Piezoelektrischer Messwandler
Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Messwandler mit im Wandlergehäuse innerhalb einer Rohrfeder zwischen einem zur Achse des Wandlergehäuses normalen, mit dem Wandlergehäuse starr verbundenen Auflager und dem die Rohrfeder stirnseitig abschliessenden dmckübertragenden Stempel unter axialer Vorspannung gehaltenem, piezoelektrischen Messkristallsatz. Bei diesen bekannten Messwandlern wird die Rohrfeder nach dem Einlegen des Messkristallsatzes an dem das Auflager aufweisenden Wandlerteil, z.B. einem Absatz des Wandlergehäuses bzw. eines Gehäuseeinsatzes, unter Vorspannung angeschweisst, angeschraubt oder aufgepresst.
Für eine einwandfreie Zentrierung der Rohrfeder am Gehäuse bzw. dem Gehäuseeinsatz ist eine ausserordentlich sorgfältige Bearbeitung der Passflächen beider Teile unerlässlich, da sich schon geringfügige Abweichungen von der erstrebten koaxialen Lage der Rohrfeder und des Gehäuses bzw. Gehäuseeinsatzes in einer ungleichmässigen Verteilung der Vorspannung über den Querschnitt des Kristallsatzes auswirken. Der damit verbundene Einfluss auf die Wandlercharakteristik erweist sich vor allem bei der serienmässigen Herstellung von Messwandlern dieser Bauart als nachteilig. Auch die Herstellung der üblicherweise mit dem druckübertragenden Stempel des Wandlers aus einem Stück bestehenden, mit Rücksicht auf die erforderlichen Federungseigenschaften sehr dünnwandig ausgeführten Rohrfeder bereitet mitunter erhebliche Schwierigkeiten.
Diese Nachteile der bekannten piezoelektrischen Messwandler werden durch die vorliegende Erfindung beseitigt. Hiezu ist erfindungsgemäss vorgesehen, dass die Rohrfeder mit dem das Auflager aufweisenden Wandlerteil aus einem Stück besteht und der druckübertragende Stempel als separater Bauteil ausgeführt und am stirnseitigen Rand der Rohrfeder angeschweisst ist. Dadurch kann bei verringertem Bearbeitungsaufwand die Forderung der achsgleichen Anordnung von Rohrfeder und Gehäuse bzw. Gehäuseeinsatz auf wesentlich vereinfachte Weise erfüllt werden. Ausserdem ergeben sich günstigere Bedingungen für den Einbau des Messkristallsatzes in die Rohrhülse, da dieser durch Einlegen des vorteilhafterweise zuvor durch Diffusionsschweissung zu einem einheitlichen Block verbundenen Messkristallsatzes von der äusseren offenen Stirnseite der Rohrfeder her erfolgen kann.
Die erfindungsgemässe Messwandlerausführung bietet darüberhinaus aber auch den Vorteil, dass der Bodenteil der Rohrfeder aus einem anderen Material als diese hergestellt werden kann, beispielsweise aus einem Material mit anderem Wärmeausdehnungskoeffizienten, so dass der Bodenteil selbst anstelle der sonst vielfach üblichen Temperaturkompensationsscheiben zum Ausgleich temperaturbedingter Dehnungsunterschiede der Rohrfeder und des Messkristallsatzes herangezogen werden kann. In diesem Fall führt die Verkleinerung der Masse der dem Messkristallsatz vorgelagerten Bauteile zu einer Verbesserung der Eigenfrequenz des Wandlers.
Gegenüber bekannten Messwandlern, bei denen die Rohrfeder mit dem Gehäuseeinsatz durch Widerstandsschweissung verbunden ist, bestehen überdies günstigere Voraussetzungen für den Schweissvorgang selbst, da die Berührungsflächen der Rohrfeder und des druckübertragen den Stempels sehr klein gehalten werden können, so dass an der Schweissstelle hohe Stromdichten auftreten und die Schweissdauer abgekürzt werden kann.
Bei einer bevorzugten Messwandlerausführung mit einem das Auflager aufweisenden zentralen Gehäuseeinsatz weist der mit der Rohrfeder einstückige, sich mit einer Ringschulter an einem Absatz des Wandlergehäuses abstützende zentrale Gehäuseeinsatz im Bereich zwischen der Ringschulter und dem ihr naheliegenden Ende der Rohrfeder einen Ringeinstich auf, und ist zwischen dem Messkristallsatz und dem von der inneren Stirnfläche des zentralen Gehäuseeinsatzes gebildeten Auflager eine Stützscheibe angeordnet, die sich mit einer Auflagefläche von etwa dem Innendurchmesser des Ringeinstiches am Auflager abstützt. Durch den Ringeinstich entsteht somit am Auflager eine ringförmige Zone geringer Wandstärke, deren Breite der Tiefe des Ringeinstiches entspricht.
Dieser ringförmige Teil des Auflagers besitzt daher Federungseigenschaften nach Art einer eingespannten Plattenfeder. Da sich die Federwege dieser plattenfederartigen Ringzone des Auflagers und der Rohrfeder summieren, erhält man eine sehr weiche Federcharakteristik dieser als Vorspannelement für den Messkristallsatz zusammenwirkenden Wandlerteile. Eine weiche Federcharakteristik ist vor allem beim Anschweissen des druckübertragenden Stempels an die Rohrfeder von grossem Vorteil, da die während des Schweissvorganges aufzubringende, vorbestimmte Vorspannkraft des Mess kristallsatzes mit grosser Genauigkeit eingehalten werden kann. Die vergrösserten Federwege der Vorspannelemente wirken sich ausserdem durch eine Abnahme der Empfindlichkeit des Wandlers gegenüber Temperaturschwankungen aus.
Vorteilhaft kann die Stützscheibe eine vom Aussenrand ihrer Auflagefläche zur Mantelfläche hin abnehmende Dicke aufweisen und der druckübertragende Stempel einen ins Innere der Rohrfeder hineinragenden Fortsatz mit zur Mantelfläche hin abnehmender Dicke und einer dazwischen liegenden Ringnut mit keilförmigem Querschnitt besitzen, wodurch eine weitere Stützscheibe mit elastisch nachgiebiger Randzone gebildet ist.
Man begegnet damit der bei piezoelektrischen Messwandlern häufig zu beobachtenden Erscheinung, derzufolge es bei der Druckbeanspruchung eines zwischen zwei starre ebene Auflageflächen eingespannten Messkri stall satzes grundsätzlich an den Randzonen der einzelnen Kristallscheiben zuerst zum Bruch kommt. Durch die zum Rand hin abnehmende Dicke der Stützscheiben erhalten diese gerade in den kritischen Randbereichen eine gewisse Elastizität, so dass Spitzenbelastungen von den Randzonen der piezoelektrischen Kristallscheiben ferngehalten werden.
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen
Fig. 1 einen wassergekühlten piezoelektrischen Druckgeber gemäss der Erfindung im Axialschnitt und
Fig. 2 eine ungekühlte Geberausführung, gleichfalls im Axialschnitt.
Der piezoelektrische Druckgeber nach Fig. 1 weist ein abgesetzt zylindrisches Gehäuse auf, welches eine abgestufte zentrale Bohrung 2 besitzt, in der ein abgesetzter zylindrischer Gehäuseeinsatz 3 angeordnet ist. Der Einsatz 3 stützt sich mit einer Ringschulter 4 auf einen Absatz 5 der Gehäusebohrung 2.
In dem erweiterten Teil der Gehäusebohrung 2 zwischen dem Absatz 5 und der stirnseitigen Öffnung des Gehäuses I weist der Einsatz 3 einen dünnwandigen hohlzylindrischen Abschnitt auf, welcher die den piezoelektrischen Messkristallsatz enthaltende Rohrfeder 6 bildet.
An dem mit vergrösserter Wandstärke ausgeführten stirnseitigen Rand 7 der Rohrfeder 6 ist ein abgesetzter zylindrischer Bodenteil 8 angeschweisst, dessen Aussenfläche dem Messdruck ausgesetzt ist und der somit den druckübertragenden Stempel des Wandlers bildet. Der den kleineren Durchmesser aufweisende zylindrische Abschnitt des Bodenteils 8 greift in den Innenring 9 einer ringförmigen Rollmembrane 10 ein, deren Aussenring 11 in eine Eindrehung am stirnseitigen Rand des Wandlergehäuses 1 eingesetzt ist. Die Rollmembrane 10 dichtet den zwischen der Gehäusebohrung 2 und der Rohrfeder 6 gebildeten Kühlwasserraum 12 des Wandlers gegen die Messstelle hin ab. Der Kühlwasserraum 12 ist über einen Zulaufkanal 13 und einen Ablaufkanal 14 in an sich bekannter, nicht dargestellter Weise an ein Kühlwassersystem angeschlossen.
Der aus übereinandergeschichteten piezoelektrischen Knstailscheiben 15 bestehende Messkristallsatz ist zwischen einer Ausgleichsscheibe 16, welche unmittelbar am Bodenteil 8 der Rohrfeder 6 aufliegt und einer Ableitelektrode 17 angeordnet, welche sich über eine zentral durchbohrte Kristallscheibe 18 und eine anschliessende ebensolche leitende Scheibe 19, an der das gehäusefeste Auflager bildenden inneren Stirnfläche 20 des Gehäuseeinsatzes 3 abstützt. Die Scheibe 19 dient einerseits zum Ausgleich von Wärmedehnungen und sorgt anderseits für eine möglichst plane Auflage des Ringquarzes 18. Von der Ableitelektrode 17 geht eine Anschlussleitung 21 aus, welche innerhalb eines den Gehäuseeinsatz 3 durchsetzenden Isolierrohres 22 an eine in das Isolierrohr 22 eingebettete Anschlussbuchse 23 für die nicht dargestellte Messleitung herangeführt ist.
Das abgesetzte hohlzylindrische Gehäuse 24 des piezoelektrischen Druckgebers nach Fig. 2 weist an der der Messstelle zugekehrten Ringstirnfläche einen Zentrierrand 25 auf, an dem eine Plattenfedermembrane 26 mit ihrem, in den Zentrierrand 25 des Gehäuses 24 eingreifenden hülsenartigen Flansch 27 angeschweisst ist. Das Gehäuse 24 enthält einen abgesetzten zylindrischen Einsatz 28, der sich mit einer Ringschulter 29 an einem Absatz 30 seiner Aufnahmebohrung 31 im Gehäuse 24 abstützt.
Die den Messkristallsatz des Druckgebers enthaltende dünnwandige Rohrfeder 32 besteht - in Übereinstimmung mit der Wandlerausführung nach Fig. 1 - mit dem Gehäuseeinsatz 28 aus einem Stück und trägt gleichfalls an ihrem mit vergrösserter Wandstärke ausgeführten stirnseitigen Rand 33 einen dort angeschweissten Bodenteil 34. Der Bodenteil 34 liegt unmittelbar auf der inneren Stirnfläche der Plattenfedermembrane 26 auf.
Der Gehäuseeinsatz 20 weist im Bereich zwischen der Ringschulter 29 und dem inneren Ende der Rohrfeder 32 einen Ringeinstich 35 auf. Durch den Ringeinstich 35 entsteht an dem von der inneren Stirnfläche des Gehäuseeinsatzes 28 gebildeten Auflager 36 für den Messkristallsatz ein ringförmiger federnder Wandbereich 37 geringer Wandstärke, der ähnliche Federungseigenschaften wie eine eingespannte Plattenfeder besitzt. Der federnde Wandbereich 37 und die Rohrfeder 32 wirken als Vorspannelemente des Messkristallsatzes zusammen. Ihre Federwege summieren sich, so dass sich eine weiche Federcharakteristik der Vorspannelemente des Gebers ergibt.
Der in der Rohrfeder 32 innerhalb einer Isolierhülse 38 angeordnete Messkristallsatz besteht aus fünf übereinandergeschichteten piezoelektrischen Kristallscheiben 39, deren äusserste am Bodenteil 34 der Rohrfeder 32 aufliegt. Den Scheiben 39 folgt eine scheibenförmige Ableitelektrode 40 und dieser eine zentral durchbohrte weitere Kristallscheibe 41. Diese stützt sich über eine gleichfalls zentral durchbohrte Stützscheibe 42 am Auflager 36 ab. Die Auflagefläche dieser Stützscheibe 42 am Auflager 36 besitzt einen Aussendurchmesser, der etwa dem Innendurchmesser des Ringeinstiches 35 des Gehäuseeinsatzes 28 entspricht. Die Dicke der Stützscheibe 42 nimmt zu deren Mantelfläche hin ab.
Dadurch wird einerseits die freie Verformbarkeit des ringförmigen Wandbereiches 37 des Auflagers 36 sichergestellt, anderseits führt die Verjüngung der Stützscheibe zu einer gegen deren Mantelfläche hin zunehmenden elastischen Nachgiebigkeit. Man erzielt dadurch eine günstigere Verteilung der im Messbetrieb auftretenden, den Messkristallsatz belastenden Druckkräfte über den Querschnitt der Kristallscheiben, wobei vor allem Spitzenbelastungen der Randzonen der Kristallscheiben, die zu deren vorzeitigem Bruch führen können, vermieden werden.
Aus dem gleichen Grunde ist auch der ins Innere der Rohrfeder 32 hineinragende Abschnitt 43 des Bodenteils 34 durch eine Ringnut 44 mit keilförmigem Querschnitt als Stützscheibe mit elastisch nachgiebiger Randzone ausgebildet.
Im Rahmen der Erfindung sind weitere Abwandlungen der dargestellten und beschriebenen Wandlerausführungen möglich, insbesondere hinsichtlich der Ausbildung des Messkristallsatzes und der mit ihm unmittelbar zusammenwirkenden Bauteile.