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Piezoelektrischer Druckgeber
DasStammpatentNr. 254559 (A 5669/65) bezieht sich auf einen piezoelektrischen Druckgeber mit einem innerhalb des Gebergehäuses von einer Vorspannhülse eingeschlossenen Piezoelement und einer dem Messdruck ausgesetzten Membran, die an der Vorspannhülse anliegt und das Innere des Gebergehäu- ses gegen die Druckmessstelle abdichtet.
Den Gegenstand des Stammpatents bildet eine zusätzliche vorzugsweise zylindrische Hülse mit einem dünnwandigen, mit der Hülse aus einem Stück bestehendenBoden, welcher die Membran bildet und welche anderunterenStirnfläche der Vorspannhülse anliegt, wobei vorzugsweise die Innenfläche der
Membran mit einer in die Innenwand der Hülse einspringenden Ausrundung in den Schaft der Hülse übergeht. Durch diese Ausbildung erhält die Membran eine Randversteifung, welche sie vor Verspannungen und Deformationen bei der Montage schützt. Der Schaft der Hülse, der im Verhältnis zur Membran eine grosse Wandstärke aufweist, ist ohne weiteres in der Lage, die beim Einpressen oder Anschweissen der Hülse auftretenden Montage- oder Schweissspannungen weitgehend aufzunehmen und von der Membran abzuhalten.
Mittels der Hülse lässt sich aber auch die Gesamtvorspannung des Piezoelements mit grosser Genauigkeit einstellen. Die Gesamtvorspannung ergibt sich nämlich durch additive Überlagerung der an- fänglichen Vorspannung des Piezoelements durch die Vorspannhülse und des Druckes, den die an der Vor- spannhülsefedernd anliegende Membran auf die Vorspannhülse ausübt. Der federnde Andruck der Membran an der Vorspannhülse ist nötig, um bei der Messung von Unterdrücken ein Abheben der Membran von der Vorspannhülse und damit eine Verfälschung des Messergebnisses zu vermeiden.
Bei der bevorzugten Ausführung dieses Druckgebers mit einer Ausrundung an der Übergangsstelle von der Membran zum Schaft der Hülse wird ausserdem eine besonders hohe Messempfindlichkeit erreicht, da die für die Druckübertragung von der Messstelle auf das Geberelement verfügbare wirksame Membranfläche vergrössert ist.
Bei flüssigkeitsgekühlten piezoelektrischen Druckgebern der eingangs erwähnten Art ist es bekannt, zwischen Gebergehäuse und Vorspannhülse einen Ringraum vorzusehen, der durch zwei diametral gegenüberliegende, axial verlaufende Wülste einer in den Ringraum eingesetzten Leithülse in zwei gleiche Ringraumteile unterteilt ist. Einer derselben steht mit einem Zulaufstutzen und der andere mit einem Ablaufstutzen für das Kühlmittel in Verbindung. In diesem Fall ist die Membran als Ringscheibe ausgebildet, durch die der Boden der Vorspannhülse hindurchragt. Im Boden der Vorspannhülse sind drei Querbohrungen vorgesehen, die die beiden Ringraumteile miteinander verbinden.
Die Kühlung des Hülsenbodens durch das durch die Querbohrungen hindurchgeleitete Kühlwasser kann indessen nicht voll wirksam werden, da der Boden der Vorspannhülse unmittelbar dem heissen Druckmedium ausgesetzt ist. Es bleibt daher eine gewisse Temperaturabhängigkeit des Geberverhaltens bei dieser bekannten Ausführung bestehen. Abgesehen von der Schwierigkeit, die Ringmembran gegen das Gehäuse und den Boden der Vorspannhülse abzudichten, tritt auch die verhältnismässig grosse Masse des Bodens der Vorspannhülse nachteilig in Erscheinung. Es muss eine verringerte Eigenfrequenz der Vorspannhülse in Kauf genommen
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werden, die sich nachteilig auf das Messergebnis auswirkt.
Die für eine weitgehende Temperaturabhängigkeit des Gebers erforderliche Kühlung des Bodenteiles der Vorspannhülse lässt sich nun bei einem Geber gemäss dem Stammpatent erfindungsgemäss dadurch erzielen, dass bei in an sich bekannter Weise zwischen Gebergehäuse und Vorspannhülse vorgesehenem Ringraum, der durch zwei diametral gegenüberliegende, etwa axial verlaufende Leisten od. dgl. Ab- schlusselementein zwei gleicheringraumteile geteilt ist, von denen einer mit einem Zulaufstutzen, der andere mit einem Ablaufstutzen für das Kühlmittel in Verbindung steht, die Ringraumteile über Kanäle verbunden sind, welche in dem an der mit der Vorspannhülse einstückig ausgebildeten Membran anlie- gendenBodenderVorspannhülse, zur Membran hin offen ausgebildet sind.
Die zur Membran hin offenen
Kühlkanäle des Hülsenbodens sorgen nicht nur für eine besonders intensive Kühlung der Hülse selbst, sondern auch des sonst nur mässig gekühlten Membranmittelteiles. Der Hülsenboden kann hiebei eine wesentlich geringere Wandstärke als bei der vorgenannten bekannten Ausführung erhalten, so dass die
Masse der Vorspannhülse klein, ihre Eigenfrequenz hingegen verhältnismässig gross gehalten werden kann. Damit besteht die Möglichkeit, unter Wahrung aller Vorteile des gemäss dem Stammpatent ausge- führten Druckgebers diesen besonders temperaturunempfindlich auszubilden.
Die Erfindung wird an Hand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Fig. 1 zeigt einen piezo- elektrischen Druckgeber gemäss der Erfindung im Axialschnitt, Fig. 2 in einem Teilschnitt nach der
Linie II-II in Fig. 1 und Fig. 3 im Schnitt nach der Linie III-III in Fig. 2.
Ineinem Gebergehäuse 1 ist das Geberelement 3 angeordnet, das innerhalb der Vorspannhül- se 4 das Piezoelement, beispielsweise Schichtquarze, samt den zugehörigen Elektroden enthält. Das
Geberelement stützt sich einerseits mit seiner Schulter 5 unmittelbar im Gebergehäuse 1 ab und anderseits mit dem Bodenteil 4'der Vorspannhülse 4 gegen die Membran 8, welche mit der
Hülse 7 einstückig ausgebildet und über diese mit dem Gebergehäuse 1 verschweisst ist. Das Ge- berelement 3 läuft in ein Anschlussstück 6 aus. Die Hülse 7 umgibt ein Druckring 14, wel- cher auf der der Messstelle zugewendeten Seite des Gebergehäuses 1 aufgepresst ist und sich bei Ge- brauch mit seiner Stirnfläche abdichtend in der Aufnahmebohrung der Messstelle abstützt.
Der untere Teil des Geberelements 3, insbesondere die Vorspannhülse 4, sind von einem
Ringraum 18 umgeben, der vom Kühlmittel durchströmt ist und zu diesem Zweck einerseits mit einem
Zuflussstutzen 21 und anderseits mit einem Ablaufstutzen 22 in Verbindung steht. Der Ringraum 18 ist durch zwei diametral gegenüberliegende Leisten 23 in zwei gleiche Teile geteilt, von denen einer mit dem genannten Zulaufstutzen 21 und der andere mit dem Ablaufstutzen 22 in Verbindung steht. Die Leisten 23, die bis knapp an die Vorspannhülse 4 heranreichen, können vorteilhaft in das Gebergehäuse 1 eingeklebt oder eingelötet sein. Im Bodenteil 4'der Vorspannhülse 4 sind zur Membran 8 hin offene Kanäle 24 vorgesehen, welche die beiden durch die Leisten 23 ge- bildeten Teilräume des Ringraumes 18 miteinander verbinden und vom Kühlmittel mit relativ hoher
Geschwindigkeitdurchströmtwerden.
Dadurch ist eine sehr gute Kühlung des Bodenteiles 4'der Vor- spannhülse 4 und der Membran 8 erzielt, wodurch eine weitgehendeTemperaturunabhängigkeit des Gebers erzielt ist. Die offenen Kanäle 24 sind ausserdem sehr leicht herstellbar und benötigen nur eine geringe Stärke des Bodenteiles 4'der Vorspannhülse 4, so dass die Massen klein und damit die Eigenfrequenz des Gebers hoch gehalten werden kann. Da die Membran 8 ständig mit Vorspan- nung an dem Bodenteil 4'der Vorspannhülse 4 anliegt, ist ein ständiger Abschluss der Kanäle 24 in Richtung der Geberachse durch die Membran 8 gewährleistet.