DE3126615A1 - Device for pressure measurement - Google Patents
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Abstract
Description
Vorrichtung zur DruckmessungDevice for measuring pressure
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Druckmessung, enthaltend eine Kraftwaage, deren einer Waagenarm durch den zu messenden Druck beaufschlagt ist und deren anderer Waagenarm auf ein entsprechend dem Druck verformtes Meßelement einwirkt.The invention relates to a device for measuring pressure, containing a force balance, one arm of which is acted upon by the pressure to be measured is and the other balance arm on a measuring element deformed according to the pressure acts.
Bekannte Vorrichtungen zur Druckmessung der vorstehend genannten Art sind mit dem Nachteil einer großen Empfindlichkeit gegenüber mechanischen Schwingungen bzw. akustischen Vibrationen behaftet, was beispielsweise eine Anwendung in Flugzeugen ausschließt. Andere bekannte Vorrichtungen besitzen eine zu geringe Langzeit-Stabilität, was ein häufiges Nachkalibrieren erforderlich macht. Ungünstig ist schließlich bei bekannten Ausführungen auch der verhältnismäßig kleine Q-Wert (d.h. das Verhältnis der im Meßsystem gespeicherten Energie zum Energieverlust), was einen hohen Energieverbrauch und starke Erwärmung mit sich bringt.Known devices for pressure measurement of the type mentioned above have the disadvantage of great sensitivity to mechanical vibrations or acoustic vibrations, which is, for example, an application in aircraft excludes. Other known devices have too little long-term stability, which requires frequent recalibration. Finally, is unfavorable known designs also the relatively small Q-value (i.e. the ratio the energy stored in the measuring system for energy loss), resulting in high energy consumption and brings with it strong warming.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung dieser Mängel der bekannten Ausführungen eine Vorrichtung zur Druckmessung zu schaffen, die sich durch eine hohe Langzeit-Stabilität, eine weitgehende Unabhängigkeit von mechanischen Schwingungen bzw. akustischen Vibrationen und durch einen hohen Q-Wert auszeichnet.The invention is therefore based on the object while avoiding this Defects of the known designs to create a device for pressure measurement, which is characterized by high long-term stability and extensive independence from mechanical oscillations or acoustic vibrations and a high Q value excels.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch folgenden Aufbau der Vorrichtung zur Druckmessung gelöst: a) Das Meßelement wird durch einen mittels einer hochfrequenten elektrischen Erreger schwingung in akustische Resonanzschwingungen versetzten piezoelektrischen Oberflächenwellenfilter gebildet; b) im Gehäuse der Vorrichtung ist als Referenz ein weiterer, mittels einer hochfrequenten elektrischen Erregerschwingung in akustische Resonanzschwingungen versetzter, gleichartiger piezoelektrischer Oberflächenwellenfilter vorgesehen; c) es ist eine die Differenz der beiden Resonanzfrequenzen ermittelnde Schaltungsanordnung vorhanden.This object is achieved according to the invention by the following structure of the device solved for pressure measurement: a) The measuring element is by means of a high-frequency electrical exciter oscillation set in acoustic resonance oscillations piezoelectric Surface acoustic wave filter formed; b) in the housing of the device is for reference another, by means of a high-frequency electrical excitation oscillation in acoustic Piezoelectric surface wave filters of the same type offset by resonance vibrations intended; c) it is one that determines the difference between the two resonance frequencies Circuit arrangement available.
Wie noch näher erläutert wird, zeichnet sich eine derartige Vorrichtung zur Druckmessung durch eine hohe Empfindlichkeit und Genauigkeit der Messung, eine gute Langzeit-Stabilität, eine weitgehende Unabhängigkeit von störenden äußeren mechanischen Einflüssen und durch einen hohen Q-Wert aus. As will be explained in more detail, such a device is distinguished for pressure measurement through a high sensitivity and accuracy of the measurement, a good long-term stability, extensive independence from external disturbances mechanical influences and a high Q value.
ZweckmäBige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche und werden im Zusammenhang mit der Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert. Appropriate refinements of the invention are the subject of the subclaims and are explained in more detail in connection with the description of two exemplary embodiments explained.
In der Zeichnung zeigen Fig.1 eine Schema-Darstellung der wesentlichsten Bauteile (ohne elektrische Schaltungselemente) eines ersten Ausführungsbeispieles der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Druckmessung, Fig.2 eine Schema-Darstellung der elektrischen Bauelemente der Vorrichtung gemäß Fig.1; Fig.3 - 5 Schema-Darstellungen von dreiweiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung. Show in the drawing 1 shows a schematic representation the most important components (without electrical circuit elements) of a first embodiment of the device according to the invention for measuring pressure, FIG. 2 is a schematic representation the electrical components of the device according to Figure 1; Fig. 3 - 5 schematic representations of three further embodiments of the invention.
Die in Fig.1 dargestellte Vorrichtung zur Druckmessung enthält in einem Gehäuse 1 eine Kraftwaage 2, deren Waagenarme 3 und 4 um einen Drehpunkt 5 schwenkbar sind. The device for pressure measurement shown in FIG a housing 1, a force balance 2, the balance arms 3 and 4 of which around a pivot point 5 are pivotable.
Zur Einwirkung des zu messenden Druckes p auf die Kraftwaage 2 ist ein Balg 6 vorgesehen, dessen Innenraum mit dem zu messenden Druck p in Verbindung steht und dessen eines Ende mit dem Gehäuse 1 und dessen anderes Ende mit dem Waagenarm 3 verbunden ist. Der Balg 6 ist auf diese Weise gegenüber dem Inneren des Gehäuses 1, das evakuiert ist, vakuumdicht abgeschlossen. For the action of the pressure p to be measured on the force balance 2 is a bellows 6 is provided, the interior of which is connected to the pressure p to be measured stands and one end of which with the housing 1 and the other end with the balance arm 3 is connected. The bellows 6 is in this way opposite the interior of the housing 1, which is evacuated, sealed vacuum-tight.
Der andere Waagenarm 4 der Kraftwaage 2 wirkt auf ein Meßelement ein, das durch einen piezoelektrischen Oberflächenwellenfilter 7 gebildet wird. Die Einzelheiten dieses Oberflächenwellenfilters 7 und seiner elektrischen Erregung werden anhand von Fig.2 erläutert. Die elektrischen Anschlüsse des Ober- flächenwellenfilters 7 sind in Fig.1 aus Gründen der Ubersichtlichkeit nicht dargestellt. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig.1 wird der OberflAchenwellenfilter 7 in Längsxichtung (sog. Y-Richtung des piezoelektrischen Substrates) auf Druck beansprucht. The other balance arm 4 of the force balance 2 acts on a measuring element one formed by a piezoelectric surface acoustic wave filter 7. The details of this surface acoustic wave filter 7 and its electrical excitation are explained with reference to FIG. The electrical connections of the upper surface wave filter 7 are not shown in FIG. 1 for reasons of clarity. In the embodiment According to Figure 1, the surface wave filter 7 is in the longitudinal direction (so-called. Y-direction of the piezoelectric substrate) subjected to pressure.
Im Gehäuse 1 der Vorrichtung ist als Referenz noch ein weiterer, gleichartiger piezoelektrischer Oberflächenwellenfilter 8 vorgesehen, der fest eingespannt ist, somit im Betrieb nicht verformt wird.In the housing 1 of the device there is another, similar one as a reference piezoelectric surface acoustic wave filter 8 is provided, which is firmly clamped, thus is not deformed during operation.
Die elektrische Erregung dieses Oberflächenwellenfilters 8 ist gleichfalls in Fig.2 veranschaulicht In Fig.l sind die elektrischen Anschlüsse aus Gründen der Ubersichtlichkeit nicht dargestellt.The electrical excitation of this surface acoustic wave filter 8 is also illustrated in Fig.2 In Fig.l, the electrical connections are for reasons of Clarity not shown.
Der Drehpunkt der beiden Waagenarme 3, 4 fällt annähernd mit dem Schwerpunkt der Kraftwaage 2 zusammen. Justiergewichte 9 und 10 ermöglichen eine genaue Justierung der Lage des Schwerpunktes. Auf diese Weise wird eine weitgehend Unabhängigkeit der Kraftwaage von äußeren mechanischen Einflüssen erreicht.The pivot point of the two balance arms 3, 4 coincides approximately with the center of gravity the force balance 2 together. Adjustment weights 9 and 10 enable precise adjustment the location of the center of gravity. In this way there is a largely independence reached by external mechanical influences.
Fig.2 veranschaulicht die Erregung der beiden Oberflächenwellenfilter 7 und 8 sowie ihre Verbindung mit weiteren Schaltungselementen zur Verarbeitung der meßwertentsprechenden Signale.2 illustrates the excitation of the two surface acoustic wave filters 7 and 8 and their connection with other circuit elements for processing of the signals corresponding to the measured value.
Die beiden gleichartig ausgebildeten Oberflächenwellenfilter 7, 8 enthalten auf einem piezoelektrischen Substrat im Bereich ihrer Enden Gruppen von kammartig ineinandergreifenden Elektroden 7a, 7b bzw. 7c, 7d und 8a, 8b bzw. 8c, 8d. Hiervon sind die Elektroden 7b, 7d und 8b, 8d geerdet, während die Elektroden 7a und 7c sowie 8a und ßc über einen Oszillator 11 bzw. 12 und einen Verstärker 13 bzw.The two similarly designed surface acoustic wave filters 7, 8 contain groups of on a piezoelectric substrate in the region of their ends comb-like interdigitated electrodes 7a, 7b or 7c, 7d and 8a, 8b or 8c, 8d. Of this the electrodes 7b, 7d and 8b, 8d are grounded, while the electrodes 7a and 7c as well as 8a and ßc via an oscillator 11 or 12 and an amplifier 13 or
14 jeweils zu einem Resonanzkreis verbunden sind.14 are each connected to a resonance circuit.
Durch die Oszillatoren 11, 12 wird dem piezoelektrischen Substrat der Oberflächenwellenfilter 7, 8 eine hochfrequente elektrische Schwingung (im MHz-Bereich) zugeführt, wobei die Abstände der kammartig ineinandergreifenden Elektroden der Wellenlänge b bzw. 2 iX, 4 < ,8lt ... entsprechen.By the oscillators 11, 12 the piezoelectric substrate the surface acoustic wave filter 7, 8 a high-frequency electrical oscillation (in the MHz range) supplied, the distances between the comb-like interdigitated electrodes of Wavelength b or 2 iX, 4 <, 8lt ...
In dem piezoelektrischen Substratmaterial entstehen hierdurch sich mit Schallgeschwindigkeit ausbreitende akustische Schwingungen, die nach Zurücklegen der Laufstrecke zwischen den an den Enden des Oberflächenwellenfilters vorgesehenen Elektroden eine elektrische Schwingung erzeugen, die von den Verstärkern 13, 14 verstärkt und erneut dem Resonanzkreis zugeführt wird. Derartige Oberflächenwellenfilter zeichnen sich insbesondere durch eine hohe Flankensteilheit der Resonanzfrequenz aus.This creates themselves in the piezoelectric substrate material Acoustic vibrations propagating at the speed of sound that occur after covering the running distance between the provided at the ends of the surface acoustic wave filter Electrodes generate an electrical oscillation, which is generated by the amplifiers 13, 14 is amplified and fed back to the resonance circuit. Such surface acoustic wave filters are characterized in particular by a high slope of the resonance frequency the end.
Wird nun auf den Oberflächenwellenfilter 7 über den Waagen arm 4 eine Kraft in Längsrichtung ausgeübt, so ändert sich in diesem piezoelektrischen Substrat zum einen die Schallgeschwindigkeit, zum andern auch der Elektrodenabstand. Durch beide Einflüsse ergibt sich eine Änderung der Resonanzfrequenz des Oberflächenwellenfilters 7, die abhängig von dem einwirkenden, zu messenden Druck ist. Durch Vergleich mit der konstant gehaltenen Resonanz- frequenz des Oberflächenwellenfilters 8 läßt sich eine sehr genaue Druckmessung durchführen.Is now on the surface acoustic wave filter 7 on the balance arm 4 a Force exerted in the longitudinal direction changes in this piezoelectric substrate on the one hand the speed of sound and on the other hand the distance between the electrodes. By Both influences result in a change in the resonance frequency of the surface acoustic wave filter 7, which is dependent on the applied pressure to be measured. By comparison with the constant resonance frequency of the surface acoustic wave filter 8 a very precise pressure measurement can be carried out.
Zu diesem Zweck sind die beiden Resonanzkreise, die die Oberflächenwellenfilter 7 bzw. 8 enthalten, über einen Bandpaßfilter 15 mit einen' Mischer 16 verbunden, dem ein Tiefpaßfilter 17 nachgeschaltet ist.For this purpose, the two resonance circuits that make up the surface acoustic wave filter 7 or 8, connected via a bandpass filter 15 to a mixer 16, which is followed by a low-pass filter 17.
Der Bandpaßfilter 15 läßt die Resonanzfrequenzen 1 und 2 der beiden Resonanzkreise hindurch, wobei f2 die Resonanzfrequenz des Referenz-Oberflächenwellenfilters 8 und f1 die durch die Druckeinwirkung geänderte Resonanz frequenz des Oberflächenwellenfilters 7 ist. Im Mischer 16 werden die Mischfrequenzen f1 + f2 sowie f1 - f2 gebildet. Der nachfolgende Tiefpaß 17 unterdrückt die Mischfrequenz fl + + und läßt nur die Differenzfrequenz kl 1 - 2 hindurch.The bandpass filter 15 leaves the resonance frequencies 1 and 2 of the two Resonance circles through, where f2 is the resonance frequency of the reference surface acoustic wave filter 8 and f1 the resonance frequency of the surface acoustic wave filter changed by the action of pressure 7 is. The mixing frequencies f1 + f2 and f1-f2 are formed in the mixer 16. The following low-pass filter 17 suppresses the mixing frequency fl + + and leaves only that Difference frequency kl 1 - 2 through.
Sie stellt ein Maß für den auf die Kraftwaage 2 von außen wirkenden, zu messenden Druck p dar.It represents a measure of the amount acting on the force balance 2 from the outside, pressure p to be measured.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig.3 findet ein Oberflächenwellenfilter 7' Verwendung, der von dem Waagenarm 4 der Kraftwaage 2 auf Biegung beansprucht ist. Im übrigen entsprechen Aufbau, elektrische Verbindung und prinzipielle Wirkungsweise dem zuvor erläuterten Ausführungsbeispiel.In the embodiment according to FIG. 3, there is a surface acoustic wave filter 7 'use that claims bending of the balance arm 4 of the force balance 2 is. Otherwise, the structure, electrical connection and principle of operation are the same the previously explained embodiment.
Auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig.4 ist ein Oberflächenwellenfilter 7" vorgesehen, der vom Waagenarm 4 der Kraftwaage 2 auf Biegung beansprucht wird. Ebenso wie beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig.3 ist der Oberflächenwellenfilter 7" einseitig eingespannt. Die Halterung 18 des Oberflächenwellenfilters 7" ist so angebracht, daß sich im Vergleich zur Ausführung gemäß Fig.3 eine verringerte Baubreite des Gehäuses 1 ergibt.A surface acoustic wave filter is also used in the exemplary embodiment according to FIG 7 "is provided, which is subjected to bending by the balance arm 4 of the force balance 2. The surface acoustic wave filter is the same as in the exemplary embodiment according to FIG 7 "clamped on one side. The holder 18 of the surface acoustic wave filter 7" is like this appropriate that there is a reduced overall width compared to the embodiment according to FIG of the housing 1 results.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig.5 ist der Oberflächenwellenfilter 7"' zwischen einer Halterung 19 und dem Gehäuse 1 eingespannt und wird durch den Waagenarm 4 der Kraftwaage auf Durchbiegung beansprucht.In the exemplary embodiment according to FIG. 5, the surface acoustic wave filter is 7 '' 'clamped between a bracket 19 and the housing 1 and is through the Balance arm 4 of the force balance claimed for deflection.
Im übrigen entsprechen Aufbau, elektrische Verbindung und prinzipielle Wirkungsweise der Ausführungsbeispiele gemäß den Fig.4 und 5 den zuvor erläuterten Ausführungen.Otherwise, the structure, electrical connection and principle correspond Operation of the exemplary embodiments according to FIGS. 4 and 5 the previously explained Executions.
Bei allen Ausführungen weisen die beiden im Gehäuse vorgesehenen Oberflächenwellenfilter zweckmäßig einen verhältnismäßig großen Abstand voneinander auf (gröBer als die Ausdehnung der Oberflächenwellenfilter in L5ngsrichtung). Durch diese weite räumliche Trennung werden Ubersprechprobleme vermieden.In all versions, the two provided in the housing have surface acoustic wave filters expediently a relatively large distance from one another (greater than the Extension of the surface acoustic wave filter in the longitudinal direction). Through this vast spatial Separation, crosstalk problems are avoided.
Die Wirkung der erfindungsgemäßen Druckmeßvorrichtung sei anhand von zwei Beispielen erläutert.The effect of the pressure measuring device according to the invention is based on two examples explained.
Beispiel 1: Zugrundegelegt sei die Ausführung gemäß Fig.1 mit folgenden typischen Werten: Balgdurchmesser d = 10 mm Armlänge 11 = 10 mm Armlänge 12 = 50 mm Breite b des Oberflächenwellenfilters (7) = 10 mm Höhe h dieses Oberflächenwellenfilters = 1 mm Elastizitätsmodul E (Quarz) = 700 000 bar zu messender Druck p = 1 bar Aus diesen Werten errechnet sich eine Kompression des Quarzes £ = 56- 10 6.Example 1: The design according to Fig. 1 is taken as a basis following typical values: bellows diameter d = 10 mm arm length 11 = 10 mm arm length 12 = 50 mm width b of the surface acoustic wave filter (7) = 10 mm height h of this surface acoustic wave filter = 1 mm modulus of elasticity E (quartz) = 700,000 bar pressure to be measured p = 1 bar Aus These values result in a compression of the quartz £ = 56-10 6.
Mit einem Verhältnis pÜ(Änderung der Schallgeschwindigkeit c zui) für Quarz in Y-Richtung von t = 1,32 ergibt sich eine Änderung der Schallgeschwindigkeit von 74 ppm. Bei einer Resonanz- Grundfrequenz.With a ratio pÜ (change in the speed of sound c zui) for quartz in the Y direction of t = 1.32 there is a change in the speed of sound of 74 ppm. At a fundamental resonance frequency.
des Quarzes von 100 MHz führt damit ein zu messender Druck p von 1bar zu einer Frequenzänderung von 7,4 kHz.of the crystal of 100 MHz leads to a pressure p to be measured of 1 bar to a frequency change of 7.4 kHz.
Beispiel 2: Es sei die Ausführung gemäß Fig.3 zugrundegelegt, wobei 13 = 30 mm und alle anderen Werte wie im Beispiel 1 gewählt sind.Example 2: Let the design according to FIG. 3 be taken as a basis, where 13 = 30 mm and all other values are selected as in example 1.
Hierbei errechnet sich die Kompression g des auf Biegung beanspruchten Quarzes (lokal an der Außenfläche) zu # = 2520 10 6.The compression g of the bending stressed is calculated here Quartz (locally on the outer surface) to # = 2520 10 6.
Mit Qr = 1,32 ergibt sich eine Frequenzänderung von 3320 ppm. Bei einer Resonanz-Grundfrequenz des Quarzes von 100 MHz führt damit ein zu messender Druck von 1 bar zu einer Frequenzänderung von 332 KHz.With Qr = 1.32 there is a frequency change of 3320 ppm. at a fundamental resonance frequency of the quartz of 100 MHz thus leads to a Pressure of 1 bar to a frequency change of 332 KHz.
Claims (8)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19813126615 DE3126615A1 (en) | 1981-07-06 | 1981-07-06 | Device for pressure measurement |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
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DE3126615A1 true DE3126615A1 (en) | 1983-01-20 |
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ID=6136227
Family Applications (1)
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DE19813126615 Withdrawn DE3126615A1 (en) | 1981-07-06 | 1981-07-06 | Device for pressure measurement |
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Country | Link |
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