EP1706717A1 - Druckaufnehmer mit ir-strahlungsaufnehmer - Google Patents

Druckaufnehmer mit ir-strahlungsaufnehmer

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Publication number
EP1706717A1
EP1706717A1 EP04790041A EP04790041A EP1706717A1 EP 1706717 A1 EP1706717 A1 EP 1706717A1 EP 04790041 A EP04790041 A EP 04790041A EP 04790041 A EP04790041 A EP 04790041A EP 1706717 A1 EP1706717 A1 EP 1706717A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
radiation
membrane
pressure sensor
infrared
sensor according
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP04790041A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jean-François LONGCHAMP
Dominique Marchal
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1706717A1 publication Critical patent/EP1706717A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L11/00—Measuring steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by means not provided for in group G01L7/00 or G01L9/00
    • G01L11/02—Measuring steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by means not provided for in group G01L7/00 or G01L9/00 by optical means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L23/00—Devices or apparatus for measuring or indicating or recording rapid changes, such as oscillations, in the pressure of steam, gas, or liquid; Indicators for determining work or energy of steam, internal-combustion, or other fluid-pressure engines from the condition of the working fluid
    • G01L23/08—Devices or apparatus for measuring or indicating or recording rapid changes, such as oscillations, in the pressure of steam, gas, or liquid; Indicators for determining work or energy of steam, internal-combustion, or other fluid-pressure engines from the condition of the working fluid operated electrically
    • G01L23/16—Devices or apparatus for measuring or indicating or recording rapid changes, such as oscillations, in the pressure of steam, gas, or liquid; Indicators for determining work or energy of steam, internal-combustion, or other fluid-pressure engines from the condition of the working fluid operated electrically by photoelectric means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0076—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using photoelectric means

Definitions

  • the invention relates to a pressure transducer with a membrane which can be deformed or moved in different ways due to pressure differences.
  • Such a pressure transducer which is assumed to be known (without this printed document), is based on the fact that the deflection of a deformable membrane is recorded for the pressure measurement.
  • One problem for example, is to carry out a pressure measurement in the combustion chamber of an internal combustion engine, with temperatures of more than 500 ° C.
  • the invention has for its object to provide a pressure transducer of the type mentioned, with which, even under unfavorable measuring conditions, such as even in poorly accessible rooms with higher temperatures, pressure can be measured reliably.
  • At least one functional section of the membrane has a material that has the properties of a black radiator or that in the spectral radiation range has a radiance essential for detection that corresponds to the temperature of the membrane under its conditions of use, and that the membrane has a the radiation receiving unit at least partially detecting the emitted radiation is associated with at least one IR radiation sensor.
  • the pressure is recorded and evaluated on the basis of a temperature detection of the membrane.
  • the measurement is based on the Planck law of radiation, which is known per se, according to which the radiation power per surface unit of a black radiator and per wavelength unit has the formulaic relationship which is known per se.
  • the spectral emissivity of a surface is defined as the ratio between the spectral radiance of this surface and the spectral radiance of the black body at the same temperature. This function is less than or equal to 1, and if it is constant, the surface is called a gray emitter.
  • the maximum of the spectral radiation power varies between 5 ⁇ m for a temperature of 300 ° C to 3.3 ⁇ m for a temperature of 600 ° C.
  • the curves show a much steeper curve on the left side of the maximum, ie towards shorter wavelengths, than on the right side, ie towards longer wavelengths.
  • the radiation sensor and any filters arranged in front of it are selected according to the prevailing temperature range.
  • a defined radiation and detection are favored by the fact that the functional section is arranged in a central area of the membrane and is formed by a coating with a material, and that the functional section is surrounded by a section which has a lower radiation capacity at least in the radiation area which corresponds to the temperature of the membrane under the conditions of use.
  • a stable, reliably functioning structure is obtained in that an infrared conductor is arranged between the radiation receiving unit and the membrane, which is transparent at least in the spectral radiation range that corresponds to the operating conditions of the pressure sensor.
  • the high permeability in the spectral radiation range in question can thus be selected be that there is no significant attenuation of the radiation emitted by the membrane.
  • the infrared conductor has a tubular section with treated inner wall surface for guiding the IR radiation emitted by the membrane and / or that the infrared conductor has a dielectric waveguide for guiding the IR radiation emitted by the membrane , It can furthermore be advantageously provided that the infrared conductor, when formed with a tubular section, bears a smooth surface with a roughness less than the relevant wavelengths and a coating which at least largely reflects the infrared radiation of the membrane, or that the infrared conductor, when formed with a waveguide Germanium, sapphire, quartz, calcium fluoride or sodium chloride.
  • the infrared conductor has lens elements.
  • the measures contribute to the sensitivity and measuring accuracy that the radiation sensitivity of the IR radiation sensor is matched to the infrared radiation of the membrane and that the radiation receiving unit is adapted to the oscillation frequency of the membrane.
  • An evaluation unit assigned to the radiation receiving unit can also be easily designed accordingly for the measurement.
  • the IR radiation detector has a pyroelectric detector, a bolometer or a thermopile.
  • the measures are also advantageous in that a cooling device is assigned to the IR radiation sensor and / or that an infrared filter for selecting a radiation band relevant for the measurement is connected upstream of the IR radiation sensor.
  • a further advantageous measure consists in the radiation receiving unit having two IR radiation sensors, in front of which infrared filters of different spectral transmissivity are arranged, and in that an evaluation unit is designed such that the radiation components detected by the two IR radiation sensors are included in such are separated, which result from deflections of the membrane and those which result from temperature changes of the membrane.
  • FIG. 1 is an illustration of a pressure transducer in a longitudinal section
  • Fig. 2 and 3 show a change in the radiation current detected by a radiation sensor as a function of a deflection of a membrane of the pressure sensor using a tube or an optical fiber conductor and
  • Fig. 4 the spectral radiation power of a radiating surface of 1 mm diameter for different temperatures.
  • a pressure sensor shown in FIG. 1 has a membrane 1 which can be deflected or deformed under the action of a pressure, and an infrared (IR) radiation sensor 4, between which an infrared conductor 2 is arranged which transmits the infrared radiation emitted by the membrane 1 to the IR -Radiation sensor 4 leads.
  • An optical filter 3 is advantageously arranged in front of the IR radiation detector 4, and a cooling element 5 is assigned to the radiation receiver 4.
  • the pressure is measured by measuring the deflection of the membrane 1. It is determined by measuring the change in the radiation current detected by the IR radiation sensor 4, as can be seen, for example, from the values shown in FIGS. 2 and 3 shows diagrams.
  • a central area of the membrane 1 is designed as a functional section 1 .1 and coated with a material that has the properties of a black radiator or has a good emissivity in a spectral radiation range that corresponds to the temperature of the membrane 1 when the pressure sensor is in use.
  • a material can e.g. Carbon black, iron oxide or a similar oxide, heavily oxidized copper, oxidized steel or the like.
  • a surrounding area 1 .2 of the middle or inner membrane section 1 .1 is coated with a material that has only a weak emissivity in the spectral range in which the pressure sensor is used, so that the radiation source formed by the membrane 1 is limited as clearly as possible.
  • a material can e.g. be a thin gold coating.
  • the infrared conductor 2 must have good permeability in the spectral range in which the pressure sensor is used.
  • the infrared conductor 2 can be formed by means of a tubular section or a tube, the inner wall surface of which has a suitable surface condition with the lowest possible roughness (lower than the wavelength) and is coated with a material which has the best possible reflection in the spectral range corresponding to the use and therefore the weakest possible Has emissivity, for which a gold or silver coating or the like is suitable.
  • the infrared conductor 2 with such a permeability and inner wall surface 2.1 ensures a largely complete transmission of the radiation emitted by the membrane to the IR radiation sensor 4.
  • the infrared conductor 2 can also be a dielectric waveguide comparable to an optical fiber conductor which has a good transmission capacity in the spectral range corresponding to the application.
  • Such materials can e.g. Germanium (for a spectral range from 1.8 to 28 ⁇ m), sapphire (0.17 to 6.5 ⁇ m), quartz (0.2 to 4.5 ⁇ m), calcium fluoride (0.2 to 8 ⁇ m) , Sodium chloride (0.2 to 26 ⁇ m) or the like.
  • the waveguide can also be formed by one or more lenses, which can also be present in combination with the above-mentioned designs.
  • the IR radiation sensor 4 should be as sensitive as possible in the spectral range of the IR radiation of the membrane 1 and have a response range which is matched to the oscillation frequency of the membrane 1.
  • the cooling element 5 for example a Peltier element, can be provided in order to cool the IR radiation sensor 4.
  • the radiation detector 4 can be a pyroelectric detector, a bolometer, a thermopile or the like. his.
  • the optical filter 3 is advantageously arranged in front of the IR radiation sensor 4 select a precisely coordinated spectral radiation range for the evaluation.
  • At least two IR radiation receivers 4 are arranged next to one another, in front of which an optical filter 3 is arranged in each case, which pass through different spectral radiation regions, for example one of the filters transmitting the radiation component corresponding to the left part of the curve shown in FIG.
  • Fig. 2 shows the change in the radiation current which is absorbed by the IR radiation sensor 4 in operation when the membrane 1 is deflected in the event that the functional section 1 .1 of the membrane 1 (black body) has a diameter of 1 mm Has temperature of 300 ° C and the infrared conductor 2 is a tube of 1 mm diameter, the entrance surface 1 is 10 microns away from the surface of the membrane 1 when the pressure transducer is in the idle state, it being assumed that the guide tube no radiation attenuation caused.
  • Fig. 3 gives the change in the radiation current under the same conditions Again, however, a light guide optics of 1 mm in diameter and a numerical aperture of 0.75 is used as infrared guide 2. Both fig. show that the received radiation power l changes significantly with the distance d of the measuring membrane, ie it decreases with increasing distance.

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Druckaufnehmer mit einer durch ­ Druckunterschiede unterschiedlich deformierbaren oder ortsveränderbaren Membran (1). Ein auch in schwer zugänglichen Räumen mit höheren Temperaturen vor­teilhaft verwendbarer Aufbau wird dadurch erhalten, dass zumindest ein Funk­tionsabschnitt (1.1) der Membran (1) ein Material aufweist, das die Eigen­schaften eines schwarzen Strahlers besitzt oder ein in demjenigen spektralen Strahlungsbereich ein für eine Erfassung wesentliches Strahlungsvermögen be­sitzt, der der Temperatur der Membran (1) unter deren Einsatzbedingungen ent­spricht, und dass der Membran (1) eine die abgegebene Strahlung zumindest teilweise erfassende Strahlungsempfangseinheit mit mindestens einem IR-Strah­lungsaufnehmer (4) zugeordnet ist.

Description

DRUCKAUFNEHMER MIT IR- STRAHLUNGSAUFNEHMER
Die Erfindung bezieht sich auf einen Druckaufnehmer mit einer durch Druckunterschiede unterschiedlich deformierbaren oder ortsveränderbaren Membran.
Stand der Technik
Ein derartiger (ohne vorliegenden druckschriftlichen Beleg) als bekannt angenommener Druckaufnehmer basiert darauf, dass für die Druckmessung die Auslenkung einer deformierbaren Membran erfasst wird. Ein Problem besteht beispielsweise darin, eine Druckmessung in dem Brennraum einer Brennkraftmaschine vorzunehmen, wobei Temperaturen von mehr als 500 ° C herrschen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Druckaufnehmer der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit dem auch bei ungünstigen Messbedingungen, wie z.B. auch in schlecht zugänglichen Räumen mit höherer Temperatur, zuverlässig Drücke gemessen werden können.
Vorteile der Erfindung
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Hierbei ist vorgesehen, dass zumindest ein Funktionsabschnitt der Membran ein Material aufweist, das die Eigenschaften eines schwarzen Strahlers besitzt oder ein in demjenigen spektralen Strahlungsbereich ein für eine Erfassung wesentliches Strahlungsvermögen besitzt, der der Temperatur der Membran unter deren Einsatzbedingungen entspricht, und dass der Membran eine die abgegebene Strahlung zumindest teilweise erfassende Strahlungsempfangseinheit mit mindestens einem IR-Strahlungsaufnehmer zugeordnet ist.
Mit diesem Aufbau wird der Druck auf der Grundlage einer Temperaturerfassung der Membran aufgenommen und ausgewertet. Die Messung basiert auf dem an sich bekannten Planckschen Strahlungsgesetz, nach dem die Strahlungsleistung pro Oberflächeneinheit eines schwarzen Strahlers und pro Wellenlängeneinheit den an sich bekannten formelmäßigen Zusammenhang besitzt. Dabei ist das spektrale Emissionsvermögen einer Oberfläche definiert als Verhältnis zwischen der spektralen Strahldichte dieser Oberfläche und der spektralen Strahldichte des schwarzen Körpers bei derselben Temperatur. Diese Funktion ist kleiner oder gleich 1 , und wenn sie konstant ist, wird die Oberfläche als grauer Strahler bezeichnet.
Zur Veranschaulichung zeigt Fig . 4 die spektrale Dichte der Strahlungsleistung für Temperaturen von 300° C, 400° C, 500 ° C und 600° C für eine strahlende Oberfläche von 1 mm Durchmesser und . einem Emissionsvermögen = 1 (schwarzer Strahler) . Das Maximum der spektralen Strahlungsleistung variiert zwischen 5 μm für eine Temperatur von 300° C bis 3.3 μm für eine Temperatur von 600 ° C. Die Kurven zeigen auf der linken Seite des Maximums, d.h. zu kürzeren Wellenlängen hin, einen viel steileren Verlauf als auf der rechten Seite, d.h. zu längeren Wellenlängen hin. Der Strahlungsaufnehmer und gegebenenfalls davor angeordnete Filter werden entsprechend dem vorherrschenden Temperaturbereich gewählt.
Eine definierte Abstrahlung und Erfassung werden dadurch begünstigt, dass der Funktionsabschnitt in einem zentralen Bereich der Membran angeordnet ist und durch eine Beschichtung mit, em Material- ausgebildet ist und dass der Funktionsabschnitt von einem Abschnitt umgeben ist, der ein geringeres Strahlungsvermögen zumindest in dem Strahlungsbereich besitzt, der der Temperatur der Membran unter den Einsatzbedingungen entspricht.
Verschiedene vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten bestehen darin, dass der Funktionsabschnitt mit Ruß, Eisenoxid, oxidiertem Kupfer, oxidiertem Stahl beschichtet ist und/oder dass der Umgebungsabschnitt eine Goldbeschichtung trägt.
Ein stabiler, zuverlässig funktionierender Aufbau wird dadurch erhalten, dass zwischen der Strahlungsempfangseinheit und der Membran ein Infrarotleiter angeordnet ist, der zumindest in dem spektralen Strahlungsbereich durchlässig ist, der den Einsatzbedingungen des Druckaufnehmers entspricht. Die hohe Durchlässigkeit in dem betreffenden spektralen Strahlungsbereich kann so gewählt werden, dass sich keine wesentliche Schwächung der von der Membran abgegebenen Strahlung ergibt.
Dabei bestehen vorteilhafte Ausgestaltungsvarianten darin, dass der Infrarotleiter einen röhrenförmigen Abschnitt mit behandelter Innen-Wandfläche für die Führung der von der Membran ausgesandten IR-Strahlung aufweist und/oder dass der Infrarotleiter einen dielektrischen Wellenleiter für die Führung der von der Membran ausgesandten IR-Strahlung aufweist, wobei desweiteren vorteilhaft vorgesehen sein kann, dass der Infrarotleiter bei Ausbildung mit einem röhrenförmigen Abschnitt eine glatte Oberfläche mit einer Rauigkeit geringer als die betreffenden Wellenlängen und eine die Infrarotstrahlung der Membran zumindest größten Teils reflektierende Beschichtung trägt oder dass der Infrarotleiter bei Ausbildung mit einem Wellenleiter aus Germanium, Saphir, Quarz, Kalzium- fluorid oder Natriumchlorid besteht.
Hierbei kann für die Strahlungsführung weiterhin vorgesehen sein, dass der Infrarotleiter Linsenelemente aufweist.
Zur Empfindlichkeit und Messgenauigkeit tragen die Maßnahmen bei, dass der IR-Strahlungsaufnehmer in seiner Strahlungsempfindlichkeit auf die Infrarotstrahlung der Membran abgestimmt ist und dass die Strahlungsempfangseinheit an die Schwingungsfrequenz der Membran angepasst ist. Für die Messung kann dabei auch eine der Strahlungsempfangseinheit zugeordnete Auswerteeinheit leicht entsprechend ausgelegt werden.
Weitere verschiedene Ausgestaltungsmöglichkeiten ergeben sich dadurch, dass der IR-Strahlungsaufnehmer einen pyroelektrischen Detektor, ein Bolometer oder eine Thermosäule aufweist. Für die Gewinnung eines zuverlässigen Messsignals sind ferner die Maßnahmen von Vorteil, dass dem IR-Strahlungsaufnehmer eine Kühlvorrichtung zugeordnet ist und/oder dass dem IR-Strahlungsaufnehmer ein Infrarotfilter zum Selektieren eines für die Messung maßgeblichen Strahlungsbandes vorgeschaltet ist.
Um weitere negative Umgebungseinflüsse auszuschließen, besteht eine weitere vorteilhafte Maßnahme darin, dass die Strahlungsempfangseinheit zwei IR-Strahlungsaufnehmer aufweist, vor denen Infrarotfilter unterschiedlicher spektraler Durchlässigkeit angeordnet sind und dass eine Auswerteeinheit so ausgebildet ist, dass die von den beiden IR-Strahlungsaufnehmern erfassten Strahlungsanteile in solche getrennt werden, die von Auslenkungen der Membran herrühren, und solche, die von Temperaturänderungen der Membran herrühren.
Zeichnung
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Darstellung eines Druckaufnehmers in einem Längsschnitt,
Fig . 2 und 3 eine Änderung des von einem Strahlungsaufnehmer erfassten Strahlungsstroms in Abhängigkeit einer Auslenkung einer Membran des Druckaufnehmers unter Verwendung eines Tubus bzw. eines optischen Faserleiters und
Fig . 4 die spektrale Strahlungsleistung einer strahlenden Oberfläche von 1 mm Durchmesser für verschiedene Temperaturen. Ausführungsbeispiel
Ein in Fig. 1 dargestellter Druckaufnehmer weist eine unter der Wirkung eines Druckes auslenkbare bzw. deformierbare Membran 1 sowie einen Infrarot (IR)- Strahlungsaufnehmer 4 auf, zwischen denen ein Infrarotleiter 2 angeordnet ist, der die von der Membran 1 abgegebene Infrarotstrahlung zu dem IR-Strahlungsaufnehmer 4 führt. Vor dem IR-Strahlungsaufnehmer 4 ist vorteilhaft ein optisches Filter 3 angeordnet, und dem Strahlungsempfänger 4 ist ein Kühlelement 5 zugeordnet. Die Druckmessung erfolgt durch Messen der Auslenkung der Membran 1 . Sie wird bestimmt durch die Messung der Änderung des von dem IR-Strahlungsaufnehmer 4 erfassten Strahlungsstroms, wie er sich beispielsweise aus den in den Fig . 2 und 3 gezeigten Diagrammen ergibt.
Ein mittlerer Bereich der Membran 1 ist als Funktionsabschnitt 1 .1 ausgebildet und mit einem Material beschichtet, das Eigenschaften eines schwarzen Strahlers oder ein gutes Emissionsvermögen in einem spektralen Strahlungsbereich besitzt, der der Temperatur der Membran 1 entspricht, wenn sich der Druckaufnehmer im Einsatzzustand befindet. Ein derartiges Material kann z.B. Gasruß, Eisenoxid oder ein ähnliches Oxid, stark oxidiertes Kupfer, oxidierter Stahl oder dgl. sein. Ein Umgebungsbereich 1 .2 des mittleren oder inneren Membranabschnittes 1 .1 ist mit einem Material beschichtet, das nur ein schwaches Emissionsvermögen in dem Spektralbereich besitzt, in dem der Druckaufnehmer verwendet wird, damit die durch die Membran 1 gebildete Strahlungsquelle möglichst eindeutig begrenzt ist. Ein solches Material kann z.B. ein dünner Goldbelag sein.
Der Infrarotleiter 2 muss eine gute Durchlässigkeit in dem Spektralbereich besitzen, in dem der Druckaufnehmer eingesetzt wird . Der Infrarotleiter 2 kann mittels eines röhrenförmigen Abschnittes bzw. eines Tubus gebildet werden, dessen Innenwandfläche einen geeigneten Oberflächenzustand mit möglichst geringer Rauigkeit (niedriger als die Wellenlänge) besitzt und mit einem Material beschichtet ist, das eine möglichst gute Reflektion in dem dem Einsatz entsprechenden Spektralbereich und daher ein möglichst schwaches Emissionsvermögen besitzt, wozu eine Gold- oder Silberbeschichtung oder dgl. geeignet ist. Der Infrarotleiter 2 mit einer derartigen Durchlässigkeit und Innenwandfläche 2.1 gewährleistet eine weitgehend vollständige Übertragung der von der Membran abgegebenen Strahlung zu dem IR-Strahlungsaufnehmer 4.
Der Infrarotleiter 2 kann alternativ zu der vorstehend genannten Ausführung oder in Kombination mit dieser auch ein dielektrischer Wellenleiter vergleichbar einem optischen Faserleiter sein, der ein gutes Transmissionsvermögen in dem dem Einsatz entsprechenden Spektralbereich besitzt. Derartige Materialien können z.B. Germanium (für einen Spektralbereich von 1 ,8 bis 28 μm), Saphir (0, 1 7 bis 6, 5 μm), Quarz (0,2 bis 4,5 μm), Kalzium-Fluorid (0,2 bis 8 μm), Natriumchlorid (0,2 bis 26 μm) oder dgl. sein. Der Wellenleiter kann auch durch eine oder mehrere Linsen gebildet sein, die auch in Kombination mit den vorstehend genannten Ausführungen vorhanden sein können.
Der IR-Strahlungsaufnehmer 4 soll möglichst empfindlich in dem Spektralbereich der IR-Strahlung der Membran 1 sein und einen Ansprechbereich aufweisen, der auf die Schwingungsfrequenz der Membran 1 abgestimmt ist. Außerdem kann das Kühlelement 5, beispielsweise ein Peltier-Element vorgesehen sein, um den IR-Strahlungsaufnehmer 4 zu kühlen. Der Strahlungsaufnehmer 4 kann ein pyro- eiektrischer Detektor, ein Bolometer, eine Thermosäule oder dgl . sein. Vorteilhaft ist das optische Filter 3 vor dem IR-Strahlungsaufnehmer 4 angeordnet, um einen genau abgestimmten spektralen Strahlungsbereich für die Auswertung auszuwählen.
Um mögliche Schwankungen des Strahlungsstromes infolge einer Auslenkung der Membran 1 von solchen zu unterscheiden, die auf eine Temperaturänderung der Membran 1 zurückzuführen sind, können z.B. mindestens zwei IR-Strah- lungsempfänger 4 nebeneinander angeordnet werden, vor denen jeweils ein optisches Filter 3 angeordnet ist, die verschiedene spektrale Strahlungsbereiche durchlassen, wobei beispielsweise eines der Filter den dem linken Teil der in Fig. 4 gezeigten Kurve entsprechenden Strahlungsanteil durchlässt, wo diese am steilsten ist, während das andere Filter den dem rechten Teil der Kurve entsprechenden Strahlungsanteil durchlässt, wo die Steigung, wesentlich flacher ist, so dass eine kleine Temperaturänderung der Membran 1 in unterschiedlichen Änderungen des auf die IR-Strahlungsaufnehmer fallenden Anteils des Strahlungsstroms zum Ausdruck kommt, während sich eine Verlagerung der Membran 1 in einer gleichen Änderung des Strahlungsstroms auf beiden Strahlungsaufnehmern 4 ausdrückt.
Fig . 2 gibt die Änderung des Strahlungsstroms wieder, der von dem in Funktion befindlichen IR-Strahlungsaufnehmer 4 bei einer Auslenkung der Membran 1 in dem Falle aufgenommen wird, dass der Funktionsabschnitt 1 .1 der Membran 1 (schwarzer Körper) einen Durchmesser von 1 mm bei einer Temperatur von 300 ° C hat und der Infrarotleiter 2 ein Tubus von 1 mm Durchmesser ist, dessen Eintrittsfläche 1 10 μm von der Oberfläche der Membran 1 entfernt angeordnet ist, wenn der Druckaufnehmer sich im Ruhezustand befindet, wobei angenommen wird, dass der Führungstubus keine Strahlungsschwächung verursacht. Fig . 3 gibt die Änderung des Strahlungsstromes unter gleichen Bedin- gungen wieder, wobei jedoch als Infrarotleiter 2 eine Lichtleiteroptik von 1 mm Durchmesser und einer nummerischen Apertur von 0,75 verwendet ist. Beide Fig . zeigen, dass sich die empfangene Strahlungsleistung l mit dem Abstand d der Messmembran deutlich ändert, d.h. mit zunehmendem Abstand verkleinert.

Claims

Ansprüche
Druckaufnehmer mit einer durch Druckunterschiede unterschiedlich deformierbaren oder ortsveränderbaren Membran ( 1 ), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Funktionsabschnitt (1 .1 ) der Membran ( 1 ) ein Material aufweist, das die Eigenschaften eines schwarzen Strahlers besitzt oder ein in demjenigen spektralen Strahlungsbereich ein für eine Erfassung wesentliches Strahlungsvermögen besitzt, der der Temperatur der Membran (1 ) unter deren Einsatzbedingungen entspricht, und dass der Membran ( 1 ) eine die abgegebene Strahlung zumindest teilweise erfassende Strahlungsempfangseinheit mit mindestens einem IR-Strahlungsaufnehmer (4) zugeordnet ist.
Druckaufnehmer nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Funktionsabschnitt ( 1 .1 ) in einem zentralen Bereich der Membran ( 1 ) angeordnet ist und durch eine Beschichtung mit dem Material ausgebildet ist und dass der Funktionsabschnitt (1 .1 ) von einem Abschnitt ( 1 .
2) umgeben ist, der ein geringeres Strahlungsvermögen zumindest in dem Strahlungsbereich besitzt, der der Temperatur der Membran ( 1 ) unter den Einsatzbedingungen entspricht.
3. Druckaufnehmer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Funktionsabschnitt ( 1 .1 ) mit Ruß, Eisenoxid, oxidiertem Kupfer, oxidiertem Stahl beschichtet ist und/oder dass der Umgebungsabschnitt ( 1 .2) eine Goldbeschichtung trägt.
4. Druckaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Strahlungsempfangseinheit und der Membran ( 1 ) ein Infrarotleiter (2) angeordnet ist, der zumindest in dem spektralen Strahlungsbereich durchlässig ist, der den . Einsatzbedingungen des Druckaufnehmers entspricht.
5. Druckaufnehmer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Infrarotleiter (2) einen röhrenförmigen Abschnitt mit behandelter Innen-Wandfläche für die Führung der von der Membran (1 ) ausgesandten IR-Strahlung aufweist und/oder dass der Infrarotleiter (2) einen dielektrischen Wellenleiter für die Führung der von der Membran ( 1 ) ausgesandten IR-Strahlung aufweist.
6. •Druckaufnehmer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Infrarotleiter (2) bei Ausbildung mit einem röhrenförmigen Abschnitt eine glatte Oberfläche mit einer Rauigkeit geringer als die betreffenden Wellenlängen und eine die Infrarotstrahlung der Membran (1 ) zumindest größten Teils reflektierende Beschichtung trägt oder dass der Infrarotleiter (2) bei Ausbildung mit einem Wellenleiter aus Germanium, Saphir, Quarz, Kalziumfluorid oder Natriumchlorid besteht.
7. Druckaufnehmer nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Infrarotleiter (2) Linsenelemente aufweist.
8. Druckaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der IR-Strahlungsaufnehmer (4) in seiner Strahlungsempfindlichkeit auf die Infrarotstrahlung der Membran ( 1 ) abgestimmt ist und dass die Strahlungsempfangseinheit an die Schwingungsfrequenz der Membran (1 ) angepasst ist.
9. Druckaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der IR-Strahlungsaufnehmer (4) einen pyroelektrischen Detektor, ein Bolometer oder eine Thermosäule aufweist.
1 0. Druckaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem IR-Strahlungsaufnehmer (4) eine Kühlvorrichtung (5) zugeordnet ist und/oder dass dem IR-Strahlungsaufnehmer (4) ein Infrarotfilter zum Selektieren eines für die Messung maßgeblichen Strahlungsbandes vorgeschaltet ist.
1 1 . Druckaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsempfangseinheit zwei IR-Strahlungsaufnehmer (4) aufweist, vor denen Infrarotfilter unterschiedlicher spektraler Durchlässigkeit angeordnet sind und dass eine Auswerteeinheit so ausgebildet ist, dass die von den beiden IR- Strahlungsaufnehmern (4) erfassten Strahlungsanteile in solche getrennt werden, die von Auslenkungen der Membran (4) herrühren, und solche, die von Temperaturänderungen der Membran (4) herrühren.
EP04790041A 2003-12-20 2004-10-23 Druckaufnehmer mit ir-strahlungsaufnehmer Withdrawn EP1706717A1 (de)

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