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    • 专利摘要:

    公开号:WO1985000425A1
    申请号:PCT/DE1984/000114
    申请日:1984-05-19
    公开日:1985-01-31
    发明作者:Gerhard BRÜGGEN；Dieter Karr；Wolfgang Rottler；Ilan Brauer
    申请人:Robert Bosch Gmbh；
    IPC主号:G01L9-00
    专利说明:
    [0001] Vorrichtung zur Messung des Druckes eines gasförmigen Mediums
    [0002] Stand der Technik
    [0003] 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 6 1 5 eine geschlossene Vorrichtung bekannt, mit-deren Hilfe der Druck eines Gases mit einer Kraftwaage 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. Vorteile der Erfindung
    [0004] 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 3auform 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 3er-eich von etwa 1 bis 5 bar und die Messung des Gasdruckes in pneumatischen Brems- systemeh, wo Drücke im Bereich von 1 5 bis 20 bar auftreten.
    [0005] 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.
    [0006] Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Haupt anspruch angegebenen Vorrichtung möglich. Bezüglich der Auswahl der Schwinger eignen sich vorzugsweise Piezo-Biegeschwinger, welche bei kompakter Bauweise ein relativ starkes Ausgangssignal liefern, jedoch aind 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.
    [0007] 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 (S2/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 Komuensation dieser Veränderungen beeinflußt. Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind anhand des Ausführungsbeispieles in der folgenden Beschreibung näher erläutert.
    [0008] Zeichnung
    [0009] Sin Ausführurtgsbeispiel 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.
    [0010] Beschreibung des Ausführungsbeispiels
    [0011] In Figur 1 ist eine Druckmeßvorrichtung dargestellt mit einem ersten 3iegeschwinger 10, einem zweiten Biegeschwinger 11 und einem Rückkopplungsschwing-er 12. Der Rückkopplungsschwinger 12 wird von einem Sektor des ersten Biegeschwingers 10 gebildet, welcher auf einer ersten Trägerscheibe 13 angeordnet ist. Der zweite Biegeschwinger 11 sitzt in einem Abstand < 0,2 mm, vorzugsweise in einem Abstand < 0,15 mm, vom ersten Biegeschwinger 10 auf einer zweiten Trägerscheibe 14. Der Abstand zwischen den Biegeschwingern 10 und 11, bzw. zwischen deren Trägerscheiben 13 und 14 wird definiert durch eine geschlitzte Ringscheibe 15 aus Metall. Hierbei wird durch den Schlitz in der Ringscheibe 15 ein Kanal 16 mit einer Spaltweite von 0,03 bis 0,3 mm2 gebildet, durch den das zu messende
    [0012] 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 IT zwischen den Trägerscheiben 13 und 14 voll an dem zweiten Biegeschwinger 11 auswirken bei sehr geringem Druckabbau nach außenhin. An der ersten Trägerscheibe 13 sitzt eine ringförmige
    [0013] 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 mm3.
    [0014] 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 20 durch das Signal S1. Das Ausgangssignal S2 des zweiten Biegeschwingers 11 gelangt über einen Verstärker 23 und ein Schaltglied 24 zum Analogausgang 25 der Meßvorrichtung. Das Schaltglied 2 h dient im wesentlichen zum Eichen des Aus gangssignals S2 und zur 3er eichsumschaltung entsprechend der Größe des Aus gangssignals. Am Analogausgang 25 kann eine Spannung analog zum Druck im Hohlraum 17 abgegriffen werden.
    [0015] Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf die geöffnete Meßvorrichtung, wobei die geschlitzte Ringscheibe 15 und der durch den Schlitz gebildete Kanal 1 6 für den Durchtritt des Meßgases besonders deutlich zu erkennen sind. Die Ringscheibe 15 sitzt auf der zweiten Trägerscheibe 14 und schließt außen mit dieser ab, mit gestrichelten Linien ist der zweit e Biegeschwinger 11 angedeutet.
    [0016] Mit der erfindungsgemäßen 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 erzeugt und die andere Wand nach Art eines Mikrophons die Druckschwankungen mißt. In der Meßanordnung werden hierfür zwei gleiche Piezo-Keramiken auf beiden Seiten des Hohlraums 1T 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 überlastsicher. Da der Hohlraum 17 über den Kanal 16 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.
    [0017] 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 Außen- durchmesser der Trägerscheiben 13 und 1 4 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 Unter- druckbereich 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 Grenzfrequenz von ca. 60 Hz, die jedoch über den Querschnitt des Kanals 16 eingestellt werden kann.
    [0018] Bei der gezeigten Meßvorrichtung ist der Kanal iβ eng ausgebildet, so daß in erster Näherung kein Druckausgleich durch den Kanal 1 6 hindurch während des Meßvorgangs erfolgt. Die Druckkammer in Form des Hohlraumes 1T 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 Po des
    [0019] Meßgases 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 Po, so daß die Messung des Wechseldruckes am zweiten Biegeschwinger 11 zur Bestimmung des statischen Druckes im Hohlraum 17 verwendet werden kann. Der Druckausgleich durch einen schmalen Kanal 1 6 hindurch ist beim Meßergebnis vernachlässigbar, allerdings ergibt sich eine Verschiebung des linearen Arbeitsbereiches zur höheren Anregungsfrequenz en hin, wenn der Querschnitt des Kanals 16 zunimmt. Bei einem Querschnitt des Kanals 1 6 von 0,03 mm2 ergab sich eine Grenzfrequenz für die meßbare Druckänderung von 60 Hz. Sine zu kurze Länge des Kanals 16 führt zu 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 sa herausgestellt.
    [0020] 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 Kurzzeitversuchen 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 Trägerscheiben 13 und 14 mit der Ringscheibe 15. Die Anordnung aus den Trägerscheiben 13 und 14 und der Ringscheibe 15 wird hierbei zweckmäßigerweise an d en als Dämpfungsmasse 18 wirkenden Ring angeschweißt, welcher Teil der nicht weiter dargestellten Halterung ist. Für den technischen Einsatz der Meßvorrichtung, insbesondere im Kraftfahrzeug, müssen Temperaturschwankungen im Bereich von -20ºC bis +80ºC beherrschbar sein. Derartig starke Temperaturschwankungen sind ohne besondere Maßnahmen nicht ohne Einfluß, da der Wandlungsfaktor der Piezo- Keramik Temperatur- und Alterungseinflüssen unterworfen ist. Zwar sind am Markt Piezo-Keramiken käuflich erhältlich, welche nur in geringerem Maße Temperatur- und Alt erungseinflüssen 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 gezeigt. Hierbei wird der erste 3iegeschwinger 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 Rückkopplungs schwingers 12 wie auf die Empfängerkeramik des Biegeschwingers 11 einwirken. Der Regler 21 führt hierbei eine langsamlaufende Proportionalregelung durch, wobei der Operationsverstärker 20 so gesteuert wird, daß mit kleiner werdendem Signal SR das Ausgangssignal S1 des Operationsverstärkers 20 vergrößert wird.
    权利要求:
    ClaimsAnsprüche
    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 (1T) zwischen den Schwingern (10, 11) enthalten ist und über einen Kanal (16) mit dem restlichen Meßgas
    (P ) 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 (16) aus metallischen Trägerscheiben (13, 14) der Schwinger (10, 11, 12) herausgearbeitet, vorzugsweise herausgeätzt sind.
    4 . 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 4 , dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerscheiben (13, 14 am Rand punktverschweißt sind.
    6. Vorrichtung nach einem der. vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (17) für das
    Meßgas (Po) ein Volumen von ca. 5 bis 10 mm und der Gas-
    Eintrittskanal (16) einen Querschnitt von ca. 0,03 bis 0, 3 mm2 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 (10) 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 (10) verstärkt, derart, daß das Rückkopplungs - signal (SR) konstant gehalten wird.
    9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Anregungssignal (S1) des ersten Schwingers (10) ein sinusförmiges Signal ist.
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    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    1985-01-31| AK| Designated states|Designated state(s): JP US |
    1985-01-31| AL| Designated countries for regional patents|Designated state(s): AT BE CH DE FR GB LU NL SE |
    1985-02-12| WWE| Wipo information: entry into national phase|Ref document number: 1984901975 Country of ref document: EP |
    1985-07-31| WWP| Wipo information: published in national office|Ref document number: 1984901975 Country of ref document: EP |
    1987-12-02| WWW| Wipo information: withdrawn in national office|Ref document number: 1984901975 Country of ref document: EP |
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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