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Piezoelektrischer Druckgeber
DasStammpatentNr. 254559 (A 5669/65) bezieht sich auf einen piezoelektrischen Druckgeber mit einem innerhalb des Gebergehäuses von einer Vorspannhülse eingeschlossenen Piezoelement und einer dem Messdruck ausgesetzten Membran, die an der Vorspannhülse anliegt und das Innere des Gebergehäu- ses gegen die Druckmessstelle abdichtet.
Den Gegenstand des Stammpatents bildet eine zusätzliche vorzugsweise zylindrische Hülse mit einem dünnwandigen, mit der Hülse aus einem Stück bestehendenBoden, welcher die Membran bildet und welche anderunterenStirnfläche der Vorspannhülse anliegt, wobei vorzugsweise die Innenfläche der
Membran mit einer in die Innenwand der Hülse einspringenden Ausrundung in den Schaft der Hülse übergeht. Durch diese Ausbildung erhält die Membran eine Randversteifung, welche sie vor Verspannungen und Deformationen bei der Montage schützt. Der Schaft der Hülse, der im Verhältnis zur Membran eine grosse Wandstärke aufweist, ist ohne weiteres in der Lage, die beim Einpressen oder Anschweissen der Hülse auftretenden Montage- oder Schweissspannungen weitgehend aufzunehmen und von der Membran abzuhalten.
Mittels der Hülse lässt sich aber auch die Gesamtvorspannung des Piezoelements mit grosser Genauigkeit einstellen. Die Gesamtvorspannung ergibt sich nämlich durch additive Überlagerung der an- fänglichen Vorspannung des Piezoelements durch die Vorspannhülse und des Druckes, den die an der Vor- spannhülsefedernd anliegende Membran auf die Vorspannhülse ausübt. Der federnde Andruck der Membran an der Vorspannhülse ist nötig, um bei der Messung von Unterdrücken ein Abheben der Membran von der Vorspannhülse und damit eine Verfälschung des Messergebnisses zu vermeiden.
Bei der bevorzugten Ausführung dieses Druckgebers mit einer Ausrundung an der Übergangsstelle von der Membran zum Schaft der Hülse wird ausserdem eine besonders hohe Messempfindlichkeit erreicht, da die für die Druckübertragung von der Messstelle auf das Geberelement verfügbare wirksame Membranfläche vergrössert ist.
Bei flüssigkeitsgekühlten piezoelektrischen Druckgebern der eingangs erwähnten Art ist es bekannt, zwischen Gebergehäuse und Vorspannhülse einen Ringraum vorzusehen, der durch zwei diametral gegenüberliegende, axial verlaufende Wülste einer in den Ringraum eingesetzten Leithülse in zwei gleiche Ringraumteile unterteilt ist. Einer derselben steht mit einem Zulaufstutzen und der andere mit einem Ablaufstutzen für das Kühlmittel in Verbindung. In diesem Fall ist die Membran als Ringscheibe ausgebildet, durch die der Boden der Vorspannhülse hindurchragt. Im Boden der Vorspannhülse sind drei Querbohrungen vorgesehen, die die beiden Ringraumteile miteinander verbinden.
Die Kühlung des Hülsenbodens durch das durch die Querbohrungen hindurchgeleitete Kühlwasser kann indessen nicht voll wirksam werden, da der Boden der Vorspannhülse unmittelbar dem heissen Druckmedium ausgesetzt ist. Es bleibt daher eine gewisse Temperaturabhängigkeit des Geberverhaltens bei dieser bekannten Ausführung bestehen. Abgesehen von der Schwierigkeit, die Ringmembran gegen das Gehäuse und den Boden der Vorspannhülse abzudichten, tritt auch die verhältnismässig grosse Masse des Bodens der Vorspannhülse nachteilig in Erscheinung. Es muss eine verringerte Eigenfrequenz der Vorspannhülse in Kauf genommen
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werden, die sich nachteilig auf das Messergebnis auswirkt.
Die für eine weitgehende Temperaturabhängigkeit des Gebers erforderliche Kühlung des Bodenteiles der Vorspannhülse lässt sich nun bei einem Geber gemäss dem Stammpatent erfindungsgemäss dadurch erzielen, dass bei in an sich bekannter Weise zwischen Gebergehäuse und Vorspannhülse vorgesehenem Ringraum, der durch zwei diametral gegenüberliegende, etwa axial verlaufende Leisten od. dgl. Ab- schlusselementein zwei gleicheringraumteile geteilt ist, von denen einer mit einem Zulaufstutzen, der andere mit einem Ablaufstutzen für das Kühlmittel in Verbindung steht, die Ringraumteile über Kanäle verbunden sind, welche in dem an der mit der Vorspannhülse einstückig ausgebildeten Membran anlie- gendenBodenderVorspannhülse, zur Membran hin offen ausgebildet sind.
Die zur Membran hin offenen
Kühlkanäle des Hülsenbodens sorgen nicht nur für eine besonders intensive Kühlung der Hülse selbst, sondern auch des sonst nur mässig gekühlten Membranmittelteiles. Der Hülsenboden kann hiebei eine wesentlich geringere Wandstärke als bei der vorgenannten bekannten Ausführung erhalten, so dass die
Masse der Vorspannhülse klein, ihre Eigenfrequenz hingegen verhältnismässig gross gehalten werden kann. Damit besteht die Möglichkeit, unter Wahrung aller Vorteile des gemäss dem Stammpatent ausge- führten Druckgebers diesen besonders temperaturunempfindlich auszubilden.
Die Erfindung wird an Hand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Fig. 1 zeigt einen piezo- elektrischen Druckgeber gemäss der Erfindung im Axialschnitt, Fig. 2 in einem Teilschnitt nach der
Linie II-II in Fig. 1 und Fig. 3 im Schnitt nach der Linie III-III in Fig. 2.
Ineinem Gebergehäuse 1 ist das Geberelement 3 angeordnet, das innerhalb der Vorspannhül- se 4 das Piezoelement, beispielsweise Schichtquarze, samt den zugehörigen Elektroden enthält. Das
Geberelement stützt sich einerseits mit seiner Schulter 5 unmittelbar im Gebergehäuse 1 ab und anderseits mit dem Bodenteil 4'der Vorspannhülse 4 gegen die Membran 8, welche mit der
Hülse 7 einstückig ausgebildet und über diese mit dem Gebergehäuse 1 verschweisst ist. Das Ge- berelement 3 läuft in ein Anschlussstück 6 aus. Die Hülse 7 umgibt ein Druckring 14, wel- cher auf der der Messstelle zugewendeten Seite des Gebergehäuses 1 aufgepresst ist und sich bei Ge- brauch mit seiner Stirnfläche abdichtend in der Aufnahmebohrung der Messstelle abstützt.
Der untere Teil des Geberelements 3, insbesondere die Vorspannhülse 4, sind von einem
Ringraum 18 umgeben, der vom Kühlmittel durchströmt ist und zu diesem Zweck einerseits mit einem
Zuflussstutzen 21 und anderseits mit einem Ablaufstutzen 22 in Verbindung steht. Der Ringraum 18 ist durch zwei diametral gegenüberliegende Leisten 23 in zwei gleiche Teile geteilt, von denen einer mit dem genannten Zulaufstutzen 21 und der andere mit dem Ablaufstutzen 22 in Verbindung steht. Die Leisten 23, die bis knapp an die Vorspannhülse 4 heranreichen, können vorteilhaft in das Gebergehäuse 1 eingeklebt oder eingelötet sein. Im Bodenteil 4'der Vorspannhülse 4 sind zur Membran 8 hin offene Kanäle 24 vorgesehen, welche die beiden durch die Leisten 23 ge- bildeten Teilräume des Ringraumes 18 miteinander verbinden und vom Kühlmittel mit relativ hoher
Geschwindigkeitdurchströmtwerden.
Dadurch ist eine sehr gute Kühlung des Bodenteiles 4'der Vor- spannhülse 4 und der Membran 8 erzielt, wodurch eine weitgehendeTemperaturunabhängigkeit des Gebers erzielt ist. Die offenen Kanäle 24 sind ausserdem sehr leicht herstellbar und benötigen nur eine geringe Stärke des Bodenteiles 4'der Vorspannhülse 4, so dass die Massen klein und damit die Eigenfrequenz des Gebers hoch gehalten werden kann. Da die Membran 8 ständig mit Vorspan- nung an dem Bodenteil 4'der Vorspannhülse 4 anliegt, ist ein ständiger Abschluss der Kanäle 24 in Richtung der Geberachse durch die Membran 8 gewährleistet.
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Piezoelectric pressure transmitter
The master patent no. 254559 (A 5669/65) relates to a piezoelectric pressure transducer with a piezo element enclosed within the transducer housing by a pretensioning sleeve and a membrane exposed to the measuring pressure, which rests against the pretensioning sleeve and seals the interior of the transducer housing against the pressure measuring point.
The subject of the parent patent forms an additional, preferably cylindrical, sleeve with a thin-walled base, which is made in one piece with the sleeve, which forms the membrane and which rests on the lower end face of the prestressing sleeve, preferably the inner surface of the
Membrane merges into the shaft of the sleeve with a rounded portion that protrudes into the inner wall of the sleeve. This design gives the membrane edge stiffening which protects it from tension and deformation during assembly. The shaft of the sleeve, which has a large wall thickness in relation to the membrane, is easily able to absorb the assembly or welding stresses that occur when the sleeve is pressed in or welded on and to keep them away from the membrane.
However, the overall preload of the piezo element can also be set with great accuracy by means of the sleeve. The total pre-tensioning results from the additive superimposition of the initial pre-tensioning of the piezo element by the pre-tensioning sleeve and the pressure exerted on the pre-tensioning sleeve by the diaphragm, which is spring-mounted on the pre-tensioning sleeve. The resilient pressure of the membrane on the pretensioning sleeve is necessary in order to prevent the membrane from lifting off the pretensioning sleeve and thus falsifying the measurement result when measuring negative pressures.
In the preferred embodiment of this pressure transducer with a fillet at the transition point from the membrane to the shaft of the sleeve, a particularly high measurement sensitivity is also achieved, since the effective membrane area available for the pressure transmission from the measuring point to the transducer element is increased.
In liquid-cooled piezoelectric pressure transducers of the type mentioned above, it is known to provide an annular space between the encoder housing and the prestressing sleeve, which is divided into two identical annular space parts by two diametrically opposed, axially extending beads of a guide sleeve inserted into the annular space. One of these is in connection with an inlet connection and the other with an outlet connection for the coolant. In this case, the membrane is designed as an annular disk through which the bottom of the prestressing sleeve protrudes. In the bottom of the prestressing sleeve there are three transverse bores which connect the two annular space parts with one another.
The cooling of the sleeve base by the cooling water passed through the transverse bores, however, cannot be fully effective, since the base of the prestressing sleeve is directly exposed to the hot pressure medium. There is therefore a certain temperature dependency of the encoder behavior in this known design. Apart from the difficulty of sealing the annular diaphragm against the housing and the base of the prestressing sleeve, the relatively large mass of the base of the prestressing sleeve is also disadvantageous. A reduced natural frequency of the prestressing sleeve has to be accepted
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that adversely affects the measurement result.
The cooling of the bottom part of the pretensioning sleeve, which is necessary for a substantial temperature dependency of the transducer, can now be achieved according to the invention in a transducer according to the parent patent in that, in a manner known per se between transducer housing and pretensioning sleeve, the annular space provided by two diametrically opposite, approximately axially extending strips Od. The like. Closing element is divided into two equal ring space parts, one of which is connected to an inlet nozzle, the other is connected to an outlet nozzle for the coolant, the annular space parts are connected via channels which were in contact with the membrane formed in one piece with the prestressing sleeve - towards the bottom of the prestressing sleeve, open towards the membrane.
Those open to the membrane
Cooling channels in the sleeve base not only ensure particularly intensive cooling of the sleeve itself, but also of the central part of the membrane, which is otherwise only moderately cooled. The sleeve base can have a significantly smaller wall thickness than in the aforementioned known embodiment, so that the
The mass of the prestressing sleeve is small, but its natural frequency can be kept relatively high. There is thus the possibility of designing the pressure transmitter designed according to the parent patent to be particularly temperature-insensitive while maintaining all the advantages.
The invention is explained in more detail using an exemplary embodiment. Fig. 1 shows a piezoelectric pressure transducer according to the invention in axial section, Fig. 2 in a partial section according to the
Line II-II in FIG. 1 and FIG. 3 in section along line III-III in FIG. 2.
The transmitter element 3 is arranged in a transmitter housing 1 and contains the piezo element, for example layered quartz crystals, together with the associated electrodes, within the prestressing sleeve 4. The
The transmitter element is supported on the one hand with its shoulder 5 directly in the transmitter housing 1 and on the other hand with the base part 4 'of the prestressing sleeve 4 against the membrane 8, which is connected to the
Sleeve 7 is formed in one piece and is welded to the encoder housing 1 via this. The transmitter element 3 ends in a connection piece 6. The sleeve 7 surrounds a pressure ring 14, which is pressed onto the side of the encoder housing 1 facing the measuring point and, when in use, is supported with its end face in a sealing manner in the receiving bore of the measuring point.
The lower part of the transmitter element 3, in particular the prestressing sleeve 4, are of a
Surrounding annular space 18, which is flowed through by the coolant and for this purpose on the one hand with a
Inflow connection 21 and on the other hand with an outlet connection 22 is in connection. The annular space 18 is divided into two equal parts by two diametrically opposed strips 23, one of which is in connection with the inlet connection 21 and the other with the outlet connection 22. The strips 23, which come close to the prestressing sleeve 4, can advantageously be glued or soldered into the encoder housing 1. In the bottom part 4 'of the pretensioning sleeve 4 channels 24 are provided which are open towards the membrane 8 and which connect the two sub-spaces of the annular space 18 formed by the strips 23 with one another and with a relatively large amount of coolant
Speed.
This achieves very good cooling of the base part 4 'of the prestressing sleeve 4 and of the membrane 8, which means that the transmitter is largely independent of the temperature. The open channels 24 are also very easy to manufacture and only require a small thickness of the bottom part 4 'of the prestressing sleeve 4, so that the masses can be kept small and thus the natural frequency of the encoder can be kept high. Since the membrane 8 is constantly in contact with the base part 4 ′ of the prestressing sleeve 4 with pretensioning, a constant closure of the channels 24 in the direction of the encoder axis by the membrane 8 is guaranteed.