DE2805526A1

DE2805526A1 - Apparat und methode fuer druckhoehemessung

Info

Publication number: DE2805526A1
Application number: DE19782805526
Authority: DE
Inventors: Mitchell A Cotter
Original assignee: GEN RESISTANCE
Current assignee: GEN RESISTANCE
Priority date: 1977-02-14
Filing date: 1978-02-09
Publication date: 1978-08-24
Also published as: FR2380546B3; NL7801667A; JPS53121676A; DK36178A; FR2380546A1; IT7848018A0; US4126049A; IT1102272B; GB1600883A; SE7801269L

Description

APPARAT UND METHODE ?UER DFIICKHOEHFMESSUNG ^ § O 5 5

Die Erfindung betrifft Messwert Umformer fuer die Messung von hydrostatische Druckhoehen. Sie betrifft, in eine engere Fassung, Messwert Umformer die resonante Elemente benuetzen um die Druckhoehe zu fuehlen.

In der Messungstechnik, wie sie zur Messung von Kraeften und Fluessigkeitdruck verwendet ist, Systeme bestuetzen sich gemeinlich auf die praezise Fabrikation von mechanischen Bauelementen. Solche Bauelemente erfassen den Waagebalken, Üebertragungselemente und praezis kalibrierbare Federn, oder andere nachgebende Bauteile, in Messungsgeraete wo Kraefte, und nicht Massen, zu balanzieren sind. In herkoemmlichen Waagen praeziser Art sind Waagekanten, Zahnraeder und Edelsteinlager oft verwendet. Alle solche Waagen leiden durch ihre Abhaengigkeit von praezise mechanische Bauelemente mit Neigung zur Abnutzung, Alterung durch mechanische Belastung, und sind weiterhin begraenzt in ihrer Verwendbarkeit, durch die Begrenzung der Mindestdimension der Bauelemente die den Mindestwert der Kraefte die verlaesslich gemessen werden koennen bestimmen. Sogar fuer Waageapparate die einigermassen Akkurat sind, etwa um ein Prozent, solche Bauteile koennen nicht billig angefertigt werden. Die komplizierten und praezise Teile fuer Apparate mit eine Genaulichkeit bis auf ein Teil in ein Tausend sind in der Herstellung sehr Teuer.

Zum Beispiel, fuer sehr genaue Gewichtmessungen, wie sie in chemische Laboratorien gebrauchlich sind, herkoemliche Methoden sind meistens auf eine Massbilanz gestuetzt. Solche Methoden erlauben das Tragen von den Messgewichten zu einen anderen Ort, wo sie genau geeicht werden koennen.

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Dadurch werdun die Messungen nicht von den lokalen Wert der Erdanziehungskraft bestimmt. M2n nacht eine proportionale. _-«-, Messung durch einen praezisen, mechanisch stabile Waagebalken dessen Proportionalverhaeltnisse geanu '"kannt sind. Fuer sehr genaue Resultate, die Gewichte muessen sehr beachtend gehandelt w· »n, so dass kein Material abgenommen wird und um eine Abnutzung zu beseitigen/ und sie muessen auch sehr rein gehalten und die Aussehtlaechen von der Adsorbung von Feuchtigkeit und Korrosionprodukte verhuetet werden. Fuer noch mehr genaue Gewichtmessungen muessen auch die lokale Werte der Temperatur und der Luftdruck in Betracht genommen werden da sie der Schwimmfaehigkeit beeinflussen. Die Biegung und Verdrehung des Waagebalkes muss auch in Betracht genommen werden, unter den Ladespannungen die durch die Gewichte und die zu wiegende Masse erstaehen.

In Apparaten die auf Federn oder andere elastische Elemente ihre Messung basieren, muss man sich auf die Stabilitaet der Elastizitaet des Materiales verlassen - ebenfalls leiden solche Federn oder Membraenen von ihren Bedarf auf sehr genaue dimensionale und f-->r;rmliche Herstellungsmas';nahmen-Die Elastizitaet und Nachgebung des Materials wird von der Bearbeitungsgeschichte, Arbeitsverzaehung, atmosphaerische Einfluesse, Aetzung und Kriechenartige Versetzung beeinflusst. Alle l'^nuetzliche Materialen kriechen oder geben plastisch nach, insbesondere wenn eine ziemlich grosse relative Belastung auf sie einwirkt, um ein relatives grosses Resultat zu erzielen fuer eine bestimmte Kraftladung. Weiterhin, Apparate die elastische Elemente zur Messung benuetzen leiden von Hysterese wo Kraefte sich schnell oder oft aendern; solche Apparate sind weiter von die Ungenauigkeit in die Messung von die Formveraenderung des nachgebenden Elementes betraechtigt.

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Elektrische Dehnungsmessstreifen sind oft ca zu verwendet, die elastische Formveraenaerung in die Federlemente zu messen. Die Verwendung von solchen elektrischen Messungen fuer die mechanische Deformation weist weitere Probleme auf, die mit der Kuppelung des Messungstreifens mit der physischen Dehnung des Materiales verbunden ist.

Solche Messungschemen koennen durch einen Guetewert geschaetzt werden, die der Variation in den gemessenen Parameter mit die Groesse des observierten Parameters vergleicht. Wenn ein elektrischer Widerstanddehnungsmesser verwendet wird, dieser Messguetewert ist die proportionale Aenderung in den elektrischen Widerstand fuer eine proportionale Aenderung in der Dehnung des Materiales. Ein grosser Vorteil des elektrischen Widerstandsdraht-Dehnungsmessers besteht darin, dass der Messguetewert groesser wie eins ist, da der Widerstand des Drahtes sich schneller aendert als die Dehnung. In solchen Apparaten der Messguetewert, demnach, representiert eine Vergroesserung der Dehnung des nachgebenden Elementes durch die Umformung in den gemessenen gekuppelten Parameter. Die Aenderung in die Groesse von dem gemessenen Parameter ist doch immer nur eine kleine Proportion der Groesse von dem Parameter selbst, da die Dehnung - wegen die erlaubbare Groesse des Kriechens oder der Hysterese - auf eine kleine Fraktion von ein Prozent der Laenge, oder Volumens, des elastischen Elementes beschraenkt. Die formale Deformationsstaerke der meisten Materiale ist, konventionell dadurch bestimmt, dass die gegebene Fliesspannung eine gegebene bleibende Deformation erwirkt. Davon ist es klar, dass grosse Dehnungen in die Laenge oder Volumen des Messelementes zu grossen Ungenauigkeiten fuehren koennen. Federn, Diaframe, und

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andere elastische Bauelenente sind deswegen selten gedehnt zu einer Proportion groesser wie ein Teil in Tausend, sodass die erwartbare Stabilitaet nicht beeintraechtigt wird.

Diese Erlaeuterung beleuchtet die grosse Not fuer, und Wertbarkeit, der Stabilitaet des gekuppelten Parameters in indirekte Messungsschemen, wie jene die auf Dehnungsmesstreifen basiert sind. Der Begriff von Messguetewerten kann so veraendert werden, dass sie auch die Empfindlichkeit der verschiedenen Umformer und Indikatoranlagen umfasst. Sollte man die verschiedenen Messsysteme - Massbilanz, Dehnungsmesser, nachgebende Elemente, und andere - vom Standpunkt eines Messguetewertes betrachten, so kommt man zu den Entschluss, dass die relative Unempflindlichkeit der Bilanzschemen durch eine hoehere Praezision und Stabilitaet ausgeglichen wird. Apparate die Dehnungsmesstreifen benutzen haben niedriegere Messguetewerte.

In der Messung von hydraulischem Druck, die Eichung von praezisen Messgeraeten ist gewoehnlich durch die Verwendung von einen praezisen Kolben, der durch bekannte Gewichte belastet wird. Die Genauigkeit und Stabilitaet von den nachgebenden Kraftmessungsapparaten ist, klassisch, viel niedrieger wie die Kennzeichen der genauesten Kraftbilanzapparate.

In juengeren Zeiten die Vereinigung von einem nachgebenden Diafram und einen Widerstanddehnungsmesser in einem monolitischem Silikon Halbleitersystem hat zu einer bemerkenswerten Empfindlichkeit und eine moeglich verbesserte Genauigkeit gefuehrt. Schemen dieser Art sind aber, vom Standpunkt des Messguetewertes, nur wenig besser wie die vorherbekannten Messmethoden die Dehnungsmesser benuetzen.

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Es gibt auch manche Kraftmesswertumformer in dem das

Fuehlerelement eine resopante Siiiuktur ist, um der Empfindlichkeit und Genauigkeit des gekuppelten Parameters zu erhoehen. Alle solche Schemen sind, aehnlicherweise, auf die Vereinigung

von nachgebenden Elementen mit schwingenden Strukturen

basiert, dessen Eigenfrequenz durch die Groesse und Gestalt der Bauteile bestimmt ist, damit die Deformation des nachgebenden Elementes genau gemessen werden kann. Alle bekannte Schemen dieser Art leiden von Schwierigkeitei in die Kupplung der

Dehnung, oder der Kraft die zu gemessen werden soll, mit die resonante Struktur. Im allgemeinen eine erhoehte Aufloesung und Praezision ist erreicht, aber die Stabilitaet ist nicht material verbessert. Es gibt verschiedene Schemen fuer

Kraftkuppeln die sehr genaue Messwerte erlauben, mit hoher

Aufloesung, durch den Gebrauch von mechanische Resonators

als die Fuehlereleemente. Solche Schemen sind, im allgemeinen, sehr teuer, und ihre Messguetewerte, obwohl hoeher wie fuer die Systeme die oben erwaehnt wurden, sind noch immer viel

niedrieger wie die Werte die durch der Erfindung zu erreichen

Nachgebende Elemente sind, im allgemeinen, aus polykristallinen Materiaion anqofertigt, und nicht von einzelnen Kristallen. Ein Kennzeichen der, hervor erwaehnten, Silikon Diafram/Silikon Dehnungsmesser Umformer ist der Gebrauch von sehr perfekten kristallinen Materialen fuer das Diafram, wie auch fuer den Dehnungsmesserwiderstand, in integrierter Form. In juengeren Zeiten wurde es moeglich gemacht, Einzelkristalle von grossen Volumen und hohem Grad von Vollkommenheit zu bilden, sodass die elastische Eigenschaften des Kristalles eine sehr starke Uniformitaet und Stabilitaet aufweisen, durch die Wirkung
von eine niedriege Dichte von Massendefekte im Kristallgitter.

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Meiste Materialen im normalen Gebrauch - Metall©O η C C ρg Kunststoffe, Keramien, und andere SubsLanzen -· sind polykristalline in Natur, und ihre elastische Eigenschaften stammen aus Klebkraefte und Anziehkraefte zwischen die Teilchen her, nebst die fundamentale interatomische Kraefte die ein Kristallgitter zusammenhalten. Solche Materialen aendern ihre Eigenschaft von Stueck zu Stueck, und sind auch von ihre Herstellungsgeschichte beeinflusst. Ein bemerkenswertes Kenneichen der einzelkristalline Materialen ist ihre Einheitlichkeit von Stueck zu Stueck, und die Gleichartigkeit aller Teile eines Bauelementes die von einem Einzelkristall gefertigt ist.

Ein üeberblick auf den gegenwaertigen Stand der Kraftmesstechnik ist in Publikation Nr. 343 des USA National Bureau of Standards - "Precision measurement and fundamental constants" enthalten, wie sie in den 'Proceedings of the International Conference, held at the NBS, Gaithersburg, Maryland, 3-7 August, 1970' veroeffentlicht wurde. Es kann auf dem Kapitel in dieser Arbeit hingewiesen werden die mit Laengenormen, elektrischen Normen, die Faraday Konstante, atomischen Massen, den Josephson Effekt, und Anziehkraftkonstante handeln.

Im Stand der Technik, zahlreiche Versuche sind bekannt, Fluessigkeitsdruck durch resonanten Kraftumformer zu messen. Als Beispiel, ein Quarzkristall-Resonator der an den zwei Enden abgestuetzt ist, ist in der USA Patentschrift 3 470 beschrieben. Wenn keine axialen Kraefte auf den Quarzbalken wirken, die Eigenfrequenz ist von Gestalt und Matrial bestimmt. Wenn eine Dehnungskraft auf den Balken wirkt, die Eigenfrequenz

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wird erhoeht; unter die Einwirkung von einer Druckkraft, die Eigenfrequenz wird vermindert. Durch diese Einfluesse versucht man eine Verhaeltniss zwischen der aeusseren Kraft und der Eigenfrequenz zu bestimmen. Dieser Kraftumformer, und ihre Weiterentwicklung in dem USA Patent 3 479 536, "als 'Piezoelektrische Kraftumformer¹ beschrieben, hat aber manche grosse Nachteile. Erstens, die Fabrikationskosten sind sehr hoch, wegen Herstellungsschwic igkeiten und dem Bedarf an Praezision. Weiter, die in diesen Patenten beschriebene Umformer muessen einzeln geeicht werden, da sie sehr empfindlich sind zu den unvermeindlichen dimensionalen Abweichungen in der Herstellung. Obwohl die Resultaten die mit diesen Umformern erzielt wurden der herkoemmlichen Art uebersteigen, diese Resultate sind nur durch hohe Kosten erworben, und weitere Verbesserungen in der beschriebenen Technik sind kaum praktisch. Druckumformer die auf der vorher erwaehten Erfindung basiert sind waren in Data Sheets 0276 und 0176 von der Firma Paroscientific, Inc. (Redmond, Washington, USA) vorgeschlagen. Solche Druckumformer sind auch in den folgenden Schriften behandelt: 'Digital Quartz Transducers for Absolute Pressure Measurements' _;

veroeffentlicht durch die '21st International Instrumentation Symposium¹ der ISA (Amerikanisches Instrumentverein), ASD/TMD, May 1975, Philadelphia, Pennsylvania, USA - mit Jerome M. Paros, Paesident der Firma Paroscientific, Inc., als Verfasser; und 'Precision Digital Pressure Transducer', Jerome M. Paros, im 'ISA Transactions, Vol. XII, No. (1973), Seite 173-179.

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Ein anderer Umformer ist in der USA Patentschrift 3 482 197 beschrieben, unter dem Titel 'Pressure Sensitive Device Incorporating Semiconductor Transducer'. Dieses Patent ist prinzipiell damit besorgt die Vorteile eines hoeheren Messguetewertes in einen halbleiter Dehnungsmesstreif System, ohne die gewoehnlich damit verbundenen Nachteile einer gewisse Instabilitaet, zu erzielen. Die Messguetewerte der Erfindung ist durch eine aussergewoehnlxche Struktur erzeugt, die in der Patentschirft beschrieben ist. Die Resultate die damit erzielt werden sind noch immer minderwertig, im Vergleich mit dem piezoelektrischen Kraftumformer, die in den Paros Schriften beschrieben wurden.

In den USA Patent 3 745 394, ein 'Resonant Pressure Sensor¹ ist veroeffentlicht der eine Diafram, auf den das Druck wirkt, benuetzt, die in eine spezielle Mode resoniert, so dass eine groessere Variation in die Eigenfrequenz beobachtet werden kann, wie sonst in solchen Gegenstaenden ueblich ist. Die Erfindung in diesem Patent ersucht den relativen Messguetewert zu erhoehen; aber die- Stabilitaet solcher Systeme ist noch immer sehr begraenzt und die erzielte Resultate koennen wahrscheinlicht nicht der Stabilitaet der vorher erwaehnten zwei Patenten annaehern.

In dem USA Patent 3 878 477 'Acoustic Surface Wave Oscillator Force Sensing Devices' ein Apparat ist beschrieben der wirklicherweise eine Laenge fuehlt und ist mit einem nachgiebigen Element versehen. Dieses Element ist als ein

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Substratum ausgebildet das uncer einer Biegunoskraft elastisch deformiert wird. Die Schwingungsfrequenz in ein solches akustisches Schwinger fuer Oberflaechewellen ist eine Funktion der Spannung im Substratum. Aber, da dieses Substratum unterstuetzt werden rruss, und ist in der Patentschrift entweder als ein Kantileverbalken oder als ein Diafram beschrieben, der Apparat einwerbt alle Nachteile des Strukturelementes dessen Oberflaeche als das Substratum benuetzt ist. Die Patentschrift schlaegt vor die Ausnutzung eines Einzelkristalles Quarz oder Lithium Niobat - so dass ein besseres Federelement erzeugt wird. Obwohl diese Erfindung eroertert einen Oberflaechewellenschwinger in dem die Flaeche des Kristalls mechanisch in Eigenschwingung erregt wird, der beschriebene Apparat macht keinen Nutzen aus den Eigenschaften des Materiales in die Masse, sondern arbeitet auf die Flaeche, wo das Material die groesste Imperfektion aufweist. Demnach, die Stabilitaet die mit kristalline Koerper, die der Perfektion in ihre Struktur nahekommen, gewoehnlich verbunden ist, wird in so einen Schwinger nicht ausgenutzt. Es sollte auch erwaehnt werden dass diese Erfindung ist auf eine Biegungskraft beschraenkt, als der gegebe Einfluss der zu messen ist, da das Prinzip der Arbeitsmethode auf die Messung einer Ausdehnung basiert ist. Der akustische Flaechenwelleschwinger kann, dadurch, nicht zur Messung von Druckhoehen gebraucht werden, da das Eintauchen in einer Fluessigkeit der Wellenpropagation untersage.

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USA Patentschrift 3 435 377 fuer ein 'Force to Frequency-Transducer' beschreibt einen Umformer in welchem die Schwingungsfrequenz in Rapport zu Alterungen in die Hoehe der Kraefte, die daran wirken, altert; durch die Variation in die Eigenfrequenz des Fuehlungselementes. Das Fuehlungslement ist beschrieben als von ein hoch-elastisches Material hergestellt, dessen Eigenschwingungsfrequenz veraendert werden kann durch den Einfluss von Biegungs oder Drehungskraefte. Dieser Umformer leidet von den vielen Nachteilen die schon vorher beschrieben wurden und eignet sich nicht zu praezisen, stabilen Messungen.

Ein 'Load Measuring System¹ ist im USA Patent 3 303 beschrieben. Die Erfindung beschreibt ein volumetrisches Pfadlaengemessgeraet und, in dieser Hinsicht, ist dem akustischen Schwinger des USA Patentes 3 878 477 aenlich. Dieser Apparat weist alle die klassischen Beschraenkungsmerkmale von Umformern mit elastischen, nachgebenden Elementen, und ist nur dazu benutzt eine Frequenzanzeigung fuer eine Verschiebung zu bekommen. Es gibt keine Lehre in dieser Patentschrift dass ein nahperfektes Kristall als das nachgebende Element verwendet werden koennte, und, darum, das beschriebene Geraet bietet keine Vorteile ueber andere Geraete die andere Schemen fuer Versetzungsmessungen benuetzen.

Der vorher eroerterte Stand der Technik, sowie andere bekannte Apparate die im Schrifttum beschrieben sind, ist auf Geraete beschraenkt die auf nachgebende Elemente basiert sind, und alle leiden von dem Nachteil, dass ihre Paezision und Genauigkeit auf Bauteile begruendet ist, die stark imperfekt in der inneren Struktur sind.

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enden Elemente haben ^ireaer^ ^ZO

In jeden Fall, die nachgebenden Elemente haben mechanische Stabilitaet noch wirtschafliehe Einfachkeit. Die besten, von den beschriebenen Umsetzern, sind jene, die in den USA Patenten 3 470 400 und 3 479 536 veroeffentlicht wurden, welche dem elastisch nachgebenden Element und den Versetzungsmessung Umsetzer in den selben Quarzkirstallmasse kombinieren. Dabei werden Impraezisionen die mit dem Mechanischen Kuppeln solcher Elemente verbunden sind vermieden, und die ausgezeichneten Eigenschaften des nahperfekten Quarzkristalles fuer den nachgiebiegen Element erwonnen. Diese Apparate sind doch sehr teuer und dadurch beschraenkt, dass die anwirkende Kraft uniaxial und durch einen mechanischen Antrieb angewandt werden muss.

Die Aufgabe die der Erfindung vorsteht ist einen Druckmessungumsetzer zu schaffen der die vorher erwaehnten Nachteile der bekannten Umsetzer beseitigt.

Es ist auch eine Aufgabe der Erfindung einen Druckumsetzer zu beschreiben der moeglichst billig in der Herstellung ist und eine hohe Genauigkeit aufweist.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung einen Umsetzer zu erschaffen in den von aussen angewandte Druckkraefte einen Effekt erzeugen der auf innewohnenden Eigenschaften des Baumateriales basiert ist, und nicht auf die Minutiae der Herstellung - in Form, Gestalt, Groessen, und Materialgeschichte - sich verlasst, da alle solche Fertigungseigenschaften unentrinnbar teuer zu kontrollieren sind.

Es ist auch eine Aufgabe der Erfindung einen Druckmessumsetzer zu beschreiben, dessen integrale Eigenschaften so einer hohen Praezision und Stabilitaet erzielen - hinueber alle durch bekannte Methoden erzielbare Resultate - dass

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auch eine Abschwaechung der ^enren uad irozesse der Erfindung den Kombination von den erwarteten Genauigkeit und Billigkeit aufweisen kann.

Es steht den Erfindung auch zur Aufgabe eine Druckmesssystem zu schaffen welches einen hohen Messguetewert beschafft bei einen geringen Kostaufwand, da sie die hohe, innewohnende Stabilitaet von intermolekulaere und interatomische Kraeften in Materialen ausnutzt und, besonders, die Stabilitaet von solchen Kraeften in nahperfekten Kristalline Materialen von hoher Reinheit und Perfektion zum Messeffekt verwendet.

Es ist auch eine Aufgabe der Erfindung eine Druckmessgeraet von hoher Stabilitaet und feiner Aufloesung zu schaffen, welches einen fuehlbaren Effekt in digitaler Form aufweist, so dass die erzielbare Genauigkeit nicht von Effektmessungpraezision abhaengt.

Es ist auch eine weitere Aufgabe der Erfindung eine Druckmessgeraet zu beschreiben welches weit anwendbar in seinem Ümbegungsparameter und in der Druckhoehe ist; so dass das Geraet ueber ein weitesBereich von Temperaturen, Druecken, und Kraeften arbeitsfaehig ist und kann einen ebensfalls weiten Bereich von Skalawerten angepasst werden.

Die Erfindung steht die Aufgabe zugrunde eine Druckmessschema zu beschreiben, einschliesslich den Umsetzer und der Gebrauchsprozedure damit verbunden, welche eine solides resonantes Element, das in einer Druckbeeinflussten Fluessigkeit hineingetaucht ist, und welche Aenderungen in ihrer Eigenschwingungsfrequenz aufweist die primaer von den Masseneigenschafte= des Materiales des mechanisch resonanten Elementes beeinflusst ist. Das Schema bietet sehr hohe Genauigkeit und feine

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Aufloesung und eine ziemlich vollkommene Freiheit von Nullpunktverschiebung, in ein Geraet welches wesentlich billiger ist wie Geraete herrkoemmlicher Art, dessen Genauigkeit und Aufloesung viel schlechter ist wie jetzt durch der Erfindung erwaehrbar wurde.

Es ist auch eine Aufgabe fuer der Erfindung ein Messgeraet fuer Druckhoehemessungen zu verwirklichen, welches, in kommerzialer Form, in einer Kraft oder Massemessungsytem verwendbar, und zur Verwirklichung fast alle bekannten Waagefunktionen geeignet, jedoch billig zu herstellen und sehr genau ist.

Es ist auch eine Aufgabe fuer der Erfindung den Druckhoeheumsetzer in solche kommerziale Produkte hineinzubauen wie sie von einer Personenwaage vertreten wird. Solche persoenliche Waagen sind in weitem Gebrauch, und sind als Badezimmerwaagen bekannt; nach den Lehren der Erfindung kann eine solche Waage auch mit digitaler Gewichtanzeigung gefertigt werden.

Gegenwaertige Fabrikationstechnik erlaubt die Ableitung von komplizierten Algorithmen; die Erfindung nimmt es in Betracht, einen elektronischen Kleinstrechner mit den Umsetzer der Erfindung zu verwenden und, damit, alle die vorgesehenen, und vorsehbaren, Funktionwesen der Erfindung zu erzielen.

Es ist zu verstehen, dass, wo in diesen Unterlagen von Fluessigkeit gesprochen wird, alle fluessige, gasartige, dampfartige oder andere, rheologisch aehnliche, Substanzen zu verstehen sind. Gelatine, Halbsolide und alle andere Substanzen die zu einigermassen ein hydrostatisch uniform DruckverteiJ ung aufweisen koennen zum Eintauchen des mechanisch resonanten Umsetzer der Erfindung verwendet werden.

Um diese Aufgaben zu erfuellen und andere Vorteile, die von die Beschreibung hinunter offenbar werden, zu bieten, die Erfindung erfasst eine Messystem fuer Fluessigkeitsdruck und einen Umsetzer. Das Grundelement des Umsetzers ist ein mechanisch resonantes Fühlelement das in die Fluessigkeit hineingetaucht ist, und dessen Eigenfrequenz von der Druckhoehe abhaengt. Das solide, mechanisch resonante Fuehlelement wird durch dazu geeignete Massnahmen erregt; und die Eigenfrquenz wir durch, zu diesem Zweck geeignete, Messgeraete bestimmt. Der hydrostatische Druck in dem Fuehlelement umhuellender Fluessigkeit wird von der Hoehe des Resonanzfrequenzes errechnet. Es ist eine bedeutsame Eigesnchaft des Umsetzers der Erfindung, dass die relative Veraenderung der Eigenfrequenze, zum groessten Teil, von den Grundsaetzlichen Materialeigenschaften des Fuehlelementes abhanging ist.

In einem Aspekt der Erfindung, der einwirkenden Druckhoehe wird durch das Verhaeltniss zwischen den Eigenfrequenz bei eine bekannte und bei der zu messende Druck arreicht.

Obwohl der fundamentale Zugang der Erfindung alle Materialen zum Nutzen nehmen kann die mechanisch zur Eigenschwingung erregbar sind, die Vorteile des Messystemes sind am besten durch den Ausnutzung von den Eigenschaften von Einzelkristallen mit hoher Perfektion erreicht. Andere Materiale die vorteilhaft verwendet werden koennen sind polykristallin in Natur, amorphe glasartige Solide, sowie unterkuehlte Fluessigkeiten in der Form von glasartigen Soliden.

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Die Erfindung, wie hinunter beschrieben, erlaubt dass die Erregung und die Ermittelung durch den mechanisch resonanten Fuehlelement gegenseitig gekuppelt werden.Wenn so eine gegenseitige Kuppelungsmoeglichkeit ausgenitzt wird, Mittel fuer Ungegenseitige Erregung des mechanisch resonanten Elementes werden auf das Fuehlelement zur Einwirkung kommen, um die Schwingungen zu energisiseren. Aber die Schema der Erfindung macht es auch moeglich, die Erregungsmittel und das Abtastmittel durch dem Fuehlelement ungegenseiting zu kuppeln, sodass die Schwingungen des Fuehlelementes atomatisch aufrechterhalten werden. Der zweite Zugang ist sehr guenstig zur miniaturisation des Geraetes geeignet, und ermoeglicht Fernmessungsvorgaenge.

Durch der Anwendung von einem mechanisch resonanten Fuehlelement - vorzueglich von Nahperfekten Einzelkristall, dessen Eigenfrequenz inwoehnlich von ihre grundsaetzlichen naturalen Eigenschaften bestimmt ist, im Gegensatz zu imperfekte, kuenstlich hergestellte Materialen - die Messtechnik der Erfindung bietet beispiellose dimensionen von Genauigkeit und Stabilitaet; umsomehr, dass die Resonanzeffekten, auf der die Messung basiert ist, sind direkt, in digitaler From, ermittelbar. Die Perfektion der Methode ist eine Funktion der Perfektion des Materiales von den die solide, mechanisch resonante Fuehlelemente fabriziert sind. Aber Kristalle, wie Quarzkristalle von reinen Silizium, koennen mit einer Reinheit gemacht werden, wo die Zahl der Kristallgitter Imperfektionen kleiner wie

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ein Tausend ist, in eine Volumen von mehreren Kubikzoll, wo das Material eine Atomdichte von etwa 10 Atome pro Kubikzoll aufweist. Die Erfindung kann, davon herausgehend, aussergeqoehnlxche Genauigkeiten erzielen durch der Ausnutzung von den Eigenschaften von sehr echten Kristallen.

Die Erfindung erlaubt die Beseitigung von Messfehler die von den Imperfektionen die mit dem Aussenflaechen des Fuehlerlementes verbunden sind, durch die Erregung von die Resinanzfrequenz des mechanisch resonanten Fuehlelementes innerhalb der Volumen des Elementes, wo, praktisch geschprochen, keine Grenzbedingungen die erregten Resonanzwellen beeinflussen, und wo die interatomischen, oder intermolekulaere, Gitterbindungskraefte gleichsam sind. Die gegenwaertige Technik erlaubt die Herstellung von sehr reinen und perfekten Einzelkristallen., die zur Verwendung in den Umzsetzern der Erfindung geeignet sind mit sehr bescheidene Kosten, sodass es ist ekonoxnisch nicht sehr vorteilhaft minderwertige ■tyifcorialen zur Verwendung bringen. Jedoch, die innewohnende ^r:".enauiqkeit und Stabilitaet des Messystemes der Erfindung ist so hoch, im Vergleich mit den bekannten Methoden und Messgeraeten, dass die Umformer der Erfindung kann noch immer grosse Vorteile ueber den Stand der Technik aufweisen, sollten, wegen bescheidenen Ziele, i^aterialen mit kleineren Gitterperktionen verwendet werden.

Die Kennzeichen und Vorteile der Erfindung werden durch die hinunter beschriebene illustrative Beispiele erleutert- Die Beschreibung sollte in Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen gelesen werden, wo:-

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Fig. 1 eine schemat Lsclie Darstellung einOo Fluessigkeitsdruckmessytem der Erfindung ist, mit ein, in die Fluessigkeit eingetauchten, Fuehlungselement, Aussenquelle fuer Erregungsenergie, und ein Messchema fuer die Ermittelung der Eigenfrequenz Information davon;

Fig. 2 ist eine Darstellung des Kristallgitters in dem mechanisch resonanten Fuehlelement des Umsetzers, wenn diese von einem reinen, nahperfekten Einzelkristall hergestellt ist;

Fig. 3 ist eine Darstellung eines elektrischen Apparates welcher, in Zusammenarbeit mti einem soliden, rosenanten Fuehlelement, das aus einem Quarzkristall fabriziert ist, dazu geeignetist, Erregungsenergie darin hieinzufuehren und Resonanzfrequenzinformation davon zu ermitteln;

Fig. 4 ist eine beispielhafte Darstellung, im Querschnitt, eines Apparates in welchem das Quarzkristall des Apparates von Fig. 3 dem Fluessigkeitsdruck unterworfen werden kann - durch das Hineintauchen des Fuehlelementes in eine chemisch untaetige Fluessigkeit in einer geschlossen Huelse, die mit einen blasebalgenrf.iqen Verschluss versehen ist, sodass Druck von der Assenseite der Huelse auf das Fuehlelement wirken kann;

Fig. 5 ist eine andere schematische Darstellung eine Messwertrechnungsschemas, durch den die Information von der Umsetzer der in Fig. 3 dargestellt wurde zur Auslage prozessiert werden kann;

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Fig. 6 ist eine Darstellung, im Al Jcemintjn der Fig. 4 aehnlich, in welchem die protektive Huelse mit ootischem Fenster versehen ist, dadurch die Erregungsenergie durch optische Mittel in das Fuehlelement hineingefuehrt, und die Schwingungsfrequenzinformation optisch herausgefuehrt wird;

Fig. 7 ist ein schematisches Netz des Systems welches in Zusammenhang mit die Ausfuehrung von Fig. 6 benuetzt werden kann; und

Fig. 8 ist eine vereinfachte schematische Diagram, die den Fig. 7 aehnelt, in den eine Messgeraet dargestellt ist, der einen soliden, mechanisch resonanten, Fuehlelement einwerbt, das durch optische Wege Erregungsenergie erhalt und zur Selbstmodulation geeignet ist, durch den Besorgung von reflektiven, bzwg. refraktiven, Grenzschichten.

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Die Erfindung ist in ihrer wei cgohondstGii Ansicht in Figuren 1 und 2 dargestellt. Die Basis, oder das fundamentale Konzept oder Zugang, der ERfindung besteht aus dem Eintauchen eines soliden, mechanisch resonanten Elementes 10 - hinunter als die SMRE bezeichnet - in einer Fluessigkeit 12, durch die das Element einen hydrostatischen Druck ¹P¹ unterworfen wird. Dieser Druck 'p' ist durch das Messystem der Erfindungzu messen. Die Eigenschaften des SMRE werden hinunter ausgehend beschrieben.

Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, dass die mechanisch resonante Eigenfrequenz der SMRE nicht von kritischer Bedeutung in die Ermittelung von den Druck ¹P¹ ist, oder gar von wesentlichen Einfluss auf des Arbeitsvorganges des Messgeraetes. Die Groesse und die gestaltliche Ausbildung der SMRE sind auch nicht bedeutsam. Was von Bedeutuna lsi besteht darin, dass die Variation, oder Versetzung, der Eigenfrequenz von den kompressiven Kraeften, die durch der Fluessigkeit uebertragen werden, abhaengt. Diese unabhaengig arbitraere Natur der SMRE erlaubt die Verwendung, in einem grundsaetzlichen Sinn, eines perfekten Einzelkristalles, obwohl solche Verwendung einen Mindest volumen fuer den SMRE erzwingt.

Die innere Elastizitaet eines perfekten Einzelkristalls in dem die Atomen oder die Molekuelen 10a in einen geordneten strukturalen Gitter eingeordnet sind, wird nur von den intermolukelaeren Bindungskraeften 10b des Kristallgitters abhaengen. Tn Fig. 2 solche Gitteranordnung ist schetnatisch dargestellt. Da die Erfindung es moeglich

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macht solche perfekte Einze] κγί .stal 1-? ^ur Umsetzung des Kompressionsdruckes zu einen ermittelbaren Effekt zu verwenden, das SMRE 10 der Erfindung annaehert das meist perfekte nachgebende Messelement die in Natur erreichbar sit. Die Prozeduren fuer die Ermittelung der Resonanz des SMRE sind in der Technik weitgehend bekannt und zu einem hohen Grad von

14 ι R Genauigkeit - bis auf ein Teil in 10 oder 10^XO entwickelt. Dieser Zusammenfluss von einen nahperfekten Umsetzer mit einer genauen Messtechnik kommt der Perfektion nahe und erlaubt die Loesung von die oben erwaehnten Aufgaben der ERfindung. Wie es hinunten weiter ausgelegt wird, die ^infachkeit dos Apparates der Erfindung ernocqlicht weiterhin, ihre Herstellung fuer einen sehr niedrigen Preis. Um den Grundsatz zu widerholen: die Eigenartigkci t des nachgiebigen Elementes und das Fuehl- oder Umsetzungsvorganges ist ein sehr wichtiges Teil der Erfindung.

Zum Fig. 1 wiederkehrend, es ist sichtbar, dass der Einfluss des Druckes aud fen SMRE 10 ermittelbar ist durch der Kuppelung sed Eigenfrequenz mit der Druckhoehe durch einer natuerlicher Eigenschaft des soliden Materiales der SMRE. Diese natuerliche Eigenschaft kann dadurch ausgebeutet werden, da Fabrikationsprozesse bekannt sind die es moeglich machen ein Kristall herzustellen mit einer grossen Perfektion - in der Anordnung der Atomen und Molekuelen, einer nebst die anderen - die einen Resonator, das zum Zwecke der Erfindung verwendbar ist, darstellen. Es ist aber nicht unzweckbar bedingt, dass so ein resonantes Element absolu perfekt waere, da die Genauigkeit die durch der Erfindung gewaehrbar ist, ist viel hocher wie sie im

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Gebrauch in die gegenwaertige iVethodoloij ie ausgenutzt werden kann, wie es schon praktsich demonstriert wurde. Kristallelemente die nahperfekt sind, oder gar pn i ·. i;r Lstalline Materialen, die nach den Lehren der Erfindung zur Anwendung kommen, koennen einen sehr hohen Guetewert, niedrige Kosten, ond noch immer den Vorteil von direkter digitaler Umsetzung aufweisen. Alle diese Vorteile koennen zum Ausdruck gebracht werden mit der Erhaltung von der beliebigen Natur der Form, Gestalt, und Eigenfrequenz der SMRE und die Arbeitsbedingungen.

Noch immer von Fig. 1 schprechend das SMRE 10 besitzt die Eigenschaft bei ihrer Eigenfrequenz in Schwingung zu kommen, aber muss von einer Energiequelle 14 in der mechanisch resonanten Kondition gebracht werden. Diese Resonanz, das heisst, das mechanische Schwingungseffekt, kann jegwelcher ermittelbäre Effekt 16 als Konsequenz haben. Diese resonanzbestimmte Information wird zur Ermittelung des Druckhoehe ausgenutzt. Wie es ausgehend hinunter beschrieben wird, der Resonanzeffekt 16 kann auch zur Aufrechterhaltung der Schwingungen ausgebeutet werden. Das wird in einen indirekten Weg - durch externale Mittel - erwirkt, sollte die Kuppelung zwischen der Errengungsenergie und der Resonanz von einer ungegenbaren Natur sein. Ungegenbar, wie hier zur Beschreibung benüetzt, bedeutet dass die Umformung der Erregungsenergie in das gemessene Resonanzeffekt ist nicht Umkehrbar, so dass der Errengungseffekt wird nicht erstehen wenn der Resonanzeffekt durch einen anderen Weg erregt wurde. Die schematische Darstellung in Fig. 1 ist anwendbar zu allen Systemen, ob gegenseitig oder nicht in ihrer KuopßLuxia.. Dar-Eief luss dieser Energie-

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wird weitqehend hinunter beschrieben, lUit Hinweis auf die drei Messysteme die als bevorzugte Baubeispiele der Erfindung vorgeschlagen werden. Eines dieser Aeispiele ist mit gegenseitiger Kuppelung, und zwei mit uncfegenseitiger Kuppelung, zur Erregung gebracht. Diese Ebcispiele sind nur illustrative Variationen des Aüoarates der Erfindung und sollten nicht als beschraenkend betrachtet werden. Zahlreiche Methoden der Erregung und der Ermittelung sind vorhanden die im Apparat der Erfindung ausnutzbar sind und die selben Genauigkeiten aufweisen wie jene die in den Beispielen zur Verwendung kommen, und die Vorteile fuer verschiede Gebrauchszwecke aufweisen.

Das SMRE 10 ist von Natur aus mechanisch resonant. Es ist: die Tatasache, dass mechanische Schwingungen vorhanden sind, das den Einfluss des Druckes ¹P¹ auf das Element 10 empfindlich macht. Demnach, das SMRE 10 muss in einen mechanisch resonanten Zustand sein waehrend der Messung, so dass potentiale Energie in das Fuehlelement gespeichert werden muss, zur Energisiserung der Resonanzschwingungen. Es ist klar, dass diese gespeicherte Energie hoeher sein muss wie das inseitige Geraeusch im Element - ob von thermalen, quantum oder anderen Effekten erzeugt - und, weiterhin, dass diese Energie irgendwelche Effekten erzeugen muss, die zur Ermittelung der Schwingungsfrequenz ausnutzbar sind. Die Eigennatur der Mittel 14 zur Erregung, oder der Mittel 16 fuor Ermittelung der eigenschwingung, sind unwesentlich fuer die Zwecke dieser Eroerterung, und viele verschiede Zugaenge werden dem Fachmann in Sinn gebracht, wenn die Grundsaetze der Erfindung klar zu ihm erlaeutert werden.

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BAD ORI

Es ist dem Fachmann aucr offenbar, dass es vorzueglich waere alle Grenzeffekte, die von der beliebigen Natur der Formen und Groessen der SMRE herkommen, zu vermeiden und Schwingungsmoden zu ertappen die wenig, oder ueberhaupt nicht, von den Aussenformen der SMRE abhaengen. Verschiedene Schemen, die so einen Zugang verwirklichen, sind vorhanden und sind nachdenklich der Erfindung einverleibt, da ein solcher Zugang der aeussersten Perfektion des Messvorganges representiert.

Eine weitere Methode fuer die Verperfektion der Nutzbarkeit der Erfindung ist durch den Vergleich von einen Krafteinflussumstand ¹I' mit einen anderen Krafteinflussumstand '2'; entweder in einzelnen Messungen, oder als der Durchschnittwert mehrerer widerholten Messungen. In solchen Vergleichen handelt es sich um der Division einer der observierten Frequenzen mit der anderen Frequenz, damit eine Bruchzahl entsteht in die alle absoluten Werte der verschiedenen Glieder beseitigt sind, und nur der reine Druckeffekt zurueckbleibt. Diese Prozedure kann mit einer einfachen Gleichung in der Form:

Resultat = K((fl)/(f2) - 1)

representiert werden, wobei 'K' der beantragte Wert des numerischen Koeffizient ist. In die vorgehende Gleichung (f1) ist das groessere von den zwei Gliedern (f1) und (f2); sodass der negative Faktor (1) sich aneige. Sollte man das groessenverhaeltniss der zwei Frequenzen umkehren, muesste auch die Gleichung in verkehrter Summation zum Ausdruck kommen. Viele Faktoren die zur Abweichung des Messwertes fuehrten - z.b. durch thermische Effekte - sind

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durch diesen mathematischen Angang vermieden. Weiter, zwei Umformer koennen aus dem gleichen Material aber mit verschiedenen Formen und Dimensionen fabriziert werden, und dadurch verschiedene Eigenfrequenzen aufweisen, jedoch das selbe Resultat zeigen, wenn die Ermessenen Frequenzen durch der oben erwaehnten Gleichung miteinenander verglichen sind. Diese Unabhaengigkeit der Messpraezision hat eine grosse geschaeftliche Wesentlichkeit in der Herstellung von Messgeraeten nach den Lehren der Erfindung. Der Koeffizient ¹K¹ representiert ein Skalafaktor der, in die gegenwaertig vorgesehene Verwendung von elektronischen Kalkulatoren mit der Erfindung, als der letzte Schritt im Herstellungsvorgang bestimmt wurde. Solche Kalibration koennte in der Fabrik, durch den Benuetzer, oder durch das Kalkulator-system veraendert werden. Gegenwaertige Herstellungsprozedure machen die Loesung von Algorithmen sehr wirtschaftlich. Die Erfindung nimmt es in Vorsicht, dass ein elektronisches 'chip¹, das vorher fuer diesen Zweck programmiert wurde und alle noetigen Algorithmen zur Verwendung und Ausnutzung der Erfindung zu loesen versteht, in Zusammenhang mit dem Umsetzer der Erfindung verwendet wird. Es ist offenbar, dass die Praezision mit dem der numerische Wert des Koeffizient ¹K' erworben werden kann, auf die Praezision einer Druckmessung begruendet ist, die auf jeglicher Weise ausgefuehrt wird, villeicht unabhaengig von den Umsetzer der hier beschrieben ist. Es ist auch moeglich, dass solche Kalibratxonsmethoden nicht die gewuenschte Praezision

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aufweisen koennen, sodass der Koef f .^;.z5 ent durch einen normalisiertem System der Erfindung erworben werden muss. Bekannte Methoden der Kraftladung sind von beschraenkter Genauigkeit wenn sie mit der Genauigkeit, der dem Umsetzer der Erfindung innewohtiJ" verglichen sind. Standart Methoden der Kraftmessung sind gegenwaertig zu einer Genauigkeit von einen Teil zur Million begraenzt. Mit die Verwendung der Erfindung solche Messungen sollten, theoretisch, mit einer Genauigkeit bis auf ein Teil in 10 ausgefuehrt, und, praktisch, viel besser wie ein Teil in 10 . Juengere Entwicklungen in die Verwendung von Josephson Verbindungseffekte haben eine verbesserte elektrische Kraftmessung ermoeglicht, durch der Kuppelung der Messung zu subatomischen physikalen Konstanten. Die Kraft kann durch eine Frequenzmessung zu dem Glied (2e/h) bezogen werden, wobei 'e' die Ladung des Elektrons representiert, und 'h' Plancks Konstante ist. Solche fundamentale Konstante moegen, villeicht, operative Genauigkeiten erzielen die besser sind wie das Potential durch der Erfindung, in einer Verwirklichung, erwinnbar sind, und bezeichnen einen zweiten Pfad durch den die Messungen zu den einwirkenden Kraeften und zu einer praezisen Definition der Konstanten ¹K¹ fuehren kann.

Man macht Hinweisungen zu den Masseneigenschaften von Materialen in diesen Unterlagen. Im Allgemeinen, normale Soliden sind polykristalline, wenn sie auch homogaen erscheinen. Sie sind aus kleinen Kristallen, kleinen Unterteilen, kleinen zusammengeklebten Zellen, zusammengesetzt. Diese Teile koennen Kristalle oder kristalline Materialen sein. Die

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physikalischen Eigensschaften, wie die Elastizitaet, Kompressierbarkeit, die Ziehkraft Modulus, and das elastische Modulus sind gemein auf die Masseneigenschaften des Materials bezuegt, und sind alle von den Klebkraeften zwischen den Teilchen, und der Gestalt der Teilchen, und der Hestellungsgesschichte bestimmt. In einem hochraffieniertem oder reinen Kristall die strukturale Reinheit ist in der Ordnungsmaessigkeit der Positionsverhaeltnxsse zwischen Atomen und Molekuelen zurueckfuehrbar.

Solche interatomische Verhaeltnisse sind im Kristallgitter durch der periodischen Tafel der Elemente bestimmt, durch die Bindungskraefte die von der elektronischen Struktur der Atome herstammen. Als Beispiel, Silizium ist ein Element in der periodischen Tafel. Kristalle dieses Materials werden in Groessen von vier bis sechs Zoll in Durchmesser und mehrere Fuesse lang fabriziert. So ein Wuchs ist wesentlich ein Einzelkristall in dem der Abstand von Atom zu Atom gleichmaessig ist, durch das Volume. Solche Materialen sind mit solcher Praezision hergestellt, dass in einem Stueck,

die 10^4 Atome arhalten kann, weniger wie ein Tausend von ihrer bestimmten Position abweichen. In anderen Worten, solche Materialen sind so perfekt, dass ihre Masseneigenschaften identisch sind, von Stueck zu Stueck, zu einem Grad wie vorher nie in kuenstlich gefertigten Stoffen erzielbar war.

Obwohl die Aussenflaeche des Kristalls eine Grenze darstellt, und demnach, eine Unterbrechung des Kristallgitters, die Masseneigenschaften sind uniform durch den Innenvolumen des Kristalles.

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Wie schon hinoben vorgeschlagen wurde, Materialen die nicht perfekte Kristalle sind koennen auch benutzt werden und die Ziele der Erfindung, zum meisten Teil, mit hoher Praezision, Genauigkeit und Kostersparung vollbringen. Aber ein Schwinger der, zum Beispiel, aus Stahl hergestellt ist, oder von einer Nickellegierung, besitzt nicht die beschriebene nahperfekte atomische Struktur, und hat deswegen, nicht die gewuenschte Stabilitaet in ihren Masseneigenschaften. So weit man von dem nahperfekten Kristallgitter abweicht, so weit verliert man die Vorteile dessen Stabilitaet. Im Falle der Nickellegierung, oder des Stahles, die elastischen Eigenschaften sind auch von der Fabrikationsgeschichte abhaengig. Wenn diese Materialen einer Belastung unterworfen sind, viele Defekte in der Struktur werden von ihrem Ort versetzt. Unter Belastung, diese Defekte - schraubenartige Dislokationen, z.B. - vermindern die Vorsehbarkeit und Stabilitaet der Masseneiegenschaften. Demnach, die Ausnutzung von imperfekten Materialen in das SMRE der Erfindung vermindert die Vorsehbarkeit der Messresultate und die Praezision, Genauigkeit und Stabilitaet des Messystemes. Wie schon vorher erwaehnt, die Vorteile der Erfindung sind dadurch erreicht, dass das SMRE 10 in einer Fluessigkeit 12 eingetaucht und einen hydraulischen Druck unterworfen wird. Eine geeignete Erregunsgquelle 14 uebertraegt Energie in das SMRE, so dass das SMRE in eine resonante Schwingung energisiert wird. Die exakte Form der Energie die von der Erregungsquelle 14 in das SMRE uebertragen wird ist fuer den Zwecken der Erfindung nich entscheidend. Zahlhafte

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Schemen fuer die Erregung - einschliesslich optische, magnetische und andere Methoden - sind dem Fachmann bekannt. In jedem Falle, ein dazu geeigneter, Ermittler 18 ist dazu verwendet der Schwingungsfrequenz aus der Information 16 abzuleiten, und in ein Format zu verwandeln das in einen Rechner 20 prozessiert werden kann.

Wenn schon das SMRE 10 in einen resonanten Zustand gekommen ist, ihre resonante Frequenz muss durch dazu geeignete Mittel gewonnen weRPc^ Das Format der Information 16 wird, verstandlicherwexse, das Format der Erregungsenergie verwandt sein. Die exakte Form der Resonanzinformation ist ebenfalls nicht fuer die Erfindung entscheidend, und die Weise auf der diese Information erkannt, ermittelt und ausgebeutet wird ist auch von keinen kritischen Gewicht. Solange die information, durch jegwelche Weise erworben werden kann, Druckmessungen sind ermoeglicht.

Das SMRE, in ihrer resonanten Mode, definiert Information die grundsaetzlich digital in Natur ist. Dieser Gegenstand soll einen der groessten Vorteile des Messystemes der Erfindung darstellen, da die Messwerte die durch den scharf definierten Masseneigenschaften des Materiales des SMRE's unter sehr guenstigen ümstaenden entwonnen werden, direkt in einem digitalen Format entstehen; sodass die Praezision und Genauigkeit der Resultate nicht durch einen Umsetzungsvorgang beeintraechtigt wird. Der Bedarf an hoher Praezision ist, beinahe, mit digitaler RepreseiVtation synonym.

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Nochmals auf Fig. 1 zuru-ackweisend, die Resonanzinformation 16 ist immer eine mechanische Resonanzfrequenz, und ist digital von Natur her. Wo die Prozessierung der Messinformation vollstaendig in digitaler Domaen vorgeht, es gibt kein Bedarf an einer Umekhrung der Resonanzinformation 16 in einer analoger Format. Wo, aber, eine solche Umkehrung vorteilhaft waere, der Resonanzfreuqnzmesser 18 kann dazu verwendet werden, und die Rechnungen koennen im Analogdomaen vorgehen. Im falle wo die Rechnungen durch digitalen Techniken verwirklicht werden, wird es genuegen eine zweckmaessige Verbindung zwischen der Resonanzinformation 16 und den Rechner 20 herzustellen.

Das Ziel der Genauigkeit kann als eine Kombination von zwei Qualitaeten angesehn werden. Eine dieser Qaulitaten ist mit der Praezision und Widerholbarkeit der individuellen Messungen verbunden, und ist mit der Stabilitaet des SMRE's verwandt. Der zweite ist absolute Genauigkeit, oder Skalenversetzung vom echten Wert, der einzelnen Messungen. Keine dieser Qualitaeten sit mit den anderen verbunden, aber, wenn die Resolution und Widerholbarkeit den zu erzielenden Gueten gerecht sind, dann die korrekte Kalibration der Messwerte kann durch einer bestimmten Berichtigungsfunktion erreicht werden. In den gegenwaertigen Stand der Rechnungstechnik kann man eben sehr komplexen Berichtigungsfunktionen durch den Gebrauch von elektronischen 'chips', die Mikroprozessoren darstellen, verwirklichen. Solche Rechneranlagen koennen mehrere Faktoren in Betracht nehmen und einen Messwert das als unmittelbar erscheint, vorbereiten. Diese Methode ist sehr vorteilhaft, da es durch ihren sehr geringen Kosten und Energieaufwand

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erreichbar ist. Die Berichtigungtaktorkoeffizienten koennen in den Zahlenspeicher des Rechners durch digitale Mittel uebertragen werden, nachdem sie durch ein automatisches Kalibrationsgeraet, das selbst von einen elektronischen Rechner fuehrbar ist, bestimmt werden. Dieser Zugang ist ein grundsaetzliches Teil in der Herstellung von stabilen Messgeraeten die billig sind, ohne dass eine grosse Genauigkeit der einzelnen Bauteile erforderlich waere. Mit der Technik, die hier proponiert wird, wird die Genauigkeit des Messystemes durch einer Kalibratxonspruefung am Ende des Herstellungsvorgangs gewaehrt. In diesem Wege ist das System durch die klare Unterscheidung zwischen Stabilitaet - die das SMRE 10 inwohnlich ist - und Genauigkeit verbessert.

Die Frage der Genauigkeit, von diesem Standpunkt ausgehend, ist stark davon veraendert wie diese Frage ueblich angesehen ist. Von disem Standpunkt das wesentliche Merkmal ist nicht wie Genau das System ist, sondern wie genau es kalibriert werden kann. Die wichtigen Kennzeichen sind von der Stabilitaet und die Widerholbarkeit representiert, obwohl viele Faktoren den erzielten Messwert beeinflussen. Die Methode der Erfindung erlaubt eine Verminderung der Herstellungspesen, da sie nicht den engen Toleranzen der Methoden herkoemml ι .-her Art erfordert, aber kann leicht der Genauigkeit solcher herkoemmlicher Methoden ueberschreiten. Die Stabilitaet ist der Schlusstein des Zuganges, unabhaengig von der Messinformation. Grosse Teperaturkoeffizienten und grossartige Non-Linearitaeten der Messkalas koennen durch der Kalibration und Berichtigungsalgorithmen beseitigt werden, solange die Frequenzvariationen stabil sind.

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In digitalen elektronische Rechner gibt es keine angeborene Grenze in die Genauigkeit der Zahlen die den Messwert representieren, oder in die Verwicklung der Algorithmen durch den die Zahlen bearbeitet werden. Von diesem Standpunkt, und in Ansicht der Grundprinzipien die in den vorgehenden Abschnitten behandelt wurden, ist es ein wesentliches Merkmal der Erfindung, dass der unterliegende Resonanzeffekt schon beim Anfang der Messvorgangskette in digitaler From reichbar ist. Der Rechner 20, demnach, bearbeitet lediglich die Resonanzinformation, um einen Messwert 22 zu produzieren. Wo das SMRE durch andere Massnahmen stabilisiert werden kann, sodass thermale und andere Einfluesse aussenseitig von das SMRE kompensiert werden koennen, der Rechner 20 kann direkt kalibriert werden um einen Messwert zu erzeugen wenn der Fluessigkeitsdruck von einen normalen, ambienten Wert zun einen anderen, zu messenden, Wert sich aendert.

Wie oben eroertert, so eine Aenderung in den Druck veraendert die Resonanz der SMRE; diese Veraenderung ist ermittelt, und durch Rechnungsvorgaenge, die dem Fachmann bekannt sind, zu einen Messwert, der zur neuen Druckhoehe angepasst, umformt. Es ist klar, davon ausfolgend, dass die Versetzung im Eigenfrequenz, durch die Anwendung von Druckkraeften an das SMRE erwirbt, einen Analogeffekt darstellt, das in Hoehe direkt durch digitaler Methoden zahlbar ist.

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BEISPIEL I #»γ

Eine der moeglichen Verwirklichungen der Erfindung wird mit Weisung auf Figure I, 3, 4 und 5 beschrieben. Zuerst auf Fig. 3 hinweisend, ein Schwingungsnetz ist illustriert, welche die Erregungsenergie erzeugt und die Resonanzinformation aus das SMRE 10 ermittelt.

Ein Differenzverstaerker, mit der Nummer 24 bezeichnet, ist in Fig. 3 geschildert, mit ein Verstaerkungstransistor 26 dessen Base durch Kondensator 28 vererdet ist. Der Transistor 26 ist durch den B+ Stromvorrat mit Vorspannung versorgt, durch passende Verteilerwiderstande 30. Ein Transformator 32 ist auch versorgt, dessen Primaerwicklung 32a in Parallelschaltung mit einen Kondensator 34 ist. Diese zwei Elemente stellen einen abgestimmten Stromkreis dar, dessen Eigenfrequenz etwa der Resonanzfrequenz des SMRE 10 gleich ist.

Ein Belastungwiderstand 38 dient gleichsam den Ausgang-kontakten der Transistoren 26 und 40. Der Transistor 40 ist als ein Ausgangsfolger im Stromkreis gebraucht und ist durch Widerstanden 42 mit Vorspannung versorgt.

Im Bereich der Resonanzfrequenz der SMRE das Stromnetz 36 hat eine hohe scheinbare Impedanz und ein Signal 44 ist auf den Kollektor des Transistors 26 entwickelt, der zur Erregung des SMRE 10 dient. Das Erregungssignal 44 wird durch Glaettungskondensatoren 46 und Wanddurchgangterminalen 48 zur SMRE 10 Uebertragen; das Signal 44 ist der Erregung 14 in Fig. 1 gleichwertig. In dieser Ausfuehrung der Erfindung, das SMRE 10 ist als piezoelektrisches Element, z.B. als Quarzkristall, konstruirt. Demgemaess. eijje umjegenbare Erregungsquelle -

° U 9 8

durch den Verstaerker 24 vertreten - muss von Aussen hin mit das SMRE verbunden yein, uiti den Schwingungen des Fuehlelementes Aufrechtzuerhalten.

Ein Induktor 50 ist vorhanden, und mit dem SMRE parallel im Stromnetz verbunden, um der Nebenschlusskapazitaet des SMRE 10 bei seiner Resonanzfrquenz zu beseitigen. In dieser Mode, die ¹Q' der SMRE ist erheblich hoeher, und die Bandbreite des Signales ist wesentlich verengt. Diese ümstaende machen es viel leichter das Signal zu ermitteln.

Ein Bauschema mit vererdeten Base des Verstaerkertransxstors ist verwendet, da damit die moeglichst groesste Isolation zwischen den Eingang und Ausgang der Schwinger erreicht werden kann, und der Folgertransistor 40 ist im Stromnetz eingebaut um die optimalen Impedanzumstaende fuer das SMRE zu schaffen. Zu diesem Zweck ein Schlusswiderstand 52 ist von der Base des Transistors 40 zur Erde versorgt und ein Induktor 54 damit in Parallel verbunden, sodass alle verteilten Kapazitaeten wie von Durchgangterminalen 48 oder anderen Quellen herstammen neutralisiert werden. Wenn in Resonanzschwingung versetzt, sieht das SMRE 10, demnach, einen passenden Sclusswiderstand und ist zum optimalen Arbeitsvorgang geeignet.

Den Figuren 1 und 3 zusammen betrachtend, das Quarzkristall 10 wird durch das Signal 44 erregt dieses Signal ersetzt die Erregungsquelle 14 in Fig. 1 - und die Resonanzinformation 16 in Fig. 1 ist durch der sekundaeren Windung 32b ermittelt. Demnach, das Resonanzxnformatxonsisgnal 56 kann durch jegwelcher anpassende Mittel weiter bearbeitet werden, einschliesslich das Fochnung-system 20, wie es in Fig. 1 dargestellt

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In Fig. 4 ein Behaelter 58 ist schematisch dargestellt, in dem eine Fluessigkeit 12 einen hydraulischen Druck unterworfen ist. Der Behaelter 58 kann in ein Messgeraet, wie eine Waageschaale, eigebaut werden, aber, es wird dem Fachmann klar, dass der Fluessigkeitsdruckumsetzer - wie er -in Behaelter 58 eingebaut ist - kann auch zur Messung der Druckhoehe in irgendwelcher Umgebung zur Verwendung kommen. Das SMRE 10, ein Quarzkristall wie es in Fig. 3 dargestellt wurde, ist mit zwei gegenseitigen Elektroden 60 versorgt, die so mit dem Kristall verbunden sind, dass das Kristall in eine planaera Mode zur Schwingung erregbar ist. Zu diesem Zweck angepasste Druchgangsterminale 62 erlauben den Durchgang von elektrischen Signalen zwischen den Aussen-flaechen des Behaelters 58 und den Innenvolumen einer Huelse 64 in den das SMRE versorgt ist, durch Drahte 62a und 62b, die mit den Elektroden 60 verbunden sind.

Die Huelse 64 ist versorgt um das SMRE 10 von chemisch taetigen Fluessigkeiten zu schuetzen. In Umstaenden wo die Huelse 64 aus steifen Material hergestellt ist, z.B. ein Metall, wie ein typischer Kristallkanister, ein blasebalgartiger Verschluss 66 ist vorzueglich verwendet, sodass die Innenvolumen der Huelse 64, wenigstens teilweise, mit dem Druck der Fluessigkeit 12 sich veraendern kann. Die Huelse 64 ist mit einer chemisch inerten Fluessigkeit 68 gefuellt; die Fluessigkeit 12 kann hydraulisches OeI, ein Gas, oder eine chemisch mehr taetige Substanz sein. Der Zweck des Eintauchens des SMRE in einer chemisch untaetigen Substanz ist dadurch bedingt, dass man eine Veraenderung der Oberflaechenkonditionen des Fuehlelementes vermeiden soll, die durch chemische Taetigkeit veraendert werden koennten. Eine Beispielhafte inerte Fluessigkeit

ist von hochraffiniertem 809 83 4/(1597

Siliziumoel vertreten, da ihre Untactigkeit gegen sehr gut ist. Der Verschluss 66 ist in das System hineingebaut um einer Versetzung des Druckes innerhalb der Huelse 64, entgegen des Druckes der gemssen werden soll, durch die Elastizitaet der Huelse zu vermeiden. Effektiv, die Huelse des SMRE, zusammen mit den Verschluss 66, einen Ballonen aehnelt, sodass, sollte ein Druck.in Fluessigkeit 12 erstehen, der selbe Druck wird auf die Innenvolumen der Huelse 64 wirken, da der Verschluss 66 einen Nullkraftblasebalg representiert.

Ohne den Verschluss 66, es ist klar, die Einwirkung der Druckkraefte auf der Huelse 64 wuerde die Wirkung einer Kraft auf einer Feder aehnlich, sodass der Druck- den das SMRE 10 unterworfen wuerde, in der Hoehe, gegenueber den Druck in der Fluessigkeit 12 versetzt, und auch von Hysteraeseeffekte in den Deformationen der Huelses 64 beeinflusst waere.

Obwohl die Fluessigkeit 68 als ein Fluid beschrieben wurde hinoben, es ist kalr, dass es von einer gasartigen, chemisch inerten Substanz - wie Nitrogen und aehnlichen Gasen vertreten werden kann. Das Wort 'Fluessigkeit¹ sollte Fluide, Gasen, und andere Substanzen, wie schon vorher beschrieben, darstellen fuer die Zwecke dieser Unterlagen und die zugeschalteten Patentansprueche.

Ein anderes, wichtiges Kennzeichen der hiesigen Erfindung ist, dass das Messystem nicht von die kleinartige Versetzungen des Nullzustandes mit Zeit heimgesucht ist, da die Methode sich sehr zu Messungen durch die Ermittelung von den Verhaltnissen zwischen zwei Frequenzen, wie hinoben angewiesen, anpasst. Durch die Ermittelung von Verschiebungen in die Eigenfrequenz, die durch den Aelterungen in den Druck ¹P' verursacht sind, und die Formierung von einem Verhaletniss zwischen zwei

«09834/0597 solchen Frequenzen, die meisten Versetzungen im Nullzustand

und durch den Groessen oder -"35 -

Gestalten des SMRE verursachte Impraezisionen koennen einfach vermieden werden. Es ist klar, dass solche Verschiebungen der Frequenz koennen in kurzen Frist - innerhalb Fraktionen einer Sekunde - zustandegebracht werden, und darum, solche Verhaeltnisse koennen kontinuirlich errechnet werden und einen scheinbar augenblicklichen Messwert erzeugen. Solche Messwerte koennen sehr leicht durch Rechnugsanlagen vorgesehen sein, die das Verhaeltnis errechnen und das Resultat mit einen Skalafaktor, und durch Berichtigungsfaktoren, veraendern; alle solche Manipulationen sind dem Fachmann gut bekannt. Da die Resonanzinformation 16 im digitalen Format erscheint, keine, oder nur sehr kleine, Resolution oder Praezision ist im MessVorgang verloren. Differenziale Verschiebungen stellen die groesten Fehlerquellen dar, da die Verhaeltnxsserrechnung Fehler, die durch der Verschiebung der absoluten Messwerte und durch die Imperfektionen im Kristallgitter erstehen, zurecht macht. Variationen die mehrere Hunderte in einer Million darstellten, wuerden der Paezision der Messwerte, die durch der Erfindung erzielbar sind, nicht beschweren. Temperaturunterschiede, sowie Aelterungen durch Zeitabfluss, sind, dadurch, vom Messystem ausgeschieden. Demnach, es sind die Masseneigenschaften, die tatsaechlich invariant sind, die den Messwert kontrollieren und die, in Zusammenwirkung mit den Rechnungsalgorithmen, die hochpraezise Resultate moeglich machen.

Die Berichtigungskoeffiziente die von Temperaturvariationen, einwirkende Kraefte, und andere Parameter, die auf die Eigenschaften einzelner Messumformer zurueckweisen, koennen in einer Kalibrationsstation beseitigt werden, moeglicherweise als eine Endstufe des Herstellungsvorganges. Wie hinoben beschrieben wurde, die Rechnung ist ziemlich einfach, da das einfache

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von Zahlen und die Linearitaet bedingen sehr wenig mehr wie die Errechnung einer Fraktion ninus Eins, durcn einen multipld 7. i ert.

Wenn die Stabilitaet des Kristalls, und die Umgebungsparameter die dieser Stabilitaet beeinflussen koennen, durch aussere Mittel gewaehrt werden eine arbitraere Nullfrequenz oder Referenzfrequenz kann bestimmt werden, um "iner vorbestimmten Druckhoehe zu representieren, sodass das Rechnugssytem 20 einen direkten Messwert 22 aus der Resonanzfrequenzinformation ermittelt, wenn diese Resonanz-frequenz einer me=· baren Druckhoehe entspricht.

Mit Aufsicht auf das vorgehende, es sollte klar sein, dass der absolute Wert der Resonanzfrequenz des SMRE nicht von Gewicht ist. Es ist die Verschiebung der resonanten Eigenfrequenz welche wesentlich ist. Mann kann, als einen hypotesischen Fall, Umsetzer aus zwei verschiedenen Materialen, einen als Einzelkristall der andere als polykristallin, verwirklichen. Beide diese Umsetzer koennten die selbe Eigenfrequenz haben und der selben Verschiebung der Resonanzfrequenz mit Druck aufweisen. Jedoch, das kristalline Material wuerde einen Vorteil aufweisen, da das polykristalline Material nicht der selben Stabilitaet der Masseneigenschaften aufweisen kann, und muss, mit Zeit, von der urspruenglichen Kalibration abweichen. Da der Messvorgang der Erfindung auf die Stabilitaet der Masseneigenschaften des Herstellungsmaterials des SMRE gestufitzt ist, die Methode weist die besten Resultate auf, wenn hochreine Einzelkristalle zur Verwendung kommen.

Aber, da das Messystem nur auf die Masseneigenschaften des Benutzten Materials bestuetzt ist, und nicht auf ihre physische Gestalt oder ausserliche Form, es wird moeglich Kristalle

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selben Mati.-riales nrbitraer zu Verwendung bringen. Ernes^ dieser Kristalle mag, dur'ih inre Gestalt, eine viel hoehere Resonanzfrequenz haben wie ein anderes Kristall. Jedoch, sollten diese beiden Kristalle in einer Fluessigkeit hineingetaucht werden und den selben Druck unterworfen, so werden beide ebenso gut arb"iten in das Messystem, da sie die selben Masseneigenschaften besitzen. Die Verhaeltnisse zwischen den gemessenen Resonanzfrequenzen bei zwei verschieden Druckhoehen wuerden das selbe Resultat zeigen, irrespektiv der zwei verschieden aktuaellen Eigenfrequenzen der Kristalle. Das Rechnermittel kann die Resultaten mit den selben Koeffizient bearbeiten und wird die selben Druckhoeheinformation vorstellen, un-.ibhaengig von den Eigenfrequenzen.

Durch den Gebrauch von den Verhaeltnisszugang, es ist offenbar, dass solange das Koeffizient 'K¹ ein Konstant ist, der Messwert ist wesentlich von der Groesse, Gestalt, oder von Umgebungsinstabilitaten unabhaengig. Da 'K¹ eine Funktion der Stabilitaet des Materials ist; je stabiler das Material, umso stabiler und praeziser die Resultate.

Fuer eine gewisse Sorte kristallines Material, es kann als gegeben angenommen werden, dass ihre Masseneigenschaften und Koeffizienten ¹K¹ wesentlich qleichsam und stabil sind. Im Rechner 20, als eine Endkalibration, nachdem das ganze Messgeraet fabriziert ist, eine bekannte Kraft und eine Nullkruft kann auf das SMRE einwirken. Bei diesem Punkt das Verhaeltniss, zwischen den Resonanzfrequenzen, kann errechnet werden, und das System so kalibriert werden, dass das Frequenzverhaeltn in einen gewuenschten Messwert umgesetzt wird. Sollte das SMRE in einer hydraulischen Waage zum Gebrauch kommen, so kann der Rechner den erfuehlten Druck in Gewichteinheiten, wie Gramme, Pfunde, oder andere, umsetzen.

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BEISPIEL IT

In dem ersten Beispiel," wo ein Quarzkristall SMRE mit Aussenflaechenelektroden ala ein Teil eines elektronischen Resonanzstromkreises angewandt wurde, das Erregungsmittel und das Ermittelungsmittel 16 von Fig. 1 sind gegenseitig durch das SMRE gekuppelt. Zu Figuren 6 und 7 anweisend, eine beispielhafte Verwirklichung der Erfindung ist geschildert, worin das Errengungsmittel 14 and das Ermittelungsmittel 16 ungegenseitig durch den SMRE 10 gekuppelt sind, wobei die Schwingungen des SMRE bei dessen Eigenfrequenz aufrechtgehalten sind. In Fig. 6, eine Darstellung die der Fig. 4 aehnlich ist, ein SMRE 10 ist geschildert, das in eine Huelse 64 untegebracht ist; die Huelse ist mit Fluessigkeit gefuellt und mit einen weichelastischen Verschluss versehen. Die Fluessigkeit 68 innerhalb der Huelse ist chemisch inert, wie schon voerher beschrieben wurde. Die Fluessigkeit 12, ausserhalb der Huelses 64 und innerhalb des Gehaeuses 58, ist einer Ladung unterworfen und komprimiert das SMRE mit einen hydrostatischen Druck.

In dem Geraet von Fig. 6 das Geaheuse 58 ist mit einem Fenster 74 versehen, die mit einem Fenster _76 in der Wand der Huelse 64 uebereinstimmt. Die Aussenwaende des Behaelters ' 58 und 64 sind auch mit uebereinstimmende Fenster 78 und 80 versehen. Alle diese Fenster sind fuer Radiation von einer gewissen Frequenz durchsichtig. Mit dieser Bauweise, Erregunsenergie kann, auch von einen gewissen Abstand, in die Form eines Strahlenbuendels 14 auf das SMRE zugefuehrt werden. Das SMRE wird in eine mechanischen Resonanz durch diese Strahlungsenergie erregt, wie shon mit Referenz auf Fig. 1 beschrieben wurde. Die

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Kesonanzirequenz wird durch dazu geeignete MiMeI, z.B.

durch einem r<?l I oktierten S*;r?hlungsbi'erdei Lb, durch die Fenster 80 und 78 ermittelt. Dise reflektierte und durchgelassene Strahlung ΊG erhaelt die noetige Γ unanzinformation durch den die Hoehe des Druckes zu welchem das SMRE 10 ausgestellt ist errechnet werden kann.

In Fig. 7 ein Messvorgang ist schein >..isch illustriert, durch welche das SMRE 10 erregt werden kann, in einer selbstaendig aufrechterhaltenden Resonanzmode, und durch welche Resonanzinformation ueber der verschobenen Eigenfrequenz des SMRE's erwonnen werden kann. Ein SperrmodaLaser 82 ist geschildert, mit einen [..iR'-r A4, ein Paar von Brewster Fenster 86, und einen Etalon '"). Das Laser 84 ist in eine bestimmte Arbeitsmode gesperrt, um einen kohaerentes, geraeuschfreies Strahlungsbuendel zu gewinnen, die nur eine einzige Frequenz erfasst welche besser mit der Resonanz des mechanischen Schwingers intermoduliert wrden kann. Die mechanische Resonanz des SMRE wird durch ein Strahlungsdetektor 92 ermittelt und ein elektronischen Signalverstaerker 98 zugefuehrt, welcher, durch einen Modulator 88, der Eij <--gungsstrahlung 14 in eine bekannte Weise so moduliert, dass si^ den Resonator 10 weiter erregt. Der Detektor 92 und der Modulator 88 erlauben die Rueckfuhr der ermittelten Resonan-frequenz in die Erregungsquelle, sodass das Erregungssignal 14 der Eigenfrequenz des SMRE angepasst werden kann. In diesem Schema, die Resonanz des SMRE ist durch teilweise ausseren Kupplungmittel aufrechterhalten.

Polarisatoren 94 und 96 kommen wahlweise in den Strahlungsbahnen des Erregungsenergiesignals 14 und das Ermittelungsignal 16 hineingebracht werden. Diese Polarisatoren koennen eine Verbesserung des Signal/Geraeusch Verhaeltnisse erzielen, durch die Beseitigung der Traegerwelle, und ihre Geraeuschseitenbaende, und die Durchlassung lediglich des modulierten Signals.

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BAD ORIGINAL

us

Da das Licht von den Laser 82 polarisiert ist, der V°La£ißi<i£i -

£ 8 Q 5 5 2 Q

filter 94 und 96 koennen ;-'azu dienen dio StaerKe des firniittelungsignale^ 16 zu adjustieren und ihre Polarisationswinkel so einzustellen, dass der statische Zustand zu nullen und nur el ..e Seitenbandenergie durchzulassen.

Die Effektstrahlung 16, die die Resonanzinformation ermittelt, ist dem elektronischen Antrieb 98 zugefuehrt, welche den Modulator 88 kontrolliert und dem Rechnungssystem das Signal fuer die Messwerterrechnung anpasst.

Wenn ein SMRE durch ein Strahlungsbuendel erregt sein muesste, die Strahlung wird zuerst bei eine Frequenz die der Eigenfrequenz des SMRE annaehert zugefuehrt. Durch die Rueckfuhr der ermittelten Resonanzfrequenz aus dem SMRE zu den Modulator 88 wird die Resonanzschwingung des SMRE aufrechterhalten.

Obwohl die Ermittelungsmxttel in Fig. 7 als ein Fotodetektor beschrieben wurde, wird es dem Fachmann klar sein, dass ein beliebiges Mittel fuer die Ermittelung der Resonanz des SMRE anwendbar ist. Solche Information kann, beispielweise, durch elektromagnetische oder andere Mittel erzeugt werden.

Einer der groessten Vorteile des Zuganges das in Figuren 6 und 7 geschildert ist - neben der Ermoeglichung die Transmission der Erregungsenergie von Fern, und die Ermittelung der Messinfomration ebenfalls von einen Abstand - besteht darin, dass die Resonanz innerhalb des Volumens des SMRE vorgehen kann, und die Einfluesse der Oberflaechen vermieden werden koennen. Wie schon vorher eroertert, die Erregung der Resonanz des Materials und dc-sen Ermittelung in einen Raum des Elementes die von den Aussenflaechen entfernt ist, kommt den theoretischen Resultaten noch naeher, da die Stabilitaet des Materials noch besser ausgenuetzt wird in einen optimalen Vorgang.

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BE InP CEL IEI

Ein Messchema wurde mit Hinweis auf Figuren 6 und 7 beschrieben, worin Erregungsenergie in eine kohaerente Form zur Anwendung kam, und sich sehr gut zur Modulation eignete, wodurch die Ermittelung der Resonanzfrequenz und die Aufrechterhaltung der resonanten Schwingung einfach gemacht wurde. Ein weiterer Variant in diesem Zugang ist schematisch in Fig. 8 gezeichnet, wobei die Schwingungen des SMRE durch ein inneres Kupplungschema aufrechterhalten werden. In diesem Baubeispiel die Erregunsquelle erzeugt ein Erregungsignal 14 das an das SMRE gerichtet ist. Ein Laser 82, das in eine Sperrmode arbeitet, kann als Erregunsenergiequelle gebraucht werden.

Das SMRE 10 ist so ausgestaltet, dass die Strahlungsbuendel darin in einen kreislaufenden Pfad ertappt wird, aus dem nur eine kleine Portion abgeleitet wird um der Resonanzinformation durch einen Fotodetektor 92 zu ermitteln. Die innerlich umlaufende Strahlung energisiert die Aufrechterhaltung der mechanischen Schwingungen des SMRE. Zu diesem Zweck, das SMRE ist vorteilhaft mit einer polygonalen, reflektiven Form ausgestaltet, in eine Ebene die mit dem Strahlungsbuendel 14 parallel verlaeuft. Die Aussenflaechen 100 die der polygonalen From definieren, koennen entweder reflektiv oder refraktiv sein, und sind so bestimmt, dass die anfallenden Strahlungsbuendel zumeist im Kreislauf innerhalb des SMRE erfasst ist. Die innerliche Reflektion der Radiation, oder das Kohaerente Lichtbuendel, ist mit den Pfeilen 102 angewiesen. Dieser Zugang erlaubt einen rekursiven, ungegenbaren ErregunsVorgang welcher selbstmodulierend ist, und demnach, ausseren

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Modulationsmittel und ungegenseitige Bauelemente vermeiden kann. L M

Obwohl ein Mehrteil der Strahlungsenergie innerhalb des SMRE ertappt ist, ein kleine Teil wird in Strahlung 16 abgefuehrt und, da dieses Teil auch der Resonanzinformation innehat, kann durch einen Fotodetektor 92 ermittelt werden und dem Rechnugsystem zugesandt werden.

Da der, in Sperrmode bearbeitete, Laser 82 ein wesentliches optisches Strahlungsbuendel ausschickt, das Ermittelungsignal 16 ist auch optisch in Natur und kann durch den Fotodetektor 92 Uebersetzt werden. Da, aber, das SMRE auch mechanisch in Resonanz gesetzt wird, diese mechanische Schwingungen koennen durch andere Methoden ermittelt werden, die zu so einen Zweck geeignet sind, und diese Mittel schliessen Methoden ein die auf elektrische oder elektromagnetische Effekten begruendet sind, unter anderen. In Fig. 8 eine Kapazitaetsprobe 104 ist auch dargestellt, welche in der Hoehe der Flaechen des SMRE angebracht werden kann, und den mechanischen Schwingungen unmittelbar in ein elektrisches Signal umsetzt.

Mit besonderem Hinweis auf die Beispiele II und III, zahlhafte Variationen werden dem Fachmann zum Sinn kommen. Durch die Zupassbarkeit dieser Systeme zur Fernerregung und Fernmessungs-vorgaenge, diese Baubeispiele sind zu Mikrofongliederunger geeignet, und zu Druckumsetzer fuer hohe Druecke in sehr feindlichen Umstaenden. Der Wuerfel 10 in Fig. 8 koennte als ein Mikrofon durch Aufhaengung in der Luft verwendet werden, da so eine Verwendung auch einer Fluessigkeitsdruckumgebung representiere, in denen eine grundsaetzliche Druckhoehe durch

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Schallwellenschwingungen veraendert ist. Solche Wuerfel
koennten als Mikrofone verwendet werden ohne jegwelche
sichtbare Verbindungen. Ein solcher Wuerfel, oder mehrerer in einer Gliederung, koennte durch einen optischen Lichtstrahl erregt werden, z.B. durch einen Laser erzeugt, und die
ErmittelungsInformation als zerstreute Radiation erworben, die einen Beobachter ueberhaupt nicht sichtbar waere, aber jedoch, durch angepasste Mittel ermittelbar ist.

Es sollte verstanden sein, dass die vorher beschriebenen Ausfuehrungsbeispiele die in diesen Unterlagen geschildert und in Zeichnungen dargestellt wurden, nur als beispielhaft angesehen werden sollten, und, dass mannighafte Alterungen zu den geschilderten Geraeten moeglich sind ohne dass die
Grundsaetze der Lehren der Erfindung Uerberschritten wuerden.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

( 1.JVorrichtung zum Messen von Flüssigkeitsdrücken, gekennzeichnet durch ein festes, mechanisch resonierendes Organ, das in das Druckmittel eingetaucht ist und dessen Resonanzfrequenz durch die Hohe des Flussigkeitsdruckes beeinflußbar ist, eine Erregeranordnung zur Erregung des mechanisch resonierenden Organs und durch eine Nachweisanordnung zum Feststellen der Resonanzfrequenz des mechanisch resonierenden Organs sowie zur Ermittlung des Flüssigkeitsdruckes aufgrund der Resonanzfrequenz, wobei die relative Frequenzänderung bei einer Änderung des Flüssigkeitsdruckes vorwiegend von den Materialeigenschaften des mechanisch resonierenden Organs abhängt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachweisanordnung dazu geeignet ist, ein Verhältnis der den unterschiedlichen Flüssigkeitsdrücken entsprechenden Resonanzfrequenzen zu bilden.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das feste mechanisch resonierende Organ aus einem Kristallinenmaterial besteht.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das kristalline Material ein polykristallines Material ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das kristalline Material aus einem Einkristall mit hoher Gittervollkommenheit besteht.
6. Vorrichtung nach Anspruch "1, dadurch gekennzeichnet, daß das feste, mechanisch resonierende Organ aus einem amorphen, glasartigen Material besteht.

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7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das feste, mechanisch resonierende Organ aus einer unterkühlten
Flüssigkeit in einem glasartigen Zustand besteht.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein geschlossener Behälter das feste, mechanisch resonierende Organ umschließt, daß der Behälter wenigstens einen elastischen Wandabschnitt aufweist, so daß Volumenänderungen des Behälters bei Ausübung von Kräften auf den elastischen Wandabschnitt möglich sind, daß der Behälter mit einer Flüssigkeit gefüllt ist und daß das feste, mechanisch resonierende Organ in die im Behälter befindliche Flüssigkeit eingetaucht ist, so daß eine Änderung der auf den Behälter ausgeübten Kräfte sich als Änderung des Flüssigkeitsdruckes äußert, den die Flüssigkeit im Behälter

auf das feste, mechanisch resonierende Organ ausübt, wobei
der Behälter verhindert, daß ein unverträgliches Medium das
feste, mechanisch resonierende Organ berührt."
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit im Behälter aus einer chemisch inerten Substanz besteht.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die chemisch inerte Substanz aus gereinigtem Silikonöl besteht.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregeranordnung und die Nachweisanordnung über das feste,
mechanisch resonierende Organ miteinander gekoppelt sind und daß eine eine Wechselwirkung verhindernde Kopplungsanordnung außerhalb des festen, mechanisch resonierenden Organs vorgesehen ist, um die Schwingung desselben bei dessen Resonanzfrequenz aufrechtzuerhalten.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregeranordnung und die Nachweisanordnung unter Vermeidung

von Wechselwirkung über das feste, mechanisch resonierende Organ gekoppelt sind, um die Schwingung desselben bei dessen Resonanzfrequenz aufrechtzuerhalten.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingung durch eine vollständig innerhalb des festen, mechanisch resonierenden Organs enthaltende Kopplungsanordnung aufrechterhalten ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingung durch eine wenigstens teilweise außerhalb des festen, mechanisch resonierenden Organs angeordnete Kopplungsanordnung aufrechterhalten ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das feste, mechanisch resonierende Organ aus einem piezoelektrischen Material besteht und daß die eine Wechselwirkung verhindernde Kopplungsanordnung aus einem Mußeren Verstärker besteht.
16. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregeranordnung dazu geeignet ist, auf das feste, mechanisch resonierende Organ ein moduliertes Strahlenbündel zu richten, dessen Modulationsfrequenz im wesentlichen der Resonanzfrequenz und den Harmonischen des festen, mechanisch resonierenden Organs entspricht, und daß die Nachweisanordnung einen mit der Erregeranordnung zusammenwirkenden Detektor aufweist, um die Schwingung des festen, mechanisch resonierenden Organs aufrechtzuerhalten.
17. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregeranordnung dazu geeignet ist, auf das feste, mechanisch resonierende Element ein Strahlenbündel zu richten, daß das feste, mechanisch resonierende Organ derart geformt ist, daß es das Strahlenbündel einfängt, so daß eine ungedämpfte mechanische Schwingung in dem festen, mechanisch resonierenden Organ erzeugt wird und nur ein kleiner Teil

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der Strahlung austreten kann, und daß die Nachweisanordnung auf diesen kleinen austretenden Strahlungsanteil einwirkt.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das feste, mechanisch resonierende Organ einen polygonalen Strahlenbrechungsweg in einer Ebene parallel zur Einstrahlungsrichtung des Strahlenbündels aufweist, wobei die den polygonalen Weg definierenden Oberflächen so angeordnet sind, daß das kohärente Lichtbündel im wesentlichen innerhalb des festen, mechanisch resonierenden Organs reflektiert wird.
19. Verfahren zum Messen von Flüssigkeitsdrücken, dadurch gekennzeichnet, daß ein festes, mechanisch resonierendes Organ in die Flüssigkeit eingetaucht wird, deren Druck gemessen werden soll, das feste, mechanisch resonierende Organ derart erregt wird, daß es bei einer Resonanzfrequenz schwingt, wobei sich diese Frequenz mit Änderungen des Flüssigkeitsdrucks .vorwiegend in Abhängigkeit von den Materialeigenschaften des festem, mechanisch resonierenden Organs'ändert, und daß diese.Frequenzen festgestellt werden.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von mindestens zwei unterschiedlichen Flüssigkeitsdrücken entsprechenden Frequenzen gebildet wird.

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