AT258610B

AT258610B - Piezoelektrischer Druckgeber

Info

Publication number: AT258610B
Application number: AT1110065A
Authority: AT
Inventors: Rudolf Ing Zeiringer; H C Hans Dipl Ing Dr Dr List
Original assignee: H C Hans Dipl Ing Dr Dr List
Priority date: 1965-12-09
Filing date: 1965-12-09
Publication date: 1967-12-11

Description

Piezoelektrischer Druckgeber
Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Druckgeber mit einer das Piezoelement enthaltenden, von einem Kühlflüssigkeitsraum umgebenen Vorspannhülse und einer den Kühlflüssigkeitsraum abschliessenden, mit dem Boden der Vorspannhülse verbundenen Membrane. Bei solchen Druckgebern, die vielfach hohen Wärmebelastungen ausgesetzt sind, muss zur Vermeidung von Messfehlern zufolge unterschiedlicher Wärmedehnungen der funktionswichtigen Geberteile eine Temperaturkompensation vorgesehen werden. Bei bekannten Geberausführungen wird diese Temperaturkompensation durch Verwendung möglichst derselben oder hinsichtlich ihrer Wärmedehnung äquivalenten Materialien, zumindest für das Gebergehäuse und die Vorspannhülse und allenfalls eine besondere Formgebung der Membrane erreicht.

Bekannt ist ferner der Ausgleich der unterschiedlichen Temperaturdehnungen der metallischen Vor- spannhülse und des darin eingeschlossenen Piezoelementes durch eine zwischen dem Piezoelement und dem Boden der Vorspannhülse angeordnete Metallscheibe entsprechenden Dehnungsverhaltens.

Die praktische Erfahrung mit bekannten temperaturkompensierten Druckgebern hat indessen zu der Erkenntnis geführt, dass die Temperaturkompensation erst nach einiger Zeit, je nach Ausführung nach etwa 1 bis 5 sek, voll wirksam wird und solange aufrecht bleibt als annähernd stabile Temperaturverhältnisse herrschen. Bei kurzzeitiger Temperatureinwirkung (Temperaturschock) wurde bei den bekannten temperaturkompensierten Druckgebern eine Änderung der Druckanzeige bei konstantem Druck beobachtet. Mit diesem Verhalten ist daher eine Messunsicherheit verbunden, die insbesondere Druckmessungen bei kurzzeitigen Temperaturspitzen problematisch erscheinen lassen.

Die Erfindung verfolgt das Ziel, die Störeinflüsse kurzzeitiger Temperatureinwirkungen zu beseitigen und einen Druckgeber zu schaffen, der eine für alle Betriebsverhältnisse voll wirksame Temperaturkompensationbesitzt. Man erreicht dies erfindungsgemäss dadurch, dass vor dem Boden der Vorspannhülse ein Wärmeisolierkörper und bzw. oder ein Wärmestaukörper angeordnet ist. Durch diese Massnahmen wird der Wärmeaustausch zwischen dem heissen Druckmedium und jenen Teilen des Druckgebers, die besonders zu temperaturbedingten Formänderungen neigen, z. B. der Membrane selbst aber auch der Vorspannhülse, beträchtlich verzögert. Dies hat zur Folge, dass hohe Wärmebelastungen von kurzer Dauer auf den Spannungszustand des Piezoelementes und damit auf das Messergebnis ohne Einfluss bleiben. Die Anordnung der Wärmeisolierkörper bzw.

Wärmestaukörper kann so getroffen werden, dass die besonders temperaturempfindlichen Geberteile, vor allem die Membrane, eine an allen Stellen möglichst gleichmässige Erwärmung erfahren. Demgemäss sind Isolier- bzw. Staukörper vornehmlich an jenen Stellen anzubringen, welche, sei es durch mangelhafte Kühlung dieser Bereiche oder auf Grund ungünstiger Querschnittsverhältnisse, rasch hohe Temperaturwerte annehmen. Mit der Vergleichmässigung der Erwärmung der temperaturempfindlichen Teile des Gebers durch die erfindungsgemässen Massnahmen werden nicht nur die zu Verformungen Anlass gebenden Wärmespannungen in diesen Teilen vermieden, sondern es wird auch eine Annäherung an den stationären Wärmezustand des Gebers erreicht, der sich im Dauerbetrieb einstellt.

Das heisst also, dass sich ein an sich temperaturkompensierter Geber gegen- über kurzzeitigen Wärmebelastungen ebenso unempfindlich zeigt wie bei andauernder Wärmebelastung.

Bei Anordnung eines Wärmeisolierkörpers kann dieser erfindungsgemäss als Belag oder Scheibe aus wärmeisolierendem Material ausgebildet und an der Aussenfläche der Membrane angebracht sein. Der

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Bei thermisch weniger hoch beanspruchten Gebern kann die Kurzzeittemperaturdrift durch einen zylindrischen Ansatz 18"der Membrane 4"allein unterbunden werden. Um die verzögerte Erwär- mung dieses der Temperatureinwirkung von aussen unmittelbar ausgesetzten Mittelteiles der Membrane 4"sicherzustellen, ist der zylindrische Ansatz 18"zwecks grösserer Wärmekapazität mit grö- sserer Wandstärke als bei den Ausführungen gemäss Fig. 2 und 3 ausgebildet.

Bei Druckgebern mit Ringmembrane 21 müssen gemäss Fig. 5 andersgeartete Vorkehrungen getroffen werden, um die auch hier zu beobachtende Kurzzeittemperaturdrift auszuschalten. Die Erfahrung mit solchen Gebern, bei denen üblicherweise der äussere Rand der Membrane mit dem Gebergehäuse und der innere Rand der Membrane direkt mit dem Boden der Vorspannhülse fest verbunden ist, hat gelehrt, dass es bei einer Erwärmung, insbesondere bei einer Temperaturschockbehandlung der Membranseite des Gebers an der Übergangsstelle vom Boden der Vorspannhülse zu ihrem dünnwandigen Mantel zu Wärmestauungen kommt, die eine rasche Dehnung der Vorspannhülse hervorrufen, welche am Messgerät einen plötzlichen Druckabfall vortäuscht.

Die Erwärmung des Piezoelementes selbst sowie auch der für den Temperaturausgleich vorgesehenen Kompensationsscheibe geht indessen langsamer vor sich, so dass es erst nach einiger Zeit zu einem Ausgleich der verschieden grossen Dehnungen der Vorspannhülse und des Piezoelementes kommt.

Zur Beseitigung dieser unerwünschten Erscheinungen weist die Vorspannhülse 9 des Gebers gemäss Fig. 5 einen an ihrem Boden 16 anschliessenden hohlen Fortsatz 22 auf, in den eine Quarzoder Keramikscheibe 20 als Wärmeisolierkörper eingesetzt ist und der durch einen abgesetzt zylindrischen Bodenkörper 26 nach der Stirnseite des Gebers hin abgeschlossen ist. Zwischen dem dünnwandigen Mantel des Fortsatzes 22 und der Quarz- oder Keramikscheibe 20 ist ein ringförmiger Kühlflüssigkeitsraum 23 ausgespart, der über Verbindungskanäle 24 und 25 an den Kühlwasserraum 17 des Gebers angeschlossen ist. Die Quarz- oder Keramikscheibe 20 ist zwischen dem Boden 16 und dem Bodenkörper 26 unter Vorspannung gehalten, um eine etwaige Spaltfederung zwischen diesen Teilen auszuschliessen und die Übertragung sowohl von Zug- als auch Druckkräften auf das Piezoelement zu ermöglichen.

Die Ringmembrane 21 ist mit ihrem Innenring 27 am Bodenkörper 26 und mit ihrem Aussenring 28 am Gewindeteil 3 des Gebergehäuses befestigt, z. B. eingepresst.

Der Quarz- oder Keramikkörper 20 schirmt den Boden 16 der Vorspannhülse 9 gegen die durch den Bodenkörper 26 eindringende Wärme nahezu vollkommen ab, so dass der Grossteil der Wärme nach dem dünnwandigen Mantel des hohlen Fortsatzes 22 abgelenkt und dort fast zur Gänze an das Kühlwasser abgegeben wird. Die Vorspannhülse 9 erfährt somit nur eine sehr geringe Erwärmung, die überdies erst nach längerer Zeit wirksam wird, so dass kurzzeitige thermische Spitzenbelastungen ohne Einfluss auf die Vorspannung des Piezoelementes bleiben. Die Kompensation der Wärmedehnungen im stationären Zustand des Gebers bei Dauerbetrieb erfolgt auch hier in bekannter Weise mittels einer Kompensationsscheibe 14.

PATENTANSPRÜCHE :
1. Piezoelektrischer Druckgeber mit einer das Piezoelement enthaltenden, von einem Kühlflüssigkeitsraum umgebenen Vorspannhülse und einer den Kühlflüssigkeitsraum abschliessenden, mit dem Boden der Vorspannhülse verbundenen Membrane, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Boden (16) der Vorspannhülse (9) ein Wärmeisolierkörper (19 ; 19' ; 20) und bzw. oder ein Wärmestaukörper (18 : 18 * ; 18") angeordnet ist.

2. PiezoelektrischerDruckgebernachAnspruchl, dadurch gekennzeichnet, dass bei An- ordnung eines Wärmeisolierkörpers (19 ; 19") dieser als Belag oder Scheibe aus wärmeisolierendem Material ausgebildet und an der Aussenfläche der Membrane (4) angebracht ist.
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führten zylindrischen Mittelteil der Membrane (4 ; 4' ; 4") gebildet ist.

Claims

4. Piezoelektrischer Druckgeber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mit vergrösserter Wandstärke ausgeführte zylindrische Mittelteil der Membrane (4) als nach innen vorspringender, mit seiner ganzen Fläche am Boden (16) der Vorspannhülse (9) anliegender Ansatz (18) ausgebildet ist und an der Aussenseite dieses Ansatzes eine zylindrische Vertiefung vorgesehen ist, die einen wärmeisolierenden Belag (19) enthält.

5. Piezoelektrischer Druckgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ver- <Desc/Clms Page number 5> wendung einer Ringmembrane (21) und eines Wärmeisolierkörpers dieser als Scheibe (20) aus wärmeisolierendem Material, z. B. Quarz oder Keramik, ausgebildet und in einem mit dem Boden (16) verbundenen hohlen Fortsatz (22) so eingesetzt ist, dass die Scheibe (20) zwischen dem Boden (16) und einem an den Fortsatz anschliessenden Bodenkörper (26) unter Vorspannung steht, die Ringmembrane (21) mit ihrem Innenring (27) in den Bodenkörper (26) eingepresst ist und der Hohlraum (23) zwischen dem Fortsatz (22) und der Scheibe (20) mit dem Kühlflüssigkeitsraum (17) verbunden ist.