JP2006528338A - 圧力検出器 - Google Patents

Abstract

本発明は、圧力差によって種々に変形可能または位置変化可能であるダイヤフラムを備えている圧力検出器に関する。比較的高い温度を有する接近しにくい空間においても有利に使用可能である構成は、ダイヤフラム（１）の少なくとも機能部分（１．１）が、黒色放射体の特性を有しているまたは使用条件下でダイヤフラム（１）の温度に相応しているスペクトル領域において検出にとって重要である放射能力を有している材料を有しており、かつダイヤフラム（１）に、放出された放射を少なくとも部分的に捕捉検出する、少なくとも１つのＩＲ放射検知器（４）を備えている放射受け取りユニットが配属されていることによって実現される。

Description

本発明は圧力差によって異なって変形可能であるまたは位置変化可能であるダイヤフラムを備えている圧力検出器に関する。

従来の技術
この形式の（あえて刊行物は挙げないが）公知と認められている圧力検出器は、圧力測定に対して変形可能なダイヤフラムの変位もしくは振れが捕捉検出されることに基づいている。問題は例えば、内燃機関の燃焼室における圧力測定を行うことであり、その際５００℃を上回る温度が支配している。

本発明の課題は、冒頭に述べた形式の圧力検出器を、不都合な測定条件の場合にも、例えば比較的高い温度を有する接近しにくい空間においても確実に圧力が測定されるようにする改良することである。

本発明の利点
この課題は、請求項１に記載の特徴部分に記載の構成によって解決される。この場合、ダイヤフラムの少なくとも機能部分が、黒色放射体の特性を有しているまたは使用条件下でダイヤフラムの温度に相応しているスペクトル領域において捕捉検出にとって重要である放射能力（ラジエーション・アビリティ）を有している材料を有しており、かつダイヤフラムに、放出された放射を少なくとも部分的に捕捉検出する、少なくとも１つのＩＲ放射検知器を備えている、放射線検出器もしくは受光器とも称される放射受取ユニットが配属されているようになっている。

この構成によって、圧力はダイヤフラムの温度捕捉検出に基づいて検出されかつ評価される。測定はそれ自体周知の、黒色放射器の単位表面当たりおよび単位波長当たりの放射エネルギーはそれ自体周知の関係式を有しているというプランクの放射法則に基づいている。その際表面のスペクトル放出能力は同じ温度の場合のこの表面のスペクトル放射線密度と黒体のスペクトル放射線密度との比として定義されている。この関数は１より小さいまたは１に等しく、かつそれが一定であるとき、表面は灰色放射体と称される。

分かり易くするために図４には、１ｍｍの直径および放出能力＝１（黒色放射体）の放出面に対して３００℃、４００℃、５００℃および６００℃の温度の場合の放射エネルギーのスペクトル密度が示されている。スペクトル放射エネルギーの最大値は３００℃の温度に対する５μｍから６００℃の温度に対する３．３μｍまで変化する。曲線は最大値の左側において、すなわち比較的短い波長の方向に右側、すなわち比較的長い波長の場合よりずっと急峻な経過を示している。放射検出器および場合によりその前に配置されているフィルタは生じている温度領域に相応して選択される。

定義されている放射および捕捉検出は、機能部分がダイヤフラムの中央領域に配置されておりかつ請求項１に記載の材料を有する被膜によって実現されておりかつ機能部分が、少なくとも、使用条件下でダイヤフラムの温度に相応しているスペクトル領域において比較的僅かである放射能力を有している部分によって取り囲まれていることによって一段と改良される。

種々の有利な実施形態は、機能部分がカーボン・ブラック、酸化鉄、酸化された銅、酸化された鋼によって成膜されておりおよび／または周囲部分が金被膜を担持している点にある。

放射受取ユニットとダイヤフラムとの間に赤外線導体が配置されており、該赤外線導体は少なくとも、圧力検出器の使用条件に相応するスペクトル放射領域において透過性であることによって安定した、信頼性を以て機能する構成が実現される。当該のスペクトル領域における高い透過性は、ダイヤフラムから放出される放射が殆ど減衰されないようにすることによって実現される。

その際有利な変形形態は、赤外線導体がダイヤフラムから放出されるＩＲ放射のガイドのために加工処理された内壁面を備えた管形状の部分を有しおよび／または赤外線導体がダイヤフラムから放出されるＩＲ放射のガイドのために誘電体の導波体を有している点にあり、その際更に有利には、赤外線導体が管形状の部分によって実現されている場合当該波長より僅かであるラフネスを有している平滑な表面およびダイヤフラムの赤外線を少なくとも大部分反射する被膜を担持しておりまたは赤外線導体が導波体により実現されている場合、ゲルマニウム、サファイア、石英、フッ化カルシウムまたは塩化ナトリウムから成っているようにすることができる。

この場合放射ガイドに対して更に、赤外線導体がレンズエレメントを有しているようにすることができる。

感度および測定精度に貢献するのは、ＩＲ放射検出器が放射感度がダイヤフラムの赤外線に同調されておりかつ放射受取ユニットがダイヤフラムの振動周波数に整合されているという構成である。

別の種々の実施形態は、ＩＲ放射検出器がパイロ電気検知器、ボロメーターまたは熱電堆を有していることによって生じる。

信頼できる測定信号を得るために更に、ＩＲ放射検出器に冷却装置が配属されておりおよび／またはＩＲ放射検出器に測定の基準となる放射バンドを選択するための赤外線フィルタが前置接続されていると有利である。

別の不都合な環境の影響を排除するために、別の有利な実施形態によれば、放射受取ユニットが２つのＩＲ線検出器を有しており、該検出器の前に異なっているスペクトル透過度の赤外線フィルタが配置されておりかつ評価ユニットが、２つのＩＲ線検出器によって捕捉検出される放射成分が、ダイヤフラムの変位から来るものとダイヤフラムの温度変化から来るものとに分離されるように実現されている。

図面
本発明を次に図示の実施例に基づいて詳細に説明する。その際：
図１は圧力検出器を縦断面図にて示し、
図２および図３はチューブもしくは導光ファイバを使用して放射検出器によって捕捉検出される、圧力検出器のダイヤフラムの変位に依存した放射流の変化を示し、
図４は１ｍｍの直径の放射面のスペクトル放射エネルギーを種々の温度に対して示している。

実施例
図１に図示の圧力検出器は圧力の作用下で変位可能もしくは変形可能なダイヤフラム１並びに赤外線（ＩＲ）放射検出器４を有しており、これらの間に、ダイヤフラム１から放出される赤外線をＩＲ放射検知器４に導く赤外線導体２が配置されている。ＩＲ放射検知器４の前に有利には光フィルタ３が配置されており、かつＩＲ放射検知器もしくは受光器４には冷却エレメント５が配属されている。圧力測定はダイヤフラム１の変位の測定によって行われる。それはＩＲ放射検知器４によって検知される放射流の変化の測定によって決定される。それは例えば図２および図３のダイヤグラムに示されているように生じる。

ダイヤフラム１の真ん中の領域は機能部１．１として実現されておりかつ黒色放出体の特性または圧力検出器が使用状態にあるときダイヤフラム１の温度に相応しているスペクトル放出領域に申し分のない放出能力を有している材料によって被膜されている。この形式の材料は例えばガスカーボン・ブラック、酸化鉄または類似の酸化物、強く酸化された銅、酸化鋼または類似のものであってよい。真ん中のまたは内側のダイヤフラム１の部分１．１の周辺領域１．２には、圧力検出器が使用されるスペクトル領域において弱い放出能力しか有していない材料が被膜されていて、ダイヤフラム１によって形成される放射源ができるだけ一義的に制限されるようになっている。この種の材料は例えば薄い金膜である。

赤外線導体２は、圧力検出器が使用されるスペクトル領域に良好な透過性を有していなければならない。赤外線導体２は管形状部分もしくはチューブを用いて形成されていてよく、その内側の壁面はできるだけ僅かなラフネス（波長より低い）を持った適当な表面状態を有しかつ使用に相応するスペクトル領域にできるだけ申し分ない反射特性、従ってできるだけ弱い放出能力を有している材料によって成膜されており、このためには金または銀の膜または類似のものが適している。この形式の透過性および内壁面２．１を有している赤外線導体２はダイヤフラムから放出される放射の、ＩＲ放射検知器４へのほぼ完全な伝送を保証するものである。

赤外線導体２は冒頭に述べた形態に対して択一的にまたはこれとの組み合わせにおいて、使用に相応するスペクトル領域において良好な透過能を有している、光学式ファイバ導体に匹敵する誘電体導波体であってもよい。この形式の材料は例えばゲルマニウム（１．８ないし２８μｍのスペクトル領域に対して）、サファイア（０．１７ないし６．５μｍ）、石英（０．２ないし４．５μｍ）、フッ化カルシウム（０．２ないし８μｍ）、塩化ナトリウム（０．２ないし２６μｍ）または類似のものであってよい。導波体は、冒頭に述べた形態との組み合わせにおいて存在しているものでもよい１つまたは複数のレンズによって形成されていてもよい。

ＩＲ放射検知器４はダイヤフラム１のＩＲ放射のスペクトル領域においてできるだけ感度がいいものでありたいしおよびダイヤフラム１の振動周波数に同調されている応答領域を有しているようにしたい。更に冷却エレメント５、例えばペルチェ・エレメントが設けられていて、ＩＲ放射検知器４が冷却されるようになっている。放射検知器４はパイロ電気検知器、ボロメータ、熱電堆または類似のものであってよい。有利にはＩＲ放射検知器４の前に光学フィルタ３が取り付けられていて、評価のために正確に同調されているスペクトル放射領域が選択されるようになっている。

ダイヤフラム１の変位のために生じる放射流の変動を、ダイヤフラム１の温度変化にその原因を求めることができるような変動と区別するために、例えば少なくとも２つのＩＲ受光器４を隣接配置することができる。これらの前にはそれぞれ、種々のスペクトル放射領域を透過する光学フィルタが配置されており、その際例えばフィルタの１つは図４に図示の曲線の左部分に相応する放射成分、つまり曲線が最も急峻である放射成分を透過し、一方別のフィルタは勾配がずっとフラットである、曲線の右側部分に相応する放射成分を透過するので、ダイヤフラム１の小さな温度変化がＩＲ放射検知器４に捕捉される、放射流の成分として現れ、一方ダイヤフラム１の変位は２つの放射検知器４において放射流の同じ変化となって現れる。

図２は、放射流の変化を表すものである。その場合この放射流は、機能しているＩＲ放射検出器４によってダイヤフラム１の変位の際に、次の条件の場合に検出されるものである。つまり、ダイヤフラム１の機能部分１．１（黒体）は３００℃の温度において１ｍｍの直径を有しておりかつ赤外線導体２は１ｍｍの直径のチューブであり、その入射面は、圧力検出器が休止状態にあるとき、イヤフラム１の表面から１１０μｍ離れたところに配置されており、その際ガイドチューブのために放射が弱められることはないものと仮定している。

図３も同じ条件での放射流の変化を表すものであるが、赤外線導体２として１ｍｍの直径および０．７５の口径の光導波体が使用されている。

両図とも、受け取られる放射エネルギーはダイヤフラムの間隔ｄによって著しく変化する、すなわち間隔が増えると低下することを示している。

圧力検出器の縦断面略図 チューブを使用して放射検出器によって捕捉検出される、圧力検出器のダイヤフラムの変位に依存した放射流の変化を示すグラフ図 導光ファイバを使用して放射検出器によって捕捉検出される、圧力検出器のダイヤフラムの変位に依存した放射流の変化を示すグラフ図 １ｍｍの直径の放射面のスペクトル放射電力を種々の温度に対して示すグラフ図

Claims (11)

1. 圧力差によって種々に変形可能であるまたは位置変化可能であるダイヤフラム（１）を備えている圧力検出器において、
   ダイヤフラム（１）の少なくとも機能部分（１．１）が、黒い放射体の特性を有しているまたは使用条件下でダイヤフラム（１）の温度に相応しているスペクトル領域において検出にとって重要である放射能力を有している材料を有しており、かつ
   ダイヤフラム（１）に、放出された放射を少なくとも部分的に捕捉検出する、少なくとも１つのＩＲ放射検知器（４）を備えている放射受取ユニットが配属されている
   ことを特徴とする圧力検出器。
2. 機能部分（１．１）はダイヤフラム（１）の中央領域に配置されておりかつ前記材料を有する被膜によって実現されておりかつ
   機能部分（１．１）は、少なくとも、使用条件下でダイヤフラム（１）の温度に相応しているスペクトル領域において比較的僅かである放射能力を有している部分（１．２）によって取り囲まれている
   請求項１記載の圧力検出器。
3. 機能部分（１．１）はカーボン・ブラック、酸化鉄、酸化された銅、酸化された鋼によって成膜されておりおよび／または
   周囲部分（１．２）は金被膜を担持している
   請求項１または２記載の圧力検出器。
4. 放射受け取りユニットとダイヤフラム（１）との間に赤外線導体（２）が配置されており、該赤外線導体は少なくとも、圧力検出器の使用条件に相応するスペクトル放射領域において透過性である
   請求項１から３までのいずれか１項記載の圧力検出器。
5. 赤外線導体（２）はダイヤフラム（１）から放出されるＩＲ放射のガイドのために加工処理された内壁面を備えた管形状の部分を有しおよび／または
   赤外線導体（２）はダイヤフラム（１）から放出されるＩＲ放射のガイドのために誘電体の導波体を有している
   請求項４記載の圧力検出器。
6. 赤外線導体（２）は管形状の部分によって実現されている場合当該波長より僅かであるラフネスを有している平滑な表面およびダイヤフラム（１）の赤外線を少なくとも大部分反射する被膜を担持しておりまたは
   赤外線導体（２）は導波体により実現されている場合、ゲルマニウム、サファイア、石英、フッ化カルシウムまたは塩化ナトリウムから成っている
   請求項５記載の圧力検出器。
7. 赤外線導体（２）はレンズエレメントを有している
   請求項４から６までのいずれか１項記載の圧力検出器。
8. ＩＲ放射検出器（４）は放射感度がダイヤフラム（１）の赤外線に同調されておりかつ
   放射受取ユニットはダイヤフラム（１）の振動周波数に整合されている
   請求項１から７までのいずれか１項記載の圧力検出器。
9. ＩＲ放射検出器（４）はパイロ電気検知器、ボロメーターまたは熱電堆を有している
   請求項１から８までのいずれか１項記載の圧力検出器。
10. ＩＲ放射検出器（４）に冷却装置（５）が配属されておりおよび／または
    ＩＲ放射検出器（４）に測定の基準となる放射バンドを選択するための赤外線フィルタが前置接続されている
    請求項１から９までのいずれか１項記載の圧力検出器。
11. 放射受取ユニットは２つのＩＲ放射検出器（４）を有しており、該検出器の前に異なっているスペクトル透過度の赤外線フィルタが配置されておりかつ
    評価ユニットは、２つのＩＲ放射検出器（４）によって捕捉検出される放射成分が、ダイヤフラム（４）の変位から来るものとダイヤフラム（４）の温度変化から来るものとに分離されるように実現されている
    請求項１から１０までのいずれか１項記載の圧力検出器。

Images