WO2005068986A1 - Verfahren und vorrichtung zur erfassung des drucks oder der druckdifferenz eines gases oder eines gasgemisches im bereich eines hochfrequenz-resonators - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a method and a device for detecting physical properties, in particular the pressure of a gas or a gas mixture in the region of a high-frequency resonator.
- Seen in isolation it is known, for example from DE 197 05 260 AI or DE 43 42 505 CI, that for measuring physical properties of solid substances, in particular the density, these substances are fed to an RF resonator and then the high-frequency signal changes are evaluated , The resonance shift, or a change in the dielectric constant caused thereby, is then further processed.
- Previous concepts for absolute pressure measurement or for differential pressure measurement in gases generally evaluate the effect of force from the pressure to be measured on a surface and, using a suitable measuring principle, the resulting change in an electrical signal.
- Four groups of measuring principles are generally used for this purpose, namely: spring-elastic pressure measuring devices, such as bellows, capsule springs or flat spring pressure gauges; Liquid manometers, such as U-Ror or ring tube manometers; Pressure transducers based on the inductive, capacitive, piezoresistive or strain gauge principle and direct electrical pressure transducers such as pressure-sensitive transistors, diodes, quartz crystals or pressure sensors based on the principle of surface acoustic waves (SAW). Due to their mechanical stresses, in particular due to changing stresses in the material, caused by temperature, thermal shock and the change in pressure, these electromechanical measuring principles themselves have a relatively high level of wear and therefore do not have adequate long-term stability.
- spring-elastic pressure measuring devices such as bellows, capsule springs or flat spring pressure gauges
- the pressure sensor and the associated measuring circuit associated with it should also be arranged in close proximity to one another. It follows that at least part of the measuring circuit should be arranged directly on the sensor, for example by integrating a membrane, a strain gauge and the measuring circuit in a housing. This severely limits the design options of such a measuring device, which are required for use. Due to the proximity of the sensor and the measuring circuit, the maximum operating temperature of measuring devices constructed in this way is limited to approximately 350 ° C.
- the invention relates to a method for detecting physical properties of a medium in the area of a high-frequency resonator, in which a high-frequency AC voltage is fed into the high-frequency resonator and a change in permittivity caused by the medium as a measurement volume is evaluated in the high-frequency resonator.
- the pressure or the pressure difference of a gas or a gas mixture in a room is advantageously determined in that the room by means of the open end of a waveguide structure of the High-frequency resonators with a high-frequency alternating field is applied.
- the gas or the gas mixture is advantageously introduced into the room or it acts accordingly in the HF resonator, so that the change in permittivity of the arrangement forming the high-frequency resonator resulting from a pressure change can be evaluated by determining the high-frequency properties ,
- an advantageous device for carrying out the method according to the invention there is a high-frequency resonator exposed to the gas or gas mixture, an oscillator device connected to the high-frequency resonator, a measuring device connected to the high-frequency resonator and / or the oscillator device. Furthermore, an evaluation device connected to the measuring device can advantageously be provided, which, depending on the change in permittivity of the high-frequency resonator, generates an output signal which can be processed further in a higher-level data processing system via a suitable interface. According to the invention, the resonator that can be excited with high-frequency alternating voltage is thus connected to the gas or the gas mixture contained in the measurement volume. thus its permittivity is recorded.
- the change in the density of the gas or gas mixture associated with a change in pressure and the resulting change in permittivity detune the resonator device and lead to a change in its high-frequency properties.
- the changing high-frequency properties include in particular the resonance frequency, the reflection in the form of voltage reflected by magnitude and phase or, when the resonator device is designed as a two-port system, the transmission in the form of voltage transmitted by magnitude and phase, and the electrical transit time.
- the advantage over the known measurement methods is that the permittivity changes instantaneously.
- the print information is thus immediately available, the time period for determining the pressure being determined exclusively by an easy-to-implement, fast evaluation electronics.
- no mechanically movable or mechanically changeable sensor components are required, so that the arrangement according to the invention operates practically without wear and there is also no risk of bursting.
- a high pressure measuring range from very low pressures to high pressures of approx. 2000 bar can be realized over a long service life.
- the arrangement according to the invention can also be used at high temperatures, since it is easily possible to separate the sensor element and evaluation circuit here, the measurement being scalable over the frequency and thus also being miniaturized or integrated can.
- the resonator structure for example a coaxial line resonator, and a suitable choice of material, it can thus be used under extreme environmental conditions. In principle, the measuring speed is only limited by the evaluation circuit.
- a temperature sensor connected to the measurement volume and / or to the high-frequency resonator can be provided to compensate for temperature influences which impair the measurement result.
- FIG. 1 shows a basic view of a device for high-frequency ignition of an air-fuel mixture in an internal combustion engine
- Figure 2 is a schematic representation of the operation of a device according to the invention for pressure measurement in a combustion chamber of an internal combustion engine with a compensation of the temperature influence using a temperature sensor and
- Figure 3 is a schematic representation of the operation of a device according to the invention with a compensation of the temperature influence using a reference resonator.
- FIG. 1 shows a basic view of a device for high-frequency ignition of an air-fuel mixture, which is described in the aforementioned, not previously published, DE 102 39 410.5 and has components of a so-called high-frequency spark plug 1.
- RF generator 2 and an amplifier 3, which may also be omitted, which generate the high-frequency vibrations as a microwave source.
- An inductive coupling 4 of the high-frequency vibrations into a coaxial waveguide structure constructed as a ⁇ eff / 4 resonator 5 is shown schematically here as an essential component of the high-frequency spark plug 1.
- the coaxial resonator 5 consists of an outer conductor 6 and an inner conductor 7, the so-called open or hot end 8 of the resonator 5 with the inner conductor 7, here as ignition pin 7a isolated from the outer conductor 6 via a seal 11, which causes ignition.
- the other so-called cold end 9 of the resonator 5 remote from the combustion chamber represents a short circuit for the high-frequency vibrations.
- the dielectric 10 between the outer conductor 6 and an inner conductor 7 consists essentially of air or of a suitable non-conductive material.
- this high-frequency spark plug 1 the principle of field elevation in a coaxial resonator 5 of length (2n + l) * ⁇ e ff / 4 with n> 0 is used.
- the device according to FIG. 1 can represent, for example, the basis for the pressure measurement according to the invention of the gas mixture, here the air-fuel mixture in the combustion chamber of the internal combustion engine, not shown.
- a functional diagram shown in FIG. 2 illustrates the functioning of the pressure measurement according to the invention.
- a device with a high-frequency resonator 20 is exposed to the pressure 21 of the gas mixture located in a measurement volume or combustion chamber, so that the gas mixture penetrates into or acts on the high-frequency resonator 20.
- the high-frequency properties of the high-frequency resonator 20 are changed.
- the high-frequency resonator 20 is connected to an oscillator device 22, which generates a high-frequency AC voltage and feeds it into the high-frequency resonator 20.
- the high-frequency resonator 20 and the oscillator device 22 together form an oscillating circuit, -in ⁇
- the pressure measurement can be carried out on the basis of the evaluation of the change in permittivity described below.
- the resonance frequency for a certain permittivity for example by measurement during production in a reference gas under reference pressure or by measurement under reference pressure before a pressure measurement, is known for the aforementioned resonant circuit from components 20 and 21.
- a change in pressure then causes a change in the density of the gas contained in the measurement volume, here the combustion chamber, which results in a change in the permittivity of the high-frequency resonator 20.
- the relationship between the density and permittivity of a gas can be described by Clausius-Mossotti's law:
- the density behaves like the pressure under the prerequisite that the temperature and the volume remain constant, which can be taken into account by including the temperature measurement mentioned above.
- the degree of shift in the resonance frequency of the resonant circuit 20, 21 due to the change in permittivity ⁇ 2 to ⁇ 2 can in turn be a specific density and Pressure change can be assigned.
- a frequency shift from fi to f 2 is measured by means of the frequency measuring device 23 and passed on to the evaluation device 26.
- FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of a construction of the measuring device, wherein instead of compensating for the temperature influence according to FIG. 2 by a temperature sensor 14, an identical reference resonator 30 with its own oscillator device 31 parallel to the high-frequency resonator 20 provided for pressure measurement is arranged, which, except for the pressure, is exposed to the same environmental conditions as the high-frequency resonator 20 used for the pressure measurement.
- the difference between the resonance frequency f of the two resonant circuits 20, 22 and 30, 31 according to FIG. 3, which can be determined by means of the frequency measuring device 23, is a direct measure of the influence of the pressure 21 in the measuring volume on the permittivity ⁇ while eliminating the temperature influence in the measuring volume or in the combustion chamber.
Abstract
Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung des Drucks oder der Druckdifferenz eines Gases oder Gasgemischs im Bereich eines Hochfrequenz-Resonators (5) vorgeschlagen, bei dem eine hochfrequente Wechselspannung in den Hochfrequenz-Resonator (5) eingespeist und eine durch das Gas als Messvolumen bewirkte Permittivitätsänderung im Hochfrequenz-Resonator ausgewertet wird. Vorteilhaft wird der Druck oder die Druckdifferenz eines Gases oder eines Gasgemisch in einem geschlossenen Raum, vorzugsweise im Brennraum eines Verbrennungsmotors, ermittelt, der mittels des offenen Endes eines als koaxialer Lambda-Viertel-Resonator (5) ausgebildeten Hochfrequenz-Resonators mit einem hochfrequenten Wechselfeld beaufschlagt wird.
Description
VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR ERFASSUNG DES DRUCKS ODER DER DRUCKDIFFERENZ EINES GASES ODER EINES GASGEMISCHES IM BEREICH EINES HOCHFREQUENZ-RESONATORS
Stand der Technik Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung von physikalischen Eigenschaften, insbesondere des Drucks eines Gases oder eines Gasgemisches im Bereich eines Hochfrequenz-Resonators.
Für sich gesehen ist es beispielsweise aus der DE 197 05 260 AI oder der DE 43 42 505 CI bekannt, dass zur Messung von physikalischen Eigenschaften fester Stoffe, insbesondere der Dichte, diese Stoffe einem HF-Resonator zugeführt werden und dann die hochfrequenten Signaländerungen ausgewertet werden. Hierbei wird dann die Resonanzverschiebung, beziehungsweise eine dadurch bewirkte Veränderung der Dielektrizitätskonstante weiterverarbeitet.
Es ist darüber hinaus beispielsweise aus der DE 198 52 652 AI bekannt, dass bei einer Zündvorrichtung für einen Verbrennungsmotor in einem Kraftfahrzeug die Zündung ei-
nes Luft-Kraftstoff-Gemischs unter Verwendung eines koaxialen Leitungsresonators vorgenommen wird. Hierbei wird die Zündspule durch eine genügend starke Mikrowellenquelle, z.B. eine Kombination aus einem Hochfrequenzgenerator und einem Verstärker, ersetzt. Mit einem geometrisch optimierten koaxialen Leitungsresonator stellt sich dann die für die Zündung erforderliche Feldstärke am offenen Ende des kerzenähnlichen Leitungsresonators ein und zwischen den Elektroden der Kerze bildet sich mit dem Spannungsüberschlag eine zündfähige Plasmastrecke heraus .
Eine solche weitergebildete Vorrichtung ist außerdem in der nicht vorveröffentlichten DE 102 39 410.5 beschrieben, bei der durch eine in den Brennraum hineinragende Feldstruktur ein freistehendes Plasma im Luft-Kraftstoff- Gemisch zwischen dem aus der Wellenleiterstruktur einen vorgegebenen Betrag herausragenden Innenleiter und dem Außenleiter der Wellenleiterstruktur erzeugbar ist.
Bisherige Konzepte zur absoluten Druckmessung oder zur Differenzdruckmessung in Gasen werten in der Regel die Krafteinwirkung durch den zu messenden Druck auf einer Oberfläche und mit einem geeigneten Messprinzip die daraus resultierenden Veränderung eines elektrischen Signals aus. Hierzu werden in der Regel vier Gruppen von Messprinzipien angewendet, nämlich: federelastische Druckmessgeräte, wie Federbalg-, Kapselfeder oder Plattfedermanometer; Flüssigkeitsmanometer, wie U-Ror- oder Ringrohr-Manometer; Druckmessumformer nach dem induktiven, kapazitiven, piezoresistiven oder Dehnungsmessstreifen- prinzip und unmittelbare elektrische Druckmessumformer, wie druckempfindliche Transistoren, Dioden, Schwingquarze oder Drucksensoren nach dem Prinzip der akustischen Oberflächenwellen (SAW = surface acustic wave) .
Diese elektromechanischen Messprinzipien weisen aufgrund ihrer mechanischen Beanspruchungen, insbesondere durch wechselnde Spannungen im Werkstoff, verursacht durch Temperatur, Thermoschock und die Druckänderung selbst einen relativ hohen Verschleiß auf und besitzen daher keine ausreichende Langzeitstabilität.
Ferner ist zu beachten, dass wegen der kleinen Signalpegel und kleiner Signal/Rausch-Verhältnisse der Drucksensor und die damit verbundene, zugehörige Messschaltung darüber hinaus in räumlicher Nähe zueinander angeordnet sein sollten. Daraus folgt, dass zumindest ein Teil der Messschaltung direkt am Sensor angeordnet sein soll, wie beispielsweise durch die Integration einer Membran, eines Dehnungs-MessStreifens und der Messschaltung in einem Gehäuse. Hierdurch sind die einsatzerforderlichen Gestaltungsmöglichkeiten einer solchen Messvorrichtung stark eingeschränkt. Durch die räumliche Nähe von Sensor und Messschaltung ist die Einsatzhöchsttemperatur derartig aufgebauter MessVorrichtungen auf etwa 350°C begrenzt.
Vorteile der Erfindung -
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Erfassung von physikalischen Eigenschaften eines Mediums im Bereich eines Hochfrequenz-Resonators, bei dem eine hochfrequente Wechselspannung in den Hoch requenz-Resonator eingespeist wird und eine durch das Medium als Messvolumen bewirkte Permittivitätsänderung im Hochfrequenz-Resonator ausgewertet wird. Erfindungsgemäß wird in vorteilhafter Weise der Druck oder die Druckdifferenz eines Gases oder eines Gasgemisch in einem Raum dadurch ermittelt, dass der Raum mittels des offenen Endes einer Wellenleiterstruktur des
Hochfrequenz-Resonators mit einem hochfrequenten Wechselfeld beaufschlagt wird.
In vorteilhafter Weise wird gemäß der Erfindung das Gas oder das Gasgemisch in den Raum eingeführt oder es wirkt entsprechend in den HF-Resonator ein, so dass die sich durch eine Druckänderung ergebende Permittivitätsänderung der den Hochfrequenz-Resonator bildenden Anordnung durch Ermittlung der Hochfrequenzeigenschaften ausgewertet werden kann.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn während der Auswertung weitere das Messergebnis beeinflussende Größen, insbesondere die Temperatur und/oder sich hieraus ergebende mechanische oder elektrische Veränderungen des Hochfrequenz-Resonators, erfasst und zur Kompensation des Messergebnisses herangezogen werden. Bevorzugt kann dabei das Messvolumen das Gasgemisch das Luft-Kraftstoffgemisch im HF-Resonator sein, der mit dem Brennraum einer Brennkraftmaschine in Verbindung steht.
Gemäß einer vorteilhaften Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein dem Gas oder Gasgemisch ausgesetzter Hochfrequenz-Resonator, eine mit dem Hochfrequenz-Resonator verbundene Oszillatorvorrichtung, eine mit dem Hochfrequenz-Resonator und/oder der Oszillatorvorrichtung verbundenen Messeinrichtung vorhanden. Weiterhin kann vorteilhaft eine mit der Messeinrichtung verbundenen Auswertevorrichtung vorgesehen werden, die in Abhängigkeit von der Permittivitätsänderung des Hochfrequenz-Resonators ein Ausgangssignal erzeugt, das über eine geeignete Schnittstelle in einer übergeordneten Datenverarbeitungsanlage weiterverarbeitbar ist.
Gemäß der Erfindung wird somit der mit hochfrequenter Wechselspannung anregbare Resonator mit dem in dem Messvolumen enthaltene Gas oder das Gasgemisch in Verbindung gebracht und. somit dessen Permittivität erfasst. Die mit einer Druckveränderung einhergehende Veränderung der Dichte des Gases oder Gasgemischs und die sich daraus ergebende Permittivitätsänderung verstimmt die Resonatorvorrichtung und führt zu einer Veränderung ihrer Hochfrequenzeigenschaften. Als sich verändernde Hochfrequenzeigenschaften sind hierbei insbesondere die Resonanzfrequenz, die Reflexion in Form von nach Betrag und Phase reflektierter Spannung oder, bei Ausführung der Resonatorvorrichtung als Zweitor, die Transmission in Form von nach Betrag und Phase übertragener Spannung sowie die e- lektrische Laufzeit zu nennen.
Der Vorteil gegenüber den bekannten Messmethoden ist, dass die Änderung der Permittivität augenblicklich erfolgt. Die Druckinformation ist dadurch sofort verfügbar, wobei die Zeitdauer zur Bestimmung des Drucks ausschließlich durch eine leicht zu verwirklichende, schnelle Auswerteelektronik bestimmt wird. Ferner sind keine mechanisch bewegbaren oder mechanisch veränderbaren Sensorkomponenten erforderlich, so das die erfindungsgemäße Anordnung praktisch verschleißfrei arbeitet und auch keine Berstgefahr besteht. Es kann ein hoher Druckmessbereich von sehr kleinen Drücken bis hohen Drücken von ca. 2000 bar über eine große Lebensdauer realisiert werden.
Ein Einsatz der erfindungsgemäßen Anordnung ist auch bei hohen Temperaturen möglich, das hier eine Trennung von Sensorelement und Auswerteschaltung problemlos möglich ist, wobei die Messung über der Frequenz skalierbar ist und somit auch miniaturisiert oder integriert werden
kann. Bei einer geeigneten Wahl des Resonatorgebildes, z.B. ein koaxialer Leitungsresonator, und einer geeigneten Materialauswahl kann dieser somit unter extremen Umgebungsbedingungen eingesetzt werden. Die Messgeschwindigkeit wird im Prinzip nur durch die Auswerteschaltung begrenzt.
Es ergeben sich somit zusammenfassend neben der hohen Messempfindlichkeit des Verfahrens auch große Freiheitsgrade bei der konstruktiven Auslegung der Messvorrichtung und nahezu keine Einschränkungen hinsichtlich des Einbauortes . Ferner ist ein hohes Potenzial zu Miniaturisierung vorhanden und bei einer Ausführung der Erfindung zur Druckmessung am Verbrennungsmotor kann auch eine Klopfsensierung durchgeführt werden.
Zur Kompensation von das Messergebnis beeinträchtigenden Temperatureinflüssen kann ein mit dem Messvolumen und/oder mit dem Hochfrequenz-Resonator in Verbindung stehender Temperatursensor vorhanden sein. Auch kann mindestens ein zusätzlicher Referenz-Resonator vorhanden sein, der mit Ausnahme des zu bestimmenden Drucks den gleichen physikalischen Einflüssen wie der Hochfrequenz- Resonator ausgesetzt ist und mit dem eine Kompensation von Temperatureinflüssen bewirkbar ist, wobei der zusätzliche Referenz-Resonator einem Vakuum ausgesetzt werden kann.
Zeichnuncr
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine Prinzipansicht einer Vorrichtung zum hochfrequenten Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemischs in einem Verbrennungsmotor,
Figur 2 eine schematische Darstellung der Funktionsweise einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Druckmessung in einem Brennraum eines Verbrennungsmotors mit einer Kompensation des Temperatureinflusses anhand eines Temperatursensors und
Figur 3 eine schematische Darstellung der Funktionsweise einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Kompensation des Temperatureinflusses anhand eines Referenz-Resonators .
Beschreibung der Ausführuncrsbeispiele
In Figur 1 ist eine Prinzipansicht einer, in der eingangs erwähnten nicht vorveröffentlichten DE 102 39 410.5 beschriebenen Vorrichtung zum hochfrequenten Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemischs gezeigt, die Bestandteile einer sogenannten Hochfrequenzzündkerze 1 aufweist. Es sind hier im einzelnen ein HF-Generator 2 und ein eventuell auch verzichtbarer Verstärker 3 vorhanden, die als Mikrowellenquelle die hochfrequenten Schwingungen erzeugen. Schematisch ist hier eine induktive Einkopplung 4 der hochfrequenten Schwingungen in eine als λeff/4-Resonator 5 aufgebaute koaxiale Wellenleiterstruktur als wesentlicher Bestandteil der Hochfrequenzzündkerze 1 gezeigt.
Der koaxiale Resonator 5 besteht aus einem Außenleiter 6 und einem Innenleiter 7, wobei das eine sogenannte offene oder heiße Ende 8 des Resonators 5 mit dem Innenleiter 7, hier als gegenüber dem Außenleiter 6 über eine Dichtung 11 isolierten Zündstift 7a, die Zündung bewirkt. Für die hochfrequenten Schwingungen stellt das andere sogenannte kalte brennraumferne Ende 9 des Resonators 5 einen Kurz- schluss dar. Das Dielektrikum 10 zwischen dem Außenleiter 6 und einem Innenleiter 7 besteht im wesentlichen aus Luft oder aus einem geeigneten nichtleitenden Material . Bei dieser HochfrequenzZündkerze 1 wird das Prinzip der Feldüberhöhung in einem koaxialen Resonator 5 der Länge (2n+l)* λeff/4 mit n > 0 genutzt.
Die Vorrichtung nach der Figur 1 kann beispielsweise die Grundlage für die erfindungsgemäße Druckmessung das Gasgemischs, hier Luft-Kraftstoffgemisch im Brennraum des nicht dargestellten Verbrennungsmotors, darstellen. Ein in Figur 2 dargestelltes Funktionsschema veranschaulicht die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Druckmessung. Eine Vorrichtung mit einem Hochfrequenz-Resonator 20 ist dem Druck 21 des in einem Messvolumen, bzw. Brennraum befindlichen Gasgemischs ausgesetzt, so dass das Gasgemisch in den Hochfrequenz-Resonator 20 eindringt oder auf diesen einwirkt. In Abhängigkeit von den physikalischen Eigenschaften, hier insbesondere dem Druck 21 des Gasgemischs werden die Hochfrequenzeigenschaften des Hochfrequenz-Resonators 20 verändert.
Der Hochfrequenz-Resonator 20 ist mit einer Oszillatorvorrichtung 22 verbunden, welche eine hochfrequente Wechselspannung erzeugt und in den Hochfrequenz-Resonator 20 einspeist. Der Hochfrequenz-Resonator 20 und die Oszillatorvorrichtung 22 bilden gemeinsam einen Schwingkreis,
-in¬
dessen Resonanzfrequenz durch eine Veränderung der Permittivität des Hochfrequenz-Resonators 20 verändert wird, was mittels einer Frequenzmesseinrichtung 23 bestimmt werden kann. Weiterhin Jann mittels einer Temperaturmessung 24 und unter Einbeziehung weiterer Umgebungsmessgroßen 25 in einer Auswerteinrichtung 26 die Druckmessung anhand der nachfolgend beschriebenen Auswertung der Permittivitätsänderung durchgeführt werden.
Für den zuvor erwähnten Schwingkreis aus den Bausteinen 20 und 21 ist die Resonanzfrequenz für eine bestimmte Permittivität, beispielsweise durch Messung bei der Herstellung in einem Referenzgas unter Referenzdruck oder durch Messung unter Referenzdruck vor einer Druckmessung bekannt. Eine Druckänderung bewirkt dann eine Dichteänderung des in dem Messvolumen, hier Brennraum, enthaltenen Gases, wodurch eine Veränderung der Permittivität des Hochfrequenz-Resonators 20 erfolgt. Der Zusammenhang zwischen der Dichte und der Permittivität eines Gases kann durch das Gesetz von Clausius-Mossotti beschrieben werden:
M ε0(ε-l)— = NA *a , mit der Molmasse M, der Dichte des Gases P p, der Avogadro-Konstante NA und der Polarisierbarkeit α.
Die Dichte verhält sich hierbei wie der Druck unter der Vorrausetzung, dass die Temperatur und das Volumen konstant bleiben, was unter Einbeziehung der zuvor erwähnten Temperaturmessung berücksichtigt werden kann.
Dem Grad der Verschiebung der Resonanzfrequenz des Schwingkreises 20,21 durch die Permittivitätsänderung ε2 nach ε2 kann dann wiederum eine bestimmte Dichte- und
Druckänderung zugeordnet werden. Eine Frequenzverschiebung von fi nach f2 wird mittels der Frequenzmesseinrichtung 23 gemessen und von dieser an die Auswertevorrichtung 26 weitergegeben.
Geht man beim beschriebenen Ausführungsbeispiel von einem koaxialen Leitungsresonator als Hochfrequenz-Resonator 20 aus, so besteht folgender Zusammenhang zwischen der Permittivität ε und der Resonanzfrequenz f:
Hierdurch ist somit gezeigt, dass die Bestimmung des Drucks durch die Veränderung der Resonanzfrequenz des Hochfrequenz-Resonators 20 möglich ist.
In Figur 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Aufbau der Messvorrichtung dargestellt, wobei anstelle einer Kompensation des Temperatureinflusses nach der Figur 2 durch einen Temperatursensor 14, parallel zu dem für die Druckmessung vorgesehenen Hochfrequenz-Resonator 20 ein identischer Referenz-Resonator 30 mit einer eigenen Oszillatorvorrichtung 31 angeordnet ist, welcher mit Ausnahme des Drucks denselben Umgebungsbedingungen wie der für die Druckmessung verwendete Hochfrequenz- Resonator 20 ausgesetzt ist.
Die mittels der Frequenzmesseinrichtung 23 bestimmbare Differenz zwischen der Resonanzfrequenz f der beiden Schwingkreise 20,22 und 30,31 nach der Figur 3 ist ein direktes Maß für den Einfluss des Druckes 21 in dem Messvolumen auf die Permittivität ε unter Eliminierung des Temperatureinflusses im Messvolumen bzw. im Brennraum.
Claims
1. Verfahren zur Erfassung von physikalischen Eigenschaften eines Mediums im Bereich eines Hochfrequenz- Resonators, bei dem
- eine hochfrequente Wechselspannung in den Hochfrequenz-Resonator (20) eingespeist wird und eine durch das Medium als Messvolumen bewirkte Permittivitätsänderung im Hochfrequenz-Resonator (20) ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, dass
- der Druck (21) oder die Druckdifferenz eines Gases oder eines Gasgemisch als Messvolumen in einem Raum ermittelt wird, der mittels des offenen Endes einer Wellenleiterstruktur des Hochfrequenz-Resonators (20) mit einem hochfrequenten Wechselfeld beaufschlagt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
- das Gas oder das Gasgemisch in den Raum eingeführt wird oder einwirkt und dass - die sich durch eine Druckänderung ergebende Permittivitätsänderung der den Hochfrequenz-Resonator (20) bildenden Anordnung durch Ermittlung der Hochfre- quenzeigens'chaften ausgewertet wird, wobei insbesondere eine Änderung der Resonanzfrequenz, eine Änderung der reflektierten Spannung nach Betrag und Phase, eine Änderung der übertragenen Spannung nach Betrag und Phase oder die elektrische Laufzeit der Signale ausgewertet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
- während der Auswertung weitere das Messergebnis beeinflussende Größen, insbesondere die Temperatur (24) und sich hieraus ergebende mechanische oder e- lektrische Veränderungen des Hochfrequenz-Resonators (20) , erfasst und zur Kompensation des Messergebnisses herangezogen werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass
- das Messvolumen mit dem Brennraum einer Brennkraftmaschine in Verbindung steht .
5. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- ein dem Gas oder Gasgemisch ausgesetzter Hochfrequenz-Resonator (20) , eine mit dem Hochfrequenz- Resonator (20) verbundene Oszillatorvorrichtung (22), eine mit dem Hochfrequenz-Resonator (20) und/oder der Oszillatorvorrichtung (22) verbundenen Messeinrichtung (23) vorhanden ist und dass
- eine mit der Messeinrichtung (23) verbundenen Auswertevorrichtung (26) vorhanden ist, die in Abhängigkeit von der Permittivitätsänderung des Hochfrequenz-Resonators (20) ein Ausgangssignal erzeugt, das über eine geeignete Schnittstelle in einer übergeordneten Datenverarbeitungsanlage weiterverarbeit- bar ist.
6. Messvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass
- ein mit dem Messvolumen und/oder mit dem Hochfrequenz-Resonator (20) in Verbindung stehender Temperatursensor (24) vorhanden ist, mit dem eine Kompensation von Temperatureinflüssen bewirkbar ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass - mindestens ein zusätzlicher Referenz-Resonator (30) vorhanden ist, der mit Ausnahme des zu bestimmenden Drucks (21) den gleichen physikalischen Einflüssen wie der Hochfrequenz-Resonator (20) ausgesetzt ist und mit dem eine Kompensation von Temperatureinflüssen bewirkbar ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass
- der zusätzliche Referenz-Resonator (30) einem Vakuum ausgesetzt ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 82, dadurch gekennzeichnet, dass
- die hochfrequenten Schaltungsbauteile und die Vorrichtungen zur Auswertung der Signale der hochfrequenten Schaltungsbauteile als integrierte Schaltung räumlich in unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet sind.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das der Hochfrequenz-Resonator Bestandteil einer Zündvorrichtung am Brennraum einer Brennkraftmaschine ist.
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