Piezo-elektrischer Indikator.
Der Bau von Druckindikatoren für Verbrennungsmotoren ist nicht einfach, weil an derartige Messgeräte ausserordentlich hohe Anforderungen gestellt werden. Neben Unzerst¯rbarkeit selbst bei h¯chsten Dr cken und Drukschwingungen sowie hohen Tem- peraturen wird eine immerhin gro¯e Me¯genauigkeit verlangt und insbesondere ein trÏgheitsloses Arbeiten des Indikators. Da die Quajzkristalle, die meistens für piezo- elektrische Indikatoren benutzt werden, wenigstens auf der einen Seibe hochisoliert sein m ssen, jϯt sich eine Einspannung unter grösserem Druck ("Vorspannung") in ein Stahlgehämse nicht vermeiden.
Durch die- ses um den Quarz gebaute GehÏuse entsteht nun leicht eine Temperatura : bhängigkeit und StossempfindHchkeit. Von der Einspannung wird weiterhin verlangt, da¯ sie eine ver hältnismässig weiche Federung besitzt, weil sonst nu. nur ein kleiner Teil der zu messenden Kraft au den Quarz übertragen wird, während der Rest des Me¯druckes durch die Einspan nung aufgenommen wird. Dass mit Rucksicht auf geringe Sto¯empfindlichkeit, das hei¯t
TrÏgheitslosigkeit, alle Massen m¯glichst ge ring sein sollen, ist selbstverständlich.
Ferner darf sich die Vorspannung wÏh rend der Eichung und der Messung mit dem In, dikator nicht verändern, da sich sonst gleichzeitig die Eichkonstante ändert.
Auf der Zeisshmuing sind in Fig. 1 und 2 zur besseren Erläuterung des Erfindungs- gegensta. ndes zwei bekannte Vorschläge dar- gestellt.
Fig. 3, 4 und 5 zeigen eine beispielsweise
Ausf hrungsform des Indikators nach der
Erfindung.
Fig. 1 zeigt einen Indikator in üblicher @ Herstellungsweise ; a ist das hulsenajtige Ge häuse mit dicken Wandungen, in das die
Quarze b, b eingesetzt sind. Die Quarze sind entgegengesetzt gepolt. Die eine Ladung, zum Beispiel die posijtive, wird ummittelbar an das Gehäuse abgeleitet, die andere negative wird von einer isolierten Elektrode c abgenommen und durch einen ebenfalls isolierten Leiter d zum Anschluss geführt. Den Abschlu¯ gegen den Verbrennungsraum bil- det eine Membran e, welche gleiehzeitig durch ihre Federkraft die Vorspannung erzeugt, @obald das Druckst ck f eingeschraubt ist.
Dieser Indikator (Fig. 1) bringt insofern grosse Naohteile mit sich, als die Membran unmittelbar den Verbrennungsgasen ausge eetzt ist und infolgedessen einerseits entspre- chend ihrer Temperatur die Vorspannung sich ändert und anderseits auch noch auf das Quarzsystem b, b, c hohe Temperaturen übertragen werden.
Man ist deshalb dazuübergegangen,die Federung durch eine sehr dünne Hülse zu erzeugen, welche mit nur geringem Zwischen- raum die Quarze umgibt. In manchen Fäl- len hat es @ch als günstig erwiesen, diese Hülsen rohrfederartig auszubilden (Fig. 2). wodurch die Steifigkeit auch bei nicht zu kleiner Wandstärke so vermindert werden kann, wie es nach den obigen Ausführungen erwünscht iet.
Eine solche Hülse kann aber nicht ohne weiteres den Motorgasen ausgesetzt werden, weil sie bei ihrer d nnen WandstÏrke schnell durchkorrodiert wäre. Ausserdem würden die Quarze mnd ihre Einspamnung eine zu hohe Temperatur annehmen und Temperaturdeh nungen auftreten, welche die Vorspannung än- dern. Esist deshalbeine Konstruktion versucht worden, bei der die Rohrfeder vorn sitzt und durch die den Quarzen gegebene Vorspannung auf Druck beansprucht wird, sowie am innern Ende fest mit dem Indikatorgehäusc verbunden ist, so dass das Gewinde des äussern GehÏuses in den Vorspannungskreis mit eingeschlossen ist und beim Einschrauben entsprechende Änderungen der Vorspannung und damit der Empfindlichkeit des Indikators bewirkt.
Hierdurch werden genaue Messungen unmöglich gemacht. Dieser Versueh hat weiterhin zu der Erkenntnis geführt, dass der die Vorspannung erzeugende KraftechIusskreis möglichst weit von dem Verbrennungsraum entfernt und demit vor den wech selnden Temperaturen geschützt sein muss, welche zusätzlich noch periodische Wärmedehnungen und damit sohwer auffindbare periodische dynamische Temperaturfehler erzeugen können. Aus diesen Gründen wurde solchen H lsen in allen brigen FÏllen eine schwache Met'bran vorgebaut, die die Ver brennung@gase und ihre zerstörende oder mindestens Temperaturfehler verursachende Wir kung abhalten sollen.
Dadurch wird jedoch der Aufbau des ganzen Indikators unnötig kompliziert, ferner ist die Verbindung von Membran und H lse nicht einfach, weil diese beiden TeileständigunterKraftschlussstehen müssen. Der grösste Nachteil dieser Kon struktion ist jedoch, dass sie zwangsläufig zu einem Kompromiss führt. Entweder nimmt man die Membran d nn, so da¯ @ie nach kurzer Betriebazedt zerstört ist, oder man nimmt sie dick, verliert dann aber einen grossen Teil der Empfindlichkeit des Indikators, weil die var die Hülse gespannte Membran schon den grössten Teil des Druckes p abfängt.
Ein weiterer Nachteil dieser Anordnung besteht darin, dass irgendwelche Dehnungen (durch TemperatuT oder Spannung) des Ge- häuses über die Membran auf die Vorspannung einwirken und diese ändern können.
Der piezo-elektrische Indikator nach der Erfindung (Erfinder : Dr. Ing. Fritz Lichenberger, Berlin-Friedrichshagen, L¯cknitzstrasse 13a und Ing. Heimz Wende, Berlin Adlershof, Friedlanderstra¯e 145), dessen Kristalle von einer zylindriaohen H lse eingeschlossen sind, deren elastischer Mantel über einen starrem Boden die Kristalle unter Vorspannung hÏlt, zeichnet @ich dadurch aus, dass die Hülse nur an ihrem Ïu¯e@ Ende in dem Indikatorgehäuse befestigt und an ihrem innern Ende mit dem starren Boden gegen- ber dem IndikatorgehÏuse freibeweglich ist,
wobei ein an diesem innern Ende zwisehen Hülse und GehÏuse bestehender Spalt zwecks Abschirmung des Hülsenmamtels gegen die Feuergaae höchstens 0, 1 mm betrÏgt. Eine solche Ausführung ist beispielsweise in Fig. 3 dargestellt. Der mittlere Teil a'der Hülse besteht hier am äussern Ende zusammen mit einer Grundplatte aus einem St ck. Am innern Ende der Hülse ist ein starrer Boden g eingesetzt. Über diesen Boden hina. us bildet die HülseeinenHohlkolben a", der mit ihr aus einem St ck besteht. Zwischen dem starren Boden g und einem Druckstück f sind die Kristalle b unter Zwischenschaltung der Elektrode c eingesetzt.
Durch Einschrauben des Druckstückes f wird unter Ausnutzung der Elastizität des Hülsenmantels die Vorspannung erzeugt. Es entsteht also hierbei ein Kraftschlu¯kreis ber die Teile f, b, c, b, g, ss, f dessen Wirkung nach au¯en gleich Null ist. Dieses Aggregat wird, wie aus Fig. 4 ersichtlitch, im ein Gehäuse h einge sehra. ubt, und zwar nur mit dem äussern Ende, wozu die Grundplatte der H lse mit Gewinde versehen ist. Am innern Ende der Hülse ist diese. gegenüber dem Gehäuse .freibeweglifoh.DerschonerwähnteKolben s"hat bei dem dargestellten Beispiel einen geringeren Durchmesser als die H lse selbst.
Um nun den Zutritt der Feuergase zu der Hülse ss m¯glichst zu verhindern, ist zwischen dem Kolben a" und dem IndikatorgehÏuse h ein ganz schmaler Spalt belassen.
Um diesen Spalt zu verwirklichen, ist in das Indikatorgehäuse ein Ring i eingesetzt, der zusammen mit dem Kolben a"den sehmalen Spa. lt bildet. Dieser schmale Luftspalt zwischen a" und i kann sehr klein gemacht werden ; er soll nicht. grosser als 0, 1 mm sein.
Bei dieser Ausführung ist die Vorspan- nungsh lse ss nur an einer Stelle, nÏmlich am äussern Ende, mit dem IndikatorgehÏuse verbunden. Es entstehen daher keinerlei R ckwirkungen auf die Vorspannung der Hülse, wenn etwa das Gehäuse h eine zusätz- liche Dehnung oder Spannung erfÏhrt. Am innern, den Feuergasen zugekehrten Ende ist die H lse freibeweglich. Zusätzlich wichtig ist noch, da¯ die Kristalle nicht ganz vorn innerhalb der Hülse liegen, vielmehr weiter rückwärts durch die Druckplatts g abgefan- gen sind.
Der überstehende Teil der Hülse wirkt als Kolben a", der einerseits die Verbrennungsgase abhÏlt, anderseits aber den Druck hunderprozenttg überträgt, da, er trotz geringer Masse ganz steif sein kann. Aus diesem Grunde und auch zum Zweck der Trätgheitslosigkeit empfiehlt es sich, die Wandungen. des Kolbens a"möglichst dünn zu halten. Eine Mittelbohrung in der Druckplatte g verhindert schliesslich das Entstehen von ¯berdruck bei Temperaturerh¯hung.
Das Indikatorgehäuse tr. agt an seinem innern Ende zweckmässig Zündkerzengewinde, so daB es in die Indikator- o, der eine Zünd- kerzenbohnung des Motors eigeschraubt werden kann.
Für die Kühlung des mittleren Teils a' der Hülae durch das luft-oder wasserge- kühlte Gehäuse h ist es wichtig, da¯ diese beiden sich möglichst eng berühren. Aber auch aus einem andern Grunde muss der Zwi schenraum zwischen a' und h m¯glichst gering gemacht werden : Bei dem schnellen Wechsel von hohen zu niedrigen Drücken im Verbrennungsraum kann eine Pumpwirkung derart eintreten, da¯ die Verbrennungsgase durch den Spalt zwischen a'und i bei Ver- dichtung und Entspannung schnell hineinund herausgedrückt werden. Dadurch kann eine zusätzliche Temperaturerhöhung im Inmem des Indikators entstehen.
Die erw schte Verringerung des Zwischenraumes wird nun dadurch erreicht, da¯ (Fig. 5) in die Vertiefungen der OberflÏche des gewell- ten H lsenmantels ein Werkstoff k eingebracht wird, der einen erheblich kleineren Elastizitätsmodul als diese Rohrfederhülse besitzt. Da,'die Hülse im allgemeinen aus Stahl hergestellt wird und auch für die Aus füllung ein Metall k zu bevorzugen ist, genügt im allgemeinen Aluminium f r diesen Zweck. Die Elastizität der Hülae wird durch diesen Zusatz kaum geändert und der schäd- liche Zwischenraum vermieden.
Zur Vermeidung der Temperaturab- hämgigkeit des Indika.tonswerdeninnerhalb der Vorspamnungssäule verschiedene Werk stoffe (Meta, lle) in ihrer Länge so verteilt, da¯ die wirksame Temperaturdehnung der ganzen VorspannungssÏule dieselbe bleibt wie die der diese SÏule umschlie¯enden H lse.
Hierbei handeltessichbesonders um den Ausgleich der Temperaturdehnungen der Stahlhülse und der beinahe temperaturunab- hängigenQuarzknstaIIe, deren Mangel an Ausdehnung zum Beispiel durch Einfügen eines St ckes l aus Aluminium ausgeglichen wird, also aus einem Metall, welches einen grösseren Ausde gskoefffizienten als der für die Hülse verwendete Stahl besitzt.
Ist zum Beispiel der Ausdehnungskoeffizient,für Stahl as, der von Quarz an (beinahe zu ver nachlässigen) und derjenige von Aluminium m aA, und ist weiterhin die wirksame Länge der Q.uarzkristalleLq,soergibtsichdieaus Aluminium einzufügende Länge LA aus der Beziehung : L, = LQ- aA-as Ein genauer Ausgleich nach dieser Formel dürfte allerdings im allgemeinen schwer sein, da die Temperaturverteilung über den Indi kator sehr ungleichmässig ist. Da nun eine grössere Vorspannung einen kleineren Fehler in der Eichkonstante des Indikators ergibt als eine zu kleine Vorspannung, wird man besser etwas meh, r Aluminium einsetzen (LA grösser als es der obigen Formel entspricht) ;
dann wird der Fehler des Quarzindikators au, eh bei ungleichmässiger Temperaturverteilung verhältnismässig klein bleiben.