CH424312A - Beschleunigungskompensierter piezoelektrischer Messwandler - Google Patents

Description

  



  Beschleunigungskompensierter piezoelektrischer Messwandler
Es ist   bekamt, dass bai Messwandlern,      insbeson-    dere solchen für Druckmessung, Schwierigkeiten entstehen, wenn andere Einflüsse, Beschleunigungen oder veränderliche Temperaturen, gleichzeitig an der Messstelle auftreten, wo   eins Druckmessung vorge-    nommen werden soll.

   Werden piezoelektrische   Mess-    wandler für Druck-oder Kraftmessung verwendet, so ist der Einfluss von Temperaturänderungen im allgemeinen bedeutend geringer als bei anderen Messwandlerarten, wie induktive, kapazitive oder Deh  nungsmessstreifenwandler    ; dagegen ist die Beschleunigungsempfindlichkeit von piezoelektrischen   Mess-      wandiern für    Druck und Kraft eher grösser als die  jenige, anderer Wandlerarten.   



   Für   Boschleumgungskanipensation allein sind    zwei Anordnungen bekanntgeworden. Bei einer unter der Bezeichnung   getrennte Systeme   bekannten Anordnung sind zwei zwei bezug auf Masse identische   Quiarzsätze elektrisch    so hintereinandergeschaltet,   da# sich    bei einer Beschleunigung dies ganzen Gebers in   dessen Aohsenmchtung die positiven und    nega  tiven    Signale der beiden Quarzsätze aufheben, währenddessen jedoch nur der eine Quarzsatz das   Druck-oder    Kraftsignal erhält.

   Bei einer anderen, unter der   Bezeichnnng      vereinigte Systemen bekannten   Anondnung    sind zwei Quarzsätze elektrisch und   mechanisch hintereiniandergescbaltet,    wobei die   Piezo-    Modul des nachgeschalteten Quarzsatzes durch Än  derungderScbnittriohtungsoabgestimmt    ist, dass   im Falle einer Bescbleunigunfg das    im   ersten Quarz-    satz erzeugte positive Signal im zweiten Quarzsatz   durch em negatives kompensiert    wird. Durch die mechanische Hintereinanderschaltung wird aber von    einem Druck-oder Kraftsignal ebenfalls wieder ein    Teil durch den nachgeschalteten Quarzsatz mit abgestimmtem Piezo-Modul kompensiert.



   Beide Anordnungen haben Nachteile ; bei der ersteren sind sie verursacht durch die Trennung in zwei unabhängige mechanische Schwingungssysteme,   , die    sehr schwierig so abzustimmen sind, dass sie in    einem möglichst weiten Frequenzbereich phasentreu schwingen, was jedoch, praktisch eine unerlässliche    Voraussetzung ist.



   Die zweite Anordnung ist insofern   unpraktisch,    weil es schwierig und umständlich ist, Quarzplatten herzustellen, deren   Piezo-Modul    durch Änderung der    Schmttmchtung stufenweise kleiner gemacht wird, als    dem   Optimalzustand entspricht.   



   Die Erfindung geht demgegenüber aus von einem piezoelektrischen Messwandler mit   mnerhalb    eines gemeinsamen Gehäuses   angeordneter Kompemaa-       tionsmasse zwischen einer aus mehreren piezoelek- trischen Quarzplatten bestehenden Messquarzanordi-    nung und einer Kompensationsquarzanordnung, wobei die Kompensationsmasse zusammen mit der   Kompenstatiionsquarzanordnung den Kompensations-    teil und jdie   Messquarzanordnung zusammen    mit im Übertragungsweg der zu   messenden. Kraft vorge-      schalbsten    Elementen den Messteil bildet.



   Die   EENndung ist dadurch gekennzeichnet, dass    die Grösse der   Beschleunigungs-Kompensationsmasse    und das Verhältnis zwischen der Plattenzahl der   Me#quarzanordnung    zur   Plattenzahl    der   Kompen-       sationsquarzanordnung so gewählt dst, dass die Eigen-      schwingungszahl    des Kompensationsteils ein Mehrfaches der   Eigenschwingungszahl    des   Messteils    beträgt.



   Bei   Messwa. ndlern von der    Art, wie aie der Er   findung zugrunde liegen, bilden sowohl der Me#teil    wie der Kompensationsteil schwingungsfähige Gebilde, wobei sich insbesondere der elastische Einfluss der zwischen den   einzelnenQuarzplattenvorhandenen    Luftpolster bemenkbar macht, die sich auch bei   genauestem    optischem Schleifen der   Quarzplatten    nicht vermeiden lassen. Wie   jades    schwingungsfähige Gebilde besitzen solche   Systeme ihre Eigenschwn-      gungszahlen, wobei. sich bai bisher bekannten    An   ordnungen ein störender Einflu# des Kompensationsteils auf die Eigenfrequenz des Me#teils bemerkbar    machte.

   Mit Hilfe der Erfindung ist gewährleistet,   da# die Eigenfrequenz des Me#teils    praktisch   unab-      hängig    ist von der Anwesenheit des Kompensationsteils. Es braucht dann nur dafür gesorgt zu werden, dass die Frequenz der vom Wandler zu messenden Druck- oder Kraftschwankungen unterhalb der   Eigenfrequenz des Me#teils liegt   ; damit ist unter allen   Umständen gesichert, dass beode. Systeme      phasentreu schwangen.   



   Die Erfindung ist nachstehend anhand eines in der   Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbei-    spiels näher erläutert. Die Zeichnung veranschaulicht ferner das   Ausdehnungsverhalten von Quarz-    platten bei einer Temperaturerhöhung.   



   Fig. 1 zeigt im Schnitt einen erfindungsgemä#en Wlandler.   



   Fig. 2   zeigt drei Quarzplatten, wie    sie bei Normaltemperatur relativ zu den   Kristallachsen geschnitben    und bearbeitet wenden.



     Fig. 3 zeigt.    zwei der in Fig. 2 gezeichneten Quarzplatten bai   erhöhtem Temperaturzustand.      



   Die. in Fig. l dargestellte Ausführungsform um- fasst ein Gehäuse 20, in welchem enne elastische,    einseitig geschlossene Spannhülse 21 eingehängt ist, welche ihrerseits. mit einem Gewindenippel 22 unter   axssaler    Vorspannung   eklemmt    ist. Die   Spann-    hülse 21 ist. mit biagesteifer Grundplatte 30   ausge-    bildet und besitzt eine dünne elastische Rohrwand.



  Die Druckmembrane 23 dichtet die untere Gehäuse öffnung ab und überträgt die Messkräfte auf die Grundplatte 30. Die Bodenpartie der Grundplatte 31 ist sauber plan geläppt ; auf ihr ruht die   Temperatur-      kompensationsplatte    24, worauf in axialer Richtung eine   ungerade Anzahl von Quarzplatten    25 folgen. üblicherweise sind drei bis neun Platten vorhanden,    die den direkten Piezoeffekt verwenden. A) le Quarz-    platten   25    sind elektrisch in bekannter Weise hintereinandergeschaltet. Dazu können als Kontaktmittel entweder dünne Metallfolien verwendet werden, oder es ist auch möglich,, die Platten mit Metallschichten zu versehen, die ihrerseits mit belannten Mitteln elektrisch miteinander verbunden werden.



   Auf dem Quarzsatz 25 ist'die Kompensationsmasse   26    angeordnet, die aus einem   Material be-    steht, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient etwa 14, 0 X   10-6    pro    C    beträgt.   AnschHiessend    folgt eine normale, mit zentralem Loch   versehene Quarzplatte    27, die jedoch relativ zu den Platten 25 umgekehrt polarisiert ist. Anschliessend an diese Platte folgt der Nippel   22,    der so in den Körper 20 montiert ist, dass der Quarzsatz unter Druck-Vorspannung steht.



   Trifft nun eine Druckwelle auf die Membrane 23, welche, mit   idem    Gehäuse 20   und. der Druckpliatte    30   der Spannhülse 21 verbmaden    ist, so wird die vom unteren Quarzsatz 25 erzeugte elektrische Ladung um die vom oberen Quarz 27 erzeugte   Laidung redu-    ziert. Tritt nun aber zusätzlich eine Beschleunigung auf, so ist die vom unteren Quarzsatz 25 und den vorgeschalteten Massen 24 und 30 durch Massen  Wirkung erzeugte Laidung bei entsprechender    Abstimmung der Kompensationsmasse gleich der entgegengesetzt polanisierten Ladung des Quarzes 27   ,    rzeugt   tdurch.    die   Kompansationsmasse    26.

   Eine einfache und genaue Abstimmung kann so erfolgen,   dass. die Kompensationsmasse    vorerst etwas zu gross   gewählt wird, worauf sie dann stufenwaise    so   auge-    bohrt wird, bis der Warndler, montiert auf einem    Schwmgtisdh, kein Beschleunigungssignal mehr'ab-    gibt. Das Ausbohren erfolgt bei montiertem Wandler, und zwar durch die axiale Öffnung des Nippels 22 hindurch.



      Die Temperaturkompensation ist @insofern er-    schwert,   als dije Quarzplatten entsprechend    Fig. 2 und 3 in den z-und y-Richtungen verschiedene Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Die betreffenden Koeffizienten sind in der Zeichnung   ein-      getrafgen.   



   Bei Raumtemperatur kreisrund ausgeschnittene Platten (Fig. 2) sind wie Fig. 3 zeigt, bei erhöhter Temperatur   in'Richtung der y-Achse wesentlich grö-    sser. Wird nun diese ovale Ausdehnung durch auf die Flachseite wirkende   Auflagekräfte    mittels Mate  rial    verhindert, das einen gleichmässigen Ausdeh  nungskoeffizienten, jedoch miit. kleinerem    Wert als
14, 0 X   10-6    pro  C aufweist, so entstehen radial gerichtete Kräfte P (Fig.

   3), welche ihrerseits elektrische   Ladungenerzeugen,wasunter    allen Umständen ver  hindert werden mu#.    Um solche Temperaturschubkräfte zu vermeiden, wird vor dem Quarzsatz 25 eine Temperaturkompensatorplatte 24 gelegt, die aus dem gleichen   Quarzamaterial    besteht und   bezügltich       Achsentage gleich wie die übrigen Platten orientiert    ist. Damit diese Platte 24 ihrerseits keine Ladungen erzeugt, wird diese vollständig metallisiert. Damit die   y-Aahsen Ider Platte. 24    und der untersten Platte des Paketes 25 gemäss   Fig. 2 genau afufeinander-    liegen, sind sie durch   Ritzmarken    32 gekennzeichnet   dlie    bei der Montage aufeinanderzuliegen kommen.



  Die Dicke dar. Platte 24 wird vorteilhaft so gewählt,   da#      Isie    eine Temperaturkompensation in axialer Richtung   bewirkt. Die übrigen Quarze des    Satzes 25 werden ebenfalls gerichtet eingelegt.



   Die Kompensationsmasse 26 besteht ihrerseits aus einem Material, das einen   Awsidehnungskoeffi-      zienten vom etwa    14, 0 X   10-6    pro  C aufweist. Eine Auflage auf   isolchem    Material erzeugt an den y Achsen keinen Radialschub, wohl aber auf den z Achsen, wodurch jedoch keine Ladungen erzeugt werden. Für eine wirkungsvolle Temperaturkompensation ist deshalb eine Materialqualität mit   Ausdeh-    nungskoeffizient von 14, 0 X 10-6 pro  C am günstigsten. Es kann für die   Komponsationsmasse    z. B. eine geeignete Stahllegierung gewählt werden. Die mit   diesen Massnahmen erraichte Temperaturkom-      pensation ist annähernd    zu 100 % wirksam.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH Beschleunigungskompensierter piezoelektrischer Messwandler mit innerhalb eines gemeinsamen Ge häuses angeordneter Kompansationsm. asse zwischen einer aus mehreren piezoelektrischen Quarzplatten bestehenden Me#quarzanordnung und einer Kom pensationsquarzanordnung, wobei die Kompensationsmasse zusammen mit der Kompensationsquarzanord- nung den Kompensationsteil und die Messquarz- anordnung zusammen mit im Übertragungsweg der zu messenden Kraft vorgeschalteten Elemen- ten den Messteil bildet, dadurch gekennzeichnet,

   dass die Grösse der Beschleunigungskompensations- masse und das Verhältnis zwischen der Plattenzahl der Me#quarzanordnung zur Plattenzahl dler Kompensationsquar. zanordnfung so tgewählt ist, dass die Eigenschwingungszahl des Kompensationsteils ein Mehrfaches der Eigensohwmgungszahl des Messteiles beträgt.

   UNTERANSPRÜCHE 1. Messwaddler nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet,dassdieMessquarzanordnmigauseiner ungeraden Anzahl von mechanisch und elektrisch hintereinandergeschalteten Quarzplatten besteht.

   2. Messwandler nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Messquarzanordnung, die Kompensationsquarzanordnung und die dazwischen befindliche Kompensationsmasse innerhalb einer vorgespannten elastischen rohrfedenartigen Spannhülse angeor'dnet sind, die an einem En) de am Wandler- gehäuse abgestützt äst und am anderen Ende mit einer dem Messdruck bzw. der Messkraft auszu- setzenden Membrane verschweisst ist.

   3. Messwandler nach Patentanspruch und Unberanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwi schen'demBadenderSpannhülseundderMess- quarzanordnung sich eine allseitig elektrisch leitend metallisiepte piezoelektrische Quarzplatte befindet, deren Achsanridhtungen mit denjenigen der Mess- quarzanordnung übereinstimmen.

   4. Me#wandler nach Fatentanspruch, dadurch ge- kennzeichnet, da# die Kompensationsquarzanordnunig entgegengesetzt zur Messquarzamondnung ge- polt ist und ein Loch aufweist, das zur Abstimnmng der Beschleunigungskompensationsmasse bei zusammengebautem Wandler ein Ausbohren der Kompensationsmasse erlaubt.

   5. Messwaddler nach Patentanspruch, datduroh ge- kennzeichnet, da# die Kompensationsmasse aus einem Werkstoff mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von mindestens 14 X 10-6 pro C besteht.