DE4139147C2 - Drucksensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Drucksensor und sie betrifft insbesondere einen zur Verwendung in einem Auto- Verbrennungsmotor bestimmten Drucksensor, in dem eine Druckübertragungsflüssigkeit zwischen ein Drucksensorelement und eine flexible Membran eingefüllt ist.

In der Anmeldung älteren Zeitranges gemäß DE 41 18 824 A1 ist ein Drucksensor beschrieben mit einem hohlen Hauptkörper, durch den sich eine Bohrung erstreckt und der ein Meßende und ein Ausgangsende hat. Innerhalb der Bohrung ist ein Drucksensorelement angeordnet, das die Bohrung in eine Meßkammer und eine Ausgangskammer unterteilt, durch die hindurch Signalausgangsleitungen von der Druckmeßvorrichtung verlaufen. Am Meßende der Bohrung ist eine flexible Membran befestigt, um eine abgedichtete Meßkammer zu bilden, in die eine druckübertragende Flüssigkeit eingefüllt ist. Das Drucksensorelement umfaßt eine Tragplatte, die am Hauptkörper angeschweißt ist und die über ein Befestigungsbett ein Meßelement trägt, das innerhalb der Meßkammer liegt. Die Signalleitungen erstrecken sich von der Meßkammer abgedichtet durch die Tragplatte hindurch zur Ausgangskammer.

Die DE-OS 18 07 875 offenbart eine Geberanordnung mit einem Meßgeber und einen vom Gehäuse des Meßgebers getrennten, ein eingenes Bauteil bildenden Adapter, in welchen der Meßgeber mit seinem Gehäuse auswechselbar eingesetzt ist, wobei zur Kühlung des Meßgebers ein Kühlmantel vorgesehen ist, der über im Adapter vorgesehene Kanäle an einen Kühlmittelkreislauf anschließbar ist, wobei der den Meßgeber wenigstens teilweise umschließende Kühlmantel in der Berührungsfläche zwischen dem Gehäuse des Meßgebers und dem Adapter ausgespart ist, wobei das durch den Kühlmantel hindurchgeführte Kühlmittel mit dem Gehäuse des Meßgebers in unmittelbarer Berührung steht.

Die US 45 86 018 offenbart einen Verbrennungsraum-Drucksensor mit einer ersten Membran anliegend an einen Verbrennungsraum, welche zur Aufnahme eines zu messenden Verbrennungsraumdruckes dient. Eine zweite Membran ist getrennt durch einen mit einem Druckübertragungsmedium gefüllten Hohlkörper gegenüberliegend der ersten Membran angeordnet. Somit verformt sich die zweite Membran, die mit einem Drucksensor versehen ist, in Abhängigkeit von der ersten Membran zur Erzeugung eines Drucksignals.

Zur Veranschaulichung der Problematik bei herkömmlichen Drucksensoren zeigt Fig. 2 eine Ausführungsform eines Drucksensors zur Verwendung beim Messen des Gasdruckes innerhalb des Verbrennungsraums eines Verbrennungsmotors. In Fig. 2 bezeichnet die Bezugsziffer 1 ein GEhäuse aus rostfreiem Stahl, das an einem nicht dargestellten Motor angebracht ist, 2 bezeichnet eine am inneren oder unteren Ende des Gehäuses 1 angebrachte Membran, 3 bezeichnet eine elektrisch isolierende Grundplatte, 4 bezeichnet ein Befestigungsbett, das aus keramischem Material besteht und an das Gehäuse 1 angeschweißt ist und 5 bezeichnet ein Meßelement, das als Bestandteil eines Drucksensorelements mit dem Befestigungsbett 4 verbunden ist. Das dargestellte Meßelement 5 ist ein Dehnungsmeßelement, das als Silizium-Halbleiter ausgebildet ist. Zwischen dem Meßelement 5 und der flexiblen Membran 2 ist eine druckübertragende Flüssigkeit eingefüllt, die aus einem Silikonöl 10 mit einem hohen Siedepunkt besteht.

Die Bezugsziffer 6 bezeichnet an der Grundplatte 3 angebrachte Anschlußklemmen, mit 7 sind Verbindungsdrähte bezeichnet, die die Anschlußklemmen 6 mit dem Meßelement 5 verbinden, 8 bezeichnet einen Stopfen, der mit dem Gehäuse 1 verschraubt ist und 9 bezeichnet Auslaßleitungen, die sich durch den Stopfen 8 hindurcherstrecken und die mit einem Ende mit der Anschlußklemme 6 verbunden sind.

Der Druckanstieg innerhalb des Verbrennungsraums des Verbrennungsmotors bewirkt, daß die Membran 2 sich in Fig. 2 nach oben auswölbt und der Druck im Silikonöl 10 erhöht wird, was wiederum durch das Meßelement 5 erfühlt wird. Dieses erzeugt daraufhin ein elektrisches Signal, das eine Druckveränderung anzeigt und gibt es über die Verbindungsdrähte 7, die Anschlußklemmen 6 und die Auslaßleitungen 9 an einen nicht dargestellten, äußeren Kreislauf zum Steuern des Zündzeitpunktes des Motors an die Zündkerzen in Abhängigkeit von den Verbrennungsbedingungen innerhalb des Verbrennungsraums ab.

Während des Zusammenbaues des oben beschriebenen, üblichen Drucksensors werden die Grundplatte 3, auf der die Anschlußklemmen 6 angeordnet sind und das Befestigungsbett 4, auf dem das Meßelement 5 befestigt ist, fest an der Innenoberfläche des im wesentlichen tassenförmigen Gehäuses 1 angebracht. Danach werden das Meßelement 5 und die Anschlußklemmen 6 innerhalb des tassenförmigen Gehäuses verdrahtet, wobei sie elektrisch durch Verbindungsdrähte 7 verbunden werden. Der Verdrahtungsvorgang muß mithin innerhalb des relativ engen und schwer zugänglichen Raumes bewerkstelligt werden, der durch das Gehäuse 1 gebildet wird, wobei der Wirkungsgrad des Zusammenbaus relativ schlecht ist.

Bei einem derartigen Drucksensor kann die Prüfung und Einstellung des Meßelementes nur dann ausgeführt werden, wenn die oben beschriebene Montage einschließlich des Schweißvorganges und der Verdrahtungsvorgänge abgeschlossen ist. Dabei passiert es manchmal, daß das zusammengebaute Meßelement erst nach der Montage als nicht funktionstüchtig erkannt wird, wodurch Zeit und Materialien verschwendet sind, die bei der Montage gebraucht worden sind.

Ferner muß die druckübertragende Flüssigkeit in die Höhlung eingefüllt werden, die im Hauptkörper ausgeformt ist, wenn das Befestigungsbett 4 mit dem Meßelement 5 darauf oder die flexible Membran 2 am Hauptkörper angebracht sind. Da das Befestigungsbett 4, das das Meßelement 5 trägt, jedoch am Gehäuse 1 angeschweißt ist, bewirkt die Schweißhitze, die während des Montagevorganges angewendet wird, daß das Befestigungsbett 4 sich verzieht und deformiert, was zu einer unerwünschten Wirkung auf das Meßelement, d. h. zu Meßfehlern, führen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drucksensor anzugeben, der die oben genannten Probleme nicht aufweist und einen wirkungsvolleren Zusammenbauvorgang ermöglicht. Ferner soll das Drucksensorelement in zusammengebauter Form leicht getestet werden können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die Merkmale nach Anspruch 1.

Das Drucksensorelement kann ein Meßelement zum Messen des Druckes und eine Grundplatte zum abgedichteten Abstützen des Meßelementes innerhalb des Hauptkörpers und eine im wesentlichen zylindrische, druckübertragende Röhre, die an der Grundplatte zum Übertragen des zu messenden Druckes angebracht ist, umfassen. Ein O-Ring des Dichtungsmittels ist in Berührung mit der druckübertragenden Röhre.

Der Drucksensor kann ferner eine Einfüllöffnung umfassen, die aus einem Durchlaß mit Innengewinde besteht, der mit der Meßhöhlung in Verbindung steht und am Hauptkörper zum Befüllen der Meßhöhlung mit einem druckübertragenden Medium angebracht ist; ferner kann ein Stopfen vorhanden sein, der als Schraube in das Innengewinde der Einfüllöffnung eingeschraubt sein kann, um die Einfüllöffnung abzudichten. Der schraubenförmige Stopfen, der in die Einfüllöffnung eingeschraubt ist, kann mit Hilfe eines Abdicht-Harzes abgedichtet werden.

Anhand der beigefügten Zeichnungen werden nun bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im einzelnen beschrieben, wobei weitere Vorteile und Merkmale hervortreten werden. Es zeigen:

Fig. 1 ist ein Längsschnitt des Drucksensors nach der vorliegenden Erfindung, und

Fig. 2 ist ein Längsschnitt eines Drucksensors nach dem Stande der Technik.

Fig. 1 stellt eine Ausführungsform des Drucksensors nach der vorliegenden Erfindung dar, die einen hohlen Hauptkörper 20 umfaßt, der seinerseits ein Gewinde 20a zur Anbringung an einen nicht dargestellten Verbrennungsmotor hat sowie eine Mittelbohrung 20b, die sich durch ihn hindurcherstreckt. Der Hauptkörper 20 hat ein Druckmeßende 20c und ein Auslaßende 20d. Die Mittelbohrung 20b hat an ihrem Auslaßende 20d einen Buchsenabschnitt 20e und einen zweiten Druckmeßabschnitt 20f mit großem Durchmesser. Zum Beispiel am Meßende 20c des Hauptkörpers 20 ist zum Aufnehmen des zu messenden Druckes innerhalb des nicht dargestellten Motors eine biegsame Membran 21 zum Beispiel durch einen Schweißvorgang dichtend angebracht. Der Buchsenabschnitt 20e der Bohrung 20b enthält mehrere O-Ringe 35 und Widerlager-Platten 36, die ihrerseits mit Hilfe eines rohrförmigen Halters 34 an Ort und Stelle festgehalten werden, der sich längs durch eine Lagerplatte 30 hindurch erstreckt, die am Hauptkörper 20 angebracht ist.

Der Drucksensor umfaßt auch ein Drucksensorelement zum Aufnehmen eines zu messenden Druckes und zum Erzeugen eines elektrischen Signales, das den Druck anzeigt. Das Drucksensorelement 24 ist am Auslaßende 20d des Hauptkörpers 20 angeordnet und auf dem Halter 34 gelagert, so daß eine geschlossene Meßhöhlung 20g mit einem druckübertragenden Medium, wie z. B. einem Silikonöl 29, in der Mittelbohrung 20b zwischen der Membran 21 und dem Drucksensorelement 24 gebildet wird.

Im einzelnen umfaßt das Drucksensorelement 24 eine scheibenförmige Grundplatte 25, die auf dem Halter 34 angeordnet ist und ein Halbleiter-Meßelement 27, das über ein keramisches Befestigungsbett 28 dichtend auf der Grundplatte 25 angebracht ist. Um die Auslaßsignale abgeben zu können, sind elektrische Signalleitungen 32 zwischen dem Halbleiter-Meßelement 27 und den Auslaß-Anschlußklemmen 31 auf der Lagerplatte 30 befestigt und sie erstrecken sich durch die Grundplatte 25 hindurch. Die Auslaß-Anschlußklemme 31 ist mit den äußeren Kabeln 33 verbunden, die sich aus dem Sensor zu einer äußeren Verbindung heraus erstrecken. Das Halbleiter-Meßelement 27 ist durch eine Abdeckung 13 eingeschlossen, die an der Grundplatte 25 angebracht ist. An der Grundplatte 25 ist dichtend eine zylindrische Druckübertragungsröhre 26 zum Übertragen des zu messenden Druckes durch sie hindurch angebracht. Die Druckübertragungsröhre 26 ragt durch den rohrförmigen Halter 34, die Widerlagerplatten 36 und die O-Ringe 35 hindurch und ist mit ihnen so in Verbindung, daß zwischen den O-Ringen und der druckübertragenden Röhre 26 eine flüssigkeitsdichte Abdichtung entsteht. Es ist festzustellen, daß diese Abdichtungsvorrichtung eine leichte Anbringung und Abnahme des Drucksensorelements 24 relativ zum Hauptkörper 20 ermöglicht, und zwar durch einfaches Einschieben und Abziehen der Druckübertragungsröhre 26 relativ zur Abdichtungsvorrichtung, die aus den O-Ringen 35 besteht.

Das Drucksensorelement 24 wird in seiner dargestellten Lage durch ein Hülsenglied 14 gehalten, das die Abdeckung 13 umgibt und mit der Umfangskante der Abdeckung 13 und der Grundplatte 25 in Eingriff ist. Das obere Ende des Hülsengliedes 14 steht im Eingriff und wird gehalten durch ein Deckelglied 22, das mit Hilfe von Schrauben 23 am Hauptkörper 20 angebracht ist.

Der Drucksensor nach der vorliegenden Erfindung umfaßt ferner eine Einfüllöffnung 15, die in der zylindrischen Wand des Hauptkörpers 20 mit Innengewinde ausgebildet ist und eine Verbindung zur Meßhöhlung 20g zum Einfüllen des druckübertragenden Mediums in die Meßhöhlung 20g herstellt. Um die Öffnung 15 zu verschließen, wird ein Verschlußstopfen, der als Schraube 16 mit einer Dichtungsunterlage 17 ausgebildet ist, in das Innengewinde der Öffnung 15 eingeschraubt. Vorzugsweise wird ein Abdichtungsharz 18 zusätzlich in die Einfüllöffnung 15 eingefüllt, um die Schraube 16 vollständig abzudecken und abzudichten.

Während der Herstellung des Drucksensors kann das Drucksensorelement 24, das das verdrahtete und in der Abdeckung 13 und der Grundplatte 25 eingekapselte Meßelement 27 umfaßt, und mit der druckübertragenden Röhre 26 versehen ist, außerhalb des Hauptkörpers 20 als eine Einheit montiert werden. Dieses so hergestellte Drucksensorelement 24 kann leicht an eine nicht dargestellte Prüfvorrichtung dadurch angebaut werden, daß die druckübertragende Röhre 26 in ein nicht dargestelltes, druckübertragendes Verbindungsstück der Prüfvorrichtung eingeschoben wird. Das druckübertragende Verbindungsstück kann jeden geeigneten Aufbau haben, der eine leichte, abdichtende Anbringung und Loslösung der druckübertragenden Röhre des Drucksensorelementes 24 ermöglicht. Ein Beispiel eines solchen druckübertragenden Verbindungsstückes kann im wesentlichen denselben Aufbau haben wie die Abdichtungsvorrichtung, die im Hauptkörper 20 des Drucksensors vorhanden ist, der in Fig. 1 dargestellt ist. Bei einem Drucksensorelement 24, das mit Hilfe der druckübertragenden Röhre 26 mit dem nicht dargestellten, Druck zur Verfügung stellenden Verbindungsstück verbunden wird, kann unter Druck stehendes Silikonöl in die druckübertragende Röhre 26 zugefüllt werden und das elektrische Ausgangssignal vom Meßelement 27 wird gemessen, um die Eigenschaften des Drucksensorelementes 24 zu bestimmen. Da ferner das Drucksensorelement 24 als im wesentlichen unabhängige Einheit hergestellt wird, kann ein Ausgangsfehler, der bei dem Drucksensorelement 24 aufgrund von Montagefehlern oft auftritt, entsprechend den Prüfergebnissen korrigiert werden.

Wenn die Prüfergebnisse einschließlich der Ergebnisse nach einer Korrektur zufriedenstellend sind, dann kann das Drucksensorelement 24 innerhalb des Sensor-Hauptkörpers 20, durch Einschieben der druckübertragenden Röhre 26 in die Lagerungs- und Abdichtungsanordnung montiert werden, die ihrerseits aus dem Halter 34, den Widerlagerplatten 36 und den O-Ringen 35 besteht, die innerhalb des Hauptkörpers 20 montiert sind. Danach werden die Signalleitungen 32 mit den Auslaßklemmen 31 verbunden, die mit den Leitungen 33 in Verbindung stehen und das Drucksensorelement 24 wird gegenüber dem Halter 34 mit Hilfe des Hülsengliedes 14 gehalten, das durch das schraubenbefestigte Kappenglied 22 an Ort und Stelle gehalten wird.

Wenn die Prüfergebnisse nicht korrigierbar oder selbst nach einer Korrektur unzufriedenstellend sind, dann wird das betreffende Drucksensorelement als ungeeignet zur Verwendung in einem Drucksensor ausgesondert.

Die Prüfung und Einstellung des Drucksensorelements kann daher durchgeführt werden, bevor es montiert wird, so daß das Drucksensorelement dann, wenn es den Anforderungen nicht genügt, vor der Montage ausgesondert werden kann, wobei erheblich Zeit und Material bei der Montage gespart werden.

Da die druckübertragende Flüssigkeit ferner durch die Einfüllöffnung 15 mit Innengewinde in die im Hauptkörper ausgebildete Meßöffnung eingefüllt wird, wobei die Meßöffnung nach dem Füllen durch eine Stopfen-Schraube 16, die Dichtpackung 17 und das Dichtungsharz 18 abgedichtet werden kann, ist der Einfüllvorgang des Silikonöls leichter im Vergleich zu dem bei der üblichen Konstruktion.

Claims (5)

1. Drucksensor mit

• - einem hohlen Hauptkörper (20), durch den sich eine Bohrung (20b) hindurch erstreckt und der ein Meßende (20c) und ein Auslaßende (20d) hat;
• - einer flexiblen Membran (21), die dichtend am Meßende (20c) des Hauptkörpers (20) zur Aufnahme des zu messenden Druckes angebracht ist;
• - einem Drucksensorelement (24), das innerhalb der Bohrung (20b) des Hauptkörpers (20) angebracht ist, um eine geschlossene Meßhöhlung (20g) zwischen der Membran (21) und dem Drucksensorelement (24) zu bilden;
• - einem in die Meßhöhlung (20g) eingefüllten Druckübertragungsmedium (29) und
• - einem zwischen dem Drucksensorelement (24) und dem Hauptkörper (20) angeordneten Dichtmittel (35), das einen Teil der Meßhöhlung bestimmt und so ausgelegt ist, daß sich das Drucksensorelement (24) relativ leicht und dicht am Hauptkörper (20) anbringen und von ihm abnehmen läßt.

2. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtmittel einen O-Ring (35) umfaßt, der zwischen dem Drucksensorelement (24) und dem Hauptkörper (20) angeordnet ist.

3. Drucksensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Drucksensorelement (24) ein Meßelement (27) zum Messen des Druckes enthält und eine Grundplatte (25) zum abdichtenden Abstützen des Meßelements (27) innerhalb des Hauptkörpers (20) und eine im wesentlichen zylindrische druckübertragende Röhre (26), die an der Grundplatte (25) angebracht ist und den Teil der Meßhöhlung (20g) festlegt, wobei der O-Ring (35) des Dichtmittels in Berührung mit der druckübertragenden Röhre (26) steht.

4. Drucksensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Einfüllmittel einschließlich einer am Hauptkörper (20) ausgebildeten Einfüllöffnung (15) zum Füllen der Meßhöhlung (20g) mit dem Druckübertragungsmedium (29) und Stopfenmittel (16), die in der Einfüllöffnung (15) zum Abdichten der Einfüllöffnung (15) angebracht sind.

5. Drucksensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einfüllöffnung (15) ein Innengewinde aufweist, in Verbindung mit der Meßhöhlung (20g) steht und daß das Stopfenmittel (16) eine Schraube umfaßt, die in die Einfüllöffnung (15) einschraubbar ist und daß ein Abdichtharz (18) in die Einfüllöffnung zum Abdichten eingefüllt ist.