DE1800318A1

DE1800318A1 - Messwertwandler,insbesondere piezoelektrischer Geber fuer die Beschleunigungsmessung

Info

Publication number: DE1800318A1
Application number: DE19681800318
Authority: DE
Inventors: Hatschek Dr Rudolf
Original assignee: Vibro Meter SA
Current assignee: Meggitt SA
Priority date: 1967-10-10
Filing date: 1968-10-01
Publication date: 1969-05-08
Also published as: US3614487A; GB1245118A; CH504000A; AT307087B

Description

Meßwertwandler, insbesondere piezoelektrischer Geber für die Beschleunigungsmessung

Die Erfindung bezieht sich auf einen Meßwertwandler, insbesondere einen piezoelektrischen Geber für die Beschleunigungsmessung, mit einem Genauere", das die Meßelemente aufweist und mit seinem Boden auf dem zu messenden Objekt aufsitzt.

Meßwertwandler, u.zw. sowohl induktive, kapazitive, piezoelektrische als auch sogenannte Widerstandsgeber, werden bekanntlich in den verschiedensten Zweigen der Technik zur Durchführung von Messungen und laufenden Betriebsüberwachungen angewendet, z.B. zur Messung des Druckes und des Druckverlaufes in den Zylindern von Brennkraftmaschinen und

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Kompressoren, zur Beschleunigungsmessung, zur Überwachung von Motoren und Triebwerken usw. Insbesondere hat die ununterbrochene Betriebsüberwachung von Plugzeugtriebwerken mit Hilfe von meist piezoelektrischen Accelerometern Bedeutung erlangt. Die Accelerometer sitzen dabei auf Montageflächen an geeigneten Stellen der Triebwerke und überwachen die im Betrieb auftretenden Schwingungen der Triebwerke.. Dabei sind sie verhältnismäßig hohen Temperaturen von oft mehr als 400° 0 ausgesetzt, welche die Messung, vor allem die Meßgenauigkeit beeinträchtigen. Beispielsweise können piezoelektrische Quarzgeber praktisch nur bis zu einer Temperatur von etwa 400° C verwendet werden, weil bei einer größeren Erwärmung der Quarze die Signale schwach werden. Diese und ähnliche Probleme, die bei Messungen unter höheren Temperaturen auch mit den anderen Geberbauarten auftreten, konnten bisher noch nicht zufriedenstellend gelöst werden. Auch die Anordnung der Geber an der Außenseite der Triebwerke, wo sie der Fahrtluft ausgesetzt sind, oder an einem Zwischenmantel im Sekundärluftstrom des Triebwerkes, hat sich als nicht ausreichend erwiesen.

Die Erfindung beseitigt diese Schwierigkeiten nunmehr in einfacher Weise dadurch, daß im Boden des Gehäuses wenigstens eine nach außen offene Ausnehmung vorgesehen ist. Durch diese Ausbildung des Wandlergehäuses wird die Berührungsfläche zwischen diesem und dem zu messenden Objekt, die für den Wärmeübergang in erster Linie maßgebend ist, wesentlich verkleinert und im Bereich der Ausnehmung durch den von dieser

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gebildeten Luftraum eine Wärmeisolierung erzielt. Bei Anordnung der Ausnehmungen im innenliegenden Bereich der Boden-. fläche des Gehäuses erfolgt außerdem der Wärmeübergang hauptsächlich in der Nähe des Außenmantels des Gehäuses, welcher bei der meist gewählten Anordnung des Meßwertwandlers im Luftstrom gut gekühlt wird. An der Übergangsstelle zwischen dem Meßobjekt und dem Meßwertwandler tritt daher ein Temperaturabfall auf, so daß eine zu große Erwärmung der Meßelemente vermieden wird.

TJm den durch die Ausnehmungen bewirkten Temperaturabfall zu vergrößern, können in weiterer Ausgestaltung der Erfindung zusätzlich zu einer oder mehreren im Boden vorhandenen Ausnehmungen Kanäle vorgesehen sein, die von den Ausnehmungen zum Außenmantel des Gehäuses führen. Vorteilhaft sind die Kanäle z.B. als Bohrungen ausgebildet, die sich vom Außenmantel des Gehäuses schräg nach unten zu den Ausnehmungen erstrecken. Die Kanäle, die nach außen zu erweitert sein können, damit die Luft mit möglichst großer Geschwindigkeit durch sie und durch die Ausnehmungen hindurchgeführt wird, bewirken eine Luftströmung durch die Ausnehmungen im Boden des Gehäuses, wodurch eine zusätzliche Kühlwirkung erzielt wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die im Boden des Gehäuses vorgesehenen Ausnehmungen als Nuten oder Rillen ausgebildet, die im Boden z.B. eingefräst sind und bis zum Außenmantel des Gehäuses durchgehen. Dabei können erfindungsgemäß wenigstens zwei Scharen paralleler

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Nuten oder Rillen in gekreuzter Anordnung vorgesehen sein» die den Boden des Gehäuses in gleichmäßig Verteilte flächenstücke unterteilen. Die Nuten oder Rillen sind nicht nur einfach herstellbar sondern verhindern auch eine nachteilige mechanische Schwächung des Gehäusebodens. Vor allem für eine Beschleunigungsmessung muß nämlich der die Beschleunigungs-

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kräfte übertragende Boden des Keßwertwandlers möglichst starr sein, damit dig erhaltenen Meßwerte nicht durch Schwingungen und Durchbiegungen des Bodens oder durch ein thermisches Verziehen desselben beim Erwärmen verfälscht werden. Die durch die gekreuzte Anordnung der Nuten oder Rillen erhaltenen kleinen Flächenstücke stellen auch bei kleiner Wärmeübergangsfläche eine mechanisch starre Abstützung des Meßwertwandlers sicher.

Es ist zwar schon bekannt, bei einer Elektronenröhre mit einer piezoelektrischen druckempfindlichen Fläche diese Fläche durch Hüten in kleine Flächenstücke zu unterteilen, um eine Mehrzahl von unabhängigen piezoelektrischen Einzelelementen zu erhalten. Durch eine solche Röhre soll eine visuelle Darstellung von Ultraschall ermöglicht werden. Gemäß der Erfindung sind dagegen die Hüten oder Rillen in einer mechanischen Übertragungsfläche vorgesehen, die keinerlei piezoelektrische Eigenschaften aufweist, wobei sie lediglich die Aufgabe haben, den Wärmeübergang an dieser Fläche zu verkleinern und eine Kühlung zu,erreichen..

Bei in einem Luftstrom angeordnetem Meßwertwandler kann die Kühlung dadurch weiter verbessert werden, daß die Nuten

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oder Rillen am Rand des Bodens tiefer sind als in der Mitte desselben, wobei ihre Tiefe zumindest in der Nähe des Bandes des Bodens vom Rand gegen die Mitte zu kontinuierlich abnimmt. Die Nuten oder Rillen, die zweckmäßig in Richtung der den Meßwertwandler anströmenden Luft verlaufe», bilden dabei trichterförmige, düsenartig wirkende Banale, welche eine verhältnismäßig große Luftströmung und damit eine entsprechend gute Kühlung sicherstellen. Bei gekreuzter Anordnung mehrerer Scharen paralleler Hüten oder Rillen sind diese vorteilhaft so ausgerichtet, daß bei jeder möglichen Montage des Meßwertwandlers auf der Montagefläche eine Nuten- oder Rillensohar wenigstens annähernd in Strömungsrichtung der den Meßwertwandler umgebenden Luft verläuft.

In der Zeichnung ist die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Pig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Accelerometer in schematischer Darstellung, !ig. 2 dazu eine Draufsicht auf den Boden und. Pig. 3 einen Schnitt nach der Linie III-III in !ig. 2 in ; größerem Maßstab. In !ig. 4- ist die Bodenansicht eines weiteren Ausführungsbeispieles dargestellt, !ig. 5 zeigt einen Schnitt nach der Linie V-Y in !ig. 4 und !ig. 6 veranschaulicht schließlich eine weitere AusbildungsmSglichkeit des Bodens eines erfindungsgemäßen Meßwertwandlers.

Das in !ig. 1 gezeigte Accelerometer besteht aus einem Gehäuse 1 mit einem Hohlraum 2, der durch eine Haube 3 abgedeckt ist. Im Hohlraum 2 befinden sich die Meßelemente, welche aus Piezokristallen £ mit dazwischen angeordneten Elektroden 5

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und 6 bestehen, von denen elektrische leitungen 7 und 8 nach außen geführt sind. Die Meßelemente werden über ein Zwischenstück 9 durch eine schematisch dargestellte Vorspanneinrichtung 10 gehalten, die auf die Piezokristall die erforderliche Yorspannkraft ausübt. . -

Das Gehäuse 1 des Accelerometer ist mit seinem Boden 11 auf einer ebenen Montagefläche 12 befestigt, auf der es mittels Schrauben gehalten ist, die durch die in Fig. 2 gezeigten Bohritagen 13 hindurchgesteckt werden. Um den Wärmeübergang γόη der Montagefläche 12 zum Boden 11 des Gehäuses T möglichst klein zu halten, ist im Boden 11 eine kreisförmige Ausnehmung 14 vorgesehen. Diese bildet einen isolierenden Iiufträum, so daß für eine metallische Wärmeleitung lediglich die aus !ig. 2 ersichtliche, um die Ausnehmung 14 herum liegende Randsone übrigbleibt. Dadurch entsteht an der Übergangsstelle zwischen der Montagefläche 12 und dem Boden 11 des Gehäuses '

ein Temperaturabfall, der in Zusammenwirkung

mit einer anfälligen, den Außenmantel des Gehäuses 1 kühlenden Luftströmung eine zu große Erwärmung der Meßelemente verhindert. '" . "

Wie aus den Fig. 2 und 3 hervorgeht, sind zusätzlich zur Ausnehmung 14 Bohrungen 15 vorgesehen, die vom Außenmantel des Gehäuses 1 schräg nach unten in die Ausnehmung 14 führen und zur Montagefläche 12 unter einem Winkel von ungefähr 50° geneigt sind. Bei Anordnung des Meßwertwandlers im luftstrom tritt die luf-fe in die Bohrungen 15 ein und wird von diesen

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durch die Ausnehmung 14 hindurchgefühlt, so daß eine zusätzliche Kühlung des Bodens 11 des Gehäuses 1 erreicht wird. Die Bohrungen 15 können auch unter.einem beliebigen anderen Winkel gegen die Montagefläche geneigt »ein; sie können auch parallel zu dieser verlaufen und gegebenenfalls gegen die Montagefläche 12 zu offen sein» Ferner können sie in beliebiger Anzahl und in jeder gewünschten Richtung vorgesehen sein. Die ■ in Pig. 2 gezeigte Anordnung von je zwei zueinander senkrechten Bohrungen 15 in jeder Ecke des Bodens 11 hat den Vorteil, daß bei jeder möglichen Montage des Gehäuses 1 auf der Montagefläche 12 jeweils eine Bohrung 15 in jeder Ecke in Richtung der dem Gehäuse 1 entlanggeführten luftströmung verläuft.

Die Fig. 4 und 5 zeigen ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Ausnehmungen im Boden 11 als Nuten 16 ausgebildet sind. Biese sind in den Boden eingefräst und gehen bis zum Außenmantel des Gehäuses 1 durch. Wie aus Eig. 4 zu erkennen ist, sind zwei Scharen paralleler Nuten vorhanden, die einander rechtwinkelig schneiden und von denen in der Zeichnung die eine Schar 16' horizontal und die· andere Schar 16" vertikal eingezeichnet ist. Zwischen den Buten 16 bleiben gleichmäßig verteilte, quadratische oder rechteckige Flächenstücke 17 stehen, mit denen der Boden 11 auf der Montagefläche 12 aufsitzt. Die 3?lächenstücke 17 stellen eine mechanisch starre Kraftübertragung zwischen der Montagefläche und dem Boden 11 des Gehäuses 1 sicher, verhindern Schwingungen und Durchbiegungen des Bodens sowie ein thermisches

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Verziehen beim Erwärmen desselben. Gleichzeitig damit wird durch die Nuten 16 die insgesamt vorhandene Wärmeübergangsfläche auf etwa 20 bis 30 $ der vollen Bodenfläche des Gehäuses 1 herabgesetzt. Die. Nuten 16 ermöglichen ferner einen 3Juftdurohtritt und bewirken dadurch eine gute Kühlung des Bodens 11. Zur Verbesserung des Luftdurchtrittes sind die Nuten 16 am Rand des Gehäuses 1 tiefer ausgebildet als im inneren Bereich des Bodens 11, wobei sie von innen nach außen kontinuierlich tiefer werden. ·

In Fig. 6 ist schließlich ein AuBführungsbeispiel mit dreieckigem Boden 11 des Gehäuses 1 gezeigt, wobei aber die das Meßelement abdeckende Haube 3 zweckmäßig auch hier eine zylindrische Form besitzt, wie gestrichelt angedeutet ist. Das dreieckf Örmige Gehäuse 1 wird auf der zugehörigen Montagefläche mit Hilfe von drei Schrauben befestigt, die durch die Bohrungen 13 hindurohgesteckt werden. Der Boden 11 ist mit Nuten 16 versehen, die in drei Scharen 16», 16", 16'"vorgesehensind. Die Nutenscharen schneiden einander unter einem Winkel von 60°, so daß sie die Bodenfläche in kleine dreieckigf Fläohenstticke 17 unterteilen. Es wird durch diese Ausbildung praktisch der gleiche Effekt erzielt, wie bei der Ausbildung nach den Fig. 4 und 5· Die Anordnung von drei Nutenscharen 16',16", 16«" hat lediglich den Vorteil, daß das Gehäuse 1 in beliebiger Raumlage auf die Montagefläche aufgesetzt werden kann, wobei Jeweils eine der drei Nutenscharen ungefähr in der Strömungsrichtung der dem Gehäuse 1 entlangströmenden luft liegt, so daß ein ausreichender Luftdurchtritt

durch die Nuten 16 gewährleistet ist. .

Patentansprüche s

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Claims

Patentansprüche :

1. Meßwertwandler, insbesondere piezoelektrischer Geber für die Beschleunigungsmessung, mit einem Gehäuse, das die Meßelemente aufweist und mit seinem Boden auf dem zu messenden Objekt aufsitzt, dadurch gekennzeichnet, daß im Boden (11) des Gehäuses (I) wenigstens eine nach außen offene Ausnehmung (14 bzw. 16) vorgesehen ist.

2. Meßwertwandler nach Anspruch 1,. dadurch gekennzeichnet,

daß zusätzlich zu einer oder mehreren im Boden (11) vor- < handenen Ausnehmungen (14) Kanäle vorgesehen sind, die von den Ausnehmungen (14) zum Außenmantel des Gehäuses (1) j

führen, wobei die Kanäle z.B. als Bohrungen (15) ausge- · j bildet sind, die sich vom Außenmantel des Gehäuses (1) schräg nach unten zu den Ausnehmungen (14) erstrecken.

3. Meßwertwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die im Boden (11) des Gehäuses (1) vorgesehenen Ausnehmungen als Hüten (16) oder Rillen ausgebildet sind, die im Boden (11) z.B. eingefräst sind und

bis zum Außenmantel des Gehäuses (1) durchgehen. |

4. Meßwertwandler nach Anspruch 3j .dadurch gekennzeichnet,

daß wenigstens zwei Scharen (16',16" bzw.16^nt) paralleler Nuten (16) oder Rillen in gekreuzter Anordnung vorgesehen sind, die den Boden (11) des Gehäuses (I)- in gleichmäßig verteilte Plächenstücke (17) unterteilen.

5. Meßwertwandler nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hüten (16) oder Rillen am Rand des

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Bodens (11) tiefer sind als in der Mitte desselben, wobei ihre liefe zumindest in der Höhe des Randes des Bodens (11) yom Rand gegen die Mitte au kontinuierlich abnimmt.

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