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Druak-transducer Die Erfindung bezieht sich auf einen überkleinen
Drucktranedueer mit einer Membran als Druckfühler, und insbesondere auf einen solchen,
der auf Drücke @enkrecht su seiner durci die Membran gebildeten wirksamen Oberflash
polit.
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Raum- und Gewichtsbeschränkungen an neuzeitlichen Erzeugnissen der
Ingenieurtechnik haben eine extrem@ Verkleinerung nicht nur der Einzelteile verschiedener
Erzeugnisse, sondern auch der für ihre Verwertung notwendigen
Instrumentlorung
erforderlich geaacht. Die derseltige Entwicklungsrichtung zur Miniaturisierung van
Gesamt-Instrumentierungssystemen hat sich son der elektrischen Schaltung auf die
mechanische Auebildung von Transducern erweitert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe su Grunde, einen Drucktransducer zu
schaffen, der so Uberkleine Abmessungen hat, daß, wenn der Transducer auf einem
Objekt und dieses in einem Luftstrom angeordnet ist, angenommen werden kann, daß
der ton don Tranaducer angezeigte D derselbe ist wie der dann herrschende, wenn
der Transducer nicht vorhanden wäre, d. h., daß der Trainsdueer dam bild nicht etört.
Eine weitere Aufgable der Erfindung besteht darin, einen Transducer zu achaffen,
welcher dabes tuber seinem gesamten Meßbereich eine lineare Charakteristik (Millivolt
über Druck) @eigt. Schließlich soll der su schaffende Tranadueer eimen hohen Genauigkeitsgrad
besitzen, welcher einem geringeren F@hler als -+ 3 % über dem gesamten Druckmeßbereich
entspricht.
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Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Membran
@ben, einstückig ein Teil einer dun@-wamdigem enter Unterdruck atehandon Xap@@l
und unter
don Einfluß von aut ihre Oberfläche einwirkenden DrUcken
derart biegsam ist, daß in ihr Zug-und Druekdehnungen hervorgerufen werden, und
daß auf ihr ein Dehnungsmesser, vorzugsweise eine vier Zweige aufweisonde Dehnungsmeßbrücke
aue gegtztem Blattmaterial angeordnet ist. Der erfindungzgemäBe Tranzdueer birgt
außerdem don Orteil in sich, daß die Dehnungsmeßbrücke an der membron angeordnet
ist, an don green Nutsen ans don Materialdehnungen in der bru su sleh Der Transdueer
nßh der Erfindung biset auoh noeh den Vorteil einer einheitlichen Xonatruktien,
die in welterer Ausgestaltung die Zueames einea Dehnungafühlers und einer Meßbrücke
in Kombination mit vergrößerten Bereichen für einen einfachen Anschluß der Zuleitungsdrähte
an die Meßbrücke gestattet.
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Weitere Aufgaben und Yorteile olnd au dem in folgenden an der der
Zeichnung beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung ersichtlich. Es zeigen:
Fig. 1 vergrößert eine Drauf@@echt auf den Druck-' transducer, dessen Deckplatte
entfernt ist; Fla,, 2 vergrOBert eine Seitenansicht des Drucktranzdueerzt
Fig.
3 eine grafische Darstellung der Abhängigkeit von Druck und Millivolt, wenn der
Traxuducer einer ErregerepanowLg ton 2, 7o Millivolt ausgesetst isti Fig. 4 vergrößert
eine sehaubildliche Ansicht einer anderen Ausführungsform des Drucktransducers Fig.
5 vergrößert eine Schaubildliche Ansicht einer welteren Ausfahrungeform des Drucktranadueers.
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Gemäß Fig. 1 und 2 weist ein Druektraneducer 11 nach der Brtladung
ein Gehäusezeitenteil bzw. einen Ring 13 und eine Membran 15 auf, die su einer Einheit
miteinander verbunden sind. Eine DehnungemeBbrücke 17 iet an der Moubran 15 befeetigt
und weist vier Elemente oder Zweigo 19, 21, 23, 25 und vier Lappen 27, 29, 31, 33
auf (Fig. 1). An jedem dieser Lappen 27, 29, 31, 33 Lot einer von vier Zuleitungsdrähten
35, 37, 39, 41 angelotet. Jeter dieser Zuleitungsdrähte 35, 37, 39, 41 verläuft
durch einen Kanal 43 im Gehäusezeitenteil 13 (dies kann j@ nach dem beabsichtigten
Verwendungszweck abgeändert werden, wie beispielsweise in Fig. 4 und 5 gezeigt ist).
Jeder der Zuleitungsdrähte 35, 37, 39, 41
ist längs des Bereiches,
an des or durch den Kanal 43 in Gehäusezeitenteil 13 verläuft, mit einer Glasdichtung
45 versehen. Ale weitere Voraichts-bzw. Vorbeugungsmaßnahme ist vorzugsweise eine
geringe Menge Epoxy-@ement (nicht geselgt) auf die Glaedichtungen 4S aufgebraaht,
an veine Diohtheit der ventile 43-43 zu gewährleieten. Die Zuleitungsdrähte 35,
37, 39, 41 werden vorzugsweise mit einem gebogenen Abschnitt 47 versehen, bevor
rie an die Lappen 27, 29, 31, 33 angelötet werd, so daß die Drähte sich biegen können,
wenn die Membran 15 sich bewegt. Werden die Zuleitungedrähte 35, 37, 39s 41 unmittelbar
mit don Lappen 27,29, 31, 33 verbunden, so neigen sie dazu, die membron su verateiisn.
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Nachdem die DehnungsmeBbrucke 17 an der Membran 15 befeatigt und die
Zuleitungsdrähte 35, 37, 39, 41 angeechloseen worden sind, wird eine Dtckplatte
49 auf don Ring 13 auf dessen der Membran gegenüberliegender Seite aufgelegt und
in ihrer Stellung druckdicht gehalten.
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In der Platte 49 wird ein Loch (nicht gezeigt) gelassen, so daß die
an deutlichsten aus Fig. 2 ersichtliche, tursh dem Ring 13, die Deckplatte 49 und
die Membran 15 begren@te Kammer 51 teilweise evakuiert werden kan.
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Vor der Bvmkuierung wird das Gebilde unter Teilvakuum
auf
121,1° C (250° F) erhitzt, um Feuchtigkeit und andere flüchtige Itadlen su entfernen.
Darauf wird die Kammer 51 bd su einem Vakuum von einem mikron oder darunter evakuiert
und die Öffnung in der Deckplatte 59 abgedichtet.
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Die Ausbildung der aus vier Elementen bestehenden Dehnungsmeßvorrichtung
beruht auf der Analyse einer kleinen dünnen Membron. Die Analyae Wrwht auf der Annahme,
daB die Dehnungsmeßvorrichtung auf der Seite der Membran angeordnet ist, welche
derjenigen, auf welche der Druck wirkt, gegenüberliegt. Jet** Lehrbuch {ber h stigkeitslehre
zeigt, daß die Radial- und Tangentialepannnmgen in einer dünnen ebenen runden Platte
unter relatif kleinen Ausbiegungen, (bei Vemachlässigung der Membranspannungen und
unter der Annahme, daß die Ränder xtarr gegen Drehung feetgelegt sind), sich ergeben
zu: #r=3/8p (a/t)²[(3+8) (r/a)²-(1+0)], und #t=3/8p (a/t)²[(1+30) (r/a)²-(1+v)],
wobei p = Druck, t = Dicke, r = Radius, a = Außenradius und 8 = @oisson'@@he Zahl
ist. Bei Verwendung von biaxialen Spannungs- Dehnungs- Beziehungen für homogenes
imotropca Bter$al ergeben sish Radial-und Tangentiald@hnung zu:
#r
= (#r - ##t)/E = -C /3(r/a)²-1/ #t = (#t - ##r)/E = -C /(r/a)²-1/, wobei die Konstante
C definiert ist als: C = 3/8(1-#²)p/E(a/t)².
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Aus diesen Beziehungen geht hervor, daß 1. die Radialdehnung bis
zu einem Radius von 57,7 % des außenradius eine Zugdehnung ist, bei welchem Wert
sie von Zugdehnung in Druckdehnung überwech-*alto 2. im zentralen Bereich (r/a<0,577)
sowohl die Radial- als auch die Tangentialdehnung Zugdehnungen sind, die Tangentialdehnung
jedoch stets grö-X t"o a Sd ge wurde, daß in diesem Bereich die Zweckmäßigste Richtung
der Dehnungmaßelemente tangential zu sein hat.
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3. in dem äußeren Bereich (r/a>0,577) die Tangentielmeldung sich
einem @ull-vert anmähert und die Radialdehnung a@steigt, so daß in diesem Bereich
erfindungsgemäß angenommen wurde, daß eine radiale Richtung der Dehnungsmaßelemente
am vorteilhaftesten ist.
ai 4 obigen Überlegungen ist die Membran
in vier **L*M eingeteilt, Z de e4er tos e meBelement19,21,23,25nehennbedecktwird,deren
jeden einen Arm einer Wheatstone'schen Brücke umfaßt. diese vier Breiche sind zwei
Halbkreise auf dem inneren Teil der Membran 15 und zwei Halbkreise auf den äußeren
Bereich der Membran 15 und zwei Halbkreise auf äußeren Zip der liembran 15. Die
Widerstände der beiden inneren Blenente 2 und 23 werden dedoreh gleich gemacht,
daß sie symmetrisch ausgestaltet werden; das gleiche ist der Fall fUr die tnBeren
Elmente 19 und 25. Un jedoch ein maximales Ausganssignal zu erhalten, ist es erforderlich,
jeweils die Ausgangsgrößen des äußeren Elementen 19 und des inneren Elementen 21
sowie des inneren Elemente 23 und des äußeren Element@ 25 zu addieren. Die Dehnung
ist Zugdehnung in dem Elementen 21 und 23 und Druckdehnung in den Elementen 19 und
25. D@her werden die Elemente 19 und 21 im nebeneinanderliegende Zweige der @rücke
geschaltet, so daß der Spannungsabfall am ihnen gleich der angeführten Spannung
ist, @ben@e wie das für die Elemente 23 und 25 der Fall ist. Dies macht es erforderlich,
daß die Ausgangswiderstände (Nullpunktswiderstände) der Elemente 19 und 21 (und
der Elemente 23 MA 29) mit @@ger tolerans einander angegliche@ werden.
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Bis bevorzugtes Verfahren zur Herstellung der metallischen Dehnungsmeßbrücke
17 ist in der zur Herstellung Ton konventionellen Dehnungsmessern oft benutzten
Technik des Ätzens von Blattmaterial oder des Druckens von Schaltungen gegeben.
Die geste Bruire 17 nit ihren vizir Armez kann durch Fot@ätzung hergestellt werden,
um ein genaues einheitliches Stück zu erhalten. Bereiche, die hinsichtlich Ermüdung
beeondera kritiaeh aind, k dabei vergrößert werden, und zum Anlöten von Zuführungsdrähten
33, 37, 39, 41 zur Meßbrücke 17 sind breite Anschlußlappen 27, 29, 31, 33 vorgesehen.
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Die erfolgreiche miniaturiaierung eines Drucktransducers nach der
Erfindung ergibt sich bei einem Ausführungsbeipil einea wie folgt ausgebildeten
Drucktranaducera.
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Das für die Membran 15 gewählte Material war eine Barillium-@upfer-Lösung
(B@rylco 25 alloy), die aus dem abgekühlten (ann@aled) Zustand durch eine Wärmsbehandlung
auf velle Härte gebracht wurde. Der Durchm@sser des Tranaduoera betrug 6, 35 mm
(0,250 Zoll), der Membrandurchm@sser 4,826 mm (0,190 Zoll). Die Dicke der Membran
15 war gewählt mit 0,0635 mm (0,0025 Zoll), und swar auf Grund folgender Überlegungen:
1.
die Dicke sollt ausreichend sein, un don Spannungspogel bei Überlast-Druck (de@
ei@einhalbfachen Maximm des Betriebx des Gerätes) g weit unterhalb der Froportionalitätsgrenze
des gewählten Materials u halteni 2. die Dicke sollte ausreichend sein, um eine
Auslenkung der Membran us mehr als etwa die Hälfte ihrer Dicke über dem gesamten
Meßbereich su verhindern (für diesen besonderen Transducer betrug der Meßbereich
-+ 0,77 atü (-+ 11 p@ig)); und 3. die Dicke sollte gering genug sein, um eine Vibratoelgedrequns
zu gewährleisten, die höher ist ale die, welcher der Transducer ausgesetzt werden
soll.
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Die Dicke des Transducers betrug 0,508 mm (0,02 Zoll), und zwar dadurch,
daß dem Ring 13 eine Höhe von 0,432 mm (0,017 Zoll) gegeben wurde.Die Löcher 43
wurden mit vison jeweiligen Abstand untereinander von 90° angeordnet und hatten
einen Durchmesser von 0,239 mm (0,009 Zoll).
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Die Dehnungsmeßbrücke 17 wurde an den für sie vorgesehea Stellen fest
auf die Membran 15 aufgebracht. Dafür kurde ein Kleber verwandt, welcher eine Verdünnung
enthielt,
die e ermöglicht, eine extrem dünne Kleberschicht su
erhalten, welche die Flexibilität der Membran 15 nicht behindert. Die Zuleitungen
35, 37, 39, 41, welche ans Draht von 0,127 mm Durchmesser (0,005 Zoll) bestanden,
worden durch die Locher 43 hindnrohgefUhrt, rtt 90 abgebogen, um eine Federwirkung
zu erhalten, und dann an die Lapez 27, 29, 31, 33 angelötet. Die Zuleitungen 35,
37, 39, 41 wurden dann an den Löchern 43, in denen sie durch den Ring 13 hindurehtreten,
abgedichtet. Die Deekplatte 49 von einer Dicke von 0,0762 mn (0,003 Zoll) wurde
darauf angelötet, danach wurde der Transducer durch *in Loch in der Deckplatte 49
auf ein Vaku@m von t aileron oder weniger anegepunpt und anschließend das Loch abgedichtet.
Die Evakuierung war erforderlich, um thermische Effekte möglichet gering zu halten.
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Der oben beeehriebene Transducer wurde mit einem Potentiometer bei
einer Erregerspannnmg von 3 Volt gemessen.
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Fis. 3 zeigt die mit dem Transducer bei Raumtemperaturbedingungen
erhaltene @ichk@rve. Das durchschnittliche Ausgangssignal über dem gesamtem Druckbereich
betrug 860 Mikrovolt pro Volt und pro kp/@m² druckänderung (60 microvolt per volt
per p@i pressure @hange). Es ergab sich ein geringer Unterschied zwischen den Eichkurv@n
von @@- und Entlastungsmessung im Druck und Vek@@@-bereioh,
wobei
jedooh jeter fell fUr eich gut linear verinnft. Digon lot wahrscheinlich auf die
Ausbildung von Membranspannungen in der Membran 15 infolge aus der "evakuierten
Stellung" gemessener großer Durchbiegungen Im Verein mit extremen Druckwerten zurückzufuhren.
Trotz dieMe Effektes betrug die Lime@rität, wie in Fig. 3 geneige, Uber don ge@amten
Bereich -+ 2,2 %. Der Trnnndueer MUt nufriedenntellend Überlstdrücke von 150 % aus
und nrbeitet bei Temperaturen zwischen -30° C und +71,1° C (zwischen -20° F und
+150° F).
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Fig. 4 zeigt einen Transducer 11', bei welchem die Zuleitungsdrähte
35, 37, 39, 41 durch den Ring 13 über eine Öffnung 43' an Stelle vo@ vier einzelnen
Öffnungen hindurchgeführt sind.
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Fig. 5 zeigt einen Transducer 11'', bei dem die Zuleitungsdrähte 35,
37, 39, 41 durch eine einzige Öffnung 43'' in der Deckplatte 49 hi@durchgeführt
sind. Die Ausführungsformem nach Fig. 4 und 5 eign@n sich besonder@ dort, wo der
Einzatz des Transducers nicht gestattet, daß die Drähte in vier verschiedenen gegeneinander
um 90° versetzten Richtungen aus dem Gehäuse ragen.
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Ansprüche: