DE1773777A1

DE1773777A1 - Einrichtung zur Messung von Gasstroemen und Detektor zur Aufnahme von solche Gasstroeme durchlaufenden Schockwellen

Info

Publication number: DE1773777A1
Application number: DE19681773777
Authority: DE
Inventors: Moffatt Elbert Marston
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1967-07-20
Filing date: 1968-07-05
Publication date: 1972-04-13
Also published as: DE1773777B2; US3469445A; SE351039B; BE718212A; NL6809601A; FR1576056A; GB1189555A; DE1773777C3

Description

14 - Pat. 15

München, den 2.JuIi 1968

United Aircraft Corporation, 400 Main Street, East Hartford 8, Connecticut, Vereinigte Staaten von Amerika

Einrichtung zur Messung von Gasströmen und Detektor zur Aufnahme von solche Gasströme durchlaufenden Schockwellen

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Messung einer Gasströmung in einem bestimmten Abschnitt eines Leitungskanals durch Zeitmessung an Schockwellen, welche sich längs eines gemeinsamen Weges in dem betreffenden Gasstrom abwechselnd stromaufwärts und stromabwärts bewegen, wobei die Schockwellen oder Impulse von einer Druckimpulsquelle erzeugt werden, welche an jedem Ende des Leitungsabschnittes angeordnet ist und Druckimpulse längs des gewählten gemeinsamen Weges aussendet, welcher zwischen den an den einander gegenüberliegenden Enden des Leitungsabschnittes angeordneten Druckimpulsquellen verläuft. Ferner betrifft die Erfindung die zur genauen Messung der Laufzeit der Impulse innerhalb des Gasstromes notwendigen Detektoren.

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Bei einem.System der Messung einer Gasströmung in einer Leitung sind Schockimpulsgeneratoren vorgesehen,welche in dem betreffenden Strömungsmittel Impulse stromaufwärts und stromabwärts senden. Zeitmeßeinrichtungen dienen zur Bestimmung des Unterschiedes in der Laufzeit jedes der genannten Impulse. Aus diesem Zeitunterschied läßt sich die Strömungsgeschwindigkeit oder der Massendurchsatz berechnen. Es wurde nun gefunden, daß es vorteilhaft ist, an jedem Ende der Zeitmeßstrecke einen Impulsdetektor zu verwenden, damit an beiden Enden der Meßstrecke ein gleichmäßiges Ansprechen auf die Impulse sichergestellt ist, während es demgegenüber nicht so zweckmäßig erscheint, für die Messung das an einem Ende zur Verfügung stehende, die Schockwelle auslösende, dem Impulsgenerator zugeführte Auslösesignal und das am anderen Ende zur Verfügung stehende, von einem Impulsdetektor abnehmbare Detektorsignal zu verwenden. Für ein gleichmäßiges Ansprechen der Detektoren jedesmal dann, wenn ein Impuls eine Zeitmeßstelle durchläuft, ist es ferner zweckmäßig, an jedem Ende der Zeitmeßstrecke gleich aufgebaute Detektoren einzusetzen. Bei Beachtung dieser grundsätzlichen Gedanken können durch die Geometrie verursachte oder bei der Messung entstehende Fehler weitgehend vermieden werden. Werden nur zwei Detektoren für Messungen an Impulsen

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verwendet, welche sich in verschiedene Richtung bewegen, so ist es von Bedeutung, daß ein Detektor zur Anwendung kommt, der auf Impulse anspricht, welche aus 180° gegeneinander weisenden Richtungen auf den Detektor auftreffen.

Eine weitere Schwierigkeit, die bei Meßsystemen, in welchen Impulse in einem gasförmigen Strömungsmittel festgestellt werden müssen, auftritt, besteht darin, daß die bekannten Detektoren auf schwache Impulse kaum ansprechen. Piezoelektrische Kristalle erzeugen ein kleines Spannungssignal, wenn sie durch einen Druckimpuls erregt werden, doch ist dieses Signal außerordentlich schwach und bei einer Verstärkung des von dem Kristall abgenommenen Signales findet auch eine Verstärkung der Rauschspannung statt, welche so stark sein kann, daß das von dem Impuls verursachte Signal überdeckt wird. Zur Erzielung stärkerer Spannungssignale können größere Kristalle verwendet werden, doch bei einer Zunahme der Dicke des Kristalles in Richtung des Impulsweges durch den Kristall nimmt auch die Anstiegszeit für den Kristall zu. Kurze Anstiegszeiten werden jedoch angestrebt, um die Ausgangssignale des betreffenden Detektors mit dem Eintreffen einer Impulswellenfront auf dem Kristall unabhängig von Änderungen der Impulsstärke genau synchronisiert zu halten. Ein starker Impuls erzeugt an dem Kristall eine große Ausgangsspannung mit der gleichen Anstiegszeit wie ein schwacher Impuls.

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Da aber die Detektorschaltung normalerweise zur Auslösung eines Zählers bei einem ganz bestimmten festen Spannungspegel dient, würde ein starker Impuls dazu führen, daß dieser Spannungspegel eher erreicht wird, als dies bei einem schwachen Impuls der Fall ist. Die Größe dieser Abweichung bei der Zählerauslösung auf Grund von Veränderungen der Impulsstärke kann durch Einhalten sehr kleiner Anstiegszeiten auf einem kleinen Wert gehalten werden. Aus diesem Grunde ist es außerdem wünschenswert, die Dicke des Kristalles in Richtung des Impulsweges kleinzuhalten und andere Möglichkeiten aufzufinden, die Ausgangsspannung des Kristalles zu erhöhen

Durch die Erfindung soll demgemäß die Aufgabe gelöst werden, die sich bei Meßeinrichtungen der eingangs kurz umrissenen Art aus der Geometrie und aus der Aufnahme der Impulse ergebenden Meßfehler in einer Einrichtung zur Messung von Gasströmen und an den hierbei erforderlichen Detektoren herabzusetzen und möglichst starke Ausgangssignale zu erzeugen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Detektor für Schockimpulse, welche sich in einem Medium längs eines bestimmten Weges fortbewegen, gelöst. Ein solcher Detektor ist nach der Erfindung gekennzeichnet durch einen ■ piezoelektrischen Kristall mit drei zueinander senkrechten Achsen, wobei längs einer ersten dieser Achsen eine elektrische

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Spannung abnehmbar ist, die der Druckspannung entspricht, welche von einem sich normal zu einer Dritten der Achsen bewegenden Impuls in dem Kristall erzeugt wird und wobei längs einer zweiten dieser Achsen eine elektrische Spannung abnehmbar ist, die der Scherspannung entspricht, welche von einem sich normal zu der dritten Achse bewegenden Impuls in dem Kristall erzeugt wird, ferner durch eine Halterung zur Befestigung des Kristalls im Impulsweg derart, daß die dritte Achse normal zu dem Impulsweg verläuft sowie durch Einrichtungen zur Aufnahme der längs der ersten und der zweiten Achse erzeugten Spannungen beim Auftreffen eines auf dem Impulsweg laufenden Schockimpulses auf den Kristall.

Die zweite der genannten Achsen kann mit dem Impulsweg einen kleinen Winkel einschließen, welcher von dem Verhältnis der Fortpflanzungsgeschwindigkeiten des Impulses in dem erwähnten Medium einerseits und in dem Kristall andererseits funktionell abhängig ist.

Gemäß einer zweckmäßigen Ausführungsform hat der piezoelektrische Kristall im wesentlichen die Gestalt eines Quaders, von dessen senkrecht zu der ersten Achse ausgerichteten ersten Paar einander gegenüberliegender Kristallflächen eine elektrische Spannung abnehmbar ist, welche zu der von einem Schallimpuls in dem Kristall erzeugten Druckspannung proportional ist und von dessen senkrecht zu der

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zweiten Achse ausgerichteten zweiten Paar einander gegenüberliegender Kristallflächen eine elektrische Spannung abnehmbar ist, welche zu der von einem Schallimpuls in dem Kristall erzeugten Scherspannung proportional ist. Außerdem ist der Kristall derart in dem Impulsweg gehaltert, daß das zweite Kristallflächenpaar einen Winkel mit der Impulswellenfront bildet, welcher abhängig von dem Verhältnis der Fortpflanzungsgeschwindigkeiten des Impulses in dem betreffenden Medium einerseits und in dem Kristall andererseits gewählt ist. Ferner ist das dritte Paar einander gegenüberliegender Kristallflächen senkrecht zu der dritten Achse und normal zu der Impulswellenfront ausgerichtet und schließlich weist die Einrichtung zur Aufnahme der vom Kristall erzeugten elektrischen Spannungen je eine erste an jeweils einer Fläche der eine elektrische Spannung darbietenden Kristallflächenpaare angeordnete Elektrode und je eine zweite an der jeweils anderen Fläche der eine elektrische Spannung darbietenden Kristallflächenpaare angeordnete Elektrode auf, wobei die ersten Elektroden derart mit den dem jeweils anderen Kristallflächenpaar zugeordneten zweiten Elektroden verbunden sind, daß das von den Elektroden abnehmbare, zusammengesetzte Spannungssignal einer Kombination der im Kristall herrschenden Druck- und Scherspannung entspricht.

Eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Messung von Strömungsmittelstrbmen, insbesondere Gasströmen enthält je

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einen Impulsdetektor der vorstehend beschriebenen Art, welcher neben jeder Impulsquelle und jeweils zwischen den beiden Impulsquellen angeordnet ist und zur Messung der Laufzeit eines Impulses zwischen den Enden eines Leitungsabschnittes dient. Jeder Detektor enthält hierbei einen piezoelektrischen Kristall, welcher im Impulsweg angeordnet ist und mit einer empfindlichen Achse im wesentlichen parallel zu dem Impulsweg ausgerichtet ist, so daß die eine Erregung des Kristalls bewirkenden Druckimpulse aus 18O° gegeneinander weisenden Richtungen auf den Detektor auftreffen.

Zwischen jeder Druckimpulsquelle und dem jeweils benachbarten Detektor kann ein Schild angeordnet sein, welcher die Stärke eines Impulses abschwächt, welcher aus einer der zueinander entgegengesetzten Richtungen auf den Kristall auftrifft und diesen erregt und außerdem kann der Kristall gegenüber dem Leitungsabschnitt mittels einer stoßfesten Halterung federnd gehaltert sein, wobei die Halterung elektrisch leitend ausgebildet ist, so daß sie einen der elektrischen Anschlüsse zu dem Kristall bildet.

Der Winkel zwischen der erwähnten ersten Achse des piezoelektrischen Kristalles und dem Ausbreitungsweg des Schockimpulses ist eine Funktion des Verhältnisses der Geschwindigkeit des Impulses in dem Gas einerseits und in dem Kristall andererseits und die genannte dritte Achse ist normal

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zu dem Ausbreitungsweg orientiert.

Der piezoelektrische Kristall kann von einem quaderförmigen Quarzstück gebildet sein, dessen drei Achsen normal zu den Kristalloberflächen verlaufen und dessen Dicke in Richtung der ersten Achse mit d bezeichnet sei, während die Dicke längs der Seitenachse mit c angegeben sei. Der

V₃ d

Sinus des obengenannten Winkels ist dann dem Ausdruck ~

gleich, worin V und V die Geschwindigkeiten des Impulses

g c

in dem betreffenden Gas bzw. in dem Kristall bedeuten. Der zueinander senkrechte- Achsen aufweisende Quarzkristall kann innerhalb des Impulsweges mittels eines Paares elektrisch leitender Klammern gehaltert sein, welche dieselbe" spezifische akustische Impedanz aufweisen wie der Kristall, wobei jede Klammer zwei benachbarte, verschieden orientierte Seiten des Kristalls überdeckt, welche jeweils normal zu der ersten und der zweiten Kristallachse ausgerichtet sind, so daß das mittels der Klammern von dem Kristall abgeleitete Signal aus den längs der beiden empfindlichen Achsen erzeugten Signalen zusammengesetzt wird. Eine der Klammern zur Halterung des Kristalls ist an einer federnd aufgehängten seismischen Masse befestigt, so daß der Kristall gegenüber Erschütterungen isoliert wird.

Am Ausgang jeder der Druckimpulsquellen kann ein Reflektor angeordnet sein, welcher die erzeugten Schockwellenimpulse auf einen gemeinsamen Ausbreitungsweg lenkt, welcher

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zwischen den Druckimpulsquellen verläuft.

Im folgenden wird die Erfindung durch die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen stellen dar:

Figur 1 eine Abbildung eines erfindungsgemäßen Systems zur Messung von Gasströmen mit Schockwellenimpulsgeneratoren und Detektoren, welche an zwei Meßstellen längs einer Leitung angeordnet sind,

Figur 2 einen Schnitt durch einen der Detektoren, welche jeweils neben dem Ausgang einer Impulsquelle in der Wandung der betreffenden Leitung befestigt sind,

Figur 3 eine Einzelheit aus Figur 2 entsprechend der in dieser Zeichnung angedeuteten Schnittlinie 3-3 zur Verdeutlichung der federnden Aufhängung des Kristalls und

Figur 4 eine Darstellung zur Erklärung, wie ein

Schockwellenimpuls einen piezoelektrischen Kristall erregt, so daß erfindungsgemäß ein optimales Ausgangssignal erzeugt wird.

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In Figur 1 der Zeichnungen ist eine Leitung 10 dargestellt, durch welche ein Gasstrom F geführt ist, der durch einen Pfeil innerhalb eines Zeitmeßäb3chnittes der Leitung angedeutet ist, in dem die Strömungsmessung vorgenommen werden soll. An jedem Ende des Zeitmeßabschnittes sind Schockwellenerzeuger bzw. Schockimpulsquellen 12 und 12¹ sowie Schockimpulsdetektoren 14 und 14' gelegen. Die durch einen Strich gekennzeichneten Zahlen bezeichnen jeweils entsprechende Teile des stromab gelegenen Teiles der Meßeinrichtung. Als Schockimpulsquellen können beliebige Schockwellengeneratoren dienen, die einen Schalldruckimpuls in einem gasförmigen Medium erzeugen können. Ein hierfür geeigneter Schockwellengenerator ist bereits an anderer Stelle vorgeschlagen worden.

Die erfindungsgemäße Meßeinrichtung ermittelt den Gasstrom durch die Leitung 10, indem abwechselnd mit dem Strom von der Impulsquelle 12 aus stromabwärts und gegen den Strom von der Impulsquelle 12* stromaufwärts Druckwellen ausgesendet werden. Der Unterschied in der Laufzeit jedes dieser Impulse bildet ein Maß für die Gasströmung in der Leitung. Die Impulse werden längs eines gemeinsamen, zwischen den Impulsquellen 12 und 12' verlaufenden Weges P ausgesendet. Die Detektoren 14 und 14* liegen jeweils neben den zugehörigen Impulsquellen auf diesem gemeinsamen Weg. Jede Schockwelle wird von den Detektoren aufgenommen, wenn sie sich durch das strömende Gas hindurch in Richtung auf die gegenüberliegende Impulsquelle bewegt. Ein stromabwärts laufender Impuls trifft zuerst auf

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den Detektor 14.und erzeugt ein Auslösesignal, welches über einen Verstärker 16 einen nicht dargestellten Zeitmesser auslöst. Wenn der stromabwärts laufende Impuls den Detektor 14* erreicht, so bewirkt das von diesem Detektor 14' abgegebene Signal über einen Verstärker 16' eine Abschaltung des Zeitmessers. Auf diese Weise kann die Zeit bestimmt werden, welche ein Impuls benötigt, um sich innerhalb des Gasstromes über die feste Meßstrecke zwischen den Detektoren hinweg zu bewegen. Ist die Laufzeit eines sich stromabwärts bewegenden Impulses bestimmt worden, so wird ein von der stromabwärts gelegenen Impulsquelle 12* erzeugter Schockwellenimpuls stromaufwärts gesandt. Der sich stromaufwärts bewegende Impuls trifft zunächst auf den Detektor 14^f, der ein Auslösesignal abgibt, das über den Verstärker 16' den Zeitmesser in Betrieb setzt. Wenn der Impuls den stromaufwärts gelegenen Detektor 14 erreicht, wird der Zeitmesser von einem über den Verstärker 16 herbeigeführten Signal abgeschaltet. Sind die Laufzeiten sowohl für stromaufwärts laufende Impulse als auch für stromabwärts laufende Impulse bestimmt worden, so ist es möglich, hieraus die Strömungsgeschwindigkeit oder den Massendurchsatz in dem betreffenden Leitungsabsohnitt zu errechnen.

Jede der Schockimpulsquellen 12 und 12' sendet über eine Düse 18 bzw. 18* einen Impuls nach einem in der Wandung des betreffenden Leitungsabschnittes vorgesehenen

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Ausgang 20 bzw. 20¹, An jedem der genannten Ausgänge ist jeweils ein Reflektor 22 "bzw. 22' angeordnet, welcher die Ausbreitungsrichtung des Schockwellenimpulses ändert und den betreffenden Impuls auf den an dem gegenüberliegenden Ende der Leitung gelegenen Detektor hinlenkt. Die Reflektoren sind so angeordnet, daß die in beiden Richtungen laufenden Impulse innerhalb der Leitung über den gemeinsamen Weg P zwischen den Detektoren 14 und 14* geführt werden. Hierdurch wird erreicht, daß der von jedem der Impulse durchlaufene Weg zwischen den Detektoren jeweils gleich ist. Irgendwelche Fehler hinsichtlich der von jedem Impuls zu durchlaufenden Strecke vor der Feststellung des Impulses bleiben hiermit auf Fehler begrenzt, die von geometrischen Unterschieden im Aufbau jedes Detektors verursacht werden. Es ist daher von besonderer Bedeutung, daß beide Detektoren in derselben Weise aufgebaut sind und im wesentlichen gleiche Abmessungen haben.

In Figur 2 der Zeichnungen ist ein Schnitt durch den Schockimpulsdetektor 14 und die Düse 18 dargestellt. Die genannte Düse und der Detektor sind innerhalb eines Gehäuses angeordnet und an der Wandung der Leitung 10 befestigt. Im Bereich des Düsenausganges 20 der Wandung der Leitung 10 ist ein Reflektor 22 befestigt. Zwischen der Düse 18 und dem Detektor 14 befindet sich eine Trennwandung 26. Diese Trennwandung verhindert, daß Schockimpulse, welche sich durch die Düse nach oben bewegen, durch"die untere Tragkonstruktion

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für den Detektor diesen erreichen, bevor die Impulse auf den Reflektor 22 treffen und längs des Weges P in Richtung auf das gegenüberliegende Ende des Leitungsabschnittes abgelenkt werden. Der Detektor wird daher nicht erregt, bis ein Impuls sich längs des erwähnten Weges in Richtung auf die gegenüberliegende Impulsquelle bewegt. Da die Schockimpulse schwächer werden während sie durch das Gas laufen, ist die Stärke eines von der entfernt liegenden Impulsquelle 12' ausgehenden, auf den Detektor 14 treffenden Impulses geringer als die Stärke eines Impulses, welcher unmittelbar von der benachbarten Impulsquelle 12 ausgeht. Um nun die an dem jeweiligen Detektor wirksame Impulsstärke unabhängig davon auszugleichen, von welcher Impulsquelle her der betreffende Impuls einläuft, ist am oberen Ende der Trennwandung 26 ein Schild 27 befestigt, welcher die Intensität des von der jeweils benachbarten Impulsquelle ausgehenden Impulses abschwächt. Der Schild 27 besitzt einen Ausschnitt 29, welcher einem kleinen Anteil des von der jeweils benachbarten Impulsquelle ausgehenden Impulses einen ungehinderten Zutritt zu dem Detektor gewährt.

Der Detektor 14 setzt sich aus einer seismisch wirksamen Masse 28, einem Kristall 30 und elektrisch leitenden Halterungsklammern 32 und 34 zusammen. Der Detektor 14 ist über eine federnde Halterung 36 an dem Gehäuse 24 befestigt.

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Die Halterung 36 ist im einzelnen aus Figur 3 der -Zeich-· nungen zu erkennen und enthält Arme 38 und 4-0, die an die Wandungen des Gehäuses 24 angeschlossen oder mittels Schrauben 41 und 42 gehalten sind. Die seismisch wirksame Masse 28 ist über Schrauben 43 und 44 an der Halterung 36 befestigt. Die große Trägheit der Masse hat das Bestreben, den physikalischen Stoß abzuschwächen, welcher auf den Kristall 30 wirkt, wenn ein Schockimpuls durch die Düse 18 läuft oder über die Halterungskonstruktion von der Leitung aus eintrifft. Zusätzlich kann die Halterung 36 &tas einem _x geeigneten Werkstoff, beispielsweise aus unter dem Kamen Nylon bekanntem Polyamid hergestellt sein, wodurch die Federwirkung zwischen dem Gehäuse 24 und der trägen Masse 28 erhöht und gleichzeitig eine Erschütterung der Masse abgedämpft wird, was auf den inneren Hysteresiseigenschaften dieses Werkstoffes beruht.

Das Kernstück des Detektors 14 bildet der in Figur 2 dargestellte piezoelektrische Kristall 30. Piezoelektrische Kristalle sind allgemein bekannte Detektoren für Schockimpulse und erzeugen an ihren Oberflächen Spannungen, wenn sie von einem Impuls getroffen werden. Um diese Spannungen ausnützen zu können, sind die Halterungsklammern 32 und 34 elektrisch leitend ausgebildet und voneinander isoliert, so daß sie die Aufgabe von Elektroden zur Übertragung der Signal-

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spannungen von dem Kristall 30 zu dem Verstärker 16 erfüllen können. Die Klammer 32 ist in der seismischen Masse 28 verankert, welche aus elektrisch leitendem Werkstoff, beispielsweise aus Messing bestehen kann. Nachdem die Halterung aus Polyamid gefertigt ist, wird eine elektrische Isolation zwischen der Masse 28 und der Leitung 10 erzielt und die Masse kann daher als Teil der elektrischen Verbindung zu dem Verstärker 16 über dem Erdpotential gehalten werden.

Nachdem die von dem piezoelektrischen Kristall erzeugten Spannungen sehr klein sind und nachdem außerordentlich genaue Spannungsmessungen ausgeführt werden müssen, muß die kapazitive K&pplung zwischen den Leitungen von dem Kristall zu dem Verstärker klein und konstant gehalten werden. Zu diesem Zwecke werden die Klammern 32 und 34 so starr ausgeführt, daß sie den Kristall unter geringer Abbiegungsmöglichkeit zu haltern vermögen. Eine isolierte elektrische Leitung 46, welche von der Klammer 34 herbeigeführt ist, läuft durch eine Bohrung 48 der seismischen Masse 28 hindurch und ist gegenüber der Masse 28 mittels einer keramischen Masse 50 fixiert. Um eine federnde Bewegung des Detektors zu ermöglichen, sind für die Verbindung desselben mit einer Koaxialleitung 56, die zu dem Verstärker 16 führt, kurze flexible Leitungsstücke 52 und 54 vorgesehen. Die Koaxialleitung 56 besteht aus einem zentrischen Draht 58 und einer zylindrischen

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Hülse 60. Das Verhältnis des Durchmessers des Drahtes zu dem Durchmesser der Hülse ist möglichst klein gehalten, um einen niedrigen Kapazitätswert zwischen Draht, und Hülse zu erzielen. Die seismische Masse 28 ist über die flexible Leitung 52 an die Hülse 60 angeschlossen, während der zentrische Draht 58 über die flexible Leitung 54 mit der isolierten elektrischen Leitung 46 in Verbindung steht. Der zentrische Draht 58 ist mittels einer niedrige Dielektrizitätskonstante aufweisenden keramischen Schaummasse 62 innerhalb der Hülse 60 gehaltert und von der Hülse elektrisch isoliert. Eine Druckdichtung 63 schließt das obere Ende der Hülse 60 ab und verhindert ein Einwirken des in der Leitung 10 wirksamen Druckes auf den Verstärker, da die in dem Verstärker befindlichen elektrischen Bauteile von dem hohen Druck der Leitung ungünstig beeinflußt werden könnten. Die Koaxialleitung 56 ist in dem Gehäuse 24 über 0-förmige Dichtungsringe 64 und 66 befestigt, welche die Leitung gegenüber dem Gehäuse isolieren. Die Leitung 56 ist im übrigen von dem Gehäuse 24 auf ihrer gesamten Länge durch einen schmalen Luftspalt getrennt. Durch diese Konstruktion wird erreicht, daß beide Verbindungen zu dem Kristall über dem Erdpotential betrieben werden können, was wünschenswert ist, wenn zur Auswertung der vom Kristall abgenommenen Signale ein sogenannter Bootstrap-Verstärker verwendet wird. Die Ausnehmung, durch welche die Koaxialleitung 56 hindurchgeführt ist, weist eine akustisch dämpfende Auskleidung 67 auf, welche zur Abschwächung

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von Schockimpulsen dient, die von dem Gehäuse 24 auf die Leitung 56 übertragen werden könnten. Die sich durch das Gehäuse 24 hindurchbewegenden Impulse bewirken zwar eine kleine Verschiebung der Auskleidung 57, doch werden die Impulse auf Grund der schlechten Kopplung über den Luftspalt zwischen der Hülse 60 und der Auskleidung 67 nicht auf die Hülse 60 übertragen. Die Auskleidung 67 kann außerdem gegenüber dem Verstärker elektrisch geerdet sein, so daß eine elektrische Abschirmung der Leitung 56 erreicht wird.

Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist darin zu sehen, daß der piezoelektrische Kristall 30 so betrieben wird, daß sich ein optimales Ausgangssignal ergibt. Die Art und Weise der Betätigung des Kristalls bei einem Einfall der Wellen aus Richtungen, die einen Winkel von l80 gegeneinander einschließen, wird unter Bezugnahme auf Figur 4 der Zeichnungen näher erläutert. Der piezoelektrische Kristall wird aus Quarz hergestellt und wird quaderförmig ausgeschnitten. Auch andere Kristalle, welche die nachfolgend angegebenen Eigenschaften zeigen, können verwendet werden. Der Kristall hat drei zueinander senkrecht stehende Achsen, welche den beim Auftreffen eines Schockimpulses von dem Kristall erzeugten Spannungen zugeordnet sind. Die beiden Achsen, längs welchen Signalspannungen erzeugt werden, sind mit X und Y bezeichnet. Die dritte Achse ist die Z-Achse, welche senkrecht zu der Zeichenebene von Figur 4 der Zeichnungen gerichtet ist. Die

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längs der X-Achse und der Y-Achse erzeugten Spannungen entsprechen jeweils der innerhalb des Kristalles herrschenden Druck- oder Zugspannung "bzw. der innerhalb des Kristalles herrschenden Scher spannung, obgleich nicht samt Ii ehe" Erregungsmöglichkeiten des Kristalles Verwendung finden. Beispielsweise erzeugt ein Druckimpuls, welcher in Richtung der X-Achse durch den Kristall läuft, eine Signalspannung längs der X-Achse. Diese Spannung kann mittels elektrischer Anschlüsse abgeleitet werden, welche Verbindung mit den Flächen 70 und 72 haben. Ferner ist es eine charakteristische Eigenschaft solcher Kristalle, daß eine Druckwelle, welche in Richtung der Y-Achse durch den Kristall läuft, eine Spannung längs der X-Achse erzeugt, die vorzeichenmäßig entgegengesetzt zu der Spannung ist, die von einer^: sich längs der X-Achse durch den Kristall bewegenden Druckwelle ^: hervorgerufen wird. Wird daher der Kristall einem hydrostatischen Druck ausgesetzt, welcher sowohl längs der X-Achse als auch längs der Y-Achse laufende Druckimpulse verursacht, so versteht es sich, daß das Spannungs-Ausgangssignal des Kristalles längs der X-Achse gleich Null ist»

Außerdem spricht der Kristall auf Scherspannungen, um die Z-Achse an. Seherspannungen um die Z-Achse treten beispielsweise auf, wenn Kräfte in Richtung der Diagonalen mit Bezug auf die Darstellung des Kristalles nach Figur wirken. Ein auf ein Paar diagonal gegenüberliegender Ecken des Kristalls wirkender Druck erzeugt eine Spannung längs

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der Y-Achse. Ein entsprechender, auf das jeweils gegenüberliegende Paar diagonaler Ecken wirkender Druck ruft eine gleiche, jedoch in ihrem Vorzeichen entgegengesetzte Spannung längs der Y-Achse hervor. Diese Spannungen können durch elektrische Kontakte abgenommen werden, die mit den Flächen 74 und 76 verbunden sind.

Aus Obigem ergibt sich, daß eine auf den Kristall treffende Druckwelle, welche auf dem Weg P unter einem bestimmten Winkel zur Y-Achse eintrifft, sowohl eine Scherspannungswelle als auch eine Druckspannungswelle hervorruft, die durch den Kristall hindurchlaufen und entsprechende Ausgangsspannungen sowohl längs der X-Achse als auch der längs der Y-Achse hervorrufen. Diese Spannungen können abgenommen werden, indem man Elektroden an die Flächen 70, 72, 74 und anlegt.

Mit dem Buchstaben W ist ein Schockimpuls bezeichnet, welcher unter einem kleinen Winkel auf den Kristall trifft. Dieser Sehockimpuls möge den Kristall zu der Zeit t^ erreichen. Zu der Zeit t₂ hat sich die Impulswelle um ein endliches Stück in dem gasförmigen Medium,innerhalb welchem der Kristall angeordnet ist, fortbewegt. Die Stellung der Druckwelle zu der Zeit tp ist in der Zeichnung in etwas vorgerückter Lage angegeben. Die Druckwelle ist auch in dem Kristall unter einem kleinen Winkel zu dem zwischen den

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Druckimpulsquellen verlaufenden Weg P vorgerückt, wie durch die in unterbrochener Linie eingezeichnete Diagonale angedeutet ist. Der Vorgang ist hierbei ähnlich der Brechung von Licht beim Durchgang von einem Medium in ein anderes und beruht auf der Tatsache, daß die Geschwindigkeit des Impulses in dem Kristall größer als in dem gasförmigen Medium ist. Der Impuls hat daher an der Fläche 72 den Kristall bereits vollständig durchlaufen, während er an der Fläche 70 soeben erst in den Kristall eintritt. Bei dieser besonderen Lage des Impulses wird sowohl längs der X-Achse entsprechend der Druckspannung als auch längs der Y-Achse entsprechend der Schubspannung ein Ausgangssignal beobachtet. Berechnet man den Einfallswinkel, bei welchem eine solche Lage des Schockwellenimpulses in dem Kristall zustande kommt, so ergibt sich, daß sich der Sinus des Winkels folgendermaßen ausdrücken läßt:

smoi =

. 0

worin d und c die in Figur 4 der Zeichnungen angegebenen Abmessungen des Kristalls bedeuten. Für einen Quarzkristall, der in der Umgebung natürlichen Gases betrieben wird und dessen Abmessungen durch c = 0,228 cm und d = 0,152 cm gegeben sind, ergibt sich für den Winkel o£ ein Wert von etwa 3

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Bei Versuchen hat sich herausgestellt, daß das Ausgangssignal eines Kristalls mit untereinander verbundenen Elektroden bei Erregung unter einem Winkel von 3° zweifach größer als das Ausgangssignal ist, welches erhalten wird, wenn ein Impuls gleicher Stärke den Kristall unmittelbar entweder längs der X-Achse oder der Y-Achse trifft. Die Anstiegszeit bleibt jeweils gleich. Ein direktes Auftreffen eines Impulses längs der Achsen unter der Bedingung 06 = 0° führt zu einer einfachen Druckwelle in dem Kristall und es ergibt sich kein auf einer Scherspannungswelle beruhendes Ausgangssignal, so daß ein kleineres zusammengesetztes Signal an den Elektroden auftritt. Eine Erhöhung des Winkels oC bis auf 10° ergibt auch ein Ausgangssignal, welches größer ist als bei C^ = 0°, was offenbar auf dem Vorhandensein sowohl von Scherspannungswellen als auch von Druckwellen beruht. Das Ausgangssignal fällt jedoch bei einem Winkel von über rasch ab. Die angegebene Formel für sin06 liefert daher den annähernden Winkel, unter welchem der Schockimpuls auf den Kristall treffen soll, um ein optimales Ausgangssignal hervorzurufen.

Selbstverständlich ist es von wesentlicher Bedeutung, daß die richtigen Paare ~von an dem Kristall anliegenden Elektroden zusammengeschlossen werden. Beispielsweise müssen die beim Auftreffen einer Druckwelle auf den Kristall positiv geladenen, normal zur X-Achse bzw. zur Y-Achse orientierten Flächen miteinander verbunden und die beim Auftreffen

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einer Druckwelle auf den Kristall negativ geladenen, senkrecht zu der X-Achse bzw. der Y-Achse orientierten Flächen zusammengeschlossen werden.

Würde ein Schockimpuls auf diejenige Ecke des Kristalls auftreffen, welche den Kristallflächen 70 und 74 gemeinsam ist, so würde die hierbei entstehende Scherspannungswelle eine Spannung erzeugen, die genau entgegengesetzt zu der Spannung ist, die von einem Schockimpuls entsprechend Figur 4 der Zeichnungen längs der Y-Achse hervorgerufen wird. Ist also der Kristall so ausgerichtet, daß eine Druckwelle auf die den Kristallflächen 70 und 74 gemeinsame Kante des Kristalls trifft, wobeiod= 3° sei, so wird das maximale Ausgangssignal erhalten, indem die an den Flächen 70 und 74 anliegenden Elektroden zusammengeschlossen und die an den Flächen 72 und 76 anliegenden Elektroden miteinander verbunden werden. Ohne eine solche Umschaltung der Verbindung der Oberflächen wären die von der Druckspannung und die von der Scherspannung herrührenden elektrischen Spannungen in Gegenphase und der zusammengesetzte Ausgang wäre im wesentlichen Null.

Es ist darauf hinzuweisen, daß die zur Ausnützung der geeigneten Richtungen der Spannungen zusammenzusehaltenden Flächen die gleichen für beide Richtungen sind, aus welchen

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Impulse, die längs des Weges P laufen, auf den Kristall auftreffen. Dies beruht auf der Tatsache, daß die Scherspannungswelle in dem Kristall dieselbe innere Verzerrung erzeugt, wenn die diagonal gegenüberliegende Ecke des Kristalls von der Druckwelle getroffen wird. Das Ansprechen des Kristalles bleibt daher gegenüber Schockwellen, die aus um 180° verschiedenen Richtungen auf den Kristall treffen, gleich. Der Einsatz eines erfindungsgemäßen Kristalldetektors mit jeweils einem Paar miteinander verbundener Elektroden ist daher besonders dann sehr vorteilhaft, wenn der betreffende Kristall von Impulsen erregt werden soll, die aus um l80 verschiedenen Richtungen auf den Kristall auftreffen. Um dann für solche Impulse die maximale Ausgangsspannung von dem Kristall abnehmen zu können, ist es nur erforderlich, den Kristall so zu orientieren, daß die Z-Achse normal zu dem Impulsweg gerichtet ist, während die X-Achse oder die Y-Achse die i/inkelsteilung einnimmt, bei welcher an den zusammengeschlossenen Elektroden die optimale Ausgangsspannung abnehmbar ist.

Betrachtet man nochmals Figur 2 der Zeichnungen, so sieht man, daß die elektrisch leitenden Klammern 32 und 34 Berührung mit benachbarten Flächen des Kristalls haben, die jeweils normal zu den apannungsabgebenden Achsen X und Y orientiert sind. Die Klammern 32 und 34 bilden jeweils die Elektroden, welche den für die Abgabe der optimalen Ausgangsspannung zusammenzuschaltenden Kristallflächenpaaren gemeinsam

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sind. Um sicherzustellen, daß den Kristall eine maximale Impulsstärke erreicht, sind die Klammern aus einem bestimmten Werkstoff, beispielsweise aus Aluminium gefertigt, falls als Kristallmaterial Quarz Verwendung findet. Aluminium und Quarz haben annähernd dieselbe spezifische akustische Impedanz und demzufolge werden an der Trennfläche zwischen dem Kristall und den Klammern keine Reflexionswellen erzeugt, wenn eine Druckwelle auf dem Detektor auftrifft. Ferner ist es zweckmäßig, einen Flüssigkeitsfilm, beispielsweise aus Silikonöl, in die Trennfläche zwischen Kristall und Klammer einzubringen, wodurch der Übergang akustischer Energie erleichtert wird. Silikonöl ist deswegen besonders geeignet, da sein niedriger Dampfdruck ein Verdunsten oder Verdampfen verzögert.

Die Klammern haltern den Kristall unter einem Winkeioc mit Bezug auf den Impulsweg P, so daß die optimale Ausgangsspannung abgenommen werden kann, wie unter Bezugnahme auf Figur 4 beschrieben wurde. Da die Laufzeit des Impulses durch jeden Detektor von der Dicke der Klammern und des Kristalls in Richtung des Weges P beeinflußt wird, ist es außerdem zweckmäßig, die Klammern und den Kristall so gleichförmig wie möglich auszubilden, um die Laufzeit Jedes Impulses in dem Detektor zu vergleichmäßigen.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das hier beschriebene und in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr bietet sich dem

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Fachmann eine Vielzahl von .Abänderungsmöglichkeiten und Abwandlungen im Rahmen des der Erfindung zugrunde liegenden Gedankens.

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Claims

Patentansprüche; -

1. Detektor für Schockimpulse, welche sich in einem Medium längs eines bestimmten Weges fortbewegen, gekennzeichnet durch einen piezoelektrischen Kristall (30) mit drei zueinander senkrechten Achsen (XYZ)', wobei längs einer ersten dieser Achsen eine elektrische Spannung abnehmbar ist, die der Druckspannung entspricht, welche von einem sich normal zu einer dritten (Z) der Achsen bewegenden Impuls in dem Kristall erzeugt wird und wobei längs einer zweiten dieser Achsen eine elektrische Spannung abnehmbar ist, die der Scherspannung entspricht, welche von einem sich normal zu der dritten Achse bewegendenlmpuls in dem Kristall erzeugt wird, ferner durch eine Halterung (28,38) zur Befestigung des Kristalls im Impulsweg (P) derart, daß die dritte Achse normal zu dem Impulsweg verläuft sowie durch Einrichtungen (32,34) zur Aufnahme der längs der ersten und der zweiten Achse erzeugten Spannungen beim Auftreffen eines auf dem Impulsweg laufenden Schockimpulses auf den Kristall.

2. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Achse (Y) mit dem Impulsweg (P) einen kleinen Winkel (<* ) einschließt, welcher von dem Verhältnis der Portpflanzungsgeschwindigkeiten des Impulses in dem Medium einerseits und in dem Kristall (30) andererseits abhängig ist.

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3. Detektor nach. Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Kristall (30) im wesentlichen die Gestalt eines Quaders hat, von dessen senkrecht zu der ersten Achse (X) ausgerichteten ersten Paar (70,72) einander gegenüberliegender Kristallflächen eine elektrische Spannung abnehmbar ist, welche zu der von einem Schallimpuls in dem Kristall erzeugten Druckspannung proportional ist und von dessen senkrecht zu der zweiten Achse (Y) ausgerichteten zweiten Paar (74,76) einander gegenüberliegender Kristallflächen eine elektrische Spannung abnehmbar ist, welche zu der von einem Schallimpuls in dem Kristall erzeugten Scherspannung proportional ist, daß ferner der Kristall derart in dem Impulsweg (P) gehaltert ist, daß das zweite Kristallflächenpaar einen Winkel (oC ) mit der Impulswellenfront (W) bildet, welcher abhängig von dem Verhältnis der Fortpflanzungsgeschwindigkeiten des Impulses in dem Medium einerseits und in dem Kristall andererseits gewählt ist, daß weiter ein drittes Paar einander gegenüberliegender Kristallflächen senkrecht zu der dritten Achse und normal zu der Impulswellenfront ausgerichtet ist und daß die genannten Einrichtungen (32,34) zur Aufnahme der vom Kristall erzeugten elektrischen Spannungen je eine erste an jeweils einer Fläche der eine elektrische Spannung darbietenden Kristallflächenpaare angeordnete Elektrode und je eine zweite an der jeweils anderen Fläche der eine elektrische Spannung darbietenden Kristallflächenpaare angeordnete Elektrode aufweist,.

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wobei die ersten Elektroden derart mit den dem jeweils anderen Kristallflächenpaar zugeordneten zweiten Elektroden verbunden sind, daß das von den Elektroden abnehmbare, zusammengesetzte Spannungssignal einer Kombination der in dem Kristall herrschenden Druck- und Scherspannung entspricht.

4. Einrichtung zur Messung eines Gasstromes in einem Ieitungsabschnitt durch Zeitmessung an Schockimpulsen, die von jeweils an den Enden des Leitungsabschnittes gelegenen Druckimpulsgeneratoren erzeugt und längs eines bestimmten gemeinsamen, innerhalb des Gasstromes zwischen den Druckimpulsgeneratoren verlaufenden Weges abwechselnd stromaufwärts und stromabwärts geschickt werden, mit Detektoren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß je einer der Detektoren (3O,3O^f) neben jedem Druckimpulsgenerator (12,12·, 18,18·,20,20',27,27') und jeweils zwischen beiden Druckimpulsgeneratoren liegt und zur Messung der Laufzeit eines sich zwischen den Enden des Leitungsabschnittes (10) bewegenden Impulses dient und daß ferner der piezoelektrische Kristall (30,3O¹) derart in dem Impulsweg (P) gehaltert ist, daß eine empfindliche Achse des Kristalls im wesentlichen parallel zu dem Impulsweg verläuft, so daß den Kristall erregende Druckimpulse aus um 18O° verschiedenen Richtungen auf den Detektor auftreffen.

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5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen jedem Druckimpulsgenerator (12,18,20, 22,12»,18·,20·,22·) und dem jeweils benachbarten Detektor (30,30·) ein Schild (27,27*) angeordnet ist, welcher die Stärke von den Kristall erregenden Impulsen abschwächt, die aus einer der beiden um l80° entgegengesetzten Richtungen auftreffen.

6. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektorkristall (30,30·) gegenüber der die Gasströmung- führenden Leitung (10) mittels einer erschütterungsabsorbierenden Halterung (28,32) befestigt ist, welche elektrisch leitend ausgebildet ist und einen elektrischen Anschluß für den Kristall bildet.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen der ersten Achse des piezoelektrischen Kristalls (30) und dem Impulsweg (P) eine Punktion des Verhältnisses der Portpflanzungsgeschwindigkeiten des Impulses in dem Gas einerseits und in dem Kristall andererseits ist und daß die dritte Achse des Kristalls normal zu dem Impulsweg orientiert ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 7> dadurch gekennzeichnet, daß der Detektorkristall (30) die Form eines quaderförmigen Quarzkristalles mit zu den drei Achsen senkrechten Kristall-

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flächen hat, und daß der Sinus des Winkels zwischen der

genannten ersten Achse und dem Impulsweg dem Ausdruck -rj-——

*c gleich ist, worin d die Dicke längs der ersten Achse, c die

Dicke längs der zweiten Achse und V und V die Gesehwindig-

g c

keiten des Impulses in dem Gas bzw. in dem Kristall bedeuten.

9. Einrichtung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Kristall (30) die Form eines Quaders hat, dessen zweite Achse normal zur ersten und zur dritten Achse orientiert ist, wobei die Achsen senkrecht zu je einem Paar einander gegenüberliegender Kristallflächen (70,72; 74»76) verlaufen und daß der Kristall in dem Impulsweg (P) mittels zweier elektrisch leitender Klammern (32,34) gehaltert ist, welche die gleiche spezifische akustische Impedanz wie der Kristall aufweisen und jeweils zwei verschiedene, benachbarte, senkrecht zur ersten Achse und zur zweiten Achse orientierte Kristallflächen überdecken, so daß das mittels der Klammern von dem Kristall abnehmbare Signal eine Kombination der längs der erregbaren Kristallachsen erzeugten Signale darstellt.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine (32) der Klammern (32,34) an einer fedemd(36,38,41) aufgehängten seismischen Masse (28) befestigt ist, welche den Kristall (30) von Erschütterungen isoliert.

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11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß am Ausgang (20,2O¹) jedes Druckimpulsgenerators (12,12·,18,18',20,20·,22,22») ein Reflektor (22,22·) befestigt ist, welcher erzeugte Schockwellenimpulse auf den gemeinsamen, zwischen den Druckimpulsgeneratoren verlaufenden Weg (P) lenkt.

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