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Piezoelektrischer Druckmesser Bei den meisten bisher hekannten piezoelektrischen
Druckmessern wird die aus mehreren Piezoquarzen mit ihren Elektroden bestehende
Quarzsäule durch ein federartiges Mittel, eine Membran oder eine Hülse, vorgespannt.
Die Abdichtung gegen den Gasdruck, der gemessen werden sollte, erfolgte durch eine
Membran, Oftmals war die Membran, die die Gas dichtung hervorruft, gleichzeitig
das Ab dichtungs organ des Kammerinneren gegenüber den Gasen. Prinzipiell die gleiche
Bauweise zeigten auch die Quarzdruckmesser, die zur Messung von Flüssigkeitsdrücken
z. B. in Brennstoffleitungen von Dieselmotoren benutzt wurden. Bei diesen war lediglich
durch einen Stempel, der in die Leitung, cferen Innendruck zu messen war, hineinragt,
dafür gesorgt, daß durch den Druckmesser keine zusätzlichen Räume -entstehen.
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Es hat sich gezeigt, daß die bisherigen Bauformen nur schwer auf
stets gleiche elektrische Empfindlichkeit gebracht werden könneu, da die mechanischen
Vorspannungsteile oder die Abdichtungsmembran eine störungsfreie Druckübertragung
auf die Piezoquarze verhinderten. Es muPJ das Ziel einer zweckmäßigen Bauart sein,
möglichst den gesamteil Druck, der durch die Gase an der Membran des Quarzdruckmessers
entsteht, auf die Quarzsäule zu übertragen, um damit an den Quarzen eine möglichst
hohe Meßspannung zu erhalten. Außerdem soll die Meßspannung stets proportional den
Drücken sein. Wenn nun bei einem Druckmesser der bisher üblichen Bauart, wie ihn
z. B. Fig. 1 zeigt, auf die Membran ein Gasdruck wirkt, so wirts nicht die gesamte
an der Membran ,entstehende Kraft auf die Ouarzsäule übertragen, sondern ein Teil
der Kraft wird zunächst von
der Membran aufgenommen, und lediglich
der Rest gelangt auf die Quarzsäule. Die auf die Quarzsäule übertragenen Kräfte
werden um so geringer, je stärker die membran ist Eine Membranstärke vob etwa 1
mm muß jedoch mindestens vorhanden sein, um Quarzsäule eine genügende Vorspannung
zu erteilen.
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Ein weiterer Fehler der Bauart nadi Fig. I ist, daß Kräftreänderungen,
die innerhalb der Quarzkammer etwa durch Dehnung des Gehäuses des Quarzsäule oder
der Membran durch Temperatureibflüsse oder durch äißere Kräfte entstehen, sich stets
in vollem Maße auf die Quarzsäule übertragen und störende Einflüsse ergeben können.
Die Meßkräfte, die aus dem Gasdruck resultieren, werden jedoch nur zu dem Anteil
auf die Quarzsäule übertragen wie sie dem Verhältnis des Federungswertes der Membran
(Membranstärke und-durchmesser) und dem Federungswert der Quarzsäule entsprechen.
Störende Kräfteänderungen im Innern des Druckmessers sind also weit größeren fälschlichen
Druckänderungen an der Druckmeßtelle gleichbedeutend. Jede unerwünschte Kräfte änderung
innerhalb des Druckmessers, etwa durch Erwärmung des Gehäuses am Zylinder eines
Verbrennungsmotors, ergibt also große Fehler l)ei der Niessung des Druckes im Zylinder.
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Es ist auch schon bekannt, die Bauart einer Quarzkammer dahingehend
zu verbessern. daß zur Übertragung des Druckes auf die Quarze eine gut isolierende
Zwischenflüssigkeit verwendet wird, die den Quart bis auf die Befestigungsstellen
allseitig umspült und die gegen den zu messenden Druck meistens durch eine sogenannte
schlappe Membran abgetrennt ist.
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Es ist also bereits bekannt, den Druckmeßquarz einem Druckmittel
ohne Zwischenschaltung mechanischer Glieder auszusetzen.
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Daß dieses Druckmittel auch das Meßmittel sein kann. ergibt sich ohne
weiteres lann. wenn das Meßmittel ein genügend guter Isolator ist. Aber selbst in
diesem Falle wird sich im allgemeinen ein ausgedehnter zusätzlicher, mit Druckmittel
angefüllter Raum, der nur der Weiterleitung des Druckes dient, bei der bekannten
Anordnung nicht vermeiden lassen, denn es wird nur selten möglich sein. len allseitig
umspülten Quarz mit seinem großen Raumbedarf unmittelbar an der MeB stelle in das
Äleßmittel zu bringen. Ein solcher zusätzlicher schädlicher Raum kann aber insbesondere
bei sehr schnellen Druschwankungen erhebliche Fälschungen der Messung verutsachen.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht, den schädlichen Raum weitgehend
zu verkleinern und ihn sogar ganz zu unterdrücken. dar über hinaus wird durch die
Erfindung die eine Belegung des Quarzes allein durch den Quarz selbst gegenüber
dem Druckmittel isoliert, so daß der Quarz auch ohne Zuhilfenahme weiterer isolierender
Mittel einem nicht isolierenden Druckmittel ausgesetzt werden kann. Bei der Erfindung
wird also auch von einem unmittelbar vom Druckmittel beaufschlagten Quarz Gebrauch
gemacht, und zwar wird nach detr Erfindung der dem zu messenden Mittel unmittelbar
ausgesetzte Quarz so in ein Hehäuse eingespannt, daß die von Druck beaufschlagte
Seite des Quartzes eine Abschlußwand des raumes für das Druckmittel bildet, während
die andere Seite des Quarzes zur Ladungsabführung mit einer oder mehreren isolierten
Elektroden verbunden ist und nicht mit dem zu messenden Mittel in Verbindung steht.
Die Seite des Quarzes, die dem Druckmittel zugekehrt ist. wird zur Verhinderung
von zu starker Wärmecinstrahlung mit einer Schicht bzw. mit einem Metallbelag versehen.
Das Gehäuse sol immer eine solche Ausbildung erhalten, dal: eine Beaufschlagung
des Quarzes möglichst ohne Zwischenschaltung von Bohrungen oder schädlichen Räumen
möglich ist.
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Der Quarz braucht nicht als Platte aus gebildet zu sein, sondern
er kann auch in Form einer Glocke, deren Inneres von dem Gesdruck beaufschlagt ist,
ausgebildet werden. Die Ausschnittrichtung der Achsen des Piezoquarzes muß dann
so erfolgen, daß die Ladung am äußeren Mantel der Glocke abgenommen werden kann.
Ebenso kann durch die Wahl der Auschnittrichtung und damit der Lage der elektrischen.
optischen ulld neutralen Achse verhindert werden, daß durch temperaturerscheinungen
oder durch die Einspannvorrichtung fälschliche Kräfte hervorgerufen werden. und
zwar dadurch. daß man die Einspannkräfte stets in Richtung der optischen Achse auf
den Quarz wirken läßt, da bei Drücken in Richtung der optischen Achse keine elektrische
Ladung entsteht.
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Man kann aber auch den Quarz in Form einer länglichen Platte dem
Druck aussetzen.
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Durch zahl der flachen Größe senkrecht zur neutralen und senkrecht
zur elektrischen Achse gelingt es. eine entsprechende Ladung hervozurufen.
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Zum Messen von Flüssigkeitsdrücken innerhalb von Rohleitungen kann
der Quarz unmittelbar von der Flüssigkeit durchflössen und durch den Innerdruck
beansprucht werden. Die Abnahme der elektrischen Ladung (les Quarzes erfolgt am
äußeren Mantel.
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In der zeichnung sind mehrere Ausführangsbeispiele des Erfindungsgegenstandes
in
den Fig. 2 bis 9 dargestellt. Wie Fig. 2 erkennen läßt, ist der
Quarz 10 in einem Gehäuse 11 so eingesetzt, daß er unmittelbar vom Druck beaufschlagt
ist.
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Die Verschraubung 12 hält den Quarz im Gehäuse fest, während bei
I3 das zu messende ,Medium zu denken ist. Die mit dem Gas in Berührung. tretende
untere Fläche des Ouarzes ist mit einer geerdeten Metallschutzschicht 14 überzogen,
während auf der ent gegengesetzten Seite eine Elektrode 15 aufliegt, die unter Zwischenschaltung
einer Bernsteinisolierung I6 von einer Verschraubung I7 gehalten wird. Durch diese
Verschraubung geht die Leitung I8, ebenfalls durch Bernstein bei 19 isoliert, nach
außen.
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Anstatt den Quarz 10 als gleich dicke Schicht auszugestalten, kann
er auch die aus Fig. 3 ersichtliche Form erhalten, bei der der Rand 20 verstärkt
ist. Vorteilhaft bildet man die Auflager auf dem Gehäuse 11 einerseits und den Rand
der den Quarz festhaltenden Mutter 12, wie in Fig. 3 angedeutet, schnee lenförmig
aus.
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Bei der Ausführungsfonn gemäß Fig. 4 besitzt der Quarz 10 glockenförmige
Gestalt, weist also einen Hohlraum 21 auf, in den das Gas durch die Leitung I3 eintritt.
Der Quarz wird durch eine Verschraubung 22 im Gehäuse 23 gehalten, das zu beiden
Seiten Öffnungen für die Durchführung der Ableitungen 24 und 25 aufweist, die, bernsteinisoliert,
bei 26 durch das Gehäuse 23 hindurchtreten. Die Spannungsabnahme erfolgt durch mit
den Ableitungen 24 bzw. 25 leitend verbundene, den Quarz halbkreisförmig umschließende
Metall schichten 27 und 28. Fig. 5 zeigt den Quarz von oben gesehen.
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Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6 ragt der Quarz 10 mit einem
flachen, in der Quarzachsrichtung verlaufenden Ansatz 29 in den Gasdruckraum 30
des Gehäuses 31 und wird durch eine Verschraubung 32 gehalten.
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Die Ableitung erfolgt auch hier durch eine Bernsteinisolierung 33.
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Fig. 7 zeigt die Lager der optischen, neutralen und elektrischen
Achse.
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Schließlich zeigt Fig. 8 noch eine Ausführungsform, bei der der Quarz
10 durchbohrt ist und in einem Gehäuse 34 durch zwei Ver -schraubungen 35, die konaxial
zur Durchbohrung des Quarzes ebenfalls Bohrungen besitzen, gehalten wird. Der Quarz
10 trägt hierbei wiederum, ähnlich wie in Fig. 4 und 5 gezeigt, halbkreisförmige
Metallbeiegungen 36 und 37. Die Ableitung geht auch hier durch eine Bernsteinisolierung
nach außen.
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Wie aus den verschiedenen Ausführungsformen ersichtlich, wirkt in
allen Fällen der zu messende Druck bei geringstem schädlichem Raum unmittelbar auf
den Quarz, so daß Fälschungen der Druckanzeige des Quarzes unmöglich sind. Die Einspannflächen
de Quarzes sind elektrisch nicht wirksam. da sie beidseitig geerdet sind.