DE1955040A1 - Piezoelektrischer Beschleunigungsmesswandler - Google Patents

Description

Professor Dipl.-Ing.Dr.Dr.h.c. Hans List, Graz (Österreich), Heinrichstraße 126

Piezoelektrischer Beschleunigungsmeßwandler

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Beschleunigungsmeßwandler mit zwischen der seismischen Masse und einem am Wandlergehäuse vorgesehenen Auflager angeordnetem, aus Scheiben bestehenden axial vorgespannten piezoelektrischen Meßelement.

Diese Meßgeräte werden in verschiedenen Anwendungsfällen, beispielsweise bei der Triebwerksüberwachung an Düsenflugzeugen, hohen thermischen Belastungen ausgesetzt. Bei der Triebwerksüberwachung können dabei an den Auflageflächen, an denen die -^eschleunigungsmeßgeräte befestigt sind, vorübergehend Temperaturen bis zu 600⁰O auftreten. Dies ist beispielsweise bei Schubumkehr der Fall oder aber nach Abstellen des Triebwerkes, wobei infolge des Fehlens des Kühlluftstromes die Wärme von den sehr heißen Innenteilen nach außen fließt.

Durch spezielle, bereits bekannte Maßnahmen, wie z.B. die Anordnung von Kühlkanälen in der Auflagefläche der Geräte, ist en zwar möglich, ein Temperaturgefälle zwischen Auflagefläche und Meßelement zu erreichen, doch sind die am

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Meßelement auftretenden Temperaturen immer noch unzulässig hoch. Bei Beschleunigungsmeßgeräten für Überwachungszwecke wirkt sich zwar die bekannte Verminderung des Piezoeffektes der in der üegel für das Meßelement verwendeten Quarzkristalle mit steigenden Temperaturen nicht all zu störend aus, solange die Gewähr besteht, daß sich der Piezoeffekt nach Abkühlung des Gerätes in vollem Umfang wieder einstellt, In den meisten fällen wird auch nicht im Bereich der extrem hohen Temperaturen gemessen. Außerdem kann die Überwachungsanlage für eine relativ hohe mittlere Betriebstemperatur abgestimmt werden·

Um aber eine Austauschbarkeit der Beschleunigungsmeßgeräte untereinander zu gewährleisten, müssen diese hinsichtlich der Abstimmung ihrer Empfindlichkeit genau übereinstimmen. Eine bleibende Veränderung der Empfindlichkeit während des Betriebes ist dabei absolut unzulässig. Nun ist es zwar theoretisch durchaus möglich, Meßelemente aus Quarzkristallen "bis zu einer Temperatur von 573⁰C (Curie-Punkt) zu erhitzen, ohne daß es zu einem bleibenden Empfinulichkeitsverlust kommt. In der Praxis ist aber die Temperaturbelastbarkeit eines solchen Meßwandlers selbst unter der Voraussetzung, daß das verwendete Isolationsmaterial den auftretenden Temperaturen gewachsen ist, wesentlich geringer. In der Regel ist bereits bei einer Temperatur von 300⁰C im Bereich des Meßelementes mit einem dauernden Empfindlichkeitsverlust zu rechnen.

Biesen Nachteilen der bekannten Geräte wirksam zu begegnen und einen Beschleunigungsmeßwandler hoher Temperaturbeständigkeit zu s chaffen, ist das Ziel der vorliegenden Erfindung. Hiezu ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß das Auflager eine konkave sphärische Stützfläche aufweist, an der sich eine zwischen dem Meßelement und dem Auflager angeordnete Druckplatt« mit einer konvexen sphärischen Gegenfläche abstützt. Dieser Ausbildung liegt

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die Erkenntnis zugrunde, daß vor allem eine ungleichmäßige Druckbelastung der einzelnen Scheiben -des Meßelementes für eine mangelhafte Temperaturbeständigkeit eines solchen Meßwandlers verantwortlich ist. Auf Grund der großen Festigkeit und Starrheit des Quarzmaterials kann dabei an einzelnen Stellen der Quarzscheiben eine gegenüber der mittleren Vorspannung auf ein Vielfaches überhöhte Flächenpressung auftreten, welche im Zusammenwirken mit den hohen Temperaturwerten zu einer örtlichen Überbeanspruchung des kristallinen Quarzgefüges und damit zum Auftreten von Rissen führt. Solche einseitige Druckbelastungen können schon bei der Kontage des Wandlers zufolge ungleichmäßiger Vorspannung der die Meßanordnung enthaltenden Rohrfeder entstehen. Es kann aber auch im Betrieb durch ungleichmäßige Erwärmung von Gehäuse und Rohrfeder, beispielsweise bei einseitiger Luftkühlung des Meßgerätes, zu stark ungleichmäßiger Druckbelastung der Quarzscheiben kommen.

Beim Wandler der erfindungsgemäßen Bauart ergibt sich demgegenüber eine gleichmäßige Verteilung der Vorspannung, da sich das Meßelement auf Grund seiner einseitigen kardanischen Abstützung von selbst in jene Richtung einstellt, in der seine Achse mit der Wiricungsrichtung der Vorspannkraft zusammenfällt. Dieser Ausgleich findet nicht nur bei der Montage des Wandlers sondern auch während des Betriebes bei unsymmetrischer thermischer Belastung des Wandlers statt.

Eine weitere Verbesserung der Temperaturbeständigkeit wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Stützfläche des Auflagers und die ^egenflache der Druckplatte ringförmig ausgebildet sind. Damit steht für den Wärmeübergang vom Wandlergehäuse auf die Druckplatte und damit auf das Meßelement nur ein sehr kleiner Querschnitt zur Verfugung, so daß es zu einer langsamen und gleichmäßigen Erwärmung

des Meßelementes unter Vermeidung eines unzulässig großen Temperaturgradienten kommt. Auch diese Maßnahme wirkt der Bildung von Rissen in den Quarzscheiben entgegen.

Bei der letztgenannten Αμβΐϋηπι^ ist es im Sinne eines weiteren Erfindungsvorschlages besonders vorteilhaft, wenn die Druckplatte einen zur ringförmigen Gegenfläche hin allmählich abnehmenden Querschnitt besitzt. Dies begünstigt die gleichmäßige Erwärmung der Druckplatte und damit der anliegenden Scheiben-des Meßelementes.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung besteht die Druckplatte aus einem Material, welches einen wesentlich kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist als das Material des Wandlergehäuses und des die Vorspannung erzeugenden Wandlerteiles,. z.B. einer Rohrfeder. Diese Anordnung bezweckt eine Verminderung der Vorspannung des Meßelementes bei extrem hohen Ternperaturbelastungen. Man vermeidet damit, daß es bei Spitzentemperaturen, bei welchen normalerweise ohnehin keine Messungen durchgeführt werden, zu einer Beschädigung des Meßelementes und damit zu einem Empfindliehkeitsverlust kommt. Es wurde nämlich erkannt, daß man einen mechanisch unbelasteten Meßquarz bzw· Meßquarzsatz bei langsamer gleichmäßiger Erwärmung bis nahezu an den Curie-Punkt bringen kann, ohne daß es zu einem bleibenden Empfindliehkeitsverlust kommt. Wird dagegen neben einer hohen Wärmebelastung auch eine relativ große mechanische Vorspannung auf das Mets element ausgeübt, so tritt durch Überbeanspruchtung des Quarzes schon bei wesentlich niedrigeren Temperaturen eine teilweise Zerstörung der Meßquarze ein, wobei mikroskopisch kleine Risse im Quarzgefüge zu bleibender Empfindlichkeitsverminderung führen.

Schließlich erweist es sich nach einem weiteren Merkmal der Erfindung als besonders vorteilhaft, mindestens an einer der beiden Stirnseiten des Meßelementes eine Scheibe aus

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nicht piezoelektrischen Material, z.B. aus bis über den Curie-Punkt erhitztem Quarz, beizulegen. Es wird damit auf den Umstand Bedacht genommen, daß die unterste und oberste Scheibe des Meßelementes beim Erwärmen bzw. Abkühlen des Meßwandlers durch einen zu großen Temperaturgradienten am ehesten thermisch überlastet werden können. Durch die Verwendung nicht piezoelektrischer Endscheiben wird also auch bei Vorhandensein eines großen lemperaturgradienten an der Übergangszone zwischen dem Meßelement und den benachbarten metallischen Wandlerbauteilen ein Einfluß auf die Empfindlichkeit des Meßwandlers ausgeschaltet. Die Verwendung von hoch überhitztem Quarz als Material für die nicht piezoelektrischen Scheiben erweist sich als besonders vorteilhaft, weil sich diese Hitzebehandlung leicht durchführen läßt und die übrigen physikalischen Eigenschaften des Quarzmaterials, übereinstimmend mit den übrigen Scheiben des Meßelementes, erhalten bleiben.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles eines hochtemperaturbeständigen piezoelektrischen Beschleunigungsmeßwandlers näher erläutert.

Das Gehäuse 1 des Meßwandlers ist an seiner Auflagefläche 2 mit Kühlkanälen 3 und 4 versehen, durch die der Wärmeübergang von der Meßstelle auf das Gehäuse reduziert wird. In der zentralen Aufnahmebohrung 5 befindet sich das Meßelement 6 des Wandlers, welches aus übereinandergeschichteten Scheiben 7 aus piezoelektrischem Material " wie Quarz und zwei Endscheiben 8 aus piezoelektrisch neutralem Material, beispielsweise aus bis über den Curie-Punkt erhitztem Quarz, besteht. Die zur ladungsableitung von den Scheiben 7 erforderlichen Blektroden sowie deren Verbindungen sind nicht gesondert dargestellt. Die An-

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schlußdrähte 9 des Meßelementes 6 sind über eine seitliche Bohrung 10 des Gehäuses 1 zu einem nicht dargestellten Anschlußstutzen herausgeführt.

Das Meßelement 6 liegt auf einer Druckplatte 11 auf, die sich an einer ringförmigen Stützfläche 12 des das Auflager für die Meßanordnung bildenden Gehäusebodens 13 abstützt.

Die Stützfläche 12 gehört einer zur Aufnahmebohrung 5 konzentrischen konkaven Kugelfläche an. Der Querschnitt der Druckplatte 11 verjüngt sich gegen den Gehäuseboden 13 hin, so daß die Druckplatte 11 nur mit einer ringförmigen Gegenfläche 14 auf der Stützfläche 12 aufliegt.

Auf das Meßelement 6 ist über eine metallische Zwischenscheibe 15 die seismische Masse 16 aufgesetzt, welche sich am Boden 17 einer sie umgebenden Rohrfeder 18 abstützt, welche mit. ihrem verstärkten. Ringrand 19 an der Oberseite des Wandlergehäuses 1 angeschweißt ist.

Die in bekannter Weise unter gleichzeitiger Anwendung einer axialen Belastung angeschweißte Rohrfeder 18 hält das Meßelement unter einer vorbestimmten axialen Vorspannung.

Beim Anschweißen der Rohrfeder 18 an das Gehäuse 1 kann es leicht zu kleinen Montagefehlern kommen, welche bei Meßwandlern konventioneller Bauart zu einer ungleichmäßigen Verteilung der Vorspannung über die fläche der einzelnen Quarzscheiben und damit zu einer mechanischen Überbeanspruchung derselben führt. Beim dargestellten Meßwandler ist diese Gefahr ausgeschaltet, da sich die Druckplatte 11 infolge ihrer Abstützung auf der sphärischen Stützfläche 12 des Gehäuses 1 von selbst in jene Richtung einstellt, in der die Achse des Meßelemeiites mit der Wirkungsrichtung der von der Rohrfeder 18 erzeugten Vorspannkraft zusammenfällt. Durch die auf eine sehmale Ringfläche beschränkte

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Abstützung der Druckplatte 11 sowie durch die besondere Formgebung derselben werden außerdem besondere Bedingungen für den Wärmeübergang vom Gehäuse 1 auf das Meßelement 6 geechaffen. Einerseits steht in der ringförmigen Stützfläche 12 nur ein sehr kleiner wärmeleitender Querschnitt zur Verfügung und anderseits wird durch den zum Meßelement hin allmählich zunehmenden Querschnitt der Druckplatte 1t eine sehr gleichmäßige Verteilung der vom Gehäuse zum Meßelement strömenden Wärme gewährleistet, so daß es im Bereich des Meßelementes 6 zu keinen unzulässig hohen Temperaturdifferenzen kommen kann.

Die Druckplatte 11 besteht weiters aus einem Material, welches einen wesentlich kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten als das Material des Gehäuses 1 bzw. der Rohrfeder 18 besitzt. Beim Auftreten von Spitzentemperaturen kommt es daher zu einer Verminderung der Vorspannung des Elementes 6, was meßtechnisch durchaus zulässig ist, da im Bereich dieser extrem hohen Temperaturen ohnehin keine Messungen stattfinden. Anderseits wird aber durch die Verringerung der Vorspannung eine gleichzeitige thermische und mechanische ^pitzenbelastung der Quarzscheiben, welche zu einem bleibenden Empfindlichkeitsverlust führen würde, verhindert.

Die Anordnung der beiden aus nicht piezoelektrischem Material bestehenden Endscheiben θ stellt eine weitere Sicherheitsmaßnahme zur Schonung der piezoelektrischen Scheiben 7 dar. Das Auftreten von großen Temperaturunterschieden ist ja am ehesten an den Stellen des Wandlers su erwarten, wo das Meßelement 6 an metallische Wandlerteile, im vorliegenden Fall die Druckplatte 11 sowie die Zwischenscheibe 15, angrenzt. Die nicht piezoelektrischen Scheiben 8 können diese hohen Temperaturepannungen ohne weiters aufohne irgendwelche Veränderungen zu erfahren.

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Claims (1)

1. atentansprüche :

   1./Piezoelektrischer Beschleunigungsmeßwandler mit zwischen *■—' der seismischen Masse und einem am Wandlergehäuse vorgesehenen Auflager angeordneten, aus Scheiben bestehenden, axial vorgespannten piezoelektrischen Meßelement, dadurch gekennzeichnet, daß das Auflager eine konkave sphärische Stützfläche (12) aufweist, an der sich eine zwischen dem Meßelement (6) und dem Auflager angeordnete Druckplatte (11) mit einer konvexen sphärischen Gegenfläche (H) abstützt.

   2. Piezoelektrischer Beschleunigungsmeßwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützfläche (12) des Auflagers und die Gegenfläche (14) der Druckplatte (11) ringförmig ausgebildet sind.

   3. Piezoelektrischer Beschleunigungsmeßwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckplatte (11) einen zur ringförmigen Gegenfläche (H) hin allmählich abnehmenden Querschnitt besitzt.

   4. Piezoelektrischer Beschleunigungsmeßwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckplatte (11) aus einem Material besteht, welches einen wesentlich kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist als das Material des Wandlergehäuses (1) und des die Vorspannung erzeugenden Wandlerteiles, z.B. einer Rohrfeder (18).

   5. Piezoelektrischer Beschleunigun^smeßwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens an einer der beiden Stirnseiten des Meßelementes (6) eine Scheibe (8) aus nicht piezoelektrischem Material, z.B. aus bis über den Curie-Punkt erhitztem Quarz, beigelegt ist.

   24.10.1969
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