DD276150A5

DD276150A5 - Druckmesswertwandler unter verwendung eines dickfilmwiderstands

Info

Publication number: DD276150A5
Application number: DD88322484A
Authority: DD
Inventors: Michael L Studevant; Eugene Skuratovsky
Original assignee: The Babcock U. Wilcox Company,Us
Priority date: 1987-12-11
Filing date: 1988-12-01
Publication date: 1990-02-14
Also published as: EP0320299A3; CN1033481A; EP0320299B1; KR890010545A; HUT50388A; AU2103988A; BR8804324A; EP0320299A2; MX173008B; ES2050163T3; DE3888118D1; HK96594A; PL159285B1; DE3888118T2; AU617348B2; CA1309879C; IN169553B; SU1716979A3; JPH01196526A; BG49839A3

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Druckmesswertwandler unter Verwendung eines Dickfilmwiderstandes, der auf einem Diaphragma angeordnet ist, das beispielsweise aus einem keramischen Material oder dergl. besteht und eine Ober- und eine Unterseite aufweist. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Druckmessung unter Verwendung eines Diaphragmas. Eine Oberflaeche des Diaphragmas nimmt den laenglichen Dickfilmwiderstand auf. der Widerstand ist mit einer Schaltung verbunden, um Aenderungen des Widerstandswerts aufgrund von auf den Widerstand angelegten Spannungen oder Kraeften zu messen. Druecke, die senkrecht zur longitudinalen Richtung der Dehnung des Widerstands angelegt sind, ergeben hohe Ausgaenge in Form von Veraenderungen des Widerstands, die auch zur Berechnung der Spannungen in longitudinaler und transversaler Richtung verwendet werden koennen.

Description

Hierzu ^Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung Die Erfindung betrifft einen Druckmeßwertwandler unter Verwendung eines Dickfilmwiderstands und ein Verfahren zur Druckmessung unter Verwendung eines Disphragmas. Die Anwendung der vorliegenden Erfindung erfolgt auf dem Gebiet der Druckmessung. Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Druckmeßwertwandler unter Verwendung von Dehnungsmeßstreifen zur Messung von druckinduzierton Biegungen sind bekannt; vgl. US-PS 3341794,3456226 und 3505634. Im allgemeinen bedienen sich diese Meßwertwandler flacher Metall- oder Siliciumdiaphragmen mit darauf angeordneten Meßstreifen vom Dünnfilm-, Klebefolien- oder Siliciumtyp. Diese Dehnungsmeßstreifen werden auf dem Diaphragma zur Reaktion auf tangentiale Zugspannungen im Zentrum und zur Reaktion auf radiale Zugspannungen am äußeren Rand des Diaphragmas angeordnet.

Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt, trägt ein zylindrisches, keramisches Diaphragma 1 eine Mehrzahl von Dickfilmwiderständen 2, die so angeordnet sind, daß sie auf radiale Spannungen reagieren. Dickfilmwiderstände 3, die auf tangentiale Spannungen reagieren, sind in der Näha des Scheibenzentrums vorgesehen. Die Fig. 3 und 4 zeigen Widerstände 4 und 5, die auf einem Diaphragma 6 orientiert sind. Die Widerstände sind so orientiert, daß die Spannung, die mit ihnen gemessen werden soll, parallel zu den longitudinalen Achsen der Widerstände verläuft, wie in Fig.4 gezeigt ist. Die resultierenden Widerstände sind bezüglich ihrer Größe auf die Größe des Diaphragmas beschränkt. P zeigt die Richtung des an das Diaphragma angelegten Drucks.

Die Dehnungsmeßstreifen sind in einer Wheotstone-Brückenanordnung so verbunden, daß benachbarte Schenkel der Brücke Spannungen von entgegengesetztem Vorzeichen abtasten, was zu einem additiven Effekt auf den Meßwertgeber-Ausgang führt. In letzter Zeit haben keramische Diaphragmen mit durch Siebdruck und Brennen hergestellten Dickfilmwiderständen zunehmendes Interesse als Druckmeßwertwandler gefunden; (vgl. US-PS 4311980 und „The Thick Film Strain Gage", Howard A.Nielsen, Jr., 32.International Instrumentation Symposium, Paper Session, 4.7., 8.Mai 1986). Diese Keramik-Dickfilmwiderstände wurden auf sehr ähnliche Weise wie die früheren Meßwertwandler konstruiert, wobei die Widerstände in einer Wheatstone-Brückenkonfiguration angeordnet sind.

Dickfilmwiderstände sind bekanntlich empfindlich gegenüber dem als ,burst noise" bekannten Problem; vgl. .Physical Model of Burst Noise in Thick Film Resistors", T. M. Chen und J. G.-Cottle, Solid State Electronics, Bd. 29, Nr.9 (1986), Seiton 865-872; und .Characteristics, Sources and Minimization auf- Thick Film Resistors Burst Noise", J.G.Gottle und T. M.Chen, ISHM Proceedings of the International Symposium on Microelectronics, 1986, Seiten 835-839). Diese Erscheinungen können ein Rauschen im Ausgangssignal eines Keramik-Dickfilm-Druckmeßwertwandlers in einer Größenordnung von mehr als 0,15% des f.-ößberelche verursachen. Es wurde gezeigt, daß das .burst noise" unter Verwendung eines Dickfilmwiderstands von niedrigem spezifischem Widerstand und großen Abmessungen auf ein Minimum begrenzt werden kann. Bei der Anwendung von Druckmeßwertwandlorn ist es wünschenswert, einen hohen Widarstandswert zu haben, um den Stromverbrauch zu minimieren. Der Widerstandswert eines Dickfilmwiderstands ergibt sich durch

R - ρ -wt

worin R den Widorstandswert, ρ den spezifischen Widerstand des Widerstandsmaterials, I die Länge des Widerstands, w die Breite des Widerstands t\nd t die Dicke des Widerstands bedeutet. Um einer hohen Widei standswert zu erzielen, ist ein Widerstandsmaterial von hohem spezifischen Widerstand oder ein großflächiger Widerstand erforderlich, d.h. es muß ein langer und schmaler Widerstand verwendet werden. Da ein geringes Rauschen und ein hoher spezifischer Widerstand erwünscht sind, muß ein Dickfilmmaterial von geringerem spezifischen Widerstand mit einer großen Fläche, d.h. oin langer und schmaler Widerstand, verwendet werden.

Dickfilmwiderstände verändern ihren Widerstandswert in Abhängigkeit von der durchschnittlichen Spannung über die Fläche des Widerstands hinweg. Um einen maximalen Ausgang zu erzielen, sollen die Widerstände in der Nähe der Mitte oder in der Nähe des äußeren Rands des Diaphragmas angeordnet sein, um das vom Resistor festgestellte durchschnittliche Spannungsniveau möglichst hoch zu halten. Ein großes Diaphragma ist erforderlich, um vier lange und schmale Widerstände in der herkömmlicherweise verwendeten Wheatstone-Brückenanordnung unterzubringen und die durchschnittliche Spannung an den Widerständen hoch genug für eine hohe Ausgangsleistung zu halten. Da Spannungen im Diaphragma in Abhängigkeit vom Quadrat des Radius zunehmen, sind hohe Spannungen bei großen Diaphragmen, die unerwünscht sind, gegeben. Auf einem kleinen Diaphragma ist nicht genügend Platz, um eine vollständige Brücke unter Verwendung von langen und schmalen Widerständen, wie sie für ein gutes Rauschverhalten erforderlich sind, unterzubringen. Eine Halb- oder Viertelbrücke weist einen kleineren Ausgang auf, als erwünscht ist.

Gemäß dem Stand der Technik steht auf einem Diaphragma für einen derartigen Widerstandstyp nicht genügend Platz zur Verfugung, es sei denn das Diaphragma ist sehr groß. Mit zunehmender Diaphragmagröße nehmen die Spannungen im Diaphragma proportional zum Quadrat des Radius zu. Dies ist im Hinblick auf die Festigkeit des Diaphragmas unerwünscht. Gemäß dem Stand der Technik ist der Ausgang des Dickfilmwiderstands auf die radialen und tangentialen Spannungen im keramischen Diaphragma in paralleler und senkrechter Richtung zur Meßachse zurückzuführen. Bisherige Dickfilmwiderstände haben sich des Dehnungsfaktors des Widerstands in einer Richtung parallel zur Widerstandsachse und des Dehnungsfaktors senkrecht zur Widerstandsachse bedient. Die Veränderung des Widerstands bei einem Dickfilmwiderstand, der einer Dehnung unterliegt, wurde bisher durch folgende Gleichungen festgelegt:

wobei

dR R

GF, e_Y dR

die durch eine parallel zur Länge des

Widerstands verlaufende Spannung verursachte Änderung des Widerstandswerts.

dR

die durch eine Spannung senkrecht zur Länge des Widerstands verursachte Änderung des

Widerstandswerts, GF, den Dehnungsfaktor des Widerstands senkrecht zur Länge des Meßstreifens, GF₁ den Dehnungsfaktor des Widerstands parallel zur Lunge des Meßstreifens, e» die Spannung parallel zur Länge des Meßstreifens e_y die Spannung in Querrichtung zum Meßstreiten bedeuten; vergl. J.Phys.D., Applied Physics, Bd. 12,1979, Seiten L51-53, .Strain-Sensitivity in Film and Cermet Rr Jstors: Measured and Physical Quantities*, Morten et al.; IEEE Transactions on Components, Hybrids and Manufacturing Technology, Bd.CHMT-3, Nr.3, September 1980, Seiten 421-423, „Strain Sensitivity in Thick FjIm Resistors", Canali et al.; .Strain Sensitivity of Thick Film Resistors", J. S. Shah IEEE Transactions on Compon.-Hybrids and Manufacturing Technology, Bd.CHMT-3, Nr.4, (1980), Seiten 410-420; .Changes in Thick Film Resistors Valvis Due to Substrate Flexure", P. J. Holmes, Microelectronics and Reliability, Bd. 12, (1973), Seite 395; und .Strain Characteristics of Thick Film Resistors and its Application to a Strain Sensor", Osamu Abe and Yoshiaki Taketa, IMC, 1986 Proceedings, 1986, Seiten 282-285.

Ziel der Erfindung Ziel der Erfindung ist es, einen neuen Druckmeßwertwandler bereitzustellen. Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen neuen Druckmeßwertwandler unter Verwendung eines Dickfilmwiderstandes bereitzustellen, der sich durch eine einfache und robuste Bauart auszeichnet und billig herzustellen Ist. Es ist weiterhin die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Druckmessung unter Verwendung eines Diaphragmas anzugaben. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Druckmeßwertwandler gelöst, der gekennzeichnet ist durch:

- ein Diaphragma mit einer Ober· und einer Unterseite;

- mindestens einen Dickfilmwiderstand auf oinem der Diaphragmaseiten, wobei dar Dickfilmwiderstand eine längliche Form in einer longitudinalon Richtung aufwoist;

• und

- oineSchaltungsoinrichtung zum Messen von Veränderungen dos Widorstandswerts bei Anlegen von normalem Druck auf das Diaphragma und insbosondure auf den Dickfilmrosistor.

Ein ringförmiger, länglicher Dickfilmwiderstand kann ebenfalls auf dem Diaphragma angewendet werden, sowie eine Mehrzahl

vcn Dickfilmwiderständen, die sich im wesentlichen in der gleichen Richtung auf dem Diaphragma erstrecken und zumindest teilweise ringförmige Bereiche aufweisen.

DerDruckmeßwandler ist weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Diokfilmwideriitände ein erstes Paar von Widerständen in der Nähe des Zentrums der einen Seite, die sich entlang dieser Seite gerüde in longhudinaler Richtung erstrecken und parallel

zueinander verlaufen, und ein Paar von äußeren, als Teil eines Rings, ausgebildeten Dickfilmwiderständen, die sich nahe an einem äußeren Durchmesser des Diaphragmas befinden, aufweisen.

Mindestens eine Seite des Diaphragmas ist kreisförmig und weist einen äußeren Durchmesser und einen Zentralbereich auf,

wobei der Druckmeßwertwandler ein Paar von kreisförmig geformten Widerständen in der Nähe des zentralen Bereichs und ein

Paar von C-förmigen Meßwertwandlern in der Nähe des äußeren Durchmessen, umfaßt. Der Dickenfilmwiderstand kann eine beliebige Form aufweisen. Nach einem anderen Merkmal verläuft der angelegte Druck senkrecht zur Seite des Dickfilmwiderstands. Das Verfahren zur Druckmessung unter Verwendung eines Diaphragmas, das mindestens einen sich in longitudinal Richtung

auf dem Diaphragma verlaufenden Dickfilmwiderstand trägt, ist gekennzeichnet durch folgende Stufen:

- Orientieren des Diaphragmas auf solche Weise, daß der Druck senkrecht zu der longitudinalen Richtung verläuft; und

- Messen von etwaigen Änderungen des Widerstandswerts des Widerstands aufgrund des in senkrechter Richtung angelegten Drucks.

Die Erfindung bedient sich der erheblichen Spannungsempfindlichkeit von Dickfilmwiderständen in senkrechter (normaler) Richtung zur Erhöhung des Ausgangswen's, wobei aber die guten Rauscheigenschaften und geringe Spannungen im keramischen Diaphragma aufrechterhalten werden. Die gesamte Widerstandsänderung in einem Dickfilmwiderstand läßt sich durch folgende Gleichung angeben:

R '

worin C,, Cy und C₁ die Koeffizienten des spezifischen Wideret and» in longitudinalei, transversaler und senkrechter Richtung zum Widerstand und o», e_y und e, die Spannungen in longitudinaler, transversaler und senkrechter Richtung zum Widerstand bedeuten. Erfindungsgemäß wird die Empfindlichkeit des Widerstands in senkrechter Richtung zur Steigerung des Ausgangs des Druckmeßwertwandlers, wenn der Widerstand dem zu messenden Druck ausgesetzt wird, ausgenutzt. Eine Ausführungsform der Erfindung bedient sich eines einzigen Widerstands, der radial am Zentrum des Diaphragmas angeordnet und dem zu ,essenden Druck ausgesetzt ist. Die Vervollständigung der Brücke erfolgt außen oder an einem nicht unter Spannung stehenüen Teil des Meßwertwandlers. Bei dieser Anordnung mißt der Meßwiderstand die radiale und tangentiale Spannung über die Fläche dos Widerstands hinweg zusätzlich zur senkrechten, auf den Druck zurückzuführenden Spannung. Diese Spannungen lassen sich folgendermaßen berechnen:

(( i-f²) a² + Öl*² -3) x²) - |»p] . - +- Γ ^₂ (U-Ρ²) a² ♦ (V²-!) x²) -

worin e„ e_y und e, die radiale, tangentiale und senkrechte Spannung, P den angelegten Druck, y und y' das Poisson-Verhältnis des Trägers und des Widerstands, a den Diaphragmaradius, E₁ und E, das Young-Modul des Widerstands und des Trägers, h die Diaphragmsdicke und χ den Radius, an dem sich der Widerstand befindet, bedeuten; (vgl. „Pressure Component Construction", John F. Harvey, Van Nostrand Reinhold, 1980).

Ausführungsbeispiele

Nachstehend werden der Stand der Technik und die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen beziehen sich dabei jeweils auf gleiche Teile

Es zeigen:

Γ ig. 1: eine Draufsicht eines herkömmlichen Druckmeßwertwai irs unter Anwendung einer Dünnfilmwiderstände tragenden keramischen Scheibe;

Fig. 2: einen seitlichen Aufriß der Vorrichtung von Flg. 1;

Fig. 3: eine Draufsicht eines woiteren herkömmlichen Meßwertwandlers unter Vorwondung von Dickfilmwiderständen; Fig.4: einen diagrammartigen Querschnitt der Vorrichtung von Fig.3, der die Verteilung von tangentialer und radialer

Spannung über das Diaphragma zeigt;

Fig. 6: eine Draufsicht eines Moßwertwandlere gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; Fig. 6: einen Soitonaufriß der Vorrichtung von Fig. 6, die eine Konfiguration bei Anlegen von Druck auf eine Soito des einen

Druckfilm widerstand tragenden Diaphragmas zeigt: Fig.7: eine ähnliche Ansicht wie in Fig.6, die eine weitere Konfiguration beim Anlegen von Druck zeigt; Fig. 8: einenGrundriß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung; Fig. 9: ein Diagramm, bei dem die Veränderung des Widerstands gegen den Radius für tangentiale und radiale Dehnungen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung aufgetragen sind; Fig. 10: einen Grundriß einer dritten Ausführungsform der Erfindung; * Fig. 11: einen Grundriß einer vierten Ausführungsform der Erfindung; und Fig. 12: einen Grundriß einer fünften Ausführungsform der Erfindung.

Die in den Fig. 5,6 und 7 dargestellte Ausführungsform umfaßt einen Druckmeßwertwandlar mit einem scheibenförmigen Diaphragma 10 mit einer Ober- und einer Unterseite.

Ein Dickfilmwiderstand 20 ist auf einer der Seiten aufgebracht und mit einer schematisch mit dem Bezugszeichen 30 angedeuteten Schaltung verbunden, um Widerstandsänderungen des Dickfilmwiderstands zu messen. Die Änderung des HR

Widerstands wird für ein bestimmtes Diaphragma und ein bestimmtes Material eines Dickfilmwiderstands nach Messung

der Koeffizienten C_x, C, und C, für das Widerstandsmaterial ermittelt. Dies wird durchgeführt, in der., man drei Spannungs·/ Ausgangs-Tests an einem Widerstand durchführt und sodann gleichzeitig die drei Ausgangsgleichungen löst. Bei Durchführung an einem speziellen Widerstandsmaterial wurden folgende Koeffizienten gefunden:

C, = 25,3 C_y = 23,5 C₁ = 11,5.

Für ein Diaphragma, das zum Messen eines Drucks von 51700 kPa (7 500 psi) bestimmt ist, hat bei Anwendung der Anordnung von Fig.7, wo der zu messende Druck nicht an den Dickfilmwiderstand angelegt wird, der relative Ausgang den Wert 4. Für das O'iiche Diaphragma und das gleiche Material des Dickfilmwiderstands hat bei Anwendung der Anordnung von Fig. 6, wo der zu messende Druck an den Dickfilmwiderstand angelegt wird, der relative Ausgang den Wert 12,b.

Die Empfindlichkeit des Dickfilmwiderstands in senkrechter Richtung erweist sich als linear und reproduzierbar, ohne daß eine Hysterese vorliegt. Die Erfindung eignet sich somit für einen hochpräzisen Druckmeßwertwandler von geringem Rauschen und geringer Belastung (mechanische Stabilität). Als Widerstandsmaterial wird „Birox" 1441 verwendet. Im allgemeinen weist das Widerstandsmaterial eine dielektrische Komponente und eine leitfähige Komponente auf. Die dielektrische Komponente kann ein Glas vom Borsilikat·, Bleiborsilikat·, Aluminiumsilikat- oder BeUsilikattyp sein, das gegebenenfalls geringe Oxidzusätze., wie CdO, Ca], O) oder AIjO), enthält. Bei der leitfähigen Komponente kann es sich um ein Edelmetall (Ag, Au, Pd), ein Oxid oder ein Gemisch dieser Materialien oder um ein leitfähiges Oxid eines Edelmetalls handeln. Durch Verwendung eines Dickfilmwiderstands von geringerem spezifischem Widerstand und größeren Abmessungen kann erfindungsgemäß das .burst noise" in keramischen Dickfilm-Druckmeßwertwandlern verringert werden. Tests von derzeit verfügbaren keramischen Dickfilm-Druckmeßwertwandlern mit Brückenwiderständen von etwa 5000 Ohm haben Geräuschpegel von bis zu 0,15% des gesamten Skalenausgangs ergeben. Dickfilmwiderstände von geringerem spezifischen Widerstand, größeren Abmessungen und 5000 Ohm Widerstand, wie sie erfindungsgemäß verwendet werden, zeigen Geräuschpegel von 0,025% des gesamten Skalenausgangs.

Bei Erhöhung des Ausgangs des Dickfilmwiderstands unter Ausnutzung von dessen Empfindlichkeit in senkrechter Richtung sind geringere Diaphragmaspannungen erforderlich. Dies erhöht den Sicherheitsfaktor des Meßwertwandlers im bezug auf einen Überdruckschutz. Bei einem keramischen Diaphragma zur Messung eines Drucks von 5170OkPa (7500psi) unter Verwendung von Dickfilmwiderständen ist beispielsweise folgende Situation gegeben: Zur Erzielung eines Ausgangs, der einem herkömmlichen Wert unter Verwendung einer vollständigen Wheatstone-Brücke und eines 2,54mm (0,100in) dicken Diaphragmas entspricht, kann ertindungsgemäß ein Diaphragma von 3,81 mm (0,150in) Dicke verwendet werden. Die* bewirkt eine höhere Festigkeit des Diaphragmas und schützt es gegen Zerstörung im Fall von Überdruck.

Ist ein geringerer Stromverbrauch erforderlich, so kann der spezifische Widerstand des Dickfilms unter Inkaufnahme eines <. twas größeren Rauschens erhöht werden, während die maximale Diaphragmabelastung und der Ausgang auf gleicher Höhe gehalten werden.

Fig. 8 zeigt eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform, worin das Diaphragma 12 einen kreisförmigen Dickfilmwiderstand 22 nahe am äußeren Durchmesser des Diaphragmas trägt. Der Widerstand ist ebenfalls mit einer Schaltung zur Widerstandsmessung verbunden. Es ergibt sich ein etwas niedrigerer Ausgang, da die radialen und tangentialen Spannungen entgegengesetzte Vorzeichen aufweisen. Diese Anordnung ermöglicht jedoch die Verwendung eines sehr langen und schmalen Widerstands. Der Ausgang eines Dickfilmwiderstands, der an einem flachen Diaphragma an joder Stelle radial odRr tangential orientiert ist, ist in Fig.9 gezeigt. Beim Gesamtausgang handelt es sich um den Mittelwert der Werte für die vorstehende Gleichung übor die Fläche des Widerstands hinweg. Die Erfindung bedient sich der Fähigkeit des Dickfilmwiderstands, Spannungen in beliebiger Richtung abzutasten. Die äußeren Maßstreifen, die bei herkömmlichen Druckmeßwertwandlern zur Messung der radialen Spannung orientiert wären, sind zur Messung der tangentialen Spannung entlang der Widerstandsachse und der radialen Spannung in senkrechter Richtung zur Widerstandsachse orientiert (vgl. Fig. 10). Die Widerstände sind so ausgebildet, daß sie am äußeren Rand des Diaphragmas ringförmige Flächen bilden. Dies fünrt zu einem dR/R für einen langen ringförmigen Widerstand ähnlich dem dR/R für einen kurzen Widerstand, der zur Messung von radialer Spannung orientiert ist, und daher zu einem Brückenausgang ähnlich dem eines herkömmlichen Druckmeßwertwandlere. Diese Orientierung ermöglicht die Verwendung von Widerständen, die im Vergleich zu herkömmlichen Anordnungen länger sind, einen höhoren Widerstand und ein geringeren spezifischen Widerstand aufweisen und einen geringeres Rauschen zeigen.

Bei Berücksichtigung der Tatsache, daß der Dickfilmwiderstand gegenüber Spannungen, die parallel und senkrecht zur Widerstandsachse verlaufen, empfindlich ist, wird ersichtlich, daß andere Widerstandsanordnungen auf der Basis des gemäß Fig. 9 erwünschten dR/R gewählt werden können. Eine Wheatstone-Brücke unter Verwendung von Widerständen beliebiger Konfiguration läßt sich herstellen. Besteht das Ziel, den Ausgang möglichst groß zu machen, so sollen die Widerstand·} an Stellen des Diaphragmas plaziert werden, wo ein maximaler durchschnittlicher absoluter dR/R-Wert in der Mitte und am äußeren Rand gegeben ist. Andere Orientierungen für lange, schmale Widerstände, die dR/R-Werte von geeigneter Größenordnung und

von geeignetem Vorzeichen ergeben, um ähnliche Ausgänge wie beim Stand der Technik zu erzielen, sind die Anordnungen der

Figuren 11 und 12. Andere Anordnungen lassen sich & iffinden, indem man den gewünschten dR/R-Wert für den gleichen Schenkel der Wheatstone-Brücke wählt und in Fig.9 den geeigneten Radius und die Widerstandsrichtung findet, wobei man

berücksichtigt, daß der Widerstand durchschnittlich den dR/R-Wert über die Fläche des Widerstands liefert.

Fig. 10 zeigt ein flaches Diaphragma 14 mit äußeren und inneren Dickfilmwiderständen 24 und 34, die alle in im wesentlichen

gleicher Richtung-trotz der ringförmigen Form der äußeren Dickfilmwiderstände 24-angeordnet sind.

Fig. 11 zeigt eine Ausführung mit inneren ringförmigen Filmen 36 auf einem Diaphragma 16 und äußeren C-förmigen

Filmen 26.

Fig. 12 zeigt eine Ausführungsform mit inneren, C-förmigen Filmen 38 und äußeren ringförmigen und C-iörmigen Filmen 28.

Bericht Ober das Ergebnis der Prüfung auf Schutzfählgkelt und Bewertung der technisch-ökonomischen Effektivität zu 1) Die Durchführung einer systematischen Recherche kann nicht konkret nachgewiesen werden. Die Erfindung beruht

insbesondere auf dem Fachwissen des Erfinders, zu 2) Druckmeßwertwandler unter Verwendung von flachen Diaphragmen und Dehnungsmeßstreifen sind beispielsweise aus den US-PSen 3341794,3456226 und 3505634 bekannt. Diese und andere bekannte Druckmeßwertwandler zeigen jedoch ein ungünstiges Rauschverhalten.

zu 3) Die Anwendung der vorliegenden Erfindung erfolgt auf dem Gebiet der Druckmessung, zu 4) Die Vorteile des erfindungsgemäßen Druckmeßwertwandlers liegen in einem günstigen Rauschverhalten und in geringen

Spannungen des keramischen Diaphragmas, zu 5) Die spezielle Anordnung der Dehnungsmeßstreifen erlaubt die Verwendung von Widerständen, die im Vergleich zu herkömmlichen Produkten einen geringeren spezifischen Widerstand und ein geringeres Rauschen aufweisen.

Claims

1. Druckmeßwertwandler unter Verwendung eines Dickfilmwiderstandes, gekennzeichnet durch

- ein Diaphragma mit einer Ober- und einer Unterseite;

- mindestens einen Dickfilmwiderstand auf einer der Diaphragmaseiten, wobei der
Dickfilmwiderstand eine längliche Form in einer longitudinalen Richtung aufweist;
und

- eine Schaltungseinrichtung zum Messen von Änderungen des Widerstandes beim Anlegen von Druck an eine zur longitudinalen Richtung senkrechten Achse.

2. Druckmeßwertwandler nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß er im wesentlichen aus einem einzigen Dickfilmwiderstand auf dem Diaphragma besteht.

3. Druckmeßwertwandler nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß der Dickfilmwiderstand ringförmig ist, wobei das Diaphragma einen äußeren Durchmesser aufweist und der Film am
äußeren Durchmesser angrenzend angeordnet ist.

4. Druckmeßwertwandler nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Ober- und Unterseite des Diaphragmas kreisförmig sind und eine Mehrzahl von Dickfilmwiderständen aufweisen, die alle auf einer der Diaphragmaseiten angeordnet sind, wobei sämtliche Filme im wesentlichen in Parallelrichtung zueinander länglich geformt sind.

5. Druckmeßwertwandler nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Dickfilmwiderstände ein erstes Paar von Widerständen in der Nähe des Zentrums der einen Seite, die sich entlang dieser Seite gerade noch in longitudinal Richtung erstrecken und parallel zueinander verlaufen, und ein Paar von äußeren, als Teil eines Ringes ausgebildeten Dickfilmwiderständen, die sich nahe an
einem äußeren Durchmesser des Diaphragmas befinden, aufweisen.

6. Druckmeßwertwandler nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß mindestens eine Seite des Diaphragmas kreisförmig ist und einen äußeren Durchmesser und einen Zentralbereich aufweist, wobei der Druckmeßw9rtwandler ein Paar von kreisförmig geformten Widerständen in der Nähe des zentralen Bereichs und ein Paar von C-förmigen Meßwertwandlern in der Nähe des äußeren Durchmessers umfaßt.

7. Druckmeßwertwandler nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Dickfilmwiderstand eine beliebige Form aufweisen kann.

8. Druckmeßwertwandler nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der angelegte Druck
senkrecht zur Seite des Dickfilmwiderstands verläuft.

9. Verfahren zur Druckmessung unter Verwendung eines Diaphragmas, das mindestens einen sich in longitudinaler Richtung auf dem Diaphragma verlaufenden Dickfiimwiderstand trägt,
gekennzeichnet durch folgende Stufen:

- Orientieren des Diaphragmas auf solche Weise, daß der Druck senkrecht zu der longitudinalen Richtung verläuft;

und

10. Verfahren nach Anspruch 9, gekennzeichnet dadurch, daß man die Änderung des
Widerstandswerts aufgrund folgender Gleichung berechnet:

^dR =Ce + Ce + Ce + eee

wobei C_x, Cy und C, Koeffizienten des spezifischen Widerstands für Spannungen in longitudinaler Richtung, Querrichtung bzw. senkrechter Richtung des Films sind und e_x, e_v und e, die Spannungen in longitudinaler Richtung, Querrichtung bzw. senkrechter Richtung sind.
11. Verfahren nach Anspruch 10, gekennzeichnet dadurch, daß die Spannungen in longitudinaler
Richtung, Querrichtung und senkrechter Richtung gemäß folgender Gleichungen berechnet
werden:

a²

1 Γ* -

^Er

worin e_x, e_y und e₂ die radiale, tangentiale bzw. senkrechte Spannung bedeuten, P den angelegten Druck bedeutet, γ und γ' das Poisson-Verhältnis des Trägers und des Widerstands bedeuten, a den Diaphragmaradius bedeutet, E₁ und E_f den Young-Modul des Widerstands und des Trägers bedeuten, h die Diaphragmadicke bedeutet und χ den Radius bedeutet, an dem sich der Widerstand befindet.