DE3039624A1

DE3039624A1 - Druckempfindlicher wandler

Info

Publication number: DE3039624A1
Application number: DE19803039624
Authority: DE
Inventors: Augustus Henry Redding Conn. Fiske jun.
Original assignee: Bolt Associates Inc 06854 Norwalk Conn; Bolt Associates Inc
Current assignee: Teledyne Bolt Inc
Priority date: 1979-10-24
Filing date: 1980-10-21
Publication date: 1981-05-21
Also published as: CA1145841A; FR2468112A1; US4286687A; NO803075L; NO154851B; JPS5666778A; NO154851C; GB2068559A; DE3039624C2; FR2468112B1; GB2068559B

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine druckempfindliche Wandlereinrichtung nach dem Gattungsbegriff des Anspruches 1. Sie findet Anwendung bei der Erfassung der Abfeuerung einer Luftkanone, wobei derartige Luftkanonen für die Erzeugung von seismischer Energie in einem Medium verwendet werden. Die Feststellung des tatsächlichen AbfeuerungsZeitpunktes einer derartigen Luftkanone ist hierbei von Bedeutung.

Bei der seismischen Überwachung werden Luftkanonen benutzt, um kräftige seismische Energieimpulse zu erzeugen und mit diesen die geologischen Zustände und Formationen in oberflächennahen Schichten der Erde zu untersuchen. Zu diesem Zweck werden eine oder mehrere solcher Luftkanonen jeweils mit Gas unter Druck geladen, wobei üblicherweise komprimierte Luft verwendet wird, die zeitweilig in den Kanonen gespeichert wird. Im gewünschten Abschußmoment werden die Luftkanonen gefeuert und das Gas unter Druck wird momentan in das umgebende Medium freigegeben. Auf diese Weise werden kräftige seismische Energieimpulse erzeugt, die in der Lage sind, tief in das Oberflächenmaterial einzudringen, und die durch die verschiedenen geologischen Schichten und Formationen reflektiert und gebrochen werden. Die reflektierten und gebrochenen Impulse werden erfaßt und aufgezeichnet, um Information und Daten über die geologischen Zustände land Formationen zu erhalten.

In vielen Anwendungsfällen sowohl bei der seismischen Exploration zu Wasser und zu Land hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, mehrere seismische Energieimpulse durch eine Anordnung von Luftkanonen zu erzeugen, um ein zusammengesetztes seismisches Signal mit vorbestimmter Amplitude und Frequenz in einer räumlichen oder ebenen Anordnung zu erhalten. Bei der maritimen

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seismischen Überwachung kann eine Anordnung von Luftkanonen mit verschiedenen Abfeuerungs-Kammervolumen verwendet werden, um ein zusammengesetztes seismisches Signal zu erzeugen, das eine vorbestimmte Frequenzverteilung aufweist, da Luftkanonen mit unterschiedlichen Abfeuerungs-Kammervolumen seismische Energieirapulse mit einem unterschiedlichen Frequenzspektrum erzeugen. In derartigen Anwendungsfällen ebenso wie in jenen Anwendungsfällen, in d.enen Luftkanonen wiederholt abgefeuert oder in Folge abgefeuert werden, ist es wünschenswert, den Zeitpunkt der Auslösung der elektrisch betätigten Steuerventile zu kontrollieren, die benutzt werden, um die Abfeuerung der entsprechenden Luftkanonen auszulösen.

Zur weiteren Information bezüglich der Luftkanonen und der spulenbetätigten Ventile sei auf die US-Patemtschriften 3 249 177, 3 379 273, 3 779 335, 3 588 039, 3 653 460, 3 997 021 und 4 038 630 verwiesen.

In der Vergangenheit wurden Versuche unternommen, den Betätigungszeitpunkt der spulengesteuerten Ventile zu synchronisieren, die die einzelnen Luftkanonen auslösen. Der Zeitpunkt, in dem ein spulenbetätigter Stößel tatsächlich aufgrund eines elektrischen Signales betätigt wird, variiert jedoch bei jedem Ventil und es gibt weitere Variablen, die den AbfeuerungsZeitpunkt einer Luftkanone beeinflussen. Diese weiteren Variablen sind durch den mechanischen Aufbau einer jeden Luftkanone, wie beispielsweise durch veränderliche Toleranzabmessungen, Abnutzung von Teilen, geringfügige Unterschiede in der hin- und hergehenden Masse, einen unterschiedlichen Reibungswiderstand der beweglichen Teile usw. gegeben. Wenn die einzelnen Luftkanonen nicht tatsächlich

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in Übereinstimmung mit der vorausgeplanten präzise, zeitlich abgestimmten Beziehung betrieben werden, so befinden sich die nach unten gesandten seismischen Wellen nicht in Übereinstimmung mit dem vorbestimmten Überwachungsprogramm und es werden J'rgobriisse erhalten, die von den optimalen Ergebnissen abweichen. Wenn beispielsweise das Überwachungsprograinm eine synchrone Abfeuerung aller Luftkanonen erfordert und diese nicht synchron ausgelöst werden, so weisen die nach unten ausgesandten seismischen Wellen eine Fehlausrichtung auf. Eine Fehlausrichtung kann eine Verminderung der Gesamtamplitude der nach unten gesandten seismischen Wellen verursachen oder sie kann die Erzeugung von seismischen Wellen mit unerwünschtem Frequenzspektrum oder beides auslösen, wodurch Daten mit verminderter Durchdringung und Auflösung erhalten werden.

Eine Lösung des Problemes der ungenauen Abfeuerung besteht gemäß der US-Patentschriften 4 034 827 und 4 047 591 in der Erfassung der Bewegung eines gasfreigebenden Verschlusses innerhalb jeder Luftkanone durch magnetische, elektromagnetische oder elektrostatische Feldeffekte, über welche der genaue Augenblick der Abfeuerung einer jeden einzelnen Luftkanone ermittelt wird. Die den entsprechenden spulenbetätigten Ventilen der Luftkanone zugeführten Abfeuerungssignale werden sodann relativ zueinander bei nachfolgenden Abfeuerungen verzögert oder zeitlich vorverlegt, um die entsprechenden Luftkanonen bezüglich der Abfeuerung in geeigneter Weise zu synchronisieren. Die dort beschriebenen Luftkanonen sind modifiziert, um ein Feld, wie beispielsweise ein magnetisches Feld, zu bilden. Die Luftkanonen sind ferner modifiziert, um Veränderungen in diesem Feld, die durch die Bewegung des Verschlusses hervorgerufen werden, feststellen zu können.

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- ίο -

In jedem der vorstehend erwähnten Patente sind mögliche Anordnungen für die Erzeugung eines magnetisehen, elektromagnetischen oder elektrostatischen Feldes und für die Erfassung von Veränderungen in diesen Feldern angegeben. Ein wesentlicher Nachteil der dort vorgeschlagenen Anordnungen besteht darin, daß komplexe Veränderungen der Luftkanone selbst erforderlich sind. Derartige Modifikation einer Luftkanone zur Erfassung von Feldänderungen ist kompliziert und kann nicht durch eine Bedienungsmannschaft vorgenommen werden und sie ist zudem kostspielig, wenn sie bei noch herzustellenden Luftkanonen vorgenommen wird. Ferner ist jede Reparatur durch eine Bedienungsmannschaft an einem in die Luftkanone eingebauten Sensor zeitaufwendig und kostspielig.

In der US-PS 4 210 222 sowie in der älteren US-Patentanmeldung mit der S.N. 917 794, angemeldet am 22. Juni 1978, ist dargestellt und beschrieben, wie und zu welchem Zweck ein Druckwandler vorteilhaft benutzt werden kann, um die Abfeuerung von einzelnen Luftkanonen zu überwachen. Insbesondere beschreibt die erwähnte ältere US-Patentanmeldung ein spulenbetätigtes Ventilgehäuse, bei welchem in einer Hülse eine Druckwandlereinrichtung angeordnet ist. Eine Bohrung, die sich von der Hülse in das Gehäuse erstreckt, steht mit einer Durchführung in Verbindung, die in die Luftkanone führt, um dem Druckwandler Druckänderungen zuzuführen, die in der Luftkanone bei ihrer Abfeuerung auftreten. Die ebene kreisförmige Endfläche des druckempfindlichen Wandlers ist quer bezüglich der Achse der Durchführung angeordnet, die zu der Luftkanone führt. Auf diese Weise wird ein enormer Druckanstieg der ebenen Endfläche des Wandlers zugeführt, wenn die Luftkanone abgefeuert wird.

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Wenn die Luftkanone abgefeuert wird, so treten ferner große axiale Beschleunigungskräfte auf, da die Luftkanone "während der schnellen Beschleunigung des Verschlusses im AbfeuerungDZeitpunkt zui^ückläuft. Demgemäß muß der Wandler großen Beschleunigungskräften widerstehen können, wenn die Luftkanone abgefeuert wird. Um eine derartige Beschleunigung zu handhaben, wird der druckempfindliche Wandler durch mehrere Plättchen aus piezoelektrischem Material mit umgekehrter Polarität gebildet, wodurch er auf eine axiale Beschleunigung nicht anspricht. Diese Plattchenelemente sind elektrisch miteinander verbunden, so daß bei einer Beaufschlagung durch eine Druckveränderimg der Luftkanone die durch die einzelnen Plättchen erzeugten Spannungen additiv überlagert werden. Die Anordnung mehrerer Schichten von Plättchen des druckempfindlichen Wandlers ist schwierig herzustellen, kann leicht brechen und ist weniger beanspruchbar als ein einzelner Kristallfühler. Die vorliegende Erfindung zielt auf eine Verbesserung der in der älteren Anmeldung beschriebenen Anordnung.

Im hier benutzten Umfang ist der Ausdruck "Gas" in weitestem Sinne zu verstehen und umfaßt jegliches kompressible gasförmige Fluid, das in einer Luftkanone verwendet werden kann, wobei an Luft, Dampf, Stickstoff, Kohlendioxid, gasförmige Verbrennungnprodukte und Mischungen dieser Produkte zu denken ist.

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung liegt in der Schaffung eines Fühlers zur Erfassung der Bewegung des Verschlusses einer Luftkanone, um den Augenblick der Abfeuerung dieser Luftkanone zu signalisieren. Ein derartiger Fühler soll, wenn überhaupt, nur eine geringe Modifikation des Aufbaues der Luftkanone er-

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fordern und leicht ersetzbar sein.

Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine neue und verbesserte druckempfindliche Wandlereinrichtung zu schaffen, um den Augenblick der Abfeuerung einer Luftkanone festzustellen, wobei diese Wandlereinrichtung robust sein soll, keine komplexe Modifikation des Aufbaues der Luftkanone' erfordern soll und leicht ersetzbar sein soll.

Es ist schließlich ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine neue und verbesserte druckempfindliche Wandlereinrichtung für eine Luftkanone zu schaffen, die großen Beschleunigungskräften widerstehen kann, wie sie bei der Abfeuerung der Luftkanone entstehen. Hierbei soll eine genaue und zuverlässige Information in bezug auf den Schußzeitpunkt bei der Abfeuerung der Luftkanone erzeugt werden.

Zusammenfassend ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ausgehend von der erwähnten älteren Druckwandlereinrichtung, diese in der Weise zu verbessern, daß sie bei einem einfachen robusten Aufbau auf axiale Beschleunigungskräfte nicht anspricht. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß der im Anspruch 1 gekennzeichneten Erfindung. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Die erfindungsgemäße druckempfindliche Wandlereinrichtung zur Erfassung des Augenblicks der Abfeuerung einer Luftkanone umfaßt ein Gehäuse mit einer Kopfwand am einen Ende des Gehäuses. Ausnehmungen sind in der Kopfwand angeordnet, wobei diese mit einer in die Luftkanone führenden Durchführung in Verbindung

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stehen. Ein druckempfindlicher Wandler ist in der Kopfwand in Nachbarschaft zu den Ausnehmungen angeordnet, wobei er sich parallel zu den Ausnehmungen erstreckt. Druckanstiege in den Ausnehmungen werden durch die Kopfwand auf den Wandler quer zu der Achse der Ausnehmungen übertragen, wodurch der Wandler eingequetscht wird und ein Signal aufgrund des Druckanstieges erzeugt. Durch Anordnung der neutralen Achse des Druckwandlers parallel zu der Achse der Ausnehmungen ist der Wandler in der Lage, enormen Beschleunigungskräften zu widerstehen und auf diese nicht anzusprechen, wenn sie bei der Abfeuerung der Luftkanonc erzeugt werden. Auf einen Aufbau des Wandlers mit mehreren Schichten zur Vermeidung des Beschleunigungsproblemes kann verzichtet werden und es kann erfindungsgemäß ein einziger Kristall verwendet werden, der genau und zuverlässig arbeitet und einen robusten Aufbau aufweist.

Anhand eines in den Figuren der beiliegenden Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles sei im folgenden die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine axiale Schnittansicht der erfindungsgemäßen druckempfindlichen Wandlereinrichtung, wobei zur besseren Darstellung bestimmte Teile weggebrochen sind.

Fig. 2 eine Draufsicht auf das Kopfende der druckempfindlichen Wandlereinrichtung gemäß Fig. 1.

Fig. 3 eine Seitenansicht des Kopfes,der an einem Ende des Gehäuses der druckempfindlichen Wandlereinrichtung gemäß Fig. 1 angeordnet ist.

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Fig. 4 einen Querschnitt entlang der Linie 4-4 in Fig. 1.

Fig. 5 eine Draufsicht auf die Unterseite der den elektrischen Schaltkreis tragenden Platine der Wandlereinrichtung gemäß Fig. 1.

Fig. 6 eine vergrößerte axiale Schnittansicht entlang der Linie 6-6 in den Fig. 1 und 4, wobei die Blickrichtung senkrecht zu dem in Fig. 1 dargestellten Schnitt liegt.

Fig. 7 eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen druckempfindlichen Wandlers, wobei Teile weggebrochen sind.

Fig. 8 ein schematisches, elektrisches Schaltungsdiagramm des Wandlerschaltkreises, wie er bei dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel verwendet wird.

Fig. 9 ein schematisches, elektrisches Schaltungsdiagramm einer Spannungsversorgung, die für den Wandlerschaltkreis gemäß Fig. 8 verwendet werden kann.

Die druckempfindliche Wandlereinrichtung gemäß dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel bildet eine Verbesserung der Einrichtung, wie sie in der eingangs erwähnten US-Patentanmeldung mit der S.N. 917 794 dargestellt und beschrieben ist. Sie kann daher in ähnlicher Weise in einer Hülse in einem spulenbetätigten Ventilgehäuse angeordnet sein. Eine solche Hülse steht in Verbindung mit einer Durchführung, die zu einer Luftkanone führt und sie kann einen plötzlichen Druckanstieg in der Luft-

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kanone bei deren Abfeuerung und somit den Augenblick der Abfeuerung erfassen. Demgemäß ist der spezielle Aufbau des spulen betätigten Ventiles und der Luftkanone hier nicht dargestellt und beschrieben, um die nachfolgende Beschreibung zu vereinfachen. Alles, was für ein klares Verständnis der vorliegenden Erfindung erforderlich ist, liegt in der Erkenntnis, daß die druckempfindliche Wandlereinrichtung sich mit ihrem Kopfende in Verbindung mit einem Fluid befindet, in "welchem durch die Einrichtung zu überwachende Druckanstiege auftreten.

Gemäß Fig. 1 umfaßt die druckempfindliche Wandlereinrichtung eine Gehäusehülse 12, die an ihrem Signalausgangsende durch eine Kappe 14 und an ihrem Kopfende durch eine zylindrische Kopfwand 16 abgeschlossen ist. Die Gehäusehülse, die Kappe und die zylindrische Kopfwand sind aus einem geeigneten Material, wie beispielsweise schwarzem anodisiertem Duraluminium AlYOVS-TG hergestellt, welches robust ist und Schutz gegen Korrosion bietet, was in einem Anwendungsfall, wie beispielsweise der maritimen seismischen Überwachung von Bedeutung ist.

Die Kopfwand 16 besitzt eine Ringnut 18, die eine O-Ringdichtung 20 enthält, durch welche Fluid daran gehindert wird, hinter die Anordnung 10 in der Hülse zu fließen. Die Hülse ist nicht dargestellt und wird beispielsweise durch die Hülse dec spulenbetätigten Ventiles einer Luftkanone gebildet.

Wie am besten aus den Fig. 2 und 4 und insbesondere aus Fig. ersichtlich ist, umfaßt die Kopfwand 16 eine sich axial nach unten erstreckende Ausnehmung 22, die auf jeder Seite durch eine sich axial nach oben erstreckende Ausnehmung 24 und 26 flankiert ist. Die sich nach oben erstreckenden Ausnehmungen

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24 und 26 erstrecken sich von der Frontfläche 27 der Kopfwand 16 und sie befinden sich in Verbindung mit einer Durchführung, die in eine Kammer der Luftkanone führt, in welcher ein plötzlicher Druckanstieg im Augenblick der Abfeuerung auftritt. Die sich nach unten erstreckende axiale Ausnehmung 22 erstreckt sich durch die Oberseite der Kopfwand. Diese Ausnehmung 22 befindet sich zwischen den beiden Ausnehmungen 24 und 26, wobei sie sich jedoch nicht vollständig durch die Kopfwand 16 erstreckt.

Fig. 3 zeigt die Erstreckung dieser Ausnehmungen 22, 24 und in gestrichelten Linien, während Fig. 6 klar die relative Erstreckung und den parallelen Abstand dieser Ausnehmungen anzeigt. Beispielsweise weisen die drei Ausnehmungen eine Tiefe von 6,4 mm und eine seitliche Breite von 1,6 mm auf. Gemäß den Fig. 2 und 4 weist die sich nach unten erstreckende Ausnehmung 22 im Querschnitt eine größere Längsabmessung als die Ausnehmungen 24 und 26 auf. Gemäß Fig. 2 beträgt der Durchmesser der ebenen Endfläche 27,in der die Ausnehmungen 24 und 26 angeordnet sind, ungefähr 8,76 mm.

Die zentrale, axial ausgerichtete, sich nach unten erstreckende Ausnehmung 22 nimmt einen druckempfindlichen Wandler 30 auf, in welchem eine Spannung z\tfischen den Oberflächen eines dielektrischen Festkörpermateriales 31 erzeugt wird, wenn eine mechanische Beanspruchung an den Wandler angelegt wird. Dieser Effekt, der als der wohlbekannte "piezoelektrische Effekt"beschrieben werden kann, tritt bei verschiedenen polykristallinen Keramikmaterialien auf, wobei Bariumtitanat das bekannteste Material ist. Durch Vorpolarisierung durch die Anlegung eines hinreichend starken Feldes in einer Richtung ergibt sich ein

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ausgezeichnetes Wandlerelement. Pur die vorliegende Anwendung hat sich Blei-Zirkonat/Titanat-Keramikrnaterial als bevorzugt herausgestellt. Beispielswaise kann das piezoelektrische Plättchen 30 eine quadratische Abmessung von 4 ;-: 4 ran und eine Dicke von 0,5 mm aufweisen. Dieses Material aus Blei-Zirkonat/ Titanat ist im Handel unter der Handelsbezeichnung "Glennite" als Keramikkomposition Wr. G-1500 von der Firma E.B.L. Company, Inc., 91 Holland Street, East Hartford, Connecticut erhältlich.

Das piezoelektrische Plättchen 31 besitzt gemäß den Fig. 6 und 7 ein Paar von Elektroden 32 und 34, die an das Plättchen angelötet sind. Die Elektroden können aus einer Messingfolie bestehen, die eine Dicke von 0,05 mm aufweist. Die Elektrode 34 besitzt eine Lötzunge 36 an ihrem oberen Ende. Diese Lötzunge 36 ist über das obere Ende einer kleinen dielektrischen Schicht 33 gebogen. Die Elektrode 32 ist mit einer Zunge 42 einer dielektrischen Platine 40 verbunden, die als Träger- und Verbindungsplatine dient. Elektrische Anschlußleitungen 44 und 46 (Fig. 6) sind entsprechend mit der Elektrode 32 und der Lötzunge 36 der Elektrode 34 verlötet. Dieser gesamte Wandler 30 ist in der zentral angeordneten, sich nach unten erstreckenden axialen Ausnehmung 22 in der Kopfwand 16 angeordnet. Die Zunge 42 der dielektrischen Platine 40 und die dielektrische Schicht 38 dienen der Isolierung der Elektroden 32 und 34 von der metallischen Kopfwand, um einen Kurzschluß des piezoelektrischen Plättchens 31 zu verhindern.

Es sei vermerkt, daß sich die neutrale Achse oder Ebene des Plättchens 31 parallel zu den Längsachsen der druckfühlenden ■Ausnehmungen 24 und 26 erstreckt und daß somit der Wandler 30 nicht auf axiale Beschleunigungen anspricht, die durch Ab-

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feuerung der Luftkanone hervorgerufen werden. Die durch die Abfeuerung der Luftkanone hervorgerufenen Druckanstiege quetschen den piezoelektrischen Wandler 30, wodurch die mechanische Beanspruchung erzeugt wird, die zu einer Spannung führt.

Gemäß Fig. 4 v/eisen alle drei Ausnehmungen 22, 24 und 26 einen ovalen Querschnitt auf, wobei diese Querschnitte parallel zueinander ausgerichtet sind. Somit ergibt sich ein Paar relativ dünner Wandteile 51 und 53 in der Kopfwand, die sich zu beiden Seiten des Wandlers 30 befinden. Der Wandler 30 ist zwischen diesen dünnen Wandteilen 51 und 53 eingebettet und er wird gequetscht, wenn diese Wandteile 51 und 53 gleichzeitig in Richtung aufeinander durch einen Druckanstieg ausgelenkt werden. Ein nicht dargestelltes Epoxyd-Vergußmaterial füllt die zentrale Ausnehmung 22 um den Wandler 30, wodurch bei Auslenkung der dünnen Wandteile 51 und 53 in Richtung aufeinander sofort eine mechanische Quetschkraft auf den Wandler 30 ausgeübt wird.

Fig. 8 zeigt schematisch eine elektrische Schaltung für die beschriebene Wandlereinrichtung. Ein Abstimmkondensator 48 ist über Anschlußleitungen 44 und 46 an die Elektroden 32 und 34 des Wandlers 30 angeschlossen. Ein Abgleichkondensator 50 ist dem Kondensator 48 parallelgeschaltet, wobei beide Kondensatoren zusammen der Einstellung der Empfindlichkeit und des Frequenzverhaltens des piezoelektrischen Wandlers 30 dienen. Ein Ausgangssignal des Wandlers 30 wird der Basis eines Transistors 52 zugeführt, dessen Basis über Widerstände 56 und 54 an den Emitter und Kollektor angeschlossen ist. Der Emitter und der Kollektor des Transistors 52 sind über Anschlußleitungen 55 und 57 an einer Gleichspannungsquelle angeschlossen. Diese verschiedenen Schaltkreiselemente befinden sich auf gegen-

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überliegenden Seiten der Schaltkreisplatine 40, wie dies in rl on Fig. 1 und 5 dargestellt ist.

Gemäß Fig. 9 liefert eine geregelte Konstantspannungsquclle die Betriebsspannung für den Schaltkreis gemäß Fig. 8. Diese Spannungsquelle umfaßt einen Transformator 60 mit einer Primärwicklung 62 zum Anschluß an einer 115 Volt-WechselspannuiiGS-ouelle und eine Sekundärwicklung 64 mit einem 30 Volt-Hittelabgriff. Ein Paar von Gleichrichtern 66 und 68 schließen die Sekundärwicklung 64 über ein RC-Netzwerk, bestehend aus einem Kondensator 70 und einem Widerstand 72 an eine Zenerdiode lh an. Das RC-Netzwerk dient der Filterung der gleichgerichteben Ausgangsspannung. Die konstante Ausgangsspannung der Zenerdiode 74 wird über eine Konstantstromdiode 76 an die positive und negative Versorgungsleitung 55 bzw. 57 angelegt, die zu dem Wandlerschaltkreis gemäß Fig. 8 führen. Ein Ausgangs-Koppelkondensator 80 dient dem Anschluß des Ausgangssignales des Transistors 52 an einen Anzeige- und Steuerschaltkreis, der eine Information über den Augenblick der Abfeuerung liefert. Alternativ zu der Spannungsversorgung gemäß Fig. 9 kann eine Batterie verwendet werden, die über eine Konstantstromdiode 76 an die zu der Wandlereinrichtung gemäß Fig. 8 führenden Leitungen 55 und 57 angeschlossen wird.

Beispielsweise können die Schaltkreiskomponenten der vorstehend beschriebenen Schaltung folgende Werte aufweisen:

Kondensator 48 - 0,01 uF

Kondensator 50 - 0,005 uF

Widerstand 54 - 22 ViSl

Widerstand 56 - 3 M Sl

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Transistor 52 - HPS A66

Kondensator 80 - 10 uF

Kondensator 70 100 pF

Widerstand 72 - 470 Sl

Nachdem der piezoelektrische Wandler 30 und die in Fig. 8 beschriebenen Schaltkreiselemeiite auf der in den Fig. 1 und 5 dargestellten Schaltkreisplatine angeordnet sind, wird die Schaltkreis-Verbindungsplatine 40 in der Gehäusehülse 12 angeordnet, 'wobei sich der Wandler 30 in der sich nach unten erstreckenden Ausnehmung 22 der zylindrischen Kopiwand 16 befindet. Die Kappe 14 schließt das obere Ende des Gehäuses 12 ab und ein Epoxydmaterial wird benutzt, um die Schaltkreisplatine 40 vollständig einzukapseln und das Innere des Gehäuses 12 mit Vergußmaterial 82 (Fig. 1) zu füllen, so daß die verschiedenen Elemente von dem Gehäuse isoliert sind und die gesamte druckempfindliche Wandlereinrichtung 10 für einen robusten Betrieb geeignet ist.

Im Betrieb, wenn eine durch die druckempfindliche Wandlereinrichtung 10 überwachte Luftkanone abgefeuert wird, wird durch das mit der Luftkanone in Verbindung stehende Fluid (gewöhnlicherweise Luft) in den Ausnehmungen 24 und 26 ein enormer Druckanstieg durch die Luftkanone ausgeübt. Dieser Druck lenkt die dünnen Wandteile 51 und 53 aus und übt somit auf beide Seiten des piezoelektrischen Plättchens 31 eine Kraft aus, wobei die neutrale Achse dieses Plättchens parallel zu der Achse der druckfühlenden Ausnehmungen 24 und 26 verläuft. Dieser Druck quetscht das Plättchen 31 von beiden Seiten, wodurch eine Spannung im Augenblick der Abfeuerung der Luftkanone erzeugt wird.

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Der Spamiimgsversorgungsschnltkreis gemäß Fig. 9 erzeugt e:U:on Konscantstrom in den Leitungen 55, 57, der dera Transistor 52 zugeführt wird. Im vorliegenden Beispiel liefert dar Schaltkreis ungefähr einen Strom von k mA an den Transistor 52. Dieser Transistor ist so eingestellt, daß bei diesem konstanten Stronifluß eine Nullsignal-Vorspannung von ungefähr 12 Volt zwischen dem Emitter und dem Kollektor axiftritt.

Wenn der Transistor 30 auf die Druckänderung anspricht, so beeinflußt die durch den Wandler erzeugte Spannung die 'üarsi?.; vorspannung des Transistors 52, woraufhin eine SpanrmngGcinckvrun;: über der Einitter/Kollektorstrecke auf tri ct.

Es sei vermerkt, daß die Spannungsverstärkung des Transistors geringfügig kleiner als Eins ist, daß aber der Leistungsgewinn beträchtlich ist und daher das verstärkte Ausgangesignöl des Wandlers auf die Leitungen 55 und 57 mit einem relotiv geringen Inpedanzpegel abgegeben wird. Ein solch relativ geringer Iinpedanzpegel ist sehr erwünscht, um das Leitungsrauschen auf ei υ ein Minimum zu halten und das Signal/Störverhältnis zu verbessern.

Es versteht sich, daß andere Verstärkerschaltkreise anstelle des Schaltkreises gemäß Fig. 8 verwendet werden können, sofern sie in der Lage sind, eine Leistungsverstärkung zu erzielen und eine relativ geringe Impedanz am Ausgang vorzugeben. Beispielsweise kann eine Darlington-Schaltung verwendet werden.

Die elektrische Isolierung beider Seiten des Wandlers 30 gegenüber Hasse führt mit Vorteil dazu, daß Störungen von sporadisch in der Umgebung auftretenden elektrischen Signalen ve ^mieden

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worden. Hit anderen Worten, werden Störeinstreuungen, aus der Umgebung auf ein Minimum reduziert.

Bei dem vorliegenden Aufbau wird durch die Ausrichtung der Ebene bzw. der neutralen Achse des ¥andlerelementes auf die Achse der druckfühlenden Ausnehmungen ein Ansprechen des Wandlers auf die Beschleunigungskraft während der Abfeuerung der Luftkanone verhindert. Demgemäß ist eine komplexe I-Iehrfach-Schichtianordnung zur Kompensation der Beschleunigung nicht erforderlich. Die vorliegende Erfindung ermöglicht daher einen robusten, empfindlichen und vereinfachten Aufbau und sie liefert einen Schaltkreis, bei welchem beide Signalübertragungrileitungen 55 und 57 gegenüber Masse isoliert sind.

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Leerseite

Claims

Qflrtx, Dr. Rich«, Dr. Hard«*

Patentanwälte

Pc^tiaeii 7Q0345

Schrsecksnftöiairaßö 27

D-OX¹O rrenkfurt a?n Main 70

Telefon (0611) 617079

20. Oktober 1980 GzH/Ra.

Bolt Associates, Inc., Horwalk, Connecticut 06854 / U.S.A.

Druckempfindlicher Wandler

Patentansprüche

■ 1.!Druckempfindliche Wandlereinrichtung zum Ansprechen auf plötzliche Druckanstiege unter Vermeidung eines Ansprechcns auf in einer vorbestimmten Richtung auftretende mechanische Beschleunigung, gekennzeichnet durch ein Element (16) mit einer Frontfläche (27), die einem Fluid ausgesetzt ist, in welchem der plötzliche Druckanstieg auftritt, wobei das Element wenigstens eine Ausnehmung (24 bzw. 26) aufweist, die sich von der Frontfläche (27) in das Element erstreckt,

einen druckempfindlichen Wandler (30) in dem Element, der so angeordnet ist, daß sich seine neutrale Achse parallel zu der Ausnehmung und ebenfalls parallel zu der vorbestimmten Richtung erstreckt, in der die mechanische Beschleunigung auftritt,

so daß plötzliche Druckanstiege in dem Fluid in die Ausnehmung übertragen werden und das Element quer zu der neutralen Achse des Wandlers auslenken, um ein elektrisches Signal zu erzeugen, das den Augenblick des Auftrittes dos Druckanstieges anzeigt, während jegliches deutliches Ansprechen auf die mechanische Beschleunigung vermieden wird.

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2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (16) zwei im Abstand angeordnete,parallele Ausnehmungen (24 und 26) aufweist, die sich von der Frontfläche in das Element erstrecken, und daß der Wandler (30) in der Mitte zwischen den Ausnehmungen angeordnet ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeiclonet, daß das Element (16) einen Kopf mit einem sich von diesem nach hinten erstreckenden zylindrischen Gehäuse (12) umfaßt, wobei die Achse des zylindrischen Gehäuses parallel zu der neutralen Achse verläuft und Kopf und Gehäuse eine patronenförmige Anordnung bilden, die in eine Buchse eingesetzt werden kann, welche mit einer Durchführung in Verbindung steht, die das Fluid enthält, in welchem der Druckanstieg auftritt.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Element eine rückwärtige Ausnehmung (22) aufweist, die sich in das Element von der rückwärtigen Oberfläche erstreckt, daß der ¥andler (30) in der rückwärtigen Ausnehmung angeordnet ist und daß sich ein dünner Wandteil (51 oder 53) des Elementes zwischen jeder vorderen Ausnehmung (24 oder 26) und der hinteren Ausnehmung (22) befindet, wobei der dünne Wandteil durch den Druckanstieg in dem Fluid, welchem die Vorderfläche ausgesetzt ist, auslenkbar ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die vordere Ausnehmung (24 oder 26) sich senkrecht von der Vorderfläche in Längsrichtung erstreckt und daß die hintere Ausnehmung (22) länger als jede vordere Ausnehmung ist.

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6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 Ms 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei im Abstand voneinander angeordnete, parallel verlaufende vordere Ausnehmungen (24 und 26) angeordnet sind und daß die hintere Ausnehmung (22) zwischen den vorderen Ausnehmungen eingebettet ist.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen einen ovalen Querschnitt aufweisen und daß die länglichen ovalen Ausnehmungen mit ihren Hauptachsen parallel zueinander verlaufen, um ein Paar dünner paralleler ¥andteile (51, 53) zu bilden, zwischen denen der Wandler (30) in der rückwärtigen Ausnehmung (22) eingebettet ist.
8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler ein Plättchen (31) aus piezoelektrischem Material aufweist, welches Elektroden (32, 34) auf gegenüberliegenden Seiten aufweist, daß die Elektroden elektrisch von den Seitenwänden der rückwärtigen Ausnehmung (22) durch dielektrische Schichten (38 und 42) isoliert sind und daß sich die Elektroden in direkter mechanischer Verbindung mit den Seiten der rückwärtigen Ausnehmung über diesendielektrischen Schichten befinden, wodurch das Plättchen durch Auslenkung der Teile (51 bzw. 53) des Elementes zwischen der rückwärtigen Ausnehmung und einer vorderen Ausnehmung (24 bzw. 26) eingequetscht wird.
9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine der dielektrischen Schichten einen zungenförmigen Ansatz (42) einer einen Schaltkreis tragenden Platine (40) bildet, wobei auf der Platine ein auf das elektrische Signal ansprechender Schaltkreis für den Wandler angeordnet ist.

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10» Einrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Material aus Blei-Zirkonat/Titanat besteht.
11. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der auf der dielektrischen Platine (40) angeordnete Schaltkreis einen Kondensator (48) und einen Abgleichkondensator (50) umfaßt, die sich quer über das Plättchen aus dielektrischem Material zur Abstimmung des Ansprechverhaltens des Wandlers erstrecken, daß eine Halbleitereinrichtung (52) angeordnet ist, um das Ausgangssignal des Plättchens zu empfangen und dieses Ausgangssignal an einen Auswerteschaltkreis anzuschließen, und daß Widerstände (54, 56) auf der Platine angeordnet und an die Halbleitereinrichtung angeschlossen sind, um eine elektrische Vorspannung für die Halbleitereinrichtung (52) vorzugeben.
12. Wandlereinrichtung zur Feststellung des Augenblicks der Abfeuerung einer Luftkanone durch Ansprechen auf eine plötzliche Druckänderung in der Luftkanone im Abfeuerzeitpunkt, gekennzeichnet durch eine Gehäusehülse (12), eine zylindrische Kopfwand (16) auf dem einen Ende der Gehäusehülse, wobei die Kopfwand eine zentrale Ausnehmung (22) gegenüber/aer GeEäusehülse aufweist und ferner ein Paar von im Abstand angeordneten, parallelen Ausnehmungen (24, 26) in der Vorderfläche aufweist, wobei die parallelen Ausnehmungen auf gegenüberliegenden Seiten der zentralen Ausnehmung angeordnet sind, daß die vorderen Ausnehmungen in enger Nachbarschaft zu gegenüberliegenden Seiten der zentralen Ausnehmung angeordnet sind, wobei dünne Wandteile (51, 53) der Kopfwand sich zwischen jeder vorderen Ausnehmung und der zentralen Ausnehmung befinden, daß das

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Paar der vorderen Ausnehmungen jeweils in Verbindung mit einer zu der Luftkanone führenden Durchführung treten kann, wodurch in der Luftkanone auftretende Druckänderungen den vorderen Ausnehmungen zugeführt werden, und daß ein druckempfindlicher Wandler (30) in der zentralen Ausnehmung angeordnet ist und mechanischen Kräften ausgesetzt wird, die zwischen dem Paar von parallelen im Abstand angeordneten Ausnehmungen auftreten, wenn eine plötzliche Druckänderung auftritt.
13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß

der druckempfindliche Wandler (30) einem mechanischen Quotschdruck zwischen den dünnen Wandteilen (51, 53) der Kopfwand unterworfen wird, wenn ein plötzlicher Druckanstieg gleichzeitig in dem Paar von Ausnehmungen auftritt.
14. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der druckempfindliche Wandler (30) ein Plättchen (31) aus piezoelektrischem Material mit einem Paar von an gegenüberliegenden Seiten angeordneten Elektroden (32, 34) aufweist, wobei jede der Elektroden eine dielektrische Schicht (38, 42) auf der Außenseite des Plättchens umfaßt, daß die dielektrischen Schichten in der zentralen Ausnehmung der Kopfwand so angeordnet sind, daß die neutrale Achse des Plättchens des Wandlers parallel zu dem Paar von vorderen Ausnehmungen (24, 26) verläuft, wodurch den vorderen Ausnehmungen zugeführte Druckänderungen das Plättchen einquetschen und ein elektrisches Signal erzeugen, das die Abfeuerung der Luftkanone anzeigt.

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15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 12 Ms 14, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale Ausnehmung (22) und das Paar von parallelen Ausnehmungen (24, 26), die die zentrale Ausnehmung zwischen sich einschließen, alle einen ovalen Querschnitt aufweisen, und daß die drei Ausnehmungen mit ovalem Querschnitt mit ihren Querschnitts-Längsabraessungen parallel zueinander ausgerichtet sind, um ein Paar dünner, paralleler Wandteile (51, 53) zu definieren, zwischen welchen der Wandler (30) in der zentralen Ausnehmung eingebettet ist.
16. Einrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die neutrale Achse des Wandlers parallel zu der Ebene ausgerichtet ist, in der die mechanische Beschleunigung bei der Abfeuerung der Luftkanone auftritt, um das Ansprechverhalten des Wandlers auf derartige mechanische Beschleunigungen auf ein Minimum zu reduzieren.

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