DE731436C

DE731436C - Procedure for measuring pressure differences

Info

Publication number: DE731436C
Application number: DEZ23211D
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Siegfried Meurer
Original assignee: Zeiss Ikon AG
Current assignee: Zeiss Ikon AG
Priority date: 1936-05-27
Filing date: 1936-05-27
Publication date: 1943-02-06

Description

Verfahren zur Messung von Druckdifferenzen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung von Druckdifferenzen, insbesondere an Verbrennungsmaschinen, unter Verwendung von piezoelektrischen Druckmeßelementen.Methods of Measuring Pressure Differences The invention relates to to a method for measuring pressure differences, in particular on internal combustion engines, using piezoelectric pressure measuring elements.

Die bekannten Verfahren dieser Art beruhen im allgemeinen auf der gleichzeitig oder nacheinander erfolgenden Aufzeichnung des Druckverlaufes in den einzelnen Verbrennungsräumen. Durch Vergleich der Aufzeichnung werden die zwischen den einzelnen Räumen bestehenden Druckunterschiede festgestellt. Dieses Verfahren setzt voraus, daß die für die einzelnen Meßstellen vorgesehenen Apparaturen, von denen jede aus einem Quarzindikator in einer Verstälkereinrichtung besteht, die gleiche Empfindlichkeit aufweisen. Die Schwierigkeiten in der Angleichung der Empfindlichkeit sind hinreichend bekannt. Es ist fernerhin bekannt, daß zur Vermeidung der Übersteuerung des Verstärkers bei den auf die Quarzindikatoren einwirkenden hohen Absolutdrucken die Gitterkapazitäten relativ hoch bzw. die Querschnitte der Druckelemente relativ klein gewählt werden müssen. Die Folge hiervon ist, daß die Empfindlichkeit der bekannten Meßeinrichtungen relativ gering ist. Geringe Druckunterschiede zwischen den einzelnen Räumen der Verbrennungsmaschine sind daher in dem Druckdiagramm wenig oder überhaupt nicht zu erkennen. The known methods of this type are generally based on simultaneous or successive recording of the pressure curve in the individual combustion chambers. By comparing the record, the between the pressure differences existing in the individual rooms were determined. This method assumes that the equipment provided for the individual measuring points, from each of which consists of a quartz indicator in an amplifier device, the have the same sensitivity. The difficulties in adjusting the sensitivity are well known. It is also known that to avoid overdriving of the amplifier at the high absolute pressures acting on the quartz indicators the grid capacities are relatively high or the cross-sections of the pressure elements are relatively high must be chosen small. The consequence of this is that the sensitivity of the known measuring devices is relatively small. Small pressure differences between the individual spaces of the internal combustion engine are therefore few in the pressure diagram or not recognizable at all.

Es ist rveiterhin eineDruckmeßkammer bekanntgeworden, bei welcher zwei Quarzpaare in ein und demselben Gehäuse eingebaut und so angeordnet sind, daß das eine Ouarzpaar nur den durch Wärmedehnungen des Gehäuses verursachten Kräften unterworfen ist, während das andere zugleich auch von den zu messenden Kräften beeinflußt wird. Die beiden Quarzpaare sind elektrisch so gegeneinandergeschaltet, daß die resultierende Ladung der Differenz der auf ihnen wirkenden Kräfte entspricht. 'ach einem ähnlichen Prinzip arbeitet ein anderer bekannter piezoelektrischer Druckmesser, bei dem die durch Erschütterungen und Beschleunigungen verursachten Störungen aufgehoben werden. Bei dieser Anordnung wird ein Ouarzpaar nur durch die Störkräfte und das andere durch Stör- und Meßkräfte beeinflußt. Beide sind so gegeneinandergeschaltet, daß die Differenz der auf beiden wirkenden Kräfte zur Anzeige kommt. Die bekannten Anordnungen lassen also bereits die Verwendung zweier elektrisch verbundener piezoelektrischer Druckelemente zur Niessung der Differenz zweier Kräfte bzw. Drucke, die an verschiedenen Meßstellen wirken, erkennen, wenn auch hierbei die Meßstellen infolge des besonderen Verlvendungszweckes in einem für beide Druckelemente gemeinsamen Gehäuse liegen. Allerdinbs verursacht die bekannte Art der Zusammenschaltung der Meßelemente erhebliche Schlvierigkeiten durch die Notwendigkeit, die Empfindlichkeit der einzelnen Druckmeßglieder mechanisch aneinander anzugleichen. Dies erfordert insbesondere bei vom gesamten zu mesenden Druck beeinflußten Meßquarzen einen meclaanischen Abgleich der Quarze selbst, so dalll sle die gleiche Empfindlichkeit aufweisen. Die übliche Beeinflussung der Empfindlichlieit mittels dem Meßquarz zugeschalteter Kondensatoren ist bei den bekannten Schaltungen nicht möglich, da sich dann die Kondensatoren für die beiden Meßelemente gegenseitig beeinflussen würden. A pressure measuring chamber has also become known in which two quartz pairs are installed in one and the same housing and arranged so that the one pair of Ouarz only to the forces caused by thermal expansion of the housing is subject, while the other is also influenced by the forces to be measured will. The two quartz pairs are electrically connected to one another in such a way that the resulting charge corresponds to the difference between the forces acting on them. 'Oh Another known piezoelectric pressure gauge works on a similar principle, in which the disturbances caused by vibrations and accelerations are eliminated will. With this arrangement, an Ouarzpaar is only due to the disturbing forces and the others influenced by interference and measuring forces. Both are so connected to each other that the difference between the forces acting on the two is displayed. The known Arrangements therefore already allow the use of two electrically connected piezoelectric Printing elements for measuring the difference between two forces or pressures, which act at different measuring points recognize, even if the measuring points are here too due to the special purpose of use in a common for both printing elements Housing lie. Allerdinbs causes the well-known type of interconnection of the Measuring elements considerable difficulties due to the need for sensitivity of the individual pressure measuring elements to be mechanically adjusted to one another. This requires especially in the case of quartz crystals influenced by the total pressure to be measured, a mechanical one Adjust the crystals themselves so that they all have the same sensitivity. The usual influencing of the sensitivity by means of the quartz measuring device switched on Capacitors is not possible with the known circuits, because then the Capacitors for the two measuring elements would influence each other.

Die vorstehend geschilderten Nachteile werden durch die Erfindung beseitigt, indem die durch die Erfindung gegebene Schaltung die Beeinflussung der Empfindlichkeit der einzelnen auf eine Meßeinrichtung arbeitenden AIeßquarze auf rein elektrischem Wege ermöglicht. Hierbei geht die Erfindung entsprechend dem oben wiedergegebenen Stand der Technik von einem Verfahren zur Niessung von Druckdifferenzen mittels elektrisch gegeneinandergeschalteter piezolelektrischer Druckelemente aus. Die Erfindung besteht darin, daß piezoelektrische Elemente an sich beliebiger Empfindlichkeit genommen werden und daß außerdem die Angleichung der Empfindlichkeit mittels elektrischer Mittel dadurch ermöglicht wird, daß die an den verschiedenen Nleßstellen angesetzten Elemente über je einen Kondensator, eine Verstärkerröhre oder Verstärkeranordnung schaltungstechnisch getrennt auf dieselbe Meßeinrichtung wirken. The disadvantages outlined above are alleviated by the invention eliminated by the circuit given by the invention influencing the Sensitivity of the individual measuring crystals working on a measuring device purely electric way. Here the invention goes according to the above reproduced prior art of a method for measuring pressure differences by means of electrically oppositely connected piezoelectric pressure elements. The invention consists in the fact that piezoelectric elements of any sensitivity and that also the adjustment of the sensitivity by means of electrical Means is made possible by the fact that the attached to the different Nleßstellen Elements each have a capacitor, an amplifier tube or an amplifier arrangement act separately in terms of circuitry on the same measuring device.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind durch die Ansprüche 2 und 3 gegeben. Further refinements of the invention can be found in claims 2 and 3 given.

Das Verfahren gemäß der Erfindung wird an zwei Ausfiihmllgsbeispielen erläutert. The method according to the invention is illustrated in two exemplary embodiments explained.

Jeder der beiden Quarzindikatoren I und (vgl. Abb. 1) gibt an seinen hochisolierten Elektroden eine dem Druck proportionale Ladung ab. Durch entsprechende Polung wird dafür gesorgt, daß die beiden Ladungen entgegengesetzte Vorzeichen besitzen. Die von beiden Indikatoren bei Belastung mit gleichen Drücken erzeugten Ladungen heben sich also, gleiche Empfindlichkeit vorausgesetzt, am Gitter der Röhre 4 auf, so daß keine Steuerspannung entsteht. Ist jedoch eine Druckdifferenz vorhanden, so entsteht entweder ein positiver oder ein negativer Ladungsüberschuß. Die am Gitter der Röhre 4 entstehenden Steuerspannungen entsprecllen somit allein der Druckdifferenz, die zwischen den Quarzindikatoren 1 und 2 vorhanden ist, so daß ohne eine Gefahr der Übersteuerung im Gitterkreis die Empfindlichkeit sehr groß gewählt werden kann. Die Maßstab für 1 at Druckdifferenz wird demgemäß sekr groß. wobei es gleichgültig ist, auf welcher absoluten Druckhöhe die Druckdifferenz steht. Each of the two quartz indicators I and (see Fig. 1) indicates its highly insulated electrodes collect a charge proportional to the pressure. Through appropriate Polarity ensures that the two charges have opposite signs. The charges generated by both indicators when loaded with equal pressures thus, assuming the same sensitivity, cancel out at the grid of the tube 4, so that there is no control voltage. However, if there is a pressure difference, this creates either a positive or a negative excess charge. The one on the grille the control voltages generated by the tube 4 thus correspond solely to the pressure difference, which is present between the quartz indicators 1 and 2, so that without any danger the overdrive in the grid circle the sensitivity can be selected to be very high. The scale for 1 at pressure difference is accordingly large. being indifferent to it is the absolute pressure level at which the pressure difference is.

Die elektrische Angleichung der Empfindlichkeit wird dadurch ermöglicht. daß für die Ankopplung der beiden Indikatoren an die Verstärkerröhre ein kapazitiver Spannungsteiler 3 in Form eines regelbaren Differentialkondensators benutzt wird, der an Stelle des sollst für jeden Indikator erforderlichen nkopplungskondensators tritt. Ein solcher ist in der Abb. I dargestellt und mit 3 bezeichnet. Durch Verstellung des drehbaren Teilers des Kondensators können die an das Gitter der Eingangsröhre des Verstärkers übertragenen Spannungen kompensiert werdeii. Als Isolationsmaterial für den Differentialkondensator wird zweckmäßig Bernstein verwendet. wn eine gute Isolierung zu gewährleisten.This enables the electrical adjustment of the sensitivity. that for the coupling of the two indicators to the amplifier tube a capacitive one Voltage divider 3 is used in the form of an adjustable differential capacitor, the coupling capacitor required in place of the should for each indicator occurs. Such is shown in Fig. I and labeled 3. By adjustment the rotatable divider of the condenser can be attached to the grid of the input tube voltages transmitted by the amplifier are compensated. As an insulation material amber is expediently used for the differential capacitor. wn a good one Ensure isolation.

Die Angleichung der Empfindlichkeit beider Indikatoren kann durch statische Eichung oder im Motor durch Aufnahme von Verdichtungsdiagrammen bei sehr lileiner Drehzahl erfolgen. Bei sorgfältiger Abgieichung bleibt das Anzeigeinstrument während des Verdichtungsvorganges in Ruhe. The equalization of the sensitivity of both indicators can be done by static calibration or in the engine by recording compression diagrams at very be done at one speed. With careful calibration, the display instrument remains during the compression process at rest.

Die Angleichung der Empfindlichkeit der Indikatoren kann auch durch parallel geschaltete Kondensatoren 6 (vgl. Abb. 2) in Verbindung mit einem Differentialkondensator vorgenommen werden. In diesem Falle wird der Differentialkondensator 3 zweckmäßig nur zur Feineinstellung benutzt, während die Kondensatoren 6 zur Grobregelung dienen. Bei Verwendung einstellbarer Kondensatoren 6 ist es möglich, an Stelle des Differentialkondensators einen dem Aufbau des Differentialkondensators entsprechenden. jedoch mit tester Belegung versehenen Kondensator zu verwenden. Adjusting the sensitivity of the indicators can also be done by capacitors 6 connected in parallel (see Fig. 2) in connection with a differential capacitor be made. In this case, the differential capacitor 3 becomes appropriate used only for fine adjustment, while the capacitors 6 are used for coarse control. When using adjustable capacitors 6 it is possible instead of the differential capacitor one corresponding to the structure of the differential capacitor. but with tester Occupancy provided capacitor to be used.

Die Verwendung von parallel zu den Indikatoren geschalteter Kondensatoren 6 ergibt weiterhin die Möglichkeit, die Schaltung der Indikatoren derart vorzunehmen, daß diese zunächst getrennt auf besondere Röhren ein und desselben Verstärkers einwirken. Die Röhren sind nun so geschaltet, daß die durch gleiche Drücke an den verschiedenen Indikatoren entstehenden Ladungen, gleiche Charak teristik der Röhren vorausgesetzt, kompensiert und nur die durch Druckdifferenzen entstehenden Ladungen für den Aufzeichnungsvorgang wirksam werden. The use of capacitors connected in parallel with the indicators 6 also provides the option of switching the indicators in such a way that that these initially act separately on special tubes of one and the same amplifier. The tubes are now switched in such a way that the same pressures are applied to the different Indicators generated charges, provided that the tubes have the same characteristics, compensated and only the charges created by pressure differences for the recording process be effective.

Die Aufzeichnung der Druckwerte erfolgt in üblicher Weise mittels einer Braunschen Röhre eines Oszillographen oder eines Röhrenvoltmeters bei schnell verlaufenden Druckschrvankungen. Bei solchen geringerer Frequenz können die bekannten elektrischen Meßinstrumente benutzt werden. The pressure values are recorded in the usual way by means of a Braun tube of an oscilloscope or a tube voltmeter at rapid pressure fluctuations. At such a lower frequency you can the known electrical measuring instruments are used.

Die in den Abb. 3 und 4 dargestellten Kurven veranschaulichen den Unterschied zwischen demjenigen bekannten Verfahren, bei dem die Druckdifferenz aus zwei getrennt aufgenommenen Diagrammen ermittelt wird, und dem mit elektrisch gegeneinandergeschalteten Quarzen arbeitenden Verfahren, das auch- bei der Erfindung benutzt wird. The curves shown in Figs. 3 and 4 illustrate the Difference between the known method in which the pressure difference is determined from two separately recorded diagrams, and the one with electrical Opposite quartz working method, which also- in the invention is used.

In der Abb. 3 stellt die Kurve I den Druckverlauf im Zylinder einer Verbrennungsmasclline, die Kurve 2 den Druckverlauf in der Beil;ammer, z. B. Wirbelkammer, Vorkammer oder Luftspeicher, dar. Die geringen Druckunterschiede zwischen dem Zylinder und der Beikammer machen sich aus den bereits oben angegebenen Gründen in den Druckaufzeichnungen kaum bemerkbar und können nur graphisch aus beiden Aufzeichnungen I und 2 ermittelt werden. Bei dem Verfahren mit gegeneinandergeschalteten piezoelektrischen Elementen ist der Verlauf der Druckdifferenz zwischen Zylinder und B eikammer ohne weiteres ersichtlich. Das zeigt die Kurve der Abb. 1, die selbst feinere Einzelheiten des Druckunterschiedes zwischen dem Zylinder und der Beikammer erkennen läßt. In Fig. 3, curve I represents the pressure curve in a cylinder Combustion Masclline, curve 2 the pressure curve in the hatchet; ammer, z. B. vortex chamber, Antechamber or air storage. The small pressure differences between the cylinder and the additional chamber make themselves in the pressure records for the reasons already given above hardly noticeable and can only be determined graphically from both records I and 2 will. In the process with oppositely connected piezoelectric elements the course of the pressure difference between the cylinder and the chamber is straightforward evident. This is shown by the curve of Fig. 1, which shows even finer details of the Can recognize the difference in pressure between the cylinder and the additional chamber.

Soll der Verlauf des Differenzdruckes von mehr als zwei Meßstellen einer Verbrennuugsmaschine oder von mehreren Verbrennungsmaschinen aufgezeichnet werden so werden die Meßstellen zweckmäßig paarweise nacheinander iiber die Indikatoren an dieVerstärker und Meßeinrichtung angeschlossen. Als Schaltorgan ist in diesem Falle der Differentialkondensator 6 vorteilhaft, der zu diesem Zweck so ausgestaltet wird, daß für jede Meßstelle eine Belegung vorhanden ist und daß auf diese Belegungen paarweise die andere bewegliche Belegung einstellbar ist. Should the course of the differential pressure of more than two measuring points recorded by an internal combustion engine or by several internal combustion engines the measuring points are expediently paired one after the other over the indicators connected to the amplifier and measuring device. As a switching element is in this Case of the differential capacitor 6 advantageous, which is designed for this purpose that there is an allocation for each measuring point and that for this allocation the other movable occupancy can be set in pairs.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E: 1. Procedure for measuring pressure differences by means of piezoelectric pressure elements connected electrically against one another, in particular on internal combustion engines, characterized in that piezoelectric elements in itself any sensitivity can be taken and that also the Angleidtung the sensitivity is made possible by electrical means in that the elements attached to the various measuring points via a capacitor each, an amplifier tube or amplifier arrangement in terms of circuitry separated on the same WIeßeinrichtung work.

2. Arrangement for the method according to claim I using Coupling capacitors, characterized in that for the purpose of simultaneous adjustment of sensitivity and coupling the piezoelectric elements to the amplifier via a variable Differential capacitor are connected.

3. Arrangement for the method according to claim 1 and the device according to claim 2, characterized in that the piezoelectric elements in variable capacitors are connected in parallel in a manner known per se.