Hasch, Juergen (Alte Stuttgarter Str. 12, Stuttgart, 70195, DE)
Ruoss, Hans-oliver (Dachswaldweg 178, Stuttgart, 70569, DE)
Seidel, Juergen (Muehlstr. 72, Pluederhausen, 73655, DE)
Linkenheil, Klaus (Asangstr. 192, Stuttgart, 70329, DE)
Schmidt, Ewald (Bachstr. 10, Ludwigsburg, 71634, DE)
Hasch, Juergen (Alte Stuttgarter Str. 12, Stuttgart, 70195, DE)
Ruoss, Hans-oliver (Dachswaldweg 178, Stuttgart, 70569, DE)
Seidel, Juergen (Muehlstr. 72, Pluederhausen, 73655, DE)
Linkenheil, Klaus (Asangstr. 192, Stuttgart, 70329, DE)
| 1. | Verfahren zur Erfassung von physikalischen Eigenschaf ten eines Mediums im Bereich eines Hochfrequenz Resonators, bei dem eine hochfrequente Wechselspannung in den Hochfre quenzResonator (20) eingespeist wird und eine durch das Medium als Messvolumen bewirkte Permittivität sänderung im HochfrequenzResonator (20) ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck (21) oder die Druckdifferenz eines Gases oder eines Gasgemisch als Messvolumen in einem Raum ermittelt wird, der mittels des offenen Endes einer Wellenleiterstruktur des HochfrequenzResonators (20) mit einem hochfrequenten Wechselfeld beauf schlagt wird. |
| 2. | Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas oder das Gasgemisch in den Raum eingeführt wird oder einwirkt und dass die sich durch eine Druckänderung ergebende Permit tivitätsänderung der den HochfrequenzResonator (20) bildenden Anordnung durch Ermittlung der Hochfre quenzeigenschaften ausgewertet wird, wobei insbeson dere eine Änderung der Resonanzfrequenz, eine Ände rung der reflektierten Spannung nach Betrag und Pha se, eine Änderung der übertragenen Spannung nach Be trag und Phase oder die elektrische Laufzeit der Signale ausgewertet werden. |
| 3. | Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass während der Auswertung weitere das Messergebnis be einflussende Größen, insbesondere die Temperatur (24) und sich hieraus ergebende mechanische oder e lektrische Veränderungen des HochfrequenzResonators (20), erfasst und zur Kompensation des Messergebnis ses herangezogen werden. |
| 4. | Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Messvolumen mit dem Brennraum einer Brenn kraftmaschine in Verbindung steht. |
| 5. | Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach ei nem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein dem Gas oder Gasgemisch ausgesetzter Hochfre quenzResonator (20), eine mit dem Hochfrequenz Resonator (20) verbundene Oszillatorvorrichtung (22), eine mit dem HochfrequenzResonator (20) und/oder der Oszillatorvorrichtung (22) verbundenen Messeinrichtung (23) vorhanden ist und dass eine mit der Messeinrichtung (23) verbundenen Aus wertevorrichtung (26) vorhanden ist, die in Abhän gigkeit von der Permittivitätsänderung des Hochfre quenzResonators (20) ein Ausgangssignal erzeugt, das über eine geeignete Schnittstelle in einer über geordneten Datenverarbeitungsanlage weiterverarbeit bar ist. |
| 6. | Messvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich net, dass ein mit dem Messvolumen und/oder mit dem Hochfre quenzResonator (20) in Verbindung stehender Tempe ratursensor (24) vorhanden ist, mit dem eine Kompen sation von Temperatureinflüssen bewirkbar ist. |
| 7. | Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekenn zeichnet, dass mindestens ein zusätzlicher ReferenzResonator (30) vorhanden ist, der mit Ausnahme des zu bestimmenden Drucks (21) den gleichen physikalischen Einflüssen wie der HochfrequenzResonator (20) ausgesetzt ist und mit dem eine Kompensation von Temperatureinflüs sen bewirkbar ist. |
| 8. | Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzliche ReferenzResonator (30) einem Va kuum ausgesetzt ist. |
| 9. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 82, dadurch gekennzeichnet, dass die hochfrequenten Schaltungsbauteile und die Vor richtungen zur Auswertung der Signale der hochfre quenten Schaltungsbauteile als integrierte Schaltung räumlich in unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet sind. |
| 10. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das der HochfrequenzResonator Bestandteil einer Zündvorrichtung am Brennraum einer Brennkraftmaschi ne ist. |
Für sich gesehen ist es beispielsweise aus der DE 197 05 260 Al oder der DE 43 42 505 Cl bekannt, dass zur Messung von physikalischen Eigenschaften fester Stoffe, insbeson- dere der Dichte, diese Stoffe einem HF-Resonator zuge- führt werden und dann die hochfrequenten Signaländerungen ausgewertet werden. Hierbei wird dann die Resonanzver- schiebung, beziehungsweise eine dadurch bewirkte Verände- rung der Dielektrizitätskonstante weiterverarbeitet.
Es ist darüber hinaus beispielsweise aus der DE 198 52 652 AI bekannt, dass bei einer Zündvorrichtung für einen Verbrennungsmotor in einem Kraftfahrzeug die Zündung ei- nes Luft-Kraftstoff-Gemischs unter Verwendung eines ko- axialen Leitungsresonators vorgenommen wird. Hierbei wird die Zündspule durch eine genügend starke Mikrowellenquel- le, z. B. eine Kombination aus einem Hochfrequenzgenerator und einem Verstärker, ersetzt. Mit einem geometrisch op- timierten koaxialen Leitungsresonator stellt sich dann die für die Zündung erforderliche Feldstärke am offenen Ende des kerzenähnlichen Leitungsresonators ein und zwi- schen den Elektroden der Kerze bildet sich mit dem Span- nungsüberschlag eine zündfähige Plasmastrecke heraus.
Eine solche weitergebildete Vorrichtung ist außerdem in der nicht vorveröffentlichten DE 102 39 410.5 beschrie- ben, bei der durch eine in den Brennraum hineinragende Feldstruktur ein freistehendes Plasma im Luft-Kraftstoff- Gemisch zwischen dem aus der Wellenleiterstruktur einen vorgegebenen Betrag herausragenden Innenleiter und dem Außenleiter der Wellenleiterstruktur erzeugbar ist.
Bisherige Konzepte zur absoluten Druckmessung oder zur Differenzdruckmessung in Gasen werten in der Regel die Krafteinwirkung durch den zu messenden Druck auf einer Oberfläche und mit einem geeigneten Messprinzip die dar- aus resultierenden Veränderung eines elektrischen Signals aus. Hierzu werden in der Regel vier Gruppen von Mess- prinzipien angewendet, nämlich : federelastische Druck- messgeräte, wie Federbalg-, Kapselfeder oder Plattfeder- manometer ; Flüssigkeitsmanometer, wie U-Ror-oder Ring- rohr-Manometer ; Druckmessumformer nach dem induktiven, kapazitiven, piezoresistiven oder Dehnungsmessstreifen- prinzip und unmittelbare elektrische Druckmessumformer, wie druckempfindliche Transistoren, Dioden, Schwingquarze oder Drucksensoren nach dem Prinzip der akustischen Ober- flächenwellen (SAW = surface acustic wave).
Diese elektromechanischen Messprinzipien weisen aufgrund ihrer mechanischen Beanspruchungen, insbesondere durch wechselnde Spannungen im Werkstoff, verursacht durch Tem- peratur, Thermoschock und die Druckänderung selbst einen relativ hohen Verschleiß auf und besitzen daher keine ausreichende Langzeitstabilität.
Ferner ist zu beachten, dass wegen der kleinen Signalpe- gel und kleiner Signal/Rausch-Verhältnisse der Drucksen- sor und die damit verbundene, zugehörige Messschaltung darüber hinaus in räumlicher Nähe zueinander angeordnet sein sollten. Daraus folgt, dass zumindest ein Teil der Messschaltung direkt am Sensor angeordnet sein soll, wie beispielsweise durch die Integration einer Membran, eines Dehnungs-Messstreifens und der Messschaltung in einem Ge- häuse. Hierdurch sind die einsatzerforderlichen Gestal- tungsmöglichkeiten einer solchen Messvorrichtung stark eingeschränkt. Durch die räumliche Nähe von Sensor und Messschaltung ist die Einsatzhöchsttemperatur derartig aufgebauter Messvorrichtungen auf etwa 350°C begrenzt.
Vorteile der Erfindung Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Erfassung von physikalischen Eigenschaften eines Mediums im Bereich eines Hochfrequenz-Resonators, bei dem eine hochfrequente Wechselspannung in den Hochfrequenz-Resonator eingespeist wird und eine durch das Medium als Messvolumen bewirkte Permittivitätsänderung im Hochfrequenz-Resonator ausge- wertet wird. Erfindungsgemäß wird in vorteilhafter Weise der Druck oder die Druckdifferenz eines Gases oder eines Gasgemisch in einem Raum dadurch ermittelt, dass der Raum mittels des offenen Endes einer Wellenleiterstruktur des Hochfrequenz-Resonators mit einem hochfrequenten Wech- selfeld beaufschlagt wird.
In vorteilhafter Weise wird gemäß der Erfindung das Gas oder das Gasgemisch in den Raum eingeführt oder es wirkt entsprechend in den HF-Resonator ein, so dass die sich durch eine Druckänderung ergebende Permittivitätsänderung der den Hochfrequenz-Resonator bildenden Anordnung durch Ermittlung der Hochfrequenzeigenschaften ausgewertet wer- den kann.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn während der Auswertung weitere das Messergebnis beeinflussende Größen, insbeson- dere die Temperatur und/oder sich hieraus ergebende me- chanische oder elektrische Veränderungen des Hochfre- quenz-Resonators, erfasst und zur Kompensation des Mess- ergebnisses herangezogen werden. Bevorzugt kann dabei das Messvolumen das Gasgemisch das Luft-Kraftstoffgemisch im HF-Resonator sein, der mit dem Brennraum einer Brenn- kraftmaschine in Verbindung steht.
Gemäß einer vorteilhaften Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein dem Gas oder Gasgemisch ausgesetzter Hochfrequenz-Resonator, eine mit dem Hochfrequenz-Resonator verbundene Oszillatorvorrich- tung, eine mit dem Hochfrequenz-Resonator und/oder der Oszillatorvorrichtung verbundenen Messeinrichtung vorhan- den. Weiterhin kann vorteilhaft eine mit der Messeinrich- tung verbundenen Auswertevorrichtung vorgesehen werden, die in Abhängigkeit von der Permittivitätsänderung des Hochfrequenz-Resonators ein Ausgangssignal erzeugt, das über eine geeignete Schnittstelle in einer übergeordneten Datenverarbeitungsanlage weiterverarbeitbar ist.
Gemäß der Erfindung wird somit der mit hochfrequenter Wechselspannung anregbare Resonator mit dem in dem Mess- volumen enthaltene Gas oder das Gasgemisch in Verbindung gebracht und. somit dessen Permittivität erfasst. Die mit einer Druckveränderung einhergehende Veränderung der Dichte des Gases oder Gasgemischs und die sich daraus er- gebende Permittivitätsänderung verstimmt die Resonator- vorrichtung und führt zu einer Veränderung ihrer Hochfre- quenzeigenschaften. Als sich verändernde Hochfrequenzei- genschaften sind hierbei insbesondere die Resonanzfre- quenz, die Reflexion in Form von nach Betrag und Phase reflektierter Spannung oder, bei Ausführung der Resona- torvorrichtung als Zweitor, die Transmission in Form von nach Betrag und Phase übertragener Spannung sowie die e- lektrische Laufzeit zu nennen.
Der Vorteil gegenüber den bekannten Messmethoden ist, dass die Änderung der Permittivität augenblicklich er- folgt. Die Druckinformation ist dadurch sofort verfügbar, wobei die Zeitdauer zur Bestimmung des Drucks ausschließ- lich durch eine leicht zu verwirklichende, schnelle Aus- werteelektronik bestimmt wird. Ferner sind keine mecha- nisch bewegbaren oder mechanisch veränderbaren Sensorkom- ponenten erforderlich, so das die erfindungsgemäße Anord- nung praktisch verschleißfrei arbeitet und auch keine Berstgefahr besteht. Es kann ein hoher Druckmessbereich von sehr kleinen Drücken bis hohen Drücken von ca. 2000 bar über eine große Lebensdauer realisiert werden.
Ein Einsatz der erfindungsgemäßen Anordnung ist auch bei hohen Temperaturen möglich, das hier eine Trennung von Sensorelement und Auswerteschaltung problemlos möglich ist, wobei die Messung über der Frequenz skalierbar ist und somit auch miniaturisiert oder integriert werden kann. Bei einer geeigneten Wahl des Resonatorgebildes, z. B. ein koaxialer Leitungsresonator, und einer geeigne- ten Materialauswahl kann dieser somit unter extremen Um- gebungsbedingungen eingesetzt werden. Die Messgeschwin- digkeit wird im Prinzip nur durch die Auswerteschaltung begrenzt.
Es ergeben sich somit zusammenfassend neben der hohen Messempfindlichkeit des Verfahrens auch große Freiheits- grade bei der konstruktiven Auslegung der Messvorrichtung und nahezu keine Einschränkungen hinsichtlich des Einbau- ortes. Ferner ist ein hohes Potenzial zu Miniaturisierung vorhanden und bei einer Ausführung der Erfindung zur Druckmessung am Verbrennungsmotor kann auch eine Klopfsensierung durchgeführt werden.
Zur Kompensation von das Messergebnis beeinträchtigenden Temperatureinflüssen kann ein mit dem Messvolumen und/oder mit dem Hochfrequenz-Resonator in Verbindung stehender Temperatursensor vorhanden sein. Auch kann min- destens ein zusätzlicher Referenz-Resonator vorhanden sein, der mit Ausnahme des zu bestimmenden Drucks den gleichen physikalischen Einflüssen wie der Hochfrequenz- Resonator ausgesetzt ist und mit dem eine Kompensation von Temperatureinflüssen bewirkbar ist, wobei der zusätz- liche Referenz-Resonator einem Vakuum ausgesetzt werden kann.
Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen : Figur 1 eine Prinzipansicht einer Vorrichtung zum hochfrequenten Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemischs in einem Verbrennungsmotor, Figur 2 eine schematische Darstellung der Funktions- weise einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Druck- messung in einem Brennraum eines Verbrennungsmotors mit einer Kompensation des Temperatureinflusses an- hand eines Temperatursensors und Figur 3 eine schematische Darstellung der Funktions- weise einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Kompensation des Temperatureinflusses anhand eines Referenz-Resonators.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele In Figur 1 ist eine Prinzipansicht einer, in der eingangs erwähnten nicht vorveröffentlichten DE 102 39 410.5 be- schriebenen Vorrichtung zum hochfrequenten Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemischs gezeigt, die Bestandteile einer sogenannten Hochfrequenzzündkerze 1 aufweist. Es sind hier im einzelnen ein HF-Generator 2 und ein eventuell auch verzichtbarer Verstärker 3 vorhanden, die als Mikro- wellenquelle die hochfrequenten Schwingungen erzeugen.
Schematisch ist hier eine induktive Einkopplung 4 der hochfrequenten Schwingungen in eine als 9L"ff/4-Resonator 5 aufgebaute koaxiale Wellenleiterstruktur als wesentlicher Bestandteil der Hochfrequenzzündkerze 1 gezeigt.
Der koaxiale Resonator 5 besteht aus einem Außenleiter 6 und einem Innenleiter 7, wobei das eine sogenannte offene oder heiße Ende 8 des Resonators 5 mit dem Innenleiter 7, hier als gegenüber dem Außenleiter 6 über eine Dichtung 11 isolierten Zündstift 7a, die Zündung bewirkt. Für die hochfrequenten Schwingungen stellt das andere sogenannte kalte brennraumferne Ende 9 des Resonators 5 einen Kurz- schluss dar. Das Dielektrikum 10 zwischen dem Außenleiter 6 und einem Innenleiter 7 besteht im wesentlichen aus Luft oder aus einem geeigneten nichtleitenden Material.
Bei dieser Hochfrequenzzündkerze 1 wird das Prinzip der Feldüberhöhung in einem koaxialen Resonator 5 der Länge (2n+1) * beef/4 mit n > 0 genutzt.
Die Vorrichtung nach der Figur 1 kann beispielsweise die Grundlage für die erfindungsgemäße Druckmessung das Gas- gemischs, hier Luft-Kraftstoffgemisch im Brennraum des nicht dargestellten Verbrennungsmotors, darstellen. Ein in Figur 2 dargestelltes Funktionsschema veranschaulicht die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Druckmessung.
Eine Vorrichtung mit einem Hochfrequenz-Resonator 20 ist dem Druck 21 des in einem Messvolumen, bzw. Brennraum be- findlichen Gasgemischs ausgesetzt, so dass das Gasgemisch in den Hochfrequenz-Resonator 20 eindringt oder auf die- sen einwirkt. In Abhängigkeit von den physikalischen Ei- genschaften, hier insbesondere dem Druck 21 des Gasge- mischs werden die Hochfrequenzeigenschaften des Hochfre- quenz-Resonators 20 verändert.
Der Hochfrequenz-Resonator 20 ist mit einer Oszillator- vorrichtung 22 verbunden, welche eine hochfrequente Wech- selspannung erzeugt und in den Hochfrequenz-Resonator 20 einspeist. Der Hochfrequenz-Resonator 20 und die Oszilla- torvorrichtung 22 bilden gemeinsam einen Schwingkreis, dessen Resonanzfrequenz durch eine Veränderung der Per- mittivität des Hochfrequenz-Resonators 20 verändert wird, was mittels einer Frequenzmesseinrichtung 23 bestimmt werden kann. Weiterhin kann mittels einer Temperaturmes- sung 24 und unter Einbeziehung weiterer Umgebungsmessgrö- ßen 25 in einer Auswerteinrichtung 26 die Druckmessung anhand der nachfolgend beschriebenen Auswertung der Per- mittivitätsänderung durchgeführt werden.
Für den zuvor erwähnten Schwingkreis aus den Bausteinen 20 und 21 ist die Resonanzfrequenz für eine bestimmte Permittivität, beispielsweise durch Messung bei der Her- stellung in einem Referenzgas unter Referenzdruck oder durch Messung unter Referenzdruck vor einer Druckmessung bekannt. Eine Druckänderung bewirkt dann eine Dichteände- rung des in dem Messvolumen, hier Brennraum, enthaltenen Gases, wodurch eine Veränderung der Permittivität des Hochfrequenz-Resonators 20 erfolgt. Der Zusammenhang zwi- schen der Dichte und der Permittivität eines Gases kann durch das Gesetz von Clausius-Mossotti beschrieben wer- den: #0(#-1)M=NA*α, mit der Molmasse M, der Dichte des Gases P p, der Avogadro-Konstante NA und der Polarisierbarkeit a.
Die Dichte verhält sich hierbei wie der Druck unter der Vorrausetzung, dass die Temperatur und das Volumen kon- stant bleiben, was unter Einbeziehung der zuvor erwähnten Temperaturmessung berücksichtigt werden kann.
Dem Grad der Verschiebung der Resonanzfrequenz des Schwingkreises 20,21 durch die Permittivitätsänderung ei nach £2 kann dann wiederum eine bestimmte Dichte-und Druckänderung zugeordnet werden. Eine Frequenzverschie- bung von fi nach f2 wird mittels der Frequenzmesseinrich- tung 23 gemessen und von dieser an die Auswertevorrich- tung 26 weitergegeben.
Geht man beim beschriebenen Ausführungsbeispiel von einem koaxialen Leitungsresonator als Hochfrequenz-Resonator 20 aus, so besteht folgender Zusammenhang zwischen der Per- mittivität £ und der Resonanzfrequenz f : Hierdurch ist somit gezeigt, dass die Bestimmung des Drucks durch die Veränderung der Resonanzfrequenz des Hochfrequenz-Resonators 20 möglich ist.
In Figur 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Aufbau der Messvorrichtung dargestellt, wobei anstelle einer Kompensation des Temperatureinflusses nach der Fi- gur 2 durch einen Temperatursensor 14, parallel zu dem für die Druckmessung vorgesehenen Hochfrequenz-Resonator 20 ein identischer Referenz-Resonator 30 mit einer eige- nen Oszillatorvorrichtung 31 angeordnet ist, welcher mit Ausnahme des Drucks denselben Umgebungsbedingungen wie der für die Druckmessung verwendete Hochfrequenz- Resonator 20 ausgesetzt ist.
Die mittels der Frequenzmesseinrichtung 23 bestimmbare Differenz zwischen der Resonanzfrequenz f der beiden Schwingkreise 20,22 und 30,31 nach der Figur 3 ist ein direktes Maß für den Einfluss des Druckes 21 in dem Mess- volumen auf die Permittivität £ unter Eliminierung des Temperatureinflusses im Messvolumen bzw. im Brennraum.
Next Patent: SENSOR FOR MEASURING ELECTROMAGNETIC PROPERTIES