DE2831938A1

DE2831938A1 - Messwertaufnehmer mit einem flexiblen messelement zur messung mechanischer groessen

Info

Publication number: DE2831938A1
Application number: DE19782831938
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl Ing Claassen; Peter Dr Krempl; Helmut Dipl Ing List
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-07-27
Filing date: 1978-07-20
Publication date: 1979-02-08
Also published as: GB2086584B; ATA550577A; DE2831939C3; FR2399014A1; CH640346A5; AT375466B; JPS5425778A; DE2831938C2; DE2831939A1; CH637214A5; GB2001765B; GB2086582A; JPS6136166B2; US4413202A; FR2399014B1; GB2001765A; GB2086584A; GB2086582B; US4216403A; DE2831939B2

Description

PotantanxA/Atto Λ 4β3 QOteratoh 1. Vennetr. 9. Poattaoh 254O

atentanwöite - 4 - Teuton: co 82413 «13054

Prof. Dr.-Ing. Robert MeldaU Datum

>i.-in₀. Gustav Meldau uneerzeiohen L 6o9 gM-rs

Herr

Professor Dipl.-Ing. Dr.Dr.h.c. Hans List Heinrichstraße 126

Graz / Österreich

Meßwertaufnehmer mit einem flexiblen Meßelement zur Messung

mechanischer Größen

Die Erfindung besieht sich auf einen Meßwertaufnehin^r-r mit einem flexiblen Meßeleiaent zur Meooung mechanischer Größen.

Ee eind Meßwertaufnehmer mit flexiblem Meßelement in Form der ftogennnnten DeVmn)»ßstreifen bekannt. Sie werden an der Meß-Btelle mit dem zu vermessenden Körper meist durch Kleben fest verbunden, wobei eine den Körper verformende Kraft eine etitoprenhende Dehnung im Delinmeßotreifen bewirkt, die über die Änderung des elektrischen Wideretandes des Dehnmeßstreifens gemessen wird. Diese Dehnmeßstreifen weisen eine Keine von vorteilhaften Eigenschaften, wie Formflexibilität und geringe Masse,auf. Sie sind für statische Messungen sehr gut geeignet, erfordern jedoch eine Anordnung, welche eine reproduzierbare Vorspannung garantiert, Ist die Vorspannung dieser Dehnmeßstreifen großen Schwankungen unterworfen, deren Ursache sowohl in der Montage, als auch in thermischen Ausdehnungen liegen kann, dann verursacht die Abstimmung der erforderlichen Meßbrücke vor jeder Messung einen zusätzlichen Arbeitsaufwand, der vor allem dann nicht vermieden werden kann, wenn die zu messenden dynamischen Dehnungen in der Größenordnung von 10"^ und darunter liegen. Diese Schwierigkeiten treten bei allen Dehnmeßstreifen auf, deren physikalische Eigenschaft, über die die Längenänderung erfaßt wird, vom Absolutbetrag der Länge abhängt. Sie stellen deshalb keine für einen breiten Anwendungsbereich befriedigende Lösung dar.

Für viele Fälle der Messung meohanisoher Größen, wie Druck,

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Kraft und Beschleunigung, werden häufig piezoelektrische Meßwertaufnehmer verwendet. Diese Meßwerbaufnehmerbauart hat vorteilhafte Eigenschaften, wie: direkte Erfassung relativer Abweichungen von einem "beliebig vorgegebenen Grundz-ustand, Korapreeaionsempfindlichkeit, einfache elektronische Auswertbarkeit <ler ]jndnngssignale. Die bekannten piezoelektrischen Heßwertaufnehiner weisen Plättchen oder Stäbchen aus Einkristallen oder Keramiken als piezoelektrische Sensoren auf, welche durch eine Vorrichtung unter kompressiver Vorspannung gehalten werden. Diese Art der Vorspannung ist zur schlüssigen Übertragung der zu messenden äußeren Kräfte oder Drücke auf den Sensor erforderlich, und muß bei Bcsehleunigungs- bzw. Schwingungsaufnehmern so groß gewählt werden, daß die se ims is ehe Masse innerhalb des gesamten Meßbereiches gegen den Sensor gedrückt ist. Die aufzubringende Vorspannung und das erforderliche, möglichet starre Widerlager bedingen die mit großen Massen behaftete · Ausführungsform dieser Meßwertaufnehmer. Die herkömmlichen Druckaufnehmer werden durch eine mit einer Membrane verbundene DruokUbertragungsplabbe gegen den Meßraum hin abgeschlossen. Dies bedingb Einflv-hr"'.nkungen hins .!oh blich der Empfindlichkeit und des dynnmisehen Meßbereiches. Weitere begrenzt die kompakte, fesb vorgegebene äußere Ausftihrungsform dieser Meßwertaufnehmer ihre Einsatzmöglichkeit bei Meßproblemen, wo es auf eine einfache, den ,jeweiligen geometrischen Verhältnissen leicht anzupassende Montage des Meßwertaufnehraers ankommt. Zusätzlich wirken sich die relativ großen Massen und das damit verbundene, stark begrenzte dynamische Auflösungsvermögen dieser Meßwertaufnehmer oft nachteilig aus.

Typische Probleme, bei denen piezoelektrische Meßwertaufnehmer keine befriedigende Lösung anbieten, seien als Beispiele angeführt: Dynamische Messung geringer Druckdifferenzen zwischen zwei Meßkammern, Messung des Durchganges von Stoßwellen in Fluids, hochempfindliche Beschleunigungsaufnehmer leichtester Bauart, dynamische Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Fluids, sowie Messung hochfrequenter Schwingungen zweier Körper relativ zueinander.

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Die Erfindung vermeidet die vorstehend genannten Nachteile und sie besteht darin, daß zur piezoelektrischen und/oder kapazitiven Erfassung des Meßwerfceo als Keßelement mindestens ein flexibler, piezoelektrischer Film dient, dessen gegenüberliegende Flächen mit elektrisch leitenden Kontaktflächen in Verbindung stehen.

j3«3i der erfindungegemäßen Ausbildung des Meßwertaufnehraers werden die vorteilhaften Eigenschaften der Dehnmeßstreifen, wie: Formflexibilität, geringe Masse und daher hohes zeitliches Auflcisungsvermögen, Dehnbarkeit und Dehnungsempfindlichkeit, mit den yor-l:o.Uiiaften Eigenschaften der piezoelektrischen Meßelemente, - wie: direkte Erfassung relativer Abweichungen von einem beliebig vorgegebenen Grundzuotand, Korapress.ionsempfindlichkeit, einfache elektronische Auswertbarkeit der Ladungssignale. - gleichzeitig ausgenutzt, wobei ,jedoch eine Ausschaltung der genannten Nachtelle beider Keßwertaufnehmerprinzipien erreicht wird. Da der vorteilhafterweise nur wenig p. stark gewählte, piezoelektrische Film dan Dielektrikum eines Kondensators bildet, dessen Elektroden die elektrisch leitenden Kontaktflächen flare teilen, eignet sich dieses Moßeleinent auch zur kapazitiven Bestimmung von Meßgrößen. Dies ist ein ganz entpcheldender Vorteil, da auf kapazitivem Wege auch statische oder niederfrequente Meßgrößen erfaßt werden können, welche bedingt durch den endlichen Isolationswiderstand - einer piezoelektrischen Messung praktisch nicht zugänglich sind. Die erfindungsgemäße Verwendung eines flexiblen, piezoelektrischen Films als Meßelement in einem Meßwertaufnehmer ermöglicht es, erstmals ein und denselben Meßwertaufnehmer wahlweise zur piezoelektrischen und/oder kapazitiven Erfassung einer Meßgröße zu verwenden. Dadurch ist es möglich, mit diesem Meßwertaufnnlimer sowohl statische, als auch hochfrequente Messungen durchzuführen, ohne daß ein zusätzlicher Montageaufwand erforderlich ist.

Es sind eine Reihe flexibler Dielektrika in Form von Folien oder Filmen bekannt, von denen ein Großteil als Elektret in dem Sinne angesprochen werden kann, daß sie eine semi- permanente elektrische Polarisation besitzen, deren äußeres Feld durch

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ebenfalls serai- permanente Oberflächenladungen kompensiert ist. Daß Elektrete piezoelektrische Eigenschaften aufweisen.können, wurde zunächst "bei Anthrazen und später "bei vielen synthetischen Polymeren bestätigt. Es wurde gefunden, daß Elektrete die gleiche piezoelektrische Matrix wie Einkristalle der orthorhombischen Kristallklasse C_?v» oder einer Kristallklasse höherer Symmetrie, wie C. , besitzen. Solche Piezoelektrika weisen, wenn man die Achsen gemäß der IRE-Konvention wählt, einen longitudinalen Piezoeffekt in Richtung der Z-Achse, sowie transversale Piezoeffekfce bei Spannungen in Richtung "der X- bzw. Y-Achne auf. Bekannte piezoelektrische Elektrete Bind unter anderen: Polyvinylidenfluorid (PVDi¹), Polyvinyl-Fluorid (PVF), Polyvinyl Ghlorid (PVC), Polyacrylnitril (PAN), Polymethyl-Methacylat (PMMA), fluoriniertes Ethylen-Propylen (FEP), Polystren, Polyethylen (PE) und sein Terepthalat, Polycarbonat, Polysulfon und Nylon.

Die erfindungngomnße Verwendung eines piezoelektri schon Elektrets hat den Vor beil, ueß inib ihm sowohl lineare Dehnungen als auch Flächendehnungen piezoelektrisch bzw. kapazitiv erfaß I; werden können. Dozu Kommt der Vorteil, daß über die elastische Querkontraktion in Z-Riohtung eine Verstärkung der piezoelektrischen und der kapazitiven Dehnungsempfindlichkeit erreicht wird. Diese Meßelemente sind somit besonders zur Erfassung von Meßgrößen geeignet, welche durch eine entsprechende Anordnung lineare Dehnungen oder Flächendehnungen im Meßelement hervorrufen, die als Maß für die zu erfassende Größe herangezogen werden können. Weiters können mit dem erfindungsgemäßen Meßwertaufnehmer über den longitudinalen Piezoeffekt auch Größen erfaßt werden, welche direkt oder über eine Vorrichtung einen Druck auf den piezoelektrischen Film ausüben, der senkrecht zu seiner Oberfläche wirkt. Bei vielen Ausführungsformen eines Meßwertaufnehmers gemäß dieser Erfindung wird der piezoelektrische Film Kräften ausgesetzt sein, welche in ihm sowohl Dehnungen parallel zu seiner Oberfläche, als auch einen Druck senkrecht zu seiner Oberfläche bewirken. Diese Kombination von Dehnung und Druok bewirkt in vielen Ausführungsformen des

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erfindungsgeraäßen Meßwertaufnehmers eine besonders hohe Empfindl.ichkeit.

AIa sehr vorteilhaft erwoist es sich, wenn in einer Weiterbildung der Erfindung der piezoelektrische Film aus iaonoax.ia.lorienbiertemPolymer besteht. Diese Polymere weioen eine besonders hohe piezoelektrische Empfindlichkeit auf, sie sind daher ala Meßelenienfc im Sinne der Erfindung besonders gut geeignet.

Gemäß der Erfindung kann veiters vorgesehen sein, daß der piezoelektrische Film nus Polyvinyliden Fluorld, vorzugsweise aus monoaxial-orien tier ten /i-Polyvinyliden Fluorid besteht» Von den genannten piezoelektrischen Polymeren weist Polyviiiylid-ρτι Fluortd eine besondere hohe piezoelektrische Empfindlichkeit v.'Ip auch eine große Dielektrizitätskonstante auf. Gewohnliches PVDF liegt in einer Kieohform von eC - und/3-PVDF vor. DieoC//3~ ΗΙίίοΙιΓοηη vom PVT)P kann j η dl ο tiienoDxinl-orientierte/3—Form geben c lit werden, indem der PVI'7-F.iIm einer inelastiöohen Dehnung unterworfen wird, wob*=⁴! die Pachtung dex* Oriejitieruntc mit; ner lUciitimg der erfolgten Dehnung ^uerunmonfftllt. In dom oo vorbehiiudeifcen PVDF-FiIm lot die pi^zoelektrinche Dohnunf-rnomprinrilicJikoit in X-Riclitung besonuero groß und weist ca. den Behnfnchcn Vfert der Dehnungscmpfindlichkeit in Y-Richtung auf. Wegen der hohen piezoelektrischen Empfindlichkeit und der hervorragenden chemischen und physikalischen Beständigkeit ist dieses Material für die Verwendung als piezoelektrisches Meßelement besonders vorteilhaft.

In weiterer Ausbildung der Erfindung enthält der Meßwertaufnehmer zwei piezoelektrische Filme, welche mit den elektrisch leitenden Schichten so übereinandergelegt sind, daß ihre kristallogra.phischen Z-Achsen antiparallel gerichtet sind, und die X-Achse des einen Filmes mit der X-Achse des anderen Filmes einen Winkel von 90 einschließt. Dabei können zwischen den Filmen noch andere Schichten angeordnet sein. Wird dieses Meßeleraent einer Dehnung unterworfen, so daß beide Filme in gleicher Weise gedehnt werden, dann erhält man als Summe der an den Elektroden gleicher Polarität abgegebenen Ladungen ein Signal, welches ein Maß für die relative Flächendehnung des Meßelementes

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darstellt. Duroli diese Ausführung form wix-d eine etwa vorhandene Richtungeanisotropie des piezoelektrischen Filme kompensiert, was z«B, zur korrekten Erfassung von .Flächendehnungen erforderlich 1st. Sie »letet damit den Vorteil, daß zur Erfassung von Flach-endehmmgon auch monoaxial-orientierte piezoelektrische FlIm? eingesetzt werden können, deren hohe Empfindlichkeit· mit der geforderten Isotrope durch diese Anordnung verbunden wird. Selbstverständlich kann das Meßelement auch aus mehreren Schichten gebildet sein, wobei jede Schicht in oben angeführter Welse zwei piezoelektrische Filme und die zugehörigen Elektroden enthält.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung flieht vor, daß der piezoelektrische Film ein unter Vorspannung stehender Streifen aus einem monoaxial-orientiorten Polymer ist und die. Richtung X¹ der Vorspannung mit seiner Orientierungsrichtung, dp.v Richtung der maximalen Empfindlichkeit des Filme, einen Winkel kleiner als 45° einschließt. Dadurch kann die LJnearltät und Empfindlichkeit des Meßwertauf nehmers optimiert werderi.

In einer weiteren Au8führungθform sieht die Erfindung Tor, ü-iß die zu messende Dehnung eineu Körpers . oder die Entfernung«- änderung zweier Körper mitteln einer einfnolieu Anordnung <.'! iro\ (; in eine Dehnung des piezoelektrischen Filmes umgesetzt wird. Dies hat den besonderen Vorteil, daß durch die direkte Meßwertumformung aufwendige und zusätzliche Meßfehlerquellen beinhaltende Zwischenglieder vermieden werden.

Ein Anwendungsgebiet besonderer Bedeutung für Meßwertaufnehmer gemäß vorliegender Erfindung stellt die Bestimmung der Druckdifferenz zwischen zwei Räumen dar. Die Erfindung sieht die Ausbildung eines Meßwertaufnehmers in der Form vor, daß der piezoelektrische Film über eine, zwei Räume verbindende und diese abdichtende öffnung gespannt ist, welche die zu messende Druckdifferenz aufweisen. Druckdifferenzaufnehmer dieser Ausführungsform sind sehr empfindlich und zur Messung rasch erfolgender Druckveränderungen in einem der beiden Räume hervorragend geeignet. Ist einer der beiden Räume eine abgeschlossene Kammer mit definiertem Druck bzw. evakuiert, dann kann mit diesem Differenzdruckmesser auch der absolute Druck,

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welcher im zweiten Raum herrscht, bestimmt werden. Bei dieser Ausgenbaltung der Erfindung handelt es βich um einen piesoelektrinohen und kapazitiven Druckaufnehraer hoher Sensibilität und Dynamik, bei gleichzeitig besondere einfacher Ausführungsform.

[tor beschriebene Druckdifferen-SFiufnehnier kann weitere¹ so ausgestaltet werden, daß der piezoelektrische Film über eine, zwei Klume gegeneinander abdichtende, den Film stützende Membrane gespannt ist. Dadurch wird in vorteilhafter Weise die Druckbelnstbsrke.it des Meßwerteufnehmers erhöht. Die Membrane wird bereits so ausgewählt, dnß eine Linearisierung des piezoelektrischen Meßwertaufnehmers erreicht werden kann.

Der erfindungsgemäße Meßwertaufnehmer kann auch zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten bzw. der Durchflußmenge einen Fluids dienen, wobei der piezoelektrische Film quer zur Strönmngprtchtung des Fluids angeordnet und mit Öffnungen versehen ist, durch die das Fluid unter Ausübung einer Kraft nuf den Film strömt. Ein Meßwerts.ufnehmer dieser AusfUhrungsform besitzt ein hohes zeitliches Auflösungsvermögen und eine be-MMriflfTfi hohe Sensibilität, nodnß er zur Erfassung roocher Schwankungen in der Gtrömungngpfiohwiiidigkei t sehr gut geeignet ist. Ist das Fluid eino elektrisch leitende Flüssigkeit, ao muß wenigstens eine der leitenden Kontaktflächen des Films durch eine zusätzliche Beschichtung gegen dos Fluid isoliert sein.

In Weiterbildung des Erfindungsgedankens kann zur Besohleunigungs- oder Schwingungsmessung der Meßwertaufnehmer eine seismische Masse enthalten, die bei Beschleunigung des Meßwertaufnehmers eine Dehnung oder Druckbeaufschlagung des piezoelektrischen Filmes bewirkt. Wenn weiters die seismische Masse zwischen zwei Streifen des piezoelektrischen Filmes angeordnet ist, und diese Streifen mit Elektroden versehen sind, und die Elektroden des einen Streifens mit den Elektroden entgegengesetzter Polarität des anderen Streifens verbunden sind, ist ein Beschleunigungs- oder Schwingungsaufnehmer einfachster Bauweise mit hohen Auflösungsvermögen gegeben.

Für besondere Anwendungsfälle ist es von Vorteil, wenn der piezoelektrische, mit Elektroden versehene Film in einer Spannvorrichtung gehalten ist. Diese freie Aufspannung läßt das Meß-

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©lenient bereits bei kleinen wirksamen Kräften reagieren, ahne daß a. B. eine direkte Berührung des Meßelementes erforderlich, ist. Daher kann der erfindungsgemäße Meßwertaufnnhmer, nach, einem weiteren Merkmal der Erfindung,auoh zur Messung der Geschwindigkeit ranch bewegter Körper, insbesondere in der Balliati.k herangezogen werden, wobei der Meßwertaufnehmer aus mindestens zwei, in definiertem Abstand voneinander angeordneten, eine Meßstrecke bildenden ftießelementen besteht, wobei der bewegte Körper direkt oder beispielsweise-über von ihm erzeugte Druckwellen auf die Meßelemente einwirkt. Ei ti solches Meßsystem weist eine hohe Genauigkeit auf und eignet sich vor allem ssur Bestimmung der mittleren Geschwindigkeit bei großen Meßstrecken.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einiger Λasführungsbeiepielen näher erläutert, Eg zeigen:

Fig. 1 einen Ausoohmi··; aus einem er T.indungsgemäßen Moß~

element in schema bischer Darutej lung, Fig. 2 ■ un.d 3 je- ei.ne Ausführungsform. gemäß der Erfindung

im Schnitt,
Fig. 4 eine weitere AuofiUirungsfortri gemäß der Erfinuuiifi·, teilweise in AnaicVib,

' I^|lig. 5 einen Querschnitt gemäß der Linie V-V in Fig. 4, Fig. 6 einen Beschleunigungsaufnehmer nach der Erfindung

im Schnitt, die
Fig. 7 eine Haltevorrichtung für ein erfindungsgemäßes

Meßelement,
Fig. 8 einen Schnitt gemäß der Linie VlII-VIII in Fig.

und

Fig. 9 die Anordnung zweier Meßwertaufnehmer gemäß Fig.7 und 8 in Form einer Meßstrecke zur Erfassung der Geschwindigkeit eines Projektils, Fig.10 einen anderen erfindungsgemäßen Meßwertaufnehmer in gestreckter Darstellung,

Fig.11 den Meßwertaufnehmer nach Fig. 10 an einem Rohr montiert,

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Fig,12 einen weiteren Meßwertaufnehmer gemäß der Erfindung,

Fig. 13 ein Anwendungoüeippiel für den Meßwertaufnehmer naoli Fig, 12,

Fig,14 ein weiteres Auoführungsbeispiel gemäß der Erfindung im Querschnitt und

Fig,15 einen Schnitt nach der Linie XV-XV in Fig. 14.

Bei dem in Fig, 1 vergrößerten und schematisch dargestellten Ausschnitt aus einem das FÄeßelement bildenden piezoelektrischen Film 1 πίηΊ die Kontaktflächen mit ?. und 3 und die krietallographiooiKUi A.o.hoen des Meßelementes mit X, Y und Z bezeichnet. Mil. 'V iat die dichtung der Vorspannung bezeichnet, die mit der .Richtung X der maximalen Empfindlichkeit den Winkelt einschließt. Dieser Winkel soll nach Möglichkeit Hull oder wenigstens kleiner als 45° sein. Die Kontaktflächen 2 und 3 des piezoelektrischen Filmes sind je mit einer elektrisch leiUmde.n. Schicht 4 bsw. 5 versehen, die aun au Cgedarnpf torn Me ball o<1er auch aus einem IeJ. bf.^!-ihi#en Lack ben tehen körn j en. Wenige l;«nn ni.ne dor Rlektrioch .1 p"i tonnen JConüaktflachen lcar):n mit einer nioht dargiatel] \;mi xnciiert geführten elektrinchcn Verbindung au einem ]jaOungpabnalunekontakt oder direkt zu einer elektrischen Meßkette versehen sein.

Der in Fig. 2 dargestellte Meßwertaufnehmer zur Meanung von Druckdifferenzen zwisohen zwei Räumen weist einen piezoelektrischen Film 6 auf, der mit einer Vorrichtung über eine etwa kreisförmige Öffnung 13 gespannt ist, welche die beiden Räume 14 und 15, deren Druckdifferenz erfaßt werden soll, gegeneinander abdichtet. Die Vorrichtung ist von einem ringförmigen, in die Trennwand i6 zwischen den beiden Räumen eingesetzten Gehäuse 7 gebildet, das mittels der zentralen Mutter 8 auf der Trennwand befestigt ist. Der %.chtring 9 sorgt an dieser Stelle für eine Abdichtung. Der piezoelektrische Film 6 ist in eine abgestufte Erweiterung der Öffnung 13 eingelegt und wird mittels des Schraubringes 10 über den Ring 11 aus elektrisch isolierendem Material und den Ring 12

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aua elektrisch leitendem Material festgehalten* Der Ring 12 dient zur Ableitung der elektrischen Ladung von der oberen Seite des Films 6 über die Leitung 17. Von der unteren Seite des Filmes 6 wird die Ladung über die Masse des Gehäuses 7 abgeleitet.

Die Pig, 3 zeigt einen Druckdifferenzeaufnehjner im Schnitt, wobei die beiden Räume 18'und 19 durch eine gewölbte Membran 20, die den piezoelektrischen Film 21 stützt, gegeneinander abgedichtet sind, Die Membran 20 und der Film 21 sind mittels einer Spannschraube 22 unber Zwischenlegimg 'einer Isolierschicht 23 an der Trennwand 24 befestigt. Die Ladung s ab nähme erfolgt über den Koirbaktring 25, wogegen die andere Elektrode des Films über die Membran 20 und den Auflageund dichtungsring 26 mit der auf Masse liegenden 'Trennwand elektrisch verbunden ist.

In·den Fig. 4 und 5 ist ein piezoelektrischer Meßwertaufnehmer dargestellt, der als Gtr"juaugoaufnehmer für elektrisch nicht leitende Fluid ρ ausgebildet 1st, Er enfchnU; eln'ui quer zu der durch die Pfeile 27 angedeuteten ötrönmn^prichtung über einen Ring 28 genpnjiukRn, durclü'öeherüen, piosoelnktriocheii Film 29, deeeon gegenüberliegende Flächen β"l.ektrj.och leitend beschichtet sind und durch dessen Öffnungen 29' daa Fluid hindurchströmen kann. Dabei ist der Film 29 durch daa Fluid einer Dehnung unterworfeii, die ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids darstellt. Ist das Fluid eine elektrisch leitende Flüssigkeit, so muß wenigstens eine der leitenden Kontaktflächen des Films durch eine zusätzliche Beschichtung gegen das Fluid elektrisch isoliert sein. Der Film 29 ist über die aus den beiden Halteringen 30 und 28 bestehende Vorrichtung zwischen zwei Rohrflanschen 31. und eingespannt. Die Ladungsableitung erfolgt einerseits über den elektrischen Kontaktring 33 und die Leitung 34 und andererseits über Masse, wie in der Zeiohmmg angedeutet.

Bei dem in Fig. 6 dargestellten Beschleunigungsaufnehmer ist die seismisohe Masse 35 zwischen zwei piezoelektrischen

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Filmen 36 und 37 eingespannt, welche die seiamisohe Masse 35 und einen Iiadungsa,bnahmekontakt 38 mit ihren Elektroden entgegengesetzter Polarität Td er Uhr en. DLe der seismischen Masse abgebende ten Elektroden, welche In Tragplatten 52 und 53 gelagert dind, kömien über das eine Bodenplatte 39' aufweisende Gehäuge 39 geerdet sein. Bei Beschleunigung wird einer der Filme 36, 37 gedehnt, während sich der andere elastisch zusammenzieht, sodaß die Summe der im Kontakt 38 abgegebenen Ladungen ein Maß für die Richtung und die Größe dei* Besahleun.igU3ig darstellt. Eventuell kann die seismische Masse 35 noch durch Federn 40, 41 gestützt werden, sortaßdurch geeignete Auawahl der Federstärken die Eigenfrequenz und der Meßbereich des Aufnehmers optimiert werden können. Die Ladungsableitung erfolgt einerseits über einen Kontaktstreifen 30 und andererseits über Masse, wie in der Zeichnung angedeutet.

Die Fig. 7 und 8 zeigen eine Spannvorrichtung 42 für einen piezoelektrischen Film 43, dor über inoliorondo Zwisolj<mlap;en 4 4, Ί5 in den Gponubügel 46 e Ingo spannt ist. Me L lmhme erfolgt eiiioraeitn über· den Ι-Γοιιl;olcbn l;rej Cc.u -17 andererseits über Maooⁿ, wie lü der Zeichnung nngedoul;·« t.

Die Fig. 9 zeigt die Anordnung zweier Meßwert gemäß Fig. 7 und 8 in einem definierten Abstand zueinander, wodurch eine Meßstreoke 48 gebildet wird. Beim Durchgang eins zu vermessenden Gesohoßes 49 bzw. dessen Druckwellen 51 duroh das Meßelement 50 wird eine Zeitmessung ausgelöst, die beim Durchgang des Geschoßes bzw. der von ihm erzeugten Druckwelle duroh das zweite Meßelement 42 abgeschlossen wird. Aus der damit gemessenen Zeit und der bekannten Meßstrecke 48 kann die Geschwindigkeit des Geschoßes bestimmt werden. Weiters kann das von der Druckwelle 51 erzeugte Ladungssignal auch zur Triggerung anderer elektronischer oder photographischer Einrichtungen dienen.

■Gemäß der Erfindung können die Meßwertaufnehmer auch zur kapazitiven Meßwerterfassung verwendet werden. Besonders die in Fig. 2, 3 und 4, 5 dargestellten Ausführungen eignen

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aioh dafür, da bei diesen Anwendungsfällen meist zeitlich langsam veranderIiehe Meßgrößen zu erfassen sind. Da der endliche Iaolationawidersband des Films statische Messungen auf piezoelektrischem Wege verhindert, ist für die genannten •Anwendungsfälle als besonderer Yorbeil der Erfindung die Möglichkeit der kapazitiven Messung hervorzuheben.

In Fig. 10 ist ein Meßstreifen 59 dargestellt, bei dem «in aus einem flexiblen piezoelektrischen Film 54 bestehendes Meßelement auf einem elektrisch isolierenden Band 55 befestigt, iat. 7,nv Ladungsableitung sind Drähte oder aufgedruckte Leiterbahnen 56 und 57 direkt mit den leitenden nicht.dargestelltem Kontaktschichten des Filmes 54 verbunden. Fig. 11 zeigt die Anordnung eines Meßstreifens 59 gemäß Fig. 10 an einem Rohr.50, wobei die Ladungsabnahmeleitungen 56 und 57.nur schematisch freiliegend angedeutet sind. Der Meßstreifen 59 timschlingt das Rohr 58 zur Gänze. Dieser Meßwert auf nehmer kann z.B." zur Registrierung dee Pulses bei Menschen und Tieren verw^'^et werden,

Fig. \2 zeigt ein Meß<?lemont 60 bei welchem der Cl'rsu.l· Le Film 61 durch Kraftschluß oder elektrisch leitende Verklebung mit elektrisch leitenden Kontaktsohiciiten 62 und 6? verbunden ist. Die Kontaktschichten 62 und 63 können vorzugsweise ähnlich einer gedruckten Schaltung aus kupferkaschierten flexiblen Laminaten 64 und 65 hergestellt v/erden. Das Meß signal wird an den Polen 66 und 67 abgenommen. Zur leichten Montage des Meßelements am Meßobjekt dient eine selbstklebende Folie 68.

Fig. 13 zeigt als Anwendungsbeispiel ein in Fig. 12 dargestelltes Meßelement 60, welches an der Stirnseite eines Rohres 69 angebracht ist, um z.B. Ausströmvorgänge aus dem Rohr meßbar zu machen. Insbesondere läßt sich auf diese Weise sehr leicht der Austrittszeitpunkt einer aua dem Rohr austretenden instationären Überschallströmung ermitteln.

Fig. 14 und 15 zeigen ein Anwendungsbeispiel eines Meßwert auf nehmer a bei dem mehrere Einzelaufnehmer zu einer Einheit integriert sind. Als Anwendungen kommen Meßaufgaben in Frage, bei denen z.B. der Druok oder Druckverlauf in einem

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Ruhr 70 das Bohrungen 71 zwioehen seiner Innen- und Außen-Hoite auf we lab. Me sea MeßelpJiienü kann ebeneο zur ζ ei I; 1 J. c: lie ti Drucki'ogiotrierung an Hohlkörpern dienen, deren Körperform iiLuli durch im Körper wirksame Kräfte zeitlich ändert, ν,.ί.ο ei ie 8 ?;,J3. l'ei deformierenden oder abbrennenden Explosivstoffen der PnIl lab. .

Ji-¹IRi Heizelement hat prinzipiell denselben Aufbau wie jenes nach Fig. 12. Eine selbstklebende Folie 72 verschließt die Bohrungen 71 und trägt gleichzeitig je ein kupferkaschiertea flexible« Laminat 73. Die Eupfercchiohte 74 lob durchgehend und bilde b einen Pol deu Ton einem flexiblen Film 73 ftebildobeii Meßelementa. Der Anschluß dieses Pole an eine LIeBlei bung erfolgb über daa freie Ende 7ö der Kupferschichte 74. Der flexible Film 75 steht einerseits mit der Kupferachirhte 74 und pudererseits mit den elektrisch leitenden Kontaktflächen in Verbindung, Um den örtlichen und zeitlichen Druckverlau.t? registrieren zu können, erfolgt die Meßsignalabnahme ;n> mehreren Kontaktflächen 77, die in Richtung des Rohren 70 in Abs bonden hintereinander, angeordnet sind. Diese Konbaktflünhoii 77 z,U, ähnlich einer gedruckten Schaltung aus kupferkaschiert flexibJ.en Laminaten 78 liergeotellt werden, wobei die Trägerschicht; zugleich ala Schutz für das Meßelement dient. Die Meßsignale der einzelnen durch die Kontaktflächen 77 erfaßten Meßelemente können am freien Ende 76 der Kupferschichte 74 abgenommen werden.

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L e e rs e i t e

Claims

PstentanwÄltP - "f""5- 4β3 eoteraloh 1. Vannatr. 9. Poettaoh 854O Patentanwälte T^ Telefon: CO52413M3O54 Prof. Dr.-Ing. RObeTt MeldaU Datum Dipi.-ing. Gustav Meldau uneerzeionen L 6o9 gM-rs P atentansprüche

1.) Meßwertaufnehmer mit einem flexiblen Meßelement zur g ~-J mechanischer Größen, dadurch g e k e η η a e i ο h net, daß 25ur piezoelektrischen und/oder kapazitiven Frfnnsung öea Meßwertes nls Meßelement mindestens ein ilexibler piezoelektrischer Film (i) dient, dessen gegenüberliegende Flächen mit elektrisch leitenden Kontaktflächen (?,3) wenigstens teilweise in Verbindung stehen.

2. Me öwer tauf nehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet;, dnß der piezoelektrische Film aus monoaxial-orlentiertem Polymer besteht.

3. Meßwertaufnelimer nach Anspruch 1, dadurch gekennr,eiohnfⁱt;, daß der piezoelektrische Film aus Polyvinylidenfluorid, innbr·»- sondere aus monoaxlal-orienfciertem /i-Polyvinylinoa-Fluorid, bepteht.

4. Meßwertaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, u;uluroh gekennzeichnet, daß er zwei piezoelektrische Filme enthält, welche mit den elektrisch leitenden Schichten so ubnreiiiartdergelegt sind, daß ihre kristallographischen Z-Aohwen antiparallel gerichtet sind, und die X-Achse des einen Filmes mit der X-Achse des anderen Filmes einen Winkel von 90° einschließt.

5. Meßwertaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Film ein unter Vorspannung stehender Streifen aus einem monoaxial-orientierten Polymer ist, und die Richtung der Vorspannung mit seiner Orientierungsrichtung einen Winkel kleiner als 45° einschließt.

6. Meßwertaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, zur Messung von Dehnungen, dadurch gekennzeichnet, daß die zu messende Dehnung eines Körpers (oder die Entfernungsänderung zweier Körper) mittels einer einfachen Anordnung direkt, in eine Dehnung des piezoelektrischen Filmes umgesetzt wird.

7. Meßwertaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Druck-

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differenzmessung, dadurch gekennzeichneb, daß der piezoelektrische Film (6) über eine, zwei Räume (15» 14) verbindende und diese abdichtende Öffnung (13) gespannt let, welche die zu messende Pruckdifferenz aufweisen

8. Meßwerbnufnohmpr n^ch Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Film (21) über eine den Film (21) stützende Membrane (20) gespannt ist (Fig. 3).

9. rioßweri'aufnehmer nnch einem der Ansprüche 1 bin 6 zur Messung der SbröiuungsgeGohwtndigkeit bzw. Durchflußmpnfi·* eines Plu.Wlo, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrioche Film (29) quer zur Strömungsrichtung (27) des Fluids angeordnet und mit Öffnungen (29') versehen ist, durch die das Fluid unter Ausübung einer Kraft auf den Film (29) strömt (Fig. 4, 5).

10. Meßwerfcfiufnehraer nnch einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Be*- oohleunigungo- oder Schwingungemeasung, dadurch gekennzeichnet, daß er eine seismische Masse (35) enthält, die bei Beschleunigung des Meßwertaufnehmers eine Dehnung oder Druokbeoufschlagung des piezoelektrischen Filmes (36, 37) bewirkt.

11. Meßwertaufnehmer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die seismische Masse (35) zwischen zwei Streifen (36) und (37) des piezoelektrischen Films angeordnet ist, daß diese Streifen mit Elektroden versehen sind, und die Elektroden des einen Streifens mit den Elektroden .des anderen Streifens, die entgegengesetzte Polarität besitzen, verbunden sind (Fig. 6).

12. Meßwertaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische, mit Elektroden versehene Film (43) in einer Spannvorrichtung (46) gehalten ist (Fig. 7, 8).

13. Meßwertaufnehmer nach Anspruch 12 zur Messung der Geschwindigkeit rasch bewegter Körper, insbesondere in der Ballistik, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertaufnehmer aus mindestens zweien, in definiertem Abstand voneinander

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angeordneten, eine Meßstrecke (48) bildenden Meßelementen (42) besteht, wobei der bewegte Körper (49) direkt oder indirekt, z.B. über von ihm erzeugte Druckwellen (51)» auf die Meßelemente (42) einwirkt (Fig. 9).

14.Meßwertaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am flexiblen piezoelektrischen PiIm (61) beidseitig elektrisch leitende Kontaktschichten (62,63) fest angebracht sind, die ihrerseits an elektrisch isolierenden Trägerschichten (64,65) befestigt sind und daß wenigstens ·" eine der Trägerschichten mit einer selbstklebenden Folie (68) versehen ist (Fig. 12).

15.Meßwertaufnehmer naoh einem der Ansprüche 1 bis 6 und 14 dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Einzelaufnehmer zu einer Einheit integriert sind, wobei am flexiblen piezoelektrischen Film (75) auf einer Seite eine durchgehende elektrisch leitende Kontaktschicht (74) und auf der anderen Seite mehrere voneinander getrennte parallele strelfenförmige elektrisch leitende Koriaktschichten (77) fes+ angebracht ist, bzw, sind, und daß die durchgehende Kontaktschicht (74) einerseits und die streifenfömigen Kontaktschichten (77) andererseits an je einer elektrisch isolierenden Trägerschicht (74 bzw. 78) befestigt sind, und daß die mit der durchgehenden Kontaktsohioht (74) in Verbindung stehende Trägersohioht (73) mit einer selbstklebenden Folie (72) versehen ist (Fig. 14_f15)#

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