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.
Piezoelectric pressure transmitter
The invention relates to a piezoelectric; ical pressure transducer with a pretensioning sleeve containing the piezo element, surrounded by a cooling liquid space and a membrane which closes off the cooling liquid space and is connected to the bottom of the pretensioning sleeve. With such pressure transducers, which are often exposed to high thermal loads, temperature compensation must be provided in order to avoid measurement errors due to different thermal expansions of the functionally important transducer parts.
In known encoder designs, this temperature compensation is achieved by using the same materials or equivalent materials in terms of their thermal expansion, at least for the encoder housing and the prestressing sleeve and possibly a special shape of the diaphragm. It is also known to compensate for the different thermal expansions of the metallic prestressing sleeve and of the piezo element enclosed therein by means of a metal disk arranged between the piezo element and the base of the prestressing sleeve, corresponding to the expansion behavior.
Practical experience with known temperature-compensated pressure transducers, however, has led to the realization that the temperature compensation only becomes fully effective after some time, depending on the design, after about 1 to 5 seconds, and remains as long as the temperature conditions are approximately stable. In the case of brief exposure to temperature (temperature shock), a change in the pressure display at constant pressure was observed with the known temperature-compensated pressure transducers.
A measurement uncertainty is associated with this behavior, which makes pressure measurements appear problematic in particular during brief temperature peaks.
The aim of the present invention is to eliminate the interfering influences of short-term temperature effects and to create a pressure transducer which is one that heats up far more quickly than the other temperature compensation that is fully effective for all operating conditions. This is achieved according to the invention by arranging a heat insulator and / or heat accumulator in front of the bottom of the verse, clamping sleeve. Through these measures, the heat exchange between the hot pressure medium and those parts of the pressure transducer that are particularly prone to temperature-related changes in shape, e.g.
B. the membrane itself but also the prestressing sleeve, delayed considerably. As a result, high thermal loads for a short period of time have no influence on the voltage state of the piezo element and thus on the measurement result. The arrangement of the heat insulating bodies or heat accumulation bodies can be made so that the particularly temperature-sensitive transmitter parts, especially the membrane, are heated as evenly as possible at all points. Accordingly, insulating or baffle bodies are to be attached primarily to those points which quickly assume high temperature values, whether due to insufficient cooling of these areas or due to unfavorable cross-sectional proportions.
With the equalization of the heating of the temperature-sensitive parts of the encoder by the measures according to the invention, not only are the thermal stresses that give rise to deformations avoided in these parts, but the steady-state heat state of the encoder, which occurs in continuous operation, is also approximated. This means that a sensor that is temperature-compensated per se is just as insensitive to short-term thermal loads as it is to continuous thermal loads.
When a heat insulating body is arranged, it can advantageously be designed as a covering or disk made of heat-insulating material and attached to the outer surface of the membrane. The central part of the membrane, which is not directly flushed by the cooling liquid and rests on the bottom of the prestressing sleeve, represents a particularly high thermal stress zone for parts of the membrane that are partially flushed by the cooling liquid. The insulating body attached to the outer surface of the membrane now shields the middle of the membrane against the direct heat effects from the outside, so that at least an approximately uniform heating of the entire membrane is achieved.
Without this shielding by the heat insulating body, warping of the diaphragm, which is more strongly heated in the middle, would be unavoidable, since the diaphragm mounted under pretension to avoid gap resilience and to transfer negative measuring pressures as well, behaves like a curved plate, the curvature of which changes in the event of uneven heating The membrane center part would therefore increase the curvature and thus reduce the curvature and thus reduce the contact pressure of the membrane on the bottom of the prestressing sleeve. The intended shielding of the middle part of the membrane by the insulating coating prevents this phenomenon.
Uniform heating of the membrane can, however, also be achieved by means of a heat sink, which is expediently formed by the cylindrical central part of the membrane, which has an increased wall thickness. As a result of its greater mass, the central part of the membrane also has a greater heat storage capacity, so that this part of the membrane heats up more slowly than would be the case with a membrane with the same wall thickness throughout. By appropriately dimensioning the reinforced part of the diaphragm, even heating of the entire diaphragm can be achieved here as well, and errors caused by brief temperature effects can be suppressed.
In a preferred embodiment, which provides for the simultaneous use of a heat insulating body and a heat accumulating body, the cylindrical middle part of the membrane, which is designed with increased wall thickness, is designed as an inwardly protruding approach, with its entire surface resting on the bottom of the pretensioning sleeve, and is an on the outside of this approach cylindrical recess is provided which contains a heat-insulating covering.
The delay in the temperature equalization between the heat transfer medium and the central part of the membrane also takes part in addition to the thermal insulation coating and the heat sink body, which is now directly flushed by the coolant of the inwardly protruding extension of the membrane.
Due to the inwardly directed approach, consideration is also given to various applications of the transmitter in which an outwardly protruding central membrane part would interfere. A membrane that is flat on the outside is also better protected against mechanical damage.
In another embodiment of the pressure transducer, when using an annular diaphragm and arrangement of a heat insulating body, this can be used as a disc made of heat insulating material, e.g. B. quartz or ceramic, formed and inserted between the bottom of the prestressing sleeve in a hollow extension connected to the bottom so that it is pretensioned between the bottom and a bottom body adjoining the extension so that the annular membrane with its inner ring into the bottom body is pressed in and the cavity between the extension and the disk is in communication with the coolant space. These measures can be used to advantage with encoders with a ring diaphragm, where the deviation of the measuring pressure in the event of brief temperature influence is not directly related to the temperature behavior of the diaphragm itself.
With such encoders, the false indication in the event of brief heating (temperature shock) can be explained by the fact that the heat flow from the base of the prestressing sleeve, which is directly exposed to the effect of temperature, is temporarily blocked at the transition points to the thin-walled jacket of the sleeve. This phenomenon is due to the fact that the sleeve material is a better heat conductor than the quartz column enclosed in the prestressing sleeve, so that the heat flow in the area of the sleeve base is largely deflected radially outwards.
The resulting expansion of the prestressing sleeve in relation to the piezo element therefore simulates a drop in pressure. The intended arrangement of the heat insulating body makes the heat build-up responsible for the false indication disappear. The heat insulating body, which is to be mounted under prestress in the hollow extension of the prestressing sleeve in order to avoid a gap spring, and whose coefficient of thermal conductivity is still significantly smaller than that of quartz, to a certain extent forms a restricted zone that allows the direct heat exchange between the pressure medium as the heat carrier and the bottom of the Pre-tensioning sleeve largely prevented.
The heat introduced from the outside to the bottom part of the hollow extension of the prestressing sleeve can therefore only flow away via the relatively small cross section of the outer wall of the hollow extension and is given off directly to the cooling water by these walls. For this purpose, it is particularly advantageous to also include the interior of the hollow extension in the coolant system. Since with this design of the transmitter only a fraction of the heat supplied on the membrane side actually reaches the thin-walled jacket of the prestressing sleeve, regardless of whether it is a one-off, short-term or permanent heat supply, the previously usual measures for temperature compensation of the The encoder may be less effective in continuous operation.
For example, a compensation disc made of aluminum, copper or similar metals with a high coefficient of thermal expansion, used to compensate for the different thermal expansion of the preload sleeve and the piezo element enclosed therein, can be made much thinner than before.
A further improvement in the temperature behavior can also be achieved in that the middle part of the membrane is designed as a disk with increased wall thickness, and this disk has an outwardly protruding plate-like extension which at least partially overlaps the flexible part of the membrane at a distance. The flexible, thin-walled part of the membrane, which is naturally particularly sensitive to abrupt temperature changes, is largely shielded from direct temperature attack from the measuring point by the plate-like attachment.
The hot pressure medium first reaches the plate-like attachment of the disk-shaped central part of the membrane, which because of its relatively large mass acts as a heat sink, and only heats it gradually so that temperature peaks have almost no influence on the adjacent sensor parts. Due to the shielding of the flexible part of the membrane, this highly sensitive part also only accepts abrupt changes in temperature to a very limited extent.
Apart from the thermal advantages of such an encoder design, which guarantees an almost complete compensation of errors caused by brief temperature effects, the plate-like approach also provides special protection for the sensitive, flexible part of the membrane from mechanical damage.
Furthermore, the annular surface of the plate-like extension facing the flexible part of the membrane can be at least partially provided with a covering made of heat-insulating material. This creates a heat insulating zone between the outer surface of the plate-like extension, which is directly exposed to the temperature influences, and the flexible part of the membrane, which further reduces the heat exchange between the hot pressure medium and the effective membrane surface. Sharp temperature changes therefore have almost no effect on the membrane. Of course, an air gap must remain between the heat-insulating covering and the flexible part of the membrane so that the membrane can move freely in the event of pressure changes.
Further details can be found in the following description of exemplary embodiments with reference to the drawing. 1 shows a view of a pressure transducer according to the invention, FIG. 2 shows a preferred embodiment of the transducer according to the invention in axial section with restriction to the area essential to the invention, FIGS. 3 to 6 each show a further exemplary embodiment of the invention, also partially Axial section view.
The pressure transducer 1 contains the pressure-absorbing piezo element in a cylindrical transducer housing 2 with a stepped threaded part 3 in its interior space, which is closed at the end by a membrane 4. On the end face opposite the membrane 4, the measuring line 5 leading to the charge amplifier (not shown) is led out in the middle. In addition to the measuring line 5, there are the two cooling water connections 6 which are connected to the cooling water space 17 in the interior of the encoder housing 2.
The Geibier designs according to FIGS. 2, 3, 4 and 6 differ only in the special design of the membrane, the upturned edge of which is reluctant to have an inner rim and an outer rim, weld seam 7 with the ring-shaped face of the threaded part 3 is connected. In the interior of the transmitter housing 2 and coaxially to it, a stepped cylindrical insert 8 is arranged, to the shoulder of which a prestressing sleeve 9 is connected by means of annular weld seams 10.
An insulating tube 11 is inserted into the central bore of the cylindrical insert 8 and protrudes somewhat beyond the end face of the part of the insert 8 that projects into the prestressing sleeve 9. The inner wall of the prestressing sleeve 9 is stripped almost over its entire length by a thin-walled Teflon sleeve.
Inside the Teflon sleeve 12 is the piezo element formed from several disk-shaped layered quartz crystals 13, which is inserted under prestress between the bottom 16 of the prestressing sleeve 9 and the end face of the cylindrical insert 8 with a compensation disk 14 made of aluminum, copper or another metal with a high thermal expansion coefficient . The piezo element is connected to the measuring line 5 via a connecting line 15 guided centrally through the insulating tube 11.
The known arrangement and connection of the electrodes of the piezo element are not shown in the drawing for reasons of clarity.
In the embodiment according to FIG. 2, the membrane 4 has an inwardly protruding cylindrical extension 18 that rests with its entire surface on the base 16 of the prestressing sleeve 9. On the outside of the reinforced central part of the membrane, a cylindrical recess is provided in which a heat-insulating coating 19 is located is located. This covering 19 shields the middle part of the membrane 4 against the direct temperature influence from the outside. Since at the same time the mass of the membrane is significantly increased in this area by the cylindrical extension 18, the membrane in its central part heats up much more slowly than a membrane with a uniform wall thickness.
Through a special selection of the insulating material forming the covering 19 and through careful dimensioning of the cylindrical extension 18, uniform heating of the entire membrane 4 can be achieved, although the thin-walled annular zone of the membrane, which is directly flushed by the cooling water on the inside, has significantly more favorable cooling conditions. By a gl! eic! However, excessive heating of the membrane 4 due to thermal stresses caused changes in shape of the membrane 4 which is in contact with the prestressing sleeve 9 with a predetermined contact pressure. The bias of the piezo element, which is temperature-compensated per se by the compensation disk 14, therefore experiences no change even when the membrane 4 z.
B. is exposed to a sudden Templar shock treatment.
As FIG. 3 shows, the cylindrical extension 18 'of the membrane 4' can also be attached to the outside thereof, wherein the heat-insulating coating 19 'can extend not only over the end face but also over part of the outer surface of the cylindrical extension 18'.
In the case of encoders that are less thermally stressed, the false display can be prevented by brief temperature effects by a cylindrical projection 18 ″ of the membrane 4 ″ alone. In order to ensure the delayed heating of this central part of the membrane 4 ″, which is directly exposed to the external temperature, the cylindrical extension 18 ″ is designed with a greater wall thickness than in the embodiments according to FIGS. 2 and 3 for the purpose of greater thermal capacity.
In the encoder design according to FIG. 6, the membrane 4 '' 'in its central part has an enlarged wall thickness and has approximately the shape of a cylindrical disc 29 with an outwardly projecting plate-like projection 30. The inwardly projecting end face of this disc 29 lies snugly on the The plate-like extension 30 of the disk 29 overlaps the flexible annular membrane portion 31 at a distance from it, so that an annular gap 33 is formed, via which the membrane is acted upon by the measuring pressure. The width of this annular gap is selected so that that the full mobility of the flexible membrane part 31 is guaranteed in the event of pressure changes.
The central part of the diaphragm, designed as a disk 29, acts as a heat sink, which only slowly follows these temperature changes when there is a sharp change in temperature of the hot pressure medium and thus largely suppresses thermal stresses in the adjacent components of the transmitter, in particular in the prestressing sleeve 9, caused by the temperature change. The particularly sensitive flexible membrane part 31 is largely shielded from the direct temperature influence of the hot pressure medium by the plate-like extension 30. In order to make this shield particularly effective, for example the annular surface 32 facing the flexible part 31 of the membrane 4 '' 'can be provided partly or entirely with a covering made of heat-insulating material.
The free mobility of the flexible membrane part 31 must of course also be ensured in this case.
In the case of pressure transducers with an annular diaphragm 21, according to FIG. 5, different kinds of precautions must be taken in order to switch off the incorrect pressure display, which can also be observed here, in the event of a brief temperature influence. Experience with such encoders, in which the outer edge of the diaphragm is usually connected to the encoder housing and the inner edge of the diaphragm directly to the bottom of the prestressing sleeve, has shown that the diaphragm side of the encoder is affected when the diaphragm is heated, in particular during a thermal shock treatment the transition point from the bottom of the prestressing sleeve to its thin-walled jacket leads to heat build-up, which causes a rapid expansion of the prestressing sleeve, which simulates a sudden drop in pressure on the measuring device.
The heating of the piezo element itself as well as the compensation disk provided for temperature compensation is slower, so that the various large expansions of the pretensioning sleeve and the piezo element are only compensated for after some time.
To eliminate these phenomena, the biasing sleeve 9 of the transmitter according to FIG. 5 has a hollow extension 22 adjoining its bottom 16, into which a quartz or ceramic disk 20 is inserted as a heat insulating body, and which by a stepped cylindrical base body 26 towards the end face of the Is complete. An annular coolant space 23 is recessed between the thin-walled jacket of the extension 22 and the quartz or ceramic disk 20 and is connected to the coolant space 17 of the encoder via connecting channels 24 and 25. The quartz or ceramic disk 20 is held under pretension between the base 16 and the base body 26 in order to exclude any gap resilience between these parts and to enable the transmission of both tensile and compressive forces to the piezo element.
The ring membrane 21 is fastened with its inner ring 27 on the base body 26 and with its outer ring 28 on the threaded part 3 of the encoder housing, e.g. B. pressed in.
The quartz or ceramic body 20 shields the bottom 16 of the prestressing sleeve 9 from the heat penetrating through the bottom body 26 almost completely, so that the majority of the heat is deflected towards the thin-walled jacket of the hollow extension 22 and there is almost entirely given off to the cooling water. The pretensioning sleeve 9 thus experiences only very little heating, which moreover only becomes effective after a long period of time, so that brief thermal peak loads have no effect on the pretensioning of the piezo element. The compensation of the thermal expansion in the steady state of the
The encoder in continuous operation takes place here in a known manner by means of a compensation disk 14.