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Die Erfindung betrifft einen akustischen, elektrischen
Wandler mit einer ersten Elektrode, mit einer zweiten Elektrode,
mit einem elektrisch isolierenden Medium zwischen den beiden Elektroden,
mit einer schwingfähigen
Membran, wobei die zweite Elektrode mit der schwingfähigen Membran schwingt.
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Akustische Schallwellen können nicht
nur zur Übertragung
von Schallinformationen genutzt werden, sondern mit Ihnen können auch
physikalische Eigenschaften von Stoffen untersucht werden. So kann
zum Beispiel aus der Schallgeschwindigkeit, die in einem Fluid herrscht, über bekannte
physikalische Zusammenhänge
die Dichte und/oder die Temperatur des Mediums berechnet werden.
Um die Schallgeschwindigkeit in dem Fluid, beispielsweise in der
Atmosphäre
oder einem Gas, zu ermitteln, müssen
zunächst
Schallwellen erzeugt und anschließend auftreffende Schallwellen
auch gemessen werden können.
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Hierfür können sogenannte Elektrostaten oder
auch elektrostatische Schallwandler eingesetzt werden, die auch
kurz als Wandler bezeichnet werden. Diese Wandler arbeiten nach
dem Kondensatorprinzip. Sie weisen zwei Elektroden auf, ferner ein dazwischen
liegendes Dielektrikum bzw. ein elektrisch isolierendes Medium.
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Eine der beiden Elektroden schwingt
dabei. Außerdem
wird eine schwingungsfähige
Membran vorgesehen, die durch ihre Schwingungen den Schall erzeugt
oder umgekehrt durch auftreffenden Schall zum Schwingen angeregt
wird. Diese schwingungsfähige
Membran bewegt sich also mit der zweiten Elektrode.
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Letztlich arbeitet der Schallwandler
also als Lautsprecher, wenn er elektrische Signale in Schwingungen
und damit in Schall umsetzt, oder als Mikrofon, wenn von außen auf
auftreffender Schall die Membran in Schwingungen versetzt und diese
dann in elektrische Signale umgewandelt werden.
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Bei bekannten Wandlern wird im Allgemeinen
eine schwingungsfähige
Membran aus möglichst dünnem Kunststoff
eingesetzt und einseitig elektrisch leitend mit einem Metall beschichtet.
Die Kunststofffolie bildet dabei zugleich das Dielektrikum bzw.
das elektrisch isolierende Medium und die leitende Beschichtung
mit einer Stärke
von wenigen Nanometern bis Mikrometern bildet eine Elektrode. Die schwingungsfähige Membran
bzw. Kunststofffolie muss nun mehrere Funktionen erfüllen. Einerseits muss
sie möglichst
dünn sein,
damit die Kondensatorkapazität
des aus den beiden Elektroden bestehenden Kondensators ausreichend
groß ist,
andererseits muss die Folie die beiden Elektroden natürlich auch
sicher elektrisch voneinander isolieren können.
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Die erforderlichen elektrischen Spannungen können über 1.000
Volt betragen, daher muss der Wandler mit einer Gleichspannung von
mehreren 100 Volt beaufschlagt werden, und die angelegte Wechselspannung
zur Schallerzeugung muss ebenfalls mehrere 100 Volt betragen, um
eine ausreichende Schallleistung zu erzeugen.
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Üblicherweise
wird außerdem
ein leitendes Gehäuse
vorgesehen, dass die Beschichtung auf der schwingfähigen Membran
elektrisch kontaktiert. Der gesamte Aufbau wird mittels einer Feder
oder einer anderen Klemmung zusammengehalten. Die beschichtete Kunststofffolie
wird gespannt eingebaut, damit auch gewährleistet ist, dass die Folie
plan auf der anderen Elektrode aufliegt.
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Derartige Wandler sind zwar funktionsfähig, aber
nur begrenzt einsetzbar. Aufgrund der verwendeten Kunststofffolien
ist der Aufbau nicht bzw. nur sehr bedingt temperaturbeständig. Geht
es beispielsweise um Messungen an Fluiden (Atmosphäre, Gas etc.)
mit erhöhten
Temperaturen im Bereich von etwa 100°C bis 1.000°C, sind derartige Wandler nicht mehr
einsetzbar. Auch die Verwendung von temperaturbeständigeren
Kunststoffen kann das Problem nicht lösen. Diese sind zwar beständiger und
schmelzen oder verbrennen bis zu einem bestimmten Temperaturbereich
auch nicht (bis etwa 270°C),
sie verformen sich jedoch so stark, dass ihre Funktion innerhalb
des Wandlers bei Temperaturen oberhalb von 150°C nicht mehr zuverlässig gegeben
ist.
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Die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten
von Kunststoff und Metall führen
auch zu einem geometrisch unbestimmten Wandleraufbau über den
geforderten Temperaturbereich. Zu berücksichtigten ist ja, dass gerade
eine Messung der Temperatur letztlich über den Wandler erfolgen soll
und daher mit schwankenden Temperaturen gerade gerechnet werden
muss.
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Außerdem nimmt die Durchschlagsspannungsfestigkeit
der Kunststoffe mit steigender Temperatur stark ab, so dass bei
Einsatztemperaturen von 100°C
bis 500°C
keine ausreichende Spannungsfestigkeit mehr gegeben ist. Dem könnte noch durch
stärkere
Membranen entgegen gewirkt werden. Diese sind dann aber wiederum
nur eingeschränkt
schwingungsfähig
und können
damit aus diesem Grunde ihre Aufgabe nicht mehr erfüllen.
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Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, einen
akustischen, elektrischen Wandler vorzuschlagen, der in Temperaturbereichen
von mehr als 100°C bis
etwa 1.000°C
bessere Messungen erlaubt.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass
die erste Elektrode das elektrisch isolierende Medium als fest aufgetragene
Beschichtung auf der der zweiten Elektrode zugewandten Seite trägt, und
dass die schwingfähige
Membran als Metallfolie und zugleich als zweite Elektrode ausgebildet
ist.
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Auf diese Weise entsteht ein neuer
und darüber
hinaus auch sehr preisgünstiger
Aufbau eines akustischen, elektrischen Wandlers, der außerdem temperaturbeständig ist.
Wenn die Membran aus einer Metallfolie besteht, sind sämtliche
Probleme, die die Kunststofffolien bisher hervorgerufen haben, automatisch
beseitigt.
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Besonders bewährt haben sich dabei rostfreie
Ausführungen
vom Chrom-Nickelstahl mit einer Stärke von weniger als 0,1 mm,
vorzugsweise von etwa 0,01 mm.
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Diese Metallfolie bildet dann nicht
nur die schwingende Membran, sondern auch die zweite, nämlich die
bewegliche Elektrode des Kondensators.
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Wird eine Metallfolie mit verhältnismäßig hoher
Steifigkeit verwendet, wird darüber
hinaus ein Spannen der Membran unnötig. Dies gilt gerade für Chrom-Nickelstähle. Dadurch
kann zugleich auch jeder Aufwand vermieden werden, der sonst mit
dem gleichmäßigen Spannen
der Membran über
einen großen
Temperaturbereich verbunden wäre.
Die Herstellkosten für
eine solche gleichmäßig spannbare Membran
wären höher, so
dass auch diese Kosten eingespart werden können.
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Dabei werden bevorzugt für das Gehäuse, für die Elektroden
und die Membran bzw. Folien Materialien eingesetzt, die etwa die
gleichen Ausdehnungskoeffizienten besitzen.
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Die andere, unbewegliche Elektrode
wird nun mit einer dünnen
Beschichtung versehen. Diese Beschichtung bildet nur das elektrisch
isolierende Medium, das sich also nicht mehr auf dem schwingenden
Teil, sondern auf dem ortsfesten Bereich befindet. Die Dicke dieser
Beschichtung liegt vorzugsweise unterhalb von 500 μm und beträgt insbesondere
100 μm.
Auf diese Weise wird eine genügende Kondensatorkapazität sichergestellt.
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Besonders gut geeignet sind für diese
Beschichtung keramische oder ggf. Kunststoffschichten. Das Material
sollte möglichst
temperaturfest sein und eine ausreichende Spannungsfestigkeit aufweisen.
Die Anforderungen für
diesen Anwendungsfall sind jedoch ganz andere und wesentlich geringere als
im Stand der Technik, wo das Material der beweglichen und schwingfähigen Membran
diesen Temperaturanforderungen genügen musste.
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So kann als Beschichtung eine aufgebrachte temperaturbeständige Kunststoffschicht
(Polytetrafluorethylen (PTFE), Perfluoralkoxipolymere (PFA)) oder
auch eine andere geeignete verwendet werden, die fest mit der Elektrode
verbunden ist. Damit ist die Gefahr einer Verformung unter Temperatureinfluss nicht
mehr vorhanden, die beim Stand der Technik im erheblichen Grade
vorhanden war. Außerdem
kann der temperaturbedingte Verlust an elektrischer Spannungs festigkeit
in diesem Falle relativ einfach durch eine dickere Beschichtung
ausgeglichen werden. Da das Dielektrikum bei der erfindungsgemäßen Anordnung
eben gerade nicht schwingt, wird die Membran nicht beeinflusst.
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Mit Polytetrafluorethylen (PTFE)
kann insbesondere der Temperaturbereich bis etwa 350°C, unter
Umständen
bis 400°C
ausgezeichnet abgedeckt werden.
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Von besonderem Vorteil wäre als elektrisch isolierendes
Medium auch eine keramische Beschichtung, beispielsweise Al2O3, Tantaloxid oder ähnliches.
Diese besitzen den Vorteil einer besonders hohen Temperaturbeständigkeit.
Sie sind also auch für
noch höhere
Temperaturen geeignet. Diese Beschichtungen können durch Flammspritzen oder auch
andere Verfahren seriell aufgetragen werden. Viele keramische Schichten,
vor allem Al2O3,
weisen eine hohe Durchschlagsspannungsfestigkeit auf.
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Sehr förderlich für die Funktionstüchtigkeit der
Wandler ist die hohe Oberflächenqualität der beschichteten
Elektrode. Dadurch wird die elektrisch isolierende Wirkung der keramischen
Schicht unterstützt.
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Nachteilig ist daher ein gewisser
unvermeidbarer Grad von Porösität. Der Grad
der Porösität ist stark
von der verwendeten Keramik und der Auftragsart abhängig.
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Besonders bevorzugt ist es daher,
wenn eine Versiegelung, beispielsweise mit Polytetrafluorethylen,
vorgenommen wird, die die Poren weitestgehend verschließt. Dadurch
wird verhindert, dass sich in den Porösitäten Wasser oder andere Stoffe
aus der unmittelbaren Umgebung im Laufe der Zeit anlagern und so
die Spannungsfestigkeit herabsetzen.
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Eine weitere Möglichkeit für die Erzeugung einer geeigneten
Beschichtung als elektrisch isolierendes Medium besteht darin, das
Grundmaterial der Elektrode gezielt oxidieren zu lassen. Dies ist
z. B. mit Aluminiumlegierungen besonders gut möglich, die beim Oxidieren Eloxalschichten
bilden. Diese Schichten sind ebenfalls elektrisch isolierend und können in
ausreichender Schichtdicke hergestellt werden.
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Um den Wirkungsgrad des Wandlers
zu erhöhen,
ist es außerdem
vorteilhaft, wenn in der ortsfesten Elektrode außerhalb des Klemmbereiches eine
Vertiefung mit einer Tiefe von etwa 1 μm bis 50 μm angebracht wird. Dadurch kann
die Membran in diese Vertiefung frei schwingen, was den Wirkungsgrad
entsprechend erhöht.
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Eine durchgehende etwa napfförmige Vertiefung
ist auch für
die Qualität
der Beschichtung vorteilhaft, da an Kanten die Schichtstärke tendenziell
dünner
wird und somit die Spannungsfestigkeit herabgesetzt ist. Idealerweise
werden die Kanten verrundet, wodurch einer Herabsetzung der Dicke
der Beschichtung im Kantenbereich entgegengewirkt wird.
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Besonders interessant werden die
erfindungsgemäßen temperaturfesten
Schallwandler für Gargeräte. Die
Feuchtigkeit der Atmosphäre
im Garraum ist ein sehr interessantes Kriterium, um die Garprozesse
zu steuern. Es sind bereits viele Ansätze unternommen worden, um
diese Feuchtigkeit zu messen. Ein vielversprechender Ansatz hierfür ist es, aus
der Schallgeschwindigkeit im Garraum über bekannte physikalische
Zusammenhänge
die Feuchtigkeit zu berechnen. Um die Schallgeschwindigkeit aber
zunächst
messen zu können,
bedarf es eines entsprechenden Wandlers zur Erzeugung und zum Empfang
der Schallsignale. Die Temperaturen im Garraum liegen während der
Garprozesse in sehr unterschiedlichen Bereichen von Zimmertemperatur
bis beispielsweise 400°C.
In dem gesamten Messbereich müssen
die Schallwandler aber zuverlässig
und möglichst
wartungsarm oder reparaturunanfällig
arbeiten. Zu bedenken ist ja, dass solche Gargeräte nicht von Fachleuten auf
dem Gebiet der Messtechnik, sondern von Endverbrauchern benutzt
werden. Die bisher bekannten akustischen, elektrischen Wandler sind
nicht für
diesen Verwendungszweck und im Regelfall auch nicht für höhere Temperaturen gedacht
und ausgelegt und daher nur mit erheblichen Einschränkungen
oder gar nicht für
Gargeräte
verwendbar. Gerade für
diesen Einsatzzweck haben sich die erfindungsgemäßen akustischen, elektrischen
Wandler jedoch in Versuchen bereits sehr bewährt.
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Im Folgenden werden anhand der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele
der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik näher beschrieben.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines akustischen Wandlers;
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2 eine
schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung; und
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3 eine
schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung in
zwei Ansichten.
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Ein akustischer, elektrischer Wandler
aus dem Stand der Technik ist in 1 dargestellt.
Zu erkennen ist eine erste Elektrode 10, die ortsfest ist. Eine
zweite Elektrode 20 ist vorgesehen, ferner zwischen den
beiden Elektroden 10 und 20 ein elektrisch isolierendes
Medium 30, das zugleich auch das Dielektrikum bildet, das
zusammen mit den beiden Elektroden 10 und 20 einen
Kondensator aufbaut. Zu erkennen ist ferner eine schwingfähige Membran 40, die
gemeinsam mit der zweiten Elektrode 20 schwingt.
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Die schwingfähige Membran 40 besteht
im Wesentlichen aus einer schwingenden Kunststofffolie, die hier
das elektrisch isolierende Medium 30 bildet, und die mit
einer leitenden Beschichtung versehen ist, die die zweite Elektrode 20 bildet.
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Schließlich ist noch ein elektrisch
leitendes Gehäuse 50 vorgesehen,
das die Beschichtung bzw. zweite Elektrode 20 kontaktiert.
Eine Feder 55 stützt sich
am Gehäuse 50 ab
und hält
so den Gesamtaufbau zusammen.
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Die beschichtete Kunststofffolie
der schwingfähigen
Membran 40 wird gespannt aufgebaut, damit gewährleistet
ist, dass die schwingfähige
Membran 40 mit dem Medium 30 und der die zweite
Elektrode 20 bildenden Metallschicht plan auf der ortsfesten Elektrode 10 aufliegt.
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In 2 ist
eine Ausführungsform
gemäß der Erfindung
dargestellt. Hier ist die erste Elektrode 10 wiederum ortsfest
und die zweite Elektrode 20 demgegenüber beweglich. Die schwingfähige Membran 40 ist
hier jedoch nicht wie beim Stand der Technik aus einer Kunststofffolie
hergestellt, die zugleich ein elektrisch isolierendes Dielektrikum
bilden könnte,
sondern ist statt dessen eine Metallfolie, die damit die zweite
Elektrode 20 darstellt.
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Die Metallfolie besitzt vorzugsweise
eine rostfreie Ausführung
mit einer Stärke
von weniger als 0,1 mm, vorzugsweise von 0,01 mm. Die hohe Steifigkeit
der Metallfolie beruht insbesondere aus der in dieser Ausführungsform
verwendeten Stahlsorte, nämlich
Chrom-Nickelstahl. Ein Einspannen der Membran ist bei dieser Ausführungsform
unnötig.
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Auch ein Gehäuse 50 ist hier vorgesehen, dass
aus einem Material mit dem gleichen Ausdehnungskoeffizienten wie
die Elektrode 10 und die Metallfolie der schwingfähigen Membran 40 bestehen.
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Die ortsfeste erste Elektrode 10 weist
nun anders als im Stand der Technik eine dünne Beschichtung auf, die zugleich
die elektrische Isolierung bzw. das elektrisch isolierende Medium 30 bildet.
Die Dicke dieser Beschichtung liegt unterhalb von 500 μm, sie beträgt vorzugsweise
100 μm.
Es kann eine keramische oder Kunststoffschicht sein oder auch eine
Eloxalschicht, sofern die erste Elektrode 10 aus einer
Aluminiumlegierung besteht.
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Auch hier ist wiederum eine Klemmfeder 55 zum
Zusammenhalt des Gesamtaufbaus vorgesehen.
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3 zeigt
eine spezielle Ausführungsform in
vergrößerter Darstellung.
Es ist wiederum links die erste Elektrode 10 dargestellt.
Diese weist hier allerdings auf ihrer nach rechts weisenden Fläche eine Vertiefung 15 auf.
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In der rechts stehenden Darstellung
ist eine Draufsicht auf diese Seite gezeigt. Zu erkennen ist, dass
die Vertiefung kreisförmig
und napfförmig
ist und von einem stehen gelassenen Rand 16 rundum umgeben
ist. Die Kanten der Vertiefung gegenüber dem Rand sind abgerundet.
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In der 3 sind
die weiteren Elemente (zweite Elektrode, Membran etc.) weggelassen.
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- 10
- erste,
ortsfeste Elektrode
- 15
- Vertiefung
in der ersten Elektrode
- 16
- Rand
der Vertiefung
- 20
- zweite
Elektrode
- 30
- elektrisch
isolierendes Medium
- 40
- schwingfähige Membran
- 50
- Gehäuse
- 55
- Klemmfeder