DE4444831A1

DE4444831A1 - Drucksensor

Info

Publication number: DE4444831A1
Application number: DE4444831A
Authority: DE
Inventors: Fumito Uemura; Seiki Kodama; Hiroshi Nakamura
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1993-12-17
Filing date: 1994-12-15
Publication date: 1995-06-29
Anticipated expiration: 2014-12-16
Also published as: DE4444831C2; US5557971A; JPH07174651A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drucksensor, insbesondere einen solchen Drucksensor, welcher eine Metallmembran aufweist und Druck über ein Fluid überträgt, und zur Druckmessung beispielsweise dann eingesetzt wird, wenn der Verbrennungsdruck in einer Brennkraftmaschine gemessen wird.

Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht des Aufbaus eines konventionellen Drucksensors, der zur Messung des Verbrennungsdrucks in einer Brennkraftmaschine verwendet wird, und bei ähnlichen Anwendungen, wobei ein im wesentlichen hohlzylindrisches Gehäuse 1 aus Edelstahl wie beispielsweise SUS 304 oder dergleichen einen Gewindeabschnitt 2 aufweist, der am Umfang des Gehäuses 1 in dessen unterem Abschnitt vorgesehen ist, um das Gehäuse 1 auf einer Brennkraftmaschine oder dergleichen (nicht gezeigt) anzubringen. Das Gehäuse 1 ist mit einer im wesentlichen säulenförmigen, zentralen Bohrung 3 versehen, die sich durch das Gehäuse hindurch erstreckt und einen Schulterabschnitt 3a in ihrem mittlerem Abschnitt aufweist. Ein Stiel 7 aus weichem, unlegiertem Stahl ist auf dem Schulterabschnitt 3a angeordnet, und ein Druckmeßelement 5, welches aus einem Halbleiterdehnungsmeßelement besteht, ist an einer Glasbasis 6 befestigt, die an der unteren Oberfläche des Stiels 7 angebracht ist. Darüber hinaus erstrecken sich Ausgangsleitungen 8 durch den Stiel 7 und sind elektrisch mit dem Druckmeßelement 5 über Verbindungsdrähte 9 verbunden. Eine gewellte oder geriffelte Membran 4, die aus Edelstahl SUS 304 oder dergleichen besteht, und eine Dicke von etwa 40 um sowie einen Durchmesser von etwa 8 mm aufweist, ist an dem unteren Ende des Gehäuses 1 beispielsweise durch Schweißen befestigt, und ein Druckübertragungsmedium 10, welches aus einer Flüssigkeit wie beispielsweise Silikonöl oder dergleichen besteht, ist in die zentrale Bohrung 3 zwischen dem Stiel 7 und der Membran 4 eingefüllt, um einen zu erfassenden Druck zu übertragen.

Nachstehend erfolgt eine Schilderung des Betriebsablaufs. Die Membran 4 wird in der Verbrennungskammer einer Brennkraftmaschine oder in einem Druckübertragungsweg angeordnet, der mit der Verbrennungskammer verbunden ist. Die Membran 4 wird entsprechend einer Druckänderung in der Verbrennungskammer verformt, und überträgt den Druck an das Druckmeßelement 5 über das Druckübertragungsmedium 10. Die übertragene Druckänderung in der Verbrennungskammer wird durch das Druckmeßelement 5 in ein elektrisches Signal umgewandelt, und das elektrische Signal wird nach außen über die Ausgangsleitungen 8 übertragen, die elektrisch durch die Verbindungsdrähte 9 angeschlossen sind.

Bei dem konventionellen Drucksensor tritt folgendes Problem auf: Zwar gibt es eine Frequenzdifferenz zwischen einem Ausgangssignal, welches von einer Druckänderung im Normalbetrieb herrührt, und einem Ausgangssignal, welches erzeugt wird, wenn eine nicht normale Druckänderung wie beispielsweise Klopfen und dergleichen vorhanden ist, jedoch gibt es keinen Unterschied bei den Größen oder den Amplituden der Ausgangssignale. Es ist daher schwierig, eine Unterscheidung der Ausgangssignale zwischen einem normalen und einem nicht normalen Zustand durchzuführen, und daher kann das Auftreten einer nicht normalen Druckänderung oder Druckschwingung wie beispielsweise Klopfen und dergleichen nur schwer erfaßt werden.

In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, daß der konventionelle Drucksensor eine Membran verwendet, die einen Durchmesser von 8 mm und eine Dicke von etwa 40 um aufweist, und eine Resonanzfrequenz von 10 000 bis 10 300 Hz aufweist, und daß die Druckschwingungsfrequenz in der Verbrennungskammer zwischen 5000 Hz und 9000 Hz liegt, wenn eine nicht normale Druckschwingung wie beispielsweise Klopfen und dergleichen auftritt, und daher schwingt beim Auftreten einer nicht normalen Druckschwingung wie beispielsweise Klopfen und dergleichen die Membran nicht ebenso wie im Falle eines normalen Betriebsablaufs, und daher kann ein Ausgangssignal mit hoher Verstärkung nicht erhalten werden. Daher läßt sich das Auftreten einer nicht normalen Druckschwingung, die sich von jener unterscheidet, die im Normalbetrieb auftritt, schwierig unterscheiden.

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Lösung des voranstehend geschilderten Problems, um einen Drucksensor zur Verfügung zu stellen, welcher eine Membran aufweist, die in Reaktion auf eine nicht normale Druckschwingung wie beispielsweise Klopfen und dergleichen so schwingt, daß das Auftreten einer nicht normalen Druckschwingung wie beispielsweise Klopfen oder dergleichen einfach auf der Grundlage der Resonanz der Membran erfaßt werden kann.

Unter Berücksichtigung des voranstehend geschilderten Ziels stellt die vorliegende Erfindung gemäß Patentanspruch 1 einen Drucksensor zu Verfügung, welcher ein Gehäuse aufweist, das mit einem Erfassungshohlraum versehen ist, der ein offenes Ende aufweist, eine in dem Erfassungshohlraum des Gehäuses angeordnete Druckmeßanordnung, eine Membran, die so angeordnet ist, daß sie das offene Ende des Erfassungshohlraums abdichtet, und ein in den Erfassungshohlraum eingefülltes Druckübertragungsmedium, wobei die Membran eine Resonanzfrequenz gleich der Frequenz einer nicht normalen Druckschwingung aufweist.

Gemäß Patentanspruch 2 ist die Außenform der Membran im wesentlichen scheibenförmig, und es sind ein solcher Durchmesser und eine derartige Plattendicke vorgesehen, welche es der Membran ermöglichen, eine Resonanzfrequenz aufzuweisen, die gleich der Frequenz der nicht normalen Druckschwingung ist.

Gemäß Patentanspruch 3 erfüllen der Durchmesser d (mm) und die Plattendicke t (µm) der Membran folgende Formel:

t = Kd², wobei K = 3,3×10^-4 ∼5,3×10^-4 ist.

Da bei dem Drucksensor gemäß der vorliegenden Erfindung der Durchmesser und die Plattendicke der Membran so gewählt sind, daß die Resonanzfrequenz der Membran im wesentlichen gleich einer Druckschwingungsfrequenz ist, wenn eine nicht normale Druckschwingung wie beispielsweise Klopfen und dergleichen in einer Verbrennungskammer auftritt, gerät die Membran 40 in Resonanz, wenn die nicht normale Druckschwingung wie beispielsweise Klopfen und dergleichen auftritt, so daß ein Ausgangssignal mit hoher Verstärkung erhalten werden kann, und daher das Auftreten der nicht normalen Druckschwingung einfach erfaßt werden kann.

Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus welchen weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen. Es zeigt

Fig. 1 eine Querschnittsansicht des Aufbaus eines Drucksensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 ein Diagramm mit einer Darstellung des Bereichs für den Durchmesser und die Plattendicke einer Membran bei der Ausführungsform von Fig. 1; und

Fig. 3 eine Querschnittsansicht des Aufbaus eines konventionellen Drucksensors.

Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht, welche den Aufbau eines Drucksensors gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei ein im wesentlichen hohlzylindrisches Gehäuse 1 aus einem Metall wie beispielsweise Edelstahl SUS 304 oder dergleichen einen Gewindeabschnitt 2 aufweist, der am Umfang des Gehäuses in dessen unteren Abschnitt vorgesehen ist, um das Gehäuse 1 auf einer Brennkraftmaschine oder dergleichen (nicht gezeigt) anzubringen. Das Gehäuse 1 ist mit einer im wesentlichen säulenförmigen, zentralen Bohrung 3 versehen, die sich durch das Gehäuse hindurch erstreckt, und in ihrem mittleren Abschnitt einen Schulterabschnitt 3a aufweist. Ein Stiel 7 aus weichem, unlegiertem Stahl ist fest abgedichtet an dem Schulterabschnitt 3a angebracht. Ein Druckmeßelement 5, welches ein Halbleiterdehnungsmeßelement aufweist, ist an einer Glasbasis 6 angebracht, die mit der unteren Oberfläche des Stiels 7 verbunden ist. Weiterhin sind Ausgangsleitungen 8, die sich vom Stiel 7 aus nach oben und unten erstrecken, elektrisch mit dem Druckmeßelement 5 über Verbindungsdrähte 9 verbunden.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, wird die zentrale Bohrung 3 durch den Stiel 7 in eine Druckmeßkammer 3c zur Übertragung eines Drucks in der Verbrennungskammer der Brennkraftmaschine auf das Druckmeßelement 5 sowie in eine Ausgangskammer 3b zur Ausgabe eines Ausgangssignals von dem Druckmeßelement 5 nach außen unterteilt. Weiterhin ist eine Membran 40, die aus Metall wie beispielsweise SUS 304 oder dergleichen besteht, und eine durchgehende Wellenform oder Rippenform aufweist, an dem unteren Ende des Gehäuses 1 so angebracht, daß sie die Innenseite der Druckmeßkammer 3c abdichtet. Die Druckmeßkammer 3c ist mit einem Druckübertragungsmedium 10 gefüllt, welches aus einer Flüssigkeit wie beispielsweise Silikonöl oder dergleichen besteht, zur Übertragung eines zu erfassenden Druckes. Statt dessen kann jede andere geeignete Flüssigkeit statt Silikonöl, welche einen hohen Siedepunkt aufweist, als das Druckübertragungsmedium 10 verwendet werden.

Eine nicht gewellte, flache scheibenförmige Platte, deren Umfang eingespannt ist, weist folgende Proportionalität zwischen einer Resonanzfrequenz f (Hz) und der Plattendicke t (µm) auf, die in der nachstehenden Formel angegeben ist:

f = {10·21/(2πr²)}
x [E/{12(1-ν²)ρ}]^½ t (Formel 1)

In der voranstehenden Formel ist r der Radius, E der Elastizitätsmodul, ν das Poisson-Verhältnis und ρ die Dichte. Wie aus der voranstehenden Formel deutlich wird, kann der Wert der Resonanzfrequenz f dadurch verringert werden, daß der Radius r erhöht wird und die Plattendicke t verringert wird.

Da die voranstehende Bedingung im wesentlichen auch bei der durchgehend wellenförmigen Membran 40 gemäß der vorliegenden Anmeldung gilt, wurde eine Eigenwertanalyse in Bezug auf die Membran 40 durchgeführt, unter Verwendung der voranstehenden Formel mit Hilfe eines Finite-Elemente-Verfahrens, wobei die durchgehende Wellenform der Membran 40 berücksichtigt wurde. Hierbei stellte sich heraus, daß die Resonanzfrequenz der Membran 40 frei innerhalb des Bereiches von 5000 Hz bis 9000 Hz dadurch eingestellt werden kann, daß auf geeignete Weise die Werte für den Durchmesser d und die Dicke t der Membran 40 aus dem Bereich zwischen einer Kurve 42 und einer Kurve 44 von Fig. 2 gewählt werden. Die Kurve 42 ist eine solche Kurve, auf welcher die Resonanzfrequenz von 9000 Hz erzielt werden kann, und die Kurve 44 ist eine solche Kurve, auf welcher die Resonanzfrequenz von 5000 Hz erzielt werden kann.

Wenn daher die Resonanzfrequenz der Membran 40 auf 5000 Hz eingestellt werden soll, ist es nur erforderlich, eine frei wählbare Koordinate (t, d) auf der Kurve 44 auszuwählten, und wenn sie auf 9000 Hz eingestellt werden soll, ist es nur erforderlich, eine frei wählbare Koordinate (t, d) auf der Kurve 42 auszuwählten. Die Kurve 42 und die Kurve 44 sind durch die nachstehenden Formeln gegeben:

Kurve 42: t = 5,3×10^-4×d² (Formel 2)

Kurve 44: t = 3,3×10^-4×d² (Formel 3)

Daher ist es ausreichend, nur den Durchmesser d und die Plattendicke t der Membran 40 so zu wählen, daß sie folgender Formel genügen:

t = Kd² (Formel 4)

wobei K eine Konstante ist, mit K = 3,3×10^-4 ∼5,3×10^-4.

Da jedoch experimentell bekannt ist, daß die mit einer durchgehenden Wellenform versehene Membran 40, die geschmiedet werden kann, eine Dicke t zwischen 20 µm und 50 µm aufweist, ist der in der Praxis nutzbare Bereich für den Durchmesser d und die Plattendicke t jener Bereich zwischen der Kurve 42 und der Kurve 44, in welchem die Plattendicke t zwischen 20 µm und 50 µm erhalten werden kann, wie durch die durchgezogene Linie in Fig. 2 dargestellt ist. Werden der Durchmesser und die Dicke der Membran 40 aus diesem Bereich ausgewählt, so kann die Resonanzfrequenz der Membran 40 im wesentlichen gleich einer solchen Druckschwingungsfrequenz gemacht werden, die dann auftritt, wenn eine nicht normale Druckschwingung wie beispielsweise Klopfen und dergleichen vorliegt. Wenn daher ein Brennkraftmaschinenverbrennungsdruck mit dem Drucksensor gemäß der vorliegenden Anmeldung gemessen werden soll, so liegt beim Normalbetrieb eine normale Druckschwingungsfrequenz in der Verbrennungskammer bei 4 bis 85 Hz, wogegen die Resonanzfrequenz der Membran 40 zwischen 5000 und 9000 Hz liegt. Dies führt dazu, daß im Normalbetrieb die Membran 40 nicht in Resonanz gerät, und ein Signal mit einer Verstärkung üblicher Größe ausgegeben wird, entsprechend dem konventionellen Drucksensor. Wenn jedoch die nicht normale Druckschwingung wie beispielsweise Klopfen und dergleichen auftritt, so gelangt, da die Frequenz der nicht normalen Druckschwingung erhöht wird und mit der Resonanzfrequenz der Membran 40 zusammenfällt, die Membran 40 in Resonanz, so daß sich ihre Frequenz erhöht, so daß ein hoher Druck auf das Druckmeßelement 5 ausgeübt wird. Daher kann der Drucksensor ein Ausgangssignal mit hoher Verstärkung abgeben, und kann das Auftreten der nicht normalen Druckschwingung einfach unterschieden und gemessen werden.

Zwar wurde die voranstehende Ausführungsform in Bezug auf einen solchen Fall beschrieben, in welchem der Drucksensor gemäß der vorliegenden Erfindung an der Brennkraftmaschine angebracht ist, jedoch kann die Ausführungsform auch dazu verwendet werden, einen Fluiddruck wie beispielsweise einen Hydraulikdruck zu messen, einen Luftdruck und dergleichen, und kann auch in derartigen Fällen dieselben Wirkungen wie voranstehend beschrieben erzielen.

Bei dem Drucksensor gemäß der vorliegenden Erfindung kann wie voranstehend erläutert dann, wenn der Durchmesser d und die Plattendicke t der Membran 40 so gewählt sind, daß sie die Formel t = Kd² erfüllen, wobei K = 3,3×10^-4 ∼5,3×10^-4 ist (Formel 4), die Resonanzfrequenz der Membran 40 praktisch gleich der Druckschwingungsfrequenz gemacht werden, die auftritt, wenn eine nicht normale Druckschwingung wie beispielsweise Klopfen und dergleichen in der Verbrennungskammer vorliegt. Dies führt dazu, da die Membran 40 in Reaktion auf die Druckschwingung nur dann in Resonanz gerät, wenn die nicht normale Druckschwingung auftritt, um hierdurch ein Ausgangssignal mit hoher Verstärkung zu erzeugen, daß das Auftreten der nicht normalen Druckschwingung, die sich von der Druckschwingung im Normalbetrieb unterscheidet, einfach unterschieden werden kann, wodurch das Auftreten der nicht normalen Druckschwingung einfach festgestellt werden kann.

Claims

1. Drucksensor mit einem Gehäuse, das mit einem Erfassungshohlraum versehen ist, der ein offenes Ende aufweist, mit einer Druckmeßeinrichtung, die in dem Erfassungshohlraum des Gehäuses angeordnet ist, mit einer Membran, die so angeordnet ist, daß sie das offene Ende des Erfassungshohlraums abdichtet, und mit einem Druckübertragungsmedium, welches in den Erfassungshohlraum eingefüllt ist, wobei die Membran eine Resonanzfrequenz gleich der Frequenz einer nicht normalen Druckschwingung aufweist.

2. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran eine im wesentlichen scheibenartige Außenform aufweist, und darüber hinaus einen solchen Durchmesser und eine solche Plattendicke, daß die Membran eine Resonanzfrequenz gleich der Frequenz der nicht normalen Druckschwingung aufweist.

3. Drucksensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser d (mm) und die Plattendicke t (µm) der Membran die Formel t = Kd² erfüllen, wobei K = 3,3×10^-4 ∼5,3×10^-4 ist.