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Piezoelektrischer Messwandler für die Druck-, Kraft-oder
Beschleunigungsmessung
Die Erfindung bezieht sich auf einen piezoelektrischen Messwandler für die Druck-, Kraft-oder
Beschleunigungsmessung, dessen Gehäuse eine an einem Ende offene, zylindrische Ausnehmung aufweist, in die das Messelement eingesetzt ist, wobei es auf dem Boden der Ausnehmung fest abgestützt und am offenen Ende derselben, welches mit einem hermetischen Abschluss versehen ist, durch einen in der zylindrischen Ausnehmung angeordneten, die Vorspanneinrichtung bildenden plattenfederartigen Federkörper belastet ist.
Piezoelektrische Messwandler dieser Bauart, die sich durch einen verhältnismässig einfachen Aufbau auszeichnen, sind bereits bekannt, vor allem als Accelerometer. Sie werden zur Durchführung von Messungen und laufenden Betriebsüberwachungen angewendet, beispielsweise zur Messung des Druckes und des Druckverlaufes in den Zylindern von Brennkraftmaschinen und Kompressoren sowie zur Beschleunigungsmessung, insbesondere bei der überwachung der Vibrationen von Flugzeugtriebwerken. Die bekannten Wandler weisen jedoch verschiedene Nachteile auf, die sowohl bei der Herstellung und bei der Eichung als auch im Betrieb Schwierigkeiten verursachen können.
Zur Vorspannung des Messelementes werden bei den bekannten Accelerometern dieser Art meist ebene oder gewölbte Plattenfedern verwendet, die durch einen in die zylindrische Ausnehmung des Gehäuses eingeschraubten Stöpsel oder durch einen auf das Gehäuse aufgeschraubten Deckel abgestützt sind. Die Druckübertragung zwischen der Feder und dem Messelement erfolgt dabei entweder durch einen Reibungsschluss zwischen der seismischen Masse und der Feder oder über eine Kugel, die dazwischengelegt ist. Auf Grund der Schraubverbindung zwischen dem Gehäuse und dem die Feder abstützenden Bauteil ist zwar der Zusammenbau des Wandlers und die Einstellung der Vorspannkraft der Plattenfeder verhältnismässig einfach möglich, gleichzeitig tritt aber eine nachteilige Gewindefederung auf.
Bei einer weiteren bekannten Ausführung greift eine ringförmige Plattenfeder mit ihrem Innenrand in eine Eindrehung der seismischen Masse ein und ist mit ihrem Aussenrand in eine nach innen offene Umfangsnut des Gehäuses eingesetzt. Dabei ist eine Einstellung oder Veränderung der Vorspannung der Feder nicht möglich und ausserdem zum hermetischen Abschliessen des Messelementes ein zusätzlicher Deckel erforderlich. Da das Messelement nach aussen durch einen starren Bauteil abgeschlossen ist, können von aussen keine Druckkräfte aufgebracht werden und kann beim Eichen des Accelerometers nach erfolgtem Zusammenbau die Grösse der seismischen Masse nicht mehr verändert werden. Die Eichung kann daher nur mit Hilfe eines Schütteltisches oder eines ballistischen Pendels vorgenommen werden, bevor das Accelerometer an der Messstelle montiert wird.
Es sind auch schon durch Plattenfedern vorgespannte Messwandler bekannt, bei denen die Plattenfeder das Messelement nach aussen abschliesst und auf einem Druckübertragungsstempel abgestützt ist, über den Druckkräfte auf das Messelement aufgebracht werden können. Dabei handelt es sich meist um Druckgeber mit einer das Messelement kappenartig umschliessenden Hülse, deren Boden als Plattenfeder ausgebildet ist. Die Herstellung einer solchen Hülse mit der erforderlichen Massgenauigkeit bereitet fertigungstechnische Schwierigkeiten. Ausserdem sind für den Zusammenbau und die richtige Zentrierung der Bauteile aufwendige Zentriereinrichtungen erforderlich.
Bei einem elektrischen
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Druckmesskopf mit Dehnungsmessstreifen ist es ferner bekannt, das Messelement nach aussen durch eine
Membrane abzuschliessen, die in eine zylindrische Bohrung eingesetzt ist und fest auf einem Absatz der
Bohrung aufsitzt. Diese Membrane dient jedoch nicht zur Vorspannung eines piezoelektrischen
Messelementes, sondern hat lediglich die Aufgabe, das Messelement hermetisch abzuschliessen und trotzdem eine Übertragung des auf ihre Aussenseite wirkenden Druckes zu gestatten. Es handelt sich dabei um eine Druckübertragungsmembrane, die selbst keine nennenswerte Kräfte ausübt.
Die Erfindung bezweckt nun die Schaffung eines piezoelektrischen Messwandlers der genannten
Bauart, der einfach aufgebaut ist, dessen Bestandteile leicht zusammengesetzt werden können und der überdies eine einfache Eichung sowie eine rasche Funktionsüberprüfung an der Messstelle selbst ermöglicht.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass der die Vorspanneinrichtung bildende
Federkörper wie ein scheibenförmiger Kolben in die zylindrische Ausnehmung verschieblich eingesetzt ist, in bei Druckübertragungsmembranen an sich bekannter Weise einen in die zylindrische Ausnehmung passenden Führungsrand, daran anschliessend einen dünnen ringförmigen Federungsbereich und einen massiven Mittelteil aufweist und der mit dem Mittelteil auf dem Messelement fest aufliegende
Federkörper in einer vorgespannten, das Messelement belastenden Stellung im Bereich des
Führungsrandes in der Ausnehmung befestigt ist, wobei er zugleich den hermetischen Abschluss der
Gehäuseausnehmung bildet. Vorzugsweise weist der Federkörper im Bereich des Führungsrandes eine stufenförmige Ausdehnung zum Aufsetzen eines Vorspann-und Montagewerkzeuges auf.
Der erfindungsgemässe Federkörper ist einfach mit der erforderlichen Massgenauigkeit herstellbar, wobei seine Federungseigenschaften, z. B. durch geeignete Formgebung des dünnen Federungsbereiches, allen Anforderungen angepasst werden können. Beim Zusammenbau des Messwandlers wird nach
Einbringung des Messelementes in das Gehäuse der Federkörper lediglich in die zylindrische
Ausnehmung eingesetzt, wobei er durch seinen Führungsrand selbsttätig zentriert wird, so dass besondere Zentriereinrichtungen überflüssig sind. Der massive Mittelteil legt sich dabei fest auf das
Messelement auf, wodurch eine starre Kraftübertragung zwischen dem Federkörper und dem Messelement erfolgen kann.
Zwischen die empfindlichen Messkristalle und den Federkörper kann ein starres Zwischenstück zur Druckübertragung eingeschaltet sein, welches im Falle eines Accelerometers zusammen mit dem massiven Mittelteil des Federkörpers die seismische Masse bildet.
Die Vorspannung des Federkörpers erfolgt in einfacher Weise dadurch, dass dieser im Bereich seines Führungsrandes durch ein einfaches Werkzeug mit einer der gewünschten Vorspannung entsprechenden Kraft gegen das Messelement gedrückt wird, wobei der Führungsrand in der zylindrischen Ausnehmung des Gehäuses genau geführt wird. Durch die feste Auflage zwischen dem massiven Mittelteil und dem Messelement wird auch dieses in der richtigen Lage gehalten. Sobald die gewünschte Vorspannung erreicht ist, wird der Führungsrand des Federkörpers in der zylindrischen Ausnehmung befestigt, vorzugsweise durch Schweissen, wobei eine Schweissverbindung lediglich an der aussenliegenden Kante des Führungsrandes ausreicht, um sowohl eine sichere Verankerung des Federkörpers als auch einen luftdichten Abschluss der Gehäuseausnehmung zu erzielen.
Da der massive Mittelteil des Federkörpers im Falle eines Accelerometers einen Teil der seismischen Masse bildet, kann diese nach erfolgtem Zusammenbau des Messwandlers durch einfaches Abdrehen des massiven Mittelteiles abgestimmt werden. Da der Federkörper von aussen zugänglich ist, kann ausserdem auch im Falle eines Accelerometers jederzeit eine Druckübertragung von aussen auf das Messelement erfolgen, was insbesondere für die Nacheichung und rasche Funktionsüberprüfung des Messwandlers an der Messstelle von Vorteil ist, wobei sich ein Ausbau des Messwandlers erübrigt.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen zu entnehmen, die in den Zeichnungen dargestellt sind. In diesen zeigen : Fig. l einen Längsschnitt durch den erfindungsgemässen Messwandler in schematischer Darstellung, Fig. 2 eine beispielsweise Ausführungsform eines Accelerometers im Längsschnitt und Fig. 3 den oberen Teil einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemässen Accelerometers im Längsschnitt.
Wie aus Fig. l ersichtlich ist, besteht der erfindungsgemässe Messwandler aus einem verhältnismässig massiven Gehäuse --1--, in dem eine zylindrische Ausnehmung--2--ausgespart ist, die das Messelement --3-- aufnimmt. Dieses ruht auf dem Boden--4--der Ausnehmung--2--und ist durch einen Federkörper --5-- belastet, der es gegen den Boden --4-- drückt. Der Federkörper - ist als scheibenförmiger Kolben ausgebildet, der in die zylindrische Ausnehmung-2eingesetzt ist, einen in die Ausnehmung--2--passenden Führungsrand--6--, daran anschliessend einen dünnen ringförmigen Federungsbereich --7-- und in seiner Mitte einen massiven Mittelteil - aufweist.
Das Messelement-3-ist mit einem Ansatz --9-- versehen, auf welchem der massive Mittelteil--8--des Federkörpers--5--starr aufuegt. Die elektrischen Anschlussleitungen
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--10 und 11-- für das Messelement --3-- sind durch einen Stecker--12--durch das Gehäuse - l-luftdicht nach aussen geführt.
Der Federkörper-5-bildet die Vorspanneinrichtung für das Messelement --3--. Beim Zusammenbau des Messwandlers wird nach Einbringen des Messelementes-3-der Federkörper - in die zylindrische Ausnehmung --2-- eingesetzt und im Bereich seines Führungsrandes - mit Hilfe eines geeigneten Werkzeuges gegen das Messelement --3-- gedrückt, bis die gewünschte Vorspannkraft erreicht ist. In dieser Lage wird der Federkörper --5-- in der
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--2-- befestigt,Führungsrand-6-in der zylindrischen Ausnehmung --2-- und ist durch diese genau geführt.
Der massive Mittelteil --8-- stützt sich dabei über den Ansatz --9-- auf das Messelement --3--, wobei ein Reibungsschluss zwischen dem Messelement --3-- und dem Federkörper --5-vorhanden ist, so dass sich diese beiden Teile nicht gegeneinander verschieben können. Dadurch ergibt sich zwangsweise eine genaue Zentrierung der Bauteile des Messwandlers, so dass keine besonderen Zentriereinrichtungen erforderlich sind.
Das in Fig. 2 gezeigte Accelerometer besitzt prinzipiell den gleichen Aufbau wie der Messwertwandler nach Fig. 1. Das in die zylindrische Ausnehmung --2-- des Gehäuses --1-eingesetzte Messelement--3--besteht dabei in bekannter Weise aus übereinandergeschichteten
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--14-- mitandern harten Material bestehen, beispielsweise aus einem Saphir, wobei sie gleichzeitig zur elektrischen Isolierung dienen kann.
Die konischen Ansenkungen-15 und 17-bewirken in Verbindung mit der Kugel-16-eine genaue Zentrierung zwischen dem Federkörper --5-- und dem Messelement - -3--. Im Bereich des Führungsrandes-6-ist der Federkörper-5-mit einer stufenförmigen
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in der zylindrischen Ausnehmung --2-- ist eine umlaufende Schweissnaht --19- vorgesehen, die in einfacher Weise lediglich die aussenliegende Kante des Führungsrandes-6-mit dem Rand des Gehäuses--l--verbindet. über dem Federkörper-5-ist auf das Gehäuse --1-- ein Deckel --20-- aufgesetzt,
der an der Aussenseite des Federkörpers einen geschlossenen Hohlraum --21-- bildet. Der Deckel - ist mit einer Anschlussbohrung --2-- versehen, durch die ein hydraulisches oder pneumatisches Medium in den Hohlraum --21-- geführt werden kann. über dieses Medium kann ein mechanischer Druck auf den Federkörper--5--ausgeübt werden. Dieser Druck wird auf Grund der starren Verbindung zwischen dem Federkörper --5-- und dem Messelement --3-- auf dieses übertragen und führt daher zur Erzeugung eines Signals zwischen den vom Messelement --3-wegführenden elektrischen Leitungen--10 und 11--. Durch Zuführung eines pneumatischen oder hydraulischen Druckmittels in den Hohlraum --21-- kann somit eine statische oder dynamische Eichung und eine Funktionsüberprüfung des Messwandlers erfolgen.
Da hiezu lediglich eine pneumatische oder hydraulische Druckleitung an die Anschlussbohrung --2-- angeschlossen werden muss, kann die Funktionsüberprüfung rasch und einfach an der Messstelle erfolgen, so dass nicht nur der Messwandler selbst, sondern der gesamte Messkreis, in welchen dieser eingeschaltet ist, überprüft werden kann. Von besonderem Vorteil ist dabei, dass die Grösse des aufgebrachten Druckes einfach bestimmbar ist, so dass in jedem Fall verlässliche Testergebnisse erzielt werden. Insbesondere bei der Verwendung eines hydraulischen Druckmittels kann der Hohlraum --21-- mit einer plastisch oder elastisch verformbaren Masse, z. B. mit Silikongummi, ausgefüllt sein, wodurch Lufteinschlüsse, die eine dynamische Messung verfälschen könnten, vermieden werden.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist der Deckel--20--mittels einer Schweissnaht --23-auf das Gehäuse luftdicht aufgeschweisst. Eine andere Möglichkeit zur luftdichten Befestigung des Deckels --20-- auf dem Gehäuse --1-- ist in Fig. 3 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform ist der
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--20-- aufFig. 3 verwendete Deckel --20-- ausser der Anschlussbohrung-22-eine weitere Anschlussbohrung --26-- auf. Dadurch ist es möglich, den Hohlraum--21--in einen Kühlmittelkreislauf einzuschliessen und zur Kühlung des Federkörpers --5-- zu verwenden.
Zur Durchführung einer Funktionsüberprüfung des Messwandlers wird dabei entweder das Kühlmittel selbst unter Druck gesetzt oder nach Abschliessen der Kühlmittelleitungen und Verschliessen einer der Anschlussbohrungen --22, 26-- durch die andere Anschlussbohrung das zur Übertragung des Eichdruckes verwendete Medium zugeführt.
Die erfindungsgemässe Bauart des Messwandlers ist nicht nur für das als Ausführungsbeispiel gezeigte Accelerometer geeignet, sondern kann mit gleichem Vorteil auch für die Druck-und Kraftmessung verwendet werden. Da der erfindungsgemässe Federkörper--5--, wie insbesondere aus Fig. l ersichtlich ist, einen massiven Mittelteil--8-- aufweist, der starr auf dem Messelement-3-
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seismischen Masse und damit der Empfindlichkeit und der Eigenfrequenz des Messwandlers erfolgen kann.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Piezoelektrischer Messwandler für die Druck-, Kraft- oder Beschleunigungsmessung, dessen Gehäuse eine an einem Ende offene, zylindrische Ausnehmung aufweist, in die das Messelement eingesetzt ist, wobei es auf dem Boden der Ausnehmung fest abgestützt und am offenen Ende derselben, welches mit einem hermetischen Abschluss versehen ist, durch einen in der zylindrischen Ausnehmung angeordneten, die Vorspanneinrichtung bildenden plattenfederartigen Federkörper belastet
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wie ein scheibenförmiger Kolben in die zylindrische Ausnehmung (2) verschieblich eingesetzt ist, in bei Druckübertragungsmembranen an sich bekannter Weise einen in die zylindrische Ausnehmung passenden Führungsrand (6), daran anschliessend einen dünnen ringförmigen Federungsbereich (7) und einen massiven Mittelteil (8) aufweist, und der mit dem Mittelteil (8)
auf dem Messelement (3) fest aufliegende Federkörper (5) in einer vorgespannten, das Messelement belastenden Stellung im Bereich des Führungsrandes (6) in der Ausnehmung (2) befestigt ist, wobei er zugleich den hermetischen Abschluss der Gehäuseausnehmung (2) bildet.
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