DE9105885U1 - Hochdruck-Meßfühler - Google Patents

Description

Northern Telecom Ltd.

19317 - F/L

Hochdruck-Meßfühler

Die Neuerung bezieht sich auf einen Hochdruck-Meßfühler der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art, und insbesondere jedoch nicht ausschließlich auf einen Meßfühler zum Messen des Druckes in einem Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors.

Ein typischer Zylinderkopf-Druckmeßfühler ist in der US-Patentschrift 4 586 018 beschrieben. Dieser Meßfühler weist ein rohrförmiges Gehäuse auf, an dessen einem Ende eine druckempfindliche Membran befestigt ist. Die Bewegung dieser Membran in Abhängigkeit von einem einwirkenden Druck wird über ein in dem rohrförmigen Gehäuse enthaltenes Strömungsmittel auf eine zweite Membran übertragen.

Es wurde festgestellt, daß Meßfühler dieser Art in der Herstellung schwierig sind, weil es erforderlich ist, eine wirksame Abdichtung zwischen der Membran und dem rohrförmigen Gehäuse zu schaffen. Typischerweise wird dies mit Hilfe von Laserschweißverfahren erreicht, doch ist dies eine zeitraubende Präzisionsbearbeitung. Als Ergebnis ist der Meßfühler in der Herstellung sehr kostspielig.

Der Neuerung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Meßfühler der eingangs genannten Art zu schaffen, der für hohe Drücke geeignet ist und der in der Herstellung einfach und im Betrieb zuverlässig ist.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Neuerung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Neuerungsgemäß wird ein Meßfühler, insbesondere ein Zylinderkopf-Druckmeßfühler geschaffen, der eine flexible, auf den Druck in dem Zylinder ansprechende Membran und eine Kraftübertragungsanordnung zum Verbinden der Membran mit einem Kraftwandler einschließt, der ein Ausgangssignal liefert, das den von der Membran gemessenen Druck darstellt. Die Membran ist durch das geschlossene Ende eines dünnwandigen schalenförmigen Bauteils gebildet, und die Wand des schalenförmigen Bauteils ist durch ein entsprechend geformtes Hülseneinsatzteil gegen ein Zusammenfallen oder Einknicken unter Druck abgestützt.

Wenn die Kraftübertragungsanordnung durch eine einfache Schubstange gebildet ist, so kann das Hülseneinsatzteil vorzugsweise als Führung für die Schubstange an ihrem von der Membran entfernten Ende dienen.

Der Meßfühler weist vorzugsweise ein hohles Gehäuse auf, das unter Abdichtung an dem offenen Ende des schalenförmigen Bauteils an einem vorspringenden ringförmigen Rand befestigt ist, vorzugsweise durch eine Befestigungs- und Abdichtungs-Beilagscheibe, wobei diese Beilagscheibe gleichzeitig als Befestigungskranz zur Befestigung und zur Abdichtung des Meßfühlers in einer Öffnung bei Benutzung des Meßfühlers dient. Zweckmäßigerweise ist das schalenförmige Bauteil aus einer einstückigen Metallkappe gezogen und weist eine Stärke von ungefähr 0,127 mm (5/1000 Zoll) auf.

Ein Ausführungsbeispiel der Neuerung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert, in der ein axialer Querschnitt einer Ausführungsform des Hochdruck-Meßfühlers gezeigt ist.

Die in der Zeichnung gezeigte Ausführungsform des Meßfühlers weist ein hohles dünnwandiges schalenförmiges Bauteil 1 auf, das aus Edelstahl hergestellt ist (vorzugsweise einer Qualität von Edelstahl mit einer langen Ermüdungslebensdauer), und das

Bauteil ist mit einer Membran 2 an seinem geschlossenen Ende sowie mit einem erweiterten Rand 3 am offenen Ende ausgebildet. Ein Gehäuse 4 ist durch ein Rohr aus Edelstahl gebildet und weist einen erweiterten Rand 5 auf, und die erweiterten Enden oder Ränder 3 und 5 sind aneinander mit Hilfe einer ringförmigen schalenförmigen Beilagscheibe 6 aus verformbarem Material, wie zum Bespiel Kupfer befestigt, wobei diese Beilagscheibe als Befestigungs-ZAbdichtungs-Beilagscheibe wirkt. Diese ringförmige Beilagscheibe ist im Querschnitt groß U-förmig, wobei die beiden Schenkel des U die beiden Ränder 3, 5 umgreifen und aneinander befestigen können.

Im Inneren des schalenförmigen Bauteils 1 ist ein Hülseneinsatzteil 7 angeordnet, das sowohl als Schubstangenführung als auch als Wärmesenke dient und durch eine Kupferhülse gebildet ist. Dieses Hülseneinsatzteil dient weiterhin als Versteifungselement und schützt die dünne Wand des schalenförmigen Bauteils 1 gegen ein Einknicken oder Zusammenfallen und andere Schäden.

In dem Hülseneinsatzteil 7 ist eine Schubstange 8 angeordnet, die einen Kopf 9 aufweist, der in inniger Berührung mit der Unterseite der Membran 2 steht, während das andere Ende der Schubstange 10 in inniger Berührung mit einem Kraftwandler in Form eines geätzten Silizium-Fühlerelementes 11 steht, das lediglich an seinem unteren Umfangsbereich auf einer aus Kunststoff bestehenden Buchse 12 abgestützt ist. Der am Umfang verlaufende Abstützbereich wird dadurch gebildet, daß der Mittelbereich der unteren Hauptfläche des Silizium-Meßfühlerelementes vertieft ausgebildet ist.

Das Silizium-Meßfühlerelement wird mit Hifle kleiner Schenkel mechanisch festgehalten und elektrisch verbunden, wobei sich diese Schenkel aus dem Buchsenkörper heraus vorspringen und sich zurück nach unten auf metallisierte Kissen auf dem Silizium-Meßfühlerelement erstrecken.

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Wenn ein Druck auf die Membran 2 ausgeübt wird, so wird die Kraft von der Kraftübertragungs-Schubstange 8 auf das Silizium-Meßfühlerelement übertragen, das geringfügig gebogen wird, und diese Auslenkung bewirkt, daß das Silizium-Meßfühlerelement ein elektrisches Ausgangssignal an den Verbindungsschenkeln 13 liefert.

Bei Verwendung des Meßfühlers wird ein mehrpoliger Stecker 14 in die Rückseite des Verbinderkörpers eingesetzt und in die Buchse 12 eingesteckt, so daß sich eine elektrische Verbindung mit dem Silizium-Meßfühlerelement ergibt und die Ausgangssignale von dem Meßfühler an ein Motor-Managementsystem des Fahrzeugs übertragen werden können.

Bei einer abgeänderten Ausführungsform des Meßfühlers kann dieser Stecker, der bei entsprechender Anpassung der Buchse 12 auch als Buchse ausgebildet sein kann, eine Signalaufbereitungs-Verstärkerschaltung enthalten, um den Ausgangspegel zu erhöhen, so daß die Einstreuung äußerer elektrischer Störsignale in dem Kabelbaum des Fahrzeuges verringert wird.

Der Verbindungskörper wird in dem Edelstahlgehäuse 4 mit Hilfe einer Nut 12a festgehalten, in die eine entsprechende Nut 4a hineinverformt wird, die in dem Edelstahlgehäuse ausgebildet wird. Die genaue Anordnung des Silizium-Meßfühlerelementes ist wesentlich, und eine geringe Vorbelastung wird auf dieses Meßfühlerelement ausgeübt, um sicherzustellen, daß eine Vorauslenkung der Membran besteht, wodurch eine Hysterese vermieden wird, die anderenfalls aufgrund der Bewegungsfreiheit der Schubstange 8 entstehen könnte. Weitere Einzelheiten sind in der britischen Patentanmeldung 2211659A der gleichen Anmelderin beschrieben.

Eine Verriegelungsschraube 15 ist über dem Edelstahlgehäuse 4 angeordnet und diese Verriegelungsschraube liegt gegen die Befestigungs-/Abdicht-Beilagscheibe 6 an. Diese Verriegelungsschraube umschließt den Meßfühler mit losem Sitz und wird mit Hilfe eines Verrigelungsschrauben-Halteteils 6

festgehalten, das mit dem Gehäuse 4 durch Punktschweißen verbunden ist.

Wenn der Meßfühler in eine geeignete Öffnung in dem Zylinderkopf eines Motors eines Kraftfahrzeugs eingesetzt wird, wird die Verriegelungsschraube angezogen, um den Meßfühler in der Gewindebohrung in dem Zylinderkopf festzuziehen. Die Befestigungs-/Abdicht-Beilagscheibe 6 wirkt in einer ähnlichen Weise wie die Beilagscheibe auf einer Zündkerze, und sie dichtet die Membran gegenüber dem Zylinderblock durch Abdichten des schalenförmigen Bauteils 1 an der Beilagscheibe 6 ab.

Wenn es erforderlich ist, den Meßfühler aus dem Zylinderkopf zu entfernen, so wird die Verriegelungsschraube losgeschraubt und das Verriegelungsschrauben-Halteteil 16 wirkt als Anschlagteil, um den vollständigen Meßfühler aus dem Zylinderkopf herauszuziehen.

Das schalenförmige Bauteil 1 weist einen nominellen Ziehwinkel von ungefähr 1° auf, um die Entfernung des Meßfühlers aus dem Zylinderkopf bei Vorhandensein von beispielsweise Kohlerückständen zu erleichtern. Das Hülseneinsatzteil 7 weist eine entsprechende Verjüngung auf und ist fest in dem Bauteil 1 festgelegt.
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Das schalenförmige Bauteil 1 weist eine Stärke von ungefähr 0,127 mm auf. Es könnte eine Stärke bis herunter zu 0,1 mm haben, sollte jedoch wahrscheinlich nicht stärker als 0,2 mm sein. Es wird aus einem einzigen Rohling gezogen, so daß es eine einstückige Konstruktion aufweist und die Herstellung eines kostengünstigen Meßfühlers ermöglicht.

An seinem hinteren Ende weist die Verriegelungsschraube 15 einen Querschlitz auf, so daß ein Spezialwerkzeug ähnlich eines Schraubenziehers mit einem Schlitz in der Mitte der Klinge verwendet werden kann, um die Verriegelungsschraube feszuziehen und zu lösen.

Claims (6)

Patentansprüche

1. Hochdruck-Meßfühler, insbesondere zur Messung des Druckes in einem Zylinderkopf, mit einer flexiblen, auf den Druck in dem Zylinder ansprechenden Membran und mit einer Kraftübertragungsanordnung (8) zur Verbindung der Membran mit einem Kraftwandler (11) zur Lieferung eines Ausgangssignals, das den durch die Membran gemessenen Druck darstellt, dadurch gekennzeichnet , daß die Membran (2) durch das geschlossene Ende eines dünnwandigen schalenförmigen Bauteils (1) gebildet ist, und daß die Wand des schalenförmigen Bauteils gegen ein Zusammenfallen oder Einknicken unter Druckeinwirkung durch ein entsprechend geformtes Hülseneinsatzteil (7) abgestützt ist.

2. Meßfühler nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß die Kraftübertragungsanordnung eine Schubstange (8) umfaßt, die in dem Hülseneinsatzteil (7) an seinem von der Membran entfernten Ende geführt ist.

3. Meßfühler nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler ein hohles Gehäuse (4) umfaßt, das an dem offenen Ende des schalenförmigen Bauteils (1) unter Abdichtung durch eine Befestigungs- und Abdicht-Beilagscheibe befestigt ist, die gleichzeitig zur Abdichtung des Meßfühlers in einer Öffnung bei Verwendung des Meßfühlers dient.

4. Meßfühler nach Anspruch 1, 2 oder 3,

dadurch gekennzeichnet , daß das schalenförmige Bauteil (1) eine Wandstärke im Bereich von 0,1 bis 0,2 mm hat. 35

5. Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 4,

dadurch gekennzeichnet , daß das schalenförmige Bauteil (1) aus einem Rohling tiefgezogen ist.

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6. Meßfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verriegelungsschraube (15) den Meßfühler lose umschließt und den Meßfühler in einer Öffnung in einem Zylinderkopf festlegt.