DE3034390C2

DE3034390C2 - Piezoelektrisches Schwingelement

Info

Publication number: DE3034390C2
Application number: DE3034390A
Authority: DE
Inventors: Siegfried 5177 Titz Berger; Karl-Heinz Dipl.-Phys. 5170 Jülich Besocke
Original assignee: Kernforschungsanlage Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1980-09-12
Filing date: 1980-09-12
Publication date: 1985-11-21
Also published as: DE3034390A1; BE890329A; JPS5782756A; JPH0241703B2; GB2083917A; US4409509A; FR2490348B1; FR2490348A1; GB2083917B

Abstract

Die Dichtungsrahmen für alternierend angeordnete Anionen- und Kationen-Austauschermembranen eines Membranstapels für die Elektrodialyse umschließen einen netzförmigen Abstandshalter für die dort zur Anlage kommenden Membranen. Um bei diesen Rahmen die netzförmigen Abstandshalter sicher in ihrer Lage zu halten, ohne dabei die Dicke der Dichtungsrahmen zu vergrößern, wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, die Ränder (1a) des netzförmigen Abstandshalters (1) auf einen die Dicke des Rahmens (3) unterschreitenden Wert komprimiert in den aus Kunststoff bestehenden Rahmen (3) so einzuformen, daß die Dicke des in der Kammer liegenden nichtkomprimierten Teiles des Abstandshalters (1) im wesentlichen mit der Dicke des mit linienförmigen Dichtungen (10-16) versehenen Dichtrahmens entspricht. Auf diese Weise entstehen sehr dünne Dichtrahmen mit einer Dicke von etwa 1,0 mm, so daß sich der Wirkungsgrad eines Elektrodialyse-Gerätes von vorgegebenem Volumen erheblich vergrößert.

Description

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eine Referenzelektrode und besteht aus einem Material, oder Oberwellen) betrieben. Die Resonanzbedingungen dessen Austrittsarbeit sich während der Messung nicht ändern sich auch dann nicht, wenn die Impedanz des verändern soD, beispielsweise aus Gold. Die Gegenelek- Schwingelementes durch Anlegen von Spannungen mittrode 2 bildet das Prüfstück. Die Schwingelektrode 1 ist tels der Spannungsquelle 22 geändert wird. Die steueran einem Federelement 3 befestigt, das als Blattfeder an 5 bare Versorgungsspannungsquelle 23 am Operationsseinem anderen Ende von einem piezoelektrischen Ma- verstärker 8 ermöglicht eine kontinuierliche Amplituterial 4 zu transversalen Schwingungen angeregt wird. denvariation.

Statt einer Blattfeder sind auch andere Federelemente, Das von der Kontaktpotentialdifferenz zwischen

insbesondere Longitudinalschwinger verwendbar. Das Schwingelektrode 1 und Gegenelektrode 2 bestimmte Federelement 3 ist aus Molybdän gefertigt io Meßsignal wird über einen elektrischen Leiter 30 einem

Das mit dem Federelement 3 verbundene piezoelek- phasenempfindlichen Verstärker 31 zugeführt, der vom trische Material 4, eine 0,1 mm starke Piezokeramikfo- Erregerkreis über eine Signalleitung 32 mit einem Phalie, ist beidseitig mit einer Metallschicht überzogen und senreferenzsignal synchronisiert wird. Vom phasenempweist für den Anschluß elektrischer Leiter Pole 5,6 auf. findlichen Verstärker 31 wird das Meßsignal einer Si-AIs temperatur- und ultrahochvakuumbeständige Pie- 15 gnalverarbeitung 33 zugeführt, die mit einem Regizokeramik wurde eine aus Blei-Zirkonat und -Titanat striergerät 34 zur Aufzeichnung des Meßsignals verbunbestehende Piez okeramikf olie verwendet den ist.

Am Pol 5 des piezoelektrischen Materials ist über Für einen automatischen Nullabgleich weist die Sieinen elektrischen Leiter 7 ein das piezoelektrische Ma- gnalverarbeitung 33 einen Anschluß für eine Rückführtarial 4 antreibender Erregerkreis angeschlossen. Der 20 leitung 35 auf, die über eine Spann'ingsquelle 36 an das Erregerkreis besteht aus einem Operationsverstärker 8, Basispotential 19 führt. Die Spannungsquelle 36 dient einem Gegenkoppelkreis 9 mit Widerständen 10,11 und zur Kompensation und Simulation von Kontaktpotentiparallelgeschaltetem Kondensator 12 sowie einem aldifferenzen und zu Eichzwecken. Rückkoppelkreis 13 mit Widerständen 14, 15, wovon Vom Erregerkreis wird unabhängig von Resonanz-

der Widerstand 14 regulierbar ist Der Gegenkoppel- 25 frequenz und Amplitude ein phasenstabiles Referenzsikreis 9 ist zwischen invertierendem Eingang 16 und Aus- gnal abgegeben. Der phasenempfindliche Verstärker gang 17 des Operationsverstärkers 8, der Rückkoppel- braucht auch bei Änderung der Resonanzfrequenz inskreis 13 am nicht invertierenden Eingang 18 angeschlos- besondere infolge einer Temperaturänderung oder Alsen, wobei der Widerstand 14 des Rückkoppelkreises terung des Materials nicht nachjustiert zu werden.

am Basispotential 19, der Widerstand 13 am Ausgang 17 30

des Operationsverstärkers 8 anliegt Der mit Pol 5 des Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

piezoelektrischen Materials 4 verbundene elektrische

Leiter 7 ist über einen Kondensator 20 am invertierenden Eingang 16 des Operationsverstärkers 8 angeschlossen, der Pol 6 des piezoelektrischen Materials 4 35
liegt über Leiter 21 am Basispoter.tial 19 an.

Die Widerstandswerte der Widerstände 10,11,14 und
15 sowie die Kapazitäten der Kondensatoren 12 und 20
werden so gewählt, daß unter Berücksichtigung der
elektrischen Größen des piezoelektrischen Schwingele- 40
mentes optimale Impedanz-Bedingungen für den Erregerkreis gegeben sind. Der Rückkopplungsgrad des Erregerkreises wird mit Widerstand 14 eingestellt.

Mit beiden Polen 5,6 ist eine steuerbare Spannungsquelle 22 verbunden, mittels der der vom Erregerkreis 45
erzeugten Erregerspannung eine Spannung zur Einstellung des mittleren Abstandes zwischen Schwingelektrode 1 und Gegenelektrode 2 überlagerbar ist. Im Ausführungsbeispiel wird eine steuerbare Gleichspannungsquelle verwendet, die manuell einstellbar ist. Statt des- 50
sen läßt sich jedoch beispielsweise auch ein selbsttätig

=1 wirkender Regelkreis zur automatischen Abstandsrege-

P lung oder ein Wechselspannungsgenerator zur Doppelmodulation für das Schwingelement einsetzen.

Der Operationsverstärker 8 wird von einer steuerba- 55

ren Versorgungsspannungsquelle 23 gespeis*. Eine Änderung der Versorgungsspannung bewirkt eine Amplitudenvariation. Die Versorgungsspannungsquelle ist
über Leiter 24,25 mit dem Operationsverstärker 8 verbunden. Jeder der Leiter 24, 25 ist am Spannungsteiler- 60
ausgang von Potentiometern 26, 27 angeschlossen, die
ihrerseits mit Spannungsquellen 28, 29 in Verbindung

Ϊ stehen.

Das piezoelektrische Schwingelement wird mit dieser
Erregerkreisschaltung selbsttätig auch bei Änderung 65
der elastischen Eigenschaften des Schwingelementes
beispielsweise durch Temperaturänderungen oder Alterung des Materials in Eigenresonanz (Grundfrequenz

Claims

1 2 befindet sich zum Einstellen des mittleren Abstandes Patentansprüche: der gegeneinander beweglichen Elektroden eine Gleichspannungsquelle, die eine Spannung liefert, die

1. Piezoelektrisches Schwingelement zur Messung der Wechselspannung zur Erregung des piezoelektrivon Kontaktpotentialen zwischen relativ zueinander 5 sehen Materials überlagert wird. Nachteilig ist, daß eine beweglichen Elektroden und von Elektronenaus- Erregung des Schwingelementes in Resonanzfrequenz trittsarbeiten von Oberflächen oder Grenzflächen, durch Abstimmen des Sinuswellengenerators sehr gebei dem eine von einem mittels einer Erregerspan- nau eingestellt werden muß. Darüber hinaus ist bei einer nung erregten piezoelektrischen Material angetrie- Änderung der Resonanzfrequenz beispielsweise bei bene Schwingelektrode von einem am piezoelektri- io Temperaturschwankungen oder bei Alterung des Mateschen Material befestigten Federelement gehalten rials des Schwingelementes die Frequenz des Sinuswelist und bei dem der Erregerspannung eine steuerba- lengenerators nachzuregeln und der Phasenabgleich re Spannung zur Variation des mittleren Elektroden- neu vorzunehmen.

abstandes überlagert ist, dadurch gekenn- In Selbsterregung arbeitende Erregerkreise sind be-

zeichnet, daß einer der Pole (5) des piezoelektri- 15 kannt So werden beispielsweise im Telefunken-Labor-

schen Materials (4) über einen Kondensator (20) mit buch Bd. 3, 1. Ausgabe 1964, S. 267 ff. Quarzoszillator-

einem in Selbsterregung arbeitenden Frregerkreis schaltungen beschrieben. Dabei handelt es sich um

(8,9,13) verbunden ist, der einen zwischen invertie- Schwingkreise für homogene Oszillatoren. Beim An-

rendem Eingang (16) eines Operationsverstärkers (8) trieb für ein piezoelektrisches Schwingelement gilt es,

und dessen Ausgang (17) anliegenden Gegenkopp- 20 dem Charakter eines nichthomogenen Oszillators Rech-

Iungskreis (9) und einem zwischen nicht invertieren- nung zu tragen.

dem Eingang (18) und Ausgang (17) anliegenden Aufgabe der Erfindung ist es, einen einfachen und Rückkoppelkreis (13) aufweist, wobei der mit dem selbstregelnden Antrieb für das piezoelektrische Erregerkreis verbundene Pol (5) des piezoelektri- Schwingelement zur Anregung und zum Betrieb des sehen Materials (4) über den Kondensator (20) am 25 Schwingelementes in Resonanzfrequenzen zu schaffen, invertierenden Eingang (16) des Operationsverstär- wobei die zu ermittelnden Meßgrößen störungsfrei bekers (8) angeschlossen ist, und daß der andere Pol (6) stimmbar sein sollen. Darüber hinaus soll die Einstellung des piezoelektrischen Materials (4) am Basispotenti- des mittleren Abstandes zwischen den sich gegeneinanal (19) des Erregerkreises (8, 9, 13) anliegt, wobei der bewegenden Elektroden von der Erregung des parallel zu den Polen (5, 6) des piezoelektrischen 30 Schwingelementes entkoppelt sein. Auch wird eine unMaterials (4) eine die Variation des mittleren Elek- abhängige Handhabung der einzelnen Regelgrößen antrodenabstandes bewirkende steuerbare Span- gestrebt.

nungsquelle (22) angeschlossen ist und der Erreger- Diese Aufgabe wird bei einem piezoelektrischen

kreis (8, 9,13) einen Steuerkreis (26, 27, 28, 29) zur Schwingelement der eingangs erwähnten Art gemäß

Amplitudenvariation aufweist. 35 der Erfindung durch die in Patentanspruch 1 angegebe-

2. Piezoelektrisches Schwingelement nach An- nen Merkmale gelöst. Es wird eine Selbsterregung des spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Opera- Schwingelementes in Resonanzfrequenzen unabhängig tionsverstärker (8) eine steuerbare Versorgungs- von der der Erregerspannung überlagerten weiteren spannung anliegt. Spannung erreicht und die gewünschte Resonanzfre-

40 quenz (Grundfrequenz oder Oberwellen) selbsttätig

eingestellt, wobei der Erregerkreis aus einem Operationsverstärker mit einem am invertierenden Eingang angeschlossenen Gegenkoppelkreis und einem am nicht

Die Erfindung bezieht sich auf ein piezoelektrisches invertierenden Eingang angeschlossenen Rückkoppel-Schwingelement zur Messung von Kontaktpotentialen 45 kreis besteht. Der mit dem Schwingkreis verbundene zwischen relativ zueinander beweglichen Elektroden Pol des piezoelektrischen Materials ist über den Kon- und von Elektrodenaustrittsarbeiten von Oberflächen densator mit dem invertierenden Eingang des Opera- oder Grenzflächen, bei dem eine von einem mittels einer tionsverstärkers verbunden.

Erregerspannung erregten piezoelektrischen Material Um eine kontinuierliche Amplitudenveränderung des

angetriebene Schwingelektrode von einem am piezo- 50 Schwingelementes durchführen zu können, liegt am

elektrischen Material befestigten Federelement gehal- Operationsverstärker eine steuerbare Versorgungs-

ten ist und bei dem der Erregerspannung eine steuerba- spannung an (Patentanspruch 2). Die Amplitude läßt

re Spannung zur Variation des mittleren Elektrodenab- sich somit in gleicher Weise wie der mittlere Abstand

Standes überlagert ist. der gegeneinander schwingenden Elektroden des

Ein piezoelektrisches Schwingelement dieser Art ist 55 Schwingelementes ohne wesentlichen Einfluß auf die

»us DE-PS 26 13 528 bekannt. Das Schwingelement ist Schwingeigenschaftendes Erregerkreiseseinsteilen,

als »Kelvinsonde« zur Bestimmung von Elektrodenaus- In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Er-

trittsarbeit aus Materialgrenzflächen beschrieben. Die findung schematisch dargestellt. Es zeigt im einzelnen

Elektrodenaustrittsarbeit ist für die Beurteilung von F i g. 1 Blockdiagramm für die Funktion eines als KeI-

Oberflächeneigenschaften der Materialien von Bedeu- 60 vinsonde verwendeten piezoelektrischen Schwingele-

tung. Über die Verwendung als Kelvinsonde hinaus läßt mentes;

sich das Schwingelement beispielsweise auch zur Modu- F i g.

2 Schaltbild eines Erregerkreises mit Abstands-

lation der optischen Durchlässigkeit eines Strahlengan- und Amplitudenregelung,

ges einsetzen. Wie die Zeichnung zeigt, weist das piezoelektrische

Beim bekannten Schwingelement ist zur Erregung 65 Schwingelement eine Schwingelektrode 1 und eine Ge-

des piezoelektrischen Materials ein Schaltkreis mit genelektrode 2 auf, die im Ausführungsbeispiel ortsfest

Transformator vorgesehen, dem als Wechselspannungs- angeordnet ist Für die Verwendung des Schwingele-

quelle ein Sinuswellengenerator dient. Im Schaltkreis mentes als »Kelvinsonde« bildet die Schwingelektrode 1