DE1648441A1

DE1648441A1 - Piezoelectric variometer for measuring pressure gradients of gaseous and liquid media over time

Info

Publication number: DE1648441A1
Application number: DE19671648441
Authority: DE
Inventors: Bernd Korndoerfer
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1967-10-07
Filing date: 1967-10-07
Publication date: 1971-07-22
Also published as: DE1648441C3; DE1648441B2

Description

Piezoelektrisches Variometer zur Messung zeitlicher Druckgradienten gesförmiger und flüssiger Medien. Piezoelectric variometer for measuring pressure gradients over time gel-shaped and liquid media.

Die Erfindung betrifft ein Variometer, des in der Pneumetik lurd Hydraulik als schnell und genau anzeigendes Instrument die Erfassung sehr kleiner zeitlicher Druckanderunrren gestattet. Das erfindungsgemä#e Variometer findet als Anzeigeinstrument für die Steig- und Sinkgeschwindigkeit von Luftfahrzeugen sein bevorzugtes Anwendungsgebiet in der Luftfahrt. Das Variometer gemä# der Erfindung arbeitet nach der piezoelektrischen Prinzip und stellt somit ein vollkommen neues System dar, mit dem erreicht wird, daß die Verzögerung der Me#wertanzelge gegenüber den herkömmlichen pneumatischen und elektrischen Variometern wesentlich kleiner tat. Außerdem be. nötigt das Piezovariomster kein Druckausgleichsgefä#, wodurch eich da Volumen des gesamten Gerätes auf die Größe eines normalen Flugzeuganzeigelnstrumentes beschränken lä#t. bflsher sind beispielsweise in der Meteorologie und in der Luftfahrt drel S@steme von Variometern bekannt: das Stauscheiben-, das Dosen- und das thermoelektrische Variometer. The invention relates to a variometer, the lurd in pneumetics Hydraulics as a quickly and accurately indicating instrument, the detection is very small Temporal pressure fluctuations permitted. The variometer according to the invention is found as Be a display instrument for the rate of climb and descent of aircraft preferred field of application in aviation. The variometer according to the invention works on the piezoelectric principle and thus represents a completely new one System, with which it is achieved that the delay of the measurement display opposite the conventional pneumatic and electric variometers are much smaller did. In addition, be. the Piezovariomster does not require a pressure compensation vessel, which means Calibrate the volume of the entire device to the size of a normal aircraft display instrument restrict. Bflsher are, for example, in meteorology and in aviation drel S @ stems known from variometers: the baffle plate, the can and the thermoelectric Variometer.

Das @ @ @ @ @ @ h e i b @ n @ a r i o m e t e r sowie das t h e r @ @ @ @ e @ @ @ @ @ @ @ @ Variometer benötlgen ein @a, @@@@@@ @ @@@ @@@@@@l@@@ge@iß, mit lem bei äußecer @@@@@@@@@ @ @@ @@@@@@ @@@@@@@ @@@@@ @@@@@ @ @ @@@ @@@ @@ mechanisches Anzeigesystem, das mit einer großen Verzögerung behaftet ist.The @ @ @ @ @ @ h e i b @ n @ a r i o m e t e r and the t h e r @ @ @ @ e @ @ @ @ @ @ @ @ Variometer need a @a, @@@@@@ @ @@@ @@@@@@ l @@@ ge @ iß, with lem at expressecer @@@@@@@@@ @ @@ @@@@@@ @@@@@@@ @@@@@ @@@@@ @ @ @@@ @@@ @@ mechanical Display system with a long delay.

Eine wesentliche Verminderung der Verzögerung bis auf ca. A significant reduction in the delay down to approx.

1 bis 2 Sekunden bringt das System des thermoelektrischen Variometers. Hierbei wird mit dem Luftatron ein geheizter elektrischer Widerstand unterschiedlich gekühlt. Die dabei auftretenden Widerstandsänderungen liefern das Me#ergebnis.The thermoelectric variometer system takes 1 to 2 seconds. In this case, a heated electrical resistance is different with the Luftatron chilled. The resulting changes in resistance provide the measurement result.

Das D D o s e n n v a r i o m e t e r besteht aus einem Barometer, an dessen Druckdose eine kleine Bohrung (pneumatischer Widerstand) zur Differenzierung angebracht ist. Das Gerät hat zwar eine sehr kleine Anzeige@verzögerung, kann aber wegen seiner geringen Empfindlichkeit nur für grobe Messungen verwendet werden. The D o s e n n v a r i o m e t e r consists of a barometer, a small hole (pneumatic resistance) on its pressure cell for differentiation is appropriate. The device has a very small display delay, but it can can only be used for rough measurements because of its low sensitivity.

Alle herkömmlichen Variometer mit einer Empfindlichkeit bis 0,1 torr/sec (ca. 1 m/sec Höhenänderung in der unteren Atmosphäre) sind zu ungenau, haben zu gro#e Zeitverzögerungen und sind @ür die meisten anvendungsgebiete zu gro# Ln ihren Abmessungen. All conventional variometers with a sensitivity of up to 0.1 torr / sec (approx. 1 m / sec change in altitude in the lower atmosphere) are too imprecise, have to large time delays and are too large for most areas of application Dimensions.

Der Erfindung liegt @un die Aufgabe zu Grunde, die Verzögerung der Me#wertan@eige auf len Bruchtell einer Sekunde zu reduzieren, sowie die Emp@indllchketi Und gleichzeitig di. Genaulgkeit zu erhöhen, @ robust and in der @@@@@@@ @@@@@@@ @@ einem @@ @@@@@@@ @@@@@lgen Prels her@@@@@@@@@@@ @@ @@ @@@ @@ Medien, insbesondere zur Bestimmung der Steig- und Sinkeschwindigkeit bei Iuftfehrzeugen ist dedurch gekennzeichnet, da# der Me#körper eine piezokeramische c'se ist und aus 4 gleichen kreisrunden piezokeramischen Scheiben besteht, die an ihren beiden Wreisflächen metallisiert und so polarisiert sind, daf3 radial angreifende Kräfte eine Ladung zwischen den beiden kreisförmigen Oberflächen erzeugen, wobei Je zwei Scheibenpaare, de@en einzelne Scheiben an den Flächen gleicher Polung fest zusemmengefügt sind, mit einem Distanzring einen flachen Hohlzylinder bilden, und da# die zwischen den beiden unterschiedlice polarisierten äußeren Kreisflächen des Zylinders auftretende Ges@mtladung über die Kapazität der Keramikscheibenpaare und den Eingangswiderstand des nachfolgenden Verstärkers differenziert wird. The invention is based on the task of delaying the Valuables to reduce to a fraction of a second, as well as the emp @ indllchketi And at the same time di. To increase accuracy, @ robust and in the @@@@@@@ @@@@@@@ @@ a @@ @@@@@@@ @@@@@ lgen Prels her @@@@@@@@@@@ @@ @@ @@@ @@ Media, especially for determining the rate of climb and descent of airplanes is characterized by the fact that the measuring body is a piezoceramic c'se and consists of 4 identical circular piezoceramic disks that are attached to both of them The outer surfaces are metallized and polarized in such a way that forces acting radially create a charge between the two circular surfaces, each being two Pairs of disks that firmly join individual disks on the surfaces of the same polarity are to form a flat hollow cylinder with a spacer ring, and the between the two differently polarized outer circular surfaces of the cylinder Total charge via the capacity of the ceramic disk pairs and the input resistance of the subsequent amplifier is differentiated.

Die wementliche Schwierigkeit bei der Ausnutzung des Piezoeffektes für Feinmessungen von Drücken ist der Temperatureinfluß, da nicht nur von außen wirkende Ertfte auf die Piezokeramik zu Iadungen führen, sondern auch innere Kräfte infolge von Temperaturänderungen. The essential difficulty in using the piezo effect for fine measurements of pressures, the temperature influence is important, not only from the outside Acting forces on the piezoceramic lead to charges, but also to internal forces as a result of temperature changes.

Durch eine beatinite Anordnung von vier gleichen Piezokeraiikscheiben- zusammen mit eines Abstandsring wird erreicht, daß nur Kräfte in axialer @ichtung Ladungen erzeugen, wahrend sich die Ladungen aller anders gerichteten Kräfte kotpensieren, so da Temperaturänderung und Beschleunigung das Meßergebnis nicht beeinflussen können. By a beatinite arrangement of four identical Piezokeraiik disc together with a spacer ring it is achieved that only forces in the axial direction Generate charges, while the charges of all differently directed forces dispense with each other, so that changes in temperature and acceleration cannot influence the measurement result.

In Fig.1 der belliegenden Zeichnung ist die erfindungsgemäße piezoelektrische Dose, die einen flachen Hohlzylinder bildet, schematisch dargestellt. Fig.2 gibt die S@haltung des Differenziergliedes und den Me#anze ge-@erstärker wieder. (Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel für die Erfindung hat sich als plezokeramisches Material das im Handel erheltliche PxE 5 bewährt.) Die zylindrischen Scheiben 1 bis 4 haben ein Verhältnis vom Durchmesser zur Höhe wie 30 : 1. Die Kreisflächen sind zur Erstellung der Elektroden mit je einet dünnen Silberschicht versehen, zwischen denen sich infolge der dielektrischen Eigenschaften der Keramik die Kapazität C bildet. Durch die physlkalische Beziehung Spannung U = Kapazität C Ladung Q 1) entsteht somit an den Elektroden eine Spannung U, sobald eine Ladung erzeugt wird. In FIG. 1 of the drawings, the piezoelectric according to the invention is Can containing a flat hollow cylinder forms, shown schematically. FIG. 2 shows the attitude of the differentiating element and the measurement display more intensely. (In the illustrated embodiment of the invention, a plezoceramic Material the commercially available PxE 5 has proven itself.) The cylindrical discs 1 up to 4 have a ratio of diameter to height like 30: 1. The areas of the circle are each provided with a thin layer of silver to create the electrodes, between which, due to the dielectric properties of the ceramic, have the capacitance C forms. The physical relationship voltage U = capacity C charge Q 1) arises thus a voltage U at the electrodes as soon as a charge is generated.

Die Keramikscheiben müssen so polarisiert sein, daß nur bei radial angreifenden Kräften eine Ladung erzeugt wird. Beansprucht man eine solche Scheibe auf Durchmesservergrö#erung, so ist die eine Elektrode positiv geladen gegenüber der anderen, wodurch die Polung gekennzeichnet ist. Werden zwei Scheiben an ihren Flächen gleicher Polung zusaimengelötet oder in einem anderen technologischen Verfahren test aneinandergefügt entsteht ein auf ! Durchbiegung empfindliches System (1 und 2 in Fig.1). Rierbei bildet die Lötfläche die neutrale Linie, während die eine Scheibe auf Durchmesservergrö#erung und die andere auf Verkleinerung beansprucht wird0 Die dabei erzeugten Srannungen addieren sich, so daß an dem Doppelscheibensystem die zweifache Spannung bei halber Kapazität entsteht. zur Druckmessungen wird ein Referenzdruck benötigt, der sich durch ein abgeschlossenes Gefä# verwirklichen lä#t. Bei dem erfindungsgemäßen Variometer werden zwei Doppelscheibensysteme mit einem Abstandering (5 Fig.1) so verlötet, daß ein (6 Fig.1) Hohlraum/ entsteht. Damit sich alle Spannungen richtig addieren, müssen die Außenelektroden des einen Doppelscheibensystems nositiv, die des anderen negativ gepolt sein. The ceramic disks must be polarized so that only when radially attacking forces generate a charge. If you claim such a disc on enlargement of the diameter, one electrode is positively charged opposite the other, which indicates the polarity. Will have two discs on theirs Surfaces of the same polarity soldered together or in another technological process test joined together creates an on! Deflection sensitive system (1 and 2 in Fig. 1). Here, the soldering surface forms the neutral line, while the one washer on diameter enlargement and the other on reduction is claimed0 The The stresses generated in this way add up, so that on the double-pane system the double the voltage at half the capacity. A reference pressure is used for pressure measurements needed, which can be realized through a closed vessel. at to the Variometers according to the invention are two double disk systems with a spacer ring (5 Fig.1) soldered so that a (6 Fig.1) cavity / arises. So that all tensions add correctly, the outer electrodes of a double disc system must be positive, those of the other be negatively polarized.

Die an der piezokeramischen Dose anliegende Spannung (s.Fig.1 zwischen den Punkten 7 und 8) ist der. Differenzdruck zwischen Innenraum 6 und Umgebung proportional. Es ergibt sich hierfür die Empfindlichkeit E in As/Torr. Um den zeitabhängigen Druckgradienten zu erhalten, mu# der Druck differenziert werden, was sich durch die Kapazität Cp der Nose und den Eingangswiderstand Re des Anzeigeverstärkers erreichen läßt (Fig.2). Die Zeitkonstante T(sec) aus Cp und Re ist dabei so bemessen, daß bei genügend kleiner Verzögerung des Meßwertes eine möglichst große Spannung Up am Eingang des Verstärkers liegt. Für Up ergibt sich die Beziehung Up(V) = E 1 M # T = E # M # Re 2) Cp wobei M die zu messende physikalische Grö#e in Torr ist. sec Für die mechanische Spannung, einer Membrane gilt P # D2 @ ~, 3) d2 wobei D der Durchmesser, d die Dicke und P der auf die Membrane wirkende Druck ist. Weiter ist aus der Physik des Piezoeffektes zu entnehmen, da# Q(As) ~ # (kp/mm2). 4) Mit Q (As) E =, wird 5) P (Torr) D E ~ 6) d Für einen Scheibendurchmesser D von 30 mm und eine Scheibendicke d von 1 mm, entsprechend 3 1 2,4 nF ergibt sich E # 10-9As/Torr. The voltage applied to the piezoceramic can (see Fig. 1 between points 7 and 8) is the. Differential pressure between interior 6 and the environment is proportional. This results in the sensitivity E in As / Torr. About the time-dependent pressure gradient To obtain this, the pressure must be differentiated, which is reflected in the capacitance Cp the nose and the input resistance Re of the display amplifier can be achieved (Fig. 2). The time constant T (sec) from Cp and Re is dimensioned so that when it is sufficiently smaller Delay of the measured value as large a voltage Up as possible at the input of the amplifier lies. For Up the relationship is Up (V) = E 1 M # T = E # M # Re 2) Cp where M is the physical quantity to be measured in Torr. sec For the mechanical tension, of a membrane P # D2 @ ~, 3) d2 where D is the diameter, d is the thickness and P is the pressure acting on the membrane. Next is from the physics of the piezo effect it can be seen that # Q (As) ~ # (kp / mm2). 4) With Q (As) E =, 5) P (Torr) D E ~ 6) d For a pulley diameter D of 30 mm and a pulley thickness d of 1 mm, corresponding to 3 1 2.4 nF results in E # 10-9As / Torr.

Die piezokeramische Dose ist ausschließlich auf Kraftkomponenten in axialer Richtung (wie in Fig.1 durch Pfeile gekennzeichnet) empfindlich. Um die Wirkung des Temperatureinflusses auf die Scheiben zu kompensieren, dürfen die (in Fig.1 mit 1 bis 4 bezeichneten) Scheiben in ihrer Einzelempfindlichkeit nur sehr wenig voneinander abweichen und ihre thermische Verbindung miteinander mu# sehr gut sein. The piezoceramic can is solely based on power components in the axial direction (as indicated by arrows in Fig. 1) sensitive. To the To compensate for the effect of the temperature influence on the panes, the (in 1 with 1 to 4 designated) discs in their individual sensitivity only very differ little from each other and their thermal connection with each other has to be very important be good.

Eine Störung des Gleichgewichtes entsteht durch den Abstandsring 5, wenn dieser aus einem anderen, elektrisch leitende Material als die Scheiben besteht. Auf Grund seiner unterschiedlichen Temperaturausdehnung im Verhältnis zur Keramik entstehen Kräfte, die auf das System in axialer wichtung wirken. Um das zu verhindern, müssen zwei weitere Rinne 9 und 10 aus dem gleichen Material, der gleichen Dicke und der Höhe h/2 des Ringes 5 auf beide Seiten der Dose aufgelötet werden. A disturbance of the equilibrium arises from the spacer ring 5, if this is made of a different, electrically conductive material than the discs consists. Due to its different temperature expansion in relation to Ceramic creates forces that have an axial weighting on the system. To that to prevent, two more channels 9 and 10 must be made of the same material that The same thickness and the height h / 2 of the ring 5 are soldered onto both sides of the can will.

Nach dem Hebengesetz wird damit die stcrende Kraftkomponente zu Null. Je geringer dabei das Gesamtvolumen der Ringe im Verhältnis zum Volumen der Keraiik ist, un so größer kann die Ma#toleranz der Ringe sein. Eine Vereinfachung, wodurch die beiden Au#enringe (9 und 10) nicht mehr benötigt werden, entaber unpolarisierte steht, wenn für den Abstandsring 5 das gleiche/Material wie das der Scheiben verwendet wird. Dabei muß aber für eine elektrische Verbindung der beiden am Ping 5 anliegenden Scheibenflächen gesorgt werden, was beispielsweise durch Galvanisieren des Doseninnenraumes möglich ist.According to the law of lifting, the disturbing force component becomes zero. The lower the total volume of the rings in relation to the volume of the Keraiik is, and the dimensional tolerance of the rings can be greater. A simplification of what the two outer rings (9 and 10) are no longer needed, but they are unpolarized if the same / material as that of the discs is used for the spacer ring 5 will. In this case, however, the two must be present on ping 5 for an electrical connection Disc surfaces are taken care of, for example by electroplating the interior of the can is possible.

Die piezokeramische Dose ist auf Beschleunigung aller Richtungen unempfindlich, wenn deren Aufhängung am Umfang des Ringes 5 angebracht ist. Durch die Aufhängung dürfen dabei keine neuen Kräfte (infolge Temperaturschwankungen) in radialer Wichtung auf den Rino entstehen. Dies ist mit einem sehr weichen Werkstoff wie z. B. Schaumstoff erreichbar. The piezoceramic can is on acceleration in all directions insensitive if its suspension is attached to the circumference of the ring 5. By the suspension must not be subject to any new forces (due to temperature fluctuations) arise in radial weighting on the Rino. This is with a very soft material such as B. foam achievable.

Um den Temperatureinflu# eines in der piezokeramischen Dose befindlichen Gases zu beseitigen, mu# der Inaenraum p der Dose evakuiert werde. Aus der Beziehung (6) ist zu ersehen, da# die Empfindlichkeit E der Dose umso größer ist, je grö#er das Verhältnis Durchmesser D zu Dicke d der Keramikscheiben ist. Die Grenze ist drch die Bruchfestigkeit des keramischen Materials gegeben, da durch die Evakuierung. eine Belastung der keramischen Dose K = F # P entsteht, wobei F eine Kreisfläche der Dose und P der auf diese wirkende Druck ist. To the temperature influence of a in the piezoceramic box To remove gas, the interior space p of the can must be evacuated. From the relationship (6) can be seen that the greater the sensitivity E of the can, the greater is the ratio of diameter D to thickness d of the ceramic discs. The limit is The breaking strength of the ceramic material is given by the evacuation. a load on the ceramic box K = F # P arises, where F is a circular area of the can and P is the pressure acting on it.

Eine Erhöhung der Empfindlichkeit um den Faktor 2 bei geringfügiger Vergrö#erung des relativen Gas-Temperatureffektes wird erreicht, wenn in der Dose ein Gastruck belassen wird, der dem Mittelwert des Xeßbereiches entspricht. An increase in sensitivity by a factor of 2 with a minor Enlargement of the relative gas temperature effect is achieved when in the can a gas pressure is left which corresponds to the mean value of the Xeßbereiches.

Auf diese Weise kann die. Dicke d auf die Hälfte verkleinert werden.In this way, the. Thickness d can be reduced by half.

Für Messungen in elektrisch leitenden Flüssigkeiten (z.B. Wasser) mu# darauf geachtet werden, daß die piezokeramische Dose iit einem dielektrizitätsarmen Material gut isoliert ist. For measurements in electrically conductive liquids (e.g. water) Care must be taken that the piezoceramic can with a low dielectric Material is well insulated.

Die iit der Erfindung erzielten Vorteile sind die au#ergewöhnlichen kurzen Zeitverzögerungen der Me#wertanzeige, das hohe Auflösungsvermögen, der einfache Aufbau des Me#wertaufnehiers (piezokeramische Dose) verbunden lit kleinen geometrischen Abmessungen. The advantages achieved with the invention are the extraordinary short time delays of the measurement display, the high resolution, the simple Structure of the measurement recorder (piezoceramic box) connected lit small geometric Dimensions.

Au#erdem sind keine mechanisch bewegten Teile und keine Strömungskanäle vorhanden, wodurch die Betriebssicher-@eit wesentlich erhöht wird und keinerlei Verschlei# auftritt. In addition, there are no mechanically moving parts and no flow channels available, whereby the operational safety @ eit is increased significantly and none Wear occurs.

Claims

P a t e n t an s P r u c k e 1. Piezoelectric variometer for Measurement of pressure gradients over time in gaseous (and liquid) media, in particular for determining the rate of climb and descent in aircraft, d a d u r c h e k e n n n n e i n e t that the measuring body consists of 4 identical circular piezoceramic disks (1 to 4 Fig.1) consists of met @ llized on their two circular surfaces and sc polarizes sin4, since # radiel acting forces create a charge between the two circular surfaces, each with two pairs of disks, the individual Discs (1 and 2 or 3 and 4) firmly joined together on surfaces with the same polarity are, with a spacer ring (5) form a flat hollow cylinder, and that the between the two differently polarized outer circular surfaces of the cylinder Total charge over the capacity (% in Fig. 2) of the ceramic. disk pairs and the input resistance of the following amplifier is differentiated. o. Piezoelectric Variometer according to claim 1, characterized in that two further rings (9 and 50) made of the same material, the same thickness but only half the height of the spacer ring (5) @ smile on both floors soldered or on other b @ k @ nte Way are electroplated.

3. Piezoelectric variometer according to claim 1, characterized by that the spacer ring (5) made of the same but unpolarized material as the Disks 1 to 4 consists, and that the two disc surfaces adjoining the evening ring (5) are electrically connected to each other.

4.? Iezoelectric variometer according to claims 1 to 3, characterized characterized in that the interior of the piezoceramic can is evacuated.

5. Piezoel @@ electric variometer according to claims 1 to 3 thereby characterized in that a gas pressure is left in the can which corresponds to the mean value of the Corresponds to the work area.

6. Piezoelectric variometer according to claims 1 to 5, characterized characterized in that the piezoceramic for measurements in electrically conductive liquids Box is insulated with a low dielectric material.