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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Dehnungsmessstreifen und
im Spezielleren einen an einer Zündkerze
befestigten Dickschicht-Dehnungsmessstreifen,
der die Überwachung
des Druckes in einem Motorzylinder zulässt.
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Hintergrund der Erfindung
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Ein
an einem Zündkerzengehäuse befestigter
Dehnungsmessstreifen bietet eine ausgezeichnete Repräsentation
des Motorzylinderdruckes mit einem hohen Signal-Rauschverhältnis. Allerdings
weisen handelsübliche
Dehnungsmessstreifen einen Empfindlichkeitsfaktor von ungefähr 2 auf.
Ein Empfindlichkeitsfaktor von 2 liefert einen typischen Signalpegel
von nur wenigen Mikrovolt. Die Verwendung eines handelsüblichen
Dehnungsmessstreifen würde einen
sehr hohen Verstärkungsgrad
erfordern. Dehnungsmessstreifen, die aus Dickschichtwiderständen hergestellt
sind, weisen Empfindlichkeitsfaktoren von zwischen 10 und 20 auf,
was einen Signalpegel erzeugt, der um das 5- bis 10-fache größer ist
als bei handelsüblichen
Dehnungsmessstreifen.
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Auf
dem Gebiet der Technik besteht Bedarf an einem Dickschicht-Dehnungsmessstreifen,
der an einer Zündkerze
befestigt ist und ein größeres elektrisches
Signal bereitstellt als das von handelsüblichen Dehnungsmessstreifen.
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Das
Dokument
GB 2 344 179
A offenbart ein Verfahren zum Messen einer Druckänderung
im Inneren eines Motorzylinders während einer Verbren nung, wobei
mindestens ein Dickschichtwiderstand an einem Metallmantel einer
Zündkerze
befestigt und in einer Wheatstoneschen Brückenschaltung angeordnet ist,
wobei eine Spannung an den mindestens einen Dickschichtwiderstand
angelegt ist und eine Änderung
des Widerstands des mindestens einen Dickschichtwiderstandes in
Ansprechen auf eine Änderung
der Dehnung der Zündkerze überwacht
wird, um eine Druckänderung
während
einer Verbrennung im Inneren des Motorzylinders zu bestimmen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung, wie in den Ansprüchen 1 bis 5 definiert, ist
ein an einer Zündkerze befestigter
Dickschicht-Dehnungsmessstreifen, der weniger Verstärkung benötigt als
jener nach dem Stand der Technik. Der Dickschicht-Dehnungsmessstreifen
wird auf einem Metall (d. h. Edelstahl)-Mantel einer Zündkerze
aufgebracht. Es gibt zwei vorzuziehende Wege, einen Dickschicht-Dehnungsmessstreifen
auf den Metallmantel in axialen oder Umfangsrichtungsorientierungen
aufzubringen. In einer ersten Ausführungsform kann ein Dickschichtwiderstand
mit einem speziellen Siebdruckgerät direkt auf dem Metallmantel
aufgebracht werden. Jede Schicht des Dickschichtwiderstandes wird
aufgedruckt, trocknen gelassen und in einem Ofen gebrannt, um die Tinte
auf dem Metallmantel oder der vorhergehenden Schicht zu fixieren.
In einer zweiten Ausführungsform wird
ein Dickschichtwiderstand als ein Aufkleber auf den Metallmantel
gedruckt und aufgebracht. Die Zündkerze
wird dann in einem Ofen gebrannt, um den Dickschichtwiderstand auf
dem Metallmantel zu fixieren.
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Die
Dickschichtwiderstände
können
in einer viertel, einer halben oder einer vollen Wheatstoneschen
Brückenschaltung
eines Dehnungsmessstreifens enthalten sein. Ein einziger Dickschichtwiderstand
wird in einer vier tel Wheatstoneschen Brückenschaltung verwendet; zwei
Dickschichtwiderstände werden
in einer halben Wheatstoneschen Brückenschaltung verwendet; und
vier Dickschichtwiderstände
werden in einer vollen Wheatstoneschen Brückenschaltung verwendet. Die
volle Wheatstonesche Brückenschaltung
bietet einen Signalausgang, der vier Mal mit dem Ausgang der viertel
Wheatstoneschen Brückenschaltung
multipliziert ist, und die halbe Wheatstonesche Brückenschaltung
bietet einen Signalausgang, der zwei Mal mit dieser multipliziert ist.
Bei einer vollen Wheatstoneschen Brückenschaltung müssen vier
Dickschichtwiderstände
auf den Metallmantel aufgebracht werden.
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Eine
automatische Driftkompensationsschaltung wird verwendet, um die Änderung
des Widerstandes zu überwachen,
die die an der Zündkerze befestigten
Dickschichtwiderstände
erfahren. Die automatische Driftkompensationsschaltung umfasst einen
Eingangsverstärker,
einen Kompensationsverstärker
und einen Ausgangsverstärker.
Der Ausgang der Wheatstoneschen Brückenschaltung wird in den Eingangsverstärker eingegeben.
Der Ausgang des Eingangsverstärkers
wird in den Kompensationsverstärker
eingegeben. Der Ausgang des Eingangsverstärkers und des Kompensationsverstärkers wird
in den Ausgangsverstärker
eingegeben. Der Ausgangsverstärker
gibt ein Spannungssignal aus, das proportional zu den Druckänderungen
ist, die im Inneren des Motorzylinders auftreten, in den die Zündkerze
geschraubt wurde.
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Es
ist demgemäß ein Ziel
der vorliegenden Erfindung, einen an einer Zündkerze befestigten Dickschicht-Dehnungsmessstreifen
bereitzustellen, der ein größeres elektrisches
Signal liefert als handelsübliche
Dehnungsmessstreifen.
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Diese
und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
deutlicher.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine axiale Querschnittsdarstellung einer Zündkerze mit einem an einem
Metallmantel davon befestigten Dickschichtwiderstands-Dehnungsmessstreifen;
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2 ist
eine Querschnittsdarstellung einer Zündkerze, wie entlang der Linie
2-2 von 1 zu sehen, die nun vier an
dem Metallmantel befestigte Dickschichtwiderstands-Dehnungsmessstreifen zeigt;
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3A ist
eine schematische Darstellung einer viertel Wheatstoneschen Brückenschaltung,
die verwendet wird, um eine Dehnung einer Zündkerze zu messen;
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3B ist
eine schematische Darstellung einer halben Wheatstoneschen Brückenschaltung,
die verwendet wird, um eine Dehnung einer Zündkerze zu messen;
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3C ist
eine schematische Darstellung einer vollen Wheatstoneschen Brückenschaltung,
die verwendet wird, um eine Dehnung einer Zündkerze zu messen;
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4A ist
eine schematische Darstellung einer automatischen Driftkompensationsschaltung,
die verwendet wird, um eine Dehnung einer Zündkerze zu messen;
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4B ist
eine schematische Darstellung eines Beispiels einer automatischen
einer Driftkompensationsschaltung, die verwendet wird, um eine Dehnung
einer Zündkerze
zu messen und die nicht durch die beiliegenden Ansprüche abgedeckt
aber zum Verständnis
der Erfindung nützlich
ist;
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5 ist ein Beispiel einer grafischen Anzeige
eines Ausgangs des Dickschichtwiderstands-Dehnungsmessstreifens
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsform
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Unter
nunmehriger Bezugnahme auf die Zeichnungen zeigt 1 eine
axiale Querschnittsdarstellung einer Zündkerze 10 mit einem
an einem Metall (d. h. Edelstahl-)Mantel 14 davon befestigten Dickschicht-Dehnungsmessstreifen 12.
Die Zündkerze 10 weist
ferner einen Keramikzylinder 16 auf, der eine positive
Elektrode positioniert. Der Metallmantel 14 grenzt einen
Abschnitt des Keramikzylinders 16 eng ab, in dem ein Gewindeabschnitt
des Metallmantels die negative Elektrode trägt.
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Es
gibt zwei zu bevorzugende Wege, einen Dickschicht-Dehnungsmessstreifen 12 an
dem Metallmantel 14 aufzubringen. In einer ersten Ausführungsform
kann/können
ein oder mehrere Dickschichtwiderstände mit einem speziellen Siebdruckgerät direkt
auf dem Metallmantel 14 aufgebracht werden. Vorzugsweise
werden die Dickschichtwiderstände
auf dem Metallmantel 14 durch den folgenden Prozess gebildet.
Zunächst
werden zwei dielektrische Schichten auf den Metallmantel 14 aufgedruckt, getrocknet
und gebrannt. Dann wird eine Leiterschicht auf der dielektrische
Schicht aufgedruckt, getrocknet und gebrannt. Zuletzt wird eine
Piezowiderstandstinte auf der Leiterschicht aufgedruckt, getrocknet
und ge brannt. In einer zweiten Ausführungsform wird mindestens
ein Dickschichtwiderstand als ein Aufkleber auf den Metallmantel 14 gedruckt
und aufgebracht. Die Zündkerze
wird dann in einem Ofen gebrannt, um den Dickschichtwiderstand auf
dem Metallmantel zu fixieren.
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Unter
Bezugnahme auf 2 sind zwei axiale Dickschichtwiderstände 18a und
zwei Dickschicht-Ringwiderstände 18b unter
Verwendung des einen oder anderen der obigen Befestigungsverfahren
an dem Metallmantel 14 befestigt. Die beiden axialen Dickschichtwiderstände 18a messen
eine durch einen Motorzylinder-Verbrennungsdruck induzierte axiale
Dehnung der Zündkerze 10.
Die beiden Dickschicht-Ringwiderstände 18b messen eine
durch einen Motorzylinder-Verbrennungsdruck induzierte Ringdehnung
der Zündkerze 10.
Die beiden axialen und Dickschicht-Ringwiderstände sind jeweils in 2 als
einander gegenseitig gegenüberliegend gezeigt.
Allerdings ist die Position der Dickschichtwiderstände auf
dem Metallmantel 14 oder die relative Position der Dickschichtwiderstände in Bezug
zueinander lediglich beispielhaft und nicht einschränkend dargestellt.
Des Weiteren können
auch vier axiale Dickschichtwiderstände anstelle von zwei axialen Dickschichtwiderständen und
zwei Dickschicht-Ringwiderständen
verwendet werden.
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Unter
Bezugnahme auf die 3A bis 3C können die
Dickschichtwiderstände
in einer viertel, einer halben oder einer vollen Wheatstoneschen
Brückenschaltung
eines Dehnungsstreifens umfasst sein. Obwohl es offensichtlich ist,
ist es lehrreich darauf hinzuweisen, dass in der Wheatstoneschen
Brückenschaltung
nur die Dickschichtwiderstände
als Dehnungsmesser dienen, während
die normalen Widerstände
nicht als Dehnungsmesser dienen und verwendet werden, um die viertel
und halben Wheatstoneschen Brückenschaltungen
abzugleichen.
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Eine
viertel Wheatstonesche Brückenschaltung 20 ist
bei 3A gezeigt und umfasst drei normale Widerstände R1, R2, R3 und
einen Dickschichtwiderstand G1. Eine halbe
Wheatstonesche Brückenschaltung 22 ist
bei 3B gezeigt und umfasst zwei normale Widerstände R11, R12 und zwei
Dickschichtwiderstände
G11, G12. Eine volle
Wheatstonesche Brückenschaltung 24 ist
bei 3C gezeigt und umfasst vier Dickschichtwiderstände G21, G22, G23, G24. Die volle
Wheatstonesche Brückenschaltung 24 bietet
einen Signalausgang, der vier Mal und die halbe Wheatstonesche Brückenschaltung 22 bietet
einen Signalausgang, der zwei Mal mit der der viertel Wheatstoneschen
Brückenschaltung 20 multipliziert
ist. Selbstverständlich
besteht eine Überlegung
darin, dass die volle Wheatstonesche Brückenschaltung die Befestigung
von vier Dickschichtwiderständen
an der Zündkerze 10 beinhaltet.
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Eine
automatische Driftkompensationsschaltung 26, wie in 4A gezeigt,
wird verwendet, um die Änderung
des Widerstandes zu bestimmen, die die an der Zündkerze 10 befestigten
Dickschichtwiderstände
auf Grund einer Dehnung erfahren. Die Dickschichtwiderstände sind
Teil einer viertel, halben oder vollen Wheatstoneschen Brückenschaltung 20, 22, 24,
wie oben beschrieben. Die automatische Driftkompensationsschaltung 26 umfasst
einen Eingangsverstärker 28,
einen Kompensationsverstärker 30 und
einen Ausgangsverstärker 32.
Der Spannungseingang Vs in die Wheatstonesche
Brückenschaltung
wird über
ein Potentiometer 36 eingestellt.
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Im
Betrieb wird der Ausgang einer viertel, halben oder vollen Wheatstoneschen
Brücke 20, 22, 24 in
den Eingangsverstärker 28 eingegeben,
der in der Form eines Instrumentenverstärkers vorliegt, welcher allgemein
aus zwei oder drei Operationsverstärkern auf eine Weise zusammengesetzt
ist, die im Stand der Technik gut bekannt ist. Der Ausgang des Eingangsver stärkers 28 wird
in den Kompensationsverstärker 30 und
den Ausgangsverstärker 32 eingegeben.
Der Eingangsverstärker
wird mit einer Referenzspannung Vs/2 versorgt,
die eine Ausgangsruhespannung des Eingangsverstärkers mit gleich Vs/2 herstellt.
Der Kompensationsverstärker 30 ist
als ein Impedanzwandler konfiguriert. Die Spannung V1 wird in
den Kompensationsverstärker 30 eingegeben
und durch den Widerstand R01 und den Kondensator
C01 gefiltert. Der Kompensationsverstärker 30 gibt
eine Spannung V2 aus, die in den positiven
Pol des Ausgangsverstärkers 32 eingegeben
wird. Das Eingangspotentiometer 36 wird verwendet, um die Spannung
V1 mit der Spannung V2 abzugleichen,
sodass V1 = V2 =
Vs/2. Die Spannung V2 wird
durch den Widerstand R02 und den Kondensator
C02 gefiltert.
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Der
Ausgangsverstärker 32 ist
als ein Differenzverstärker
konfiguriert. Die Spannung V1 wird in den
negativen Pol des Ausgangsverstärkers 32 über einen
Eingangswiderstand Rin eingegeben. Ein Verstärkungswiderstand
Rg versorgt den Ausgangsverstärker 32 mit
einer Ausgangsspannung V3. Ein Offset-Widerstand
Roffset wird derart eingestellt, dass V3 = Vs/10, wenn der
Druck im Inneren des Motorzylinders gleich Null ist. Die Änderung
des Spannungssignals wird verwendet, um z. B. über eine Anzeige 38 (d.
h. einem Speicheroszilloskop) die Druckablesungen im Inneren des
Motorzylinders zu überwachen, ohne
dass ein Drucksensor vorhanden ist, der in den Zylinder eindringt.
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Ein
Beispiel einer automatischen Driftkompensationsschaltung 40,
die durch die Ansprüche nicht
abgedeckt, zum Verständnis
der Erfindung jedoch nützlich
ist, ist bei 4B gezeigt und kann ebenfalls
verwendet werden, um die Änderung
des Widerstandes zu bestimmen, welche die an der Zündkerze 10 befestigten
Dickschichtwiderstände auf
Grund einer Dehnung erfahren. Die Dickschichtwiderstände sind
Teil der viertel, hal ben oder vollen Wheatstoneschen Brückenschaltung 20, 22, 24,
wie oben beschrieben. Die automatische Driftkompensationsschaltung 40 umfasst
einen ersten Eingangsverstärker 42,
einen zweiten Eingangsverstärker 44 und einen
Ausgangsverstärker 46.
Der Spannungseingang Vs in die Wheatstonesche
Brückenschaltung wird über das
Potentiometer 36 eingestellt.
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Im
Betrieb wird der Ausgang der viertel, halben oder vollen Wheatstoneschen
Brücke 20, 22, 24 in
den ersten Eingangsverstärker 42 und
den zweiten Eingangsverstärker 44 eingegeben,
die beide in der Form eines Instrumentenverstärkers vorliegen, welcher allgemein
aus zwei oder drei Operationsverstärkern auf eine Weise zusammengesetzt
ist, die im Stand der Technik gut bekannt ist. Ein Eingangsanschluss
des zweiten Eingangsverstärkers 44 wird
mit einem Widerstand R03 und einem Kondensator
C03 gefiltert und der andere Eingangsanschluss
wird mit einem Widerstand R04 und einem
Kondensator C04 gefiltert. Der erste und
der zweite Eingangsverstärker werden
mit einer Referenzspannung Vs/2 versorgt, die
eine Ausgangsruhespannung der Eingangsverstärker mit gleich Vs/2
herstellt.
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Ein
negativer Pol des Ausgangsverstärkers 46 wird
durch den Ausgang des ersten Eingangsverstärkers 42 über einen
Widerstand Rin2 versorgt. Die Spannung V2' wird
von einem Widerstand R05 und einem Kondensator
C05 gefiltert. Ein positiver Pol des Ausgangsverstärkers 46 wird
durch den Ausgang des zweiten Eingangsverstärkers 44 und eine
Spannung Vs über
ein Offset-Potentiometer 48 versorgt. Das Eingangspotentiometer 36 wird
verwendet, um die Spannung V1' mit der Spannung
V2' abzugleichen, sodass
V1' =
V2' =
Vs/2.
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Der
Ausgangsverstärker 46 ist
als ein Differenzverstärker
konfiguriert. Ein Verstärkungswiderstand
Rg2 versorgt den Ausgangsverstärker 46 mit
einer Ausgangsspannung V3. Ein Offset-Potentiometer 48 wird
derart eingestellt, dass V3' = Vs/10,
wenn der Druck im Inneren des Motorzylinders gleich null ist. Die Änderung
des Spannungssignals wird verwendet, um z. B. über eine Anzeige 38 (d.
h. einem Speicheroszilloskop) die Druckablesungen im Inneren des
Motorzylinders zu überwachen,
ohne dass ein Drucksensor vorhanden ist, der in den Zylinder eindringt.
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5 zeigt ein Beispiel einer grafischen Ausgabe 50 einer
Anzeige, die ein Verbrennungsereignis zeigt, wobei die Zündkerze
eine halbe Wheatstonesche Brückenschaltung
gemäß der vorliegenden
Erfindung aufweist. Die vertikale Achse steht für Volt, was einem Zylinderdruck
(d. h. psi, bar etc.) entspricht, und die horizontale Achse steht
für Sekunden,
was einem Kurbelwinkel bei einer konstanten Drehzahl entspricht.
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Für den Fachmann
auf dem Gebiet der Technik, auf die sich die Erfindung bezieht,
kann die oben beschriebene bevorzugte Ausführungsform einer Änderung
oder Abwandlung unterzogen werden. Solch eine Änderung und Abwandlung können vorgenommen
werden, ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen, der nur durch
den Umfang der beiliegenden Ansprüche beschränkt sein soll.