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.
Capacitive pressure transducer.
The invention relates to a pressure sensor with a pressure-dependent capacity. quotation, which is formed by a membrane electrode that bends under the influence of pressure and a counter-electrode, and can be used particularly advantageously for recording indicator diagrams of internal combustion engines or the like.
Capacitive pressure transducers of the type mentioned are known in which, in order to avoid a temperature dependency of the transducer capacity, the distance-determining parts of the capacitor electrodes are designed in terms of their length and linear expansion coefficients such that. ¯ the electrode spacing and thus the transducer capacitance una. bha. ngig of the temperature.
It has been shown there. ss Devices with such pressure transducers have to be calibrated to prevent considerable measurement errors, while the pressure transducer maintains the expected operating temperature. If the operating temperature changes, the calibration must be changed. In this way, regardless of the caregiver meted. Taking into account the temperature dependence of the transducer, a temperature-independent measurement result that is sufficient for practical purposes is not achieved.
The invention aims to remedy this disadvantage.
According to the invention, care is taken that the electrode spacing. nd the sensor capacitance is temperature-dependent in such a way that the relative change in capacitance is independent of the temperature dependency of the modulus of elasticity of the membrane material.
The invention is based on the knowledge that the original temperature dependence of the measurement results must be accounted for by two different temperature influences, i.e. on the one hand changes in the distance of the capacitor electrodes due to the linear expansion of the distance-determining components of these electrodes, on the other hand on the other hand, the change in the bending of the membrane electrode caused by a given external pressure as a result of the temperature dependence of the elasticity module of the membrane material.
The influence of the first-mentioned factor on the sensor capacity is independent of the a. Pressure acting on the transducer, but not that of the last-named factor, because in the absence of an overpressure acting on the transducer, there is no deflection and therefore no change in deflection of the membrane.
Since the following is a pure temperature influence on the one hand and a pressure-dependent temperature influence on the other hand, with a single temperature-dependent compensation measure, the z. B. is used with the known pressure transducers, no real temperature independence can be achieved.
By applying the invention, the aforementioned pressure-dependent. Any temperature influence on the relative changes in capacity is balanced; the then occurring, generally strongly negative temperature dependency of the transducer capacitance. t, which is not influenced by the pressure acting on the transducer, can be reversed by a temperature-dependent compensation impedance, in particular a temperature-dependent capacitor that is exposed to the same ambient temperature as the pressure transducer. A disruptive temperature fine influence on the measurement results is then no longer present.
The compensating capacitor required for this is preferably in the pressure transducer in the immediate vicinity of the transducer capa. housed.
When using the pressure transducer according to the invention together with a compensation capacitor in a bridge circuit, in which, as is known per se, the transducer capacitance forms one of the bridge branches and thus modulates a high-frequency supply voltage supplied to the bridge when the pressure changes, the pressure transducer condensate - Sator and the Ausgleiohskondensator preferably together.
A bridge branch between the spoiler points of the bridge, in which the balancing capacitor has such a negative temperature dependence that the ratio of the capacitance values of the pick-up and balancing capacitor is within the expected operating temperature. temperature range is independent of the ambient temperature of the sensor at any given external pressure.
Static calibration of the pressure transducer circuit at any temperature, e.g. B. room temperature; the measurement results obtained with such a sensor position in an internal combustion engine during operation then do not require any temperature correction.
An exemplary embodiment of a pressure transducer according to the invention with a compensator is shown below with reference to the accompanying drawing. capacitor and a circuit with such a pressure transducer explained.
The pressure sensor shown in FIG. 1 has a cylindrical holder 1, which is provided on the outside with a screw thread 2, with the help of which the holder with the interposition of a spark plug ring 3, e.g. B. in the opening of the cylinder wall of a combustion to be examined, engine can be attached. In the holder, a membrane sleeve 4 is attached with some clearance, the bottom 5 of which forms the membrane electrode of the pressure sensor capacitance. The membrane sleeve is connected by welding to a fastening bush 6, which is screwed into a tubular extension 7 of the holder 1.
A porcelain rod 8 is arranged centrally in the membrane sleeve 4, the end of which, opposite the membrane electrode 5, carries the counter-electrode 9 of the pressure transducer capacity. The Porzellansta. b 8 is pressed by the tension of a spring 10 onto a re-entrant edge of a metal bushing 11 lying inside the membrane sleeve, which together with a metal covering 12 attached to the porcelain rod forms a capacitor.
This capacitor has a high nega because of the difference in the linear expansion coefficient of the capacitor socket 11 and the porcelain rod 8. tive temperature coefficient and can be used as a compensation capacitor, as explained in more detail with reference to FIG.
The dimensioning of the pressure transducer is explained below.
As already mentioned, the temperature is based on ratura. Dependency of the pressure transducer a. On two factors, that is, on the one hand the linear expansion of the distance-determining parts of the pressure transducer electrodes 5 and 9, on the other hand the temperature dependence of the modulus of elasticity E of the membrane material.
The former causes a change in the distance d of the electrodes 5 and 9. This distance is from the dimension in the axial direction of the thickened Ra. ndes of the bottom of the membrane sleeve 4 and of the dimensioning in the axial direction of the re-entrant part of the condensate. gate bushing 11 depending on which dimensions add. mmen form a length l1, as well as the length L of the lower part of the porcelain rod 8.
Since the electrode distance d is small with respect to and l2, the temperature dependence of d can be expressed as follows: d @ = d20¯ (1 + l1 @ α @t) / d20¯ (1) where: d20¯ = electrode distance at Room temperature (20 C). t = deviation from room temperature in C. dt = electrode spacing at (20¯ + t¯) C.
α = = resulting linear expansion coefficient of the distance-determining parts of the condenser electrodes, because of the different expansion of the porcelain and the for the
Membrane sleeve 4 and the condensate torbuehse 11 metal used, for. B. iron; in this case a is about 5, 5. 10-6 per C.
The second factor, that is, the temperature dependence of the modulus of elasticity E of the Membranma. teria. ls, has been determined experimentally and approximated by:
Et¯ = E20¯ (1 - ¯t) E20¯ = E at room temperature. t = deviation from room temperature (as above).
Et = E at a temperature (20 + t) C.
¯ = temperature coefficient of E, e.g. B.
280 @ 10-6 per ¯C.
If, due to an external pressure p, the deflection of the membrane @ d 20¯ at room temperature. As has been shown, the deflection changed by the change in E at a temperature (20¯ + t¯) can be represented as follows: = 20. (1 +) (2)
The relative change in capacity @c des brought about by the pressure p mentioned
If the deflection of the membrane is small in relation to the electrode spacing d20¯, the receiving capacitor at room temperature is almost proportional to the relative change in the electrode spacing.
So:
EMI3.1
At a temperature that deviates from room temperature by t C, the relative change in capacitance would be:
EMI3.2
By substituting the values of dt and @ dt given by equations (1) and (2) in equation (4), ka. nn these are written as follows:
EMI3.3
From equation (5) it can be seen that the relative change in capacitance becomes independent of temperature if (1 + l1 @ α @ t / d20¯) = (1 + ¯t) (6) a.
Iso if: c. ==. O (7) in which case ll the influence of the temperature dependence of the membrane deflection on the relative change in capacitance is compensated for by the temperature dependence of the components determining the electrode spacing.
From equation (7) it follows that after the electrode spacing d. oo and choice of substances to be used for the absta. nd-determining parts of the capacitor electrodes, whereby the constants a and ¯ are fixed, the compensation mentioned can only be brought about by a suitable choice of the dimension l1 (of course in connection with l2. If, for example, d200 = 0.1 mm is selected and the constants a and ¯ have the aforementioned values, should l1 = ¯ @ d20¯ = 280 @ 10-6 @ 0.01 = approx 0.5 cm.
α 5.5 @ 10-6.
Now the relative change in capacitance is independent of temperature, but the capacitor capacitance C @ itself by no means, as can be seen from the temperature dependence of the electrode. distance d obtained from equation (1) after substituting the value f rl1 @? given by equation (7).
follows, that is d20¯
The influence of the strong negative temperature coefficient of the sensor capacitance C @ that occurs in this way can be eliminated particularly easily if, as shown in FIG. 2, the pressure sensor capacitance. citation Co forms part of a bridge section 13 and therefore modulation of one of the brizes when the pressure changes. applied high-frequency voltage 14 causes.
In this case, a compensation impedance, in particular a compensation capacitor C @, is preferably used, which is accommodated in the pressure transducer in the immediate vicinity of the transducer capacitance Co, as in FIG. 1 the compensation capacitor 11, 12 and thus the temperature of the transducer capacitance follows.
The pickup capacitance Co is connected in series with the compensation capacitor Cc, so there. B this series connection forms a bridge branch between the feed points of the bridge, while the compensation capacitor has such a negative temperature dependency that the ratio of the capacitance values of the pickup capacitance Co and compensation capacitance Ce is within the temperature. at any external pressure is independent of the ambient temperature of the transducer.
MeBdiagona. The modulated high-frequency voltage taken from the bridge circuit controls a cathode ray tube 18 in a known manner after amplification and rectification (17).
After it has been shown that the measurement results obtained with the pressure transducer are within the operating temperature range, e.g. B. from 20 to 500 C are almost completely independent of temperature, the very important advantage is achieved because. the calibration of the pressure receiving device can take place at room temperature.