DE1228448B

DE1228448B - Beschleunigungsmessgeraet mit Temperaturkompensation

Info

Publication number: DE1228448B
Application number: DEK54640A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Hans-Conr Sonderegger
Original assignee: Kistler Instrumente AG
Current assignee: Kistler Instrumente AG
Priority date: 1964-02-19
Filing date: 1964-11-27
Publication date: 1966-11-10
Also published as: AT285208B; US3673442A; CH399021A; DE1917597U; GB1078228A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND Int. Cl.:

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

GOIp

. GOU
Deutsche Kl.: 42 ο -17

Nummer: 1228 448

Aktenzeichen: K 54640IX b/42 ο

Anmeldetag: 27. November 1964

Auslegetag: 10. November 1966

Die Erfindung bezieht sich auf ein Beschleunigungsmeßgerät mit Temperaturkompensation, das eine unter Druckvorspannung auf ein piezoelektrisches System wirkende seismische Masse aufweist. Bei derartigen Meßgeräten wird durch Anpressen der seismischen Masse an das beispielsweise aus einer oder mehreren piezoelektrischen Scheiben bestehende piezoelektrische System eine der Beschleunigung proportionale Ladung erzeugt, die hierauf durch bekannte Mittel elektronisch verstärkt und auf Anzeigegeräten registriert wird. Als piezoelektrische Scheiben können vorzugsweise Quarzplättchen Verwendung finden, bei denen der longitudinale Effekt ausgenutzt wird.

Es ist bekannt, daß derartige Beschleunigungsmeßgeräte mit einer Temperaturkompensation versehen werden müssen, um durch Temperaturschwankungen bedingte Veränderungen in dem Verhalten des Beschleunigungsmeßgerätes auszugleichen. So ist es bekannt, bei mit Quarzscheiben arbeitenden Beschleunigungsmeßgeräten wenigstens zwei Quarzelemente zu verwenden, die aus dem gleichen Kristall geschnitten worden und in dem Meßgerät so angeordnet und auch elektrisch so geschaltet sind, daß sich ihre temperaturbedingten Änderungen kompensieren. Hierdurch wird der Aufbau eines solchen Beschleunigungsmeßgerätes in erheblichem Maße kompliziert, und es bedeutet eine erhebliche Erschwerung der Fertigung, daß aufeinander abgestimmte Scheibenteile verwendet werden müssen, die aus dem gleichen Kristall ausgeschnitten sind.

Bei einem anderen bekannten Beschleunigungsmeßgerät wird der Temperaturgang der dort verwendeten, aus Keramik bestehenden piezoelektrischen Scheiben auf elektrische Weise kompensiert. Zu diesem Zweck wird die Temperatur der Keramikscheiben mit Hilfe eines Thermistors gemessen und eine der Temperatur entsprechende Steuergröße einer elektronischen Kompensationsschaltung zugeführt. Eine derartige Anordnung ist außerordentlich kompliziert und im wesentlichen nur zur Kompensation pyroelektrischen Effektes von piezoelektrischen Keramikkörpern geeignet.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein temperaturkompensiertes Beschleunigungsmeßgerät zu schaffen, zu dessen Kompensation keine besonderen elektrischen Schaltungen benötigt werden und das sich durch einen sehr einfachen Aufbau und eine hohe Betriebssicherheit auszeichnet. Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß wenigstens an einem Ende des piezoelektrischen Systems zwischen diesem System und Beschleunigungsmeßgerät
mit Temperaturkompensation

Anmelder:

Kistler Instrumente A. G.,

Winterthur (Schweiz)

Vertreter:

Dipl.-Phys. R. Kohler

und Dipl.-Phys. H. Schwindling, Patentanwälte,

Stuttgart, Hohentwielstr. 28

Als Erfinder benannt:

Dipl.-Ing. Hans-Conrad Sonderegger,

Sulz-Rickenbach (Schweiz)

Beanspruchte Priorität:

Schweiz vom 19. Februar 1964 (2099)

dem angrenzenden Widerlager wenigstens eine Temperaturkompensationsscheibe angeordnet ist, die einen 'höheren Ausdehnungskoeffizienten als das Material des angrenzenden Widerlagers und das Material des Piezosystems aufweist.

Auf diese Weise wird erreicht, daß die piezoelektrischen Scheiben frei von radialen Schubspannungen gehalten werden, die sonst infolge des Unterschiedes zwischen dem Temperaturkoeffizienten des piezoelektrischen Systems und der angrenzenden Widerlager auf das piezoelektrische System übertragen werden. Diese radialen Schubspannungen würden bei Temperaturänderungen sich ändernde zusätzliche Ladungen erzeugen, die von Beschleunigungssignalen unabhängig sind und das Meßergebnis verfälschen. Dieser Effekt ist besonders bei Quarzscheiben ausgeprägt, die zwar den Vorteil haben, daß sie keine Pyroelektrizität aufweisen, also bei Erwärmung keine elektrischen Ladungen abgeben, dafür aber, wenn sie zur Ausnutzung des Longitudinaleffektes geschnitten sind, in zwei zueinander senkrecht stehenden Achsen, die in der Plattenebene liegen, verschiedene Ausdehnungskoeffizienten besitzen. Dies hat zur Folge, daß die ursprünglich kreisrunden Platten bei Erwärmung eine ovale Form an-

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3 4

nehmen. Da die Platten aber infolge hoher mecha- F i g. 6 einen Schnitt durch ein weiteres Beschleu-

nischer Vorspannung in enger Berührung mit Metall- nigungsmeßgerät nach der Erfindung mit seitlichem

■ platten stehen, die sich bei der Erwärmung isotrop Anschluß und

ausdehnen und daher kreisförmig bleiben, so müssen F i g. 7 ein Diagramm mit Kurven über den Veran den Oberflächen insbesondere der mit den Me- 5 lauf des Temperatüreffektes von normalen und kom-

tallplatten in Berührung stehenden Qüarzplatten pensierten Beschleunigungsgeräten,

hohe Radialspannungen entstehen. Dies gilt insbe- Das in F i g. 1 dargestellte Beschleunigungsmeß-

sondere für diejenige Platte, die mit der seismischen gerät nach der Erfindung besteht aus einer seis-

Masse in Berührung steht, weil diese Masse üblicher- mischen Masse 1, welche mittels einer dünnwandigen,

weise aus Schwermetall auf Wölframbasis mit einem io rohrförmigen Spannhülse 2 gegen die Grundplatte 3

niedrigen Ausdehnungskoeffizienten besteht. gespannt ist. Zwischen der Masse 1 und der Grund-

Bei der erfindungsgemäßen Anwendung von Tem- platte 3 ist ein Satz piezoelektrischer Scheiben 4 ein-

peraturkompensationsscheiben, die aus einem Ma- gespannt. Es wird eine ungerade Anzahl Scheiben

terial mit höherem Ausdehnungskoeffizienten als die verwendet, bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1

beiderseitigen Anliegematerialien bestehen, überneh- 15 fünf Stück. Die Scheiben sind gerade so dick, daß sie

men diese Kompensationsscheiben diese radialen bei der Montage nicht zerbrechen, und sind so auf-

Schubspannungen und halten sie von den piezoelek- einandergelegt, daß jeweils Oberflächen mit gleicher

irischen Scheiben fern. Auf diese Weise wird verhin- Polarität einander anliegen. Zur Übertragung der

dert, daß zusätzliche Ladungen durch Schubspan- elektrischen Ladung dienen Elektroden 5. Sie werden nungen erzeugt werden. Dies ermöglicht es aber auch 20 aus sehr dünnem Metallblech entsprechend F i g. 3

zugleich, das piezoelektrische System unter eine ausgestanzt und dann entsprechend F i g. 4 umge-

relativ hohe Vorspannung zu bringen, was eine Ver- bogen. Je zwei piezoelektrische Scheiben kommen

minderung der Mikrophonie und eine sehr hohe zwischen die Platten einer Elektrode zu liegen. Die

Eigenfrequenz des Meßgerätes zur Folge hat, so daß Elektroden 5 führen positive Ladungen, die Elek-

das Gerät in einem großen, unterhalb seiner Eigen- 25 troden 6 negative Ladungen. In F i g. 5 ist gezeigt*

frequenz liegenden Frequenzbereich brauchbar ist. wie mittels der Elektrodenanordnung die negativen

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Er- Ladungen zur Grundplatte und die positiven Ladün-

findung ist die seismische Masse zusammen mit dem gen zur Deckplatte mit dem Abführungsstift abge-

piezoelektrischen System und einer oder mehreren leitet werden.

Temperaturkompensationsscheiben im Inneren einer ₃₀ Da die Piezoscheiben einen wesentlich höheren dünnwandigen, unter elastischer Vorspannung stehen- Ausdehnungskoeffizienten als die Werkstoffe aüfden Spannhülse angeordnet, die mit einem Ende an weisen, aus denen die seismische Masse 1, die Grundder seismischen Masse angreift und deren anderes platte 3 und die Isolierplatte 10 bestehen, werden in-Ende an einer Bodenplatte befestigt ist. Durch den folge der mechanischen Vorspannung aller Teile bei wegen der erfindungsgemäßen Anordnung von Tem- ₃₅ Temperatüränderung radiale Schubspannungen auf peraturkompensationsscheiben möglichen Einbau des die Piezoscheiben 4 übertragen. Da die Piezoscheiben piezoelektrischen Systems und der seismaschen Masse in zwei zueinander senkrecht stehenden Achsen in eine dünnwandige Spannhülse wird auf einfache piezoelektrisch sind, Werden durch die radialen Weise der Spannungszustand in dem piezoelek- Schubspannungen zusätzliche Ladungen erzeugt, die irischen System erzielt, der für eine hohe Empfind- 40 von Beschleunigüngssignalen unabhängig sind. Um lichkeit in Richtung der Meßachse benötigt wird, das Entstehen solcher Ladungen zu verhindern,, ist während in Richtung senkrecht zu dieser Meßachse das piezoelektrische System auf beiden Seiten mit je die Empfindlichkeit praktisch Null ist. Dies liegt ins- - einer Temperaturkompensationsscheibe 7 bzw. 8 verbesondere daran, daß von der Spannhülse ausschließ- sehen, die aus einem Material bestehen, das einen lieh eine Axialspannung ausgeübt wird und Radial- ₄₅ höheren Ausdehnungskoeffizienten als die beiderseispannungen von dem piezoelektrischen System durch tigen Anliegematerialien hat. Bei dieser Anordnung die Temperaturkompensationsscheiben ferngehalten übernehmen diese Kompensationsscheiben bei Temwerden. Außerdem hat diese Hülse eine solche peraturänderungen an Stelle der Piezoscheiben die Federkonstante, daß die Eigenfrequenz des Gebers radialen Schubspannungen. Auf diese Weise wird sehr hoch wird. 50 verhindert, daß zusätzliche Ladungen durch Schub-Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Er- spannungen erzeugt werden.

findüng sind den Unteransprüchen zu entnehmen; in Die Wirkung solcher Temperaturkompensationsder folgenden Beschreibung wird die Erfindung an scheiben ist in F i g. 7 dargestellt. In dem Diagramm Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausfüh- nach F i g. 7 ist als Abszisse die Zeit und als Ordirungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es 55 nate die am Geräteausgang meßbare Ladung dargezeigt stellt. Zur Zeitt=0 ist keine Ladung meßbar, da

F i g. 1 einen Schnitt durch ein Beschleunigungs- keine Beschleunigung auf das Gerät einwirkt. Wird

meßgerät nach der Erfindung mit einem oben ange- das Gerät nun in einen anderen Temperaturzustand

brachten zentrischen Anschluß, gebracht, ohne daß seine Ruhelage verändert wird,

F i g; 2 die perspektivische Ansicht von zwei zwl·- 5o so entsteht bei einem Gerät ohne Temperatur-

schen einer Elektrode angeordneten piezoelektrischen kompensationsscheiben ein Ladungsanstieg nach

Seheiben, Kurve 50, der einem konstanten Wert zustrebt, bei

Fig. 3 die Draufsicht auf einen zur Herstellung dem sich der neue Temperaturzustand über das ganze

der Elektroden dienenden Stanzteil, Gerät ausgebreitet hat. Bei einem Gerät nach der Er-

Fig. 4 die perspektivische Ansicht einer aus dem 65 findung beginnen jedoch die Kompensationsscheiben

Stanzteil nach F i g. 3 gebogenen Elektrode, kurz nach Einleitung der Tefflperaturänderung kom-

Fig. 5 eine schematische Darstellung des Einbau- pensierend zu wirken, so daß ein Ladungsverlaüf

systems der Elektroden, nach Kurve 51 entsteht. Die'Dicke der Temperatur-

kompensationsscheiben hat einen wesentlichen Einfluß auf den verbleibenden Endwert/, außerdem in geringerem Maße die mechanische Vorspannung der Spannhülse 2. Beide Größen werden versuchsmäßig für jeden neuen Instrumententyp auf einen Optimalwert gebracht.

Ein zweiter Temperatureffekt entsteht durch Spannungsänderungen in der Axialrichtung, sofern die spannenden und gespannten Teile nicht den gleichen Gesamt-Ausdehnungskoeffizienten besitzen. Dieser Effekt kann aber mit relativ einfachen Konstruktiönsmaßnahmen ausgeschaltet werden, so daß darauf nicht näher eingegangen zu werden braucht. Es hat sich gezeigt, daß sich für die Temperaturkompensationsscheiben 7 und 8 Materialien wie Messing oder Aluminium und deren Legierungen besonders gut eignen. Damit kann die Kompensationsscheibe 8, sofern sie durch eine Isolierplatte 10 Vom Gehäuse isoliert ist, zugleich als Elektrode zur Abnahme der Ladung dienen, von der mit Hilfe eines Kontakt-Stiftes 9 die Ladungen an den Anschluß 16 des Steckers 17 abgeleitet werden. Der Kontaktstift 9 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit der Scheibe 8 verschraubt, könnte statt dessen mit der Platte auch durch Nietung oder Schweißung verbunden sein.

Von großer Wichtigkeit, insbesondere für die Querempfindlichkeit, ist die genau eingestellte Vorspannung des gesamten Piezopakets. Diese Vorspannung wird beim Montagevorgang mit Hilfe eines Gewindenippels 11 unter gleichzeitiger Messung der Ausgangsladung eingestellt. Das fertig montierte Meßelement wird hierauf auf einen Sockel 12 aufgeschraubt, worauf die Einheit auf einer Kalibriervorrichtung auf Empfindlichkeit geprüft wird. Durch schrittweises Entfernen von Material 13 der Masse 1 wird die Empfindlichkeit auf ±1% genau oder besser auf einen normierten und kalibrierten Wert gebracht z. B. 1 pC/g, 5 pC/g, 20 pC/g usw.

Im Zusammenhang mit der Verwendung von Ladungsverstärkern, die ebenfalls kalibrierte, normierte Verstärkungsfaktoren aufweisen, z. B. 50 mV/pC, 100 mV/pC, kann die Ausgangsspannung der ganzen Meßanordnung einfach durch Multiplikation der beiden Faktoren erhalten werden, z. B.

45

pC

₌ 250

Dadurch ergibt sich eine leichte Auswertung der Signale, ohne daß zusätzliche Eichungen notwendig sind.

Nachdem das Meßelement fertig abgestimmt ist, wird auf den Sockel 12 ein Gehäuse 14 aufgepreßt. Nun wird die Verbindungsfeder 15, die an den Stift 9 angeschweißt ist, durch die obere Öffnung des Gehäuses 14 gezogen und mit dem Stift 16 eines Anschlusses 17 verschweißt. Hierauf wird der Innenraum des Gehäuses 14 evakuiert und der Anschluß 17 an der Flanschpartie 18 mit dem Gehäuse verschweißt. Das Meßgerät ist damit bereit zur Schlußprüfung.

Da das glockenförmige Gehäuse 14 aus Metall an jeder Stelle biegungssteif geformt ist und da das eigentliche Meßelement nur über einen Lagerring 20 mit dem Sockel 12 in Verbindung ist, können äußere Druck und Biegekräfte keinen Einfluß auf die Messung ausüben.

Das komplette Beschleunigungsmeßgerät wird entweder mittels der im Sockel 12 vorgesehenen Gewindebohrung 19 unmittelbar auf das Meßobjekt aufgeschraubt oder mit Hilfe einer speziellen in die Bohrung 19 eingedrehten Adapterschraube am Meßobjekt befestigt.

Eine prinzipiell gleiche Anordnung, jedoch mit seitlichem Anschluß, ist in Fig. 6 gezeigt. Die Piezoscheiben 30 sind wiederum zwischen einer oberen und unteren Kompensationsscheibe 31 bzw. 32 angeordnet. Die Scheibe 32 ist mit einem exzentrischen Gewiüde für einen Stift 33 versehen. Zwischen der Scheibe 32 und einer Bodenplatte 34 ist wiederum eine Isolierscheibe 35 angebracht. Die Meßzelle ist mittels Schrauben 37 mit dem Montagesockel 36 verschraübt, der seinerseits mit einem zentrischen Gewinde 38 versehen ist, das zur Montage auf dem Meßobjekt dient. Die seismische Masse 39 wird ebenfalls an der Stelle 40 so justiert, daß ein kalibriertes normiertes Ausgangssignal Verfügbar ist. In die Mitte der oberen Stirnfläche der Masse 39 ist eine konische Versenkung 41 eingedreht, in welche eine Kugel 42 eingesetzt werden kann, auf die dann mit Hilfe einer Presse 43 jederzeit zum Zwecke der statischen Eichung ein Druck ausgeübt werden kann. Beim normalen Gebrauch ist jedoch das Gehäuse 44 fest aufgeschraubt.

Die Erfindung ergibt somit ein Beschleunigungsmeßgerät, das eine einwandfreie Temperaturkompensation aufweist, eine kalibrierte normierte Empfindlichkeit besitzt, nicht mikrophonisch ist, infolge Verwendung von nur keramischen Isolierstoffen bis nahe an den Curiepunkt der Piezoscheiben verwendbar ist und auch statisch geeicht werden kann.

Claims

Patentansprüche:

1. Beschleunigungsmeßgerät mit Temperaturkompensation, das eine unter Druckvorspannung auf ein piezoelektrisches System wirkende seismische Masse aufweist, dadurch gekennzeichnet, das wenigstens an einem Ende des piezoelektrischen Systems (4) zwischen diesem System und dem angrenzenden Widerlager (1 bzw. 3) wenigstens eine Temperaturkompensationsscheibe (8 bzw. 7) angeordnet ist, die einen höheren Ausdehnungskoeffizienten als das Material des angrenzenden Widerlagers und dasjenige des Piezosystems aufweist.

2. Beschleunigungsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturkompensationsscheibe (8) zwischen der seismischen Masse (1) und dem piezoelektrischen System (4) angeordnet ist.

3. Beschleunigungsmeßgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Temperaturkompensationsscheibe (7) zwischen einer Bodenplatte (3) und dem System (4) angeordnet ist.

4. Beschleunigungsmeßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische System (4) aus einer ungeraden Anzahl piezoelektrischer Einzelscheiben besteht, daß weiter mindestens eine der Temperaturkompensationsscheiben (8) aus elektrisch leitendem Material besteht und als Abnahme-Elektrode auf einer Endscheibe des piezoelektrischen Systems aufliegt und daß ferner zwischen der seismischen Masse (1) und einer be-

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nachbarten Temperaturkompensationsscheibe (8) eine elektrisch isolierende Scheibe (10) angeordnet ist.

5. Beschleunigungsmeßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die seismische Masse (1) zusammen mit dem piezoelektrischen System (4) und einer oder mehreren Temperaturkompensationsscheiben (7 und 8) sich im Innern einer dünnwandigen, unter elastischer Vorspannung stehenden Spannhülse (2) befindet, die mit einem Ende an der seismischen Masse (1) angreift und deren anderes Ende an einer Bodenplatte (3) befestigt ist.

6. Beschleunigungsmeßgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Spannhülse (2) umgebene und die eigentliche Meßzelle darstellende Baugruppe an einem Montagesockel (12) befestigt und an dem Montagesockel ein die Meßzellenbaugruppe umgebendes glockenähnliches Gehäuse (14) angebracht ist und daß sich zwischen Gehäuse und Meßzellen-Baugruppe ein abgedichteter, gegebenenfalls evakuierter Raum befindet.

7. Beschleunigungsmeßgerät nach den Ansprüchen 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich in der Stirnfläche des Gehäuses (14) ein gegenüber dem Gehäuse isolierter Anschlußkontakt befindet und von der als Abnahme-Elektrode dienenden Temperaturkompensationsscheibe (8) ein die seismische Masse (1) axial durchsetzender Kontaktstift (9) ausgeht, dessen Ende über einen dünnen Federdraht (15) mit dem nach außen führenden Kontaktstift (16) verbunden ist.

8. Beschleunigungsmeßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (5 und 6) des piezoelektrischen Systems jeweils aus zwei im Abstand voneinander angeordneten und durch einen Steg miteinander verbundenen Scheiben aus dünnem Metallblech bestehen und jede Elektrode zwei Piezoscheiben umfaßt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Britische Patentschrift Nr. 836 194;
USA.-Patentschriften Nr. 3 060 333, 3 060 748.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen