DE4303228C2 - Drucksensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Drucksensor und insbesondere einen Drucksensor zur Verwendung bei der Erfassung eines Fluiddrucks, beispielsweise eines Verbrennungsdrucks und eines Luftdrucks, wobei ein druckübertragendes flüssiges Medium zwischen eine Druckerfassungs-Anordnung und einer flexiblen Metallmembran gefüllt ist.

Fig. 2 illustriert ein Beispiel eines bekannten Drucksensors zur Verwendung in einer Fahrzeug-Brennkraftmaschine, um einen Gasdruck innerhalb ihrer Verbrennungskammer zu erfassen. In Fig. 2 umfaßt der Drucksensor einen ganz allgemein zylindrischen hohlen Gehäuse-Hauptkörper 1, hergestellt aus rostfreiem Stahl, beispielsweise SUS 304 nach dem japanischen Industriestandard (JIS), der an einer (nicht gezeigten) Maschine an einem Gewindeabschnitt 2 angebracht werden soll. Der Gehäuse-Hauptkörper 1 besitzt eine ganz allgemein zylindrische zentrale Bohrung bzw. ein zentrales Loch 3, die bzw. das darin gebildet ist und sich durch die gesamte Länge des Gehäuse-Hauptkörpers 1 erstreckt. An dem mittleren Abschnitt der zentralen Bohrung 3 ist ein Schulterabschnitt 1a gebildet, um eine Druckerfassungs-Anordnung 12 anzubringen. Die Druckerfassungs-Anordnung 12 unterteilt die zentrale Bohrung 3 in einen Erfassungshohlraum 3a, um dadurch einen an seinem Druckempfangsende 3c empfangenen Druck zu übertragen, und in einen Ausgangshohlraum 3b, durch den ein Ausgangssignal von der Druckerfassungs-Anordnung 12 geführt werden soll.

Die Druckerfassungs-Anordnung 12 umfaßt einen Steg 7, der aus Weicheisen hergestellt und an dem Schulterabschnitt 1a angebracht ist, ein mit dem Steg 7 verbundenes Glas- Befestigungsbett 6, ein an dem Befestigungsbett 6 angebrachtes Druckerfassungselement 5, Signalleitungen 8, die mit dem Druckerfassungselement 5 durch Verbindungsdrähte 9 elektrisch verbunden sind, und Gießharz 10. Für das Druckerfassungselement 5 eignet sich eine Halbleiter- Dehnungsmeßvorrichtung. Die Signalleitungen 8 verlaufen durch den Steg 7 von dem Erfassungshohlraum 3a nach oben zum Ausgangshohlraum 3b und werden durch ein zwischen den Steg 7 und die Signalleitung 8 gefülltes Dichtungsmittel 7a gehalten und abgedichtet. Das Gießharz 10 ist integral mit dem Druckerfassungselement 5, dem Befestigungsbett 6, dem Steg 7, der Signalleitung 8 und sämtlichen Verbindungsdrähten 9 vergossen. Der integral eingegossene Steg 7 ist an den Gehäuse-Hauptkörper 1 an dessen Schulterabschnitt 1a gelötet. Eine geringfügig und kontinuierlich gewellte flexible Metallmembran 4, die aus rostfreiem Stahl, beispielsweise SUS 304, hergestellt ist, ist an ihrem Umfang hermetisch an die umgebende äußere Kante des Druckempfangsende 3c des Gehäuse- Hauptkörpers 1 geschweißt, um den Erfassungshohlraum 3a abzudichten, der mit einem Druckübertragungsmedium 11, wie beispielsweise Silikonöl, gefüllt ist, um einen an der Membran 4 empfangenen Druck zu übertragen. Die flexible Membran 4 besitzt eine Dickenabmessung von 30 µm und einen effektiven Durchmesser von 8 mm. Der effektive Durchmesser ist ein Durchmesser eines Abschnitts der Membran 4, der mit dem Druckübertragungsmedium 11 in Berührung steht, um den zu erfassenden Druck zu empfangen und zu übertragen. Da die eine Oberfläche der Membran 4 mit dem Druckübertragungsmedium 11 in ihrer Gesamtheit in Berührung steht, gleicht bei diesem bekannten Drucksensor der effektive Durchmesser im wesentlichen dem äußeren Durchmesser der Membran 4.

Im Betrieb befindet sich das Druckempfangsende 3c mit der Membran 4 innerhalb einer Verbrennungskammer einer Maschine oder in einem Verbindungsrohr, das zu der Verbrennungskammer führt. Entsprechend der Druckschwankung in der Verbrennungskammer wird die Membran 4 durchgebogen, um die Druckschwankung durch das Übertragungsmedium 11 an das Druckerfassungselement 5 zu übertragen. Die übertragene Druckänderung wird an dem Druckerfassungselement 5 in ein elektrisches Signal gewandelt. Das elektrische Signal wird durch die Signalleitungen 8 über die Verbindungsdrähte 9 nach außen abgegeben.

Bei dem herkömmlichen wie oben beschriebenen Drucksensor besitzt die Membran 4 die Dickenabmessung von 30 µm und den effektiven Durchmesser von 8 mm. Ihre Resonanzfrequenz liegt zwischen 8500 Hz und 8600 Hz. Andererseits ist eine Oszillationsfrequenz in der Verbrennungskammer der Brennkraftmaschine im Bereich von 5000 Hz bis 9000 Hz. Deswegen kann auf der flexiblen Membran 4 leicht ein Resonanzphänomen auftreten und die flexible Membran 4 kann Risse bekommen und brechen.

Die US 4 382 377 zeigt einen Drucksensor, dessen Membran aus Titan hergestellt ist. Der Druck wird von der Membran erfaßt und über einen Plunger an einen Transducer übertragen. Bei dieser Druckschrift werden Resonanzbetrachtungen bezüglich der Dicke und des Durchmessers der Metallplatte des Transducers angestellt. Insbesondere soll die Flexibilität der Membran die gleiche wie die der Platte des Transducers sein.

Die DE 41 18 824 A1 zeigt einen Drucksensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ausgehend von einem derartigen Drucksensor liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Drucksensor zu schaffen, bei dem sich Oszillationen des zu erfassenden Drucks nicht ungünstig auf die Druckmesseigenschaften des Drucksensors auswirken können.

Diese Aufgabe wird durch einen Drucksensor gelöst, wie er im Patentanspruch 1 angegeben ist. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Drucksensors des Patentanspruchs 1 sind im abhängigen Patentanspruch 2 angegeben.

Erfindungsgemäß ist die Wahl der Dimensionen für die Dicke und den effektiven Durchmesser der Membran bestimmten Bedingungen unterworfen. Insbesondere weist die flexible Membran eine Resonanzfrequenz auf, die größer als der Oszillations-Frequenzbereich des zu erfassenden Drucks ist; die Dicke der Membran wird unter Berücksichtigung eines oberen kritischen Werts gewählt, während der effektive Durchmesser der Membran unter Berücksichtigung eines unteren kritischen Werts gewählt wird.

Vorzugsweise ist der effektive Durchmesser der Membran im Bereich von 7,5 mm bis 8,5 mm und ihre Dickenabmessung im Bereich von 35 µm bis 45 µm.

Bei dem Drucksensor der vorliegenden Erfindung ist die Dickenabmessung der Membran dicker als die des herkömmlichen Drucksensors. Die Resonanzfrequenz der Membran wird deswegen höher als der Oszillations-Frequenzbereich des zu erfassenden Drucks. Da das Resonanzphänomen nicht auftritt, können eine Rissebildung und Beschädigung in der Membran verhindert werden.

Die vorliegende Erfindung wird aus der nun folgenden ausführlichen Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen leicht ersichtlich.

In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt einer Ausführung des Drucksensors der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 2 einen Querschnitt eines bekannten Drucksensors.

Fig. 1 illustriert eine Ausführungsform des Drucksensors der vorliegenden Erfindung, der an eine (nicht gezeigte) Maschine angebracht werden soll und im wesentlichen den gleichen Aufbau wie der herkömmliche in Fig. 2 gezeigte Drucksensor besitzt, sich aber bezüglich der Größe der flexiblen Membran unterscheidet. Der Drucksensor der vorliegenden Erfindung umfaßt einen im wesentlichen zylindrischen hohlen Hauptkörper 1, der ein Loch 3 definiert, das sich dadurch erstreckt. Eine Druckerfassungs-Anordnung 12 befindet sich in dem Loch 3 des Hauptkörpers 1 und unterteilt das Loch 3 in einen Erfassungshohlraum 3a, um dadurch den an einem Druckerfassungsende 3c des Loches 3 zu erfassenden Druck zu übertragen, und in einen Ausgangshohlraum 3b, durch den ein Ausgangssignal von der Druckerfassungs-Anordnung 12 geführt werden soll. Da die Druckerfassungs-Anordnung 12 den gleichen Aufbau wie beim herkömmlichen Drucksensor besitzt, wird seine Beschreibung weggelassen. Eine flexible Metallmembran 40 mit der gleichen Welligkeit wie beim herkömmlichen Drucksensor ist geschweißt und an dem Hauptkörper 1 an dem Druckempfangsende 3c des Erfassungshohlraums 3a angebracht, um den Erfassungshohlraum 3a abzudichten, in den ein Druckübertragungsmedium 11 wie beispielsweise Silikonöl gefüllt ist.

Eine Resonanzfrequenz f einer flexiblen einfachen scheibenförmigen Membran mit keinen Welligkeiten, die an ihrer äußeren Umfangskante festgehalten wird, wird durch den folgenden Ausdruck

mit

r: effektiver Durchmesser,
E: Young's Modul,
ν: Poisson-Verhältnis,
ρ: Dichte

als eine Funktion ihrer Dickenabmessung t ausgedrückt. Die Resonanzfrequenz f ist proportional zur Dickenabmessung t. Die Beziehung zwischen der Resonanzfrequenz f und der Dickenabmessung t ist für die flexible Membran 40 der vorliegenden Erfindung grundsätzlich erfüllt. Wenn die Dickenabmessung t größer gemacht wird, wird die Resonanzfrequenz f höher.

Bei der praktischen Anwendung verursacht jedoch eine thermische Ausdehnung von Silikonöl während beispielsweise der Befestigung an einer Maschine eine anfängliche Spannung gegenüber einer Oberfläche der flexiblen Membran 40. Da eine thermische Ausdehnungsgröße des Silikonöls konstant ist, wird die anfängliche Spannung größer, je größer die Dickenabmessung t der flexiblen Membran 40 ist, und die flexible Membran 40 kann aufgrund der anfänglichen Spannung Risse bekommen, falls die Dickenabmessung t zu dick ist.

Ein kritischer Wert der Dickenabmessung t kann durch eine numerische Analyse gewonnen werden. Hierbei sollte auch der effektive Durchmesser r der flexiblen Membran 40 berücksichtigt werden, weil die flexible Membran 40 mit einem kleinen effektiven Durchmesser r Nachteile gegenüber Spannungen aufweist. Die Berechnung eines kritischen Wertes des effektiven Durchmessers r durch die Spannungsanalyse ergibt, daß er größer als 7,5 mm sein muß. Wenn der effektive Durchmesser r 7,5 mm ist, ergibt sich aus dem Ergebnis der Spannungsanalyse mittels der Finite-Elemente-Methode der obere kritische Wert für die Dickenabmessung t von 45 µm. Wenn die Dickenabmessung t größer als 45 µm wird, wird der flexiblen Membran eine Spannung zugefügt, die über der Ermüdungsgrenze liegt. Für die flexible Membran 40 der vorliegenden Erfindung mit der kontinuierlichen Welligkeit sollte als Ergebnis der Eigenwertanalyse mittels der Finite- Elemente-Methode unter Berücksichtigung ihrer kontinuierlichen Welligkeit auf der Grundlage des obigen Ausdrucks (1) für die einfache nichtwellige Scheibenmembran innerhalb der Bedingungen einer Dicke unter 45 µm der effektive Durchmesser r im Bereich von 7,5 mm bis 8,5 mm sein, und die Dickenabmessung t sollte im Bereich von 35 µm bis 45 µm sein, was bewirkt, daß eine Resonanzfrequenz erreicht wird, die größer als der Druckoszillations- Frequenzbereich von 5000 Hz bis 9000 Hz ist und daß das Resonanzphänomen verhindert wird. Die flexible Membran 40 besitzt somit 9000 bis 15000 Hz und liegt weit über einem Oszillations-Frequenzbereich des Drucks von 5000 bis 9000 Hz innerhalb der Verbrennungskammer der Brennkraftmaschine. Das Resonanzphänomen tritt deswegen nicht auf und die anfängliche Spannung bleibt auch unter derjenigen für die Ermüdungsgrenze.

Die obige Ausführung ist für einen Fall dargestellt, bei dem der Drucksensor der vorliegenden Erfindung an einer Fahrzeug- Brennkraftmaschine angebracht ist, um einen Verbrennungsdruck innerhalb einer Verbrennungskammer zu empfangen. Jedoch kann der Drucksensor der vorliegenden Erfindung natürlich verwendet werden, um einen anderen Flüssigkeitsdruck, beispielsweise einen Öldruck, einen Luftdruck und dergleichen, in verschiedenen Anwendungsbereichen zu erfassen, ohne daß die Gefahr eines Brechens der flexiblen Membran besteht.

Claims (2)

1. Drucksensor, umfassend:

• a) einen Hauptkörper (1) mit einem darin gebildeten Durchloch (3);
• b) eine in dem Durchloch (3) angeordnete Druckerfassungs-Einrichtung (12), die das Durchloch (3) in einen Druckerfassungs-Hohlraum (3a) zur Übertragung eines an seinem Druckerfassungsende (3c) erfassten Drucks und in einen Ausgangs- Hohlraum (3b), durch den ein dem erfassten Druck entsprechendes Ausgangssignal nach außen geführt wird, unterteilt;
• c) eine flexible Metallmembran (40), die an dem Hauptkörper (1) an dem Druckerfassungsende (3c) des Druckerfassungs-Hohlraums (3a) angebracht ist, um den Druckerfassungs-Hohlraum (3a) abzudichten; und
• d) ein Druckübertragungsmedium (11), das in den Druckerfassungs-Hohlraum (3a) gefüllt ist;

dadurch gekennzeichnet, daß

• a) ein effektiver Durchmesser (r) und eine Dicke (t) der flexiblen Metallmembran (40) so gewählt sind, daß die flexible Metallmembran (40) eine Resonanzfrequenz (f) aufweist, die größer als ein Oszillations-Frequenzbereich eines damit zu erfassenden Drucks ist, wobei die Wahl unter Berücksichtigung eines oberen kritischen Werts für die Dicke (t) und eines unteren kritischen Werts für den effektiven Durchmesser (r) erfolgt.

2. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der effektive Durchmesser der flexiblen Metallmembran (40) im Bereich von 7,5 mm bis 8,5 mm und die Dicke (t) im Bereich von 35 µm bis 45 µm liegt.