Piezoelektrischer Messwandler mit Beschleunigungskompensation
Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Messwandler mit Beschleunigungskompensagtion mittels eines dem piezoelektrischen Messkrtilstallsatz gegengeschalteten, aus wenigstens einer Scheibe aus piezoelektrischem Material bestehenden Kompensationselementes, welches zusammen mit dem Messkristallsatz zwischen einem mit dem Wandlergehäuse starr verbundenen Auflager und einem zum Auflager hin federbelasteten Wilderlager unter Vorspannung gehalten ist.
Bei diesem bekannten Messwandler ist zwischen den Messkristallsatz und das von einer piezoelektrischen Kri stallscheibe gebildete Kompensationselement eine massive Ableiteelektrode eingesetzt. Diese bildet zusammen mit dem Messkristallsatz eine seismische Masse, die beim Auftreten von Beschleunigungen in der Kompensationsscheibe eine Ladung erzeugt, die ihrem Absolutwert nach dem durch Beschleunigungskräfte hervorgerufenen, von der eigentlichen Messgrösse unabhängigen Ladungsanteil des Messkristallsatzes entspricht. Zufolge der entgegengesetzten Polung des Messkristallsatzes und des Kompensationselementes heben die beschleunigungsabhängigen Ladungsanteile einander auf, so dass das Messergebnis frei von Beschleunigungseinflüssen bleibt.
Voraussetzung hierfür ist allerdings eine Beschränkung der Ladungsabgabe des Kompensationselementes, die bei dem bekannten Messwandler durch die Verwendung einer Kompensationsscheibe mit gegenüber dem Messkristallsatz auf ein Drittel verringerten Piezomodul erreicht wird. Die Herstellung von Kompensationsscheiben dieser Art ist jedoch sehr schwierig und umständlich, da sie unter einem bestimmten Winkel zur X-Achse des Kristalles aus diesem herausgeschnitten werden müssen.
Ein weiterer Nachteil der bekannten Messwandlerausführung besteht in der relativ niedrigen Eigenfrequenz des Gerätes, das sich daher für Präzisionsmessungen rasch verlaufender Vorgänge, wie des Druckverlaufes in den Zylindern einer Brennkraftmaschine, nur bedingt eignet.
Die vorliegende Erfindung verfolgt nun das Ziel, unter Vermeidung der Nachteile des bekannten Gerätes einen Messwandler mit vollkommener Beschleunigungskompensation zu schaffen, der sich vor allem für eine rationelle serienmässige fertigung eignt. Zu diesem Zweck its erfindungsgemäss vorgesehen, dass zwischen dem Kompensationselement und einem mit seiner Stirnfläche das Auflager bildenden Gehäuseeinsatz eine an beiden Stirnflächen mit Metallbelag versehene Isolierscheibe angeordnet ist, wobei der Belag an der mit dem Kompensationselement in Berührung stehenden Stirnfläche durch eine belagfreie Trennzone in zwei voneinander isolierte Abschnitte unterteilt ist,
von denen der eine als Ableitelektrode zur Ladungsabgabe des Kompensationselementes dient und mit dem Belag an der auflagerseitigen Stirnfläche der Isolierscheibe über eine am Umfang der Isolierscheibe angeordnete metallische Brücke leitend verbunden ist.
Bei Beschleunigungsmessgeräten ist es zwar bekannt, zwischen dem piezoelektrischen System und dem angrenzenden Widerlager eine oder mehrere Kompensationsscheiben anzuordnen. Diese Kompensationsscheiben dienen jedoch dem Ausgleich von Temperatureinflüssen auf das Beschleunigungsmessgerät und bestehen deshalb aus einem Material, dessen Ausdehnungskoeffizient grösser als der des angrenzenden Widerlagers und des Piezosystems selbst ist.
Beim Messwandler nach der Erfindung wird hingegen die vom Kompensationselement unter der Einwirkung von Beschleunigungskräften erzeugte Ladung von dem als Ableitelektrode dienenden Abschnitt des Metallbelages der Isolierscheibe über die Verbindungsbrücke an das Auflager abgeführt. Durch entsprechende Anordnung und Bemessung der belagfreien Trennzone kann daher die Ladungsabgabe des Kompensationselementes in jedem beliebigen Ausmass gegenüber der gesamten, vom Kompensationselement erzeugten Ladung reduziert werden. Wenn für das Kompensationselement dieselben normal geschnittenen Kristallscheiben wie für den Messkristallsatz verwendet werden, ergeben sich für die Fertigung und hinsichtlich der Lagerhaltung beträchtliche Vorteile gegenüber der eingangs genannten vorbekannten Messwandlerausführung.
Die Herstellung der metallischen Beläge, sowie der Verbindungsbrücke am Umfang der Isolierscheibe kann nach einer der bekannten Methoden, beispielsweise durch Aufdampfen einer Gold- oder Silberschicht, erfolgen, wobei die von der Metallisierung ausgenommenen Oberflächenteile abgedeckt werden. Obwohl diese Methode an sich eine sehr genaue Einhaltung des erwünschten Flächenanteiles der Ableitelektrode gestattet, kann für besondere Ansprüche auch noch eine Feinabstimmung der Ladungsabgabe durch Entfernen kleiner Teile des Elektrodenbelages vorgenommen werden. Auf diese Weise gelingt es, den Einfluss von Beschleunigungskräften auf das Messergebnis praktisch vollkommen zu beseitigen.
Die dadurch erreichbare hohe Messpräzision und die Möglichkeit, Messwandler dieser Bauart mit hohen Eigenfrequenzen auszustatten, ermöglichen deren uneingeschränkten Einsatz auf den meisten Gebieten der piezoelektrischen Messtechnik.
Bei einer bevorzugten Ausführung bildet die belagfreie Trennzone eine zur Achse der Isolierscheibe konzentrische Ringfläche. Diese Art der Unterteilung des Elektrodenbelages der Isolierscheibe ist deshalb besonders günstig, da einerseits wegen der vorhandenen Ach sensymmmetrie beim Zusammenbau der Kristallanordnung nicht auf eine vorbestimmte relative Lage der Isolierscheibe zum Kompensationselement geachtet werden muss und anderseits der Flächenanteil des äusseren, als Ableitelektrode dienenden ringförmigen Abschnittes des M ; etallbelageis mit grosser Genauggikiait eihg & balten werden kann.
Weiter kann die belagfreie Trennzone aber auch nach einer Sehne der Stirnfläche der Isolierscheibe verlaufen. Diese Ausführung wird vor allem dann anzuwenden sein, wenn das Kompensationselement eine einzige nicht metallisierte Kristallscheibe umfasst. Auch in diesem Falle können bei der Montage des Gebers die Isolierscheibe und die Kompensationsscheibe in beliebiger relativer Lage zueinander angeordnet werden.
Es kann sich als vorteilhaft erweisen, dass bei einem aus mehreren Scheiben aus piezoelektrischem Material bestehenden Kompensationselement beide Stirnflächen jeder Scheibe mit Metallbelag versehen sind und die Beläge gleicher Polarität in an sich bekannter Weise untereinander und je mit einem der Beläge an den Endstirnflächen des Kompensationselementes leitend verbunden sind, und dass der an der Isolierscheibe anliegende Belag eine mit der Trennzone der Isolierscheibe deckungsgleiche belagfreie Trennzone aufweist. Man erreicht damit auch für den Kompensations-Kristallsatz dieselbe hohe Empfindlichkeit wie für den eigentlichen Messkristallsatz, was insbesondere bei beschleunigungskompensierten Niederdruckgebern, an die hinsichtlich ihrer Empfindlichkeit besonders hohe Ansprüche gestellt werden müssen, von grosser Bedeutung ist.
Beim Zusam menibau Ider Kiisitalllsch ! eiben Idles Kompens. ialbionselemen- tes ist allerdings auf die richtige gegenseitige Lage der Scheiben zu achten, da sonst Kurzschlüsse zwischen den ungleichnamigen Elektrodenbelägen der einzelnen Kristallscheiben und bei Wandlerausführungen mit nach einer Sehne verlaufender Trennzone an den Berührungsflächen der Isolierscheibe mit der anliegenden Kristallscheibe des Kompensationselementes auch Kurzschlüsse der voneinander isolierten Abschnitte der Metallbeläge dieser Flächen eintreten könnten.
Nähere Einzelheiten gehen aus der nachfolgenden Beschreibung der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung hervor:
Es zeigen Fig. 1 einen Axialschnitt des erfindungswesentlichen Bereiches eines piezoelektrischen Druckgebers, Fig. 2 eine schräge Untersicht einer Einzelheit nach Fig. 1, Fig. 3 einen Axialschnitt des in Fig. 2 dargestellten Bauteiles, Fig. 4 einen teilweisen Axialschnitt eines piezoelektrischen Niederdruckgebers gemäss der Erfindung, Fig. 5 erfindungswesentliche Bauteile des Druckgebers nach Fig. 4 in axonometrischer Darstellung, Fig. 6 einen Axialschnitt eines Kompensationselementes eines abgewandelten Ausführungsbeispieles der Erfindung und Fig. 7 eine axonometrische Darstellung von Bauteilen des Kompensationselementes nach Fig. 6.
Der piezoelektrische Druckgeber nach Fig. 1 weist ein abgesetzt hohlzylindrisches Gehäuse 1 auf, das einen axial durchbohrten Einsatz 2 enthält. Der Einsatz 2 ist mit dem Gebergehäuse 1 in nicht dargestellter Weise starr verbunden. Der Einsatz 2 weist einen Zentrierflansch 3 auf, an dem eine Rohrfeder 4 mit ihrem verstärkten Rand 5 angeschweisst ist. Der Boden 6 der Roffeder 4 stützt sich auf eine stirnseitig am Gebergehäuse 1 angeschrweisste Plattlenfcdermembrane 7 ab.
Innerhalb eines an der Innenwand der Rohrfeder 4 anliegenden Isolierrohres 8 ist das piezoelektrische Messelement des Druckgebers angeordnet und zwischen dem Boden 6 der Rohrfeder 4 und der als festes Auflager dienenden Stirnfläche 9 des Einsatzes 2 unter axialer Vorspannung gehalten. Das Messelement umfasst eine unmittelbar am Boden 6 der Rohrfeder 4 aufliegende, metallische oder metallisierte Zwischenscheibe 10, auf der eine den eigentlichen Messkristallsatz bildende piezoelektrische Kristallscheibe 11, z. B. eine Quarzscheibe, mit jener Stirnfläche aufliegt, an der die positiven Ladungen entstehen. Die Ableitung der positiven Ladungen der Kristallscheibe 11 erfolgt über die Zwischenscheibe 10 auf den Boden 6 der Rohrfeder 4 und von dort an das Gebergehäuse 1. Die Zwischenscheibe 10 kann zugleich auch die Funktion einer Temperaturkompensationsscheibe übernehmen.
Die Ableitung der negativen Ladungen der Messkristallscheibe 11 erfolgt über eine auf der Scheibe 11 auf liegende SchleibentelelGrode 12 und eine durch die mit einem Isolierrohr 14 ausgekleidete axiale Bohrung des Einsatzes 2 hindurchgeführte Anschlussleitung 13, die in nicht dargestellter Weise mit einem gegen das Gebergehäuse 1 abisolierten Anschlussstecker des Messwandlers verbunden ist.
Auf der Scheibenelektrode 12 liegt eine axial durchbohrte piezoelektrische Kristallscheibe 15 auf, welche aus dem selben Material wie die Scheibe 11 besteht und den gleichen Piezomodul wie diese besitzt. Die Scheibe 15 stellt das Kompensationselement des Druckgebers dar, welches die von Beschleunigungskräften hervorgerufenen, von Ider eigentlichen Messgrösse, z. B. dem Druck, unabhängigen, vom Messkristallsatz abgegebenen Ladungen kompensiert. Die Scheibe 15 ist zu diesem Zweck der Messlrristallscheibe 11 entgegengeschaltet, d. h. also, dass sie mit derjenigen Stirnfläche, an der die positiven Ladungen entstehen, mit der Scheibenelektrode 12 in Berührung steht.
Zwischen die Kompensationsscheibe 15 und die Stirnfläche 9 des Einsatzes 2 ist eine ebenfalls axial durchbohrte Isolierscheibe 16 eingesetzt. Diese Isolierscheibe, die beispielsweise gleichfalls aus Quarz bestehen kann, weit beiden Stimflächen metallische Beläge, z. B. aufgedampfte Goldschichten, auf. Während der Belag 17 die gesamte Stirnfläche der Isolierscheibe 16 auf der dem Gehäuseeinsatz 2 zugewendeten Seite bedeckt, ist der Belag auf der gegenüberliegenden Stirnfläche der Isolierscheibe 16 durch eine nach einer Sehne verlaufende belagfreie Trennzone 18 in zwei voneinander isolierte Abschnitte 19 und 20 unterteilt. Der flächenmässig kleinere Abschnitt 19 ist über eine am Umfang der Isolierscheibe 16 angeordnete metallische Brücke 21 mit dem Belag 17 auf der gegenüberliegenden Seite der Scheibe 16 elektrisch leitend verbunden.
Die an der Berührungsfläche der Kompensationsscheibe 15 mit der Isolierscheibe 16 auftretenden negativen Ladungen werden daher nur von jenem Oberflächenteil der Kompensationsscheibe 15 abgeleitet, welcher mit dem Abschnitt 19 des Belages der Isolierscheibe 16 in Berührung steht. Dieser Ladungsanteil wird über die Brücke 21 und den geschlossenen Metallbelag 17 der Isolierscheibe 16 an das Gebergehäuse abgeführt. Durch eine genaue Abstimmung der Flächenverhältnisse der isolierten Abschnitte 19 und 20 kann eine weitgehende Kompensation der beschleunigungsabhängigen Ladungen des Messelementes erzielt werden.
Der Niederdruckgeber nach Fig. 4 besitzt ein abgesetztes hohlzylindrisches Gehäuse 22 mit einem stirnseitigen Zentrierrand 23, an dem eine Plattenfedermembrane 24 mit ihrem verstärkten Rand 25 angeschweisst ist. Im Gebergehäuse 22 sind zwei konzentrische Isolierrohre 26 und 27 in geringem radialem Abstand voneinander angeordnet. Das äussere Isolierrohr 26 liegt an der Innenwand des Gebergehäuses 22 an. Das Messelement des Druckgebers ist innerhalb des Isolierrohres 27 zwischen dem Boden der Plattenfedermembrane 24 und der Stirnfläche 28 eines zentralen Gehäuseeinsatzes 29 angeordnet. Die axiale Vorspannung des Messelementes wird durch die Federkraft der Plattenfedermembrane 24 erzeugt.
Auf eine unlitelbar an der Innenfläche der Membrane 24 aufliegende Stützscheibe 30 folgt eine Isolierscheibe 31, auf der eine scheibenförmige Ableitelek trode 32 aui t. E ; lne vom Umfang der Ableiltelek- trode 32 ausgehende Anschlussleitung 33 ist zwischen den beiden Isolierrohren 26 und 27 bis an eine aus der Zeichnung nicht ersichtliche Anschlussbuchse des Ge bers herangeführt. Der der Ableitelektrode 32 folgende Messkristallsatz ist als Schichtkörper aus mehreren piezoelektrische Kristallscheiben 34 ausgebildet. Auf der obersten Scheibe 34 des Messkristallsatzes liegt eine Scheibenelektrode 35 auf, welche über eine von ihrem Umfang ausgehende Anschlussleitung 36 mit der zweiten, gleichfalls nicht dargestellten Anschlussbuchse des Druckgebers verbunden ist.
Das Kompensationselement des Niederdruckgebers nach Fig. 4 ist glelchfalls als Schichtkörper ausgebildet und umfasst drei piezoelektrische Kristallscheiben mit verschiedenartig ausgeführten Metallbelägen. Zwischen das Kompensationselement und den Gehäuseeinsatz 29 ist eine Isolierscheibe 37 eingelegt, deren innere Stirnfläche zur Gänze mit einem metallischen Belag 38 versehen ist und deren äussere Stirnfläche einen durch eine Trennzone 39 in zwei voneinander isolierte Abschnitte 40 und 41 unterteilten Belag aufweist. Der Abschnitt 40 ist über eine Brücke 21' am Umfang der Isolierscheibe 37 mit dem Belag 38 leitend verbunden.
Die der Isolierscheibe 37 benachbarte piezoelektrische Kristallscheibe 42 weist an ihrer Berührungsfläche mit der Isolierscheibe 37 einen mit den Belagabschnitten 40 und 41 deckungsgleichen, durch eine belagfreie Trennzone 39' in Abschnitte 40' und 41' un- terteilten Metallbelag auf. Eine mit dem Abschnitt 40' leitend verbundene Verbindungsbrücke 43 am Umfang der Scheibe 42 greift mit einem zungenartigen Fortsatz 44 auf die andere, mit einem Belag 45 versehene Stirnfläche der Scheibe 42 über. Der zungenartige Fortsatz und der Belag 45 sind durch einen belagfreien Trennstreifen 46 voneinander isoliert.
Die beiden Stirnflächen der folgenden Kristallscheibe 47 sind in der gleichen Weise wie die äussere Stirnfläche der Scheibe 42 metallisiert. Die Metallbeläge dieser Scheibe 47 sind mit 45' und die einander gegenüberliegend angeordneten Verbindungsbrücken mit 43' bezeichnet. Zwischen den zungenartigen Fortsätzen 44' der Brücken 43' und den in der gleichen Ebene liegenden Belägen 45' sind belagfreie Trennstreifen 46' vorgesehen.
Die dritte Kristallscheibe 48 weist nur an ihrer Berührungsfläche mit der Scheibe 47 eine mit dem Belag der Scheibe 47 deckungsgleiche Metallisierung auf. Die an der Scheibenelektrode 35 anliegende Stirnfläche der Scheibe 48 ist hingegen mit einem durchgehenden Elektrodenbelag 49 versehen, von dem eine einzige Verbindungsbrücke auf die gegenüberliegende Seite der Scheibe 48 übergreift.
Die Abstimmung der Ladungsabgabe des Kompensationselementes erfolgt auch bei dieser Geberausführung durch entsprechende Anordnung der belagfreien Trennzone 39 der Isolierscheibe 37 und der mit ihr deckungsgleichen Trennzone 39' der anliegenden Scheibe 42 des Kompensationselementes.
Fig. 6 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines gleichfalls als Schichtkörper ausgebildeten Kompensationselementes in einer abgewandelten Ausführungsform. Die am gehäusefesten Einsatz 29 anliegende Isolierscheibe 50 trägt an ihrer inneren Stirnfläche einen durchgehenden Metallbelag 51 und an der äusseren Stirnfläche einen durch eine ringförmige Trennzone 52 in voneinander isolierte Abschnitte 53 und 54 unterteilten Belag.
Eine Verbindungsbrücke 55 am Umfang der Scheibe 50 verbindet den ringförmgen Beiagabschnttt 53 mit dem Belag 51 auf der gegenüberliegenden Scheibenstirnfläche, Die Berührungsfläche der folgenden piezoelektrischen Kristallscheilbe 56 ist deckungsgleinch metallisiert. Die voneinander isolierten Abschnitte des Metallbelages sind mit 53' und 54', die ringförmige Trennzone mit 52' bezeichnet. Durch den Radius und die Breite der Trennzonen 52 und 52' ist die Ladungsabgabe des Kompensationselements bestimmt.
Eine mit dem ringförmlgen Belagabschnitt 53' verbundene Brücke 57 greift mit ihrem zungenartigen Fortsatz 58 auf die äussere, mit einem Belag 59 versehene Stirnfläche der Scheibe 56 über und ist von dem Belag 58 durch einen Trennstreifen 60 isoliert.
Die beiden folgenden piezoelektrischen Kristallscheiben 61 und 62 des Kompensationselementes sind übereinstimmend mit den Scheiben 47 und 48 des Druckgebers nach Fig. 4 ausgeführt.
Die als Schichtkörper aufgebauten Kompensationselemente der beiden letztgenannten Ausführungsbeispiele sind ebenso wie beim Druckgeber nach Fig. 1 dem Messkristallsatz gegengeschaltet, so dass die vom Kompensationselement abgegebenen Ladungen den durch Beschleunigungskräfte hervorgerufenen Ladungsüberschuss des Messkristallsatzes kompensieren.
Im Rahmen der Erfindung sind zahlreiche Abwandlungen der dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele möglich, insbesondere hinsichtlich der für die Abstimmung der Ladungsabgabe des Kompensationselementes verantwortlichen, durch belagfreie Trennzonen unterbrochenen Metallbeläge der Isolierscheibe und der anliegenden Scheibe des Kompensationselementes.