Piezoelektrischer Druckgeber
Die Erfindung betrifft einen piezoelektr ; ischen Druckgeber mit einer das Piezoelement enthaltenden, von einem Kühlflüssigkeitsraum umgebenen Vorspannhülse und einer den Kühlflüssigkeitsraum abschliessenden, mit dem Boden der Vorspannhülse verbundenen Membrane. Bei solchen Druckgebern, die vielfach hohen Wärmebelastungen ausgesetzt sind, muss zur Vermeidung von Messfehlern zufolge unterschiedlicher Wärmedehnungen der funktionswichtigen Geberteile eine Temperaturkompensation vorgesehen werden.
Bei bekannten Geberausführungen wird diese Temperaturkompensation durch Verwendung möglichst derselben oder hinsichtlich ihrer Wärmedehnung äquivalenten Materialien, zumindest fär Idas Gebergehäuse und Idie Vorspannhülse und allenfalls eine besondere Formgebung der Membrane erreicht. Bekannt ist ferner der Ausgleich der unterschiedlichen Temperaturdehnungen der metallischen Vorspannhülse und des darin eingeschlossenen Piezoelementes durch eine zwischen dem Piezoelement und dem Boden der Vorspannhülse angeordnete Metallscheibe entsprechenden Dehnungsverhaltens.
Die praktische Erfahrung mit bekannten temperaturkompensierten Druckgebern hat indessen zu der Erkenntnis geführt, dass die Temperaturkompensation erst nach einiger Zeit, je nach Ausführung nach etwa 1 bis 5 Sekunden, voll wirksam wird und solange auf recht bleibt, als annähernd stabile Temperaturverhältnisse herrschen. Bei kurzzeitiger Temperatureinwirkung (Temperaturschock) wurde bei den bekannten temperaturkompensierten Druckgebern eine Änderung der Druckanzeige bei konstantem Druck beobachtet.
Mit diesem Verhalten ist daher eine Messunsicherheit verbunden, die insbesondere Druckmessungen bei kurzzeitigen Temperaturspitzen problematisch erscheinen lassen.
Die vorliegende Erfindung verfolgt das Ziel, die Störeinflüsse kurzzeitiger Temperatureinwirkungen zu beseitigen und einen Druckgeber zu schaffen, der eine dar, die sich weitaus rascher erwärmt als die übrigen, für alle Betriebsverhältnisse voll wirksame Temperatur- kompensation besitzt. Man erreicht dies erfindungsge- mäss Idadurch, dass vor dem Boden der Vers, pannlhülse ein WärmeisoZerkerper und bzw. oder Wärmestaukörper angeordnet sind. Durch diese Massnahmen wird der Wärmeaustausch zwischen dem heissen Druckmedium und jenen Teilen des Druckgebers, die besonders zu temperaturbedingten Formänderungen neigen, z.
B. der Membrane selbst aber auch der Vorspannhülse, beträchtlich verzögert. Dies hat zur Folge, dass hohe Wärmebelastungen von kurzer Dauer auf den Spannungszustand des Piezoelementes und damit auf das Messergebnis ohne Einfluss bleiben. Die Anordnung der Wärmeisolierkörper bzw. Wärmestaukörper kann so getroffen werden, dass die besonders temperaturempfindlichen Geberteile, vor allem die Membrane, eine an allen Stellen möglichst gleichmässige Erwärmung erfahren. Demgemäss sind Isolier- bzw. Staukörper vornehmlich an jenen Stellen anzubringen, welche sei es durch mangelhafte Kühlung dieser Bereiche oder aufgrund ungünstiger Qmerschnittsver'hältulisse, rasch hohe Temperaturwerte annehmen.
Mit der Vergleichmässigung der Erwärmung der temperaturempfindlichen Teile des Gebers durch die erfindungsgemässen Massnahmen werden nicht nur die zu Verformungen Anlass gebenden Wärmespannungen in diesen Teilen vermieden, sondern es wird auch eine Annäherung an den stationären Wärmezustand des Gebers erreicht, der sich im Dauerbetrieb einstellt. Das heisst also, dass sich ein an sich temperaturkompensierter Geber gegen über kurzzeitigen Wärmebelastungen ebenso unempfindlich zeigt wie bei andauernder Wärmebelastung.
Bei Anordnung eines Wärmeisolierkörpers kann dieser vorteilhaft als Belag oder Scheibe aus wärmleiso- lierendem Material ausgebildet und an der Aussenfläche der Membrane angebracht sein. Der durch die Kühlflüssigkeit nicht unmittelbar bespülte, am Boden der Vorspannhülse anliegende Mittelteil der Membrane stellt eine thermisch besonders hoch belastete Zone zum Teil von der Kühlflüssigkeit direkt bespülten Teile der Membrane. Der an der Aussenfläche der Membrane angebrachte Isolierkörper schirmt nun die Membranmitte gegen die unmittelbaren Hitzeeinwirkungen von aussen ab, so dass eine zumindest annähernd gleichmässige Erwärmung der gesamten Membrane erreicht wird.
Ohne diese Abschirmung durch den Wärmeisolierkörper wäre ein Verziehen der in der Mitte stärker erwärmten Membrane unvermeidbar, da sich die zur Vermeidung einer Spaltfederung und zwecks übertragbarkeit auch negativer Messdrücke unter Vorspannung montierte Membrane wie eine gewölbte Platte verhält, deren Wölbung sich bei un gltidhzmässiger Erwärmung g des s Membranmitte1teilles würde daher eine Vergrösserung der Wölbung und somit eine Verkleinerung der Wölbung und somit eine Verkleinerung des Anpressdruckes der Membrane am Boden der Vorspannhülse bewirken. Die vorgesehene Abschirmung des Membranmittelteiles durch den Isolierbelag beugt dieser Erscheinung vor.
Eine gleichmässige Erwärmung der Membrane kann aber auch durch einen Wärmestaukörper erreicht werden, der zweckmässigerweise von dem mit vergrösserter Wandstärke ausgeführten zylindrischen Mittelteil der Membrane gebildet ist. Der Membranmittelteil besitzt somit infolge seiner grösseren Masse auch ein grösseres Wärmespeichervermögen, so dass sich dieser Teil der Membrane langsamer erwärmt als dies bei einer Membrane mit durchgehend gleicher Wandstärke der Fall wäre. Durch entsprechende Bemessung des verstärkten Teiles der Membrane kann auch hier eine gleichmässige Erwärmung der gesamten Membrane erzielt und damit der durch kurzzeitigen Temperatureinfluss verursachte Fehler unterdrückt werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform, die die gleichzeitige Anwendung eines Wärmeisolierkörpers und eines Wärmestaukörpers vorsieht, ist der mit vergrösserter Wandstärke ausgeführte zylindrische Mittelteil der Membrane als nach innen vorspringender, mit seiner ganzen Fläche am Boden der Vorspannhülse anliegender Ansatz ausgebildet und ist an der Aussenseite dieses Ansatzes eine zylindrische Vertiefung vorgesehen, die einen wärmeisolierenden Belag enthält.
An der Verzögerung des Temperaturausgleiches zwischen dem Wärmeträger und dem Membranmittelteil nehmen ausser dem Wärmeisolierbelag und dem Wärmestaukörper auch die nunmehr unmittelbar von der Kühlflüssigkeit bespülten Mantelflächen des nach innen vorspringenden Ansatzes der Membrane teil.
Durch den nach innen gerichteten Ansatz wird zugleich auf verschiedene Anwendungsfälle des Gebers Rücksicht genommen, bei denen ein nach aussen vorstehender Membranmittelteil stören würde. Eine nach aussen hin ebenflächige Membrane ist ausserdem gegen mechanische Beschädigungen besser geschützt.
Bei einer anderen Ausführungsform des Druckgebers kann bei Verwendung einer Ringmembrane und Anordnung eines Wärmeisolierkörpers dieser als Scheibe aus wärmeisolierendem Material, z. B. Quarz oder Keramik, ausgebildet und zwischen dem Boden der Vorspannhülse in einem mit dem Boden verbundenen hohlen Fortsatz so eingesetzt sein, dass sie zwischen dem Boden und einem an den Fortsatz anschliessenden Bodenkörper unter Vorspannung steht, dass die Ringmembrane mit ihrem Innenring in den Bodenkörper eingepresst ist und der Hohlraum zwischen dem Fortsatz und der Scheibe mit dem Kühlflüssigkeitsraum in Verbindung steht. Diese Massnahmen sind mit Vorteil bei Gebern mit Ringmembrane anwendbar, bei denen die Abweichung des Messdruckes bei kurzzeitigem Temperatureinfluss nicht unmittelbar mit dem Temperaturverhalten der Membrane selbst zusammenhängt.
Bei solchen Gebern lässt sich die Fehlanzeige bei kurzzeitiger Erwärmung (Temperaturschock) dadurch erklären, dass der Wärmefluss von dem der Temperatureinwirkung unmittelbar ausgesetzten Boden der Vorspannhülse an den Obergangsstellen zum dünnwandigen Mantel der Hülse vorübergehend¯ eine Stauung erfährt. Diese Erscheinung ist darauf zurückzuführen, dass das Hülsenmaterial ein besserer Wärmeleiter als die in der Vorspannhülse eingeschlossene Quarzsäule ist, so dass der Wärmestrom im Bereich des Hülsenbodens zum überwiegenden Teil radial nach aussen abgelenkt wird.
Die dadurch hervorgerufene Dehnung der Vorspannhülse gegenüber dem Pie zoeiement simuliert daher einen Druckabfall. Die vorgesehene Anordnung des Wärmeisolierkörpers bringt die für die Fehlanzeige verantwortliche Wärmestauung zum Verschwinden. Der Wärmeisolierkörper, der zwecks Vermeidung einer Spaltfederung im hohlen Fortsatz der Vorspannhülse selbst unter Vorspannung zu montieren ist, und dessen Wärmeleitzahl noch bedeutend kleiner als die von Quarz ist, bildet gewissermassen eine Sperrzone, die den direkten Wärmeaustausch zwischen dem Druckmedium als Wärmeträger und dem Boden der Vorspannhülse weitgehend unterbindet.
Die von aussen an den Bodenteil des hohlen Fortsatzes der Vorspannhülse herangeführte Wärme kann daher nur über den relativ kleinen Querschnitt der Aussenwand des hohlen Fortsatzes abfliessen und wird von diesen Wänden unmittelbar an das Kühlwasser abgegeben. Hiefür ist es besonders vorteilhaft, auch den Innenraum des hohlen Fortsatzes in das Kühlflüssigkeitssystem miteinzubeziehen. Da bei dieser Ausbildung des Gebers tatsächlich nur mehr ein Bruchteil der an der Membranseite zugeführten Wärme an den dünnwandigen Mantel der Vorspannhülse gelangt, gleichgültig ob es sich um eine einmalige, kurzzeitige oder um eine dauernde Wärmezufuhr handelt, können auch die bisher üblichen Massnahmen zur Temperaturkompensation des Gebers bei Dauerbetrieb von geringerer Wirksamkeit sein.
So kann beispielsweise eine zum Ausgleich der verschieden grossen Wärmedehnungen der Vorspannhülse und des darin eingeschlossenen Piezoelementes zwischen diesem und dem Boden der Vorspanuhülse eingesetzte Kompensationsscheibe aus Aluminium, Kupfer od. dgl. Metallen mit grossem Wärmeausdehnungskoeffizienten, wesentlich dünner als bisher ausgebildet werden.
Eine weitere Verbesserung des Temperaturverhaltens lässt sich auch dadurch erzielen, dass der Mittelteil der Membrane als Scheibe mit vergrösserter Wandstärke ausgebildet ist, und diese Scheibe einen nach aussen vorspringenden tellerartigen Ansatz aufweist, der den flexiblen Teil der Membrane mindestens teilweise mit Abstand übergreift. Der flexible, dünnwandige Membranteil, der naturgemäss gegenüber schroffen Temperaturänderungen besonders empfindlich ist, wird durch den tellerartigen Ansatz gegenüber einem unmittelbaren Temperaturangriff von der Messstelle her weitgehend abgeschirmt.
Das heisse Druckmedium gelangt zuerst an den tellerartigen Ansatz des scheibenförmigen Membranmittelteiles, welcher wegen seiner relativ grossen Masse als Wärmestaukörper wirkt, und erwärmt diesen nur allmählich, so dass Temperatur spitzen auf die angrenzenden Geberteile nahezu ohne Einfluss bleiben. Durch die Abschirmung des flexiblen Membranteiles nimmt auch dieser hochempfindliche Teil schroffe Temperaturänderungen nur in stark gedämpftem Ausmass an.
Abgesehen von den thermischen Vorzügen einer solchen Geberausführung, die einen nahezu vollkommenen Ausgleich der Fehler durch kurzzeitigen Temperatureinfluss gewährleistet, ist durch den tellerartigen Ansatz- auch ein besonderer Schutz des empfindlichen flexiblen Membranteiles vor mechanischen Beschädl gungen gegeben.
Weiter kann die dem flexiblen Teil der Membrane zugekehrte Ringfläche des tellerartigen Ansatzes zumindest teilweise mit einem Belag aus wärmeisolierendem Material versehen sein. Damit wird zwischen der den Temperatureinflüssen unmittelbar ausgesetzten Aussenfläche des tellerartigen Ansatzes und dem flexiblen Teil der Membrane eine Wärmeisolierzone geschaffen, die den Wärmeaustausch zwischen dem heissen Druckmedium und der wirksamen Membranfläche noch weiter verringert. Schroffe Temperaturänderungen bleiben daher nahezu ohne Einfluss auf die Membrane. Zwischen dem wärmeisolierenden Belag und dem flexiblen Teil der Membrane muss selbstverständlich ein Luftspalt verbleiben, damit die freie Beweglichkeit der Membrane bei Druckänderungen gewahrt bleibt.
Nähere Einzelheiten gehen aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung hervor. Es zeigen Fig. 1 die Ansicht eines Druckgebers gemäss der Erfindung, Fig. 2 eine bevorzugte Ausführung des Gebers gemäss der Erfindung im Axialschnitt mit Beschränkung auf den erfindungswesentlichen Bereich, die Fig. 3 bis 6 je ein weiteres Aus führungsbeispiel der Erfindung, gleichfalls in teilweiser Axialschnittdarstellung.
Der Druckgeber 1 enthält in einem zylindrischen Gebergehäuse 2 mit abgesetztem Gewindeteil 3 in seinem stirnseitig durch eine Membrane 4 verschlossenen Innenraum das druckaufnehmende Piezoelement. An der der Membrane 4 gegenüberliegenden Stirnseite ist in der Mitte die zum nichtdargestellten Ladungsverstärker führende Messleitung 5 herausgeführt. Neben der Messleitung 5 befinden sich die beiden Kühlwasseranschlüsse 6, die mit dem Kühlwasserraum 17 im Inneren des Gebergehäuses 2 in Verbindung stehen.
Die Geibierausfiihrungeni nach Fig. 2, 3, 4 und 6 unterscheiden sich nur durch die besondere Ausbildung der Membrane, deren aufgebogener Rand bei allen de- sen Aus ungern durch je eine innenL:,egmde sowie eine aussenliiegenidle Rin, gschweissnaihit 7 mit der ringförmigen Stirniläche des Gewindeteiles 3 verbunden ist. Im Inneren des Gebergehäuses 2 und koaxial zu u diesem ist ein abgesetzt zylindrischer Einsatz 8 angeordnet, an dessen Absatz eine Vorspannhülse 9 mittels ringförmiger Schweissnähte 10 angeschlossen ist.
In die zentrale Bohrung des zylindrischen Einsatzes 8 ist ein Isolierrohr 11 eingesetzt, welches etwas über die Stirnfläche des in die Vorspannhülse 9 hineinragenden Teiles des Einsatzes 8 vorsteht. Die Innenwand der Vorspannhülse 9 ist nahezu über ihre ganze Länge durch eine dünnwandige Teflonhülse abisoliert.
Innerhalb der Teflonhülse 12 befindet sich das aus mehreren scheibenförmigen Schichtquarzen 13 gebildete Piezoelement, welches unter Zwischenlage einer Kompensationsscheibe 14 aus Aluminium, Kupfer oder einem anderen Metall mit grosser Wärmedehnzahl zwischen dem Boden 16 der Vorspannhülse 9 und der Stirnfläche des zylindrischen Einsatzes 8 unter Vorspannung eingesetzt ist. Das Piezoelement steht über eine zentral durch das Isolierrohr 11 geführte Anschlussleitung 15 mit der Messleitung 5 in Verbindung.
Die an sich bekannte Anordnung und Verbindung der Elektroden des Piezoelementes sind aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit in der Zeichnung nicht dargestellt.
Bei der Ausführung nach Fig. 2 besitzt die Membrane 4 einen nach innen vorspringenden und mit seiner ganzen Fläche am Boden 16 der Vorspannhülse 9 anliegenden zylindrischen Ansatz 18. An der Aussenseite des verstärkten Membranmittelteiles ist eine zylindrische Vertiefung vorgesehen, in der sich ein wärmeisolierender Belag 19 befindet. Dieser Belag 19 schirmt den Mittelteil der Membrane 4 gegen die unmittelbare Tempteratureinwirkung von aussen ab. Da zugleich auch die Masse der Membrane durch den zylindrischen Ansatz 18 in diesem Bereich wesentlich vergrössert ist, erwärmt sich die Membrane in ihrem Mittelteil wesentlich langsamer als eine Membrane mit einheitlicher Wandstärke.
Durch spezielle Auswahl des den Belag 19 bildenden Isoliermaterials und durch sorgfältige Dimensionierung des zylirdrischen Ansatzes 18 kann eine-g1eishmässige Erwärmung Ider gesamten Membrane 4 erreicht werden, obwohl die an der Innenseite unmittelbar vom Kühlwasser bespülte dünnwandige ringförmige Zone der Membrane wesentlich günstigere Kühlbedingungen aufweist. Durch eine gl ! eic ! hmässige Erwärmung der Membrane 4 werden aber durch Wärmespannungen bedingte Formänderungen der mit einem vorgegebenen Anpressdruck an der Vorspannhülse 9 anliegenden Membrane 4 vermieden. Die Vorspannung des an sich durch die Kompensationsscheibe 14 temperaturkompensierten Piezoelementes erfährt daher auch dann keine Änderung, wenn die Membrane 4 z.
B. einer plötzlichen Templeraturschockbehandlung ausgesetzt wird.
Wie Fig. 3 zeigt, kann der zylindrische Ansatz 18' der Membrane 4' auch an deren Aussenseite angebracht sein, wobei sich der wärmeisolierende Belag 19' nicht nur über die Stirnfläche sondern auch über einen Teil der Mantelfläche des zylindrischen Ansatzes 18' erstrecken kann.
Bei thermisch weniger hoch beanspruchten Gebern kann die Fehlanzeige durch kurzzeitige Temperatureinwirkung durch einen zylindrischen Ansatz 18" der Membrane 4" allein unterbunden werden. Um die verzögerte Erwärmung dieses der Temperatureinwirkung von aussen unmittelbar ausgesetzten Mittelteiles der Membrane 4" sicherzustellen, ist der zylindrische Ansatz 18"zwecks grösserer Wärmekapazität mit grösserer Wandstärke als bei den Ausführungen gemäss Fig. 2 und 3 ausgebildet.
Bei der Geberausführung nach Fig. 6 weist die Membrane 4"' in ihrem Mittelteil eine vergrösserte Wandstärke auf und besitzt etwa die Form einer zylindrischen Scheibe 29 mit einem nach aussen vorspringenden tellerartigen Ansatz 30. Die nach innen vorspringende Stirnfläche dieser Scheibe 29 liegt satt auf dem Boden der Vorspannhülse 9 auf. Der tellerartige Ansatz 30 der Scheibe 29 übergreift den flexiblen ringförmigen Membranteil 31 im Abstand von diesem, so dass ein Ringspalt 33 gebildet ist, über den die Membrane vom Messdruck beaufschlagt ist. Die Breite die ses Ringspaltes ist so gewählt, dass die volle Beweglichkeit des flexiblen Membranteiles 31 bei Druckänderungen gewährleistet ist.
Der als Scheibe 29 gestaltete Membranmittelteil wirkt als Wärmestaukörper, der bei schroffem Temperaturwechsel des heissen Druckmediums diesen Temperaturänderungen nur langsam folgt und somit durch den Temperaturwechsel bedingte Wärmespannungen in den angrenzenden Bauteilen des Gebers, insbesondere in der Vorspannhülse 9, weitgehend unterdrückt. Der besonders empfindliche flexible Membranteil 31 ist durch den tellerartigen Ansatz 30 weitgehend gegen den unmittelbaren Temperatureinfluss des heissen Druckmediums abgeschirmt. Um diese Abschirmung besonders wirkungsvoll zu gestalten, kann beispielsweise die dem flexiblen Teil 31 der Membrane 4"' zugekehrte Ringfläche 32 zum Teil oder zur Gänze mit einem Belag aus wärmeisolierendem Material versehen sein.
Die freie Beweglichkeit des flexiblen Membrmtei- les 31 muss selbstverständlich auch in diesem Fall gesichert sein.
Bei Druckgebern mit Ringmembrane 21 müssen gemäss Fig. 5 andersgeartete Vorkehrungen getroffen werden, um die auch hier zu beobachtende Druck Fehlanzeige bei kurzzeitigem Temperatureinfluss auszuschalten. Die Erfahrung mit solchen Gebern, bei denen üblicherweise der äussere Rand der Membrane mit dem Gebergehäuse und der innere Rand der Membrane direkt mit dem Boden der Vorspannhülse verbunden ist, hat gelehrt, dass es bei einer Erwärmung, insbesondere bei einer Temperaturschockbehandlung der Membranseite des Gebers an der Übergangsstelle vom Boden der Vorspannhülse zu ihrem dünnwandigen Mantel zu Wärmestauungen kommt, die eine rasche Dehnung der Vorspannhülse hervorrufen, welche am Messgerät einen plötzlichen Druckabfall vortäuscht.
Die Erwärmung des Piezoelementes selbst sowie auch der für den Temperaturausgleich vorgesehenen Kompensationsscheibe geht indessen langsamer vor sich, so dass es erst nach einiger Zeit zu einem Ausgleich der verschiedenen grossen Dehnungen der Vorspannhülse und des Piezoelementes kommt.
Zur Beseitigung dieser Erscheinungen weist die Vorspannhülse 9 des Gebers gemäss Fig. 5 einen an ihrem Boden 16 anschliessenden hohlen Fortsatz 22 auf, in den eine Quarz- oder Keramikscheibe 20 als Wärmeisolierkörpier eingesetzt ist, und der durch einen abgesetzt zylindrischen Bodenkörper 26 nach der Stirnseite des Gebers hin abgeschlossen ist. Zwischen dem dünnwandigen Mantel des Fortsatzes 22 und der Quarz- oder Keramikscheibe 20 ist ein ringförmiger Kühlflüssigkeitsraum 23 ausgespart, der über Verbindungskanäle 24 und 25 an den Kühlwasserraum 17 des Gebers angeschlossen ist. Die Quarz- oder Keramikscheibe 20 ist zwischen dem Boden 16 und dem Bodenkörper 26 unter Vorspannung gehalten, um eine etwaige Spaltfederung zwischen diesen Teilen auszuschliessen und die Übertragung sowohl von Zug- als auch Druckkräften auf das Piezoelement zu ermöglichen.
Die Ringmembrane 21 ist mit ihrem Innenring 27 am Bodenkörper 26 und mit ihrem Aussenring 28 am Gewindeteil 3 des Gebergehäuses befestigt, z. B. eingepresst.
Der Quarz- oder Keramikkörper 20 schirmt den Boden 16 der Vorspannhülse 9 gegen die durch den Bodenkörper 26 eindringende Wärme nahezu vollkommen ab, sodass der Grossteil der Wärme nach dem dünnwandigen Mantel des hohlen Fortsatzes 22 abgelenkt und dort fast zur Gänze an das Kühlwasser abgegeben wird. Die Vorspannhülse 9 erfährt somit nur eine sehr geringe Erwärmung, die überdies erst nach längerer Zeit wirksam wird, sodass kurzzeitige thermische Spitzenbelastungen ohne Einfluss auf die Vorspannung des Piezoelementes bleiben. Die Kompensation der Wärmedehnungen im stationären Zustand des
Gebers bei Dauerbetrieb erfolgt auch hier in bekannter Weise mittels einer Kompiensationsscheibe 14.