DE3325188A1 - Vorrichtung zur messung des druckes eines gasfoermigen mediums - Google Patents

Description

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£9.6. 1983 Rs/Hm

ROBERT 30SCH GMBH, 7OOO Stuttgart 1

Vorrichtung zur Messung des Druckes eines gasförmigen Mediums

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Messung des Druckes eines gasförmigen Mediums nach der Gattung des Hauptanspruchs. Hierzu ist aus der DE-OS 31 26 615 eine geschlossene Vorrichtung bekannt, mit deren Hilfe der Druck eines Gases mit einer Kraftvaage meßbar ist, die auf ein piezoelektrisches Element einwirkt. Dabei handelt es sich um ein geschlossenes System, dessen Genauigkeit in hohem Maße von der Dichtheit der Anordnung abhängig ist und welche ferner nur einen begrenzten Meßbereich besitzt entsprechend der Verformbarkeit der Druckdose. Weiterhin ergibt sich bei der Auslenkung einer Druckdose ein nichtlinearer Zusammenhang zwischen elektrischem Signal und Druck, wodurch die Genauigkeit des Meßergebnisses beeinträchtigt werden kann.

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Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruches hat demgegenüber den Vorteil, daß mit geringem apparativem Aufwand ein robustes und exaktes Meßsystem entsteht. Aufgrund ihrer kompakten Bauform eignet sich die Vorrichtung besonders auch zur Anwendung in Kraftfahrzeugen, wobei sich wegen des großen Meßbereiches verschiedenartige Anwendungen ohne zusätzliche Maßnahmen realisieren lassen. Als besonders vorteilhafte Anwendungsgebiete seien in diesem Zusammenhang erwähnt die Messung des Ansaugdruckes des Benzin-Luft-Gemisches bei Verbrennungsmotoren im Bereich unterhalb 1 bar, die Messung des Reifendruckes im Bereich von etwa 1 bis 5 bar und die Messung des Gasdruckes in pneumatischen Bremssystemen, wo Drücke im Bereich von 15 bis 20 bar auftreten.

Bei der Messung von Druck nach dem hier verwendeten Verfahren wird ein weitgehend geschlossenes System angestrebt, da in einer geschlossenen Kammer der erfindungsgemäßen Art der Schalldruck proportional dem statischen Druck ist. Durch einen dünnen Kanal Zum Einlaß des zu messenden Gases wird das Ergebnis praktisch jedoch kaum verfälscht. Die erfindungsgemäße Anordnung erlaubt sehr schnelle Messungen bei geringem Meßfehler, wobei stets' ein in sehr hohem Maße linearer Zusammenhang im gesamten Meßbereich gewahrt wird.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Vorrichtung möglich. Bezüglich der Auswahl der Schwinger eignen sich vorzugsweise Piezo-Biegeschwinger, welche bei kompakter Bauweise ein relativ starkes Ausgangssignal liefern, jedoch sind

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stattdessen auch Dickeschwinger oder Scherschwinger grundsätzlich verwendbar. Bei der Gestaltung der Vorrichtung ist es zweckmäßig, wenn entweder der Hohlraum für das zu messende Gasvolumen und der Öffnungskanal aus metallischen Trägerscheiben für die Schwinger herausgearbeitet oder eine geschlitzte Ringscheibe als Distanzscheibe eingesetzt wird, wobei der Schlitz den Gaszuführungskanal definiert. Der Zusammenbau der Vorrichtung kann in besonders einfacher Weise durch Verschweißung entlang des Randes der Trägerscheiben erfolgen.

Zur Eliminierung von Alterungs- und Temperatureinflüssen auf die Piezokeramik der Meßvorrichtung eignet sich besonders eine elektrische Kompensation derart, daß ein zusätzlicher Rückkopplungsschwinger auf der gleichen Trägerscheibe wie der erste, definiert angeregte Schwinger vorgesehen wird, wobei das Ausgangssignal des Rückkopplungsschwingers im Sinne einer Kompensation der Alterungsund Temperatureinflüsse auf das Ausgangssignal der Vorrichtung einwirkt. Dies kann unmittelbar erfolgen, indem das Ausgangssignal der Meßvorrichtung als Quotient der Signale des zweiten Schwingers und des Rückkopplungsschwingers (S_?/SR) dargestellt wird, noch einfacher ist jedoch eine Kompensationsschaltung mit einer Differenzbildung, wobei das Rückkopplungssignal (SR) über einen Verstärker auf einen Regler gegeben wird, welcher das Anregungssignal· (S1) des ersten Schwingers derart verändert, daß das Rückkopplungssignal im wesentlichen konstant gehalten wird. Da die Temperatur- und Alterungseinflüsse sich bei gleichartigen Schwingern in gleicher Weise bemerkbar machen, wird mit dem Rückkopplungssignal (SR) auch das Signal des zweiten Schwingers (S2) im Sinne einer Kompensation dieser Veränderungen beeinflußt.

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Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind anhand des Ausführungsbeispieles in der folgenden Beschreibung näher erläutert.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt. Es zeigen Figur 1 einen Schnitt durch eine Meßvorrichtung mit Kompensationsregelung und Figur 2 eine Draufsicht auf die geöffnete Meßvorrichtung.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Figur 1 ist eine Druckmeßvorrichtung dargestellt mit einem ersten Biegeschwinger 10, einem zweiten Biegeschwinger 11 und einem Rückkopplungsschwinger 12. Der Rückkopplungsschwinger 12 wird von einem Sektor des ersten 3iegeschwingers 10 gebildet, welcher auf einer ersten Trägerscheibe 13 angeordnet ist. Der zweite Biegeschwinger 11 sitzt in einem Abstand C 0,2 mm, vorzugsweise in einem Abstand ^ 0,15 mm, vom ersten Biegeschwinger 10 auf einer zweiten Trägerscheibe 1k. Der Abstand zwischen ' den Biegeschwingern 10 und 11, bzw. zwischen deren Trägerscheiben 13 und 1U wird definiert durch eine geschlitzte Ringscheibe 15 aus Metall. Hierbei wird durch den Schlitz in der Ringscheibe 15 ein Kanal 16 mit einer Spaltweite

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von 0,03 bis 0,3 mm gebildet, durch den das zu messende Gas ins Innere der Vorrichtung gelangt. Bei der dargestellten Druckmeßvorrichtung wird der Kanal 16 mit einer Länge von 1 bis 2 mm ausgeführt, so daß sich Druckänderungen im Hohlraum 17 zwischen den Trägerscheiben 13 und ~\k voll an den' zweiten Biegeschwinger 11 auswirken bei sehr geringem Druckabbau nach außenhin.

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An der ersten Trägerscheibe 13 sitzt eine ringförmige Dämpfungsmasse 18, mit deren Hilfe die Schwingungsanregung des zweiten Biegeschwingers 11 durch Körperschall klein gehalten wird. Der Hohlraum 17 zur Aufnahme des Meßgases hat bei der dargestellten Druckmeßvorrichtung ein Volumen von 5 bis 10 mm .

In Figur 1 ist weiterhin eine Schaltungsanordnung dargestellt zur Kompensation von Alterungs- und Temperatureinflüssen an den Biegeschwingern 10 und 11. Hierzu ist aus dem Biegeschwinger 10 ein Sektor herausgetrennt als separater Rückkopplungsschwinger 12, dessen Ausgangssignal als Regelgröße dient. Die Anregung der Vorrichtung erfolgt durch einen Sinusgenerator 19 mit einer Arbeitsfrequenz· zwischen 1,5 und 6 kHz, dessen Ausgangssignal auf den einen Eingang eines Operationsverstärkers 20 gegeben ist. Am anderen Eingang des Operationsverstärkers 20 liegt das Steuersignal eines Reglers 21 , welcher als Eingangssignal über einen Verstärker 22 das Rückkopplungssignal SR erhält. Die Anregung des ersten Biegeschwingers 10 erfolgt dann vom Ausgang des Operationsverstärkers durch das Signal S1. Das Ausgangssignal S2 des zweiten Biegeschwingers 11 gelangt über einen Verstärker 23 und ein Schaltglied 2k zum Analogausgang 25 der Meßvorrichtung. Das Schaltglied 2k dient im wesentlichen zum Eichen des Ausgangssignals S2 und zur Bereichsumschaltung entsprechend der Größe des Ausgangssignals. Am Analogausgang 25 kann eine Spannung analog zum Druck im Hohlraum 17 abgegriffen werden.

Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf die geöffnete Meßvorrichtung, wobei die geschlitzte Ringscheibe 15 und der durch den Schlitz gebildete Kanal 16 für den Durchtritt

des Meßgases besonders deutlich zu erkennen sind. Die Ring scheibe 15 sitzt auf der zweiten Trägerscheibe 1U und schließt außen mit dieser ab, mit gestrichelten Linien ist der zweite Biegeschwinger 11 angedeutet.

Mit der erfindungsgemäß en Vorrichtung lassen sich Druckmessungen von Gasen besonders einfach und kostengünstig durchführen. Die prinzipielle Arbeitsweise besteht darin, daß ein Hohlraum 17 durch zwei gegenüberliegende Wände begrenzt wird, von denen eine ähnlich einem oszillierenden Kolben Druckschwankungen erz engt und die andere Wand nach Art eines Mikrophons die Druckschwankungen mißt. In der Meßanordnung werden hierfür zwei gleiche Piezo-Keramiken auf beiden Seiten des Kohlraums 17 verwendet, welche einander dicht gegenüberliegen und tellerartig als Biegeschwinger 10 und 11 ausgebildet sind. Der erste Biegeschwinger 10 wird durch ein sinusförmiges Spannungssignal zu definierten Schwingungen angeregt, der zweite Biegeschwinger 11 wird durch das dazwischenliegende Gaspolster angestoßen und schwingt passiv mit. An der Piezo-Keramik des zweiten Biegeschwingers 11 wird dann ein schwingungsproportionales Spannungsignal S2 abgenommen. Die Anordnung ist über den Kanal 16 offen und damit überlast sicher. Da der Hohlraum 17 über den Kanal \£> mit dem Meßgas in Verbindung steht sind die gemessenen Druckschwankungen proportional zum Meßgasdruck außerhalb des Hohlraumes, wenn die Oberfläche des ersten Biegeschwingers 10 mit konstanter Amplitude oszilliert.

Die Größe der piezokeramischen Biegeschwinger 10 und 11 bestimmen die Größe des Drucksensors. Beim Ausführungsbeispiel wurden Biegeschwinger 10 und 11 eingesetzt mit einem Keramikdurchmesser von 8,5 mm und einem Außendurchmesser der Trägerscheiben 13 und 1U von 12,5 mm, welche gleichzeitig den Außendurchmesser der Gesamtvorrichtung bestimmen. Die Anregung durch den Sinus-

generator 19 erfolgte im Frequenzbereich zwischen 1,5 und. 6 kHz, wobei Versuche durchgeführt worden sind im Unterdruckbereich zwischen 0,2 und 1 bar. In diesem Druckbereich ergibt sich eine sehr gute Linearität mit einem Fehler < 2 % vom Ausgangsdruck 1 bar. Die Verwendung der Meßvorrichtung ist jedoch nicht auf diesen Druckbereich begrenzt, da sie als teilweise offenes System überlastsicher ist und somit auch für beliebig höhere Drücke eingesetzt werden kann. Die Schnelligkeit des bei den Versuchen verwendeten

. ..-Systems zur Druckmessung lag bei einer G-renzfreqjienz von ca. 60 Hz, die jedoch über den Querschnitt des Kanals 16 eingestellt werden kann.

Bei der gezeigten Meßvorrichtung ist der Kana". 16 eng ausgebildet, so daß in erster ?Jäherung kein Druckausgleich durch den Kanal 16 hindurch während des Meßvorgangs erfolgt. Die Druckkammer in Form des Hohlraumes 17 hat hierbei auf der Anregungsseite eine konstante Fläche, die wiederum mit einer konstanten Amplitude schwingt. Durch die Bewegung des Biegeschwingers 10 wird das Volumen des Hohlraumes 17 periodisch variiert, wobei der statische Druck P des MeSgases auch im Hohlraum 17 herrscht. Die Volumenänderung durch die Bewegung des Biegeschwingers 10 bewirkt nun einen mit der Frequenz des Generators 19 veränderlichen Wechseldruck, der-mit dem zweiten Biegeschwinger 11 gemessen wird. Da die Abstrahlfläche des ersten Biegeschwingers 10, das Volumen des Hohlraums 17 und die Amplitude der Schwingung des ersten Biegeschwingers 10 konstant sind ist der Wechseldruck proportional dem statischen Druck ? , so daß die Messung des Wechseldruckes am zweiten Biegeschwinger 11 zur Bestimmung des statischen Druckes in.

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Hohlraum 17 verwendet werden kann.'Der Druckausgleich durch einen schmalen Kanal 16 hindurch ist beim Meße'r" ,r.ibnis vernachlässigbar, allerdings ergibt sicrr~"eine Verschiebung des linearen Arbeitsbereiches zur höharen An-

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regungsfrequenzen hin, wenn der Querschnitt des Kanals zunimmt. Bei einem Querschnitt des Kanals 16 von 0,03 ram^ ergab sich eine Grensfrequenz für die meßbare Druckänderung von βθ Hz. Eine zu kurze Länge des Kanals 16 führt au einer geringen Aufspreizung der Druck-Übertragungsfunktion aufgrund des geringeren Strömungswiderstandes, die Ankopplung des zweiten Biegeschwingers 11 fällt deshalb geringer aus. Bei einer Veränderung des Abstandes zwischen den Biegeschwingern 10 und 11 ist festgestellt worden, daß oberhalb eines Abstandes·von ca. 0,2 mm die Anregung des zweiten Biegeschwingers 11 durch das Gaspolster abnahm, während' sich die Anregung über Köperschallankopplung bemerkbar machte. Außerdem verringert sich die Dämpfung mit zunehmendem Abstand der Biegeschwinger 10 und 11 und es treten' vermehrt Eigenschwingungen am Biegeschwinger 11 auf. Als günstigster Abstand bei der beschriebenen Anordnung hat sich ein Abstand ^ 0,15 im herausgestellt.

Außerdem macht sich auch die Art der Befestigung der Biegeschwinger auf die Anregung des Gaspolsters bemerkbar. Durch die Art der Fixierung kann die Körperschalleinkopplung '·· verringert werden. Hierbei spielt auch das Material der Ringscheibe 15 eine Rolle. Bei Langzeitversuchen haben sich besonders Ringscheiben aus Metall bewährt, da in Kurs- ^eitversuchen vorteilhafte Ringscheiben 15 aus Papier oder Kunststoff sich nicht als langzeitstabil erwiesen haben. Ringscheiben 15 aus Metall haben weiterhin den Vorteil, daß die Fertigung der Vorrichtung besonders einfach wird durch direktes Verschweißen der Träger scheiben 13 und \k mit der Ringscheibe 15· Die Anordnung aus den Trägerscheiben 13 und 1-U und der Ringscheibe 15 wird hierbei zweckrnäßigerweise an den als Dämpfungsmasse 18 wirkenden Ring angeschweißt, welcher Teil der nicht weiter dargestellten Halterung ist. ^.

Für den technischen Einsatz der Meßvorrichtung, insbesondere im Kraftfahrzeug, müssen Temperatrarschwankungen im Bereich von -20 C bis +80 C beherrschbar sein. Derartig starke Temperaturschwankungen sind ohne besondere Maßnahmen nicht ohne Einfluß, da der Wandlungsfaktor der Piezo-Keramik Temperatur- und Alterungseinflüssen unterworfen ist. Svar sind am Markt Piezo-Keramiken käuflich erhältlich, welche nur in geringerem Maße Temperatur- und Alterungseinflüssen unterliegen, jedoch können diese Einflüsse bei schwierigen Betriebsbedingungen nicht vernachlässigt werden. Eine vorteilhafte elektrische Schaltungsanordnung zur Kompensation der Alterungs- und Temperaturverhältnisse ist in Figur 1 schematisch geneigt. Hierbei wird der erste Biegeschwinger 10 mechanisch mit einem Rückkopplungsschwinger 12 gekoppelt und in die elektronische Schaltung derart eingebunden, daß der Sender-Biegeschwinger 10 mit einem geregelten Signal S1 so beaufschlagt wird, daß sich an der Rückkopplung stets ein konstantes Spannungssignal SR einstellt. Damit wird der Alterungs- und Temperatureinfluß der Piezo-Keramik aufgehoben, weil beide Einflüsse sowohl auf die Keramik des Rückkopplungsschwingers 12 wie auf die Empfängerkeramik des Biegeschwingers 11 einwirken. Der Regler 21 führt hierbei eine langsamlaufende Proportionalregelung durch, wo.bei der Operationsverstärker 20 so gesteuert wird, daß mit kleiner werdendem Signal SR das Äusgangssignal· 31 des Operationsverstärkers 20 vergrößert wird.

Claims (1)

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   29.6. 1983 Rs/Hia

   ROBERT 30SCE GMBH, TOOO Stuttgart 1

   Ansprüche

   1.'Vorrichtung zur Messung des Druckes eines gasförmigen Mediums mittels einer piezoelektrischen Meßanordnung, dadurch gekennzeichnet, daß zwei piezoelektrische Schwinger (10, 11) einander gegenüberliegend in einem weitgehend geschlossenen System angeordnet sind unter Einschluß des zu messenden Gases und daß .der zweite Schwinger (11) an den ersten, definiert angeregten Schwinger (10) über das Gaspolster angekoppelt ist, welches in einem Hohlraum (17) zwischen den Schwingern (10, 11) enthalten ist und über einen Kanal (16) mit dem restlichen Meßgas (?) in Verbindung steht.

   2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwinger (10, 11) als scheibenförmige Piezo-Biegeschwinger ausgebildet sind.

   3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (17) für das zu messende Gasvolumen und der Öffnungskanal (1Ö) aus metallischen Trägerscheiben (13, 1*0 der Schwinger (10, 11, 12) herausgearbeitet, vorzugsweise herausgeätzt sind.

   ■ν.

   h. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (17) für das zu messende Gasvolumen und der Öffnungskanal (16) durch Einfügung einer geschlitzten, vorzugsweise metallischen Ringscheibe (15) gebildet sind.

   5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder k, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerscheiben (13, 1*0 am Rand punktverschweißt sind.

   6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (17) für das Meßgas (P ) ein Volumen von ca. 5 bis 10 mm und der Gas-Siatrittskanal (ΐβ) einen Querschnitt von ca. 0,03 bis 0,3 ei' besitzt bei einem Abstand der Schwinger (10,

   11) ^ 0,20 mm und einer Kanallänge von ca. 1 bis 2 mm.

   7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem ersten Schwinger (1O) ein Rückkopplungsschwinger (12) mechanisch verbunden ist, dessen Anregungssignal (SR) im Sinne einer Kompensation von Alterungs- und Temperatureinflüssen an den Schwingern (10, 11) auf das Ausgangssignal (S2) der Vorrichtung mittelbar oder unmittelbar einwirkt.

   8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückkopplungssignal (SR) über einen Verstärker (22) auf einen Regler (21) gegeben wird, welcher bei abnehmendem Rückkopplungssignal (SR) über einen Operationsverstärker (20) das Anregungssignal (S1) für den ersten Schwinger (1O) verstärkt, derart, daß das Rückkopplungssignal (SR) konstant gehalten wird.

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   ν /

   9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Anregungssignal (S1) des ersten Schwingers (1O) ein sinusförmiges Signal ist.'