DE2130588A1

DE2130588A1 - Piezoelektrische Baueinheit

Info

Publication number: DE2130588A1
Application number: DE19712130588
Authority: DE
Inventors: Rudolf Ing Zeiringer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1970-07-03
Filing date: 1971-06-21
Publication date: 1972-01-05
Also published as: DE2130588C3; DE2130588B2; CH535952A; GB1315066A

Description

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PATENTANWALT

PiPL-JNQ-RUDOLF BlBRACH

34 göTTINQEN - POTTERWEQ 6 TELEFON 5 78Ϊ3

Dipl.IngoDr.Dr.il.c.Hans LIST, Graz (Österreich)

Piezoelektrische Baueinheit

Die Erfindung betrifft eine piezoelektrische Baueinheit, bestehend aus einem piezoelektrischen Meßwandler und einem an diesen angeschlossenen, ein separates Gehäuse aufweisenden Verstärker.

Es ist bereits eine piezoelektrische Meßwandler-Verstärkerkombination bekannt, bei der der in ein Metallgehäuse eingebaute Verstärker mit dem Meßwandler durch mechanische Verbindungsmittel unter Zuhilfenahme eines Dichtungsmittels hermetisch zu einer zu jeder Zeit trennbaren Einheit verbunden ist«, Diese Baueinheit besitzt praktisch gleiche Einbaudimensionen wie der Meß wandler» Durch diese Ausbxldung sollen die durch längere Kabelverbindungen zwischen Wandler und Verstärker hervorgerufenen Einflüsse auf den Verstärkungsgrad und die obere Meßfrequenz verringert werden, Ein wesentlicher Nachteil dieser bekannten piezoelektrischen Baueinheit besteht darin, daß der Meßwandler und der Verstärker sowohl in ihren Dimensionen als auch

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hinsichtlich ihrer mechanischen und elektrischen Anschlußteile genau aufeinander abgestimmt werden müssen. Der Konstrukteur ist daher bei der Auslegung von Meßwandler und Verstärker an stark einschränkende Bedingungen gebunden, welche der optimalen Auslegung und Formgebung dieser Elemente entgegenstehen. Ein weiterer Nachteil der bekannten Anordnung ist darin zu sehen, daß die Verbindung von Meßwandler und Verstärker auch bei Zuhilfenahme eines Dichtungsmittels ziemlich unsicher ist und die Gefahr besteht, daß sich die beiden Bestandteile der Baueinheit unbeabsichtigt voneinander lösen, wenn diese im Meßbetrieb stärkeren Erschütterungen ausgesetzt wird, Solche Bedingungen sind beispielsweise bei der Druckmessung an Brennkraftmaschinen gegeben. Schließlich ist es auch ungünstig, daß beim üuftreten hoher Temperaturen an der Meßstelle, die vom Meßwandler selbst noch ohne weiters ertragen v/erden, auch der Verstärker eine hohe, unter Umständen nicht zulässige Wärme bei astung erfährt,,

Ziel der vorliegenden Erfindung ist nun die Schaffung einer piezoelektrischen Baueinheit, welche die Nachteile der erwähnten bekannten Meßwandler-Verstärkerkombination vermeidet,, Eine solche Baueinheit ist erf indunes <remäß ge^- kennzeichnet durch ein den Meßwandler und den Verstärker in separaten, von einer abgestuften Aufnahmebohrung gebildeten Kammern enthaltendes Gehäuse, das am verstärkerseitigen Ende einen Ringrand aufweist, der mit einem anliegenden Ringrand des Verstärkergehäuses durch eine Ringschweißnaht hermetisch dicht verbunden ist, und das am wandlerseitigen Ende durch ein Verschlußstück, z.B. eine druckübertragende Membrane, hermetisch dicht abgeschlossen ist.

Diese Ausbildung ermöglicht es, sowohl den Meßwandler als auch den Verstärker hauptsächlich nach funktioneilen Gesichtspunkten zu gestalten, ohne auf den Vorteil eines direkten Anschlusses dieser Bauteile der Meßeinrichtung ver-

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ziehten zu müssen. Durch die hermetisch dichte Anordnung des Wandlers und des Verstärkers innerhalb des genannten Gehäuses sind diese funktionswichtigen Elemente sowohl gegen mechanische Besciiädigungen als auch gegen Feuchtigkeit und andere schädliche Außeneinflüsse vollkommen geschützt . '

Der hermetisch dichte Abschluß am verstärkerseitigei Ende der Baueinheit durch eine Ringschweißnaht kann in besonders einfacher Weise durch Lichtbogenschweißung, insbesondere Plasmaschweißung, erreicht werden· Die Anwendung dieser Schweißverfahren ist deshalb zu empfehlen, weil der fast punktförmig auf die Schweißstelle konzentrierte lichtbogen nur zu einer mäßigen Erwärmung der verschweißten Bauteile führt. Die Ringschweißnaht kann außerdem mit einem sehr kleinen Querschnitt hergestellt werden, sodaß die Möglichkeit besteht, die Schweißnaht im Reparaturfalle durch Abdrehen zu entfernen und den Verstärker aus dem Gehäuse auszubauen.

Ein weiterer Vorteil der piezoelektrischen Baueinheit nach der Erfindung ergibt sich durch den Anschluß des Verstärke rgehäus es an jenem Ende des Gehäuses, welches beim r*eS De trieb der Meßstelle, beispielsweise der Indizierbohrung eines Zylinders einer Brennkraftmaschine abgewendet ist. Es tritt daher auch bei vergleichsweise hohen Temperaturen am wandlerseitigen Ende des Gehäuses nur eine mäßige Erwärmung des Verstärkers ein.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung sind die Ringränder des Gehäuses und des Verstärkergehäuses als radial vorstehende, vorzugsweise nach außen sich verjüngende Schweißflansche ausgebildet. Diese Ausführung ist aus schweißtechnischen Gründen vorteilhaft, weil sie es ermöglicht, den Schweißbrenner radial in bezug auf die Längsachse der Baueinheit anzuordnen und die Schweißnaht unter Drehung der in eine entsprechende Vorrichtung einprespannten Baueinheit oder des Schweißgerätes um die Längsachse des Gehäuses herzustellen.

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Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung können die Ringränder aber auch von konzentrischen ringförmigen Fortsätzen des Gehäuses und des Verstärkergehäuses gebildet sein. Die Anschlußflächen des Gehäuses und des Verstärkergehäuses können daher als einfache zylindrische Flächen ausgeführt werden.

Bei piezoelektrischen Baueinheiten, welche verhältnismäßig hohen thermischen Belastungen ausgesetzt sind, ist schließlich erfindungsgemäß vorgesehen, daß die den Meßwandler enthaltende Kammer einen den Wandler teilweise umgebenden Ringraum bildet, der in an sich bekannter Weise über einen Einlaß- und einen Auslaßkanal an ein, Kühlwassersystem anschliebar ist. Dadurch erfährt nicht nur der Meßwandler sondern auch der Verstärker eine wirkungsvolle Kühlung, welche die Funktionssicherheit und Lebensdauer dieser empfindlichen Teile der Meßeinrichtung erhöht.

Gemäß einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Verstärkergehäuse und bzw. oder das den Verstärker und Meßwandler enthaltende Gehäuse eine hermetisch dicht verschließbare Öffnung auf, über die ein zur Abstimmung der Empfindlichkeit des Verstärkers an diesem vorgesehenes Potentiometer zugänglich ist.

Durch diese Ausbildung eröffnet sich die Möglichkeit einer gederzeitigen Empfindlichkeitsabstimmung der piezoelektrischen Baueinheit bei voller Wahrung der aus dem hermetisch dichten Einbau von Verstärker und Meßwandler resultierenden Vorteile.

Bei der serienmäßigen Herstellung solcher piezoelektrischer Baueinheiten wirkt sich die Einstellmöglichkeit auf genau definierte Empfindlichkeitswerte beim Kalibrieren der Geräte vor allem deshalb günstig aus, weil solche Baueinheiten dann untereinander austauschbar sind. Dieser Vorzug der erfindungsgemäßen Konstruktion tritt besonders deutlich bei piezoelektrischen Baueinheiten in Erscheinung,

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welche für Überwachungszwecke bestimmt sind, da hier beim Austausch einer Baueinheit keine Neueinstellung der nachgeschalteten elektronischenEinrichtung erforderlich ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ragt das Verstärkergehäuse über seinen Ringrand hinaus vor und befindet sich die hermetisch dicht verschließbare Öffnung an der Mantelfläche dieses vorragenden Teiles des Verstärkergehäuses ο Man erreicht dadurch eine besonders gute Zugänglichkeit zum Potentiometer und es erübrigt sich das bei einer Anordnung der Öffnung in dem den Verstärker und den Meßwandler enthaltenden Gehäuse erforderliche Durchbohren sowohl des äußeren Gehäuses als auch des Verstärkergehäuses.

Die Erfindung wird nachstehend anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele, in denen gleichartige Teile mit denselben Bezugsziffern bezeichnet sind, näher erläutert. Fig. 1 zeigt einen Axialschnitt einer piezoelektrischen Baueinheit nach der Erfindung und Fig„2 einen Axialschnitt einer abgewandelten Ausführungsform einer solchen Baueinheit.

Die Baueinheit besteht aus einem im wesentlichen abgesetzt zylindrischen Gehäuse 1 mit einer durchgehenden, abgestuften zentralen Aufnahmebohrung 2, welche eine Kammer 3 zur Aufnahme eines LadungsVerstärkers 4- und eine weitere Kammer 5 zur Aufnahme eines piezoelektrischen Druckwandlers 6 bildet. Die Kammern 3 und 5 sind durch einen verengten Abschnitt 7 der Aufnahmebohrung 2, durch den das anschlußseitige Ende 8 des Wandlers 6 in die Kammer 3 vorragt, verbunden. Ein am Wandlerende 8 stirnseitig angebrachter federrifer Kontaktstift 9 liegt an einer Kontaktplatte 10 des Verstärkers 4 an, die in nicht dargestellter Weise mit dem Eingang des Verstärkers verbunden ist.

Der Meßwandler 6 stützt sich einerseits mit einer Hingschulter 11 an einem Absatz 12 der Aufnahmebohrung 2

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ab und trägt andererseits am vorderen Ende einen druckübertragenden Stempel 13, v/elcher in eine zentrale Öffnung einer Rollmembrane 14 eingesetzt ist, deren äußerer ringförmiger Teil 15 in eine ringförmige Vertiefung 16 des Gehäuses 1 dicht eingepaßt ist. Die Kammer 5 bilaefc einen den Meßwandler 6 teilweise umgebenden Ringraum, der über Kühlwasserkanäle 17 und 18 mittels der Anschlußstutzen 19 und 20 in nicht dargestellter Weise an ein Kühlwassersystem angeschlossen ist.

Das Gehäuse 1 weist am wandlerseitigen Ende ein Außengewinde 21 zum Einschrauben der Baueinheit in eine an der Meßstelle vorgesehene Gewindebohrung, z„ß. eine Indizierbohrung einer Brennkraftmaschine, auf. Durch die Ausbildung der Kammer 5 als Kühlwasserraum wird der Meßwandler 6 gegen allfällige überhitzung geschützt und das Gehäuse 1 selbst entsprechend gekühlt, sodaß auch der Verstärker 4 nur mäßig erwämt wirdo

Der Verstärker 4 ist im Verstärkergehäuse 22 in eine Vergußmasse 2$ eingebettet, durch die die Anschlußleitungen 24 des Verstärkers zu einem Anschlußstecker 25 herausgeführt sind.

Das Verstärkergehäuse 22 besitzt einen radial vorstehenden, nach außen sich verjüngenden Schweißflansch 26, der an einem ebensolchen, am anschlußseitigen Ende des Gehäuses 1 angebrachten Schweißflansch 27 anliegt. Die beiden Schweißflansche 26 und 27 sind durch eine umfangsei tige Ringschweißnaht 28 hermetisch dicht verbunden. Die Schweißnaht 28 wird bevorzugt durch Plasmaschweißung hergestellte Sie kann im Reparaturfalle durch Abdrehen entfernt werden, um den Ausbau des Verstärkers 4 zu ermöglichen.

Das Verstärkergehäuse 22 besitzt im Bereich seines in die Kammer 3 hineinragenden rohrförmigen Teiles 29 einen kleineren Durchmesser als die Aufnahmebohrung 2, um den Wärmeaustausch zwischen dem Gehäuse und dem Verstärkergehäuse zu verringern.

Bei der Ausführung der Baueinheit nach Fig. 2 ist in den Verstärker 4 ein zur Abstimmung der Empfindlichkeit

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des Verstärkers dienendes Potentiometer 30 eingebaut. Die Einstellschraube dieses Potentiometers ist mit 31 bezeichnet. Das Verstärkergehäuse 22 weist in einem über seinen Hingrand 26 vorragenden Abschnitt 32 eine mittels einer Verschlußschraube 33 mit Dichtring hermetisch dicht verschließbare Öffnung 3^ auf, über die die Einstellschraube 31 des Potentiometers 30 zugänglich ist. Dadurch besteht jederzeit die Möglichkeit, die Empfindlichkeit des Verstärkers 4 auf einen genau definierten Wert einzustellen. Beispielsweise iat es möglich, die Empfindlichkeit des Verstärkers so einzuregeln, daß ein vom Verstärker abgegebenes Ausgangssignal von 1mV genau einer Atmosphäre Meßdruck entspricht.

Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Abweichungen vom dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiel möglich. So beschränkt sich ihre Anwendung nicht auf Druckwandler, an deren Stelle auch andere piezoelektrische Meßwandler, z.B. ein Beschleunigungsmeßgerät, treten können_β Weiters besteht die Möglichkeit, anstelle der Wasserkühlung der Baueinheit Luftkühlung durch Ausbildung von Kühlrippen am Gehäuse vorzusehen. Weiters sind auch ungekühlte Ausführungen der Meßeinrichtung mögliche _c

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Claims

P -a t e η t a η s ρ r ü c he:

η<J Piezoelektrische Baueinheit, bestehend aus einem piezo elektrischen Meßwandler und einem an diesen angeschlossenen, ein separates Gehäuse aufweisenden Verstärker, gekennzeichnet durch ein den Meßwandler (6) und den Verstärker (4) in separaten, von einer abgestuften Aufnahmebohrung gebildeten Kammern (5,5) enthaltendes Gehäuse (1), das am verstärkerseitigen Ende einen Ringrand (27) aufweist, der mit einem anliegenden Ringrand (26) des Verstärkergehäuses (22) hermetisch dicht verbunden ist, und das am wandlerseitigen Ende durch ein Verschlußstück, z.B. eine druckübertragende Membrane (14), hermetisch dicht abgeschlossen ist.

Piezoelektrische Baueinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringränder des Gehäuses (1) und des Verstärkergehäuses (22) als radial vorstehende, vorzugsweise nach außen sich verjüngende Schweißflansche (27,26) ausgebildet sind.

3. Piezoelektrische Baueinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringränder von konzentrischen ringförmigen Fortsetzen des Gehäuses (1) und des Verstärkergehäuses (22) gebildet sind.

4„ Piezoelektrische Baueinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die den Meßwandler (6) enthaltende Kammer (5) einen den Wandler teilweise umgehenden Ringraum bildet, der in an sich bekannter Weise über einen Einlaß- und einen Auslaßkanal (17,18) an ein Kühlwassersystem anschließbar ist.

5· Piezoelektrische Baueinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkergehäuse (22) und bzw. oder das den Verstärker (4) und Meßwandler (6) enthaltende Gehäuse (1) eine hermetisch dicht verschließbare Öffnung (34) aufweist, über die

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ein zur Abstimmung der Empfindlichkeit des Verstärkers (4-) an diesem vorgesehenes Potentiometer (30) zugänglich ist«,

6.Piezoelektrische Baueinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkergehäuse (22) über seinen Ringrand (26) hinaus vorragt und sich die hermetisch dicbb verschließbare öffnung (34·) an cLei* Mantelfläche dieses vorragenden Teiles (32) des Verstärkergehäuses (22) befindet«

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