DE2925880A1

DE2925880A1 - Piezoelektrischer druckmesswandler

Info

Publication number: DE2925880A1
Application number: DE19792925880
Authority: DE
Inventors: Andreas Ing Grad Hahn; Werner Dr Rother
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1979-06-27
Filing date: 1979-06-27
Publication date: 1981-01-22

Description

Piezoelektrischer Druckmeßwandler
Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Druckmeßwandler zur Messung niedriger Drücke, beispielsweise in Blutgefäßen oder pflanzlichen und tierischen Zellen, mit Hilfe eines durch Druck verformbaren und dabei eine elektrische Spannung erzeugenden piezoelektrischen Körpers.
Bekamt Druckmeßwandler beliebiger Ausführungsform, beispielsweise der in der DE-AS 25 41 944 oder der DE-OS 19 50 317 beschriebenen Art, haben für die obengenannten Anwendungen den Nachteil, daß bei ihrer Anwendung aus einem Blutgefäß oder einer Zelle über eine zur Druckmessung eingeführte Mikrokanule Flüssigkeit in den Druckmeßwandler verdrängt wird, wodurch das Meßergebnis erheblich verfälsch' werden kann. Derartige Meßfehler lassen sich nachträglich mit rechnerischen Mitteln nicht mit der erforderlichen Genauigkeit korrigieren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen piezoelelctri schen Druckmeßwandler1 z. B. der in der DE-OS 19 50 317 beschriebenen Art, so auszubilden, daß bei einer im vorhergehenden beschriebenen Anwendung, der zu messende Druck in einem Blutgefäß oder in einer Zelle, keinen Druckabfall durch ein ausströmendes Medium erfährt.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der piezoelektrische Körper des Druckmeßwfandlers zusätzliche Elektroden aufweist, denen eine seine Verformung aufhebende und mit Hilfe der Meßsparnwng geregelte elektrische Spannung zugeführt ist. Die Anordnung zusätzlicher Elektroden zur Zuführung eines elektrischen Potentials ist an piezoelektri schen Körpern ohne nachteilige Rückwirkungen auf die zum Abgriff einer Mespannung vorgesehenen Elektroden möglich, weil der piezoelektrische Körper einen Isolator darstellt.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, den piezoelektrischen Körper in einen Meßkörper und einen Kompensationskörper zu unterteilen und beide hintereinander anzuordnen. Diese Misführungsform hat fertigungstechnisch den Vorteil, daß auf geeignete handelsübliche Körper für piezoelektrische Druckmeßwandler zurückgegriffen werden kann, wodurch eine Sonderanfertigung und eine umfangreichere Lagerhaltung entfall.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung ist an den mit Elektroden zum Abgriff einer Meßspannung versehenen piezoelektrischen Körper eine bei Meßeinrichtungen ähnlicher Art an sich bekannte und mit einer Kapillare versehenen Druckkammer angebaut, die lösbar mit einem Gehäuse des piezow elektrischen Körpers verbunden sein kann und die einen Füllstutzen und ein ihm zugeordnetes Ventil aufweisen kann.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch vereinfacht dargestellt und nachfolgend beschrieben. Es zeigt: Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen piezoelektrischen Druckmeßwandler mit zusätzlichen Elektroden am piezoelektrischen Körper; Fig. 2 eine der Fig, 2 entsprechende Darstellung für ein anderes Anwendungsbeispiel mit einem unterteilten piezoelektrischen Körper.
In der Fig. 1 ist ein piezoelektrischer Druckmeßwandler 1 gezeigt, bei dem ein stabförmiger piezoelektrischer Körper 2, der bei Druckbeanspruchung in Richtung seiner Längsachse an seinen Elektroden 3 und 4 eine elektrische Spannung erzeugt, in einem einseitig offenen Gehäuse 5 untergebracht ist. Das "offene" Ende des Gehäuses 5 ist mit einer elastischen Membrane 6 überdeckt. mit der die Übertragung eines zu messenden Druckes auf den piezoelektrischen Körper 2 erfolgt. Zu letzterem ist eine Druckkammer 7 vorgesehen, die sich in einer die Membrane 6 übergreifenden und mit dem Gehäuse 5 verschraubten Überwurfmutter 8 befindet. Zur Füllung der Druckkammer 7 mit einem flüssigen Mittel zur Druckübertragung ist diese mit einem Einfüllstutzen 9 versehen, in dem sich ein Absperrventil 10 befindet. Ferner ist an die Druckkammer 7 eine Kapillare 11 angeschlossen, die in Gefäße oder Zellen einführbar ist, deren Innendruck zu messen ist. Der in der Kapillare li anstehende Druck wird mit Hilfe des flüssigen Druckübertragungsmittels 12 der elastischen Membrane 6 mitgeteilt und führt zu einer Ausbeulung der Membrane 6 in Richtung des piezoelektrischen Körpers 2, wobei an dessen Elektroden 3 und 4 piezoelektrische Spannungen auftreten, die in bekannter Weise, z. B. mit Hilfe eines gegebenenfalls mit einem Verstärker 13 versehenen Anzeigeinstrurnentes 15 meßbar sind, das an den Elektroden 3 angeschlossen ist. Die dabei durch die Ausbeulung der Membrane 6 hervorgerufene Volumenvergrößerung der Druckkammer 7 führt zu einem Druckabfall in einem mit der Kapillare il verbundenem Gefäß, woraus ein verfälschtes Meßergebnis resultiert, das mit mechanischen oder rechnerischen Mitteln nicht mit der erforderlichen Genauigkeit korrigierbar ist.
Zur Behebung dieses ~.4angels sind die weiteren Elektroden 4 am piezoelektrischen Körper 2 vorgesehen, denen über Regelspannungsleitungen 16 eine am Anzeigeinstrument 14 bzw. an dem ihm zugeordneten Verstärker 13 abgegriffene Spannung zugeführt ist. Im Bedarfsfalle kann dabei in der Regelspannungsleitung 16 ein weiterer Verstärker 15 mit geeigneter Regelcharakteristik angeordnet sein. Die an den weiteren Elektroden 4 anstehende elektrische Spannung bewirkt dabei eine Kompensation der mittels der Membrane 6 hervorgerufenen Verkürzung des piezoelektrischen Körpers 2, wodurch auch das Volumen der Druckkammer 7 konstant bleibt und somit der tatsächliche Druck in einem Gefäß oder in einer Zelle ohne nachteiligen Druckabfall meßbar ist. Für den piezoelektrischen Körper 2 eignen sich nahezu beliebige piezoelektrische Stoffe, z. B bekannte kristalline Substanzen, wie Rochelle-Salz oder die in letzter Zeit vorherrschenden piezoelektrischen Keramikmaterialien.
Anstelle stabförmiger und in Richtung ihrer Längsachse auf Druck beanspruchter piezoelektrischer Körper ist eine ana loge Anwendung der beschriebenen Einrichtung auch für andere, beispielsweise auf Biegung beanspruchte piezoelektrisck.e Körpcr gegeben.
Das weitere in der Fig. 2 gezeigte Ausführungsbeispiel für einen anderen piezoelektrischen Druckmeßwandler 20 unterscheidet sich vom vorgehenden vornehmlich dadurch, daß der piezoelektrische Körper 2 in zwei einzelne Körper 21 und 2 unterteilt ist. In der Fig. 2 ohne Bezugszeichen versehene Einzelheiten entsprechen denen der Fig. 1. Eine gleichartige Einrichtung ist aus der in der Fig. 1 gezeigten Anordnung dadurch erhältlich, daß der piezoelektrische Körper 2 in der Mitte seiner Länge durchtrennt wird und an der Trennstelle ein piezoelektrisch neutrales Material eingefügt wird.
Abweichend von der in der Fig. 1 gezeigten Anordnung der Elektroden 3 und 4 an den Flanken des piezoelektrischen Körpers 2 sind die Elektroden 23 bis 25 beim Ausführungsbeispiel nach der Fig. 2 an den Stirnflächen des in Teilstücke 21 und 22 unterteilten Körpers angeordnet. Wie im vorher beschriebenen Beispiel dienen dabei die Elektroden 23 und 24 zur Gewinnung einer Meßspannung und die Elektroden 24 und 25 zur Zuführung einer Kompensationsspaiinung, welche die bei einer Messung auftretende Verkürzung der beiden piezoelektrischen Körper 21 ud 22 aufhebt. Das Anwendungsbeispiel nach der Fig. 2 ist sowohl mit geometrisch und/oder elektrisch gleichartigen als auch voneinander abweichenden piezoelektrischen Körpern gleichen oder unterschiedlichen Materials realisierbar, Da eine galvan4scbe Entkopplung der beiden Verstärker 14 bzw. 15 ohne Schwierigkeiten erreichbar ist, kann die gemeinsame Elektrode 24 den beiden piezoelektrischen Körpern 21 und 22 zugeordnet werden, woraus durch Wegfall einer Versorgungsleitung eine weitere bauliche Vereinfachung resultiert. Ergänzend gelten die Ausführungen zu Fig. 1.
Bei der Anwendung der beschriebenen Druckmeßwandler ist durch die Druckkompensation einer Verstopfung der Kapillare vorgr beengt, die bei bekannten Geräten beispielsweise durch Blut erfolgen kann, das in die Kapillare eindringt und dort gerinnt. Weil die Kapillare im wesentlichen nur von einem dünnflL:5sigen Druckübertragungsmittel gefüllt ist, kann in vielen Anwendungsfällen in vorteilhafter Weise auf dünnere Kapillar röhrchen zurückgegriffen werden als bei Druckmeßwandlern, deren Kapillare bei der Druckmessung durch ein relativ zäh flüssiges Medium des Meßobjektes gefüllt wird.
Leerseite

Claims

Piezoelektrischer Druckmeßwandler Patentansprüche 1. ~\Piezoelektrischer Druckmeßwandler zur messung niedriger Drücke, beispielsweise in Blutgefäßen oder pflanzlichen und tierischen Zellen mit Hilfe eines piezoelektrischen Körpers, der mit Elektroden zum Abgriff einer dem ausgeübten Druck und seiner daraus resultierenden Verformung proportionalen Meßspannung versehen ist, dadurch g e -k e n n 7 e i c h n e t , da der piezoelektrische Rörper (2) zusätzliche Elektroden (4 bzw. 24 und 25) aufweist, denen eine seine Verformung kompensierende und mit Hilfe der Meßspannung geregelte elektrische Spannung zugeführt ist.
2. Piezoelektrischer DruckmeE-randler nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i. c h n e t , daß sein piezoelektrischer Körper (2) in einen mit Elektroden (23 und 24! für die Meßspannung versehenen Meßkörper (21) und einen dahinter angeordneten und mit elektroden (2i und 25) versehenen Y#ompensatiorskörper (22) unterteilt ist, dem eine Kompensationsspannung zugeführt ist.
3. Piezoelektrischer Druckmeßwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß an den mit Elektroden (3 bzw. 23 und 24) zum Abgriff einer Meßspan nung versehenen piezoelektrischen Körper (2 bzw. 21) eine mit einer Kapillare (ii) versehene Druckkammer (7) angebaut ist.
4. Piezoelektrischer Druckmeßwandler nach Anspruch 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Druckkammer (7) lösbar mit dem Gehäuse (5) des piezoelektrischen Körpers (2 bzw. 21) verbunden ist.
5. Piezoelektrischer Druckmeßwandler nach Anspruch 41 dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Druckkammer (7) mit einem Absperrventil (10) und einem Füllstutzen (9) versehen ist.