Druckimpulsmessvorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Druckimpulsmessvorrichtung, insbesondere eine solche, welche schnelle Druckvariationen messen kann, und ein Verfahren zum Betrieb der Messvorrichtung während des Vorgangs ihrer Eichung.
Im Handel erhältliche Druckmesser, wie z. B.
Manometer, Bourdonmessvorrichtung, Messstreifen usw., werden von einer mechanischen Bewegung betätigt. Wegen Reibung, Massenträgheit usw. ist die Ansprechgeschwindigkeit solcher Vorrichtungen beschränkt. Daher können sie nur Mittelwerte von solchen schnellen Druckwechseln anzeigen.
Zweck der Erfindung ist die Schaffung einer einfachen und zuverlässigen, geeichten Druckimpulsmessvorrichtung und eines Verfahrens zum Betrieb der Messvorrichtung während ihrer Eichung. Die erfindungsgemässe Druckimpulsmessvorrichtung ist gekennzeichnet durch eine piezoelektrische Kristallscheibe, durch Mittel zum Festhalten der Kristallscheibe in einer festen Lage, wobei ihre eine Fläche senkrecht zu der Richtung der zu messenden Druckimpulse steht, durch mindestens ein sich von einer zugeordneten Fläche der Kristallscheibe erstreckendes Übertragungsorgan, und durch Mittel zur Anzeige einer elektrischen Eigenschaft der Kristallscheibe, welche von den Druckimpulsen geändert wird.
Das Verfahren zum Betrieb der Messvorrichtung während des Vorganges ihrer Eichung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein pulsierendes Magnetfeld erzeugt wird, welches eine leitende Scheibe, die insbesondere am Aussenende eines zur Übertragung der Druckimpulse vorgesehenen Übertragungsorgan angebracht ist, schneidet und in ihr Wir belströme erzeugt, wodurch ein Druck an der Scheibe erzeugt wird, und dass die zugeordnete Grösse des vom Magnetimpuls erzeugten Druckes in Verbindung mit dem erhaltenen Anzeigewert der Eichung zugrundegelegt wird.
In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt; es zeigen:
Fig. 1 einen Teilschnitt eines erfindungsgemässen Druckmessers,
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht der Eichmittel des Druckmessers gemäss Fig. 1, und
Fig. 3 ein Diagramm, welches die Abhängigkeit der Höhe, auf welche eine Eichscheibe bei einer zusätzlichen Messung gehoben worden ist, von der an den Eichmitteln angelegten Spannung zeigt.
In Fig. 1 ist das empfindliche Element des Druckmessers eine äusserst dünne Scheibe 10, welche aus einem piezoelektrischen Kristall, wie z. B. Turmalin, Bariumtitanat, Quarz usw. geschnitten ist. Die Scheibe 10 ist in bezug auf die kristallographischen Achsen so geschnitten dass, wenn sie mechanisch verformt wird, sich Oberflächenspannungen von entgegengesetzter Polarität auf den gegenüberliegenden Flächen des Kristalls bilden. Im vorliegenden Beispiel ist ein X-Schnitt-Kristall verwendet worden, d. h., dass die Dicke des Kristalls oder seine kleinste Dimension entlang der X-Achse des Kristalls verläuft.
Die Empfindlichkeit des piezoelektrischen Kristalls auf Druckimpulse nimmt ab, wenn die Frequenz der Druckimpulse sich der Resonanzfrequenz des Kristalls nähert. Da ein piezoelektrischer Kristall bei einer Frequenz schwingt, bei welcher seine Dicke gleich der halben Wellenlänge ist, sollte der Kristall so dünn sein, dass die Resonanzfrequenz weit über der Frequenz der Druckimpulse liegt, um eine lineare Frequenzkennlinie bis über die zu messende Druckimpulsfrequenz zu erhalten.
Es hat sich gezeigt, dass zur Erzeugung dieser linearen Frequenzkennlinie die Dicke des Kristalls ungefähr gleich der Schallgeschwindigkeit (a) im Kristall dividiert durch die Impulsfrequenz (f) mal 2 =, d. h. a d#
2#f sein soll. Um z. B. Frequenzen von 2000 kHz oder weniger messen zu können, muss der Kristall ungefähr 0,05 cm dick sein.
Die Ladungen entgegengesetzter Polarität auf den gegenüberliegenden Seiten des Kristalls 10 werden mittels leitender Blättern 12 und 14 aus Metall oder dergl., welche auf die Seiten aufgelegt werden, gemessen. Da im Beispiel als Kristall ein Quarz verwendet wird, welcher eine niedrige Kapazität aufweist, wird die Potentialdifferenz zwischen den Blättern 12 und
14 von einem Voltanzeigegerät, wie z. B. ein Oszilloskop 16, gemessen. Das Oszilloskop 16 ist über ein geerdetes Koaxialkabel 18 mit einem Leiterpaar 20 und 22 verbunden, welches seinerseits an den Blättern 12 bzw. 14 angeschlossen ist.
Der Kristall ist vor den zusammen mit den zu messenden Druckimpulsen 24 auftretenden Temperaturschwankungen durch ein akustisches Übertragungsorgan 26 geschützt, welches sich zwischen dem Metallblatt 12 und den zu messenden Druckimpulsen erstreckt. Die Druckimpulse 24 erzeugen im akustischen übertragungsorgan 26 Druckwellen, welche sich im Organ 26 fortbewegen und auf den Kristall 10 auftreffen, wodurch im Kristall 10 mechanische Spannungen erzeugt werden. Das akutische Übertragungs organ 26 besteht aus einem Stab aus einem Material mit kleiner Dämpfung, wie z. B. Quarzglas, Metall, Lithiumfluorid usw., dessen Enden flach geschliffen sind. Um die Reflektion der Druckwellen zu verhindern, besteht das akustische Übertragungsorgan 26 vorzugsweise aus demselben Material wie der Kristall 10.
Um weiterhin zu verhindern, dass die Druckwellen auf der abgewendeten Seite des Kristalls 10 reflektiert werden, ist auf der Seite des zweiten Metallblattes 14 ein weiteres akustisches Übertragungsorgan 28 angeordnet, welches aus einem Quarzglasstab mit flach geschliffenen Enden besteht. Der Stab 28 ist koaxial zum Organ 26, wobei der Kristall 10 und die Metallblätter 12 und 14 zwischen den Enden der Stäbe 26 und 28 angeordnet sind.
Das zweite akustische Übertragungsorgan 28 ist so lang, dass die ursprünglichen Druckimpulse von den von der Aussenfläche des akustischen Übertragungsorgan 28 reflektierten, verzögerten Impulsen unterschieden werden können. Falls erwünscht, kann das Übertragungsorgan 28 so lang gemacht werden, dass die Druckimpulse gedämpft oder absorbiert werden. Z. B. kann bei einem Stab von 7 cm Länge die reflektierte Welle eines Impulses von 5 Mikro sekunden Dauer festgestellt werden.
Bei gewissen Fällen, wo der ursprüngliche Druckimpuls durch äussere Umstände gestört ist, kann der reflektierte Impuls zur Bestimmung des ursprünglichen Impulses verwendet werden.
Da jegliches Luftvolumen die Druckwelle dämpft, müssen die Abstände zwischen den Übertragungsorganen 26 und 28 mitsamt den Metallblättern 12 und
14 und der Kristallscheibe 10 so klein als möglich gemacht werden. Um z. B. Frequenzen bis zu 2000 kHz ohne übermässige Dämpfung aufnehmen zu können, sollte das Total dieser Abstände 30 Angström nicht überschreiten. Um das totale Luftvolumen so klein als möglich halten zu können, können die Metallblätter 12 und 14 durch Beschichten der Enden der Stäbe 26 und 28 mit einem leitenden Metall gebildet werden.
Die Stäbe 26 und 28 sowie die beschichteten Metallblätter 12 und 14 werden miteinander und mit dem Kristall 10 mittels eines dünnen Überzugs 29 aus einem warmhärtenden Epoxykunststoff verbunden, welcher die Stäbe 26 und 28 und den Kristall 10 umgibt. Da die piezoelektrischen Kristalle allmählich ihre Ladung verlieren, verschwindet nach einer gewissen Zeit jegliche, vom Überzug 29 erzeugte Deformation des Kristalls 10.
Um den Einfluss von magnetischen und elektrostatischen Streufeldern zu verkleinern, sind der Kristall
10 und die Blätter 12 und 14 in einem Metallrohr 30 eingeschlossen, welches durch Ringe 31 in einem Abstand von den Blättern 12 und 14 gehalten wird. Das Rohr 30 ist mittels eines kurzen Rohres 32, welches den ungeerdeten Leiter 20 abschirmt, mit dem Koaxialkabel verbunden.
Beim Betrieb ist die Vorrichtung mittels einer am Rohr 32 angreifenden Klammer 34 getragen, so dass die Druckimpulse 24 nur auf das äussere Ende des Übertragungsorganes 26 auftreffen. Bei gewissen Anwendungen kann es angezeigt sein, die Seiten der Vorrichtung zur Vermeidung von falschen Anzeigen abzuschirmen.
Wenn ein Druckimpuls auf das Aussenende des Übertragungsorganes 26 auftrifft, erzeugt er im Stab 26 eine Druckwelle, welche vom Stab 26 zum Kristall 10 geleitet wird. Auf dem Kristall erzeugt der Druckimpuls einen Spannungsstoss, welcher dem Druckimpuls proportional ist und ungefähr dieselbe Form hat, von der Grösse V0 = Cp, (I) worin V0 die Spannung, p der Druck und C eine von der Messvorrichtungscharakteristik abhängige Konstante ist.
Bei einem ausgeführten Beispiel eines Druckmessers waren das Übertragungsorgan und das Absorptionsorgan aus geschmolzenem Quarz von 7 cm Länge und 0,7 cm Durchmesser hergestellt. Der Kristall war ein Quarzkristall von 0,7 cm Durchmesser und 0,02 cm Dicke. Die Blätter 12 und 14 wurden durch Beschichten der Enden der Stäbe 26 und 28 mit einem leitenden Film gebildet. Der Kristall 10 und die Stäbe 26 und 28 wurden mittels einer dünnen Schicht aus warmhärtendem Epoxyharz miteinander verbunden.
Dieser Druckmesser mass anstandslos Druckimpulse von 5 Mikrosekunden Dauer und Amplituden von 0,07 kg/cm2 oder mehr.
Damit der Druckmesser die Amplitude von Druckimpulsen in Standardeinheiten messen kann, wird das Oszilloskop 16 mittels eines auf das Stabende 26 wirkenden Standardimpulses geeicht. Da die Stäbe 26 und 28 und der Kristall 10 nicht ganz frequenzunabhängig sind, wird das Oszilloskop 16 vorzugsweise mit solchen Standarddruckimpulsen geeicht, welche ungefähr das gleiche Frequenzspektrum aufweisen wie die zu messenden Druckimpulse.
Manchmal ist es nötig, Druckimpulse von sehr kurzer Dauer, wie z. B. 5 Mikrosekunden, zu messen.
Daher sind mechanische Impulsvorrichtungen nicht zum Übertragen der Standarddruckimpulse auf den Stab 26 geeignet, da der kürzeste, mittels solcher Vorrichtungen erhältliche Druckimpuls in der Grössenordnung von 100 Mikrosekunden für genügend starke Impulse liegt.
Im vorliegenden Beispiel werden Hochfrequenzstandarddruckimpulse an der Aussenseite des Stabes 26 durch Zusammenwirken einer Scheibe 35 aus leitendem Metall, wie z. B. Kupfer, Aluminium usw., welche an der Aussenseite des Stabes 26 angeleimt ist, mit einem pulsierenden, von einem Eichkreis 36 erzeugten Magnetfeld angelegt (Fig. 2). Das Zustandekommen dieser Druckimpulse durch das pulsierende Magnetfeld wird nachstehend noch näher erläutert.
Die Scheibe hat vorzugsweise eine grössere Dicke als ihre Thomsoneffekttiefe bei der Frequenz des pulsierenden Magnetfeldes, so dass das pulsierende Magnetfeld während seines ganzen Zeitintervalles mit der Scheibe 35 zusammenwirkt. In Fig. 2 umfasst der Eichkreis 36 eine einzige Spule 37, welche mittels eines zweiadrigen Hochspannungskabels 38 an einem Schwingkreis 40 angeschlossen ist. Der Schwingkreis 40 weist einen Schalter 42, wie z. B. ein Ignitron, auf, welches mit einem Kondensator 44 seriegeschaltet ist.
Der Kondensator 44 wird von einer Hochspannungsquelle 46 aufgeladen, welche über einen Schalter 48 mit dem Netz verbunden ist.
Damit der Eichkreis 36 nicht schwingt und dadurch verschiedene, pulsierende Magnetfelder für jede Entladung des Kondensators 44 erzeugt, ist der Eichkreis durch Einfügung eines Widerstandes kritisch gedämpft.
Im Ausführungsbeispiel ist, um den Widerstand ohne Vergrösserung der Induktivität des Kreises erhöhen zu können, der Widerstand in Form eines Paares paralleler Streifen 50 und 52 aus Widerstandsmaterial, wie z. B. rostfreier Stahl, zwischen der Spule 37 und dem Kabel 38 eingefügt. Die Streifen 50 und 52 werden durch Abstandsstücke 53 auseinandergehalten.
Eine Vergrösserung der Kreisinduktivität würde ein unerwünschtes Anwachsen der Stromimpulslänge zur Folge haben.
Bei einem Ausführungsbeispiel bestand die Scheibe 35 aus Aluminium und war 0,04 cm dick und 0,7 cm im Durchmesser. Der Kondensator 44 hatte 14 Mikrofarad und wurde bis auf 10.000 aufgeladen.
Um die Standarddruckimpulse auf die Vorrichtung zu übertragen, wird der Druckmesser zusammen mit der daran befestigten Scheibe 35 von der Klammer 34 so getragen, dass die Scheibe 35 auf der Oberseite der Spule 37 aufliegt. Der Schalter 48 ist so lange geschlossen, dass der Kondensator 44 sich aufladen kann.
Sobald der Schalter 42 geschlossen ist, fliesst ein starker Stromimpuls durch die Spule 37 und erzeugt ein pulsierendes Magnetfeld, das auf die Scheibe 35 auftrifft. Das durch die Spule 37 erzeugte pulsierende Magnetfeld induziert auf der Oberfläche der leitenden Scheibe 35 Wirbelströme. Diese Wirbelströme wiederum haben ein eigenes Magnetfeld zur Folge, das dem pulsierenden Magnetfeld entgegengerichtet ist, so dass eine abstossende Kraft zwischen Spule und Scheibe 35 entsteht. Die dadurch auf der Scheibe 35 resultierenden Druckimpulse erzeugen im Stab 26 Druckwellen, welche zum Kristall 10 geleitet werden, wo sie in Spannungsimpulse verwandelt werden, welche den Druckimpulsen proportional sind und die gleiche Form aufweisen.
Während das pulsierende Magnetfeld im Druckmesser einen geeigneten Hochfrequenzdruckimpuls erzeugt, ist es zur Beendigung der Eichung des Druckmessers nötig, die Eichkonstante C des Druckmessers zu bestimmen. Die Ausgangsspannung kann am Oszilloskop 16 abgelesen werden, aber es ist sehr schwierig, die Amplitude des Standarddruckimpulses p direkt zu bestimmen, da die Amplitude des Magnetfeldes in der Nähe der Scheibe 35 nur schwer gemessen werden kann. Die Amplitude des Standarddruckimpulses p kann berechnet werden; aus Gründen der Genauigkeit und zur Erleichterung der Eichung wird die Amplitude des Druckimpulses p vorzugsweise durch Bestimmen der Höhe gemessen, auf welche der Druckimpuls die Scheibe 35 gegen die Schwerkraft bei Abwesenheit der Luftreibung emporhebt. Das wird dadurch erreicht, dass die Scheibe 35 vom Stab 26 gelöst und auf die Spule 37 gelegt wird.
Die Scheibe 35 wird nun emporgehoben, und die maximale Hubhöhe wird an einer Skala 54 abgelesen. Die Höhe wird dann als Funktion der Spannung aufgetragen, auf welche der Kondensator 44 aufgeladen wird, wie in Fig. 3 durch die Messpunkte gezeigt wird.
Es hat sich empirisch ergeben, dass eine in Fig. 3 ausgezogen dargestellte Kurve AV2-Ah, (2) worin h die Maximalhöhe, auf welche die Scheibe 35 gehoben werden kann, A eine von der Grösse, Form und Material der Scheibe 35 sowie von den gewählten Dimensionen abhängige Konstante, und V diejenige Spannung ist, auf welche der Kondensator 44 aufgeladen wird, durch die Ermittlung von verschiedenen Messpunkten darstellbar ist. Aus der Kurve kann der Absolutwert von A bestimmt werden, wobei zu bemerken ist, dass die Näherung nur als Darstellung einer empirisch ermittelten Kurve anzusehen ist.
Da h die Höhe, auf welche die Scheibe 35 bei Anwesenheit von Luftreibung gehoben wird, darstellt, muss eine Korrektur zur Kompensation der Luftrei bung gemacht werden. Es hat sich gezeigt, dass das letzte Produkt in (2) die Wirkung der Luftreibung darstellt; durch Eliminierung dieses Produktes erhält man Vg=ÄV (3) was in Fig. 3 durch die gestrichelte Kurve angezeigt ist. Die an der freiden Scheibe 35 bei einer bestimmten Spannung V am Kondensator 44 angelegten Druckimpulse können dadurch bestimmt werden, dass die aus der gestrichelten Kurve in Fig. 3 bei einer gegebenen Spannung V bestimmte Höhe in
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worin m gleich der Masse der Scheibe 35 und g gleich der Erdbeschleunigung ist, substituiert wird. Der erhaltene Impuls M wird dann in der folgenden Weise in (1) eingesetzt, um die Eichkonstante C zu erhalten.
Für alle Impulse M, welche messbare Grössen ergeben, ist
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worin A gleich dem Querschnitt der Scheibe 35 ist, eine gute Annäherung.
Der Druck p kann über die Querschnittsfläche A der Scheibe 35 variieren, und daher kann (1) als
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ausgedrückt werden.
Die Ausgangsspannung V0 und der Druck p sind Impulse und können sich daher mit der Zeit ändern.
Dementsprechend kann (6) als
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geschrieben werden.
Indem (5) in (7) mit Hilfe von (4) substituiert wird, erhält man
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Da die Querschnittsfläche A, die Höhe h, die Erdbeschleunigung g bekannt und das Integral der Ausgangsspannung aus der Oszilloskopkurve leicht bestimmt werden kann, kann die Eichkonstante C berechnet werden. Sobald die Eichkonstante bestimmt ist, ist es beim Betrieb des Druckmessers eine einfache Sache, die aus dem Oszilloskop bestimmte Spannung in (1) zu substituieren, um die Amplitude eines unbestimmten Druckes zu bestimmen.
Der Druckmesser kann zur Messung irgendeines eine Druckwelle erzeugendenEnergieimpulses,wie z. B.
Flüssigkeitsdruckimpulse, mechanische Impulse, Magnetdruckimpulse, Wärmeausdehnungsimpulse usw. verwendet werden. Um solche Energieimpulse zu messen, kann die Scheibe 35 auf dem Stab 26 belassen werden, oder falls die Scheibe die Messung stört, entfernt werden. Zudem können am Ende des Stabes 26 Transduktoren angeschlossen werden, um die Energieimpulse in Druckimpulse zu verwandeln.