CH637214A5 - Messwertaufnehmer mit mindestens einem piezoelektrischen messelement zur messung mechanischer groessen an hohlkoerpern, insbesondere des druckverlaufes in rohren. - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Messwertaufnehmer mit mindestens einem piezoelektrischen Messelement zur Messung mechanischer Grössen an Hohlkörpern, insbesondere des Druckverlaufes in Rohren.
Es sind mehrere Messwertaufnehmer dieser Art, insbesondere zur Messung des Druckverlaufes bei Einspritzleitungen von Einspritz-Brennkraftmaschinen, hauptsächlich bei Dieselmotoren, bekannt, wo aus dem Druckverlauf Rückschlüsse auf die Funktion der Einspritzpumpe und der Einspritzventile gezogen werden sollen. Der gemeinsame Grundgedanke ist dabei folgender:
Der Druckverlauf in einem Rohr ist die Darstellung des Druckes im Innern des Rohres als Funktion der Zeit. Durch den Druckanstieg in einer Rohrleitung wird eine Querschnittsver-grösserung der Rohrleitung hervorgerufen, welche messtechnisch erfassbar ist. Es sind piezoelektrische Druckaufnehmer bekannt, bei denen die an der Einspritzleitung hervorgerufenen Druckpulsationen über einen Kraftübertragungskörper auf ein piezoelektrisches Plättchen (Einkristall oder Keramik) weitergeleitet werden. Diese Anordnungen sind einerseits sehr aufwendig und haben andererseits den Nachteil einer relativ grossen Masse, welche bei Schwingungen der Rohrleitung senkrecht zur Leitungsachse starken Beschleunigungen ausgesetzt ist. Die dabei auftretenden Trägheitskräfte können über die Befestigungsvorrichtung. Deformationen an der Rohrleitung hervorrufen, die den reinen Druckpulsationen überlagert auf das Piezo-plättchen übertragen werden und die Messimg verfälschen. Diese Schwierigkeiten treten bei jedem Druckaufnehmer auf, mit dem der Druckverlauf über die durch ihn hervorgerufenen Deformationen (in erster Linie Dehnung) der Rohrleitung bestimmt wird, dessen Masse jedoch nicht hinreichend klein ist, um bei Vibrationen der gesamten Rohrleitung diese nicht mehr messbar elastisch zu deformieren. Weiters muss Bedacht darauf genommen werden, dass die Vorrichtung selbst keine durch die Schwingung hervorgerufene Deformation auf das Messelement überträgt.
Rohrleitungen, die starke Biegeschwingungen mitmachen, werden auf einem Teil ihres Umfanges gedehnt und auf einem anderen Teü zusammengedrückt. Diese mit der Schwingungsphase wechselnden Dehnungen und Stauchungen an der Rohrleitungsoberfläche können so stark werden, dass sie grösser als die zu erfassende, durch den Druck bedingte Dehnung des
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Rohrleitungsumfanges werden, örtlich angreifende Messwert- Auswertbarkeit der Ladungssignale - gleichzeitig ausgenutzt, aufnehmer, welche die Dehnung eines Teiles des Umfanges er- wobei jedoch eine Ausschaltung der genannten Nachteile beider fassen, haben dann den Nachteil, dass sie die durch die Schwin- Messwertaufnehmerprinzipien erreicht wird. Da der vorteilhaf-gungen hervorgerufenen Oberflächenveränderungen miterfas- terweise nur wenige stark gewählte, piezoelektrische Film das sen, und dadurch ein stark verfälschtes Messergebnis liefern. s Dielektrikum eines Kondensators bildet, dessen Elektroden die Es ist auch bekannt, Dehnmessstreifen an der Rohrleitung elektrisch leitenden Kontaktflächen darstellen, eignet sich die-zu applizieren, um die Dehnung der Rohrleitung bzw. den ses Messelement auch zur kapazitiven Bestimmung des Druck-Druckverlauf in dieser zu erfassen. Dehnmessstreifen weisen Verlaufes. Dies ist ein ganz entscheidender Vorteil, da auf kapa-eine Reihe von vorteilhaften Eigenschaften, wie Formflexibilität zitivem Wege auch quasi-statische oder niederfrequente Vor-und geringe Masse, auf, und sie sind für statische und dynami- io gänge erfasst werden können, welche—bedingt durch den endli-sche Messungen sehr gut geeignet. Sie erfordern jedoch eine chen Isolationswiderstand - einer piezoelektrischen Messung Anordnung, welche eine reproduzierbare Vorspannung garan- praktisch nicht zugänglich sind. Die erfindungsgemässe Vertieren. Ist die Vorspannung dieser Dehnmessstreifen grossen wendung eines flexiblen, piezoelektrischen Films als Messele-Schwankungen unterworfen, deren Ursache sowohl in der Mon- ment in einem Aufnehmer zur Messung des Druckverlaufes er-tage, als auch in thermischen Ausdehnungen liegen kann, dann 15 möglicht es, erstmals ein und denselben Aufnehmer wahlweise verursacht die Abstimmung der erforderlichen teuren Mess- zur piezoelektrischen oder kapazitiven Erfassung des Druckverbrücke vor jeder Messung zusätzlichen Arbeitsaufwand, der vor laufes zu verwenden, ohne dass ein zusätzlicher Montageauf-allem dann nicht vermieden werden kann, wenn die zu messen- wand erforderlich ist.
den relativen dynamischen Dehnungen in der Grössenordnung Die erfindungsgemässe Verwendung eines flexiblen piezo-
von 10"5 und darunter liegen. Diese Schwierigkeiten treten bei 20 elektrischen Films als Messelement hat den Vorteil, dass dieses allen Dehnmessstreifen auf, deren physikalische Eigenschaft, Messelement auch an gekrümmte Körperoberflächen, z.B. Zy-
über die die Längenänderung erfasst wird, vom Absolutbetrag linderflächen, angeschmiegt werden kann, sodass eine gute deh-
der Länge abhängt. Ein sehr wesentlicher Nachteil der Dehn- nungs-reibungs- bzw. druckschlüssige Verbindung zwischen messstreifen ist weiters die Notwendigkeit, ihn auf die zu ver- Körperoberfläche und dem Messelement besteht und dadurch messende Leitung mittels Spezialkleber aufkleben zu müssen. 25 eine genaue Messung gewährleistet ist.
Um gutes Haften und eine sichere Übertragung der Rohrdeh- Es sind eine Reihe flexibler Dielektrika in Form von Folien nung auf den Dehnmessstreifen zu gewährleisten, muss die Lei- oder Filmen bekannt, von denen ein Grossteil als Elektret in tung besonders gut gereinigt werden, wodurch zusätzlicher Zeit- dem Sinne angesprochen werden kann, dass sie eine semiperma-
aufwand erforderlich wird. Da weiters z.B. Einspritzleitungen nente elektrische Polarisation besitzen, deren äusseres Feld von Dieselmotoren starken Schwingungen unterworfen sind, 30 durch ebenfalls semi-permanente Oberflächenladungen kom-
wird das Messergebnis über den Dehnmessstreifen häufig stark pensiert ist. Solche Piezoelektrika weisen, wenn man die Achsen verfälscht. Eine Kompensation dieser Einflüsse ist, wenn über- gemäss der IRE-Konvention wählt, einen longitudinalen Piezo-
haupt, nur mit besonderem Aufwand, z.B. durch Einsatz von effekt in Richtung der Z-Achse, sowie transversale Piezoeffekte teuren Spezialdehnmessstreifen und nur von geschultem Perso- bei Spannungen in Richtung der X- bzw. Y-Achse auf. Bekann-
nal durchführbar. Somit sind Dehnmessstreifen für rasche Dia- 35 te piezoelektrische Elektrete sind unter anderem: Polyvinyli-
gnosen an Einspritzsystemen von Dieselmotoren, etwa im den-Fluorid (PVDF), Polyvinyl-Fluorid (PVF), Polyvinyl-Chlo-
Werkstätteneinsatz, trotz ihrer Vorzüge praktisch ungeeignet. rid (PVC), Polyacrylonitril (PAN), Polymethyl-Methacylat
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Messwert- (PMMA), fluoriniertes Ethylen-Propylen (FEP), Polystren, Po-
aufnehmer zu schaffen, mit dem mechanische Grössen an Hohl- lyethylen (PE), und sein Terepthalat, Polycarbonat, Polysulfon körpern z.B. der Druckverlauf in Rohrleitungen, welche keine ■» und Nylon.
speziellen Vorrichtungen zur Messung aufweisen, sehr rasch Die Erfindung hat den Vorteil, dass über die elastische und ohne grosse Vorbereitungsarbeiten bestimmt werden kann. Querkontraktion in Z-Richtung eine Verstärkung der piezo-
Bei Rohrleitungen soll ein öffnen derselben zur Montage eines elektrischen und der kapazitiven Dehnungsempfindlichkeit er-
Druckaufnehmers vermieden werden, da der Betrieb einer An- reicht werden kann. Weiters kann z.B. die Rohrdehnung mit läge nicht immer unterbrochen werden darf, und das öffnen der 45 dem erfindungsgemässen Messwertaufnehmer auch über den
Leitung zu zeitraubend wäre und zusätzlich ein Risiko einer longitudinalen Piezoeffekt erfasst werden, wenn das Element so
Verunreinigung der Leitung vermieden werden muss. Da man angeordnet wird, dass durch die Rohrdehnung ein Druck auf durch die Beobachtung des Druckverlaufes die Funktion von den piezoelektrischen Film ausgeübt wird, der senkrecht zur
Maschinen und Anlagen kontrollieren kann, ist eine befriedi- Oberfläche des Messelements wirkt. Bei vielen Ausführungsfor-
gende Lösung dieser Messwertaufgabe sehr wichtig, die beson- so men eines Messwertaufnehmers gemäss dieser Erfindung wird ders dann erschwert ist, wenn die Rohrleitungen starken Vibra- der piezoelektrische Film Kräften ausgesetzt sein, welche in ihm tionen ausgesetzt sind oder stark unterschiedliche Formen und sowohl Dehnungen parallel zu seiner Oberfläche, als auch einen
Dimensionen aufweisen. Druck senkrecht zu seiner Oberfläche bewirken. Diese Kombi-
Die Erfindung besteht darin, dass beim Messwertaufnehmer nationen von Dehnung und Druck bewirkt in vielen Ausfüh-
der eingangs genannten Art das piezoelektrische Messelement 55 rungsformen des erfindungsgemässen Messwertaufnehmers eine ein flexibler piezoelektrischer Film ist, dessen gegenüberliegen- besonders hohe Empfindlichkeit.
de Flächen mit elektrisch leitenden Kontaktflächen in Verbin- Sehr vorteilhaft kann es sein, wenn in Weiterbildung der dung stehen, und dass sich dieses Messelement wenigstens teil- Erfindung zwischen dem piezoelektrischen Film und der Oberweise und wenigstens mittelbar an die Oberfläche des Hohlkör- fläche des zu vermessenden Körpers flexible Zwischenschichten pers anschmiegt. so angeordnet sind. Diese Schichten können der elektrischen Iso-
Bei der erfindungsgemässen Ausbildung des Messwertauf- lierung dem Schutz vor mechanischer Beschädigung oder der nehmers werden die vorteilhaften Eigenschaften der Dehnmess- elektrischen Ladungsabnahme vom piezoelektrischen Film streifen, - wie: Formflexibilität, geringe Masse und daher hohes dienen.
zeitliches Auflösungsvermögen, Dehnbarkeit und Dehnungs- In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann der piezo-
empfindlichkeit, — mit den vorteilhaften Eigenschaften des pie- es elektrische Film aus einem monoaxial-orientierten Polymer be-
zoelektrischen Messelements, - wie: direkte Erfassung relativer stehen. Diese Polymere weisen eine besonders hohe piezoelek-
Abweichungen von einem beliebig vorgegebenen Grundzu- trische Empfindlichkeit auf, sie sind daher als Messelement im stand, Kompressionsempfindlichkeit, einfache elektronische Sinne der Erfindung besonders gut geeignet.
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Gemäss der Erfindung kann weiters vorgesehen sein, dass trischen Messwertaufnehmer und das isolierende Band bildet der piezoelektrische Film aus Polyvinyliden-Fluorid, Vorzugs- eine Schutzfolie für das Messelement.
weise aus monoaxial-orientiertem ß-Polyvinyliden-Fluorid be- Weiters kann es nach einem anderen Merkmal einer speziel-
steht. Von den genannten piezoelektrischen Polymeren weist len Ausführungsform der Erfindung von Vorteil sein, wenn
Polyvinyliden-Fluorid eine besonders hohe piezoelektrische 5 mindestens die Randpartie des isolierenden Bandes auf der dem
Empfindlichkeit wie auch eine grosse Dielektrizitätskonstante Messelement zugewandten Seite selbstklebend beschichtet ist,
auf. Gewöhnliches PVDF liegt in einer Mischform von a- und wodurch vor allem die Montage des Messwertaufnehmers er-
ß-PVDF vor. Die a/ß-Mischform vom PVDF kann in die leichtet und verbilligt wird.
monoaxial-orientierte ß-Form gebracht werden, indem der In einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist vorge-
PVDF-Füm einer inelastischen Dehnung unterworfen wird, wo- 10 sehen, dass das aus dem Füm und elektrisch leitenden Schichten bei die Richtung der Orientierung mit der Richtung der erfolg- gebildete Messelement zwischen zwei miteinander verbundenen ten Dehnung zusammenfällt. In dem so vorbehandelten PVDF- flexiblen Bändern oder Folien eingebettet ist und mit diesen
Film ist die piezoelektrische Dehnungsempfindlichkeit in einen Messstreifen bildet. Die Montage dieses Messstreifens ist
X-Richtung besonders gross und weist ca. den zehnfachen Wert einfach und rasch möglich, und das Messelement ist gleichzeitig der Dehnungsempfindlichkeit in Y-Richtung auf. Wegen der 15 vor unerwünschten Massekontakten und vor Verunreinigungen hohen piezoelektrischen Empfindlichkeit und der hervorragen- weitgehend geschützt.
den chemischen und physikalischen Beständigkeit ist dieses Ma- Obwohl die aufklebbaren Messwertaufnehmer den grossen terial für die Verwendung als piezoelektrischer Film besonders Vorteil haben, dass praktisch keine zu Eigenschwingungen fähi-
vorteilhaft. gen Massen vorkommen, erfordert ihr Einsatz etwa bei der
Besonders vorteilhaft kann es sein, die elektrisch leitenden 20 Dehnungsmessung an stark verschmutzten, öligen Rohrleitun-
Kontaktflächen durch mit der Oberfläche des piezoelektrischen gen die vorherige Reinigung der Messstelle. Für solche Anwen-
Films fest verbundene dünne elektrisch leitende Schicht zu bil- dungsfälle ist in vorteilhafter Weise vorgesehen, dass der Mess-
den. Diese Schichten können z.B. aus aufgedampften Metall streifen, wenigstens teilweise um die Rohrleitung spannbar und oder aus einem leitfähigen Lack bestehen. als Spannbinder ausgebildet ist. Als besonders vorteilhaft er-
Die Erfindung sieht in einer vorteilhaften Weiterbildung 25 weist es sich dabei vor allem aus Montagegründen, wenn nach vor, dass der piezoelektrische Film ein unter Vorspannung ste- einem weiteren Merkmal der Erfindung der Spannbinder nach hender Streifen aus monoaxial-orientiertem Polymer ist, und Art eines Kabelbinderverschlusses ausgebildet ist. Die an einem dass die Richtung der Vorspannung X' mit der Richtung X der solchen Kabelbinderverschluss vorgesehene Verzahnung mit ei-maximalen piezoelektrischen Dehnungsempfindlichkeit des ner mit ihr zusammenarbeitenden Zunge sorgt für einen selbst-Films einen Winkel kleiner als 45° einschliesst. Dazu wird der 30 hemmenden Verschluss, sodass dieser Messwertaufnehmer einFilm so um den Hohlkörper z.B. ein Rohr gespannt, bzw. ange- fach und fest um eine Rohrleitung gespannt werden kann. In presst, dass eine tangentiale Vorspannung entsteht. Durch diese einer Variante kann weiters vorgesehen sein, dass der Spann-Orientierung des Fûmes ruft eine radiale Dehnung des Rohres binder einen leicht lösbaren Verschluss, z.B. einen Strammer eine Dehnung des piezoelektrischen Filmes vorwiegend in Rieh- aufweist. Diese Ausführungsform besitzt auch eine relativ gerin-tung seiner stärksten piezoelektrischen Dehnungsempfindlich- 35 ge Masse, ist sehr klein und leicht zu handhaben. Sie bietet vor keit hervor, welche bei einem piezoelektrischen Film aus mo- allem dann grosse Vorteile, wenn der piezoelektrische Mess-noaxial-orientiertem PVDF die Richtung der X-Achse darstellt, wertaufnehmer zur Messung des Druckverlaufes bei Rohrlei-Durch diese Anordnung des das Rohr umschliessenden Mess- tungen mit nahezu gleichen Durchmessern eingesetzt werden dementes wird die radiale und in erster Linie nur durch den soll.
Druck im Innern des Rohres erzeugte Dehnung des Rohres 40 In weiterer Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass verstärkt registriert, während parasitäre Dehnungen bzw. Kom- für Messungen an Rohren die Befestigung und Vorspannung pressionen des Rohres parallel zur Rohrachse, und somit parai- des Messstreifens am Rohr mittels einer Feder erfolgt. Der Vorlei zur Y-Achse des Filmes, wegen der viel geringeren piezo- teil der raschen Montage ist unmittelbar einzusehen und die elektrischen Dehnungsempfindlichkeit in dieser Richtung nur leicht mögliche zerstörungsfreie Ablösung des Messwertaufneh-geringe Störungen verursachen können. Dadurch gelingt z.B. 45 mers vom Messobjekt ermöglicht eine Wiederverwendung des bei Verwendung von monoaxialen PVDF eine Abschwächung Messwertgebers.
der Schwingungsstörungen auf Vjo der Störung, welche bei Ver- Als besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn die Feder das
Wendung von in X- und Y-Richtung isotropen piezoelektrischen zu vermessende Rohr mit ihren beiden seitlichen Rändern über
Filmen auftritt. Dieser Vorteil bleibt auch dann noch weitge- mehr als den halben Umfang umklammert, wobei der mit der hend erhalten, wenn der Film so angeordnet wird, dass seine so Feder verbundene Messstreifen um mindestens einen Teil des
Orientierungsrichtung einen spitzen Winkel mit der oben ge- Umfanges des Rohres gespannt ist. Diese Ausführungsform nannten idealen Orientierungsrichtung, der Richtung der maxi- eignet sich unter anderem besonders zur Druckverlaufsmessung malen piezoelektrischen Dehnungsempfindlichkeit, einschliesst. in Einspritzleitungen von Dieselmotoren und ist sehr robust. Da
Eine besonders günstige Ausführungsform eines erfindungs- der Messwertaufnehmer durch blosses Aufdrücken der Feder gemässen Messwertaufnehmers ist dadurch gegeben, dass das ss auf die Einspritzleitung geklemmt werden kann, kann die Mon-aus dem Film und den elektrisch leitenden Schichten gebildete tage auch an schwer zugänglichen Stellen einfach und schnell Messelement auf einem elektrisch isolierenden Band befestigt erfolgen. Ebenso einfach ist auch die Demontage, sodass dieser ist. Diese Anordnung ist zur Dehnungsmessung einer beliebig Messwertaufnehmer speziell für den Einsatz in Kraftfahrzeuggekrümmten konvexen Fläche, insbesondere jedoch zur Deh- Werkstätten geeignet ist. Allerdings muss man bei der Auswahl nungsmessung an Rohren mit beliebigem Durchmesser geeig- 60 der richtigen Federstärke und -grosse besondere Sorgfalt auf-net. Das Band wird z.B. zur Messung der Rohrausdehnung um wenden, damit die parasitären Federschwingungen unter der die Rohrleitung geklebt, wobei etwa erwünschte Vorspannung Toleranzgrenze für eine korrekte Dehnungsmessung bleiben, über die Dehnung des Bandes beim Aufklebevorgang erreicht Diese Bauart weist den weiteren Vorteil auf, dass die Feder wird. Will man die Dehnung einer gekrümmten Fläche mit elek- nicht auf den Messstreifen drückt und dass der Federkörper trisch leitender Oberfläche messen, kann das Band in vorteilhaf- 65 einen Schutzpanzer für das Messelement darstellt. Diese Vor-ter Weise so aufgeklebt werden, dass die an die Messfläche richtung umklammert die Rohrleitung an zwei in axialer Rich-anschliessende Elektrode über diese mit Masse verbunden ist. tung gegenüber dem Messstreifen versetzten Stellen, und das Die Messung erfolgt dann wie bei einem einpoligen piezoelek- piezoelektrische Messelement wird durch diese Vorrichtung
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eventuell durch Zwischenschichten von der Rohrleitung ge- Fig. 8 und 9 einen Mehrfach-Messwertaufnehmer im Axialtrennt an diese gepresst, sodass eine Dehnung der Rohrleitung schnitt bzw. im Schnitt nach der Linie IX-IX in Fig. 8.
in radialer Richtung in eine Dehnung oder Druckbeaufschla- In dem in Fig. 1 dargestellten Ausschnitt aus einem ein gung des piezoelektrischen Films umgesetzt wird. Messelement bildenden piezoelektrischen Film 1 sind die Kon-
Vor allem für Messungen an Rohrleitungen, die starken 5 taktflächen 2 und 3 und die kristallographischen Achsen des Biegeschwingungen ausgesetzt sind, ist es besonders vorteilhaft, Messelementes mit x, y und z bezeichnet, wobei bei monoaxial-wenn die Richtung der minimalen piezoelektrischen Dehnungs- orientierten Polymeren x als die Richtung der maximalen Deh-empfindlichkeit des Films parallel zur Rohrachse steht, da dann nungsempfindlichkeit parallel zur Filmfläche gewählt wird. Die die von den Biegeschwingungen herrührenden Signale vernach- Kontaktflächen 2 und 3 des piezoelektrischen Filmes 1 sind je lässigbar sind. Diese können vorteilhafterweise aber auch zur 10 durch eine elektrisch leitende Schicht 4', 5 ' gebildet, die aus Gänze kompensiert werden, wenn, in Ausgestaltung der Erfin- aufgedampftem Metall oder auch aus einem leitfähigen Lack dung, der piezoelektrische Film das Rohr am Umfang einmal bestehen kann. Wenigstens eine der elektrisch leitenden Konoder ganzzahlig mehrmals umgibt. Die von den Dehnungen und taktflächen 2,3 kann mit einer isoliert geführten elektrischen Stauchungen infolge der Biegeschwingung von diametralen Verbindung versehen sein, die zu einem Ladungabnahmekon-Stellen am Rohrumfang herrührenden entgegengesetzten Deh- 15 takt oder direkt zu einer elektrischen Messkette führt, nungssignale heben sich dann auf, sodass eine sehr einfache In Fig. 2 ist ein aus einem flexiblen piezoelektrischen Film Kompensation erzielt ist. Der gleiche Effekt wird erzielt, wenn bestehendes Messelement 5 auf einem elektrisch isolierenden der Messwertaufnehmer mehrere Messelemente aufweist, wel- Band 4 befestigt. Zur Ladungsableitung sind Drähte oder aufge-che symmetrisch zur Rohrachse angeordnet sind. druckte Leiterbahnen 6 und 7 direkt mit den leitenden Kontakt-Für Messungen an metallischen Hohlkörpern, insbesondere 20 flächen des Messelementes 5 verbunden. Fig. 3 zeigt die Anord-an Rohren, kann es vorteilhaft sein, den piezoelektrischen Film nung eines Messelementes gemäss Fig. 2 an einer Rohrleitung, mittels eines elektrisch leitfähigen Klebers direkt auf die Ober- wobei die Ladungsabnahmeleitungen 6 und 7 nur schematisch fläche des Hohlkörpers zu kleben. Dadurch ist eine besonders freiliegend angedeutet sind. Zumindest die über das Messele-einfache und dehnungsschlüssige Verbindung zwischen dem ment 5 vorstehenden Teile des Bandes 4 sind an der dem Mess-Messelement und dem Hohlkörper gewährleistet. Diese An- 25 element 5 zugewandten Seite selbstklebend beschichtet, sodass bringungsart eignet sich besonders zur serienmässigen Ausstat- das Messelement 5 beim Aufkleben des Bandes 4 auf die Rohr-tung von Einspritzleitungen von Verbrennungsmotoren. leitung 8 reibungsschlüssig angedrückt wird. Eine Änderung des
Werden mehrere erfindungsgemässe Messwertaufnehmer Durchmessers der Rohrleitung überträgt sich daher durch die längs der Rohrachse auf das Rohr aufgebracht, so lässt sich der Reibung zwischen Leitung 8 und Film auf das Messelement. Das zeitliche und örtliche Dehnungszustand ermitteln. Der Deh- 30 Messelement 5 selbst wird nicht an die Leitung 8 aufgeklebt, nungszustand kann beispielsweise durch Druck im Rohr oder In Fig. 4 ist ein erfindungsgemässer Messwertaufnehmer einen sich im Rohr bewegenden Körper hervorgerufen werden, dargestellt, bei dem sich das piezoelektrische Messelement zwi-der mit seiner Oberfläche ganz oder nur zum Teil mit der Rohr- sehen zwei miteinander verklebten oder verschweissten Kunstinnenoberfläche in Berührung steht. Insbesondere kann auf die- stoffbändern, 10,11 befindet und wobei das Band 10 ähnlich se Weise die Ausbreitung von Druck- oder Stosswellen in einem 35 wie ein Kabelbinder ausgeführt ist. Die elektrische Verbindung Rohr ermittelt werden, ohne dass im Rohr oder an dessen In- der beiden Elektroden des Messelementes zu den eingegosse-nenoberfläche Störstellen durch Sensorelemente oder Druck- nen Kontaktstiften 13 und 14 erfolgt über die miteingegossene entnahmeöffnungen entstehen. Des weiteren kann mit dieser Metallfolie 12 bzw. über das folienartige Ende 15 des Kontakt-Anordnung die Bewegung eines Körpers in einem Rohr ermit- stiftes 14. Die Verzahnung 16 und die Zunge 17 sorgen für telt werden, beispielsweise die Kolbenbewegung in einem Zylin- 40 einen selbsthemmenden Verschluss, sodass dieser Dehnungs-der oder die Bewegung eines Geschosskörpers in einem Waf- aufnehmer einfach und fest um die Rohrleitung 18 gespannt fenrohr. werden kann. Das Kunststoffband 11 kann aus einem den Rei-
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass bungsschluss verbessernden Material bestehen.
eine Fläche des das Rohr wenigstens teilweise umgebenden pie- Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 wird wieder aus zwei zoelektrischen Films mit mehreren zueinander parallel verlau- 45 isolierenden Bändern 19,20 und den dazwischen eingebetteten fenden elektrisch leitenden Schichten in Verbindung steht. Piezoelementen 21 ein flexibles Band gebildet, dessen Enden
Durch diese Zusammenfassung mehrerer Messwertaufnehmer mittels der Verschlussteile 22,23 und Drahtenden 24,25 ge-
zu einer Einheit ist es möglich, die einzelnen Messstellen beson- klemmt werden, wobei kleine Fenster 24', 25' in den isolieren-ders dicht und genau aneinanderzureihen. Die Handhabung die- den Bändern 19,20 die elektrische Kontaktierung der Elektro-
ses Mehrfach-Messwertaufnehmers ist zeitsparender und einfa- so denflächen des Messelementes 21 mit den Drahtenden 24,25
eher als die Handhabung der entsprechenden Anzahl Einzel- bewirken. Durch eine Öffnung 22' im Verschlussteil 22 greift
Messwertaufnehmer. Die genannten elektrisch leitenden der Verschlussteil 23 hindurch, welcher mittels eines um die
Schichten können z.B. fest auf der Oberfläche des Films aufge- Achse 26 drehbaren Spannbügels 27 in Dehnungsrichtung des bracht sein. Besonders vorteilhaft sind dafür die zur Herstellung Bandes gedrückt wird. Dadurch wird das um das Rohr 28 her-
von gedruckten Schaltungen bekannten Verfahren. 55 umgeführte Band verschlossen und vorgespannt. Diese Ver-
Die Erfindung wird im folgenden anhand einiger Ausfüh- schlussart bietet vor allem dann grosse Vorteile, wenn der pie-
rungsbeispiele näher erläutert. zoelektrische Messwertaufnehmer zur Messung des Druckver-
Es zeigen: laufs bei Rohrleitungen mit nahezu gleichen Durchmessern ein-
Fig. 1 einen Ausschnitt aus einem bei der Erfindung zur gesetzt werden soll.
Anwendung gelangenden Messelement in schematischer 60 In den Fig. 6 und 7 ist eine Anordnung eines erfindungsge-
Darstellung, mässen Messwertaufnehmers speziell für Durckverlaufsmessun-
Fig. 2 einen erfindungsgemässen Messwertaufnehmer in ge- gen in Einspritzleitungen von Dieselmotoren gezeigt. In dieser streckter Darstellung, Ausgestaltung des Messwertaufnehmers wird der zwischen zwei
Fig. 3 den Messwertaufnehmer nach Fig. 2, montiert an ei- elektrisch isolierenden Bändern 29,30 eingebettete piezoelek-
ner Rohrleitung im Schnitt; die 65 trische Film 31 von einer Aufklemmfeder 32 um die Einspritz-
Fig. 4 bis 6 je ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfin- leitung 33 gespannt. Die Aufklemmfeder 32 ist dabei so ausge-
dung in einer der Fig. 3 entsprechenden Darstellung und bildet, dass sie nur mit den beiden äusseren Auflageflächen 32'
Fig. 7 einen Längsschnitt nach der Linie VII-VII in Fig. 6 mehr als die Hälfte der Einspritzleitung 33 umspannt. Der Mit-
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telteil der Feder 32 berührt die Einspritzleitung bzw. den Messstreifen nicht und stellt einen Schutzpanzer für das Messelement dar. Die Länge der Bänder 29,30 und des piezoelektrischen Films 31 wird so gewählt, dass diese im auf die Rohrleitungen ausgeklemmten Zustand durch diese und die Aufspannfeder leicht gedehnt und dadurch unter Vorspannung gesetzt wird. Die Kontaktierung der Elektroden des piezoelektrischen Films 31 mit den Drahtenden 34,35 erfolgt dabei wieder durch kleine Fenster 34', 35' in den isolierenden Bändern 29,30.
Fig. 8 und 9 zeigen mehrere Einzelmesselemente die zusam-mengefasst sind. Der piezoelektrische Film 37 ist mit einem leitfähigen Klebemittel auf das Rohr 36 aufgebracht. Die nach aussen weisende Oberfläche des piezoelektrischen Films ist metallbeschichtet, wobei einzelne Flächenelemente längs des Um-fangs von der Beschichtung freigehalten sind, um die örtliche Trennung in Einzelelemente zu bewirken. Das Messelement 37
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mit den leitenden Schichten 38 werden durch eine Isolierfolie 40 gegen äussere Einflüsse geschützt. Diese Isolierfolie 40 besitzt am einen Ende elektrisch leitende Schichten 39. Beispielsweise lässt sich die Isolierfolie 40 mit den leitenden Schichten 39 5 dadurch versehen, dass von einer mit Kupfer kaschierten Isolierfolie 40 ausgegangen wird und das Kupfer zwischen den leitenden Schichten 39 weggeätzt wird. Die leitenden Schichten 38 und 39 können mit dem Film 37 bzw. mit der Isolierfolie 40 auch elektrisch leitend verklebt sein. Die Messignale werden io nach aussen geleitet, wo sie abgenommen werden. Der Teil 41 dient zur Befestigung des elektrischen Anschlussteiles der Isolierfolie 40 am Rohr 36 und ist mit dem Rohr 36 verklebt. Da der piezoelektrische Film 37 mit dem Rohr 36 elektrisch leitend in Verbindung steht, bildet das Rohr 36 die gemeinsame Erls dungselektrode für alle als Ladungsabnahmeelektroden wirkenden Schichten 38.
C
3 Blatt Zeichnungen
Claims (19)
1. Messwertaufnehmer mit mindestens einem piezoelektrischen Messelement zur Messung mechanischer Grössen an Hohlkörpern, insbesondere des Druckverlaufes in Rohren, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Messelement ein flexibler piezoelektrischer Film (1), ist, dessen gegenüberliegende Hachen mit elektrisch leitenden Kontaktflächen (2,3) in Verbindung stehen, und dass sich dieses Messelement wenigstens teilweise und wenigstens mittelbar an die Oberfläche des Hohlkörpers anschmiegt.
2. Messwertaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem piezoelektrischen Film und der Oberfläche des zu vermessenden Hohlkörpers flexible Zwischenschichten angeordnet sind.
3. Messwertaufnehmer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der piezoelektrische Film aus monoaxial-orientiertem Polymer besteht.
4. Messwertaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der piezoelektrische Film aus Po-lyvinyliden-Fluorid besteht.
5. Messwertauf nehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitenden Kontaktflächen (2,3) durch mit der Oberfläche des piezoelektrischen Films (1) fest verbundene dünne elektrisch leitende Schichten (4', 5') gebildet sind.
6. Messwertaufnehmer nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der piezoelektrische Film ein unter Vorspannung stehender Streifen ist und die Richtung der Vorspannung (x') mit der Richtung (x) der maximalen piezoelektrischen Dehnungsempfindlichkeit des Films einen Winkel kleiner als 45° einschliesst (Fig. 1).
7. Messwertauf nehmer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das aus dem Film (1) und den elektrisch leitenden Schichten (4', 5') gebildete Messelement (5) auf einem elektrisch isolierenden Band (4) befestigt ist (Fig. 2; 3).
8. Messwertauf nehmer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die Randpartie des isolierenden Bandes (4) auf der dem Messelement (5) zugewandten Seite selbstklebend beschichtet ist.
9. Messwertaufnehmer nach einem der Ansprüche 5,7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das aus dem Film (1) und den elektrisch leitenden Schichten (4', 5') gebildete Messelement (9,21,31) zwischen zwei miteinander verbundenen flexiblen Bändern oder Folien (10,11; 19,20; 29,30) eingebettet ist und mit diesen einen Messstreifen (9', 21', 31') bildet (Fig. 4 bis 7).
10. Messwertaufnehmer nach Anspruch 9 für Messungen an Rohren, dadurch gekennzeichnet, dass der Messstreifen (9', 21', 31') wenigstens teilweise um das Rohr spannbar und als Spannbinder ausgebildet ist (Fig. 4,5).
11. Messwertaufnehmer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannbinder nach Art eines Kabelbinderverschlusses (17) ausgebildet ist (Fig. 4).
12. Messwertaufnehmer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannbinder (23) einen leicht lösbaren Verschluss, z.B. einen Strammer (27), aufweist (Fig. 5).
13. Messwertauf nehmer nach Anspruch 9 für Messungen an Rohren, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigung und Vorspannung des Messstreifens an dem Rohr (33) mittels einer Feder (32) erfolgt.
14. Messwertaufnehmer nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (32) das Rohr (33) mit ihren beiden seitlichen Rändern über mehr als den halben Umfang umklammert, wobei der mit der Feder (32) verbundene Messstreifen um min destens einen Teil des Umfangs des Rohres (33) gespannt ist (Fig. 6,7).
15. Messwertauf nehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 9 für Messungen an Rohren, dadurch gekennzeichnet, dass der piezoelektrische Film (1) das Rohr am Umfang einmal oder ganzzahlig mehrmals umgibt.
16. Messwertauf nehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 9 für Messungen an Rohren, dadurch gekennzeichnet, dass er mehrere Messelemente aufweist, welche symmetrisch zur Rohrachse angeordnet sind.
17. Messwertaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 16 zur Messung des Druckverlaufes in Rohren, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung der minimalen piezoelektrischen Dehnungsempfindlichkeit des Films parallel zur Rohrachse steht.
18. Messwertaufnehmer nach einem der Ansprüche 1,3 oder 4 für Messung an metallischen Hohlkörpern, insbesondere Rohren, dadurch gekennzeichnet, dass der piezoelektrische Film (37) mittels eines elektrisch leitfähigen Klebers direkt auf die Oberfläche des Hohlkörpers (36) aufgeklebt ist (Fig. 8,9).
19. Messwertaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, oder 15 bis 18, insbesondere zur Messung des zeitlichen und örtlichen Dehnungszustandes in Rohren, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fläche des das Rohr wenigstens teilweise umgebenden piezoelektrischen Films (37) mit mehreren zueinander parallel verlaufenden elektrisch leitenden Schichten (38) in Verbindung steht (Fig. 8,9).
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