-
Piezoelektrischer Meßwandler Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen
Meßwandler mit einer das piezoelektrische Meßelement enthaltenden Kammer, in der
das Meßelement zwischen einem festen Auflager und einer die Kammer an der dem Auflager
gegenuberliegenden Seite abschließenden, den Meßkräften ausgesetzten Plattenfeder
unter axialer Vorspannung gehalten ist.
-
Ein bekannter Meßwandler dieser Art besitzt ein hohlzylindrisches
Gehäuse, in dem das von zwei Quarzkristallecheiben mit zwischenliegender Ableitelektrode
gebildete Meßelement zwischen einer als festes Auflager dienenden Stahlkugel und
dem
mit dem Wandlergehäuse aus einem Stück bestehenden plattenfederartigen
Boden des Meßyandlers eingespannt ist. Die Ubertragung der Meßkraft auf das Meßelement
erfolgt hiebei dber ein zwischen die Kristallanordnung und den Boden des Wandlergehäuses
eingesetztes zylindrisches Zwischenstück. Diese WandlerausfUhrung weist jedoch eine
Anzahl schwerwiegender Nachteile auf. Vor allem bereitet die Herstellung des plattenfederartigen
Gehäusebodens, da dieser aus dem vollen Material des Wandlergehäuses herausgearbeitet
werden muß, erhebliche fertigungstechnische Schwierigkeiten, vor allem hinsichtlich
der unbedingt einzuhaltenden MaBtoleranzen des federnden Gehäusebodens, welche einen
wesentlichen Binfluß auf die Charakteristik des Meßwandlers besitzen. Die geringe
Flexibilität des mit verhältnismäßig großer Wandstärke ausgeführten Gehäusebodens
führt überdies zu einer sehr geringen Meßempfindlichkeit dieser bekannten Wandlerausführung.
Die Anwendung dieser Meßwandler ist wegen der niedrigen Bigenschwingungszahl des
Wandlers zufolge der massiv ausgefuhrten Bauteile des Meßelementes stark eingeschränkt.
Die von den massebehafteten Teilen des Meßelementes verursachte hohe Beschleunigungsempfindlichkeit
führt außerdem zu unkontrollierbaren Verfälschungen des Meßergebnisses.
-
Es ist weiters ein Meßwandler bekannt, bei dem das Meßelement zum
Schutz gegen unmittelbare Hitzeeinwirkungen von der Meßstelle her innerhalb einer
ins Innere des Wandlergehäuses zurückvrsetzten Hülse mit federndem Boden eingeschlossen
iate
Die Ubertragung der Meßkraft auf den flexiblen Boden dieser Hülse erfolgt hiebei
durch einen in einer axialen Bohrung des Wandlergehäuses gefuhrten, an der äußeren
Stirnfläche dem-MeBdruck ausgesetzten Stempel Neben der auch bei diesem bekannten
Gerät auftretenden hohen Beschleunigungsempfindlichkeit ergibt sich auch eine erhöhte
Störungsanfälligkeit durch den im Gehäuse geführten Druckstempel. Ein weiterer Nachteil
dieses bekannten Meßwandlers ist seine verhältnismäßig große Baulänge, die den Einsatz
des Gerätes bei beengten räumlichen Verhältnissen an der MeBetelle erschwert bzw.
vereitelto Diese Mängel und Nachteile der bekannten Wandlerausführungen werden durch
die vorliegende Erfindung vermieden, welche darin besteht, daß die den unteren Abschluß
eines Gehäuseeinsatzes oder den unteren hohlen Schaft eines Wandlergehäuses oder
den VerschluB des hohlzylindrischen Gehäuses selbst bildende Plattenfeder als Membrane
mit hülsenartigem Zentrierrand ausgebildet und linges des Zentrierrandes an der
Stirnseite des die Kammer mit dem MeBelement enthaltenden Wandlerteiles angeschweißt
ist. Durch diese Ausführung ergeben sich sowohl in fertigungstechnischer als auch
in funktioneller Hinsicht eine Anzahl bedeutender Vorzüge gegenüber den bekannten
Geräten. Vor allem besteht die vorteilhafte Möglichkeit einer rationellen Serienfertigung
der Membrane, welche entsprechend ihrer Aufgabe als Vorspann-, Fühl- und Abschlußorgan
des Wandlero mit allen erwünschten Eigenschaften ausgestattet werden kann.
-
Dabei lassen sich auch in der Großserie sehr enge Maßtoleranzen
ohne
Schwierigkeiten einhalten. o Durch das Vorhandensein des Zentrierrandes an der Membrane
. erübrigen sich besondere Hilfsvorrichtungen zum Zentrieren der Membrane gegenüber
dem die Kammer mit dem Meßelement enthaltenden Wandlerteil während des Schweißvorganges.
Wenn im Verlauf des Schweißvorganges, fü den zweckmä0igerweise elektrische Viderstandsschweißung
angewendet wird, die der zunehmenden Vorspannung des Meßelementes entsprechenden
Ladungen laufend gemessen werden, kann der vorgegebene Sollwert der Vorspannung
des Meßelementes mit großer Genauigkeit eingehalten werden.
-
Hiefür ist die an sich bekannte günstige Eigenschaft einer relativ
wichen Federcharakteristik von Plattenfedern verantwortlich.
-
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Meßwandlerausführung ist
seine weitgehende Unempfindlichkei gegenüber Temperaturschwankungen, da sich diese
im wesentlichen nur als radiale Spannungsänderungen der Membrane auswirken können,
die jedoch keine nennenswerte Änderung der Vorspannung zur Folge haben. Die erfindungsgemäße
Wandlerbauart erweist sich diesbezüglich allen jenen Wandlerausführungen überlegen,
bei denen die Vorspannung des Meßelementes durch eine dünnwandige Rohrfeder erzeugt
wird, die wegen ihrer harten Federcharakteristik schon beim Auftreten geringfügiger
Wärmedehnungen einen beträchtlichen Vorspannungsverlust erleidet.
-
Weitere Vorzüge des Meßwandlers gemäß der Erfindung bestehen in dem
absolut hermetischen Abschluß der das Meßelement
enthaltenden Kammer,
wobei sich auch bei MeBwandlern, die beispielsweise dem Angriff heißer Verbrennugsgase
ausgesetzt sind, in der Regel die Anordnung einer eigenen Membran zur Gasabdichtung
erübrigt. Bei der Anwendung der Erfindung an Lastmeßzellen und Beschleunigungsmeßgeräten
kann überdies das bisher übliche, zum Schutz der sehr dünnwandigen und empfindlichen
Rohrfeder vorgesehene besondere Gehäuse entfallen.
-
In allen Anwendungsfällen der Erfindung werden durch die bauliche
und fertigungstechnische Vereinfachung namhafte Kosteneinsparungen erzielt.
-
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß bei Anordnung
des Meßelementes in einem Gehäuseeinsatz, der mit dem Wandlergehäuse einen durch
eine flexible Dichtung gegen die Meßstelle hin abgedichteten Kühlflüssigkeitsraum
bildet, der Mittelteil der am Gehäuseeinsatz angeschweißten Membrane in an sich
bekannter Weise als durckübertragemder Stempel ausgebildet ist, dessen äußere Stirnfläche
zur Meßstelle hin frei- » liegt und an dem die flexible Dichtung, z. B. eine Ringmembrane,
befestigt ist, und daß der zwischen der Membrane und der im Abstand von dieser angeordneten
flexiblen Dichtung gebildete Ringraum mit dem Kühlflüssigkeitsraum verbunden ist.
-
Es ist zwar bereits ein Meßwandler bekannt, bei dem das Meßelement
in einer von einem Gehäuseeinsatz selbst gebildeten dtinnwandigen Rohrfeder angeordnet
ist, deren Bodenteil ale massive, gleichfalls mit dem Gehäuseeinsatz einstückig
ausgebildeter druckübertragender Stempel ausgeführt ist. Die Rohrfeder
ist
von einem Kühlflüssigkeitsraum umgeben, der durch eine Ringmembrane zur MeBstelle
hin abgedichtet ist. Der druckübertragende Stempel ist mit Querbohrungen versehen,
welche mit dem Kühlflüssigkeitsraum in Verbindung stehen. Abgesehen von den fertigungstechnischen
Schwierigkeiten, mit denen die Herstellung des komplizierten, zum Teil außerordentlich
dünnwandigen Gehäuseeinsatzes verbunden ist, besteht auch bei diesem Meßwandler
wegen der relativ groBen Masse des druckübertragenden Stempels eine verhältaismäßig
hohe Beschleunigungsempfindlichkeit. Eine relativ harte Federungscharakteristik
und nicht in allen Fällen befriedigende Kühlverhältnisse sind weitere Nachteile
dieser bekannten Wandlerbauart.
-
Bei der letztgenannten Wandlerausführung nach der Erfindung ergeben
sich demgegenüber wesentlich verbesserte KUhlbedingungen für das Meßelement, da
der flexible diinn- ~ wandige Teil der Membrane von auben von Kishlwasser bespUlt
wird, sodaß die Wärmeleitung vom Stempel der Membrane an den Gehäuseeinsatz stark
reduziert ist. Dies fuhrt zu einer beträchtlichen Abnahme der durch Wärmedehnungen
hervorgerufenen Meßfehler.
-
In manchen Fällen kann es sich erfindungsgemaß als vorteilhaft erweisen,
wenn zur Vergrdßerung des elastisch verfoxmbaren ringförmigen Teiles der Membrane
der an der Innenseite der Membrane anliegende Bauteil des Meßelementes, z. B. eine
der Meßkristallanordnung vorgelagerte Ausgleichs- » scheibe in an sich bekannter
Weise einen zur Membrane hin
verjüngten und zur Auflagefläche an
der Membrane angerundeten Abschnitt aufweisto Damit werden die gunstigen Federungseigenschaften
einer plattenfederartigen Membrane weitgehend ausgenützte Durch die Verjüngung und
Anrundung des an der Innenseite der Membrane anliegenden Wandlerteiles wird die
Berührungsfläche zwischen der Membrane und dem Meßelement verkleinerts wobei auch
der Wärmeaustausch zwischen diesen Teilen vermindert wird.
-
Die Erfindung wird im folgenden an Ausführungsbeispielen an Hand
der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 einen Axialschnitt eines gemäß der
Erfindung ausgeführten wassergekühlten Druckgebers, Fige 2 ein anderes Ausführungsbeispiel
eines Druckgebers ohne Wasserkubhlung, gleichfalls im Axialschnitt und Fig. 3 einen
Axialachnitt einer LastmeBzelle gemäß der Erfindung.
-
Bei der wassergekühlten Ausführung eines piezoelektrischen Druckgebers
nach Fig. 1 ist in einer abgestuften zentralen Längsbohrung 1 des Wandlergehäuses
2 ein abgesetzt zylindrischer Einsatz 3 angeordnet, der sich mit einem Absatz 4
an einem entsprechenden'Absatz der Gehäusebohrung 1 abstützt.
-
Der Einsatz 3 besitzt eine axiale Längsbohrung 5, in die ein Isolierrohr
6 eingesetzt ist. Die Langsbohrung 5 ist zur Meßstelle hin zu einer zylindrischen
Kammer 7 erweitert, in der das piezoelektrische MeBelement innerhalb einer rohrfbrmlgen
IsolierhUlse 8 angeordnet ist, Das Meßelement umfaßt eine Anzahl übereinander geschichteter
Scheiben 9 aus piezoelektrischem Material, eine
auf der innersten
Scheibe 9 aufliegende scheibenförmige Ableitelektrode 10 sowie eine mittig durchbohrte,
gleichfalls aus piezoelektrischem Material bestehende, auf der Ableitelektrode 10
aufliegende Scheibe 9', die sich an dem an der Ubergangsstelle der Längsbohrung
5 zur Kammer 7 gebildeten Gehäuseabsatz 11 abstützt. Auf der der Meßstelle zunächst
liegenden Schreibe 9 des Meßelementes liegt eine Ausgleichsscheibe 12 auf, welche
einen zur Meßstelle sich konisch verjüngenden Abschnitt 13 aufweist.
-
Die Ausgleichsscheibe 12 stützt sich am Boden einer als Plattenfeder
ausgebildeten Membrane 14 ab, welche an ihrem Umfang einen hülsenartigen Zentrierrand
15 aufweist, entlang dem die Membrane 14 an der Stirnseite des mit entsprechenden
Zentrierflächen versehenen Gehäuseeinsatzes 3 angeschweiBt isto Die Membrane 14
schließt die Kammer 7 hermetisch nach auBen ab und hält das Meßelement unter einer
vorbestimmten axialen Vorspannung. Diese Vorspannung ist erforderlich, um jede eventuelle
Spaltfederung zwischen den Scheiben des Meßelementes auszuschließen und die Messung
von Drücken unterhalb des Atmosphärendruckes zu ermöglichen.
-
Der Mittelteil der Membrane 14 ist als druckUbertragender Stempel
16 ausgebildet, dessen äußere Stirnfläche zur Meßstelle hin freiliegt. Der Stempel
16 der Membrane 14 ist in den Innenring 17 einer als Rollmembrane ausgebildeten
flexiblen Dichtung 18 eingepreßt, deren Außenring 19 in eine Eindrehung an der der
Meßstelle zugekehrten Seite des Wandlergehäuses 2 eingesetzt ist. Die flexible Dichtung
18
verschließt einen zwischen dem Wandlergehäuse 2 und dem Gehäuseeinsatz
3 gebildeten, im wesentlichen hohlzylindrischen Kühlflüssigkeitsraum 20 gegen die
Meßstelle hin. Der Kühlflüssigkeitsraum 20 ist in bekannter Weise über einen Zulauf-und
einen Ablaufkanal 21 bzw. 22 und in das Gehäuse 2 eingeschraubte SchlauchanschluBstutzen
23 und 24 an ein nicht dargestelltes Kühlwassersystem angeschlossen. Mit dem Kühlwasserraum
20 steht der zwischen der Membrane 14 und der im Abstand vor dieser angeordneten
flexiblen Dichtung 18 gebildete Ringraum 25 in Verbindung, so daß die Membrane 14
von der Kühlflüssigkeit unmittelbar bespült wird. Durch die verstärkte Kühlung der
Membrane 14 wird die Wärmeleitung vom Stempel 16 der Membrane zu den das Meßelement
umgebenden Wänden des Gehäuseeinsatzes 3 stark behinderte Auf Grund der günstigen
Kühlbedingungen ist dieser Druckgeber für hohe thermische Belastungen besonders
geeignet. Er ist außerdem infolge der Verwendung einer plattenfederartigen Membrane
14 als Vorspannorgan für das Meßelement gegenüber Temperaturschwankungen weitgehend
unempfindlich, da in der Membrane selbst im wesentlichen nur radiale Wärmedehnungen
auftreten können, die jedoch keinen nennenswerten EinfluB auf deren elastische Vorspannung
haben.
-
Beim Ausfthrungsbeispiel nach Fig. 2 handelt es sich um einen ungekühlten
piezoelektrischen Druckgeber kleinster Abmessungen, der ein mehrfach abgesetztes
zylindrisches Gehäuse 26 mit abgestufter zentraler Längsbohrung 27 besitzt.
-
Die das Meßelement enthaltende Kammer 28 befindet sich bei
dieser
Ausführung unmittelbar im hohlen Schaft 29 des Gebergehäuses 26 und ist gegen die
MeBstelle hin durch eine plattenfederartige Membrane 30 abgeschlossen, die in ähnlicher
Weise wie die Membrane des Druckgebers nach Fig. 1 mit ihrem hülsenartigen Zentrierrand
31 an der Stirnseite des Gebergehäuses 26 angeschweißt ist.
-
Das piezoelektrische Meßelement des Druckgebers der Figo 2 besitzt
prinzipiell den gleichen Aufbau wie das Meßelement der Wandlerausfuhrung nach Fig.
1. Es entfällt jedoch die Zentrierung des Meßelementes durch eine Isolierhülse,
da bei dieser Ausführung die Ausgleichsscheibe 32, die piezoelektrischen Kristallscheiben
33, die Ableitelektrode 34 und die mittig durchbohrte Scheibe 33' z.B. durch Diffusionsschweißung
zu einem starren Block miteinander verbunden sindo Die Zentrierung dieses Blockes
erfolgt durch die in der Längsbohrung 27 des Gebergehäuses 26 angeordnete, in die
Bohrung der Scheibe 33' hineinragende Isolierhülse 35, durch die die Anschlußleitung
36 der Ableitelektrode 34 zu der nicht dargestellten Anschlußbuchse des Druckgebers
heraubgefffhrt ist.
-
In Abwandlung dieser Ausführung ist auch eine Zentrierung des zu einem
Block verschweißten MeBelementes an der Membrane 30 möglich, beispielsweise durch
Anschweißen der Ausgleichsscheibe 32 an der Innenfläche der Membrane vor deren Montage
am Wandlergehäuse.
-
Die in Fig 3 dargestellte piezoelektrische LastmeB-zelle besitzt
ein hohlzylindrisches Gehäuse 37 mit ebenem Boden 38, in dem das Meßelement innerhalb
einer rohrformigen
Isolierhülse 39 angeordnet ist. Das Gehäuse
37 ist wie bei den vorerwähnten Wandlerausführungen durch eine angeschweißte Plattenfedermembrane
40 verschlossen, deren Mittelteil 41 jedoch zwecks Aufnahme der die Membrane 40
belastenden Meßkraft mit vergrößerter Wandstärke ausgefiihrt isto Das Meßelement
der Lastmeßzelle umfaßt eine an Gehäuseboden 38 aufgelagerte Ausgleichsscheibe 42,
der eine Scheibe 43 aus piezoelektrischem Material, eine scheibenförmige Ableitelektrode
44 und schließlich der von weiteren Scheiben 45 aus piezoelektrischem Material gebildete
eigentliche Meßsatz folgt. Bine auf der obersten Scheibe 45 autelagerte abgesetzte
Ausgleichsscheibe 46 stiitzt sich auf der Innenfläche des verstärkten Mittelteiles
41 der Membrane 40 ab.
-
Die Ableitung der positiven Ladungen der LastmeBzelle erfolgt über
eine vom Mantel der Ableitelektrode 44 ausgehende Anschlußleitung 47, die in einem
seitlichen AnschluBstutzen 48 des Wandlergehäuses 37 innerhalb einer Isolierhülse
49 zu einer in die Isolierhülse eingesetzten Anschlußbuchse 50 herausgefiihrt ist.
-
Auch die LastmeBzelle nach Fig. 3 weist die gleichen fertigungstechnischen
und funktionellen Vorzüge wie die zuvor beschriebenen Wandlerausführungen nach der
Erfindung auf, wobei noch hinzukommt, daß die bei Lastmeßzellen bisher übliche,
zum Schutz der überaus empfindlichen Rohrfeder erforderliche Schutzkappe in Fortfall
kommt.
-
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die dargestellten und beschriebenen
AusfUhrungsbeispiele und kann mit
gleichem Vorteil auch an anderen
piezoelektrischen Einrichtungen, beispielsweise an Beschleunigungsmeßgeräten angewendet
werden.