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Die
Erfindung betrifft einen Hochdrucksensor zum Messen des Drucks eines
Fluids in einem rohrförmigen
Bauteil mit einem scheibenförmigen
piezoelektrischen Element, das an einem Stirnende des rohrförmigen Bauteils
angeordnet ist.
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Zum
Messen sehr hoher Drücke
bis etwa 3000 bar Berstdruck, wie sie z.B. in der Verteilerschiene
(common rail) der Kraftstoffeinspritzanlage einer Diesel-Brennkraftmaschine
auftreten, sind Hochdrucksensoren bekannt geworden, bei denen die
Wölbung
einer dem Fluiddruck ausgesetzten metallischen Membran mittels Dehnungsstreifen
erfasst und hieraus z.B. in einer Brückenschaltung ein Drucksignal
gebildet wird. Der Durchmesser derartiger metallischer Membranen
ist sehr klein, und ihre maximale Wölbung liegt in der Größenordnung
10 μm bis
50 μm. Ferner
müssen
sie bis zu 1010 Lastschaltspiele aushalten.
Damit sich die Kennlinie des Hochdrucksensors nicht ändert, muss
er so ausgelegt werden, dass die beteiligten Materialien im Betrieb
nicht über
den Hookschen Bereich hinaus belastet werden. Das Verhältnis von
Membrandicke zum Membrandurchmesser ist somit an die Eigenschaften der
beteiligten Materialien gebunden und kann daher ein vorgegebenes
materialbedingtes Verhältnis
nicht überschreiten.
Dies begrenzt die Messempfindlichkeit. Ein weiteres Problem ist
die Haftung zwischen der metallischen Membran und den Dehnungsmessstreifen.
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Es
sind ferner piezoelektrische Drucksensoren bekannt, bei denen ein
piezoelektrischer Aufnehmer dem Druck (z.B. Öl oder Zylinderdruck) unmittelbar
ausgesetzt ist.
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Aus
DE 714 992 C ist
ein piezoelektrischer Drucksensor bekannt, bei dem ein scheibenförmiges piezoelektrisches
Element an einer Stirnseite eines rohrförmigen Bauteils angeordnet
und an seinem Umfang fest eingespannt ist, wobei das piezoelektrische
Element dem Fluiddruck in dem rohrförmigen Bauteil direkt ausgesetzt
ist. Aus
DE 2 324 399
A ist ein piezoelektrischer Druckwandler bekannt, bei dem der
Druckraum von einer metallischen Membran verschlossen ist. Das piezoelektrische
Element ist dem Druck so nicht unmittelbar ausgesetzt. Einzelheiten zur
Auswerteschaltung und zur Verbindungstechnik mit der Auswerteschaltung
sind den
DE 2 052 356
A und
DE 33
11 128 A1 zu entnehmen. Derartige piezoelektrische Drucksensoren
werden bisher jedoch im Allgemeinen nur für niedrigere Drücke eingesetzt. Auch
dürfte
die maximal mögliche
Lastspielanzahl derartiger Drucksensoren relativ beschränkt sein.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hochdrucksensor
hoher Messempfindlichkeit zu schaffen, der einfach herstellbar ist
und eine sehr große
Anzahl von Lastschaltspielen aushält.
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Diese
Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 definierte Erfindung gelöst.
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Bei
dem erfindungsgemäß ausgebildeten Hochdrucksensor
ist das scheibenförmige
piezoelektrische Element am Stirnende des rohrförmigen Bauteils so angeordnet
und eingespannt, dass es durch den Fluiddruck auf Wölbung beansprucht
wird. Die elektronische Auswerteschaltung erzeugt in Abhängigkeit
von einer Änderung
der Wölbung
und der hierdurch bedingten Änderung
einer elektrischen Eigenschaft des piezoelektrischen Elementes ein
Drucksignal. Das piezoelektrische Element ist dem Fluiddruck unmittelbar
ausgesetzt, indem es zwischen dem Stirnende des rohrförmigen Bauteils
und einer mutterartigen Klammer unter Kompression einer Dichtung
eingespannt wird.
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Als
piezoelektrisches Element kann ein Quarzkristall oder eine Piezokeramik
verwendet werden. Die elektronische Auswerteschaltung kann z.B. eine
herkömmliche
Oszillatorschaltung sein. Der erfindungsgemäß ausgebildete Hochdrucksensor zeichnet
sich daher durch große
Einfachheit, eine geringe Anzahl von Einzelteilen und entsprechend
niedrige Herstellungskosten aus. Das in Verbindung mit Dehnungsmessstreifen
auftretende Problem der Haftung ist nicht gegeben. Darüber hinaus
besteht eine große
Gestaltungsvielfalt. Dennoch hat der erfindungsgemäß ausgebildete
Hochdrucksensor eine hohe Messempfindlichkeit, da er aufgrund der
hohen Fluiddrücke
(z.B. bis zu 3000 bar) einer starken Biegebeanspruchung ausgesetzt
wird, die sich in einer entsprechend starken Änderung seiner elektrischen Eigenschaften
auswirkt. Schließlich
kann ein erfindungsgemäß ausgebildeter
Hochdrucksensor eine extrem große
Anzahl von Lastschaltspielen (z.B. bis zu 1010)
aushalten.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.
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Anhand
der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele
der Erfindung näher
erläutert.
Es zeigt:
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1 einen
Längsschnitt
durch einen Hochdrucksensor;
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2 ein
Ersatzschaltbild eines piezoelektrischen Elementes;
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3 bis 6 schematische
Schaltbilder verschiedener Ausführungsformen
der Auswerteschaltung;
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7 einen
Längsschnitt
durch eine abgewandelte Ausführungsform
des in 1 gezeigten Hochdrucksensors;
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8 ein
schematisches Schaltbild einer Auswerteschaltung für den Hochdrucksensor
in 7.
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Nach 1 ist
ein rohrförmiges
Bauteil 1 vorgesehen, das ein Hochdruckfluid enthält, dessen Druck
gemessen werden soll. Das piezoelektrische Element 2 ist
dem Fluiddruck unmittelbar aussetzt. Tatsächlich wird das Stirnende des
rohrförmigen Bauteils 1 von
dem piezoelektrischen Element 2 verschlossen. Es muss daher
für eine
Abdichtung zwischen dem piezoelektrischen Element 2 und
dem Bauteil 1 gesorgt werden.
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Zu
diesem Zweck ist das piezoelektrische Element 2 als kreisrunde,
doppelkonusförmige Scheibe
ausgebildet, die zwischen dem Stirnende des Bauteils 1 und
einer mutterartigen Klammer 10 unter Kompression einer
Dichtung 14 eingespannt wird. Die mutterartige Klammer 10 ist
auf ein Außengewinde 15 des
Bauteils 1 aufgeschraubt. Durch die Schraubverbindung kann
das piezoelektrische Element 2 mit einer gewünschten
Vorspannung gegen das Stirnende des Bauteils 1 festgespannt
werden. Statt einer Schraubverbindung könnte jedoch auch eine Schweißverbindung
gewählt
werden.
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Genauer
gesagt, liegen an den konischen Umfangsflächen 11 des piezoelektrischen
Elementes 2 entsprechend abgeschrägte Anlageflächen 12, 13 der
Klammer 10 bzw. des Bauteils 1 an. In dem Bereich,
in dem sich die abgeschrägten
Anlageflächen 12, 13 schneiden,
ist in der Klammer 10 ein Ringraum gebildet, der die ringförmige Dichtung 14 aufnimmt. Die
Dichtung besteht aus einem den im Betrieb auftretenden und der hohen
Lastspielanzahl standhaltenden Werkstoff, z. B. einem bis zu 150 °C dauerelastischem
Kunststoff, einem plastischen Glas (wie bei Glasdurchführungen)
oder Weicheisen. Es ist nicht notwendig, dass das Dichtmaterial
immer im linear elastischen Bereich bleibt, wenn dafür gesorgt wird,
dass während
der gesamten Lebensdauer des Hochdrucksensors der durch die Vorspannung
auf das Dichtmaterial ausgeübte
Druck größer ist
als der vom Fluiddruck auf das Dichtmaterial ausgeübte maximale
Druck.
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Die
Dichtung 14 und der sie aufnehmende Ringraum haben einen
im Wesentlichen runden Querschnitt und sind so angeordnet, dass
die Dichtung durch Anlage an angrenzenden Flächen der Klammer 10,
des Bauteils 1 und des piezoelektrischen Elementes 2 mit
einer vorgegebenen Spannung komprimiert, wenn die Klammer 10 mit
einer vorgegebenen Axialkraft in Richtung auf das Bauteil 1 gezogen
wird. Dies wird dadurch erreicht, dass die Klammer 10 mit
dem Bauteil 1 verschraubt wird (angedeutet durch ein Gewinde 15 auf
der rechten Seite in 1) oder in einem entsprechenden
Spannungszustand mit dem Bauteil 1 verschweißt wird
(angedeutet durch eine Schweißnaht 16 auf
der linken Seite in 1). Zum Erzielen des Spannungszustandes kann
beispielsweise das Bauteil 1 während des Schweißvorganges
mit einem entsprechend hohen Druck von z.B. 2000 bar beaufschlagt
werden. Eine andere Möglichkeit
ist, den Schweißvorgang
bei Umgebungsdruck durchzuführen
und danach für
eine lokale Erwärmung
bis Rotglut und anschließende
Abkühlung
in einem Bereich benachbart zu der Schweißnaht 16 zu sorgen.
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Das
piezoelektrische Element 2 hat zwei Elektroden 8, 9.
Die Elektrode 9 ist als Masseelektrode gebildet, wobei
die Masse von dem Bauteil 1 und der Klammer 10 gebildet
wird. Die Elektrode 8 besteht beispielsweise aus einer
auf die Außenseite des
piezoelektrischen Elementes 2 aufgedampften Metallschicht,
die kapazitiv (also kontaktlos) mit der Platte eines Kondensators
C der Auswerteschaltung verbunden ist. Die Kondensatorplatte hat
von dem piezoelektrischen Element 2 einen so großen Abstand, dass
es auch bei der maximalen Wölbung
des piezoelektrischen Elementes 2 zu keinem mechanischen Kontakt
mit der Kondensatorplatte kommt. An der Außenseite der Klammer 10 kann
ein Deckel (nicht gezeigt) aufgesetzt werden, an dem die Auswerteschaltung
angebracht werden kann.
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Das
piezoelektrische Element 2 besteht beispielsweise aus einem
Quarz. Die elektrischen Eigenschaften des Quarzes lassen sich bekanntlich durch
ein Ersatzschaltbild (2) veranschaulichen. Der Quarz
stellt gewissermaßen
einen Schwingkreis mit Kondensator C, Widerstand R und Spule L sowie mit
einer Streukapazität
CO dar, für
den üblicherweise
das auf der rechten Seite in 2 gezeigte Schaltzeichen
verwendet wird. Im Folgenden wird daher das piezoelektrische Element 2 der 1 als piezoelektrisches
Glied Q bezeichnet und mit dem Schaltzeichen rechts in 2 dargestellt.
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Die
Auswerteschaltung 17 des Hochdrucksensors weist zweckmäßigerweise
eine Oszillatorschaltung auf, deren frequenzbestimmendes Element
das piezoelektrische Glied Q ist.
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Da
derartige Oszillatorschaltungen dem Fachmann in großer Vielfalt
bekannt sind, werden im Folgenden lediglich einige Ausführungsbeispiele kurz
angerissen. Unter frequenzbestimmend wird dabei verstanden, dass
das piezoelektrische Glied Q die Eigenschaften eines Oszillators
maßgeblich
beeinflusst. Dabei kann es sich beispielsweise um die Resonanzfrequenz
handeln.
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So
zeigt beispielsweise 3 eine Auswerteschaltung 17 in
Form einer einfachen Oszillatorschaltung mit dem piezoelektrischen
Glied Q (piezoelektrischen Element 2) als frequenzbestimmendem Element,
zwei invertierenden Operationsverstärkern OP und einem Widerstand
R. Eine andere Ausführungsform
einer Oszillatorschaltung zeigt 4, bei der
das piezoelektrische Glied Q über
seine eine Elektrode einseitig geerdet ist, während die andere Elektrode über zwei
Kondensatoren C1 und C2 zur Phasendrehung mit einem Verstärker V verbunden ist.
Ein weiterer Kondensator C3 ist zu dem das piezoelektrische Element
Q, die Kondensatoren C1, C2 und den Verstärker V enthaltenden Zweig parallel
geschaltet.
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In
einer derartigen Auswerteschaltung 17 wird das piezoelektrische
Glied Q zu Schwingungen angeregt, bei denen es sich um Longitudinal-,
Transversal- oder Scherschwingungen handeln kann. Hierbei können die
gebräuchlichen
Schnitte des Quarzkristalls zur Anwendung kommen, wobei der AT-Schnitt
wegen seiner bekannt guten Temperatureigenschaften bevorzugt wird.
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Die
Auswerteschaltung 17 kann die Frequenz, Periodendauer,
eine Schwebungsfrequenz oder Pulsweitenmodulation eines das piezoelektrische
Glied Q durchlaufenden elektri schen Signals zur Erzeugung eines
Drucksignals verwenden. In den 5 und 6 ist
nochmals in stark schematisierter Weise eine Auswerteschaltung in
Form einer Oszillatorschaltung dargestellt, deren frequenzbestimmendes
Element von dem piezoelektrischen Glied Q gebildet wird. Die 8 zeigt
eine „Dreidraht-Ausführung" der Auswerteschaltung,
bei der zwei Leitungen zur Stromversorgung und eine eigene Signalleitung
für das
abgegriffene Drucksignal vorgesehen ist. Bei der Ausführungsform
der 6 handelt es sich um eine „Zweidraht-Ausführung", bei der die Signalübertragung
und die Stromversorgung auf denselben Leitungen erfolgen, jedoch
durch unterschiedliche Frequenzen oder durch Gleich- und Wechselstrom
voneinander getrennt werden.
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Das
Drucksignal kann als Augenblickswert- oder Mittelwertsignal ausgegeben
werden. Das Mittelwertsignal hat eine hohe Genauigkeit und erlaubt ein
integrierendes Auswerteverfahren, ist jedoch langsam. Es wird vorzugsweise
als digitaler Wert und als serielle Information ausgegeben. Das
Augenblickswertsignal hat zwar eine geringere Genauigkeit, ist jedoch
schneller. Es muss deshalb meist mit einem Filter einer Grenzfrequenz
oberhalb des gewünschten Übertragungsfrequenzbereiches
gegen Störimpulse
nachbearbeitet werden. Es wird vorzugsweise als pulsweitenmoduliertes
Signal für
einen Mikrocontroller verwendet.
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Wie
bereits erwähnt,
kann es sich bei dem Bauteil 2 um die Verteilerschiene (common rail)
einer Kraftstoffeinspritzanlage handeln. Der Hochdrucksensor ist
dann zu einer Diagnose der Verteilerschiene verwendbar, nachdem
der Hochdrucksensor im eingebauten Zustand kalibriert wurde. Ferner
können derartige
Hochdrucksensoren zur Diagnose der Einspritzventile verwendet werden.
Beim Einspritzvorgang der einzelnen Einspritzventile treten Druckspitzenschwankungen
auf, deren Ausmaß von
der Qualität
der einzelnen Einspritzventile abhängt und auch einen Rückschluss
auf die eingespritzte Kraftstoffmenge erlaubt. Diese kurzfristig
auftretenden Druckschwankungen können
durch die beschriebenen Hochdrucksensoren gemessen werden, und die
Abweichungen der Druckschwankungen an den einzelnen Einspritzventilen
lassen sich dann als Maß für die Qualität des betreffenden
Einspritzventils im Verhältnis
zum Durchschnittswert der Einspritzventile oder auch im Verhältnis zum
zeitlichen Mittelwert der Eigenschaften eines einzelnen Einspritzventils
(Alterung) auswerten.
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Statt
eines Quarzkristalls mit piezoelektrischen Eigenschaften kann auch
eine Piezokeramik verwendet werden. Piezokeramik ist kostengünstiger und
auch hinsichtlich seiner mechanischen Gestaltungsfähigkeit
flexibler als Quarz, jedoch temperaturempfindlicher. Wird daher
Piezokeramik als piezoelektrisches Element 2 verwendet,
sollte für
eine Kompensation von Temperatureinflüssen (und gegebenenfalls auch
anderen Umwelteinflüssen)
gesorgt werden. Eine hierzu geeignete Ausführungsform eines Hochdrucksensors
ist in 7 dargestellt.
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Der
in 7 gezeigte Hochdrucksensor entspricht in seinem
grundsätzlichen
Aufbau dem in 1 gezeigten Hochdrucksensor.
Das piezoelektrische Element 2 ist wiederum kapazitiv mit
einem Kondensator C gekoppelt, der beispielsweise über eine
Kontaktfeder 19 mit einer auf der Klammer 10 angebrachten
Platine 18 elektrisch verbunden ist. An der Platine 18 ist
die Auswerteschaltung 17, wie schematisch angedeutet, angebracht.
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Ferner
ist zusätzlich
zu dem piezoelektrischen Element 2 ein zweites piezoelektrisches
Element 2 vorgesehen, das auf der Außenseite der Platine 18 angeordnet
und mit dieser elektrisch verbunden ist. Das zweite piezoelektrische
Element 20 ist somit den gleichen Umwelteinflüssen (Temperatur, Luft)
wie das erste piezoelektrische Element ausgesetzt, nicht jedoch
dem Fluiddruck. Ein mit Hilfe des zweiten piezoelektrischen Elementes
gewonnenes Signal kann daher zum Eliminieren von Umwelteinflüssen auf
das mit Hilfe des ersten piezoelektrischen Elementes 2 gewonnenen
Signals verwendet werden.
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Wie
in 7 angedeutet, hat das zweite piezoelektrische
Element 20 wesentlich kleinere geometrische Abmessungen
und daher eine wesentlich höhere
Resonanzfrequenz als das erste piezoelektrische Element 2.
Die Auswerteschaltung 17 kann daher, wie in 8 schematisch
dargestellt, einen Oszillator O1 niedriger Frequenz, dessen frequenzbestimmendes
Element das piezoelektrische Element 2 ist, und einen Oszillator
O2 höherer
Frequenz, dessen frequenzbestimmendes Element das zweite piezoelektrische
Element 20 ist, aufweisen, die mit einem aus einer Torschaltung
und einem Zähler
bestehenden Glied G verbunden sind. Das vom Oszillator O2 abgegebene
Signal hoher Frequenz dient hierbei gewissermaßen als Vergleichsnormal, das
durch einen Vergleich mit dem von dem Oszillator 1 abgegebenen
Signal niedriger Frequenz für
eine Temperaturkompensation des zu erzeugenden Drucksignals verwendbar
ist. Das Glied G kann das Drucksignal in Form von Zählimpulsen
ausgeben, die über
eine Ausgangsleistung A an übergeordnete
Steuereinheiten weitergeleitet werden. Die Datenübergabe kann seriell oder parallel,
analog oder digital erfolgen.