DE2440493C3 - Piezoelektrischer Meßumformer für den Innenüberdruck von elastisch verformbaren Hohlkörpern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Meßumformer für den Innenüberdruck von elastisch verformbaren Hohlkörpern nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Hohlkörper, deren Innenüberdruck sich während des Betriebes ändert, sind außer durch den Innenüberdruck auch auf Biegung und durch zusätzliche Schwingungen belastet. So bildet zum Beispiel ein Einspritzrohr eines Dieselmotors, an dessen Oberfläche bei diagnostischen Messungen der Druckverlauf des eingespritzten Kraftstoffes erfaßt wird, mit der Einspritzpumpe, der Einspritzdüse und dem eigentlichen Motor ein System, das als Einheit schwingt. Das Einspritzrohr schwingt ferner als elastisches Element des Systems mit eigenen, gedämpften Resonanzschwingungen, die durch schnelle Druckänderungen im Rohr hervorgerufen werden, deren Schwingungszahl sich üblich im Bereich von 5-20 kHz bewegt.

Zum Messen des Innenüberdruckes sind verschiedene Meßumformer bekannt. Für diagnostische Messungen ohne Demontage werden Meßumformer verwendet, die die Verformung bzw. Deformation eines elastisch verformbaren Hohlkörpers in Abhängigkeit von Änderungen des Innenüberdruckes erfassen. Diese Meßumformer haben piezoelektrische Platten, auf die über Übertragungselemente der durch die Deformation des Hohlkörpers erzeugte Druck einwirkt (vgl. DE-OS 2201320, US-PS 3603 152); der Hohlkörper ist dabei zur Messung in den aus mehreren Teilen bestehenden Meßumformer eingespannt und an mehreren Stellen in diesem gelagert (DE-OS 2201320) oder an seiner Mantelfläche von diesem umschlossen (US-PS 3 603 152). Diese Meßumformer haben bei Einfachheit des Aufbaus und der Herstel-

40 lung eine hohe Empfindlichkeit sowie eine gute Reproduzierbarkeit der Meßergebnisse. Bei diesen bekannten Meßumformern ist es aber nicht ohne weiteres möglich, den Einfluß von Schwingungen und elastischen Deformationen des zu prüfenden Hohlkörpers auszuschließen, die fehlerhafte Signale auslösen, die das Meßergebnis für den Innenüberdruck des Hohlkörpers verfälschen.

Mit den bekannten Meßumformern wird nämlich bei einem Rohr die Änderung des Rohrdurchmessers bei einer Überdruckänderung gemessen, wobei das Rohr an mehreren Punkten oder dem gesamten Umfang seiner Mantelfläche eingespannt ist (vgl. oben). Die während des Betriebes entstehenden Biegeschwingungen rufen aber auch Änderungen der geometrischen Form des Rohrquerschnittes von kreisförmig in oval und damit Änderungen des Rohrdurchmessers hervor. Der Meßumformer erfaßt diese Änderungen des Rohrdurchmessers, die aber vom Überdruck im Rohr unabhängig sind, als Störsignale.

Um diese Störsignale auszuschließen, können verschiedene elektrische Filter, meist Niederfrequenzpaßfilter, vorgesehen werden. Dadurch wird jedoch der wirkliche Überdruckverlauf im Rohr verzerrt, da im eigentlichen Signal die Hochfrequenzkomponenten fehlen, die für eine Analyse des Einspiitzvorganges sehr wichtig sind.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen piezoelektrischen Meßumformer der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem der Einfluß der Biegeschwingungen auf das Meßergebnis beseitigt ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs angegebenen Merkmale gelöst.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß durch eine elastische Biegung eines Hohlkörpers oder Rohres die Länge von dessen äußerem Umfang in einer zur Hohlkörper- oder Rohrachse senkrechten Ebene sich nicht ändert. Durch Änderungen des Überdruckes im Hohlkörper oder Rohr ändert sich dagegen die Länge von dessen Umfang im Bereich der elastischen Deformationen des Hohlkörpers oder Rohres linear.

Der erfindungsgemäße Meßumformer bildet mit seinem zweiteiligen Meßumformer-Körper zusammen mit der Stahleinlage, den Übertragungselementen und den piezoelektrischen Platten eine homogene Einheit hoher Steifheit. Er spricht nicht auf Formänderungen des Hohlraumes oder Rohres bei konstanter Länge von dessen Umfang an, jedoch auf Längenänderungen des Hohlraum- oder Rohrumfanges, die durch Änderungen des Innenüberdruckes im Hohlraum oder Rohr erzeugt werden. Der Meßumformer-Körper ist dabei soweit elastisch, daß er die Linearität zwischen Änderungen des Innenüberdruckes und Änderungen des elektrischen Ausgangssignals beibehält.

Ein Ausführungsbeispiel für den erfindungsgemäßen Meßumformer ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch den Meßumformer entlang einer Ebene senkrecht zur Achse des zu prüfenden Rohres, und

Fig. 2 eine Draufsicht auf den unteren Teil des Meßumformers.

Der Meßumformer besteht aus einem Körper, der von zwei gleichen bügeiförmigen Teilen gebildet wird, nämlich einem oberen Tei 1 und einem unteren Teil 2,

die einen im Querschnitt kreisförmigen Hohlraum 3 in Form eines Doppelkegels umschließen. In der Mitte des Hohlraumes 3 ist eine Nut 4 ausgebildet, in der eine vierteilige Stahleinlage 5 eingebettet ist, deren Innendurchmesser gleich dem Außendurchmeser des zu prüfenden Rohres 6 ist. Senkrecht zum Hohlraum 3 sind in beiden Teilen 1,2 des Meßumformers einander gegenüber kleinere kreisförmige Hohlräume 6 ausgebildet, in denen piezoelektrische Platten 8 gelagert sind. In beiden Teilen 1,2 sind öffnungen 9 gebohrt, die in die Hohlräume 7 münden, durch die (nicht gezeigte) Kabel führen, deren Enden an Kontaktplatten 10 angeschlossen sind. Die äußere Elektrode der piezoelektrischen Platten 8 stützt sich jeweils gegen die eine Kontaktplatte 10 und diese wieder gegen eine am Boden des Hohlraumes 7 gelagerte Isoliereinlage 11. Die innere Elektrode jeder piezoelektrischen Platte 8 stützt sich gegen ein an der Oberfläche des Rohres 6 anliegendes Metallübertragungselement 12. Beide Teile 1, 2 des Meßumformer-Körpers sind mittels Schrauben 13, die zu beiden Seiten des Meßumformer-Körpers angeordnet sind, mit einer Vorspannung am Rohr 6 befestigt. Der

Meßumformer-Körper 1,2 ist für eine geringere Massenträgheit und kleineren Elastizitätsmodul des Meßumformer-Körpers vorteilhaft aus einer Leichtmetallegierung ausgeführt. Gegebenenfalls vorhandene Fugen im Meßumformer sind zum Beispiel mit Epo-

xydharz ausgefüllt Am zusammengebauten Meßumformer sind mit entsprechendem Spieiraum zwischen beiden Teilen 1, 2 des Meßumformer-Körpers für dessen Befestigen am Rohr 6 mit einer Vorspannung die Einspann- und Meßflächen auf eine genaue geo-

,5 metnsche Form bearbeitet.

Der erfindungsgemäße Meßumformer kann zum Messen des Innenüberdruckes von Hohlkörpern, vor allem von Hochdruckrohrleitungen, angewendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Piezoelektrischer Meßumformer für den Innenüberdruck von elastisch verformbaren zylindrischen Hohlkörpern, mit einem zweiteiligen Meßumformer-Körper einschließlich einem im Querschnitt kreisförmigen Hohlraum, in dessen Wand einander gegenüberliegend wenigstens zwei Übertragungselemente und piezoelektrische Platten gelagert sind, gekennzeichnet durch

   a) eine im Hohlraum (31) des zweiteiligen Meßumformer-Körpers (1,2) ausgebildete kreisförmige Nut (4) mit einer mehrteiligen Stahleinlage (5), die an dem jeweiligen zylindrischen Hohlkörper ((S) ailiegt,

   b) einen Spalt zwischen beiden Teilen des Meßumformer-Körpers (1, 2) in. einer durch die Achse des jeweiligen Hohlkörpers (6) führenden Ebene für ein Anziehen der beiden Teile am Hohlkörper (6) mittels Schrauben (13) mit einer solchen Vorspannung,

   c) daß zwecks Ausschaltung des Einflusses von elastischen Biegeschwingungen auf die piezoelektrischen Platten (8) nur Formänderungen des jeweiligen Hohlkörpers (6) bei gleichzeitiger Änderung seiner Umfangslänge übertragen werden.