DE4112309C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor für Druckimpulse mit einem Gehäuse, einer das Gehäuse nach außen abschließenden Membran, deren dem Gehäuse abgewandte Außenseite vom zu erfassenden Druck beaufschlagt ist, einem im Gehäuse angeordneten, elektri­ sche Ausgangssignale liefernden, druckempfindlichen Teil zum Messen des auf die Membran aufgebrachten Drucks, wobei das druckempfindliche Teil in Zusammenarbeit mit der Membran eine Druckübertragungskammer bildet, in der dichtend eine Flüssig­ keit eingeschlossen ist, durch welche der Druck von der Membran auf das druckempfindliche Teil übertragen wird.

Ein üblicher Sensor der genannten Art ist in Fig. 2 darge­ stellt, die einen Längsschnitt zeigt eines Sensors zum Erfassen des Drucks in dem Verbrennungsraum einer üblichen Brennkraftma­ schine. Der Sensor umfaßt ein Gehäuse 1, das am nicht darge­ stellten Zylinderblock angebracht ist, ein aus einem Halblei­ ter-Dehnungsmeßgerät bestehendes und im Gehäuse 1 angeordnetes druckempfindliches Teil 2, eine Signalleitung 3, die an einem Ende am druckempfindlichen Teil 2 angebracht ist, einen Stopfen 4 zum Abschließen des Gehäuses 1, eine am unteren Ende des Gehäuses 1 angebrachte Membran 5 und eine Druckübertragungs-Flüssigkeit 6 mit einem hohen Siedepunkt, welche dicht in einer Druckübertragungskammer 7 eingeschlossen ist, welche ihrerseits zwischen der Membran 5 und dem druckempfindlichen Teil 2 innerhalb des Gehäuses 1 liegt.

Bei einem so konstruierten Drucksensor bewirkt ein Druckanstieg im Verbrennungsraum der Brennkraftmaschine eine Verformung der Membran 5, so daß der Druck in der Druckübertragungsflüssigkeit 6 in Verbindung mit einer solchen Verformung der Membran 5 erhöht wird und der Druckanstieg in der Druckübertragungsflüssigkeit 6 wird vom druckempfindlichen Teil 2 gemessen. Ausgehend von einer solchen Messung wird der Verbrennungszustand in dem Verbrennungsraum so beurteilt, daß beispielsweise die Steuerung des Zündzeitpunktes der Zündkerzen geändert wird.

Der übliche Drucksensor hat jedoch Probleme, die von Temperaturänderungen rund um den Sensor herum abhängen, das heißt, daß sich bei einer Änderung der Umgebungstemperatur die Druckübertragungsflüssigkeit 6 nicht nur in ihrem Volumen, sondern auch in ihrem Druck ändert, so daß solche Veränderungen der Druckübertragungsflüssigkeit 6 die Signalabgabe des druckempfindlichen Teils 2 so beeinflussen, als wenn Druckveränderungen im Verbrennungsraum vorhanden wären.

Es ist auch ein Sensor für Druckimpulse der einleitend genann­ ten Art bekannt (US-PS 45 86 018, Fig. 1), bei welchem zwi­ chen dem druckempfindlichen Teil und der Flüssigkeit, die tem­ peraturbeständig ist, eine zweite Membran vorgesehen ist, auf welcher das druckempfindliche Teil befestigt ist. Durch diese Ausführung soll die Übertragung von Wärme von der das Gehäuse nach außen abschließenden Membran auf die zweite Membran ver­ ringert werden. Das Problem einer Volumenänderung und einer Druckänderung der Übertragungsflüssigkeit bei Änderung der Um­ gebungstemperatur ist nicht angesprochen.

Es ist auch ein Sensor für Druckimpulse bekannt (DE-PS 1 06 087), mit welchem der mittlere Druck im Zylinder einer Brenn­ kraftmaschine dadurch ermittelt werden soll, daß der Innendruck des Zylinders, der einem Manometer zugeführt wird, an diesem nur langsam entlastet wird. Erreicht wird dies durch eine ein­ stellbare Drosselöffnung.

Es ist auch eine Differenzdruckmeßzelle bekannt (DE-AS 16 48 700) mit mindestens einem flüssigkeitsgefüllten Meßbalg und hydraulisch an diesen angekoppelten Ausgleichsbalg, mit dem ein flüssigkeitsgefüllter abgeschlossener Kompensationsbalg kraft­ schlüssig parallel geschaltet ist, wobei Volumen, Füllflüssig­ keit und Bodenfläche des Kompensationsbalges derart aufeinander abgestimmt sind, daß temperaturbedingte und durch die Kompres­ sibilität der Flüssigkeit bedingte Änderungen des Volumens der Flüssigkeit in dem Meßbalg und dem Ausgleichsbalg kompensiert werden.

Es ist schließlich ein Differenzdruckgeber bekannt (DE-OS 36 21 795) mit einem wenigstens aus zwei Meßmembranen gebildeten ab­ geschlossenen Meßraum, die mittels eines Koppelteils miteinan­ der und zur Erfassung des Differenzdrucks zwischen den auf die beiden Meßmembranen einwirkenden Drücken mit einem Biegebalken verbunden sind. Um hier die Abhängigkeit der Druckmessung von der Temperatur gering zu halten, ist der Biegebalken außerhalb des Meßraumes angeordnet, so daß der Meßraum mit minimalem Vo­ lumen gebildet werden kann, wodurch Temperaturschwankungen nur geringfügige Volumenänderungen der im Meßraum befindlichen Flüssigkeit hervorrufen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Sensor für Druckimpulse der einleitend genannten Art derart auszuführen, daß Änderungen der Umgebungstemperatur nicht zu Änderungen des Volumens und des Drucks der Druckübertragungsflüssigkeit führen, die die Signal­ abgabe des druckempfindlichen Teils so beeinflussen, als wenn Änderungen des zu erfassenden Drucks vorhanden wären.

Gelöst wird diese Aufgabe, ausgehend von einem Sensor der ein­ leitend genannten Art, gemäß der Erfindung durch eine mit der Druckübertragungskammer derart gekoppelte Druckaus­ gleichskammer, daß auf Temperaturänderungen zurückgehende Volu­ menänderungen der Flüssigkeit, die im Vergleich zu den Druckim­ pulsen von langer Dauer sind, von der Druckausgleichkammer so aufnehmbar sind, daß diese Volumenänderungen nicht zu Druckänderungen in der Flüssigkeit führen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteran­ sprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beispiels­ weise erläutert.

Fig. 1 ist ein Längsschnitt, der einen Druck-Sensor nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;

Fig. 2 ist ein Längsschnitt, der ein Beispiel eines üblichen Druck-Sensors darstellt;

Fig. 3 ist ein Längsschnitt, der einen Druck-Sensor nach einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;

Fig. 4 ist ein Längsschnitt, der einen Druck-Sensor nach einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;

Fig. 5 ist ein Querschnitt in vergrößertem Maßstab, der das Hauptteil des Druck-Sensors nach Fig. 4 darstellt.

In den Zeichnungen sind einander entsprechende Abschnitte des Druck-Sensors bei jeder der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sowie beim Druck-Sensor nach Fig. 2 mit denselben Bezugsziffern bezeichnet, so daß auf eine wiederholende Erklärung verzichtet werden kann.

Fig. 1 stellt einen Druck-Sensor nach einer ersten Ausführungsform nach der Erfindung dar.

Um bei dieser ersten Ausführungsform mit den Volumenänderungen der Druckübertragungsflüssigkeit 6 fertig zu werden, die aufgrund von Temperaturänderungen in deren Umfeld entstehen, sind dort Mittel vorgesehen, mit deren Hilfe die Kapazität der Druckübertragungskammer 7 in Abhängigkeit von den Volumenänderungen der Druckübertragungsflüssigkeit 6 verändert werden kann.

Die Mittel zum Verändern der Kapazität umfassen ein Hilfsgehäuse 10, welches im unteren Abschnitt im Gehäuse 1 angeordnet ist und eine Unterabteilung der Druckübertragungskammer 7 bildet, eine innerhalb des Hilfsgehäuses 10 angeordnete Hilfsmembran 11, eine Druckausgleichskammer 12, die im Raum oberhalb der Hilfsmembran 11 gebildet ist, ein im Gehäuse 1 vorgesehenes Durchgangsloch 13, mit dessen Hilfe eine Verbindung zwischen der Druckausgleichskammer 12 und der Umgebungsatmosphäre hergestellt wird und einen Spalt 14, der zwischen einem unteren Flansch 10a des Hilfsgehäuses 10 und dem Gehäuse 1 gebildet ist. Bei einem so aufgebauten Druck-Sensor werden in dem Fall, in dem die Druckübertragungsflüssigkeit 6 aufgrund von Temperaturänderungen in der Umgebung des Druck-Sensors schrittweise Volumensänderungen durchmacht, diese Volumensänderungen der Druckübertragungsflüssigkeit 6 durch den Spalt 14 hindurch in die Unterabteilung übertragen und durch die Hilfsmembran 11 aufgenommen, so daß auf diese Weise der Druck innerhalb der Druckübertragungskammer 7 gegenüber demjenigen rund um den Druck-Sensor herum gleich bleibt, weil die Druckausgleichskammer 12 über die Bohrung 13 mit der Atmosphäre in Verbindung steht.

Das druckempfindliche Teil 2 wird demzufolge daran gehindert, Volumensänderungen der Druckübertragungsflüssigkeit 6 als unnormale Veränderungen innerhalb des Verbrennungsraumes zu messen. In dem Fall, in dem sich der Druck innerhalb des Verbrennungsraumes aufgrund einer Störung schnell ändert, werden andererseits schnelle Druckänderungen von der Membran 5 aufgenommen und auf die Druckübertragungsflüssigkeit 6 übertragen. Solche schnellen Druckänderungen werden jedoch durch den Spalt 14, der vor der Hilfsmembran 11 angeordnet ist, daran gehindert, auf diese Hilfsmembran übertragen zu werden. Das druckempfindliche Teil 2 kann daher unnormale Druckänderungen im Verbrennungsraum genau und direkt messen. Aufgrund des Vorhandenseins der Kapazitäts-Änderungsmittel wird daher der Druck im Verbrennungsraum ohne gegenteilige Effekte gemessen, die aufgrund von Volumenänderungen in der Druckübertragungsflüssigkeit 6 im Zusammenhang mit Temperaturänderungen in der Umgebungsatmosphäre auftreten könnten.

Fig. 3 zeigt einen Druck-Sensor nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.

Bei der zweiten Ausführungsform sind Mittel vorgesehen, um die Kapazität der Druckübertragungskammer 7 in Abhängigkeit von Temperaturänderungen der Druckübertragungsflüssigkeit 6 zu verändern.

Die Mittel zum Verändern der Kapazität umfassen ein Hilfsgehäuse 110, das im unteren Abschnitt des Gehäuses 1 angeordnet ist und auf dessen Mittelabschnitt das druckempfindliche Teil 2 angebracht ist sowie einen Ring 111, der verschieblich auf dem unteren Abschnitt des Hilfsgehäuses 110 angebracht ist und als Abgrenzung bestimmt ist, um eine Druckausgleichskammer 112 zu bilden, sowie ein Durchgangsloch 113, das im Gehäuse 1 ausgebildet ist und durch das hindurch die Druckausgleichkammer 112 mit der Umgebung in Verbindung steht, eine Hilfsfeder 114, die in der Druckausgleichskammer 112 vorgesehen ist, um die Begrenzung 111 niederzudrücken sowie eine Feder 115, die in der Druckübertragungskammer 7 vorgesehen ist, um die Begrenzung 111 nach oben zu drücken. Da die Feder 115 als hitzeempfindliches Teil ausgebildet ist und aus einer Legierung mit einem sogenannten Formgedächtnis besteht, kann diese Feder 115 in Abhängigkeit von Temperaturänderungen der Druckübertragungsflüssigkeit 6 verformt werden, um auf diese Weise die Stellung der Begrenzung 111 zu verändern.

Bei einem so aufgebauten Druck-Sensor wird in dem Fall, daß die Druckübertragungsflüssigkeit 6 in ihrer Temperatur und in ihrem Volumen aufgrund von Temperaturänderungen in der Umgebung des Druck-Sensors verändert wird, die Feder 115 thermisch in Abhängigkeit von den Temperaturänderungen der Druckübertragungsflüssigkeit 6 verformt. In dem Fall zum Beispiel, in dem die Druckübertragungsflüssigkeit 6 sich in ihrem Volumen aufgrund einer ansteigenden Temperatur ausdehnt, wird die Begrenzung 111 um einen solchen Betrag nach oben bewegt, daß sie der Menge des Ausdehnungsvolumens der Druckübertragungsflüssigkeit 6 entspricht, wobei diese Verschiebung aufgrund der thermisch verformten und ausgedehnten Feder 115 erfolgt, so daß die Kapazität der Druckübertragungskammer 7 vergrößert wird. Der Innendruck der Druckübertragungskammer 7 bleibt demzufolge vor oder nach dem Temperaturanstieg in der Druckübertragungsflüssigkeit 6 gleich. Mit anderen Worten wird das druckempfindliche Teil 2 selbst dann daran gehindert, Druckänderungen aufgrund solcher Volumensänderungen zu messen, wenn die Druckübertragungsflüssigkeit 6 sich aufgrund von Umgebungstemperaturänderungen in ihrem Volumen ändert.

Das druckempfindliche Teil 2 mißt demzufolge Unregelmäßigkeiten innerhalb des Verbrennungsraumes der Verbrennungskraftmaschine unabhängig von Temperaturänderungen.

Wenn die aus einer Legierung mit einem sogenannten Formgedächtnis hergestellte Feder 115 bei dem Druck-Sensor nach Fig. 3 Umkehr-Eigenschaften aufweist, dann ist es möglich, die Feder 114 im Druck-Sensor wegzulassen.

Wenn die Druckausgleichskammer als Vakuumkammer verwendet wird, ist es ferner möglich, das Durchgangsloch 113 fortzulassen.

In den Fig. 4 und 5 ist ein Druck-Sensor nach einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt.

Auch bei der dritten Ausführungsform sind Mittel vorgesehen, mit deren Hilfe die Kapazität der Druckübertragungskammer 7 in Abhängigkeit von Temperaturänderungen der Druckübertragungsflüssigkeit 6 verändert werden kann.

Die Mittel zum Verändern der Kapazität umfassen ein wärmeempfindliches Teil 210, das eine Druckausgleichskammer 211 bildet, die von der Druckübertragungskammer 7 getrennt ist. Das wärmeempfindliche Teil 210 besteht aus einer Legierung mit einem sogenannten Formgedächtnis, und kann durch temperaturbedingte Volumenänderungen der Druckübertragungsflüssigkeit 6 thermisch deformiert werden.

Das wärmeempfindliche Teil 210 besteht aus einem zylindrischen Abschnitt und aus Flanschen, die sich von einander gegenüberliegenden Enden des zylindrischen Abstandes nach außen erstrecken, so daß das Teil 210 eine ringähnliche Form hat. Das wärmeempfindliche Teil 210 ist an einer inneren, zylindrischen Fläche des Gehäuses 1 innerhalb der Druckübertragungskammer 7 vorgesehen, so daß auf diese Weise eine Druckausgleichskammer 211 gebildet wird und wobei ferner diese Druckausgleichskammer 211 von der Druckübertragungsflüssigkeit 6 getrennt ist.

In dem Fall, daß sich bei einem so konstruierten Druck-Sensor das Volumen der Druckübertragungsflüssigkeit 6 aufgrund von Temperaturänderungen ändert, wird das wärmeempfindliche Teil 210 in Abhängigkeit von den Temperaturänderungen der Druckübertragungsflüssigkeit 6 thermisch verformt. Wenn die Druckübertragungsflüssigkeit 6 sich zum Beispiel im Volumen aufgrund von ansteigenden Temperaturen der Druckübertragungsflüssigkeit ausdehnt, wird das wärmeempfindliche Teil 210 so verformt, daß es sich in die Druckausgleichskammer 211 hinein verformt, wie dies in Fig. 5 dargestellt ist. Daraus folgt, daß die Kapazität der Druckübertragungskammer 7 vergrößert wird. Der Innendruck innerhalb der Druckübertragungskammer 7 wird demzufolge auf einem Wert gehalten, der vor oder nach dem Temperaturanstieg der Druckübertragungsflüssigkeit 6 gleich ist. Auf diese Weise wird das druckempfindliche Teil 2 daran gehindert, Druckänderungen zu messen, die aufgrund von Volumenänderungen der Druckübertragungsflüssigkeit 6 bei Temperaturänderungen in deren Umgebung erzeugt werden. Das druckempfindliche Teil 2 kann demzufolge Druckänderungen innerhalb des Verbrennungsraumes genau messen und zwar unabhängig von Veränderungen der Umgebungstemperatur.

In den oben beschriebenen Ausführungsformen ist die vorliegende Erfindung anhand eines Druck-Sensors zum Messen des Druckes innerhalb eines Verbrennungsraumes einer Verbrennungskraftmaschine beschrieben worden. Der Druck-Sensor nach der vorliegenden Erfindung kann jedoch auch für andere, außerhalb einer Verbrennungskraftmaschine liegende Zwecke verwendet werden.

Ferner ist als druckempfindliches Teil eine Halbleiter-Dehnungsmeß-Vorrichtung beschrieben worden. Als druckempfindliche Teile können zum Beispiel aber auch piezoelektrische Elemente verwendet werden.

Obwohl ferner Silikonöl als Druckübertragungs-Flüssigkeit verwendet worden ist, können als Druckübertragungs-Flüssigkeit auch andere Flüssigkeiten verwendet werden, die einen hohen Siedepunkt haben.

Ferner ist als wärmeempfindliches Teil ein Glied verwendet worden, das aus einer Legierung mit einem Formgedächtnis hergestellt ist. Es können jedoch auch andere Teile dazu verwendet werden, wenn dieses Teil verformt werden kann, um Volumensänderungen der Druckübertragungs-Flüssigkeit aufgrund von Temperaturänderungen aufzunehmen.

Claims (9)

1. Sensor für Druckimpulse mit
einem Gehäuse (1),
einer das Gehäuse (1) nach außen abschließenden Membran (5), deren dem Gehäuse (1) abgewandte Außenseite vom zu erfassenden Druck beaufschlagt ist,
einem im Gehäuse (1) angeordneten, elektrische Ausgangssi­ gnale liefernden, druckempfindlichen Teil zum Messen des auf die Membran aufgebrachten Drucks, wobei das druckemp­ findliche Teil (2) in Zusammenarbeit mit der Membran (5) eine Druckübertragungskammer (7) bildet, in der dichtend eine Flüssigkeit (6) eingeschlossen ist, durch welche der Druck von der Membran (5) auf das druckempfindliche Teil (2) übertragen wird, gekennzeichnet durch
eine mit der Druckübertragungskammer (7) derart gekoppelte Druckausgleichskammer (12, 112, 211), daß auf Temperaturände­ rungen zurückgehende Volumenänderungen der Flüssigkeit (6), die im Vergleich zu den Druckimpulsen von langer Dauer sind, von der Druckausgleichskammer (12, 112, 211) so aufnehm­ bar sind, daß diese Volumenänderungen nicht zu Druckände­ rungen in der Flüssigkeit (6) führen.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckausgleichskammer (12) mit der Atmosphäre in Verbindung steht, ein Hilfsgehäuse (10) vorgesehen ist, welches die Druckübertragungskammer (7) in einen Hauptteil und einen kleineren Teil unterteilt, die über einen kleinen Spalt (14) miteinander in Verbindung stehen, und daß eine Hilfsmembran (11) zwischen der Druck­ ausgleichskammer (12) und dem kleineren Teil der Drucküber­ tragungskammer (7) vorgesehen ist, um die Druckausgleichs­ kammer (12) von dem kleineren Teil der Druckübertragungs­ kammer (7) abzutrennen.

3. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfsgehäuse (10) einen zy­ lindrischen Abschnitt und an jedem Ende von diesem einen Flansch aufweist, von denen der eine Flansch am Gehäuse (1) anliegt, der zylindrische Abschnitt und der andere Flansch (10a) den kleineren Teil der Druckübertragungskammer (7) bilden, und daß der andere Flansch (10a) einen Außendurch­ messer hat, der etwas kleiner als der Innendurchmesser des Gehäuses (1) ist.

4. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckausgleichskammer (12) mit der Atmosphäre in Verbindung steht und durch ein Hilfs­ gehäuse (110) mit einem in der Druckübertragungskammer (7) angeordneten zylindrischen Abschnitt und einen Abgren­ zungsring (111) gebildet ist, der auf dem zylindrischen Ab­ schnitt des Hilfsgehäuses (110) und entlang der Innenwand des Gehäuses (1) verschieblich angebracht ist, daß der Abgren­ zungsring (111) durch ein in der Druckübertragungskammer (7) angeordnetes wärmeempfindliches Teil (115) beaufschlagt ist, um den Abgrenzungsring (111) in Abhängigkeit von Tem­ peraturänderungen der Druckübertragungsflüssigkeit (6) zu bewegen, und daß der Abgrenzungsring (111) überdies durch eine in der Druckausgleichskammer (112) angeordnete Feder (114) beaufschlagt ist, welche den Ab­ grenzungsring (111) in Verbindung mit dem wärmeempfindli­ chen Teil (115) um einen Betrag bewegt, der den Volumenän­ derungen der Druckübertragungsflüssigkeit (6) aufgrund von Temperaturschwankungen entspricht.

5. Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeempfindliche Teil (115) eine Schraubenfeder ist, die aus einer Legierung mit Formgedächtnis besteht.

6. Sensor nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckausgleichskammer (12, 112) über ein Durchgangsloch (113) im Gehäuse (1) mit der Atmosphäre in Verbindung steht.

7. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckausgleichskammer (211) durch ein wärmeempfindliches Teil (210) gebildet ist, wel­ ches durch temperaturbedingte Volumenänderungen der Druck­ übertragungsflüssigkeit (6) verformbar ist und welches in der Druckübertragungskammer (7) so angeordnet ist, daß die Druckausgleichskammer (211) von der Druckübertragungsflüs­ sigkeit (6) getrennt ist.

8. Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeempfindliche Teil (210) ringähnliche Gestalt mit einem zylindrischen Ab­ schnitt und einem Flansch an jedem Ende des zylindrischen Abschnitts hat.

9. Sensor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeempfindliche Teil (210) aus einer Legierung mit Formgedächtnis gebildet ist.