Drucksensoren

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur dynamischen Kalibrierung von Drucksensoren mit einem Gehäuse, einem mit dem Gehäuse verbundenen Zylinder zur Aufnahme eines Fluids, der mit einem ersten Drucksensor verbindbar ist, einem Aktor und einem mit dem Zylinder zusammenwirkenden Kolben. Dabei ist der Aktor zwischen Gehäuse und einer vom Zylinder abgewandten Seite des Kolbens angeordnet.

Der eingesetzte Aktor wandelt dabei ein Eingangssignal in eine mechanische Bewegung um. Beispielweise kann es sich dabei um einen piezoelektrischen Aktor handeln, der sich bei Anlegen einer Spannung mechanisch verformt. Diese

mechanische Verformung kann dann als mechanische Bewegung auf den Kolben übertragen werden. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur dynamischen Kalibrierung von Drucksensoren, bei dem ein den auf einen Drucksensor einwirkenden Druck repräsentierender

Istparameter gemessen und mit einem entsprechenden

Sollparameter verglichen wird. Aus dem Vergleich wird ein Kalibrierwert c für den Istparameter ermittelt, wobei der

Druck mittels eines mit einem Zylinder, der mit einem Fluid gefüllt ist, zusammenwirkenden Kolbens erzeugt wird. Ein Drucksensor der hier infrage kommenden Art dient der Ermittlung eines Druckes eines Fluids. Er kann

beispielsweise eingesetzt werden, um den Öldruck oder den Bremsflüssigkeitsdruck in Kraftfahrzeugen zu ermitteln.

Dabei wird bei dem Drucksensor an seinem Ausgang eine dem Druck entsprechende physikalische Ausgangsgröße,

beispielsweise ein dem Druck entsprechender Wert einer elektrischen Spannung erzeugt.

Herstellungsbedingt kann das Verhältnis von Druck zu

Ausgangsgröße von Drucksensor zu Drucksensor verschieden sein. Das betrifft sowohl statische Verhältnisschwankungen, das unterschiedliche Verhalten bei verschiedenen statischen Drücken, als auch Unterschiede im dynamischen Verhalten, d.h. Unterschiede zwischen verschiedenen Drucksensoren hinsichtlich ihres Frequenzganges bei dynamisch ändernden Drücken .

Um zu einer richtigen Beurteilung der Ausgangsgröße zu gelangen, bedarf es daher einer Kalibrierung des

Drucksensors sowohl hinsichtlich seines statischen als auch seines dynamischen Verhaltens. Die nachfolgend beschriebene Erfindung betrifft eine Kalibrierung des dynamischen

Verhaltens von Drucksensoren.

Unter Kalibrierung wird ein Verfahren verstanden, bei dem in einem ersten Schritt die Abweichung eines Sensors von einem Normal ermittelt wird, um in einem zweiten Schritt die ermittelte Abweichung bei der anschließenden Benutzung des Sensors zur Korrektur der von ihm ermittelten Werte zu verwenden . Bekannt ist eine dynamische Kalibrierung von

Schwingungssensoren, u.a. durch das Dienstleistungsangebot der Anmelderin. Dabei wird ein zu kalibrierender

Schwingungssensor mit schmal- oder breitbandigen Signalen angeregt . Bei der schmalbandigen Anregung werden die

Schwingungssensoren mit einem möglichst ungestörten

sinusförmigen Signal angeregt. Bei der breitbandigen

Anregung werden die Schwingungssensoren in der Regel mit Stößen angeregt.

Bei der Anregung mit sinusförmigen Signalen kann die

Antwort, beispielsweise der Spannungsausgang U des

Schwingungssensors gemessen werden. Dieser wird mit der bekannten Anregung, d.h. der Beschleunigung a, ins

Verhältnis gesetzt und man erhält die Empfindlichkeit des Sensors

U Γ V 1

a im/s ^z .

Auf Grund des Konstruktionsprinzips des Schwingungssensors ist diese ist jedoch abhängig von der Frequenz . Wird die Frequenz der Anregung variiert, kann der Frequenzgang des Schwingungssensors aufgenommen werden, wie er in Fig. 1 dargestellt ist. Der Frequenzgang hilft zu bewerten, bis zu welcher Frequenz der Schwingungssensor in einer realen Messanwendung verwendet werden kann und ab welcher Frequenz mit Abweichungen der gemessenen Werte zu rechnen ist. In der Metrologie unterscheidet man zwischen zwei Arten der Kalibrierung, der Sekundär- und Primärkalibrierung. Die bekannte Ermittlung des Frequenzganges eines Schwingungssensors erfolgt durch eine Primärkalibrierung.

Bei der Primärkalibrierung wird die gesuchte physikalische Größe aus anderen Größen heraus berechnet. Soll

beispielsweise die Masse einer Flüssigkeit primär bestimmt werden, so kann deren Dichte p gemessen oder als

Materialkonstante aus Tabellen ermittelt werden und das Volumen V der Flüssigkeit gemessen werden. Über die

Gleichung m = V · p kann die Masse m berechnet werden. Die in die Gleichung eingehenden Größen sind dabei im Allgemeinen sehr genau bestimmbar und sorgen dafür, dass die zu ermittelnde Größe sehr genau berechnet werden kann. Bei einer Sekundärkalibrierung werden lediglich zwei Größen mit einander verglichen. Es handelt sich also um eine

Vergleichskalibrierung. Dies bedeutet für das in Fig. 2 dargestellte Beispiel, dass die Verwendung einer Balkenwaage zur Bestimmung der gesuchten Masse Ώ\2 eine Vergleichsmessung ist. Steht der obere Balken 1 horizontal, bedeutet dies bei gleichlangen Hebelarmen, dass die Masse rri2 so groß ist wie die bekannte Masse mi. Die Masse m2 ist dann bestimmt und kann mit den Toleranzen des Messsystems mit m ₂ = m ₁ angegeben werden. Für die Ermittlung des Frequenzganges von Drucksensoren ist eine solche Sekundärkalibrierung bekannt.

Hierfür sind dynamische Druckerzeuger bekannt, die stets mit einem Vergleichssensor ausgestattet sind und damit der

Sekundärkalibrierung, wie oben beschrieben, dienen. Ein solcher dynamischer Druckerzeuger ist aus mehreren

Veröffentlichungen bekannt, wie

- Kuhn; Werthschützky : Analysis of Dynamic

Charatkeristics of Pressure Sensors, EMK TU Darmstadt, - Stefan Sindlinger: Einfluss der Gehäusung auf die

Messunsicherheit von mikrogehäusten Drucksensoren mit piezoresistivem Messelement, Dissertation, EMK TU

Darmstadt, 2007

- Sven Kuhn: Messunsicherheit elektromechanischer

Wirkprinzipien zur Druckmessung und Optimierung von

Verfahren zur Fehlerkorrektur, Dissertation, EMK TU Darmstadt, 2001

- Timo Kober: Analyse des Übertragungsverhaltens von

Differenzdrucksensoren durch dynamische

Druckkalibrierung, Artikel Technisches Messen 2/2010,

- Luca Tomasi: A new micromachined piezoresistive

pressure sensor with dual ränge and self-test

functionalities , Dissertation, 2007 oder

- Adam Hurst: An Experimental Frequency Response

Characterization of MEMS Piezoresistive Pressure

Transducers, Proceedings of ASME Turbo Expo 2014:

Turbine Technical Conference and Exposition, 2014 Diese Lösungen können in der Darstellung gemäß Fig. 3 schematisch zusammengefasst werden.

Hierin wird in einem Kontrollvolumen 2 über eine Membran 3 ein Druck p erzeugt. An diese Membran 3 ist über einen

Kolben 8 ein piezoelektrischer Aktor 4 angeschlossen. Wird an den piezoelektrischen Aktor 4 eine Spannung angelegt, dehnt sich dieser aus. Die Ausdehnung bewirkt eine

Verschiebung der Membran 3. Die Membran 3 komprimiert das Öl, mit dem das KontrolIvolumen 2 gefüllt ist, und sorgt für einen Druckanstieg.

Aufgrund der Eigenschaften des piezoelektrischen Aktors 4 können mit diesem Verfahren die oben beschriebenen

Entwicklungsziele erfüllt werden. Die Frequenz des erzeugten Drucks p kann über die Frequenz der angelegten Aktorspannung variiert werden. Die Amplitude des Drucks p kann über die Amplitude der Spannung gesteuert werden.

Wie bereits beschrieben, ist auch in dieser Anordnung ein Vergleichssensor 5 vorgesehen. Der Vergleichssensor 5 hat eine unbekannte Dynamik. Auf Grund seiner Konstruktion wird dem Vergleichssensor 5 jedoch eine sehr gute Dynamik

unterstellt. Bezogen auf Fig. 1 bedeutet dies, dass die Abweichung der Empfindlichkeit über alle Frequenzen hin 0% entspricht. Der Bezugswert ist die statisch ermittelte

Empfindlichkeit des Vergleichssensors 5. Neben der Tatsache, dass der bekannte Druckerzeuger für eine Sekundärkalibrierung vorgesehen ist, hat es sich gezeigt, dass die Konstruktion, die vorsieht, dass sich das Gehäuse in Ruhe befindet, also fest mit einem Fundament verbunden ist, dazu führt, dass das Gehäuse unkontrollierte und starke Schwingungen ausübt, woraus sich der Einsatz für eine

Primärkalibrierung, bei der Druck p berechnet werden muss, infolge des großen Störeinflusses auf die Druckberechnung verbietet. Wie in dem mechanischen Ersatzschaltbild gemäß Fig. 4 dargestellt ist, ist das Gehäuse 6 fest mit einem Fundament 7 verbunden. Damit soll erreicht werden, dass nur eine Bewegung des Kolbens 8 möglich ist. Die Bewegung auf Gegenseite des Kolbens 8 und des Gehäuses 6 soll durch das Fundament 7 und die Verbindung des Gehäuses 6 zum Fundament 7, beispielsweise über eine die Traverse 8, unterbunden werden. Das Fundament 7 hat dabei eine Masse, die mindestens eine Größenordnung größer als die Masse des Gehäuses 6 ist. Wie in Fig. 5 schematisch dargestellt, schwingen praktisch aber auch die Masse des Gehäuses 6 und Traverse 9 mit. Dies geschieht sehr unkontrolliert und eignet sich deshalb nicht für eine Primärkalibrierung.

Für das dynamische Verhalten von Drucksensoren ist kein standardisiertes Primärkalibrierverfahren bekannt. Demnach existiert auch kein dynamisch kalibriertes Drucknormal, welches für eine Sekundärkalibrierung verwendet werden könnte .

Es ist somit Aufgabe der Erfindung, eine Verfahrens- und vorrichtungsseitige Lösung anzugeben, welche eine

Primärkalibrierung des dynamischen Verhaltens eines

Drucksensors ermöglicht. Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung der eingangs

beschriebenen Art gelöst, die nur durch je eine Verbindung Gehäuse -Aktor und Aktor-Kolben statisch bestimmt ist und der Kolben in dem Zylinder gegenüber der Umgebungsatmosphäre durch eine Dichtung abgedichtet und in der Dichtung

beweglich angeordnet ist. Dadurch entfällt im Gegensatz zum Stand der Technik, wie er insbesondere in Fig. 4 dargestellt ist, eine Verbindung zu einem Fundament und es entsteht ein freier Zweimassenschwinger. Die Massen des freien

Zweimassenschwingers sind über die beiden Elemente Fluid und Aktor miteinander verbunden. Die Steifigkeiten und die

Dämpfung der Elemente Fluid und Aktor addieren sich. An beiden Massen wird eine gewollte Bewegung zugelassen.

Aufgrund der fehlenden Fundamentierung ist diese Bewegung definiert und einfach messbar. Die Position von Kolben und Gehäuse wird ausschließlich über den Aktor oder das Gehäuse des Aktors statisch bestimmt, im Gegensatz zum Stand der Technik, in dem zur Dichtung eine Metallmembran verwendet wird. Durch diese ist das System statisch überbestimmt, d.h. die Position der Massen Gehäuse und Kolben zueinander wird nicht durch eine Verbindung (Gehäuse des Aktors) sondern über zwei Verbindungen (Gehäuse des Piezoaktors +

Metallmembran) definiert.

Vorteil der Verwendung einer Dichtung, insbesondere einer Elastomerdichtung ist, dass geringere Stellkräfte nötig sind, um das Öl zu komprimierten. Deshalb kann der

Piezoaktor geringer dimensioniert werden, das System ist generell kompakter und somit die Schwingungen wiederum definierter . Zur Aufnahme des ersten Drucksensors kann das Gehäuse mit einer Öffnung zwischen Gehäuseaußenseite und Zylinder versehen sein. Dabei kann die Öffnung als Einschrauböffnung ausgebildet sein. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist

vorgesehen, dass bei einem Einsatz zu einer

Primärkalibrierung ein eine Bewegung des Kolbens relativ zum Gehäuse erfassendes Messsystem angeordnet ist. Da es sich um einen freien Zweimassenschwinger handelt, muss diese Relativbewegung, vorteilhafter Weise durch eine Ermittlung der Bewegung des Kolbens und des Gehäuses erfasst werden. Die Bewegungen werden zweckmäßigerweise direkt an der Stelle des Kolbens und des Gehäuses gemessen, welche direkt an das Fluid grenzen. Es ist dabei vorteilhaft, wenn das Messsystem sowohl

dynamische als auch statische Bewegungen erfassend

ausgebildet ist. Da für die Berechnung sowohl des Drucks als auch des Volumens statische und dynamische Kolbenbewegungen zu messen sind, können durch eine derartige Ausgestaltung mehrere Messsysteme entfallen.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann das Messsystem als kalibrierter Schwingungssensor oder als Laservibrometer mit Geschwindigkeits- und Wegdecoder ausgebildet sein.

Hierbei kann der Aktor als Hohlaktor mit einer

Strahldurchführung ausgebildet sein, durch die das

Laservibrometer auf den Kolben gerichtet ist.

Da mit der Erfindung ein dynamisch primärkalibrierter Drucksensor zur Verfügung gestellt werden kann, kann dieser dann auch eine exakte Sekundärkalibrierung vornehmen. Hierzu ist vorgesehen, dass bei einem Einsatz bei einer

Sekundärkalibrierung der Zylinder zur Aufnahme eines Fluids, mit einem sekundär zu kalibrierenden zweiten Drucksensor verbindbar ist. Bei einer Sekundärkalibrierung mit einem primärkalibrierten Drucksensor als Referenzsensor kann e der Aufwand erheblich reduziert werden.

Dabei kann das Gehäuse mit einer zweiten Öffnung zwischen Gehäuseaußenseite und Zylinder zur Aufnahme des zweiten Drucksensors versehen sein. Diese zweite Öffnung kann ebenfalls wieder als Einschrauböffnung ausgebildet sein.

Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann eine einen statischen Vordruck in dem Zylinder erzeugende Linearspindel angeordnet sein.

Alternativ zu der Linearspindel kann auch ein zweiter

Zylinder vorgesehen sein, in dem ein gegenüber der

Umgebungsatmosphäre abgedichteter und in dem zweiten

Zylinder beweglicher Verstellkolben angeordnet ist. Die erfindungsgemäße Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zur dynamischen Kalibrierung von Drucksensoren wie eingangs vorgestellt, gelöst, bei dem die dem Istwert entsprechende Druckänderung Δρ mittels des Kompressionswertes K für das Fluid, der wirksamen Druckfläche A _K , des mit Fluid gefüllten Volumens V ₀ des Zylinders, der Kolbenverschiebung Δχ _κ sowie der Verschiebung des Zylinders Δχ _ζ errechnet wird mit Α _κ (Δχ _κ -Δχ _ζ )

Δρ = K

V ₀

Die Druckänderung kann dann mit dem den Druck

repräsentierenden Wert des zu kalibrierenden Drucksensors, der mit dem Druck und damit mit der Druckänderung

beaufschlagt wird verglichen werden. Aus diesem Vergleich kann dann ein Kalibrierwert ermittelt werden. Der

Drucksensor wird somit direkt mit dem zu detektierenden Wert, d.h. primär, kalibriert und nicht über einen

Vergleich.

Der Druck p _n kann für verschiedene Kolbenverschiebungen XK(D ... χκ(η) und Zylinderverschiebungen xz(i) ... Xz<n) errechnet wird mit

. ^A K ^■ (( ^χ Κ(η)-**(n-i))+(*Z(n)~ ^x Zin-1)))

(Pn - Pn-l , n E N .

Damit wird es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, eine Kalibrierung mit verschiedenen statischen Drücken auszuführen .

Die Kolbenverschiebung Δχκ und die Zylinderverschiebung Δχζ können auch dynamisch, d.h. als Funktionen der Zeit x _K = dx _K /dt und x _K = dx _z /dt erzeugt werden. Die dynamische

Druckfunktion = dp/dt wird dann mit

Ακί ^χ κ + ^x z)

p— K ^■ errechnet .

In einer Variante der Erzeugung einer dynamischen Druckfunktion können x _K und x _z als Sinusfunktion mit

Frequenz f erzeugt werden.

Hierbei ist es auch möglich, dass x _K und x _z mit einer

variierenden Frequenz, d.h. x _K (f) und x _z (f) , und der

Kalibrierwert c über eine Berechnung eines

frequenzabhängigen Druckes p(/) als Funktion c( f) erzeugt werden. Damit wird es möglich, einen vollständigen

Frequenzgang des Sensors zu bestimmen.

In einer ersten Verfahrensvariante ist vorgesehen, dass dem Druck in dem Zylinder, ein dynamischer Druck, welcher mit dem Aktor erzeugt wird, überlagert wird. Wenn x _K und x _z als Sinusfunktion mit einer Frequenz f erzeugt werden, wird in dem Zylinder ein statischer Vordruck erzeugt, der über dem Umgebungsdruck liegt, dem dann der dynamische Druck

überlagert wird.

Die für die Druckberechnung mit

Ακ (.*κ + ^x z)

p = K - erforderlichen Werte der Kolbenfläche Ακ, Volumen Vo,

Kompressionsmodul K und der zeitabhängigen Kolbenbewegung x _K und Zylinderbewegung x _z werden wie folgt ermittelt: a) Eine Berechnung der Fläche Ακ erfolgt über eine

Durchmessermessung des Kolbens. b) Das Kompressionsmodul K wird anhand des eingesetzten

Fluids, anhand dokumentierter Tabellenwerte festgelegt .

Die zeitabhängige Kolbenbewegung x _K und die

Zylinderbewegung x _z werden ermittelt. Das kann durch eine separate Messung ihrer Beschleunigungen x _K und x _z und dann über die Gleichung x _K = / x _K und x _z = / x _z geschehen. Die Ermittlung des Volumens Vo, erfolgt unter

Verwendung eines nicht notwendigerweise dynamisch kalibrierten Drucksensors. Das Volumen Vo ist mit einem flüssigen Fluid, vorzugsweise mit Öl gefüllt. Damit werden zwei Messungen des dynamischen

Drucksensorausgangssignals Ü im Zylinder

durchgeführt. Zwischen diesen Messungen wird das Ausgangsvolumen variiert, der statische Vordruck, repräsentiert durch das statische Ausgangssignal U am Drucksensor, jedoch gleich eingestellt, d.h. auf den gleichen Wert, wie vor der Veränderung des

Ausgangsvolumens . Die Schritte können noch

detaillierter erläutert werden: Zunächst wird eine erste Messung ausgeführt, wobei die Kolben- und

Zylinderbewegung x _K1 bzw. x _zi gemessenen und ein dynamische Ausgangsparameter Ü ₁ bei einer Frequenz f _x am Drucksensor ermittelt wird. Dann wird das Volumen des Zylinders um AV verändert. Anschließend erfolgt eine zweite Messung des dynamischen

Ausgangsparameters Ü ₂ bei der gleichen Frequenz f ₂ fi, wobei die Kolben- und Zylinderbewegung x _K2 bzw. gemessen werden, welche nötig sind, um denselben dynamischen Ausgangsparameter, d.h. Ü _X =Ü ₂ am Drucksensor zu erhalten. Dann kann das Volumen Vo berechnet werden mit

(*ffl+*Zl)

In einer zweiten Verfahrensvariante ist vorgesehen, dass die für die Druckberechnung mit

. „ A _K (± _K + x _z )

p = K ^■ — erforderlichen Werte der Kolbenfläche Ακ, Volumen Vo,

Kompressionsmodul K und der zeitabhängigen Kolbenbewegung x _K und Zylinderbewegung x _z werden wie folgt ermittelt: a) Eine Berechnung der Fläche Ακ erfolgt über eine

Durchmessermessung des Kolbens . b) Das Kompressionsmodul K wird anhand des eingesetzten Fluids, anhand dokumentierter Tabellenwerte

festgelegt . d) Die zeitabhängige Kolbenbewegung x _K und die Zylinderbewegung x _z werden ermittelt. Das kann durch eine separate Messung ihrer Beschleunigungen x _K und x _z und dann über die Gleichung:

*κ = / ^χ κ ^und Xz = f Xz geschehen. c) Eine Ermittlung des Volumens Vo , erfolgt unter

Verwendung eines nicht notwendigerweise dynamisch, jedoch notwendigerweise statisch, kalibrierten Drucksensors . Zum Zwecke der Ermittlung des Volumens Vo wird das flüssige Fluid durch ein gasförmiges Fluid ersetzt. Damit werden zwei Messungen des statischen Drucks p ₁ und p ₂ im Zylinder durchgeführt, zwischen denen das Ausgangsvolumen um AV variiert wird. Dabei wird zunächst eine erste Messung ausgeführt, woraus der statische Ausgängsparameter Ui am Drucksensor ermittelt wird. Dann wird das Volumen des Zylinders um AV verändert und es erfolgt anschließend eine zweite Messung des statischen Ausgangsparamters U2 . Dann wird das Volumen Vo berechnet mit

Eine Gestaltung des Verfahrens sieht vor, dass mittels eines separaten Verstellkolbens mit einer Kolbenfläche Ανκ der eine Verstellbewegung mit einem Verstellweg Δχνκ ausführt, das Volumen Vo variiert und berechnet wird mit

■/ _ Α _νκ Δχ _νκ

V ^Q ~ P2-! ·

Pi

In einer dritten Verfahrensvariante kann die aufwändige Ermittlung des Volumens Vo, wie sie in der ersten und zweiten Verfahrensvariante erforderlich ist, entfallen. Hierbei werden die zeitabhängige Kolbenbewegung x _K und die

Zylinderbewegung x _z erzeugt und mittels eines Messsystems erfasst. Die dynamische Druckfunktion p wird errechnet mit

A _K {x _K + x _z )

P = K 7} = _± ^■ (x _K + x _z ) wobei alle konstanten Größen in Ci, zusammengefasst werden, d.h.

Ohne eine separate Ermittlung der Einzelgrößen wird Ci nun insgesamt ermittelt. Dies geschieht durch zwei statische Messungen des Drucks, eines notwendigerweise statisch

kalibrierten Drucksensors in Relation zur jeweiligen

Kolbenverschiebung Δχ _κ und ZylinderverSchiebung Δχ _ζ , die ebenfalls gemessen werden. Daraus werden die Druckdifferenz Δρ, die Kolbenverschiebung Ax _K und Zylinderverschiebung Δχ _ζ ermittelt und Ci wird berechnet mit c = ^p

¹ Δχ _κ + Δχ _ζ Die Kolbenverschiebung Ax _K und die Zylinderverschiebung Ax _z können auch mit Δχ _κ » Δχ _ζ gewählt werden, wobei der

Unterschied mindestens eine Größenordnung beträgt . Die zeitabhängige Druckfunktion p wird dann unter der Verwendung der Gleichungen p = K- ^{ÄK Xk} = C _x ^■ x _K bestimmt, wobei Ci durch zwei statische Messungen des Drucks, eines notwendigerweise statisch kalibrierten Drucksensors in Relation zur jeweiligen Kolbenverschiebung Δχ^ ermittelt und daraus die Druckdifferenz Δρ und Ci berechnet wird mit

Die Erfindung ermöglicht es, einen Drucksensor dynamisch primär zu kalibrieren. Damit sieht die erfindungsgemäße Lösung auch vor, dass ein solcher primär kalibrierter Sensor mit einem nunmehr bekannten Kalibrierwert c als erster

Drucksensor für eine Sekundärkalibrierung eines zweiten Drucksensors verwendet wird. Damit wird der vorrichtungs- und verfahrensseitige Aufwand erheblich verringert.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von

Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In den

zugehörigen Zeichnungen zeigt

Fig. 1 einen Frequenzgang eines Schwingungssensors mit einer Abweichung bezogen auf eine Empfindlichkeit bei 160 Hz,

Fig. 2 eine Darstellung des Funktionsprinzips einer Sekundärkalibrierung,

Fig. 3 einen piezolektrisch betriebenen Druckgenerator nach dem Stand der Technik,

Fig. 4 ein mechanisches Ersatzschaltbild eines

Druckgenerators nach dem Stand der Technik,

Fig. 5 eine schematische Darstellung der Auswirkung einer

Fundamentverbindung nach dem Stand der Technik,

Fig. 6 eine schematische Darstellung des

Funktionsprinzips der erfindungsgemäßen Lösung, Fig. 7 einen Aufbau einer erfindungsgemäßen

Kalibriervorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel ,

Fig. 8 einen Druck-Zeit-Verlauf einer dynamischen

Druckbeaufschlagung eines zu kalibrierenden

Drucksensors,

Fig. 9 einen Aufbau einer erfindungsgemäßen

Kalibriervorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel und

Fig. 10 einen Aufbau einer erfindungsgemäßen

Kalibriervorrichtung gemäß einem dritten

Ausführungsbeispiel .

Fig. 6 zeigt eine Prizipdarstellung einer erfindungsgemäßen Lösung. Die Vorrichtung weist ein Gehäuse 6 und ein mit dem Gehäuse verbundenen Zylinder 10 zur Aufnahme eines Fluids, insbesondere Öl, wie Hydrauliköl, auf. Der Zylinder 10 ist mit einem ersten Drucksensor 12 verbindbar. Der erste

Drucksensor 12 kann über eine erste Öffnung 13, insbesondere eine Schrauböffnung, mit dem Zylinder 10 verbunden werden und steht damit mit dem Fluid 11 in Kontakt. Der erste

Drucksensor 12 ist der Sensor, der primär kalibriert werden soll.

Weiterhin ist ein Kolben 8 vorgesehen, der mit dem Zylinder 10 derart zusammenwirkt, dass er in dem Zylinder gegenüber der Umgebungsatmosphäre durch eine Dichtung 14 abgedichtet und in der Dichtung 14 beweglich angeordnet ist. Damit kann der Kolben 8 direkt auf das Fluid 11 drücken und in dem Zylinder 10 einen Druck einstellen. Angetrieben wird der Kolben 8 durch einen piezoelektrischen Aktor 4, der zwischen Gehäuse 6 und einer vom Zylinder 10 abgewandten Seite 15 des Kolbens 8 angeordnet ist .

Die Vorrichtung weist keine Verbindung zu einer größeren Masse, insbesondere zu keinem Fundament auf. Damit ist sie nur durch die Verbindung Gehäuse 6 zu Aktor 4 und Aktor 4 zu Kolben 8 statisch bestimmt.

Der eingesetzte Aktor 4 wandelt ein Eingangssignal in Form einer nicht näher dargestellten in eine mechanische

Verformung um, die als mechanische Bewegung auf den Kolben 8 übertragen wird. Der Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wie er in

Fig. 7 dargestellt ist, weist alle Elemente, wie sie in der Prinzipdarstellung gemäß Fig. 6 gezeigt sind, auf. Gleiche Bezugszeichen weisen auf die gleichen Elemente, wie Gehäuse 6, Kolben 8, Zylinder 10, Fluid 11, erster Drucksensor 12, erste Öffnung 13, Dichtung 14 und zylinderabgewandte Seite 15 des Kolbens 8 hin. Zusätzlich ist eine auf den Aktor wirkende Linearspindel 16 vorgesehen, die einen Vordruck in dem Zylinder 10 einstellen lässt. Diesem wird dann der dynamische Druck, der mit dem Aktor 4 erzeugt wird,

überlagert. Es kann damit das in Fig. 8 dargestellte

Druckprofil erzeugt werden. Aufgrund verschiedener Einflüsse ist es wünschenswert, dass das Ölvolumen sehr klein ist, um die Genauigkeit des Aufbaus zu erhöhen. Dies bedeutet jedoch im Umkehrschluss , dass bereits bei einem sehr kleinen Kolbenweg (* 0,1 μιη)

ausreichend hohe Drücke erzeugt werden. Diesen Weg mit ausreichender Genauigkeit zu messen, stellt eine große

Herausforderung dar. Die Erfindung sieht deshalb vor,

Schwingungssensoren 17, 18 zu benutzen. Diese können sehr genau kalibriert werden. Über gemessene Beschleunigungen können dann die gesuchten Wege berechnet werden. Ein eine Bewegung des Kolbens relativ zum Gehäuse

erfassendes Messsystem besteht daher aus einem ersten

Schwingungssensor 17, der mit dem Kolben verbunden ist, und einem zweiten Schwingungssensor 18, der mit dem Gehäuse verbunden ist. Die Bestimmung des Kolbenwegs erfolgt dann mittels der von den Schwingungssensoren 17, 18 ausgegebenen Ausgangssignale, gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren . Die Bestimmung der zeitabhängigen Kolbenbewegung x _K wird mittels des beschleunigungsäquivalenten Ausgangssignals des ersten Schwingungssensors 17 und die Zylinderbewegung x _z mittels des beschleunigungsäquivalenten Ausgangssignals des zweiten

Schwingungssensors 18 ermittelt. Das erfolgt durch eine separate Messung ihrer Beschleunigungen x _K und x _z und dann über die Gleichung:

Je nach Empfindlichkeit des Sensors ist die Messung des Wegs erst ab ausreichend hohen Frequenzen möglich. Aufgrund der Bauraumbeschränkungen im Kolben kann nur ein sehr kleiner Sensor verwendet werden.

Die Druckberechnung zur Kalibrierung des ersten Drucksensors 12 erfolgt bei diesem Ausführungsbeispiel wie unter „erste Verfahrensvariante " beschrieben .

Ist der erste Drucksensor 12 primär dynamisch kalibriert, kann er als Referenzsensor für einen zweiten Drucksensor 20 für eine Sekundärkalibrierung verwendet werden.

Der Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wie er in Fig. 9 dargestellt ist, weist alle Elemente, wie sie in der Prinzipdarstellung gemäß Fig. 6 gezeigt sind, auf. Gleiche Bezugszeichen weisen auf die gleichen Elemente, wie Gehäuse 6, Kolben 8, Zylinder 10, Fluid 11, erster Drucksensor 12, erste Öffnung 13, Dichtung 14 und zylinderabgewandte Seite 15 des Kolbens 8 hin. Zusätzlich ist ein auf Zylinder 10 wirkenden Verstellkolben 19 vorgesehen, der einen Vordruck in dem Zylinder 10 einstellen lässt. Diesem wird dann der dynamische Druck, der mit dem Aktor 4 erzeugt wird, überlagert. Es kann damit das in Fig. 8 dargestellte Druckprofil erzeugt werden.

Die Bestimmung der zeitabhängigen Kolbenbewegung x _K wird auch in diesem Ausführungsbeispiel mittels des

beschleunigungsäquivalenten Ausgangssignals des ersten

Schwingungssensors 17 und die Zylinderbewegung x _z mittels des beschleunigungsäquivalenten Ausgangssignals des zweiten

Schwingungssensors 18 ermittelt. Das erfolgt durch eine separate Messung ihrer Beschleunigungen x _K und x _z und dann über die Gleichung:

XK = / XK und x _z = f x _z

An dieser Stelle sei erwähnt, dass die Zylinderbewegung mitunter sehr viel kleiner und für eine gegebenenfalls hinreichende Genauigkeit vernachlässigbar kleiner als die Kolbenbewegung sein kann. In diesem Fall kann auf die

Ermittlung der Zylinderbewegung x _z verzichtet werden. In diesem Falle kann auch der zweite Beschleunigungssensor 17 entfallen .

Die Druckberechnung zur Kalibrierung des ersten Drucksensors 12 erfolgt bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 9 wie unter „zweite Verfahrensvariante" beschrieben.

Der Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wie er in Fig. 10 dargestellt ist, weist alle Elemente, wie sie in der Prinzipdarstellung gemäß Fig. 6 gezeigt sind, auf. Gleiche Bezugszeichen weisen auf die gleichen Elemente, wie Gehäuse 6, Kolben 8, Zylinder 10, Fluid 11, erster Drucksensor 12, erste Öffnung 13, Dichtung 14 und zylinderabgewandte Seite 15 des Kolbens 8 hin. Zusätzlich ist ein auf Zylinder 10 wirkenden Verstellkolben 19 vorgesehen, der einen Vordruck in dem Zylinder 10 einstellen lässt. Diesem wird dann der dynamische Druck, der mit dem Aktor 4 erzeugt wird,

überlagert. Es kann damit das in Fig. 8 dargestellte

Druckprofil erzeugt werden.

Das Ziel des Ausführungsbeispieles gemäß Fig. 10 ist es, den Frequenzbereich, der bisher durch die in den

Ausführungsbeispielen nach Fig. 7 und Fig. 9 eingesetzten Schwingungssensoren 17 und 18 begrenzt ist, zu erweitern. Insbesondere soll, der Frequenzbereich zu kleinen Frequenzen bis / = 0 Hz erweitert werden. Da es Kalibriermethoden für die statische Kalibrierung von Drucksensoren gibt, ist mit der Erweiterung des Frequenzbereichs zu / = 0 Hz ein

Anschluss des dynamischen Verfahrens an das statische und somit auch ein Vergleich der ermittelten Werte möglich.

Um dies zu erreichen wurden in der dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 10 die Schwingungssensoren 17 und 18 in den

Figuren 7 und 9 durch ein Laservibrometer 21 und ein zweites Laservibrometer 24 ersetzt. Diese sind in der Lage, sehr viel kleinere Beschleunigungen zu messen, als der zuvor gezeigten Beschleunigungssensoren 16 und 17.

Um den Laserstrahl 22 des Laservibrometers 21 direkt auf den Kolben treffen zu lassen, ist der Aktor als Hohlaktor 23 ausgebildet. Der Laserstrahl 25 des zweiten Laservibrometers 24 trifft direkt auf das Gehäuse 6. Weiterhin ist das Laservibrometer 21 in der Lage, auch statische Messungen der Kolbenverschiebung mit einer sehr hohen Genauigkeit durchzuführen. Dies ist ein wesentlicher Vorteil zu den zuvor gezeigten Ausführungsbeispielen. Das gleiche gilt für das zweite Laservibrometer 24.

Die Druckberechnung zur Kalibrierung des ersten Drucksensors 12 erfolgt bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 10 wie unter „dritte Verfahrensvariante" beschrieben.

Auch hier ist es möglich, bei Vorliegen der dynamischen

k

Primärkalibrierung des ersten Drucksensors 12 einen zweiten

j..

Drucksensor 20 dynamisch sekundär zu kalibrieren. Bei einer solchen Sekundärkalibrierung können dann die Laservibrometer 21 und 24 entfallen.

Die Besonderheiten der Erfindung können folgendermaßen zusammengefasst werden:

- Es wird ein Pistonphon (Kolben - Zylinder System)

benutzt ; ^· .. ^'

- Es wird ein freies Zweimassen-Schwinger-System

realisiert.

- Eine Bewegung an Kolben 8 und Gehäuse 6 wird

ermöglicht.

- An zwei Messpunkten wird die Verschiebung des Kolbens 8 und des Gehäuses 6 gemessen.

- Es handelt sich um ein statisch bestimmtes System, da Kolben 8 und Gehäuse 6 nur über das Gehäuse 6 bzw. den

Aktor 4 selbst verbunden sind. Hierzu wird eine

Dichtung 14, insbesondere eine Elastomerdichtung verwendet .

Es wird ein Verstellkolben 19 vorgesehen, mit diesem ist es möglich, eine statische Druckerhöhung zu erzeugen. Die statische Druckerhöhung ist zwingend erforderlich um:

^■ Druckamplituden größer 1 bar zu erzeugen und

^■ definierte Kalibrierbedingungen im Aufbau herzustellen (insbesondere einen definierten Kompressionsmodul K zu erreichen)

Vorrichtung und Verfahren zur dynamischen Kalibrierung von

Drucksensoren

Bezugszeichenliste

1 Balken

2 Kontrollvolumen

3 Membran

4 Aktor

5 Vergleichssensor

6 Gehäuse

7 Fundament

8 Kolben

9 Traverse

10 Zylinder

11 Fluid

12 erster Drucksensor

13 erste Öffnung

14 Dichtung

15 zylinderabgewandte Seite des Kolbens

16 Linearspindel

17 erster Schwingungssensor

18 zweiter Schwingungssensor

19 Verstellkolben

20 zweiter Drucksensor

21 Laservibrometer

22 Laserstrahl Hohlaktor

zweites Laservibrometer

Laserstrahl des zweiten Laservibrometers