DE2832762A1

DE2832762A1 - Beschleunigungsaufnehmer

Info

Publication number: DE2832762A1
Application number: DE19782832762
Authority: DE
Inventors: Reto Dipl Chem Calderara; Hanspeter Daehler; Werner Guth; Peter Wolfer
Original assignee: Kistler Instrumente AG
Current assignee: Kistler Instrumente AG
Priority date: 1977-10-25
Filing date: 1978-07-26
Publication date: 1979-04-26
Also published as: DK156151B; DE2832762C2; AT383425B; ATA703378A; GB2006962A; CH619541A5; DK382478A; GB2006962B; US4326143A; DK156151C

Description

I-

Anmelder:

Kistler Instrumente AG Eulachstraße 22 CH-8408 Winterthur

Stuttgart, den 24. Juli 1978 P 3579 St

Vertreter:

Kohler-Schwindling-Späth Pat ent anwä11 e Hohentwielstraße 7000 Stuttgart 1

Be schleunigungs aufnehmer

Die Erfindung betrifft einen Messwertaufnehmer, der zur Messung von Beschleunigungen dient.

Es handelt sich um einen mechanisch-elektrischen Wandler

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in Form eines kleinen Gerätes, das an das zu prüfende Objekt befestigt wird und all dessen Bewegungen mitmacht und das mit einer Registriereinrichtung elektrisch verbunden ist und das, entsprechend der momentanen Beschleunigung skomponente in einer bestimmten Richtung, ein linear abhängiges Signal der Registriereinrichtung übermittelt. Diese Beschleunigungsaufnehmer werden meistens zur Aufzeichnung von Vibrationen an Maschinen, Apparaten, Gebäudeteilen, Fahrzeugen oder im Untergrund eingesetzt. Der Grund zu dieser Registrierung von Vibrationen kann sein, dass man die Form und Amplitude der Vibrationen studieren will, um die Ursache auszuschalten oder dass man nur eine Ueberwachung durchführen will, um allzu grosse Belästigungen oder Gefahren auszuschalten oder auch,wie z.B. das Schleifen von Oberflächen, vor Beeinträchtigungen durch zu grosse Vibrationen zu bewahren. Beschleunigungsaufnehmer werden sehr oft auch zur allgemeinen Schwingungsüberwachung und Messung verwendet, auch dann, wenn man an der Beschleunigung selbst gar nicht besonders interessiert ist. Andere kennzeichnende Grossen einer Vibration wie Schwingschnelle und Schwingamplitude, können aus dem Beschleunigungssignal durch elektrische Integration ohne grossen Aufwand er-

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mittelt werden. Es gibt allerdings auch Messwertaufnehmer, die direkt die Schwingschnelle .oder den Schwingweg einer Vibration aufzunehmen imstande sind. Diese enthalten aber bewegte Teile, die sich mit der Zeit abnutzen und sind auch dimensional wesentlich grosser als die Beschleunigungsaufnehmer, die keine bewegten Teile enthalten und als zuverlässiger gelten. Der piezoelektrische Beschleunigungsaufnehmer besteht im Prinzip aus einer massiven Grundplatte mit einer Befestigungsvorrichtung,' meistens einem Schraubenbolzen, der es erlaubt, diese Grundplatte an dem zu prüfenden Objekt festzuschrauben. Auf der Grundplatte befindet sich eine seismische Masse, die auf einem piezoelektrischen Element gelagert ist. Die seismische Masse und das Piezoelement sind meistens in einem Gehäuse, das auf der Grundplatte befestigt ist, das mit dem eigentlichen Messvorgang nichts zu tun hat. Beim Vorhandensein von Vibrationen muss die seismische Masse hin und her belchleunigt werden, wozu Kräfte notwendig sind. Die Kräfte werden über das piezoelektrische Element und der Grundplatte auf die seismische Masse übertragen. Die Kompressionen und Dilatationen des piezoelektrischen Elementes erzeugen piezoelektrische Ladungen, die elektrisch abgeleitet und zu einer Verstärkervor-

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richtung geführt werden. Das Prinzip ist nicht neu und ist vielfach beschrieben. Es sei hier das einschlägige Fachbuch "Einführung in die piezoelektrische Messtechnik" von Werner Gohlke, Leipzig, 1959, zitiert. Es existieren unzählige Veröffentlichungen über piezoelektrische Beschleunigungsaufnehmer, die sehr viele Abwandlungen und Anpassungen beschreiben. Am Grundprinzip selbst hat sich jedoch nichts geändert, jedoch der Aufbau ist mehr oder weniger zweckmässig oder aufwendig.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine neuartige Konstruktion eines Beschleunigungsaufnehmers, die sich durch besondere Einfachheit und Zweckmässigkeit auszeichnet.

Der Gegenstand der Erfindung soll anhand von 2 Figuren dargestellt werden.

Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemässen Beschleunigungsaufnehmer mit piezoelektrischem Schubelement im Schnitt

Fig. 2 zeigt einen erfindungsgemässen Beschleuni-. gungsaufnehmer mit piezoelektrischem Kompressionselement im Schnitt

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Nach Fig. 1 bedeutet 1 die seismische Masse in Form eines Rohrstückes aus Metall, das z.B. .Wolfram enthält und 2 ein Piezokeramik-Rohrstück/ dessen Aussenmantelflache mit der Inneranantelflache der seismischen Masse durch bekannte Mittel verbunden ist. Zur Verbindung kann man Zweikomponentensilberepoxikleber wählen, der einerseits für eine gute Haftung und andererseits wegen seiner Leitfähigkeit für eine gute Ladungsabnähme sorgt. Der Piezokeramikteil 2 ist seinerseits wiederum auf das' als Lagerelement ausgebildete Keramikrohrstück 4, z.B. ebenfalls mit Leiterepoxi 5 aufgeklebt. Die Klebverbindungen 3 und 5 könnte man an und für sich vermeiden und z.B. durch eine Aufschrumpfung oder Aufpressung ersetzen, so dass die Haftung der Stücke 1, 2 und 4 aufeinander nur durch Reibung erreicht wird. Dann wäre jedoch eine Vorspannung notwendig, welche die Polarisation der Piezokeramik 2 beeinflussen könnte, so dass dieses Element Pyroeffekte zeigen würde, die man vermeiden will. Ausserdem müsste man mit einer Veränderung der Vorspannung durch die Temperatur rechneri, Wjas indirekt ebenfalls einen Pyroeffekt hervorrufen würde. Die seismische Masse 1 aus z.B. Metall und die Piezokeramik 2 haben beide niedrige

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thermische Ausdehnungs-Koeffizienten. Deshalb muss das Lagerelement 4 ebenfalls aus Keramik mit einem angepasst niedrigen thermischen Ausdehnungs-Koeffizienten hergestellt sein, damit nicht thermische Spannungen zwischen den einzelnen Rohrstücken entstehen, welche die Klebverbindungen 3 und 5 lösen, könnten oder zu unerwünschten indirekten Pyroeffekten Anlass geben könnten. Das Lagerelement 4 bildet mit den übrigen Teilen 1, 2, 3 und 5 eine kompakte Einheit, die lose auf die pilzförmig ausgebildeten Trägerschraube 6 geschoben werden kann. Die Trägerschraube 6 hat einen Pilzkopf 7, der mittels geeigneter Formgebung im Kunststoffgehäuse 8 eingespritzt und fest verankert ist. Zum Gehäuse 8 gehört ein Deckel 9, in den das Kabel 10 vollständig dicht eingespritzt ist. Deckel 9 und Gehäuse 8 werden mit einer Schraube 11, die in die Distanzmutter 12 eingeschraubt wird, verbunden und mit Dichtung 13 abgedichtet. Die Distanzmutter 12 ist auf den Gewindeteil 14 der Trägerschraube 6 so augeschraubt, dass gleichzeitig die Leiterplatte 15 auf die Anschlagfläche 16 gespannt wird. Die seismische Masse 1 erzeugt im Piezoelement 2 Schubspannungen in zylindrischen Schnittebenen senkrecht zum Radius, die in den Elektroden 3 und piezoelektrische Ladungen erzeugen. Die ® Ladungen der

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Elektrode 5 werden auf die seismische Masse 1 abgeleitet und von da über die Drahtverbindung 17 zu der elektronischen Schaltung auf der Leiterplatte 15 geleitet. Die 0 Ladungen der Innenelektrode 3 f Hessen über die Zylinderoberfläche des Keramikrohres 4 bis zur metallisierten Stirnfläche 18, die durch Isolierkonus abgeschlossen ist. Von dort treten die Q Ladungen nach bekannten Mitteln auf die Schaltung der Leiterplatte über. Auf der Leiterplatte 15 befinden sich die elektrischen Komponenten eines Vorverstärkers, z.B. ein Junctionfet-Transistor 20, ein Widerstand 21, eine Anschlusslasche 22, die z.B. zum Anschluss des Innenleiters des Kabels 10 dient. Im Gehäuse 8 sind als Beispiel 2 Haftmagneteinheiten, bestehend aus der Weicheisenhülse 23, der Vergussmasse 24 und der Magnetscheibe 25 eingepresst. Die Teile 23, 24 und 25 sind vor dem Einspritzen in das Gehäuse hergestellt und geprüft worden. Als Material für die Scheibenmagnete 25 dienen zweckmässigerweise Legierungen aus Eisen, Nickel, Kobalt und seltene Erden, so dass sie trotz kleinen Dimensionen der Scheibe 25 eine genügende Haftfestigkeit ergeben. Zweckmässigerweise spritzt man 2 Magnete 30 ira Gehäuse ein, so dass deren Haftflachen gegen-

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einander einen Winkel von 90 Grad bilden. Wenn die Unwuchtbewegungen der zu untersuchenden Maschine in einer Ebene liegt, die senkrecht zur Schraubenachse 6 liegt/ erscheint keine Beschleunigung in Achsrichtung und ein derart plazierter Beschleunigungsaufnehmer nimmt kein Signal auf. Wenn man dann den Aufnehmer mit dem anderen um 90 Grad gedrehten Magneten aufsetzt, erhält man die volle Beschleunigung in Achsrichtung, so dass mit zwei solchen Magneten immer eine Stellung zu finden' ist, in der der Beschleunigungsaufnehmer ein Signal abgibt. Das Plastikgehäuse 8 und der Deckel 9 sind mit einer Innenabschirmung 26, die den ganzen Innenraum des Gehäuses überdeckt, ausgestattet. Die Abschirmung dient dazu, dass elektrische Felder nicht störende Ladungen im Messystem, insbesondere am Eingang des Verstärkers, von aussen her, influenzieren können. Die Abschirmschicht kann Zweikomponentensilberepoxikleber sein, der schon erwähnt wurde. Es eignen sich jedoch auch Einkomponentenleitfarben auf Silber- oder auch Kohlebasis. Zweikomponentensilberepoxis eignen sich deshalb besonders, weil der Uebergang der Kabelabschirmung 27 zur Abschirmschicht 26 mühelos elektrisch leitend hergestellt werden kann,

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was mit einer einfachen Klebestelle ermöglicht wird. Die Verbindung von Deckel 9 und Gehäuse 8 muss in der Weise erfolgen, dass die Innenabschirmung sich lückenlos überdecken und miteinander Kontakt machen. Es ist aber auch möglich, den Abschlussdeckel 9 aus Metall herzustellen, wodurch eine zusätzliche Metallisierung entfällt. Von Bedeutung ist nur, dass das Gehäuse 8 aus Kunststoff besteht, da nur dieser Bauteil auf das Messobjekt montiert ist und damit in mögliche Störpotentiäle eingeschaltet ist. Das Kunststoffgehäuse ergibt aber eine vollständige Trennung der hochempfindlichen Messteile von der Aussenwelt.

In Fig. 2 ist eine erfindungsgemässe Variante von Fig. 1 gezeigt. Die plattenförmige seismische Masse 51 aus Metall wird unter mechanischer Vorspannung auf das piezoelektrische Element 52 gepresst, das aus einer oder mehreren Lochplatten bestehen kann. Die Platten sind nach bekannter Art geschichtet und mit Elektroden 5 3 versehen. Auf der Trägerschraube 56 ist ein isolierendes Röhrchen z.B. aus Teflon aufgeschoben, welche alle Teile zentriert

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und von der Abschirmung G6 isoliert. Die Grundplatte 55 besteht aus Keramik, die an den entsprechenden Stellen mit einer Leitschicht 58 versehen ist. Die Signalleitung 57 ist direkt auf diese Leitschicht aufgebracht und verbindet diese mit dem Verstärker auf Platine 59. Die gegengepolte Ladung wird über die Metallmasse 51 direkt zum Verstärker auf Platine 59 über Durchbruch 60 geleitet. Alle übrigen Teile entsprechen Fig. 1.

Anstelle von aufgespritzten Leitbelägen innerhalb des Kunststoffgehäuses können auch galvanisch aufgebrachte, aufgedampfte oder aufgesputterte Metallbeläge verwendet werden.

Die Erfindung bezweckt einen hochwertigen Beschleunigungsaufnehmer auf wirtschaftliche Weise herzustellen. Das Kunststoffgehäuse ermöglicht zusammen mit den eingebauten Haftmagneten einfache Montage und vollständige elektrische Trennung vom Messobjekt. Die Innenmetallisierung der Kunststoffoberflächen ergibt zusätzlich eine vollständige Abschirmung gegen jede Brummeinstreuung von aussen.

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HVs

Die Anordnung der Trägerschraube, fest im Kunststoffgehäuse verankert, ermöglicht eine einfache und zuverlässige Montage und Halterung des Sensorelementes, ferner eine zuverlässige Halterung der Verstärkerplatine, auf welcher die Verbindungen zum Sensorelement auf einfache Weise hergestellt werden können und schliesslich eine einfache Lösung des Dichtungs- und Halterungsproblems der Deckel- und Anschlusskabelkombination.

Die Erfindung erreicht mit einfachen Mitteln eine Mehrzahl von Zwecken, was Grundlage einer wirtschaftlichen Lösung ist.

Der Beschleunigungsaufnehmer kann natürlich auch ohne Haftmagnete z.B. durch eine Flanschanordnung des Gehäuses oder durch Montageschrauben fest mit dem zu messenden Maschinenteil verbunden werden.

Anstelle eine piezoelektrischen kann aber auch ein piezoresistives, ein auf DMS induktiver oder kapazitiver Basis aufgebautes Messelement eingebaut sein, das mit

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der gleichen Trägerschraubenkonstruktion im Kunststoffgehäuse untergebracht ist.

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Claims

Patentansprüche

1. Schwingungs- und Beschleunigungsaufnehmer, bestehend aus einer Masse-Sensoranordnung mit elektronischem Verstärker, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse-Sensoranordnung koaxial um eine pilzförmig ausgebildete Trägerschraube (6 + 56) angeordnet ist, die in einem Kunststoffgehäuse (8) verankert ist und sowohl die Sensoranordnung, die Verstärkeranordnung, wie auch die Abschlußdeckelanordnung zu einer Einheit haltert, distanziert und verspannt, und daß ferner die Innenfläche des Kunststoffgehäuses mit einer Leitschicht (26, 66) versehen ist, die mit der Abschirmung des Kabels (27) verbunden ist.

2. Schwingungs- und Beschleunigungsaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse-Sensoranordnung aus einem piezoelektrischen Schubelement mit einer rohrförmigen Masse (1), einem rohrförmigen Piezoelement (2) und einem rohrförmigen Lagerelement (4) aus elektrisch isolierendem Material besteht, wobei ein Teil der Rohroberfläche und ein Teil (18) einer Stirnfläche als Signalübertragungsmittel zur Platine (15) des Verstärkers dient.

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3. Schwingungs- und Beschleunigungsaufnehmer nach Anspruc' 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse-Sensoranordnung aus einem koaxial um die Trägerschraube (56) angeordneten piezoelektrischen Kompressionselement, "bestehend aus Metallmasse (5Ό> Piezoplatten (52), Elektroden (53) und Grundplatte (55), die durch ein Isolierröhrchen (5^) zentriert und durch Mutter (62) vorgespannt sind, wobei entsprechende Mittel (57» 60) vorgesehen sind, die Signale direkt zur Verstärkerplatte (59) zu übertragen.

4-. Schwingungs- und Beschleunigungsaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß mit einer Distanzmutter (12, 62) sowohl die Verstärkerplatine (15» 59) gegen ihre Auflage (16), wie auch das Lagerelement (4, 55) gegen den pilzförmigen Kopf (7) der Trägersehraube (6_t 56) verspannt ist, und daß ferner der Gehäusedeckel (9), der aus Kunststoff oder Metall sein kann, gegen seine Dichtfläche (13) und auf die Distanzmutter (12) gespannt ist.

5· Schwingungs- und Beschleunigungsaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Kunststoffgehäuse (8) ein Haftmagnet (30) eingebaut iat, der vorgelagert und elektrisch isoliert vom pilzförmigen Teil (7) der Trägerschraube (6) angeordnet ist und senkrecht vor ihr steht

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6. Schwingungs- und Beschleunigungsaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Haftmagnet fest im Kunststoffgehäuse in einer um 90° geneigten Ebene angeordnet ist.

7· Schwingungs- und Beschleunigungsaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Haftmagnet (30) aus einem deckeiförmigen Metallgehäuse (23), aus einem scheibenförmigen Dauermagneten (25) und einer ringförmigen Ausgußmasse (24-) besteht.

8. Schwingungs- und Beschleunigungsauf nehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Deckel (9) mit integralem eingespritztem Kabelanschluß (10) ausgerüstet ist.

9· Schwingungs- und Beschleunigungsaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 und 3-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse-Sensoranordnung aus einem koaxial angeordneten, mit Dehnmeßstreifen ausgerüsteten Sensorkörper besteht.

10. Schwingungs- und Beschleunigungsaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 und 3-7» dadurch gekennzeichnet, daß die Masse-Sensoranordnung aus einem koaxial angeordneten piezoresistiven Sensorkörper besteht.

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