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Piezoelektrischer Druckindikator Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen
Druckindikator, dessen Quarz in ein Gehäuse so eingespannt ist, daß die vom Druck
beaufschlagte Seite eine Abschlußwand des Raumes für das Druckmittel bildet, während
die andere Seite zur Ladungsabführung mit einer oder mehreren isolierten Elektroden
verbunden ist und nicht mit dem zu messenden Mittel in Verbindung steht.
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Die Erfindung besteht darin, daß bei Verwendung eines Hohiquarzes
der hydrostatische Druck von außen auf den Quarz einwirkt und die Elektroden innerhalb
des Ouarzes angebracht sind. Hierbei wird die Quarzwand auf Druckfestigkeit beansprucht,
die bei Quarz sehr hoch ist. Die Wände können daher sehr dünn ausgeführt werden.
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In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes
dargestellt.
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Nach Abb. I werden die dünnen Seitenflächen a, a bei einem von außen
wirkenden hydrostatischen Druck (die Stirnflächen müssen natürlich verschlossen
sein, was der Übersichtlichkeit halber nicht gezeichnet ist) besonders stark auf
Druck beansprucht, da sie die Last der großen Flächen b, b tragen müssen. Legt man
die Kristallrichtung in a so, daß die elektrische Achse parallel der Vorderkante
b, also senkrecht auf der Flächea verläuft, und die neutraleAchse in Richtung senkrecht
auf b, so überwiegt die durch den Quereffekt (Druck in Richtung neutraler Achse)
erzeugte Ladung diejenige durch den Längseffekt (Druck in Richtung elektrischer
Achse) um ein Vielfaches. Man wird zweckmäßigerweise nun den Kristall nicht aus
einem einzigen Stück herausarbeiten, weil die Ladungen der beiden Flächena,a innen
entgegengesetztes Vorzeichen besitzen, sondern man wird jede Seitenfläche einzeln
herstellen und das Ganze zusammenkitten oder -schmelzen. Nun kann jede Fläche eine
solche Kristallorientierung erhalten, daß sie eine Ladung desselben Vorzeichens
nach innen abgibt. Dann kann das Innere des Hohlquaders
metallisiert
und die Ladung dort abgenommen werden.
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Den Abschluß der beiden Stirnflächen können weitere Quarzplatten
bilden. wobei der ladungsführende Leieter in eine der Stirnflächen luftdicht eingeschmolzen
oder gekittet wird. Vorzugsweise wird der Hohlkristall dann luftleer gepumpt, damit
bei Temperaturerhöhung kein innerer Uberdrucli entstehen kann. Für den praktischen
Gebrauch wird es jedoch günstiger sein, den Abschluß nach vorn und hinten aus Metallplatten
zu bewerkstelligen, welche durch Schraubenbolzen zusammengehalten werden; die Spannung
dieser Schraubenbolzen is ohne Einfluß auf die elektrische Ladung, da sie den Kristall
nur in den optischen Achse belastet. In diesem Falle verbindet man den inneren Raum
vorzugsweise durch Bohrungen mit der Atmosphäre.
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Entsprechend der Temperaturabhängigkeit des Piezoeffektes wird auch
die Empfindlichkeit eines solchen Indikators mit der Temperatur etwas abnehmen.
Eine Wasserkühlung in den inneren Raum hineinzubringen, ist deshalb ungünstig, weil
die Isolation der abzuführenden Ladung dadurch schwierig, wenn nicht unmöglich gemacht
wird.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung läßt sich jedoch eine Wasserkühlung
entsprechend Abb.2 durchführen, wobei unter Voraussetzung gleicher Wandstärken für
die Platten cr, a und c, c die Empfindlichkeit im ganzen auf die Hälfte herabgesetzt
wird. Der Hohlkristall ist wieder aus einzelnen Platten zusammengesetzt, wobei die
Platten a, a und b, b dieselbe Funktion wie in Abb. I erhalten.
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Vor diese Platten sind weitere Platten c, c gesetzt, so daß durch
den nun gebildeten Zwischenraum d, d Kühlwasser geleitet werden kann. Die Ladungsabnahme
erfolgt nach wie vor an den inneren Flächen der Platten a, a.
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Der beschriebene Indikator kann bei praktisch ausführbaren Diemensionen
mit rund I cm Breite schon Empfindlichkeiten von etwa I x 10-10 Clb/at erreichen
also das Doppelte bis Dreifache der bisher üblicher Indikatoren. Dabei ist der Ladungsanteil,
den die Flächen b,b bringen, völlig unerheblich, die Raumausnutzung also nicht sehr
günstig.
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Diesen Nachteil verbessert die Ausführung nach Abb. 3, bei welcher
sechs Platten, deren Kristallrichtung und Funktion der Platte a in Abb. I und 2
entspricht, in Form eines sechseckigen Prismas zusammengesetzt, d.h. gekittet oder
an den Rändern verschmolzen werden. Die Belastung des Hohlzylinders durch hydrostatischen
Druck ist bekanntlich durch Überwiegen einer reinen Druckspannung in Richtung der
Tangente and die Mantelfläche gekennzeichnet. Diese Druckspannung läßt wieder die
Ausnutzung des Quereffektes (Druck in neutraler Achse) günstig erscheinen. und hier
wird im Gegensatz zu den Ausführungen (Abb. I und 2) die gesamte Fläche des Hohlzylinders
zur Ladungsabgabe ausgenutzt. Aus Festigkeitsgründen empfiehlt sich eine exakte
Hohlzylinderausführung nach Abb.4 bei der die einzelnen Kristallplatten a' mit entsprechender
Krümmung geschliffen sind.
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Man kann nun zu sehr geringen Wandstärken von I mm oder Bruchteilen
davon heruntergehen und erhält z. B. bei einem Durchmesser von I cm. einer LänRe
von 2 cm und 0.3 mm Wandstärke eine Empfindlichkeit von rund 20 X I0-10 Clb/at,
also beinahe das Ioofache der üblichen Indikatoren: diese Ausführung kann bis zu
Ioo atü belastet werden, gibt also veo I00 pF Kapazität über 1000 Volt ab, und kann
damit unmittelbar, d.h. ohne Verstärker, ein Kathodenstrahlrohr aussteuern. Auch
hier läßt sich eine Wasserkühlung vorsehen, indem der Unterschied zwischen iiinerem
und äußerem Durchmesser erheblich vergrößert und die Wände dann mit Bohrungen c,
c (Abb. 5) versehen werden. durch welche Kühlwasser fließt. Dadurch wird allerdings
die Empfindlichkeit wieder etwas herabgesetzt.
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Die Herstellung eines solchen Hohlkristalls nach Abb.4 und 5 ist
naturgemäß nicht einfach und ziemlich teuer. Auch bei der Einspannung in eine Halterung
hesteht die Gefahr, daß die Kannten splittern. Aus diesem Grunde ist noch eine weitere
Ausführung mit Querschnitt nach Abb.6 vorgesehen, welche zwar weniger Empfindlichkeit
in Clb/at liefert, dafür sehr einfach herzustellen ist.
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Der Kristall wird nicht zusammengesetzt, sondern aus einem einzigen
Stücl; ausgebohrt und ausgedreht. wobei der äußere und innere Kreismittelpunkt exzentrisch
liegen. Auf diese Weise entsteht auf der einen Seite eine sehr dünne Wandstärke;
hier wird eine Metallisierung f aufgebracht und die entstehende Ladung abgenommen.
Die entgegengesetzte Ladung, welche auf der gegenüberliegenden Seite erscheint,
ist erheblich geringer, weil dort die Wandstärke höher ist und kann außerdem nicht
stören, da dort keine SIetallisierung vorhanden ist.
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Al-ib. 7 zeigt schließlich die praktische Ausführung eines solchen
Indikators mit Halterung. In diesem Falle ist auf einen unmittelbare Wasserkühlung
verzichtet worden und nur eine indirelite Kühlung durch Strahlung angewendet. Der
Kristall g ist deshalb mit Rücksicht auf Schutz gegen Bechädigungen ganz in einen
wassergekühlten Metallzylinder h zurückgezogen, welcher das Einschraubgewinde i
für den ganzen Indikator trägt. Die
Ausbildung des Zwischenraumes
ist so, daß der entstehenden Luftsäule zwischen i und g die Möglichkeit von Resonanzsdiwingungen
genommen wird. In Abb. 7 zeigt die linke Seite eine exponentielle Abrundung der
Innenseite des Mantels 1t, während die Form der rechten Seite einfacher herzustellen
ist und in vielen Fällen in zylindrischer Ausführung ausreicht. Durch Zwischenringe
k, k aus Gummi, Novotext, Blei oder Kupfer oder ähnlichem wird eine Abdichtung des
Kristallitmeren gegenüber dem Druckraum erreicht; andererseits steht das Innere
durch Bohrungen 1 I mit der Atmosphäre in Verbindung.
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Durch den ventilförmigen Bolzen m, der mit der Mutter n angezogen
wird, entsteht der für die Abdichtung notwendige Anpreßdruck; er hat (wie schon
oben erwähnt) auf elektrisehe Ladungen keinen Einfluß, da er in Richtung der optischen
Achse des Kristalles wirkt.
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Der Bolzen m wird vorteilhaft aus Invar hergestellt, damit seine Wärmedehnung
von der des Quarzes nicht allzu verschieden ist und nicht etwa zu starke Wärmespannungen
auf den Quarz einwirken können. Die elektrische Ladung wird durch den Draht o abgenommen,
der über die Bernsteinisolation p und q zu dem Stift r führt und durch den Federdruck
den Kontakt herstellt.
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Bei einer Sonderausführung kann der Bolzen m so gestaltet werden,
daß er nicht verschraubt, sondern durch eine Feder angepreßt wird. Er läßt sich
dann durch Gegendruck auf die Feder leicht abheben und öffnet dadurch das Kristallinnere
gegenüber dem Druckraum. Werden durch andere bekannte WIittel gleichzeitig die Bohrungen
I, 1 geschlossen, so läßt sich auf diese Weise sehr einfach die Atmosphärenlinie
im Druckdiagramm herstellen, da nach Druckausgleich inner- und außerhalb des Quarzzylinders
der Druck Null gleich Atmosphäre angezeigt wird.
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PÅTENTANSPRUCEZE: 1. Piezoelektrischer Druckindikator, dessen Ouarz
in ein Gehäuse so eingespannt ist, daß die vom Druck beaufschlagte Seite eine Abschlußwand
des Raumes für das Druckmittel bildet, während die andere Seite zur Ladungsabführung
mit einer oder mehreren isolierten Elektroden verbunden ist und nicht mit dem zu
messenden Mittel in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung
eines Hohlquarzes der hydrostatische Druck von außen auf den Ouarz einwirkt und
die Elektroden innerhalb des Quarzes angebracht sind.