Piezoelektrischer Messwandler
Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Messwandler mit einem dem Messkristallsatz gegengeschalteten Kompensations-Kristallsatz zur Ausschaltung der durch Beschleunigungskräfte bedingten Störeinflüsse und einer mit dem Kompensations-Kristallsatz zusammenwirkenden, einen zu Abstinnuzwecken der unterschiedlichen Ladungsabgabe spanabhebend abtragbaren Abschnitt aufweisenden Kompensationsmasse.
Die Beschleunigungsempfindlichkeit von piezoelektrischen Messwandlern ist bekanntlich darauf zurückzuführen, dass sowohl der Messkristallsatz selbst als auch weitere, mit dem Messkristallsatz schwingungsfähig gekoppelte Wandlerteile, wie der Boden der den Messkristallsatz enthaltenden Rohrfeder, dem Messkristallsatz beigelegte Ausgleichsscheiben sowie auch Teile der das Wandlergehäuse stirnseitig abschliessenden Membrane, massebehaftete Störsysteme darstellen, die beim Auftreten von Beschleunigungen im Messkristallsatz von der eigentlichen Messgrösse, z.B. dem Druck, unabhängige Ladungen erzeugen.
Die Beseitigung dieser als Fehler in das Messergebnis eingehenden Ladungen erfolgt bei einer bekannten Messwandlerausführung der erwähnten Bauart dadurch, dass die Kompensationsmasse im Kompensations-Kristallsatz eine gleich grosse, aber entgegengesetzt gepolte Ladung erzeugt, so dass die beschleunigungsabhängigen Ladungen einander aufheben.
Um eine auf Grund der Masstoleranzen der aktiven Wandlerteile und der zuweilen unterschiedlichen Ladungsabgabe der einzelnen Scheiben des Messkristallsatzes gebotene Abstimmung des Wandlers zu ermöglichen, ist bei einer bekannten Messwandlerausführung die Kompensationsmasse zwischen einer an einem festen Widerlager sich abstützenden durchbohrten Kompensations-Kristallscheibe und dem eigentlichen Messkristallsatz so angeordnet, dass sie über die zentrale Längsbohrung des Wandlergehäuses bei ausgebautem Anschlussstecker für eine nachträgliche spanabhebende Bearbeitung zugänglich ist. Die Kompensationsmasse wird hiebei von der Steckerseite her so lange angebohrt, bis bei zwischendurch vorgenomme- nen Kontrollmessungen der vom Wandler auf einem Schwingtisch abgegebenen Ladungen keine Anzeige mehr festzustellen ist.
Diese Art der Abstimmung ist aber aus mehreren Gründen nachteilig. Vor allem ist es umständlich, für die nachträgliche Bearbeitung der Compensationsmasse den Anschlussstecker auszubauen. Ausserdem besteht die Gefahr dass die beim Bohren anfallenden Späne beim endgültigen Zusam menbau des Wandlers nicht restlos entfernt werden und dann Anlass zu Kurzschlüssen geben. Das Ausbohren der Kompensationsmasse ist weiter mit einer beträchtlichen mechanischen Beanspruchung der empfindlichen Wandlerteile verbunden, die unter Umstän- den auch zu Veränderungen der voreingestellten Vorspannung der Kristallsätze führen kann. Schliesslich muss bei dem bekannten Wandler auch auf einen fixen Anschluss des Ladungsableitungsdrahtes an der Elektrode verzichtet werden.
Es ist weiter bei einem piezoelektrischen Beschleunigungsmessgerät bekannt, die seismische Masse in der Rohrfeder derart anzuordnen, dass sie über das Ende der Rohrfeder ein Stück hinausragt. Dadurch ist die Möglichkeit gegeben, eine Abstimmung der Queremp findlichkeit des Gerätes durch schrittweises Abtragen von Material der seismischen Masse vorzunellmen.
Auch diese Massnahme, die im übrigen zur Lösung des Erfindungsproblems nichts beiträgt, birgt die Gefahr einer Beschädigung der hochempfindlichen Wandlerteile bei der nachträglichen Bearbeitung der seismischen Masse, welche lediglich durch die Vorspannung der Rohrfeder von dieser reibschlüssig festgehalten ist.
Die bei der Materialabtragung angewendeten Schnittkräfte können daher leicht zu einer Relativbewegung der seismischen Masse in bezug auf die Rohrfeder führen, was eine ernste Beschädigung des darunterliegenden Messkristallsatzes zur Folge haben kann.
Die vorliegende Erfindung bezweckt demgegenüber die Schaffung eines beschleunigungskompensierten Messwandlers, welcher nicht nur die Nachteile der bekannten Wandlerausführungen vermeidet, sondern auch eine weitaus präzisere Abstimmung der zur Beschleunigungskompensation beitragenden Elemente gestattet.
Der erfindungsgemässe Messwandler ist dadurch gekennzeichnet, dass zwei Kompensationsmassen vorgesehen sind, von denen die eine in an sich bekannter Weise als zwischen dem Messkristallsatz und dem Kompensations-Kristallsatz angeordneter und mit den Kristallsätzen zwischen dem Boden einer Rohrfeder und einer mit dem Wandlergehäuse starr verbundenen Stützfläche unter axialer Vorspannung gehaltener Massekörper ausgebildet ist, und die andere, den zur Erzielung der Feinabstimmung spanabhebend abtragbare Abschnitt aufweisende Kompensationsmasse als an der Stirnfläche des Rohrfederbodens und bzw. oder an der das Wandlergehäuse stirnseitig abschliessenden Membrane angebrachter Ansatz ausgebildet ist.
Diese Bauart ermöglicht es, die Feinabstimmung der Beschleunigungskompensation durch Abtragen von Material von dem zur Kompensationsmasse gehörigen Ansatz erst nach der endgültigen Montage des Messwandlers vorzunehmen, wobei sich jeglicher Ausbau von Wandlerteilen während der Bearbeitung erübrigt.
Dies ist nicht nur wegen der durch die freiliegende Anordnung des Ansatzes gegebenen Vereinfachung und Erleichterung bei der spanabhebenden Nachbearbeitung dieses für die Feinabstimmung verantwortlichen Wandlerteiles von Vorteil, sondern auch deshalb, weil die Gefahr einer Beschädigung der im Wandlergehäuse hermetisch dicht eingeschlossenen aktiven Wandlerteile wesentlich vermindert und das Eindringen von Spänen ins Innere des Wandlers vermieden ist.
Gegenüber der eingangs genannten bekannten Wandlerbauart bietet die erfindungsgemässe Ausführung des Messwandlers auch eine Vereinfachung der während der Abstimmarbeiten vorzunehmenden Zwischenkontrollen. Da die Abstimmung an dem bereits endgültig montierten und mit sämtlichen Anschlüssen versehenen Wandler vorgenommen wird, sind die bei den Kontrollmessungen erforderlichen Anschlüsse mit wenigen Handgriffen, beispielsweise mittels Steckverbindungen, herstellbar.
Zur Genaugikeit der durch die erfindungsgemässe Bauart erreichbaren, nahezu vollkommenen Beschleunigungskompensation trägt auch der Umstand bei, dass die spanabhebende Abtragung des Ansatzes durch Abdrehen, also eine sehr feinfühlige Bearbeitungsweise, erfolgen kann.
Bei Messwandlern mit einer aus einem am Wandlergehäuse befestigten Aussenring, einem mit dem Rohrfederboden fest verbundenen und mit dem Aussenring koaxialen Innenring und einem zwischen den Ringen liegenden flexiblen, sich über die gesamte Breite eines Ringspaltes erstreckenden, gewölbten Abschnitt bestehenden Rollmembrane, empfiehlt es sich, den Innenring der Rollmembrane sowie den in an sich bekannter Weise als den Innenring durchsetzender Druckstempel ausgebildeten Rohrfederboden über die stirnseitige Begrenzungsebene des Membranaussennnges axial vorstehend auszubilden, wobei die vorstehenden Teile des Innenringes und des Rohrfederbodens den spanabhebend abtragbaren Teil der Kompensationsmasse bilden.
Damit steht für die Feinabstimmung der Beschleunigungskompensation ein Ansatz mit verhältnismässig grossem Durchmesser zur Verfügung, welcher auch grössere Schwankungen der Masstoleranzen der Kompensationsmasse sowie der Empfindlichkeit der Kristallsätze auszugleichen gestattet.
Bei Messwandlerausführungen mit einer längs ihres hülsenartigen Randabschnittes am Wandlergehäuse stirnseitig angeschweissten, mit ihrer Innenfläche am Rohrfederboden anliegenden Plattenfedermembrane kann vorteilhaft der spanabhebend abtragbare Teil der Kompensationsmasse von dem im Bereich des Rohrfederbodens gelegenen, mit grösserer Wandstärke ausgeführten Ansatz des Mittelteiles der Plattenfedermembrane gebildet sein. Diese Wandlerbauart ist zur Durchführung der dargelegten Kompensationsmassnahmen deshalb besonders geeignet, weil die beim Abtragen von überschüssigem Material des Membranmittelteiles auftretenden Schnittkräfte zum überwiegenden Teil über die Membrane direkt auf das Wandlergehäuse übertragen werden, und der Messkristallsatz lediglich durch eine axiale und somit der normalen Belastung im Messbetrieb entsprechende, geringe Kraftkomponente belastet ist.
Die Erfindung wird im folgenden an zwei Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung erläutert. Die Fig. 1 und 2 zeigen je einen Axialschnitt eines Messwandlers gemäss der Erfindung.
Das Gehäuse 1 des in Fig. 1 dargestellten wassergekühlten Messwandlers weist einen mittig durchbohrten Einsatz 2 auf, welcher sich auf einem Absatz 3 der abgestuften Bohrung 4 des Gehäuses 1 ab stützt. Den Einsatz 2 durchsetzt eine Isolierhülse 5, in die eine Anschlussbuchse 6 für die nicht dargestellte Messleitung eingesetzt ist.
An der gegenüberliegenden Seite des Einsatzes 2 ist die das Kristallsystem enthaltende Rohrfeder 7 angeschweisst. Die Rohrfeder 7 enthält innerhalb einer Isolierhülse 8 den unter Beilage einer Ausgleichscheibe 9 am Boden 10 der Rohrfeder sich abstützenden, aus Quarzkristallscheiben 11 bestehenden Messkristallsatz 12. An diesen schliesst ein zylindrischer Massekörper 13 an, welcher sich unter Beilage einer mittig durchbohrten Kompensations-Quarzscheibe 14 an der ein festes Widerlager bildenden Stirnfläche 15 des Einsatzes 2 abstützt. Die Rohrfeder 7 hält den Messkristallsatz 12 und die Kompensations-Quarzscheibe 14 in bekannter Weise unter axiaIer Vorspannung.
Das Messwandlergehäuse 1 ist an der der Messstelle zugewendeten Seite durch eine Rollmembrane 16 abgeschlossen, welche aus einem am Wandlergehäuse 1 befestigten Aussenring 17, einem mit dem Rohrfederboden 10 verbundenen Innenring 18 und einem zwischen den Ringen liegenden gewölbten Abschnitt 19 besteht. Die Membrane 16 dichtet den von der Bohrung 4 und der Rohrfeder 7 begrenzten und über Anschlussstutzen 20 und 21 an ein Kühlwassersystem angeschlossenen Kühlwasserraum 22 des Wandlers ab.
Wie in Fig. 1 durch strichpunktierte Linien angedeutet, weisen der Innenring 18 der Rollmembrane 16, sowie der als den Innenring durchsetzender Druckstempel ausgebildete Rohrfederboden 10 über die stirnseitige Begrenzungsebene des Membranaussenringes 17 vorstehende Teile 18' und 10' auf. Diese Teile 18' und 10' bilden zusammen mit dem Massekörper 13, welcher zugleich als Abnahmeelektrode des Wandlers dient, und über eine Leitung 23 mit der Anschlussbuchse 6 verbunden ist, ein Kompensationssystem zum Ausgleich von durch Beschleunigungskräfte hervorgerufenen, im Messkristallsatz 12 entstehenden, von der Messgrösse unabhängigen Ladungen. Für die Entstehung dieser Ladungen ist die von der Ausgleichsscheibe 9, dem Boden 10 der Rohrfeder 7 und dem Innenring 18 der Membrane 16 gebildete Störmasse verantwortlich.
Zu dieser Störmasse kommt noch die Masse der vorstehenden Teile 10' und 18' des Rohrfederbodens 10 und des Innenringes 18 hinzu.
Die von diesen Störmassen erzeugten Ladungen werden durch in der zum Messkristallsatz 12 entgegengesetzt gepolten Kompensations-Quarzscheibe 14 unter der Wirkung des Massekörpers 13 entstehende Ladungen aufgehoben. Um eine Feinabstimmung der Beschleunigungskompensation zu ermöglichen, wird nach endgültiger Montage des Wandlers so lange Material von den vorstehenden Teilen 10' und 18' des Rohrfederbodens 10 und des Innenringes 18 durch Abdrehen abgetragen, bis eine zwischendurch vorgenommene Kontrollmessung, bei der die von dem auf einem Schwingtisch aufgespannten Wandler abgegebene beschleunigungsabhängige Ladung gemessen wird, am Messgerät keinen Ausschlag mehr liefert. Der Rohrfederboden 10 und der Innenring 18 weisen dann die mit vollen Linien eingezeichnete Kontur auf.
Bei der Wandlerbauart nach Fig. 2 ist das Gehäuse 24 an der der Messstelle zugewendeten Seite durch eine längs ihres hülsenartigen Randes 25 angeschweisste Plattenfedermembrane 26 abgeschlossen. Diese liegt mit ihrer Innenfläche am Boden 27 der am zentralen Einsatz 29 angeschweissten, die piezoelektrische Kristallanordnung enthaltenden Rohrfeder 28 an. Der im Bereich des Rohrfederbodens 27 gelegene Mittelteil 30 der Membrane 26 ist mit grösserer Wandstärke ausgeführt und bildet einen - in der Zeichnung durch stirchpunktierte Linien angedeuteten - vorstehenden Ansatz 30'.
Die übrigen, mit den Bauteilen des Wandlers nach Fig. 1 übereinstimmenden Wandlerteile sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 versehen.
Die Ausgleichscheibe 9, der Rohrfederboden 27, der Membranmittelteil 30, sowie der vorstehende Ansatz 30' bilden bei dieser Wandlerausführung die für das Entstehen beschleunigungsabhängiger Ladungen verantwortlichen Störmassen. Der Ausgleich dieser Ladungen erfolgt in analoger Weise wie beim ersteren Ausführungsbeispiel mittels des Massekörpers 13 und der zum Messkristallsatz 12 entgegengesetzt gepolten Kompensations-Quarzscheibe 14.
Die Abstimmung der Beschleunigungskompensation mit Rücksicht auf die vorhandenen Masstoleranzen der aktiven Wandlerteile und die unterschiedliche Empfindlichkeit der einzelnen Kristallscheiben erfolgt auch bei diesem Wandlertyp durch Abdrehen des vorstehenden Ansatzes 30' bis zum Verschwinden der Anzeige an einem Kontrollmessgerät bei einer im Verlauf des Abstimmvorganges vorgenommenen Zwischenkontrolle des Wandlers am Schwingtisch.