DE1102440B

DE1102440B - Elektrischer Druckindikator geringster Erschuetterungsempfindlichkeit

Info

Publication number: DE1102440B
Application number: DEN15425A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Martin Nier
Original assignee: MARTIN NIER DR ING
Current assignee: MARTIN NIER DR ING
Priority date: 1958-08-01
Filing date: 1958-08-01
Publication date: 1961-03-16

Description

Elektrischer Druckindikator geringster Erschütterungsempfindlichkeit Zum Indizieren von Kraftmaschinen werden bekanntlich piezoelektrische Indikatoren (Geber bzw.
Wandler) gern verwendet, da ihre mechanisch-elektrische Empfindlichkeit sehr hoch ist.
Zum Abdichten des piezoelektrischen Wandlers, z. B. aus Quarz, Bariumtitanat usw., gegen die Verbrennungsgase wird meist eine Membran verwendet, die bei bekannten Konstruktionen vorgespannt ist, um den Wangdlerscheiben im Gebergehäuse einen festen Sitz zu geben.
Diese Bauart hatte jedoch den Nachteil, daß die heiße Verbrennungsfront des Druckverlaufes die Membran erwärmte, wodurch ihre Vorspannung sank und sich Meßfehler ergeben. Beim Ansaugen des kalten Brennstoffgemisches ergab sich der umgekehrte Effekt.
Zur Vermeildlung dieser Schwierigkeit wurde später eine Hülsenfeder benutzt, die nicht mit den Verbrennutigsvorgängen in Berührung kam, so daß die mech<anische Vorspannung der Wandlerscheiben bei der Alessung von abwechselnd kalten und heißen Vorgängell konstant bleibt. Die Membran konnte jetzt vorspannungslos am Boden der Hülsenfeder aufliegen und diente zum gasdichten Ahschluß des Wandlers gegen die Verbrennungsgase.
Der Nachteil dieser Ausbildung liegt aber in der Erhöhung der durch diese Konstruktion zusätzlich erforderlichen Metallmassen, die eine erhöhte seismische Störanfälligkeit gegen Erschütterungen mit sich bringen, die im Diagramm dem zu messenden Gasdruck überlagert sind und oft ein genaues Ausworten unmöglich machen.
Diese seismischen Massen haben jedoch noch einen weiteren meßtechmschen Nachteil zur Folge. Jeder pi ezoe'lektrische Wandler hat ein charakteristisches Kennzeichen, nämlich seine Eigenschwingungszahl, die bestimmt wird durch die Größe der z. B. vor den Ouarzen liegenden Hülsenfeder- und Membranmassen und durch die Nachgiebigkeit der Wandlerscheiben einschl. der Spaltfederung an allen Auflageflächen.
Bei üblichen piezoelektrischen Gebern, die etwa die Größe einer kleinen Zündkerze aufweisen, liegen diese Eigenschwingungszalden bei etwa 50 bis 100 kHz.
Da im Bereich der Resonanzfrequenzen bekanntlich eine starke Überhöhung und Verfälschung der Meßwerte eintritt, muß man bei {der Messung in einem größeren Abstand von dieser Resonanz bleiben.
Aus diesem Grunde sind obige Wandler nur für höchste Meßfrequenzen von 20 bzw. 30kHz einsatzfähig, wenn der auftretende Fehler in zulässigen Grenzen bleiben soll.
Diese Schwierigkeiten behebt die vorliegende Erwindung, deren wesentliches Merkmal darin besteht, daß der piezoelektrische Druckwandler aus zusammengeklebten Scheiben besteht und in axialer Richtung einerseits dem Gebergehäuse plan anliegt und hier eingeklebt ist und andererseits mit einer aufgeklebten Schutzmembran ausgestattet ist, die seitlich auf einem Absatz des Gebergehäuses befestigt ist, und daß der Druckwandler in Umfangsrichtung zusammen mit dem die Ladungen abnehmenden Draht vollständig in Lack eingebettet und zusammen mit allen Klebeflächen im Gebergehäuse temperaturbeständig eingehärtet ist.
Mit Rücksicht auf Temperaturbeständigkeit und gute Isolationsfähigkeit kann man als Klebemittel z. B.
Silikonlack oder Epoxydharz verwenden.
Durch Idiese Bauart wird ein Minimum der vor den Wandlerscheiben liegenden Massen erreicht, so daß die seismische Störanfälligkeit des Indikators ebenfalls minimal wird.
Seine Eigenschwingungszahl wird dabei extrem hoch und wird praktisch nur durch die Abmessung der Wandlerscheiben (z. B. Quarze) bestimmt.
Man kann daher Resonanzfrequenzen bis etwa 1 NIHz erreichen, wodurch der Wandler bis zu Meßfrequenzen von einigen hundert kHz einsatzfähig bleibt.
Um eine unzulässige Erwärmung der Wandlerscheiben zu vermeiden, ist es notwendig, die Membran zu kühlen. Zu diesem Zweck wird die Membran aus zwei übereinandergelegten Membranen aufgebaut und das Kühlmittel durch das Innere dieser Doppelmembran in Kühlnuten geleitet.
Um den im Innern dieser Doppelmemlbran herrschenden statischen Druck des Kühlmittels in bekannter Weise für eine Gegendruckeichung auszunützen, muß die Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsdruck des Isühlmittels gemessen werden.
Da bei den außerordentlich kleinen Kühlquerschnitten unter Umständen unterschiedliche Druckabfälle auftreten können, empfiehlt es sich, den statischen Gegendruck zwischen den Membranen durch eine bei sondere Leitung nach außen zu führen und an einem Manometer zu messen.
Die für eine ausreichendle Kühlung der Membran notwendige Kühlmittelgeschwindigkeit muß durch Ventile an den Zufluß- und Abfluß leitungen eingestellt werden.
Um z. B. auch Unterdrücke eineichen zu können, muß das Kühlmittel durch die Membranen gesaugt werden, wobei sich ein statischen Unterdruck im Innern der Membranen ergibt.
Die nicht eingeklebte Membran, die mit den Verbrennungsgasen bzw. Druckvorgängen direkt in Berührung steht muß zur Vermeidung von temperaturbedingten mechanischen Spannungen und Verformungen sehr dünn ausgeführt werden.
Da sie auch dem Verschleiß am stärksten ausgesetzt ist, muß sie leicht auswechselbar sein, außerdem könnet bei dieser Gelegenheit nötigenfalls die außerordentlichudünnen Kühllkanäle gesäubert werden.
Praktisch bewährt haben sich eingeklebte Schutzmembranen von etwa 1 bis 0,5 mm Dicke, während die auswechselbare Deckmembran nur 0,1 bis 0,05 mm Dicke und darunter beträgt, je nach Beanspruchung.
Die folgenden Abbildungen zeigen ein Ausführungsbeispiel eines solchen geklebten Gebers mit geringster Empfindlichkeit gegen Erschütterungen.
In der Zeichnung zeigt Abb. 1 eine kreisrunde Wandlerscheibe 1, die auf einer Seite eine angeschlifteine Kante 3 aufweist, auf der sich eine Metallisierung 2 (Verkupferung bzw. Versilberung) befindet, die mit der Metallisi-erung der an 3 angrenzenden kreisförmigen Druckfläche elektrisch leitend verbunden ist.
Abb. 2 zeigt ein komplettes Wandlersystem, bestehend aus den beiden Wandlerscheiben 1, die mit ihren metallisierten Druckflächen 2 aufeinandergelegt und verklebt sind. In die hierbei entstehende Ringnut wird ein Draht 4 eingelegt, der zur Abnahme der elektrischen Ladung dient und diese nach dem Kontakt anschluß 5 führt.
Abb. 3 zeigt das Gehäuse des piezoelektrischen Gebers 6, in dem das Wandlersystem eingeklebt ist.
Zum Schutz des Wandlerelements gegen direkte mechanische, chemische und thermische Einflüsse ist auf das Wandlerelement eine Schutzmembran 7 vorspannungslos geklebt, die auf einem seitlichen Absatz des Gehäuses 6 aufliegt.
Sämtliche Berührungsflächen zwischen Wandlerscheiben 1, Gehäuse 6 und Schutzmembran 7 sind mit Klebelack 8 benetzt. Ebenso ist Draht 4 und Kontaktanschluß 5 in Lack 8 eingebettet und alles zusammen temperaturbeständig eingehärtet.
Zur Kühlung leder Membran 7 wird ein Kühlmittel durch die Bohrungen 10 und 11 im Gehäuse 6 geleitet und durch zwei diametral in der Membran 7 laufenden Bohrungen 9 geleitet, die mittels Quernuten 12 verbunden sind.
Über die Schutzmembran7 wird zur Abdichtung der Kühlnuten eine Deckmembran 13 gelegt und mittels einer Ringmutter 14 im Gebergehäuse 6 fest verschraubt.
Die Doppelmembran, bestehend aus Schutzmembran 7 und Deckmembran 13 kann jetzt durch den Kühlmittelfluß in den Nuten 12 gekühlt werden.
Die Geschwindigkeit des Kühlmittels, das z. B. aus dem Behälter 18 nach dem Behälter 23 fließt, kann durch das Drosselventil 19 geregelt und der Eintrittsdruck am Manometer 20gemessen werden.
Der sich in der Kühlnut 12 einstellende statische Druck kann mittels der -beiden Drosselventile 15 und 16 im oder nahe dem Gehäuse 6 eingeregelt und am Manometer 17 abgelesen werden, dessen Anschlüsse sich am Eingang bzw. Ausgang der Kühlmittelbohrungen 10, 11 in das Gehäuse 6 befinden.
Zur exakten Bestimmung fades zwischen der Doppelmembran herrschenden statischen Kühlmitteltdruckes wird dieser über eine die Kehlnuten 12 kreuzende Nut 21 und eine weitere Bohrung in dRer Schutzmembran 7 und im Gehäuse 6 nach außen auf ein Manometer 22 geleitet.
Zur Vermeildung von elektrischen Störungen infolge der Erschütterungen, die sich von der zu indizierenden Kraftmaschine über den Geber 6 auf das Verbindungskabel zum Verstärker übertragen können, wird es zweckmäßig sein, eine federnde Verbindung zwischen Gehäuse 6 und dem Verbindungskabel vorzusehen.
Hierzu dient der elastische Kabelsteckeranschluß 25, der z. B. aus Wellrohr oder biegsamem Metallschlauch usw. ausgeführt ist. Die Verbindung zwischen Kontaktanschluß 5 und Kabelsteckeranschluß 24 erfolgt durch einen nachgiebigen Draht 26, der sich in einem Dämpfungsmittel 27 (z. B. Silißkonöl) befindet.
Durch diese Ausführung wird eine weitgehende Entkopplung der Erschütterungen vom Geber 6 auf den Kabelsteckeranschluß 24 erreicht, und die sonstigen außerhalb des Gebers entstehenden elektrischen St& rungen, z. B. durch Kapazitätsänderungen und Aufladungen durch Reibung im Verbindungskabel erreichen ein Minimum.
Durch den erflndungsgemäßen Aufbau des Druckindikators wird daher seine Störanfälligkeit gegen Erschütterungen minimal sein, und man erzielt ein maximales Auflösungsvermögen der zu untersuchenden Meßfrequenzen, so daß die Anzeige des Indikators meßtechnisch ein Optimum ergibt.
PATENTANSPROCHE: 1. Piezoelektrischer Druckindikator der Membranbauart mit zwei piezoelektrisch wirksamen aneinanderliegenden Scheiben, die in einer umlaufenden Ringnut einen leitenden Belag tragen, von dem mittels eines Drahtes die Ladung abgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Druckwandler (1) aus zusammengeklebten Scheiben besteht und in axialer Richtung einerseits dem Gebergehäuse (6) plan anliegt und hier eingeklebt ist und andererseits mit einer aufgeklebten Schutzmembran (7) ausgestattet ist, die seitlich auf einem Absatz des Gebergehäuses (6) befestigt ist, und daß der Druckwandler (1) in Umfangsrichtung zusammen mit dem die Ladungen abnehmenden Draht (4) vollständig in Lack (8) eingebettet und zusammen mit allen Klebeflächen im Gebergehäuse (6) temperaturbeständig eingethärtet ist.
2. Piezoelektrischer Druckindikator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über der Membran (7) eine Deckmembran (13) angeordnet ist.
3. Piezoelektrischer Druckindikator nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Deckmembran (13) etwa i/s bis l/o der Dicke der Schutzmembran (7) beträgt.

Claims

4. Piezoelektrischer Druckindikator nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (7) zwei mit Bohrungen (10, 11) des Gebergehäuses (6) in Verbindung stehende Löcher (9) zum Durchtritt eines Strömungsmittels aufweist, die mit einer Querverbindung ausgestattet sind.

5. Piezoelektrischer Druckindikator nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (9) diametral gegenüber am Rand der Membran (7) angeordnet sind, welcher auf dem Gehäuseabsatz aufliegt.

6. Piezoelektrischer Druckindikator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Querverbindung zwischen den Löchern (9) der Membran (7) aus einer Nut (12) besteht, die an der der Deckmembran (13) zugewandten Seite der Membran (7) liegt.

7. Piezoelektrischer Druckindikator nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsmittelzuführungs- und -abführungsleitungen (10 bzw. 11) Ventile (15 bzw. 16) zur Steuerung des statischen Druckes zwischen den Membranen (7 und 13) aufweisen.

8. Piezoelektrischer Druckindikator nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Leitungen (10, 11) ein Differenzdruckmesser (17) eingeschaltet ist.

9. Piezoelektrischer Druckindikator nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Nut (12) der Membran (7) über eine Druckleitung (21) mit einem Druckmesser (22) verbunden ist.

10. Piezoelektrischer Druckindikator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckleitung aus einer die Nut (12) kreuzenden Nut (21), einer Öffnung der Membran und einer Gehäuse bohrung bestdht.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 705 316, 891148, 918597; USA.-Patentschrift Nr. 2587304.