DE2052356A1

DE2052356A1 - Quarzresonator Druckmeßwertwandler

Info

Publication number: DE2052356A1
Application number: DE19702052356
Authority: DE
Inventors: Henry E Palo Alto Leach Jerry G Santa Clara Calif Karrer (V St A ) P
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1969-12-05
Filing date: 1970-10-24
Publication date: 1971-06-16
Also published as: DE2052356C3; DE2052356B2; JPS491234B1; US3561832A

Description

Hewlett-Packard Company 23. Oktober 1970

1501 Page Mill Road

Palo Alto, California 94304

U.S.A.

QUARZRESONATOR-DRUCKME S SWERTWANDLER

Die Erfindung betrifft einen Druckmeßwertwandler, der mit einem Quarzresonator aufgebaut ist.

Seit einiger Zeit ist die Wirkung statischer, von außen ausgeübter Spannung auf die Frequenz eines piezoelektrischen Quarzresonators bekannt. Dieser Effekt ist sowohl durch hydrostatische Ladung als auch durch Beaufschlagung der Resonatorplatten am Rand demonstriert worden. Bei hydrostatisch aufgeladenen Resonatoren aus AT- und BT-geschnittenen Quarzen haben Berichte über experimentelle Daten angezeigt, daß die Änderungen in der Resonatorfrequenz gemäß den Druck-

2 Schwankungen innerhalb eines experimentellen Fehlers bis zu 1 054 kp/cm

ο
(15 000 lb/in ) ungefähr linear sind.

Ein Problem bei der Verwendung von Quarzkristallresonatoren als Druckmeßwertwandlern besteht darin, ein Verfahren herauszufinden, um Spannung auf den Resonator aufzubringen, die frei von Hysteresefehlern ist. Die in den vorgenannten Berichten verwendeten Verfahren sind nicht angemessen, da die direkte Ausübung von hydrostatischem Druck auf den Resonator den Nachteil hat, daß das Druckübertragungsfluidum in Kontakt mit dem aktiven Bereich des Resonators sein muß. Dies dämpft die mechanische Schwingung und setzt die Frequenzstabilität herab. Es ist unbefriedigend, die Kraft mit Druckflächen auf den Rand des Resonators aufzubringen, da sich durch ändernde Kontaktflächen und lokale Spannungskonzentrationen Hysteresefehler herausbilden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der vorgenannten Druckmeßwertwandler zu vermeiden.

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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Quarzresonator-Druckmeßwertwandler aus piezoelektrischem Material dadurch gelöst, daß ein zylindrischer Gehäuseabschnitt homogen mit dem Resonatorabschnitt entlang eines Teiles seiner Peripherie zu einer einheitlichen Anordnung integriert ist, der Resonatorabschnitt entgegengesetzte Flächen einer ausgewählten Kontur im Abstand zu einer Mittelebene aufweist und der Gehäuseabschnitt zylindrische Wände ausgewählter Dicke hat, die sich in einer im wesentlichen zur Mittelebene senkrechten Richtung zu einer Zwischenfläche erstrecken, die in einem Abstand I¹ von der Kontur der angrenzenden Fläche des Resonatorabschnittes entfernt ist, daß ein zylindrischer Verschlußabschnitt an dem zylindrischen Gehäuseabschnitt an der Zwischenfläche befestigt ist und im wesentlichen den gleichen Durchmesser und die gleiche Wanddicke wie der zylindrische Gehäuseabschnitt nahe der Zwischenfläche und einen transversalen Abschnitt aufweist, der entlang seines Umfanges integrierter Bestandteil der zylindrischen Wände des Mantelabschnittes und von der ersten Zwischenfläche etwa um den Abstand I¹ entfernt ist und eine abgedichtete Kammer innerhalb des zylindrischen Gehäuses und des Verschlußabschnittes zwischen den angrenzenden Flächen des Resonatorabschnittes und des transversalen Abschnittes bildet und daß Elektroden um den Resonatorabschnitt angeordnet sind.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Resonator als Bestandteil eines QuarzZylinders aufgebaut. Der Resonator und der Zylinder sind aus einem einzigen Stück kristallinischen Quarzes hergestellt, so daß die Peripherie des Resonators einheitlich und elastisch durch den äußeren Druck unter Spannung gesetzt wird. Der Wandler hat Quarzendkappen, die ausgerichtet sind, so daß das kristallinische Gitterwerk über der Verbindungsstelle im wesentlichen kontinuierlich ist. Die Verbindung wird mit einen dünnen Film aus elastischem Bindemittel hergestellt. Die ganze Anordnung kann in ein hydrostatisches Strömungsmittel eingetauscht werden, das unter Druck gesetzt werden kann. Der Hohlraum kann evakuiert oder mit Helium gefüllt werden, um einen hohen Grad an Frequenzstabilität und eine geringe mechanische Dämpfung zu erreichen. Da der ganze Wandler aus einem einzigen Kristall hergestellt

- 2

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ist und der Resonator von den Druckmedien isoliert ist, verden die Hysteresefehler auf ein Minimum herabgesetzt und es wird eine maximale Frequenzstabilität erreicht. Die zylindrischen Wände des Quarzmeßwertwandlers wirken als Membran und übertragen die Spannung des äußeren Druckes wirksam und konzentrieren sie radial auf die Peripherie des Resonators.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert; es stellen dar Fig. 1 eine perspektivische Schnittansicht eines Quarzdruckwandlers;

Fig. 2 Kurvenbilder, die die Übertragungsfunktion der Zylinderwände der Vorrichtung nach Fig. 1 bei verschiedenen Verhältnissen der Dicke zum Radius der Zylinderwände darstellen;

Fig. 3 eine Schnittansicht eines Quarzdruckwandlers mit einem Paar von Resonatorabschnitten, die derart ausgerichtet sind, daß sie bei zunehmendem Druck positive und negative Frequenzänderungen abgeben;

Fig. 4 eine Schnittansicht des temperaturstabilisierenden, den Flüssigkeitsdruck übertragenden Gehäuses für den Quarzdruckwandler; und

Fig. 5 ein schematisches Schaltbild, um ein direktes digitales Auslesen in Druckeinheiten zu ermöglichen.

Fig. 1 stellt die bevorzugte Ausführungsform des Druckmeßelementes der Erfindung dar, die einen kreisförmigen, piezoelektrischen Resonator 13 umfaßt, der innerhalb eines Quarzzylinders 11 aufgebaut ist. Der Zylinder kann gemäß der kristallinischen Achse ausgerichtet werden, um ein bestimmtes Temperaturverhalten zu erzielen, so daß der Resonatorabschnitt 13 AT- oder BT- geschnitten, d.h. positiv oder negativ temperaturabhängig sein kann, wie unter Ziffer 7 der Richtlinien des Instituts für Radiotechniker (IRE) geschrieben ist. Der Resonator wird in der dritten Oberton-Dickenschubschwingungsart mit einer Nominalfrequenz von 5 MHz betrieben. Die Flächen des Resonatorabschnittes sind kugelförmig bikonvex in bezug auf die Mittelebene 14, um die

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mechanischen Schwingungen auf den zentralen Abschnitt der Platte zu begrenzen und dadurch akustische Verluste durch die Zylinderwandungen 11 minimal zu machen. Es wurde ein Krümlrifäius gewählt, der einen mechanischen Wert von Q sicherstellt, der größer als 10 ist und unerwünschte Schwingungsarten unterbindet. Der AT- oder BT- Schnitt ergibt zwei Freiheitsgrade, um die Temperatureffekte herabzusetzen, die wie folgt gewählt werden können:

1. kann der Temperaturkoefizient der Frequenz bei Null-Druck bei jeder Temperatur in der Größenordnung von 0 bis 100 Celsius zu 0 gemacht werden.

2. kann der Temperaturkoefizient der Druckempfindlichkeit innerhalb des Temperaturbereichs von 0 bis 100 Celsius zu 0 gemacht werden.

Nachdem die richtige Ausrichtung eines Quarzkristalles ausgesucht worden ist, beispielsweise mittels der Röntgenstrahlenbeugungstechnik, wird zunächst ein fester Quarzzylinder aus dem Kristall herausgebohrt. Der Abschnitt 9, 11, 13 des Resonatorkörpers und die Endkappenabschnitte 15 werden dann aus dem Quarzzylinder gebildet mittels herkömmlicher Schneide- und Schleiftechniken. Die Dimensionen der fertiggestellten Teile werden im einzelnen nachfolgend beschrieben. Schließlich werden alle Teile optisch poliert und gereinigt. Ein metallischer Film 17, 19 wird auf den Resonatorflächen und entlang der Innenseite des Zylinders und über die Verbindungen 21, 23 aufgedampft, um Resonatorelektroden und äußere elektrische Anschlüsse zu schaffen. Durch Änderung der Dicke des abgelagerten Goldes auf der Resonatoroberfläche, kann die Null-Druck-Frequenz von 5 MHz um einige Hertz justiert werden. Daraufhin wird eine dünne Schicht aus elastischem Klebemittel , beispielsweise Pyroceram auf den Verbindungsstellen abgelagert, und es werden dann die Kristallachsen der Endabschnitte 15 und des Körpers 9, 11, 13 sorgfältig ausgerichtet und die Einheit wird in einer Heliumatmosphäre bei Atmosphärendruck abgeschlossen.

Fig. 1 stellt den nicht gelagerten Zylinder 11 zwischen dem Resonator 13 und der Endkappe 15 dar. Wenn ein äußerer Druck auf den Zylin-

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der wirkt, entstehen axialsynmetische Scherkräfte (Q) und Biegemomente (M) an jedem Ende der Zylinderabschnitte. Spezielle Werte von Q und M hängen von dem Druck, den Randwerten und den Zylinderabmessungen ab.

Die Abmessungen des Zylinders 11 legen das analytische Verfahren fest. Wenn der Zylindermantel 11 sehr dünn ist (h/a « 1), so kann der Mantel als eine Membran angesehen werden, die lediglich Längsund Ringspannungen (d.h. Spannungen um den Umfang des Zylinders herum) ausgesetzt ist. Diese Theorie vernachlässigt alle Biegespannungen und vertikalen Scherspannungen, da diese in einer dünnen Membran klein sind. Wenn die Enden des Zylinders 9 entlang den Rändern gehaltert sind (wie dies durch den Resonator 13 und die Endkappen 15 der Fall ist), dann wird die Biegung in dem Bereich nahe den Enden bedeutsam, und die Theorie muß erweitert werden, um diese Wirkungen miteinzuschließen. Dies wird die Theorie des dünnen Zylindermantels genannt und wird allgemein für gültig gehalten für h/a ■< 1/10 bei jeglichen Randwertbedingungen.

Diese Theorie besagt, daß die Biegespannungen lokaler Natur und auf Bereiche nahe den Enden begrenzt sind und die Spannung exponentiell in Bereichen abgeschwächt wird, die von den Enden entfernt sind. Für Dimensionierungszwecke wird angenonmen, daß die Biegespannungen für jede Abszisse χ entlang der Länge des Zylinders vernachlässigbar sind für;

^x -F (1)

wobei bedeutet: B - [3(1-μ²)/α\²1 ¹^; (2)

μ ■ Poisson'sehe Zahl;

a - lichter Radius der Zylinderwand und

h ■ Dicke der Zylinderwand

Die Theorie dünner Zylindermäntel nimmt an, daß ein Elementarabschnitt der Länge des Zylinders 11 als Balken auf einer elastischen

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Unterlage behandelt werden kann (wobei die elastische Ün^tel-iage die Einspannung der angrenzenden Elemente ist). Die Differentialgleichung, die den Zustand des Zylinders über seiner Länge darstellt, lautet:

+ 4Bw - P/D (3)

wobei bedeutet: w ■ radiale Ablenkung in mn;

2 P » Außendruck in kp/cm , wobei angenommen

wird, daß der innere Druck ■ O ist; und D = Biegesteifigkeit Eh³/12 (1-y²)

für Quarz (E= Young*scher Modul) Die allgemeine Lösung lautet:

2
w =■ Pa. /Eh + C sin Bx sinh Bx +

C sin Bx cosh Bx (4)

+ C cos Bx sinh Bx + C, cos Bx cosh Bx

Es wird dabei angenommen, daß die durch den Druck auf die Enden er zeugten Kräfte keinen Einfluß auf die Biegung haben. Diese Längsspannungen können durch Überlagerung miteingeschlossen werden. Auch geht diese Theorie der dünnen Zylinderwandung davon aus, daß der Balken nur der Biegung unterworfen ist, und sie vernachlässigt die Wirkungen der Schubkräfte.

Wenn die Wandung sehr dick wird, und zwar h/a > 1/3, dann kann die Ringspannung über der Dicke der Wandung nicht als konstant angesehen werden und das Problem wird komplizierter. Die Unterscheidung zwischen dünnen und dickwandigen Mänteln ist willkürlich und hängt von der für die Lösung des Probleme geforderten Genauigkeit ab. Beispielsweise kann die Dünnschichttheorie für h/a <L/3 verwendet werden,wenn 20 bis 30 Prozent Fehler zugelassen werden.

Die Empfindlichkeit des Quarzdruckwandlers (QPT) iat proportional zur radialen Spannung auf den Resonator 13 pro Druckeinheit, und die Zylinderübertragunsfunktion wird dann σ/P ,wobei die Radial-

— ο —

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spannung σ gegeben ist durch

σ - 20 /t + P ο

o- D -

dx

w wird aus Gleichung (4) erhalten, die mit den folgenden Grenzwertbedingungen gelöst wird:

(5) (6)

dx

dw dx

Dies sind die Randbedingungen für eine steife Resonatorscheibe 13 und steife Endkappen 15. Wenn h/a j< 1/30 wird, kann die Resonatorscheibe 13 nicht als starr im Vergleich zu dem Zylinder angesehen werden und die Elastizität der Scheibe 13 muß mit in Betracht gezogen werden. Im allgemeinen Fall ist die Zvlinderübertragungsfunktion :

σ/Ρ

+ 1

Bt

h/a(l-u)

(7)

wobei gilt

2 2 2

2(cosh BJl - cos B&)-(sinh B& - sin B£)

2 (sinh B£ + sin BJt) (cosh BJl - cos BJl)

Für lange, dünne Wände (d.h.£>Tr /B, h/a«l), C tragungsfunktion:

P Bt ^X
Man ersieht daher aus Gleichung(7), daß

1/2 ist die Über-

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1. für sehr dünne Wände (h/a«l) der Zylinder als eine Membran und der äußere Druck direkt auf den Rand des Resonators 13 wirkt.

2. Der Ausdruck h/a (1-u) neigt dazu, die Übertragungsfunktion für dickere Wände zu reduzieren. Dies beruht auf der Resonatorelastizität.

3. Im Bereich 0<h/a<l/3 nimmt die Übertragungsfunktion zu und bildet ein breites Maximum.

4. Für große Werte von SL, d.h.£>u /B ist die Übertragungsfunktion unabhängig von der Länge. Die erfolgt, weil die weit von dem Resonator entfernten Druckkomponenten abgeschwächt werden und wenig zu der Radialspannung am Resonator 13 beitragen.

Diese Übertragungsfunktion ist als Funktion von h/a in Fig. 2 dargestellt. Die Kurven sind für eine flexible und für eine starre Resonatorscheibe 13 dargestellt. Die experimentell ermittelten Punkte in Fig. 2 zeigen die gute Übereinstimmung zwischen den tatsächlichen Empfindlichkeitswerten und den vorhergesagten.

Es ist aus Gleichung (7) ersichtlich, daß die Radialspannung pro Einheit des aufgebrachten Druckes die gleiche bleibt, falls alle Dimensionen des Quarzdruckwandlers (QPT) proportional vergrößert oder verkleinert werden. Da indessen die Frequenz f des Resonators umgekehrt proportional zu seiner Dicke ist, schwankt die Empfindlichkeit proportional zu f .

Die Empfindlichkeit des Quarzdruckwandlers ist:

S = (σ/Ρ) (Af/σ) = Af/P (Hz/P_) (8j

cm

Es ist aus Gleichung (7) ersichtlich, daß die Zylinderübertragungsfunktion stehts größer als 1 ist und - abhängig von den Wandlerabmessungen - gewöhnlich kleiner als 4 ist. Deshalb verstärkt der Zylinder die äußere Spannung (P) um diesen konstanten Faktor.

Der zweite Faktor (Af/σ) in Gleichung (8) beschreibt den Grund-

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mechanismus des Quarzdruckwandlers und betrifft die Umsetzung von Radialspannung zu Frequenzänderungen. Vernachlässigt man Größen zweiter Ordnung, so ist die Vibrationsfrequenz des Resonators 13 im Dicken-Schubschwingungsbetrieb gegeben durch

JL 2t

C. .

11

(9)

wo C.. der Elastizitätsmodul für den gedrehten Schnitt, t die Resonatordicke und ρ die Dicke ist. Es wird angenommen, daß der Hauptgrund der Frequenzänderung auf Änderungen in C.. aufgrund der Spannung beruht. (Die Wirkung der Dicken- und Dichteänderung ist wenigstens 5mal geringer.) Daher ergibt sich:

Af _ ^£o σ ~ 2C.

da

Der Ausdruck dC../da ist nur aus experimentellen Daten bekannt.

Die Druckempfindlichkeit des Druckwandlers kann gesteigert werden, indem die Spannung an ausgewählten Stellen um die Peripherie des Resonatorabschnittes in einer Linie mit der Achse der maximalen Kraftempfindlichkeit des Resonatorabschnittes konzentriert wird. Dies kann geschehen, indem ein Teil der PeripherieunterstUtzungsfläche des Resonatorabschnitts entlastet wird, wie in Fig. 3 dargestellt ist, so dafl diametral/gegenüberliegende integrierte Befestigungeste ge, beispielsweise 26 und 28 verbleiben. Bei AI- und BT- geschnittenem Kristall beträgt der Winkel ψ der maximalen Druckempfindlichkeit gegenüber der X-Achse des Kristalles 0° (dies bedeutet Ausrichtung mit der X-Achse). Die Druckempfindlichkeit nimmt daher zu und die maximale Druckkapazität nimmt mit zunehmendem Entlastungswinkel δ ab, wie in Figur 3 dargestellt ist, bis zu dem Grenzwert der Dicke des Befestigungssteges 26, die für eine hinreichende mechanische Festigkeit erforderlich ist, um den Resonator 16 unter Schock und Vibrationsbedingungen zu stützen.

Eine wichtige Überlegung bei der Dimensionierung des Quarzdruck-

— 9 —

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wandlers gilt der Verbindungsstelle 21, 23, die zwischen dem Quarzdruckwandlerkörper 9, 11, 13 und den Endkappen 15 vorgenommen werden muß. Obwohl die kristallinische Achse des Körpers und die Endkappen sorgfältig ausgerichtet werden, ist die dünne Schicht des Dichtungsmittels der Verbindung eine potentielle Quelle für Hysterese. Wenn die beiden Seiten der Verbindungsstelle sich unter dem ausgeübten Druck nicht zusammen bewegen, entstehen Diskontinuitätsspannungen in dem Material der Verbindungsstelle.

Wenn diese Spannungen groß genug sind, um nicht-elastisches oder plastisches Verhalten in der Verbindungsstelle hervorzurufen, so kann Hysterese vorkommen. Dieser Effekt kann herabgesetzt werden durch:

1. Anordnen der Verbindungsstelle in einer weiten Entfernung von

dem Resonator, so daß die Diskontinuitätsspannung an der Verbindungsstelle abgeschwächt wird, bevor sie den Resonator erreicht; und

2. Dimensionierung des Körpers und der Endkappen, so daß die Diskontinuitätsspannung herabgesetzt wird.

Der.erste Punkt kann mittels der Gleichungen (3) und (4) untersucht wurden· Aa der Verbindungsstelle wird eine Schubspannung QA/2 vermutet. Daraus kann die Radialspannung um Resonator Q beetiwst werden, die aus QA/2 herrührt. Die Bandwertbedingungen sind:

2Q

ο a (1-ti)

χ · 0

Et

A/2 - O

Die resultierende Abschwachungshül!kurve ist:

^Ho -BA QÄ72" " * "T

Et

- 10 -

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Cio)

it

Gleichung (10) gilt für £/2>ir/B. Wenn weiter angenommen wird, daß h/a«l ist, dann gilt

-B&

e —r—

Aus Gleichung (10) ergibt sich

a) jegliche nicht elastischen Spannungen in der Verbindungsstelle werden exponentiell abgeschwächt als eine Funktion des Abstands von der Verbindungsstelle und

b) die Abschwächung der Wirkungen der nicht elastischen Spannungen in der Verbindungsstelle kann vergrößert werden, indem % vergrößert und h verkleinert wird.

Der 2. Punkt kann verstanden werden, wenn man die tatsächliche Quarzdruckwandleranordnung nach Fig. 1 betrachtet. Die Grundlage dieser bevorzugten Ausführungsform ist, daß die Endkappe 15 das Spiegelbild des Quarzdruckwandlerkörpers 9, 11, 13 bilden soll. Dies stellt gleiche Ablenkungen und gleiche Wandabfallkurven auf beiden Seiten der Verbindungsstelle 21, 23, sicher, wodurch die Diskontinuitätsspannungen herabgesetzt werden.

Der maximale Druckbereich des Quarzdruckwandlers wird durch die physikalischen Eigenschaften des Quarzes und die Wandlerdimensionierung begrenzt. Der Quarz ist sehr schwach in bezug auf die Zugspannung, und zwar liegt die maximale Zugfestigkeit bei unge-

2 3 2

fähr 984,3 kp/cm (ca. 14 χ 10 lb/in ). Indessen ist die maximale Druckfestigkeit von Quarz 24mal so groß. Es ist daher wünschenswert, den Quarzdruckwandler so zu dimensionieren, daß jeder Teil stets unter Druck steht.

Die maximale Zugspannung tritt bei dem Punkt 0 auf der Mittelebene 14 auf, wie in Fig. 1 dargestellt ist, da die Wände dazu neigen, sich unter Druck nach innen zu krümmen. Die Spannung an der Außenseite des Zylinders an diesem Punkt ist gleich der Sumiae der

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Zugspannung durch Biegung und der longitudinalen Druckspannung durch den Druck auf die Endkappen 15. Die Spannung in diesem Punkt beträgt:

es bedeuten

σ - 6M /h - Pa/2h

( + heißt Zug und - heißt Druck),

M » Moment in der Wand (kp χ cm/cm)

M =-d

4 dx²

Unter Verwendung der Gleichungen (3) und (4) für M ergibt sich

^Mo ⁼

2B

( f ) (J) U-u>

sinh B£ - siriBj,

sinh Bi, + sin B£

(12)

für lange, dünne Wände ( £>ττ/Β, h/a«l ) ^c, λ τ

M - P/2B ο

Aus diesen beiden letzten Gleichungen ergibt sich daher:

1. σ kann durch die geeignete Wahl von h und £ negativ (Druck) gemacht werden.

2. σ neigt dazu, für dickere Wände und kürzere Längen in Druck überzugehen.

Quarzwandler gemäß der Erfindung sollten am besten Dimensionen haben, die im wesentlichen die folgenden Konstruktionskriterien erfüllen:

τ ^>ιη

(13)

i >

(14)

Auch spröde Materialien wie Quarz verhalten sich bis zu dem Bruchpunkt elastisch und ungleich stallen. Der Bruch erfolgt bei kleiner

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plastischer Verformung. Der Fehler liegt gewöhnlich in der Spannung, unabhängig von den Beaufschlagungsbedingungen oder der Geometrie und der Bruch entsteht gewöhnlich an der Oberfläche in kleinen Mikrorissen, welche lokalisierte Spannungskonzentrationen darstellen. Daher sind die Oberflächenbedingungen kritisch bei der Bestimmung der mechanischen Festigkeit. Aus diesem Grunde wird in der Praxis die Oberfläche des Quarzwandlers stark poliert, insbesondere in Bereichen hoher Zugspannung.

Bei einer Ausführungsform des Quarzdruckwandlers, bei der der Zylinder näherungsweise 85,09 mm (3,35 inch) insgesamt lang und 25,4 mm (1,0 inch) im Durchmesser ist und die Zylinderwände näherungsweise 5,08 ran (0,2 inch) dick sind, beträgt der Druckbereich 0 - 7O3kp/cm (0-10 000 psi) und die Druckempfindlichkeit ist normalerweise 0,0213 Hz/ ^2 ^_{5 Hz/psi}j Diese Grundempfindlichkeit wird dann bis zu 1,43 YLzß—.2 (100 Hz/psi) multipliziert, und gibt einen Skalenausgang von 1 MHz. Die volle Skalenauflösung auf einem gewöhnlichen elektronischen Zähler wäre 1/10 (oder 0,703 *■—2)

für eine Beobachtungsperiode von einer Sekunde und 1/10 (oder 0,0703 2—2) für eine zehn Sekunden währende Beobachtungsperiode. Bei dieser Ausführungsform hängt die Genauigkeit des Quarzdruckwandlers in erster Linie von der Resonatorstabilität und den nichtelastischen Fehlern ab,(d.h. Hysterese, Nicht-Wiederholbarkeit und Verschiebung beim Rückgang in die Nullstellung). Die typischen Betriebscharakteristika sind folgende:

1. Die Kurzzeitstabilität in einer Zehn-Sekunden-Periode bei einem

konstanten Druck ist 0,0703 2-2 gleich 1/10 Gesamthub (gleich

cm

_+ 0,001 psi). Die Langzeitstabilität bei konstantem Druck beträgt 0,703 2—2 gleich 1/10 Gesamthub ( gleich + 0,01 psi) über eine

cm —"

Zeitdauer von einer Woche.

2. Die Hysterese (d.h. die Differenz der Ablesung bei gleichen Drücken bei Druckausübung in verschiedenen Richtungen) ist kleiner als 0,703 2—2 bzw. 1/10 Gesaaithub (gleich 0,01 psi).

3. Die Nicht-Wiederholbarkeit (d.h. der Unterschied in Ablesun-

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gen bei gleichem Druck, wenn der Druck in der gleichen Weise aufgebracht wird) ist kleiner als 0,703 %—2 gleich 1/10 Gesamthub

cm

(gleich 0,01 psi).

4. Die Verschiebung bei der Bückkehr auf Null ist geringer als 0,703 —2 gleich 1/10 Gesamthub (gleich 0,01 psi).

Der Quarzdruckwandler hat typischerweise eine Nicht-Linearität der Frequenz über dem Druck von ungefähr 0,5 % des Gesamthubs. (F.S.) Da indessen die Nicht-Linearität innerhalb der Toleranz der oben beschriebenen, nicht elastischen Fehler wiederholbar ist, bewirkt sie keinen Fehler sondern vielmehr eine Korrektur der digitalen Ablesung.

Eine andere Ausführungsform des Quarzdruckübertragers ist in Fig. 3 dargestellt und weist ein Paar von Resonatoren 16 und 18 auf, die aus einem einzigen zylindrischen Quarzkern gebildet sind. Jeder dieser Resonatoren ist als integraler Bestandteil des entsprechenden UnterstützungeZylinders 46, 48 ausgebildet und damit nur durch ein Paar integraler Stege 26, 28 verbunden. Auf den entgegengesetzten Seiten jedes Resonators 16, 18 sind unter Vakuum Goldelektroden 50, 52 und 54, 56 aufgedampft und eine Verlängerung ist als Signalleiter über einen Befestigungesteg entlang der Innenwand dee Zylinderabschnittes und durch die Verbindungen 60, 62, 64 nahe den Resonatoren angebracht. Die angrenzenden zylindrischen Abschnitte jedes der Resonatoren sind in wesentlichen in der Länge gleich und miteinander an- der Verbindungsstelle 62 verbunden unter Verwendung eines geeigneten Kittes wie Pyroceram oder dergleichen. Dies stellt sicher, daß diskontinuierliche Spannungen an der Verbindungsstelle 62 minimal gemacht werden, wie es schon beschrieben wurde. Auch die Endkappen 66, 68 weisen zylindrische Wände auf, die im wesentlichen bezüglich der Dicke und Länge, (d.h. zur Oberfläche des Resonators gemessen) dem angrenzenden Zylinderabschnitt eines Resonators gleichen. Dies stellt sicher, daß diskontinuierliche Spannungen

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an den Verbindungsstellen 60, 64 herabgesetzt werden, wie schon beschrieben wurde.

Bei dieser Ausführungsform können die Resonatorausrichtungen gewählt werden, um maximale Druckkoefizienten der Frequenz entgegengesetzter Polarität zu schaffen, so daß die Kombination der entstehenden Frequenzen eine größere Druckempfindlichkeit und einen direkten Ausgang der Schlagfrequenz ergibt, ohne einen getrennten Referenzkristall zu benötigen. Da auch beide Resonatoren 16, 18 im wesentlichen unter den gleichen Unweltbedingungen arbeiten, fallen temperaturabhängige Eigenschaften der Resonatoren aus.

Bei AT-geschnittenen Resonatoren wird der maximale positive Druekkoefizient im Resonator 16 bei einem Winkel φ von 0 in bezug auf die X-Achse erreicht (d.h. daß die Stege 26 diametral in bezug auf die X-Achse ausgerichtet sind). Der Winkel 6 der umfangseitigen Entlastungsaussparung kann vergrößert werden, um die Druckempfindlichkeit zu steigern (aber die maximale Druckkapazität herabzusetzen) bis zu der Grenze der Stegbreite, die ausreichend ist, um die erforderliche mechanische Festigkeit des Trägers des Resonators zu ergeben. Der Winkel ψ .zur X-Achse kann für den Resonator 18 bei ungefähr 90 gewählt werden, um einen maximalen negativen Druckkoefizienten der Frequenz zu erhalten. In ähnlicher Weise kann der Entlastungswinkel δ an der Peripherie so gewählt werden, daß er mit der inversen Druckempfindlichkeit des Resonators 16 zusammenpaßt. Bei BT-geschnittenen Resonatoren kann der Winkel ψ des Resonators 16 ungefähr 0 für einen maximalen negativen Druckkoefizienten der Frequenz betragen, und der Winkel δ für den Resonator 18 kann ungefähr 90 sein, um einen minimalen negativen Druckkoefizienten der Frequenz zu erreichen. Natürlich können die Winkel ψ und 6 für die Resonatoren 16, 18 um diese angegebenen Werte geändert werden, um ausgewählte Druckkoefizienten der Frequenz zu erreichen, falls dies erwünscht ist.

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Quarzdruckwandler, die gemäß Fig. 3 kein Resonatorenpaar aufweisen, haben üblicherweise eine Betriebscharakteristik, die durch Temperaturänderungen nachteilig beeinflußt wird. Durch die Anwendung eines Quarzdruckwandlers in einem Druckgehäuse gemäß Fig. 4 kann die Temperatur innerhalb _+ 0,1 Celsius der Temperatur des Nulltemperatur-Frequenzkoefizienten eingestellt werden und kann innerhalb +_ 0,05 Celsius über einen Umgebungsbereich von 0 bis 50 Celsius aufrecht erhalten werden, und die Ablesung des Quarzdruckwandlers ist bei jedem Druck innerhalb 0,1406 ^-2( 2 χ 10 psi)

kt> . ^m

je 0,0703 -*-2 (psi) des ausgeübten Druckes konstant bei Änderungen der Umgebungstemperatur von 0 bis 50 Celsius.

In dem Druckgehäuse in Fig. 4 ist der Quarzdruckwandler an dünnem Gewebe 31, 33 aus nichtrostendem Stahl in einem Strömungsmittel-Druckübertragungsmedium 35 aufgehängt. Ein Stahlmantel 37 mit einer Kupferzwischenlage 39 bildet das Druckgefäß. Die Endkappen 41 bilden äußere Druckverbindungen 45, 47 über eine elastische Membran 49 sowie elektrische Verbindungen 51 für den Quarzdruckübertrager.

Die elastischen Gewebe 31, 33 stellen eine kräftige und elastische Aufhängung dar, die nur kleine Kräfte entlang der längsseitigen Hittellinie des Quarzdruckwandlers ausüben. Da der Quarzdruckwandler relativ unempfindlich gegenüber Kräften in dieser Richtung ist, haben die Kräfte aufgrund des Wandlergewichtes (oder Trägheitskräfte während der Schwingung) und die differen tLelle thermische Ausdehnung zwischen dem Quarz und den Gehäusematerialien einen vernachlässigbaren Effekt auf den Betrieb des Quarzdruckwandlers.

Die Temperatur des Quarzdruckwandlers wird durch einen inneren Erhitzer 53 und einen äußeren Erhitzer 55 kontrolliert. Der Quarzdruckwandler ist Temperaturänderungen unter äußeren Umweltbedingungen sowohl als auch der adiabatischen Erhitzung der Flüssigkeit in der Kammer 35 bei Druckausübung ausgesetzt. Diese adiabatische Erhitzung (oder Abkühlung) wird herabgesetzt, indem ein sehr kleines

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3 3 Flüssigkeitsvolumen von weniger als 16,387 cm ( < 1 inch ) mit einem hohen Massenmodul (d.h. einer geringen Kompressibilität) verwendet wird. Der innere Erhitzer 53 kontrolliert die Temperatur der Kupferzwischenschicht 39 bei der Temperatur des NuIltemperatur-Frequenzkoefizienten für Resonatoren. Die Kupferzwischenlage 39 hat eine große Wärmekapazität und wirkt als Senke oder Quelle beim Wärmeaustausch mit dem dünnen Flüssigkeitsfilm in der Kammer 35, die den Quarzdruckübertrager umgibt. Der Thermistor ist das Fühlelement für einen Proportionalregler herkömmlicher Bauart, der den inneren Erhitzer 53 betätigt. Der äußere Erhitzer 55 hat einen Ein/Aus-Regler 59 und arbeitet bei Temperaturen, die einige Grade unterhalb der Temperatur des inneren Erhitzers liegen. Das gesamte Druckgehäuse ist thermisch von dem äußeren Gehäuse 71 isoliert. Unter Verwendung dieser Technik kann der Quarzdruckwandler bei einer konstanten Temperatur innerhalb von +^ 0,05 C gehalten werden. Die Flüssigkeit innerhalb der Kammer 35 kann ein synthtischer Phosphatester sein. Diese Flüssigkeiten haben einen Massenmodul, der um ein Mehrfaches höher ist als der von Petroleum oder Silikonölen, und sie haben außerdem die erforderlichen elektrischen Eigenschaften. Das Strömungsmittel muß auch einen niedrigen Dampfdruck aufweisen, da Vakuumfüllung erforderlich ist, um den Druckhohlraum voll mit Flüssigkeit auszufüllen. Auch hat diese Flüssigkeit einen möglichst geringen thermischen Ausdehnungskoefizienten, um temperaturbedingte Volumenänderungen in der Flüssigkeit herabzusetzen, die Druckschwankungen verursachen können. Die Wahl einer sehr biegsamen Membran 49 kann diese Fehlerquelle auf einen vernachlässigbaren Wert herabsetzen. Die elastische Membran 49 stellt eine Zwischenschicht zwischen der Flüssigkeit, die die Kammer 35 vollständig ausfüllt, und den äußeren Druckmedien dar. Da die den Quarzdruckwandler umgebende Flüssigkeit in geringem Maße kompressibel ist, wird die Membran ausgelenkt, und es ergibt sich an ihr ein kleiner Druckabfall. Dieser Druckabfall kann vernachlässigbar klein gemacht werden, indem eine elastomere Membran verwendet wird, die

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aus Silikonkautschuk von ungefähr 0,127 mn ( 0,005 inch) Dicke besteht.

Die digitale Auslesung des Quarzdruckwandlers ist in Fig. 5 dargestellt. Der Quarzdruckwandler 72 steuert die Frequenz eines 5 MHz Oszillators 73. Dieser Oszillatorausgang wird harmonisch bei 66 in den Vervielfacher 75 multipliziert, so daß der sich ergebende Ausgang bei 330 MHz eine Druckempfindlichkeit von ungefähr 100 Hz/ 703 —*-2 (100 Hz/psi) aufweist. Der multiplizierte Frequenzausgang wird in der Mischstufe 77 mit einem 5 MHz Referenzsignal verglichen, das in ähnlicher Weise in der Multiplikationsstufe 76 vervielfacht worden ist. Wenn ein Quarzdruckwandler gemäß Fig. 3 verwendet wird, ist ein Referenzresonator nicht erforderlich, da jeder der Resonatoren 16, 18 verwendet werden kann, um getrennte Oszillatoren 73, 74 zu steuern. Das gemischte und gefilterte Signal von der Mischstufe 77 und dem Filter 79 ändert sich von 0-1 MHz entsprechend 0-703 -2-2 (0-10 000 psia). Dieses Signal kann direkt auf einen gewöhnlichen elektronischen Zähler 81 gegeben werden, um eine direkte Druckauslesung zu ergeben. Die Auflösung ist 0,703*-—2

cm

(0,01 psi) bei einer Meßzeit von einer Sekunde, oder 0,0703 tr-₂ (0,001 psi) bei einer Meßzeit von 10 Sekunden. Der Oszilla- ^cm tor des 5 MHz Quarzdruckwandlers kann derart ausgestaltet sein, daß er die mittlere Betriebsfrequenz um 5 MHz ändert. Daher kann die Auelesung für den Zähler 81 für Null gesetzt werden (d.h. 0000,00 psia) wenn der Quarzdruckwandler 72 einem Vakuum ausgesetzt wird. Auch können die Quarzdruckwandler, wenn sie mit einem ersten Normal kalibriert sind, Empfindlichkeiten oder Skalenfaktoren haben, welche etwas von Einheit zu Einheit abweichen. Dies kann kompensiert werden, indem eine herkömmliche voreinstellbare Zeitbasis 83 in dem Zähler 81 verwendet wird. Daher wird durch Voreinstellung der Zeitbasis 83 des Zählers zu dem Skalenfaktor eines speziellen Druckwandlers die Druckauslesung des Zählers normiert, um die Auslesung direkt in Druckeinheiten zu ergeben.

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Der Druckwandler der Erfindung ist daher ideal geeignet für spezielle Änwendungszwecke wie Ozeanographieehe Instrumente und die Aufzeichnung von Öl-Rohr-Druckschwankungen über der Strömungsgeschwindigkeit und Zeit. Der volle Skalendruckbereich des Wandlers kann den Strömungsdrücken beim Tauchen auf den Grund des Ozeans widerstehen. Die thermische Umgebung am Grund des Ozeans ist ideal, da in fast allen Teilen der Welt die Temperatur dort extrem stabil bei etwa 0 _+ 2 Celsius ist. Beim Betrieb in dieser Umgebung kann der vorliegende Druckwandler mit einem Nullfrequenz-Temperaturkoefizienten um 0 Celsius ausgestattet werden. Für die Druckmessung bei höheren Temperaturen wie beispielsweise in Öl-Schutzrohren, kann der Nullfrequenz-Temperaturkoefizient des Wandlers ungefähr bei der Umgebungstemperatur gewählt werden. Auf diese Weise braucht die Druckkammer, die den Quarzdruckwandler umgibt, keine hochgezüchteten temperatureteuernden Einrichtungen aufzuweisen, um eine genaue Druckmessung sicherzustellen.

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Claims

lc

Hewlett-Packard Company 23. Okt. 1970

1501 Page Mill Road

Palo Alto, California 94304

U.S.A.

PATENTANSPRÜCHE

\JL/ Quarzresonator-Druckmeßwertwandler aus piezoelektrischem Material, dadurch gekennzeichnet, daß ein zylindrischer Gehäuseabschnitt (11) homogen mit dem Resonatorabschnitt (13) entlang

W eines Teiles (26) seine Peripherie zu einer einheitlichen Anordnung integriert ist, der Resonatorabschnitt (13) entgegengesetzte Flächen einer ausgewählten Kontur im Abstand zu einer Mittelebene (14) aufweist, der Gehäuseabschnitt (11) zylindrische Wände ausgewählter Dicke (h) hat, die sich in einer im wesentlichen zur Mittelebene (14) senkrechten Richtung zu einer Zwischenfläche (23) erstrecken, die in einem Abstand £' von der Kontur der angrenzenden Fläche des Resonatorabschnittes (13) entfernt ist, daß ein zylindrischer Verschlußabschnitt (15) an dem zylindrischen Gehäuseabschnitt (11) an der Zwischenfläche (23) befestigt ist und im wesentlichen den gleichen Durchmesser (a) und die gleiche Wandstärke (h) wie der zylindrische Gehäuseabschnitt (11) nahe der Zwischenfläche (23) und einen transversalen Abschnitt aufweist, der entlang seines Umfangs integrierter Bestandteil der zylindrischen Wände des Verschlußabschnittes (15) und von der ersten Zwischenfläche (23) etwa um den Abstand A¹ entfernt ist und eine abgedichtete Kammer innerhalb des zylindrischen Gehäuses (11) und des Verschlußabschnittes (15) zwischen den angrenzenden Flächen des Resonatorabschnittes (13) und des transversalen Abschnittes bildet und daß Elektroden (17, 19) um den Resonatorabschnitt angeordnet sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der zylindrische Gehäuseabschnitt (11) von der Peripherie des Resonatorabschnittes (13) in entgegengesetzten Richtungen, im wesentlichen

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senkrecht zur Mittelebene (14) des Resonatorabschnittes zu ersten (23) und zweiten (21) Zwischenflächen erstreckt, die sich im wesentlichen im gleichen Abstand (Z¹) von dem Resonatorabschnitt (13) befinden und daß ein zylindrischer Verschlußabschnitt (15) an jeder der ersten und zweiten Zwischenflächen befestigt ist und dabei zwei Kammern auf entgegengesetzten Seiten des Resonatorabschnittes gebildet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,daß die zylindrischen Verschlußabschnitte (15) aus dem gleichen Material wie das Gehäuse (11) und der Resonatorabschnitt (13) bestehen und an den ersten (23) und zweiten (21) Zwischenflächen befestigt und dabei die Kristallgefüge ausgerichtet sind, und die ersten und zweiten Zwischenflächen sich im wesentlichen im gleichen Abstand (£^f) zwischen angrenzenden Flächen des Resonatorabschnittes (13) und der transversalen Abschnitte befinden.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonatorabschnitt (13) nur an im wesentlichen gegenüberliegenden Teilabschnitten (26) seiner Peripherie mit dem Gehäuseabschnitt (11) zusammenhängt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die einheitlichen Kristallresonator- und Gehäuseabschnitte aus Quarz bestehen und daß die diametral gegenüberliegenden Peripherieabschnitte des Resonatorabschnittes, die Bestandteil des Gehäuseabschnittes sind, im wesentlichen um eine diametrale Achse ausgerichtet sind, die gegenüber den X-Achsen des Quarzes um einen ausgewählten Winkel ψ versetzt sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonatorabschnitt ein AT-Quarz ist und der ausgewählte Winkel ψ entweder nahe 0 oder nahe 90 liegt.

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7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonatorabschnitt ein BT-Quarz und der ausgewählte Winkel ψ entweder ca. 90° oder ca. 60° ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der zylindrische Gehäuseabschnitt (46) von der Peripherie des Resonatorabschnittes (16) in entgegengesetzten Richtungen, im wesentlichen senkrecht zur Mittelebene des Resonatorabschnittes zu ersten (60) und zweiten (62) Zwischenflächen erstreckt, die sich im wesentlichen im gleichen Abstand von dem Resonatorabschnitt (16) befinden, daß ein zweiter zylindrischer Gehäuseabschnitt (48) homogener Bestandteil eines zweiten Resonatorabschnittes (18) entlang eines Abschnittes einer Peripherie ist, der zweite Resonatorabschnitt (18) gegenüberliegende Flächen ausgewählter Konturen aufweist, die sich im Abstand von der Mittelebnene befinden, und der zweite zylindrische Gehäuseabschnitt (48) einen Durchmesser aufweist, der im wesentlichen gleich dem Durchmesser des zylindrischen Gehäuseabschnittes ist und Wände im wesentlichen derselben ausgewählten Wandstärke hat, die sich von der Peripherie des zweiten Resonatorabschnittes (18) in entgegengesetzte, im wesentlichen zur Mittelebene des zweiten Resonatorabschnittes senkrechte Richtungen zu dritten und vierten (64) Zwischenflächen erstrecken, die von der Kontur der Oberflächen des zweiten Resonatorabschnittes (18) den gleichen Abstand von etwa £' aufweisen,daß der zylindrische Gehäuseabschnitt (46) und der zweite zylindrische Gehäuseabschnitt (48) an deren Zwischenflächen verbunden sind und eine Kammer innerhalb der Gehäuseabschnitte zwischen angrenzenden Flächen der entsprechenden Resonatorabschnitte bilden, daß ein zweiter zylindrischer Verschlußabschnitt (68) von im wesentlichen dem gleichen Durchmesser und der gleichen Wandstärke wie der zweite zylindrische Gehäuseabschnitt nahe der vierten Zwischenwand (64) mit dem zweiten zylindrischen Gehäuseabschnitt (48) an der zweiten Zwischenfläche (64) verbunden ist, der zweite zylindrische Verschlußabschnitt (68) mit einem

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transversalen Abschnitt entlang seiner Peripherie Bestandteil seiner zylindrischen Wände ist, von der vierten Zwischenfläche um ca. die Länge Jl* beabstandet ist und eine abgedichtete Kammer innerhalb des zweiten zylindrischen Gehäuses und des zweiten Verschlußabschnittes zwischen den angrenzenden Flächen des zweiten Resonatorabschnittes und des transversalen Abschnittes bildet und daß eine zweite Elektrodenanordnung (54, 56) entlang des zweiten Resonatorabschnittes (18) angeordnet ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Gehäuseabschnitt (46) und der zweite zylindrische Gehäuseabschnitt (48) aus dem gleichen Material bestehen und an deren zweiten und dritten Zwischenflächen (62) mit im wesentlichen ausgerichteten Kristallgitterstrukturen verbunden sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrischen Verschlußabschnitte aus dem gleichen Material wie die entsprechenden zylindrischen Gehäuseabschnitte (46, 48) bestehen und mit den entsprechenden ersten (60) und vierten (64) Zwischenflächen mit im wesentlichen ausgerichteten Kristallgefügestrukturen verbunden sind.
11.Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Resonatorabschnitte (16, 18) nur an im wesentlichen diametral gegenüberliegenden Teilabschnitten der Peripherie Bestandteil des entsprechenden zylindrischen Gehäuseabschnittes (46, 48) ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonatorabschnitte aus AT-Quarz bestehen und die diametral gegenüberliegenden Abschnitte der Peripherie des Resonatorabschnittes (16) zu einer diametralen Achse ausgerichtet sind, welche von der X-Achse des Quarzes um einen Winkel ψ von etwa 0 versetzt ist, und die diametral gegenüberliegenden Abschnitte der Peripherie des zweiten Resonatorabschnittes (18) zu einer

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α*

diametralen Achse ausgerichtet sind, die von der X-Achse des Quarzes um einen Winkel ψ von etwa 90 versetzt ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß sich in den Resonatorabschnitten (16, 18) BT-Quarz befindet und daß die diametral gegenüberliegenden Abschnitte (26) der Peripherie des Resonatorabschnittes (16) zu einer diametralen Achse ausgerichtet sind, die von der X-Achse des Quarzes um einen Winkel ψ von etwa 0 versetzt ist, und die diametral gegenüberliegenden Peripherieabschnitte (28) des zweiten Resonatorabschnittes (18) um eine diametrale Achse ausgerichtet sind,

™ die gegenüber der X-Achse des Quarzes um einen Winkel von etwa

ο
60 versetzt ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

ein Gehäuse (37, 39, 41) mit einer elastischen Umrandung die einheitliche Resonator- und Gehäuseanordnung (QPT) des Gehäuses unterstützt, daß ein im wesentlichen die Zylinderwände des einheitlichen A ufbaus umgebendes Flüssigkeitsvolumen den Raum innerhalb des Gehäuses füllt und die Druckverbindung zwischen der elastischen Umrandung des Gehäuses und den zylindrischen Wänden der einheitlichen Anordnung bildet.

|
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß

die einheitliche Anordnung (QPT) innerhalb des Gehäuses durch ein Stützglied (31, 33) gehaltert ist, das mit dem transversalen Abschnitt eines zylindrischen Verschlußabschnittes verbunden ist.

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