CH665028A5 - Einrichtung zur ueberwachung der dichte eines gasfoermigen mediums in einem geschlossenen raum. - Google Patents

Description

  
 



   BESCHREIBUNG



   Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Überwachung der Dichte eines gasförmigen Mediums in einem geschlossenen Raum gemäss Oberbegriff des Anspruches 1, die sich insbesondere zur Überwachung der Gasdichte in gekapselten, druckgasisolierten Schaltanlagen und -geräten eignet.



   Bei gekapselten, druckgasisolierten Schaltanlagen ist es von besonderer Bedeutung, die Dichte des Isoliergases (in der Regel   SF6-Gas)    zu überwachen, da ein Absinken der Gasdichte infolge Leckage eine Verminderung der Spannungsfestigkeit der Anlage zur Folge hat. Bei der Überwachung der Dichte durch Messung des Druckes des Isoliergases muss berücksichtigt werden, dass sich der Druck bei sich ändernder Temperatur ändert, ohne dass damit eine Dichte änderung verbunden ist. Mit andern Worten muss bei einer Druckmessung eine Temperaturkompensation erfolgen, um aus festgestellten Druckänderungen auf Dichteänderungen schliessen zu können.



   Aus der DE-OS   2703421    und der CH-PS 633 886 sind beispielsweise Einrichtungen zur Überwachung der Dichte eines Gases innerhalb eines abgeschlossenen Raumes bekannt, bei denen die Kompensation derTemperaturabhängigkeit des gemessenen Gasdruckes mittels mechanischer Mittel erfolgt, was eine entsprechend aufwendige Konstruktion dieser bekannten Einrichtungen erfordert.



   Aus der DE-OS   2736946    ist eine Einrichtung zur Dichtemessung von Gasen der eingangs genannten Art bekannt, bei der zwei Widerstandselemente mit druckabhängigem Widerstand vorgesehen sind, welche je in einen Zweig einer Brükkenschaltung geschaltet sind. Letztere wird mit einem Speisestrom beaufschlagt, dessen Wert mittels elektrischer Schaltmittel in Abhängigkeit der Temperatur geändert wird. Auf diese Weise wird ein druckabhängiges und temperaturkompensiertes Ausgangssignal erzeugt, das für die Gas dichte kennzeichnend ist. Auch diese Ausführungsform erfordert für die Temperaturkompensation einen gewissen zusätzlichen Aufwand schaltungstechnischer Art.



   Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die auf einfache Weise und mit möglichst geringem Aufwand eine zuverlässige und genügend genaue temperaturkompensierte Druckmessung erlaubt.



   Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruches 1 gelöst.



   Durch eine geeignete Dotierung des Halbleiterwiderstandselementes bzw. der Halbleiterwiderstandselemente kann nun erreicht werden, dass bei einer Temperaturänderung des zu überwachenden Gases sich der Widerstandswert des Widerstandselementes bzw. der Widerstandselemente proportional, jedoch im entgegengesetzten Sinn zur Druckänderung des Gases ändert. Die Temperaturkompensation der Druckmessung erfolgt somit durch eine entsprechend abgestimmte Änderung einer physikalischen Grösse des Drucksensors, nämlich dessen Widerstandswertes. Der Drucksensor passt sich somit selbsttätig um das jeweils richtige Mass an sich ändernde Temperaturen des zu überwachenden Gases an, was bedeutet, dass zusätzliche Mittel für die Temperaturkompensation entfallen können.



   Bevorzugte Weiterausgestaltungen der erfindungsgemässen Einrichtung bilden Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2-4.



   Im folgenden wird anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes näher erläutert. Es zeigt rein schematisch:
Fig. 1 einen Schnitt durch eine gekapselte, druckgasisolierte Schaltanlage mit eingebautem Druckfühler,
Fig. 2 in gegenüber Fig. 1 vergrössertem Massstab den Druckfühler in Draufsicht,
Fig. 3 in gegenüber Fig. 2 vergrössertem Massstab einen Schnitt etwa entlang der Line III-III in Fig. 2, und
Fig. 4 ein die Abhängigkeit des Temperaturkoeffizienten eines Siliziumwiderstandselementes in Funktion der Bordotierung darstellendes Diagramm.



   In Fig.   list    rein schematisch und im Schnitt eine gekapselte, druckgasisolierte Schaltanlage gezeigt, welche einen innerhalb einer Kapselung 1 verlaufenden Leiter 2 aufweist.



  Der geschlossene Innenraum 3 der Kapselung 1 ist mit einem Isoliergas, z.B. SF6, gefüllt, das unter dem Druck P steht. Die Kapselung 1 weist eine Öffnung 4 auf, welche mittels eines Druckfühlers 5 abgeschlossen ist. Dieser Druckfühler ist mit seinem ringförmigen, biegesteifen Randteil 6 (siehe auch Fig.



  2) zwischen einem Flansch 7 der Kapselung 1 und einem ringförmigen Halteelement 8 festgeklemmt, das z.B. mittels nicht dargestellter Schrauben an der Kapselung befestigt ist.



  Der Randteil 6 des Druckfühlers 5 liegt an einem Dichtring 9 an.



   Der Druckfühler 5, dessen Aufbau nun anhand der Fig. 2 und 3 erläutert werden wird, entspricht weitgehend dem   Druckfühler, der im Artikel  Low-Cost Sensor zum Messen kleiner Drücke und Kräfte  von W. Tödt-Harten und W.



  Germer, VDI-Berichte Nr.   509,1984,    Seiten 57-60, beschrieben ist. Der, wie erwähnt, eingespannte und biegesteife Randteil 6 ist über Biegebalken 10, 11, 12, 13 mit einem ebenfalls biegesteifen Kolbenteil 14 verbunden, der sich bei Druckbeanspruchung verschiebt. Der Randteil 6, die Biegebalken 10, 11, 12, 13 und der Kolbenteil 14 bestehen aus Kupfer-Beryllium (CuBe). Auf der Unterseite des Druckfühlers 5 ist eine metallische Trennmembran 15 angeordnet, welche mit dem Randteil 6 und dem Kolbenteil 14 verbunden ist und als Abschluss gegen den Innenraum 3 hin dient.



   Bei Druckbeaufschlagung des Druckfühlers 5 von seiner Rückseite her verschiebt sich der Kolbenteil 14 relativ zum eingespannten Randteil 6, was zu einer Verformung der Biegebalken 10, 11, 12 und 13 führt. An den Stellen maximaler positiver und negativer Dehnungen der Biegebalken   10,11,    12, 13 sind an diesen Messgrössenumformer 16 und 17 befestigt, die in Fig. 2 nur schematisch dargestellt sind und deren Aufbau sich aus der Fig. 3 erkennen lässt.



   Jeder Messgrössenumformer 16, 17 weist ein als Dehnungsmessstreifen ausgebildetes Halbleiterwiderstandselement 18 auf, das durch eine Isolationsschicht 19 aus Siliziumoxyd (SiO2) gegenüber dem Biegebalken 10, 11, 12, 13 elektrisch isoliert ist. Jedes Widerstandselement 18 wird durch eine Dünnfilmschicht aus einem geeigneten Halbleitermaterial, z.B. Silizium oder Germanium, gebildet. Über dem Widerstandselement 18 befindet sich eine Metallisierungsschicht aus Aluminium, welche ihrerseits von einer Passivierungsschicht aus Siliziumnitrid (Si3N4) überdeckt ist, die als Schutzschicht dient.



   Die Widerstandselemente 18 jedes Messgrössenumformers 16, 17 sind zu einer Wheatstone-Messbrücke zusammengeschaltet und an eine nicht näher dargestellte Auswerteschaltung, die an sich von bekannter Bauart ist, angeschlossen.



   Je nach Grösse des auf den Druckfühler 5 wirkenden Druckes P werden die Biegebalken 10, 11, 12, 13 verformt, was eine entsprechende Längenänderung der Widerstandselemente 18 und damit verbunden eine Änderung deren Widerstandswerte zur Folge hat, wie das bei Dehnungsmessstreifen bekannt ist.



   Da sich der Druck des Isoliergases im Innenraum 3, wie bereits erwähnt, mit der Temperatur ändert, so kann die Druckmessung nur dann für die Überwachung der Gasdichte herangezogen werden, wenn eine Temperaturkompensation erfolgt. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Temperaturabhängigkeit des Gasdruckes dadurch kompensiert, dass das Halbleitermaterial, aus denen die Widerstandselemente 18 bestehen, auf geeignete Weise mit Fremdatomen dotiert wird, wie das im folgenden anhand eines mit Bor dotierten Siliziumwiderstandselementes erläutert werden wird.



   In Fig. 4 ist die Abhängigkeit des Temperaturkoeffizienten TC (R) des Widerstandswertes eines Dünnfilmhalbleiterwiderstandselementes aus mikrokristallinem Silizium mit einer Kristallitgrösse von 90   Ä    von der Bordotierung a dargestellt. Wie dieser Fig. 4 entnommen werden kann, ist dieser Temperaturkoeffizient TC (R) bei einer Dotierung von weniger als etwa   2x1020    Boratomen pro cm3 negativ (siehe auch den Artikel  Mikrokristalline Niedertemperatur-Silizium-Dünnfilme für Sensorapplikationen  von W. Germer,   VDJ-Berichte      Nr. 509, 1984,    Seiten 209-212).

  Aus den Gasgesetzen für ideale Gase ergibt sich, dass bei Erwärmung eines Gases unter konstantem Volumen jede Temperaturänderung um ein Grad eine Druckänderung um TC (P) =   T hervorruft,    wobei T, die Ausgangstemperatur des Gases in   "K    bedeutet.



  Dieser Temperaturkoeffizient des Gasdruckes TC (P) beträgt somit z.B. bei 0   "C    (273,15   "K)    0,366x   10-2(0KY',    bei   -40 C    (233,15   "K)    0,429 x 10-2   (OK)-l    und bei   + 60"C    (333,15   "K)    0,300x   10.2      ("K)-'.    Aus Fig. 4 lässt sich herauslesen, dass bei einer Dotierung von ca.   l0l9    Boratomen pro cm3 der Temperaturkoeffizient TC (R) des Widerstandswertes des Halbleiterleiterwiderstandselementes 18   etwa -    0,35 x   10-2(KO)-'    (Punkt A) beträgt.

  Wird nun durch die erwähnte Bordotierung ein Temperaturkoeffizient von TC (R) von ca.   -0,35      x 10.2      ("K)-'    erhalten, so lässt sich bei einer Temperatur des Druckgases im Innenraum 3 zwischen 40   "C    und +60   "C    die temperaturabhängige Druckänderung des Gases durch die Widerstandselemente 18 selber in ausreichendem Masse kompensieren, so dass sich aus der in der Auswerteschaltung erzeugten Ausgangsgrösse eine genügend genaue Aussage über die Gasdichte ableiten lässt, ohne dass zusätzliche Mittel für eine Temperaturkompensation erforderlich sind.



   Aus den vorstehenden Darlegungen ergibt sich, dass beim angegebenen Temperaturkoeffizienten TC (R) die Tempera   turkompensationje    genauer ist, je näher sich die Gastemperatur bei 0   "C    befindet. Wird gewünscht, dass die Temperaturkompensation des Gasdruckes bei einer andern Gastemperatur als bei 0   "C    möglichst genau sein muss, so kann durch eine entsprechende Bordotation der Temperaturkoeffizient TC (R) des Widerstandes der Widerstandselemente 18 angepasst werden.

 

   Zusammengefasst liegt der vorliegenden Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass die Wirkung des positiven Temperaturkoeffizienten TC (P) des Druckes eines Gases durch die Wirkung eines betragsmässig etwa gleichen, vorzeichen   mässig jedoch    entgegengesetzten Temperaturkoeffizienten TC (R) des Widerstandes der Halbleiterwiderstandselemente, der durch entsprechende Dotierung des Halbleitermaterials mit Fremdatomen erhalten wird, ausgeglichen werden kann.



   Es versteht sich, dass der Druckfühler 5 auch anders als wie gezeigt ausgebildet werden kann. So können beispielsweise auch nur zwei Biegeträger vorgesehen werden. Der Randteil 6 muss zudem nicht zwingend als Kreisring ausgebildet sein. 

Claims (7)

1. PATENTANSPRÜCHE 1. Einrichtung zur Überwachung der Dichte eines gasförmigen Mediums in einem geschlossenen Raum, insbesondere zur Überwachung der Gasdichte in gekapselten, druckgasisolierten Schaltanlagen und -geräten, mit einem Druckfühler, der wenigstens ein elektrisches Widerstandselement mit bei Druckänderungen sich änderndem Widerstandswert aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das als Dehnungsmessstreifen ausgebildete Widerstandselement (18) auf einem bei Druckbeaufschlagung elastisch deformierbaren Träger (10, 11, 12, 13) befestigt ist und aus einem Halbleitermaterial besteht, das derart mit Fremdatomen dotiert ist,

   dass der Temperaturkoeffizient (TC (R)) des Widerstandes des Halbleiterwiderstandselementes (18) und der Temperaturkoeffi- zient (TC (P)) des Druckes des zu überwachenden Gases für konstantes Volumen und eine gegebene Temperatur zumindest annähernd denselben Wert, jedoch entgegengesetzte Vorzeichen haben.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Widerstandselement (18) durch eine Halb leiterdün nfilmschicht gebildet ist.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Widerstandselement (18) aus Silizium mit einer Dotierung von etwa 1019 Boratomen pro cm3 besteht.
4. 4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (10, 11, 12, 13) als Biege- balken ausgebildet ist, der einseitig eingespannt und am andern Ende dem Gasdruck entsprechend belastbar ist.
5. 5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (10, 11, 12, 13) einerends an einem biegesteifen, einspannbaren Randteil (6) und andernends an einem biegesteifen, bei Druckbeaufschlagung verschiebbaren Kolbenteil (14) befestigt ist.
6. 6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Randteil (6) ringförmig ausgebildet ist und den Kolbenteil (14) umgibt.
7. 7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Randteil (6) und der Kolbenteil (14) über mehrere, je mindestens ein Halbleiterwiderstandselement (18) tragende Träger (10, 11, 12, 13) miteinander verbunden sind.