DE1252438C2 - Beschleunigungskompensierter piezoelektrischer messwandler - Google Patents

Description

3 4

davon abgehalten, das Meßsystem unsymmetrisch axialer Vorspannung eingeklemmt ist. Die Spannaufzubauen, indem z. B. die Ausgleichsmasse sehr hülse 21 ist mit biegesteifer Grundplatte 30 ausgeviel kleiner gemacht würde als die Masse des Druck- bildet und besitzt eine dünne elastische Rohrwand. Übertragungskolbens, da sich dann ungünstige Druck- Die Druckmembrane 23 dichtet die untere Gehäusefaktoren ergeben. Andererseits sind auch die Schwie- 5 öffnung ab und überträgt die Meßkräfte auf die rigkeiten bei der Herstellung federnd aufgehängter Grundplatte 30. Die Bodenpartie 31 der Grundplatte Systeme mit Druckübertragungskolben erheblich, da ist sauber plan geläppt, auf ihr ruht die Temperaturdie Anforderungen an die Federung außerordentlich kompensationsplatte 24, worauf in axialer Richtung hoch sind, wenn man eine einigermaßen Kompensa- eine ungerade Anzahl von Quarzplatten 25 folgen, tion der störenden Kräfte erzielen will. io Üblicherweise sind drei bis neun Platten vorhanden,

Demgegenüber schafft die Erfindung einen piezo- die den direkten Piezoeffekt verwenden. Alle Quarzelektrischen Meßwandler, bei dem es mit einfachen platten 25 sind elektrisch in bekannter Weise hinterMitteln möglich ist, die störenden Kräfte auszuschal- einandergeschaltet. Dazu können als Kontaktmittel ten, ohne dabei die Eigenfrequenz des Meßquarzes entweder dünne Metallfolien verwendet werden, oder zu beeinflussen. Gegenstand der Erfindung ist also 15 es ist auch möglich, die Platten mit Metallschichten ein piezoelektrischer Meßwandler mit einem aus zu versehen, die ihrerseits mit bekannten Mitteln mehreren elektrisch und mechanisch hintereinander- elektrisch miteinander verbunden werden,
geschalteten Meßquarzplatten bestehenden Meß- Auf dem Quarzsatz 25 ist die Kompensationsmasse system sowie einer Ausgleichsmasse. 26 angeordnet, die aus einem Material besteht, dessen

Gemäß der Erfindung ist die Ausgleichsmasse zwi- 20 Wärmeausdehnungskoeffizient etwa 14 · 10~⁶ pro ⁰C

sehen zwei in an sich bekannter Weise elektrisch beträgt.

gegeneinandergeschalteten Quarzsätzen angeordnet, Anschließend folgt eine normale, mit zentralem

und es ist die Masse des die Meßquarze und Druck- Loch versehene Quarzplatte 27, die jedoch relativ

übertragungsmittel umfassenden Meßteiles bedeutend zu den Platten 25 umgekehrt polarisiert ist. Anschlie-

größer als die Masse des den Kompensationsquarz 25 ßend an diese Platte folgt der Nippel 22, der so in

und die Ausgleichsmasse umfassenden Kompensa- den Körper 20 montiert ist, daß der Quarzsatz unter

tionsteiles, und daß die Eigenfrequenz des Kompen- Druckvorspannung steht.

sationsteiles ein Mehrfaches der Eigenfrequenz des Trifft nun eine Druckwelle auf die Membrane 23,

Meßteiles beträgt. welche mit dem Gehäuse 20 und der Druckplatte 30

Bei dem erfindungsgemäßen Meßwandler sind also 30 der Spannhülse 21 verbunden ist, so wird die vom

zwei schwingungsfähige Gebilde vorhanden, die je- unteren Quarzsatz 25 erzeugte elektrische Ladung um

weils ihre Eigenfrequenz besitzen. Dabei ist jedoch die vom oberen Quarz 27 erzeugte Ladung reduziert.

— im Gegensatz zu den bekannten Systemen — ge- Tritt nun aber zusätzlich eine Beschleunigung auf, so

währleistet, daß die Eigenfrequenz des Meßteiles ist die vom unteren Quarzsatz 25 und den vorge-

praktisch unabhängig von der Anwesenheit des 35 schalteten Massen 24 und 30 durch Massenwirkung

Kompensationsteiles ist. Solange die Frequenz der erzeugte Ladung bei entsprechender Abstimmung der

vom Wandler zu messenden Druck- oder Kraft- Kompensationsmasse gleich der entgegengesetzt pola-

schwankungen unterhalb der Eigenfrequenz des mes- risierten Ladung des Quarzes 27, erzeugt durch die

senden Teiles liegt, schwingen dann beide Systeme Kompensationsmasse 26. Eine einfache und genaue

vollkommen phasentreu. 40 Abstimmung kann so erfolgen, daß die Kompensa-

Grundgedanke der Erfindung ist also die Kombi- tionsmasse vorerst etwas zu groß gewählt wird, nation von elektrischem und mechanischem Ausgleich worauf sie dann stufenweise so ausgebohrt wird, bis unter Beachtung bestimmter Massenverhältnisse zwi- der Wandler, montiert auf einem Schwingtisch, kein sehen messendem und ausgleichendem Teil der Meß- Beschleunigungssignal mehr abgibt. Das Ausbohren anordnung. Hierbei werden die Vorteile der bekann- 45 erfolgt bei montiertem Wandler, und zwar durch die ten Anordnungen gewahrt und deren Nachteile ver- axiale Öffnung des Nippels 22 hindurch,
mieden. Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, Die Temperaturkompensation ist insofern erdaß bei geeigneter Wahl der Massenverhältnisse die schwert, als die Quarzplatten entsprechend F i g. 2 Anforderungen an die übrigen Teile der Meßanord- und 3 in den z- und y-Richtungen verschiedene nung nicht mehr so streng sind wie bei den bekannten 50 Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Die beMeßanordnungen, treffenden Koeffizienten sind in der Zeichnung einge-

Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus tragen,

den Unteransprüchen. Bei Raumtemperatur gemäß F i g. 2 kreisrund

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel be- ausgeschnittene Platten sind gemäß F i g. 3 bei er-

schrieben. Die Zeichnung veranschaulicht ferner das 55 höhter Temperatur in Richtung der y-Achse wesent-

Ausdehnungsverhalten von Quarzplatten bei einer lieh größer. Wird nun diese ovale Ausdehnung durch

Temperaturerhöhung. Es zeigt schematisch und nicht auf die Flachseite wirkende Auflagekräfte mittels

maßstabsgetreu Material verhindert, das einen gleichmäßigen Aus-

F i g. 1 im Schnitt den erfindungsgemäßen Wandler, dehnungskoeffizienten, jedoch mit kleinerem Wert

Fig. 2 drei Quarzplatten, wie sie bei Normal- 60 als 14· 10"⁶ pro ⁰C aufweist, so entstehen radial

temperatur relativ zu den Kristallachsen geschnitten gerichtete Kräfte P (Fig. 3), welche ihrerseits elek-

und bearbeitet werden, irische Ladungen erzeugen, was unter allen Umstän-

F i g. 3 zwei der in F i g. 2 gezeichneten Quarz- den verhindert werden muß. Um solche Temperaturplatten bei erhöhtem Temperaturzustand. Schubkräfte zu vermeiden, wird vor dem Quarzsatz

Die in F i g. 1 dargestellte Ausführungsform um- 65 25 eine Temperaturkompensatorplatte 24 gelegt, die

faßt ein Gehäuse 20, in welchem eine elastische, ein- aus dem gleichen Quarzmaterial besteht und bezüg-

seitig geschlossene Spannhülse 21 eingehängt ist, lieh Achsenlage gleich wie die übrigen Platten orienwelche ihrerseits mit einem Gewindenippel 22 unter tiert ist. Damit diese Platte 24 ihrerseits keine La-

düngen erzeugt, wird diese vollständig metallisiert. Damit die y-Achsen der Platte 24 und der untersten Platte des Paketes 25 gemäß F i g. 2 genau aufeinanderliegen, sind sie durch Ritzmarken 32 gekennzeichnet, die bei der Montage aufeinander zu liegen kommen. Die Dicke der Platte 24 wird vorteilhaft so gewählt, daß sie eine Temperaturkompensation in axialer Richtung bewirkt. Die übrigen Quarze des Satzes 25 werden ebenfalls gerichtet eingelegt.

Die Kompensationsmasse 26 besteht ihrerseits aus einem Material, das einen Ausdehnungskoeffizienten von etwa 14 · 10~⁶ pro ⁰C aufweist. Eine Auflage auf solchem Material erzeugt in den y-Achsen keinen Radialschub, wohl aber auf den z-Achsen, wodurch jedoch keine Ladungen erzeugt werden. Für eine wirkungsvolle Temperaturkompensation ist deshalb eine Materialqualität mit Ausdehnungskoeffizient von 14 · 10~⁶ pro ⁰C am günstigsten. Es kann für die Kompensationsmasse z. B. eine geeignete Stahllegierung gewählt werden. Die mit diesen Maßnahmen ίο erreichte Temperaturkompensation ist annähernd zu 100% wirksam.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

1 2 Patentansprüche: wenn andere Einflüsse, wie Beschleunigungen oder veränderliche Temperaturen, gleichzeitig an der

1. Beschleunigungskompensierter piezoelektri- Meßstelle auftreten, wo eine Druckmessung vorgescher Meßwandler mit einer aus mehreren elek- nommen werden soll. Werden piezoelektrische Meßtrisch und mechanisch hintereinandergeschalteten 5 wandler für Druck- oder Kraftmessung verwendet, Quarzplatten bestehenden Meßquarzanordnung, so ist der Einfluß von Temperaturänderungen im einer der Meßquarzanordnung elektrisch ent- allgemeinen bedeutend geringer als bei anderen Meßgegengeschalteten Kompensationsquarzanordnung wandlerarten, wie induktive, kapazitive oder Deh- und einer auf die Kompensationsquarzanordnung nungsmeßstreifenwandler; dagegen ist die Beschleuwirkenden, abgestimmten Ausgleichsmasse, d a - ίο nigungsempfindlichkeit von piezoelektrischen Meßdurch gekennzeichnet, daß die Aus- wandlern für Druck und Kraft eher größer als diegleichsmasse (26) zwischen zwei in an sich be- jenige anderer Wandlerarten.

kannter Weise elektrisch gegeneinandergeschal- Es sind mehrere piezoelektrische Geber bekannt,

teten Quarzsätzen (25 und 27) angeordnet ist und bei denen die durch Massenkräfte entstehenden undaß die Masse des die Meßquarze (25) und 15 angenehmen Störungen vermieden werden. So war Druckübertragungsmittel (23, 30) umfassenden bei dem bekannten Meßwandler der oben beschrie-Meßteiles bedeutend größer ist als die Masse des benen Art die Kompensationsquarzanordnung im den Kompensationsquarz (27) und die Aus- wesentlichen identisch zur Meßquarzanordnung, und gleichsmasse (26) umfassenden Kompensations- es wurden von der Ausgleichsmasse auf die Kompenteiles und daß die Eigenfrequenz des Kompensa- 20 sationsquarzanordnung im wesentlichen die gleichen tionsteiles ein Mehrfaches der Eigenfrequenz des Beschleunigungskräfte übertragen wie von dem Meßteiles beträgt. Druckkolben auf die Meßquarzanordnung. Der zu

2. Meßwandler nach Anspruch 1, dadurch ge- messende Gasdruck wurde dagegen nur auf die Meßkennzeichnet, daß die Meßquarzanordnung aus quarzanordnung übertragen. Bei dem bekannten einer ungeraden Anzahl von mechanisch und 25 Meßwandler sind die beiden Quarzsysteme elektrisch elektrisch hintereinandergeschalteten Quarzplat- gegeneinandergeschaltet, so daß sich die durch die ten besteht. Erschütterungen hervorgerufenen Ladungen aufheben

3. Meßwandler nach Anspruch 1, dadurch ge- und nur die durch den Gasdruck erzeugte Kraft ankennzeichnet, daß die Meßquarzanordnung (25), gezeigt wird. Die Quarzsäulen selbst können aus die Kompensationsquarzanordnung (27) und die 3° mehreren Quarzplatten bestehen, die elektrisch und dazwischen befindliche Ausgleichsmasse (26) mechanisch hintereinandergeschaltet sind,
innerhalb einer vorgespannten elastischen rohr- Diese Meßanordnung ist so lange zufriedenstellend, federartigen Spannhülse (21) angeordnet sind, die wie beide Quarzsysteme gleiche Empfindlichkeit und an einem Ende am Wandlergehäuse (20) abge- gleiche Massenkräfte aufweisen. Voraussetzungen, stützt ist und am anderen Ende mit einer dem 35 die nur mit sehr großem Aufwand bei der Herstellung Meßdruck bzw. der Meßkraft auszusetzenden und dem Zusammenbau des Gebers verwirklicht Membrane (30) verschweißt ist. " werden können, da es insbesondere schwierig ist, die

4. Meßwandler nach Anspruch 1 und 3, da- beiden an sich unabhängigen Systeme so abzustimdurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Boden men, daß sie in einem möglichst weiten Frequenz-(30), der Spannhülse (21) und der Meßquarz- 40 bereich phasentreu schwingen. Der Ausgleich ist anordnung (25) sich eine allseitig elektrisch nämlich stark von der Frequenz der Erschütterungen leitend metallisierte piezoelektrische Quarzplatte abhängig und funktioniert dann nicht mehr, wenn die (24) befindet, deren Achsenrichtungen mit den- Frequenz der Erschütterungen mit der Eigenfrequenz jenigen der Meßquarzanordnung übereinstimmen. des Gebers vergleichbar wird. Ferner ist eine Aus-

5. Meßwandler nach Anspruch 1, dadurch ge- 45 schaltung der Massenkräfte nur in Achsenrichtung kennzeichnet, daß die Kompensationsquarzanord- des Gebers möglich.

nung(27) ein Loch aufweist, das zur Abstimmung Bei einer anderen elektrischen Ausgleichsmethode

der Ausgleichsmasse bei zusammengebautem wird durch die Wahl der Schnittrichtung der einzelnen

Wandler ein Ausbohren der Ausgleichsmasse er- Quarzplatten angestrebt, daß die piezoelektrische laubt. 50 Zahl des oberen Quarzes ein Drittel derjenigen des

6. Meßwandler nach Anspruch 1, dadurch ge- unteren Quarzes ist. Nachteilig ist hierbei, daß es kennzeichnet, daß die Ausgleichsmasse (26) aus schwierig und umständlich ist, Quarzplatten herzueinem Werkstoff mit einem Wärmeausdehnungs- stellen, deren Piezomodul durch Änderung der koeffizienten von etwa 14 · 10~⁶ pro ° C besteht. Schnittrichtung kleiner gemacht wird, und daß hier-

55 durch auch die Empfindlichkeit des Gebers absinkt.

Eine andere bekannte Methode besteht darin, die

Massenkräfte auf mechanischem Wege aus dem Meßergebnis auszuschalten. Hierbei wird ein federnd auf-

Die Erfindung bezieht sich auf einen beschleuni- gehängtes Quarzsystem verwendet, bei dem auf der gungskompensierten piezoelektrischen Meßwandler 60 der Druckseite entgegengesetzten Seite eine Ausmit einer aus mehreren elektrisch und mechanisch gleichsmasse vorgesehen ist. Die Eigenschwingungshintereinandergeschalteten Quarzplatten bestehenden zahl ist dann durch die Abmessungen der Quarzsäule Meßquarzanordnung, einer der Meßquarzanordnung sowie durch die Größe der anliegenden Massen beelektrisch entgegengeschalteten Kompensationsquarz- stimmt, und zwar in der Weise, daß die Eigenfreanordnung und einer auf die Kompensationsquarz- 65 quenz mit wachsender Masse kleiner wird,
anordnung wirkenden, abgestimmten Ausgleichsmasse. Man hat deshalb auch schon verschiedene Kunst-

Es ist bekannt, daß bei Meßwandlern, insbesondere griffe versucht, um eine höhere Eigenfrequenz zu ersolchen für Druckmessung, Schwierigkeiten entstehen, reichen. Der Fachmann wird jedoch ausdrücklich