Piezoelektrischer Messwandler
Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Messwandler mit einem dem Messkristallsatz gegengeschalteten Kompensations-Kristallsatz zur Ausschaltung der durch Beschleunigungskräfte bedingten Störeinflüsse und einer mit dem Kompensations-Kristallsatz zusammenwirkenden, einen zu Abstinnuzwecken der unterschiedlichen Ladungsabgabe spanabhebend abtragbaren Abschnitt aufweisenden Kompensationsmasse.
Die Beschleunigungsempfindlichkeit von piezoelektrischen Messwandlern ist bekanntlich darauf zurückzuführen, dass sowohl der Messkristallsatz selbst als auch weitere, mit dem Messkristallsatz schwingungsfähig gekoppelte Wandlerteile, wie der Boden der den Messkristallsatz enthaltenden Rohrfeder, dem Messkristallsatz beigelegte Ausgleichsscheiben sowie auch Teile der das Wandlergehäuse stirnseitig abschliessenden Membrane, massebehaftete Störsysteme darstellen, die beim Auftreten von Beschleunigungen im Messkristallsatz von der eigentlichen Messgrösse, z.B. dem Druck, unabhängige Ladungen erzeugen.
Die Beseitigung dieser als Fehler in das Messergebnis eingehenden Ladungen erfolgt bei einer bekannten Messwandlerausführung der erwähnten Bauart dadurch, dass die Kompensationsmasse im Kompensations-Kristallsatz eine gleich grosse, aber entgegengesetzt gepolte Ladung erzeugt, so dass die beschleunigungsabhängigen Ladungen einander aufheben.
Um eine auf Grund der Masstoleranzen der aktiven Wandlerteile und der zuweilen unterschiedlichen Ladungsabgabe der einzelnen Scheiben des Messkristallsatzes gebotene Abstimmung des Wandlers zu ermöglichen, ist bei einer bekannten Messwandlerausführung die Kompensationsmasse zwischen einer an einem festen Widerlager sich abstützenden durchbohrten Kompensations-Kristallscheibe und dem eigentlichen Messkristallsatz so angeordnet, dass sie über die zentrale Längsbohrung des Wandlergehäuses bei ausgebautem Anschlussstecker für eine nachträgliche spanabhebende Bearbeitung zugänglich ist. Die Kompensationsmasse wird hiebei von der Steckerseite her so lange angebohrt, bis bei zwischendurch vorgenomme- nen Kontrollmessungen der vom Wandler auf einem Schwingtisch abgegebenen Ladungen keine Anzeige mehr festzustellen ist.
Diese Art der Abstimmung ist aber aus mehreren Gründen nachteilig. Vor allem ist es umständlich, für die nachträgliche Bearbeitung der Compensationsmasse den Anschlussstecker auszubauen. Ausserdem besteht die Gefahr dass die beim Bohren anfallenden Späne beim endgültigen Zusam menbau des Wandlers nicht restlos entfernt werden und dann Anlass zu Kurzschlüssen geben. Das Ausbohren der Kompensationsmasse ist weiter mit einer beträchtlichen mechanischen Beanspruchung der empfindlichen Wandlerteile verbunden, die unter Umstän- den auch zu Veränderungen der voreingestellten Vorspannung der Kristallsätze führen kann. Schliesslich muss bei dem bekannten Wandler auch auf einen fixen Anschluss des Ladungsableitungsdrahtes an der Elektrode verzichtet werden.
Es ist weiter bei einem piezoelektrischen Beschleunigungsmessgerät bekannt, die seismische Masse in der Rohrfeder derart anzuordnen, dass sie über das Ende der Rohrfeder ein Stück hinausragt. Dadurch ist die Möglichkeit gegeben, eine Abstimmung der Queremp findlichkeit des Gerätes durch schrittweises Abtragen von Material der seismischen Masse vorzunellmen.
Auch diese Massnahme, die im übrigen zur Lösung des Erfindungsproblems nichts beiträgt, birgt die Gefahr einer Beschädigung der hochempfindlichen Wandlerteile bei der nachträglichen Bearbeitung der seismischen Masse, welche lediglich durch die Vorspannung der Rohrfeder von dieser reibschlüssig festgehalten ist.
Die bei der Materialabtragung angewendeten Schnittkräfte können daher leicht zu einer Relativbewegung der seismischen Masse in bezug auf die Rohrfeder führen, was eine ernste Beschädigung des darunterliegenden Messkristallsatzes zur Folge haben kann.
Die vorliegende Erfindung bezweckt demgegenüber die Schaffung eines beschleunigungskompensierten Messwandlers, welcher nicht nur die Nachteile der bekannten Wandlerausführungen vermeidet, sondern auch eine weitaus präzisere Abstimmung der zur Beschleunigungskompensation beitragenden Elemente gestattet.
Der erfindungsgemässe Messwandler ist dadurch gekennzeichnet, dass zwei Kompensationsmassen vorgesehen sind, von denen die eine in an sich bekannter Weise als zwischen dem Messkristallsatz und dem Kompensations-Kristallsatz angeordneter und mit den Kristallsätzen zwischen dem Boden einer Rohrfeder und einer mit dem Wandlergehäuse starr verbundenen Stützfläche unter axialer Vorspannung gehaltener Massekörper ausgebildet ist, und die andere, den zur Erzielung der Feinabstimmung spanabhebend abtragbare Abschnitt aufweisende Kompensationsmasse als an der Stirnfläche des Rohrfederbodens und bzw. oder an der das Wandlergehäuse stirnseitig abschliessenden Membrane angebrachter Ansatz ausgebildet ist.
Diese Bauart ermöglicht es, die Feinabstimmung der Beschleunigungskompensation durch Abtragen von Material von dem zur Kompensationsmasse gehörigen Ansatz erst nach der endgültigen Montage des Messwandlers vorzunehmen, wobei sich jeglicher Ausbau von Wandlerteilen während der Bearbeitung erübrigt.
Dies ist nicht nur wegen der durch die freiliegende Anordnung des Ansatzes gegebenen Vereinfachung und Erleichterung bei der spanabhebenden Nachbearbeitung dieses für die Feinabstimmung verantwortlichen Wandlerteiles von Vorteil, sondern auch deshalb, weil die Gefahr einer Beschädigung der im Wandlergehäuse hermetisch dicht eingeschlossenen aktiven Wandlerteile wesentlich vermindert und das Eindringen von Spänen ins Innere des Wandlers vermieden ist.
Gegenüber der eingangs genannten bekannten Wandlerbauart bietet die erfindungsgemässe Ausführung des Messwandlers auch eine Vereinfachung der während der Abstimmarbeiten vorzunehmenden Zwischenkontrollen. Da die Abstimmung an dem bereits endgültig montierten und mit sämtlichen Anschlüssen versehenen Wandler vorgenommen wird, sind die bei den Kontrollmessungen erforderlichen Anschlüsse mit wenigen Handgriffen, beispielsweise mittels Steckverbindungen, herstellbar.
Zur Genaugikeit der durch die erfindungsgemässe Bauart erreichbaren, nahezu vollkommenen Beschleunigungskompensation trägt auch der Umstand bei, dass die spanabhebende Abtragung des Ansatzes durch Abdrehen, also eine sehr feinfühlige Bearbeitungsweise, erfolgen kann.
Bei Messwandlern mit einer aus einem am Wandlergehäuse befestigten Aussenring, einem mit dem Rohrfederboden fest verbundenen und mit dem Aussenring koaxialen Innenring und einem zwischen den Ringen liegenden flexiblen, sich über die gesamte Breite eines Ringspaltes erstreckenden, gewölbten Abschnitt bestehenden Rollmembrane, empfiehlt es sich, den Innenring der Rollmembrane sowie den in an sich bekannter Weise als den Innenring durchsetzender Druckstempel ausgebildeten Rohrfederboden über die stirnseitige Begrenzungsebene des Membranaussennnges axial vorstehend auszubilden, wobei die vorstehenden Teile des Innenringes und des Rohrfederbodens den spanabhebend abtragbaren Teil der Kompensationsmasse bilden.
Damit steht für die Feinabstimmung der Beschleunigungskompensation ein Ansatz mit verhältnismässig grossem Durchmesser zur Verfügung, welcher auch grössere Schwankungen der Masstoleranzen der Kompensationsmasse sowie der Empfindlichkeit der Kristallsätze auszugleichen gestattet.
Bei Messwandlerausführungen mit einer längs ihres hülsenartigen Randabschnittes am Wandlergehäuse stirnseitig angeschweissten, mit ihrer Innenfläche am Rohrfederboden anliegenden Plattenfedermembrane kann vorteilhaft der spanabhebend abtragbare Teil der Kompensationsmasse von dem im Bereich des Rohrfederbodens gelegenen, mit grösserer Wandstärke ausgeführten Ansatz des Mittelteiles der Plattenfedermembrane gebildet sein. Diese Wandlerbauart ist zur Durchführung der dargelegten Kompensationsmassnahmen deshalb besonders geeignet, weil die beim Abtragen von überschüssigem Material des Membranmittelteiles auftretenden Schnittkräfte zum überwiegenden Teil über die Membrane direkt auf das Wandlergehäuse übertragen werden, und der Messkristallsatz lediglich durch eine axiale und somit der normalen Belastung im Messbetrieb entsprechende, geringe Kraftkomponente belastet ist.
Die Erfindung wird im folgenden an zwei Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung erläutert. Die Fig. 1 und 2 zeigen je einen Axialschnitt eines Messwandlers gemäss der Erfindung.
Das Gehäuse 1 des in Fig. 1 dargestellten wassergekühlten Messwandlers weist einen mittig durchbohrten Einsatz 2 auf, welcher sich auf einem Absatz 3 der abgestuften Bohrung 4 des Gehäuses 1 ab stützt. Den Einsatz 2 durchsetzt eine Isolierhülse 5, in die eine Anschlussbuchse 6 für die nicht dargestellte Messleitung eingesetzt ist.
An der gegenüberliegenden Seite des Einsatzes 2 ist die das Kristallsystem enthaltende Rohrfeder 7 angeschweisst. Die Rohrfeder 7 enthält innerhalb einer Isolierhülse 8 den unter Beilage einer Ausgleichscheibe 9 am Boden 10 der Rohrfeder sich abstützenden, aus Quarzkristallscheiben 11 bestehenden Messkristallsatz 12. An diesen schliesst ein zylindrischer Massekörper 13 an, welcher sich unter Beilage einer mittig durchbohrten Kompensations-Quarzscheibe 14 an der ein festes Widerlager bildenden Stirnfläche 15 des Einsatzes 2 abstützt. Die Rohrfeder 7 hält den Messkristallsatz 12 und die Kompensations-Quarzscheibe 14 in bekannter Weise unter axiaIer Vorspannung.
Das Messwandlergehäuse 1 ist an der der Messstelle zugewendeten Seite durch eine Rollmembrane 16 abgeschlossen, welche aus einem am Wandlergehäuse 1 befestigten Aussenring 17, einem mit dem Rohrfederboden 10 verbundenen Innenring 18 und einem zwischen den Ringen liegenden gewölbten Abschnitt 19 besteht. Die Membrane 16 dichtet den von der Bohrung 4 und der Rohrfeder 7 begrenzten und über Anschlussstutzen 20 und 21 an ein Kühlwassersystem angeschlossenen Kühlwasserraum 22 des Wandlers ab.
Wie in Fig. 1 durch strichpunktierte Linien angedeutet, weisen der Innenring 18 der Rollmembrane 16, sowie der als den Innenring durchsetzender Druckstempel ausgebildete Rohrfederboden 10 über die stirnseitige Begrenzungsebene des Membranaussenringes 17 vorstehende Teile 18' und 10' auf. Diese Teile 18' und 10' bilden zusammen mit dem Massekörper 13, welcher zugleich als Abnahmeelektrode des Wandlers dient, und über eine Leitung 23 mit der Anschlussbuchse 6 verbunden ist, ein Kompensationssystem zum Ausgleich von durch Beschleunigungskräfte hervorgerufenen, im Messkristallsatz 12 entstehenden, von der Messgrösse unabhängigen Ladungen. Für die Entstehung dieser Ladungen ist die von der Ausgleichsscheibe 9, dem Boden 10 der Rohrfeder 7 und dem Innenring 18 der Membrane 16 gebildete Störmasse verantwortlich.
Zu dieser Störmasse kommt noch die Masse der vorstehenden Teile 10' und 18' des Rohrfederbodens 10 und des Innenringes 18 hinzu.
Die von diesen Störmassen erzeugten Ladungen werden durch in der zum Messkristallsatz 12 entgegengesetzt gepolten Kompensations-Quarzscheibe 14 unter der Wirkung des Massekörpers 13 entstehende Ladungen aufgehoben. Um eine Feinabstimmung der Beschleunigungskompensation zu ermöglichen, wird nach endgültiger Montage des Wandlers so lange Material von den vorstehenden Teilen 10' und 18' des Rohrfederbodens 10 und des Innenringes 18 durch Abdrehen abgetragen, bis eine zwischendurch vorgenommene Kontrollmessung, bei der die von dem auf einem Schwingtisch aufgespannten Wandler abgegebene beschleunigungsabhängige Ladung gemessen wird, am Messgerät keinen Ausschlag mehr liefert. Der Rohrfederboden 10 und der Innenring 18 weisen dann die mit vollen Linien eingezeichnete Kontur auf.
Bei der Wandlerbauart nach Fig. 2 ist das Gehäuse 24 an der der Messstelle zugewendeten Seite durch eine längs ihres hülsenartigen Randes 25 angeschweisste Plattenfedermembrane 26 abgeschlossen. Diese liegt mit ihrer Innenfläche am Boden 27 der am zentralen Einsatz 29 angeschweissten, die piezoelektrische Kristallanordnung enthaltenden Rohrfeder 28 an. Der im Bereich des Rohrfederbodens 27 gelegene Mittelteil 30 der Membrane 26 ist mit grösserer Wandstärke ausgeführt und bildet einen - in der Zeichnung durch stirchpunktierte Linien angedeuteten - vorstehenden Ansatz 30'.
Die übrigen, mit den Bauteilen des Wandlers nach Fig. 1 übereinstimmenden Wandlerteile sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 versehen.
Die Ausgleichscheibe 9, der Rohrfederboden 27, der Membranmittelteil 30, sowie der vorstehende Ansatz 30' bilden bei dieser Wandlerausführung die für das Entstehen beschleunigungsabhängiger Ladungen verantwortlichen Störmassen. Der Ausgleich dieser Ladungen erfolgt in analoger Weise wie beim ersteren Ausführungsbeispiel mittels des Massekörpers 13 und der zum Messkristallsatz 12 entgegengesetzt gepolten Kompensations-Quarzscheibe 14.
Die Abstimmung der Beschleunigungskompensation mit Rücksicht auf die vorhandenen Masstoleranzen der aktiven Wandlerteile und die unterschiedliche Empfindlichkeit der einzelnen Kristallscheiben erfolgt auch bei diesem Wandlertyp durch Abdrehen des vorstehenden Ansatzes 30' bis zum Verschwinden der Anzeige an einem Kontrollmessgerät bei einer im Verlauf des Abstimmvorganges vorgenommenen Zwischenkontrolle des Wandlers am Schwingtisch.
Piezoelectric transducer
The invention relates to a piezoelectric measuring transducer with a compensation crystal set oppositely connected to the measuring crystal set to eliminate the interference caused by acceleration forces and a compensation mass which interacts with the compensation crystal set and has a section which can be removed by cutting for purposes of dissipating the different charge output.
The acceleration sensitivity of piezoelectric transducers is known to be due to the fact that both the measuring crystal set itself and other transducer parts that are coupled to the measuring crystal set so as to vibrate, such as the base of the tube spring containing the measuring crystal set, the compensating disks enclosed with the measuring crystal set and parts of the diaphragm closing the transducer housing at the front, are mass-attached Represent interfering systems which, when accelerations occur in the measuring crystal set, depend on the actual measured variable, e.g. the pressure to generate independent charges.
In a known transducer design of the type mentioned, these charges, which are included as errors in the measurement result, are eliminated in that the compensation mass in the compensation crystal set generates a charge of the same size but with opposite polarity, so that the acceleration-dependent charges cancel each other out.
In order to enable the transducer to be coordinated due to the dimensional tolerances of the active transducer parts and the sometimes different charge output of the individual disks of the measuring crystal set, in a known transducer design the compensation mass between a pierced compensation crystal disk supported on a fixed abutment and the actual measuring crystal set is as follows arranged so that it is accessible via the central longitudinal bore of the converter housing when the connector is removed for subsequent machining. The compensation mass is drilled from the plug side until no display can be detected any more during control measurements of the charges emitted by the transducer on a vibrating table.
However, this type of coordination is disadvantageous for several reasons. Above all, it is cumbersome to remove the connector plug for subsequent processing of the compensation mass. In addition, there is a risk that the chips produced during drilling will not be completely removed when the converter is finally assembled and then give rise to short circuits. The drilling out of the compensation mass is also associated with considerable mechanical stress on the sensitive transducer parts, which under certain circumstances can also lead to changes in the preset pretensioning of the crystal sets. Finally, a fixed connection of the charge dissipation wire to the electrode has to be dispensed with in the known converter.
It is also known in a piezoelectric accelerometer to arrange the seismic mass in the Bourdon tube in such a way that it protrudes slightly beyond the end of the Bourdon tube. This gives the possibility to adjust the cross-sensitivity of the device by gradually removing material from the seismic mass.
This measure, which does nothing to solve the problem of the invention, also harbors the risk of damage to the highly sensitive transducer parts during subsequent processing of the seismic mass, which is only frictionally held in place by the pretensioning of the Bourdon tube.
The cutting forces applied during the material removal can therefore easily lead to a relative movement of the seismic mass with respect to the Bourdon tube, which can result in serious damage to the underlying measuring crystal set.
In contrast to this, the present invention aims to create an acceleration-compensated measuring transducer which not only avoids the disadvantages of the known transducer designs, but also allows a much more precise coordination of the elements contributing to the acceleration compensation.
The transducer according to the invention is characterized in that two compensation masses are provided, one of which is underneath in a manner known per se as arranged between the measuring crystal set and the compensation crystal set and with the crystal sets between the bottom of a tubular spring and a support surface rigidly connected to the transducer housing axial preload held mass body is formed, and the other, the to achieve the fine tuning removeable portion having compensation mass is formed as on the end face of the Bourdon tube base and / or on the transducer housing frontal closing membrane approach.
This design makes it possible to fine-tune the acceleration compensation by removing material from the approach belonging to the compensation mass only after the final assembly of the transducer, with any removal of transducer parts during processing being superfluous.
This is not only advantageous because of the simplification and relief provided by the exposed arrangement of the approach in the machining post-processing of this converter part responsible for fine tuning, but also because the risk of damage to the active converter parts hermetically sealed in the converter housing is significantly reduced and that Penetration of chips into the interior of the transducer is avoided.
Compared to the known transducer design mentioned at the beginning, the embodiment of the measuring transducer according to the invention also offers a simplification of the intermediate checks to be carried out during the tuning work. Since the coordination is carried out on the converter, which has already been finally installed and provided with all connections, the connections required for the control measurements can be made in a few simple steps, for example by means of plug connections.
The fact that the attachment can be removed by machining, i.e. a very sensitive processing method, also contributes to the accuracy of the almost perfect acceleration compensation that can be achieved by the design according to the invention.
In the case of transducers with an outer ring attached to the transducer housing, an inner ring firmly connected to the Bourdon tube base and coaxial with the outer ring, and a flexible, arched section between the rings and extending over the entire width of an annular gap, it is advisable to use the The inner ring of the rolling diaphragm and the tubular spring base, which is designed as the inner ring penetrating pressure plunger, are designed to protrude axially over the frontal boundary plane of the membrane exterior, the protruding parts of the inner ring and the tubular spring base forming the part of the compensation mass that can be removed by machining.
Thus, for the fine-tuning of the acceleration compensation, an approach with a relatively large diameter is available, which also allows larger fluctuations in the dimensional tolerances of the compensation mass and the sensitivity of the crystal sets to be compensated.
In the case of transducer designs with a diaphragm which is welded to the front side of the transducer housing along its sleeve-like edge section and rests with its inner surface on the Bourdon tube base, the part of the compensation mass that can be removed by machining can advantageously be formed by the larger wall thickness of the extension of the central part of the diaphragm which is in the area of the Bourdon tube base. This type of transducer is particularly suitable for performing the compensation measures outlined above, because the cutting forces that occur when excess material is removed from the central part of the diaphragm are for the most part transmitted directly to the transducer housing via the diaphragm, and the measuring crystal set is only transmitted through an axial and thus normal load during measuring operation corresponding, low force component is loaded.
The invention is explained below using two exemplary embodiments with reference to the drawing. 1 and 2 each show an axial section of a transducer according to the invention.
The housing 1 of the water-cooled transducer shown in FIG. 1 has a centrally pierced insert 2 which is supported on a shoulder 3 of the stepped bore 4 of the housing 1. The insert 2 is penetrated by an insulating sleeve 5, into which a connection socket 6 is inserted for the measuring line, not shown.
The tubular spring 7 containing the crystal system is welded to the opposite side of the insert 2. The Bourdon tube 7 contains within an insulating sleeve 8 the measuring crystal set 12, which is supported by quartz crystal disks 11 and is supported by a compensating disk 9 on the base 10 of the Bourdon tube. This is followed by a cylindrical mass body 13, which is attached with a centrally pierced compensation quartz disk 14 the end face 15 of the insert 2, which forms a fixed abutment, is supported. The Bourdon tube 7 holds the measuring crystal set 12 and the compensation quartz disk 14 in a known manner under axial pretension.
The transducer housing 1 is closed on the side facing the measuring point by a rolling membrane 16, which consists of an outer ring 17 attached to the transducer housing 1, an inner ring 18 connected to the Bourdon tube base 10, and a curved section 19 between the rings. The membrane 16 seals off the cooling water space 22 of the converter, which is delimited by the bore 4 and the Bourdon tube 7 and connected to a cooling water system via connecting pieces 20 and 21.
As indicated in Fig. 1 by dash-dotted lines, the inner ring 18 of the rolling diaphragm 16, as well as the tubular spring base 10 formed as the pressure ram penetrating the inner ring, have parts 18 'and 10' protruding beyond the frontal boundary plane of the outer diaphragm ring 17. These parts 18 'and 10', together with the mass body 13, which also serves as a pick-up electrode for the transducer and is connected to the connection socket 6 via a line 23, form a compensation system to compensate for acceleration forces caused in the measuring crystal set 12 by the Measured quantity of independent charges. The disturbance mass formed by the compensating disk 9, the base 10 of the Bourdon tube 7 and the inner ring 18 of the membrane 16 is responsible for the creation of these charges.
The mass of the protruding parts 10 'and 18' of the Bourdon tube base 10 and of the inner ring 18 are added to this disturbing mass.
The charges generated by these perturbation masses are canceled by charges arising in the compensation quartz disk 14, which is polarized in the opposite direction to the measuring crystal set 12, under the effect of the mass body 13. In order to enable fine-tuning of the acceleration compensation, material is removed from the protruding parts 10 'and 18' of the Bourdon tube base 10 and the inner ring 18 by turning after the transducer has been finally installed until a control measurement carried out in between, in which the from the on one The acceleration-dependent charge given off by the transducer mounted on a vibrating table is measured, no longer delivers a deflection on the measuring device. The Bourdon tube base 10 and the inner ring 18 then have the contour drawn in with full lines.
In the converter design according to FIG. 2, the housing 24 is closed on the side facing the measuring point by a plate spring membrane 26 welded along its sleeve-like edge 25. This rests with its inner surface on the bottom 27 of the tubular spring 28, which is welded to the central insert 29 and which contains the piezoelectric crystal arrangement. The central part 30 of the diaphragm 26 located in the area of the Bourdon tube base 27 is designed with a greater wall thickness and forms a protruding projection 30 ', indicated in the drawing by dotted lines.
The other converter parts which correspond to the components of the converter according to FIG. 1 are provided with the same reference numerals as in FIG.
The compensating disk 9, the Bourdon tube base 27, the diaphragm middle part 30, as well as the protruding extension 30 'form the disruptive masses responsible for the generation of acceleration-dependent charges in this converter design. The compensation of these charges takes place in a manner analogous to the first exemplary embodiment by means of the mass body 13 and the compensation quartz disk 14 polarized in the opposite direction to the measuring crystal set 12.
The coordination of the acceleration compensation with regard to the existing dimensional tolerances of the active converter parts and the different sensitivity of the individual crystal disks also takes place with this converter type by turning off the protruding extension 30 'until the display on a control measuring device disappears during an intermediate control of the converter carried out during the tuning process at the swing table.