DE2831939A1 - Messwertaufnehmer mit einem piezoelektrischen messelement - Google Patents

Messwertaufnehmer mit einem piezoelektrischen messelement

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Description

Meßwertaufnehmer mit einem piezoelektrischen Meßelement
Die Erfindung "bezieht eich auf einen Meßwert aufnehmer mit 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 Punktion der Einspritzpumpe und der Einspritzventile gezogen werden sollen. Der gemeinsame Grundgedanke ist dabei folgend ei· :
Der Druckverlauf in einem Rohr ist die Darstellung des Druckes im Inneren des Rohres als Funktion der Zeit. Durch den Druckanstieg in einer Rohrleitung wird eine Queraclmittsvergrößerung der Rohrleitung hervorgerufen, welche meßtechnisch erfaßbar ist. Es sind piezoelektrische Druckaufnehmei· bekannt, bei denen die an der Einspritzleitung hervorgerufenen Druckpulsationen über einen Kraftübertragungskörper auf ein piezoelektrisches Plättchen (Einkristall oder Keramik) weitergoleitet werden. Diese Anordnungen'sind einerseits sehr aufwendig und haben andererseits den Nachteil einer relativ großen Mawse, 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 Piezoplättchen übertragen werden und die Messung verfälschen. Diese Schwierigkeiten treten bei Jedem Druckaufnehmer auf, mit dem der Druclcverlauf über die durch ihn hervoi'gerufenen Deformationen (in erster Linie Dehnung) der Rohrleitung bestimmt wird, dessen Masse jedoch nicht hinreichend klein ist, um bei Vibra-
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tionen der gesamten Rohrleitung diese nicht mehr meßbar elastisch zu deformieren. Weiters muß Bedacht darauf genommen werden, daß die Vorrichtung salbst 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 Teil 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 Rohrleitungsumfan-* gea werden, örtlich angreifende Meßwertaufnehmer, welche die Dehnung eines Teiles des Umfanges erfassen, haben dann den Nachteil,daß sie die durch die Schwingungen hervorgerufenen Oberflächenveränderungen miterfassen, und dadurch ein stark verfälschtes Meßergebnis liefern.
Es ist auch bekannt, Dehnmeßstreifen an der Rohrleitung zu applizieren, um die Dehnung der Rohrleitung bzw. den Di-uekverlauf in dieser zu erfassen. Dehnmeßstreifen weisen eine Reihe von vorteilhaften Eigenschaften, wie Formflexibilität und geringe Masse, auf, und sie sind für statische und dynamische Messungen sehr gut geeignet. Sie erfordern jedoch eine Anordnung, welche eine reproduzierbare Vorspannung garantiert. Ist die Vorspannung dieser Dehnmeßstreifen großen Schwankungen unterworfen, deren Ursache sowohl in der Montage, als auch in thermischen Ausdehnungen liegen kann, dann verursacht die Abstimmung der erforderlichen teuren Meßbrücke vor ^jeder Messung zusätzlichen Arbeitsaufwand, der vor allem dann nicht vermieden werden kann, wenn die zu messenden relativen dynamischen Dehnungen in der Größenordnung von 10"^ und darunter liegen. Diese Schwierigkeiten treten bei allen Dehnmeßstreifen auf, deren ■physikalische Eigenschaft, über die die Längenänderung erfaßt ' wird, vom Absolutbetrag der Länge abhängt. Ein sehr wesentlicher Nachteil der Dehnmeßstreifen ist weiters die Notwendigkeit, ihn auf die zu vermessende Leitung mittels Spezialkleber aufkleben zu müssen. Um gutes Haften und eine sichere Übertragung der Rohrdehnung auf den Dehnmeßstreifen zu gewährleisten* muß die Leitung besonders gut gereinigt werden, wodurch zusätzlicher.·
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Zeitaufwand erforderlich wird. Da weiters z.B. Einspritzleitungen von Dieselmotoren starken Schwingungen unterworfen sind, wird das Meßergebnis über den Dehnmeßstreifen häufig stark verfälscht. Eine Kompensation dieser Einflüsse ist, wenn überhaupt, nur mit besonderem Aufwand, z.B. durch Einsatz von teuren Spezialdehnmeßstreifen und nur von geschultem Personal durchführbar. Somit sind Dehnmeßstreifen für rasche Diagnosen an Einspritzsystemen von Dieselmotoren, etwa im Werkstätteneinsatz, trotz ihrer Vorzüge praktisch ungeeignet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Meßwertaufnehmer zu schaffen, mit dem mechanische Größen an Hohlkörpern, z.B. der Druckverlauf in Rohrleitungen, welche keine speziellen Vorrichtungen zur Messung aufweisen, sehr rasch und ohne große Vorbereitungsarbeiten bestimmt werden kann. Bei Rohrleitungen soll ein Öffnen derselben zur Montage eines Druckaufnehmers vermieden werden, da der Betrieb einer Anlage nicht immer unterbrochen werden darf, und das öffnen der Leitung zu zeitraubend wäre und zusätzlich das Risiko einer Verunreinigung der Leibung vermieden x^erden muß. Da man durch die Beobachtung des Druckverlaufes die Funktion von Maschinen und Anlagen kontrollieren kann, ist eine befriedigende Lösung dieser Meßwertaufgäbe sehr wichtig, die besonders dann erschwert ist, wenn die Rohrleitungen starken Vibrationen ausgesetzt sind oder stark unterschiedliche Formen und Dimensionen aufweisen.
Die Erfindung besteht darin, daß beim Meßwertaufnehmer der eingangs genannten Art da3 piezoelektrische Meßelement ein flexibler piezoelektrischerFilm ist, dessen gegenüberliegende Flächen mit elektrisch leitenden Kontaktflächen in Verbindung stehen, und daß sich dieses Meßelement wenigstens teilweise und wenigstens mittelbar an die Oberfläche des Hohlkörpers anschmiegt.
Bei der erfindungsgemäßen Ausbildung des Meßwertaufnehmers werden die vorteilhaften Eigenschaften der Dehnmeßstreifen, - wie : Formflexibilität, geringe Masse und daher hohes zeitliches Auflösungsvermögen, Dehnbarkeit und Dehnungsempfindlichkeit, - mit den vorteilhaften Eigenschaften des piezoelektrischen Meßelements, - wie : direkte Erfassung relativer Abweichungen
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von einem "beliebig vorgegebenen Grundzustand, Kompressionsempfindlichkeit, einfache elektronische Auswertbarkeit der Ladungssignale, - gleichzeitig ausgenutzt, wobei jedoch eine Ausschaltung der genannten Nachteile beider Meßwertaufnehmerprinzipien erreicht wird. Da der vorteilhafterweise nur wenig nx stark gewählte, piezoelektrische Film das Dielektrikum eines Kondensators bildet, dessen Elektroden die elektrisch leitenden Kontaktflächen darstellen, eignet sich dieses Meßelement auch zur kapazitiven Bestimmung des Druckverlaufes. Dies ist ein ganz entscheidender Vorteil, da auf kapazitivem Wege auch quasi-statische oder niederfrequente Vorgänge erfaßt v/erden 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 des Druckverlaufes ermöglichtes, erstmals ein tind denselben Aufnehmer wahlx/eise zur piezoelektrischen oder kapazitiven Erfassung des Druckverlaufes zu verwenden, ohne daß ein zusätzlicher Montageaufwand erforderlich ist.
Die erfindungsgemäße Verwendung eines flexiblen piezoelektrischen Films als Meßelement hat den Vorteil, daß dieses Meßelement auch an gekrümmte Körperoberflächen, z.B. Zylinderflächen, angschmiegt; v/erden kann, sodaß eine gute dehnungs-reibungs- bzw. driickschlüssige Verbindung zwischen Körperoberfläche und dem Meßelement besteht und dadurch eine genaue Messung gewährleistet ist.
Es sind eine Reihe flexibler Dielektrika in Form von Folien oder Filmen bekannt, von denen ein Großteil als Elektret in dem Sinne angesprochen werden kann, daß sie eine semipermanente elektrische Polarisation besitzen, deren äußeres Feld durch ebenfalls semi-permanente Oberflächenladungen kompensiert ist. Solche Piezoelektrika weisen, wenn man die Achsen gemäß der IRE-Konvention wählt, einen longitudinalPiezoeffekt in Richtung der Z-Achse, sowie transversale Piezoeffekte bei Spannungen in Richtung der X- bzw. Y-Achse auf. Bekannte piezoelektrische Elektrete sind unter anderem : Polyvinyliden-Fluorid (PVDF), Polyvinylfluorid (PVF), Polyvinyl-Chlorid (PVC), PoIy-
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acrylonitril (PAN), Polymethyl-Methacylat (PMMA), fluoriniertes Ethylen-Propylen (FEP), Polystren, Polyethylen (PE) und sein Terepthalat, Polycarbonat, Polysulfon und Nylon.
Die Erfindung hat auch den Vorteil, daß über die elastische Querkontraktion in Z-Richtung eine Verstärkung der piezoelektrischen und der kapazitiven Dehnungsempfindlichkeit erreicht wird. Veiters 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 Rohrdehnung ein Druck auf den piezoelektrischen Film ausgeübt wird, der senkrecht zur Oberfläche des Meßelemsnts wirkt. Bei vielen Ausführungsformen eines Meßwertaufnehmers gemäß dieser Erfindung wird der piezoelektrische Film Kräften ausgesetzt sein, welche 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 Meßwertaufnehtaers eine besonders hohe Empfindlichkeit.
Sehr vorteilhaft kann es sein, wenn in Weiterbildung der Erfindung zwischen dem piezoelektrischen Film und der Oberflächedes zu vermessenden Körpers flexible Zwischenschichten angeordnet sind. Diese Schichten können der elektrischen Isolierung dem Schutz vor mechanischer Beschädigung oder der elektrischen Ladungsabnähme vom piezoelektrischen Film dienen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann der piezoelektrische Film aus einem monoaxial-orientierten Polymer bestehen. Diese Polymere weisen eine besonders hohe piezoelektrische Empfindlichkeit auf, sie sind daher als Meßelement im Sinne der Erfindung besonders gut geeignet.
Gemäß der Erfindung kann weiters vorgesehen sein, daß der .piezoelektrische Film aus Polyvinylidenfluorid, vorzugsweise aus monoaxial-orientierten ^-Polyvinylidenfluorid besteht. Von den genannten piezoelektrischen Polymeren weist Polyvinyliden-Fluorid eine besonders hohe piezoelektrische Empfindlichkeit wie auch eine große Dielektrizitätskonstante auf. Gewöhnliches PVDF liegt in einer Mischform von d> - und β -PVDF vor. Die -Mischform vom PVDF kann in die monoaxial-*orientierte β -Form Erbracht werden, indem der PVDF-FiIm einer inelastischen
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Dehnung unterworfen wird, Wobei die Richtung der Orientierung mit der Richtung der erfolgten Dehnung zusammenfällt« In dem so vorbehandelten PVDP-FiIm ist die piezoelektrische Dehnungsem-* pfindlichkeit in X-Richtung besonders groß und weist ca. den zehnfachen Wert der Dehnungsempfindlichkeit in Y-Richtung auf. Wegen der hohen piezoelektrischen Empfindlichkeit und der hervorragenden chemischen \md physikalischen Beständigkeit ist dieses Material für die Verwendung als piezoelektrischer Film . besonders vorteilhaft.
Besonders vorteilhaft kann es seinj die elektrisch leitenden Kontaktflächen durch mit der Oberfläche des piezoelektrischen Films fest verbundene dünne elektrisch leitende Schichten zu bilden. Diese Schichten können z.B. aus aufgedampftem Metall oder aus einem leitfähigen Lack bestehen.
Die Erfindung sieht in einer vorteilhaften Weiterbildung vor, daß der piezoelektrische Film ein unter Vorspannung stehender Streifen aus monoaxial-orientiertem Polymer ist, und daß die Richtung der Vorspannung X1 mit der Richtung X der maximalen piezoelektrischen Dehnungsempfindlichkeit des Films einen Winkel kleiner als 4-5° 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 Filmes ruft eine radiale Dehnung des Rohres eine Dehnung des piezoelektrischen Filmes vorwiegend in Richtung seiner stärksten piezoelektrischen Dehmtngsempfindlichkeit hervor, welche bei einem piezoelektrischen Film aus monoaxial-orientiertem PVDF die Richtung der X-Achse darstellt. Durch diese Anordnung des das Rohr 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 Filmes, wegen der viel ge- ' ringeren piezoelektrischen Dehnungsempfindlichkeit in dieser Richtung nur geringe Störungen verursachen können. Dadurch gelingt z.B. bei Verwendung von monoaxialen PVDF eine Abschwächung der Schwingungsstörungen auf 1/10 der Störung, welche bei Verwendung von in X- und Y-Richtung isotropen piezoelektrischen Filmen auftritt. Dieser Vorteil bleibt auch dann noch weitgehend erhal-
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ten, 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 Meßwertaufnehmers ist dadurch gegeben, daß das aus dem Film und den elektrisch leitenden Schichten gebildete Meßelement auf einem elektrisch isolierenden Band befestigt ist. Diese Anordnung ist zur Dehnungsmessung einer beliebig gekrümmten konvexen Fläche, insbesondere Jedoch zur Dehnungsmessung an Rohren mit beliebigem Durchmesser geeignet. Das Band wird z.B. zur Messung der Rohrau3dehnung um die Rohrleitung geklebt, wobei etwa erwünschte "Vorspannung über die Dehnung des Bandes beim Aufklebevorgang erreicht wird. Will man die Dehnung einer 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 mib· Masse verbunden ist. Die Messung erfolgt dann wie bei einem einpoligen piezoelektrischen Meßwertaufnehmer und das isolierende Band bildet eine Schutzfolie für das Meßelemenb.
Weiters kann es nach einem anderen Merkmal der Erfindung von Vorteil sein, wenn mindestens die Randpartie des isolierenden Bandes auf der dem Meßelement zugewandten Seite selbstklebend beschichtet ist, wodurch vor allem die Montage des Meßwertaufnehmers erleichtert und verbilligt wird.
In einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, daß das aus dem Film und elektrisch leitenden Schichten gebildete Meßelement zwischen zwei miteinander verbundenen flexiblen Bändern oder Folien eingebettet ist und mit diesen einen Meßstreifen bildet. Die Montage dieses Meßstreifens ist einfach • und rasch möglich, und das Meßelement ist gleichzeitig vor unerwünschten Massekontakten und vor Verunreinigungen weitgehend geschützt.
Obwohl die aufklebbaren Meßwertaufnehmer den großen Vorteil haben, daß praktisch keine zu Eigenschwingungen fähigen Massen vorkommen, erfordert ihr Einsatz etwa bei der Dehnungsmossung an stark verschmutzten, öligen Rohrleitungen die vor-1 i.ge Reinigung der Meßstelle. Für solche Anwendungsfälle ist
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in vorteilhafter Weise vorgesehen, daß der Meßstreifen, wenig-· stens teilweise um die Rohrleitung spannbar und als Spannbinder ausgebildet ist. Als besonders vorteilhaft erweist es 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, sodaß dieser Meßwertaufnehmer einfach und fest 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, ßje 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 Meßstreifens am Rohr mittels einer Feder erfolgt. Der Vorteil der raschen Montage ist unmittelbar einzusehen und die leicht mögliche zerstörungsfreie Ablösung des Meßwertaufnehiners vom Meßobjekt ermöglicht eine Wiederverwendung des Meßwertgebers.
Als' besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn die Feder das zu vermessende Rohr mit ikma)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 Ausführ-migsform eignet sich unter anderem besonders zur Druckverlaufsmessung in Einspritzleitungen von Dieselmotoren und ist sehr robust. Da der Meßwertaufliehmer 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, sodaß 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
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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, sodaß eine Dehnung der Rohrleitung in radialer Richtung in eine Dehnung oder Druckbeaufschlagung des piezoelektrischen Films umgesetzt wird.
Vor allem für Messungen an Rohrleitungen, die starken Biegeschwingungen ausgesetzt sind, ist es besonders vorteilhaft, wenn die Richtung der minimalen pezoelektrischen Dehnungsempfindlichlc'ait des Films parallel zur Rohrachse steht, da dann die von den Biegeschwingungen herrührenden Signale vernachlässigbar klein sind. Diese können vorteilhafterweise aber auch zur Gänze kompensiert werden, wenn,in Ausgestaltung der Erfindung, der piezoelektrische Film das Rohr am Umfang einmal oder ganzzahlig mehrmals umgibt. Die von den Dehungen und Stauchungen infolge der Biegeschwingung von diametralen Stellen am Rohrumfang herrührenden entgegengesetzten Dehnungssignale heben sich dann auf, sodaß ein sehr einfache Kompensation erzielt ist. Der gleiche Effekt wird erzielt, wenn der Meßwertaufnehmer mehrere Meßelemente aufweist, welche symmetrisch zur Rohrachse angeordnet sind.
Für Messungen an metallischen Hohlkörpern, insbesondere an Rohren, kann es vorteilhaft sein, den piezoelektrischen Film mittels eines elektrisch leitfähigen Klebers direkt auf die Oberfläche des Hohlkörpers zu kleben. Dadurch ist eine besonders einfache und dehnunsschlüssige Verbindung zwischen dem Meßelement und dem Hohlkörper gewährleistet. Diese Anbringungsart eignet sich besonders zur serienmäßigen Ausstattung von Einspritzleitungen von Verbrennungsmotoren.
Werden mehrere erfindungsgemäße Meßwertaufnehmer längs der Rohrachse auf das Rohr aufgebracht, so läßt sich der zeitliche und örtliche Dehnungszustand ermitteln. Der Dehnungszustand kann beispielsweise durch Druck im Rohr oder einen sich im Rohr
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bewegenden Körper hervorgerufen werde, der mit seiner Oberfläche ganz oder nur zum Teil mit der Rohrinnenoberfläche in Berührung steht. Insbesondere kann auf diese Weise 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 Geschoßkörpers in einem Waffenrohr.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß eine Fläche des das Rohr wenigstens teilweise umgebenden piezoelektrischen Films mit mehreren zueinander parallel verlaufenden elektrisch leitenden Schichten in Verbindung steht. Durch diese Zusammenfassung mehrerer Meßwertaufnehmer zu einer Einheit ist es möglich, 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. Die genannten .elektrisch leitenden Schichten können z.B. fest auf der Oberfläche des Films aufgebracht sein. Besonders vorteilhaft sind dafür die zur Herstellung von gedruckten Schaltungen bekannten Verfahren.
Die Erfindung wird im folgenden anhand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen :
J1Ig. 1 einen Ausschnitt aus einem bei der Erfindung zur Anwendung gelangenden Meßelement in schematischer Darstellung,
Pig. 2 einen erfindungsgemäßen Meßwertauf nehmer in gestreckter Darstellung,
Fig. 3 den Meßwertaufnehmer nach Fig. 2, mintiert an einer Rohrleitung im Schnitt; die
Fig. 4· bis 6 Je ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer der Fig. 3 entsprechenden Darstellung und
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Pig. 7 einen Längsschnitt nach der Linie VII-YII in
Fig. 6.
Fig. 8 und 9 einen Mehrfach-Heßwert auf nehmer im Axial-
schnitt bzw. im Schnitt nach der Linie IX-IX in
Fig. 8.
In dem in Fig. 1 dargestellten Ausschnitt aus einem ein Meßelement bildenden piezoelektrischen Film 1 sind die Kontaktflächen 2 und 3 und die kristallographischen Achsen des Meßelementes X, Y lind Z bezeichnet, wobei bei monoaxial-orientierten Polymeren X als die Richtung der maximalen Dehnungsempfindlichkeit parallel zur Filmfläche gewählt wird. Die Kontaktflächen 2 und 3 des piezoelektrischen Filmes 1 sind Je durch eine elektrisch leitende Schicht 4-'5' gebildet, die aus aufgedampftem Metall oder auch aus einem leitfähigen Lack bestehen kann. Wenigstens eine der elektrisch leitenden Kontaktflächen 2, 3 kann mit einer isoliert geführten elektrischen Verbindung versehen sein, die zu einem Ladungsabnahmekontakt oder direkt zu einer elektrischen Meßketbe führt.
In Fig. 2 ist ein aus einem flexiblen piezoelektrischen Film bestehendes Meßelement 5 auf einem elektrisch isolierenden Band 1V befestigt. Zur Ladungsableitung sind Drähte oder aufgedruckte Leiterbahnen 6 und 7 direkt mitten leitenden Kontaktflächen des Meßelementes 5 verbunden. Fig. 3 zeigt die Anordnung eines Meßelementes gemäß Fig. 2 an einer Rohrleitung, wobei die Ladungsabnahmeleitungen 6 und 7 nur schematisch freiliegend angedeutet sind. Zumindest die über das Meßelement 5 vorstehenden Teile des Bandes 4- sind an der dem Meßelement 5 zugewandten Seite selbstklebend beschichtet, sodaß das Meßelement 5 "beim Aufkleben des Bandes 4- auf die Rohrleitung 8 reibungsschlüssig angedrückt wird. Eine Änderung • des Durchmessers der Rohrleitung überträgt sich daher durch die Reibung zwischen Leitung 8 und Film auf das Meßelement. Das Meßelement 5 selbst wird nicht an die Leitung 8 aufgeklebt.
In Fig. 4· ist ein erfindungsgemäßer Meßwertaufnehmer dargestellt, bei dem sich das piezoelektrische Meßelement zwischen zwei miteinander verklebten oder verschweißten Kunststoffbändern 10, 11 befindet und wobei das Band 10 ähnlich
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wie ein Kabelbinder ausgeführt ist. Die elektrische Verbindung der beiden Elektroden des Meßelementes zu den eingegossenen Kontaktstiften I3 und 14 erfolgt über die miteingegossene Metallfolie 12 bzw. über das folienartige Ende des Kontaktstiftes 14. Die Verzahnung 16 und die Zunge 17 sorgen für einen selbsthemmenden Verschluß, sodaß dieser Dehnungsaufnehmer eifach und fest um die Rohrleitung 18 gespannt werden kann. Das Kunststoffband 11 kann aus einem den Reibungsschluß verbessernden Material bestehen.
Beim Ausführungsbeispiel nach !"ig. 5 wird wieder ;aus zwei isolierenden Bändern 191 20 und den dazwischen eingebetteten Piezoelement 21 ein flescibles Band gebildet, dessen Enden mittels der Verschlußteile 22, 23 und Drahtenden 24, 25 geklemmt werde, wobei kleine !Fenster 24', 25' in den isolierenden Bändern I9, 20 die elektrische Kontaktierung der Elektrodenflächen des Meßelementes 21 mit den Drahtenden 24, 25 bewirken. Durch eine Öffnung 22' im Verschlußteil 22 greift der Verschlußtoil 23 hindurch, welcher mittels eines um die '.Achse 26 drehbaren Spannbügels 27 in Dehnuiigsrichtung des Bandes gedrückt 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 Anordnung eines erfindungsgemäßen Meßwertaufnehmers speziell für Druckverlaufsmessungen in Einspritzleitungen von Dieselmotoren gezeigt. In dieser Ausgestaltung des Meßwertaufnehmers wird der zwischen zwei elektrisch isolierenden Bändern 29» 30 eingebettete piezoelektrische PiIm 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 Einspritzleiturgbzw.den Meßstreifeh nicht und stellt einen Schutzpänzer für das Meßelement dar. Die Länge der Bänder 29, 30 und des piezoelektrischen Films 31 wird so gewählt, daß diese im auf die
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Rohrleitungen ausgeklemmten Zustand durch diese und die Aufgpannfeder leicht gedehnt und dadurch unter Vorspannung gesetzt wird. Die Kontaktierung der Elektroden des piezoelektrischen Films y\ mit den Drahtenden 34-, 35 erfolgt dabei wieder durch kleine Fenster 34' > 35' in clen isolierenden Bändern 29. 30.
Fig. 8 und 9 zeigen mehrere Einzelmeßelemente 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 ist metallbeschichtet wobei einzelne Flächenelemente längs des Umfangs von der Beschichtung freigehalten sind um die örtliche Trennung.in Einzelemente zu bewirken. Das Heßelement 37 mi^ den leitenden Schichten 38 werden durch eine Isolierfolie 4-0 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, 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 bzw. mit der Isolierfolie 40 auch elektrisch leitend verklebt sein. Die Meßsignale werden 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 Erdungselektrode für alle als Ladungsabnahmeelektroden wirkenden Schichten 38.
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Claims (18)

  1. ^-- 483 QOteraloh 1. Vennstr. 9, Postfach 254O
    Patentanwälte _ s^ - xeieion·.co524O'i3om
    Prof. Dr.-Ing. Robert MeldaU Datum
    Dtpl.-lng. GuStaV MeldaU .. . Unser Zeichen L 6o8 gM~rS
    Patentansprüche
    Meßwertauf nehmer mit einem piezoelektrischen Meßelement zur Messung mechanischer Größen an Hohlkörpern, insbesondere des Druckverlaufes in Rohren, dadurch gekennz e i c h η e t, daß das piezoelektrische Meßelement ein flexibler piezoelektrischer Film (1) ist, dessen gegenüberliegende Flächen 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. 2. Meßwert aufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem piezoelektrischen Film und der Oberfläche des zu vermessenden Hohlkörpersflexible Zwischenschichten angeordnet sind.
  3. 3. Meßwertaufnehmer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Film aus monoaxialorientiertem Polymer besteht.
  4. 4-, Meßwertaufnehmer nach einem der Anspiüche 1 bis 3»' dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Film au3 Polyvinyliden-Fluorid besteht. \
  5. 5. Meßwertaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitenden Kontaktflächen (2, 3) durch mit der Oberfläche des piezoelektrischen l'ilms (1) fest verbundene dünne elektrisch leitende Schichten (41, 51) gebildet sind.
  6. 6. Meßwertaufnehmer nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Film ein unter Vorspannung stehender Streifen ist und die Richtung der Vor-
    . spannung (X1) mit der Richtung (X) der maximalen piezoelektrischen Dehnungsempfindlichkeit des Films einen Winkel kleiner als 45° einschließt (Fig. 1).
  7. 7. Meßwertaufhehmer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das aus dem Film (1) und den elektrisch leitenden Schichten (4-', 51) gebildete Meß element (5) auf einem elektrisch isolierenden Band (4·) befestigt ist (Fig. 2, 3).
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    ORfGtNAL INSPECTED
  8. 8. Meßwertaufnehmer nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die Randpartie des isolierenden Banden (4) auf der dem Meßelement (5) zugexirandten Seite selbstklebend beschichtet ist.
  9. 9t Meßwertaufnehmer nach einem der Ansprüche 5, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das aus dem E1Hm (1) und den elektrisch leitenden Schichten (4-1, 5') gebildete Meßelement (9, 21, 31) zwischen zwei miteinander verbundenen flexiblen Bändern oder Folien (10, 11; I9, 20;, 29, 30) eingebettet ist und mit diesen einen Meßstreifen (91 , 21.', 31 ·) bildet (Fig. 4- bis 7).
  10. 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. 11. Meßwertaufnehmer nach Anspruch. 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannbinder nach Art eines Kabelbinderverschlusses (17) ausgebildet ist (Fig. 4-).
  12. 12. Meßwertaufnehmer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, • daß der Spannbindex^ (23) einen leicht lösbaren Verschluß, zfB. einen Strammer (27)» aufweist (Fig. 5)·
  13. 13. Meßwertaufnehmer nach Anspruch 9 für Messungen an Rohren, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigung und Vorspannung les Meßs:t?reifens an dem Rohr (33) mittels einer Feder (32) erfolgt.
  14. 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«- destenseinen Teil des Umfangs des Rohres (33) gespannt ist (Fig. 6, 7).
  15. 15« Meßwertaufnehmer 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. 16. Meßwertaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 9 für Messungen an Rohren, dadurch gekennzeichnet, daß er mehrere Meßelemente aufweist, welche symmetrisch zur Rohrachse ar.
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    ISSr
    ordnet sind.
  17. 17· Meßwertaufnehmer nach einemder Ansprüche 1 bis 16 zur Messting des Druckverlaufes in Rohren, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung der minimalen piezoelektrischen Dehnungsempfindlichkeit des Films etwa parallel zur L'olii*- achse steht.
  18. 18. Meßwertaufnehmer nach einem der Ansprüche 1, 3 oder 4 für Messung an metallischen Hohlkörpern, insbesondere Rohren, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische PiIm (37) mittels eines elektrisch leitfähigen Klebers direkt auf die Oberfläche des Hohlkörpers (36) aufgeklebt ist (Pig. 8, 9).
    19« Meßv/ertaufnehmer 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 Pilms (37) mit melu-ox-eu zueinander parallel verlaufenden elektrisch leitenden Schichten (38) in Verbindung steht (Pig. 8, 9).
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