WO2008128829A1 - Verfahren und vorrichtung zur druckmessung - Google Patents

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WO2008128829A1
WO2008128829A1 PCT/EP2008/053054 EP2008053054W WO2008128829A1 WO 2008128829 A1 WO2008128829 A1 WO 2008128829A1 EP 2008053054 W EP2008053054 W EP 2008053054W WO 2008128829 A1 WO2008128829 A1 WO 2008128829A1
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pressure
interferometric
wall
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PCT/EP2008/053054
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Marc Layer
David Rychtarik
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Robert Bosch Gmbh
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    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0076—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using photoelectric means
    • G01L9/0077—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using photoelectric means for measuring reflected light
    • G01L9/0079—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using photoelectric means for measuring reflected light with Fabry-Perot arrangements

Definitions

  • the invention relates to a method for pressure measurement in a measuring chamber, wherein the deflection of a membrane in operative connection with the measuring chamber is determined by an interferometric pressure measuring device for pressure measurement.
  • the invention further relates to a device for measuring pressure in a measuring space, wherein a pressure measuring device is provided with a membrane operatively connected to the measuring space and an interferometric pressure measuring device for measuring a deflection of the membrane.
  • these pressure sensors work with a resistance layer (strain gauges) mounted on the side facing away from the measuring space.
  • the membrane is designed to deflect a few microns during operation.
  • the resistance change occurring on the strain gauge is detected by a transmitter and evaluated with a sampling rate of maximum IkHz.
  • Results have a resolution of 1% of the maximum value, which corresponds to a resolution of the deflection of some 10 nanometers.
  • a disadvantage of such strain gauges is that their output signal also depends on the temperature and that the maximum operating temperature prevents the equipped with them pressure sensors can be used in or on the combustion chamber of an internal combustion engine.
  • Another disadvantage is the maximum possible sampling frequency, which prohibits, for example, the dynamic injection and combustion processes in the combustion chamber to detect temporally resolved.
  • DE 10312491 describes a pressure sensor with a sensor membrane for measuring the pressure in combustion chambers of internal combustion engines, wherein the deflection of the sensor membrane is detected with an optical scan. A light beam is passed via an optical waveguide, preferably an optical fiber, to the reflective configured back of the sensor membrane.
  • the light reflected from the sensor membrane is fed to a light receiver. From the intensity of the reflected light, which depends on the deflection of the sensor membrane, the pressure at the sensor membrane is closed.
  • a disadvantage of such an arrangement is that the intensity of the light entering the second optical waveguide changes only insignificantly when the sensor membrane is pressurized, so that only large pressure changes can be detected to a certain extent with precision.
  • the measurement accuracy of the fiber optic pressure sensor is reduced by the lack of path neutrality of the structural design.
  • the intensity of the light is adversely affected on its optical transmission path from the light source to the optoelectronic detector fluctuations, on the one hand by bending of the optical waveguide, on the other hand by defective connections of the
  • Fiber optic with the light source or the optoelectronic detector come about.
  • DE 4018998 describes a fiber-optic pressure sensor with a membrane, which is provided on the side facing away from the measuring space with a highly reflective coating, wherein the membrane light is fed via a light guide, the end face is coated partially reflective. Due to the partially reflective coating of the end face and the highly reflective membrane, a Fabry-Perot resonator is formed, with which the position of the membrane and thus indirectly their pressurization can be determined.
  • a disadvantage of such an arrangement is that the geometry between the end face and the end face of the optical fiber must be maintained very accurately, as exemplified by thermal influences the
  • DE 102 44 553 discloses an interferometric measuring device for detecting the shape, the roughness or the distance of the surface of a measured object with a modulation interferometer, the short-coherent radiation is supplied from a radiation source and a first beam splitter for dividing the supplied radiation into a via a first arm guided first part of the beam and a guided over a second arm second partial beam of which one is shifted relative to the other by means of a modulation device in its light phase or light frequency and passes through a delay line, and which are then combined at a further beam splitter of the modulation interferometer, with a spatially separated from the modulation interferometer and with this via a Optical fiber arrangement coupled or couplable probe in which the United
  • Partial beams are divided into a measuring beam guided by a probe optical fiber unit to the surface and a reference beam and in which the superimposed on the surface of the measuring beam and the reference beam reflected reference beam are superimposed, and with a receiver device and an evaluation unit for converting the radiation in her electrical signals and for evaluating the signals on the basis of a
  • the object of the invention relating to the method is achieved by determining the deflection of at least part of the membrane integrated into a wall of the measuring space with the interferometric pressure measuring device, and wherein the interferometric
  • Pressure measuring device is operated with a spatially coherent, temporally short-coherent radiation source.
  • An advantage over the prior art, as shown by way of example in DE 4018998, is that a part of the wall of the measuring space itself is formed as a membrane and no precisely aligned to an end face of the optical fiber highly reflective membrane must be used in a Measuring head is mounted.
  • the prior art requires long coherence length monochromatic light to achieve interference of the wave packets, as the distance of the face of the optical fiber from the membrane surface requires it.
  • the arrangement according to the invention affects a Warping of the membrane, as it occurs when pressurized force, the measurement is not, while in the prior art interferes with the interference condition. The therefore required in the prior art additional, with the side facing away from the measuring chamber side of the membrane, plane mirror can thus be omitted.
  • the pressure measuring device according to the invention is able to resolve distance changes on the order of 1 nanometer and is therefore
  • Superior pressure measuring devices based on strain gauges with a resolution of several tens of nanometers.
  • the membranes can therefore be designed to be more robust when using the method according to the invention with the same resolution of the pressure or have a higher printing resolution.
  • an interferometric pressure measuring device divided into a modulation interferometer and a measuring probe connected to it via an optical fiber arrangement can be used and in particular the pressure measuring device in a robust measuring probe adapted to the respective measuring task and separated from it under controlled environmental conditions be placed high-precision modulation interferometer.
  • a modulation interferometer By using a modulation interferometer, the working distance of the measuring probe can be adjusted in a wide range of the measuring task.
  • the interferometric pressure measuring device is operated with a measuring frequency of more than IkHz, preferably more than 100 kHz, also rapid processes, as they take place, for example, in injection and combustion processes in the combustion chamber of an internal combustion engine, can be detected and evaluated.
  • the processes taking place here on time scales of a few tens to 100 microseconds can be detected by the method according to the invention.
  • the object of the invention relating to the device is achieved in that the membrane is integrated into a wall of the measuring space and that a spatially coherent, temporally short-coherent radiation source is provided as the radiation source of the interferometric pressure measuring device.
  • a part of the wall of the measuring space as a membrane whose inner surface can be maintained unchanged and in particular sealing surfaces can be omitted.
  • the pressure measuring device can be adapted to the measuring task. If the interferometric pressure measuring device is divided into a modulation interferometer and a measuring probe connected to it via an optical fiber arrangement, the measuring probe can be adapted individually with regard to the measuring distance and probe cross section of the measuring task.
  • the optical fiber array allows the modulation interferometer to be mounted remotely from the measurement site under controlled environmental conditions.
  • the measuring distance of the measuring probe can be varied between a few micrometers and 25 cm and thus adapted to practically all measuring tasks.
  • the membrane is designed as a partial region of the wall of the measuring chamber with a reduced wall thickness, the pressure measurement can be realized without interrupting the wall of the measuring chamber and thus making it unnecessary without additional sealing surfaces.
  • An increase in the volume of the measuring chamber as would be done by way of example by introduced into bores measuring heads of pressure sensors, is avoided and the pressure conditions in dynamic processes, such as in the combustion chamber of an internal combustion engine, are reproduced closer to reality.
  • the wall thickness of the membrane can be selected particularly well controlled. Furthermore, it is possible to use materials for the membrane, which allow an improved pressure measurement.
  • An embodiment variant that is easy to implement provides that a recess is provided in the wall of the measuring space, which is closed on the measuring chamber side by the membrane and that the measuring probe is held in the recess.
  • the membrane can be designed as a residual wall thickness of a blind hole, which is introduced from the outside into the wall of the measuring space. It may be necessary to calibrate the pressure measuring device because of the insufficiently determinable residual wall thickness.
  • a particularly small design of the measuring probe can be realized by the measuring probe is formed as an optical fiber with an integrating focusing optics.
  • the diameter of the measuring probe can then be of the order of the fiber thickness of a few tens of micrometers to get voted.
  • the membrane surface can be selected from such an order of magnitude, whereby the membrane can be selected particularly robust and can be attached to virtually any desired position. Especially for small measuring spaces such a design is suitable.
  • the device for pressure measurement has a reference probe for temperature compensation.
  • a reference probe mounted close to the measuring probe, the measuring effects based on the thermal expansion of the wall of the measuring chamber and the other components can be taken into account.
  • the reference probe is mounted close to the measuring probe and by a reference beam of the reference probe is directed to a mechanically decoupled from the membrane surface.
  • This may be a reference mirror, which is spaced from the back of the membrane so far that it is not moved even at their maximum deflection.
  • the rapid processes in the injection and in the combustion can be tracked and it is an optimization of the processes, for example with the aim of a reduction of
  • Figure 1 is a schematic representation of an interferometric pressure measuring device
  • Figure 2 the pressure measuring device with a temperature compensation
  • Figure 3 is a miniaturized pressure measuring device.
  • FIG 1 shows schematically an embodiment of the pressure measuring device according to the invention in its technical environment.
  • a measuring chamber 10, whose internal pressure is to be determined, is completed by a wall 11, in which a recess 15 is provided.
  • the recess 15 forms with a residual wall thickness, a membrane 12 to the measuring chamber 10 through out.
  • a measuring probe 14 is mounted, which can determine interferometrically a movement of the membrane 12 by means of a measuring beam 13.
  • the measuring probe 14 is supplied with radiation of a modulation interferometer, not shown here, via a first optical fiber cable 16. At the side facing away from the measuring chamber 10 side of the membrane 12 radiation is over the first
  • Optical fiber 16 fed to an evaluation device, not shown here.
  • FIG. 2 shows the pressure measuring device with an additional device for temperature compensation.
  • the components already described in FIG. 1 are provided with the same designators.
  • a further recess 25 is introduced, in which a
  • Reference probe 24 is mounted.
  • a reference beam 23 of the reference probe 24 is directed to a mechanically decoupled surface 22, which is mechanically decoupled from a residual wall 20 in the wall 11 by means of a gap 21.
  • the reference probe 24 is connected via a second optical fiber cable 26 with the modulation interferometer, not shown here, and the evaluation device.
  • the reference probe 24 is preferably identical in design to the measuring probe 14, so that by way of example temperature influences affect both probes equally, but movements of the membrane 12 are detected only by the measuring probe 14.
  • the measuring probe 14 consists here only of the first light guide 16, which is a convex fiber end 17 is formed.
  • the measuring beam 13 is focused by the shape of the convex fiber end 17 on the side facing away from the measuring chamber 10 side of the membrane 12.
  • the convex fiber end 17 may also be attached as an additional component.
  • the convex fiber end 17 may be formed so that the radiation is broken away from the optical axis of the first optical fiber cable, so that the
  • Axis of the recess 15 need not be perpendicular to the surface of the back of the membrane 12.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Druckmessung in einem Messraum (10), wobei zur Druckmessung die Auslenkung einer mit dem Messraum in Wirkverbindung stehenden Membran (12) mit einer interferometrischen Druckmesseinrichtung bestimmt wird. Die Erfindung sieht vor, dass die Auslenkung zumindest eines Teils der in eine Wandung (11) des Messraums integrierten Membran (12) mit der interferometrischen Druckmesseinrichtung bestimmt wird und wobei die interferometrische Druckmesseinrichtung mit einer räumlich kohärenten, zeitlich kurzkohärenten Strahlungsquelle betrieben wird. Vorteilhaft gegenüber dem Stand der Technik ist, dass ein Teil der Wandung (11) des Messraums selber als Membran (12) ausgebildet ist und keine präzise zu einer Stirnfläche der Lichtleitfaser ausgerichtete hoch reflektierende Membran verwendet werden muss, die in einem Messkopf montiert ist. Die Erfindung kann weiterhin zur Temperaturkompensation einen Referenzstrahl (22) von einer Referenz-Sonde (23) vorsehen, der auf eine von der Membran (12) mechanisch entkoppelte Oberfläche (21) gerichtet ist.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Druckmessung
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Druckmessung in einem Messraum, wobei zur Druckmessung die Auslenkung einer mit dem Messraum in Wirkverbindung stehenden Membran mit einer interferometrischen Druckmesseinrichtung bestimmt wird.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Druckmessung in einem Messraum, wobei zur Druckmessung eine mit dem Messraum in Wirkverbindung stehende Membran und eine interferometrische Druckmesseinrichtung zur Messung einer Auslenkung der Membran vorgesehen sind.
In der Automobiltechnik werden an mehreren Stellen Drucksensoren für einen Druckbereich von einigen 100 bar bis 1000 bar eingesetzt. In einer Ausführungsform arbeiten diese Drucksensoren mit einer auf der vom Messraum abgewandten Seite angebrachten Widerstandsschicht (Dehnungsmessstreifen). Die Membran ist so ausgelegt, dass sie im Betrieb einige Mikrometer ausgelenkt wird. Die dabei am Dehnungsmessstreifen auftretende Widerstandsänderung wird mit einer Auswerteelektronik erfasst und mit einer Abtastrate von maximal IkHz ausgewertet. Die
Ergebnisse haben dabei eine Auflösung von 1% des Maximalwerts, was einer Auflösung der Auslenkung von einigen 10 Nanometern entspricht. Nachteilig an solchen Dehnungsmessstreifen ist, dass deren Ausgangssignal auch von der Temperatur abhängt und dass die maximale Betriebstemperatur verhindert, dass die mit ihnen ausgestatteten Drucksensoren im oder am Brennraum einer Brennkraftmaschine eingesetzt werden können. Weiterhin nachteilig ist die maximal mögliche Abtastfrequenz, die es verbietet, beispielhaft die dynamischen Einspritz- und Verbrennungsprozesse in dem Brennraum zeitlich aufgelöst zu erfassen. Die DE 10312491 beschreibt einen Drucksensor mit einer Sensormembran zur Messung des Druckes in Brennräumen von Verbrennungskraftmaschinen, wobei die Auslenkung der Sensormembran mit einer optischen Abtastung erfasst wird. Ein Lichtstrahl wird über einen Lichtwellenleiter, bevorzugt einen Glasfaserleiter, zu der reflektierend ausgestalteten Rückseite der Sensormembran geleitet. Mit einem zweiten Lichtwellenleiter wird das von der Sensormembran reflektierte Licht einem Lichtempfänger zugeleitet. Aus der Intensität des reflektierten Lichts, die von der Durchbiegung der Sensormembran abhängt, wird auf den Druck an der Sensormembran geschlossen. Nachteilig an einer solchen Anordnung ist es, dass die Intensität des in den zweiten Lichtwellenleiter eintretenden Lichts sich nur unwesentlich bei einer Druckbeaufschlagung der Sensormembran ändert, so dass nur große Druckänderungen einigermaßen genau erfassbar sind. Des weiteren wird die Messgenauigkeit des faseroptischen Drucksensors durch die fehlende Streckenneutralität des konstruktiven Aufbaus vermindert. Die Intensität des Lichts ist in nachteiliger Art und Weise auf seiner optischen Übertragungsstrecke von der Lichtquelle zum optoelektronischen Detektor Schwankungen unterworfen, die einerseits durch ein Verbiegen des Lichtwellenleiters, andererseits durch mangelhafte Verbindungen der
Lichtwellenleiter mit der Lichtquelle bzw. dem optoelektronischen Detektor zustande kommen.
Die DE 4018998 beschreibt einen faseroptischen Drucksensor mit einer Membran, die auf der vom Messraum abgewandten Seite mit einer hoch reflektierenden Verspiegelung versehen ist, wobei der Membran Licht über einen Lichtleiter zugeführt ist, dessen Stirnfläche teilreflektierend beschichtet ist. Durch die teilreflektierende Beschichtung der Stirnfläche und die hochreflektierende Membran wird ein Fabry-Perot-Resonator ausgebildet, mit dem die Position der Membran und damit auch indirekt deren Druckbeaufschlagung bestimmt werden kann. Nachteilig an einer solchen Anordnung ist, dass die Geometrie zwischen der Stirnfläche und der Stirnfläche der Lichtleitfaser sehr genau eingehalten werden muss, da beispielhaft thermische Einflüsse das
Messergebnis verfälschen können. Daher ist es erforderlich, einen solchen Drucksensor in einem eigenen Druckmess-Kopf zu montieren.
Die DE 102 44 553 offenbart eine interferometrische Messvorrichtung zum Erfassen der Form, der Rauheit oder des Abstandes der Oberfläche eines Messobjektes mit einem Modulations- interferometer, dem von einer Strahlungsquelle kurzkohärente Strahlung zugeführt wird und das einen ersten Strahlteiler zum Aufteilen der zugeführten Strahlung in einen über einen ersten Arm geführten ersten Teilstrahl und einen über einen zweiten Arm geführten zweiten Teilstrahl aufweist, von denen der eine gegenüber dem anderen mittels einer Modulationseinrichtung in seiner Licht-Phase oder Lichtfrequenz verschoben wird und eine Verzögerungsstrecke durchläuft, und die anschließend an einem weiteren Strahlteiler des Modulationsinterferometers vereinigt werden, mit einer von dem Modulationsinterferometer räumlich getrennten und mit dieser über eine Lichtleitfaseranordnung gekoppelten oder koppelbaren Messsonde, in der die vereinigten
Teilstrahlen in einen durch eine Sonden-Lichtleitfasereinheit zu der Oberfläche geführten Messstrahl und einen Referenzstrahl aufgeteilt und in der der an der Oberfläche reflektierte Messstrahl und der an einer Referenzebene reflektierte Referenzstrahl überlagert werden, und mit einer Empfängervorrichtung und einer Auswerteeinheit zum Umwandeln der ihr zugeleiteten Strahlung in elektrische Signale und zum Auswerten der Signale auf der Grundlage einer
Phasendifferenz.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Druckmessung anzugeben, die auch für den Einsatz bei hohen Temperaturen, wie sie beispielhaft in oder an Brennräumen von Brennkraftmaschinen vorkommen, geeignet sind und die eine ausreichend schnelle Messwerterfassung ermöglichen.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung betreffend des Verfahrens wird dadurch gelöst, dass die Auslenkung zumindest eines Teils der in eine Wandung des Messraums integrierten Membran mit der interferometrischen Druckmesseinrichtung bestimmt wird und wobei die interferometrische
Druckmesseinrichtung mit einer räumlich kohärenten, zeitlich kurzkohärenten Strahlungsquelle betrieben wird. Vorteilhaft gegenüber dem Stand der Technik, wie er beispielhaft in der DE 4018998 dargestellt ist, ist, dass ein Teil der Wandung des Messraums selber als Membran ausgebildet ist und keine präzise zu einer Stirnfläche der Lichtleitfaser ausgerichtete hoch reflektierende Membran verwendet werden muss, die in einem Messkopf montiert ist. Weiterhin ist nach dem Stand der Technik monochromatisches Licht mit langer Kohärenzlänge erforderlich, um eine Interferenz der Wellenpakete zu erzielen, da der Abstand der Stirnfläche der Lichtleitfaser von der Membranfläche dies erfordert. In der erfindungsgemäßen Anordnung beeinträchtigt eine Wölbung der Membran, wie sie bei einer Druckbeaufschlagung zwangsweise auftritt, die Messung nicht, während sie beim Stand der Technik die Interferenzbedingung stört. Der beim Stand der Technik daher erforderliche zusätzliche, mit der vom Messraum abgewandten Seite der Membran verbundene, Planspiegel kann somit entfallen. Die erfindungsgemäße Druckmesseinrichtung ist in der Lage, Abstandsänderungen in einer Größenordnung von 1 Nanometer aufzulösen und ist daher
Druckmesseinrichtungen überlegen, die auf Dehnungsmessstreifen beruhen und eine Auflösung von einigen 10 Nanometern aufweisen. Die Membranen können bei Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei gleicher Auflösung des Druckes daher robuster ausgelegt werden oder eine höhere Druckauflösung aufweisen.
Wird eine in ein Modulationsinterferometer und eine mit dieser über eine Lichtleitfaseranordnung verbundene Mess-Sonde aufgeteilte interferometrische Druckmesseinrichtung verwendet, können Standard-Messgeräte verwendet werden und insbesondere die Druckmesseinrichtung in eine robuste an die jeweilige Messaufgabe angepasste Mess-Sonde und ein von dieser getrenntes unter kontrollierten Umweltbedingungen aufgestelltes hoch präzises Modulationsinterferometer aufgeteilt werden. Durch die Verwendung eines Modulationsinterferometers kann der Arbeitsabstand der Mess-Sonde in einem weiten Bereich der Messaufgabe angepasst werden.
Dadurch, dass die interferometrische Druckmesseinrichtung mit einer Messfrequenz von mehr als IkHz, vorzugsweise mehr als 100 kHz, betrieben wird, können auch schnelle Vorgänge, wie sie beispielhaft bei Einspritz- und Verbrennungsprozessen im Brennraum einer Brennkraftmaschine stattfinden, erfasst und ausgewertet werden. Die hier auf Zeitskalen von einigen zehn bis 100 Mikrosekunden stattfindenden Prozesse lassen sich durch das erfindungsgemäße Verfahren erfassen.
Die Aufgabe der Erfindung betreffend die Vorrichtung wird dadurch gelöst, dass die Membran in eine Wandung des Messraums integriert ist und dass als Strahlungsquelle der interferometrischen Druckmesseinrichtung eine räumlich kohärente, zeitlich kurzkohärente Strahlungsquelle vorgesehen ist. Durch die Verwendung eines Teils der Wandung des Messraums als Membran kann dessen Innenfläche unverändert erhalten bleiben und insbesondere Dichtflächen können entfallen. Durch die Wahl der restlichen Wanddicke und der Querschnittsfläche der Ausnehmung in der Wandung des Messraums kann die Druckmesseinrichtung an die Messaufgabe angepasst werden. Ist die interferometrische Druckmesseinrichtung in ein Modulationsinterferometer und eine mit diesem über eine Lichtleitfaseranordnung verbundene Mess-Sonde aufgeteilt, kann die Mess- Sonde betreffend Messabstand und Sondenquerschnitt der Messaufgabe individuell angepasst werden. Die Lichtleitfaseranordnung erlaubt es, das Modulationsinterferometer unter kontrollierten Umweltbedingungen entfernt vom Messort anzubringen. Bei Verwendung von handelsüblichen Modulationsinterferometern kann der Messabstand der Mess-Sonde zwischen einigen Mikrometern und 25cm variiert und damit praktisch allen Messaufgaben angepasst werden.
Ist die Membran als ein Teilbereich der Wandung des Messraums mit verringerter Wanddicke ausgebildet, kann die Druckmessung verwirklicht werden, ohne die Wandung des Messraums zu unterbrechen und damit ohne zusätzliche Dichtflächen erforderlich zu machen. Eine Vergrößerung des Volumens des Messraums, wie dies beispielhaft durch in Bohrungen eingebrachte Mess- Köpfe von Drucksensoren geschehen würde, wird vermieden und die Druckbedingungen bei dynamischen Vorgängen, wie beispielhaft im Brennraum einer Brennkraftmaschine, werden realitätsnäher wiedergegeben.
Ist die Membran als ein mit der Wandung des Messraums fest verbundenes Bauteil ausgebildet, kann die Wanddicke der Membran besonders gut kontrolliert gewählt werden. Weiterhin ist es möglich, Materialien für die Membran zu verwenden, die eine verbesserte Druckmessung ermöglichen.
Eine einfach zu realisierende Ausführungsvariante sieht vor, dass in der Wandung des Messraums eine Ausnehmung vorgesehen ist, die messraumseitig durch die Membran abgeschlossen ist und dass die Mess-Sonde in der Ausnehmung gehalten ist. Die Membran kann dabei als Restwanddicke einer Sacklochbohrung ausgeführt sein, die von außen in die Wandung des Messraums eingebracht ist. Hierbei kann es erforderlich sein, die Druckmesseinrichtung wegen der unzureichend genau bestimmbaren Restwanddicke zu kalibrieren.
Eine besonders kleine Ausführung der Mess-Sonde ist realisierbar, indem die Mess-Sonde als eine Lichtleitfaser mit einer angeformten Fokussierungsoptik ausgebildet ist. Der Durchmesser der Mess-Sonde kann dann in der Größenordnung der Faserdicke von einigen 10 Mikrometern gewählt werden. Auch die Membranfläche kann ab einer solchen Größenordnung gewählt werden, wodurch die Membran besonders robust gewählt werden kann und an praktisch jeder gewünschten Position angebracht werden kann. Insbesondere für kleine Messräume ist eine solche Ausführung geeignet.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Vorrichtung zur Druckmessung eine Referenz- Sonde zur Temperaturkompensation aufweist. Mittels einer nahe an der Mess-Sonde angebrachten Referenz-Sonde können die auf der Wärmedehnung der Wandung des Messraums und der weiteren Komponenten beruhenden Messeffekte berücksichtigt werden.
Eine besonders gute Berücksichtigung der temperaturabhängigen Effekte lässt sich verwirklichen, indem die Referenzsonde nahe an der Mess-Sonde angebracht ist und indem ein Referenz-Strahl der Referenz-Sonde auf eine von der Membran mechanisch entkoppelte Oberfläche gerichtet ist. Hierbei kann es sich um einen Referenz- Spiegel handeln, der von der Rückseite der Membran soweit beabstandet ist, dass er auch bei deren Maximalauslenkung nicht bewegt wird.
Werden das beschriebene Verfahren und/oder die Vorrichtung zur Bestimmung eines Drucks und eines Druckverlaufs in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine verwendet, können die schnellen Vorgänge bei der Einspritzung und bei der Verbrennung verfolgt werden und es ist eine Optimierung der Vorgänge, beispielsweise mit dem Ziel einer Verminderung des
Kraftstoffverbrauchs oder der Abgabe unerwünschter Abgasbeimischungen, möglich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 in schematischer Darstellung eine interferometrische Druckmesseinrichtung, Figur 2 die Druckmesseinrichtung mit einer Temperaturkompensation, Figur 3 eine miniaturisierte Druckmesseinrichtung. Ausführangsformen der Erfindung
Figur 1 zeigt schematisch eine Ausführung der erfindungsgemäßen Druckmesseinrichtung in ihrem technischen Umfeld. Ein Messraum 10, dessen Innendruck bestimmt werden soll, ist von einer Wandung 11 abgeschlossen, in der eine Aussparung 15 vorgesehen ist. Die Aussparung 15 bildet mit einer Rest- Wanddicke eine Membran 12 zum Messraum 10 hin aus. In der Aussparung 15 ist eine Mess-Sonde 14 angebracht, die interferometrisch eine Bewegung der Membran 12 mittels eines Mess-Strahls 13 bestimmen kann. Der Mess-Sonde 14 wird Strahlung eines hier nicht dargestellten Modulationsinterferometers über ein erstes Lichtleitkabel 16 zugeführt. An der vom Messraum 10 abgewandten Seite der Membran 12 reflektierte Strahlung wird über das erste
Lichtleitkabel 16 einer hier nicht dargestellten Auswerte-Einrichtung zugeführt.
Figur 2 zeigt die Druckmesseinrichtung mit einer Zusatzeinrichtung zur Temperaturkompensation. Die bereits in Figur 1 beschriebenen Komponenten sind mit den gleichen Bezeichnern versehenen. In der Wandung 11 des Messraums 10 ist eine weitere Ausnehmung 25 eingebracht, in der eine
Referenz-Sonde 24 montiert ist. Ein Referenz-Strahl 23 der Referenz-Sonde 24 ist auf eine mechanisch entkoppelte Oberfläche 22 gerichtet, die von einer Rest- Wandung 20 in der Wandung 11 mittels eines Spalts 21 mechanisch entkoppelt ist. Die Referenz-Sonde 24 ist über ein zweites Lichtleitkabel 26 mit dem hier nicht dargestellten Modulationsinterferometer und der Auswerte- Einrichtung verbunden. Die Referenz-Sonde 24 ist bevorzugt baugleich zu der Mess-Sonde 14 ausgeführt, so dass beispielhaft Temperatureinflüsse beide Sonden gleich betreffen, Bewegungen der Membran 12 aber nur von der Mess-Sonde 14 erfasst werden.
Eine besonders klein ausführbare Ausführungsform der Mess-Sonde 14 ist in der Figur 3 dargestellt. Die Mess-Sonde 14 besteht hier lediglich aus dem ersten Lichtleitkabel 16, dem ein konvexes Faserende 17 angeformt ist. In dieser Ausführung wird der Mess-Strahl 13 durch die Form des konvexen Faserendes 17 auf die vom Messraum 10 abgewandte Seite der Membran 12 fokussiert. Das konvexe Faserende 17 kann auch als zusätzliches Bauteil angebracht sein. In einer Fortbildung der Ausführungsform kann das konvexe Faserende 17 so ausgebildet sein, dass die Strahlung von der optischen Achse des ersten Lichtleitkabels weggebrochen wird, so dass die
Achse der Ausnehmung 15 nicht senkrecht zur Oberfläche der Rückseite der Membran 12 liegen muss.

Claims

21. März 2007Robert Bosch GmbHAnsprüche
1. Verfahren zur Druckmessung in einem Messraum, wobei zur Druckmessung die Auslenkung einer mit dem Messraum (10) in Wirkverbindung stehenden Membran (12) mit einer interfero- metrischen Druckmesseinrichtung bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslenkung zumindest eines Teils der in eine Wandung (11) des Messraums (10) integrierten Membran (12) mit der interferometrischen Druckmesseinrichtung bestimmt wird und wobei die inter- ferometrische Druckmesseinrichtung mit einer räumlich kohärenten, zeitlich kurzkohärenten Strahlungsquelle betrieben wird
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine in ein Modulations- interferometer und eine mit dieser über eine Lichtleitfaseranordnung verbundene Mess-Sonde (14) aufgeteilte interferometrische Druckmesseinrichtung verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die interferometrische Druckmesseinrichtung mit einer Messfrequenz von mehr als 1 kHz, vorzugsweise mehr als 100 kHz, betrieben wird.
4. Vorrichtung zur Druckmessung in einem Messraum, wobei zur Druckmessung eine mit dem Messraum (10) in Wirkverbindung stehende Membran (12) und eine interferometrische Druckmesseinrichtung zur Messung einer Auslenkung der Membran (12) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (12) in eine Wandung (11) des Messraums (10) integriert ist und dass als Strahlungsquelle der interferometrischen Druckmesseinrichtung eine räumlich kohärente, zeitlich kurzkohärente Strahlungsquelle vorgesehen ist.
5. Vorrichtung nach Ansprach 4, dadurch gekennzeichnet, dass die interferometrische Drackmesseinrichtung in ein Modulationsinterferometer und eine mit dieser über eine Lichtleitfaseranordnung verbundene Mess-Sonde (14) aufgeteilt ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (12) als ein Teilbereich der Wandung (11) des Messraums (10) mit verringerter Wanddicke ausgebildet ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran
(12) als ein mit der Wandung (11) des Messraums (10) fest verbundenes Bauteil ausgebildet ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Wandung (11) des Messraums (10) eine Ausnehmung (15) vorgesehen ist, die messraumseitig durch die Membran (12) abgeschlossen ist und dass die Mess-Sonde (14) in der Ausnehmung (15) gehalten ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mess-Sonde (14) als eine Lichtleitfaser mit einer angeformten Fokussierangsoptik ausgebildet ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die interferometrische Drackmesseinrichtung eine Referenz-Sonde (23) zur Temperaturkompensation aufweist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Referenz-
Strahl (22) der Referenz-Sonde (23) auf eine von der Membran (12) mechanisch entkoppelte Oberfläche (21) gerichtet ist.
12. Verwendung des Verfahrens und/oder der Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Bestimmung eines Drucks und eines Drackverlaufs in einem Brennraum einer
Brennkraftmaschine.
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