Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung mit ei nem piezoelektrischen Sensor und mit einem Messverstärker so wie einen Messverstärker für eine solche Sensoranordnung nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.

Stand der Technik

[0002] Sensoren sind bekannt. Ein Sensor misst eine physi kalische- oder chemische Messgrösse und liefert ein Messsig nal. Der Sensor ist Teil einer Sensoranordnung, welche aus dem eigentlichen Sensor und einem nachgeschalteten Messver stärker besteht. Der Sensor liefert das Messsignal, das an den Messverstärker abgeleitet wird, und der Messverstärker verstärkt das abgeleitete Messsignal. Sensor und Messverstär ker können über ein Messkabel elektrisch miteinander verbun den sein.

[0003] Sensoren werden vielfältig eingesetzt, beispiels weise zur Messung von Kraft und Drehmoment bei Fügevorgängen oder zur Messung des Zylinderdrucks im Brennraum von Benzin-, Diesel- und Gasmotoren, oder zur Messung von Vibrationen (= Beschleunigungen) in Gasturbinen. Dabei findet oft ein gros ser Wärmeeintrag statt und die Sensoren werden aufgrund von Erwärmung dauerhaft hohen Einsatztemperaturen von bis zu 1200°C ausgesetzt. [0004] Bei solch hohen Einsatztemperaturen wird nicht nur das Material der Sensoren mechanisch stark belastet, sondern es treten auch temperaturinduzierte Effekte auf, welche das Messsignal verfälschen.

[0005] Die Schrift EP2706337A2 bezieht sich auf einen ka pazitiven Sensor zur Messung von Druck bei Spritzgiessvorgän gen. Der kapazitive Sensor ist über eine Membran im direkten Kontakt mit einer Schmelze, die Schmelze ist 400°C und heis- ser. Bei Beaufschlagung mit Schmelze wird die Membran ausge lenkt. Die Membran ist Teil einer elektrischen Kapazität. Die Auslenkung verändert die elektrische Kapazität. Nun tritt bei Temperaturwechsel auch eine temperaturinduzierte Kapazitäts änderung auf. Um die temperaturinduzierte Kapazitätsänderung zu kompensieren, lehrt die Schrift EP2706337A2 parallel zur elektrischen Kapazität eine weitere elektrische Shunt- Kapazität zu schalten. Die elektrische Shunt-Kapazität ist so ausgelegt, dass sie bei Temperaturwechsel, beispielsweise bei steigender Temperatur, eine temperaturindizierte Erhöhung der elektrischen Kapazität durch eine gleich grosse Erniedrigung der elektrischen Shunt-Kapazität kompensiert.

[0006] Die Lehre der Schrift EP2706337A2 eignet sich für kapazitive Sensoren, sie eignet sich jedoch nicht für piezoe lektrische Sensoren.

[0007] Bei piezoelektrischen Sensoren erzeugt piezoelekt risches Material unter der Wirkung einer Kraft elektrische Polarisationsladungen. Die elektrischen Polarisationsladungen sind über Elektroden an Oberflächen des piezoelektrischen Ma terials abgreifbar. Die Anzahl der elektrischen Polarisati- onsladungen ist proportional zur Grösse der auf das piezoe lektrische Material wirkenden Kraft. Die Anzahl der elektri schen Polarisationsladungen ist das Messsignal, sie liefert direkt die Grösse der Kraft.

[0008] Und bei der Ableitung des Messsignals tritt auch eine elektrische Thermospannung auf, welche nach der Lehre der EP2706337A2 nicht kompensiert wird.

[0009] Denn nach dem Seebeck-Effekt entsteht in einem elektrischen Stromkreis aus unterschiedlichen Materialen bei dem mehrere Kontaktstellen verschiedene Temperaturen haben, eine elektrische Thermospannung. Das passiert auch bei einem piezoelektrischen Sensor mit zwei Elektroden und einem Gehäu se, wo zwischen jeder der Elektroden und dem Gehäuse jeweils ein elektrischer Stromkreis gebildet wird, jede der Elektro den und das Gehäuse sind die Kontaktstellen. Bei verschiede nen Temperaturen an den Kontaktstellen entsteht in jedem der elektrischen Stromkreise eine elektrische Thermospannung, die mehrere mV gross sein kann.

[0010] Nun sind piezoelektrische Sensoren sehr empfind lich, sie messen die Kraft mit einer Messempfindlichkeit von rund 4pC/N. Und eine solch geringe Anzahl von elektrischen Polarisationsladungen wird durch die elektrische Thermospan nung im piezoelektrischen Sensor verfälscht.

[0011] Eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Sensoranordnung mit einem piezoelektrischen Sensor und mit einem Messverstärker bereitzustellen, welche Sensoranordnung einen bei dauerhaften Einsatztemperaturen von bis zu 1200°C im piezoelektrischen Sensor erzeugten elektri- sehe Thermostrom kompensiert. Eine weitere Aufgabe der Erfin dung besteht darin, einen Messverstärker für solch eine Sen soranordnung aufzuzeigen.

Darstellung der Erfindung

[0012] Zumindest eine dieser Aufgaben wird durch die Merk male der unabhängigen Ansprüche gelöst.

[0013] Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung mit ei nem piezoelektrischen Sensor und einem Messverstärker, wel cher piezoelektrische Sensor mit dem Messverstärker elektrisch verbunden ist, welcher piezoelektrische Sensor elektrische Polarisationsladungen liefert, welcher Messver stärker elektrische Polarisationsladungen des piezoelektri schen Sensors verstärkt; wobei der Messverstärker mindestens einen Operationsverstärker mit zwei Operationsverstärkerein gängen und mit einem Operationsverstärkerausgang aufweist, welche elektrischen Polarisationsladungen an einem ersten Operationsverstärkereingang anliegen; wobei an beiden Opera tionsverstärkereingängen eine elektrische Spannung anliegt, welche elektrische Spannung ungleich einem Massepotential des Messverstärkers ist; und wobei die am ersten Operationsver stärkereingang anliegende elektrische Spannung eine elektri sche Störspannung ist, welche elektrische Störspannung von einem im piezoelektrischen Sensor erzeugten elektrischen Thermostrom stammt.

[0014] Eine elektrische Thermospannung, welche nach dem Seebeck-Effekt im piezoelektrischen Sensor entsteht, und wel che als elektrische Störspannung am ersten Operationsverstär- kereingang anliegt, kann nicht verhindert werden. Wenn das der Fall ist, wird die elektrische Störspannung von einer ka pazitiven Gegenkopplung des Operationsverstärkers zu einer verstärkten elektrischen Störspannung verstärkt. Denn die ka pazitive Gegenkopplung des Operationsverstärkers regelt die beiden Operationsverstärkereingänge des Operationsverstärkers auf das gleiche elektrische Spannungsniveau. Und das elektri sche Spannungsniveau des zweiten Operationsverstärkereingangs des Operationsverstärkers ist normalerweise gleich dem Masse potential des Messverstärkers, also gleich einer elektrischen Spannung von Null.

[0015] Die verstärkte elektrische Störspannung verfälscht jedoch das Messsignal, welches aus einer elektrischen Aus gangsspannung besteht, die vom Messverstärker aus verstärkten elektrischen Polarisationsladungen gebildet wird.

[0016] Wenn die elektrische Thermospannung nun schon nicht zu verhindern ist, so kann man sie jedoch wirksam kompensie ren. Erfindungsgemäss wird das elektrische Spannungsniveau des zweiten Operationsverstärkereingangs vom elektrischen Spannungsniveau einer elektrischen Spannung von Null auf das elektrische Spannungsniveau der elektrischen Störspannung am ersten Operationsverstärkereingang angehoben, so dass an bei den Operationsverstärkereingängen eine identische elektrische Spannung anliegt.

[0017] Die Erfindung betrifft auch einen Messverstärker für eine solche Sensoranordnung; wobei der Messverstärker ei nen Kompensator aufweist, welcher Kompensator mit dem zweiten Operationsverstärkereingang elektrisch verbunden ist; und wo- bei der Kompensator die am zweiten Operationsverstärkerein gang anliegende elektrische Spannung bildet.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0018] Im Folgenden wird die Erfindung unter Beizug der Zeichnungen beispielhaft und näher erklärt. Es zeigt

Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer Sensoranordnung 0 mit piezoelektrischem Sensor 1, Messkabel 2 und Messverstär ker 3 mit zwei Ladungsverstärkern und einem Differentialver stärker; und

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform einer Sensoranordnung 0 mit piezoelektrischem Sensor 1, Messkabel 2 und Messverstär ker 3 mit nur einem Ladungsverstärker.

Wege zur Ausführung der Erfindung

[0019] Fig. 1 und 2 zeigen zwei Ausführungsformen einer Sensoranordnung 0. Die Sensoranordnung 0 misst als Messgrösse eine Kraft, ein Drehmoment, einen Druck oder eine Beschleuni gung. Die Sensoranordnung 0 umfasst einen piezoelektrischen Sensor 1 und einen Messverstärker 3. Die Funktion des piezoe lektrischen Sensors 1 ist es, elektrische Polarisationsladun gen Q, Q' zu liefern, die an den Messverstärker 3 abgeleitet werden. Die Funktion des Messverstärkers 3 ist es, die elektrischen Polarisationsladungen Q, Q' zu verstärken. [0020] Die Materialien des piezoelektrischen Sensors 1 sind für dauerhaft hohe Einsatztemperaturen von bis zu 1200°C ausgelegt .

[0021] Der piezoelektrische Sensor 1 weist ein piezoelekt risches Sensorelement 11 auf. Das piezoelektrische Sensorele ment 11 ist zylinderförmig oder hohlzylinderförmig und be steht aus piezoelektrischem Kristallmaterial wie aus Quarz (S1O2 Einkristall), Calcium-Gallo-Germanat (Ca3Ga ₂ Ge40i ₄ oder CGG) , Langasit (LasGasSiO^ oder LGS), Turmalin, Galliumortho- phosphat, usw.

[0022] Die Messgrösse wirkt als Kraft F auf das piezoe lektrische Sensorelement 11. Die Kraft F ist in Fig. 1 und 2 schematisch als Pfeil dargestellt, welche auf eine obere Aus- senfläche des piezoelektrischen Sensorelements 11 wirkt. Un ter der Wirkung der Kraft F erzeugt das piezoelektrische Ma terial elektrische Polarisationsladungen Q, Q' . Die elektri schen Polarisationsladungen Q, Q' sind auf Aussenflachen des piezoelektrischen Sensorelements 11 abgreifbar. Dazu sind die Aussenflachen, an denen die elektrischen Polarisationsladun gen Q, Q' erzeugt werden, vorzugsweise vollständig mit Elekt roden 112, 112' elektrisch kontaktiert. Die Elektroden 112, 112' sind Folien oder Beschichtungen aus elektrisch leitfähi gem Material wie aus Reinmetallen, Nickellegierungen, Kobalt legierungen, Eisenlegierungen, usw. Eine erste Elektrode 112 greift negative elektrische Polarisationsladungen Q von der oberen Aussenfläche ab, und eine zweite Elektrode 112' greift positive elektrische Polarisationsladungen Q' von einer unte ren Aussenfläche ab. Die Elektroden 112, 112' sind mit elektrischen Leitern 12, 12' elektrisch kontaktiert. Die elektrischen Leiter 12, 12' sind Drähte oder Stäbe aus elektrisch leitfähigem Material wie aus Reinmetallen, Nickel legierungen, Kobaltlegierungen, Eisenlegierungen, usw. Die elektrischen Leiter 12, 12' leiten die von den Elektroden 112, 112' abgegriffenen elektrischen Polarisationsladungen Q, Q' ab. Die erste Elektrode 112 ist mit einem ersten elektri schen Leiter 12 elektrisch kontaktiert und leitet negative elektrische Polarisationsladungen Q ab, und die zweite Elekt rode 112' ist mit einem zweiten elektrischen Leiter 12' elektrisch kontaktiert und leitet positive elektrische Pola risationsladungen Q' ab.

[0023] Der piezoelektrische Sensor 1 weist ein Sensorge häuse 10 auf. Das Sensorgehäuse 10 ist aus mechanisch und thermisch beständigem Material wie aus Reinmetallen, Nickel legierungen, Kobaltlegierungen, Eisenlegierungen, usw. Das Sensorgehäuse 10 schützt das piezoelektrische Element 10, die Elektroden 112, 112' und die elektrischen Leiter 12, 12' vor schädlichen Umwelteinflüssen wie Verunreinigungen (Staub, Feuchtigkeit, usw.) . Das Sensorgehäuse 10 bildet aber auch eine elektromagnetische Abschirmung und schützt das piezoe lektrische Element 10, die Elektroden 112, 112' und die elektrischen Leiter 12, 12' vor elektrischen und elektromag netischen Störeffekten in Form von elektromagnetischer Strah lung. Das Sensorgehäuse 20 liegt auf einem Massepotential Ui.

[0024] Der piezoelektrische Sensor 1 weist eine elektri sche Isolation 13 auf. Die elektrische Isolation 13 besteht aus elektrisch isolierendem und mechanisch steifem Material wie Keramik, A^CU-Keramik, Saphir, usw. Die elektrische Iso lation 13 weist bei 25°C einen spezifischen Durchgangswider- stand Ri, Ri' in der Grössenordnung von 10 ¹⁵ Qcm auf. Der spe zifischen Durchgangswiderstand Ri, Ri' sinkt mit steigender Temperatur. Näherungsweise sinkt der spezifischen Durchgangs widerstand Ri, Ri' für einen Anstieg der Temperatur um 100°C um eine Grössenordnung. Bei 500°C beträgt der spezifische Durchgangswiderstand Ri, Ri' also nur noch 10 ¹⁰ Qcm, bei 1000°C beträgt der spezifische Durchgangswiderstand Ri, Ri' dann nur noch 10 ⁵ Qcm.

[0025] In der ersten Aus führungs form nach Fig. 1 leiten zwei elektrische Leiter 12, 12' negative und positive elekt rische Polarisationsladungen Q, Q' zum Messverstärker 3 ab. In der ersten Aus führungs form nach Fig. 1 isoliert die elekt rische Isolation 13 deshalb das piezoelektrische Element 10, die beiden Elektroden 112, 112' und die beiden elektrischen Leiter 12, 12' elektrisch gegenüber dem Sensorgehäuse 10.

[0026] In der zweiten Aus führungs form nach Fig. 2 leitet nur der erste elektrische Leiter 12 negative elektrische Po larisationsladungen Q zum Messverstärker 3 ab und der zweite elektrische Leiter 12' leitet positive elektrische Polarisa tionsladungen Q' zum Sensorgehäuse 10 ab. In der zweiten Aus führungsform nach Fig. 2 isoliert die elektrische Isolation 13 daher nur das piezoelektrische Element 10, die erste Elektrode 112 und den ersten elektrischen Leiter 12 elektrisch gegenüber dem Sensorgehäuse 10.

[0027] Zumindest das piezoelektrische Sensorelement 11 ist dauerhaft hohen Einsatztemperaturen von bis zu 1200°C ausge setzt. Denn für eine möglichst genaue Messung wird das piezo elektrische Sensorelement 11 räumlich nahe zur Messgrösse po- sitioniert und es findet ein grosser Wärmeeintrag statt. An dere Bereiche des piezoelektrischen Sensors 1 können eine tiefere dauerhafte Einsat ztemperatur haben, insbesondere, wenn sie räumlich entfernt zur Messgrösse sind und Wärmeein trag und Erwärmung dort geringer ist. Üblicherweise leiten die elektrischen Leiter 12, 12' die elektrischen Polarisati onsladungen Q, Q' in einen Bereich des Sensorgehäuses 10 ab, der eine tiefere dauerhafte Einsat ztemperatur hat. Zwei Enden der elektrischen Leiter 12, 12' bilden Ausgänge für elektri sche Polarisationsladungen Q, Q' des piezoelektrischen Sen sors 1.

[0028] Somit sind das piezoelektrische Sensorelement 11 und das Sensorgehäuse 10 verschiedenen dauerhaften Einsatz temperaturen ausgesetzt und nach dem Seebeck-Effekt entsteht im piezoelektrischen Sensor 1 eine elektrische Thermospannung U _T , U _t ' , welche sich wie folgt formulieren lässt:

U _T = I _T * Ri

U _T ' = It' * Ri'

[0029] Mit Ri, Ri' wird ein elektrischer Thermowiderstand zwischen den Elektroden 112, 112' und dem auf Massepotential

Ui liegenden Sensorgehäuse 10 bezeichnet. Die elektrische Thermospannung U _T , U _T ' erzeugt einen elektrischen Thermostrom I _t , It' · Der elektrische Thermostrom I _T , I _T ' . fliesst über die elektrischen Leiter 12, 12':

[0030] Die Sensoranordnung 0 kann ein Messkabel 2 aufwei sen, wie in den Ausführungsformen nach Fig. 1 und 2 darge stellt. Das Messkabel 2 verbindet den piezoelektrischen Sen sor 1 indirekt mit dem Messverstärker 3. Das Messkabel 2 ist optional, es kann auch fehlen, dann ist der piezoelektrische Sensor direkt mit dem Messverstärker verbunden, was figürlich nicht dargestellt ist. Das Messkabel 2 kann 50cm oder auch 50m lang sein.

[0031] Das Messkabel 2 kann reversibel oder irreversibel mit dem piezoelektrischen Sensor 1 verbunden sein. Die Ver bindung kann eine reversible Steckverbindung oder eine irre versible stoffschlüssige Verbindung sein.

[0032] Die Materialien des Messkabels 2 sind für dauerhaft hohe Einsatztemperaturen von bis zu 1200°C, jedoch von min destens 180°C ausgelegt. Der Bereich des Sensorgehäuses 10, in dem das Messkabel 2 mit dem piezoelektrischen Sensor 1 verbunden ist, weist also eine dauerhafte Einsatztemperatur von bis zu 1200°C, jedoch von mindestens 180°C auf.

[0033] Das Messkabel 2 weist elektrische Leiter 22, 22' auf. Die elektrischen Leiter 22, 22' des Messkabels 2 sind Drähte aus elektrisch leitfähigem Material wie aus Reinmetal len, Nickellegierungen, Kobaltlegierungen, Eisenlegierungen, usw. In der ersten Ausführungsform nach Fig. 1 bilden zwei erste Enden der elektrischen Leiter 22, 22' des Messkabels 2 zwei Eingänge für elektrische Polarisationsladungen Q, Q' des piezoelektrischen Sensors 1. Ein erster elektrischer Leiter 22 des Messkabels 2 ist mit dem ersten elektrischen Leiter 12 des piezoelektrischen Sensors 1 elektrisch kontaktiert, und ein zweiter elektrischer Leiter 22' des Messkabels 2 ist mit dem zweiten elektrischen Leiter 12' des piezoelektrischen Sensors 1 elektrisch kontaktiert. In der zweiten Ausführungs form nach Fig. 2 bildet ein erstes Ende eines ersten elektri schen Leiters 22 des Messkabels 2 einen Eingang für elektri sche Polarisationsladungen Q des piezoelektrischen Sensors 1. Der erste elektrische Leiter 22 des Messkabels 2 ist mit dem ersten elektrischen Leiter 12 des piezoelektrischen Sensors 1 elektrisch kontaktiert.

[0034] Die elektrischen Leiter 22, 22' des Messkabels 2 leiten die elektrischen Polarisationsladungen Q, Q' von den elektrischen Leitern 12, 12' des piezoelektrischen Sensors 1 ab. In der ersten Ausführungsform nach Fig. 1 bilden zwei zweite Enden der elektrischen Leiter 22, 22' Ausgänge für elektrischen Polarisationsladungen Q, Q' des piezoelektri schen Sensors 1. Der erste elektrische Leiter 22 des Messka bels 2 leitet negative elektrische Polarisationsladungen Q ab, der zweite elektrische Leiter 22' des Messkabels 2 leitet positive elektrische Polarisationsladungen Q' ab. In der zweiten Ausführungsform nach Fig. 2 bildet ein zweites Ende des ersten elektrischen Leiters 22 des Messkabels 2 einen Ausgang für elektrische Polarisationsladungen Q des piezoe lektrischen Sensors 1. Der erste elektrische Leiter 22 des Messkabels 2 leitet negative elektrische Polarisationsladun gen Q ab .

[0035] Das Messkabel 2 weist einen Kabelmantel 20 auf. Der Kabelmantel 20 weist ein Geflecht aus mechanisch und ther- misch beständigem Material wie aus Reinmetallen, Nickellegie rungen, Kobaltlegierungen, Eisenlegierungen, usw. Der Kabel mantel 20 schützt die elektrischen Leiter 22, 22' vor schäd lichen Umwelteinflüssen wie Verunreinigungen (Staub, Feuch tigkeit, usw.) . Der Kabelmantel 20 bildet aber auch eine elektromagnetische Abschirmung und schützt die elektrischen Leiter 22, 22' vor elektrischen und elektromagnetischen Stör effekten in Form von elektromagnetischer Strahlung.

[0036] Das Messkabel 2 weist eine elektrische Isolation 23 auf. Die elektrische Isolation 23 isoliert die elektrischen Leiter 22, 22' im Kabelmantel 20 elektrisch gegenüber dem Ka belmantel 20. Die elektrische Isolation 23 besteht aus ther misch bis zu Temperaturen von 1200°C, jedoch von mindestens 180°C beständigem, elektrisch isolierendem Material wie Kera mik, A^CU-Keramik, Saphir, Polytetrafluorethylen, Polyimid, Hexafluorpropylenvinylidenfluorid-Copolymer (FKM), usw. Die elektrische Isolation 23 weist bei 25°C einen spezifischen Durchgangswiderstand in der Grössenordnung von 10 ¹⁵ Qcm auf.

[0037] Der Messverstärker 3 ist dem piezoelektrischen Sen sor 1 nachgeschaltet. Der Messverstärker 3 kann dem piezoe lektrischen Sensor 1, wie in den Ausführungsformen nach Fig. 1 und 2 dargestellt, indirekt über ein Messkabel 2 nachge schaltet sein. Der Messverstärker kann dem piezoelektrischen Sensor aber auch direkt nachgeschaltet sein, sodass ein Mess kabel fehlt, was figürlich jedoch nicht dargestellt ist.

[0038] Der Messverstärker 3 kann reversibel oder irrever sibel mit dem piezoelektrischen Sensor 1 oder mit dem Messka bel 2 verbunden sein. Die Verbindung kann eine reversible Steckverbindung oder eine irreversible stoffschlüssige Ver bindung sein.

[0039] Die Materialien des Messverstärkers 3 sind für dau erhaft hohe Einsatztemperaturen von bis zu 60°C ausgelegt. Der Bereich des Messverstärkergehäuses 30, in dem der Mess verstärker 3 in der Ausführungsform nach Fig. 1 mit dem Mess kabel 2 verbunden ist, weist also eine dauerhafte Einsatztem peratur von höchstens 60°C auf. Das Gleiche gilt, wenn der Messverstärker 3 bereichsweise direkt mit dem piezoelektri schen Sensor 1 verbunden ist, was figürlich nicht dargestellt ist, dann weist dieser Bereich des Messverstärkers 3 eine dauerhafte Einsatztemperatur von höchstens 60°C auf.

[0040] Der Messverstärker 3 weist ein Messverstärkergehäu se 30 auf. Das Messverstärkergehäuse 30 ist aus dauerhaft be ständigem Material wie Aluminium, Kunststoff, usw. Das Mess verstärkergehäuse 30 schützt die elektrische Schaltung vor schädlichen Umwelteinflüssen wie Verunreinigungen (Staub, Feuchtigkeit, usw.) . Der Messverstärkergehäuse 30 bildet aber auch eine elektromagnetische Abschirmung und schützt die elektrische Schaltung vor elektrischen und elektromagneti schen Störeffekten in Form von elektromagnetischer Strahlung. Das Messverstärkergehäuse 30 liegt auf einem Massepotential U ₃ .

[0041] Der Messverstärker 3 weist elektrische Leiter 32, 32' auf. Enden der elektrischen Leiter 32, 32' bilden Eingän ge für elektrische Polarisationsladungen Q, Q' zur elektri schen Schaltung des Messverstärkers 3. Die elektrischen Lei ter 32, 32' sind Drähte aus elektrisch leitfähigem Material wie aus Reinmetallen, Nickellegierungen, Kobaltlegierungen, Eisenlegierungen, usw. Die elektrischen Leiter 32, 32' des Messverstärkers 3 leiten die elektrischen Polarisationsladun gen Q, Q' zur elektrischen Schaltung des Messverstärkers 3 ab. In der ersten Ausführungsform nach Fig. 1 ist ein erster elektrischer Leiter 32 des Messverstärkers 3 mit dem ersten elektrischen Leiter 22 des Messkabels 2 elektrisch kontak tiert und leitet negative elektrische Polarisationsladungen Q ab, und ein zweiter elektrischer Leiter 32' des Messverstär kers 3 ist mit dem zweiten elektrischen Leiter 22' des Mess kabels 2 elektrisch kontaktiert und leitet positive elektri sche Polarisationsladungen Q' ab. In der zweiten Ausführungs form nach Fig. 2 ist nur der erste elektrische Leiter 32 des Messverstärkers 3 mit dem ersten elektrischen Leiter 22 des Messkabels 2 elektrisch kontaktiert und leitet negative elektrische Polarisationsladungen Q ab. In einer figürlich nicht dargestellten Ausführungsform ist ein erster elektri scher Leiter des Messverstärkers mit dem ersten elektrischen Leiter des piezoelektrischen Sensors elektrisch kontaktiert, und ein zweiter elektrischer Leiter des Messverstärkers ist mit dem zweiten elektrischen Leiter des piezoelektrischen Sensors elektrisch kontaktiert.

[ 0042 ] In der ersten Ausführungsform nach Fig. 1 weist der Messverstärker 3 zwei Ladungsverstärker, bestehend aus je ei nem Operationsverstärker 33, 33', einem Kondensator 34, 34', einem elektrischen Widerstand 35, 35' auf, und der Messver stärker 3 weist einen Differentialverstärker 37 auf. In der zweiten Ausführungsform nach Fig. 2 weist der Messverstärker 3 nur einen Ladungsverstärker, bestehend aus einem Operati- onsverstärker 33, einem Kondensator 34 und einem elektrischen Widerstand 35 auf.

[0043] Der Messverstärker 3 liegt auf dem Massepotential Uo- Beim Massepotential Uo des Messverstärkers 3 handelt es sich um die virtuelle Masse des Messverstärkers 3. Das Masse potential Uo des Messverstärkers 3 ist mit dem Massepotential U3 des Messverstärkergehäuses 3 kurzgeschlossen.

[0044] Der Operationsverstärker 33, 33' weist einen ersten Operationsverstärkereingang 331, 331', einen zweiten Operati onsverstärkereingang 332, 332' und einen Operationsverstär kerausgang 333, 333' auf. Die ersten Operationsverstärkerein gänge 331, 331' sind invertierend und in Fig. 1 und 2 mit Mi nus (-) gekennzeichnet. Die zweiten Operationsverstärkerein gänge 332, 332' sind nicht invertierend und in Fig. 1 und 2 mit Plus (+) gekennzeichnet.

[0045] Die elektrischen Polarisationsladungen Q, Q' werden über die elektrischen Leiter 32, 32' des Messverstärkers 3 an die ersten Operationsverstärkereingänge 331, 331' geführt. In der ersten Ausführungsform nach Fig. 1 liegen negative elekt rische Polarisationsladungen Q am ersten Operationsverstärke reingang 331 eines ersten Operationsverstärkers 33 an, und positive elektrische Polarisationsladungen Q' liegen am ers ten Operationsverstärkereingang 331' eines zweiten Operati onsverstärkers 33' an. In der zweiten Ausführungsform nach Fig. 2 liegen nur negative elektrische Polarisationsladungen Q am ersten Operationsverstärkereingang 331 des einzigen Ope rationsverstärkers 33 an. [0046] Die Kapazität 34, 34' ist parallel zwischen dem Operationsverstärkerausgang 333, 333' und dem ersten Operati onsverstärkereingang 331, 331' geschaltet. Durch die Kapazi tät 34, 34' wird der Operationsverstärker 33, 33' kapazitiv gegengekoppelt. Die kapazitive Gegenkopplung steuert den Ope rationsverstärkerausgang 333, 333' so, dass vom Operations verstärkerausgang 333, 333' kapazitiv gegengekoppelte elekt rische Ladungen über die Kapazität 34, 34' zum ersten Opera tionsverstärkereingang 332, 332' fliessen und dass eine elektrische Ladungsdifferenz an den Operationsverstärkerein gängen 331, 331', 332, 332' auf dem elektrischen Spannungsni veau der elektrischen Spannung am zweiten Operationsverstär kereingang 332 gehalten wird.

[0047] Auch der elektrische Widerstand 35, 35' ist paral lel zwischen dem Operationsverstärkerausgang 333, 333' und dem ersten Operationsverstärkereingang 331, 331' geschaltet. Der elektrische Widerstand 35, 35' eliminiert Nullpunktsfeh ler des Operationsverstärkers 33, 33' . Solche Nullpunktsfeh ler des Operationsverstärkers 33, 33' haben unterschiedliche Ursachen wie eine von den Bauelementen des Operationsverstär kers 33, 33' stammende elektrische Offset-Spannung am ersten Operationsverstärkereingang 331, 331', eine Alterung des Ope rationsverstärkers 33, 33' , usw.

[0048] Der Operationsverstärker 33, 33' verstärkt die elektrischen Polarisationsladungen Q, Q' . Die Verstärkung der elektrischen Polarisationsladungen Q, Q' ist proportional zur Grösse der Kapazität 34, 34'. An den Operationsverstärkeraus gängen 333, 333' liegen dann elektrische Verstärkerspannungen U, U' an, die proportional zu den elektrischen Polarisations- ladungen Q, Q' sind, jedoch ein invertiertes Vorzeichen ha ben. Also am Operationsverstärkerausgang 333 liegt dann eine positive elektrische Verstärkerspannung U an. Und am Operati onsverstärkerausgang 333' liegt dann eine negative elektri sche Verstärkerspannung U' an.

[0049] In der ersten Ausführungsform nach Fig. 1 weist der Differentialverstärker 37 zwei Differentialverstärkereingänge 371, 372 und einen Differentialverstärkerausgang 373 auf. Ein erster Differentialverstärkereingang 371 ist elektrisch mit dem Operationsverstärkerausgang 333 des ersten Operationsver stärkers 33 verbunden, so dass dort die positive elektrische Verstärkerspannung U anliegt. Und ein zweiter Differential verstärkereingang 372 ist elektrisch mit dem Operationsver stärkerausgang 333 des zweiten Operationsverstärkers 33' ver bunden, so dass dort die negative elektrische Verstärkerspan nung U' anliegt. Der Differentialverstärker 37 bildet am Dif ferentialverstärkerausgang 373 eine elektrische Ausgangsspan nung U'' des Messverstärkers 3. Die elektrische Ausgangsspan nung U'' des Messverstärkers 3 ist eine Differenz der an den Differentialverstärkereingängen 371, 372 anliegenden elektri schen Verstärkerspannungen U, U ^f . Die an den Differentialver stärkereingängen 371, 372 anliegenden elektrischen Verstär kerspannungen U, U ^f haben unterschiedliche Vorzeichen und werden zur elektrischen Ausgangsspannung U'' addiert.

[0050] Die zweite Ausführungsform nach Fig. 2 weist keinen Differentialverstärker auf, dort ist die elektrische Verstär kerspannung U eine elektrische Ausgangsspannung des Messver stärkers 3. [ 0051 ] Wenn der piezoelektrische Sensor 1 dauerhaft einer hohen Einsatztemperatur von bis zu 1200°C ausgesetzt ist, entsteht nach dem Seebeck-Effekt eine elektrische Thermospan nung U _T , U _t ' und erzeugt einen elektrische Thermostrom I _T , I _T ' · Der elektrische Thermostrom I _T , I _T ' fliesst über die elektrischen Leiter 12, 12', 22, 22 ' , 32, 32' vom piezoe lektrischen Sensor 1 zum Messverstärker 3 und liegt als elektrische Störspannung U _s , U _s ' an den ersten Operationsver stärkereingängen 331, 331' an.

[ 0052 ] Sobald also am ersten Operationsverstärkereingang

331, 331' eine elektrische Störspannung U _s , U _s ' anliegt und solange sich die am ersten Operationsverstärkereingang 331, 331' anliegende elektrische Störspannung U _s , U _s ' von der am zweiten Operationsverstärkereingang 332, 332' anliegenden elektrischen Spannung U _K , U _K ' im elektrischen Spannungsniveau unterscheidet, beispielsweise wenn die am zweiten Operations verstärkereingang 332, 332' anliegende elektrische Spannung U _K , U _k ' gleich dem Massepotential Uo des Messverstärkers 3 ist, also gleich einer elektrischen Spannung von Null ist, solange verstärkt die kapazitive Gegenkopplung des Operati onsverstärkers 33, 33' die am ersten Operationsverstärkerein gang 331, 331' anliegende elektrische Störspannung U _s , U _s ' zu einer am Operationsverstärkerausgang 333, 333' anliegenden verstärkten elektrischen Störspannung U _s *, U _s ' * . Denn die ka pazitive Gegenkopplung des Operationsverstärkers 33, 33' re gelt die am ersten Operationsverstärkereingang 331, 331' an liegende elektrische Störspannung U _s , U _s ' auf das elektrische Spannungsniveau der am zweiten Operationsverstärkereingang

332, 332' anliegenden elektrischen Spannung U _K , U _K ' , und so lange sich die an den beiden Operationsverstärkereingängen 331, 331', 332, 332' anliegenden elektrischen Spannungen U _s , Us U _K , U _k ' voneinander unterscheiden, erzeugt die kapazitive Gegenkopplung des Operationsverstärkers 33, 33' die am Opera tionsverstärkerausgang 333, 333' anliegende verstärkte elekt rische Störspannung U _s *, U _s ' * .

[0053] Nun ist ein Kompensator 36, 36' mit dem nicht in vertierenden, zweiten Operationsverstärkereingang 332, 332' elektrisch verbunden. Der Kompensator 36, 36' bildet die am zweiten Operationsverstärkereingang 332, 332' anliegende elektrische Spannung U _K , U _K ' .

[0054] Der Kompensator 36, 36' ist parallel zwischen dem Operationsverstärkerausgang 333, 333' und dem zweiten Opera tionsverstärkereingang 332, 332' geschaltet. Wenn am Operati onsverstärkerausgang 333, 333' eine verstärkte elektrische Störspannung U _s *, U _s ' * anliegt, verändert der Kompensator 36, 36' mit der verstärkten elektrischen Störspannung U _s *, U _s ' * das elektrische Spannungsniveau der am zweiten Operationsver stärkereingang 332, 332' anliegende elektrische Spannung U _K , U _K ' .

[0055] Der Kompensator 36, 36' verändert die am zweiten Operationsverstärkereingang 332, 332' anliegende elektrische Spannung U _K , U _K ' so lange, bis die am zweiten Operationsver stärkereingang 332, 332' anliegende elektrische Spannung U _K , U _K ' identisch mit der am ersten Operationsverstärkereingang 331, 331' anliegenden elektrische Störspannung U _s , U _s ' ist. Der Kompensator erzeugt dann also eine elektrische Kompensa tionsspannung U _K , U _k ' , welche als elektrische Spannung U _K , U _K ' am zweiten Operationsverstärkereingang 332, 332' anliegt. [0056] Der Kompensator 36, 36' weist eine Reglereinheit 362, 362' auf. Ein Eingang der Reglereinheit 362, 362' ist indirekt mit dem Operationsverstärkerausgang 333, 333' elektrisch verbunden. Ein Ausgang der Reglereinheit 362, 362' ist mit dem zweiten Operationsverstärkereingang 332, 332' elektrisch verbunden.

[0057] Der Kompensator 36, 36' lässt mit Reglereinheit 362, 362' elektrische Kompensationsladung I _k , Ik' der ver stärkten elektrischen Störspannung U _s *, U _s ' * vom Operations verstärkerausgang 333, 333' zum zweiten Operationsverstärker eingang 332, 332' fliessen.

[0058] Der Kompensator 36, 36' verändert mit der elektri schen Kompensationsladung I _k , Ik' die am zweiten Operations verstärkereingang 332, 332' anliegende elektrische Spannung U _K , U _k ' ZU einer elektrischen Kompensationsspannung U _K , U _K ' .

[0059] Der Kompensator 36, 36' lässt mit der Reglereinheit 362, 362' in der Menge so viel und zeitlich so lange elektri sche Kompensationsladung I _k , Ik' fliessen, bis die am zweiten Operationsverstärkereingang 332, 332' anliegende Kompensati onsspannung U _K , U _k ' identisch mit der am ersten Operations verstärkereingang 331, 331' anliegenden elektrische Störspan nung U _s , U _s ' ist. Denn sobald die an den beiden Operations verstärkereingängen 331, 331', 332, 332' anliegenden elektri schen Spannungen U _s , U _s ' , U _K , U _K ' identisch miteinander sind, erzeugt die kapazitive Gegenkopplung des Operationsverstär kers 33, 33' keine am Operationsverstärkerausgang 333, 333' anliegende verstärkte elektrische Störspannung U _s *, U _s ' * mehr . [0060] Ein elektrisches Spannungsniveau der elektrischen Kompensationsspannung U _K , U _K ' ist ein Messsignal für eine Einsatztemperatur T des piezoelektrischen Sensors 1. Denn die am zweiten Operationsverstärkereingang 332, 332' anliegende Kompensationsspannung U _K , U _K ' ist identisch mit der am ersten Operationsverstärkereingang 331, 331' anliegenden elektrische Störspannung U _s , U _s ' , und die elektrische Störspannung U _s , U _s ' ist proportional zur Grösse der Einsatztemperatur T des pie zoelektrischen Sensors 1.

[0061] Der Kompensator 36, 36' weist eine Filtereinheit 361, 361' auf. Filtereinheit 361, 361' und Reglereinheit 362, 362' sind in Reihe geschaltet. Ein Eingang der Filtereinheit 361, 361' ist mit dem Operationsverstärkerausgang 333, 333' elektrisch verbunden. Ein Ausgang der Filtereinheit 361, 361' ist mit dem Eingang der Reglereinheit 362, 362' elektrisch verbunden. Der Eingang der Reglereinheit 362, 362' ist also über die Filtereinheit 361, 361' indirekt mit dem Operations verstärkerausgang 333, 333' elektrisch verbunden.

[0062] Solange sich die an den beiden Operationsverstärke reingängen 331, 331', 332, 332' anliegenden elektrischen Spannungen U _s , U _s ' , U _K , U _K ' voneinander unterscheiden, erzeugt die kapazitive Gegenkopplung des Operationsverstärkers 33, 33' eine am Operationsverstärkerausgang 333, 333' anliegende verstärkte elektrische Störspannung U _s *, U _s ' * . Am Operations verstärkerausgang 333, 333' liegen dann eine elektrische Ver stärkerspannung U, U' und eine verstärkte elektrische Stör spannung U _s *, U _s ' * an. Die elektrische Verstärkerspannung U, U' hat eine zeitliche Dauer von lCv ⁶ sec bis lsec, und die verstärkte elektrische Störspannung U _s *, U _s ' * hat eine zeit liche Dauer von mehr als lOsec.

[ 0063 ] Der Kompensator 36, 36' filtert mit der Filterein heit 361, 361' elektrische Verstärkerspannung U, U' mit einer zeitlichen Dauer von 10 ⁶ sec bis lsec und nur verstärkte elektrische Störspannung U _s *, U _s ' * mit einer zeitlichen Dauer von mehr als lOsec gelangt zur Reglereinheit 362, 362' .

Bezugs zeichenli ste

0 Sensoranordnung

1 Piezoelektrischer Sensor

2 Anschlusskabel

3 MessVerstärker

10 Sensorgehäuse

11 Piezoelektrisches Element

12, 12' Elektrische Leiter im Sensorgehäuse

13 Elektrische Isolation des piezoelektrischen

Sensors

20 Kabelmantel

22, 22' Elektrische Leiter im Kabelmantel

23 Elektrische Isolation des Anschlusskabels

30 Messverstärkergehäuse

32, 32' Elektrische Leiter im Messverstärkergehäuse

33, 33' Operationsverstärker

34, 34' Kapazität

35, 35' Elektrischer Widerstand

3 6, 3 6' Kompensator

37 DifferentialVerstärker

112, 112' Elektrode

331, 331' Erster Operationsverstärkereingang

332, 332' Zweiter Operationsverstärkereingang

333, 333' Operationsverstärkerausgang

37 1 Erster DifferentialVerstärkereingang

372 Zweiter DifferentialVerstärkereingang

373 DifferentialVerstärkerausgang

3 61, 3 61' Filtereinheit

3 62, 3 62' Reglereinheit

F Kraft

Elektrischer Thermostrom

Q, Q Elektrische Polarisationsladungen Ri, Ri Elektrischer Thermowiderstand des piezoe lektrischen Sensors

T Einsatztemperatur vom piezoelektrischen Sensor

U, U' Elektrische Verstärkerspannung

U' ' Elektrische Ausgangsspannung

U ₀ Massepotential des Messverstärkers

Ui Massepotential des Sensorgehäuses

U ₃ Massepotential des Messverstärkergehäuses

U _K ,U _K ' Elektrische KompensationsSpannung

U _t , U _t ' Elektrische Thermospannung

U _s , U _s ' Elektrische Störspannung

U _s *, U _s '* Verstärkte elektrische Störspannung