Kapazitiver Druckaufnehmer.
Die Erfindung bezieht sich auf einen Druckaufnehmer mit einer druckabhängigen Kapa. zitat, die von einer unter dem EinfluB des Druckes durchbiegenden Membranelektrode und einer Gegenelektrode gebildet wird, und kann insbesondere vorteilhaft zum Aufnehmen von Indikatordiagrammen von Verbrennungsmotoren oder dergleichen Anwendung finden.
Bekannt sind kapazitive Druckaufneh- mer von der erwähnten Art, bei denen, um eine Temperaturabhängigkeit der Aufneh- merkapazitÏt zu vermeiden, die abstandsbestimmenden Teile der Kondensatorelektroden in bezug auf ihre Lange und lineare Ausdehnungskoeffizienten derart ausgebildet sind, da. ¯ der Elektrodenabstand und somit die Aufnehmerkapazität una. bha. ngig von der Temperatur ist.
Es hat sich gezeigt, da. ss Vorrichtungen mit solchen Druckaufnehmern zur Verhü- tung beträchtlicher Messfehler geeicht werden m ssen, während der Druckaufnehmer die zu erwartende Betriebstemperatur auf whist. Bei Änderung der Betriebstemperatur mu¯ die Eichung geändert werden. Auf diese Weise wird, ungeachtet der getroffenen Fürsorgema. ¯nahmen in bezug auf die TemperaturabhÏngigkeit des Aufnehmers, ein für praktische Zweeke hinreichendes temperaturunabhängiges Messergebnis nicht erzielt.
Die Erfindung bezweckt diesem Übel- stand abzuhelfen.
Nach der Erfindung wird dafür Sorge getragen, dass der Elektrodenabsta. nd bei der Aufnehmerkapazität derart temperaturab- hängig ist, da¯ die relative Kapazitätsände- rung unabhängig von der Temperaturab- hängigkeit des Elastizitätsmoduls des Mem branma, terials ist.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, da¯ die ursprüngliche Temperatur- abhängigkeit der Messergebnisse auf Rech- nung von zwei in ihrer Auswirkung ver schiedenen Temperatureinflüssen zu stellen ist, das heisst einerseits Abstandsänderungen der Kondensatorelektroden infolge der linearen Ausdehaung der abstandsbestimmenden Bauteile dieser Elektroden, ander seits die Änderung der von einem gegebenen äussern Druck herbeigeführten Durehbie gung der Membranelektrode infolge der TemperaturabhÏngigkeit des Elastizitäts- moduls des Membranmaterials.
Der Einfluss des erstgenannten Faktors auf die Aufnehmerkapazität ist unabhängig von dem a. uf den Aufnehmer einwirkenden Druck, der des letztgenannten Faktors aber nicht, denn es tritt beim Fehlen eines auf den Aufnehmer einwirkenden Überdruckes keine Durchbiegung und mithin a, uch keine Durchbiegungsänderung der Membran ein.
Da es sich im folgenden also um einen reinen Temperatureinfluss einerseits und einen druckabhängigen Temperatureinfluss anderseits handelt, kann mit einer einzigen temperaturaShängigen Ausgleiehsmassnahme, die z. B. bei den bekannten Druckaufneh- mern Anwendung findet, keine wirkliche Temperaturunabhängigkeit erzielt werden.
Durch Anwendung der Erfindung wird der erwähnte druckabhä. ngige Temperatureinfluss auf die relativen KapazitÏtsÏderungen ausgeglichen ; die alsdann auftretende, im allgemeinen stark negative Temperatur- abhängigkeit der Aufnehmerkapazitä. t, die nichet vox dem auf den Aufnehmer einwirkenden Druck beeinflusst wird, kann durch eine temperatùrabhängige Ausgleichsimpe- danz, insbesondere einen temperaturabhän- gigen Kondensator, der der gleichen Umgebungstemperatur wie der Druokaufneh- mer ausgesetzt ist, rückgängig gemacht werden. Ein störender Teanperaturfeinfluss auf die Messergebnisse ist dann nicht mehr vorhanden.
Der hiezu erforderliche Ausgleichskon- densator ist vorzugsweise im Druckaufneh- mer in der unmittelbaren Nähe der Aufneh- merkapa. zität untergebracht.
Bei Verwendung des Druckaufnehmers nach der Erfindung zusammen mit einem Ausgleichskondensator in einer Brückenschaltung, bei der, wie an sich bekannt, die Aufnehmerkapazität einen der Brücken- zweige bildet und also bei Druckänderungen die Modulation einer der Brücke zugeführ- ten hochfrequenten Speisespannung bewirkt, bilden der Druckaufnehmerkonden- sator und der Ausgleiohskondensator vorzugsweise zusa.
mmen einen zwischen den Spoisepunkten der Briieke liegenden Brük kenzweig, bei dem der Ausgleiohskondensator eine solche negative TemperaturabhÏngigkeit hat, dass das Verhältnis der Kapazi- tätswertte des Aufnehmer- und Ausgleichs- kondensators innerhalb des zu erwartenden Betriebstempera. turbereiches bei einem be liebig gegebenen äussern Druck von der Umgebungstemperatur des Aufnehmers unabhÏngig ist.
Jetzt kann eine statische Eichung der Druckaufnehmerschaltung bei beliebiger Temperatur, z. B. Zimmertemperatur, erfolgen ; die mit einersolchen Aufnehmer- sehaltung bei einem Verbrennungsmotor während des Betriebes erzielten Messergeb- nisse bedürfen dann keiner Temperaturkor- rektion.
An Hand der beiliegenden Zeichnung wird nachfolgend ein Ausf hrungsbeispiel eines Druckaufnehmers nach der Erfindung mit einem Ausgleichs. kondensator und eine Schaltung mit einem solchen Druckaufneh- mer erläutert.
Der in Fig. 1 dargestellte Druckaufnehmer hat einen zylindrischen Halter 1, der an der Aussenseite mit Sehraubengewinde 2 versehen ist, mit dessen Hilfe der Halter unter Zwischenfügung eines Zündkerzen- ringes 3, z. B. in der Öffnung der Zylinderwand eines zu untersuchenden Verbren nungs, motors befestigt werden kann. Im Halter ist mit etwas Spielraum eine Membranh lse 4 angebracht, deren Boden 5 die Membranelektrode der Druckaufnehmer- kapazität bildet. Die Membranhülse ist durch Schweissen mit einer Befestigungs- buchse 6 verbunden, die in eine rohrförmige VerlÏngerung 7 des Halters 1 eingeschraubt ist.
Zentral in der Membranhülse 4 ist ein Porzellanstab 8 angeordnet, dessen der Membranelektrode 5 gegenüberliegendes Ende die Gegenelektrode 9 der Druckauf- nehmerkatpazität trägt. Der Porzellansta. b 8 wird durch die Spannung einer Feder 10 auf einen einspringenden Rand einer inner halb der Membranhülse liegenden Metall- buchse 11 aufgedrückt, die zusammen mit einer auf dem Porzellanstab angebrachten Metallbeleglmg 12 einen Kondensator bildet.
Dieser Kondensator weist wegen des Unter schiedes im linearen Ausdehnungskoeffizien- ten der Eondensatorbuchse 11 und des Porzellanstabes 8 einen hohen nega. tiven Temperaturkoeffizienten auf und ist als Ausgleichskondensator verwendbar, wie an Hand von Fig. 2 nÏher erlÏutert wird.
Nachstehend wird die Bemessung des Druckaufnehmers erklärt.
Wie bereits erwÏhnt, beruht die Tempe ratura. bhängigkeit des Druckaufnehmers a. uf zwei Faktoren, das heisst einerseits der linearen Ausdehnung der abstandsbestimmenden Teile der Druckaufnehmerelektroden 5 und 9, anderseits der Temperaturabhängigkeit des Elastizitätsmoduls E des Membranmaterials.
Der erstgenannte Faktor verursacht eine Änderung des Abstandes d der Elektroden 5 und 9. Dieser Abstand ist von der Abmessung in Achsenrichtung des verdickten Ra. ndes des Bodens der Membranhülse 4 und von der Bemessung in Achsenrichtung des einspringenden Teils der Kondensa. torbuchse 11 abhängig, welche Abmessungen zusa. m- men eine LÏnge l1 bilden, sowie von der Länge L des untern Teils des Porzellan- stabes 8.
Da der Elektrodenabstand d klein in bezug auf und l2 ist, kann die TemperaturabhÏngigkeit von d wie folgt ausgedrückt werden : d@=d20¯ (1+l1 @ α @t)/d20¯ (1) wo: d20¯ = Elektrodenabstand bei Zimmertem- peratur (20 C). t = Abweichung von der Zimmertempe- ratur in C. dt = Elektrodenabstand bei (20¯ + t¯) C.
α = = resultierender linearer Ausdehnungs koeffizient der abstandsbestimmen den Teile der Kondens'ao'relektroden, wegen der verschiedenen Ausdeh nung des Porzellans und des für die
Membranhülse 4 und die Kondensa torbuehse 11 verwendeten Metalles, z. B. Eisen ; in diesem Fall ist a etwa 5, 5. 10-6 pro C.
Der zweite Faktor, das heisst die Tempe raturabhängigkeit des Elastizitätsmoduls E des Membranma. teria. ls, ist versuchsweise bestimmt worden und angenähert dureh :
Et¯=E20¯ (1 - ¯t) E20¯= E bei Zimmertemperatur. t = Abweichung von der Zimmertempe ratur (wie oben).
Et = E bei einer Temperatur (20 + t ) C.
¯ = Temperaturkoeffizient von E, z. B.
280 @ 10-6 pro ¯C.
Wenn infolge eines äussern Druckes p die Durchbiegung der Membran @ d 20¯ bei Zim mertempera. tur beträgtt, kann, wie es sich gezeigt hat, mit groBer Annäherung die durch die Änderung von E geänderte Durchbiegung bei einer Temperatur.(20¯ + t¯) wie folgt dargestellt werden : =20.(1+)(2)
Die vom erwÏhnten Druck p herbeige f hrte relative KapazitÏtsÏnderung @c des
C Aufnahmekondensators bei Zimmertemperatur ist, falls die Durchbiegung der Membran klein in bezug auf den Elektrodenabstand d20¯ ist, nahezu proportional zur relativen Änderung des Elektrodenabstandes.
Also gilt :
EMI3.1
Bei einer Temperatur, die um t C von der Zimmertemperatur abweicht, würde die relative Kapazitätsänderung betragen :
EMI3.2
Durch Substitution der durch die Gleichun- gen (1) und (2) gegebenen Werte von dt und @ dt in der Gleiehung (4), ka. nn diese wie folgt geschrieben werden :
EMI3.3
Aus der Gleichung (5) geht hervor, dam die relative Ka. pazitätsänderung temperatur- unabhängig wird, wenn (1+l1 @ α @t/d20¯)=(1+¯t) (6) a.
Iso wenn : c.==.o (7) in welehem Fa. ll der Einfluss der Temperaturabhängigkeit der Membrandurchbiegung auf die relative KapazitÏtsÏnderung durch die Temperaturabhängigkeit der den Elektrodenabstand bestimmenden Bauteile ausgeglichen wird.
Aus der Gleichung (7) geht hervor, dass nach Wahl des Elektrodenabstandes d. oo und Wahl der zu verwendenden Stoffe für die absta. ndsbestimmenden Teile der Konden satorelektroden, womit die Konstanten a und ¯ festliegen, der erwÏhnte Ausgleich nur durch geeignete Wahl der Abmessung l1 (natürlich in Zusammenhang mit l2 bewirkt werden kann. Wenn z. B. d200 = 0,1 mm gewählt wird und die Konstanten a und ¯ die vorerwähnten Werte haben, soll l1 = ¯@d20¯=280 @ 10-6 @ 0,01=ca 0,5 cm.
α 5,5 @ 10-6 sein.
Jetzt ist zwar die relative KapazitÏts änderung temperaturunabhängig, aber die KondensatorkapazitÏt C@ selbst keineswegs, wie aus der Temperaturabhängigkeit des Elektrodena. bstandes d hervorgeht, die aus der Gleichung (1) nach Substitution des durch die Gleichung (7) gegebenen Wertes f rl1 @ α
folgt, das hei¯t d20¯
Der Einfluss des auf diese Weise auf- tretenden, starken negativen Temperaturkoeffizienten der AufnehmerkapazitÏt C@ kann besonders einfach beseitigt werden, wenn, wie in Fig. 2 dargestellt, die Druck- aufnehmerkapa. zitat Co einen Teil einer BrückensehaJtung 13 bildet und also bei Druckänderungen die Modulation einer der Brize. zugef hrten hochfrequenten Spannung 14 bewirkt.
In diesem Fall wird vorzugsweise eine Ausgleichsimpedanz, insbesondere ein Aus- gleichskondensator C@ verwendet, der im Druckaufnehmer in der unmittielbaren Nähe der Aufnehmerkapazität Co untergebracht ist, wie in Fig. 1 der Ausgleichskondensator 11, 12 und somit der Temperatur der Auf- nehmerkapazitÏt folgt.
Dabei wird die Aufnehmerkapazität Co in Reihe mit dem Ausgleichskondensator Cc geschaltet, so da. B diese Reihenschaltung einen zwischen den Speisepunkten der Brücke liegenden Brückenzweig bildet, während der Ausgleichskondensator eine solche negative Temperaturabhängigkeit hat, daB das Verhält, nis der Kapazität, swerte der Aufnehmorkapazität Co und Ausgleichs- kapazität Ce innerhalb des Tempera. turbereiches bei beliebigem äuBerem Druck unabhängig von der Umgebungstemperatur des Aufnehmers ist.
Die der MeBdiagona. le der Br ckenschal tung entnommene modulierte hochfrequente Spannung steuert auf bekannte Weise nach Verstärkung und Gleichrichtung (17) eine Kathodenstrahlröhre 18.
Nachdem es sich gezeigt ha. t, da-B die mit dem Druckaufnehmer erhaltenen MeBergebnisse innerhalb des Betriebstemperatur- bereiches, z. B. von 20 bis 500 C nahezu ganz temperaturunabhÏngig sind, wird der sehr wichtige Vorteil erzielt, da. die Eichung der Druckaufnahmevorrichtung bei Zimmertemperaturstattfinden kann.