DE2831939C3

DE2831939C3 - Meßwertaufnehmer mit einem piezoelektrischen Meßelement

Info

Publication number: DE2831939C3
Application number: DE2831939A
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl.-Ing. Claassen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-07-27
Filing date: 1978-07-20
Publication date: 1981-09-17
Also published as: DE2831939A1; US4216403A; GB2086584B; GB2086582B; JPS6136166B2; DE2831939B2; CH637214A5; GB2086584A; CH640346A5; FR2399014A1; US4413202A; DE2831938A1; GB2001765B; DE2831938C2; JPS5425778A; ATA550577A; GB2001765A; FR2399014B1; AT375466B; GB2086582A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Meßwertaufnehmer mit einem piezoelektrischen Meßelement zur Messung mechanischer Größen an Hohlkörpern, insbesondere des Druckverlaufes in Rohren, wobei das piezoelektrische Meßelement an gegenüberliegenden Oberflächen mit dünnen elektrisch leitenden Kontaktflächen eine feste Verbindung bilden und über Leitungen mit einer Anzeige- und Auswerteeinrichtung verbindbar sind.
Zur Messung mechanischer Größen an Hohlkörpern, insbesondere des Druckverlaufes in Rohren, wie z. B. Einspritzleitungen von Brennkraftmaschinen, sind Meßwertaufnehmer dieser Art bekannt, die aus dem Druckverlauf Rückschlüsse z. B. auf die Funktion der Einspritzpumpe und der Einspritzventile erlauben. Der gemeinsame Grundgedanke ist dabei folgender:

Der Druckverlauf in einem Rohr ist die Darstellung des Druckes im Inneren des Rohres als Funktion der Zeit. Durch den Druckanstieg in einer Rohrleitung werden elastische Formänderungen an dieser hervorgerufen, welche meßtechnisch erfaßbar sind.

Ein bekannter Meßwertaufnehmer dieser Art, wie er z. B. in der DE-OS 21 43 676 beschrieben ist, besteht aus einem mit Anschlußflanschen versehenen Rührstück,

das in die geteilte, ebenfalls mit Anschlußflanschen versehene Einspritzleitung einer Brennkraftmaschine einsetzbar ist und in der eine quer zur Achse der Einspritzleitung verlaufende Sackbohrung angeordnet ist, die eine an den Druckraum der Einspritzleitung angrenzende Membrane bildet In diese Sackbohrung sind Scheiben aus piezoelektrischem Material eingesetzt, die an der Membrane anliegen und nach außen durch ein Einsatzstück abgedeckt sind. Dieser Meßwertaufnehmer hat den Nachteil, daß eigene geteilte und mit Flanschen versehene Einspritzleitungen vorgesehen sein müssen und der Einbau des Meßwertaufnehmers einen erheblichen Zeitaufwand erfordert und die Gefahr einer Verunreinigung der Einspritzleitung mit sich bringt

Aus der DE-PS 7 45 893 ist ein Druckaufnehmer bekannt, der mit einem Gewindeteil in eine Gewindebohrung in der Begrenzungswand des Druckraumes einschraubbar ist und über einen außen mit dem zu messenden Druck beaufschlagten Hohlzylinder aus piezoelektrischem Material die Meßsignale liefert. Dieser Druckaufnehmer ist einerseits sehr aufwendig und hat andererseits den Nachteil einer relativ großen Masse, welche bei Schwingungen z. B. der Ronrleitung, in welcher der Druck gemessen werden soll, sankrecht zur Leitungsachse starken Beschleunigungen ausgesetzt ist Die dabei auftretenden Trägheitskräfte können über die Befestigungsstelle Deformationen an der Rohrleitung hervorrufen, die den reinen Druckpulsationen überlagert auf das Piezomaterial übertragen werden und die Messung verfälschen. Diese Schwierigkeiten treten bei jedem Meßwertaufnehmer auf, mit dem der Druck über die hervorgerufenen Deformationen (in erster Linie Dehnungen) der Rohrleitung bestimmt wird, dessen Masse jedoch nicht hinreichend klein ist, um bei Vibrationen der gesamten Rohrleitung diese nicht mehr störend zusätzlich elastisch zu deformieren.

Weiters ist aus der DE-OS 24 40 493 ein piezoelektrischer Meßwertaufnehmer bekannt geworden, bei welchem die an den Einspritzleitungen hervorgerufenen Druckpulsationen über ein Paar Metallübertragungselemente auf piezoelektrische Platten übertragen werden. Diese Elemente sind in einem Körper gelagert, der aus zwei bügelförmigen Teilen besteht, weiche durch Verschrauben auf die Einspritzleitungen aufklemmbar sind. Auch dieser Meßwertaufnehmer weist eine so große Masse auf, daß eine Verfälschung des Meßergebnisses bei vibrierenden Rohrleitungen eintritt Durch die Metallübertragungselemente können nur Änderungen im Durchmesser der Einspritzleitungen, nicht aber Änderungen von deren Oberfläche auf die piezoelektrischen Platten übertragen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Meßwertaufnehmer zu schaffen, mit dem mechanische Größen an Hohlkörpern, z. B. der Druckverlauf in Rohrleitungen, wehhe keine speziellen Vorrichtungen zur Messung aufweisen, sehr rasch und ohne große Vorbereitungsarbeiten bestimmt werden können. Es sollen die gesamten Nachteile der bekannten Meßwertaufnehmer vermieden werden, insbesondere soll ein öffnen der Rohrleitungen überflüssig sein und eine Verfälschung des Meßergebnisses auch bei starker Vibration der Rohrleitungen nicht eintreten.

Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, als Meßelement einen piezoelektrischen Film zu verwenden, da dieser eine sehr geringe Masse aufweist und an dem zu vermessenden Hohlkörper leicht anbringbar sein kann.

In der DE-OS 21 03 237 ist eine piezoelektrische Drucksonde, insbesondere in Miniaturausfiihrung, beschrieben, die aus einer beidseitig mit Elektroden versehenen dünnen Schicht aus einem piezoelektrischen Material besteht, wobei die innere Elektrode, die piezoelektrische Schicht und die äußere Elektrode nacheinander auf einen Träger aufgedampft sind. Als Träger wird ein mit Glas ummantelter Metalldraht und als piezoelektrisches Material Kadmium-Sulfid, Zinkoxid oder ähnliches genannt

Derartige piezoelektrische Filme sind für den vorliegenden Meßzweck nicht anwendbar, weil sie an dem zu vermessenden Hohlkörper, wie z. B. eine bestehende Einspritzleitung, nicht anbringbar sind.

Aus der DE-OS 2159 861 sind hochpolymere piezoelektrische Filme bekannt, welche neben dem Vorteil ihrer einfachen Herstellbarkeit auch sehr geringe Empfindlichkeit bezüglich ihrer jeweiligen Vorspannung im Meßbetrieb aufweisen. Durch die Verwendung eines piezoelektrischen Filmes als Meßelement können also die vorteilhaften Eigenschaften der Dehnmeßstreifen, — wie: Formf /,ibilität, geringe Masse und daher hohes zeiiliches Auflösi «igsvermögen, Dehnbarkeit und Dehnungsempfindlichkeit, — mit den vorteilhaften Eigenschaften des piezoelektrischen Meßelementes, — wie: direkte Erfassung relativer ADweichunge^r. von einem beliebig vorgegebenen Grundzustand, Kompressionsempfindlichkeit, einfache elektronische Auswertbarkeit der Ladungssignale, — kombiniert werden, wobei auch eine weitgehende Ausschaltung der genannten Nachteile beider F,leßwertaufnehmerprinzipien erreicht wird. Die zur Ableitung der Ladung von der Oberfläche des Films erforderlichen Kontaktflächen bestehen z. B. aus aufgedampftem Metall oder aus einem leitfähigen Lack.

Die Erfindung besteht bei einem Meßwertaufnehmer der eingangs genannten Art und bei Verwendung eines piezoelektrischen Filmes als Meßelement und einer Haltevorrichtung zur Verbindung des Meßwertaufnehmers mit dem Hohlkörper in der Vereinigung folgender Merkmale:

a^ Verwendung eines an die Oberfläche des Hohlkörpers anschmiegbaren flexiblen piezoelektrischen Films;

b) Verwendung einer befestig- und lösba;en Haltevorrichtung, welche das Anschmiegen des flexiblen piezoelektrischen Films an die Oberfläche des Hohlkörpers mittels eines flexiblen Zwischengliedes bewirkt.

Dadurch werden Dehnungen und sonstige Änderungen (z. B. Krümmungsradius) an der Oberfläche des Hohlkörpers reibschlüssig auf den piezoelektrischen Film übertragen, welcher, sofern diese Änderungen seine' Form eine gewisse Auftrittsfrequenz überschreiten, direkt ein meß- bzw. verstärkbares Ladungssignal abgibt, oder, wenn die Auftrittsfrequenz der Änderung nicht hoch genug ist, in einer Meßbrücke als Kondensator mit veränderlichem Wert vermessen werden kann. Di^s ist ein ganz entscheidender Vorteil, da auf kapazitivem Wege auch quasi-statische oder niederfrequente Vorgänge erfaßt werden können, welche, bedingt durch den endlichen Isolationswiderstand — einer piezoelektrischen Messung praktisch nicht zugänglich sind. Die erfindungsgemäße Verwendung eines flexiblen, piezoelektrischen Films als Meßelement in einem Aufnehmer zur Messung mechanischer Größen an Hohlkörpern ermöglicht es,

erstmals ein und denselben Aufnehmer wahlweise zur piezoelektrischen oder kapazitiven Messung zu verwenden, ohne daß ein zusätzlicher Montageaufwand erforderlich ist.

Durch die erfindungsgemäße Verwendung eines flexiblen piezoelektrischen Films als Meßelement kann das Meßelement auch an gekrümmte Körperoberflächen, z, B. Zylinderflächen, angeschmiegt werden, so daß eine gute dehnungs-, reibürigs- bzw. druckschlüssige Verbindung zwischen Körperoberfläche und dem Meßelement besteht und dadurch eine genaue Messung gewährleistet ist

Der erfindungsgemäße Meßwertaufnehmer kann mit geringem Gewicht ausgeführt werden, weil der Gewichtsanteil des verwendeten piezoelektrischen Films unbedeutend ist und auch die Haltevorrichtung sowie das flexible Zwischenglied dementsprechend gewichtssparend dimensioniert werden können. Er kann rasch und ohne Betriebsunterbrechung an den Meßstelien, z. B. den Rohrleitungen montiert und demontiert werden.

Es sind mehrere flexible Dielektrika in Form von Folien oder Filmen bekannt, die für eine erfindungsgemäße Verwendung in Frage kommen. Ein Großteil davon kann als Elektret in dem Sinne angesprochen werden, daß sie eine semipermanente elektrische Polarisation besitzen, deren äußeres Feld durch ebenfalls semipermanente Oberflächenladungen kompensiert ist. Solche Piezoelektrika weisen, wenn man die Achsen gemäß der IRE-Konvention wählt, einen longitudinalen Piezoeffekt in Richtung der Z-Achse, sowie transversale Piezoeffekte bei Spannungen in Richtung der X- bzw. K-Achse auf. Bekannte piezoelektrische Elektrete sind unter anderem:
Polyvinyliden-Fluorid (PVDF).
Polyvinyl-Fluorid (PVF),
Polyvinyl-Chlorid (PVC),
Polyacrylnitril (PAN),
Polymethyl-Methacylat (PMMA),
fluoriniertes Ethylen-Propylen (FEP).
Polystren,
Polyethylen (PE) und sein Terephthalat,

Pib

Polysulfon und Nylon.

Die Erfindung hat auch den Vorteil, daß über die elastische Querkontraktion in Z-Richtung eine Verstärkung der piezoelektrischen und kapazitiven Dehnungsempfindlichkeit erreicht wird. Weiters kann z.B. die Rohrdehnung mit dem erfindungsgemäßen Meßwertaufnehmer auch über den longitudinalen Piezoeffekt erfaßt werden, wenn das Element so angeordnet wird, daß durch die rtohrdehnung ein Druck auf den piezoelektrischen Film ausgeübt wird, der senkrecht zur Oberfläche des Meßelementes wirkt Bei vielen Ausführungsformen eines Meßwertaufnehmers gemäß dieser Erfindung wird der piezoelektrische Film Kräften ausgesetzt sein, weiche in ihm sowohl Dehnungen parallel zu seiner Oberfläche, als auch einen Druck senkrecht zu seiner Oberfläche bewirken. Diese Kombination von Dehnung und Druck bewirkt in vielen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Meßwertaufnehmers eine besonders hohe Empfindlichkeit.

Sehr vorteilhaft kann es sein, wenn, in Weiterbildung der Erfindung, zwischen dem piezoelektrischen Film und der Oberfläche des zu vermessenden Hohlkörpers zumindest eine flexible Zwischenschicht angeordnet ist Diese Schichten können der elektrischen Isolierung, dem Schutz vor mechanischer Beschädigung oder der elektrischen Ladungsabnahme Vom piezoelektrischen Film dienen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann der

piezoelektrische Film aus einem monoaxiat-orientierten Polymer bestehen. Diese Polymere weisen eine besonders hohe piezoelektrische Empfindlichkeit auf und sind daher als Meßelement im Sinne der Erfindung besonders gut geeignet.

Gemäß einem weiteren Ausgestaltungsmerkmal der

ίο Erfindung kann Weitefs der piezoelektrische Film aus Polyvinyliden-Fluorid bestehen. Von den genannten piezoelektrischen Polymeren weist Polyvinyliden-Fluorid (PVDF) eine besonders hohe piezoelektrische Empfindlichkeit wie auch eine große Dielektrizitätskonstante auf. Gewöhnliches PVDF liegt in einer Mischform von α- und /J-PVDF vor. Die <xlß Mischform vom PVDF kann in die besser geeignete monoaxial-orientierte /?-Form gebracht werden, indem der PVDF-FiIm einer inelastischen Dehnung unterworfen wird, wobei die Richtung der Orientierung mit der Kichtung der erfolgten Dehnung zusammenfällt. In dem so vorbehandelten PVDF-FiIm ist die piezoelektrische Dehnungsempfindlichkeit in -Y-Richtung besonders groß und kann ca. den zehnfachen Wert der Dehnungsempfindlichkeit in y-Richtung aufweisen. Wegen der hohen piezoelektrischen Empfindlichkeit und der großen chemischen und physikalischen Beständigkeit ist dieses Material für die Verwendung als piezoelektrischer Film besonders vorteilhaft.

Die Erfindung sieht in einer vorteilhaften Weiterbildung vor, daß der piezoelektrische Film ein mit einer Vorspannung beaufschlagter Streifen ist und die Richtung der Vorspannung mit der Richtung der maximalen piezoelektrischen Dehnungsempfindlichkeit des Films einen Winkel kleiner als 45° einschließt Dazu wird der Film so um den Hohlkörper, z. B. ein Rohr gespannt, bzw. angepreßt, daß eine tangentiale Vorspannung entsteht. Durch diese Orientierung des Films ruft eine radiale Dehnung des Rohres eine Dehnung des

•to piezoelektrischen Films vorwiegend in Richtung seiner stärksten piezoelektrischen Dehnungsempfindlichkeit hervor, welche bei einem piezoelektrischen Film aus

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A"-Achse darstellt Durch diese Anordnung des den Hohlkörper umschließenden Meßelementes wird die radiale und in erster Linie nur durch den Druck im Inneren des Rohres erzeugte Dehnung des Rohres verstärkt registriert, während parasitäre Dehnungen bzw. Kompressionen des Rohres parallel zur Rohrachse, und somit parallel zur Y- Achse des Films, wegen der viel geringeren piezoelektrischen Dehnungsempfindlichkeit in dieser Richtung nur geringe Störungen verursachen können. Dadurch gelingt z.B. bei Verwendung von monoaxialem PVDF eine Abschwächung der Schwingungsstörungen auf '/io der Störung, welche bei Verwendung von in X- und V-Richtung isotropen piezoelektrischen Filmen auftritt Dieser Vorteil bleibt auch dann noch weitgehend erhalten, wenn der Film so angeordnet wird, daß seine Orientierungsrichtung einen spitzen Winkel mit der oben genannten idealen Orientierungsrichtung, der Richtung der maximalen piezoelektrischen Dehnungsempfindlichkeit einschließt

Eine besonders günstige Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Meßwertaufhehmers ist dadurch gegeben, daß das aus dem Film und den elektrisch leitenden Schichten gebildete Meßelement auf einem elektrisch isolierenden Band befestigt ist Das elektrisch

isolierende Band bildet dabei gleichzeitig die Haltevorrichtung und das flexible Zwischenglied, welche zusammen das Anschmiegen des piezoelektrischen Films an die Oberfläche des Hohlkörpers bewirken. Diese Ausführung ist zur Dehnungsmessung einer beliebig gekrümmten konvexen Fläche, insbesondere jedoch zur Dehnungsmessung an Rohren mit beliebigem Durchmesser geeignet. Das Band wird z. B. zur Mei.iJng der Rohrausdehnung um die Rohrleitung geklebt, wobei eine etwa erwünschte Vorspannung über die Dehnung des Bandes beim Aufklebevorgang erreicht wird. Will man die Dehnung ein«:r gekrümmten Fläche mit elektrisch leitender Oberfläche messen, kann das Band in vorteilhafter Weise so aufgeklebt werden, daß die an die Meßfläche anschließende Elektrode über diese mit Masse verbunden ist. Die Messung erfolgt dann wie bei einem einpoligen piezoelektrischen Meßwertaufnehmer und das isolierende Band bildet eine Schutzfolie für das Meßelement.

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Erfindung mindestens die Randpartie des isolierenden Bandes auf der dem Meßelement zugewandten Seite selbstklebend beschichtet sein, wodurch vor allem die Montage des Meßwertaufnehmers erleichtert und verbilligt wird.

In Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß das aus dem piezoelektrischen Film und elektrisch leitenden Schichten gebildete Meßelement zwischen zwei miteinander verbundenen flexiblen Bändern oder Folien eingebettet ist, welche das flexible Zwischenglied bzw. die Zwischenschicht bilden. Die Moiitage ist dadurch einfach und rasch möglich, und das Meßelement ist gleichzeitig vor unerwünschten Massekontakten und vor Verunreinigungen weitgehend geschützt.

Weiters ist in Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß der piezoelektrische Film das Rohr am Umfang einmal oder ganzzahlig mehrmals umgibt. Die von den Dehnungen und Stauchungen infolge der Biegeschwingungen von diametralen Stellen am Rohrumfang herrührenden entgegengesetzten Dehnungssignale heben sich dann auf, so daß eine sehr einfache Kompensation erzielt ist. Der gleiche Effekt wird erzielt, wenn der Meßwertaufnehmer mehrere Meßelemente aufweist, welche symmetrisch zur Rohrachse angeordnet sind.

Vor allem für Messungen an Rohrleitungen, die starken Biegeschwingungen ausgesetzt sind, ist es besonders vorteilhaft, wenn die Richtung der minimalen piezoelektrischen Dehnungsempfindlichkeit des Films etwa parallel zur Rohrachse steht, um den Störeinfluß von Biegeschwingungen des Rohres zu minimalisieren.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor. daß eine der beiden elektrisch leitenden Kontaktflächen des piezoelektrischen Films in mehrere elektrisch von einander getrennte parallel zueinander verlaufende Streifen unterteilt ist Dadurch läßt sich der zeitliche und örtliche Dehnungszustand des Hohlkörpers ermitteln. Der Dehnungszustand kann beispielsweise durch Druck im Rohr oder einen sich im Rohr bewegenden Körper hervorgerufen werden, der mit seiner Oberfläche ganz oder nur zum Teil mit der Rohrinnenoberfläche in Berührung steht. Insbesondere kann auf diese Weise z. B. die Ausbreitung von Druck- oder Stoßwellen in einem Rohr ermittelt werden, ohne daß im Rohr oder an dessen Innenoberfläche Störstellen durch Sensorelemente oder Druckentnahmeöffnungen entstehen. Des weiteren kann mit dieser Anordnung die Bewegung eines Körpers in einem Rohr ermittelt werden, beispielsweise die Kolbenbewegung in einem Zylinder oder die Bewegung eines Geschößkörpefs in einem Waffenrohr, wobei es durch die Zusammenfassung mehrerer Meßwertaufnehmer zu einer Einheit möglich ist, die einzelnen Meßstellen besonders dicht und genau aneinanderzureihen. Die Handhabung dieses Mehrfach-Meßwertaufnehmers ist zeitsparender und einfacher als die Handhabung der entsprechenden Anzahl Einzel-Meßwertaufnehmer.

Obwohl die aufklebbafen Meßwertaufnehmer den großen Vorteil haben, daß praktisch keine zu Eigenschwingungen fähigen Massen vorkommen, erfordert ihr Einsatz etwa bei der Dehnungsmessung an stark verschmutzten, öligen Rohrleitungen die vorherige Reinigung der Meßstelle. Für solche Anwendungsfälle ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß der aus den Meßelementen und den Zwischengliedern und den Zwischenschichten gebildete Meßstreifen '»vciiiASicris isilv/sise \avi dss Rohr Eⁿsnnbsr is* "n^ ruit dem Verschluß einen Spannbinder bildet. Als besonders vorteilhaft erweist sich dabei vor allem aus Montagegründen, wenn nach einem weiteren Merkmal der Erfindung der Spannbinder nach Art eines Kabelbinderverschlusses ausgebildet ist. Die an einem solchen Kabelbinderverschluß vorgesehene Verzahnung mit einer mit ihr zusammenarbeitenden Zunge sorgt für einen selbsthemmenden Verschluß, so daß dieser Meßwertaufnehmer einfach und fest z. B. um eine Rohrleitung gespannt werden kann. In einer Variante kann weiters vorgesehen sein, daß der Spannbinder einen leicht lösbaren Verschluß, z. B. einen Strammer aufweist. Diese Ausführungsform besitzt auch eine relativ geringe Masse, ist sehr klein und leicht zu handhaben. Sie bietet vor allem dann große Vorteile, wenn der piezoelektrische Meßwertaufnehmer zur Messung des Druckverlaufes bei Rohrleitungen mit nahezu gleichen Durchmessern eingesetzt werden soll.

In weiterer Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß für Messungen an Rohren die Befestigung und Vorspannung des aus dem Meßelement, dem Zwischenglied und der Zwischenschicht gebildeten Meüstreifens an dem Rohr mittels einer Feder erfolgt. Der Vorteil der raschen Montage ist unmittelbar einzusehen und die leicht mögliche zerstörungsfreie Ablösung des Meßwertaufnehmers vom Meßobjekt ermöglicht eine Wiederverwendung des Meßwertgebers.

Als besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn dabei die Feder das zu vermessende Rohr mit ihren beiden seitlichen Rändern über mehr als den halben Umfang umklammert, wobei der mit der Feder verbundene Meßstreifen um mindestens einen Teil des Umfanges des Rohres gespannt ist. Diese Ausführungsform eignet sich unter anderem besonders zur Druckverlaufsmessung in Einspritzleitungen von Dieselmotoren und ist sehr robust Da der Meßwertaufnehmer durch bloßes Aufdrücken der Feder auf die Einspritzleitung geklemmt werden kann, kann die Montage auch an schwer zugänglichen Stellen einfach und schnell erfolgen. Ebenso einfach ist auch die Demontage, so daß dieser Meßwertaufnehmer speziell für den Einsatz in Kraftfahrzeugwerkstätten geeignet ist Allerdings muß man bei der Auswahl der richtigen Federstärke und -größe besondere Sorgfalt aufwenden, damit die parasitären Federschwingungen unter der Toleranzgrenze für eine korrekte Dehnungsmessung bleiben. Diese Bauart weist den weiteren Vorteil auf, daß die Feder nicht auf den Meßstreifen drückt und daß der Federkörper einen

Schutzpanzer für das Meßelement darstellt. Diese Vorrichtung umklammert die Rohrleitung an zwei in axialer Richtung gegenüber dem Meßstreifen versetzten Stellen, und das piezoelektrische Meßelement wird durch diese Vorrichtung eventuell durch Zwischenschichten von der Rohrleitung getrennt an diese gepreßt, so daß eine Dehnung der Rohrleitung in radialer Richtung in eine Dehnung oder Druckbeaufschlagung des pi ,izoelektrischen Films umgesetzt wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 einen Ausschnitt aus einem bei der Erfindung zur Anwendung gelangenden Meßelemenl in schematischer Darstellung,

Fig. 2 einen erfindungsgemäßen Meßwertaufnehmer in gestreckter Darstellung,

F i g. 3 den Meßwertaufnehmer nach F i g. 2. montiert an einer Rohrleitung im Schnitt, die

Fig 4 hi« fi jp pin weiipre«; Ausfiihriingsbeispiel der Erfindung in einer der Fig. 3 entsprechenden Darstellung und

Fig. 7 einen Längsschnitt nach der Linie VIl-VII in Fig. 6.

Fig.8 und 9 einen Mehrlach-Meßwertaufnehmer gemäß der Erfindung im Axialschnitt bzw. im Schnitt nach der Linie IX-IX in F i g. 8.

In dem in Fig. 1 dargestellten Ausschnitt aus einem ein Meßelement bildenden piezoelektrischen Film 1 sind die elektrisch leitenden Schichten, welche die Kontaktflächen bilden mit 2 und 3 und die kristallografischen Achsen des Meßelementes mit ,Y, Kund Zbezeichnet, wobei bei monoaxial-orientierten Polymeren X als die Richtung der maximalen Dehnungsempfindlichkeit parallel zur Filmfläche gewählt wird. Die elektrisch leitenden Schichten 2 und 3 des piezoelektrischen Filmes 1 könner aus aufgedampftem Metall oder auch aus einem leitfähigen Lack bestehen. Wenigstens eine der elektrisch leitenden Schichten 2, 3 kann mit einer isoliert geführten elektrischen Verbindung verseher, sein, die zu einem Ladungsabnahmekontakt oder direkt zu einer elektrischen Meßkette führt.

In F i g. 2 ist ein aus einen flexiblen piezoelektrischen Film 5 bestehendes Meßelement auf einem elektrisch isolierenden Band 4 befestigt. Die Ladungsabnahmeleitungen 6 und 7 sind Drähte oder aufgedruckte Leiterbahnen, die direkt mit den leitenden Schichten des piezoelektrischen Films 5 verbunden sind. F i g. 3 zeigt die Anordnung eines Meßelementes gemäß Fig.2 an einer Rohrleitung 8, wobei die Ladungsabnahmeleitungen 6 und 7 nur schematisch freiliegend angedeutet sind. Zumindest die über den piezoelektrischen Film 5 vorstehenden Teile des Bandes 4 sind an der dem Film 5 zugewandten Seite selbstklebend beschichtet, so daß der piezoelektrische Film 5 beim Aufkleben des Bandes 4 auf die Rohrleitung 8 reibschlüssig angedrückt wird. Eine Änderung des Durchmessers der Rohrleitung überträgt sich daher durch die Reibung zwischen Rohrleitung 8 und Film 5 auf den Film. Der Film 5 selbst wird nicht an die Rohrleitung 8 aufgeklebt.

In F i g. 4 ist ein erfindungsgemäßer Meßwertaufnehmer dargestellt, bei dem sich der piezoelektrische Film 9 zwischen zwei miteinander verklebten oder verschweißten Kunststoffbändern befindet, von dem das der Rohrleitung 18 zugewendete Band eine flexible Zwischenschicht 11 und das äußere Band das fle-ible Zwischenglied IO bilden. Das flexible Zwischenglied iö kann als Band ähnlich wie ein Kabelbinder ausgeführt sein. Die elektrische Verbindung der beiden elektrisch leitenden Schichten des Meßelementes zu den eingegossenen Kontakts;!ften 13 und 14 erfolgt über die miteingegossene Metallfolie 12 bzw. über das folienartige Ende 15 des liohlaktstiftes 14. Die Verzahnung 16 und die Zunge 17 des selbsthemmenden Verschlusses der Haltevorrichtung sorgen dafür, daß dieser Dehnungsaufnehmer einfach und fest um die Rohrleitung 18 gespannt werden kann. Die flexible Zwischenschicht 11

ίο kann aus einem den Reibungsschluß verbessernden Kunststoff-Material bestehen.

Beim Ausführungsbeispiel nach F i g. 5 wird wieder aus zwei isolierenden Bändern, nämlich der flexiblen Zwischenschicht 19 und dem flexiblen Zwischenglied 20, sowie dem dazwischen eingebetteten piezoelektrischen Film 21 ein flexibles Band gebildet, dessen Enden mittels der Verschlußteile 22, 2.3 und Drahtenden 24, 25 geklemmt werden, wobei kleine Fenster 24', 25' in den isolierenden Bändern die elektrische Kontaktierung der Elektrodenflächen des piezoelektrischen Films 21 mit den Drahtenden 24, 25 bewirken. Durch eine Öffnung 22' im Verschlußteil 22 greift der Verschlußteil 23 hindurch, welcher mittels eines um die Achse 26 schwenkbaren Spannbügels 27 in Dehnungsrichtung des Bandes gedruckt wird. Dadurch wird das um das Rohr 28 herumgeführte Band verschlossen und vorgespannt. Diese Verschlußart bietet vor allem dann große Vorteile, wenn der piezoelektrische Meßwertaufnehmer zur Messung des Druckverlaufes bei Rohrleitungen mit nahezu gleichen Durchmessern eingesetzt werden soll.

In den Fig.6 und 7 ist eine Ausführung eines erfindungsgemäßen Meßwertaufnehmers speziell für Druckverlaufsmessungen in Einspritzleitungen von Dieselmotoren gezeigt. Bei diesem Meßwertaufnehmer wird der zwischen zwei elektrisch isolierenden Bändern, nämlich der flexiblen Zwischenschicht 29 und dem flexiblen Zwischenglied 30, eingebettete piezoelektrische Film 31 von einer Aufklemmfeder 32 um die Einspritzleitung 33 gespannt. Die Aufklemmfeder 32 ist dabei so ausgebildet, daß sie nur mit den beiden äußeren Auflageflächen 32' mehr als die Hälfte der Einspritzleitung 33 umspannt. Der Mittelteil der Feder 32 berührt die Einspritzleitung 33 bzw. den piezoelektrischen Film 31 nicht und stellt einen üchutzpanzer fur das Meßelement dar. Die Länge der beiden Bänder und des piezoelektrischen Films 31 wird so gewählt, daß diese im auf die Rohrleitungen aufgeklemmten 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 der flexiblen Zwischenschicht 29 und dem flexiblen Zwischenglied 30.

Die F i g. 8 und 9 zeigen mehrere Einzelelemente, die zusammengefaßt sind. Der piezoelektrische Film 37 ist mit einem leitfähigen Klebemittel auf das Rohr 36 aufgebracht. Die nach außen weisende Oberfläche des piezoelektrischen Films 37 ist metallbeschichtet, wobei einzelne Flächenelemente längs des Umfangs von der Beschichtung freigehalten sind, um eine örtliche Trennung in Einzelelemente zu bewirken. Der piezoelektrische Film 37 mit den leitenden Streifen 38 wird 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 dadurch versehen, daB von einer mit Kupfer kaschierten Isolierfolie 40 ausgegangen wird und das Kupfer

zwischen den seilenden Schichten 39 weggeätzt wird. Die leitenden Schichten 38 und 39 können mit dem piezoelektrischen Film 37 bzw. mit der Isolierfolie 40 auch elektrisch leitend verklebt sein. Die Meßsignale werden nach außen geleitet, wo sie abgenommen werden. Der keilförmige Teil 41 dient zur Befestigung

des elektrischen Anschlußteiles der Isolierfolie 40 ain 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 Erdungselektrode für alle als Ladungsabnahmeelektroden wirkenden Schichten 38.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Meßwertaufnehmer mit einem piezoelektrischen Meßelement zur Messung mechanischer Größen an Hohlkörpern, insbesondere des Druckverlaufes in Rohren, wobei das piezoelektrische Meßelement ein piezoelektrischer Film ist, dessen gegenüberliegenden Oberflächen mit dünnen elektrisch leitenden Kontaktflächen eine feste Verbindung bilden und über Leitungen mit einer Anzeige- und Auswerteeinrichtung verbindbar sind, und mit einer Haltevorrichtung zur Verbindung des Meßwertaufnehmers mit dem Hohlkörper, gekennzeichnet durch die Vereinigung folgender Merkmale:

a) Verwendung eines an die Oberfläche des Hohlkörpers anschmiegbaren flexiblen piezoelektrischen Films (5,9,21,31,37);

b) Verwendung einer befestig- und lösbaren Haltevorrichtung, welche das Anschmiegen des flexiblen piezoelektrischen Films an die Oberfläche des Hohlkörpers mittels eines Flexiblen Zwischengliedes (10,20,30) bewirkt

2. Meßwertaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem piezoelektrischen Film (9, 21, 31) und der Oberfläche des zu vermessenden Hohlkörpers zumindest eine flexible Zwischenschicht (11,19,29) angeordnet ist

3. Meßwertaufnehmer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Film aus monoaxialorientierlen Polymer besteht

4. Meßwei ^aufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekea~.zeichn "i, daß der piezoelektrische Film aus Polyviny'iden-Fluorid besteht

5. Meßwertaufnehmer nach \nspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Film ein mit einer Vorspannung beaufschlagter Streifen ist und die Richtung der Vorspannung (X') mit der Richtung (X) der maximalen piezoelektrischen Dehnungsempfindlichkeit des Films einen Winkel kleiner als 45° einschließt.

6. Meßwertaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das aus den. Film (1) und den elektrisch leitenden Schichten (2,3) gebildete Meßelement (5) auf einem elektrisch isolierenden Band (4) befestigt ist.

7. Meßwertaufnehmer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die Randpartie des isolierenden Bandes (4) auf der dem Meßelement (5) zugewandten Seite selbstklebend beschichtet ist

8. Meßwertaufnehmer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das aus dem piezoelektrischen Film (1) und den elektrisch leitenden Schichten (2. 3) gebildete Meßelement (9, 21, 31) zwischen zwei miteinander verbundenen flexiblen Bändern oder Folien (10, 11; 19, 20; 29, 30) eingebettet ist, welche das flexible Zwischenglied (10. 20, 30) bzw. die Zwischenschicht (11, 19, 29) bilden.

9. Meßwertaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelek* trische Film (1) das Rohr am Umfang einmal öder ganzzahlig mehrmals umgibt,

10. Meßwertaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß er mehrere Meßelemente aufweist, welche symmetrisch zur Rohrachse angeordnet sind.

11. MeBwertaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung der minimalen piezoelektrischen Dehnungsempfindlichkeit des Films etwa parallel zur Rohrachse steht, um den Störeinfluß von Biegeschwingungen des Rohres zu minimalisieren.

12. Meßwertaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine der beiden elektrisch leitenden Kontaktflächen des piezoelektrischen Films (37) in mehrere elektrisch von einander getrennte parallel zueinander verlaufende Streifen (38) unterteilt ist

13. Meßwertaufnehmer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der aus dem piezoelektrischen Film (9, 21, 31), dem Zwischenglied (10, 20, 30) und der Zwischenschicht (11,19,29) gebildete Meßstreifen (9', 21', 31') wenigstens teilweise um das Rohr spannbar ist und mit dem Verschluß (16, 17, 22, 23) einen Spannbinder bildet

14. Meßwertaufnehmer nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannbinder nach Art eines Kabelbinderverschlusses (17) ausgebildet ist

15. Meßwertaufnehmer nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannbinder (23) einen leicht lösbaren Verschluß, zum Beispiel einen Strammer (27) aufweist

16. Meßwertaufnehmer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet daß die Befestigung und Vorspannung des aus dem Meßelement (31), dem Zwischenglied (30) und der Zwischenschicht (29) gebildeten Meßstreifens (31') an dem Rohr (33) mittels einer Feder (32) erfolgt

17. Meßwertaufnehmer nach Anspruch 16, 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 (31') um mindestens einen Teil des Umfangs des Rohres (33) gespannt ist