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Piezoelektrische Messwandler-Verstärkerkombination
Die Erfindung betrifft eine piezoelektrische Messwandler-Verstärkerkombination, bestehend aus einem piezoelektrischen Standard-Messwandler und einem volltransistorisierten Miniatur-Ladungsverstärker.
In der Piezo-Messtechnik besteht einmesskanal gewöhnlich aus einem piezoelektrischen Messwandler,
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Messwertverstärkerbel miteinander verbunden sind. Die Länge der Kabelverbindungen zwischen den einzelnen Geräten kann einige Zentimeter, aber auch mehrere hundert Meter betragen. Die Länge der Kabelverbindung zwischen einem piezoelektrischen Messwandler und dem nachfolgenden Messwertverstärker ist jedoch Beschränkungen unterworfen, weil die Kabelkapazität von einer gewissen Grösse an Einfluss auf den Verstärkungsgrad und die obere Messfrequenz nimmt. Deshalb wird die Kabellänge zwischen Messwandler und Verstärker im allgemeinen so kurz wie nur möglich gehalten.
In vielen Fällen, besonders bei Messungen in explosionsgefährdeten Räumen oder an stark vibrierenden Messobjekten, ist jedoch eine längere Leitung zwischen Messwandler und Verstärker gegenwärtig unvermeidlich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine piezoelektrische Messwandler-Verstärkerkombination zu schaffen, bei der die durch Kabelverbindungen bedingten Schwierigkeiten vermieden sind. Dies wird nach der Erfindung dadurch erzielt, dass der Miniatur-Ladungsverstärker vakuumdicht in einMetallgehäuse eingebaut ist, das durch mechanische Verbindungsmittel mit Standard-Piezomesswandlern unter Zuhilfenahme eines Dichtungsmittels hermetisch zu einer Einheit verbunden werden kann, welche praktisch gleiche Einbaudimensionen aufweist wie der Standard-Messwandler.
Bei der erfindungsgemässen Kombination wird also der Ladungsverstärker nicht mehr wie üblich mittels Kabeln zwischen den Messwandler und das Auswertegerät eingeschaltet, sondern auf den Messwandler direkt aufgeschraubt oder aufgepresst, so dass der Wandler und der Verstärker eine Einheit bilden. Statt der bisher in Ladungsverstärkern üblichen Elektrometerröhren finden bei dem Ladungsverstärker spezielle Transistoren Anwendung, insbesondere"Field-effect"-und"MOOST"-Transistoren, die Eingangswiderstände von 1014 bis 1016 Ohm haben.
Diese Transistoren haben gegenüber Elektrometerröhren nicht nur den Vorteil, dass sie einen wesentlich geringeren Platzbedarf haben, sondern sie sind vor allem gegenüber Vibrationen unempfindlich, so dass sie im Gegensatz zu Elektrometerröhren nicht vom Messwandler schall- und vibrationsisoliert montiert werden müssen, sondern ohne weiteres direkt auf den Messwandler aufgesetzt werden können.
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der erfindungsgemässen Messwandler-Verstärkerkombination dargestellt. Es zeigen : Fig. l den Aufbau eines bisher üblichen Messkanals mit Messwandler, Ladungsverstärker und Anzeigegerät, die durch Kabel miteinander verbunden sind, Fig. 2 das schematische Schaltbild eines Ladungsverstärkers mit kapazitiver Rückkopplung, Fig. 3 die Ansicht eines volltransistorisierten Miniatur-Ladungsverstärkers nach der Erfindung, Fig. 4 die Ansicht eines piezoelektrischen Messwandlers für Druckmessungen, Fig. 5 die Ansicht einer aus Messwandler und Verstärker bestehenden Einheit nach dem Einbau an der Messstelle, Fig.
6 einen Schnitt durch eine Messwandler-Verstärkerkombina- tion nach der Erfindung, bei der die aus Wandler und Verstärker bestehende Einheit in ein Gehäuse ein-
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gebaut ist, Fig. 7 einen schematischen Längsschnitt durch ein einen eingebauten Ladungsverstärker enthaltendes Messwandlergehäuse, Fig. 8 einen in das Gehäuse nach Fig. 7 einbaubaren Messwandler, Fig. 9 die aus den Teilen nach den Fig. 7 und 8 zusammengebaute Messwandler-Verstärkerkombination, Fig. 10 die Ansicht eines teilweise aufgebrochenen Messwandlers für Kraftmessungen, Fig. 11 eine zur Montage des Messwandlers nach Fig. 10 dienende Montageschraube, in deren Kopf ein Ladungsverstärker angeordnet ist, und Fig. 12 die Ansicht einer Baugruppe, in der ein Messwandler nach Fig. 10 mit Hilfe der Schraube nach Fig.
11 an einem Bauteil befestigt ist.
Dem Gedanken der Erfindung entsprechend wird der Ladungsverstärker derart miniaturisiert, dass er in ein Metallgehäuse einsetzbar ist, das seinerseits einen Bestandteil des Messwandlers darstellt. Dieser Erfindungsgedanke wird im folgenden an Hand von Beispielen für Messwandler erläutert, die für Druck-, Beschleunigungs- und Kraftmessungen bestimmt sind.
Fig. 1 veranschaulicht den üblichen Aufbau eines Messkanals für piezoelektrische Messungen. Ein Messwandler 1 ist über ein Kabel mit einem Ladungsverstärker 2 verbunden, der seinerseits über ein Kabel mit einem Auswertegerät 3 verbunden ist. Als Kabel finden gewöhnlich Koaxialkabel Verwendung ; der Ladungsverstärker hat den in Fig. 2 veranschaulichten Aufbau.
Bei der erfindungsgemässen Messwandler-Verstärkerkombination ist dagegen der miniaturisierte Ladungsverstärker, wie in Fig. 3 veranschaulicht, in ein Metallgehäuse vakuumdicht eingebaut, das den gleichen Durchmesser aufweist wie der in Fig. 4 dargestellte Messwandler. In einem Ende des Gehäuses des Ladungsverstärkers ist einAnschlussmuttergewinde 4 vorgesehen, in das der Gewindeansatz 5 am Messwandler hineinpasst. Umgekehrt passt ein Kontaktstift 6 des Ladungsverstärkers in eine entsprechende Bohrung 7 des Messwandlers. Auf den Gewindeansatz 5 mit der Bohrung 7 des Messwandlers passen auch handelsübliche Koaxialstecker.
Die beidenEinheiten nach den Fig. 3 und 4 können miteinander verschraubt und mit Hilfe eines Dichtungsmittels völlig hermetisch miteinander verbunden werden. Nach ihrer Vereinigung können sie als Messwandler-Verstärkereinheit an beliebigen Messstellen eingebaut werden, wie es in Fig. 5 veranschaulicht ist.
Für die Messung von Schockwellen und für Schalldruckmessung empfiehlt es sich, die Wandler-Verstärkereinheit mittels zweier elastischer Ringe 11 in ein Gehäuse 10 einzubauen, wie es Fig. 6 zeigt. Die elastische Lagerung der Wandler-Verstärkereinheit in dem Gehäuse 10 verhindert, dass auf
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Die Fig. 7,8 und 9 zeigen ein für Beschleunigungsmessungen bestimmtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Kombination. In Fig. 7 ist ein zur Aufnahme des Messwandlers bestimmtes Gehäuse dargestellt, in dessen oberen Teil der miniaturisierte Ladungsverstärker eingebaut ist. Der in Fig. 8 gesondert dargestellte Messwandler wird in das offene Ende dieses Gehäuses eingesetzt und dabei über einen Steckerkontakt mit dem Verstärker verbunden. Die in Fig. 9 dargestellte vollständige Einheit hat wieder den gleichen Durchmesser wie ein Standard-Beschleunigungsmesswandler.
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Fig. 10-12 dargestellt. Hiebei handelt es sich um einen Messwandler für Kraftmessungen. In den piezoelektrischenMesswandler nach Fig. 10 ist an einem Ende ein Muttergewinde 20 eingeschnitten, das zur Verbindung des Wandlers mit einem Kraftübertragungsglied dient.
In das gegenüberliegende Ende des Messwandlers ist ein weiteres Gewinde 21 eingeschnitten, das auf ein Aussengewinde 22 der Hohlschraube nach Fig. 11 passt, die zur Montage des Kraftmesswandlers auf eine Unterlage dient. Zur elektrischen Verbindung weisen der Messwandler eine Buchse 23 und die mit dem Verstärker versehene Hohlschraube einen Kontaktstift 24 auf, die beim Eindrehen des Gewindes 22 der Schraube in das Muttergewinde 21 des Messwandlers ineinander eingreifen. Fig. 12 zeigt, wie die Messwandler-Verstärkerkombination an einem Träger od. dgl. befestigt wird.
Durch die Erfindung werden mechanische Einheiten erzielt, die sich für Druck-, Kraft- und Beschleunigungsmessungen eignen und die jederzeit wieder inwandler-undverstärkerelemente trennbar sind, was insbesondere die Fabrikation, die Wartung und die Ersatzteilbeschaffung und-lagerung erleichtert.
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