DE3021088A1

DE3021088A1 - Capacitive press. sensor e.g. for IC engines - has dielectric and two electrodes formed as disc or tube

Info

Publication number: DE3021088A1
Application number: DE19803021088
Authority: DE
Inventors: Dieter Dipl.-Ing. 7000 Stuttgart Betz; Klaus Dr. 7016 Gerlingen Dobler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1980-06-04
Filing date: 1980-06-04
Publication date: 1981-12-10

Abstract

The press. sensor is partic. simple, robust and cheap in comparison with conventional press. sensors and does not contain any expensive material. It also produces active signals suitable for direct processing. A capacitor consisting of a dielectric (3) and two or more electrodes (1,2) is placed in the medium whose press. is to be measured. The active electrical signal produced by the press. acting on the capacitor arrangement is fed to an amplifier (8). The dielectric medium may be of plastic or ceramic material. The capacitor may be constructed as a disc or small tubular object and may be used for measuring the press. of an internal combustion engine, in which case it can be built into an ignition spark plug.

Description

Sensorsensor

Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einem Sensor nach der Gattung des Hauptanspruches.PRIOR ART The invention is based on a sensor according to FIG Genre of the main claim.

Es sind verschiedene Anordnungen bekannt, um den Druck in einem Medium dadurch zu messen, daß die Krafteinwirkung auf einen im Medium angeordneten Sensor erfaßt wird.Various arrangements are known for the pressure in a medium to measure by the fact that the force acting on a sensor arranged in the medium is detected.

Als Sensoren eignen sich hierbei auch kapazitive Aufne-hmer, wie sie beispielsweise in dem Lehrbuch F.X. Eder, Moderne Meßmethoden der Physik, Teil I, VEB-Verlag der Wissenschaften 1968, Seite 355 beschrieben sind. Nachteil dieser bekannten kapazitiven Sensoren ist jedoch, daß die sich änderende Kapazität mit aufwendigen Hochfrequenzmitteln -erfaßt werden muß, die insbesondere dann nicht vorgesehen werden können, wenn es sich um Messungen unter rauhen Betriebsbedingungen, beispielsweise an Bord eines Kraftfahrzeuges handelt.Capacitive pickups, like them, are also suitable as sensors for example in the textbook F.X. Eder, Modern Measurement Methods in Physics, Part I, VEB-Verlag der Wissenschaften 1968, page 355 are described. Disadvantage of this known capacitive sensors is that the changing capacitance with expensive high-frequency means must be detected, which in particular then not can be provided for measurements under rough operating conditions, for example, acts on board a motor vehicle.

Es ist weiter bekannt, daß bei Verbrennungsmotoren unter bestimmten Arbeitsbedingungen ein sogenanntes Klopfen auftritt. Hierunter versteht man tonfrequente Schwingungen des kompremierten Kraftstoff-Luft-Gemisches, die durch eine unkontrollierte Verbrennung ausgelöst werden. Während dieser Schwingungen ist der Wärmeübergang an Kolben- und Zylinderwänden des Verbrennungsmotors stark erhöht. Dies hat eine schädliche thermische Überlastung dieser Flächen zur Folge, so daß man bestrebt ist, das Klopfen grundsätzlich zu vermeiden, da durch die auftretenden Materialabtragungen an den brennraumseitigen Wandungen schließlich eine Zerstörung des Verbrennungsmotors auftreten kann. Da man jedoch andererseits bestrebt ist, den bestehenden Betriebsbereich des Verbrennungsmotors möglichst weitgehend auszunutzen, besteht Interesse aneinem- Sensor, der'das Klopfen frühzeitig und sicher anzeigt. Dabei kann das Klopfen beispielsweise durch Messung und Uberwaehung des Druckes im Brennraum des Verbrennungsmotors erkannt werden.It is also known that in internal combustion engines under certain Working conditions a so-called knocking occurs. This is understood to mean audio frequencies Vibrations of the compressed air-fuel mixture caused by an uncontrolled Combustion can be triggered. The heat transfer occurs during these oscillations greatly increased on the piston and cylinder walls of the internal combustion engine. This has a harmful thermal overloading of these surfaces result, so that one strives is to avoid knocking as a matter of principle, because of the material erosion that occurs Finally, destruction of the internal combustion engine on the walls on the combustion chamber side can occur. However, since one strives on the other hand, the existing operating area of the internal combustion engine as much as possible, there is interest in a Sensor that indicates knocking early and reliably. This can include knocking, for example detected by measuring and monitoring the pressure in the combustion chamber of the internal combustion engine will.

Vorteile der Erfindung .Der erfindungsgemäße Sensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruches hat'gegenüber den bekannten Drucksensoren den Vorteil, besonders einfach,- robust und billig inder Herstellung zu sein, da keine hochwertigen Materialien verwendet werden müssen. Außerdem liefert.der erfi-ndungsgemäße Sensor aktive Signale, die unmittelbar weiterverarbeitet werden können.Advantages of the invention. The sensor according to the invention with the characterizing Features of the main claim has the advantage over the known pressure sensors particularly simple to be robust and cheap to manufacture, since there are no high quality ones Materials must be used. In addition, the sensor according to the invention delivers active signals that can be processed further immediately.

Zeichnung Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 ein erstes A-usführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors in Scheibenform in einer Maschinenschraube; Fig. 2 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors in Röhrchenform; Fig. 3 eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßefl Sensors in einer Zündkerze; Fig. 4 bis 6 we-itere Ausgestaltungen der in Fig. 3 angegebenen Ausführangsform.Drawing The invention is shown in the drawing and in the explained in more detail below. 1 shows a first exemplary embodiment one according to the invention Disc-shaped sensor in a machine screw; 2 shows a second embodiment of a sensor according to the invention in the form of a tube; 3 shows a third embodiment of a sensor according to the invention in a spark plug; 4 to 6 further embodiments of the embodiment indicated in FIG. 3.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform eines erfinduflgsgemäßen Sensors wird eine kondensatorähnliche Anordnung verwendet, die ein zwischen zwei Elektroden 1, 2 angeordnetes Dielektrikum 3 aufweist. Die aus den Elementen 1 bis 3 gebildete Kondensatoranordnung ist dabei zum Schutze gegen das den-Sensor umgebende Medium mit einer Schutzschicht 4 umgeben. An di Elektroden 1, 2 ist eine zweiadrige Zuleitung 5 angeschlossen. Im in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Sensoranordnung in einen Schlitz im Schaft einer Maschinenschraube 6 angeordnet, die in eine Wandung 7 eingeschraubt ist, die beispielsweise die Wandung eines Druckbehälters sein kann. Die -Zuleitung 5 ist drucksicher durch die Maschinenschraube 6 geführt und mit einem Verstärker 8 verbunden.Description of the exemplary embodiments In the case of the one shown in FIG A capacitor-like arrangement is an embodiment of a sensor according to the invention is used, which has a dielectric 3 arranged between two electrodes 1, 2. The capacitor arrangement formed from elements 1 to 3 is for protection Surrounded with a protective layer 4 against the medium surrounding the sensor. To the electrodes 1, 2 a two-wire supply line 5 is connected. In the embodiment shown in FIG the sensor arrangement is arranged in a slot in the shaft of a machine screw 6, which is screwed into a wall 7, for example the wall of a pressure vessel can be. The feed line 5 is guided through the machine screw 6 in a pressure-proof manner and connected to an amplifier 8.

Die erfindungsgemäßen Sensoren machen sich die Tatsache zunutze, daß an aneinander angrenzenden Körpern bestimmter Stoffe bei Deformation ihrer Oberfläche oder ihres Volumens elektrische Impulse -entstehen, die durch Ladungsänderungen in der Oberfläche erzeugt werden. Bei der in Fig. 1 dargestellten Scheibchenkondensator-Anordnung wird das Dielektrikum 3 dann deformiert, wenn sich der auf der Innenseite der Wandung 7 herrschende Druck ändert. Dann wird die Oberfläche der Elektroden 1, 2 und das Volumen des Dielektrikums 3 geändert und über die Zuleitung 5 wird ein elektrischer Impuls an den Verstärker 8 abgegeben. Bei diesem Signal handelt es sich um ein aktives elektrisches Signal, das eine ausreichende Amplitude besitzt, um direkt oder nach entsprechender Verstärkung weiterverarbeitet zu werden.The sensors according to the invention make use of the fact that on adjacent bodies of certain substances when their surface is deformed or their volume, electrical impulses arise from changes in charge can be generated in the surface. In the case of the disc capacitor arrangement shown in FIG the dielectric 3 is then deformed when it is on the inside of the wall 7 prevailing pressure changes. Then the surface of the electrodes 1, 2 and that Volume of the dielectric 3 changed and via the lead 5 is an electrical Pulse delivered to amplifier 8. Act on this signal it is an active electrical signal with sufficient amplitude to be further processed directly or after appropriate reinforcement.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform ist die Sensoranordnung in Form eines Röhrchenkondensators realisiert. Dabei hat das Dielektrikum 3 eine rohrförmige Gestait und ist an der Innen- und Außenseite mit den Elektroden 1 bzw. 2 bedeckt. Entsprechend ist von den Elektroden 1, 2 die Zuleitung 5 weggeführt und die Sensoranordnung ist gegebenenfalls gegen Einflüsse des umgebenden Mediums mit einer Schutzschicht 4 geschütz.In the embodiment shown in FIG. 2, the sensor arrangement is realized in the form of a tube capacitor. The dielectric 3 has a tubular structure and is on the inside and outside with the electrodes 1 resp. 2 covered. Correspondingly, the supply line 5 is led away from the electrodes 1, 2 and the sensor arrangement is, if necessary, against influences from the surrounding medium a protective layer 4 protected.

Will man den Druckverlauf im Verbrennungsraum eines Verbrennungsmotors messen, wird erfindungsgemäß eine auf den eingangs ausführlich geschilderten Erscheinungen beruhende Sensoranordnung dadurch realisiert, daß eine Kondensatoranordnung in einer Zündkerze des Verbrennungsmotors untergebracht wird. Hierbei wird die Tatsache ausgenutzt, daß zwischen der Mittelelektrode 10 und dem Außengewinde 11 einer Zündkerze üblicherweise ein sogenannter "Atmungsraum 12 vorgesehen ist. Erfindungsgemäß wird daher eine kapazitive Sensoranordnung in diesem'Atmungsraum 12-untergebracht und zwar in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung entweder an der Außenseit-e,'d.h. der Innenseite des Außengewindes 11 oder an der Innenseite, d.h. an der Außenseite des die Mittelelektrode 10 umgebenden Kerzensteins. Die Sensoranordnung ist dabei bevorzugt wieder als Röhrchenkondensator ausgebildet, wobei das Dielektrikum 13 bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform direkt auf die Innenseite des Außengewindes 11 aufgebracht ist, wobei das Außengewinde 11 eine Elektrode des Kondensators bildet. Die zweite Elektrode 14 ist auf die Innenseite des Dielektrikums 13 aufgebracht und wird über eine Zuleitung 15 drucksicher mit dem Außenraum verbunden.If you want the pressure curve in the combustion chamber of an internal combustion engine measure, according to the invention one of the phenomena described in detail at the beginning based sensor arrangement realized that a capacitor arrangement in a Spark plug of the internal combustion engine is housed. Here the fact is exploited that between the center electrode 10 and the external thread 11 of a spark plug usually a so-called "breathing space 12 is provided. According to the invention, therefore, a capacitive sensor arrangement housed in this breathing space 12, more preferably Embodiment of the invention either on the outside-e, 'i.e. the inside of the External thread 11 or on the inside, i.e. on the outside of the center electrode 10 surrounding candle stones. The sensor arrangement is again preferably a tube capacitor formed, the dielectric 13 in the embodiment shown in FIG is applied directly to the inside of the external thread 11, the external thread 11 forms an electrode of the capacitor. The second electrode 14 is on the inside of the dielectric 13 and is pressure-proof via a lead 15 with connected to the outside space.

Der Aufbau der in Fig.-3 dargestellten Kondensatoranordnung in einer Zündkerze kann entsprechend dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel verändert werden. Dabei ist auf die Anordnung aus Dielektrikum 13 und Elektrode 14 zusätzlich eine Schutzschicht 16 gegen die im Brennraum vorhandenen Verbrennungsgase vorgesehen. Bei der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform wird das Dielektrikum 13 nicht unmittelbar auf die Innenseite des ußengewinds 11 auf--gebracht sondern ist von zwei Isolierschichten 17, 18 eingeschlossen, was wiederum zwei Elektroden 14, 19 erfordert, die über eine zweiadrige Zuleitung in den Außenraum geführt werden. Wie aus Fig. 6 ersichtlich, kann die in Fig. -5 dargestellte Anordnung durch eine Schutzschicht 16 erweitert werden, um die Anordnung gegenüber den Verbrennungsgasen zu schützen.The structure of the capacitor arrangement shown in Fig. 3 in a The spark plug can be modified in accordance with the exemplary embodiment shown in FIG. 4 will. The arrangement of dielectric 13 and electrode 14 is also important a protective layer 16 is provided against the combustion gases present in the combustion chamber. In the embodiment shown in FIG. 5, the dielectric 13 is not immediate on the inside of the external thread 11 but is made up of two insulating layers 17, 18 included, which in turn requires two electrodes 14, 19, which have a two-wire supply line to be led into the outside area. As can be seen from Fig. 6, The arrangement shown in FIG. 5 can be extended by a protective layer 16 to protect the arrangement from the combustion gases.

Es versteht sich-von selbst, daß die insbesondere in den Fig. 3 und 6 dargestellten Ausführungsformen nur beispielhafte Darstellungen sind. Es ist selbstverständlich genauso möglich, im Atmungsraum 12 der Zündkerze einen Scheibchenkondensator oder eine Kondensatoranordnung anderer Geometrie unterzubringen.It goes without saying that the particulars in FIGS. 3 and 6 are only exemplary representations. It goes without saying just as possible, a disc capacitor or in the breathing space 12 of the spark plug to accommodate a capacitor arrangement with a different geometry.

Claims

Claims 1 sensor for detecting the pressure of a medium, characterized characterized in that in the medium a capacitor arrangement consisting of at least a dielectric (3, 13) and. at least two electrodes (1, 2, 14, 19) arranged is and the active electrical generated when pressure is applied to the capacitor arrangement Signal is fed to an amplifier (8).

2. Sensor according to claim 1, characterized in that the dielectric (3, 13) is made of plastic.

3. Sensor according to claim -1, characterized in that the dielectric (3, 13) is made of ceramic.

4. Sensor according to one of the preceding claims, characterized in that that the capacitor arrangement is designed in disc design.

5. Sensor according to one of claims 1 to 3, characterized in that that the capacitor arrangement is designed in tube design.

6. Sensor for detecting the combustion pressure in an internal combustion engine, with a pressure-sensitive element arranged in a spark plug, characterized in that that in an atraungsraum located between the center electrode (10) and the external thread (11) (12) an arrangement of at least one dielectric (13) and at least two electrodes (11, 1h, 19) is arranged.