DE1648782A1 - Piezoelektrischer Messwertwandler,insbesondere fuer die Beschleunigungsmessung - Google Patents
Piezoelektrischer Messwertwandler,insbesondere fuer die BeschleunigungsmessungInfo
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Description
Patentanwälte
-ing. Leinweber
27.0ktober 1967
2, Rosental 7
Tel. 261389
YIBRO-METER A.&., Fribourg"(Moncor, Schweiz)
Piezoelektrischer Meßwertwandler, insbesondere für die Beschleunigungsmessung
Die Erfindung bezieht sich auf einen piezoelektrischen Meßwertwandler, insbesondere für die Beschleunigungsmessung,
dessen Piezoelement mittels einer Vorspanneinrichtung von einer federkraft beaufschlagt ist.
Me piezoelektrischen Meßwertwandler bestehen bekanntlich aus einem Piezoelement, das aus piezoelektrischen Körpern,
meint ',juarzkristallen oder Piezokeramik, mit dazwischengelegten
Llektroden zusammengesetzt und in einem Gehäuse hermetisch
abgeschlossen angeordnet ist. Um ein Abheben der Piezokörper untereinander und von den anliegenden Bauteilen zu vermeiden
und auch um Zugkräfte über das Piezoelement übertragen zu können, ist eine Vorsxjanneinrichtung vorgesehen, die auf das
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Piezoelement eine Federkraft ausübt. Diese Torspannkraft miß
immer größer sein als die ihr entgegenwirkende Abhebel-rraft
oder die zu übertragenden Zugkräfte, die im Betrieb des Wandlers auftreten können. Außerdem darf eine bestimmte li'läohenpressimg
zwischen den übereinanderliegenden Bestandteilen des Piesoelementes
nicht unterschritten werden.
Als Vorspanneinrichtung wird gewöhnlich eine Vorspannhülse
mit in Achsrichtung federndem, dünnem Mantel verwendet, der das Piezoelement umgibt und zweckmäßig mit dem Gehäuse des »/andlers
verschweißt ist, so daß durch die Vorspannhülse gleichseitig
auch ein hermetischer Abschluß des Piezoelementes orfol.;t. Der
Boden der Vorspannhülse ist aur Erzielung einer fester: Anlage so stark gewählt, daß er durch die Vorspannkräfte nicht durchgebogen
werden kann. Für die Beschleunigungsmessung ist ferner im Inneren der Vorspannhülse zwischen dem Boden derselben und
dem Piezoelement noch ein massives Zwischenstück angeordnet, das zusammen mit dem massiven Boden der Vorspannhülse die
seismische Masse bildet. Das Gehäuse des piezoelel-tri ,r:cLen
Accelerometer wird mit dem au prüfenden Körper derart verbunden,
daß nur die in die gewünschte Richtung fallende, auf dir, seismische
Masse wirkende Beschleunigungskomponente ^eiienr:·^: v/irü.
Die piezoelektrischen I-Ießwertwandler werden vielfach angewendet, z.B. zur Kessung des Druckes und des Druckverlaufes
in den Zylindern von Brennkraftmaschinen und Kompressoren, mir
Beschleunigungsmessung, Eur Überwachung von Motoren und Triebwerken
usw. In letzter Zeit hat insbesondere die ununterbrochene Betriebsüberwachung von Flugzeugtriebwerken mit Hilfe
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γόη piezoelektrischen Accelerometern Bedeutung erlangt. Die
Accelerometer sitzen an geeigneten Stellen der Triebwerke und ■überwachen die im Betrieb auftretenden Schwingungen der Triebwerkswellen.
Sie sind dabei, Tor allem in neueren Triebwerken mit einem Zwischenmantel, verhältnismäßig hohen Temperaturen
von 400° O und mehr ausgesetzt, welche eine entsprechend große Wärmedehnung der Torspanneinrichtung verursachen, deren Temperatur
oft erheblich von jener des geschützt angeordneten Piezoelementes abweicht, insbesondere bei raschen Temperaturänderungen.
Diese Wärmedehnung kann so weit gehen, daß die unter ™ normalen TemperaturverliältnisBen vorhandene Vorspannung nicht
iV.xr unzulässig verringert sondern sogar zur Gänze aufgehoben
wird. Eine Beseitigung dieser Schwierigkeit dadurch, daß die Vorspannung entsprechend vergrößert wird, ist in vielen Fällen
nicht möglich, weil die federnden Teile der Vorspanneinrichtungen, s.B. der Federnde Mantel einer Vorspannhülse, einen
verhältnismäßig kleinen Querschnitt aufweisen, so daß eine entsprechend große Vorspannung zu einer über die Streckgrenze
hinausgehenden Materialbeanspruchung führen würde. Außerdem M
wurden dadurch die Piezoelemente bei normalen Temperaturen einer zu großen Druckbeanspruchung ausgesetzt werden.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, diese Schwierigkeiten üu beseitigen und einen piezoelektrischen Meßwertwandler
mit einer Vorspanneinrichtung zu schaffen, die bei zulässigen Materialbeanspruchungen eine ausreichende Vorspannung
des Piezoelementes über einen größeren Temperaturbereich sicherstellt.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß in
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Serie zur Federkraft der Vorspanneinrichtung ein auf das
Piezoelement wirkendes, weiteres Federelement mit "begrenztem
Federweg vorgesehen ist, das eine geringere Steifigkeit als die Federkraft der Yorspanneinrichtung besitzt. Die Federkraft des
weiteren Federelementes entspricht vorzugsweise der minimal zugelassenen Torspannkraft des Piezoelementes· Die- Vorspannein- ·
richtung kann dabei wie "bisher aus einem hiefür besonders geeigneten
Werkstoff bestehen und in ihrem federnden Teil einen
geringen Querschnitt besitzen. Bei einer Wärmedehnung der Vorspanneinrichtung stellt das in Serie dazu vorgesehene Federelement
unter allen Umständen die erforderliche Minimalvorspannung sicher,
so daß auch bei größeren Temperaturechwankungen die einwandfreie
Funktion des Meßwertwandlers gewährleistet ist.
Die erfindungsgemäße Anordnung ist in besonderer Weise
für einen Meßwertwandler geeignet, dessen Vorspanneinrichtung aus eimer Vorspannhülse mit in Achsrichtung federndem Mantel
und massiv ausgebildetem Boden besteht, wobei das Piezoelement im Inneren der Vorspannhülse angeordnet ist. Hiebei sieht die
Erfindung zur Bildung des zusätzlichen Federelementes vor, daß der Boden in seinem an den Hülsenmantel anschließenden Umfangsbereich
federnd ausgebildet ist und nur mit seinem zentralen Bereich auf dem Piezoelement oder auf einem die Vorspannkraft
auf dieses übertragenden Zwischenstück fest aufliegt. Die feste Auflage, durch die sich eine starre Kraftübertragung zwischen
dem Boden der Vorspannhülse, dem Zwischenstück und dem Piesoelement
ergibt, ist insbesondere für die
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wesentlich, da sich beispielsweise bei Anordnung des zusätzlichen,
weicheren Federelementes zwischen dem Boden der Vorspannhülse und dem Zwischenstück^ welche beide zusammen die
seismische Masse bilden, ein SchwiÄa^ssystem mit zwei Freiheitsgraden
ergeben würde, welches für eine Beschleunigungsmessung nicht geeignet wäre.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
ist der Boden der Vorspannhülse in seinem an den Hülsenmantel anschließenden Umfangsbereich durch einen radialen Einstich
tellerfederartig ausgebildet. Die radiale Tiefe des Einstiches beträgt vorzugsweise ungefähr ein Viertel des Durchmessers
der Vorspannhülse. Dadurch kann eine ausreichende Federwirkung erzielt werden und bleibt außerdem eine genügend große Querschnittsfläche
zur Sicherstellung einer starren Kraftübertragung vom Boden der Vorspannhülse auf das Piezoelement erhalten.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann die im Inneren der Vorspannhülse liegende Stirnfläche des Bodens in
dem an den Hülsenmantel anschließenden Bereich konisch ausgenommen, z.B. ausgedreht sein. Ferner kann der im Inneren der Vorspannhülse
auf dem Boden derselben aufliegende Bauteil, z.B. ein zum Übertragen der Vorspannkraft auf die Piezoelemente
dienendes Zwischenstück, an seinem Ende konisch abgeschrägt sein. Beide Maßnahmen dienen dazu, dem tellerfederartig ausgebildeten
!Heil des Bodens der Vorspannhülse eine freie Beweglichkeit innerhalb bestimmter Grenzen zu ermöglichen. Bei
maximaler Vorspannkraft liegt der federnde Boden auch In
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seinem an den Hülsenmantel anschließenden Umfangsbereich fest
auf dem Piezoelement bzw. auf dem Zwischenstück auf, so daß die gesamte federkraft der Torspannhülse auf das Piezoelement
übertragen wird. Bei einer Erhöhung der Temperatur und damit verbundener Ausdehnung, des Hülsenmantels löst sich der federnde
Teil des Hülsenbodens von seiner Auflage, so daß seine Feuerwirkung
voll zur Geltung kommt und eine ausreichende Vorspannung sicherstellt.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind
der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen zu entnehmen, die in der Zeichnung dargestellt sind. In dieser
zeigen I1Ig. 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen
Accelerometer in schematischer Darstellung und die 3?ig. und 3 je einen Iängsschnitt durch weitere Ausführungsbeispiele
der Erfindung.
Bei den Ausführungsbeispielen handelt es sich um Accelerometer für die Beschleunigungsmessung. Diese bestehen
aus einem Gehäuse 1, einem auf diesem-angeordneten Piezoelement
2, einem Zwischenstück 3 und einer Vorspanneinrichtung 4, die das Piezoelement 2 und das Zwischenstück 3 umgibt.
Zum Schutz der Vorspanneinrichtung 4 gegen mechanische Beschädigungen ist eine Abdeckhaube 5 vorgesehen. Das Piezoelement
2 weist Elektroden 6 und 7 auf, von denen Anschlußleitungen 8 und 9 durch das Gehäuse 1 nach außen geführt sind.
Die Vorspanneinrichtung 4 beaufschlagt über das Zwischenstück das Piezoelement 2 mit einer Federkraft, wodurch ein Abheben
des Zwischenstückes 3 vom Piezoelement 2 verhindert wird und
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liter das Piezoelement auch Zugkräfte übertragen werden können.
Außerdem ist es Aufgabe der Vorspanneinriehtung 4» den für die
Punktion des Piezoelementes 2 erforderlichen Flächendruck zwischen
den einzelnen Bestandteilen des Piezoeleiaentes aufrecht
zu erhalten.
In Fig. 1 ist die durch die Vorspanneinrichtung 4 gebildete
Feder schematisch angedeutet und mit 10 bezeichnet. IJm bei auftretender Erwärmung des Accelerometers zu verhindern, daß zufolge
der Wärmedehnung der Vorspanneinrichtung 4 die Vorspannkraft über das zulässige Ausmaß hinaus abnimmt, ist in Serie zur
Feder 10 ein weiteres Federelement 11 Torgesehen, welches eine
geringere Steifigkeit als die Feder 10 aufweist. Das Federelement
11 besitzt einen beispielsweise durch Anschläge begrenzten Federweg
und befindet sich bei normalen Temperaturverhältnissen, z.B. bei Raumtemperatur, in seiner zur Gänze ausgezogenen bzw. zusammengedrückten
Endlage. Sobald aber die Temperatur ansteigt und eine Wärmedehnung der Vorspanneinrichtung 4» die gewöhnlich rascher
erwärmt wird als das geschützt angeordnete Piezoelement 2 und das Zwischenstück 3, auftritt, wodurch die Vorspannkraft der
Feder 10 rasch nachläßt, kommt das FedeiELement 11 zur Wirkung und
hält unter allen Umständen die minimal zugelassene Vorspannkraft des Piezoelementes 2 aufrecht.
In den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 2 und 3 besteht die Vorspanneinrichtung 4 aus einer Vorspannhülse mit einem in
Achsrichtung federnden Mantel 12 und einem massiv ausgebildeten Boden 13. Die Vorspannhülse ist mit dem unteren Ende des Mantels
12 am Gehäuse 1 luftdicht befestigt, z.B. festgeschweißt, so daß
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durch die Vorspanneinrichtung 4· zugleich auch ein hermetischer
Abschluß des Pieaoeleinentes 2 erreicht wird. Die Anschlußleitungen
8 und 9 sind durch eine Durchführung 14 luftdicht herausgeführt. Um eine zur Yorspannkraft der Vorspanneinrichtung
4 in Serie befindliche weitere Federkraft zu erzielen,
ist hier der Boden 13 der Vorspannhülse in seinem an den Hülsenmantel
12 anschließenden Umfangsbereich federnd ausgebildet.
Dies wird durch einen radialen Einstich 15 erreicht, der in
geringem Abstand über der im Inneren des Mantels 12 liegenden Stirnfläche 16 des Bodens 13 vorgesehen ist und ein tellerartigos
Federelement 17 bildet. Der Einstich 15 -reicht nur über ungefähr
ein Viertel des Durchmessers des Bodens 13, so daß ein ausreichend großer Flächenbereich des Bodens 13 verbleibt, um die
Vorspannkraft starr auf das Piezoelement 2 zu übertragen. Zur Sicherstellung einer freien Beweglichkeit der Tellerfeder 17
innerhalb bestimmter Grenzen ist gemäß Fig. 2 das Zwischenstück 3 an seinem auf der Stirnfläche 16 aufliegenden Ende mit
einer konischen Abschrägung 18 versehen. Gemäß Fig. 3 beoitrt
die Stirnfläche 16 für den gleichen Zweck eine konische Ausnehmung 19. Das Ende des Zwischenstückes 3 kann dabei ebor ·:.ηα-gebildet
sein.
Bei der Herstellung der in den Fig. 2 und 3 gezeigten"
Accelerometer wird die Vorspanneinrichtung 4 bei Raunrtemperrtiir
derart vorgespannt, daß die Stirnfläche 16 des Bodens 13 auch im Bereich der konischen Flächen 18, 19 fest auf dem Zv.-ischenstück
3 aufliegt. Die Tellerfeder 17 ist dadurch maximal vorge-
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_ Cj _
ηχ=-}^·:. !Sei einer größeren Wärmedehnung des Hülsemnanteis 12
aG?:>t sich die Tellerfeder 17 von ihren Auflagefläche!! ab und
>OLiat dadurch zur Wirkung. Die federkraft der Tellerfeder 17
ist derart; bemessen, daß sie tinter allen Umständen die minimal
7,ujeinGseile VorSpannkraft des Piezoelementes 2 aufrechterhält.
Jeirplclsv/eiae kann der gewöhnlich für die Vorspannhiilse
vor./e-idete Werkstoff bei Dauerbelastung maximal mit einer
Spannung von ungef ähr 40 kg/mm ' beansprucht werden. Da die
Güte des Accelerometers außer vom Hülsenwerkstoff und der %
l'eraperatur wesentlich von dem Verhältnis der Querschnitte des
P;i ezoelementes und des Mantels der Vorspannhülse abhängt, v/obei
eiIi niö-licliGt großer Anteil der äußeren Meßkraft über das
Piesoelement fließen soll, muß der Hülsenmantel einen möglichst,
kleinen üuerschnitt besitaen. Dieser beträgt in der
Praxin für die ^eseigten Ausführungsbeispiele etwa 5,3 mm .
lus ergibt sich daraus eine maximal zulässige Yo rs pannier aft von
iuu~efMhr 210 kg. Die durch den erforderlichen yiächendruck zwifjohen
UOiL Leotandtoilen des Piesoelemeiites gegebene, minimale λ
7or γ; pa: ink !-art beträgt hingegen ungefähr 100 kg·. Ohne zusätzliches,
in fJecie zur Vorspannhülse vorgesehenes Pederelement
künnte daher eine Wärmedehnung durch Temperaturerhöhung nur so
lunge zu.'-elaünen werden, bis die minimale Vorspannkraft von
100 kr; erreicht ist. Dies wäre schon bei einem Temperaturanstieg
von otv/a 100° O der Fall. Durch das zusätzliche Fe der element,
doosen Federkraft etwa.'j größer als 100 kg gewählt werden kann,
wird jedoc?i der Temperaturbereich des Accelerometers wesentlich
erhöht, beiopielijwe i ae hält das zusätzliche J?ederelement
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auch bei einer Temperaturdifferenz von 400° G und meLr zwischen
der Vorspannhülse und dem Pieζοelement eine ausreichend große
Vorspannkraft aufrecht.
Die beschriebene Maßnahme zur sicheren Auf recht erha.1 tuncj
der minimal erforderlichen Vorspannkraft kann nicht nur bei piezoelektrischen Meßwertwandlern mit Vorspannhülsen sondern
mit den gleichen Vorteilen auch bei Wandlern mit anderen Vorspanneinrichtungen,
beispielsweise bei mit Hilfe einer durch die Piezokörper hindurchgeführten Hittelschraube vorgespannteu"
Piezoelement, angewendet werden, lerner kann das zusätzliche
Federelement außer bei Accelerometern auch bei piezoelektrischen
Druckgebern zur Druckmessung oder bei piezoelektrischen lastmeßzellen
zur Kraftmessung vorgesehen werden, um den i'emperaturbereich
der Geräte entsprechend hinauf zusetzen. In allen j'i.'llori
ist es aber wichtig, daß das zusätzliche Eedereleuient in Serie
zur Federkraft der Vorspanneinrichtung angeordnet wird und daß der gesamte von der Vorspanneinrichtung und dem Piezoelement
gebildete Vorspannkreis nur einen einzigen Preiheitsgrad aufweist,
um lehlmessungen zu vermeiden.
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Claims (1)
- - 11 Patentansprüche ;Piezoelektrischer Meßwertwandler, insbesondere für die Beschleunigungsmessung, dessen Piezoelement mittels einer Vorspanneinrichtung von einer Federkraft beaufschlagt ist, dadurch gekennzeichnet, daß in Serie zur Federkraft (10) der To ^spanneinrichtung (4) ein auf das Piezoelement (2) wirkende.'?, weiteres Faderelement (11) mit begrenztem Federwer; vorgesehen ist, das eine geringere Steifigkeit als die A Federkraft der Vorspanneinrichtung besitzt. Keßwertwandler nach Anspruch 1, dodurcl. gekennzeichnet, daß die Federkraft des v/eiteren Federelementes (11) der minimal "•ugelassenen Vorspannkraft des Piezoelementes (2) entspricht. Meßwertwandler nach Anspruch 1 oder 2, dessen Vorspanneinrichtung aus einer Vorspannhülse mit in Achsrichtung federndem Hantel und massivem Boden besteht, wobei das Piezoelement im Inneren der Vorspannhülse angeordnet ist, dadux'ch gekennzeichnet, daß der Boden (13) in seinem an den Külsennantel (12) anschließenden Unrfr.ngsbereich federnd ^ausgebildet ist und nur mit seinem zsntralen Bereich auf dem Piezoelement (2) oder auf einem die. Torspannkraft auf dienes übertragenden Zwischenstück (3) fest aufliegt. I-Ießwertwandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der l'oücn (13) der Vorspannhülse in seinem an den .lülsenmaiituL (12) anschließenden Umfangsbereich durch einen radialen Einstich (15) tellerfederartig (17) ausgebildet !.fit.109817/035ÜBAD ORIGINALrt::^. Ί ^r .-\"j:i Ansprue1;·. 4, o!.v-r.reh ?-;"elrGii:· ;:·."■ ί «..Γ:...;.ν·;
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11 -v -Mide Gtimfl"cL.e (K.) der; ioce/i" (15; -'-:' 'hrer- ei, doiiü!:iri'.en, s.3. ai-sredrelrt (19) ißt (f.i.'r. 3),U 9 8 I 7 / O j b y ßAD
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