DE1900970A1 - Piezoelektrischer Druckwandler - Google Patents

Description

Kistler Instrument Corporation I ei U U CJ / Q

Clarence. N.Y., V.St.A.

Piezoelektrischer Druckwandler

Die Erfindung "betrifft einen piezoelektrischen Druckwandler zur Messung von Druckänderungen, welche von extremen Temperaturen "begleitet sind, wie sie beispielsweise in den Zylindern von Brennkraftmaschinen und bei Explosionsversuchen auftreten, und der so konstruiert ist, daß er einerseits auf kurzzeitigen hohen Temperaturstößen und andererseits auf langzeitigen mittleren TemperaturSchwankungen beruhende Ausgangssignale weitgehend unterdrückt.

Piezoelektrische Kristalle erzeugen beim Anlegen einer mechanischen Belastung infolge einer auf den Kristall einwirkenden Kraft eine elektrische Spannung, wobei es gewisse ferroelektrische Kristalle, wie Bariumtitanat, gibt, die auch dann eine Spannung erzeugen, wenn der Kristall einer Temperaturänderung unterworfen wird, während andere Kristalle, wie Quarz, kein temperaturbedingtes elektrisches Signal liefern, solange der Kristall frei bzw. unverspannt ist,' jedoch eine Spannung erzeugen können, wenn sie zwischen Werkstoffen mit anderem Ausdehnungokoeffizienten eingespannt sind und einer Temperaturänderung unterworfen werden. Bei einem in der Praxis anwendbaren Wandler mit flacher Membran kann ebenfrlls eine Ladung erzeugt werden, wenn die Membran infolge eines Temperaturgefälles quer über die Membran-Dicke gewölbt wird. Weitere unerwünschte Ausgangssignale können infolge einer Ausdehnung einer Vor-

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spannhülse oder anderer Bauteile entstehen, wie sie häufig zum Verspannen der piezoelektrischen Kristalle von Wandlern verwendet werden.

Infolge dieser Temperatureinflüsse ist eine genaue Messung des dynamischen Zylinderdrucks einer Brennkraftmaschine sehr schwierig, und zwar insbesondere eine Messung der während des Ausstoß- und Ansaugtakts des Maschinenhubs auftretenden Drucke, die in der Größenordnung von 0,7 kg/cm² liegen und diesen Wert innerhalb einiger weniger Millisekunden im Anschluß an einen Druck von 70 kg/cm oder mehr erreichen, welcher von ELammtemperaturen von etwa 165O⁰C oder mehr begleitet wird.

Es sind bereits Wandler geschaffen worden, bei denen das Meßelement über einen engen Kanal mit dem Zylinderraum verbunden ist, um hierdurch die Temperatureinflüsse auf ein Mindestmaß herabzusetzen. Diese Wandler sind jedoch im allgemeinen unzufriedenstellend, da die Resonanz des Kanals Wellen im Druckdiagramm hervorruft. Wenn das Meßelement darüberhinaus so aufgebaut ist, daß es beim Auftreten von Temperaturänderungen ein Signal abgibt, dann muß damit gerechnet werden, daß die durch die Verdichtung der G-ase im Kanal erzeugte Hitze im allgemeinen ausreicht, eine Verzerrung des Druck-Ausgangssignals hervorsireufen.

Diese und weitere Schwierigkeiten werden durch den speziell zur Verwendung als Brennkraftmaschinen-Druokmesser geeigneten erfindungsgemäßen Wandler ausgeschaltet. Genauer gesagt, schafft die Erfindung eine Anordnung zur Isolierung des piezoelektrischen Elements des Wandlers gegenüber den Temperaturen, so daß kurzzeitige hohe Flammtemperaturen in der Größenordnung von etwa 165O⁰C oder mehr nur einen gerin-

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gen oder gar keinen Einfluß auf das vom Wandler abgegebene Signal haben. Diese Wandlereinheit weist außerdem Elemente mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten zur Gewährleistung langzeitiger Temperaturkompensation auf, die sich speziell zur Verwendung bei piezoelektrischen Materialien, wie Quarz und dgl., eignen, welche mehr als eine elektrisch empfindliche Achse besitzen. Der erfindungsgemäß verbesserte Wandler besitzt gutes Frequenz-Ansprechverhalten, ist leichter bearbeitbar und herstellbar und bietet eine um etwa das Zehnfache höhere Genauigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Geräten zur Messung der Drucke von Brennkraftmaschinen. Der erfindungsgemäße Wandler ver— mag Drucke hinauf bis zu 70 kg/cm und mehr und herab bis zu 0,035 kg/cm unter außerordentlich ungünstigen Temperatur-Umgebungsbedingungen zu messen.

Beim erfindungsgemäßen Wandler wird ein vorgespannter piezoelektrischer Stapel in druckabhängiger Weise durch eine flache Membran beeinflußt, die gegenüber kurzzeitigen hohen Temperaturstößen durch einen Keramikblock o.dgl. Hitzeschild mit niedrigem thermischen Ausdehnungskoeffizienten und geringer thermischer Leitfähigkeit weitgehend isoliert ist. Mit dem Hitzeschild wirkt ein Hitzemantel zusammen, der einen verhältnismäßig schmalen und tiefen Ringspalt zur weiteren Herabsetzung des Temperatureinflusses der auf die Membran einwirkenden Druckgase festlegt. Ein neuartiger Hitzeschildhalter bietet einen abgestuften Bereich am Innenende des Spalts zur weiteren Unterstützung der Kühlwirkung der Gase. Auf diese Weise kann das Außenende des Spalts so weit sein, daß es in Verbindung mit dem den Hitzeschild bildenden Keramikmaterial ein schnelles Abbrennen aller Kohleablagerungen gewährleistet, die sich anderenfalls ansammeln und den Betrieb des Wandlers nachteilig beeinflussen können.

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Außerdem wird bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Langzeit-Temperaturkompensation durch Abstimmung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der verschiedenen Bauteile der Vorrichtung in der Weise gewährleistet, daß eine entsprechende Belastung längs einer zweiten Aktivachse des piezoelektrischen Materials ausgeübt wird, bei . welchem es sich beispielsweise um einen längs der X-Achse geschnittenen Quarzkristall mit zwei senkrecht zueinander stehenden elektrischen Achsen zusätzlich zur dritten, neutralen bzw. optischen Achse handeln kann. Auf diese Weise wird langfristigen Temperatureinflüssen, die anderenfalls ein unerwünschtes Ausgangssignal infolge von mechanischen ψ Beanspruchungen längs der ersten Achse hervorrufen können, entgegengewirkt und werden diese Einflüsse dadurch auf Null herabgedrückt, daß dieser gleiche langfristige Temperaturaufbau Spannungen an den Kristallen längs der zweiten Achse erzeugt, wodurch dieser langfristige Einfluß unterdrückt wird.

Aufgabe der Erfindung ist mithin in erster Linie die Schaffung eines verbesserten, temperaturunempfindlichen piezoelektrischen Wandlers, der sich speziell zur Messung von Druckänderungen eignet, die von extremen Temperaturen begleitet sind. Insbesondere betrifft die Erfindung die Schaffung eines Druckmessers, der speziell für die Messung von Drucken in Brennkraftmaschinen und bei Explosionen geeignet ist.

Darüberhinaus beschäftigt sich die Erfindung mit der Schaffung eines piezoelektrischen. Wandlers, der sowohl kurzfristige Temperaturunabhängigkeit als auch langfristige Temperaturkompensation besitzt, und der sich speziell für Meßgeräte zum Messen der in Brennkraftmaschinen auftreten-

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den Drucke eignet, und zwar insbesondere der in der Brennkraftmaschine während des Ausstoß- und Ansaugtakts des Hubs auftretenden Drucke sowie der vorangehenden höheren Masohinendrucke.

Im folgenden ist die Erfindung in Verbindung mit bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen näher erläutert, Ds ζeigent

Pig. 1 eine teilweise im Schnitt dargestellte Seitenansicht eines Druckwandlers mit den Merkmalen der Erfindung,

Pig.1A eine in vergrößertem Maßstab gehaltene Schnittansioht des linken Endes des Wandlers gemäß Pig. 1,

Fig. 2 eine Fig. 1 ähnelnde, teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht zur Veranschaulichung der einen Teil des Wandlers gemäß Pig. 1 bildenden vorgespannten Quarz-Unterbaugrupp e,

Pig. 3 eine Stirnseitenansicht eines Endstücks für die Unterbaugruppe gemäß'Pig. 2, in vergrößertem Maßstab,

Pig. 4 eine Seitenansicht des Endstücks gemäß Pig. 3»

Pig. 5 eine Stirnseitenansioht des einen !Eeil des Wandlers gemäß Pig. 1 bildenden Hitzeschildhalters,

Pig. 6 einen Schnitt durch den Hitzesohildhalter gemäß Pig. 5,

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Fig. 7 eine Stirnseitenansicht des "beim Wandler gemäß Mg. t vorgesehenen Keramik-Hitzeschilds,

Pig. 8 eine Seitenansicht des Hitzeschilds gemäß Pig. 7,

Pig. 9 einen Schnitt durch einen den Wandler gemäß Pig. 1 vervollständigenden Hitzemantel,

Pig. 10 eine Stirnseitenansicht des Hitzemantels gemäß . 9,

^ Pig.11 eine Seitenansicht eines beschleunigungskompensier-

ten Quarzkristallstapels zur Verwendung "beim Druckwandler gemäß Pig. 1»

Pig.12 eine Stirnseitenansicht des Quarzstapels gemäß Pig. 111

Pig. 13 eine Stirnseitenansicht der einen $eil des Quarzstapels gemäß den Pig. 11 und 12 bildenden seismischen Masse,

Pig. H eine Seitenansicht der seismischen Masse gemäß Pig. 13 und

Pig. 15 eine Stirnseitenansicht einer der beim Quarzstapel gemäß .den Pig. 11 und 12 vorgesehenen Goldelektroden.

Gemäß den Pig. 1 und 2 weist der erfindungagemäße piezoelektrische Druckwandler 10 eine leitfähige, metallische Basis 12 auf, in deren einem Ende eine Ausnehmung H vorgesehen ist. In diese Ausnehmung H ist mit Reibsitz ein

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Koaxialanschluß 16 eingesetzt, der vorzugsweise einen äuiieren Flansch. !8 aufweist, welcher durch lichtbogenschweißung mit dem hinteren Ende der Basis 12 verbunden und an seinem Vorderende mit einem Zapfen 20 versehen ist. Der Zapfen 20 ist um das eine Ende einer Leitung 22 herumgewürgt, über welche die vom Wandler abgegebenen Signale abgenommen werden können. Der andere Pol des Wandler-Ausgangs liegt an der geerdeten Basis 12, die mit einer zentralen Bohrung 24 versehen ist, in welche der Zapfen 20 hineinragt und welche außerdem einen hohlen, kreisförmigen Querschnitt besitzenden Isolator 26 aufnimmt, der die beiden Pole des Wandlerausgangs elektrisch voneinander isoliert.

Die zentral in der Baeis 12 ausgebildete, erweiterte Bohrung 24 kommuniziert mit einer dünneren Bohrung 28 zur Aufnahme eines zweiten hohlen zylindrischen Isolators 30, welcher die Leitung 22 umschließt. Die Isolatoren 26 und bestehen vorzugsweise aus dichtem Aluminiumoxyd (98$

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mit einem spezifischen Widerstand von 10 ^J 0hm bei 300 C. Beide Isolatoren sind bei $2 (Fig. 2) mit Hilfe eines isolierenden KLebmittels, wie eines Epoxyharzes, miteinander und mit der Basis 12 verbunden.

Auf die Basis 12 ist über eine kleineren Durchmesser besitzende Schulter 34 ein metallisches Gehäuse 36 aufgesetzt, das vorzugsweise aus Invar besteht und einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von ,weniger als 1:1.000.000 ^e Grad Celsius besitzt. Das Gehäuse 36 ist vorzugsweise an einer in Fig. 1 angedeuteten Schweißnaht 38 durch Lichtbogenschweißen an der Basis 12 befestigt. An der Basis 12 ist außerdem eine vom Gehäuse 36 umschlossene Vorspannhülse 40 befestigt, die vorzugsweise ebenfalls aus Invar besteht und einen Quarzscheibenstapel 42 umschließt, der schicht-

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artig zwischen das Außenende der Basis 12 und eine flache, aus Vollmaterial bestehende, zylindrische Temperatur-Kompensationsplatte 44 eingesetzt ist. Gemäß Pig. 2 wird diese Unterbaugruppe durch eine flache, aus Vollmaterial bestehende, zylindrische Pufferplatte 46, ein Keramikstück 48» das ebenfalls aus Vollmaterial besteht, und ein Endstück 50 vervollständigt. Die Vorspannhülse 40 ist an beiden Enden offen, weist jedoch an ihrem einen Ende einen einwärts herumgezogenen ringförmigen Flansch 52, welcher das Endstück5O an seinem einen Ende umgreift, und an ihrem anderen

^ Ende einen auswärts abstehenden, verdickten Flansch 54 auf. Die Vorspannhülse 40 kann gespannt werden, indem ein entsprechendes Werkzeug am verdickten Flansch 54 angesetzt wird, so daß der Quarzscheibenstapel 42 dadurch unter eine mechanische Vorspannung gelangt, daß er zwischen der Kompensationsplatte 44 und dem Außenende der Basis 12 zusammengedrückt wird. Die Vorspannhülse 40 ist vorzugsweise mittels einer Vielzahl von umfangsmäßig auf Abstände verteilten Punkt schweißungen 5⁸ mit der Pufferplatte 46 und an zwei Stellen durch ringförmige, voneinander entfernte Reihen von Punktschweißungen 60 und 62 mit der Basis 12 verschweißt. Jede der ringförmigen, Abstand voneinander besitzenden Reihen von Punktschweißungen 56, 5⁸» 60 und 62

) enthält vorzugsweise jeweils zwölf Schweißstellen, die auf gleiche Winkelabstände um den Umfang der Vorspannhülse 40 herum verteilt sind. Zur Herabsetzung von Spannungen sind diese Schweißstellen vorzugsweise auf die in Fig. 3 der USA-Patentschrift 3 351 787 dargestellte Weise in einander abwechselnder Folge ausgebildet.

Am Ende des Gehäuses 36 ist durch Punktschweißen eine vollständig flache, kreisförmige Metallmembran 64 befestigt, die vorzugsweise mittels einer durchgehenden Schweißnaht

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66 auf einem Durchmesser von 5,385 mm am Ende des Gehäuses angeschweißt ist. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besitzt diese Membran einen Durchmesser von 5,94 mm und besteht aus geglühtem Invar mit einer Dicke von 0,076 mm. An der Metallmembran ist wiederum durch Punktsehweißung bei 68 ein Hitzeschildhalter 70 von im wesentlichen napfförmiger Konfiguration befestigt, dessen Außenkante bei 72 in eine Nut 74 in einem aus Keramik bestehenden Hitzeschild 76 hineingewürgt ist. Um den Keramik-Hitzeschild 76 herum ist ein durch einen Hingspalt 78 davon auf Abstand gehaltener Hitzemantel 80 angeordnet, der einen rückwärts abstehenden, bei 84 durch Punktschweissung am geglühten Invar-Gehäuse 36 befestigten Ringflansch 82 aufweist, wobei vorzugsweise zwölf auf gleiche Abstände um den Durchmesser herum verteilte Punkt schweißungen 84 vorgesehen sind. Andererseits ist der Hitzeschildhalter 70 vorzugsweise mittels insgesamt sechzehn Schweißstellen, die auf gleiche Winkelabstände voneinander verteilt auf einem Durchmesser von 3,2 mm liegen, an der Metallmembran 64 angeschweißt .

Die Pig. 3 und 4 sind in vergrößertem Maßstab gehaltene Ansichten des Endstücks 50 gemäß Pig. 2. Das Endstück 50 weist ein erweiteites Ende 86, das gemäß Fig. 2 an der Vorspannhülse 40 angreift, sowie ein dünneres Ende 88 auf, welches die Bohrung der Vorspannhülse 40 durchsetzt und vom erweiterten, einwärts herumgezogenen Plansch 52 der Hülse umschlossen ist. Diese beiden Enden des Endstücks Bind durch eine kleine Nut 90 voneinander getrennt. Das Endstück 50 besteht vorzugsweise aus geglühtem Invar und besitzt vorzugsweise einen Gesamt-Durchmesser von 4,01 mm und eine Gesamtdicke von 0,76 mm.

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Die Pig. 5 und 6 zeigen in vergrößertem Maßstat) den Hitzeschildhalter 70 gemäß Pig. 1, der vorzugsweise ebenfalls aus geglühtem Invar besteht und eine Basis 94, die gemäß Pig. 1 durch Punkt schweißung an der Metallmembran 64 befestigt ist, sowie einen Ringflansch 96 aufweist, der anfänglich gerade ist, jedoch mit Hilfe eines entsprechenden Werkzeugs auf die ebenfalls in Pig. 1 dargestellte Weise in die Nut 74 des Hitzeschilds 76 eingewalzt wird. Der Hitzeschildhalter 70 besitzt bei der dargestellten Ausführungsform einen Gesamt-Durchmesser von 3,94 mm und von Basis zur Außenkante des Ringflansches 96 ψ eine Gesamtlänge von 1,42 mm.

Die Pig. 7 und 8 veranschaulichen vergrößerte Ansichten des Hitzeschilds 76 gemäß Pig. 1. Der Hitzeschild 76 ist mit der bereits erwähnten Nut 74 und einer unter einem Winkel von 45° abgeschrägten Innenkante 98 versehen und besteht vorzugsweise aus einem Keramikmaterial, das unter der Bezeichnung "Cordierite-Gemisch" No. DC65E118 von der Pirma Du-Co Ceramics Company hergestellt wird. Er besitzt bei der bevorzugten Ausführungsform einen Gesamt-Durchmesser von 3,71 mm, eine Gesamtlänge von 2,35 mm und einen Durchmesser an der Sohle der Nut 74 von 3ι45 mm.

Die Pig. 9 und 10 sind in vergrößertem Maßstab gehaltene Ansichten des Hitzemantels 80 gemäß Pig. 1. Der Hitzemantel 80 besteht vorzugsweise aus geglühtem Invar und weist an seinem einen Ende eine weitere Bohrung 102 auf, di-e bei auf einen kleineren Durchmesser abgestuft ist und mit einer kleineren Bohrung 106 am anderen Ende des Hitzemantels 80 kommuniziert. Bei der bevorzugten Ausführungsform beträgt der Durchmesser der Bohrung 106 4,14 mm» während der Durchmesser bei 104 5,46 mm und der Durchmesser der Bohrung

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6,04- mm beträgt. Der Gesamt-Durchmesser des Hitzemantels 80 beträgt vorzugsweise 6,33 mm und seine Gesamtlänge beträgt vorzugsweise 5,08 mm. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist die Bohrung 102 2,54 mm lang, während die Stufe 104 0,13 mm lang ist.

Die Pig. 11 und 12 sind vergrößerte Ansichten des Quarzsoheibenstapels 42 gemäß Fig. 2. Dieser Stapel ähnelt in mancher Beziehung dem Stapel gemäß der USA-Patentschrift 3 349 259, weshalb bezüglich einer genaueren Erläuterung seiner Punktion und seines Aufba.ua auf diese Patentschrift verwiesen wird. Kurz gesagt, besteht der Quarzscheibenstapel 42 aus einer Anzahl von Quarzkristallscheiben, beispielsweise vier Quarzscheiben 110, 112, 114 und 116, sowie einer in den Pig. 13 und 14 näher veranschaulichten seismischen Masse 118.

Über einigen und zwischen anderen Quarzscheiben sind Abstand voneinander besitzende Elektroden 120, 122, 124 und 126 (Pig. 11) angeordnet, von denen eine in Pig. 15 näher dargestellt ist. Diese Elektroden bestehen vorzugsweise aus geglühtem Gold mit einer Reinheit von 99,9$ und weisen jeweils eine zentrale Bohrung 128 und zwei nach außen abstehende Lappen 130 auf, welche bei der Anordnung gemäß Pig. 11 herumgebogen sind und unter Bildung von elektrischen Anschlüssen längs der Seiten des Stapels verlaufen. Die seismische Masse ist mit einer Gegenbohrung 132 versehen und besitzt im wesentlichen zylindrische Gestalt, weist jedoch vier abgeflachte Seitenkanten 134, 136, 138 und 140 auf. Die seismische Masse 118 besteht vorzugsweise aus einem Schwermetall, wie Wolfram, und besitzt bei der bevorzugten Ausführungsform einen Gesamt-Außendurchmesser von 3,76 mm, während der Abstand zwischen den einander ge-

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gegenüberliegenden Flaohseiten 3_f45 ram beträgt. Die leitung 22 durchsetzt die Bohrung 128 in der Elektrode 126 sowie eine entsprechende Bohrung in der Quarzsoheibe 116 und ist in die Gegenbohrung 132 der seismischen Masse 118 eingeschweißt. Die lappen 130 der Elektroden 120, 124 und 126 sind bei 139 (Fig. 11) miteinander verschweißt, so daß sie im Zusammenbauzustand gemäß Fig. 2 mit der leitfähigen Basis 12 in elektrischem Kontakt stehen, während die entsprechenden lappen 130 der Elektrode 122 um 90° gegenüber den anderen Lappen versetzt und bei 141 mit dexiselsmischen Masse 118 verschweißt sind. Die miteinander verbundenen tappen 130 der Elektroden 120, 124 und 126 sind von der seismischen Masse 118 durch ein flaches, rechteckiges Isolierstüok 142 getrennt.

Wie in der genannten USA^-Pat ent schrift 3 349 259 näher erläutert 1st, sind die Bauteile des Quarzsohelbenstapels 42 so gewählt, daß eine Besohleunigungskompensation stattfindet. Zu diesem Zweck 1st die Quarzsoheibe 116 entgegengesetzt wie die eine der drei anderen Quarzsoheiben 110, 112 oder 114 gepolt, so daß sie die von dieser abgegebene Spannung kompensiert. Hierzu eind die Quarzsoheiben so angeordnet, daß sie an ihren einander gegenüberliegenden Fläohen Ladungen der in der Zeiohnung angedeuteten Polarität erzeugen. Die insgesamt abgegebene Spannung entspricht also nur der von zwei Quarzsoheiben abgegebenen Spannung, da die von der dritten Quarzsoheibe abgegebene Spannung durch die von der vierten Saheibe abgegebene Spannung kompensiert wird. Infolge der ewisohengefügten, nur auf die Quarzsoheibe 116 einwirkenden seismischen Ilasse unterdrückt diese Quarzaoheibe vollständig alle auf Beschleunigungskraften beruhenden, unerwünschten Bpannungs-8ignale von alltn anderen drtl Quarzsoheiben. Die insgesamt abgegebene Spannung

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wird von der elektrisch leitfähigen seismischen Masse mittels der Leitung 22 abgenommen, wobei der andere, vorzugsweise geerdete Pol des Ausgangs über die Elektrode 126 und die leitfähige Basis 12 gemäß Pig. 1 abgenommen wird.

Im folgenden Bind die Funktionen der verschiedenen Bauteile anhand der Fig. 1 und 2 näher erläutert. Obgleich bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein beschleunigungskompensierter piezoelektrischer Scheibenstapel dargestellt und beschrieben ist, riohtet sich die Erfindung in erster Linie auf die Unterdrückung von Temperatureinflüssen, so daß auch andere Arten von piezoelektrischen Kristallanordnungen angewandt werden können.

Wie erwähnt, ist gemäß Fig. 2 aus einem noch näher zu erläuternden Grund eine Temperatur-Kompensationsplatte 44 für langfristige Temperaturkompensation vorgesehen. Als Pufferplatte 46 dient eine starre bzw. steife Platte, an deren Umfang die Vorspannhülse 4Q angeschweißt ist. Wie ebenfalls noch näher erläutert werden wird, ist der Ausdehnungskoeffizient der Pufferplatte 46 für die langfristige Temperaturkompensation von Bedeutung. Das zylindrische Keramikstüok 48 besitzt geringe Ausdehnung, geringe Maese und schlechte Leitfähigkeit und dient dazu, die Isolierung des Fühlers des Wandlers gegenüber der Hitze zu verbessern. Das Endstüok 50 bewirkt zusammen mit der Vorspannhülse 40, daß auf die piezoelektrischen Kristalle eine Vorbelastung in Form einer Quttsohkraft ausgeübt wird, durch welohe die einzelnen Bauteile verklemmt und gegen die Basis 12 verspannt werden*

Normalerweise würde man daran denken, die kombinierte

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temperaturabhängige Längenänderung des QuarzScheibenstapels 42, der Pufferplatte 46, des Keramikstüoks 48 und des Endstücks 50 so einzustellen, daß sie der Längenänderung der Vor spannhülse 40 entspricht, so daß bei einer Temperaturänderung die Gesamtänderung der vom piezoelektrischen Stapel abgegebenen Spannung gleich Null ist. Diese herkömmliche Anordnung hat jedoch den bedeutsamen Nachteil, daß bei einer auf das Endstück 50 oder die Vorspannhülse 40 einwirkenden schnellen Temperaturänderung ein Signal erzeugt wird, da sich die Vorspannhülse ausdehnt und hierbei die auf die Quarzkristalle ausgeübte Kraft verändert, " bevor die Ausdehnung der anderen, mehr zentral gelegenen Bauteile diese Änderung kompensieren kann.

Erfindungsgemäß erfolgt die Anpassung der Längenänderung jedoch nicht auf herkömmliche Weise, vielmehr sind die Vorspannhülse 40 und das Endstück50 aus Invar hergestellt, so daß sie sich bei sohnellen Temperaturänderungen nur ganz minimal ausdehnen, während das Keramikstück 4⁸ aus "Cordierite" besteht, welches geringe thermische Ausdehnung und außerdem auch eine schlechte thermische Leitfähigkeit besitzt. Auf diese Weise gewährleistet das erfindungsgemäße Meßelement, daß bei sohnellen Temperaturänderungen fc keine Spannung abgegeben wird, während es andererseits ohne die auf noch zu beschreibende Weise gewährleistete langfristige Kompensation beim Auftreten einer lang anhaltenden Temperaturänderung eine beträchtliche Spannung liefern würde.

Zur Vermeidung von langfristigen Temperaturänderungen wird ein piezoelektrischer Kristall mit zwei senkrecht zueinander Btehenden Achsen, beispielsweise ein längs der X-Achse geschnittener Quarzkristall, verwendet. Eine dieser Achse,

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nämlich die als X-Achse bezeichnete Achse, fällt mit der Längsachse 150 des Wandlers zusammen, während die als Y-Achse "bezeichnete andere elektrisch aktive Achse senkrecht zur Längsachse 150 des Wandlers steht. Infolge der beiden Aktivachsen erzeugt jede Druckkraft längs der Y-Achse eine Spannung, weihe der durch eine Druckkraft längs der X-Achse erzeugten*«* Spannung gleichwertig ist, jedoch die entgegengesetzte Polarität wie diese besitzt.

Ein herkömmliches Verfahren zur Verringerung der SpannungB-abgabe beim Auftreten von Temperaturänderungen besteht darin, für das mit der ausgewählten Quarzfläohe in Berührung stehende Material einen Stoff zu verwenden, dessen Ausdehnungskoeffizient praktisch gleich dem Ausdehnungskoeffizienten längs der Y-Achse des Quarzes ist. Wie vorher in Verbindung mit der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beschrieben, sind die Werkstoffe der Vorspannhülse und der anderen Bauteile speziell bo ausgewählt, daß sie minimale Ausdehnung anstelle einer angepaßten Ausdehnung gewährleistenj so daß sich eine bestimmte Ausgangsspannung aus Beanspruchungen längs der 2>Aohee infolge von langfristigen Temperaturänderangöü ergib·';» Siessr Erscheinung wird erfindungsgemäß dadurch eatgegen&*iir.'vätf daß eine (Jegendruckkraft auf der querverlauf enden X-Achse auegeübt wird. Wenn eine Anzahl geeigneter Werkstoffe mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten eur Verfügung stehen, kann ersichtlicherweiee ein bestimmter Werkstoff für die eine Queraußdehnung gewährleistende lemperatur-Kompeneationsplatte 44- ausgewählt werden. In der Praxis belltet jedoch jeder einzelne Wandler ein etwas anderes Anepreohverhalten, so daß die Materialnuewahl »ohwierig und eeitraubend wird. Sine Lösung dieser Schwierigkeit bepteht darin, der Kompensationsplatte 44 tatsäohliah einen veränderlichen

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Bereich, von thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu verleihen. Dies geschieht durch Ausbildung der Pufferplatte 46 aus einem Werkstoff mit niedrigerem Ausdehnungskoeffizienten als dem des piezoelektrischen Kristalls und Auswahl der Kompensationsplatte 44 aus einem Werkstoff mit höherem Ausdehnungskoeffizienten oder umgekehrt. Durch Änderung der Dicke der Kompensationsplatte 44 kann dann der effektive Ausdehnungskoeffizient der mit den piezoelektrischen Kristallen in Berührung stehenden Fläche veranlaßt werden, sich stärker oder weniger stark zu ändern als derjenige des Kristalls, so daß auf den Kristallstapel entweder eine Zug- oder eine Druckspannung ausgeübt wird, welche "bei langfristigen Temperaturänderungen entweder eine positive oder eine negative Ausgangsspannung hervorbringt.

Bei einer bevorzugten speziellen Ausführungsform besitzt das Material der Pufferpla.tte 46 einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 10 χ 10" pro Grad Celsius und das Material der Kompensationsplatte 44 einen solchen von 18 χ 10 pro Grad Celsius, während der thermische Ausdehnungskoeffizient längs der Y-Achse der Quarzscheibe 14»3 x 10 pro Grad Celsius beträgt. Das Gehäuse 36 gemäß Figo 1 besteht ebenfalls aus Invar, so daß Temperaturänderungen nur eine minimale längenänderung und mithin eine minimale Änderung der über die Metallmembran 64 angelegten Kraft verursachen.

Ersichtlicherweise ist also der erfindungsgemäße Wandler so aufgebaut, daß er so gut wie keine Signale infolge von kurzfristigen Temperaturänderungen abgibt, indem durch kurzfristige Temperaturabweichungen hervorgerufene Spannungsbeanspruchungen unterdrückt oder jedenfalls verringert werden. Zwar können als Ergebnis hiervon gewisse langfristige

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mechanische Beanspruchungen längs der X-Achse auftreten, doch werden alle auftretenden langfristigen Temperaturänderungen getrennt "berücksichtigt bzw. durch die mechanischen Spannungen kompensiert, welche der Quer- bzw. Y-Achse der Quarzkristalle durch die Werkstoffe der neben diesen befindlichen Bauteile erteilt werden. Darüberhinaus ist zur weiteren Unterdrückung von kurzfristigen Temperaturänderungen eine sehr dünne, flache Membran 64 vorgesehen. Wenn nämlich ein Temperaturstoß auf eine flache Scheibe einwirkt, ist die dem Temperaturstoß am nächsten gelegene Fläche bestrebt, sich auszudehnen, während die abgewandte Fläche keiner augenblickliehen Temperaturänderung unterliegt und sich daher auch nicht ausdehnt, so daß im Ergebnis die Scheibe bestrebt ist, sich von der Wärmequelle wegzubiegen, bis beide Flächen dieselbe Temperatur besitzen. Bei einer gewöhnlichen Membran erzeugt dieses "Werfen" eine auf die piezoelektrische Säule einwirkende Kraft und somit ein Spannungssignal. Erfindungsgemäß wird diese Kraft jedoch dadurch auf ein Minimum herabgesetzt, daß die Membran sehr dünn und'aus einem einen niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzenden Material, wie Invarj ausgebildet wird, um die durch den Temperaturunterschied hervorgerufenen Spannungen an den einander gegenüberliegenden Seiten zu verkleinern.

Aber selbst wenn die Membran 64 aus Invar besteht, erhöht sioh ihr thermischer Ausdehnungskoeffizient bei Einwirkung sehr hoher Temperaturen von 0,5 x 10"" auf 10 χ 10"" pro Grad Celsius. Unter derartigen Bedingungen können durch die Membran beträchtliche Kräfte erzeugt werden, gegen welche ein Schutz vorgesehen sein muß. Bei Brennkraftmaschinen besteht noch eine zweite Schwierigkeit in der Ablagerung von Kohle. Die Lösung dieser Schwirigkeit besteht

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bei der erfindungs gemäß en Yorriciitung in der Anordnung einer Abschirmung für die Membran, welche die Membran gegenüber ,einer unmittelbaren Ableitung abschirmt und welche durch den schlechte elektrische Leitfähigkeit und geringe thermische Ausdehnung besitzenden, aus einem Keramikstück bestehenden Hitzeschild 76 gebildet wird. Da auf die Membran 64 ein gewisser Druck ausgeübt werden muß, trennt sie der Hitzeschild 76 nicht vollständig von den Druckgasen, vielmehr ist der Hitzeschild durch einen Ringspalt 78 vom Hitzemantel 80 getrennt. Infolge dieses Abstands wird das mit der Membran in Berührung stehende Druckmedium abgekühlt, da der Ringspalt so klein ausgebildet ist, daß er nur ein kleines Volumen aufnimmt. Theoretisch sollte der Ringspalt 7⁸ mit möglichst kleinem Volumen an seinem Boden verjüngt ausgebildet sein, damit die heißen Gase nicht so weit in ihn hineingedrückt werden, wie dies der Fall ist, wenn am Boden des Ringspalts ein großes Volumen zur Verfügung steht. Die Breite des Ringspalts 78 sollte im Vergleich zu seiner Tiefe klein sein, um eine maximale Kühlwirkung zu gewährleisten. Gewünschtenfalls können die Außenwände des Ringspalts zur Lieferung bester Wärmeergebnisse gekühlt werden. Falls der Ringspalt 7⁸ jedoch eine zu geringe Breite von beispielsweise nur einigen Hundertsteln eines Millimeters besitzt, kann sich im Betrieb bei einer Brennkraftmaschine Kohle ablagern und den Ringspalt überbrükken, was zu einer Änderung der AnsprechempfrLndlichkeit, der Linearität und der Hysterese des Wandlers führen würde. Zur Ausschaltung einer Kohleablagerung besteht der Hitzeschild 76 aus einem Keramikmaterial niedriger Wärmeleitfähigkeit, so daß die Außenfläche des Hitzeschilds ohne weiteres rot- oder weißglühend werden kann, wodurch Kohleablagerungen abgebrannt werden und trotzdem eine minimale Wärmeübertragung auf die Metallmembran 64 aufrechterhalten

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bleibt. Das Material des Hitzeschilds 76 besitzt außerdem niedrige thermische Ausdehnimg, wodurch die Empfindlichkeit für Brüche beim Auftreten von Wärmeschocks herabgesetzt wird.

Der in Fig. 1 dargestellte Ringspalt 76 ist nicht sich verjüngend ausgebildet, sondern tatsächlich wegen des Durchmessers des Hitzeschildhalters 70 abgestuft; diese abgestufte Konfiguration stellt eine wirksame Annäherung an einen sich verjüngenden Spalt dar. Bei der dargestellten Wäraeschutzanordnung wurde die vom Wandler infolge von Temperaturstößen abgegebene Spannung im Vergleich zu einer Konstruktion ähnlichen Aufbaus, jedoch mit einer ungeschützten Membran, um den Faktor 750 verringert.

Aus der vorangehenden Beschreibung ist mithin ersichtlich, daß die Erfindung einen verbesserten piezoelektrischen Wandler schafft, der weitgehend unempfindlich gegenüber Temperaturänderungen und speziell zur Verwendung bei einem Brennkraftmaschinen-Fühler zur Messung von Drucken bei Brennkraftmaschinen geeignet ist« Der Wandler gewährleistet eine kurzfristige Tempera.turunabhängigkeit und eine langfristige Temperaturkompensation, so daß er die Drucke ziemlich genau zu messen vermag, und zwar sowohl die Drucke während des Ausstoß- und Ansaugtakts des Hubs als auch die Drucke unmittelbar vor diesen Takten. Der erfindungsgemäße Y/andler vermag mithin ziemlich genau Drucke in der Größen-Ordnung von etwa 0,7 kg/cm selbst bei Brennkraftmaschinen zu messen; diese Drucke treten innerhalb einiger weniger Millisekunden nach Drucken von 70 kg/cm und mehr auf, die ebenfalls durch den Wandler genau gemessen werden und welche von Flammtemperaturen von etwa 165O⁰C und mehr begleitet sind. Die erfindungsgemäße Vorrichtung bietet eine

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zehnfache Erhöhung der Meßgena.uigkeit gegenüber bekannten, für die Messung von Drucken in Brennkraftmaschinen verwendbaren Wandlern.

Selbstverständlich kann die Erfindung in zahlreichen anderen speziellen Ausführungsformen verwirklicht werden, ohne daß von ihrem Rahmen und von ihren wesentlichen Eigenschaften abgewichen wird. Die vorstehend dargestellte und beschriebene Ausführungsform der Erfindung soll daher in jeder Hinsicht nur als erläuternd und keinesfalls als die Erfindung einschränkend angesehen werden, vielmehr soll die Erfindung alle innerhalb des erweiterten Schutzumfangs liegenden Änderungen, Abwandlungen und Äquivalente mit umfassen.

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Claims (21)

Patentansprüche

1. Piezoelektrischer Druckwandler, gekennzeichnet durch einen piezoelektrischen Fühler (42), eine mechanisch mit dem Fühler gekoppelte Druok-Membran (64) zur Belastung des piezoelektrischen Fühlers in Abhängigkeit von auf die Membran einwirkenden Fluidumdrucken und einen an der Membran montierten Hitzeschild (76) zum Schutz der Membran vor Hitzeeinwirkung.

2. Druckwandler.nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (64) vollständig flach ist.

3. Druckwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hitzeschild (76) unter Freilassung eines mit der Membran (64) kommunizierenden Ringspalts (78) von einem Hit'zemantel (80). umgeben ist.

4. Druckwandler nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hitzeschild (76) aus Keramikmaterial besteht.

5. Druckwandler nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß der Hitzemantel (80) aus Invar besteht.

6. Druckwandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringspalt (78)?seinem neben der Membran (64) befindlichen Ende auf ein kleineres Maß abgestuft ist.

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7. Druckwandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Fühler (42) zwischen einer Basis (12) und einer an dieser befestigten YorspannhüTse (40) zusammengedrückt ist.

8. Druckwandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (64) aus Invar besteht.

9. Druckwandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (64) eine Dicke von etwa 0,076 mm besitzt.

10. Druckwandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Fühler (42) zwei elektrisch bzw. mechanisch empfindliche Achsen besitzt, daß die Druck-Membran (64) den Fühler längs seiner einen Achse in Abhängigkeit von auf die Membran einwirkendem Fluidumdruck belastet und daß mit dem Fühler eine Temperatur-Kompensationseinrichtung (44) gekoppelt ist, welche den Fühler längs der zweiten Achse in Abhängigkeit von TemperaturSchwankungen belastet.

11. Druckwandler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Fühler (42) aus Quarz besteht und die beiden Achsen aufeinander senkrecht stehen.

12. Druckwandler nach Anspruch 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur-Kompensationseinrichtung (44) eine an der einen Seite des Quarzelements (42) angreifende Masse ist, die einen anderen thermischen Ausdehnungskoeffizienten als der Quarz längs der zweitgenannten Achse besitzt.

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13. Druckwandler nach Anspruch 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur-Kompensationseinrichtung zwei nebeneinander längs der erstgenannten Achse angeordnete Massen (44, 46) aufweist, von welchen die eine an der einen Seite des Quarzelements (42) angreift und welche andere thermische Ausdehnungskoeffizienten als Quarz längs der zweitgenannten Achse "besitzen.

14. Druckwandler nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der thermische Ausdehnungskoeffizient der einen Masse (44) größer und derjenige der anderen Masse (46) niedriger ist als der thermische Ausdehnungskoeffizient von Quarz längs der zweiten Achse.

15. Druckwandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Fühler (42) in einem mit einer Basis (12) verbundenen Gehäuse (36) angeordnet ist, in welchem weiterhin eine mit der Basis gekoppelte Einrichtung (40) zur mechanischen Vorspannung des Fühlers angeordnet ist, daß die Druck-Membran (64) flach ausgebildet ist, daß der Hitzeschild (76) vor der Membran angeordnet ist und einen geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und schlechte thermische Leitfähigkeit besitzt und daß mit dem Fühler eine Einrichtung zur Abnahme des von diesem erzeugten elektrischen Signals gekoppelt ist.

16. Druckwandler nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß Basis (12)₉ Gehäuse (36), Membran (64) und Vorspanneinrichtung (40) sämtlich aus Metall mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von weniger als 10 pro Grad Oelsius bestehen.

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17. Druckwandler nach Anspruch 15 oder 16, dadurch, gekennzeichnet, daß die Basis (12) das Gehäuse (36), die Membran (64) und die Vorspanneinrichtung (40) sämtlich, aus Invar "bestehen.

•18. Druckwandler nach Anspruch 15 und 16, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische !Fühler (42) aus einem Stapel piezoelektrischer Scheiben (110 - 116) besteht, daß die Vorspanneinrichtung (40) eine Hülse ist, daß der Hitzeschild (76) an der von den piezoelektrischen Scheiben abgewandten Seite der Druck-Membran (64) angeordnet ist und daß das Gehäuse (56) einen den Hitzeschild unter Freilassung eines mit der Membran kommunizierenden Eingspalts (78) umschließenden Hitzemantel (80) aufweist.

19. Druckwandler nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (64) eine Dicke von etwa 0,076 mm besitzt.

20. Druckwandler nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß neben den piezoelektrischen Scheiben (110 - 116) eine von der Vorspannhülse (40) umschlossene Einrichtung zur Anlegung von quergerichteten Temperaturkompensations-Spannungen an die Scheiben vorgesehen ist.

21. Druckwandler nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheiben (110 - 116) aus längs der X-Achse geschnittenen Quarzkristallen bestehen.

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