DE10018665A1

DE10018665A1 - Length sensor as high pressure sensor for measuring very high pressures in diesel combustion engine fuel-injection system common-rail

Info

Publication number: DE10018665A1
Application number: DE2000118665
Authority: DE
Inventors: Manfred Glehr
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: First Sensor Technology GmbH
Priority date: 2000-04-14
Filing date: 2000-04-14
Publication date: 2001-10-25
Anticipated expiration: 2020-04-15
Also published as: DE10018665B4

Abstract

A length sensor for measuring a length-change of a component (1), such as a closed tubular body, more specifically a shaft etc, containing a high-pressure fluid, has at least one piezoelectric element (2) clamped between two retaining parts (3,4) rigidly joined to the component (1) so that a length-change (delta1) of the component (1) effects a change in mechanical stress/tension and thereby a change in an electrical property of the piezoelectric element (2), the latter being specifically a ring-shaped body surrounding the component (1). An electronic evaluating circuit (10) generates a measurement signal in relation to the change of the electrical property of the piezoelectric element (2). The piezoelectric element (2) is clamped by the two retaining parts (3,4) so that a change in length (delta1) of the component (1) specifically effects a change in the compressive stress or in the tensile stress of the piezo-electric element (2).

Description

Die Erfindung betrifft einen Längensensor zum Messen einer Längenänderung eines Bauteils. Insbesondere betrifft die Er findung einen Längensensor, der als Hochdrucksensor verwendet werden kann.The invention relates to a length sensor for measuring a Change in length of a component. In particular, he concerns finding a length sensor that is used as a high pressure sensor can be.

Zum Messen sehr hoher Drücke bis etwa 3000 bar Berstdruck, wie sie z. B. in der Verteilerschiene (common rail) der Kraft stoffeinspritzanlage einer Diesel-Brennkraftmaschine auftre ten, sind Hochdrucksensoren bekannt geworden, bei denen die Wölbung einer dem Druck ausgesetzten metallischen Membran mittels Dehnungsmeßstreifen erfaßt und hieraus z. B. in einer Brückenschaltung ein Drucksignal gebildet wird. Der Durchmes ser derartiger metallischer Membranen ist sehr klein, und ih re maximale Wölbung liegt in der Größenordnung von 10 µm bis 50 µm. Ferner müssen sie bis zu 10¹⁰ Lastschalt spiele aushalten. Damit sich die Kennlinie des Hochdrucksen sors nicht ändert, muß der Hochdrucksensor so ausgelegt wer den, daß die beteiligten Materialien im Betrieb nicht über den Hookschen Bereich hinaus belastet werden. Das Verhältnis von Membrandicke zu Membrandurchmesser ist somit an die Ei genschaften der beteiligten Materialien gebunden und kann da her ein vorgegebenes materialbedingtes Verhältnis nicht über schreiten. Dies begrenzt die Meßempfindlichkeit. Da die me tallische Membran dem Hochdruck unmittelbar ausgesetzt ist, muß sie strömungsmitteldicht in das druckführende Rohr einge setzt werden. Dies erfolgt z. B. dadurch, daß der Hochdruck sensor über eine Doppelkegeldichtung an das druckführende Rohr angeflanscht wird. Die hierbei auftretenden Abdichtungs- und Fertigungsschwierigkeiten schlagen sich in entsprechend hohen Herstellungskosten nieder.For measuring very high pressures up to about 3000 bar burst pressure, such as z. B. in the distribution rail (common rail) of the fuel injection system of a diesel internal combustion engine, high pressure sensors have become known in which the curvature of a metal membrane exposed to pressure is detected by means of strain gauges and z. B. a pressure signal is formed in a bridge circuit. The diameter of such metallic membranes is very small, and their maximum curvature is in the order of 10 microns to 50 microns. Furthermore, they have to withstand up to 10 ¹⁰ load switching games. So that the characteristic of the high-pressure sensor does not change, the high-pressure sensor must be designed in such a way that the materials involved in operation are not subjected to loads beyond the Hook range. The ratio of membrane thickness to membrane diameter is thus tied to the properties of the materials involved and therefore cannot exceed a predetermined material-related ratio. This limits the measuring sensitivity. Since the metallic membrane is directly exposed to high pressure, it must be inserted into the pressure-carrying pipe in a fluid-tight manner. This is done e.g. B. in that the high pressure sensor is flanged to the pressure pipe via a double cone seal. The sealing and manufacturing difficulties that arise here are reflected in correspondingly high manufacturing costs.

Es sind ferner piezoelektrische Drucksensoren bekannt, bei denen ein piezoelektrisches Element dem Druck (z. B. Öl- oder Zylinderdruck) unmittelbar ausgesetzt wird. Derartige piezoe leketrische Drucksensoren werden bisher jedoch im allgemeinen nur für niedrigere Drücke eingesetzt. Im übrigen treten auch bei derartigen Drucksensoren die oben beschriebenen Abdich tungs- und Fertigungsprobleme auf, abgesehen davon, daß die maximal mögliche Lastspielanzahl derartiger Sensoren relativ beschränkt sein dürfte.Piezoelectric pressure sensors are also known which a piezoelectric element is under pressure (e.g. oil or Cylinder pressure) is immediately exposed. Such piezoe So far, however, electrical pressure sensors have generally been used only used for lower pressures. For the rest also kick in such pressure sensors, the above described Abdich and manufacturing problems, apart from the fact that the maximum possible number of duty cycles of such sensors relative should be limited.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Längensensor zu schaffen, der extrem geringe Längenänderungen eines Bauteils erfassen kann und daher auch als Hochdrucksen sor verwendet werden kann. Der Längensensor soll eine hohe Meßempfindlichkeit haben, einfach und kostengünstig herzu stellen sein und eine sehr große Anzahl von Lastschaltspielen aushalten.The present invention has for its object a Length sensor to create the extremely small changes in length of a component and therefore also as high-pressure sensors sor can be used. The length sensor is said to be high Have sensitivity, simple and inexpensive places and a very large number of load switching cycles withstand.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 definierte Erfin dung gelöst.This task is accomplished by the inven defined in claim 1 solved.

Bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Längensensor ist das piezoelektrische Element zwischen den mit dem Bauteil fest verbundenen Halteteilen so eingespannt, daß eine Längenände rung des Bauteils eine Längenänderung einer mechanischen Spannung (der Druck- und Zugspannung oder auch der Scherspan nung) des piezoelektrischen Elementes bewirkt. Die hierdurch bedingte Änderung der elektrischen Eigenschaften des piezo elektrischen Elementes werden von einer elektronischen Aus werteschaltung zur Erzeugung eines Meßsignals verwendet.In the length sensor designed according to the invention, this is Piezoelectric element between those with the component firmly connected holding parts clamped so that a length changes tion of the component a change in length of a mechanical Tension (the compressive and tensile stress or the shear chip voltage) of the piezoelectric element. The hereby conditional change in the electrical properties of the piezo electrical element are from an electronic off value circuit used to generate a measurement signal.

Als piezoelektrisches Element kann ein Quarzkristall oder ei ne Piezokeramik verwendet werden. Die Halteteile, die z. B. aus Stahl bestehen, können durch Schweißen oder Schrauben in einfacher Weise an dem Bauteil befestigt werden. Als elektro nische Auswerteschaltung kann z. B. eine herkömmliche Oszilla torschaltung verwendet werden. Der erfindungsgemäß ausgebil dete Längensensor zeichnet sich daher durch große Einfachheit und entsprechend niedrige Herstellungskosten aus. Dennoch hat er eine hohe Meßempfindlichkeit, da sich bereits bei sehr ge ringen Längenänderungen des Bauteils die mechanische Spannung des piezoelektrischen Elementes und damit seine elektrischen Eigenschaften deutlich ändern.A quartz crystal or egg can be used as the piezoelectric element ne piezoceramic can be used. The holding parts, the z. B. made of steel, can be welded or screwed in are easily attached to the component. As electro African evaluation circuit can, for. B. a conventional oszilla gate circuit can be used. The training according to the invention The length sensor is therefore extremely simple and correspondingly low manufacturing costs. Still has he a high sensitivity, since already at very ge changes in length of the component wrestle the mechanical tension of the piezoelectric element and thus its electrical Change properties significantly.

Ist das Bauteil ein ein Hochdruckfluid enthaltender Rohrkör per, bei dem sich Längenänderungen aufgrund von Änderungen des Hochdrucks ergeben, so kann der Längensensor als Hoch drucksensor verwendet werden. Da das piezoelektrische Element dem Druck nicht unmittelbar ausgesetzt ist, sondern mit Hilfe der Halteteile an der Außenseite des Rohrkörpers befestigt wird, treten die eingangs geschilderten Abdichtungs- und Fer tigungsprobleme nicht auf. Darüber hinaus kann ein entspre chend ausgebildeter Hochdrucksensor eine extrem hohe Anzahl von Lastschaltspielen (bis zu 10¹⁰) aushalten. Außerdem ist er zum Erfassen von sehr großen Drücken bis 3000 bar Berst druck ohne weiteres geeignet. Der erfindungsgemäß ausgebilde te Hochdrucksensor läßt sich daher beispielsweise als Hoch drucksensor für den Druck in einer Verteilerschiene einer Kraftstoffeinspritzanlage einer Brennkraftmaschine verwenden.If the component is a Rohrkör containing a high pressure fluid, in which there are changes in length due to changes in high pressure, the length sensor can be used as a high pressure sensor. Since the piezoelectric element is not directly exposed to the pressure, but is attached to the outside of the tubular body with the aid of the holding parts, the sealing and production problems described at the outset do not occur. In addition, an appropriately trained high-pressure sensor can withstand an extremely high number of load switching cycles (up to 10 ¹⁰ ). It is also suitable for detecting very high pressures up to 3000 bar burst pressure. The te high pressure sensor designed according to the invention can therefore be used, for example, as a high pressure sensor for the pressure in a distributor rail of a fuel injection system of an internal combustion engine.

Da das piezoelektrische Element, insbesondere wenn es aus Piezokeramik besteht, auf Zugbeanspruchung nicht so gut wie auf Druckbeanspruchung reagiert, ist in weiterer Ausgestal tung der Erfindung vorgesehen, daß es durch die Halteteile einer Druckvorspannung unterworfen wird, die doppelt so groß wie die im Betrieb zu erwartende maximale Zugspannung ist. Das piezoelektrische Element ist dann sowohl im Betriebs- wie auch im Außerbetriebszustand keinen Zugbeanspruchungen ausge setzt.Because the piezoelectric element, especially if it is made of Piezoceramic is not as good as when subjected to tensile stress reacted to pressure, is in another form tion of the invention provided that it through the holding parts is subjected to a compressive bias that is twice as large what the maximum tensile stress to be expected during operation is. The piezoelectric element is then both in operation and no tensile stress is exerted even when not in operation puts.

Piezokeramik ist kostengünstiger und in der mechanischen Ges taltungsfähigkeit flexibler als Quarz. Andererseits ist Pie zokeramik temperaturempfindlicher. Zur Erzielung einer hohen Meßgenauigkeit empiehlt es sich daher, für eine Kompensation von Temperatureinflüssen zu sorgen. In vorteilhafter Ausges taltung der Erfindung ist daher vorgesehen, daß ein weiteres piezoelektrisches Element zwischen den Halteteilen so einge spannt ist, daß eine Längenänderung des Bauteils gegensinnige Änderungen der mechanischen Spannungen und elektrischen Ei genschaften der beiden piezoelektrischen Elemente bewirkt. Beispielsweise durch Differenzbildung der die beiden piezo elektrischen Elemente durchlaufenden Signale lassen sich dann Temperatureinflüsse oder andere Umwelteinflüsse wie Alterung weitgehend ausschalten.Piezoceramic is more cost-effective and mechanical ability to be more flexible than quartz. On the other hand, Pie is Ceramics more sensitive to temperature. To achieve a high Measurement accuracy is therefore recommended for compensation to worry about temperature influences. In advantageous Ausges taltung the invention is therefore provided that another piezoelectric element between the holding parts so inserted clamped is that a change in length of the component in opposite directions Changes in mechanical stress and electrical egg properties of the two piezoelectric elements. For example, by forming the difference between the two piezo signals passing through electrical elements can then be Temperature influences or other environmental influences such as aging largely turn off.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.Further advantageous embodiments of the invention are based the subclaims.

Anhand der Zeichnungen werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigt:Preferred embodiments are illustrated in the drawings the invention explained in more detail. It shows:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine schematisch dargestellte Ausführungsform eines an einem Bauteil angebrachten Längen sensors; FIG. 1 is a longitudinal section of the sensor by a schematically illustrated embodiment of a mounted on a component lengths;

Fig. 2 eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung einer abge wandelten Ausführungsform; Fig. 2 is a representation corresponding to Figure 1 of a modified embodiment.

Fig. 3 bis 5 verschiedene Ausführungsformen der Elektroden des piezoelektrischen Elementes des Längensensors in den Fig. 1 und 2; Fig. 3 to 5 show various embodiments of the electrodes of the piezoelectric element of the sensor length in FIGS. 1 and 2;

Fig. 6 ein Ersatzschaltbild des piezoelektrischen Elementes; Fig. 6 is an equivalent circuit diagram of the piezoelectric element;

Fig. 7 bis 10 schematische Schaltbilder verschiedener Aus führungsformen der Auswerteschaltung; Fig. 7 to 10 are schematic circuit diagrams of various embodiments of the evaluation circuit;

Fig. 11 eine schematische Schnittansicht eines Längensensors, Fig. 11 is a schematic sectional view of a length sensor,

Fig. 12 eine schematische Draufsicht auf eine abgewandelte Ausführungsform eines Längensensors mit Temperaturausgleich; Figure 12 is a schematic plan view of a modified embodiment of a length sensor with temperature compensation.

Fig. 13, 14 schematische Schnittdarstellungen einer abgewan delten Ausführungsform eines Längensensors mit Temperaturaus gleich in unterschiedlichen Betriebsstellungen; Fig. 13, 14 are schematic sectional views of a modified embodiment of a length sensor with Temperaturaus equal in different operating positions;

Fig. 15 eine schematische Schnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Längensensors mit Temperaturaus gleich; Fig. 15 is a schematic sectional view of another embodiment of a length sensor with temperature equalization;

Fig. 16 bis 19 verschiedene Ausführungsformen einer Auswer teschaltung für die Längensensoren der Fig. 11 bis 15. Fig. 16 to 19, various embodiments of a Auswer teschaltung for the length of sensors of FIGS. 11 to 15.

Das in Fig. 1 dargestellte Bauteil 1 ist ein geschlossener Rohrkörper aus einem elastisch dehnbaren Material wie z. B. Stahl, der mit einem Hochdruckfluid gefüllt ist. Beispiels weise steht das Innere des Bauteils 1 mit der Verteilerschie ne (common rail) der Kraftstoffeinspritzanlage einer Diesel- Brennkraftmaschine (nicht gezeigt) in Verbindung. Aufgrund des im Inneren des Bauteils 1 herrschenden hohen Drucks von z. B. 2000 bar bis 3000 bar erfährt das Bauteil 1 eine Längen änderung (angedeutet durch den Pfeil Δl) in Richtung der x- Achse. Durch Messen der Längenanderung Δl wird dann auf den im Bauteil 1 herrschenden Druck des Fluides rückgeschlossen.The component 1 shown in FIG. 1 is a closed tubular body of an elastically stretchable material such. B. Steel filled with a high pressure fluid. For example, the interior of component 1 is connected to the common rail of the fuel injection system of a diesel engine (not shown). Due to the pressure prevailing in the interior of the component 1 high pressure of z. B. 2000 bar to 3000 bar, component 1 undergoes a change in length (indicated by arrow Δl) in the direction of the x-axis. By measuring the change in length Δl, the pressure of the fluid prevailing in component 1 is then deduced.

Zum Messen der Längenänderung Δl ist der in Fig. 1 darge stellte Längensensor vorgesehen, dessen mechanischer Teil aus einem piezoelektrischen Element 2 mit Elektroden 6, 7 und zwei Halteteilen 3, 4 besteht. Das piezoeleketrische Element 2 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als das Bauteil 1 umgebender Ringkörper ausgebildet, der von den Halteteilen 3, 4 mit einer vorgegebenen Vorspannung in Richtung der x-Achse eingespannt wird. Die aus Stahl bestehenden, ebenfalls ring förmig ausgebildeten Halteteile 3, 4 sind mit dem Bauteil 1 fest verbunden, beispielsweise durch Schweißen, wie durch Schweißnähte 5 angedeutet, oder durch Schrauben. Die Halte teile 3, 4 übertragen somit eine Längenänderung Δl des Bau teils 1 unmittelbar auf das piezoelektrische Element 2, was sich in einer entsprechenden Änderung der Druck- bzw. Zugspannung des piezoelektrischen Elementes 2 niederschlägt. Die hierdurch bedingte Änderung der Resonanzfrequenz des piezo elektrischen Elementes 2 wird dann in einer Auswerteschaltung zur Erzeugung eines Meßsignals verwendet, wie im folgenden noch genauer erläutert wird.To measure the change in length Δl, the length sensor shown in FIG. 1 is provided, the mechanical part of which consists of a piezoelectric element 2 with electrodes 6 , 7 and two holding parts 3 , 4 . In the exemplary embodiment shown, the piezoelectric element 2 is designed as an annular body surrounding the component 1 , which is clamped by the holding parts 3 , 4 with a predetermined preload in the direction of the x-axis. The steel, also ring-shaped holding parts 3 , 4 are firmly connected to the component 1 , for example by welding, as indicated by welds 5 , or by screws. The holding parts 3 , 4 thus transmit a change in length .DELTA.l of the construction part 1 directly to the piezoelectric element 2 , which is reflected in a corresponding change in the compressive or tensile stress of the piezoelectric element 2 . The resulting change in the resonance frequency of the piezoelectric element 2 is then used in an evaluation circuit to generate a measurement signal, as will be explained in more detail below.

Wie bereits erwähnt, werden die Halteteile 3, 4 am Bauteil 1 so angebracht, daß das piezoelektrische Element 2 in Richtung der x-Achse vorgespannt wird und somit unter einer vorgegebe nen Druckspannung steht. Diese Vorspannung wird zweckmäßiger weise so gewählt, daß das piezoelektrische Element 2 im ge samten Bereich der möglichen Längenänderungen Δl des Bau teils 1 im Druckspannungsbereich verbleibt, da piezoelektri sches Material, insbesondere Piezokeramik, auf Druckspannun gen besser als auf Zugspannungen reagiert.As already mentioned, the holding parts 3 , 4 are attached to the component 1 in such a way that the piezoelectric element 2 is biased in the direction of the x-axis and is therefore under a predetermined compressive stress. This bias is appropriately chosen so that the piezoelectric element 2 remains in the entire area of possible length changes Δl of the construction part 1 in the compressive stress range, since piezoelectric material, in particular piezoceramic, responds better to compressive stresses than to tensile stresses.

An dieser Stelle sei angemerkt, daß das piezoelektrische Ele ment von den Halteteilen auch so eingespannt werden kann, daß es auf Scherung beansprucht wird, wie dies an Hand der Fig. 13, 14 noch genauer erläutert wird.At this point it should be noted that the piezoelectric element can also be clamped by the holding parts in such a way that it is subjected to shear stress, as will be explained in more detail with reference to FIGS. 13, 14.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Elektrode 6 als Masseelektrode ausgebildet, wobei die Masse von den Halteteilen 3, 4 und dem Bauteil 1 gebildet wird. Die andere Elektrode 7 besteht beispielsweise aus einer auf das piezoelektrische Element 2 aufgedampften Metallschicht, die kapazitiv (also kontaktlos) mit einer Kondensatorplatte C verbunden ist. Wie gezeigt, ist die Elektrode 7 radial inner halb des piezoelektrischen Elementes 2 angeordnet, während ein hülsenförmiger Abschnitt des Halteteils 3, der einen Teil der Elektrode 6 bildet, das piezoelektrische Element 2 außen umgibt. Hierdurch wird eine gewisse elektrische Abschirmung der Elektrode 7 und des piezoelektrischen Elementes 2 er zielt. Grundsätzlich ist jedoch auch die umgekehrte Anordnung möglich, bei der sich die Masseelektrode radial innerhalb und die andere Elektrode radial außerhalb des piezoelektrischen Elements 2 befindet. In the exemplary embodiment shown in FIG. 1, the electrode 6 is designed as a ground electrode, the mass being formed by the holding parts 3 , 4 and the component 1 . The other electrode 7 consists, for example, of a metal layer which has been evaporated onto the piezoelectric element 2 and which is capacitively (ie contactlessly) connected to a capacitor plate C. As shown, the electrode 7 is arranged radially inside half of the piezoelectric element 2 , while a sleeve-shaped section of the holding part 3 , which forms part of the electrode 6 , surrounds the piezoelectric element 2 on the outside. As a result, a certain electrical shielding of the electrode 7 and the piezoelectric element 2 is aimed. In principle, however, the reverse arrangement is also possible, in which the ground electrode is located radially inside and the other electrode is located radially outside of the piezoelectric element 2 .

Die Ausführungsform der Fig. 2 unterscheidet sich von der in Fig. 1 dadurch, daß das piezoelektrische Element 2 und die Halteteile 3, 4 nicht als Ringkörper, sondern lediglich als seitlich am Bauteil 1 angebrachte Stabkörper ausgebildet sind. Die ringförmige Anordnung der Fig. 1 wird insbesondere bei kleinen Gesamtabmessungen gewählt, während die in Fig. 2 gezeigte seitliche Anordnung bei größeren Gesamtabmessungen ausreichend ist.The embodiment of FIG. 2 differs from that in FIG. 1 in that the piezoelectric element 2 and the holding parts 3 , 4 are not designed as an annular body, but only as a rod body attached to the side of the component 1 . The annular arrangement of FIG. 1 is chosen in particular for small overall dimensions, while the lateral arrangement shown in FIG. 2 is sufficient for larger overall dimensions.

Ein weiterer Unterschied des Ausführungsbeispiels der Fig. 2 gegenüber dem der Fig. 1 besteht darin, daß die Elektroden 6, 7 nicht quer zur x-Achse, sondern parallel zur x-Achse ange ordnet sind. Hierbei wird die als Masseelektrode ausgebildete Elektrode 6 wiederum von den Halteteilen 3, 4 und dem Bauteil 1 gebildet, während die zwischen dem piezoelektrischen Ele ment 2 und dem Halteteil 3 liegende Elektrode 7 durch einen Isolator 8 gegenüber der Masse isoliert ist.Another difference of the embodiment of FIG. 2 compared to that of FIG. 1 is that the electrodes 6 , 7 are not arranged transversely to the x-axis, but parallel to the x-axis. Here, the electrode 6 designed as a ground electrode is in turn formed by the holding parts 3 , 4 and the component 1 , while the electrode 7 lying between the piezoelectric element 2 and the holding part 3 is insulated from the ground by an insulator 8 .

Die Fig. 3 bis 5 zeigen verschiedene Möglichkeiten zum An ordnen und Ausbilden der Elektroden 6, 7. Die Anordnung der Elektroden 6, 7 in Fig. 3 entspricht der in Fig. 2. Bei der Anordnung der Fig. 4 sind beide Elektroden 6, 7 gegenüber den Halteteilen 3, 4 durch jeweils einen Isolator 8 bzw. 9 iso liert. Bei der Anordnung der Fig. 5 sind die Elektroden 6, 7 auf Flächen des piezoelektrischen Elementes 2 aufgedampft, die quer zur Richtung der Längenänderung ausgerichtet sind. Dies bietet die Möglichkeit, die Elektroden 6, 7 kontaktlos mit den Platten eines Kondensators C zu koppeln, dessen Die lektrikum im wesentlichen von dem piezoelektrischen Element 2 gebildet wird. FIGS. 3 to 5 show different possibilities to arrange at and forming the electrodes 6, 7. The arrangement of the electrodes 6 , 7 in FIG. 3 corresponds to that in FIG. 2. In the arrangement of FIG. 4, both electrodes 6 , 7 are insulated from the holding parts 3 , 4 by an insulator 8 and 9, respectively. In the arrangement of FIG. 5, the electrodes 6 , 7 are vapor-deposited on surfaces of the piezoelectric element 2 which are aligned transversely to the direction of the change in length. This offers the possibility of contactlessly coupling the electrodes 6 , 7 to the plates of a capacitor C, the dielectric of which is essentially formed by the piezoelectric element 2 .

Wie bereits erwähnt, besteht das piezoelektrische Element 2 beispielsweise aus einem Quarz. Die elektrischen Eigenschaf ten des Quarzes lassen sich bekanntlich durch ein elektri sches Ersatzschaltbild (Fig. 6) veranschaulichen. Der Quarz stellt gewissermassen einen Schwingkreis mit Kondensator C, Widerstand R und Spule L sowie mit der Streukapazität C0 dar, für den üblicherweise das in Fig. 6 gezeigte Schaltzeichen verwendet wird. Im folgenden wird daher das piezoelektrische Element 2 der Fig. 1 bis 5 als piezoelektrisches Glied Q be zeichnet und mit dem Schaltzeichen rechts in Fig. 6 darge stellt.As already mentioned, the piezoelectric element 2 consists for example of a quartz. As is known, the electrical properties of the quartz can be illustrated by an electrical equivalent circuit diagram ( FIG. 6). The quartz represents to a certain extent an oscillating circuit with capacitor C, resistor R and coil L and with stray capacitance C0, for which the circuit symbol shown in FIG. 6 is usually used. In the following, the piezoelectric element 2 of FIGS. 1 to 5 is therefore referred to as the piezoelectric element Q and represents the circuit symbol on the right in FIG. 6.

Die Auswerteschaltung 10 des Längensensors weist zweckmäßi gerweise eine Oszillatorschaltung auf, deren frequenzbestim mendes Element das piezoelektrische Glied Q ist. Da derartige Oszillatorschaltungen dem Fachmann in großer Vielfalt bekannt sind, werden im folgenden lediglich einige Ausführungsbei spiele kurz angerissen. Unter frequenzbestimmend wird dabei verstanden, daß das piezoelektrische Glied Q die Eigenschaf ten eines Schwingkreises maßgeblich beeinflußt. Dabei kann es sich beispielsweise um die Resonanzfrequenz handeln.The evaluation circuit 10 of the length sensor advantageously has an oscillator circuit, the frequency-determining element of which is the piezoelectric element Q. Since such oscillator circuits are known to those skilled in a wide variety, only a few exemplary embodiments are briefly outlined below. Frequency determining is understood to mean that the piezoelectric element Q significantly influences the properties of an oscillating circuit. This can be the resonance frequency, for example.

So zeigt beispielsweise Fig. 7 eine Auswerteschaltung 10 in Form einer einfachen Oszillatorschaltung mit dem piezoelekt rischen Glied Q (piezoelektrischen Element 2) als frequenzbe stimmendem Element, zwei invertierenden Operationsverstärkern OP und einem Widerstand R. Eine andere Ausführungsform einer Oszillatorschaltung zeigt Fig. 8, bei der das piezoelektri sche Glied Q über seine eine Elektrode einseitig geerdet ist, während die andere Elektrode über zwei Kondensatoren C1 und C2 zur Phasendrehung mit einem Verstärker V verbunden ist. Ein weiterer Kondensator C3 ist zu dem das piezoelektrische Element Q, die Kondensatoren C1, C2 und den Verstärker V ent haltenden Zweig parallel geschaltet.For example, Fig. 7 shows an evaluation circuit 10 in the form of a simple oscillator circuit with the piezoelectric element Q (piezoelectric element 2 ) as a frequency-determining element, two inverting operational amplifiers OP and a resistor R. Another embodiment of an oscillator circuit is shown in Fig. 8, at of the piezoelectric element Q is grounded on one side via its one electrode, while the other electrode is connected via two capacitors C1 and C2 for phase rotation to an amplifier V. Another capacitor C3 is connected in parallel with the branch containing the piezoelectric element Q, the capacitors C1, C2 and the amplifier V.

In einer derartigen Auswerteschaltung 10 wird das piezoelekt rische Glied Q zu Schwingungen angeregt, bei denen es sich um Longitudinal-, Transversal- oder Scherschwingungen handeln kann. Hierbei können die gebräuchlichen Schnitte des Quarz kristalls zur Anwendung kommen, wobei der AT-Schnitt wegen seiner bekannt guten Temperatureigenschaften bevorzugt wird. In such an evaluation circuit 10 , the piezoelectric element Q is excited to vibrations, which may be longitudinal, transverse or shear vibrations. The usual cuts of the quartz crystal can be used here, the AT cut being preferred because of its known good temperature properties.

Die Auswerteschaltung 10 kann die Frequenz, Periodendauer, Phasenverschiebung, eine Schwebungsfrequenz oder Pulsweiten modulation eines das piezoelektrische Glied Q durchlaufenden elektrischen Signals zur Erzeugung eines Meßsignals verwen den. Das Meßsignal kann in Form eines Längensignals abgegege ben werden, wenn der Längensensor ausschließlich zum Messen von Längenänderungen verwendet wird. Soll der Längensensor jedoch als Hochdrucksensor eingesetzt werden, so wird das Längenänderungssignal durch die Auswerteschaltung 10 in ein Drucksignal umgewandelt.The evaluation circuit 10 can use the frequency, period, phase shift, a beat frequency or pulse width modulation of an electrical signal passing through the piezoelectric element Q to generate a measurement signal. The measurement signal can be given in the form of a length signal if the length sensor is used exclusively for measuring changes in length. However, if the length sensor is to be used as a high pressure sensor, the length change signal is converted into a pressure signal by the evaluation circuit 10 .

In den Fig. 9 und 10 ist nochmals in stark schematisierter Weise eine Auswerteschaltung 10 in Form einer Oszillator schaltung dargestellt, deren frequenzbestimmendes Element von dem piezoelektrischen Glied Q gebildet wird. Die Fig. 9 zeigt eine "Dreidraht-Ausführung" der Auswerteschaltung, bei der zwei Leitungen zur Stromversorgung und eine eigene Signallei tung für das abgegriffene Meßsignal vorgesehen ist. Bei der Ausführungsform der Fig. 10 handelt es sich um eine "Zwei draht-Ausführung", bei der die Signalübertragung und die Stromversorgung auf denselben Leitungen erfolgen, jedoch durch unterschiedliche Frequenzen oder durch Gleich- und Wechselstrom voneinander getrennt werden.In FIGS. 9 and 10 is again an evaluation circuit shown in highly schematic manner in the form of an oscillator 10, whose frequency-determining element is formed from the piezoelectric member Q. Fig. 9 shows a "three-wire version" of the evaluation circuit in which two lines for power supply and a separate signal line device is provided for the tapped measurement signal. In the embodiment of Fig. 10 is a "two wire type", in which the signal transmission and power supply carried out on the same line, but are separated by different frequencies, or by direct and alternating current.

Das Meßsignal kann als Augenblickswert- oder Mittelwertsignal ausgegeben werden. Das Mittelwertsignal hat eine hohe Genau igkeit und erlaubt ein integrierendes Auswerteverfahren, ist jedoch langsam. Es wird vorzugsweise als digitaler Wert und als serielle Information ausgegeben. Das Augenblickswertsig nal hat zwar eine geringere Genauigkeit, ist jedoch schnel ler. Es muß deshalb meist mit einem Filter mit einer Grenz frequenz oberhalb des gewünschten Übertragungsfrequenzbe reichs gegen Störimpulse nachbearbeitet werden. Es wird vor zugsweise als pulsweitenmoduliertes Signal für einen Mikro controller verwendet. The measurement signal can be an instantaneous or average signal be issued. The mean signal has a high accuracy and allows an integrating evaluation procedure however slowly. It is preferably used as a digital value and output as serial information. The momentary nal is less accurate, but is fast ler. It usually has to be with a filter with a limit frequency above the desired transmission frequency reworked against interference. It will be before preferably as a pulse width modulated signal for a microphone controller used.

Wie bereits erwähnt, kann es sich bei dem Bauteil 2 um die Verteilerschiene (common rail) einer Kraftstoffeinspritzanla ge handeln. Der als Hochdrucksensor ausgebildete Längensensor läßt sich dann durch Messen des Drucks zu einer Diagnose der Verteilerschiene verwenden, nachdem der Sensor im eingebauten Zustand kalibriert wurde. Ferner können derartige Hochdruck sensoren zur Diagnose der Einspritzventile verwendet werden. Beim Einspritzvorgang der einzelnen Einspritzventile treten Druckspitzenschwankungen auf, deren Ausmaß von der Qualität der einzelnen Einspritzventile abhängt und auch einen Rückschluß auf die eingespritzte Kraftstoffmenge erlaubt. Diese kurzfristig auftretenden Druckschwankungen können durch die beschriebenen Hochdrucksensoren gemessen werden, und die Abweichungen der Druckschwankungen an den einzelnen Ein spritzventilen lassen sich dann als Maß für die Qualität des betreffenden Einspritzventils im Verhältnis zum Durch schnittswert der Einspritzventile oder auch im Verhältnis zum zeitlichen Mittelwert der Eigenschaften eines einzelnen Ein spritzventils (Alterung) auswerten.As already mentioned, the component 2 can be the common rail of a fuel injection system. The length sensor, which is designed as a high-pressure sensor, can then be used to diagnose the distribution rail by measuring the pressure after the sensor has been calibrated in the installed state. Furthermore, such high pressure sensors can be used to diagnose the injection valves. During the injection process of the individual injection valves, pressure peak fluctuations occur, the extent of which depends on the quality of the individual injection valves and also allows a conclusion to be drawn about the quantity of fuel injected. These short-term pressure fluctuations can be measured by the high-pressure sensors described, and the deviations in the pressure fluctuations at the individual injection valves can then be used as a measure of the quality of the injection valve in question in relation to the average value of the injection valves or in relation to the time average of the properties of a Evaluate individual injection valve (aging).

Wie bereits erwähnt, ist Quarz teurer als Piezokeramik und hinsichtlich seiner mechanischen Gestaltungsfähigkeit nicht so flexibel. Piezokeramik ist jedoch temperaturempfindlicher. Die in den Fig. 11 bis 15 dargestellten Längensensoren bzw. Hochdrucksensoren sind daher so ausgebildet, daß sich Tempe ratureinflüsse auch bei Verwendung von Piezokeramik als Sen sorelement ausschalten lassen.As already mentioned, quartz is more expensive than piezoceramic and not as flexible in terms of its mechanical design capability. However, piezoceramic is more sensitive to temperature. The length sensors or high pressure sensors shown in FIGS . 11 to 15 are therefore designed so that temperature influences can be switched off even when using piezoceramic as a sensor element.

Der in Fig. 11 dargestellte Längensensor entspricht den in den Fig. 1 und 2 dargestellten Längensensoren insofern, als ein piezoelektrisches Element 2 zwischen zwei Halteteilen 3, 4 eingespannt ist, die ihrerseits an dem Bauteil 1 befestigt sind. Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist jedoch noch ein zweites piezoelektrisches Element 2a vorgese hen, das zwischen den Halteteilen 3, 4 so eingespannt ist, daß es bei einer Längenänderung Δl des Bauteils 1 gegensin nig zu dem piezoelektrischen Element 2 beansprucht wird. Wenn somit das piezoelektrische Element 2 gedehnt wird, wird das piezoelektrische Element 2a gestaucht, und umgekehrt.The length sensor shown in FIG. 11 corresponds to the length sensors shown in FIGS . 1 and 2 in that a piezoelectric element 2 is clamped between two holding parts 3 , 4 , which in turn are fastened to the component 1 . In the embodiment shown in Fig. 4, however, a second piezoelectric element 2 a is vorgese hen, which is clamped between the holding parts 3 , 4 so that it is claimed against the piezoelectric element 2 with a change in length Δl of the component 1 . Thus, if the piezoelectric element 2 is stretched, the piezoelectric element 2 a is compressed, and vice versa.

Zu diesem Zweck hat das Halteteil 4 einen am Bauteil 1 befes tigten Befestigungsabschnitt 12, von dem ein Arm 14 mit einem zur x-Achse parallelen Abschnitt und einem senkrecht dazu nach innen verlaufenden Abschnitt abgeht. Das Halteteil 3 be steht aus einem Befestigungsabschnitt 11, von dem ein Arm 13 abgeht. Der Arm 13 hat einen senkrecht zur x-Achse nach außen verlaufenden Abschnitt, einen parallel zur x-Achse verlaufen den Abschnitt, der das piezoelektrische Element 2a über greift, und einen quer zur x-Achse nach innen verlaufenden Abschnitt. Aufgrund dieser Gestaltung hat jedes Halteteil 3, 4 zwei entgegengesetzt gerichtete Abstützflächen 13a, 13b und 14a, 14b, die paarweise einander so zugeordnet sind, daß das piezoelektrische Element 2 zwischen den Abstützflächen 13a und 14a und das piezoelektrische Element 2a zwischen den Stützflächen 13b und 14b eingespannt wird. Die Anordnung ist hierbei so getroffen, daß die beiden piezoelektrischen Ele mente 2 und 2a in einer Richtung senkrecht zur x-Achse fluch ten.For this purpose, the holding part 4 has a fastening portion 12 attached to the component 1 , from which an arm 14 comes with a portion parallel to the x-axis and a portion extending perpendicularly inwards. The holding part 3 be consists of a fastening portion 11 , from which an arm 13 comes off. The arm 13 has a section running perpendicular to the x-axis, a section running parallel to the x-axis, the section which engages over the piezoelectric element 2 a, and a section running inwards transversely to the x-axis. Because of this design, each holding part 3 , 4 has two oppositely directed support surfaces 13 a, 13 b and 14 a, 14 b, which are assigned to one another in pairs so that the piezoelectric element 2 between the support surfaces 13 a and 14 a and the piezoelectric element 2 a is clamped between the support surfaces 13 b and 14 b. The arrangement is such that the two piezoelectric elements 2 and 2 a in a direction perpendicular to the x axis curs th.

Es versteht sich, daß die piezoelektrischen Elemente 2 und 2a als Ringkörper wie in Fig. 1 oder als Stabkörper wie in Fig. 2 ausgebildet werden können.It is understood that the piezoelectric elements 2 and 2 a can be formed as an annular body as in Fig. 1 or as a rod body as in Fig. 2.

Fig. 12 zeigt einen Längensensor, der an einer Seite eines e ben ausgebildeten Bauteils 1 angebracht werden kann und der zum Messen einer Längenänderung Δl in Form einer Parallel verschiebung dient, die durch die Zeichen x sowie x + dx angedeutet ist. In diesem Fall ist das Halteteil 3 T-förmig mit einem Befestigungsabschnitt 11 und einem quer dazu verlaufenden Arm 13 ausgebildet, während das Halteteil 4 hufeisenförmig mit einem Befestigungsabschnitt 12 und zwei daran angeformten Armen 14 ausgebildet ist. Der Arm 13 des Halteteils 3 greift hierbei so zwischen die Arme 14 des Hal teteils 4, daß die piezoelektrischen Elemente 2 zwischen den sich gegenüberliegenden Abstützflächen 13a, 14a und 13b, 14b der beiden Halteteile 3, 4 eingespannt werden. Erfährt somit das Bauteil 1 im Bereich der Schweißnaht 5 des Halteteils 4 eine Längenänderung Δl relativ zu der Schweißnaht 5 des Hal teteils 3, so kommt es zu einer gegensinnigen Beanspruchung der piezoelektrischen Elemente 2 und 2a ähnlich wie in Fig. 11. Fig. 12 shows a length sensor which can be attached to a side of a component 1 and which is used to measure a change in length .DELTA.l in the form of a parallel displacement, which is indicated by the characters x and x + dx. In this case, the holding part 3 is T-shaped with a fastening section 11 and an arm 13 extending transversely thereto, while the holding part 4 is horseshoe-shaped with a fastening section 12 and two arms 14 formed thereon. The arm 13 of the holding part 3 engages between the arms 14 of the Hal teteils 4 that the piezoelectric elements 2 between the opposing support surfaces 13 a, 14 a and 13 b, 14 b of the two holding parts 3 , 4 are clamped. Thus undergoes the component 1 in the region of the weld seam 5 of the holding part 4, a change in length .DELTA.l relative to the weld 5 of the Hal teteils 3, so there is an oppositely directed stressing of the piezo-electric elements 2 and 2 a similar as in Fig. 11.

In diesem Fall ist die Anordnung allerdings so getroffen, daß die piezoelektrischen Elemente 2 und 2a in Richtung der x- Achse zueinander fluchten.In this case, however, the arrangement is such that the piezoelectric elements 2 and 2 a are aligned with one another in the direction of the x axis.

Bei den Ausführungsformen der Fig. 11 und 12 werden die pie zoelektrischen Elemente 2 und 2a auf Druck und Zug bean sprucht. Bei der in den Fig. 13 und 14 gezeigten Ausfüh rungsform werden die piezoelektrischen Elemente 2 und 2a da gegen auf Scherung beansprucht. Zu diesem Zweck sind die pie zoelektrischen Elemente 2, 2a zwischen sich gegenüberliegen den Abstützflächen 13a, 14a und 13b, 14b eingespannt, die nicht senkrecht zur Richtung der Längenänderung Δl, sondern parallel dazu verlaufen. Hierzu sind die beiden Halteteile 3, 4 L-förmig mit einem senkrecht zur x-Achse verlaufenden Be festigungsabschnitt 11 bzw. 12 und einem parallel zur x-Achse verlaufenden Arm 13 bzw. 14 versehen, wie dies in den Fig. 13 und 14 dargestellt ist.In the embodiments of FIGS. 11 and 12, the pie zoelectric elements 2 and 2 a are subjected to pressure and train. In the embodiment shown in FIGS . 13 and 14, the piezoelectric elements 2 and 2 a are stressed against shear. For this purpose, the pie zoelectric elements 2 , 2 a are clamped between the opposing support surfaces 13 a, 14 a and 13 b, 14 b, which do not run perpendicular to the direction of the change in length Δl, but parallel to it. For this purpose, the two holding parts 3 , 4 L-shaped with a perpendicular to the x-axis loading fastening section 11 and 12 and a parallel to the x-axis arm 13 and 14 are provided, as shown in FIGS. 13 and 14 is.

Auch bei den in den Fig. 11 bis 14 dargestellten Ausfüh rungsbeispielen werden die piezoelektrischen Elemente 2 und 2a einer mechanischen Vorspannung unterworfen, um Zugspannun gen in den piezoelektrischen Elementen zu vermeiden. Zweckmä ßigerweise wird die Vorspannung so gewählt, daß sie doppelt so groß ist wie die im Betrieb maximal auftretende Zugspan nung. Die mechanische Vorspannung der Sensoren ist in Fig. 13 durch eine Schrägstellung des piezoelektrischen Elementes 2a symbolisch angedeutet. Fig. 14 zeigt den Zustand nach einer Längenänderung Δl, wobei die hierdurch bedingte Änderung der mechanischen Beanspruchung der piezoelektrischen Elemente 2, 2a wiederum symbolisch angedeutet ist.The piezoelectric elements 2 and 2 a mechanical bias subjected to 11 approximately even with the examples in Figs. To 14 shown exporting, gene Zugspannun to avoid, in the piezoelectric elements. The preload is expediently chosen so that it is twice as large as the maximum tension occurring during operation. The mechanical bias of the sensors is symbolically indicated in Fig. 13 by an inclined position of the piezoelectric element 2 a. Fig. 14 shows the state after a change in length .DELTA.l, wherein the thereby induced change in the mechanical stress of the piezoelectric elements 2, is indicated symbolically a turn 2.

Bei dem in Fig. 15 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht das Bauteil 1 aus einer Welle. Der aus den piezoelektrischen Elementen 2, 2a und den Halteteilen 3, 4 bestehende Sensor dient in diesem Fall ausschließlich als Längensensor. Er hat einen ähnlichen Aufbau wie in Fig. 11, wobei die Anordnung allerdings so getroffen ist, daß die piezoelektrischen Ele mente 2, 2a nicht senkrecht zur x-Achse, sondern parallel zur x-Achse fluchten. Hierdurch ergibt sich ein besonders kompak ter Aufbau des Sensors und eine einfach geometrische Form der Halteteile 3, 4, die, wie schematisch angedeutet, beispiels weise mittels Paßstiften an der Welle befestigt werden.In the embodiment shown in FIG. 15, the component 1 consists of a shaft. In this case, the sensor consisting of the piezoelectric elements 2 , 2 a and the holding parts 3 , 4 serves exclusively as a length sensor. It has a similar structure as in Fig. 11, but the arrangement is such that the piezoelectric elements 2 , 2 a are not aligned perpendicular to the x-axis, but parallel to the x-axis. This results in a particularly compact structure of the sensor and a simple geometric shape of the holding parts 3 , 4 which, as indicated schematically, are fastened, for example, by means of dowel pins to the shaft.

Wenn auch in den Fig. 11 bis 15 nicht dargestellt, versteht es sich jedoch, daß die piezoelektrischen Element 2 und 2a jeweils mit zwei Elektroden versehen sind, die wie in den Fig. 3 bis 5 ausgebildet sein können.Although in FIGS. 11 to 15 not shown, it should be understood, however, that the piezoelectric element are provided 2 and 2a each provided with two electrodes which can be formed as shown in Figs. 3 to 5.

Da bei den Ausführungsbeispielen der Fig. 11 bis 15 die pie zoelektrischen Elemente 2, 2a bei einer Längenänderung Δl des Bauteils 1 gegensinnig beansprucht werden, wird bei einer Differenzbildung der die piezoelektrischen Elemente 2, 2a durchlaufenden Signale der Signalhub verdoppelt. Bei einer Änderung der Umgebungstemperatur (oder anderen Umwelteinflüs sen) kommt es dagegen zu einer gleichsinnigen Dehnung oder Kontraktion der piezoelektrischen Elemente 2 und 2a. Durch die oben erwähnte Differenzbildung werden daher die durch die Temperaturänderung bedingten Signalanteile eliminiert.Since the pie zoelectric elements 2 , 2 a in the exemplary embodiments of FIGS . 11 to 15 are loaded in opposite directions with a change in length .DELTA.l of the component 1 , the signal swing is doubled when the signals passing through the piezoelectric elements 2 , 2 a are formed. In contrast, when the ambient temperature changes (or other environmental influences), the piezoelectric elements 2 and 2 a expand or contract in the same direction. By forming the difference mentioned above, the signal components caused by the temperature change are therefore eliminated.

Eine andere Möglichkeit zur Kompensation von Temperaturein flüssen besteht darin, durch einen Vergleich der die beiden piezoelektrischen Elemente 2 und 2a durchlaufenden Signale den temperaturbedingten Signalanteil zu ermitteln und diesen dann bei der Bildung des Meßsignals entsprechend zu berück sichtigen. Another way to compensate for Temperaturein influences is to determine the temperature-related signal component by comparing the signals passing through the two piezoelectric elements 2 and 2 a and then to take this into account accordingly when forming the measurement signal.

Entsprechend ausgebildete Auswerteschaltungen 10 sind in den Fig. 16 bis 19 dargestellt.Correspondingly designed evaluation circuits 10 are shown in FIGS. 16 to 19.

So beseht die Auswerteschaltung 10 der Fig. 16 aus einer mit einem sinusförmigen Signal gespeisten Brückenschaltung mit den beiden piezoelektrischen Gliedern Q1, Q2 und zwei zweipo ligen Gliedern Z1, Z2 (z. B. in Form von Widerständen). Der Q1 und Z1 enthaltende Zweig und der Q2 und Z2 enthaltende Zweig sind mit einem Differenzverstärker OP_Diff zur Erzeugung eines Differenzsignals verbunden, dessen Amplitude oder Frequenz o der Phase zur Bildung des Meßsignals auswertbar ist.So the evaluation circuit 10 of FIG. 16 consists of a bridge circuit fed with a sinusoidal signal with the two piezoelectric elements Q1, Q2 and two bipolar elements Z1, Z2 (eg in the form of resistors). The branch containing Q1 and Z1 and the branch containing Q2 and Z2 are connected to a differential amplifier OP _Diff for generating a differential signal, the amplitude or frequency or phase of which can be evaluated to form the measurement signal.

In Fig. 17 ist in schematischer Weise eine Auswerteschaltung 10 angedeutet, bei der Rechtecksignale die beiden piezoelekt rischen Glieder Q1 und Q2 durchlaufen und in einer Ver gleichsschaltung durch Erfassen ihrer Laufzeit- oder Phasen unterschiede zur Bildung des Meßsignals ausgewertet werden.In Fig. 17, an evaluation circuit 10 is indicated schematically, in which square wave signals pass through the two piezoelectric elements Q1 and Q2 and in a comparison circuit by detecting their transit time or phase differences are evaluated to form the measurement signal.

Die in Fig. 18 dargestellte Auswerteschaltung 2 besteht aus zwei einfachen Oszillatoren gemäß Fig. 7 mit jeweils einem piezoelektrischen Glied Q1 bzw. Q2, zwei invertierenden Ope rationsverstärkern OP1 bzw. OP2 und einem Widerstand R1 bzw. R2. Die Ausgänge der beiden Oszillatoren sind in einem Exklu siv-ODER-Glied verknüpft. Die als Rechteckimpulse vorliegen den Ausgangssignale a und b der beiden Oszillatoren werden in dem Exklusiv-ODER-Glied OR so verknüpft, daß die entstehenden x-Impulse eine umso größere Impulsbreite haben, je größer die Frequenzdifferenz zwischen a und b ist. Dadurch werden, wie bereits erwähnt, die temperaturbedingten Signalanteile elimi niert. Im Fall analoger Signalpegel entsteht durch die Über lagerung der beiden Ausgangssignale der Oszillatoren eine Differenzfrequenz, die umso größer ist, je größer die Ände rung der mechanischen Spannung in den piezoelektrischen Ele menten ist. The evaluation circuit 2 shown in FIG. 18 consists of two simple oscillators according to FIG. 7, each with a piezoelectric element Q1 or Q2, two inverting operational amplifiers OP1 or OP2 and a resistor R1 or R2. The outputs of the two oscillators are linked in an exclusive OR gate. The output signals a and b of the two oscillators, which are present as square-wave pulses, are linked in the exclusive OR gate OR in such a way that the resulting x-pulses have a larger pulse width the greater the frequency difference between a and b. As a result, the temperature-related signal components are eliminated, as already mentioned. In the case of analog signal levels, a difference frequency arises from the superimposition of the two output signals of the oscillators, the greater the greater the change in the mechanical tension in the piezoelectric elements.

In Fig. 19 sind die piezoelektrischen Glieder Q1 und Q2 wie derum die frequenzbestimmenden Elemente zweier Oszillatoren, die als Frequenzoszillator oder Laufzeitoszillator ausgebil det sein können. Die Datenübergabe durch die Auswertelogik kann seriell oder parallel, analog oder digital erfolgen.In Fig. 19, the piezoelectric elements Q1 and Q2 are again the frequency-determining elements of two oscillators, which can be designed as a frequency oscillator or transit time oscillator. The data transfer by the evaluation logic can be serial or parallel, analog or digital.

Claims

1. Length sensor for measuring a change in length of a part ( 1 ) with
at least one piezoelectric element ( 2 ) which is tied between two spaced, with the component ( 1 ) firmly connected Hal parts ( 3 , 4 ) so that a change in length (Δl) of the component ( 1 ) a change in mechanical stress and thereby a change in an electrical property of the piezoelectric element ( 2 ) causes, and
an electronic evaluation circuit ( 10 ) which generates a measurement signal as a function of the change in the electrical property of the piezoelectric element ( 2 ).

2. Length sensor according to claim 1, characterized in that the piezoelectric element ( 2 ) by the two holding parts ( 3 , 4 ) in the direction (x) of the change in length (Δl) of the component ( 1 ) is clamped so that a change in length (Δl ) of the component ( 1 ) causes a change in the compressive or tensile stress of the piezoelectric element ( 2 ).

3. Length sensor according to claim 1, characterized in that the piezoelectric element ( 2 ) by the two holding parts ( 3 , 4 ) in the direction transverse to the change in length (Δl) of the component ( 1 ) is clamped so that a change in length (Δl) Component ( 1 ) causes a change in the shear stress of the piezoelectric element ( 2 ).

4. Length sensor according to claim 2 or 3, characterized in that it is subjected to a Druckvorspan voltage by the holding parts ( 3 , 4 ), which is twice as large as the maximum tension to be expected during operation.

5. Length sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the component ( 1 ) is a tubular body which contains a high pressure fluid, so that the length change to be measured gene length (Δl) of the component ( 1 ) is caused by a change in the high pressure , and that the evaluation circuit ( 10 ) is designed such that it delivers a high pressure signal as a measurement signal.

6. Length sensor according to claim 5, characterized in that the tubular body is a fuel rail spray system of an internal combustion engine.

7. Length sensor according to one of claims 1 to 4, characterized in that the component ( 1 ) is a shaft or another body and the evaluation circuit ( 10 ) provides a length signal as a measurement signal.

8. Length sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the piezoelectric element ( 2 ) as the component ( 1 ) surrounding the ring body is formed.

9. Length sensor according to one of claims 1 to 7, characterized in that the piezoelectric element ( 2 ) is designed as a body attached to the component ( 1 ) only on one side.

10. Length sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the holding parts ( 3 , 4 ) on the construction part ( 1 ) are fixed by welding or screws.

11. Length sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the piezoelectric element ( 2 ) has two electrodes ( 6 , 7 ) which are connected to the other evaluation circuit ( 10 ) contacting or contactless.

12. Length sensor according to claim 11, characterized in that the electrodes ( 6 , 7 ) transverse to the direction (x) of the length change (Δl) extending surfaces of the piezoelectric elements ( 2 ) are assigned ( Fig. 1, 5).

13. Length sensor according to claim 11, characterized in that the electrodes ( 6 , 7 ) parallel to the direction (x) of the Län gene change (Δl) extending surfaces of the piezoelectric element ( 2 ) are assigned ( Fig. 2-4).

14. Length sensor according to claim 13, characterized in that one ( 7 ) of the two electrodes ( 6 , 7 ) with respect to the Hal parts ( 3 , 4 ) is isolated and the other electrode ( 6 ) is connected to ground.

15. Length sensor according to claim 13, characterized in that both electrodes ( 6 , 7 ) are insulated from the holding parts ( 3 , 4 ).

16. Length sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the evaluation circuit ( 10 ) has an oscillator circuit ( Fig. 7-10), the frequency-determining element is the piezoelectric element ( 2 ).

17. Length sensor according to claim 16, characterized in that the piezoelectric element as a longitudinal, transver sal or Scherschwinger is trained.

18. Length sensor according to claim 16 or 17, characterized in that the evaluation circuit ( 10 ) uses a frequency, period duration, phase shift, beat frequency or pulse width modulation of a piezoelectric element ( 2 ) passing electrical signal for generating the measurement signal.

19. Length sensor according to claim 18, characterized in that the measurement signal is an average or instantaneous signal is.

20. Length sensor according to claim 18 or 19, characterized records that the oscillator ver sine or square wave signals is working.

21. Length sensor according to one of the preceding claims, characterized in that a further piezoelectric element ( 2 A) is clamped between the holding parts ( 3 , 4 ) so that a change in length (Δl) of the component ( 1 ) changes in opposite directions of the mechanical Voltages and electrical properties of the two piezoelectric elements ( 2 , 2 A) act.

22. Length sensor according to claim 21, characterized in that each holding part ( 3 , 4 ) has two opposing support surfaces (13A, B; 14A, B) which are assigned to one another in pairs so that each piezoelectric element ( 2 , 2 A ) between two opposing support surfaces (13A, B; 14A, B) of the two holding parts ( 3 , 4 ) is clamped.

23. Length sensor according to claim 22, characterized in that the two piezoelectric elements ( 2 , 2 A) in the direction (x) of the change in length (Δl) are spaced apart from each other ( Fig. 12, 15).

24. Length sensor according to claim 22, characterized in that the two piezoelectric elements ( 2 , 2 A) transversely to the direction (x) of the change in length (Δl) are spaced apart ( Fig. 11, 13).

25. Length sensor according to one of claims 21 to 24, characterized in that the evaluation circuit ( 10 ) has two oscillator gate circuits whose frequency-determining elements are the two piezoelectric elements ( 2 , 2 A), the evaluation circuit ( 10 ) from which the two signals passing through piezoelectric elements ( 2 , 2 A) forms a difference signal for the purpose of generating the measurement signal.

26. Length sensor according to one of claims 21 to 24, characterized in that the evaluation circuit ( 10 ) has a bridge circuit with two branches, which contain the two piezoelectric elements ( 2 , 2 A), the evaluation circuit ( 10 ) the signals passing through the two piezoelectric elements ( 2 , 2 A) forms a differential signal for the purpose of generating the measurement signal.

27. Length sensor according to claim 25 or 26, characterized in that the difference signal is formed by a transit time or phase difference of the two signals passing through the piezoelectric elements ( 2 , 2 A).

28. Length sensor according to one of claims 25 to 27, characterized characterized in that the amplitude, frequency or phase of the Differential signal is evaluated to form the measurement signal.