EP0349608A1 - Distance-measuring device - Google Patents

Distance-measuring device

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Publication number
EP0349608A1
EP0349608A1 EP88909951A EP88909951A EP0349608A1 EP 0349608 A1 EP0349608 A1 EP 0349608A1 EP 88909951 A EP88909951 A EP 88909951A EP 88909951 A EP88909951 A EP 88909951A EP 0349608 A1 EP0349608 A1 EP 0349608A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sensor
bridge
potential
measuring arrangement
measuring
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP88909951A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Klaus Leitmeier
Gerhard WÖSS
Rudolf Zeiringer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
AVL List GmbH
Original Assignee
AVL List GmbH
AVL Gesellschaft fuer Verbrennungskraftmaschinen und Messtechnik mbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by AVL List GmbH, AVL Gesellschaft fuer Verbrennungskraftmaschinen und Messtechnik mbH filed Critical AVL List GmbH
Publication of EP0349608A1 publication Critical patent/EP0349608A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/14—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring distance or clearance between spaced objects or spaced apertures
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B5/00—Measuring arrangements characterised by the use of mechanical techniques
    • G01B5/003—Measuring of motor parts
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/24—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance
    • G01D5/241—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance by relative movement of capacitor electrodes
    • G01D5/2417—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance by relative movement of capacitor electrodes by varying separation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M15/00—Testing of engines
    • G01M15/04—Testing internal-combustion engines
    • G01M15/06—Testing internal-combustion engines by monitoring positions of pistons or cranks

Definitions

  • the invention relates to a measuring arrangement for determining the distance of an electrically conductive part which can be moved in a confined space from a reference point, in particular for determining the top dead center of the piston of an internal combustion engine, with an electronic evaluation circuit, in which a capacitive sensor in a holding device held in the wall of the room can be fixed and is connected to an evaluation circuit.
  • an electrode is insulated in the combustion chamber of an internal combustion engine, the piston or the cylinder block forming the second electrode.
  • the capacity of this arrangement changes depending on the distance of the piston from the electrode.
  • the capacity change is now evaluated in such a way that it influences the modulation of a carrier frequency, for which purpose a relatively complicated evaluation circuit is necessary.
  • the known system proves to be relatively insensitive to small changes in capacitance and moreover has an unfavorable signal-to-noise ratio.
  • it is necessary to work with relatively large sensors, which results in the need to provide corresponding measuring openings which allow the electrode to be inserted.
  • the aim of the invention is to avoid the disadvantages mentioned and to propose a measuring arrangement of the type mentioned at the outset which can be easily used in particular in conventional internal combustion engines and is distinguished by a high degree of sensitivity.
  • the evaluation circuit has a measuring bridge fed by an oscillator via potential-dependent switching elements on the output side with independent has at least two capacitors that the sensor head of the sensor and the movable part, in particular the piston of the internal combustion engine form one of the two capacitors, so that a differential amplifier is provided, to which the transverse voltage that can be tapped at the measuring bridge can be supplied, and that the Outputs of the differential amplifier control the potentials of the potential-dependent switching elements on the output side.
  • a measuring arrangement with the evaluation circuit according to the invention makes a decisive contribution to improving the sensitivity of the measuring system, especially with regard to the evaluation of rapid, small changes in capacitance. Without loss of sensitivity, smaller, thinner sensors can be used which can be inserted into existing openings provided for measuring sensors, injection nozzles, spark plugs or glow plugs.
  • a measuring bridge for example a capacitance bridge
  • an oscillator with rectangular pulses via potential-dependent switching elements on the output side.
  • a capacitance When changing a capacitance, there is a changed voltage divider ratio in the relevant series connection of the capacitances. This in turn results in a change in the bridge transverse stress.
  • This effects a change in output voltage and a potential shift via a differential amplifier, which adapts the size of the pulses fed in via the switching elements to the new capacitance conditions.
  • Even the smallest inequalities in the bridge branches lead to relatively large changes in the charge transfer which is associated with the discharging of the capacitors of the bridge, which results in a high sensitivity of the evaluation circuit.
  • the evaluation circuit can be designed by appropriate dimensioning of the capacitors of the bridge in such a way that it charges up quickly and can therefore be operated with a relatively high frequency of the signals of the oscillator, as a result of which the time when the closest approach to the sensor occurs occurs very precisely can be. This is very important, for example, when determining the top dead center of a piston of an internal combustion engine.
  • Another advantage of the proposed evaluation formwork is its very simple structure. It can further be provided that the potential-dependent switching elements are formed by diodes which are connected in series with the two bridge branches of the measuring bridge each containing two capacitors.
  • a universal usability of the measuring system is finally achieved according to the invention in that a bridge branch of the measuring bridge is equipped with a capacitor with variable capacitance in order to balance the resting capacity of the measuring arrangement.
  • the electrode or the sensor is set in such a way that contact by the movable part or piston is ruled out, but it is difficult to set a precisely defined, as small as possible distance for the measuring sensitivity .
  • This problem is solved in a development of the invention in that the holding device penetrated by the sensor has a clamping piece which can be fixed in a wall of the room and which is equipped with an end face as a stop for a spacer piece which can be fixed on the sensor, the end face or the surface of the spacer that can be brought into abutment with at least parts of an essentially helical surface, the axis of which coincides with the longitudinal axis of the sensor.
  • the sensor with the measuring arrangement according to the invention can be brought up to the system with a piston located in the top dead center, the spacer on the clamping piece brought to the system in order to fix the former with the sensor, after which by turning the Sensor with the spacer desired distance of the sensor from top dead center is set.
  • the clamping piece and preferably also the spacer each have a collet comprising the sensor and a gill nut cooperating therewith, so that a corresponding fixation between the sensor and the spacer or the clamping piece is easily achieved can be made.
  • one of the mutually facing surfaces of the clamping piece and the spacer running perpendicular to the axis of the sensor has a projecting nose and the other one for receiving this nose , Recesses arranged in the circumferential direction, preferably grooves, having different depths, the height of the nose corresponding at least to the depth of the deepest depression.
  • a further embodiment of the invention provides that the clamping piece has a threaded attachment which can be screwed into an adapter which can be fastened in the spark plug or injection nozzle bore of the cylinder head.
  • 1 shows a sensor of the measuring arrangement according to the invention in the assembled state
  • 2 the sensor of the measuring arrangement together with the holder in section
  • Fig. 6 is a block diagram of the measuring arrangement according to the invention.
  • FIG 7 shows the circuit diagram of an evaluation circuit of the measuring arrangement according to the invention.
  • the sensor 1 of the measuring arrangement passes through a clamping piece 2 which, in turn, in a receptacle 4 penetrating a cylinder head 3 of an internal combustion engine, which e.g. is provided for a transducer is kept.
  • the sensor 1 itself protrudes into the space 5, the combustion chamber of the internal combustion engine, in which a piston 6, which may have a combustion bowl, is held axially displaceably in the usual way.
  • the clamping piece 2 has a threaded piece 7, with the threaded attachment 7 'of which it can be screwed into the receptacle 4, this threaded piece 7 facing away from the threaded attachment 7' having a threaded part 7 "and a collet 8, with the aid of which Gill nut 9 which can be clamped in sensor 1.
  • an intermediate adapter 22 which surrounds the sensor 1 and which at the same time brings about the required sealing.
  • the collet 8 has a projecting nose 10 on its end face 23 "facing away from the threaded part 7". This nose 10 engages in one of the radially extending end faces 24 of a spacer 11 arranged on the collet 8 facing the spacer 11, 12a to 12c , which have different depths and whose base sections have at least parts of an essentially helical surface.
  • the spacer 11 also has a collet 13, with which it can be clamped to the sensor 1 by means of the gill nut 14.
  • the sensor 1 essentially consists of a tube 15 made of an electrically conductive material, in which an electrically conductive core 17 surrounded by an insulator 16 is guided. This core 17 is electrically conductively connected to a sensor head 18 which is arranged insulated against the end face of the tube 15 by means of an insulating piece 19.
  • a pulse train is applied to the core 17 of the sensor 1 via the connector 20 from the evaluation circuit arranged in a housing 21.
  • the piston 6, which is in electrically conductive connection via the cylinder block, the clamping piece 2 and the receptacle 4 with the tube 15 of the sensor 1, is thus at ground potential.
  • the sensor head 18 and the piston 6 act as electrodes of a capacitor, the capacitance of which depends on the distance of the piston from the sensor head 18.
  • the adjustment of the sensor head 18 in relation to the top dead center of the piston 6 can be carried out in a very simple manner.
  • the piston 6 is first brought to its top dead center and the sensor head 18 is placed on the piston 6 when the collet 9 is released, or else the sensor head is placed on the piston 6 before it reaches top dead center and the latter brought with the attached sensor 1 to its upper dead center, the collet 9 being of course released.
  • the spacer 11 the collet 13 of which has also been released, is brought into contact with the end face of the collet 8, its nose 10 projecting on the end engaging in the deepest groove 12 of the spacer 11.
  • the height of the nose 10 is at least equal to the depth of the deepest groove 12 of the disc piece 11.
  • its collet 13 is clamped to the sensor 1 by tightening the gill nut 14, and with it is pulled out a small piece from the clamping piece 2 and, after the spacer 11 has been rotated, is pushed back into the latter.
  • the nose 10 engages, which grooves e.g. have a depth that is 0.5, 1.0 or 1.5 mm less than the deepest groove 12, there is a corresponding distance a of the sensor head 18 from the top dead center of the piston 6, so that it is also in dynamic operation, in which there is no change in the position of the top dead center of the piston relative to the cylinder head 3 compared to the position of the static top dead center due to the inevitable bearing play, deflections and inertia forces, so that the sensor head cannot come into contact with the piston 6.
  • the position of the sensor 1 is then fixed by tightening the gill nut 9 of the collet 8 and the clamping piece 2.
  • the position of the sensor 1 with respect to the cylinder head 3 is thus fixed, and the top dead center of the piston 6 can be determined by evaluating the capacity of the sensor head 18 which changes depending on the distance of the piston 6 from the sensor head 18 Piston 6 formed capacitor can be detected, the maximum of the capacitance of this capacitor indicates reaching top dead center.
  • the measuring arrangement according to the invention has an oscillator 30 in its evaluation circuit, which is connected on the output side to potential-dependent switching elements 31 and applies a train of square-wave signals to them, so that this affects the Potential-dependent switching elements 31 changes potential applied at a frequency predetermined by the oscillator 30.
  • the switching branches 32, 33 of a measuring bridge 24 are fed to switching elements dependent on the current potential.
  • the two branches of this measuring bridge 34 are formed on the one hand by the capacitors C1 and C2, or by the capacitors C3 and C4, although it would also be conceivable to provide 32 capacitors only in the half bridge.
  • the inputs of a differential amplifier 35 are connected to the connection points of the two capacitors C1 to C4, each forming a bridge branch 32 or 33.
  • the outputs of this differential amplifier 35 determine the reference potential of the potential-dependent switching elements 31, one of these outputs of the differential amplifier 35 also supplying the output signal A corresponding to the capacitance of the capacitor C2 formed by the sensor head 18 and the piston 6 can be examined for maximum positions in a known manner.
  • the two bridge branches 32, 33 of the measuring bridge 34 are fed with rectangular pulses of the oscillator 30 via the potential-dependent switching elements 31.
  • the capacitors C1 to C4 are then charged and then rapidly discharged. If the measuring bridge deviates from the coordinated state, as is the case when the capacitance of the capacitor C2 formed by the sensor head 18 and the piston 6 changes due to a change in the distance between these parts, there is a change of the voltage divider ratio in the bridge branch 32.
  • the output signal the difference amplifier 35, so that the extreme value of the distance between the sensor head 18 and the piston 6, at which the capacitance of the capacitor G2 formed by the sensor head 18 and the piston 6 is greatest, is detected in a simple manner.
  • FIG. 7 shows an embodiment of an evaluation circuit of the measuring arrangement.
  • this evaluation circuit two bridge branches are provided which are formed by the capacitors C1, C2 or C3, G4, the capacitor C2 being formed by the sensor head 18 and the piston 6 and having a capacitance which is dependent on the distance between them.
  • the one ends of the two bridge branches are together at a fixed potential, e.g. Earth.
  • the other two ends of the two bridge branches are connected via resistor R6 to a potential el, or via resistor R7 to a potential e2, these potentials being removed from the output voltage of the evaluation circuit via a network.
  • these ends of the bridge branches are connected via diodes D1 and D2 to an oscillator (not shown here), which delivers a pulse train R consisting of rectangular pulses, the diodes forming the potential-dependent switching elements 31.
  • connection points of the two capacitors C1, C2 and C3, C4 each forming a bridge branch are connected to the bases of the two amplifier transistors T1, T2, preferably combined in an integrated pair, the quiescent capacitance being balanced by means of C4.
  • connection points are connected to a fixed potential via diodes D3, D4 and resistors R4, R5 connected in parallel with them, as a result of which negative voltage peaks are avoided.
  • the common emitter resistance R3 of the two transistors T1, T2 is also at this potential.
  • the collectors of the transistors T1, T2 and the inputs of the differential amplifier 35 are connected to resistors R1, R2, which are together at a fixed positive potential.
  • This circuit has two operating states: the first state, which is always referred to below as the basic position, occurs when the pulse input is "LOW". After some time in this state, practically no current flows into the capacitance bridge.
  • the diodes D1 and D2 are in the blocking state.
  • One electrode of Cl is at potential el
  • the one electrode of C3 is at potential e2.
  • the potentials el and e2 are determined by the output voltage of the evaluation circuit and the setting of the network R8 to R14, which also contains an operational amplifier 36 which acts as an inverter.
  • the bridge center points, and therefore also the bases of the two transistors T1, T2, are at the negative potential of a DC voltage source, etc. via the resistors R4, R5.
  • the second state of the circuit which is called the active position in the following, occurs when the pulse input is at "HIGH".
  • "HIGH” means a voltage much more positive than the potential el. Or e2.
  • the diodes D1 and D2 therefore become conductive.
  • the one electrodes of C1 and C3 rise to a voltage e3, e3 being a potential which is lower by a diode forward voltage than the potential present at the pulse input.
  • the difference span causes voltage of the amplifier 35 a change of el and e2 such that the measuring bridge 34 is adjusted again.
  • diodes D1 and D2 it is also possible to use transistors which are driven at their bases together with a pulse train - preferably consisting of rectangular pulses - in order to alternate a connection between the capacitors C1 and C3 and a fixed potential to produce whose height must of course be different from that of the potentials el and e2.
  • resistor network R8 to R14 and the operational amplifier 36 which acts as an inverter and is connected to the output voltage of the differential amplifier 35, it is possible to specify the sensitivity and the basic values of the potentials el and e2, the latter for the latter the resistors RIO, Rll, R13 and R14 are responsible.

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Abstract

Un dispositif sert à mesurer l'écart entre une pièce électroconductrice mobile dans un espace limité et un point de référence, notamment à mesurer le point mort supérieur du piston d'un moteur à combustion interne équipé d'un circuit d'évaluation qui comprend un capteur capacitif susceptible d'être fixé dans un organe de retenue agencé sur une paroi de la chambre et connecté à un circuit d'évaluation. Afin d'améliorer la sensibilité de mesure de ce dispositif, le circuit d'évaluation comprend un ohmmètre à point (34) alimenté par un oscillateur (30) au moyen d'éléments commutateurs (31) dépendant du potentiel du côté de sortie et ayant au moins deux condensateurs (C1, C2). La tête (18) du capteur (1) et la pièce mobile, notamment le piston (6) d'un moteur à combustion interne, forment un des condensateurs. La composante tranversale de la tension saisie à l'ohmmètre à pont (34) peut être appliquée à un amplificateur différenciateur (35), de sorte que les sorties de l'amplificateur différenciateur (35) commandent les potentiels (e1, e2) du côté de la sortie des éléments commutateurs (31) dépendant du potentiel.A device is used to measure the distance between an electrically conductive part moving in a limited space and a reference point, in particular to measure the upper dead center of the piston of an internal combustion engine equipped with an evaluation circuit which comprises a capacitive sensor capable of being fixed in a retaining member arranged on a wall of the chamber and connected to an evaluation circuit. In order to improve the measurement sensitivity of this device, the evaluation circuit comprises a point ohmmeter (34) supplied by an oscillator (30) by means of switching elements (31) depending on the potential of the output side and having at least two capacitors (C1, C2). The head (18) of the sensor (1) and the moving part, in particular the piston (6) of an internal combustion engine, form one of the capacitors. The cross component of the voltage detected at the bridge ohmmeter (34) can be applied to a differentiating amplifier (35), so that the outputs of the differentiating amplifier (35) control the potentials (e1, e2) on the side the output of the potential-dependent switching elements (31).

Description

Meßanordnung zur AbstandsbestimmungMeasuring arrangement for determining the distance
Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßanordnung zur Abstands¬ bestimmung eines in einem umgrenzten Raum bewegbaren elek¬ trisch leitenden Teiles von einem Bezugspunkt, insbesondere zur Bestimmung des oberen Totpunktes des Kolbens einer Brenn¬ kraftmaschine, mit einer elektronischen Auswerteschaltung, bei welcher ein kapazitiver Sensor in einer in der Wand des Raumes gehaltenen Halteeinrichtung fixierbar und mit einer Auswerte¬ schaltung verbunden ist.The invention relates to a measuring arrangement for determining the distance of an electrically conductive part which can be moved in a confined space from a reference point, in particular for determining the top dead center of the piston of an internal combustion engine, with an electronic evaluation circuit, in which a capacitive sensor in a holding device held in the wall of the room can be fixed and is connected to an evaluation circuit.
Bei einer bekannten derartigen Meßanordnung wird eine Elek¬ trode isoliert im Brennraum einer Brennkraftmaschine angeord¬ net, wobei der Kolben, bzw. der Zylinderblock die zweite Elek¬ trode bildet. In Abhängigkeit vom Abstand des Kolbens von der Elektrode ändert sich die Kapazität dieser Anordnung. Im be¬ kannten Falle erfolgt nun die Auswertung der Kapazitätsände¬ rung in der Weise, daß diese die Modulation einer Trägerfre¬ quenz beeinflußt, wofür eine relativ komplizierte Auswerte¬ schaltung notwendig ist.In a known measuring arrangement of this type, an electrode is insulated in the combustion chamber of an internal combustion engine, the piston or the cylinder block forming the second electrode. The capacity of this arrangement changes depending on the distance of the piston from the electrode. In the known case, the capacity change is now evaluated in such a way that it influences the modulation of a carrier frequency, for which purpose a relatively complicated evaluation circuit is necessary.
Aufgrund dieses Meßprinzips erweist sich das bekannte System als relativ unempfindlich gegenüber kleinen Kapazitätsänderun¬ gen und weist zudem ein ungünstiges Signal—Rauschverhältnis auf. Außerdem muß dabei mit relativ großen Sensoren gearbeitet werden, wodurch sich die Notwendigkei ergibt, entsprechende Meßöffnungen, die ein Einführen der Elektrode erlauben, vorzu¬ sehen .On the basis of this measurement principle, the known system proves to be relatively insensitive to small changes in capacitance and moreover has an unfavorable signal-to-noise ratio. In addition, it is necessary to work with relatively large sensors, which results in the need to provide corresponding measuring openings which allow the electrode to be inserted.
Ziel der Erfindung ist es, die genannten Nachteile zu vermei¬ den und eine Meßanordnung der eingangs erwähnten Art vorzu¬ schlagen, die insbesondere bei üblichen Brennkraftmaschinen einfach eingesetzt werden kann und sich durch ein hohes Maß an Empfindlichkeit auszeichnet.The aim of the invention is to avoid the disadvantages mentioned and to propose a measuring arrangement of the type mentioned at the outset which can be easily used in particular in conventional internal combustion engines and is distinguished by a high degree of sensitivity.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die Auswerte¬ schaltung eine von einem Oszillator über ausgangsseitig poten¬ tialabhängige Schaltelemente gespeiste Meßbrücke mit inde- stens zwei Kondensatoren aufweist, daß der Sensorkopf des Sen¬ sors und der bewegbare Teil, insbesondere der Kolben der Brennkraftmaschine einen der beiden Kondensatoren bilden, so¬ wie daß ein Differenzverstärker vorgesehen ist, welchem die an der Meßbrücke abgreifbare Querspannung zuführbar ist, sowie daß die Ausgänge des Differenzverstärkers die ausgangsseitigen Potentiale der potentialabhängigen Schaltelemente steuern. Eine Meßanordnung mit der erfindungsgemäßen Auswerteschaltung trägt entscheidend zur Verbesserung der Empfindlichkeit des Meßsystems bei, vor allem im 'Hinblick auf die Auswertung schneller, kleiner Kapazitätsänderungen. Ohne Einbuße an Emp¬ findlichkeit können kleinere, dünnere Sensoren eingesetzt wer¬ den, welche in bestehende, für Meßwertaufnehmer, Einspritzdü¬ sen, Zünd— oder Glühkerzen vorgesehene Öffnungen eingeführt werden könne .According to the invention, this is achieved in that the evaluation circuit has a measuring bridge fed by an oscillator via potential-dependent switching elements on the output side with independent has at least two capacitors that the sensor head of the sensor and the movable part, in particular the piston of the internal combustion engine form one of the two capacitors, so that a differential amplifier is provided, to which the transverse voltage that can be tapped at the measuring bridge can be supplied, and that the Outputs of the differential amplifier control the potentials of the potential-dependent switching elements on the output side. A measuring arrangement with the evaluation circuit according to the invention makes a decisive contribution to improving the sensitivity of the measuring system, especially with regard to the evaluation of rapid, small changes in capacitance. Without loss of sensitivity, smaller, thinner sensors can be used which can be inserted into existing openings provided for measuring sensors, injection nozzles, spark plugs or glow plugs.
Bei der Auswerteschaltung nach der Erfindung wird über aus- gangsseitig potentialabhängige Schaltelemente eine Meßbrücke, beispielsweise eine Kapazitätsbrücke von einem Oszillator mit rechteckförmigen Impulsen gespeist. Bei der Änderung einer Ka¬ pazität ergibt sich ein geändertes Spannungsteilerverhältnis in der betreffenden Serienschaltung der Kapazitäten. Das wie¬ derum hat eine Änderung der Brückenquerspannung zur Folge. Diese bwirkt über einen Differenzverstärker eine Ausgangsspan¬ nungsänderung und eine Potentialverschiebung, welche die Größe der eingespeisten Impulse über die Schaltelemente an die neuen Kapazitätsverhältnisse anpaßt. Dabei führen bereits kleinste Ungleichheiten in den Brückenzweigen zu relativ großen Ände¬ rungen bei der Ladungsübertragung, die mit dem Entladen der Kondensatoren der Brücke verbunden ist, wodurch sich eine hohe Empfindlichkeit der Auswerteschaltung ergibt. Dabei kann die Auswerteschaltung durch entsprechende Dimensionierung der Kon¬ densatoren der Brücke so ausgelegt werden, daß sich diese rasch auflädt und daher m t relativ hoher Frequenz der Signale des Oszillators gearbeitet werden kann, wodurch der Zeitpunkt des Auftretens der größten Annäherung an den Sensor sehr genau erfaßt werden kann. Dies ist z.B. bei der Bestimmung des obe¬ ren Totpunktes eines Kolbens einer Brennkraftmaschine sehr we¬ sentlich. Ein weiterer Vorteil der vorgeschlagenen Auswerteschal ung liegt in deren sehr einfachem Aufbau. Es kann weiters vorgese¬ hen sein, daß die potentialabhängigen Schaltelemente durch Di¬ oden gebildet sind, die in Serie zu den beiden je zwei Konden¬ satoren enthaltenden Brückenzweige der Meßbrücke geschaltet sind.In the evaluation circuit according to the invention, a measuring bridge, for example a capacitance bridge, is fed by an oscillator with rectangular pulses via potential-dependent switching elements on the output side. When changing a capacitance, there is a changed voltage divider ratio in the relevant series connection of the capacitances. This in turn results in a change in the bridge transverse stress. This effects a change in output voltage and a potential shift via a differential amplifier, which adapts the size of the pulses fed in via the switching elements to the new capacitance conditions. Even the smallest inequalities in the bridge branches lead to relatively large changes in the charge transfer which is associated with the discharging of the capacitors of the bridge, which results in a high sensitivity of the evaluation circuit. In this case, the evaluation circuit can be designed by appropriate dimensioning of the capacitors of the bridge in such a way that it charges up quickly and can therefore be operated with a relatively high frequency of the signals of the oscillator, as a result of which the time when the closest approach to the sensor occurs occurs very precisely can be. This is very important, for example, when determining the top dead center of a piston of an internal combustion engine. Another advantage of the proposed evaluation formwork is its very simple structure. It can further be provided that the potential-dependent switching elements are formed by diodes which are connected in series with the two bridge branches of the measuring bridge each containing two capacitors.
Eine universelle Einsetzbarkeit des Meßsystems wird schlie߬ lich erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß zur Abgleichung der Ruhekapazität der Meßanordnung ein Brückenzweig der Meßbrücke mit einem Kondensator mit variabler Kapazität ausgestattet ist .A universal usability of the measuring system is finally achieved according to the invention in that a bridge branch of the measuring bridge is equipped with a capacitor with variable capacitance in order to balance the resting capacity of the measuring arrangement.
Bei herkömmlichen Meßanordnungen erfolgt die Einstellung der Elektrode bzw. des Sensors in der Weise, daß eine Berührung durch den bewegbaren Teil bzw. Kolben zwar ausgeschlossen ist, eine für die Meßempfindlichkeit wichtige Einstellung eines ge¬ nau definierten, möglichst kleinen Abstandes ist jedoch nur schwer möglich. Dieses Problem wird in einer Weiterbildung der Erfindung dadurch gelöst, daß die vom Sensor durchsetzte Hal¬ teeinrichtung ein in einer Wand des Raumes fixierbares Klemm¬ stück aufweist, welches mit einer Stirnfläche als Anschlag für ein am Sensor fixierbares Distanzstück ausgestattet ist, wobei die Stirnfläche oder die an dieser zur Anlage bringbare Fläche des Distanzstückes zumindest Teile einer im wesent¬ lichen schraubenlinienförmig verlaufenden Fläche aufweisen, deren Achse mit der Längsachse des Sensors zusammenfällt.In conventional measuring arrangements, the electrode or the sensor is set in such a way that contact by the movable part or piston is ruled out, but it is difficult to set a precisely defined, as small as possible distance for the measuring sensitivity . This problem is solved in a development of the invention in that the holding device penetrated by the sensor has a clamping piece which can be fixed in a wall of the room and which is equipped with an end face as a stop for a spacer piece which can be fixed on the sensor, the end face or the surface of the spacer that can be brought into abutment with at least parts of an essentially helical surface, the axis of which coincides with the longitudinal axis of the sensor.
Durch diese Maßnahmen ist es möglich, den Sensor, z.B. in der für einen Meßwertaufnehmer, eine Einspritzdüse, Zünd— oder Glühkerze vorgesehene Öffnung auf einfache Weise in einer Lage zu fixieren, in der der Sensor nahe an den oberen Totpunkt heranreicht , aber eine Berührung des Sensors durch den Kolben der Brennkraftmaschine ausgeschlossen ist. So kann der Sensor mit der erfindungsgemäßen Meßanordnung bei einem im oberen Totpunkt befindlichen Kolben an diesen bis zur Anlage herange¬ führt werden, das Distanzstück am Klemmstück zur Anlage ge¬ bracht um dabei das erstere mit, dem Sensor zu fixieren, wobei danach durch Verdrehen des Sensors mit dem Distanzstück der gewünschte Abstand des Sensors vom oberen Totpunkt eingestellt wird.These measures make it possible to easily fix the sensor, for example in the opening provided for a measuring sensor, an injection nozzle, spark plug or glow plug, in a position in which the sensor reaches close to the top dead center, but touching the Sensor is excluded by the piston of the internal combustion engine. Thus, the sensor with the measuring arrangement according to the invention can be brought up to the system with a piston located in the top dead center, the spacer on the clamping piece brought to the system in order to fix the former with the sensor, after which by turning the Sensor with the spacer desired distance of the sensor from top dead center is set.
Weiters kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, daß das Klemm¬ stück und vorzugsweise auch das Distanzstück, jeweils eine den Sensor umfassende Spannzange und eine damit zusammenwirkende Kiemmutter aufweisen, wodurch sich auf einfache Weise eine entsprechende Fixierung zwischen dem Sensor und dem Distanz¬ stück bzw. dem Klemmstück herstellen läßt.Furthermore, it can be provided according to the invention that the clamping piece and preferably also the spacer each have a collet comprising the sensor and a gill nut cooperating therewith, so that a corresponding fixation between the sensor and the spacer or the clamping piece is easily achieved can be made.
Im Hinblick auf eine einfache und leicht reproduzierbare Ein¬ stellung des Sensors kann weiters vorgesehen sein, daß eine der einander zugekehrten, senkrecht zur Achse des Sensors ver¬ laufenden Flächen des Klemmstückes und des Distanzstückes mit einer vorspringenden Nase und die andere zur Aufnahme dieser Nase vorgesehene, in Umfangsrichtung verteilt angeordnete Ver¬ tiefungen, vorzugsweise Nuten, mit unterschiedlicher Tiefe aufweist, wobei die Höhe der Nase mindestens der Tiefe der tiefsten Vertiefung entspricht. Dies ermöglicht auf sehr ein¬ fache Art und Weise die Einhaltung vorbestimmter Abstandwerte. Es ist aber durchaus auch möglich, eine über eine Umdrehung durchgehende schraubenlinienförmige Fläche an einem der beiden Teile vorzusehen, wobei sich in einem solchen Falle ein belie¬ biger, zwischen Null und dem Maß der Steigung der schraubenli- nienförmigen Fläche gelegener Wert durch entsprechende Verdre¬ hung des Sensors einstellen läßt.With regard to a simple and easily reproducible setting of the sensor, it can further be provided that one of the mutually facing surfaces of the clamping piece and the spacer running perpendicular to the axis of the sensor has a projecting nose and the other one for receiving this nose , Recesses arranged in the circumferential direction, preferably grooves, having different depths, the height of the nose corresponding at least to the depth of the deepest depression. This enables the maintenance of predetermined distance values in a very simple manner. However, it is also entirely possible to provide a helical surface over one revolution on one of the two parts, in which case an arbitrary value lying between zero and the degree of the slope of the helical surface is obtained by appropriate twisting hung sensor can be adjusted.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß das Klemmstück einen Gewindeansatz aufweist, welcher in einen in der Zündkerzen— oder Einspritzdüsenbohrung des Zylinderkopfes befestigbaren Adapter einschraubbar ist. Dadurch ist der Sen¬ sor universell verwendbar, und es müssen nur jeweils einfach anzufertigende Adapter verwendet werden, um den Sensor an die jeweilige Bohrung anzupassen bzw. diese gegenüber dem Sensor abzudichte .A further embodiment of the invention provides that the clamping piece has a threaded attachment which can be screwed into an adapter which can be fastened in the spark plug or injection nozzle bore of the cylinder head. As a result, the sensor can be used universally, and only adapters that are easy to manufacture have to be used in order to adapt the sensor to the respective bore or to seal it from the sensor.
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:The invention will now be explained in more detail with reference to the drawing. Show:
Fig. 1 einen Sensor der erfindungsgemäßen Meßanordnung im mon¬ tierten Zustand, Fig. 2 den Sensor der Meßanordnung samt Halterung im Schnitt,1 shows a sensor of the measuring arrangement according to the invention in the assembled state, 2 the sensor of the measuring arrangement together with the holder in section,
Fig. 3 Details der Halterung in isometrischer Darstellung,3 details of the holder in an isometric view,
Fig. 4 und 5 Ausführungsvarianten nach Fig. 1,4 and 5 variants of FIG. 1,
Fig. 6 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Meßanordnung undFig. 6 is a block diagram of the measuring arrangement according to the invention and
Fig. 7 das Schaltbild einer Auswe teschaltung der erfindungs¬ gemäßen Meßanordnung.7 shows the circuit diagram of an evaluation circuit of the measuring arrangement according to the invention.
Wie aus den Fig. 1 bis 3 zu ersehen ist, durchsetzt der Sen¬ sor 1 der Meßanordnung ein Klemmstück 2, das seinerseits in einer einen Zylinderkopf 3 einer Brennkraftmaschine durchset¬ zenden Aufnahme 4, die z.B. für einen Meßwertaufnehmer vorge¬ sehen ist, gehalten ist. Der Sensor 1 selbst ragt in den Raum 5, den Brennraum der Brennkraftmaschine, in dem ein Kol¬ ben 6, der eine Brennmulde aufweisen kann, in üblicher Weise axial verschiebbar gehalten ist.As can be seen from FIGS. 1 to 3, the sensor 1 of the measuring arrangement passes through a clamping piece 2 which, in turn, in a receptacle 4 penetrating a cylinder head 3 of an internal combustion engine, which e.g. is provided for a transducer is kept. The sensor 1 itself protrudes into the space 5, the combustion chamber of the internal combustion engine, in which a piston 6, which may have a combustion bowl, is held axially displaceably in the usual way.
Das Klemmstück 2 weist ein Gewindestück 7 auf, mit dessen Ge¬ windeansatz 7' es, in die Aufnahme 4 eingeschaubt werden kann, wobei dieses Gewindestück 7 abgewandt vom Gewindeansatz 7' einen Gewindeteil 7" und eine Spannzange 8 aufweist, mit der mit Hilfe der Kiemmutter 9 der Sensor 1 festgeklemmt werden kann. In der Aufnahme 4 befindet sich ein den Sensor 1 umfas¬ sender Zwischenadapter 22, welcher gleichzeitig die erforder¬ liche Abdichtung bewirkt.The clamping piece 2 has a threaded piece 7, with the threaded attachment 7 'of which it can be screwed into the receptacle 4, this threaded piece 7 facing away from the threaded attachment 7' having a threaded part 7 "and a collet 8, with the aid of which Gill nut 9 which can be clamped in sensor 1. In the receptacle 4 there is an intermediate adapter 22 which surrounds the sensor 1 and which at the same time brings about the required sealing.
Die Spannzange 8 weist an ihrer vom Gewindeteil 7" abgewandten Stirnfläche 23 eine vorspringende Nase 10 auf. Diese Nase 10 greift in eine der radial verlaufenden, an der der Spannzange 8 zugekehrten Stirnfläche 24 eines Distanz¬ stückes 11 angeordneten Nuten 12, 12a bis 12c ein, die unter¬ schiedliche Tiefen aufweisen und deren Basisabschnitte zumin¬ dest Teile einer im wesentlichen schraubenlinienförmig verlau¬ fenden Fläche aufweisen.The collet 8 has a projecting nose 10 on its end face 23 "facing away from the threaded part 7". This nose 10 engages in one of the radially extending end faces 24 of a spacer 11 arranged on the collet 8 facing the spacer 11, 12a to 12c , which have different depths and whose base sections have at least parts of an essentially helical surface.
Das Distanzstück 11 verfügt ebenfalls über eine Spannzange 13, mit welcher es mittels der Kiemmutter 14 am Sensor 1 festge¬ klemmt werden kann.The spacer 11 also has a collet 13, with which it can be clamped to the sensor 1 by means of the gill nut 14.
Wie aus der Fig. 2 zu ersehen ist, besteht der Sensor 1 im we¬ sentlichen aus einem Rohr 15 aus einem elektrisch leitenden Material, in dem eine elektrisch leitende, von einem Isola¬ tor 16 umgebende Seele 17 geführt ist. Diese Seele 17 ist elektrisch leitend mit einem Sensorkopf 18 verbunden, der ge¬ gen die Stirnseite des Rohres 15 mittels eines Isolierstük- kes 19 isoliert angeordnet ist. Über den Anschlußstecker 20 wird von der in einem Gehäuse 21 angeordneten Auswerteschal¬ tung ein Impulszug an die Seele 17 des Sensors 1 gelegt. Der Kolben 6, der über den Zylinderblock, das Klemmstück 2 und die Aufnahme 4 mit dem Rohr 15 des Sensors 1 in elektrisch leiten¬ der Verbindung steht, liegt somit auf Massepotential. Dadurch wirken der Sensorkopf 18 und der Kolben 6 als Elektroden eines Kondensators, wobei die Kapazität desselben von der Entfernung des Kolbens vom Sensorkopf 18 abhängt.As can be seen from FIG. 2, the sensor 1 essentially consists of a tube 15 made of an electrically conductive material, in which an electrically conductive core 17 surrounded by an insulator 16 is guided. This core 17 is electrically conductively connected to a sensor head 18 which is arranged insulated against the end face of the tube 15 by means of an insulating piece 19. A pulse train is applied to the core 17 of the sensor 1 via the connector 20 from the evaluation circuit arranged in a housing 21. The piston 6, which is in electrically conductive connection via the cylinder block, the clamping piece 2 and the receptacle 4 with the tube 15 of the sensor 1, is thus at ground potential. As a result, the sensor head 18 and the piston 6 act as electrodes of a capacitor, the capacitance of which depends on the distance of the piston from the sensor head 18.
Die Einstellung des Sensorkopfes 18 in Bezug auf den oberen Totpunkt des Kolbens 6 kann auf sehr einfache Weise erfolgen. Dabei wird der Kolben 6 zuerst auf seinen oberen Totpunkt ge¬ bracht und der Sensorkopf 18 bei gelöster Spannzange 9 auf den Kolben 6 aufgesetzt, oder aber der Sersorkopf wird vor Errei¬ chen des oberen Totpunktes durch den Kolben 6 auf diesen auf¬ gesetzt und dieser mit dem aufgesetzten Sensor 1 auf seinen oberen T.otpunkt gebracht, wobei die Spannzange 9 selbstver¬ ständlich gelöst ist.The adjustment of the sensor head 18 in relation to the top dead center of the piston 6 can be carried out in a very simple manner. The piston 6 is first brought to its top dead center and the sensor head 18 is placed on the piston 6 when the collet 9 is released, or else the sensor head is placed on the piston 6 before it reaches top dead center and the latter brought with the attached sensor 1 to its upper dead center, the collet 9 being of course released.
Ist diese Stellung erreicht, so wird das Distanzstück 11, des¬ sen Spannzange 13 ebenfalls gelöst ist, zur Anlage an der Stirnfläche der Spannzange 8 gebracht, wobei deren stirnseit'ig vorspringende Nase 10 in die tiefste Nut 12 des Distanzstük- kes 11 eingreift. Dabei ist die Höhe der Nase 10 mindestens gleich der Tiefe der tiefsten Nut 12 des Dis anzstückes 11 ge¬ wählt. In dieser Lage des Distanzstückes 11 wird deren Spann¬ zange 13 durch Anziehen der Kiemmutter 14 an dem Sensor 1 festgeklemmt und mit diesem ein kleines Stück aus dem Klemm¬ stück 2 herausgezogen und nach de Verdrehen des Distanzstük- kes 11 wieder in diesen eingeschoben. Dabei rastet nun die Nase 10 in eine der weniger tiefen Nuten 12a bis 12c des Di¬ stanzstückes 11 ein.Once this position has been reached, the spacer 11, the collet 13 of which has also been released, is brought into contact with the end face of the collet 8, its nose 10 projecting on the end engaging in the deepest groove 12 of the spacer 11. The height of the nose 10 is at least equal to the depth of the deepest groove 12 of the disc piece 11. In this position of the spacer 11, its collet 13 is clamped to the sensor 1 by tightening the gill nut 14, and with it is pulled out a small piece from the clamping piece 2 and, after the spacer 11 has been rotated, is pushed back into the latter. The now snaps Nose 10 into one of the less deep grooves 12a to 12c of the spacer 11.
Je nach dem in welche der Nuten 12a bis 12c die Nase 10 einra¬ stet, welche Nuten z.B. um 0,5, 1,0 bzw. 1,5 mm geringere Tie¬ fe als die tiefste Nut 12 aufweisen, ergibt sich ein entspre¬ chender Abstand a des Sensorkopfes 18 vom oberen Totpunkt des Kolbens 6, sodaß es auch im dynamischen Betrieb, in dem es aufgrund von unvermeidlichen Lagerspielen, Durchbiegungen und Massekräften zu einer Veränderung der Lage des oberen Tot¬ punktes des Kolbens gegenüber dem Zylinderkopf 3, verglichen mit der Lage des statischen oberen Totpunktes kommt, zu keiner Berührung des Sensorkopfes durch den Kolben 6 kommen kann.Depending on which of the grooves 12a to 12c the nose 10 engages, which grooves e.g. have a depth that is 0.5, 1.0 or 1.5 mm less than the deepest groove 12, there is a corresponding distance a of the sensor head 18 from the top dead center of the piston 6, so that it is also in dynamic operation, in which there is no change in the position of the top dead center of the piston relative to the cylinder head 3 compared to the position of the static top dead center due to the inevitable bearing play, deflections and inertia forces, so that the sensor head cannot come into contact with the piston 6.
Abschließend wird dann die Lage des Sensors 1 durch Anziehen der Kiemmutter 9 der Spannzange 8 und des Klemmstückes 2 fi¬ xiert. Damit ist die Lage des Sensors 1 in Bezug auf den Zy¬ linderkopf 3 festgelegt, und der obere Totpunkt des Kolbens 6 kann durch Auswertung der sich in Abhängigkeit von der Entfer¬ nung des Kolbens 6 vom Sensorkopf 18 ändernden Kapazität des durch den letzteren und den Kolben 6 gebildeten Kondensator erfaßt werden, wobei das Maximum der Kapazität dieses Konden¬ sators das Erreichen des oberen Totpunktes anzeigt.Finally, the position of the sensor 1 is then fixed by tightening the gill nut 9 of the collet 8 and the clamping piece 2. The position of the sensor 1 with respect to the cylinder head 3 is thus fixed, and the top dead center of the piston 6 can be determined by evaluating the capacity of the sensor head 18 which changes depending on the distance of the piston 6 from the sensor head 18 Piston 6 formed capacitor can be detected, the maximum of the capacitance of this capacitor indicates reaching top dead center.
Es ist natürlich auch möglich, speziell angefertigte Klemm¬ stücke 2 mit entsprechenden Gewindeansätzen 7' in Bohrungen für Zündkerzen oder Einspritzdüsen einzuschrauben oder wie in den Fig. 4 und 5 dargestellt, einen entsprechend geformten Ad¬ apter 25 anstelle' der Zündkerze bzw. 26 anstelle der Ein¬ spritzdüse zu verwenden, wobei der Adapter 26 durch eine Hal¬ terung 27 befestigt sein kann.It is of course also possible, purpose-built Klemm¬ pieces 2 with corresponding threaded lugs 7 'in holes for spark plugs or injection nozzles to be screwed or as shown in FIGS. 4 and 5, a correspondingly shaped Ad¬ Apter 25 instead' of the spark plug 26 in place or to use the injection nozzle, wherein the adapter 26 can be fastened by a bracket 27.
Wie aus der Fig. 6 zu ersehen ist, weist die Meßanordnung nach der Erfindung in ihrer Auswerteschaltung einen Oszillator 30 auf, der ausgangsseitig mit potentialabhängigen Schaltelemen¬ ten 31 verbunden ist und diese mit einem Zug von Rechtecksi¬ gnalen beaufschlagt, sodaß sich das an den potentialabhängigen Schaltelementen 31 anliegende Potential mit einer durch den Oszillator 30 vorgegebenen Frequenz ändert. über die aus- gangspotentialabhängigen Schaltelemente werden die Brücken¬ zweige 32, 33 einer Meßbrücke 24 gespeist.As can be seen from FIG. 6, the measuring arrangement according to the invention has an oscillator 30 in its evaluation circuit, which is connected on the output side to potential-dependent switching elements 31 and applies a train of square-wave signals to them, so that this affects the Potential-dependent switching elements 31 changes potential applied at a frequency predetermined by the oscillator 30. about the The switching branches 32, 33 of a measuring bridge 24 are fed to switching elements dependent on the current potential.
Die beiden Zweige dieser Meßbrücke 34 sind einerseits durch die Kondensatoren Cl und C2, bzw. durch die Kondensatoren C3 und C4 gebildet, wobei es auch denkbar wäre, nur in der Halb¬ brücke 32 Kondensatoren vorzusehen. An den Verbindungspunkten der beiden jeweils einen Brückenzweig 32 bzw. 33 bildenden Kondensatoren Cl bis C4 sind die Eingänge eines Differenzver¬ stärkers 35 angeschlossen. Die Ausgänge dieses Differenzver¬ stärkers 35 legen das Referenzpotential der potentialabhängi¬ gen Schaltelemente 31 fest, wobei einer dieser Ausgänge des Differenzverstärkers 35 auch das der Kapazität des durch den Sensorkopf 18 und den Kolben 6 gebildeten Kondensators C2 ent¬ sprechendes Ausgaήgssignal A liefert, das in bekannter Weise nach Maximalstellen untersucht werden kann.The two branches of this measuring bridge 34 are formed on the one hand by the capacitors C1 and C2, or by the capacitors C3 and C4, although it would also be conceivable to provide 32 capacitors only in the half bridge. The inputs of a differential amplifier 35 are connected to the connection points of the two capacitors C1 to C4, each forming a bridge branch 32 or 33. The outputs of this differential amplifier 35 determine the reference potential of the potential-dependent switching elements 31, one of these outputs of the differential amplifier 35 also supplying the output signal A corresponding to the capacitance of the capacitor C2 formed by the sensor head 18 and the piston 6 can be examined for maximum positions in a known manner.
Beim Einsatz der Meßanordnung werden die beiden Brücken¬ zweige 32, 33 der Meßbrücke 34 über die potentialabhängigen Schaltelemente 31 mit rechteckförmigen Impulsen des Oszilla¬ tors 30 gespeist. Dabei erfolgt eine Aufladung der Kondensato¬ ren Cl bis C4 und danach eine rasche Entladung derselben. Bei einer Abweichung der Meßbrücke vom abgestimmten Zustand, wie sich dies bei einer Änderung der Kapazität des durch den Sen¬ sorkopf 18 und den Kolben 6 gebildeten Kondensators C2 auf¬ grund einer Änderung des Abstandes zwischen diesen Teilen er¬ gibt, kommt es zu einer Änderung des Spannungsteilerverhält¬ nisses in dem Brückenzweig 32. Dadurch ergibt sich auch eine Änderung der BrückenquerSpannung, die über den Differenzver¬ stärker 35 eine Änderung der AusgangsSpannung bewirkt und eine Verschiebung der Potentiale el und e2 bewirkt, wodurch die Größe der in die Brücke 34 eingespeisten Impulse über die po- tentialabhängigen Schaltelemente 31 an die neuen Kapazitäts¬ verhältnisse angepaßt werden und die Brücke wieder abgeglichen ist. Dadurch kann über einen weiten Bereich eine hohe Empfind¬ lichkeit sichergestellt werden.When the measuring arrangement is used, the two bridge branches 32, 33 of the measuring bridge 34 are fed with rectangular pulses of the oscillator 30 via the potential-dependent switching elements 31. The capacitors C1 to C4 are then charged and then rapidly discharged. If the measuring bridge deviates from the coordinated state, as is the case when the capacitance of the capacitor C2 formed by the sensor head 18 and the piston 6 changes due to a change in the distance between these parts, there is a change of the voltage divider ratio in the bridge branch 32. This also results in a change in the bridge transverse voltage, which causes a change in the output voltage via the differential amplifier 35 and a shift in the potentials el and e2, as a result of which the size of the pulses fed into the bridge 34 are adapted to the new capacitance conditions via the potential-dependent switching elements 31 and the bridge is adjusted again. As a result, high sensitivity can be ensured over a wide range.
Da sich bei einer Brennkraftmaschine bei dynamischen Messungen der Abstand des Kolbens vom Sensorkopf 18 ständig ändert, än¬ dert sich demgemäß auch das Ausgangssignal, des Differenzver- stärkers 35, sodaß der Extremwert des Abstandes zwischen dem Sensorkopf 18 und dem Kolben 6, bei dem die Kapazität des durch den Sensorkopf 18 und den Kolben 6 gebildeten Kondensa¬ tors G2 am größten ist, auf einfache Weise erfaßt wird.Since the distance of the piston from the sensor head 18 changes constantly in an internal combustion engine during dynamic measurements, the output signal , the difference amplifier 35, so that the extreme value of the distance between the sensor head 18 and the piston 6, at which the capacitance of the capacitor G2 formed by the sensor head 18 and the piston 6 is greatest, is detected in a simple manner.
Die Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Auswerteschal¬ tung der Meßanordnung. Bei dieser Auswerteschaltung sind zwei Brückenzweige vorgesehen, die durch die Kondensatoren Cl , C2 bzw. C3 , G4 gebildet werden, wobei der Kondensator C2 durch den Sensorkopf 18 und den Kolben 6 gebildet ist, und eine vom Abstand zwischen diesen abhängige Kapazität aufweist.7 shows an embodiment of an evaluation circuit of the measuring arrangement. In this evaluation circuit, two bridge branches are provided which are formed by the capacitors C1, C2 or C3, G4, the capacitor C2 being formed by the sensor head 18 and the piston 6 and having a capacitance which is dependent on the distance between them.
Die einen Enden der beiden Brückenzweige liegen gemeinsam auf einem festen Potential, z.B. Erde. Die beiden anderen Enden der beiden Brückenzweige sind über den Widerstand R6 an ein Potential el , bzw. über den Widerstand R7 an ein Potential e2 gelegt, wobei diese Potentiale von der Ausgangsspannung der Auswerteschal tung über ein Netzwerk abgenommen sind. Weiters sind diese Enden der Brückenzweige über die Dioden Dl und D2 mit einem hier nicht dargestellten Oszillator verbunden, wel¬ cher einen aus Rechteckimpulsen bestehenden Impulszug R lie¬ fert, wobei die Dioden die poten ialabhängigen Schaltele¬ mente 31 bilden.The one ends of the two bridge branches are together at a fixed potential, e.g. Earth. The other two ends of the two bridge branches are connected via resistor R6 to a potential el, or via resistor R7 to a potential e2, these potentials being removed from the output voltage of the evaluation circuit via a network. Furthermore, these ends of the bridge branches are connected via diodes D1 and D2 to an oscillator (not shown here), which delivers a pulse train R consisting of rectangular pulses, the diodes forming the potential-dependent switching elements 31.
Die Verbindungspunkte der beiden je einen Brückenzweig bilden¬ den Kondensatoren Cl , C2 bzw. C3 , C4 sind mi den Basen der beiden, vorzugsweise in einem integrierten Pärchen zusammenge¬ faßten Verstärkertransistoren Tl , T2 verbunden, wobei mittels C4 die Ruhekapazität abgeglichen wird.The connection points of the two capacitors C1, C2 and C3, C4 each forming a bridge branch are connected to the bases of the two amplifier transistors T1, T2, preferably combined in an integrated pair, the quiescent capacitance being balanced by means of C4.
Weiters sind diese Verbindungspunkte über Dioden D3 , D4 und zu diesen parallel geschaltete Widerstände R4 , R5 an ein festes Potential gelegt, wodurch negative Spannungsspitzen vermieden werden. An diesem Potential liegt auch der gemeinsame Emitter¬ widerstand R3 der beiden Transistoren Tl , T2. Weiters sind die Kollektoren der Transistoren Tl , T2 bzw. die Eingänge des Dif¬ ferenzverstärkers 35 mit Widerständen Rl , R2 verbunden, die gemeinsam an einem festen positiven Potential liegen.Furthermore, these connection points are connected to a fixed potential via diodes D3, D4 and resistors R4, R5 connected in parallel with them, as a result of which negative voltage peaks are avoided. The common emitter resistance R3 of the two transistors T1, T2 is also at this potential. Furthermore, the collectors of the transistors T1, T2 and the inputs of the differential amplifier 35 are connected to resistors R1, R2, which are together at a fixed positive potential.
Diese Schaltung hat zwei Betriebszustände : Der erste Zustand, der im folgenden immer als Grundstellung bezeichnet wird, kommt vor, wenn der Impulseingang "LOW" ist. Nach einiger Zeit in diesem Zustand fließt praktisch kein Strom in die Kapazi¬ tätsbrücke. Die Dioden Dl und D2 befinden sich im Sperrzu¬ stand. Die eine Elektrode von Cl liegt auf dem Potential el , die eine Elektrode von C3 liegt auf Potential e2. Die Poten¬ tiale el und e2 werden bestimmt durch die Ausgangsspannung der Auswerteschaltung und die Einstellung des Netzwerkes R8 bis R14 , in dem auch ein als Inverter wirkender Operationsver¬ stärker 36 enthalten ist. Die Brückenmittelpunkte, und daher auch die Basen der zwei Transistoren Tl, T2 liegen auf dem ne¬ gativen Potential einer Gleichspannungsquelle u.zw. über die Widerstände R4 , R5. Da auch die Emitter der Transistoren Tl , T2 über den Widerstand R3 mit dem gleichen Pol verbunden sind, sperren die Transistoren Tl, T2 , und das positive Potential liegt an den Eingängen des Differenzverstärkers. Der zweite Zustand der Schaltung, der im folgenden aktive Stellung ge¬ nannt wird, kommt vor, wenn der Impulseingang auf "HIGH" steht. "HIGH" heißt, eine Spannung wesentlich positiver als das Potential el .oder e2. Die Dioden Dl und D2 werden daher leitend. Die einen Elektroden von Cl und C3 steigen auf eine Spannung e3 an, wobei e3 ein Potential ist, das um eine Di- odendurchlaßspannung niedriger liegt als das am Impulseingang anstehende Potential. Wegen der steilen positiven Flanke der Eingangsimpulse fließt kurzzeitig ein relativ großer Strom durch die Kapazitätsbrücke Cl, C2 , C3 , C4 und die Basen der zwei Transistoren Tl , T2. Diese Basisströme bewirken ver¬ stärkte Kollektorströme über die Widerstände Rl , R2 , die ein Absenken der Potentiale an den zwei Eingängen des Differenz¬ verstärkers 35 bewirken. Ein Schwingen des Differenzverstär- kers 35 wird durch den Kondensator C5 verhindert.This circuit has two operating states: the first state, which is always referred to below as the basic position, occurs when the pulse input is "LOW". After some time in this state, practically no current flows into the capacitance bridge. The diodes D1 and D2 are in the blocking state. One electrode of Cl is at potential el, the one electrode of C3 is at potential e2. The potentials el and e2 are determined by the output voltage of the evaluation circuit and the setting of the network R8 to R14, which also contains an operational amplifier 36 which acts as an inverter. The bridge center points, and therefore also the bases of the two transistors T1, T2, are at the negative potential of a DC voltage source, etc. via the resistors R4, R5. Since the emitters of the transistors T1, T2 are also connected to the same pole via the resistor R3, the transistors T1, T2 block and the positive potential is at the inputs of the differential amplifier. The second state of the circuit, which is called the active position in the following, occurs when the pulse input is at "HIGH". "HIGH" means a voltage much more positive than the potential el. Or e2. The diodes D1 and D2 therefore become conductive. The one electrodes of C1 and C3 rise to a voltage e3, e3 being a potential which is lower by a diode forward voltage than the potential present at the pulse input. Because of the steep positive edge of the input pulses, a relatively large current flows briefly through the capacitance bridge C1, C2, C3, C4 and the bases of the two transistors T1, T2. These base currents result in increased collector currents via the resistors R1, R2, which cause the potentials at the two inputs of the differential amplifier 35 to decrease. The capacitor C5 prevents the differential amplifier 35 from oscillating.
Es wird vorerst angenommen, daß Cl gleich C3 , und C2 gleich C4 sowie e2 gleich el ist. In diesem Fall sind die Ladungsüber¬ tragungen, auf beiden Seiten der Brücke gleich und die zwei Transistoren Tl , T2 bedingen gleiche Potentialsprünge, sobald sie aufgrund eines am Impulseingang anstehenden "HIGH"—Signals leitend geworden sind.It is assumed for the time being that C1 is C3, C2 is C4 and e2 is el. In this case, the charge transfers are the same on both sides of the bridge and the two transistors T1, T2 cause the same jumps in potential as soon as they have become conductive due to a "HIGH" signal present at the pulse input.
Wenn C2 und C4 nicht gleich si?ιd, bewirkt die Dif erenzspan- nung des Verstärkers 35 eine Änderung von el und e2 derart, daß die Meßbrücke 34 wieder abgeglichen ist.If C2 and C4 are not the same, the difference span causes voltage of the amplifier 35 a change of el and e2 such that the measuring bridge 34 is adjusted again.
Anstelle der Dioden Dl und D2 können auch Transistoren verwen¬ det werden, die gemeinsam mit einem - vorzugsweise aus Recht¬ eckimpulsen bestehenden - Impulszug an ihren Basen angesteuert werden, um alternierend eine Verbindung zwischen den Kondensa¬ toren Cl bzw. C3 und einem festen Potential herzustellen, des¬ sen Höhe selbstverständlich von jener der Potentiale el und e2 verschieden sein muß.Instead of the diodes D1 and D2, it is also possible to use transistors which are driven at their bases together with a pulse train - preferably consisting of rectangular pulses - in order to alternate a connection between the capacitors C1 and C3 and a fixed potential to produce whose height must of course be different from that of the potentials el and e2.
Mit dieser Auswerteschaltung ist es möglich, sehr kleine Ände¬ rungen der Kapazität des aus dem Sensorkopf 18 bzw. dem Kol¬ ben 6 bestehenden Kondensator C2 sehr schnell zu erfassen, wo¬ durch sich eine sehr hohe Auflösung ergibt und sehr kleine Än¬ derungen des Abstands erfaßt werden können.With this evaluation circuit, it is possible to detect very small changes in the capacitance of the capacitor C2 consisting of the sensor head 18 or the piston 6 very quickly, which results in a very high resolution and very small changes in the Distance can be detected.
Mit Hilfe des Widerstandsnetzwerkes R8 bis R14 und des Opera¬ tionsverstärkers 36, der als Inverter wirkt und an der Aus¬ gangsspannung des Differenzverstärkers 35 liegt, ist es mög¬ lich, die Empfindlichkeit und die Grundwerte der Potentiale el und e2 vorzugeben, wobei für letztere die Widerstände RIO, Rll, R13 und R14 verantwortlich sind.With the help of the resistor network R8 to R14 and the operational amplifier 36, which acts as an inverter and is connected to the output voltage of the differential amplifier 35, it is possible to specify the sensitivity and the basic values of the potentials el and e2, the latter for the latter the resistors RIO, Rll, R13 and R14 are responsible.
Patentansprüche : Claims:

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E PATENT CLAIMS
1. Meßanordnung zur Abstandsbestimmung eines in einem um¬ grenzten Raum bewegbaren elektrisch leitenden Teiles von einem Bezugspunkt, insbesondere zur Bestimmung des oberen Totpunktes des Kolbens einer Brennkraftmaschine, mit einer elektronischen Auswerteschaltung, bei welcher ein kapazi¬ tiver Sensor in einer in der Wand des Raumes gehaltenen Halteeinrichtung fixierbar und mit einer Auswerteschaltung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerte¬ schaltung eine von einem Oszillator (30) über ausgangssei- tig potentialabhängige Schaltelemente (31) gespeiste Meßbrücke (34) mit mindestens zwei Kondensatoren (Cl, C2) aufweist, daß der Sensorkopf (18) des Sensors (1) und der bewegbare Teil, insbesondere der Kolben (6) der Brenn¬ kraftmaschine einen der beiden Kondensatoren bilden, sowie daß ein Differenzverstärker (35) vorgesehen ist, welchem die an der Meßbrücke (34) abgreifbare Querspannung zuführ¬ bar ist, sowie daß die Ausgänge des Differenzverstär¬ kers (35) die ausgangsseitigen Potentiale (el, e2 ) der po¬ tentialabhängigen Schaltelemente (31) steuern.1. Measuring arrangement for determining the distance of an electrically conductive part which can be moved in a confined space from a reference point, in particular for determining the top dead center of the piston of an internal combustion engine, with an electronic evaluation circuit in which a capacitive sensor is located in a wall of the room holding device which can be fixed and is connected to an evaluation circuit, characterized in that the evaluation circuit has a measuring bridge (34) fed by an oscillator (30) via switching elements (31) with potential-dependent output elements and having at least two capacitors (Cl, C2), that the sensor head (18) of the sensor (1) and the movable part, in particular the piston (6) of the internal combustion engine form one of the two capacitors, and that a differential amplifier (35) is provided, which is connected to the measuring bridge (34) tapped transverse voltage can be fed, and that the outputs of the differential amplifier (35) control the output-side potentials (el, e2) of the potential-dependent switching elements (31).
2. Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die potentialabhängigen Schaltelemente (31) durch Dioden (Dl, D2) gebildet sind, die in Serie zu den beiden je zwei Kondensatoren (Cl bis C4) enthaltenden Brückenzweige (32, 33) der Meßbrücke (34) geschaltet sind.2. Measuring arrangement according to claim 1, characterized in that the potential-dependent switching elements (31) are formed by diodes (Dl, D2) which in series with the two two capacitors (Cl to C4) containing bridge branches (32, 33) of the measuring bridge (34) are switched.
3. Meßanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abgleichung der Ruhekapazität der Meßanordnung ein Brückenzweig (33) der Meßbrücke (34) mit einem Kondensator3. Measuring arrangement according to claim 2, characterized in that a bridge branch (33) of the measuring bridge (34) with a capacitor for matching the rest capacity of the measuring arrangement
(C4) mit variabler Kapazität ausgestattet ist.(C4) is equipped with variable capacity.
4. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß die vom Sensor (1) durchsetzte Halteein¬ richtung ein in einer Wand des Raumes (5) fixierbares Klemmstück (2) aufweist, welches mit einer Stirnfläche (23 als Anschlag für ein am Sensor (1) fixierbares Distanz¬ stück (11) ausgestattet ist, wobei die Stirnfläche (23) oder die an dieser zur Anlage bringbare Fläche (24) des Distanzstückes (11) zumindest Teile einer im wesentlichen schraubenlinienförmig verlaufenden Fläche aufweisen, deren Achse mit der Längsachse des Sensors (1) zusammenfäll .4. Measuring arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized ge indicates that the holding device penetrated by the sensor (1) has a clamping piece (2) which can be fixed in a wall of the room (5) and which has an end face (23 is equipped as a stop for a spacer (11) which can be fixed on the sensor (1), the end face (23) or the surface (24) of the spacer (11) which can be brought into contact therewith have at least parts of an essentially helical surface whose axis coincides with the longitudinal axis of the sensor (1).
5. Meßanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Klemmstück (2), und vorzugsweise auch das Distanz¬ stück (11) jeweils eine den Sensor (1) umfassende Spann¬ zange (8, 13) und eine damit zusammenwirkende Kiemmut¬ ter (9, 14) aufweisen.5. Measuring arrangement according to claim 4, characterized in that the clamping piece (2), and preferably also the spacer (11) each have a sensor (1) comprising collet (8, 13) and a cooperating Kiemmut¬ ter (9, 14).
6. Meßanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine der einander zugekehrten, senkrecht zur Achse des Sensors (1) verlaufenden Flächen (23, 24) des Klemmstük- kes (2) und des Distanzstückes (11) eine vorspringende Nase (10) und die andere zur Aufnahme dieser Nase (10) vorgesehene, in Umfangsrichtung verteilt angeordnete Ver¬ tiefungen, vorzugsweise Nuten (12, 12a, 12b, 12c), mit un¬ terschiedlicher Tiefe aufweist, wobei die Höhe der Nase mindestens der Tiefe der tiefsten Vertiefung entspricht.6. Measuring arrangement according to claim 5, characterized in that one of the mutually facing, perpendicular to the axis of the sensor (1) extending surfaces (23, 24) of the clamping piece (2) and the spacer (11) has a projecting nose (10) and the other recesses, preferably grooves (12, 12a, 12b, 12c) provided for receiving this nose (10) and distributed in the circumferential direction, have different depths, the height of the nose being at least the depth of the deepest recess corresponds.
7. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß das Klemmstück (2) einen Gewindean¬ satz (7') aufweist, welcher in einen in der Zündkerzen— oder Einspritzdüsenbohrung eines Zylinderkopfes (3) befe¬ stigbaren Adapter (25 bzw. 26) einschraubbar ist. 7. Measuring arrangement according to one of claims 4 to 6, characterized in that the clamping piece (2) has a threaded attachment (7 ') which can be attached to an adapter in the spark plug or injection nozzle bore of a cylinder head (3) (25 or 26) can be screwed in.
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