WOLFF, Janpeter (Panoramastr. 117, Gerlingen, 70839, DE)
NIEKRAWIETZ, Remigius (Bergheimer Str. 18, stuttgart, 70499, DE)
ROCZNIK, Marko (10141 Parish Place, Cupertino CA, 95014, US)
WOLFF, Janpeter (Panoramastr. 117, Gerlingen, 70839, DE)
NIEKRAWIETZ, Remigius (Bergheimer Str. 18, stuttgart, 70499, DE)
Ansprüche
1. Druckmessvorrichtung mit
einer Druckmesskammer (36);
einem in der Druckmesskammer (36) angeordneten ersten Sensorschwingkreis (10,20,22,60,70,80), der so ausgelegt ist, dass seine Resonanzfrequenz eine erste Druckabhängigkeit gegenüber einer änderung eines Drucks in der Druckmesskammer (36) hat und sensitiv gegenüber einer änderung eines anderen Umgebungsparameters in der Druckmesskammer (36) ist;
einem in der Druckmesskammer (36) angeordneten zweiten Sensorschwingkreis (10,20,22,60,70,80), der so ausgelegt ist, dass seine Resonanzfrequenz eine geringere als die erste Druckabhängigkeit zweite Druckabhängigkeit gegenüber der änderung des Drucks in der Druckmesskammer (36) hat und sensitiv gegenüber der änderung des anderen Umgebungsparameters in der Druckmesskammer (36) ist; und
einem Abfrageschwingkreis (24), welcher dazu ausgelegt ist, die Resonanzfrequenzen des ersten Sensorschwingkreises (10,20,22,60,70,80) und des zweiten Sensorschwingkreises (10,20,22,60,70,80) zu ermitteln und an eine interne oder externe Auswerteeinrichtung bereitzustellen, so dass mittels einer Auswertung der Resonanzfrequenz des ersten Sensorschwingkreises (10,20,22,60,70,80) bei Heranziehen der Resonanzfrequenz des zweiten Sensorschwingkreises (10,20,22,60,70,80) als Referenz der Druck und/oder die änderung des Drucks in der Druckmesskammer (36) bestimmbar ist.
2. Druckmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Umgebungsparameter eine Temperatur, einen chemischer Zustand, eine Partikelkonzentration und/oder einen Verschmutzungsgrad in der Druckmesskammer (36) umfasst.
3. Druckmessvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Auswerteeinrichtung dazu ausgelegt ist, bei der Auswertung der Resonanzfrequenz des ersten Sensorschwingkreises (10,20,22,60,70,80) bei Heranziehen der Resonanzfrequenz des zweiten Sensorschwingkreises (10,20,22,60,70,80) eine durch den Umgebungsparameter bedingte Drift der Resonanzfrequenz des ersten Sensorschwingkreises (10,20,22,60,70,80) und/oder des zweiten Sensorschwingkreises (10,20,22,60,70,80) herauszufütern.
4. Druckmessvorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Auswerteeinrichtung dazu ausgelegt ist, anhand der durch den Umgebungsparameter bedingten Drift der Resonanzfrequenz des ersten Sensorschwingkreises (10,20,22,60,70,80) und/oder des zweiten Sensorschwingkreises (10,20,22,60,70,80) den Umgebungsparameter und/oder eine änderung des Umgebungsparameters in der Druckmesskammer (36) zu ermitteln.
5. Druckmessvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste
Sensorschwingkreis (10,20,22,60,70) einen drucksensitiven Kondensator (14,20b,22b,64,74) und der zweite Sensorschwingkreis (80) einen druckfesten Kondensator (84) umfasst.
6. Druckmessvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Druckmessvorrichtung einen in der Druckmesskammer (36) angeordneten dritten Sensorschwingkreis (10,20,22,60,70,80) umfasst, dessen Resonanzfrequenz durch den Abfrageschwingkreis (24) abfragbar ist.
7. Druckmessvorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Auswerteeinrichtung dazu ausgelegt ist, anhand der Resonanzfrequenzen des ersten Sensorschwingkreises (10,20,22,60,70,80), des zweiten
Sensorschwingkreises (10,20,22,60,70,80) und des dritten Sensorschwingkreises (10,20,22,60,70,80) zusätzlich die Temperatur, den chemischen Zustand, die Partikelkonzentration, den Verschmutzungsgrad und/oder die änderung der Temperatur, des chemischen Zustands, der Partikelkonzentration und/oder des Verschmutzungsgrads in der Druckmesskammer (36) zu bestimmen.
8. Druckmessvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Sensorschwingkreis (10,20,22,60,70,80), der zweite Sensorschwingkreis (10,20,22,60,70,80) und/oder der dritte Sensorschwingkreis (10,20,22,60,70,80) so zueinander angeordnet sind, dass die Hauptabstrahlrichtungen (46,48) der mindestens zwei Sensorschwingkreise (10,20,22,60,70,80) in einem rechten Winkel zueinander gerichtet sind.
9. Druckmessvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens einer der Sensorschwingkreise (70) einen Kondensator (74) umfasst, bei welchem mindestens eine Elektrode mittels strahlenförmig verlaufender Trenngräben (78) in einzelne Sektoren unterteilt ist.
10. Druckmessvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens einer der Sensorschwingkreise (80) einen Kondensator (84) umfasst, dessen Elektroden zumindest teilweise eine Interdigitalstruktur (90) bilden.
11. Verfahren zum Messen eines Drucks mit den Schritten:
Anordnen eines ersten Sensorschwingkreises (10,20,22,60,70,80) in einer Druckmesskammer (36), wobei eine Resonanzfrequenz des ersten Sensorschwingkreises (10,20,22,60,70,80) eine erste Druckabhängigkeit gegenüber einer änderung eines Drucks in der Druckmesskammer (36) hat und sensitiv gegenüber einer änderung eines anderen Umgebungsparameters in der Druckmesskammer (36) ist;
Anordnen eines zweiten Sensorschwingkreises (10,20,22,60,70,80) in der Druckmesskammer (36), wobei eine Resonanzfrequenz des zweiten Sensorschwingkreises (10,20,22,60,70,80) eine geringere als die erste Druckabhängigkeit zweite Druckabhängigkeit gegenüber der änderung des Drucks in der Druckmesskammer (36) hat und sensitiv gegenüber der änderung des anderen Umgebungsparameters in der Druckmesskammer (36) ist;
Berührungsloses Ermitteln der Resonanzfrequenzen des ersten Sensorschwingkreises (10,20,22,60,70,80) und des zweiten Sensorschwingkreises (10,20,22,60,70,80) mittels eines Abfrageschwingkreises (24); und
Bestimmen des Drucks und/oder der änderung des Drucks in der Druckmesskammer (36) mittels einer Auswertung der Resonanzfrequenz des ersten Sensorschwingkreises (10,20,22,60,70,80) bei Heranziehen der Resonanzfrequenz des zweiten Sensorschwingkreises (10,20,22,60,70,80) als Referenz. |
Beschreibung
Titel
Druckmessvorrichtung und Verfahren zum Messen eines Drucks
Die Erfindung betrifft eine Druckmessvorrichtung und ein entsprechendes Verfahren zum Messen eines Drucks.
Stand der Technik
Ein Kraftfahrzeug ist häufig mit mindestens einem Drucksensor ausgestattet, um beispielsweise den Druck innerhalb seines Motors oder in einer zum Motor führenden Leitung zu messen. Der für Messungen am Motor verwendete Drucksensor ist oft einer relativ hohen Temperatur, einem chemisch aggressiven oder einem stark verschmutzten Gas ausgesetzt. So wird beispielsweise auf den Beladungszustand von Dieselpartikelfiltern über Drucksensoren geschlossen, die im Abgastrakt selbst einem hohen Verschmutzungsrisiko ausgesetzt sind. Auch die Anbringstelle eines Ladedrucksensors ist während einer Abgasrückführung mit einem heißen und chemisch aggressiven Gas gefüllt. Ein an einem Kraftfahrzeug verbauter Drucksensor muss deshalb in der Regel hohe Robustheitsanforderungen erfüllen.
Herkömmlicherweise versucht man, die Robustheit eines in einem Kraftfahrzeug verbauten
Drucksensors zu verbessern, indem durch Aufbringen eines Gels ein direkter Kontakt zwischen den empfindlichen Komponenten des Drucksensors, insbesondere der Auswerteelektronik, und einem heißen, chemisch aggressiven oder stark verschmutzen Gas in der Umgebung des Drucksensors verhindert wird. Das an dem Drucksensor und der zugehörigen Auswerteelektronik angebrachte Gel dient dabei als Diffusionsbarriere. Allerdings ist das Vergelen eines Drucksensors mit zusätzlichen Kosten und Schwierigkeiten bei der Herstellung und der Anbringung des Drucksensors in einem Kraftfahrzeug verbunden. Des Weiteren können chemisch aggressive Gase das auf den Drucksensor aufgebrachte Gel oft schnell zersetzen. Die Schutzwirkung des aufgebrachten Gels ist deshalb häufig zeitlich stark begrenzt.
Eine weitere Möglichkeit zum Schützen einer sensiblen Auswerteelektronik eines Drucksensors vor heißen, chemisch aggressiven oder stark verschmutzten Gasen besteht in der getrennten Anordnung
eines robust ausgebildeten Sensorelements und der sensiblen Auswerteelektronik. In diesem Fall wird nur das Sensorelement, beispielsweise ein Schwingkreis mit einer druckabhängigen Resonanzfrequenz, in einem Messraum mit den beschriebenen Umgebungsbedingungen angeordnet.
Ein derartiger Drucksensor ist beispielsweise in der DE 101 28 010 Al beschrieben. Der Drucksensor weist einen Schwingkreis auf, dessen induktives Bauteil eine druckabhängige Induktivität aufweist. Mittels eines Oszillators des Drucksensors wird die Resonanzfrequenz des Schwingkreises, und damit dessen druckabhängige Induktivität, berührungslos abgefragt und in einen Druck umgerechnet.
Auch die US 2007/0051176 Al beschreibt ein System mit einem Schwingkreis, wobei die
Resonanzfrequenz des Schwingkreises von Umweltfaktoren wie einer Temperatur, einem Druck oder einer chemischen Umgebung abhängt. Mittels eines Abfrage-Schwingkreises kann ein aktueller Wert der Resonanzfrequenz berührungslos abgefragt werden.
Die Sensitivität der Resonanzfrequenz des Sensorelements bezüglich der Temperatur und der chemischen Umgebung führt jedoch häufig zu Problemen beim Umrechnen der aktuellen Resonanzfrequenz in einen entsprechenden Druck. Insbesondere bei einer hohen Temperatur oder einer starken Verschmutzung des Gases in der Messkammer misst ein Drucksensor mit einem Schwingkreis zur berührungslosen Abfrage der druckabhängigen Resonanzfrequenz deshalb häufig ungenaue oder falsche Druckwerte. Dies kann zu Fehlreaktionen beim Ansteuern von Komponenten des zugehörigen Fahrzeugs führen.
Es ist deshalb wünschenswert, trotz der häufig extremen Umgebungsbedingungen in einem Kraftfahrzeug über eine verlässlichere Möglichkeit zur Druckbestimmung zu verfügen.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung schaffte eine Druckmessvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Messen eines Drucks mit den Merkmalen des Anspruchs 11.
Unter einem Umgebungsparameter ist dabei eine Größe zu verstehen, welche einen Umwelteinfluss der Umgebung eines Sensorschwingkreises wiedergibt. Ein derartiger Umgebungsparameter kann ein Druck, eine Temperatur und/oder eine chemische Umgebung des Sensorschwingkreises sein. Beispielsweise kann der Umgebungsparameter auch ein Verschmutzungsgrad oder eine Partikelkonzentration der Umgebung des Sensorschwingkreises sein.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass es möglich ist, die auf Störeinflüsse zurückzuführende druckunabhängige Verschiebung einer Resonanzfrequenz eines als Sensorelement verwendeten ersten Sensorschwingkreises festzustellen, indem ein in einer räumlichen Umgebung des ersten Sensorschwingkreises angebrachter zweiter Sensorschwingkreis zu einer Referenzmessung herangezogen wird. Der zweite Sensorschwingkreis ist dabei in der räumlichen Umgebung des ersten Sensorschwingkreises so angeordnet, dass auf ihn die auf den ersten Sensorschwingkreis einwirkenden Umgebungsparameter und der gleiche Druck einwirken.
Aufgrund der unterschiedlichen Sensitivitäten der Resonanzfrequenzen der beiden Sensorschwingkreise führen Veränderungen der Umweltbedingungen in der räumlichen Umgebung zu unterschiedlichen Verschiebungen der Resonanzfrequenzen. Somit ist es möglich, durch einen Vergleich der Verschiebungen der Resonanzfrequenzen Rückschlüsse zu ziehen, auf welchem Umgebungsparameter eine Verschiebung einer Resonanzfrequenz zumindest hauptsächlich zurückzuführen ist. Insbesondere kann auf diese Weise eine (Teil-)Verschiebung einer Resonanzfrequenz bestimmt werden, welche auf eine Zu- oder Abnahme des Drucks und nicht auf eine Veränderung eines anderen Umgebungsparameters zurückzuführen ist. Eine interne oder externe Auswerteeinrichtung kann daraufhin anhand der festgestellten druckabhängigen (Teil-)Verschiebung der Resonanzfrequenz die zugehörigen Druckdifferenz und/oder den entsprechenden Absolutdruck ermitteln.
Der Abfrageschwingkreis kann ein Schwingkreis zum Aufbau eines elektromagnetischen H-Nahfeldes sein. Beispielsweise ist der Abfrageschwingkreis ein ASIC-Schwingkreis (Application Specific Integrated Circuit), dessen Spule zum Aufbau des elektromagnetischen H-Nahfeldes dient. Der Abfrageschwingkreis muss somit kein aktiv sendendes Gerät sein. Der Abfrageschwingkreis versorgt die mindestens zwei Sensorschwingkreise mit Energie und ermöglicht somit den Aufbau eines elektromagnetischen H-Nahfeldes an jedem der mindestens zwei Sensorschwingkreise. über die induktive Kopplung kann dabei ein H-Nahfeld eines Sensorschwingkreises das H-Nahfeld des Abfrageschwingkreises beeinflussen und somit eine Frequenzverschiebung bewirken.
Die Verwendung eines aktiv sendenden Geräts unterliegt häufig bestimmten Beschränkungen hinsichtlich der erlaubten Frequenzbänder. Vor allem bei einer Verwendung des aktiv sendenden Geräts in einem Fahrzeug ist ein Aussenden von Signalen außerhalb dieser erlaubten Frequenzbänder unabhängig von der ausgesendeten Leistung häufig nicht zulässig. Ein Abfrageschwingkreis, welcher als ASIC-Schwingkreis ausgebildet ist, unterliegt bei einer Verwendung in einen Fahrzeug nur EMV- Bestimmungen, d.h. Emissionsgrenzen, deren Grenzwerte nicht überschritten werden dürfen. Somit ist die Verwendung eines ASIC-Schwingkreises in einem Fahrzeug besonders vorteilhaft.
Selbstverständlich kann der Abfrageschwingkreis auch eine Antenne sein. Anstelle einer Antenne kann aber auch jede andere bekannte Abfrageeinrichtung zur berührungslosen Abfrage der Resonanzfrequenzen der mindestens zwei Sensorschwingkreise als Abfrageschwingkreis verwendet werden.
Ein von dem Abfrageschwingkreis an die Auswerteeinrichtung ausgegebenes Messsignal kann dabei Werte für die Resonanzfrequenzen der mindestens zwei Sensorschwingkreise und/oder Werte für die Verschiebungen der Resonanzfrequenzen gegenüber vorgegebenen Ausgangswerten enthalten.
Vorzugsweise umfasst der Umgebungsparameter eine Temperatur, einen chemischer Zustand, eine Partikelkonzentration und/oder einen Verschmutzungsgrad in der Druckmesskammer. Die Auswerteeinrichtung bevorzugt ist dazu ausgelegt, bei der Auswertung der Resonanzfrequenz des ersten Sensorschwingkreises bei Heranziehen der Resonanzfrequenz des zweiten Sensorschwingkreises eine durch den Umgebungsparameter bedingte Drift der Resonanzfrequenz des ersten Sensorschwingkreises und/oder des zweiten Sensorschwingkreises herauszufiltern. Aus der gefilterten Restverschiebung der Resonanzfrequenz kann anschließend unter Verwendung der Drucksensitivität des zugehörigen Sensorschwingkreises der Druck in der Umgebung der beiden Sensorschwingkreise bestimmt werden.
In einer Weiterbildung ist die Auswerteeinrichtung dazu ausgelegt, anhand der durch den
Umgebungsparameter bedingten Drift der Resonanzfrequenz des ersten Sensorschwingkreises und/oder des zweiten Sensorschwingkreises den Umgebungsparameter und/oder eine änderung des Umgebungsparameters in der Druckmesskammer zu ermitteln. Die hier beschriebene Druckmessvorrichtung weist damit den Vorteil auf, dass sie zusätzlich zu ihrer Druckmessfunktion dazu ausgelegt ist, eine in einem Kraftfahrzeugbereich herrschende Temperatur oder einen
Verschmutzungsgrad, beispielsweise eine Russpartikeldichte an einer Kraftfahrzeugkomponente, zu bestimmen.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der erste Sensorschwingkreis einen drucksensitiven Kondensator und der zweite Sensorschwingkreis einen druckfesten Kondensator. Beispielsweise weist der druckfeste Kondensator mindestens eine Luftdurchströmöffnung oder eine Festkapazität ohne Kaverne auf, so dass sich die Resonanzfrequenz des zugehörigen Sensorschwingkreises lediglich in Abhängigkeit von einer Temperatur, einer chemischen Aggressivität oder einem Verschmutzungsgrad eines Umgebungsgases ändert. Eine Zu- oder Abnahme des Drucks beeinflusst die Resonanzfrequenz des Sensorschwingkreises mit dem druckfesten Kondensator kaum. Die Differenz zwischen den
Verschiebungen der Resonanzfrequenzen der beiden Sensorschwingkreise ist damit fast ausschließlich
druckabhängig. Dies erleichtert das Berechnen des an den beiden Sensorschwingkreisen herrschenden Drucks und das Herausfiltern der temperatur- oder verschmutzungsabhängigen Drift.
Als Alternative oder als Ergänzung zu dem im oberen Absatz genannten druckfesten Kondensator, kann die Druckmessvorrichtung auch einen Sensorschwingkreis umfassen, welcher gegenüber der Drucksensitivität des ersten Sensorschwingkreises eine verschiedene zweite Drucksensitivität aufweist. Beispielsweise weisen die mindestens zwei Sensorschwingkreise unterschiedliche Membrangeometrien auf, so dass sich ihre Resonanzfrequenzen bei einer Druckänderung unterschiedlich verschieben. Sensorschwingkreise mit unterschiedlichen Membrangeometrien lassen sich einfach herstellen und gewährleisten somit eine kostengünstige Ausführungsform für die Druckmessvorrichtung.
In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung umfasst die Druckmessvorrichtung einen in der Druckmesskammer angeordneten dritten Sensorschwingkreis, dessen Resonanzfrequenz durch den Abfrageschwingkreis abfragbar ist. Vorzugsweise ist die Auswerteeinrichtung in diesem Fall dazu ausgelegt, anhand der Resonanzfrequenzen des ersten Sensorschwingkreises, des zweiten Sensorschwingkreises und des dritten Sensorschwingkreises zusätzlich die Temperatur, den chemischen Zustand, die Partikelkonzentration, den Verschmutzungsgrad und/oder die änderung der Temperatur, des chemischen Zustands, der Partikelkonzentration und/oder des Verschmutzungsgrads in der Druckmesskammer zu bestimmen. Diese Multifunktionalität der Druckmessvorrichtung führt damit zum Einsparen eines weiteren Temperatur- oder Verschmutzungssensors.
Bevorzugterweise sind der erste Sensorschwingkreis, der zweite Sensorschwingkreis und/oder der dritte Sensorschwingkreis so zueinander angeordnet, dass die Hauptabstrahlrichtungen der mindestens zwei Sensorschwingkreise in einem rechten Winkel zueinander gerichtet sind. Als Alternative oder als Ergänzung dazu können der erste Sensorschwingkreis, der zweite Sensorschwingkreis und/oder der dritte Sensorschwingkreis auch in einem im Verhältnis zu ihren Ausdehnungen großen Abstand angeordnet werden. Auf diese einfach ausführbare Weise lässt sich eine unerwünschte direkte Kopplung zwischen den mindesten zwei Sensorschwingkreisen, welche andernfalls die Resonanzfrequenzen beeinflussen kann, minimieren oder unterdrücken.
Vorteilhafter Weise umfasst mindestens einer der Sensorschwingkreise einen Kondensator, bei welchem mindestens eine Elektrode mittels strahlenförmig verlaufender Trenngräben in einzelne Sektoren unterteilt ist. Dies verhindert die Entstehung von Wirbelströmen in der Elektrode mit den strahlenförmig verlaufenden Trenngräben, welche andernfalls die Güten des zugehörigen Sensorschwingkreises negativ beeinflussen können.
Als Alternative oder als Ergänzung dazu kann mindestens einer der Sensorschwingkreise einen Kondensator umfassen, dessen Elektroden zumindest teilweise eine Interdigitalstruktur bilden. Somit sind die Elektroden zumindest teilweise in ein Gitter unterteilt. Vorzugsweise liegen die beiden eine Interdigitalstruktur bildenden Elektroden in einer Ebene nahe der Oberfläche des Kondensators oder oberhalb von dieser. Derart ausgebildete Elektroden eignen sich gut als Verschmutzungssensorelement.
Die in den oberen Absätzen beschriebene Druckmessvorrichtung kann auch unter den aggressiven Bedingungen eines Luftführungs- oder Abgassystems eines Kraftfahrzeug- Verbrennungsmotors betreiben werden. Selbst hohe Temperaturschwankungen zwischen -40 0 C bis 200 0 C führen dabei nicht zu falsch bestimmten Druckwerten. Schichtspannungen an den Sensorschwingkreisen, welche bei derartigen Temperaturschwankungen auftreten und herkömmlicherweise zu falschen Messergebnissen führen, kann die Druckmessvorrichtung herausfiltern. Ebenso wird verhindert, dass die chemische Umgebung die Messergebnisse verfälscht.
Die Auswerteelektronik ist gleichzeitig hermetisch und thermisch von dem Messvolumen getrennt. Das Abfragen der mindestens zwei Sensorschwingkreise erfolgt berührungslos mittels des Abfrageschwingkreises.
Die beschriebene Druckmessvorrichtung ist jedoch auch in der Medizintechnik anwendbar, da ihre Sensoruntereinheit aufgrund ihrer geringen Größe leicht im Inneren eines Organismus einsetzbar ist, ohne dass eine giftige oder voluminöse Stromversorgung implantiert werden muss.
Die in den oberen Absätzen beschriebenen Vorteile gelten auch für ein entsprechendes Verfahren zum Messen eines Drucks.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein erstes Beispiel eines Sensorschwingkreises der Druckmessvorrichtung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung zum Erläutern der Funktionsweise einer ersten Ausführungsform der Druckmessvorrichtung;
Fig. 3 eine schematische Darstellung der ersten Ausführungsform der Druckmessvorrichtung;
Fig. 4 eine Anordnung zweier Sensorschwingkreise einer zweiten Ausführungsform der
Druckmessvorrichtung;
Fig. 5 eine schematische Darstellung der zweiten Ausführungsform der Druckmessvorrichtung;
Fig. 6 ein zweites Beispiel eines Sensorschwingkreises der Druckmessvorrichtung;
Fig. 7 ein drittes Beispiel eines Sensorschwingkreises der Druckmessvorrichtung; und
Fig. 8 ein viertes Beispiel eines Sensorschwingkreises der Druckmessvorrichtung.
Ausführungsformen der Erfindung
Fig. 1 zeigt ein erstes Beispiel eines Sensorschwingkreises der Druckmessvorrichtung.
Der Sensorschwingkreis 10 umfasst eine Spule 12 und einen Kondensator 14. Es wird hier ausdrücklich daraufhingewiesen, dass der Sensorschwingkreis 10 keine aktive Elektronik, welche eine hohe Anfälligkeit gegenüber einer heißen, verschmutzten oder chemisch aggressiven Umgebung aufweist, besitzt. Der Sensorschwingkreis 10 ist vorzugsweise aus robusten Materialien, wie beispielsweise Platin und/oder Gold, geformt. Zum Schutz vor chemisch aggressiven Gasen, ätzenden Flüssigkeiten oder Verschmutzungen kann der Sensorschwingkreis 10 zusätzlich mit einer Passivierungsschicht ummantelt sein.
Vorzugsweise weist die Spule 12 eine hohe Steifigkeit auf. Die Induktivität des Sensorschwingkreises 10 ändert sich in diesem Fall kaum bei Zu- oder Abnahme eines Drucks in einer Umgebung des Sensorschwingkreises 10.
Der Kondensator 14 hat eine äußere Elektrode 16 und eine innere Elektrode 18. Die beiden Elektroden 16 und 18 sind so zueinander verstellbar, dass der Kondensator 14 eine gewünschte Drucksensitivität hat. Beispielsweise kann mindestens eine der beiden Elektroden 16 und 18 eine Membran aus einem leitfähigen Material mit einer geringen Schichtdicke sein. In diesem Fall lassen sich die beiden Elektroden 16 und 18 schon bei einem geringen Druck zusammendrücken. Die Kapazität des Kondensators 14 mit einer Membran hat somit eine hohe Drucksensitivität.
Als Alternative dazu können die Elektroden 16 und 18 auch so ausgebildet werden, dass sie eine hohe Drucksteifigkeit aufweisen. Beispielsweise kann mindestens eine der beiden Elektroden 16 und 18
mehrere durchgehende Luftdurchströmöffnungen haben. Ebenso kann eine Membrandicke für mindestens eine der beiden Elektroden 16 und 18 so gewählt werden, dass die Drucksteifigkeit signifikant erhöht wird. Des Weiteren kann eine Festkapazität ohne Kaverne am Sensorschwingkreis 10 ausgebildet werden. Die Kapazität des Kondensators 14 ändert sich in diesen hier beispielhaft beschriebenen Fällen selbst bei einer signifikanten Zu- oder Abnahme des Drucks nicht wesentlich.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung zum Erläutern der Funktionsweise einer ersten Ausführungsform der Druckmessvorrichtung.
Die wiedergegebene Druckmessvorrichtung umfasst einen ersten Sensorschwingkreis 20 und einen zweiten Sensorschwingkreis 22. Beide Sensorschwingkreise 20 und 22 haben eine Spule 20a oder 22a und einen Kondensator 20b oder 22b. Vorzugsweise haben die Spulen 20a und 22a die gleichen Windungszahlen und die gleiche Steifigkeit. Allerdings weist der Kondensator 20b des ersten Sensorschwingkreises 20 eine höhere Drucksensitivität auf als der Kondensator 22b des zweiten Sensorschwingkreises 22. Beispielsweise ist der Kondensator 20b ein drucksensitiver Kondensator mit einer als Membran ausgebildeten Elektrode. Der Kondensator 22b kann ein druckfester Kondensator mit einer Elektrode mit mehreren Luftdurchströmöffnungen sein.
Die beiden Sensorschwingkreise 20 und 22 sind in einer (nicht skizzierten) gemeinsamen Messkammer angeordnet. Auf beide Sensorschwingkreise 20 und 22 wirkt deshalb eine Temperatur, ein gleicher Druck und ein identisches chemisches Gasgemisch ein.
Demgegenüber ist ein Abfrageschwingkreis 24 der Druckmessvorrichtung mittels schematisch wiedergegebener Trennwände 26 hermetisch und thermisch von den beiden Sensorschwingkreisen 20 und 22 getrennt. Die Trennwände 26 schützen somit den Abfrageschwingkreis 24 vor der Temperatur, dem Druck und den chemischen Bedingungen im Inneren der Messkammer. Die Trennwände 26 sind so ausgebildet, dass beispielsweise ein von dem Abfrageschwingkreis 24 ausgesendetes elektromagnetisches Signal 28 von den beiden Sensorschwingkreisen 20 und 22 empfangen werden kann oder dass eine Kopplung der Spulen 20a und 22a an eine als Abfrageschwingkreis 24 fungierende Einheit zum Erzeugen eines magnetischen Felds möglich ist. Zwischen dem Abfrageschwingkreis 24 und den Sensorschwingkreisen 20 und 22 besteht somit eine elektromagnetische Kopplung, welche auch als eine energetische Kopplung bezeichenbar ist.
Wird der Abfrageschwingkreis 24 auf eine Frequenz eingestellt, welche der Resonanzfrequenz eines der Sensorschwingkreise 20 oder 22 entspricht, so entzieht der betreffende Sensorschwingkreis 20 oder 22 dem Abfrageschwingkreis 24 eine größere Menge an Energie. Um die dem Abfrageschwingkreis 24 entzogene Energie auszugleichen, muss eine Reglerstruktur den
Abfrageschwingkreis 24 nachregeln. Anhand des Signals der Reglerstruktur lassen sich somit die Resonanzfrequenzen der beiden Sensorschwingkreise 20 und 22 ermitteln.
Um ein berührungsloses Abfragen der Resonanzfrequenzen der beiden Sensorschwingkreise 20 und 22 durch den Abfrageschwingkreis 24 zu ermöglichen, wird eine elektromagnetische Kopplung zwischen dem Abfrageschwingkreis 24 und jedem der beiden Sensorschwingkreise 20 und 22 bevorzugt. Demgegenüber kann eine Interaktion 30 der beiden Sensorschwingkreise 20 und 22 miteinander die Resonanzfrequenzen der Sensorschwingkreise 20 und 22 verstimmen, und somit die aus den Resonanzfrequenzen ermittelten Druckwerte verfälschen. Deshalb ist es wünschenswert, die direkte Kopplung der beiden Sensorschwingkreise 20 und 22 miteinander zu minimieren. Man spricht dabei auch von einer geringen Ankopplung der Induktivitäten der beiden Sensorschwingkreise 20 und 22. Ausführungsbeispiele der Druckmessvorrichtung mit einer vernachlässigbaren Ankopplung der Induktivitäten der beiden Sensorschwingkreise 20 und 22 werden im Folgenden noch genauer beschrieben.
Eine kostengünstige Ausführungsform des Abfrageschwingkreises 24 kann beispielsweise einen ASIC-Schwingkreis (Application Specific Integrated Circuit) aufweisen. Vorzugsweise ist in dem ASIC ein spannungsgesteuerter LC-Oszilator (LC-VCO) untergebracht, dessen Induktivität, beispielsweise zusammen mit einer Kapazitätsdiode, die Frequenz bestimmt. Der spannungsgesteuerte LC-Oszilator besitzt in diesem Fall eine Reglerstruktur, beispielsweise ein AGC (Automatic Gain Control), welche die Schwingkreisspannung konstant hält. Auf diese Weise lässt sich der Abfrageschwingkreis 24 mit einer Frequenz innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbereichs anregen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann der Abfrageschwingkreis 24 einen Impedanzanalysator aufweisen, mit welchem sich die Ergebnisse der Sensorschwingkreise 20 und 22 auswerten lassen.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung der ersten Ausführungsform der Druckmessvorrichtung.
Die dargestellte Druckmessvorrichtung hat ein Gehäuse 32, dessen Innenvolumen mittels einer Trennwand 34 in eine Messkammer 36 und in eine Isolierkammer 38 unterteilt ist. Eine Außenwand des Gehäuses 32 weist eine Gaseintrittsöffhung 40 auf, welche in den Messraum 36 führt. Aufgrund der Gaseintrittsöffhung 40 können sich im Inneren der Messkammer 36 die gleichen physikalischen und chemischen Verhältnisse einstellen, wie in der äußeren Umgebung der Druckmessvorrichtung. Der Druck und die Temperatur in der Messkammer 36 sind somit gleich dem Druck und der Temperatur in der äußeren Umgebung der Druckmessvorrichtung.
An zwei Innenwänden der Messkammer 36 sind die beiden schon beschriebenen Sensorschwingkreise 20 und 22 angeordnet. Die Sensorschwingkreise 20 und 22 sind dabei parallel zueinander ausgerichtet. Die Feldlinien und die Hauptabstrahlrichtungen der beiden Sensorschwingkreise 20 und 22 verlaufen bei einer derartigen Ausrichtung parallel zueinander. Um eine direkte Kopplung zwischen den beiden Sensorschwingkreisen 20 und 22 dennoch zu minimieren, sind die Sensorschwingkreise 20 und 22 in einem großen Abstand zueinander angeordnet. Der große Abstand zwischen den beiden Sensorschwingkreisen 20 und 22 verkleinert den Faktor der direkten elektromagnetischen Kopplung zwischen den beiden Sensorschwingkreise 20 und 22.
Der in der Isolierkammer 38 angebrachte Abfrageschwingkreis 24 ist aufgrund der Trennwand 34 hermetisch und thermisch vor den Atmosphärenzuständen im Inneren der Messkammer 36 geschützt. Auf diese Weise ist es möglich, den Abfrageschwingkreis 24 mit seiner empfindlichen Elektronik von dem oftmals hohen Druck und den möglicherweise heißen, stark verschmutzten und/oder chemisch aggressiven Gasen im Inneren der Messkammer 36 zu schützen. Die Trennwand 34 ist dabei so gestaltet, dass eine elektromagnetische Kopplung zwischen dem Abfrageschwingkreis 24 und jedem der beiden Sensorschwingkreise 20 und 22 vorliegt.
Das Gehäuse 32 hat zusätzlich eine Steckerkammer 42, in welche ein mit dem Abfrageschwingkreis 24 verbundener Stecker 44 hineinragt. über den Stecker 44 kann der Abfrageschwingkreis 24 mit Strom versorgt werden. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, über den Stecker 44 Signale des Abfrageschwingkreises 24, welche beispielsweise Informationen über die aktuellen Resonanzfrequenzen der beiden Sensorschwingkreise 20 und 22 beinhalten, an eine getrennt von dem Gehäuse 32 angeordnete Auswerteeinrichtung zu übertragen. Auf diese Weise kann die Auswerteeinrichtung zusätzlich von den Umweltbedingungen in der äußeren Umgebung der Druckmessvorrichtung geschützt werden.
Ein weiterer Vorteil einer getrennt von dem Gehäuse 32 angeordneten Auswerteeinrichtung besteht darin, dass das Gehäuse 32 ohne die Auswerteeinrichtung weniger Bauraum benötigt. Das Gehäuse 32 lässt sich in diesem Fall leichter an einer gewünschten Stelle in einem Kraftfahrzeug einsetzen. In einer bevorzugten Ausführungsform kann für die Auswertung der Resonanzfrequenzen des
Abfrageschwingkreises 24 eine zentrale Auswerteeinrichtung des Fahrzeugs verwendet werden. Mittels der zentralen Auswerteeinrichtung können auch weitere Messsignale, die von anderen Messvorrichtungen gemessen werden, ausgewertet werden. Diese Multifunktionalität der zentralen Auswerteeinrichtung reduziert zusätzlich die Kosten für ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Druckmessvorrichtung.
Fig. 4 zeigt eine Anordnung zweier Sensorschwingkreise einer zweiten Ausführungsform der Druckmessvorrichtung.
Die beiden Sensorschwingkreise 20 und 22 sind bei dieser Ausführungsform so zueinander angeordnet, dass sich ihre Hauptabstrahlrichtungen 46 und 48 in einem nahezu rechten Winkel schneiden. Die Feldlinien der beiden Sensorschwingkreise 20 und 22 kreuzen sich somit im effektiven Mittel unter einem Winkel von ungefähr 90°. Auf diese Weise lässt sich eine gegenseitige Beeinflussung der beiden Sensorschwingkreise 20 und 22 auch bei einem geringen Abstand zwischen den beiden Sensorschwingkreisen 20 und 22 minimieren.
Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung der zweiten Ausführungsform der Druckmessvorrichtung.
Bei der dargestellten zweiten Ausführungsform weist die Messkammer 36 zwei Innenwände 50 und 52 auf, die zueinander um einen Winkel von ungefähr 90° geneigt sind. An jeweils einer der beiden Innenwände 50 und 52 ist einer der beiden Sensorschwingkreise 20 und 22 befestigt. Die beiden Sensorschwingkreise 20 und 22 sind somit um ungefähr 90° versetzt zueinander angeordnet. Die Hauptabstrahlrichtungen 46 und 48 der beiden Sensorschwingkreise 20 und 22 sind in einem rechten Winkel zueinander ausgerichtet. Entsprechend kreuzen sich auch die Feldlinien der beiden Sensorschwingkreise 20 und 22 im effektiven Mittel unter einem Winkel von 90°. Trotz des geringen Abstands zwischen den beiden Sensorschwingkreisen 20 und 22 ist die direkte elektromagnetische Kopplung zwischen den beiden Sensorschwingkreisen 20 und 22 vernachlässigbar.
Der Neigungswinkel zwischen den beiden Innenwänden 50 und 52 und der definierbaren Hauptabstrahlrichtung 54 des Abfrageschwingkreises 24 ist ungefähr gleich 45°. Dies gewährleistet eine elektromagnetische Kopplung zwischen dem Abfrageschwingkreis 24 und jedem der beiden Sensorschwingkreise 20 und 22. Die Verwendung des Begriffs Hauptabstrahlrichtung 54 bedeutet dabei nicht, dass der Abfrageschwingkreis 24 aktiv sendet.
Die rechtwinklige Anordnung der beiden Sensorschwingkreise 20 und 22 weist gegenüber der oben beschriebenen Anordnung der beiden Sensorschwingkreise 20 und 22 mit einem großen Zwischenabstand den Vorteil auf, dass sie die elektromagnetische Ankopplung des Abfrageschwingkreises 24 zu jedem der beiden Sensorschwingkreise 20 und 22 weniger beeinträchtigt. Mittels der rechtwinkligen Anordnung lässt sich eine gegenseitige Beeinflussung der beiden Sensorschwingkreise 20 und 22 vermeiden, ohne dass gleichzeitig die elektromagnetische Ankopplung des Abfrageschwingkreises 24 an jeden der beiden Sensorschwingkreise 20 und 22 erheblich reduziert wird.
Fig. 6 zeigt ein zweites Beispiel eines Sensorschwingkreises der Druckmessvorrichtung.
Der gezeigte Sensorschwingkreis 60 umfasst eine Spule 62 und einen Kondensator 64 mit zwei kreisförmigen Elektroden. über eine Durchkontaktierung 66 ist jede der beiden Elektroden des Kondensators 64 an die Spule 62 angeschlossen.
Aufgrund der relativ geringen Größe des Sensorschwingkreises 60 kann dessen Resonanzfrequenz im MHz- bis GHz-Bereich liegen. Bei Frequenzen im in diesem Bereich können jedoch Wirbelströme in den Elektrodenflächen des Kondensators 64 auftreten. Diese Wirbelströme können die Güte des Sensorschwingkreises 60 beeinträchtigen.
Fig. 7 zeigt ein drittes Beispiel eines Sensorschwingkreises der Druckmessvorrichtung.
Der dargestellte Sensorschwingkreis 70 weist die schon beschriebene Spule 72 und die Durchkontaktierung 76 auf. Im Gegensatz zu dem im oberen Absatz beschriebenen Beispiel eines
Sensorschwingkreises, hat der Sensorschwingkreis 70 einen Kondensator 74, dessen Elektroden durch strahlenförmige Einschnitte 78 in Kreissektoren unterteilt sind. Mittels dieser strahlenförmigen Einschnitte 78 lassen sich die herkömmlicherweise oft auftretenden Wirbelströme unterdrücken. Dies verbessert die Güte des Sensorschwingkreises 70. Gleichzeitig lässt sich bei einer schmalen Schnittbreite der strahlenförmigen Einschnitte 78 der Verlust an Elektrodenflächen vernachlässigbar klein gehalten.
Fig. 8 zeigt ein viertes Beispiel eines Sensorschwingkreises der Druckmessvorrichtung.
Der dargestellte Sensorschwingkreis 80 ist als Verschmutzungssensor aufgeführt. Der
Sensorschwingkreis 80 weist dazu zusätzlich zu einer Spule 82 und einer Durchkontaktierung 86 einen Kondensator 84 mit zwei Gittern 90 auf, welche von einer zweiteiligen Rahmenhalterung 88 gehalten werden. An die Gitter 90 können sich Partikel, wie beispielsweise Ruß, aus der Umgebung des Kondensators 84 ablagern. Diese Ablagerungen beeinflussen das Streufeld der Interdigitalfinger der Gitter 90 und ändern somit die Kapazität des Kondensators 84. Die beiden Gitter 90 können auch als Interdigitalstruktur bezeichnet werden.
Der Kondensator 84 muss nicht durchströmbar ausgebildet sein. Die Partikel lagern sich in der Regel nur auf der Oberfläche der beiden Gitter 90 ab. Die Interdigitalstrukturen der Gitter 90 können direkt auf einer Isolierschicht angeordnet sein, welche auf einem Trägersubstrat ausgebildet ist. Die Interdigitalstrukturen sind somit nicht freitragend ausgebildet.
Bei einer derartigen Ausbildung des Kondensators 84 reagiert die Resonanzfrequenz des Sensorschwingkreises 80 deshalb sehr sensitiv auf ein mit Partikeln stark angereichertes Gas in der Umgebung des Kondensators 84. Die Sensitivität des als Verschmutzungssensor ausgebildeten Sensorschwingkreises 80 kann durch Beschichtungen gezielt beeinflusst werden. Beispielsweise lässt sich somit eine spezifische Gassensitivität erreichen.
Der Sensorschwingkreis 80 kann gezielt eingesetzt werden, um einen Verschmutzungsgrad in einer Messkammer zu ermitteln. Beispielsweise wird dazu der Sensorschwingkreis 80 zusammen mit einem nicht verschmutzungssensitiven Sensorschwingkreis in einer Messkammer angebracht. Durch eine Kompensierung der Verschiebungen der Resonanzfrequenzen der beiden Sensorschwingkreise 80 lässt sich eine verschmutzungsabhängige Drift der Resonanzfrequenz des Sensorschwingkreises 80 zusammen mit einer druck- und/oder temperaturabhängige Drift der Resonanzfrequenzen ermitteln. Auf diese Weise kann zusätzlich zu dem Druck und/oder der Temperatur auch ein Verschmutzungsgrad des Gases in der Messkammer gemessen werden.
In einer bevorzugten Weiterbildung werden drei Sensorschwingkreise in einer Messkammer einer Druckmessvorrichtung befestigt. Vorzugsweise geschieht die Anordnung der Sensorschwingkreise so, dass diese jeweils in Winkeln von 90° zueinander versetzt angeordnet sind.
Beispielsweise ist ein erster Sensorschwingkreis relativ druck- und verschmutzungsfest. Die
Resonanzfrequenz dieses ersten Sensorschwingkreises hängt in diesem Fall nur von einer Temperatur in der Messkammer ab. Ein zweiter Sensorschwingkreis weist gegenüber dem ersten Sensorschwingkreis eine deutlich höhere Verschmutzungssensitivität auf. Wie der erste Sensorschwingkreis hat der zweite Sensorschwingkreis auch eine Temperatursensitivität. Im Gegensatz zu einem dritten Sensorschwingkreis, welcher sensitiv auf eine Temperaturänderung, eine Druckänderung oder eine Verschmutzungsgradänderung reagiert, ist der zweite Sensorschwingkreis jedoch relativ druckfest.
Durch ein Auswerten der Resonanzfrequenzen der drei Sensorschwingkreise ist es möglich, eine temperaturabhängige, eine druckabhängige und eine verschmutzungsabhängige Drift der jeweiligen Resonanzfrequenzen der drei Sensorschwingkreise zu ermitteln. Aus der Verschiebung der Resonanzfrequenz des ersten Sensorschwingkreises ergibt sich die temperaturabhängige Drift. Ein Vergleich der Verschiebung der Resonanzfrequenz des zweiten Sensorschwingkreises mit der Verschiebung der Resonanzfrequenz des ersten Sensorschwingkreises ermöglicht das Feststellen der verschmutzungsabhängigen Drift. Entsprechend lässt sich mittels eines Vergleichs der Verschiebung der Resonanzfrequenz des dritten Sensorschwingkreises mit der Verschiebung der Resonanzfrequenz des zweiten Sensorschwingkreises die druckabhängige Drift festlegen.
Auf diese Weise lässt sich über ein Abfragen der Resonanzfrequenzen der drei Sensorschwingkreise die Temperatur, der Druck und der Verschmutzungsgrad in der Messkammer der Druckmessvorrichtung ermitteln.
Next Patent: MOTOR/TRANSMISSION UNIT AND MODULAR SYSTEM