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Kapazitativer Meßumformer Die Erfindung betrifft einen kapazitativen
Meßumformer, der bei Änderung des Abstandes zwischen einer ersten und einer zweiten
Platte eine entsprechende Änderung in der Größe seiner Kapazität erfährt.
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Es ist z. 13. durch Grave, »Elektrische Messung nichtelektrischer
Größen« (1962, S. 27 bis 30), in der Meßtechnik bekannt, durch die Änderung der
Kapazität eine elektrische Größe in Abhängigkeit von einer zu messenden nichtelektrischen
Größe darzustellen. Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen solchen
Meßurnfonner hinsichtlich seiner Betätigungsmittel und seiner Einstellbarkeit zu
verbessern. Darüber hinaus soll ein solcher Meßumformer besonders für die Messung
eines Druckmediumsignals - gleich ob hydraulischer oder pneumatischer Art - geeignet
sein.
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Diese Aufgabe wird bei den eingangs genannten Meßumformern nach der
Erfindung dadurch gelöst, daß folgende Merkmale vorgesehen sind: a) die erste und
die zweite Platte sind in einem Gehäuse angeordnet, b) im Gehäuse ist eine Ablenkvorrichtung
angeordnet, die zur Auslenkung der zweiten Platte mit dieser in Wirkverbindung steht,
c) im Gehäuse ist eine Einstellvorrichtung angeordnet, die zur Einstellung eines
Anfangswertes der Kapazität mit der ersten Platte in Wirkverbindung steht, d) die
erste Platte ist gegenüber dem Gehäuse mittels KunststofEträger isoliert, e) die
Einstellvorrichtung greift an einem Teil der Kunststoffträger an.
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Diese Ausbildung und Anordnung nach der Erfindung ergibt einen Meßumformer
in einem geschlossenen Gehäuse mit einfachem Aufbau. Er läßt sich leicht einstellen,
d. h. also, sein Ausgangswert kann leicht korrigiert werden, und die Betätigung
ist ebenfalls einfach und betriebssicher.
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Im einzelnen schlägt die Erfindung vor, daß die beiden Platten durch
Verbindungsmittel im Abstand voneinander gehalten werden. Ferner ist es denkbar,
daß die erste Platte und die zweite Platte durch unterschiedliche Montagemittel
gehalten sind. Bezüglich des Gehäuses sieht die Erfindung vor, daß das Gehäuse aus
einem Oberteil und einem Unterteil besteht, zwischen denen ein Abstandsstück eingeklemmt
ist.
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Bei einer Ausführungsform nach der Erfindung weist die Einstellvorrichtung
eine Vielzahl von
Schrauben auf, die mit der ersten Platte bzw. deren Träger sowie
mit dem Gehäuse in Verbindung steht.
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Dabei sind zweckmäßig zwischen der ersten Platte bzw. ihrem Träger
und dem Gehäuse Federmittel angeordnet, welche sich in Richtung auf die zweite Platte
zu zu bewegen versuchen. Im einzelnen wird also vorgeschlagen, daß die Einstellvorrichtung
mindestens drei Schrauben aufweist, auf deren jeder ein O-Ring als Federmittel angeordnet
ist.
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Bei einer anderen Ausführungsform nach der Erfindung ist die zweite
Platte freitragend an einem Ende gehalten, und an diesem Ende ist ein isolierender
Block als Abstandsstück zwischen den beiden Platten vorgesehen sowie die Verbindungsmittel
angeordnet. Hierbei wird ein weiteres Merkmal der Erfindung darin gesehen, daß die
als Einstellvorrichtung dienende Schraube einen ersten und einen zweiten Gewindeteil
aufweist, von denen der erste Teil in das Gehäuse und der zweite Teil in einen Isolierarm
an der ersten Platte eingreift.
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Bezüglich der Ablenkvorrichtung schlägt die Erfindung vor, daß diese
eine geschlossene Kammer aufweist, die ein Druckmediumsignal entsprechend der Änderung
der Meßgröße erhält. Dabei ist es dann möglich, daß entsprechend einer Weiterbildung
des Erfindungsgedankens die zweite Platte in der Kammer angeordnet ist bzw. eine
Wandung dieser
Kammer bildet. Eine andere Möglichkeit liegt darin,
daß erfindungsgemäß die Ablenkvorrichtung ein besonderes Kapselglied aufweist, welches
mit der zweiten Platte durch einen an dieser befestigten Stift in Verbindung steht.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungsformen der Erfindung ergeben-sich
aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit der einige Ausführungsbeispiele
der Erfindung darstellenden Zeichnung. Dabei zeigt Fig. 1 eine Draufsicht auf ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Meßumformers, F i g. 2 einen Schnitt nach
Linie 2-2 der F i g. 1 in größerem Maßstab, -F i g. 3 eine Draufsicht auf ein anderes
Ausführungsbeispiel und F i g. 4 einen Schnitt durch den Meßumformer gemäß F i g.
3 in größerem Maßstab.
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Nach Fig. 1 und 2 hat ein Meßumformer ein Gehäuse 10 aus einem metallischen,
kreisförmigen Oberteil 12 und einem Unterteil 14, zwischen denen ein metallisches,
ringförmiges Abstandsstück 16 angeordnet ist. Das Oberteil 12, das Unterteil 14
und das Abstandsstück 16 werden durch mehrere Schrauben 18 zusammengehalten, so
daß sich im Gehäuse ein im wesentlichen geschlossener Innenraum 20 ergibt. Zwischen
dem Unterteil 14 und dem Abstands stück 16 ist eine flache, dünne Metallmembran
22 angeordnet, die nun den Innenraum 20 in zwei getrennte Kammern 20 a und 20 b
-teilt, - die gegeneinander abgedichtet sind. Die Membran -22 dient dabei als ablenkbare
zweite Platte einer veränderlichen Kapazität.
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Innerhalb der Kammer 20 a liegt - eine stationäre Plattenvorrichtung
24, die -einen aus Kunststoff bestehenden Träger 26 hat, an dem eine erste Metallplatte
28 befestigt ist. Drei gleiche, über den Umfang gleichniäßig verteilte Schrauben
30 erstrecken sich mit Spiel durch Bohrungen 32 des Oberteils und haben ferner große
in Aufbohrungen 34 angeordnete Köpfe. Diese Schrauben 30 fassen mit ihren Ge-Windeenden
in entsprechend angeordnete Bohrungen 36 im Träger 26. Ü,m jede Schraube 30 liegt
zwischen Oberteil 12 und Träger 26 ein als Federmittel dienender 0-Ring 38 Die Schrauben
30 stehen da-. her unter Zugspannung, und eine unerwünschte Bewegung der stationären
Plattenvorrichtung 24 wird verhindert. Die 0Ring 38 sind aus einem federnden Material,
wie beispielsweise Gummi, und können daher ohne weiteres deformiert werden.
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Die feste erste Platte 28 und die ablenkbare zweite Platte 22 bilden
einen veränderbaren Kondensator, dessen Kapazitätswert - bei gleichbleibenden anderen
Werten - im wesentlichen von dem Abstand der Platten 22, 28 abhängt. Durch Drehen
der Schrauben 30 kann dieser Abstand zwischen den beiden Platten 22 und - 28 verändert
werden. Die Schrauben erlauben es daher, die anfängliche -Kapazität zwischen den
Platten22 und 28 auszuwählen und einzustellen bzw. zu korrigieren. Diese Einstellung
kann ohne weiteres entgegen der Federkraft der O-Ringe 38 durchgeführt werden, die
eine Bewegung der stationären Plattenvorrichtung 24 durch die Schrauben 30 gestatten,
jedoch die Platten 24 dann in der einmaI gewählten Stellung halten.
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Im Unterteil 14 ist eine Bohrung 40 mit einem Rohrgewinde vorgesehen,
die zum Anschluß einer Druckmediumleitung dient, die jedoch nicht darge-
stellt ist.
Durch diese Leitung wird die Meßgröße durch den Druck im Druckmedium übertragen.
Diese Veränderungen im Druck ergeben natürlich ähnliche Druckveränderungen in der
Kammer 20 b, so daß die von der Membran gebildete-zweite Platte 22 relativ zur ersten
Platte 28 mehr oder weniger gebogen wird. Dadurch ergeben - sich Veränderungen in
der Kapazität zwischen den Platten22 und 28, welche den Druckänderungen in der Kammer
20 b genau entsprechen. Diese Änderungen können nun mit einer elektrischen Einrichtung
gemessen werden.
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Außerdem kann nun eine entsprechende Kalibrierung erzielt werden,
indem durch eine wahlweise Betätigung der einzelnen Schrauben 30 die Orientierung
der Ebene der festen ersten Platte 28 relativ zu der ablenkbaren zweiten Platte
22 verändert wird.
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Am Oberteil 12 ist außen ein koaxiales Verbindungsglied 42 üblicher
Art angebracht, dessen mittlerer Leiter 44 elektrisch mit der festen Platte 28 durch
einen Leiter 46 verbunden ist. Der äußere Leiter des Verbindungsgliedes 42 ist über
das Oberteil 12 und das Abstandsstück 16 und das Unterteil 14 elektrisch mit der
zweiten Platte 22 verbunden.
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Nach F i g. 3 und 4 hat das Gehäuse 50 ein Oberteil 52 und ein Unterteil
54, die durch ein ringförmiges Abstandsstück 56 im Abstand gehalten werden. Das
Oberteil52, das Unterteil54 und das Abstandsstück56 sind mit mehreren Schrauben
58 zusammengehalten, so daß ein geschlossener Innenraum 60 gebirdet wird. In diesem
Innenraum 60 ist ein Ring 62 angeordnet, dessen Höhlung einer etwa gleichen ausnehmung
im Unterteil 54 zugekehrt ist, so daß eine Kammer 64 entsteht, in der eine kapselförmige
Ablenkvorrichtung 66 angeordnet ist, die weiter unten näher beschrieben wird. In
der Kammer 64 ist an der Verbindungsstelle zwischen dem Unterteil 54 und dem Ring
62 ein Dichtring 68 angeordnet; so daß diese. ; Teile gegeneinander. abgedichtet
sind.
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Ein veränderlicher Kondensator 70 weist eine stationäre erste Metallplatte
72 und eine bewegliche zweite Metallplatte 74 von länglicher Form auf, die gegeneinander
durch einen Isolatorblock 76 getrennt sind, der an einem. Ende zwischen diesen angeordnet
ist. Die Platten 72, 74 und der Block 76 werden durch Schraubän 78 am Ring 62 befestigt.
Die Platten 72 und 74 erstrecken sich freitragend parallel und radial nach innen,
relativ zum Ring 62.
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Die als Ablenkvorrichtun-g dienende Druckkapsel 66 ist hohl und hat
einen im wesentlichen'kreisförmigen-Querschnitt. Sie ist ferner aus einem flexiblen
Material hergestellt, derart, daß beim Einwirken eines Druckmediums eine Ausdehnung
eintritt und dadurch das mittlere Teilstück 79 an der.
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Oberseite sich axial um einen der Größe des Druckes entsprechenden
Betrag bewegt; Die Druckkapsel 66' kann mit einer ähnlichen Meßeinrichtung in Verbindung
stehen wie bei dem Ausführungsbeispiel, nach Fig. 1 und 2.
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Am freien Ende der beweglichen zweiten Platte 74 ist ein Stift 80
befestigt, der in Beruhrung mit dem mittleren Teil 79 der Druckkapsel 66 steht.
Die zweite Platte 74 hat an der Einspannstelle ein im Querschnitt reduziertes Teilstück
82, um so ihre Ablenkung in bezug auf die feste erste Platte 72 entsprechend dem
Druckverlauf in der Ablenkvorrichtung 66 zu erleichtern, wodurch dann die Kapazität
des Kondensators entsprechend den Druckänderungen verändert wird.
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Das freie Ende der festen ersten Platte 72 erstreckt sich über die
bewegliche zweite Platte 74 hinaus, und an dieser Stelle ist mit Hilfe von Schrauben
84 ein Kunststoffträger86 befestigt. Eine Schraube 88 greift mit einem Teilstück
90 von größerem Durchmesser in miteinander fluchtende Gewindelöcher92 und 94 im
UnterteilS4 bzw. im Ring 62 ein. Die Schraube 88 hat am anderen Ende ein Gewindeteilstück
von kleinerem Durchmesser, mit dem sie in ein Gewindeloch 98 am Träger 86 eingeschraubt
ist.
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Die feste erste Platte 72 hat an der Einspannstelle ebenfalls ein
Teilstück 100 von geringerer Dicke, um so die Biegebewegung dieser Platte zu erleichtern.
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Wenn die Schraube 88 in die Löcher 92 und 94 eingeschraubt wird, wird
sie auch gleichzeitig in das Loch 98 eingeschraubt. Die Steigungen der Gewinde an
den Teilstücken 90 und 96 sind unterschiedlich, und da das Unterteil 54 und der
Ring 62 fest miteinander verbunden sind, bewegt sich die feste erste Platte 72 gegenüber
der beweglichen zweiten Platte 74 um einen Betrag, der dem Unterschied in der Steigung
für jede einzelne Drehung der Schraube 88 entspricht.
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Da der Kapazitätswert des Kondensators70 auf den Abstand zwischen
den beiden Platten 72 und 74 stark anspricht, ergibt die beschriebene Einrichtung
eine Feineinstellung für den Ausgangswert des Kondensators. Das Ende der Schraube
88, entgegengesetzt zu dem einen kleineren Durchmesser aufweisenden Teilstück 96,
hat einen Schlitz 101 zum Einsetzen eines Werkzeuges, so daß die Schraube 88 von
außen gedreht werden kann.
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Auf dem Oberteil 52 ist außen ein koaxiales Verbindungsglied üblicher
Konstruktion angeordnet, dessen mittlerer Leiter 104 über eine Leitung 105 und einen
elektrischen Anschluß 106 elektrisch mit der festen ersten Platte 72 verbunden ist.
Der Anschluß 106 wird an der festen ersten Platte 72 durch eine Schraube 78 gehalten,
die gegenüber dem Anschlußstück 106 und der Platte 72 durch eine Kunststoffhülsel08
isoliert ist. Das äußere Gehäuse des Verbindungsgliedes 102 ist elektrisch mit der
flexiblen zweiten Platte 74 durch den Ring 62, das Unterteil 54 und das Abstandsstück
56 verbunden.