DD242680A1 - high pressure transducer - Google Patents
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Abstract
Hochdruckaufnehmer zur Messung statischer und dynamischer Druecke im GPa-Bereich, der kommerziell erhaeltlichen Hochdruckaufnehmern nicht zugaenglich ist, da deren Aufnehmergehaeuse diesen Druecken nicht mehr standhalten. Erfindungsgemaess besteht das Aufnehmergehaeuse aus einem oder mehreren Hartstoffsinterkoerpern. Als Hartstoff wird Wolframkarbid oder kubisches Bornitrid verwendet. Sie gestatten den Bau von Hochdruckaufnehmern fuer Druecke bis 3 GPa bei sehr guter Reproduzierbarkeit, auf Grund der sehr kleinen Restverformung.High-pressure transducer for measuring static and dynamic pressures in the GPa range, the commercially available high-pressure transducers is not accessible because the Aufnehmergehaeuse these pressures no longer withstand. According to the invention, the transducer housing consists of one or more hard material sintered bodies. The hard material used is tungsten carbide or cubic boron nitride. They allow the construction of high pressure transducers for pressures up to 3 GPa with very good reproducibility, due to the very small residual deformation.
Description
Hierzu 1 Seite ZeichnungenFor this 1 page drawings
Die Erfindung dient der Messung statischer und dynamischer Drücke im GPa-Bereich, denen Aufnehmergehäuse aus hochfesten Stählen nicht mehr standhalten. ·The invention serves to measure static and dynamic pressures in the GPa range, which transducer housings made of high-strength steels no longer withstand. ·
Bisher werden für Aufnehmergehäuse für kommerzielle aktive und passive Hochdruckaufnehmer verschiedenster Konstruktion hochfeste Stähle eingesetzt. Solche Stähle haben hohe Druckfestigkeiten bei gleichzeitig hoher Dehnbarkeit.Up to now, high-strength steels have been used for transducer housings for commercial active and passive high-pressure transducers of various designs. Such steels have high compressive strengths combined with high ductility.
Die Aufnehmergehäuse sind Hohlkörper, die durch äußere Drücke verformt werden können. Gemessen wird die Verformung durch passive (z. B. Dehnungsmeßstreifen) oder aktive (z. B. Piezo-Kristalle) Verfahren. Es handelt sich dabei meist um die Messung kleiner Verkürzungen (Stauchungen) eines Hohlraumes im Inneren solcher Aufnehmer.The transducer housings are hollow bodies that can be deformed by external pressures. The deformation is measured by passive (eg strain gauges) or active (eg piezo crystals) methods. These are usually the measurement of small shortenings (compressions) of a cavity inside such transducers.
Die Druckmessung muß für eine hohe Zahl von Druckwechseln reproduzierbar sein, d. h. es darf keine plastische Verformung auftreten. Man muß also mit der Belastung im linearen Bereich des Spannungs-Dehnungs-Diagrammes bleiben.The pressure measurement must be reproducible for a large number of pressure changes, i. H. There must be no plastic deformation. So you have to stay with the load in the linear range of the stress-strain diagram.
Für hohe Ansprüche rechnet man mit 0,002% bleibender Restverformung. Das entspricht einer Belastung bis σο,Οο2· Bis zu dieser Belastung kann einwandfrei gemessen und statisch kalibriert werden.For high demands, one expects 0.002% permanent residual deformation. This corresponds to a load up to σ ο , Ο ο2 · Up to this load, it is possible to measure correctly and to calibrate statically.
Bei dynamischer Belastung ergeben sich für verschiedene Materialien steilere lineare Anstiege im Spannungs-Dehnungs-Diagramm,d.h. diese Materialien sind dynamisch höher belastbar als statisch. Mit solchen Hochdruckaufnehmern kann man dynamische Drücke messen, die höher liegen als die zur statischen Kalibrierung maximal zugelassenen Drücke. Zur Kalibrierung müssen dann auch dynamische Drücke verwendet werden, deren Verlauf genau bekannt ist.With dynamic loading, steeper linear increases in the stress-strain diagram result for different materials, ie. These materials are dynamically more resilient than static. Such high pressure transducers can measure dynamic pressures higher than those allowed for static calibration. For calibration then dynamic pressures must be used, the course of which is known exactly.
Die Mittel zur Messung der Stauchung (z. B. Spiegel für Interferometer, Meßkondensatorplatten oder piezoelektrische Quarzscheiben) werden in die Innenbohrung des Hohlkörpers eingesetzt und an die Endflächen des zylindrischen Innenraumes angekoppelt. Aus Herstellungsgründen erfordern diese Elemente einen gewissen Querschnitt dieser Innenbohrung. Zusammen mit der für eine ausreichende Steifigkeit der Hohlzylinderwandung erforderlichen Wandstärke ergeben sich daraus bereits nicht unterschreitbare Grenzen für den Außendurchmesser des Druckaufnehmers.The means for measuring the compression (for example, mirrors for interferometers, measuring capacitor plates or piezoelectric quartz disks) are inserted into the inner bore of the hollow body and coupled to the end faces of the cylindrical inner space. For manufacturing reasons, these elements require a certain cross section of this inner bore. Together with the wall thickness required for a sufficient rigidity of the hollow cylinder wall, this results in limits which can not be undershot for the outside diameter of the pressure sensor.
Im FaNe piezoelektrischer Hochdruckaufnehmer werden zwischen Quarzscheiben und der sich bei Stauchung um geringe Beträge verschiebenden Innenbohrungs-Endfläche Federelemente eingebaut/um nicht den vollen Meßdruck auf die Quarzscheiben zu geben. (Der Hauptteil des Kraftflusses wird über den elastisch verformbaren Hohlzylinder geleitet.) Die druckübertragende relativ dicke Abdeckplatte wird als fast starr angenommen (sehr geringe Durchbiegung), so daß die meßbare Verkürzung des Aufnehmergehäuses überwiegend aus der elastischen Stauchung der Hohlzylinders resultiert. Der Einsatzbereich von Hochdruckaufnehmern ist deshalb sehr vom Material des Aufnehmergehäuses abhängig.In the case of a piezoelectric high-pressure transducer, spring elements are installed between quartz disks and the inner bore end face which is displaced by small amounts during compression / in order not to give the full measuring pressure to the quartz disks. (The main part of the power flow is passed over the elastically deformable hollow cylinder.) The pressure-transmitting relatively thick cover plate is assumed to be almost rigid (very low deflection), so that the measurable shortening of the transducer housing mainly results from the elastic compression of the hollow cylinder. The field of application of high pressure transducers is therefore very dependent on the material of the transducer housing.
Die Masse des gesamten Gehäuses darf jedoch auch nur so groß wie festigkeitsmäßig notwendig sein, um nicht einen allzu tragen Aufnehmer zu erhalten.However, the mass of the entire housing may only be as strong as necessary in terms of strength, in order not to receive an excessively bearing transducer.
Das beste bisher für den Hochdruckaufnehmer-Gehäusebau benutzte Material ist Mo-maraging-Stahl, der eine hohe Druckfestigkeit und Härte besitzt, ohne spröde zu sein (Elastizitätsgrenze σΒ » σο,οι σ 300kpmm"2). Die hohen Festigkeiten werden jedoch nur aus ein relativ kompliziertes Aushärteverfahren mit zwischengeschalteter Kaltverfestigung erreicht. Die gegenwärtig kommerziell erhältlichen Hochdruckaufnehmer gestatten dynamische Drücke bis 1 GPa zu messen.The best material used hitherto for high-pressure transducer housing construction is mon-maraging steel, which has high compressive strength and hardness without being brittle (elastic limit σ Β »σ ο , οι σ 300kpmm" 2 ), but the high strength only becomes achieved from a relatively complicated hardening process with intermediate work hardening.The currently commercially available high pressure transducers allow to measure dynamic pressures up to 1 GPa.
Die Erfindung soll die Messung höherer Drücke gestatten als es mit bisher kommerziell erhältlichen Hochdruckaufnehmern möglich ist.The invention is intended to allow the measurement of higher pressures than is possible with hitherto commercially available high pressure transducers.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Aufnehmergehäuse für einen Hochdruckaufnehmer anzugeben, der die Messung statischer und dynamischer Drücke im GPa-Bereich ermöglicht.It is an object of the invention to provide a transducer housing for a high pressure transducer, which allows the measurement of static and dynamic pressures in the GPa range.
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Erfindungsgemäß besteht das Aufnehmergehäuse aus einem oder mehreren Hartstoffsinterkörpern.According to the invention, the sensor housing consists of one or more hard material sintered bodies.
In einer Ausgestaltung für die Verwendung von piezoelektrischen Meßwertaufnehmern istder Sinterkörper aus einem Stück hergestellt und entweder selbst mit einem Feingewinde versehen oder mit einem Strahlring mit Feingewinde.durch Lötung, Klebung oder andere Techniken fest verbunden, so daß die für piezoelektrische Hochdruckaufnehmer erforderliche Vorspannung erzeugt werden kann. Die erforderlichen Vorspann-Gewinde stehen unter relativ niedriger Zugbelastung.In one embodiment for the use of piezoelectric transducers, the sintered body is made in one piece and either itself finely threaded or tightly bonded to a fine-threaded beam ring by soldering, bonding or other techniques so that the bias required for high-pressure piezoelectric transducers can be created , The required preload threads are under relatively low tensile load.
In einer weiteren Ausgestaltung ist der Sinterkörper aus mehreren Teilen zusammengesetzt. Ein den Sinterkörper umgebender und fest mit ihm verbundener Stahlring mit Feingewinde dient dabei außer zur Erzeugung der Vorspannung gleichzeitig zur Verbindung der Einzelteile.In a further embodiment, the sintered body is composed of several parts. A surrounding the sintered body and firmly connected to it steel ring with fine thread serves besides the generation of bias simultaneously to the connection of the items.
Als Hartstoff wird Wolframkarbid (WC) verwendet. Ebenso geeignet ist kubisches Bornitrid. Sie gestatten den Bau von Hochdruckaufnehmern für Drücke bis >3GPa bei sehr guter Reproduzierbarkeit, auf Grund, der sehr kleinen Restverformung.As hard material tungsten carbide (WC) is used. Also suitable is cubic boron nitride. They allow the construction of high pressure transducers for pressures up to> 3GPa with very good reproducibility, due to the very small residual deformation.
Durch Miniaturisierung des Meßelementes lassen sich außerdem Hochdruckaufnehmer mit relativ kleiner Masse und gutem dynamischem Verhalten auch für Drücke im GPa-Bereich realisieren.By miniaturization of the measuring element also high pressure transducer with relatively small mass and good dynamic behavior can also be realized for pressures in the GPa range.
Die wichtigste und bedeutungsvollste Art von Aufnehmern für dynamische Drücke ist die der piezoelektrischen Hochdruckaufnehmer. Deshalb sollen in den Ausführungsbeispielen auch Quarzscheiben, die auf der Grundlage der longitudinalen piezoelektrischen Effektes arbeiten, als Meßelemente verwendet werden. Als Hartstoff dient feinkörniges (1,5 Mm Korngröße) Sintermaterial aus WC (97%) und Co (3%), das eine sehr hohe Druckfestigkeit bei kleiner plastischer Restverformung (00,002= 295kpmn-r2) besitzt.The most important and significant type of dynamic pressure transducer is that of the piezoelectric high pressure transducer. Therefore, in the embodiments, quartz disks operating on the basis of the longitudinal piezoelectric effect should also be used as the measuring elements. The hard material used is fine-grained (1.5 μm particle size) sintered material of WC (97%) and Co (3%), which has a very high compressive strength with small residual plastic deformation (00.002 = 295 kpmn-r 2 ).
Beispiel 1 "Example 1 "
Der Hochdruckaufnehmer wird von der Druckseite her in die Gefäß-oder Apparaturwand 3 eingesetzt. Er besteht aus der steifen Druckübertragungsplatte 4, dem bei Belastung elastisch gestauchten dickwandigen Hohlzylinder 7 und dem Widerlager 10, die alle aus dem genannten Hartstoff gefertigt sind. An die Druckübertragungsplatte 4 ist eine Vorspannhülse 6 aus Stahl hart angelötet (Lötfläche 5), die ein Außen-Feingewinde besitzt.The high-pressure transducer is inserted from the pressure side into the vessel or apparatus wall 3. It consists of the rigid pressure transfer plate 4, the elastically compressed during loading thick-walled hollow cylinder 7 and the abutment 10, which are all made of said hard material. To the pressure transmission plate 4 is a biasing sleeve 6 made of steel brazed (solder 5), which has an outer fine thread.
Auf die zylindrische Außenfläche des Widerlagers 10 ist ebenfalls ein Stahlring 9, jedoch mit Innengewinde, hart aufgelötet.On the cylindrical outer surface of the abutment 10 is also a steel ring 9, but with internal thread, brazed hard.
Mittels des Vorspanngewindes 8 werden die Federelemente 14,15 und die Quarzscheiben 16 aufeinandergepreßt.By means of the biasing thread 8, the spring elements 14,15 and the quartz discs 16 are pressed together.
Der Hochdruckaufnehmer wird mit relativ kleiner Kraft mittels des Schraubringes 2 auf die Sitzfläche 13 aufgedrückt.The high-pressure transducer is pressed with relatively small force by means of the screw ring 2 on the seat surface 13.
Zur Abdichtung des Ringspaltes zwischen Schraubring 2 und Druckübertragungsplatte 4 (und als Wärmeschild, falls beiden Messungen Wärmeimpulse auf die Hochdruckaufnehmer-Vorderfläche auftreffen können) wird eine dünne Abdeckmembrane aufgeklebt, die bei hohen Impulsdrücken evtl. öfter erneuert werden muß.To seal the annular gap between the screw ring 2 and pressure transfer plate 4 (and as a heat shield, if both measurements can impinge heat pulses on the high-pressure transducer front surface) a thin cover membrane is glued, which may need to be renewed at high pulse pressures.
Das Meßsignal wird über-ein hochisolierendes Kabel durch die Bohrung 11 herausgeführt. In das Widerlager 10 ist ein Meßanschluß 12 eingelötet, an dem die Verstärkerkabel angeschlossen werden.The measuring signal is led out via a highly insulating cable through the bore 11. In the abutment 10, a measuring terminal 12 is soldered to the amplifier cables are connected.
Der Hochdruckaufnehmer wird von der Normaldruckseite in das Druckgefäß oder die Apparatur eingebaut.The high-pressure sensor is installed from the normal pressure side into the pressure vessel or the apparatus.
Hauptteil dieser Hochdruckaufnehmer ist das kompakte,.bei Belastung elastisch gestauchte Teil 18 aus dem oben genannten Hartstoff. In die Bohrung dieses Teiles 18 ist ein Gewindestahlring 23 eingelötet. Bei der Montage des Hochdruckaufnehmers werden die Federelemente 20 und die Piezoquarzscheiben 21 in die Bohrung eingeschoben und das Widerlager 22 (aus Stahl) bis zum Anschlag in das Vorspanngewinde 24 eingeschraubt.The main part of this high-pressure transducer is the compact, .bei elastic load under load part 18 of the above-mentioned hard material. In the bore of this part 18, a threaded steel ring 23 is soldered. During assembly of the high pressure transducer, the spring elements 20 and the piezoelectric quartz disks 21 are inserted into the bore and the abutment 22 (made of steel) is screwed into the biasing thread 24 as far as it will go.
Der Hochdruckaufnehmer wird dann in die Bohrung der Druckgefäßwand 19 eingeschoben und mittels des Schraubrohres fest in diese Bohrung eingedrückt. Die gesamte vom Meßdruck auf den Hochdruckaufnehmer ausgeübte Kraft hat das Gewinde 28 zu halten. (Bei sehr hohen Drücken sollte man hier noch eine Kraftuntersetzung vorsehen).The high-pressure sensor is then inserted into the bore of the pressure vessel wall 19 and pressed by means of the screw firmly into this hole. The entire force exerted by the measuring pressure on the high-pressure transducer has to retain the thread 28. (At very high pressures you should still provide a power reduction here).
Zur Abdichtung des Ringspaltes zwischen Teil 18 und Gefäßwand 19 wird eine Abdeckmembrane 17 aufgeklebt.To seal the annular gap between part 18 and vessel wall 19, a cover membrane 17 is adhered.
Das Meßkabel 25 wird an den Meßanschluß 26 angekoppelt.The measuring cable 25 is coupled to the measuring terminal 26.
Claims (5)
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| DD28287185A DD242680A1 (en) | 1985-11-14 | 1985-11-14 | high pressure transducer |
Applications Claiming Priority (1)
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| DD28287185A DD242680A1 (en) | 1985-11-14 | 1985-11-14 | high pressure transducer |
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|---|---|
| DD242680A1 true DD242680A1 (en) | 1987-02-04 |
Family
ID=5573066
Family Applications (1)
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| DD28287185A DD242680A1 (en) | 1985-11-14 | 1985-11-14 | high pressure transducer |
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| Country | Link |
|---|---|
| DD (1) | DD242680A1 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE8903667U1 (en) * | 1989-03-23 | 1989-05-11 | Kistler Instrumente Ag, Winterthur, Ch | |
| DE102004047508B3 (en) * | 2004-09-28 | 2006-04-20 | Hottinger Baldwin Messtechnik Gmbh | Transducers |
| DE102012212264A1 (en) * | 2012-07-13 | 2014-01-16 | Continental Automotive Gmbh | Method for producing a solid state actuator |
| US9856843B2 (en) | 2012-07-13 | 2018-01-02 | Continental Automotive Gmbh | Fluid injector |
-
1985
- 1985-11-14 DD DD28287185A patent/DD242680A1/en not_active IP Right Cessation
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| US9855591B2 (en) | 2012-07-13 | 2018-01-02 | Continental Automotive Gmbh | Method for producing a solid actuator |
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