DE1904780U - Piezoelektrischer messwandler. - Google Patents

Description

RA. 699 29OHI.ία64

Kistler Instrumente AQ₀ ^{s !OX}

Wulfliagerstrass© 2β

Win-feerthur/Sohweia Aa.s K 44 367/42k

Pieaoalektrisclier Messwandler

Di® Erfinclimg betrifft ©inen piesoelektrisehen Messwandler nit einer sich im Innern einer Eolirfeäer unter ascialer Druok-=

auf das Bohrfsdaread© und andererseits gegen «Si© Fläch© eines Widerlagers abstützt ο Ss sind derartig© Messwandler bekannt» bei denen das Widerlager für- die Krisstallanorclnung in die Bohrfader ©ingepresst ist» Bin© soleiae Anordnung hat den Naehteils» dass nieht nur sum Einpressen des Widerlagers ein besonderer Arbeitegang erforderlich ist^ sondern dass auoh noeh die erzielbar® Vorspannung erheblichen Schwankungen miterliegt₉ weil sohon die geringsten Lageyeränderungen des Widerlagers erhebliche Druokänderungen sur folge haben₀

Bei anderen bekannten Druckgebern sind dl© Widerlager und die miteinander verschraubt« Di© Anwendimg einer sol©hen

teure Arbeitsgang® im Herstellen

Sewing© lana zum Eiasolirauben &®v Widerlager in die Hülsen ο Di® Anwenctatg ¥©n Versehraubiangen s©tst axi&h &in®r Miniatuyisi©«=

von !©©swandlern ihr© &r@ng@xio ?©n besöndsrsm Ia©ateil ist das® sieh der Druek₀ dar "^oa U@m ©ingesehraubten Widerlager auf die Kristallanordnimg ausgeübt wircU einer unmittelbaren M©estmg ©ntsi©ht_? so dass aueh hier die Eiiihaltung eines ganz bestimmten Druckes nicht gewährleistet ist»

Yersehraubte Messwandler haben weiterhin den Kaohteils dass eine vakuumdichte Ausführung des Wandlers erheblieh erschwert wird« Undichtheiten des Wandlers können daisu führen^ dass die Kristall«

anordnung Feuehtigkeit aufnisat und dadurch di© notwendig® gut® Isolierung beeinträchtigt wirfi. Undi©ht© Messwandler isSaaen auch nioht in Bäumen ©ng©wendet werden₉ die unter Yakmim stehen ©der <ain©r radioaktiven Strahlung ausgesetzt sind« Auch wann dureh Y©r^©aden von Dichtungen aus Kunststoffen oc3©r anderen Werkstoffen gtmäe&st ein© gute Äbäiohtung der bekannten Messwandler ersielt i^erden kann_? so besteht dooh die Gefahr^ dass die DichtMngsiferkstoff® altern und dann die Abdichtung des Wandlers beeinträchtigt wirdo Dies gilt besonders dann₉ wenn der Wandler erhöhten Temperaturen ausgesetzt ist»

Durch die Erfinätmg warden die Nachteile der bekannten Messwandler auf überrasöhenä einfache Weise Termieden_o Die Erfindung besteht darin,, dass die ICristallaBoränung sioh unmittelbar gegen ©iae fest© Fläoh© ä@s die Rohrf@ö©r aufnehmenden g©häms@s abstützt und dl® Hoiirfecler mit @in@a Sohweiss versehen ist_s ä@r unter Vorspannung direkt mit d©m verschweigst isto

Sur@h die Erfindung wird der Vorteil erzielts, dasa während des Sohweissvorganges der Kristallanordnung di© erforderlich® Vorspannung erteilt i^erden kann» die naoh Besndigung des Schweiss«= Vorganges voll ©rhalten lileibto Is ist also möglich^ öi® gewünsehti Torspaaaimg g©nau @iniustell©n_o Dabei sini dasu kein® besonderen ₉ ■

köatspi©lig©n Arbeitaging© erforderlich, eoaddrn kam beim Sehweisgs-TOrgang selbst eingestellt werden<, Di© ä©s Wandlergehäuses mit der !Rohrfeder &UT©h ¥©r=· gibt ©in© sthr sieher® ₉ gut äefiaierte und absolut

es als©.

Messwandler auf Weise herzustellen₉ die sugleieh Kristallanoffänung die gewünsehte au erteilen und ü®n Wandler

g ait holier Ganamigdicht absusehliessan₀

©amass @in©m weiteren Merkiial <3©r Erfindung ist fwgesehens, dass

s@flaassh dar .Rohrfeder mit einem Eingsohweissbuokel ist? dessen Höhe so bemssasn ist* dass die Kristallnaeh dem SchweiesTorgang die gewüaselite Yorspannung Auf diese ?/eis@ ist @s besonders @infaoh_s di@ nötige Vorspannung am erzeugen und es wird eise besonders saubere Sotaeissiaag gewährleistete Bsi ©iner bevorEUgten ikusführungs= form der Erfiaduiig ist swisohea Rohrfeder und Wandl©rg©häus© ©ia gum Einführen'dar Sehi?©iss©l@ktröda Si@a@nd@r freier Eauia

iusserdem ?;©ist das Waadlergshäus© ©in© Hohrfedler querst eh end© Sohulterfläeh© auf ₉ di@ ©iner als Gegeaelekt^Qd® dleaeaäen sw@ittn Schwelssel©fetrod© di@ato Dies© Massnahmen laaehan ©s mSgliehj, s®iir eiafaeh aussw.1aild®n unä @s wird
Kraft© einwandfrei auf öi© gu versehweissenden Seil© d@s Wandlers

XJm su -verhindern _s dass die Kristallanorfirang durch Abspritzen des Sohweissmatarials besßhädigt ist, ist erfindungsgemäes awis©h@n ü®m piezoelektrisch©!! Quarssats und dem Wand, ergehäuge ©in keramischer Hing eingebaut ₉ äer sugl©ioh ale elelstriseller Isolator dient₀ Bei einsr besonders bevorzugten Ausführuags-* Erfindimg ist öl© pie^öslektriseli© Kris tall anordnung ®©leh@n

effizienten so su wählen^ dass die Gesamtanoidnung den gleiehen

nimgsk©©ffisi©nt©a basitatg wi® die si© umfassende Rohr·= so dass Temperaturänd©stangen keinen Einfluss auf Sie

Wsitor© lins®l!ieit®n äer Erfindung sind übt folgenden B@s@hr@i~ Mag su ©atneümeng in der die E^finäimg anhand ä®T in der Z@ioh« dargest®llt@n iueführungsbeispisl© näher erläutert wird«

1 ©in@n Längsschnitt dureh einen Messwandler nach der Srf inöimg ₉

FIg₉ 2 ©ia©n Qmersehnitt länge der Lini© 2=2 dur@h ά©η Mess=

naeh Figo l_s

3 einen Längsschnitt durch das Gehäuse ©ia©s sum Insohwei r iforb©raitet©n

S¹Ig₀ 4 ©in Detail der Anordnung naoh Figo3 in vergrössertem

5 die Anordnung naeh FIg₀3 mit angesetsten Sehweisselektro« den ο

Der in Figel dargestellte Messwandler weist ein aus Stahl hergestelltes und mit eines linspannflansola 2 Yereehenes Gehäuse 1 aufc In eingebautem Zustand wird der flansch 2 mit Hilf© eines lipptls 3 <a^f ein© Diehtuag 4 gepresst _s die auf ©in@M sehulter« antigen Sits einer ?/and/aufliegt₀ Bias© Anordnung ©rgifet eiaan ü@hr kurssn Weg der linspamifeäft®_o ¥on Tb@sonder©m Vorteil ist₉ dass siela di©8©r duroii die Pfeil® β angedeutete Weg auseerhaib dar SU3T Übertragung der ffiessärüeke dienenden Teil© b@fiad©t_s wodureh di© Genauigkeit des Wandlersignale® wessntlioh erhöht

Das Gehäuse 1 iueiet @in@n Unterteil 7 auf ₉ d@es©n in ©in® g@nam bearbeitetes, senfereeht Eur läagsaehs® stehende Fläeh® 9 übergehtο Bar Oberteil 10 des Gehäuses 1 ist mit einer Bohrimg 11 versahen₉ di@ mit d@m τοη der Wand 8 umschlossenen das ßehäuseunterteile® 7 tOaer ein© Öffnung 12 in

Gehäuseunterteil 7 dient %nr Aufnahme ü<bt pieeoelebtrieohen

ICristallbaugruppSo Mess Baugruppe umfasst ©In© l&Qhrf<&ü®T 13 ₉ die eine Wandstärke won nmr weniges Husidlsrtstel Milimetei^i auf= weist und gusammen mit &®r als- £rui@kst@mp@l dienenden Bodenpar» ti© 14 ©in© Kammsr sur Aufnahm© ύ®z

Am. offenen Eaö© dieser Kaanaer weist flis mig© Yerstärkung 15 auf» öi© als iascliweis aring mum. Ye rs ohm ei ssen der Eohrf@(3@r 13 mit der G@häus©£lä@ii© 9 di@nto Bie Yersclxweissung 16 ist als RingbuelEalschweissuag ausgeführt_o

Bi© im lasern übt Eohrf@ä®r vorhanäen® Kristallanorteung 17 wsist drei Eiagelkri stall® aus Qua rs auf₉ die gemäss i¹igo2 eiaen im wesentlioiien isreisabssimittförmigen Quersolinitt aufwsisea_o Bei dieser inoränuag wird iroa dem transversalen Pieso@ff©kt Ge~ brauch gesaolito Di@ positiven elektrisclian Ladungen werden ü@n mit ©iaem auf gedämpftes Metallbelag Tersehenen cltr Xristallanordnuag 17 mit Hilfe einer als Drahtspirale

Keata3£tf@d©r 18 abgenoimitns während äi§ n©gatif@n La« gsa. Sir@kt ü"b@r die Rohrfsäer IJ auf das Gehäuse 1 geleitet vmramio Di© positiTen laöiiagen gelangen über fl@n ^©atralta Leiter dar IContafetfader 18 in die svlt Aufnahm.® eines nieht ges@iolm©ten Steckers Si@a©nd@ Buolis© 19° Di© Buehse sitst ia einem keramische Isolator 2O₉ i©r ia d@a oberen Gehäuseteil 10 ©iagesstst ist vmü

i©BS@n Snö@a is Metallfassttngtn 21 w&ä 22 hart eingelötet sind» Bis ©foera Metallfasern^ 21 1st als Sohtteieefl&neoh ausgebildet und wird beim Zusammenbau des Gebers in einer letzten Operation TorEmgs?i@ise unter Vakuum oder Edelgasatmosphäre durch eine Bingbuckelsohweieeung 23 mit dem Gehäuseteil 10 vollständig

Zum Ausgleieh dar verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten so^ie sum Sehuts der Kristall© gegen übermässige Temperatmrspitzen bei Verwendung üea Messwandlers unter erhöhten Temperaturen sind zwei keramiaehe Hinge 24 uad 25 forgeseheng di© sieh an die

di©©@F Keramikringe 24 vmd 25 sowie der Kristall® 17 S emp-eratmrko effizient en ü@r kerami sehen Hing® sind so dass ά®τ Äu®i@haung@ko©ffisieat der G-esaxatanordnuag H₉ 24* 25 &βώι Ausdehnungskoeffizienten d@r Rohrfeder 13 gleich ist ο Der ober© Keramikring 24 gewährleistet sugleiclio dass di@ Kristall-17 nicht ömroh bei der iuefühnrng der Hingbuck©!·= 16 absprits©nd©s Material beeohädigt wirdo

In ä@m als Dniekstempel dienenden Boden 14 der Rohrfeder 13 ist ebenfalls mit Hilf© einer Ringbuckelschweissung die sur Übertfagnaag ä©s durch Pfeile 2β veranschaulichten Messdruck©® Membran 2? befestigte Der Rand äer Membran ist auf die glei@h© Weise mit ö@m unteren Gehäuseteil 7 versohweissto Zwischen dem

!©η 14 d®r Eohrftder 13 miä dem Gehämsattil 7 weist die Membran ein© ringförmige Einbuchtung auf, di© in den ringförmigen Raun swisohen dem unteren 6ehäia.g©teil 7 und d@r Rohrfeder 15

Figo 3 s©igt ©la sum Anselmeissen der Rohrfeder 13 mit der ICristallanordnung 32 vorbereitetes Gehäu©© 1 ü®& Me Am unterteil 7 ü1@b@e G©Jaäus©s ist noeh ein Flansch 31 üer später beim Abdrehen <&®b Gehäuses auf die durch die strich«= punktiert© linie angedeutet® Kontur entfernt wird ο Abweiehend von d©m Äuefiihrungsbsispiel naoh den Figo 1 und 2 enthält die aus Hohlfaser 15 und Boden 14 gebildet® Kristailkamsaer ®ine iw@iteilig@j ©ixi@n Holilgyliader bildende Kristallanordnung 32ο Bsp Einfachheit halber sind in Hg ο 5 aueb. die in Fig el darge= stellten Keramikriag® 24 und 25 weggelassen« Derartig© Hing© sind sirar vort@ilhaft₉ aber nicht unbedingt ©rf©rd©rlieho

Der am oberen End© der Rohrfeder 13 Yorges@h©n© insohwaissring 15 ist auf e&±n®T der ©ehäusefläeh© 9 gmgek©Sirt@n Stirnfläch© mit ©in©m Sohw®isebmsk©l 33 Versehens deasezi Abmessungen zw®&k^ äureh Yersuohe feestimmt werden ₀ Weil die Kristallan©rd= Vorspannung eingebaut werden soll» weist der Sohweis 33 ©ia©n Abstand ν zur Flash® 9 auf₉ wenn die Kristall® 32 an dar Ansehlagfläch© ä@s Gehäuses₉ also ebenfalls der Fläche 9s, anliegen» figo 4 seigt diesen Teil d©r Anordnung naeh

Pig ο 3 in irergrösserteia MaSs tab ₀

gum Herstellen dar Sohwei®®Y®.rbim3raig iwiselasn dem Ring 15 u&d · d©m Gehäuse 1 wiröj» wie aus FIg₀S ersichtlich, ©in© elektrisch© Schweieeelektrode 35 benutat» öl© stempalartig ausgebildet ist v&iü sieh auf ü<bt ihr sugekehrten Schulter des Siagas 15 über ä©n gaaa@n Uafang gleiehmässig abstützt ο Bas Geiiäus© 1 ist auf' eiaa feste (Jegenelektroäe 36 abgestützt α Di@ v©n d@r beweglieh en Elektrode 35 ausgeübt© Kraft P äehnt die Eolirfeder 13 so weit* üsiBS der Sehweiesbuokel 33 unter Druck aiif der Pläehe 9 des Gehäuses gum toll©gen kommt ο Beim Einsehalten des Schwelss= str©miapuls©s ^ird dar Schleissbuekel 53 zusammengedrückt und äer Hing 15 dicht mit ä@m (Jehäus© versshweissto Der Weg des

dureh das Gehäuse 1 ist öuroh Pfeile 57 in Fig_o5

Während dts Soh?j©iss"Forganges wird fler Sohweiss^buokel 33 prak tis@h flaehgedrüektj, so dass öle Sohrfeöer su,sätslioh sum Ab= stand "W aoeh @twa ua dia Sehweissbuekelhöhe h förgespaimt wird Die Aapresskraft P ä®r Elektrode 55 muss also mindestens so gross esins, dass si® die Rohrfeder um. diesen Betrag sau dehnen mago Ia©h Fertigstellung ά®τ Schleis sung bleibt di® aufge?jend©t© Anpresskraft P im wee@ntlieii©n erhalten^ eo dass di© Kristall= anordntmg unter i@r Spaairang steht_s die duroh die Anpresskraft P gegeben ist ο Weiterhin ^?irä öniroh die Sohnaissmag ein absolut Sichter Absohluse ö©r Kristallkasmer gegen di® lembranpartie de®

Il

Wandlers

Während des weiteren Zusammenbaues des Wandlers wird zunächst öl© Membran 27 am Boden 14 der Kristallkammer angeschnreisst» uad mmT ^tdkmässig mit Hilfe sweier Soiiweiss©l®ktr©äea₀ τοη denna öl® ela@ sieh von aussen gegen die Membran stUtst» während di© aaösr© Scliweisselektroäe staMörmig ausgebild@t ist wad a© in Hislitung übt Längsaehe© des Wandlergehäusea ©feen äureh äas Innere des Teiles IQ₉ die Boliruag 12 unä ä®n freien Imiearaum des Kristeiles 52 eingeführt wird_s dass si© sieh im Inneren der Qmarska!iia©r 14 auf den Boden 14' der Rohrfeder abstütsto Dann wird die ringförmige Einbuchtung der Membran ersaugt und ©ndlieh di© Membran mit dem ß@häus©@ade ©inirersohweissto Bi© letzte Speisung erfolgt ■ForamgSTieise mit Hilfe einer s-ieh gegen den Flaasöh 31 abstützenden Slelctrode und einer weiteren Elektrode ₉ di© auf die Unterseite der Membran auf den Hand der Membran auf« gesetzt wird« Schliesslich ??ird dann der Isolator 20 mit der Kontaktfeder 18 ©ingesetst und die Kapp© 21 mit dem Gehäuseteil 10

Der srfindwagsgamässe Messwandler ist dureh die Speisungen metiseh gegen den Messdruokraum uad gegen di© Umgebung abg©di©h~ t@t» Trotzdem ist g@^'^ährl®iet®t₉ dass di© Kristallanordnung unter einer g©nau y©rbsstiiiffit©n ¥©rspanaung steht ο Awsserd@a zeiohnet sicsh der erfiaduagsgeiaässe Wandler dureh @ia©n ausserordentlioh

höh© Betriebssicherheit auso Insbesondere kann er auch im Hoch vakuum ©der in radioaktiven Madien angewendet werd!©n_p weil er Icein© ©lasti©©hen Dichtungen besitzt_? die altern oder sieh der Einwirkung τοπ Strahlen naöhteilig T@räadern können₀

Is ferstaht sieh₉ dass die Erfindung nicht auf die besehriebenen Amsfüliningstoeispiele beschränkt ist» sonöern Abweichungen daYon möglich sind ₉ ohne den Eahiaen der Erfindung au Terlassen«. Ins« besondere kann die Kristallanordnung in anderer Weise als dargestellt ausgebildet sein« Beispielsweise können in der Kristall*= kammer ringeln© o<3©r m©hr@r® aufeinander ges©lii©ht©t® Kreis=· kreisringförmige Kristallplättehen angeordnet s®in_o Ferner

p S₀B₀ s©l©li© aus' Bariumtitanat uad ä@rgl@ieh®n_o Au@a ist di® Irt der K.ontakti@rung der Kristall© und die äu.ss@re Ausbildung das Wandlergehäuses für die Erfinöixng ohne Bedeutango Weitere Abweichungen you den dargestellten Ausführungsbeispielen können sich insbesondere dadurch ergeben^ dass bei Ausfühnings= £®m<B& der Erfindung nur ©iaseln© ä&r Srfiadungsmerkmale für ύά®τ mehrere in beliebiger Kombination Anwendung find©n₀

Claims (1)

1. 290-6.10.6M//

   η,

   Schutzansprüche

   euV htyUiL 1 /s. Pl M 633/6F, 3t. 1J

   Piezoelektrischer Messwandler mit einer sich im Innern einer Rohrfeder unter axialer Druckvorepannung befindlichen Kristallanordnung, die eich einerseits auf das Rohrfederende und andererseits gegen die Fläche eines Widerlagers ab~ stütztt dadurch gekennzeichnet» dass die Kristallanordnung sich unmittelbar gegen eine feste Fläche (9) des die Kohrfeder (13) aufnehmenden Wandlergehäuses (l) abstützt und die Bohrfeder mit einem Schweissflansch (15) versehen ist» der unter Vorspannung direkt mit dem Wandlergehäuse verschweisst ist„

   2ο Wandler naeh Anspruch I₉ dadurch gekennzeichnet» dass der Schweiseflansch (15) der Rohrfeder (13) mit einem Ringschwelssbuckel (33) versehen ist₉ dessen Höhe (h) so bemessen ist» dass die Kristallanordnung nach dem SchweissVorgang die gewünschte Vorspannung aufweist«

   3ο Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Rohrfeder (13) und Wandlergehäuse (l) ein zum Einführen der Sohweisselektrode (35) dienender freier Raum vorhanden ist ο

   4ο Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche» dadureh gekennzeichnet dass das Wandlergehäuse (1) eine zur Achse der Rohrfeder querstehende Schulterfläehe aufweist» die zur Abstützung einer als Gegenelektrode dienenden zweiten Schweisselektrode (36) beim Versohweissen der Rohrfeder (13) mit dem Wandlergehäuse (1) dient*

   5ο Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem piezoelektrischen Quarzsatz (17) und dem Wandlergehäuse (1) ein keramischer Ring (24) eingebaut ist* der als elektrischer Isolator dient und der ein Abspritzen von Schweissmaterial an die Kristallanordnung verhinderte

   6ο Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche» dadureh gekennzeichnetj dass dia piezoelektrische Kristallanordnung (17) zwischen keramischen Distanzringen (24 und 25) angeord« net ist? deren Längen und Ausdehnungskoeffizienten so gewählt sind, dass die Gesamtanordnung den gleichen Ausdehnungskoeffizienten besitzt, wis die sie umfassende Rohrfeder (13)ο