CH640346A5 - Messwertaufnehmer zur messung einer sich ueber eine aenderung einer mechanischen kraft auswirkenden mechanischen groesse und dessen verwendung. - Google Patents

Description

640 346 2

PATENTANSPRÜCHE direkt in eine Dehnung des piezoelektrischen Filmes umge-

1. Messwertaufnehmer zur Messung einer sich über eine setzt wird.

Änderung einer mechanischen Kraft auswirkenden mechani- 11. Verwendung des Messwertaufnehmers nach Anspruch sehen Grösse, dadurch gekennzeichnet, dass er ein Messele- 9 zur Druckdifferenzmessung, dadurch gekennzeichnet, dass ment mit mindestens einem flexiblen, piezoelektrischen Film 5 der piezoelektrische Film (6) über eine, zwei Räume (15,14)

aufweist, sowie eine Kontaktanordnung, wobei gegenüberlie- verbindende und diese abdichtende Öffnung (13) gespannt ist,

gende Flächen des Films mindestens teilweise mit elektrisch welche die zu messende Druckdifferenz aufweisen (Fig. 2).

leitenden Kontaktflächen der Kontaktanordnung in Yerbin- 12. Verwendung des Messwertaufnehmers nach Anspruch dung stehen, an welchen die auf mechanische Beaufschlagung 11, dadurch gekennzeichnet, dass der piezoelektrische Film des Films hin auftretende Änderung der piezoelektrischen La- io (27) über eine den Film (21) stützende Membrane (20) ge-

dung und/oder der kapazitiven Eigenschaften abgreifbar spannt ist (Fig. 3).

sind. 13. Verwendung des Messwertaufnehmers nach Anspruch

2. Messwertaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch ge- 9 zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit bzw. Durchkennzeichnet, dass der piezoelektrische Film aus monoaxial- flussmenge eines Fluids, dadurch gekennzeichnet, dass der orientiertem Polymer besteht. is piezoelektrische Film (29) quer zur Strömungsrichtung (27)

3. Messwertaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch ge- des Fluids angeordnet und mit Öffnungen (29') versehen ist, kennzeichnet, dass der piezoelektrische Film aus Poly vinyli- durch die das Fluid unter Ausübung einer Kraft auf den Film den-Fluorid besteht. (29) strömt (Fig. 4, 5).

4. Messwertaufnehmer nach Anspruch 3, dadurch ge- 14. Verwendung des Messwertaufnehmers nach Anspruch kennzeichnet, dass der piezoelektrische Film aus monoaxial- 20 9, zur Beschleunigungs- oder Schwingungsmessung, dadurch orientiertem ß-Polyvinyliden-Fluorid besteht. gekennzeichnet, dass er eine seismische Masse (35) enthält, die

5. Messwertaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei Beschleunigung des Messwertaufnehmers eine Dehnung dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement zwei piezo- oder Druckbeaufschlagung des piezoelektrischen Filmes (36, elektrische Filme enthält, welche mit den elektrisch leitenden 37) bewirkt.

Schichten so übereinandergelegt sind, dass ihre kristallogra- 25 15. Verwendung des Messwertaufnehmers nach Anspruch phischen Z-Achsen antiparallel gerichtet sind, und die X- 14, dadurch gekennzeichnet, dass die seismische Masse (35) Achse des einen Filmes mit der X-Achse des anderen Filmes zwischen zwei Streifen (36) und (37) des piezolektrischen Fileinen Winkel von 90° einschliesst. mes angeordnet ist, dass diese Streifen mit Elektroden verse-

6. Messwertaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, hen sind, und die Elektroden des einen Streifens mit den Elek-dadurch gekennzeichnet, dass der eine piezoelektrische Film 30 troden des anderen Streifens, die entgegengesetzte Polarität ein unter Vorspannung stehender Streifen aus einem mono- besitzen, verbunden sind (Fig. 6).

axial-orientierten Polymer ist, und die Richtung der Vorspan- 16. Verwendung des Messwertaufnehmers nach Anspruch nung mit seiner Orientierungsrichtung einen Winkel kleiner 10, dadurch gekennzeichnet, dass der piezoelektrische, mit als 45° einschliesst. Elektroden versehene Film (43) in einer Spannvorrichtung

7. Messwertaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch ge- 35 (46) gehalten ist (Fig. 7,8).

kennzeichnet, dass die Kontaktflächen durch am flexiblen 17. Verwendung des Messwertaufnehmers nach Anspruch piezoelektrischen Film (61) beidseitig fest angebrachte, elek- 16 zur Messung der Geschwindigkeit rasch bewegter Körper, trisch leitende Kontaktschichten (62,63) gebildet sind, die ih- insbesondere in der Ballistik, dadurch gekennzeichnet, dass rerseits an elektrisch isolierenden Trägerschichten (64,65) be- der Messwertaufnehmer aus mindestens zweien, in definierfestigt sind und dass wenigstens eine der Trägerschichten mit 40 tem Abstand voneinander angeordneten, eine Messstrecke einer selbstklebenden Folie (68) versehen ist (Fig. 12). (48) bildenden Messelementen (42) besteht, wobei der be-

8. Messwertaufnehmer nach Anspruch 7, dadurch ge- wegte Körper (49) direkt oder indirekt, z.B. über von ihm erkennzeichnet, dass am flexiblen piezoelektrischen Film (75) zeugte Druckwellen (51), auf die Messelemente (42) einwirkt auf einer Seite eine durchgehende elektrisch leitende Kontakt- (Fig. 9).

schicht (74) und auf der anderen Seite mehrere voneinander 45

getrennte parallele streifenförmige, elektrisch leitende Kon-

taktschichten (77) fest angebracht ist, bzw. sind, und dass die durchgehende Kontaktschicht (74) einerseits und die streifen- Die Erfindung bezieht sich auf einen Messwertaufnehmer förmigen Kontaktschichten (77) andererseits an je einer elek- zur Messung einer sich über eine Änderung einer mechani-

trisch isolierenden Trägerschicht (74 bzw. 78) befestigt sind, 50 sehen Kraft auswirkenden mechanischen Grösse und dessen und dass die mit der durchgehenden Kontaktschicht (74) in Verwendung.

Verbindung stehende Trägerschicht (73) mit einer selbstkle- Es sind Messwertaufnehmer mit flexiblem Messelement in benden Folie (72) versehen ist (Fig. 14,15), wobei die Ände- Form der sogenannten Dehnmessstreifen bekannt. Sie wer-

rung der piezoelektrischen und/oder kapazitiven Eigenschaf- den an der Messstelle mit dem zu vermessenden Körper meist ten im Bereich jeder streifenförmigen Kontaktschicht (77) se- 55 durch Kleben fest verbunden, wobei eine den Körper verfor-

parat abgreifbar ist. mende Kraft eine entsprechende Dehnung im Dehnmessstrei-

9. Verwendung des Messwertaufnehmers nach einem der fen bewirkt, die über die Änderung des elektrischen WiderAnsprüche 1 bis 8, zur Messung einer sich über eine Ände- standes des Dehnmessstreifens gemessen wird. Diese Dehn-rung einer mechanischen Kraft auswirkenden mechanischen messstreifen weisen eine Reihe von vorteilhaften Eigenschaf-Grösse, dadurch gekennzeichnet, dass der flexible, piezoelek- ten, wie Formflexibilität und geringe Masse, auf. Sie sind für trische Film derart angeordnet ist, dass mindestens eine Kom- statische Messungen sehr gut geeignet, erfordern jedoch eine ponente der sich ändernden Kraft in der Filmebene oder Anordnung, welche eine reproduzierbare Vorspannung ga-senkrecht dazu am Film angreift. rantiert. Ist die Vorspannung dieser Dehnmessstreifen gros-

10. Verwendung des Messwertaufnehmers nach Anspruch 65 sen Schwankungen unterworfen, deren Ursache sowohl in der 9, zur Messung von Dehnungen, dadurch gekennzeichnet, Montage, als auch in thermischen Ausdehnungen liegen dass die zu messende Dehnung eines Körpers, oder die Ent- kann, dann verursacht die Abstimmung der erforderlichen fernungsänderung zweier Körper, mittels einer Anordnung Messbrücke vor jeder Messung einen zusätzlichen Arbeitsauf-

3 640 346

wand, der vor allem dann nicht vermieden werden kann, taktflächen darstellen, eignet sich dieses Messelement auch wenn die zu messenden dynamischen Dehnungen in der Gros- zur kapazitiven Bestimmung von Messgrössen. Dies ist ein senordnung von 10 5 und darunter liegen. Diese Schwierig- ganz entscheidender Vorteil, da auf kapazitivem Wege auch keiten treten bei allen Dehnmessstreifen auf, deren physikali- statische oder niederfrequente Messgrössen erfasst werden sehe Eigenschaft, über die die Längenänderung erfasst wird, s können, welche - bedingt durch den endlichen Isolationswi-

vom Absolutbetrag der Länge abhängt. Sie stellen deshalb derstand - einer piezoelektrischen Messung praktisch nicht keine für einen breiten Anwendungsbereich befriedigende Lö- zugänglich sind. Die Verwendung eines flexiblen, piezoelek-

sung dar. trischen Films als Messelement in einem Messwertaufnehmer

Für viele Fälle der Messung mechanischer Grössen, wie ermöglicht es, erstmals ein und denselben Messwertaufneh-Druck, Kraft und Beschleunigung, werden häufig piezoelek- 10 mer wahlweise zur piezoelektrischen und/oder kapazitiven trische Messwertaufnehmer verwendet. Diese Messwertauf- Erfassung einer Messgrösse zu verwenden. Dadurch ist es nehmerbauart hat vorteilhafte Eigenschaften, wie: direkte Er- möglich, mit diesem Messwertaufnehmer sowohl statische, fassung relativer Abweichungen von einem beliebig vorgege- a^s auch hochfrequente Messungen durchzuführen, ohne dass benen Grundzustand, Kompressionsempfindlichkeit, einfa- e^n zusätzlicher Montageaufwand erforderlich ist. che elektronische Auswertbarkeit der Ladungssignale. Die 15 Es sind eine Reihe flexibler Dielektrika in Form von Fo-bekannten piezoelektrischen Messwertaufnehmer weisen ^en oder Filmen bekannt, von denen ein Grossteil als Elektret Plättchen oder Stäbchen aus Einkristallen oder Keramiken in ^em Sinne angesprochen werden kann, dass sie eine semi-als piezoelektrische Sensoren auf, welche durch eine Vorrich- permanente elektrische Polarisation besitzen, deren äusseres tung unter kompressiver Vorspannung gehalten werden. Feld durch ebenfalls semi- permanente Oberflächenladungen Diese Art der Vorspannung ist zur schlüssigen Übertragung 20 kompensiert ist. Dass Elektrete piezoelektrische Eigenschaf-der zu messenden äusseren Kräfte oder Drücke auf den Sen- ten aufweisen können, wurde zunächst bei Anthrazen und sor erforderlich, und muss bei Beschleunigungs bzw. Schwin- später bei vielen synthetischen Polymeren bestätigt. Es wurde gungsaufnehmern so gross gewählt werden, dass die seismi- gefunden, dass Elektrete die gleiche piezoelektrische Matrix sehe Masse innerhalb des gesamten Messbereiches gegen den w'e Einkristalle der orthorhombischen Kristallklasse C2v, Sensor gedrückt ist. Die aufzubringende Vorspannung und 25 0(^er einer Kristallklasse höherer Symmetrie, wie C4v, besit-das erforderliche, möglichst starre Widerlager bedingen die zen- Solche Piezoelektrika weisen, wenn man die Achsen gémit grossen Massen behaftete Ausführungsform dieser Mess- mass der IRE-Konvention wählt, einen longitudinalen Piezo-wertaufnehmer. Die herkömmlichen Druckaufnehmer wer- effekt in Richtung der Z-Achse, sowie transversale Piezoef-den durch eine mit einer Membrane verbundene Drucküber- fekte bei Spannungen in Richtung der X- bzw. Y-Achse auf. tragungsplatte gegen den Messraum hin abgeschlossen. Dies 30 Bekannte piezoelektrische Elektrete sind unter anderen: Polybedingt Einschränkungen hinsichtlich der Empfindlichkeit vinyliden Fluorid (PVDF), Polyvinyl-Fluorid (PVF), Polyvi-und des dynamischen Messbereiches. Weiters begrenzt die nyl Chlorid (PVC), Polyacrylonitril (PAN), Polymethyl-kompakte, fest vorgegebene äussere Ausführungsform dieser Methacylat (PMMA), fluoriniertes Ethylen-Propylen (FEP), Messwertaufnehmer ihre Einsatzmöglichkeit bei Messproble- Polystren, Polyethylen (PE) und sein Terephthalat, Polycar-men, wo es auf eine einfache, den jeweiligen geometrischen 35 bonat, Polysulfon und Nylon.

Verhältnissen leicht anzupassende Montage des Messwertauf- Die Verwendung eines piezoelektrischen Elektrets hat den nehmers ankommt. Zusätzlich wirken sich die relativ grossen Vorteil, dass mit ihm sowohl lineare Dehnungen als auch Flä-

Massen und das damit verbundene, stark begrenzte dynami- chendehnungen piezoelektrisch bzw. kapazitiv erfasst werden sehe Auflösungsvermögen dieser Messwertaufnehmer oft 4Q können. Dazu kommt der Vorteil, dass über die elastische nachteilig aus. Querkontraktion in Z-Richtung eine Verstärkung der piezo-

Typische Probleme, bei denen piezoelektrische Messwert- elektrischen und der kapazitiven Dehnungsempfindlichkeit aufnehmer keine befriedigende Lösung anbieten, seien als erreicht wird. Diese Messelemente sind somit besonders zur

Beispiele angeführt: Dynamische Messung geringer Druckdif- Erfassung von Messgrössen geeignet, welche durch eine ent-

ferenzen zwischen zwei Messkammern, Messung des Durch- sprechende Anordnung lineare Dehnungen oder Flächendeh-

ganges von Stosswellen in Fluids, hochempfindliche Be- nungen im Messelement hervorrufen, die als Mass für die zu schleunigungsaufnehmer leichtester Bauart, dynamische Mes- erfassende Grösse herangezogen werden können. Weiters sung der Strömungsgeschwindigkeit von Fluids, sowie Mes- können mit dem erfindungsgemässen Messwertaufnehmer sung hochfrequenter Schwingungen zweier Körper relativ zu- über den longitudinalen Piezoeffekt auch Grössen erfasst wer-

einander. 50 den, welche direkt oder über eine Vorrichtung einen Druck

Es stellt sich die Aufgabe, die Nachteile der vorstehend ge- auf den piezoelektrischen Film ausüben, der senkrecht zu seinannten Einrichtungen zu vermeiden. Diese Aufgabe wird ner Oberfläche wirkt. Bei vielen Ausführungsformen eines durch einen Messwertaufnehmer gemäss Anspruch 1 und die Messwertaufnehmers gemäss dieser Erfindung wird der pie-Verwendung gemäss Anspruch 9 gelöst. zoelektrische Film Kräften ausgesetzt sein, welche in ihm so-

55 wohl Dehnungen parallel zu seiner Oberfläche, als auch einen Bei der erfindungsgemässen Ausbildung des Messwertauf- Druck senkrecht zu seiner Oberfläche bewirken. Diese Kom-nehmers werden die vorteilhaften Eigenschaften der Dehn- bination von Dehnung und Druck bewirkt in vielen Ausfüh-messstreifen, - wie: Formflexibilität, geringe Masse und da- rungsformen des erfindungsgemässen Messwertaufnehmers her hohes zeitliches Auflösungsvermögen. Dehnbarkeit und eine besonders hohe Empfindlichkeit. Dehnungsempfindlichkeit, - mit den vorteilhaften Eigen- 6Q Als sehr vorteilhaft erweist es sich, wenn in einer Weiterschaften der piezoelektrischen Messelemente, - wie: direkte bildung der Erfindung der piezoelektrische Film aus monoErfassung relativer Abweichungen von einem beliebig vorge- axialorientiertem Polymer besteht. Diese Polymere weisen gebenen Grundzustand, Kompressionsempfindlichkeit, ein- eine besonders hohe piezoelektrische Empfindlichkeit auf, sie fache elektronische Auswertbarkeit der Ladungssignale, - sind daher als Messelement im Sinne der Erfindung besonders gleichzeitig ausgenutzt, wobei jedoch eine Ausschaltung der 65 gut geeignet.

genannten Nachteile beider Messwertaufnehmerprinzipien Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung kann erreicht wird. Da der vorteilhafterweise nur wenig |xm stark weiters vorgesehen sein, dass der piezoelektrische Film aus gewählte, piezoelektrische Film das Dielektrikum eines Kon- Polyvinyliden Fluorid, vorzugsweise aus monoaxial-orien-

densators bildet, dessen Elektroden elektrisch leitende Kon- tierten ß-Polyvinyliden Fluorid besteht. Von den genannten

640 346 4

piezoelektrischen Polymeren weist Polyvinyliden Fluorid eine bestimmt werden. Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung besonders hohe piezoelektrische Empfindlichkeit wie auch handelt es sich um einen piezoelektrischen und kapazitiven eine grosse Dielektrizitätskonstante auf. Gewöhnliches Druckaufnehmer hoher Sensibilität und Dynamik, bei gleich-

PVDF liegt in einer Mischform von a- und ß-PVDF vor. Die zeitig besonders einfacher Ausführungsform.

a/ß-Mischform vom PVDF kann in die monoaxial-orientierte 5 Die Verwendung als Druckdifferenzaufnehmer kann ß-Form gebracht werden, indem der PVDF-Film einer inela- weiters so erfolgen, dass der piezoelektrische Film über eine, stischen Dehnung unterworfen wird, wobei die Richtung der zwei Räume gegeneinander abdichtende, den Film stützende Orientierung mit der Richtung der erfolgten Dehnung zusam- Membrane gespannt ist. Dadurch wird in vorteilhafter Weise menfällt. In dem so vorbehandelten PVDF-Film ist die piezo- die Druckbelastbarkeit des Messwertaufnehmers erhöht. Die elektrische Dehnungsempfindlichkeit in X-Richtung beson- io Membrane wird bereits so ausgewählt,dass eine Linearisie-ders gross und weist ca. den zehnfachen Wert der Dehnungs- rung des piezoelektrischen Messwertaufnehmers erreicht wer-empfindlichkeit in Y-Richtung auf. Wegen der hohen piezo- den kann.

elektrischen Empfindlichkeit und der hervorragenden chemi- Der Messwertaufnehmer kann auch zur Messung von sehen und physikalischen Beständigkeit ist dieses Material für Strömungsgeschwindigkeiten bzw. der Durchflussmenge ei-die Verwendung als piezoelektrisches Messelement besonders 15 nes Fluids verwendet werden, wobei der piezoelektrische Film vorteilhaft. quer zur Strömungsrichtung des Fluids angeordnet und mit

In weiterer Ausbildung der Erfindung enthält der Mess- Offnungen versehen ist, durch die das Fluid unter Ausübung wertaufnehmer zwei piezoelektrische Filme, welche mit den einer Kraft auf den Film strömt. Ein Messwertaufnehmer für elektrisch leitenden Schichten so übereinandergelegt sind, diese Verwendung besitzt ein hohes zeitliches Auflösungsver-dass ihre kristallographischen Z-Achsen antiparallel gerichtet 20 mögen und eine besonders hohe Sensibilität, so dass er zur Ersind, und die X-Achse des einen Filmes mit der X-Achse des fassung rascher Schwankungen in der Strömungsgeschwin-anderen Filmes einen Winkel von 90° einschliesst. Dabei kön- digkeit sehr gut geeignet ist. Ist das Fluid eine elektrisch leinen zwischen den Filmen noch andere Schichten angeordnet tende Flüssigkeit, so muss wenigstens eine der leitenden Konsein. Wird dieses Messelement einer Dehnung unterworfen, taktflächen des Films durch eine zusätzliche Beschichtung ge-so dass beide Filme in gleicher Weise gedehnt werden, dann 25 gen das Fluid isoliert sein.

erhält man als Summe der an den Elektroden gleicher Polari- Für eine weitere mögliche Verwendung des Messwertauf-

tät abgegebenen Ladungen ein Signal, welches ein Mass für nehmers zur Beschleunigungs- oder Schwingungsmessung die relative Flächendehnung des Messelementes darstellt. kann der Messwertaufnehmer eine seismische Masse enthal-Durch diese Ausführungsform wird eine etwa vorhandene ten, die bei Beschleunigung des Messwertaufnehmers eine Richtungsanisotropie des piezoelektrischen Films kompen- 30 Dehnung oder Druckbeaufschlagung des piezoelektrischen siert, was z.B. zur korrekten Erfassung von Flächendehnun- Films bewirkt. Wenn weiters die seismische Masse zwischen gen erforderlich ist. Sie bietet damit den Vorteil, dass zur Er- zwei Streifen des piezoelektrischen Filmes angeordnet ist, und fassung von Flächendehnungen auch monoaxial-orientierte diese Streifen mit Elektroden versehen sind, und die Elektro-piezoelektrische Filme eingesetzt werden können, deren hohe den des einen Streifens mit den Elektroden entgegengesetzter Empfindlichkeit mit der geforderten Isotropie durch diese 35 Polarität des anderen Streifens verbunden sind, ist ein BeAnordnung verbunden wird. Selbstverständlich kann das schleunigungs- oder Schwingungsaufnehmer einfachster Bau-Messelement auch aus mehreren Schichten gebildet sein, wo- weise mit hohen Auflösungsvermögen gegeben.

bei jede Schicht in oben angeführter Weise zwei piezoelektri- Für besondere Anwendungsfälle ist es von Vorteil, wenn sehe Filme und die zugehörigen Elektroden enthält. der piezoelektrische, mit Elektroden versehene Film in einer

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, 40 Spannvorrichtung gehalten ist. Diese freie Aufspannung lässt dass der piezoelektrische Film ein unter Vorspannung stehen- das Messelement bereits bei kleinen wirksamen Kräften rea-der Streifen aus einem monoaxial-orientierten Polymer ist gieren, ohne dass z.B. eine direkte Berührung des Messele-und die Richtung X' der Vorspannung mit seiner Orientie- mentes erforderlich ist. Daher kann der erfindungsgemässe rungsrichtung, der Richtung der maximalen Empfindlichkeit Messwertaufnehmer, nach einer weiteren Ausbildung auch des Films, einen Winkel kleiner als 45° einschliesst. Dadurch 45 zur Messung der Geschwindigkeit rasch bewegter Körper, kann die Linearität und Empfindlichkeit des Messwertauf- insbesondere in der Ballistik herangezogen werden, wobei der nehmers optimiert werden. Messwertaufnehmer aus mindestens zwei, in definiertem Ab-

Eine bevorzugte Verwendung des Messwertaufnehmers stand voneinander angeordneten, eine Messstrecke bildenden besteht darin, dass die zu messende Dehnung eines Körpers Messelementen besteht, wobei der bewegte Körper direkt oder die Entfernungsänderung zweier Körper mittels einer 50 oder beispielsweise über von ihm erzeugte Druckwellen auf einfachen Anordnung direkt in eine Dehnung des piezoelek- die Messelemente einwirkt. Ein solches Messsystem weist eine trischen Filmes umgesetzt wird. Dies hat den besonderen Vor- hohe Genauigkeit auf und eignet sich vor allem zur Bestim-teil, dass durch die direkte Messwertumformung aufwendige mung der mittleren Geschwindigkeit bei grossen Mess-und zusätzliche Messfehlerquellen beinhaltende Zwischen- strecken.

glieder vermieden werden. 55 Die Erfindung wird im folgenden anhand einiger Ausfüh-

Eine mögliche Verwendung von besonderer Bedeutung rungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

stellt die Bestimmung der Druckdifferenz zwischen zwei Räumen dar. Bei dieser Verwendung ist der piezoelektrische Film Fig. 1 einen Ausschnitt aus einem Messelement eines er-des Messwertaufnehmers über ein, zwei Räume verbindende findungsgemässen Messwertaufnehmers in schematischer und diese abdichtende Öffnung gespannt, welche die zu mes- 60 Darstellung,

sende Druckdifferenz aufweisen. Druckdifferenzaufnehmer Fig. 2 und 3 je eine Verwendung als Druckdifferenzauf-

dieser Ausführungsform sind sehr empfindlich und zur Mes- nehmer,

sung rasch erfolgender Druckveränderungen in einem der bei- Fig. 4 eine Verwendung als Strömungsaufnehmer, teil-den Räume hervorragend geeignet. Ist einer der beiden weise in Ansicht,

Räume eine abgeschlossene Kammer mit definiertem Druck 6S Fig. 5 einen Querschnitt gemäss der Linie V-V in Fig. 4, bzw. evakuiert, dann kann mit diesem Differenzdruckmesser Fig. 6 einen Beschleunigungsaufnehmer im Schnitt, die auch der absolute Druck, welcher im zweiten Raum herrscht, Fig. 7 eine Haltevorrichtung für ein Messelement,

Fig. 8 einen Schnitt gemäss der Linie VIII-VIII in Fig. 7 und

Fig. 9 die Anordnung zweier Messwertaufnehmer gemäss Fig. 7 und 8 in Form einer Messstrecke zur Erfassung der Geschwindigkeit eines Projektils,

Fig. 10 einen anderen erfindungsgemässen Messwertauf-nahmer in gestreckter Darstellung,

Fig. 11 den Messwertaufnehmer nach Fig. 10 an einem Rohr montiert,

Fig. 12 einen weiteren Messwertaufnehmer gemäss der Erfindung,

Fig. 13 ein Anwendungsbeispiel für den Messwertaufnehmer nach Fig. 12,

Fig. 14 ein weiteres Anwendungsbeispiel der Erfindung im Querschnitt und

Fig. 15 einen Schnitt nach der Linie XV-XV in Fig. 14. Bei dem in Fig. 1 vergrösserten und schematisch dargestellten Ausschnitt aus einem das Messelement bildenden piezoelektrischen Film 1 sind die Kontaktflächen mit 2 und 3 und die kristallographischen Achsen des Messelementes mit X, Y und Z bezeichnet. Mit X' ist die Richtung der Vorspannung bezeichnet, die mit der Richtung X der maximalen Empfindlichkeit den Winkel a einschliesst. Dieser Winkel soll nach Möglichkeit Null oder wenigstens kleiner als 45° sein. Die Kontaktflächen 2 und 3 des piezoelektrischen Filmes sind je mit einer elektrisch leitenden Schicht 4 bzw. 5 versehen, die aus aufgedampftem Metall oder auch aus einem leitfahigen Lack bestehen können. Wenigstens eine der elektrisch leitenden Kontaktflächen kann mit einer nicht dargestellten isoliert geführten elektrischen Verbindung zu einem Ladungsabnahmekontakt oder direkt zu einer elektrischen Messkette versehen sein.

Der in Fig. 2 dargestellte Messwertaufnehmer zur Messung von Druckdifferenzen zwischen zwei Räumen weist einen piezoelektrischen Film 6 auf, der mit einer Vorrichtung über eine etwa kreisförmige Öffnung 13 gespannt ist, welche die beiden Räume 14 und 15, deren Druckdifferenz erfasst werden soll, gegeneinander abdichtet. Die Vorrichtung ist von einem ringförmigen, in die Trennwand 16 zwischen den beiden Räumen eingesetzten Gehäuse 7 gebildet, das mittels der zentralen Mutter 8 auf der Trennwand befestigt ist. Der Dichtring 9 sorgt an dieser Stelle für eine Abdichtung. Der piezoelektrische Film 6 ist in eine abgestufte Erweiterung der Öffnung 13 eingelegt und wird mittels des Schraubringes 10 über den Ring 11 aus elektrisch isolierendem Material und den Ring 12 aus elektrisch leitendem Material festgehalten. Der Ring 12 dient zur Ableitung der elektrischen Ladung von der oberen Seite des Filmes 6 über die Leitung 17. Von der unteren Seite des Filmes 6 wird die Ladung über die Masse des Gehäuses 7 abgeleitet.

Die Fig. 3 zeigt einen Druckdifferenzeaufnehmer im Schnitt, wobei die beiden Räume 18 und 19 durch eine gewölbte Membran 20, die den piezoelektrischen Film 21 stützt, gegeneinander abgedichtet sind. Die Membran 20 und der Film 21 sind mittels einer Spannschraube 22 unter Zwischen-legung einer Isolierschicht 23 an der Trennwand 24 befestigt. Die Ladungsabnahme erfolgt über den Kontaktring 25, wogegen die andere Elektrode des Films über die Membran 20 und den Auflage- und dichtungsring 26 mit der auf Masse liegenden Trennwand elektrisch verbunden ist.

In den Fig. 4 und 5 ist ein piezoelektrischer Messwertaufnehmer dargestellt, der als Strömungsaufnehmer für elektrisch nicht leitende Fluids ausgebildet ist. Er ernthält einen quer zu der durch die Pfeile 27 angedeuteten Strömungsrichtung über einen Ring 28 gespannten, durchlöcherten, piezoelektrischen Film 29, dessen gegenüberliegende Flächen elektrisch leitend beschichtet sind und durch dessen Öffnungen 29' das Fluid hindurchströmen kann. Dabei ist der Film 29 durch

640 346

das Fluid einer Dehnung unterworfen, die ein Mass für die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids darstellt. Ist das Fluid eine elektrisch leitende Flüssigkeit, so muss wenigstens eine der leitenden Kontaktflächen des Films durch eine zusätzliche Beschichtung gegen das Fluid elektrisch isoliert sein. Der Film 29 ist über die aus den beiden Halteringen 30 und 28 bestehende Vorrichtung zwischen zwei Rohrflanschen 31 und 32 eingespannt. Die Ladungsableitung erfolgt einerseits über den elektrischen Kontaktring 33 und die Leitung 34 und andererseits über Masse, wie in der Zeichnung angedeutet.

Bei dem in Fig. 6 dargestellten Beschleunigungsaufnehmer ist die seismische Masse 35 zwischen zwei piezoelektrischen Filmen 36 und 37 eingespannt, welche die seismische Masse 35 und einen Ladungsabnahmekontakt 38 mit ihren Elektroden entgegengesetzter Polarität berühren. Die der seismischen Masse abgewendeten Elektroden, welche in Tragplatten 52 und 53 gelaert sind, können über das eine Bodenplatte 39' aufweisende Gehäuse 39 geerdet sein. Bei Beschleunigung wird einer der Filme 36,37 gedehnt, während sich der andere elastisch zusammenzieht, sodass die Summe der im Kontakt 38 abgegebenen Ladungen ein Mass für die Richtung und die Grösse der Beschleunigung darstellt. Eventuell kann die seismische Masse 35 noch durch Federn 40,41 gestützt werden, sodass durch geeignete Auswahl der Federstärken die Eigenfrequenz und der Messbereich des Aufnehmers optimiert werden können. Die Ladungsableitung erfolgt einerseits über einen Kontaktstreifen 38 und andererseits über Masse, wie in der Zeichnung angedeutet.

Die Fig. 7 und 8 zeigen eine Spannvorrichtung 42 für einen piezoelektrischen Film 43, der über isolierende Zwischenlagen 44,45 in den Spannbügel 46 eingespannt ist. Die Ladungsabnahme erfolgt einerseits über den Kontaktstreifen 47 und andererseits über Masse, wie in Zeichnung angedeutet.

Die Fig. 9 zeigt die Anordnung zweier Messwertaufnehmer gemäss Fig. 7 und 8 in einem definierten Abstand zueinander, wodurch eine Messstrecke 48 gebildet wird. Beim Durchgang des zu vermessenden Geschosses 49 bzw. dessen Druckwellen 51 durch das Messelement 50 wird eine Zeitmessung ausgelöst, die beim Durchgang des Geschosses bzw. der von ihm erzeugten Druckwelle durch das zweite Messelement 42 abgeschlossen wird. Aus der damit gemessenen Zeit und der bekannten Messstrecke 48 kann die Geschwindigkeit des Geschosses bestimmt werden. Weiters kann das von der Druckwelle 51 erzeugte Ladungssignal auch zur Triggerung anderer elektronischer oder photographischer Einrichtung dienen.

Gemäss der Erfindung können die Messwertaufnehmer auch zur kapazitiven Messwerterfassung verwendet werden. Besonders die in Fig. 2,3 und 4,5 dargestellten Ausführungen eignen sich dafür, da bei diesen Anwendungsfällen meist zeitlich langsam veränderliche Messgrössen zu erfassen sind. Da der endliche Isolationswiderstand des Films statische Messungen auf piezoelektrischem Wege verhindert, ist für die genannten Anwendungsfälle als besonderer Vorteil der Erfindung die Möglichkeit der kapazitiven Messung hervorzuheben.

In Fig. 10 ist ein Messstreifen 59 dargestellt, bei dem ein aus einem flexiblen piezoelektrischen Film 54 bestehendes Messelement auf einem elektrisch isolierenden Band 55 befestigt ist. Zur Ladungsableitung sind Drähte oder aufgedruckte Leiterbahnen 56 und 57 direkt mit den leitenden nicht dargestellten Kontaktschichten des Filmes 54 verbunden. Fig. 11 zeigt die Anordnung eines Messstreifens 59 gemäss Fig. 10 an einem Rohr 58, wobei die Ladungsabnahmeleitungen 56 und 57 nur schematisch freiliegend angedeutet sind. Der Messstreifen 59 umschlingt das Rohr 58 zur Gänze. Dieser Messwertaufnehmer kann z.B. zur Registrierung des Pulses bei Menschen und Tieren verwendet werden.

5

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

640 346

Fig. 12 zeigt ein Messelement 60 bei welchem der flexible Film 61 durch Kraftschluss oder elektrisch leitende Verklebung mit elektrisch leitenden Kontaktschichten 62 und 63 verbunden ist. Die Kontaktschichten 62 und 63 können vorzugsweise ähnlich einer gedruckten Schaltung aus kupferkaschierten flexiblen Laminaten 64 und 65 hergestellt werden. Das Messsignal wird an den Polen 66 und 67 abgenommen. Zur leichten Montage des Messelements am Messobjekt dient eine selbstklebende Folie 68.

Fig. 13 zeigt als Anwendungsbeispiel ein in Fig. 12 dar-estelltes Messelement 60, welches an der Stirnseite eines Rohres 69 angebracht ist, um z.B. Ausströmvorgänge aus dem Rohr messbar zu machen. Insbesondere lässt sich auf diese Weise sehr leicht der Austrittszeitpunkt einer aus dem Rohr austretenden instationären Überschallströmung ermitteln.

Fig. 14 und 15 zeigen ein Anwendungsbeispiel eines Messwertaufnehmers bei dem mehrere Einzelaufnehmer zu einer Einheit integriert sind. Als Anwendungen kommen Messaufgaben in Frage, bei denen z.B. der Druck oder Druckverlauf in einem Rohr 70 das Bohrungen 71 zwischen seiner Innen-und Aussenseite aufweist. Dieses Messelement kann ebenso zur zeitlichen Druckregistrierung an Hohlkörpern dienen, de6

ren Körperform sich durch im Körper wirksame Kräfte zeitlich ändert, wie dies z.B. bei deformierenden oder abbrennenden Explosivstoffen der Fall ist.

Das Messelement hat prinzipiell denselben Aufbau wie je-5 nes nach Fig. 12. Eine selbstklebende Folie 72 verschliesst die Bohrunen 71 und trägt gleichzeitig je ein kupferkaschiertes flexibles Laminat 73. Die Kupferschichte 74 ist durchgehend und bildet einen Pol des von einem flexiblen Film 75 gebildeten Messelements. Der Anschluss dieses Pols an eine Messlei-lo tung erfolgt über das freie Ende 76 der Kupferschichte 74. Der flexible Film 75 steht einerseits mit der Kupferschichte 74 und andererseits mit den elektrisch leitenden Kontaktflächen 77 in Verbindung. Um den örtlichen und zeitlichen Druckverlauf registrieren zu können, erfolgt die Messsignalabnahme i5 an mehreren Kontaktflächen 77, die in Richtung des Rohres 70 in Abständen hintereinander angeordnet sind. Diese Kontaktflächen 77 können z.B. ähnlich einer gedruckten Schaltung aus kupferkaschierten flexiblen Laminaten 78 herestellt werden, wobei die Trägerschicht zugleich als Schutz für das 20 Messelement dient. Die Messsignale der einzelnen durch die Kontaktflächen 77 erfassten Messelemente können am freien Ende 76 der Kupferschichte 74 abgenommen werden.

C

4 Blatt Zeichnungen