DE1473689C3 - Elektrischer Druckaufnehmer - Google Patents

Description

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gäbe, die Charakteristik der Vorrichtung zu lineari- äußeren Meßstreifen in den gegenüberliegenden

sieren, wird hierbei jedoch nicht gelöst. Zweigen einer üblichen Brückenschaltung angeord-

Die deutsche Patentschrift 1 129 317 offenbart net. Von der Einrichtung 24, welche eine Batterie eine Kraftmeßdose mit Einleitung der Kraft auf die enthalten kann, wird die Meßbrücke gespeist. Ein Inebene Fläche der Membran. Gemäß dem nachveröf- 5 strument 25, welches ein empfindliches Strommeßgefentlichten, nur als älteres Recht zu würdigenden rät sein kann, zeigt die Ausgangsgröße entsprechend Zusatzpatent deutsche Patentschrift 1 226 806 wird den gemessenen Dehnungen und demnach den aufgediese Kraftmeßdose auch zur Druckmessung heran- brachten Druck an. In bekannter Weise können in gezogen. Bei dieser Kraftmeßdose nimmt jedoch die der Schaltungsanordnung noch Abgleich- oder an-Dicke der Membran vom Membranmittelpunkt aus io dere Schaltungselemente angeordnet sein,
in radialer Richtung zunächst ab und sodann zum Wie in F i g. 3 gezeigt, können die Widerstands-Membranrand hin wieder zu, so daß zu beiden Seiten dehnungsmeßelemente, z. B. die Elemente 17 bis 20, des Bereichs geringster Membrandicke die mechani- in üblicher Weise anstatt als Drahtmeßstreifen als sehe Spannung unabhängig vom Radius konstant, im Folienmeßstreifen ausgebildet sein. Diese können inBetrag gleich groß, aber einander entgegengerichtet 15 stalliert sein als eine Einheit und können eine große ist. Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe bogenförmige Ausdehnung besitzen, um so in optiwird hiermit ebenfalls nicht gelöst. maler Weise die Flächendehnungen aufzunehmen. In

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unter- diesem Falle ist die konkave Fläche elektrisch von ansprüchen gekennzeichnet. In der nachfolgenden der Meßfolie durch eine dünne Isolationslage 16' isoBeschreibung ist die Erfindung an Hand der schema- 20 liert. Die Effekte der Radialdehnungen bewirken in tischen Zeichnungen erläutert. den Elementen 18 und 20 eine etwa gleich große

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch eine Vorrich- Veränderung des elektrischen Widerstandes wie die

rung; Tangentialdehnungen in der Nähe des Mittelpunktes

F i g. 2 zeigt eine schematische Schaltungsanord- (wo Tangentialdehnungen und Radialdehnungen

nung für die Meßstreifen der Vorrichtung gemäß 25 eüva gleich groß sind) in den Elementen 17 und 19.

Fig. 1; Diese Widerstandsänderungen führen zu maximaler

F i g. 3 zeigt in vergrößerter Darstellung die iso- Brückenverstimmung und somit zu maximaler Meß-

lierte, sphärisch gebogene untere Fläche der Mem- empfindlichkeit. Obwohl jedoch diese Meßelemen-

bran der Vorrichtung gemäß F i g. 1 zusammen mit tenpaare ihren Widerstand in gleicher Weise entspre-

einem darauf angebrachten, nach Art einer gedruck- 30 chend jedem Wechsel des aufgebrachten Druckes än-

ten Schaltung ausgebildeten Widerstandsdehnungs- dem, verhält sich das Ausgangssignal der Brücke

meßstreifen-Element; nichtlinear zu den Druckänderungen. Es wurde ge-

F i g. 4 zeigt eine bekannte Ausführung zusammen funden, daß eine gleichförmige Stärke der Membran,

mit zwei Kennlinien der Dehnungen an der unteren wie sie bisher allgemein verwendet wurde, die Ur-

Membranfläche bei verschiedenen Drücken; 35 sache solcher Nichtlinearitäten ist, und zwar weil sie

F i g. 5 zeigt zur Gegenüberstellung mit F i g. 4 die große Auslenkungen der Membran bei Vorliegen

Kennlinien für zwei verschiedene Drücke bei der großer Druckdifferenzen zulassen. Verhältnismäßig

Vorrichtung gemäß Fig. 1; dünne Membranen, deren Stärke relativ gering im

F i g. 6 zeigt eine Variante der Vorrichtung. Vergleich zu ihrem Durchmesser ist, lassen größere

In F i g. 1 besteht die im wesentlichen zylindrische 40 Nichtlinearitäten zu und sind deshalb nicht geeignet

Druckmeßvorrichtung 7 aus zwei Teilen 8 und 9, für sehr genaue empfindliche Messungen über weite

welche die den Druck aufnehmenden Teile und die Bereiche.

elektrischen Teile der Vorrichtung einschließen. Am Die Darstellungen in F i g. 4 charakterisieren das einen Ende wird über eine druckdichte Kupplung 10 vorerwähnte nichtlineare Verhalten dünner, gleichdas unter Druck stehende Medium über einen Vertei- 45 mäßig flacher Membranen, wie die dargestellte kreisler 12 einer Druckkammer 11 zugeführt. Der aufge- förmige Membran 26, die eine gleichmäßige Stärke T brachte Druck, symbolisiert durch den Pfeil 13,- wirkt besitzt und an ihrer Peripherie von einem mit ihr verauf die flache obere Fläche 14 einer elastischen Me"- einigten Hohlzylinder 27 gehalten wird,
tallmembran 15, deren untere Fläche 16 konkav ge- Ein zur Wirkung kommender Druck P₁ bewirkt die bogen ist. Unter der Druckwirkung wird die Mem- 50 dargestellte, abwärts gerichtete Auslenkung der bran nach unten gedrückt, während ihre Peripherie Membran und, soweit diese Auslenkung des Mitteldurch das starre, hohlzylindrische Gehäuseteil 8, des- punktes nicht über ein Drittel von T hinausgeht, den sen integraler Bestandteil sie ist, festgehalten wird. in der Kennlinie 28 dargestellten Dehnungsverlauf. An der unteren konkaven Membranfläche 16 sind Die Dehnungen in der Nähe des Zentrums und der vier elektrische Widerstandsdehnungsmeßstreifen 17 55 Peripherie sind von unterschiedlicher Größe und einbis 20 angebracht, von welchen die Elemente 17 und ander entgegengerichtet. Die Dehnungsgradienten in 19 radial in der Nähe des Zentrums der Membran den Bereichen 28 α und 28 b, entsprechend den Or- und die Elemente 18 und 20 radial in der Nähe des ten in der Nähe der Peripherie der Membran, sind Umfanges angeordnet sind. Diese an sich bekannte sehr steil, woraus hervorgeht, daß die Anbringung Anordnung der Meßstreifen bewirkt, daß die inneren 60 von Meßstreifen an diesen Stellen sehr kritisch für Meßstreifen auf Dehnung und die äußeren auf Stau- eine optimale Wirkungsweise der Vorrichtung ist. chung der unteren Membranfläche unter dem Ein- Wenn die Auslenkung der Membran mehr als die fluß einer Auslenkung nach unten ansprechen. Elek- Hälfte von T beträgt, wird das Verhältnis zwischen trische Anschlußstifte 21 verbinden die Meßstreifen den Dehnungen in der Nähe des Zentrums und der mit außenliegenden Elementen, wie einem Hilfs- 65 Stauchung in der Nähe der Peripherie noch unterwiderstand 22 und einem elektrischen Vielfachan- schiedlicher, wie in der Kennlinie 29 dargestellt. Für schluß 23 am Gehäuseteil 9. die durch die Kennlinie 29 charakterisierten Verhält-

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, sind die inneren und nisse werden bei einem Druck von 3P₁ die maxima-

len Dehnungen an der Peripherie kleiner als das Dreifache der Dehnungen bei einem Druck von P₁, während die maximalen Dehnungen im Zentrum ebenfalls weniger als das Dreifache betragen. Dies führt zu einem Verlauf des Meßergebnisses in der Brücke, welches nichtlinear zu dem aufgebrachten Druck ist. Wie zuvor festgestellt, sind die Dehnungsgradienten in der Nähe der Peripherie der Membran sehr steil. Darüber hinaus bewegen sich die Nulldurchgänge der radialen Dehnungen mit wachsenden Membranauslenkungen radial nach außen (z. B. ist R₂ größer als R₁). In der Praxis wurden z. B. Nichtlinearitäten über 3% gefunden bei einem Maximai-Dehnungsniveau von 2,000 Mikrometer pro Meter (μΐη/m) und einer Membranstärke von 0,38 mm.

Im Vergleich hierzu sind in F i g. 5 die Verhältnisse bei einer gemäß F i g. 1 ausgebildeten Membran 32 durch die Kennlinien 30 und 31 für aufgebrachte Drücke P₁ und 3 P₁ und für Auslenkungen des Membranmittelpunktes, die weniger als ein Drittel und mehr als die Hälfte der Stärke T₁ im Mittelpunkt sind, dargestellt. Die kreisförmige Membran 32 hat eine normalerweise ebene Fläche 33, wenn sie nicht durch einen DmCkP₁ des Mechanismus ausgelenkt ist. Sie hat weiter eine konkave untere Fläche 35 in sphärischer Form mit einem Radius S (in der Zeichnung nicht dargestellt) mit einem Mittelpunkt senkrecht unter der Membranmitte. Die Konturen der Membran 32 im unbelasteten Zustand sind mit gestrichelten Linien in F i g. 5 dargestellt. Die Stärke T₁ im Mittelpunkt der Membran ist geringer als die Membranstärke T₂ am Umfang. Die Änderung der Membranstärke ist bestimmt durch den sphärischen Radius 5. Das Verhältnis SIT₁ ist insofern wichtig, als es die Spannungsverteilung in der Membran und die Linearität der Relation zwischen Druck und Dehnung bestimmt. Ein optimaler Bereich für das Verhältnis SIT₁, welches vorteilhaft ist für Membranen von etwa 25 mm Durchmesser, liegt zwischen etwa 100:1 und 600:1. Spezielle Beispiele von S und T₁, die als zweckmäßig für Vorrichtungen mit einem Membrandurchmesser von 24 mm gefunden wurden, sind folgende:

Meßbereich (kp/cm*)	(mm)	5 (mm)	Zugehörige Brücken-Aus gan gssparmung (mV/V Speisung)
35,1 70,3 140,6	0,5 0,8 1,2	184,1 152,4 133,3	www

Es wurde gefunden, daß die Formgebung der Membran 32 und der gleichen Membran 15 (F i g. 1) eine maximale Stauchung in der Nähe des Umfangs hervorbringt, welche etwa gleich ist der maximalen Dehnung in der Nähe des Zentrums der Membran. Die Kennlinien 30 und 31 zeigen dies für eine Auslenkung geringer als ein Drittel von T₁ und mehr als die Hälfte von T₁. Hierbei ist zu bemerken, daß sowohl die maximalen als auch die minimalen einander entgegengerichteten Spannungen unter den genannten extremen Bedingungen für beide Lagen die gleichen sind. Ein optimales Verhältnis von SIT₁ kann empirisch oder rechnerisch ermittelt werden. Ein zusätzlicher wichtiger Effekt besteht darin, daß das Gefälle der radialen Dehnung in der Nähe des Umfanges der Membran, wie sie in F i g. 5 mit 30 α und 31 b bezeichnet sind, wesentlich niedriger als bei der bekannten Membran gemäß F i g. 4 und in manchen Fällen annähernd konstant sind. Dies macht die Anordnung der Meßstreifen weniger kritisch und ist besonders vorteilhaft bei der Herstellung sehr kleiner

ίο Meßvorrichtungen mit kleinen Membranen. Eine sorgfältige Wahl der Form der konkaven unteren Membranfläche sichert, daß die Nulldurchgänge der radialen Dehnungen über einen weiten Wirkungsbereich in etwa der gleichen radialen Entfernung vom Mittelpunkt bleiben (beispielsweise ist R₃ etwa gleich A₄ in Fig. 5).

Zufolge der Gleichheit der radialen Dehnungen am Umfang und im Zentrum der Membran ist die Linearität bedeutend verbessert. Die erreichte Verbesserung ergibt sich aus einem Vergleich der erreichten Linearitätsabweichungen von 0,05 bis 0,25 °/o gegenüber Abweichungen von 0,5 bis 1 °/o und mehr von der Linearität bei bekannten optimalen Vorrichtungen. Dieser Unterschied ist von großer Bedeutung und stellt einen beachtlichen Vorteil in der Verminderung von Fehlern dar.

Eine für die Herstellung besonders geeignete Ausführungsform ist in F i g. 6 dargestellt. Bei dieser hat eine Membran 36 eine konkave untere Fläche 37 von etwa der gleichen Ausdehnung wie die unteren Enden eines hohlzylindrischen Gehäuses 38, so daß der sphärische Radius S' in einfacher Weise maschinell herstellbar ist. Gleiche Teile wie in F i g. 1 sind in dieser F i g. 6 mit denselben Bezugsziffern versehen.

Obwohl die sphärische Formgebung der konkaven Membranfläche vorzuziehen ist, weil sie für eine maschinelle Herstellung besonders geeignet ist, kann die konkave Form etwas von der sphärischen abweichen. Prinzipiell gilt, daß die Formgebung und die zu wäh- !ende Dicke niedrige Gradienten radialer Dehnung in der Nähe des Umfangs und eine Gleichheit der radialen Dehnungen in der Nähe des Umfangs und derjenigen in der Nähe des Membranzentrums zum Ziele haben.

Wie in F i g. 6 dargestellt, kann die konkave Fläche 37 einen Durchmesser besitzen, der größer ist als der Durchmesser der gegenüberliegenden ebenen Membranfläche, um die gewünschte Dehnungsform zu erhalten. Die Meßstreifen sind vorzugsweise an der konkaven Membranfläche angebracht, und zwar derart, daß korrosive Flüssigkeiten, deren Druck gemessen werden soll, die Meßstreifen nicht erreichen. Jedoch können die Streifen auch auf der ebenen Fläche angebracht werden, wenn und wo eine Korrosionsbeeinflussung nicht zu erwarten ist oder geeignete Schutzmaßnahmen ergriffen sind. Da die Vorrichtungen Auslenkungen des Zentrums besitzen, welche auch linear zum aufgebrachten Druck sind, können diese Auslenkungen gegebenenfalls als direktes Maß des Druckes genommen werden. Unterschiedliche, auf die verschiedenen Seiten der Membran wirkende Drücke können ebenso wie einseitig auf die Membran wirkende Drücke gemessen werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

1 2 sind als besonders vorteilhaft zur exakten Aufnahme Patentansprüche: der Membrandehnungen gefunden worden. Die modernen Anforderungen für hochgcnaue

1. Elektrischer Druckaufnchmcr mit einer an Messungen sind durch die existierenden Formen von ihrem Umfang gelagerten Membran von derarti- 5 Mcmbran-Meßvorrichtungen nicht voll erfüllt worger, durch die Wölbung einer der beiden Mem- den, und es wurde gefunden, daH eine der tlauptbranflächen bestimmten Form, daß die Dicke der Schwierigkeiten in dieser Ik/ichung auf den Nichtli-Membran von einer dünnsten Stelle am Mein- nearitäten der Charakteristik dieser Vorrichtungen branmittelpunkt zum Membranumfang hin pro- beruht. Beispielsweise verwendet eine bekannte Type gressiv zunimmt, dadurch ge k e η η ζ e i c h - io solcher Meßvorrichtunueii elektrische Widerstandsnet, daß der zu messende Druck (/',) die nicht dchnungsmeßstreifcn zur Aufnahme der radialen gewölbte Membranfläche (14, 3J) beaufschlagt Dehnungen, sowohl in positiver, als auch in negativer und das Verhältnis von Radius der Wölbung (.S", Richtung, an Stellen innen und außen entlang einer S') zur Membrandicke im Mittelpunkt (T₁) so ge- Fläche der Membran, wobei nachteiligerweise die gewählt ist, daß die durch den Druck im Membran- 15 messenen Dehnungen und Stauchungen nicht nur material hervorgerufenen Dehnungen in der Nähe nichtlinear und voneinander verschieden sind, sondes Umfanges gleich groß und entgegengerichtet dcrn auch nicht proportional variieren in Abhängigdenjenigen in der Nähe des Mittelpunktes sind keit von einem Wechsel im aufgebrachten Druck,
und daß der Gradient der radialen Dehnung am Die maximale radiale Dehnung in der Nähe des Umfang möglichst gering wird. 20 äußeren Umfanges der Membran kann das Zwei-

2. Elektrischer Druckaufnehmer nach An- fache derjenigen in der Nähe des Mittelpunktes der spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an einer Membran betragen, so daß für einen gegebenen elekdcr beiden Membranflächen — vorzugsweise an trischen Ausgangswert der Sicherheitsfaktor der Einder gewölbten (16, 37) -— in an sich bekannter richtung bestimmt wird durch das Vorhandensein Weise elektrische Dehnungsmeßstreifen (17 bis 25 einer Spannung, die größer als für Meßzwecke benö-20) in der Nähe des Mittelpunktes und in der tigt ist und die Vorrichtung keinen optimalen Wir-Nähe des Umfanges angebracht sind. kungsgrad besitzt. Die Forderungen nach Linearität

3. Elektrischer Druckaufnehmer nach An- und maximalem Ausgang verlangen jedoch für Dchspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mem- nung und Stauchung gleiche Werte über den ganzen bran (15, 36) in an sich bekannter Weise integra- 30 Arbeitsbereich. Dies insbesondere bei Vorrichtungen ler Bestandteil eines die Membran an ihrem Um- mit Halbleiterdehnungsmeßstreifen, eine andere fang haltenden Gehäuses (8, 38) ist. Schwierigkeit der bekannten Vorrichtungen liegt in

4. Elektrischer Druckaufnehmer nach An- den sehr steilen Gradienten radialer Spannung in der spruch I, dadurch gekennzeichnet, daß bei kreis- Nähe des Membranumfanges, so daß sehr geringe förmiger Membran der Durchmesser der gewölb- 35 Abweichungen der Dehnungsmeßstreifen von den ten Membranfläche mindestens so groß — vor- vorgeschriebenen Orten in der Nähe des Umfanges zugsweise größer — als derjenige der anderen große Änderungen und Fehler des elektrischen Meß-Membranfläche ist. signals hervorrufen. Dies macht die Anordnung von

5. Elektrischer Druckaufnehmer nach An- Meßstreifen am Umfang sehr kritisch, insbesondere spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ver- 4» wenn versucht wird, die Vorrichtung möglichst klein hältnis von Radius der Wölbung (5, S') zur Mem- zu machen.

brandicke im Mittelpunkt (T₁) im Bereich von Es ist Aufgabe der Erfindung, die Nachteile der

100 : I bis 600 : 1 liegt. ^ bekannten Vorrichtungen zu vermeiden und bei optimalem Meßeffekt eine Vorrichtung mit linearer Cha-

45 rakteristik zu erzielen. Dies wird dadurch erreicht,

daß gemäß der Erfindung der zu messende Druck die

nicht gewölbte Membranfläche beaufschlagt und das Verhältnis von Radius der Wölbung zur Membran-

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Druck- dicke im Mittelpunkt so gewählt ist, daß die durch

aufnehmer mit einer an ihrem Umfang gelagerten 5° den Druck- im Membranmaterial hervorgerufenen

Membran von derartiger, durch die Wölbung einer Dehnungen in der Nähe des Umfanges gleich groß

der beiden Membranflächen bestimmter Form, daß und entgegengerichtet denjenigen in der Nähe des

die Dicke der Membran von einer dünnsten Stelle am Mittelpunktes sind und daß der Gradient der radia-

Membranmittelpunkt zum Membranumfang hin pro- len Dehnung am Umfang möglichst gering wird,

gressiv zunimmt. 55 Aus der USA-Patentschrift 2 811 984 ist eine Vor-

Es ist in der Technik bekannt, elastische Dehnun- richtung bekannt, bei welcher die Membrandicke

gen, die von Deformationen kreisförmiger Membra- nach der Formel

nen, die an ihrem äußeren Umfang eingespannt sind, , _/x.₂

herrühren, zu messen und solche Messungen auszu- /,_/,. _e ⁴("ö')

drücken als Differenz der auf die Flächen der Mcm- 6° °

bran wirkenden Drücke. Im allgemeinen werden gestaltet ist, wobei Ii die Membrandicke, Zz₀ die Mem-

solche Membranen aus Material in gleicher Stärke brandicke im Mittelpunkt, D der Membrandurchmes-

gcmacht und sind im wesentlichen im unbelasteten ser und χ der radiale Abstand vom Membranmittel-

Zustand flach. Fn der Technik ist es weiterhin be- punkt ist. Bei dieser bekannten Vorrichtung wird die

kannt, wellig oder in anderer Weise geformte Mem- 65 zu messende Kraft bzw. der zu messenden Druck auf

brancn zu verwenden, bei welchen nicht das gesamte die gewölbte Fläche geleitet, und die im Zentrum

Membranmaterial im wesentlichen in einer Ebene und am Rand der Membran auftretenden Spannun-

liegt. Elektrische Widerstandsdehnungsmeßstreifen gen sind gleich groß und gleich gerichtet. Die Auf-