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Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Messwandler mit in eine Rohrfeder eingesetztem und zwischen den inneren Stirnflächen des Rohrfederbodens und des Wandlergehäuses bzw. eines Wandlergehäuseeinsatzes unter axialer Vorspannung gehaltenem piezoelektrischem Messelement und mit einer das offene, verstärkt ausgebildete Rohrfederende mit dem Wandlergehäuse bzw. dem Einsatz verbindenden, ringförmig geschlossenen dichten Schweissnaht.
Bei diesem bekannten Messwandler wird durch die unter Anwendung des Widerstandsschweissverfahrens gebildete ringförmig geschlossene Schweissnaht eine hermetische Abdichtung des Wandlerinnenraumes erzielt. Es bestehen jedoch gewisse Unsicherheiten in bezug auf die Aufbringung einer definierten Vorspannung des Messelementes bei der Montage des Gerätes. Diese für die Funktion des Wandlers bedeutungsvolle Vorspannung entsteht erst im Verlauf des Schweissvorganges durch die zunehmende Annäherung der unter axialer Belastung zueinander stehenden zu verschweissenden Wandlerteile. Es kann daher in der Serienfabrikation auch bei präziser Steuerung des Schweissvorganges fallweise zu geringfügigen Vorspannungsverlusten kommen.
Ebenso beeinflussen auch Schwankungen der Stromstärken und Stromdauer sowie Veränderungen des mechanischen Schweissdruckes in gewissem Grade die Vorspannung des Messelementes.
Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, zwecks Einhaltung einer genau definierten Vorspannung an Stelle der Widerstandsschweisstechnik ein Lichtbogenschweissverfahren, insbesondere Plasmaschweissung, anzuwenden. Hiebei wird die Rohrfeder so weit an den Wandlergehäuseeinsatz herangeführt, dass das Messelement an den inneren Stirnflächen dieser beiden Wandlerteile anliegt, worauf die volle vorausbestimmte Vorspannung aufgebracht wird. An der Stossstelle der Rohrfeder mit dem Wandlergehäuseeinsatz verbleibt dabei ein Spalt, welcher anschliessend von einer durch Lichtbogenschweissung gebildeten Ringschweissnaht überbrückt wird.
Obgleich die Lichtbogenschweissung wegen der auf den unmittelbaren Bereich des Schweissspaltes beschränkten Erwärmung der zu verschweissenden Wandlerteile gegenüber der Widerstandsschweissung beträchtliche Vorteile bietet, ergeben sich gewisse Schwierigkeiten schweisstechnischer Art bei der Bildung der den Spalt überbrückenden Schweissnaht, wobei die erforderlichen Einstellarbeiten am Schweissbrenner hohe Sachkenntnis verlangen. Auch bei sorgfältiger Schweissung kann dabei das Auftreten von unerwünschten Wärmedehnungen in Richtung der Wandlerlängsachse mit ihrem Einfluss auf die voreingestellte Vorspannung nicht zur Gänze unterbunden werden.
Es ist nun die Aufgabe der Erfindung, einen piezoelektrischen Messwandler der eingangs erwähnten geschweissten Bauart anzugeben, der den bekannten Ausführungen nicht nur in funktioneller Hinsicht überlegen ist, sondern darüber hinaus allen Ansprüchen an eine wirtschaftliche Serienproduktion gerecht wird. Ein solcher Messwandler ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrfederende und das Wandlergehäuse bzw. der Einsatz eine gemeinsame, zur Wandlerachse konzentrische zylindrische Berührungsfläche besitzen, und die Schweissnaht längs der freiliegenden stirnseitigen Berührungskanten des Rohrfederendes und des Wandlergehäuses bzw. -einsatzes verläuft.
Ein Messwandler dieser Konstruktion besitzt nicht nur die bekannten Vorteile der geschweissten Bauart, welche eine hermetische Dichtheit des Wandlerinnenraumes gewährleistet, sondern er erlaubt auch eine genaue Einhaltung der erforderlichen betriebsmässigen Vorspannung des Messelementes trotz der thermischen Beanspruchungen beim Schweissen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die beim Schweissen auftretenden axialen Wärmedehnungen der beiden, zu verschweissenden Wandlerteile in der gleichen Richtung und etwa im gleichen Ausmass wirksam sind, so dass sie sich gegenseitig aufheben. Somit ist eine Konstanz der Vorspannung auch im serienmässigen Wandlerbau gewährleistet.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemässen Gestaltung des Wandlers ist ausserdem dadurch gegeben, dass der Spannungszustand des Messelementes unabhängig von etwaigen Längentoleranzen der zu verschweissenden Wandlerteile ist, da diese beim Aufbringen der Vorspannung in axialer Richtung längs ihrer gemeinsamen zylindrischen Berührungsfläche gegeneinander verschiebbar sind. Dieser Verschiebeweg kann ohne weiteres so reichlich bemessen werden, dass auch bei Abweichungen der axialen Abmessungen der zu verschweissenden Wandlerteile die vorgegebene Soll-Vorspannung auf jeden Fall erreicht werden kann.
Gemäss einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weisen das Wandlergehäuse bzw. der Wandlergehäuseeinsatz und das Rohrfederende im Bereich ihrer zylindrischen Berührungsfläche je einen zur gleichen Wandlerseite vorspringenden, ringförmigen Fortsatz auf, an deren freier Stirnseite die Schweissnaht gebildet ist. Die Anordnung ausgeprägter ringförmiger Fortsätze an den zu verbindenden Wandlerteilen trägt dem Bestreben Rechnung, die Querschnitte an diesen dem Brennerstrahl unmittelbar ausgesetzten Stellen klein zu halten, um die Wärmeleitung zu den übrigen Teilen des Wandlers möglichst einzudämmen und damit gleichzeitig den Schweissvorgang zu beschleunigen.
Im Sinne dieser Bestrebungen ist es besonders vorteilhaft, gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung, den Querschnitt der Fortsätze zu deren freier Stirnfläche hin abnehmend auszubilden.
Eine besonders einfache und für die Serienfabrikation bedeutungsvolle Ausbildung des Messwandlers ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass der den kleineren Durchmesser aufweisende Fortsatz durch einen Ringeinstich an dem betreffenden Wandlerteil gebildet ist.
Die Erfindung ist weiters auf ein Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Messwandlers der erfindungsgemässen Bauart gerichtet. Nach der erfindungsgemässen Methode werden die zu verschweissenden
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Wandlerteile axial gegeneinander gepresst, bis die volle Vorspannung des Messelementes erreicht ist, worauf die Schweissnaht unter Beibehaltung der axialen Belastung durch Lichtbogen-, insbesondere Plasmaschweissung, gebildet wird.
Diese Herstellungstechnik ist andern Verfahren, welche sich zur Bildung der Schweissnaht durch Widerstandsschweissung dem autogenen Schweissen usw. bedienen, bei weitem vorzuziehen, da sie zu einer eng begrenzten lokalen Erwärmung der Schweisszone selbst führt, so dass die übrigen Wandlerteile nur mässig erwärmt und Wärmedehnungen grösseren Ausmasses mit Sicherheit vermieden werden. Insbesondere bei Anwendung der Plasmaschweissung führt der nahezu punktförmig konzentrierte Lichtbogen sehr rasch eine in die Tiefe gehende Verschweissung der benachbarten Randzonen der beiden Wandlerteile herbei. Da kein Spalt zwischen den beiden Wandlerteilen zu überbrücken ist, bleibt auch der Lichtbogen ausserordentlich stabil, was das Entstehen einer homogenen Schweissnaht begünstigt.
Da die voreingestellte Vorspannung bis zum Ende des Schweissvorganges aufrechterhalten wird, sind Vorspannungsverluste, wie sie nach bekannten Verfahren häufig auftreten, nicht zu befürchten.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand zweier in den Zeichnungen schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen Fig. l einen Axialschnitt eines nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellten piezoelektrischen Beschleunigungsmessgerätes in zwei aufeinanderfolgenden Herstellungsphasen und Fig. 2 eine übereinstimmende Darstellung eines nach dem erfindungsgemässen Verfahren montierten piezoelektrischen Druckgebers.
Das Beschleunigungsmessgerät nach Fig. l besitzt ein hohlzylindrisches Gehäuse-l-mit einem nur
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Das Messelement --5-- kann beispielsweise als an sich bekannter Schichtkörper aus mehreren, mit Elektrodenbelägen versehenen Quarzscheiben ausgebildet sein.
Die das Messelement --5-- belastende seismische Masse ---6-- stützt sich an der inneren Stirnfläche
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des Bodens-8--einer Rohrfeder--9--ab,Zur Montage des Beschleunigungsmessgerätes wird dieses zwischen zwei durch strichpunktierte Linien angedeuteten Druckstempeln--13 und 14--einer nicht dargestellten Hilfsvorrichtung eingespannt und durch eine axiale Kraft belastet, welche im Messelement eine vorherbestimmte Vorspannung erzeugt.
Nun wird unter Beibehaltung dieser Belastung der Strahl eines gleichfalls mit strichpunktierten Linien eingezeichneten Plasma-Schweissbrenners--15-- auf die freie Stirnfläche der Fortsätze--11 und 12--gerichtet, u. zw. derart, dass er an der Stosskante der beiden Fortsätze auftrifft.
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und öffnen der Einspannung durch die beiden Druckstempel ist die Montage des Beschleunigungsmessgerätes beendet. Nach einer Reinigung und eventuellen Nachbearbeitung der Schweissstelle ist das Gerät gebrauchsfertig.
Bei dem in Fig. 2 dargestellten piezoelektrischen Druckgeber bilden ein Gehäuseeinsatz --17-- und die das Messelement --18-- samt einer Isolierhülse--19--enthaltende Rohrfeder--20--die beiden zu verschweissenden Wandlerteile, welche nach Durchführung der Schweissarbeit gemeinsam in ein Wandlergehäuse --21-- eingesetzt werden.
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ersterwähnten Ausführungsbeispiel nach Fig. l auf. Die Montage des Druckgebers erfolgt gleichfalls durch Einspannung der zu verschweissenden Wandlerteile zwischen den Druckstempeln-25 und 26-einer Hilfsvorrichtung (links in Fig. 2). Der Gehäuseeinsatz --17-- ist zu diesem Zweck mit einem Kragen--27--
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Aufbringen der Vorspannung und die Schweissung mittels des Brenners--15--erfolgen in analoger Weise wie beim vorerwähnten Ausführungsbeispiel.
An den Schweissvorgang schliesst lediglich noch eine Nachbearbeitung der Mantelflächen des Gehäuseeinsatzes--17--und des Rohrfederendes--22--an, wobei der Kragen --27-- durch Abdrehen entfernt und am Rohrfederende-22-ein Absatz-29-gebildet wird, welch letzterer bei der endgültigen Montage des Druckgebers als axialer Anschlag am Wandlergehäuse --21-- dient.
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