DE1003455B

DE1003455B - Device for mechanically influencing an electrical circuit, preferably a measuring transducer

Info

Publication number: DE1003455B
Application number: DEC6164A
Authority: DE
Inventors: Dr Phil Robert Schwetzke
Original assignee: Calor Emag AG
Current assignee: Calor Emag AG
Priority date: 1952-07-25
Filing date: 1952-07-25
Publication date: 1957-02-28

Description

DEUTSCHESGERMAN

Vorrichtungen zur mechanischen Beeinflussung von elektrischen Stromkreisen, vorzugsweise Meßwertgeber für die Messung von mechanischen Größen, wie z. B. Kraft, Druck, Beschleunigung usw., bei denen durch elastische Deformation eines auf einem die übrigen Teile der Vorrichtung enthaltenden Gehäuse: aufgebrachten membranartigen Teiles mindestens eine Größe des elektrischen Stromkreises verändert wird, sind in verschiedenen Ausführungsformen bekannt. Die Befestigung des membranartigen Teiles erfolgt dabei üblicher Weise derart, daß dieses auf Paßflächen gehaltert wird, die beispielsweise mittels Schraubgewinde aneinandergedrückt werden. Der wesentliche Nachteil dieser Befestigungsart besteht darin, daß es technisch kaum durchführbar ist, bei einer derartigen Anordnung die Einspannkraft am Umfang der Membran konstant zu halten. Die unmittelbare Folge ist eine nicht eindeutig reproduzierbare Nullage der Membran, was folgendermaßen zu erklären ist: Die Membran ist meist, weil keine Zugspannung in radialer Richtung vorliegt, ein wenig nach einer Seite durchgewölbt. Wirkt von der konvexen Seite her eine geringe Kraft, so wird die Membran nicht stetig verformt, sondern sie wird sich sprunghaft nach der anderen Seite durchwölben; sie behält diese Lage auch bei, selbst wenn keine Kraft mehr auf sie ausgeübt wird. Dieser Effekt ist besonders dann von Nachteil, wenn positive und negative Kräfte gemessen werden sollen. Es ist ersichtlich, daß die Druckwegkennlinie nicht geradlinig durch Null verläuft. Da die Ein-Spannkräfte außerdem verhältnismäßig gering sind, können nur dünne Membranen mit niedriger Eigenfrequenz verwendet werden, so daß die Messung von Vorgängen mit sehr steil verlaufender Kennlinie praktisch nicht durchführbar ist.Devices for the mechanical manipulation of electrical circuits, preferably transducers for the measurement of mechanical quantities, such as z. B. force, pressure, acceleration, etc., in which by elastic deformation of one on one Housing containing other parts of the device: applied membrane-like part at least one The size of the electrical circuit is changed, are known in various embodiments. the The membrane-like part is usually fastened in such a way that it is held on mating surfaces which, for example, are pressed against one another by means of screw threads. The essential one The disadvantage of this type of fastening is that it is hardly technically feasible with such a type of fastening Arrangement to keep the clamping force on the circumference of the membrane constant. The immediate consequence is a not clearly reproducible zero position of the membrane, which can be explained as follows: The Membrane is usually a little to one side because there is no tensile stress in the radial direction arched. If a small force acts from the convex side, the membrane is not continuously deformed, but it will suddenly arch through to the other side; it also maintains this position even if no more force is applied to them. This effect is particularly disadvantageous when positive and negative forces are to be measured. It can be seen that the pressure path characteristic does not go straight through zero. Since the clamping forces are also relatively low, only thin membranes with a low natural frequency can be used, so that the measurement of Operations with a very steep characteristic curve is practically not feasible.

Die Verbesserung der Stabilität der Nullage wird bei bekannten Vorrichtungen dadurch erreicht, daß in die Membran; Rillen oder Wellen eingepreßt werden. Dadurch erhält' diese eine radiale Vorspannung, wodurch die Gewähr für eine stabile Nullage und somit lineare Charakteristik der Kennlinie gegeben ist. Die Befestigung der Membran erfolgt dabei beispielsweise durch Löten, und zwar entweder vor oder nach dem Aufbringen der Rillen. Wenn auch diese Ausführungen eine Verbesserung gegenüber den erstgenannten Einrichtungen darstellen, haben sie trotzdem auch den Nachteil, daß ihre Herstellung mit erhöhtem Auf wand verbunden ist und daß ihrer Verwendungsmöglichkeit Grenzen gesetzt sind. Für derartige Membranen ist nämlich nur verhältnismäßig dünnes und elastisches Material verwendbar, da diese vor bzw. nach der Befestigung durch eine entsprechende Bearbeitung, z. B. einen Prägevorgang, noch verformt werden müssen. Eine Membran aus derartigem Material ist aber nur Vorrichtung zur mechanischenThe improvement in the stability of the zero position is achieved in known devices in that in the membrane; Grooves or waves are pressed in. This gives' this a radial preload, which the guarantee for a stable zero position and thus a linear characteristic of the characteristic is given. the The membrane is fastened, for example, by soldering, either before or after Applying the grooves. Even if these versions are an improvement over the former Represent facilities, they still have the disadvantage that their production with increased expenditure on is connected and that there are limits to how they can be used. For such membranes is namely only a relatively thin and elastic material can be used, as this can be used before or after the attachment by appropriate processing, e.g. B. an embossing process, still need to be deformed. A membrane made of such a material is only a device for mechanical purposes

Beeinflussung eines elektrischenInfluencing an electrical

Stromkreises, vorzugsweise MeßgeberCircuit, preferably measuring transducer

Anmelder:Applicant:

Galor-Emag Elektrizitäts-Aktiengesellschaft,
Ratingen, Bahnstr. 39-45Galor-Emag Elektrizitäts-Aktiengesellschaft,
Ratingen, Bahnstr. 39-45

Dr. phil. Robert Schwetzke, Braunschweig,
ist als Erfinder genannt wordenDr. phil. Robert Schwetzke, Braunschweig,
has been named as the inventor

für die Erfassung niederfrequenter Vorgänge geeignet und kaum oder überhaupt nicht für die Messung höherfrequenter Schwingungen, zu deren Überwachung eine größere Steifigkeit der Membran erforderlich ist.suitable for the detection of low-frequency processes and hardly or not at all for measuring higher-frequency vibrations, for monitoring them greater stiffness of the membrane is required.

Durch die Erfindung sollen- die genannten Nachteile vermieden und eine Meß vorrichtung geschaffen werden, die sich durch eine einfache und stabile Konstruktion auszeichnet und besonders zur Erfassung von Vorgängen hoher Frequenz, wie sie z. B. beim Druckverlauf in elektrischen Schaltern, vorkommen, geeignet ist. Bei einer Vorrichtung zur mechanischen Beeinflussung eines elektrischen Stromkreises, vorzugsweise Meßwertgeber, bei welcher durch elastische Deformation eines auf einem die übrigen Teile der Vorrichtung enthaltenen Gehäuse aufgebrachten membranartigen Teiles mindestens eine Größe des elektrischen Stromkreises verändert wird, wird dies dadurch erreicht, daß erfindungsgemäß der defomierbare Teil die Grundfläche eines aus einem Stück hergestellten Zylinders bildet, welcher auf das Gehäuse so aufgebracht ist, daß er hierbei zugleich eine bei Meßmembranen an sich bekannte Vorspannung erhält.The invention should - avoid the disadvantages mentioned and create a measuring device, which is characterized by a simple and stable construction and especially for recording of high frequency processes, such as. B. occur in the pressure curve in electrical switches, suitable is. In the case of a device for mechanically influencing an electrical circuit, preferably Transducer, in which by elastic deformation of one on the other parts of the Device contained housing applied membrane-like part at least one size of the electrical Circuit is changed, this is achieved in that, according to the invention, the defomatable Part of the base of a cylinder made of one piece, which is applied to the housing in this way is that it receives at the same time a prestress known per se in the case of measuring diaphragms.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Membranteiles und durch die. Art seiner Befestigung werden gleichzeitig mehrere Vorteile erzielt. So ist z. B. die Lage der Membran zu den anderen im Gehäuse befindlichen Teilen des Stromkreises eindeutig und unveränderbar festgelegt. Weiterhin erhält die Membran unter Vermeidung jeglicher nachträglichen Deformation oder Verwendung von Spannvorrichtungen eine derartige Vorspannung, daß eine lineare Druckwegkennlinie erzielt ist. Daher braucht bei der Wahl des Materials für die Membran bezüglichBy the inventive design of the membrane portion and by the. Manner of its attachment several advantages are achieved at the same time. So is z. B. the position of the membrane to the others in the housing located parts of the circuit are clearly and unchangeably defined. Furthermore, the Membrane avoiding any subsequent deformation or using tensioning devices such a bias that a linear pressure path characteristic is achieved. Therefore, the Choice of material for the membrane regarding

609.837/1W609.837 / 1W

Festigkeit und Abmessung, die z. B. für den Deformationsgrad beim Anbringen von Rillen u. dgl. bestimmend sind, keine Rücksicht genommen zu werden. Ferner ergibt sich durch die Einsparung der zur Einspannung der Membran dienenden Teile ein minimaler Platzbedarf, wodurch die Abmessungen der gesamten Vorrichtung sehr klein gehalten werden, können. Außerdem gestattet die eindeutige, unverrückbare Befestigung des Membranteiles im Gehäuse, ihren AbStiel für die Halterung des Gebers und die Aufnahme des Ableitungsdrahtes ist eine Isolierscheibe 2 eingekittet, die eine metallische "Kreisplatte 3 trägt. DieStrength and dimension, e.g. B. for the degree of deformation when making grooves and the like are decisive not to be taken into account. Furthermore, the saving of the parts used to clamp the membrane results in a minimum Space requirement, whereby the dimensions of the entire device can be kept very small. In addition, the clear, immovable fastening of the membrane part in the housing allows it to be removed An insulating washer 2 is cemented in to hold the encoder and hold the drain wire, which carries a metallic "circular plate 3. The

100° C in der Größenordnung von IXlO-⁶ liegt. Für Isolierteile kommen keramische Spezialmassen in Frage, deren Wärmeausdehnungskoeffizient etwa in der gleichen Größenordnung liegt.100 ° C in the order of IXlO- ⁶ lies. Special ceramic compounds with a coefficient of thermal expansion of roughly the same order of magnitude can be used for insulating parts.

Um die einzelnen, Bauteile im Innern des Meßgebers möglichst unverrückbar festzuhalten: und um das Innere des Gehäuses nach außen möglichst einwandfrei abzudichten, werden besondere Kitte verwendet. In. Frage kommen Wasserglas-Talkum-Kitt oderTo hold the individual components inside the transducer as immovably as possible: and to Special putties are used to seal the inside of the housing to the outside as perfectly as possible. In. The question is water glass-talc putty or

stand zu anderen Teilen des im Gehäuse fest ange- io Spezialzemente, wie sie z. B. auf dentalem Gebiet brachten Stromkreises sehr klein zu halten (Größen- üblich sind.was firmly attached to other parts of the special cement in the housing, such as B. in the dental field to keep the circuit very small (sizes are common.

Ordnung einige Hundertstelmillimeter), so daß mit Die Erfindung ist an Hand der Zeichnungen, welcheOrder a few hundredths of a millimeter), so that with The invention is based on the drawings, which

sehr geringen Verformungen, auch bei kleinem Mem- den einfachen und gedrängten Aufbau erkennen lassen, brandurchmesser, bereits ein für die Messung aus- an zwei Ausführungsbeispielen erläutert, reichender Effekt zu erzielen ist. Aus diesem Grunde 15 Fig. 1 stellt einen Druckmeßgeber für das kapakönnen sehr steife Membranen mit sehr hoher Eigen- zitive Meßverfahren dar. In das Gehäuse 1 mit einem frequenz zur Anwendung kommen.very slight deformations, even with a small membrane, reveal a simple and compact structure, fire diameter, already explained for the measurement from two exemplary embodiments, reaching effect is to be achieved. For this reason, Fig. 1 shows a pressure transducer for the capacity for capacity very stiff diaphragms with a very high intrinsic measurement method. In the housing 1 with a frequency come into use.

Das Aufpressen des Membranteiles auf das Gehäuse kann auf kaltem Wege oder durch Aufschrumpfen,The membrane part can be pressed onto the housing by cold means or by shrinking it on,

vorgenommen werden, Das Gehäuse erhält, um die 20 Platte 3 ist ebenfalls eingekittet und zusätzlich durch Lage des Membranteiles im voraus eindeutig fest- die Schraube 4 gehalten, an deren Kopf der Abzulegen, eine entsprechende Paßfläche, die zweckmäßig leitungsdraht 5 angelötet oder untergeklemmt ist. An als Kreisringfläche ausgebildet wird. Auf die Benies- der Stirnseite des Gehäuses 1 befindet sich eine sung dieser Paßfläche ist besonderes Augenmerk zu schmale kreisringförmige Paßfläche 6. Die isoliert ge^ richten, Die Paßfläche soll so schmal wie möglich sein, 25 lagerte Platte 3 wird nach Montage durch Überdrehen so daß bei Durchbiegung der Membran in beiden, um ein vorgegebenes Maß, z. B. 0,05 mm, tiefer als Richtungen ihr wirksamer Durchmesser nicht wesentlich verändert wird. Dies ist erforderlich, um die
Druckwegkennlinie im Nullbereich geradlinig zuThe housing receives, around the 20 plate 3 is also cemented and additionally held by the position of the membrane part in advance clearly held the screw 4, at the head of the deposit, a corresponding mating surface, which is expediently lead wire 5 soldered or clamped. Is formed as a circular ring surface. On the beneath the end face of the housing 1 there is a solution of this fitting surface, special attention is to be paid to narrow circular fitting surface 6. The insulated ge ^ straighten, The fitting surface should be as narrow as possible when the membrane deflects in both, by a predetermined amount, e.g. B. 0.05 mm, deeper than directions their effective diameter is not significantly changed. This is required to get the
Pressure path characteristic in the zero area in a straight line

halten. Andererseits darf die Paßfläche nicht zu 30 des Membranteiles 7 wird dem zu messenden Druck schmal sein, um nicht die zulässige Flächenpressung ausgesetzt und die Kapazität des aus den Teilen 3 beim Aufsetzen des Membranteiles zu überschreiten.
Erfindungsgemäß ausgebildete Meßgeber können so
wie bei bekannten Anordnungen sowohl für die Veränderung der Kapazität als auch der Induktivität 35
eines Stromkreises verwendet werden. Bei Anwendung des kapazitiven Meßverfahrens wird zweckmäßigerweise die Membran als die eine Platte eines
Plattenkondensators ausgebildet und die andere Plattekeep. On the other hand, the mating surface of the diaphragm part 7 will not be narrow to the pressure to be measured, so as not to be exposed to the permissible surface pressure and to exceed the capacity of the parts 3 when the diaphragm part is put on.
Measuring transducers designed according to the invention can so
as in known arrangements for both the change in the capacitance and the inductance 35
of a circuit. When using the capacitive measuring method, the membrane is expediently used as the one plate
Plate capacitor formed and the other plate

innerhalb des Gehäuses isoliert gelagert. Bei Anwenr 40 Auf das Gehäuse 9 ist wiederum ein Membranteil 13 dung des induktiven Meßverfahrens wird im Innern aufgepreßt, so daß er an der ringförmigen Paßfläche des Gehäuses ein Topfmagnet angeordnet, wobei die 14 aufsitzt. Die Membran 15 trägt magnetisch isoliert Membran als Anker wirkt. Der Topfmagnet kann iso- den Anker 16. Der Teil 16 könnte weggelassen werden liert in das Gehäuse eingebaut werden; es ist jedoch und die Platte 15 selbst als Anker wirksam sein, wenn auch möglich, das Gehäuse selbst als Topfmagnet aus- 45 das Auftreten von. magnetischen Störfeldern nicht zu zubilden, Liegt der Meßgeber im Bereich von magne- erwarten ist. Zur Messung der Beschleunigung trägt diestored isolated within the housing. In the case of user 40 on the housing 9 there is again a membrane part 13 tion of the inductive measuring method is pressed on inside, so that it is on the annular mating surface of the housing, a pot magnet is arranged, the 14 being seated. The membrane 15 is magnetically insulated The membrane acts as an anchor. The pot magnet can isolate the armature 16. The part 16 could be omitted can be built into the housing; however, it is and the plate 15 itself will be effective as an anchor when also possible to use the housing itself as a pot magnet. magnetic interference fields are not allowed to form, If the encoder is in the range of magne- is expected. To measure the acceleration, the

Platte 15 außerdem noch eine zweckmäßig aus Schwermetall bestehende Masse 17, wobei zur Aufnahme von Querkräften eine Hülse 18 und eine im Vergleich zur Platte 15 dünne Führungsmembran 19 vorgesehen ist. Hülse und Führungsmembran sind ebenfalls durch Aufpressen gehaltert. Auftretende Beschleunigungen bewirken eine Durchbiegung der Membran 15 und somit eine Veränderung des induk-Plate 15 also has an expediently made of heavy metal mass 17, with for inclusion a sleeve 18 and a guide membrane 19, which is thin compared to the plate 15, to prevent transverse forces is provided. The sleeve and guide membrane are also held in place by being pressed on. Occurring Accelerations cause the diaphragm 15 to bend and thus a change in the inductive

der Einrichtung für Konstanz von. Temperatur, 55 tiven Widerstandes der Wicklung 12, welcher über Durchströmgeschwindigkeit usw. des Kühlmittels ein, nicht dargestellte Zuleitungen gemessen, wird, erheblicher Aufwand nötig ist. Außerdem ist es nicht
möglich, Fehleffekte durch plötzliche Temperatur-Sprünge, wie sie z. B. als Begleiterscheinungen von
Explosionen auftreten, auf die genannte Art zu be- 60
seitigen. Diese Fehleffekte können beispielsweise SO'
zustande kommen, daß sehr schnell ein größeres
Wärmegefälle in der Membran, auftritt, das eine Ausbiegung hervorruft, die der Ausbiegung durch die
mechanische Beanspruchung überlagert ist. Um solche 65
Temperatureinflüsse erforderlichenfalls zu vermeiden,
werden für den gesamten Meßgeber Werkstoffe mit
sehr kleiner Wärmedehnung verwendet. Die Metallteile werden zweckmäßig aus Invarstahl hergestellt,
dessen Wärmeausdehnungskoeffizient bis zu mehreren 7°of the establishment for Constance of. Temperature, 55 tive resistance of the winding 12, which is measured via the flow rate etc. of the coolant in a supply line, not shown, considerable effort is required. Besides, it isn't
possible false effects due to sudden temperature jumps, such as those caused by e.g. B. as side effects of
Explosions occur in the manner mentioned
sided. These false effects can, for example, SO '
come about that very quickly a bigger one
Thermal gradient in the membrane occurs, which causes a deflection that is the same as the deflection caused by the
mechanical stress is superimposed. To such 65
To avoid temperature influences if necessary,
materials are used for the entire transducer
very small thermal expansion is used. The metal parts are expediently made of Invar steel,
its coefficient of thermal expansion up to several 7 °

die Paßfläche 6 des Gehäuse 1 gelegt. Auf das Gehäuse 1 ist der Membranteil 7 aufgepreßt, so daß er auf der Paßfläche 6 aufliegt. Die kreisförmige Platte 8the mating surface 6 of the housing 1 is placed. The diaphragm part 7 is pressed onto the housing 1 so that it rests on the mating surface 6. The circular plate 8

und 8 gebildeten Plattenkondensators gemessen, Zur zusätzlichen Abdichtung nach außen wird in die dafür vorgesehene Kittfuge 20 Kitt eingebracht.and 8 formed plate capacitor measured, for additional sealing to the outside is in the for it provided putty joint 20 putty introduced.

Als weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig. 2 ein Beschleunigungsmeßgeber dargestellt, welcher nach dem induktiven Verfahren, arbeitet. In dem Gehäuse 9 und einer unmagnetischen Zwischenschicht 10 ist ein Topf magnet 11 mit der Wicklung 12 fest eingebaut.As a further embodiment, an accelerometer is shown in Fig. 2, which after the inductive process. In the housing 9 and a non-magnetic intermediate layer 10 is a Pot magnet 11 with the winding 12 permanently installed.

tischen bzw. elektromagnetischen Störfeldern, so ist
es empfehlenswert, den Anker von der Membran magnetisch durch eine dünne unmagnetische Schicht zu
trennen.tables or electromagnetic interference fields, so is
it is advisable to magnetically remove the armature from the membrane through a thin, non-magnetic layer
separate.

Um Temperatureinflüsse zu vermeiden, ist es bekannt, Meßeinrichtungen zu kühlen. Diese Methode
hat den Nachteil, daß einerseits die Meßanordnung
baulich größer wird und andererseits für die WartungIn order to avoid the effects of temperature, it is known to cool measuring devices. This method
has the disadvantage that on the one hand the measuring arrangement
is structurally larger and on the other hand for maintenance

Claims

PATENT CLAIMS:

1. Device for mechanically influencing an electrical circuit, preferably Transmitter, in which by elastic De ^ formation of a housing applied to one of the remaining parts of the device membrane-like part is changed at least one size of the electrical circuit, thereby characterized in that the deformable part is the base of a one-piece Cylinder forms, which on the housing so

is brought that he here at the same time a measuring diaphragms receives known bias.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the membrane portion on the housing is pressed cold.

3. Apparatus according to claim 1, characterized ge ^ indicates that the diaphragm part is shrunk onto the housing.

4. Device according to one or more of claims 1 to 3, characterized in that the housing has at least one mating surface on which the membrane part rests.

5. Apparatus according to claim 4, characterized in that a mating surface as a circular ring surface is trained.

6. Device according to one or more of claims 1 to 5, characterized in that As a result of the deflection of the membrane, the capacitance of a circuit is changed.

7. Device according to one or more of claims 1 to 5, characterized in that as a result of the deflection of the membrane, the inductance of a circuit is changed.

8. Apparatus according to claim 6, characterized in that the membrane is the one plate of a plate capacitor.

9. Device according to one or both of claims 6 and 8, characterized in that the second plate of the plate capacitor is mounted insulated within the housing.

10. Device according to one or more of claims 6, 8 and 9, characterized in that that the plate carrier made of insulating material is cemented into the housing.

11. The device according to claim 7, characterized by the arrangement of a pot magnet in Inside the housing, with the membrane acting as an anchor.

12. Apparatus according to claim 7 and 11, characterized in that the housing as a pot magnet is trained.

13. Device according to one or more of claims ^, 11 and 12, characterized in that that the membrane is one of - it is magnetic & - lined anchor.

14. The device according to one or more of claims 1 to 13, characterized in that in series with the shrink surfaces for the purpose of sealing of the housing a cement is arranged within a joint provided for this purpose.

15. Device according to one or more of claims 1 to 14, characterized by use of water glass talc putty.

16. Device according to one or more of claims 1 to 15, characterized by the use a part suitable for connecting parts exposed to strong temperature fluctuations Special cement as putty, in particular such for dental purposes.

17. Device according to one or more of claims 1 to 16, characterized by use of materials with very low thermal expansion.

18. The device according to claim 17, characterized by the use of Invar steel.

Considered publications:

German patent specifications No. 558 690, 593 744,
708;

French Patent No. 651,468;

ATM V 132-5 from November 1932, sheet T 160, and V 1343-3 par. 2;

M. PfIier, Electrical Measurement of Mechanical Quantities, 1948, pp. 136, 138/139;

Aeronautical teaching library, Vol. 17, "Irtstrumentenkunde", P. 63 ff.

1 sheet of drawings