JP2007518083A - 高周波共振器の領域においてガスまたは混合ガスの物理的特性を検出するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

本発明では、高周波共振器（２０）の領域において媒体の物理的特性を検出するための方法および装置が提案される。ここでは、高周波の交流電圧が高周波共振器に供給され、測定容量である媒体によって高周波共振器（２０）において引き起こされた透磁率変化が評価される。有利には、閉鎖的な空間内のガスまたは混合気の圧力（２１）または圧力差が検出される。前記閉鎖的な空間は、有利には内燃機関の燃焼室であり、前記閉鎖的な空間に、高周波共振器（２０）の導波構造体の開放端を使用して、高周波の交番的なフィールドが印加される。

Description

本発明は、高周波共振器の領域においてガスまたは混合ガスの物理的特性、とりわけ圧力を検出するための方法および装置に関する。

たとえばＤＥ１９７０５２６０Ａ１またはＤＥ４３４２５０５Ｃ１から、固体物質の物理的特性、とりわけ密度を測定するために、該固体物質をＨＦ共振器に供給して高周波信号の変化を評価することが公知になっている。ここでは共振シフト、ないしは共振シフトによって引き起こされる誘電率の変化が処理される。

さらにＤＥ１９８５２６５２Ａ１から、自動車に設けられた内燃機関用の点火装置において、同軸の線路共振器を使用して空気燃料混合気の点火を行うことが公知になっている。ここでは点火コイルは、十分に強いマイクロ波源、たとえば高周波発生器と増幅器との組み合わせに置換される。幾何的に最適化された同軸の線路共振器によって、点火に必要なフィールド強度が、点火プラグに類似する線路共振器の開放端に発生し、該点火プラグの電極間に電圧フラッシュオーバによって、点火可能なプラズマ区間が形成される。

このように発展された装置は、本願出願前では未公開のＤＥ１０２３９４１０．５に記載されている。ここでは、燃焼室内に入り込んだフィールド構造により、自発的なプラズマが空気燃料混合気に、導波構造体から所定の量だけ突出された内部導体と該導波構造体の外部導体との間に生成されるように構成されている。

ガスの絶対的な圧力測定または差圧測定を行うための従来のコンセプトでは通常、測定すべき圧力によって表面に及ぼされる力作用が評価され、適切な測定原理によって、この力作用によって得られる電気的信号の変化が評価される。ここで適用される測定原理には、通常は４つのグループがある。すなわち、ベローズ圧力計、カプセル弾性圧力計またはダイヤフラム圧力計等のばね弾性による圧力測定装置のグループ、Ｕ形管圧力計または環状管圧力計等の液体圧力計のグループ、誘導性、容量性または圧電性の原理またはストレインゲージ原理による圧力測定トランスデューサのグループ、および、感圧式のトランジスタ、ダイオード、発振水晶または音響的な表面波（ＳＡＷ＝surface acoustic wave）の原理による圧力センサ等の直接的な電気的圧力測定トランスデューサのグループがある。

上記のメカトロニック測定原理では、とりわけ材料に発生する交番的な電圧による機械的な要件に起因して、温度、熱衝撃および圧力の変化自体に起因して、比較的大きい摩擦が発生するので、これらの測定原理の長時間安定性は十分でない。

さらに、信号レベルは低く圧力センサの信号雑音比は小さいので、圧力センサと圧力センサに接続された所属の測定回路とを、空間的に接近して配置しなければならないことに留意すべきである。したがって、たとえばメンブレン、ストレインゲージおよび測定回路をケーシング内に組み込むことにより、測定回路の少なくとも一部をセンサに直接配置しなければならない。こうすることにより、このような測定装置の実用上必要な形状の可能性が大きく制限される。センサと測定回路とが空間的に接近することにより、このように構成された測定装置の最大使用温度は、約３５０℃に制限されてしまう。

本発明の利点
本発明は、高周波共振器の領域において媒体の物理的特性を検出する方法を基礎とする。ここでは、高周波交流電圧を高周波共振器に供給し、測定容量である媒体によって高周波共振器において発生する透磁率の変化を評価する。本発明では有利には、空間内のガスまたは混合気の圧力または差圧を求めるために、該空間に、高周波共振器の導波構造体の開放端を使用して高周波の交番的フィールドを加える。

本発明において有利には、ガスまたは混合気を空間内に引き込むか、または相応に、ガスまたは混合気をＨＦ共振器内に作用させる。こうすることにより、圧力変化によって得られる、高周波共振器を構成する回路の透磁率の変化を、高周波特性の検出によって評価できる。

さらに有利なのは、評価中に測定結果に影響する別の量、とりわけ温度および／または温度から得られる高周波共振器の機械的または電気的な変化を検出し、測定結果を補償するために使用することである。ここで有利には、混合気の測定容量を、内燃機関の燃焼室に接続されたＨＦ共振器内の空気燃料混合気とする。

本発明による方法を実施するための有利な装置では、ガスまたは混合気にさらされる高周波共振器、該高周波共振器に接続された振動装置、該高周波共振器および／または振動装置に接続された測定装置が設けられる。さらに有利には、測定装置に接続された次のような評価回路が設けられる。すなわち、高周波共振器の透磁率変化に依存して出力信号を生成する評価回路が設けられる。この出力信号は適切なインタフェースを介して、上位のデータ処理装置でさらに処理される。

このようにして本発明では、高周波の交流電圧によって励振される共振器は、測定容量に含まれるガスまたは混合気と接続されることにより、該共振器の透磁率が検出される。圧力の変化に伴って発生するガスまたは混合気の密度の変化と、この変化から発生する透磁率の変化とによって、共振装置の離調が発生し、該共振装置の高周波特性の変化が生じる。変化する高周波特性とは、ここではとりわけ、共振周波数、絶対値および位相にしたがって反射される電圧としての反射を指すか、または共振装置が２ポートとして構成されている場合は、絶対値および位相にしたがって伝送される電圧としての伝送と電気的な伝搬時間とを指す。

公知の測定法に対する利点は、透磁率の変化が瞬時に行われることである。それゆえ、圧力情報を直ちに得ることができ、圧力を検出するための時間はもっぱら、容易に実現可能な高速の評価ユニットによって決定される。さらに、機械的に可動または機械的に可変のセンサコンポーネントを使用する必要がないので、本発明による回路は実際には摩擦なしで動作し、破損の危険性もなくなる。非常に小さい圧力から約２０００バールの大きい圧力まで広い圧力測定範囲が、長い寿命にわたって実現される。

本発明による回路は高い温度でも使用することができ、かつセンサ素子と評価回路とを問題なく分離することができる。さらに、測定を周波数でスケーリングすることができるので、縮小化またはインテグレートも可能である。共振器パターン、たとえば同軸線路共振器を適切に選択し、材料を適切に選定すると、共振器を極度の環境条件で使用することができる。測定速度は原則的に、評価回路にのみ制限されるようになる。

したがってまとめると、本方法は測定感度が高いということの他に、測定装置の構造的な設計において自由度が高く、取り付け場所に関する制限がほとんどないという利点が得られる。さらに、縮小化に関して高い潜在的可能性が存在し、本発明を内燃機関において圧力測定のために実施すれば、ノッキング感知も行うことができる。

測定結果に悪影響を与える温度の影響を補償するために、測定容量および／または高周波共振器に接続された温度センサを設けることができる。また、少なくとも１つの付加的な基準共振器を設けることができる。この基準共振器は、検出すべき圧力を除いて、高周波共振器と同じ物理的な影響にさらされ、温度の影響を補償するために使用される。この付加的な基準共振器は、真空にさらすことができる。

図面
本発明の実施例を、図面に基づいて説明する。

図１ 内燃機関において空気燃料混合気の高周波点火を行うための装置の原理図である。

図２ 内燃機関の燃焼室内で圧力測定を行うための本発明による装置の動作を概略的に示す図である。該装置では、温度センサに基づいて温度による影響の補償が行われる。

図３ 基準共振器に基づいて温度による影響の補償が行われる本発明の装置の動作を概略的に示す図である。

実施例の説明
図１に、冒頭に述べた本願出願前に未開示のＤＥ１０２３９４１０．５に記載された空気燃料混合気の高周波点火用の装置の原理図が示されている。この装置は、いわゆる高周波点火プラグ１の構成部分を有する。ここで詳細には、ＨＦジェネレータ２と、場合によっては省略可能でもある増幅器３とが設けられており、これらはマイクロ波源として、高周波振動を生成する。ここでは概略的に、λ_ｅｆｆ／４共振器５として構成された同軸の導波構造体への高周波振動の誘導的な入力結合４が、高周波点火プラグ１の基本的な構成要素として示されている。

同軸共振器５は外部導体６および内部導体７から成り、この同軸共振器５の一方の端部のいわゆる開放端または高温端８が、内部導体７によって点火を引き起こす。この内部導体７はここでは、外部導体６に対して封止部１１を介して絶縁された点火ピン７ａである。高周波振動では、同軸共振器５の燃焼室から離れた他方の端部のいわゆる低温端９は、短絡となる。外部導体６と内部導体７との間の誘電体１０は基本的に、空気または適切な非導電性の材料から成る。このような高周波点火プラグ１の場合、長さ（２ｎ＋１）＊λ_ｅｆｆ／４の同軸共振器５でフィールドの過剰上昇を起こす原理が利用される。ここでは、ｎ≧０である。

図１に示された装置はたとえば、ここでは図示されていない内燃機関の燃焼室内において本発明による混合気の圧力測定を行うための基礎となる。この混合気は、ここでは空気燃料混合気である。図２に示された動作図に、本発明による圧力測定のプロセスが示されている。高周波共振器２０を有する装置は、測定容量ないしは燃焼室内に存在する混合気の圧力２１にさらされ、混合気は高周波共振器２０に侵入するか、または高周波共振器２０に影響する。混合気の物理的特性に依存して、ここではとりわけ混合気の圧力２１に依存して、高周波共振器２０の高周波特性が変化する。

高周波共振器２０は振動装置２２に接続されており、この振動装置２２によって高周波の交流電圧が生成され、高周波共振器２０に供給される。高周波共振器２０および振動装置２２はともに振動回路を構成し、この振動回路の共振周波数は高周波共振器２０の透磁率の変化によって変化し、これが周波数測定装置２３によって検出される。さらに温度測定２４を使用して別の周辺測定量２５も使用して、評価装置２６において圧力測定が、以下に記載されている透磁率変化の評価に基づいて行われる。

モジュール２０および２１から成る上記の振動回路では、特定の透磁率に対する共振周波数が、たとえば製造時に基準圧力の基準ガスで測定するか、または圧力測定前に基準圧力で測定することによって既知となっている。ここで圧力が変化することにより、測定容量内に含まれるガスの密度変化が引き起こされ、高周波共振器２０の透磁率が変化する。この測定容量は、ここでは燃焼室である。ガスの密度と透磁率との間の関係は、クラウジウス‐モソッティの法則によって表される：
ε_０（ε−１）Ｍ／ρ＝Ｎ_Ａ＊α
ここでは、モル質量がＭであり、ガスの密度がρであり、アボガドロ定数がＮ_Ａであり、分極率がαである。

この密度は、温度および容量が一定に維持されているという前提条件のもとでは、圧力と同様のふるまいを有する。このことは、上記の温度測定を使用することによって考慮することができる。

ε_２を基準とするε_１の透磁率変化によって引き起こされる振動回路２０，２１の共振周波数のシフトの程度に対しても、特定の密度変化および圧力変化が対応づけられる。ｆ_１からｆ_２までの周波数シフトは周波数測定装置２３によって測定され、該周波数測定装置２３から評価装置２６へ伝送される。

ここに記載された実施例において、高周波共振器２０である同軸の線路共振器をベースとする場合、透磁率εと共振周波数ｆとの間に次の関係が成り立つ：

この数式により、高周波共振器２０の共振周波数の変化によって圧力を検出できることが立証される。

図３に、測定装置の構成の別の実施例が示されている。ここでは、図２に示されたように温度による影響を温度センサ１４によって補償する代わりに、圧力測定のために設けられた高周波共振器２０に対して、固有の振動装置３１を有する同じ構成の基準共振器３０が並列に配置されている。この基準共振器３０がさらされる周辺条件は圧力を除いて、圧力測定のために使用される高周波共振器２０と同じである。

周波数測定装置２３によって検出される、図３の両振動回路２０，２２および３０，３１間の共振周波数ｆの差が、透磁率εに対して及ぼされる測定容量内の圧力２１の影響の直接的な尺度である。ここでは、測定容量ないしは燃焼室内の温度による影響は消去される。

内燃機関において空気燃料混合気の高周波点火を行うための装置の原理図である。 内燃機関の燃焼室内で圧力測定を行うための本発明による装置の動作を概略的に示す図である。 基準共振器に基づいて温度による影響の補償が行われる本発明の装置の動作を概略的に示す図である。

Claims (10)

1. 高周波共振器の領域において媒体の物理的特性を検出する方法であって、
   高周波の交流電圧を該高周波共振器（２０）に供給し、
   測定容量である媒体によって該高周波共振器（２０）において引き起こされる透磁率変化を評価する形式のものにおいて、
   測定容量であるガスまたは混合気を有する空間に、該高周波共振器（２０）の導波構造体の開放端によって、高周波の交番的なフィールドを印加し、前記空間内のガスまたは混合気の圧力（２１）または圧力差を求めることを特徴とする方法。
2. ガスまたは混合気を前記空間内に導入するか、またはガスまたは混合気が前記空間に対して作用し、
   高周波共振器（２０）を形成する回路の、圧力変化によって引き起こされた透磁率変化を、高周波特性の検出によって評価し、
   ここでたとえば、共振周波数の変化、反射された電圧の絶対値および位相の変化、伝送された電圧の絶対値および位相の変化、または信号の電気的な伝搬時間を評価する、請求項１記載の方法。
3. 評価中に、測定結果に影響する別の量を検出して、測定結果を補償するために使用し、
   前記別の量は、たとえば高周波共振器（２０）の温度（２４）であるか、または該温度（２４）から発生する高周波共振器（２０）の機械的または電気的な変化である、請求項２記載の方法。
4. 測定容量は、内燃機関の燃焼室と結合されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 測定装置において、
   ガスまたは混合気にさらされる高周波共振器（２０）と、
   該高周波共振器（２０）に接続された振動装置（２２）と、
   該高周波共振器（２０）および／または振動装置（２２）に接続された測定装置（２３）とが設けられており、
   該測定装置（２３）に接続された評価装置（２６）が設けられており、
   前記評価装置（２６）は、高周波共振器（２０）の透磁率変化に依存して出力信号を生成し、
   前記出力信号は適切なインタフェースを介して、上位のデータ処理装置へ伝送されて該データ処理装置で処理されるように構成されていることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法を実施するための測定装置。
6. 測定容量および／または高周波共振器（２０）に結合された温度センサ（２４）が設けられており、
   前記温度センサ（２４）を使用して、温度による影響が補償されるように構成されている、請求項５記載の測定装置。
7. 少なくとも１つの付加的な基準共振器（３０）が設けられており、
   該基準共振器（３０）がさらされる物理的影響は、検出すべき圧力（２１）を除いて、高周波共振器（２０）と同じであり、
   該基準共振器（３０）を使用して、温度による影響が補償されるように構成されている、請求項５または６記載の測定装置。
8. 付加的な前記基準共振器（３０）は、真空にさらされる、請求項７記載の測定装置。
9. 高周波の回路モジュールと、該高周波の回路モジュールの信号を評価するための、集積回路である装置とは、空間的に相互に接近して配置されている、請求項５から８までのいずれか１項記載の測定装置。
10. 前記高周波共振器は、内燃機関の燃焼室に設けられた点火装置の構成部分である、請求項５から９までのいずれか１項記載の測定装置。

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