung gebracht, die Ader 1.12.2 des Kabels 1.12 wird mit dem Ring 1.6 elektrisch leitend in Verbindung gebracht und die Ader 1.12.3 des Kabels 1.12 wird mit der Endfläche 1.2.2 des Piezoelementes 1.2 elek­ trisch leitend in Verbindung gebracht. Durch die elektrisch leitende Verbindung der Abschirmung 1.12.1 des Kabels 1.12 mit dem Ring 1.7 ist somit ein gemeinsames Bezugspotential der Piezoelemente 1.1 und 1.2 gegeben.As can be seen from Fig. 1, two ring-shaped piezo elements 1.1 and 1.2 in connection with several rings 1.6 , 1.7 and 1.8 made of electrically conductive material and an electrically insulating layer 1.10 , which in an advantageous embodiment has poor thermal conductivity, as washers of a screw 1.3 with the outside 1.4.1 Vo of a lumen placed 1.5 delimiting wall in connection with the pressure to be determined in the volume of 1.5. The piezo elements 1.1 and 1.2 are made of the same material and, in a particularly advantageous embodiment, also have the same geometric shape and the same size, so that no further adjustment in the subtraction of the electrical voltages is necessary in order to increase the electrical voltage representing the pressure receive. If the two piezo elements 1.1 and 1.2 have different sizes, the tapped voltages must first be referred back to the corresponding sizes of the two piezo elements 1.1 and 1.2 by means of the pyroelectric and piezoelectric constants. The two piezo elements 1.1 and 1.2 are attached so that the opposite end surfaces 1.1.2 and 1.2.1 of the piezo elements 1.1 and 1.2 based on the respective other end surfaces 1.1.1 and 1.2.2 at a temperature change the same potential exhibit. If the end face 1.1.2 of the piezo element 1.1 thus assumes a lower potential when the temperature changes compared to the end face 1.1.1, the end face 1.2.1 of the piezo element 1.2 must also have a lower potential compared to the end face 1.2.2 at the same temperature change . The piezo element 1.1 represents the working element sensor of the pressure sensor, while the piezo element 1.2 represents the temperature compensation element tarsensor of the pressure sensor. The two piezo elements 1.1 and 1.2 are bound by several rings 1.6 , 1.7 and 1.8 , these rings 1.6 , 1.7 and 1.8 being electrically conductive and an electrically insulating layer 1.9 being introduced between the rings 1.6 and 1.7 . This prevents that an electrical short circuit occurs between the two end surfaces 1.1.1 and 1.1.2 of the piezo element 1.1 . An electrical short circuit between the two end surfaces 1.2.1 and 1.2.2 of the piezo element 1.2 is prevented in that the end surface 1.2.2 of the piezo element 1.2 has no electrically conductive connection to the ring 1.8 . In the embodiment shown in Fig. 1, the rings 1.7 and 1.8 can be combined to form a ring, but the pressure sensor according to the invention is easier to manufacture with separate rings 1.7 and 1.8 . The piezo elements 1.1 and 1.2 and the rings 1.6 , 1.7 and 1.8 are surrounded by an electrically insulating layer 1.10 , which in an advantageous embodiment has poor thermal conductivity. Due to this poor thermal conductivity of the electrically insulating layer 1.10 , the piezo element 1.2 used as the working element sensor experiences a smaller temperature fluctuation than with a good thermal conductivity of the electrically insulating layer 1.10 , so that only these smaller temperature fluctuations have to be compensated for. The head 1.3.1 of the screw 1.3 and the outside 1.4.1 of the wall delimiting the volume 1.5 have the effect that the electrically insulating layer 1.10 and the rings 1.6 , 1.7 and 1.8 are non-positively connected. The piezo element 1.1 is inserted in a direct frictional connection between the two rings 1.6 and 1.7 , while the piezo element 1.2 has no frictional connection with the ring 1.8 . This ensures that changes in shape of the rings 1.6 , 1.7 and 1.8 resulting in pressure fluctuations in the volume 1.5 directly result in a change in the length of the piezo element 1.1 , while the piezo element 1.2 can evade in the case of a change in the shape of the ring 1.7 into the free volume 1.11 and thus there is no change in length with a pressure fluctuation in the volume 1.5 . The free volume 1.11 can be filled with a substance that has an electrically insulating effect and has a low strength. The rings 1.6 , 1.7 and 1.8 and the electrically insulating layer 1.10 are of such strength that pressure fluctuations in the volume 1.5 lead to changes in shape of the electrically insulating layer 1.10 and of the rings 1.6 , 1.7 and 1.8 , which are then transferred to the piezo element 1.1 . At the same time, the rings 1.6 , 1.8 and in particular the ring 1.7 have good thermal conductivity, so that the change in the electrical voltage between the end faces 1.1.1 and 1.1.2 of the piezoelectric element 1.1 is equal to the change when the temperature in the volume 1.5 changes the electrical voltage between the end faces 1.2.1 and 1.2.2 of the piezo element 1.2 with the same change in temperature in the volume 1.5 . The electrical voltages between the end surfaces 1.1.1 and 1.1.2 and 1.2.1 and 1.2.2 of the piezo elements 1.1 and 1.2 are tapped in the embodiment of FIG. 1 by a two-wire, insulated and shielded cable 1.12 . From the shield 1.12.1 of the cable 1.12 with the ring 1.7 is electrically connected, the wire 1.12.2 of the cable 1.12 is electrically connected with the ring 1.6 and the wire is 1.12.3 of the cable 1.12 with the end face 1.2.2 of the piezoelectric element 1.2 electrically connected. The electrically conductive connection of the shield 1.12.1 of the cable 1.12 to the ring 1.7 thus gives a common reference potential of the piezo elements 1.1 and 1.2 .

Gegenüber dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind gemäß der Darstellung der Fig. 2 auch Variationen dahin gehend möglich, daß die Ader 2.12.2 des Kabels 2.12 nicht mit dem Ring 2.6 elektrisch leitend verbunden wird, sondern daß die Ader 2.12.2 des Kabels 2.12 elektrisch leitend direkt mit der Endfläche 2.1.1 des Piezoelementes 2.1 verbunden wird. In diesem Fall muß der Ring 2.6 nicht elektrisch leitend sein. Ebenso können an­ stelle der Abschirmung 1.12.1 des Kabels 1.12 zwei weitere Adern 2.12.4 und 2.12.5 des Kabels 2.12 verwendet werden, die direkt mit den Endflächen 2.1.2 bzw. 2.2.1 der Piezoelemente 2.1 und 2.2 elektrisch leitend verbunden werden. Die elektrische Spannung des als Arbeitselemen­ tarsensor verwendeten Piezoelementes 2.1 wird somit durch die Adern 2.12.2 und 2.12.4 des Kabels 2.12 abgegriffen, während die elektrische Spannung des als Temperaturkom­ pensationselementarsensors verwendeten Piezoelementes 2.2 durch die Adern 2.12.3 und 2.12.5 des Kabels 2.12 abge­ griffen wird. In diesem Ausführungsbeispiel müssen die Ringe 2.6, 2.7 und 2.8 nicht elektrisch leitend sein, wo­ bei dann auch die in Fig. 1 dargestellte isolierende Schicht 1.9 entfallen kann und wobei die isolierende Schicht 2.10 dann auf die dem Gewinde der Schraube 2.3 zugewandte Innenfläche der Unterlegscheibe begrenzt werden kann. Die in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 getroffenen Aussagen über die mechanische Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit der einzelnen Bauteile dieses erfindungsgemäßen Drucksensors gelten analog auch für die Bauteile des erfindungsgemäßen Drucksensors nach dem Aus­ führungsbeispiel der Fig. 2.Compared to the embodiment shown in FIG. 1, variations are possible according to the illustration in FIG. 2 in that the wire 2.12.2 of the cable 2.12 is not connected to the ring 2.6 in an electrically conductive manner, but rather that the wire 2.12.2 of the cable 2.12 is electrically conductively connected directly to the end face 2.1.1 of the piezo element 2.1 . In this case, the ring 2.6 does not have to be electrically conductive. Likewise, instead of the shield 1.12.1 of the cable 1.12, two further wires 2.12.4 and 2.12.5 of the cable 2.12 can be used, which are electrically conductively connected directly to the end surfaces 2.1.2 and 2.2.1 of the piezo elements 2.1 and 2.2 . The electrical voltage of the piezo element used as a working element tarsensor 2.1 is thus tapped by the wires 2.12.2 and 2.12.4 of the cable 2.12 , while the electrical voltage of the piezo element used as a temperature compensation element sensor 2.2 by the wires 2.12.3 and 2.12.5 of the cable 2.12 is tapped. In this exemplary embodiment, the rings 2.6 , 2.7 and 2.8 do not have to be electrically conductive, in which case the insulating layer 1.9 shown in FIG. 1 can also be omitted and the insulating layer 2.10 is then limited to the inner surface of the washer facing the thread of the screw 2.3 can be. The statements made in the embodiment of FIG. 1 about the mechanical strength and thermal conductivity of the individual components of this pressure sensor according to the invention also apply analogously to the components of the pressure sensor according to the exemplary embodiment from FIG. 2.

Gemäß der Darstellung der Fig. 3 wird die elektrische Spannung zwischen den Endflächen 1.1.1 und 1.1.2 bzw. 2.1.1 und 2.1.2 des als Arbeitselementarsensors ver­ wendeten Piezoelementes 1.1 bzw. 2.1 über die Signallei­ tung 3.1 einem Subtraktionsglied 3.3 zugeführt. Die elek­ trische Spannung zwischen den Endflächen 1.2.1 und 1.2.2 bzw. 2.2.1 und 2.2.2 des als Temperaturkompensationsele­ mentarsensors verwendeten Piezoelementes 1.2 bzw. 2.2 wird dem Subtraktionsglied 3.3 über die Signalleitung 3.2 zu­ geführt. Haben die Piezoelemente 1.1 bzw. 1.2 und 2.1 bzw. 2.2 dieselbe geometrische Form und dieselbe Größe, wird in dem Subtraktionsglied 3.3 die über die Signallei­ tung 3.2 zugeführte elektrische Spannung des Temperatur­ kompensationselementarsensors von der über die Signallei­ tung 3.1 zugeführten elektrischen Spannung des Arbeits­ elementarsensors abgezogen und daraus das Ausgangssi­ gnal 3.4 generiert, das mittels der bekannten Beziehungen zwischen der mechanischen und der elektrischen Spannung eines Piezoelementes den zu messenden Druck repräsentiert. Haben die beiden Piezoelemente 1.1 bzw. 1.2 und 2.1 bzw. 2.2 eine unterschiedliche Form und/oder Größe, muß zunächst die an dem Temperaturkompensationselementarsensor abgegriffene Spannung auf ein Piezoelement als Temperaturkompensationselementarsensor bezogen werden, das dieselbe Größe aufweist wie der Arbeitselementarsensor.According to the illustration of FIG. 3, the electric voltage between the end faces 1.1.1 and 1.1.2 or 2.1.1 and 2.1.2 of the ver as a working elementary sensor used piezoelement 1.1 and 2.1 is processing about the Signallei 3.1 3.3 a subtraction supplied. The electrical voltage between the end faces 1.2.1 and 1.2.2 or 2.2.1 and 2.2.2 of the piezo element 1.2 or 2.2 used as a temperature compensation element mentorsensors is fed to the subtraction element 3.3 via the signal line 3.2 . If the piezo elements 1.1 or 1.2 and 2.1 or 2.2 have the same geometric shape and the same size, the electrical voltage of the temperature compensation element sensor supplied via the signal line 3.2 is subtracted from the electrical voltage supplied via the signal line 3.1 of the working elementary sensor in the subtraction element 3.3 and from this the output signal 3.4 is generated, which represents the pressure to be measured by means of the known relationships between the mechanical and the electrical voltage of a piezo element. If the two piezo elements 1.1 or 1.2 and 2.1 or 2.2 have a different shape and / or size, the voltage tapped at the temperature compensation element sensor must first be related to a piezo element as a temperature compensation element sensor that has the same size as the working element sensor.

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellten erfindungsgemäßen Drucksensoren stellen lediglich Ausführungsbeispiele dar. Ein erfindungsgemäßer Drucksensor kann aus jedem Drucksensor erhalten werden, der den piezoelektrischen Effekt benutzt, indem aus dem Material des Arbeitselemen­ tarsensors ein Temperaturkompensationselementarsensor in den Drucksensor eingebracht wird, wobei der Temperatur­ kompensationselementarsensor derselben Temperatur ausge­ setzt wird wie der Arbeitselementarsensor und wobei der Temperaturkompensationselementarsensor einem Druck ausge­ setzt wird, der einem Referenzwert - zweckmäßigerweise dem Atmosphärendruck - entspricht. Die Auswertung der gemes­ senen elektrischen Spannungen geschieht wie in Fig. 3 dargestellt.The pressure sensors according to the invention shown in FIGS. 1 and 2 are only exemplary embodiments. A pressure sensor according to the invention can be obtained from any pressure sensor which uses the piezoelectric effect by introducing a temperature compensation element sensor from the material of the working element into the pressure sensor, the temperature Compensation elementary sensor is exposed to the same temperature as the working elementary sensor and the temperature compensation elementary sensor is subjected to a pressure that corresponds to a reference value - expediently the atmospheric pressure. The evaluation of the measured electrical voltages is done as shown in Fig. 3.

Der erfindungsgemäße Drucksensor kann in besonders vor­ teilhafter Weise als Unterlegscheibe einer Zylinderkopf­ schraube oder Zündkerze einer Brennkraftmaschine verwendet werden.The pressure sensor according to the invention can in particular geous way as a washer of a cylinder head screw or spark plug of an internal combustion engine is used will.

Claims (9)

1. Drucksensor,
  • - wobei die Drucksensierung erfolgt, indem ein Arbeits­ elementarsensor dem zu messenden Druck ausgesetzt und indem der Druck mittels eines Piezo-Effektes sensiert wird und
  • - wobei die Temperaturabhängigkeit dieses Piezo-Effektes durch einen Temperaturkompensationselementarsensor kom­ pensiert wird,
1. pressure sensor,
  • - The pressure is sensed by a working elementary sensor exposed to the pressure to be measured and by the pressure is sensed by means of a piezo effect and
  • the temperature dependence of this piezo effect is compensated by a temperature compensation elementary sensor,
dadurch gekennzeichnet,characterized,
  • - daß zur Drucksensierung der piezoelektrische Effekt verwendet wird,- That for pressure sensing the piezoelectric effect is used,
  • - daß das als Temperaturkompensationselementarsensor ver­ wendete Piezoelement (1.2; 2.2) aus dem gleichen Material besteht wie das als Arbeitselementarsensor verwendete Piezoelement (1.1; 2.1), - That the ver used as temperature compensation elementary piezo element ( 1.2 ; 2.2 ) consists of the same material as the piezo element used as a working element sensor ( 1.1 ; 2.1 ),
  • - daß das als Arbeitselementarsensor verwendete Piezoelement (1.1; 2.1) dem in einem Volumen (1.5) zu messenden Druck ausgesetzt wird,- That the piezo element ( 1.1 ; 2.1 ) used as the working element sensor is exposed to the pressure to be measured in a volume ( 1.5 ),
  • - daß das als Temperaturkompensationselementarsensor ver­ wendete Piezoelement (1.2; 2.2) derselben Temperatur ausgesetzt wird wie das als Arbeitselementarsensor ver­ wendete Piezoelement (1.1; 2.1), wobei das als Tempe­ raturkompensationselementarsensor verwendete Piezoelement (1.2; 2.2) ständig dem Umgebungsdruck des Volumens (1.5) ausgesetzt wird,- That the piezo element ( 1.2 ; 2.2 ) used as a temperature compensation element sensor is exposed to the same temperature as the piezo element ( 1.1 ; 2.1 ) used as a working element sensor, wherein the piezo element ( 1.2 ; 2.2 ) used as temperature compensation element sensor constantly the ambient pressure of the volume ( 1.5 ) is exposed
  • - daß die zwischen den Endflächen (1.2.1-1.2.2; 2.2.1-2.2.2) des als Temperaturkompensationselementar­ sensor verwendeten Piezoelementes (1.2; 2.2) entstehende elektrische Spannung und die zwischen den Endflä­ chen (1.1.1-1.1.2; 2.1.1-2.1.2) des als Arbeitselemen­ tarsensor verwendeten Piezoelementes (1.1; 2.1) entste­ hende elektrische Spannung mittels eines Ka­ bels (1.12; 2.12) abgegriffen werden können und über Signalleitungen (3.1, 3.2) einem Subtraktionsglied (3.3) zuführbar sind, in dem diese elektrischen Spannungen so subtrahiert werden, daß ein Ausgangssignal (3.4) ent­ steht, das entsprechend der Beziehung des piezoelek­ trischen Effektes zwischen der mechanischen und der elektrischen Spannung die mechanische Spannung des Ar­ beitselementarsensors und damit den auf diesen Arbeits­ elementarsensor wirkenden Druck repräsentiert.- That between the end faces ( 1.2.1-1.2.2 ; 2.2.1-2.2.2 ) of the piezoelectric element used as a temperature compensation element sensor ( 1.2 ; 2.2 ) and the voltage generated between the end faces ( 1.1.1-1.1. 2; 2.1.1-2.1.2 ) of the piezoelectric element ( 1.1 ; 2.1 ) used as the working element tarsensor can be tapped by means of a cable ( 1.12 ; 2.12 ) and via signal lines ( 3.1 , 3.2 ) a subtraction element ( 3.3 ) can be supplied in which these electrical voltages are subtracted so that an output signal ( 3.4 ) is created which, according to the relationship of the piezoelectric effect between the mechanical and electrical voltage, the mechanical stress of the working element sensor and thus the element sensor acting on this working element Represents pressure.
2. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das als Temperaturkompensationselementarsensor ver­ wendete Piezoelement (1.2; 2.2) dieselbe geometrische Form und Größe aufweist wie das als Arbeitselementarsensor verwendete Piezoelement (1.1; 2.1).2. Pressure sensor according to claim 1, characterized in that the ver used as temperature compensation element sensor piezo element ( 1.2 ; 2.2 ) has the same geometric shape and size as the piezo element used as a working element sensor ( 1.1 ; 2.1 ). 3. Drucksensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezoelemente (1.1, 1.2; 2.1, 2.2) als Ring aus­ gebildet sind und Teile einer Unterlegscheibe einer Schraube (1.3) darstellen,
  • - wobei die Piezoelemente (1.1, 1.2; 2.1, 2.2) durch einen eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisenden Ring (1.7; 2.7) verbunden sind,
  • - wobei mehrere Ringe (1.6, 1.7, 1.8; 2.6, 2.7, 2.8) und eine isolierende Schicht (1.9, 1.10; 2.10) eine solche Festigkeit aufweisen, daß sich infolge eines wirkenden Druckes ergebende Formänderung der Ringe (1.6, 1.7; 2.6, 2.7) eine Längenänderung des als Arbeitselementar­ sensors verwendeten Piezoelementes (1.1; 2.1) bewirken und
  • - wobei ein freies Volumen 1.11 vorhanden ist, in das das als Temperaturkompensationselementarsensor verwendete Piezoelement (1.2; 2.2) bei einer Formänderung der Ringe (1.6, 1.7; 2.6, 2.7) ausweichen kann.
3. Pressure sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the piezo elements ( 1.1 , 1.2 ; 2.1 , 2.2 ) are formed as a ring and represent parts of a washer of a screw ( 1.3 ),
  • - The piezo elements ( 1.1 , 1.2 ; 2.1 , 2.2 ) are connected by a ring ( 1.7 ; 2.7 ) with good thermal conductivity,
  • - wherein several rings ( 1.6 , 1.7 , 1.8 ; 2.6 , 2.7 , 2.8 ) and an insulating layer ( 1.9 , 1.10 ; 2.10 ) have such a strength that the shape of the rings ( 1.6 , 1.7 ; 2.6 , 2.7 ) cause a change in length of the piezo element ( 1.1 ; 2.1 ) used as the working element sensor and
  • - A free volume 1.11 is present, into which the piezo element ( 1.2 ; 2.2 ) used as a temperature compensation element sensor can move if the rings ( 1.6 , 1.7 ; 2.6 , 2.7 ) change shape.
4. Drucksensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß der Ring (1.7) elektrisch leitend ist,
  • - daß die sich gegenüber liegenden Endflä­ chen (1.1.2-1.2.1) der Piezoelemente (1.1, 1.2) jeweils gegenüber den zugehörigen Endflächen (1.1.1, 1.2.2) der Piezoelemente (1.1, 1.2) dasselbe Potential annehmen,
  • - daß die elektrischen Spannungen des Arbeitselementar­ sensors und des Temperaturkompensationselementarsensors abgegriffen werden, indem von einem zweiadrigen, abge­ schirmten Kabel (1.12) die Abschirmung (1.12.1) mit dem Ring (1.7) verbunden wird,
  • - daß eine Ader (1.12.3) des Kabels (1.12) unmittelbar mit der Endfläche (1.2.2) des Piezoelementes (1.2) verbunden wird und
  • - daß die andere Ader (1.12.2) des Kabels (1.12) elek­ trisch leitend mit der Endfläche (1.1.1) des Piezoelementes (1.1) verbunden wird.
4. Pressure sensor according to claim 3, characterized in
  • - that the ring ( 1.7 ) is electrically conductive,
  • - That the opposite end surfaces ( 1.1.2-1.2.1 ) of the piezo elements ( 1.1 , 1.2 ) each have the same potential relative to the associated end surfaces ( 1.1.1 , 1.2.2 ) of the piezo elements ( 1.1 , 1.2 ),
  • - That the electrical voltages of the working element sensor and the temperature compensation element sensor are tapped by the shield ( 1.12.1 ) is connected to the ring ( 1.7 ) by a two-core, shielded cable ( 1.12 ),
  • - That a wire ( 1.12.3 ) of the cable ( 1.12 ) is connected directly to the end face ( 1.2.2 ) of the piezo element ( 1.2 ) and
  • - That the other wire ( 1.12.2 ) of the cable ( 1.12 ) is electrically conductive with the end face ( 1.1.1 ) of the piezo element ( 1.1 ) is connected.
5. Drucksensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß der Ring (1.6) elektrisch leitend ist,
  • - daß eine isolierende Schicht (1.9) zwischen dem Ring (1.6) und dem Ring (1.7) vorhanden ist und
  • - daß die elektrisch leitende Verbindung der Ader (1.12.2) des Kabels (1.12) mit der Endfläche (1.1.1) des Piezoelementes (1.1) realisiert wird, indem die Ader (1.12.2) des Kabels (1.12) mit dem Ring (1.6) ver­ bunden wird.
5. Pressure sensor according to claim 4, characterized in
  • - that the ring ( 1.6 ) is electrically conductive,
  • - That an insulating layer ( 1.9 ) between the ring ( 1.6 ) and the ring ( 1.7 ) is present and
  • - That the electrically conductive connection of the wire ( 1.12.2 ) of the cable ( 1.12 ) with the end face ( 1.1.1 ) of the piezo element ( 1.1 ) is realized by the wire ( 1.12.2 ) of the cable ( 1.12 ) with the ring ( 1.6 ) is connected.
6. Drucksensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ader (1.12.2) des Kabels (1.12) unmittelbar mit der Endfläche (1.1.1) des Piezoelementes (1.1) verbunden ist.6. Pressure sensor according to claim 4, characterized in that the wire ( 1.12.2 ) of the cable ( 1.12 ) is connected directly to the end face ( 1.1.1 ) of the piezo element ( 1.1 ). 7. Drucksensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Spannungen der Piezoelemente (2.1, 2.2) abgegriffen werden,
  • - indem eine Ader (2.12.2) des Kabels (2.12) mit der End­ fläche (2.1.1) des Piezoelementes (2.1) verbunden wird,
  • - indem eine Ader (2.12.4) des Kabels (2.12) mit der End­ fläche (2.1.2) des Piezoelementes (2.1) verbunden wird,
  • - indem eine Ader (2.12.3) des Kabels (2.12) mit der End­ fläche (2.2.2) des Piezoelementes (2.2) verbunden wird und
  • - indem eine Ader (2.12.5) des Kabels (2.12) mit der End­ fläche (2.2.1) des Piezoelementes (2.2) verbunden wird.
7. Pressure sensor according to claim 3, characterized in that the electrical voltages of the piezo elements ( 2.1 , 2.2 ) are tapped,
  • - By connecting a wire ( 2.12.2 ) of the cable ( 2.12 ) to the end face ( 2.1.1 ) of the piezo element ( 2.1 ),
  • - By connecting a wire ( 2.12.4 ) of the cable ( 2.12 ) to the end face ( 2.1.2 ) of the piezo element ( 2.1 ),
  • - By connecting a wire ( 2.12.3 ) of the cable ( 2.12 ) to the end face ( 2.2.2 ) of the piezo element ( 2.2 ) and
  • - By connecting a wire ( 2.12.5 ) of the cable ( 2.12 ) to the end face ( 2.2.1 ) of the piezo element ( 2.2 ).
8. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch isolierende Schicht (1.10; 2.10) eine schlechte Wärmeleitfähigkeit aufweist.8. Pressure sensor according to one of claims 1 to 7, characterized in that the electrically insulating layer ( 1.10 ; 2.10 ) has poor thermal conductivity.
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