Beschleunigungskompensierter piezoelektrischer Messwandler
Es ist bekamt, dass bai Messwandlern, insbeson- dere solchen für Druckmessung, Schwierigkeiten entstehen, wenn andere Einflüsse, Beschleunigungen oder veränderliche Temperaturen, gleichzeitig an der Messstelle auftreten, wo eins Druckmessung vorge- nommen werden soll.
Werden piezoelektrische Mess- wandler für Druck-oder Kraftmessung verwendet, so ist der Einfluss von Temperaturänderungen im allgemeinen bedeutend geringer als bei anderen Messwandlerarten, wie induktive, kapazitive oder Deh nungsmessstreifenwandler ; dagegen ist die Beschleunigungsempfindlichkeit von piezoelektrischen Mess- wandiern für Druck und Kraft eher grösser als die jenige, anderer Wandlerarten.
Für Boschleumgungskanipensation allein sind zwei Anordnungen bekanntgeworden. Bei einer unter der Bezeichnung getrennte Systeme bekannten Anordnung sind zwei zwei bezug auf Masse identische Quiarzsätze elektrisch so hintereinandergeschaltet, da# sich bei einer Beschleunigung dies ganzen Gebers in dessen Aohsenmchtung die positiven und nega tiven Signale der beiden Quarzsätze aufheben, währenddessen jedoch nur der eine Quarzsatz das Druck-oder Kraftsignal erhält.
Bei einer anderen, unter der Bezeichnnng vereinigte Systemen bekannten Anondnung sind zwei Quarzsätze elektrisch und mechanisch hintereiniandergescbaltet, wobei die Piezo- Modul des nachgeschalteten Quarzsatzes durch Än derungderScbnittriohtungsoabgestimmt ist, dass im Falle einer Bescbleunigunfg das im ersten Quarz- satz erzeugte positive Signal im zweiten Quarzsatz durch em negatives kompensiert wird. Durch die mechanische Hintereinanderschaltung wird aber von einem Druck-oder Kraftsignal ebenfalls wieder ein Teil durch den nachgeschalteten Quarzsatz mit abgestimmtem Piezo-Modul kompensiert.
Beide Anordnungen haben Nachteile ; bei der ersteren sind sie verursacht durch die Trennung in zwei unabhängige mechanische Schwingungssysteme, , die sehr schwierig so abzustimmen sind, dass sie in einem möglichst weiten Frequenzbereich phasentreu schwingen, was jedoch, praktisch eine unerlässliche Voraussetzung ist.
Die zweite Anordnung ist insofern unpraktisch, weil es schwierig und umständlich ist, Quarzplatten herzustellen, deren Piezo-Modul durch Änderung der Schmttmchtung stufenweise kleiner gemacht wird, als dem Optimalzustand entspricht.
Die Erfindung geht demgegenüber aus von einem piezoelektrischen Messwandler mit mnerhalb eines gemeinsamen Gehäuses angeordneter Kompemaa- tionsmasse zwischen einer aus mehreren piezoelek- trischen Quarzplatten bestehenden Messquarzanordi- nung und einer Kompensationsquarzanordnung, wobei die Kompensationsmasse zusammen mit der Kompenstatiionsquarzanordnung den Kompensations- teil und jdie Messquarzanordnung zusammen mit im Übertragungsweg der zu messenden. Kraft vorge- schalbsten Elementen den Messteil bildet.
Die EENndung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Grösse der Beschleunigungs-Kompensationsmasse und das Verhältnis zwischen der Plattenzahl der Me#quarzanordnung zur Plattenzahl der Kompen- sationsquarzanordnung so gewählt dst, dass die Eigen- schwingungszahl des Kompensationsteils ein Mehrfaches der Eigenschwingungszahl des Messteils beträgt.
Bei Messwa. ndlern von der Art, wie aie der Er findung zugrunde liegen, bilden sowohl der Me#teil wie der Kompensationsteil schwingungsfähige Gebilde, wobei sich insbesondere der elastische Einfluss der zwischen den einzelnenQuarzplattenvorhandenen Luftpolster bemenkbar macht, die sich auch bei genauestem optischem Schleifen der Quarzplatten nicht vermeiden lassen. Wie jades schwingungsfähige Gebilde besitzen solche Systeme ihre Eigenschwn- gungszahlen, wobei. sich bai bisher bekannten An ordnungen ein störender Einflu# des Kompensationsteils auf die Eigenfrequenz des Me#teils bemerkbar machte.
Mit Hilfe der Erfindung ist gewährleistet, da# die Eigenfrequenz des Me#teils praktisch unab- hängig ist von der Anwesenheit des Kompensationsteils. Es braucht dann nur dafür gesorgt zu werden, dass die Frequenz der vom Wandler zu messenden Druck- oder Kraftschwankungen unterhalb der Eigenfrequenz des Me#teils liegt ; damit ist unter allen Umständen gesichert, dass beode. Systeme phasentreu schwangen.
Die Erfindung ist nachstehend anhand eines in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbei- spiels näher erläutert. Die Zeichnung veranschaulicht ferner das Ausdehnungsverhalten von Quarz- platten bei einer Temperaturerhöhung.
Fig. 1 zeigt im Schnitt einen erfindungsgemä#en Wlandler.
Fig. 2 zeigt drei Quarzplatten, wie sie bei Normaltemperatur relativ zu den Kristallachsen geschnitben und bearbeitet wenden.
Fig. 3 zeigt. zwei der in Fig. 2 gezeichneten Quarzplatten bai erhöhtem Temperaturzustand.
Die. in Fig. l dargestellte Ausführungsform um- fasst ein Gehäuse 20, in welchem enne elastische, einseitig geschlossene Spannhülse 21 eingehängt ist, welche ihrerseits. mit einem Gewindenippel 22 unter axssaler Vorspannung eklemmt ist. Die Spann- hülse 21 ist. mit biagesteifer Grundplatte 30 ausge- bildet und besitzt eine dünne elastische Rohrwand.
Die Druckmembrane 23 dichtet die untere Gehäuse öffnung ab und überträgt die Messkräfte auf die Grundplatte 30. Die Bodenpartie der Grundplatte 31 ist sauber plan geläppt ; auf ihr ruht die Temperatur- kompensationsplatte 24, worauf in axialer Richtung eine ungerade Anzahl von Quarzplatten 25 folgen. üblicherweise sind drei bis neun Platten vorhanden, die den direkten Piezoeffekt verwenden. A) le Quarz- platten 25 sind elektrisch in bekannter Weise hintereinandergeschaltet. Dazu können als Kontaktmittel entweder dünne Metallfolien verwendet werden, oder es ist auch möglich,, die Platten mit Metallschichten zu versehen, die ihrerseits mit belannten Mitteln elektrisch miteinander verbunden werden.
Auf dem Quarzsatz 25 ist'die Kompensationsmasse 26 angeordnet, die aus einem Material be- steht, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient etwa 14, 0 X 10-6 pro C beträgt. AnschHiessend folgt eine normale, mit zentralem Loch versehene Quarzplatte 27, die jedoch relativ zu den Platten 25 umgekehrt polarisiert ist. Anschliessend an diese Platte folgt der Nippel 22, der so in den Körper 20 montiert ist, dass der Quarzsatz unter Druck-Vorspannung steht.
Trifft nun eine Druckwelle auf die Membrane 23, welche, mit idem Gehäuse 20 und. der Druckpliatte 30 der Spannhülse 21 verbmaden ist, so wird die vom unteren Quarzsatz 25 erzeugte elektrische Ladung um die vom oberen Quarz 27 erzeugte Laidung redu- ziert. Tritt nun aber zusätzlich eine Beschleunigung auf, so ist die vom unteren Quarzsatz 25 und den vorgeschalteten Massen 24 und 30 durch Massen Wirkung erzeugte Laidung bei entsprechender Abstimmung der Kompensationsmasse gleich der entgegengesetzt polanisierten Ladung des Quarzes 27 , rzeugt tdurch. die Kompansationsmasse 26.
Eine einfache und genaue Abstimmung kann so erfolgen, dass. die Kompensationsmasse vorerst etwas zu gross gewählt wird, worauf sie dann stufenwaise so auge- bohrt wird, bis der Warndler, montiert auf einem Schwmgtisdh, kein Beschleunigungssignal mehr'ab- gibt. Das Ausbohren erfolgt bei montiertem Wandler, und zwar durch die axiale Öffnung des Nippels 22 hindurch.
Die Temperaturkompensation ist @insofern er- schwert, als dije Quarzplatten entsprechend Fig. 2 und 3 in den z-und y-Richtungen verschiedene Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Die betreffenden Koeffizienten sind in der Zeichnung ein- getrafgen.
Bei Raumtemperatur kreisrund ausgeschnittene Platten (Fig. 2) sind wie Fig. 3 zeigt, bei erhöhter Temperatur in'Richtung der y-Achse wesentlich grö- sser. Wird nun diese ovale Ausdehnung durch auf die Flachseite wirkende Auflagekräfte mittels Mate rial verhindert, das einen gleichmässigen Ausdeh nungskoeffizienten, jedoch miit. kleinerem Wert als
14, 0 X 10-6 pro C aufweist, so entstehen radial gerichtete Kräfte P (Fig.
3), welche ihrerseits elektrische Ladungenerzeugen,wasunter allen Umständen ver hindert werden mu#. Um solche Temperaturschubkräfte zu vermeiden, wird vor dem Quarzsatz 25 eine Temperaturkompensatorplatte 24 gelegt, die aus dem gleichen Quarzamaterial besteht und bezügltich Achsentage gleich wie die übrigen Platten orientiert ist. Damit diese Platte 24 ihrerseits keine Ladungen erzeugt, wird diese vollständig metallisiert. Damit die y-Aahsen Ider Platte. 24 und der untersten Platte des Paketes 25 gemäss Fig. 2 genau afufeinander- liegen, sind sie durch Ritzmarken 32 gekennzeichnet dlie bei der Montage aufeinanderzuliegen kommen.
Die Dicke dar. Platte 24 wird vorteilhaft so gewählt, da# Isie eine Temperaturkompensation in axialer Richtung bewirkt. Die übrigen Quarze des Satzes 25 werden ebenfalls gerichtet eingelegt.
Die Kompensationsmasse 26 besteht ihrerseits aus einem Material, das einen Awsidehnungskoeffi- zienten vom etwa 14, 0 X 10-6 pro C aufweist. Eine Auflage auf isolchem Material erzeugt an den y Achsen keinen Radialschub, wohl aber auf den z Achsen, wodurch jedoch keine Ladungen erzeugt werden. Für eine wirkungsvolle Temperaturkompensation ist deshalb eine Materialqualität mit Ausdeh- nungskoeffizient von 14, 0 X 10-6 pro C am günstigsten. Es kann für die Komponsationsmasse z. B. eine geeignete Stahllegierung gewählt werden. Die mit diesen Massnahmen erraichte Temperaturkom- pensation ist annähernd zu 100 % wirksam.
Acceleration-compensated piezoelectric transducer
It is known that with measuring transducers, especially those for pressure measurement, difficulties arise when other influences, accelerations or changing temperatures occur at the same time at the measuring point where a pressure measurement is to be taken.
If piezoelectric measuring transducers are used for pressure or force measurement, the influence of temperature changes is generally significantly less than with other types of measuring transducers, such as inductive, capacitive or strain gauge transducers; on the other hand, the acceleration sensitivity of piezoelectric transducers for pressure and force is rather greater than that of other transducer types.
Two arrangements have become known for Bosch defamation alone. In an arrangement known as separate systems, two two quartz sets which are identical with respect to ground are electrically connected in series so that when the entire encoder is accelerated, the positive and negative signals of the two quartz sets cancel each other out, while only one quartz set is canceled receives the pressure or force signal.
In another system, known under the designation combined, two quartz sets are electrically and mechanically connected one behind the other, the piezo module of the downstream quartz set being adjusted by changing the connection direction so that in the event of a blinding the positive signal generated in the first quartz set by the second quartz set em negative is compensated. Due to the mechanical connection in series, however, a part of a pressure or force signal is also compensated for by the downstream quartz set with a coordinated piezo module.
Both arrangements have disadvantages; in the case of the former, they are caused by the separation into two independent mechanical oscillation systems, which are very difficult to tune so that they oscillate in phase over the widest possible frequency range, which is, however, practically an indispensable prerequisite.
The second arrangement is impractical in that it is difficult and cumbersome to manufacture quartz plates, the piezo module of which is gradually made smaller than the optimal state by changing the lubricant.
In contrast, the invention is based on a piezoelectric measuring transducer with a compensation mass arranged within a common housing between a measuring quartz arrangement consisting of several piezoelectric quartz plates and a compensation quartz arrangement, the compensation mass together with the compensating quartz arrangement, the compensation part and the measuring quartz arrangement together in the transmission path of the to be measured. Force pre-peeled elements forms the measuring part.
The EENndung is characterized in that the size of the acceleration compensation mass and the ratio between the number of plates of the measuring quartz arrangement to the number of plates of the compensating quartz arrangement are chosen so that the natural oscillation number of the compensation part is a multiple of the natural oscillation number of the measuring part.
At Messwa. Modules of the kind on which the invention is based form both the measuring part and the compensation part, which can vibrate, with the elastic influence of the air cushions between the individual quartz plates becoming noticeable, which cannot be avoided even with the most precise optical grinding of the quartz plates to let. Like any oscillating structure, such systems have their own frequency values, where. a disruptive influence of the compensation part on the natural frequency of the measuring part made itself felt in previously known arrangements.
With the help of the invention it is ensured that the natural frequency of the measuring part is practically independent of the presence of the compensation part. It then only needs to be ensured that the frequency of the pressure or force fluctuations to be measured by the transducer is below the natural frequency of the measuring part; this ensures under all circumstances that beode. Systems swung true to phase.
The invention is explained in more detail below with reference to an exemplary embodiment illustrated in the drawing. The drawing also illustrates the expansion behavior of quartz plates when the temperature increases.
1 shows in section a Wlandler according to the invention.
Fig. 2 shows three quartz plates as they are cut and processed relative to the crystal axes at normal temperature.
Fig. 3 shows. two of the quartz plates shown in FIG. 2 in the elevated temperature state.
The. The embodiment shown in FIG. 1 comprises a housing 20 in which an elastic clamping sleeve 21, which is closed on one side, is suspended, which in turn. is clamped with a threaded nipple 22 under axial bias. The clamping sleeve 21 is. formed with a biostiff base plate 30 and has a thin elastic tube wall.
The pressure membrane 23 seals the lower housing opening and transfers the measuring forces to the base plate 30. The bottom part of the base plate 31 is lapped cleanly and flat; The temperature compensation plate 24 rests on it, which is followed by an uneven number of quartz plates 25 in the axial direction. There are usually three to nine plates that use the direct piezo effect. A) le quartz plates 25 are electrically connected in series in a known manner. For this purpose, either thin metal foils can be used as contact means, or it is also possible to provide the plates with metal layers, which in turn are electrically connected to one another with known means.
The compensation mass 26 is arranged on the quartz set 25 and consists of a material whose coefficient of thermal expansion is approximately 14.0 × 10 −6 per C. This is followed by a normal quartz plate 27 provided with a central hole, but which is polarized in reverse relative to the plates 25. This plate is followed by the nipple 22, which is mounted in the body 20 in such a way that the quartz set is under compressive prestress.
If a pressure wave hits the membrane 23, which, with the same housing 20 and. the pressure plate 30 of the clamping sleeve 21 is connected, the electrical charge generated by the lower quartz set 25 is reduced by the coating generated by the upper quartz 27. If, however, an additional acceleration occurs, the coating produced by the lower quartz set 25 and the upstream masses 24 and 30 by mass action is equal to the oppositely polarized charge of the quartz 27, when the compensation mass is appropriately matched. the compensation mass 26.
A simple and precise adjustment can take place in such a way that the compensation mass is initially selected a little too large, whereupon it is then gradually bored out until the warning device, mounted on a Schwmgtisdh, no longer emits an acceleration signal. The boring takes place with the converter mounted, through the axial opening of the nipple 22.
The temperature compensation is made more difficult insofar as the quartz plates according to FIGS. 2 and 3 have different coefficients of thermal expansion in the z and y directions. The relevant coefficients are entered in the drawing.
Plates cut out circularly at room temperature (FIG. 2) are, as FIG. 3 shows, significantly larger at increased temperature in the direction of the y-axis. If this oval expansion is now prevented by bearing forces acting on the flat side by means of material which, however, has a uniform expansion coefficient. less than
14.0 X 10-6 per C, then radially directed forces P arise (Fig.
3), which in turn generate electrical charges, which must be prevented under all circumstances. In order to avoid such thermal thrust forces, a temperature compensator plate 24 is placed in front of the quartz set 25, which consists of the same quartz material and is oriented in the same way as the other plates with regard to axis days. So that this plate 24 does not generate any charges, it is completely metallized. So that the y-Aahsen Ider plate. 24 and the lowest plate of the package 25 according to FIG. 2 lie exactly one above the other, they are marked by incised marks 32 which come to lie on top of one another during assembly.
The thickness represents. Plate 24 is advantageously chosen so that # Isie causes temperature compensation in the axial direction. The remaining crystals of set 25 are also inserted in a directional manner.
The compensation mass 26 for its part consists of a material which has an expansion coefficient of approximately 14.0 × 10-6 per C. A support on isolated material does not generate any radial thrust on the y axes, but does on the z axes, which however does not generate any charges. For an effective temperature compensation, a material quality with an expansion coefficient of 14.0 X 10-6 per C is most favorable. It can be used for the Komponsationsmasse z. B. a suitable steel alloy can be selected. The temperature compensation achieved with these measures is almost 100% effective.