DE1648725B2 - Messwertwandler - Google Patents

Description

.15

Die Erfindung betrifft einen Meßwertwandler mit einer Membran mit einem biegsamen Ringbereich, welcher eine starre, mittig angeordnete Verdickung aufweist, mit Einrichtungen zum Festhalten des äußeren Randes des biegsamen Ringbereichs und mit Dehnungsmeßfühlern, welche im wesentlichen auf dem biegsamen Ringbereich der Membran aufgebracht sind, und mit Einrichtungen zur gleichmäßigen Druckbelastung einer Oberfläche der Membran zwecks Durchbiegung derselben.

Eine unter Druckwirkung durchbogene Membran in üblicher Form, die an ihrem Rande eingeklemmt ist, zeigt eine nichtlineare Ansprechcharakteristik (US-PS so 71745).

Es wurde bereits vorgeschlagen, die nichtlineare Ansprechcharakteristik einer derartigen Membran durch komplizierte geometrische Formen der Membran zu verringern, wie etwa durch um den Umfang der Membran verlaufende Wellungen oder Vorsprünge.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem MeBwertwandler der eingangs genannten Art die Membran desselben derart auszubilden, daß auf baulich einfache Weise eine im wesentlichen lineare Ansprechcharakteristik des Wandlers erzielt wird.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die mittige Verdicknng zur Erzielung einer linearen Ansprechcharakteristik über einen weiten Druckbela- fts stungsbereich mindestens zweimal so dick ist, wie der biegsame Ringbereich und der Radius der Verdickung mindestens das 0,3fache des äußeren Radius des

biegsamen Ringbereichs beträgt.

Die Anordnung einer mittig angeordneten Verdikkung ist zwar in Meßwertwindlern an sich bekannt, dient jedoch in der bekannten Anordnung gemäß der US-PS 32 77 698 nicht zur Erzielung einer verbesserten Linearität, sondern zur Vergrößerung der Membranmasse, um bei Beschleunigungen, denen die Membran ausgesetzt ist, insbesondere in einem Raumfahrzeug, größere Auslenkkräfte an der Membran zu erzielen.

Zwar ist die bekannte Anordnung nicht auf Beschleunigungsmessungen beschränkt, jedoch liegt dieser die Aufgabe zugrunde, die Genauigkeit und Empfindlichkeit des Meßwertwandlers zu verbessern. Da jedoch bei entsprechender Eichung auch nichtlineare Wandler eine große Genauigkeit besitzen können, ist die Erzielung einer großen Genauigkeit, wie sie durch die bekannte Anordnung erreicht wird, nicht gleichbedeutend mit der Erzielung einer linearen Charakteristik.

Daher wird durch die vorliegende Erfindung erstmals das Problem gelöst, wie bei einem Wandler der betrachteten Art eine lineare Charakteristik erhalten werden kann.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung beträgt der Radius der starren Verdickung zwischen dem 0,3fachen und dem 0,8fachen des Radius des biegsamen Ringberuchs.

Weitere Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird anschließend an Hand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen erläutert. Es zeigen

Fig. IA und IB Schnitt bzw. Draufsicht in etwas schematischer Ausführung eines Meßwertwandlers mit einer üblichen, halb eingeklemmten, ebenen Membran, wobei Dehnungsmeßfühler nahe dem Rand und nahe der Mitte derselben angeordnet sind, so daß sie auf eine gerichtete Verbiegung der Membran ansprechen, wobei die nahe dem Rand gelegenen, Dehnungsmeßfühler einer Druckspannung und die nahe der Mitte gelegenen Dehnungsmeßfühler einer Zugspannung ausgesetzt sind,

Fig. IC eine graphische Darstellung der radialen Spannungskoeffizientencharakteristik des bekannten, in den F i g. 1A und 1B dargestellten Wandlers,

F i g. 1 und 2 Schnitt bzw. Draufsicht in etwas schematischer Ausführung eines durch Druck zu biegenden Meßwertwandlers mit einer Membran, welche eine mittige Erhöhung oder Verdickung aufweist, deren Radius das 0,5fache des Membranradius beträgt, und mit darauf im wesentlichen am äußeren Rand und im wesentlichen am inneren Rand des die Verdickung umgebenden biegsamen Ringbereichs angeordneten Dehnungsmeßfühlern,

F i g. 3 eine der F i g. IC ähnliche graphische Darstellung, in welcher die vergleichbare Größe der radialen Spannungskoeffizienten dargestellt ist, die für die in den F i g. 1 und 2 dargestellte, mit einer Erhebung oder einer Verdickung versehene Membran kennzeichnend sind,

F i g. 4 eine Schaltskizze einer typischen Wheatstoneschen Brücke, bei welcher die Dehnungsmeßfühler des in den F i g. 1 und 2 gezeigten Meßwertwandlers verwendet werden,

F i g. 5 einen Schnitt durch eine andere Ausführungsform des Meßwertwandlers, wobei alle Dehnungsmeßfühler so angeordnet sind, daß sie auf Zug beanspruch werden,

Fig.6 eine der Fig.2 ähnliche Teildraufsicht, ir welcher ein Wandler mit der durch eine Verdickunj

!erstarkten Membran gemäß F i g. 1 und 2 mit anderer Anordnung der der Druckspannung ausgesetzten Dehtiungsmeßfühler dargestellt ist, wobei diese teilwei_ie eine nicht gebogene Oberfläche der Anordnung ibcrdecken und die Anordnung so gewählt ist, daß die Empfindlichkeit der auf Druckspannung beanspruchten Dehnungsmeßfühler vermindert und dadurch die Linearität des Geräteausgangs möglichst groß ist,

F i g. 7 eine weitere, der F i g. 6 ähnliche Teildraufsicht, in welcher eine andere Ausführungsform des Wandlers bezüglich der gewählten Anordnung der auf Druck beanspruchten Dehnungsmeßfühler dargestellt ist, um die Empfindlichkeit derselben zu vermindern, wobei diese im wesentlichen innerhalb des äußeren Randes des biegsamen Ringbereichs der Membran angeordnet sind, um eine verminderle Empfindlichkeit zu erzielen und dadurch die Linearität des Geräteausgangs oder der Ausgangsleistung möglichst groß zu machen,

F i g. 8 einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform des Wandlers, wobei eine vollständig festgeklemmte Membran mit einer Erhebung oder Verdikkung vorgesehen ist, die sich in beiden axialen Richtungen von der Mittelebene des biegsamen, die Erhebung umgebenden Ringbereichs erstreckt, und Dehnungsmeßfühler auf beiden Seiten und sowohl am äußeren Rand als auch am inneren Rand des biegsamen Ringbereichs der Membran angeordnet sind, und

Fig.9 eine graphische Darstellung der radialen Spannungskoeffizienten L_n M_r und N_r für verschiedene Werte von b/a.

Für Vergleichszwecke sind in den F i g. 1A und 1B bestimmte Einzelheiten des Aufbaus eines typischen Wandlers mit einer bekannten, halb festgeklemmten ebenen Membran mit durchwegs gleichförmiger Dicke dargestellt. Die graphische Darstellung in Fig. IC gibt die Charakteristik der verschiedenen radialen Spannungskoeffizienten einer Membranform gemäß den Fig. IAund IB wieder.

Die zum Zweck der Erläuterung gewählte und in den Fig. IA und IB dargestellte bekannte Meßwertwandleranordnung ist im allgemeinen ähnlich der in Fig. 8 der USA.-Patentschrift 30 71 745 gezeigten Anordnung und kann in gleicher Weise hergestellt werden wie die in dieser Patentschrift gezeigten Wandleranordnungen.

In den Fig. IA und IB besteht die Membran 10 aus einem geeigneten isolierenden Material wie Quarz, oder aus einem Metall, wie rostfreiem Stahl mit einer dünnen Isolierschicht (beispielsweise SiO), welche auf der Metalloberfläche an mindestens den Teilen der Membran aufgebracht ist, an welchen die Brückenanordnung angeordnet ist. Zwecks Klarheit der Darstellung ist diese isolierende Unterlage in den Figuren nicht dargestellt.

Die Membran 10, wie am besten aus den F i g. 1A und IB ersichtlich, ist am Rand in einer sogenannten halb festgeklemmten Weise eingespannt, wobei ein Klemmring 12 einstückig mit der Membran 10 derart ausgebildet ist, daß der Rand 14 der Membran 10 an seiner einen Oberfläche 16 festgehalten wird, wobei die andere Oberfläche 18 derselben im wesentlichen eben ist. Eine Belastung der Membran 10, beispielsweise durch ein geeignetes, mit der Meinbranoberfläche 16 in Berührung stehendes Strömungsmittel, ist in den Fig. IA und IB durch die Pfeile 20 schematisch angedeutet.

Die Brückenanordnung auf der isolierten ebenen Oberfläche 18 der Membran 10 besteht aus einem

geeigneten halbleitenden Material oder elektrisch leitenden Material mit einem beträchtlichen Widerstand, beispielsweise einer Schicht aus einer Legierung n.it 75% Si und 25% Cr oder 80% Ni und 20% Cr, welche unter Vakuum auf die ganze Membranoberfläche 18 elektrolytisch niedergeschlagen ist und sodann elektrisch abgeätzt ist, so daß die gewünschte Brückenanordnung zurück bleibt. Wie am besten aus F i g. 1B ersichtlich, weist die Brückenanordnung auf der Membran 10 zwei in Umfangsrichtung verlaufende Dehnungsmeßfühler 22, 24, welche einer Zugspannung unterworfen sind, und zwei radial verlaufende Dehnungsmeßfühler, welche einer Druckspannung unterworfen sind, auf, wobei der erste der auf Druck beanspruchten Dehnungsmeßfühler aus zwei Teilen 26, 28 und der zweite der auf Druck beanspruchten Dehnungsmeßfühler aus zwei Teilen 30, 32 besteht. Die auf zugbeanspruchten Dehnungsmeßfühler 22, 24 sind mit entsprechenden Ausgangsanschlußabschnitten 34, 36 bzw. 38, 40 verbunden, welche sich in radialer Richtung über den Rand der Membran hinaus erstrecken und an ihren äußersten Teilen mit schichlförmigen Chromansätzen 42,44 bzw. 45, 48 versehen sind, an denen Ausgangsleitungen 50,52 bzw. 54,56 angelötet sind. Die Leiterbereiche 34, 36, 38, 40 der Brückenanordnung sind zwar mit den druckbelasteten Dehnungsmeßfühlern 22, 24 einstückig ausgebildet, jedoch beträchtlich breiler als diese Dehnungsmeßfühler und weisen einen verhältnismäßig niedrigen Widerstand im Vergleich zum Widerstand der Dehnungsmeßfühler 22, 24 auf.

Der Stromweg in Verbindung mit den auf Druck beanspruchten Dehnungsmeßfühlern 26, 28 umfaßt den radial verlaufenden Leiterabschnitt 58, den in Umfangsrichtung verlaufenden Leiterabschnitt 60, den nicht belasteten Leiterabschnitt 62, den in Umfangsrichtung verlaufenden Leiterabschnitt 64 und den radial verlaufenden Leiterabschnitt 66, wobei die äußeren Teile der Abschnitte 58, 66 mit Ansätzen 68 bzw. 70 aus einer Chromschicht od. dgl. versehen sind, an welchen Ausgangsleitungen 72 bzw. 74 angelötet sind. In gleicher Weise umfaßt der Stromweg der auf Druck beanspruchten Dehnungsrneßfühler 30, 32 den radial verlaufenden Leiterabschnitl 76, den in Umfangsrichtung verlaufenden Leiterabschnitt 78, den nicht belasteten Leiterabschnitt 80, den in Umfangsrichtung verlaufenden Leiterabschnitt 82 und den radial verlaufenden Leiterabschnitt 84, wobei die radial verlaufenden Leite^rabschnitte 76, 84 mit Ansätzen 86 bzw. 88 aus einer Chromschicht versehen sind, an welchen Ausgangsleitungen 90 bzw. 92 angelötet sind.

Zur besseren Übersichtlichkeil enthält in F i g. 1A der Schnitt der Brückenarmanordnung nur die auf Druck beanspruchten Dehnungsmeßfühler 22, 24 und die auf Zug beanspruchten Dehnungsmeßfühler 26,32.

In Meßwertwandleranordnungen mit flacher Membran, wie bei der in den Fig. IA und IB dargestellten Anordnung besteht eine charakteristische Nichtlinearität des Ansprechens, da, sobald die Membran 10 aus ihrem normalerweise ebenen Zustand ausgebogen wird, der ausgeübte Druck (Pfeile 20) nicht nur die Membran auslenkt, sondern auch eine Reckung derselben verursacht. Infolgedessen ist die in den verschiedenen Brückenaimen 22, 24 und den Brückenarmteilen 26, 28, 30,32 im Verhältnis zu der auf die Membran ausgeübten Belastung erzeugte Spannung eine verhältnismäßig komplexe Größe und enthält sowohl lineare als auch nichtlineare Faktoren.

Der Betrag der Linearität eines gegebenen Druckwandlers ist gewöhnlich als Funktion der Abweichung des Ansprechens von der Linearität beim mittleren Druck als Prozentsatz des Enddruckes, d.h. des maximalen Nenndruckes des Wandlers, gegeben.

Eine Berechnung der die Linearität beeinflussenden Faktoren in einer am Rand festgelegten Membran ergibt unter hauptsächlicher Berücksichtigung der radialen Komponente (S_r) der Gesamtspannung an der Oberfläche der Membran, daß die radiale Spannung S_r ι ο eine Summe von drei Komponenten ist, und zwar einer linearen Komponente, welche das Produkt aus einem Biegespannungskoeffizienten (L_r) mit der Belastung enthält, einer Komponente, welche das Produkt eines Membranspannungskoeffizienten (M_r) mit dem Quadrat der Belastung enthält, und einer Komponente, welche das Produkt aus einem Biegekoeffizienten (N_r) mit der dritten Potenz der Belastung enthält.

Bezüglich einer genauen Berechnung, welche das lineare Ansprechen des Meßwertwandlers zeigt, wird auf die diesbezüglichen Angaben in der US-PS 33 41 794 (Stammpatent) verwiesen.

Nunmehr wird eine typische Wandleranordnung betrachtet, deren Aufbau in den F i g. 1 und 2 gezeigt und deren radiale Spannungskoeffizienten in Fig.3 graphisch dargestellt sind. Die etwas schematisch in den F i g. 1 und 2 dargestellte Wandleranordnung weist eine Membran 110 auf, welche am Rand in halb festgeklemmter Weise durch einen einstückig damit verbundenen Klemmring 112 od. dgl. festgehalten wird, wobei der Rand 114 der Membran 110 an einer Oberfläche 116 derselben festgehalten wird und die andere Oberfläche 118 im wesentlichen eben ist. Die Membran ist so ausgebildet, daß sie in der Mitte eine Erhebung oder Verdickung 111 aufweist, welche mindestens die zweifache Dicke des ringförmigen Teils der Membran 110 aufweist und einen Radius b besitzt, der gleich der Hälfte des Radius a der Membran 110 ist (Va = 0,5). Die versteifende Verdickung 111 hat die Funktion, den biegsamen Bereich der Membran auf einen Ring zu vermindern, welcher an seinem äußeren Rand durch einen axialen Vorsprung der Innenwand 113 des Klemmrings und an seinem inneren Rand durch den axialen Vorsprung der Verdickungswandung 115 begrenzt wird. Eine Belastung der Membran 110 durch ein geeignetes Strömungsmittel, welches mit der Membranoberfläche 116 in Berührung steht, ist schematisch in den Fig. 1 und 2 durch die Pfeile 120 angedeutet.

In gleicher Weise wie die in den Fig. IA und IB w gezeigte Membran 10 ist die Membran 110 aus einem geeigneten isolierenden Material, wie Quarz, oder aus einem Metull, wie rostfreiem Stahl mit einer dünnen Isolierschicht (beispielsweise SiO) hergestellt, welche an mindestens denjenigen Oberflilchentcilcn aufgebracht ss ist, an welchen die Brückenanordnung um clic zugehörigen Lcitcrclcmcntc angeordnet sind. Zur besseren Übersichtlichkeil ist diese isolierende Unterlage in den Fig. I und 2 nicht gezeigt. In gleicher Weise bestehen auch die Dchnungsmcßfühlcr der nachfolgend i«> zu erläuternden Brückenanordnung in geeigneter Weise aus einem geeigneten Halbleitermaterial, wie einer elektrolytisch niedergeschlagenen Schicht mis 75% Si und 25% Cr, welche auf der Mcmbrnnobcrflllchc 118 gebunden ist, <>s

Wie am besten mis l·' i g. 2 ersichtlich, weist ein Arm der Brückenunordnung auf der Oberfläche ί 18 der Membran 110 zwei auf /.ng beanspruchte, rndinl verlaufende Dehnungsmeßfühler auf, welche aus den Abschnittsteilen 122,124 und den Abschnittsteilen 126, 128 zusammengesetzt sind, während der entgegengesetzte Arm zwei auf Druck beanspruchte, radial verlaufende Dehnungsmeßfühler aufweist, welche aus Segmentteilen 130,132 bzw. 134,136 zusammengesetzt sind.

Der Stromweg für den aus den Dehnungsmeßfühlern 122,124 bestehenden Brückenarm enthält einen Ansatz 138 aus einer Chromschicht od. dgl., welcher die Abschnitte 122, 124 verbindet, und nicht belastete Chromansätze 140 bzw. 142, wobei an jeden derselben ein Leitungsdraht 144 bzw. 146 aus Metall (beispielsweise Au) angelötet ist, der seinerseits zu leitenden Ansätzen 148 bzw. 150 aus einer Chromschicht führt, mit welchen ebenfalls Ausgangsleitungsdrähte 152 bzw. 154 verbunden sind. Wie in F i g. 2 gezeigt, sind in gleicher Weise die auf Zug beanspruchten aktiven Abschnitte 126, 128 durch einen Chromschichtansatz 156 verbunden und enden in nicht belasteten Chromschichtansätzen 158 bzw. 160, an welchen Leitungsdrähte 162 bzw. 164 angelötet sind, wobei der Leitungsdraht 164 seinerseits mit einem Chromschicht-Anschlußansatz 166 verbunden ist, mit dem ebenfalls ein Ausgangsleitungsdraht 168 verbunden ist. Die auf Druck beanspruchten Dehnungsmeßfühler 130,132 sind gleichermaßen durch einen Chromschicht-Ansatz 170 miteinander verbunden und enden in nichtbelasteten Chromschichtansälzen 172 bzw. 174, wobei ein Ausgangsleiter 176 wiederum mit dem Anschlußansatz 172 verbunden und ein Leitungsdraht 178 so angelötet ist, daß er den Chromschicht-Ansatz 174 und den Chrom-Anschlußansatz 148 miteinander verbindet. In gleicher Weise sind die auf Druck beanspruchten Dehnungsmeßfühler 134, 136 durch einen Chromschicht-Ansatz 180 miteinander verbunden und enden in nicht belasteten Chromschicht-Ansätzen 182 bzw. 184, wobei ein Anschlußdraht 186 den Ansatz 182 und den Anschlußansatz 166 miteinander verbindet und wobei ein Anschlußdraht 188 den Ansatz 184 und den Anschlußansatz 150 miteinander verbindet. Wenn die Brückenanordnung in dieser Weise ausgebildet und geschaltet ist, so ist dem Fachmann klar, daß die verschiedenen Ausgangsleiter 152,154,162,168 und 176 eine Wheatstoneschc Brückenschaltung bilden, wie schematisch in Fig.4 gezeigt, wobei ein äußeres Nullabgleichpotentiometer 190 in der üblichen Weise zwischen den Ausgangslcitungen 162 und 176 vorgesehen ist. wenn gewünscht.

Zur besseren Übersichtlichkeit zeigt Fi g. 1 im Schnitt nur die Dehntingsmeßfühlcr 122, 136, wobei die angeschlossenen Chrorhansütze und Lcitcrabschnitte weggelassen sind.

Bezüglich eines geeigneten Herstellungsverfahrens für die in Fig.2 gezeigte Brückenanordnung wird darauf hingewiesen, daß dieselbe in der in uc\· US-Piitentschrift 30 71745 beschriebenen Art hergestellt werden kann, d. h. durch Verwendung einer mit Offnungen versehenen Blende, um das Niederschlagen der aktiven Abschnittsteile 122—136 zu bewirken, worauf eine zweite, mit öffnungen versehene Blende für die Niederschlagung der Chromschicht-Ansltt/.e 138, 140, 142, 148, 150, 156, 158, IW), 166, 170, 172, «74, 180. 182 und 184 verwendet wird und die verschiedenen Leitungsdrahte 144, 146, 152, 154, 162, 164, 168, 176, 178, 186 und 188 sodann an ihrer Stelle festgelötet werden. * »

Für den Fall einer Membran mit einer niittigcn Verdickung mit einem Μι-Verhältnis von 0,5 (wie sie

beispielsweise in den F i g. 1 und 2 dargestellt ist) zeigt die Berechnung, daß die drei radialen Spannungskoeffizienten L_n M_r und N_r sich in der in F i g. 3 gezeigten Weise verhalten, wobei die Koeffizienten M_r und N_r im jedem Fall mit dem Faktor 100 zur übersichtlicheren Darstellung multipliziert sind (in ähnlicher Weise, wie diese Koeffizienten in F i g. IC dargestellt sind).

Als Beispiel zum Zweck der Berechnung für einen Meßwertwandler mit einer am Rand gehaltenen Membran wird 6/3=0,5 und eine derartige Anordnung der auf Druck beanspruchten radialen Dehnungsmeßfühler (130, 132 und 134, 136) gewählt, daß sich diese

Dehnungsmeßfühler von r/a = 0,94 bis r/a= 1,00 erstrekken. Aus Fig.3 folgt sodann, daß die Mittelwerte der radialen Spannungskoeffizienten dieser jeweiligen Brückenarme sind

Lr = Mr =

0,48

-0,0039
-0.00055

Die Linearität des Ansprechens dieser auf Druck beanspruchten Brückenarme wird wie folgt wiedergegeben:

Tabelle I

Festgeklemmte Platte b/a = 0,5 Druckarni

	Lineare Biegung	Membranspannung	Nichtlineare Biegung	Relative Ausgangs	Nichtlinearität
				leistung	an der
					Klemme in %
1	0,480	-0.00390	-0,00055	0,47555
1,25	0,600	-0,00609	-0,00107	0,59284
1,50	0,720	-0,00877	-0.00186	0.70938
2,00	0,960	-0,01560	-0.00440	0.94000	0,59
2,50	'.,200	-0,02434	-0.00859	1,16707	0,80
3,00	1,440	-0,03510	-0.01485	1,39005	1,03
4,00	1,920	-0,06240	-0,03520	1,82240	1,58
5,00	2,400	-0,09750	-0,0687	2,23280	2,24
6,00	2,880	-0,1404	-0,118S	2,62080	3,05
8,00	3,840	-0,2496	-0.2816	3,30880	5,08

Wenn weiter beispielsweise angenommen wird, daß die auf Zugspannung beanspruchten Dehnungsmeßfühler (122, 124 und 126, 128) den von /-/3 = 0,50 bis r/a = 0,561 reichenden Bereich einnehmen, so sind gemäß Fig.3 die Mittelwerte der jeweiligen Spannungskoeffizienten:

Tabelle II

Festgeklemmte Pluttc, b/ii ·-· 0,5, Zugnrm L_r = 030
M_r = 0,0057
N_r = -0,00060

Die Linearität des Ansprechens dieser auf Zug beanspruchten Brückenarme wird wie folgt wiedergegeben:

(/	Lineare l)iu|>ung	Mcmbranspiinnung	Nichtlinciirc Biegung	Relative Ausgangs	Nichtlincuriinl
				leistung	an der
					Klemme in %
1	- 0,500	0,00570	0.(XK)W)	-0,50510
1,25	-0,625	0,00891	0,(X)117	0,63274
1,50	0,750	0,01282	O,(X)2()2	-0,76080
2,(X)	- 1,000	0,0228	0,(XM 80	-1.01800	0,38
2,50	1,250	0,03562	O1(XM 7	-1,27625	--0,42
3,(X)	1,500	0,05130	0,01620	1,53510	-0,40
4,(X)	2,000	0,09120	0,03840	-2,05280	-0,41
5,(X)	2,5(H)	0,1425	0,0750	2,56750	-0,29
6,(X)	.1,000	0,2052	0,12%	3,07560	-0,09
8,(K)	4,000	(1,3648	0,3072	-4,05760	+0,59

Wenn die Werte gemllü den beiden vorausgehenden Tabellen addiert werden, tun die volle BrUckcnatisgangslcislung (F i g. 4) zu /eigen, wird das Verhalten der Ausgangsleistung durch die folgende Tabelle wicdcrgc geben:

Tabelle IH

des Geräts, so daß

Festgeklemmte Platte, b/a = 0,5 vollständige Brücke Bereich =

y Druck	-Spannung	Gesamt	%
Relative	Relative	ausgangs
Ausgangs	Ausgangs	leistung
leistung	leistung

S_rinax /i² 0,75 ~iF~

(4)

0,47555
0,59286
0,70938
0,94000
1,16707
1,39005
1,82240
2,23380
2,62080
3,30880

0,50510
0,63274
0,76080
1,01800
1,27625
1,53510
2,05280
2,56750
3,07560
4,05760

0,98065 1,22558 1,47018 1,95800 2,44332 2,92515 3,87520 4,80130 5,69640 7,36640

0,08 0,16 0,26 0,53 0,89 1,35 2.60 Als numerisches Beispiel zeigt ein gegebener Wandler mit einem Meßbereich von 17,6kp/cm², a = 6,35 mm, Λ = Ο,277 mm und <7=2,39 eine Nichtlinearität von 2,35%.

Führt man die zu einem bestimmten Aufbau führenden Überlegungen so durch, daß die Ausgangsleistung fest bleibt, während die Nichtlinearität auf einen bestimmten Wert vermindert wird, indem das Gerät so ausgebildet wird, daß es ein kleineres a/h aufweist, wird der Faktor, um welchen der Bereich erhöht wird, durch die Formel gegeben:

„max =

Bereich u⁴

(5)

Die obigen Tabellen sind auf beliebige Werte von q, a und h anwendbar, vorausgesetzt, daß die radiale Abmessung der Dehnungsmeßfühler etwa der gleiche Bruchteil von a bleibt, wie bei dem angenommenen rechnerischen Beispiel.

Das Ansprechen der vollständigen Brücke gemäß Tabelle HI kann auf gleicher Basis verglichen werden, indem eine Spitzenbelastung von 6328 kp/cm², ein Faktor G von 2,0

Durch Elimination von a/h in den Gleichungen (3) und (5) erhält man

·>₅

_J0 q max =

(S, max)²

0,75² Bereich χ E '

(6)

(^G = "ν/

und stellt somit den Quotienten aus der relativen Widerstandsänderung zur relativen Dehnungsänderung dar) und eine Nichtlinearität von 1,35% angenommen wird. Daraus ergibt sich:

40 Es folgt, daß bei Konstanthaltung von Sr max zur Erzielung einer konstanten Ausgangsleistung der Bereich umgekehrt proportional zu q ist.

Eine Verminderung von q max von 2,35 auf 1,3 durch Veränderung des Geräts bedeutet ein Anheben des Bereiches auf

2,39
1,3

17,6(250) = 32,3kp/cm².

Tabelle IV	1/ max	iilh	Bereich	Ausgangs
Form				leistung
			kp/cnr	mV/V
	1,92	21,9	17,6	3,2
Membran ohne
Verdickung	6,00	33,4	10,1
Membran mit
Vcrdickunn
(/.Ai - 0,5)

Die Überlegenheit der Membranform mit Erhebung oder Verdickung ist augenscheinlich. Wenn das gleiche Gerät einen niedrigeren Nenndruck erhält, um die Ausgangsleistung auf 3,0 mV/V zu vermindern, beträgt der Meßbereich 5,8 kp/cm², die Belastung 3656 kp/cm² und die Klcmmennichtlincarität 0,34%.

Wird die festgeklemmte Platte gemäß Fig. IA und 1B als Beispiel genommen, so ist der Spitzenwert von L, 0,75 (Fig. IC) und der maximal zulässige Spannungswert kann S, max genannt werden. Dann ist

(MI

r/ max

0,75

.S'_rm;\x

(J'

(3)

Her entsprechende Wert von </ ist der Meßbereich Wenn bestimmte Überlegungen der Ausbildung eine maximale Linearität auch auf Kosten eines Verlusts an Ausgangsleistung notwendig machen, äst es verhältnismäßig vorteilhaft, den Beitrag der auf Druck beanspruchten Brückenarme zu vermindern oder sogar ganz auszuschalten, während die volle Ansprechbarkeit der auf Zug beanspruchten Arme aufrechterhalten wird. Dies hat seinen Grund darin, daß die auf Zug beanspruchten Arme bezüglich der Ansprcchlincaritäl den auf Druck beanspruchten Armen weit überlegen sind, wie aus einem Vergleich der Tabellen I und U zu entnehmen ist. Dies hat seinen Grund darin, daß die Membranspannung (M,) sich der Spannung in den auf Zug beanspruchten Armen addiert und in den auf Druck beanspruchten Armen subtrahiert.

Die auf Zug beanspruchten Arme können auf verschiedene Weisen so ausgebildet werden, daß sic clic Brückcnausgangsleistung beherrschen, wobei diese verschiedenen Weisen mit der Grundbedingung einer Aufrcchterhaltung des Brückenabglcichs verträglich sein müssen. Fig.5 zeigt eine solche Abänderung, wobei die auf Druck beanspruchten Arme der Brückenunordnung gemäß Fig. 2 gänzlich außerhalb der Membran ungeordnet und nicht belastet sind und lediglich die auf Zug beanspruchten Arme als aktive Arme verbleiben. Eine andere Ausführungsform ist in Fig.6 dargestellt, wobei die auf Druck beanspruchten Arme teilweise außerhalb der biegsamen Membran angeordnet und daher nur teilweise spannungscmpfindlich sind. F i g. 7 zeigt noch eine weitere solche Austührungsform, wobei die auf Druck beanspruchten

Arme auf die Mitte des biegsamen Membranringraums zu verschoben sind, um den Mittelwert L_rzu verringern und dadurch das A nsprechen dieser Arme auf Spannung zu vermindern.

Insbesondere sind in Fig.5, in welcher im übrigen Mernb'ranform und Brückenanordnung wie bei der Wandleranordnung gemäß F i g. 1 und 2 ausgebildet sind, die auf Zug beanspruchten Dehnungsmeßfühler (von denen nur die Abschnitte 122' und 128' in F i g. 5 gezeigt sind) radial zur Membran 116 angeordnet, so daß sie sich im wesentlichen am inneren Rand des biegsamen Ringbereichs derselben befinden (in gleicher Weise wie die auf Spannung beanspruchten Brückenarmabschnitte 122: bis 128 in Fig.2), während die der Druckspannung unterworfenen Brückenarmabschnitte in Fig.2 (d.h. die Abschnitte 130—136 in der Brückenanordnung gemäß F i g. 5) in radialer Richtung über die axiale Verlängerung der Klemmringwandung 113 hinaus verschoben sind, so daß sie sich vollständig außerhalb der biegsamen Ringmembran befinden und nicht einer Spannungsbelastung unterworfen sind. Zwei so angeordnete Armabschnitte sind in F i g. 5 bei 130' und 136' gezeigt. Bei dieser Anordnung und obwohl die Ausgangsleistung der Brückenschaltung halbiert ist, ist die Ansprechlinearität der Schaltung auf das Fünffache erhöht, wie aus einem Vergleich der Tabelle II und der Tabelle III hervorgeht.

Die in F i g. 6 [»ezeigte abgeänderte Brückenanordnung ist ebenfalls der in F i g. 2 gezeigten ähnlich mit der Ausnahme, daß in diesem Beispiel das Ansprechen der auf Druck beanspruchten Brückenarme vermindert ist, indem dieselben radial nach außen gerückt sind, so daß sie eine axiale Verlängerung der Klemmringwand 113 überdecken. Diese Anordnung ist in F i g. 6 bei den zwei mit 130" und 132" bezeichneten Armabschnitten gezeigt. In dieser Anordnung sprechen die Abschnitte 130" und 132" in den auf der biegsamen Membran gelegenen Teilen auf Spannungsbclastungen an und sind in den außerhalb der biegsamen Membran gelegenen Teiler, im wesentlichen nicht belastet. Bei diesen nur teilweise auf Spannungsbelastungen ansprechenden Brückcnarmabschnitten ist ihr 4Ä-Bcitrag zur Brückcnausgangsleistung (und dementsprechend ihr Beilrag zur Ausgangsnichtlinearität) geringer und die Gcsamtausgangslinearität der BrückcnschalUing ist verbessert, da die mehr linear ansprechenden auf Zug beanspruchten Armabschnittc 122, 124 die Ausgangsleistung beherrschen.

Die in F i g. 7 gezeigte Ausführungsform der Brückenanordnung hat ebenfalls die Verbesserung der Ausgangslincnritiit zum Zweck. Wenn die Brückenanordnimg in der in Fiig. 2 gezeigten Weise getroffen ist mit der Ausnahme, daß die auf Druck beanspruchten Abschnitte 130'" und 132'" nach innen gerückt sind, so daß sie gänzlich innerhalb in einem beträchtlichen Abstand von der axialen Verlängerung der Klemmringwandung 113 liegen. In dieser Lage sind diese BrUckcnurimibüchnittc 130'" und 132'", obwohl sie vollständig nuf Spannung ansprechen, so angeordnet, daß sie einen Mittelwert des radialen Spannungskocffiasicntcn L₁ besitzen, welcher wesentlich kleiner ist (beispielsweise die I llilfte) als der Mittelwert /,, in dem Fall, daß diese auf Druck bennspruchtcn Armabschnittc im wesentlichen am llußcrcn Rand der oicgsamcn Membran (d. h. im den von den Abschnitten 130, 132 in der Brückenanordnung gcmliß F i g. 2 eingenommenen Lagen) angeordnet sind. Wenn der vorherrschende radiale Spannungskocffi/.icnt dieser auf Druck beanspruchten Brückenarmabschnitte 130'" und 132'" auf diese Weise vermindert ist, ist der Beitrag dieser Arme zur Brückenausgangsleistung und zur Brückenaus· gangsnichtlinearität entsprechend vermindert, und die Gesamtansprechlinearität der so abgeänderten Brückenanordnung ist entsprechend erhöht.

Eine vollständig festgeklemmte Membran mit einer mitligen, von beiden Membranoberflächen vorspringenden Erhebung oder Verdickung kann ebenfalls verwendet werden. Eine typische Form einer solchen vollständig festgeklemmten Membran ist in Fig.8 dargestellt, wobei die Membran 210 durch einen Klemmring 212 vollständig festgeklemmt ist, der einstückig mit der Membran 210 ausgebildet ist und rechtwinklig aus beiden Oberflächen 216, 218 an den äußeren Rändern dieser Oberflächen sich erstreckt. Jede dieser Oberflächen 216, 218 ist so ausgebildet, daß sie eine mittige Erhebung oder Verdickung 220 bzw. 222 aufweist, so daß der biegsame Ringbereich der Membran 210 sowohl an seinem inneren als auch an seinem äußeren Rand tatsächlich vollständig festgeklemmt ist. Bei dem durch die Form von Membran und Erhebung oder Verdickung gemäß F i g. 8 erzeugieu mechanisch symmetrischen Festklemmen kann der biegsame Ringbereich der Membran in beiden Richtungen gebogen werden und spannungsempfindliche Brückenarme oder Brückenarmabschnitte können auf einer oder beider Oberflächen 216, 218 der Membran 210 und an Stellen entweder im wesentlichen am inneren Rand des biegsamen Membranteils oder im wesentlichen am äußeren Rand des biegsamen Membranteils oder an diesen beiden Randstellen angeordnet werden. Die Möglichkeiten für solche Brückenarmanordnungen sind gemeinsam in Fig.8

.15 durch die aktiven Brückenarmabschnitte 224, 226, ?28, 230,232,234,236,238 dargestellt. Wenn Dehnungsmeßfühler auf beiden Oberflächen der Membran 210 angeordnet sind und an sich bekannte Druckübertragungsmembranen 240, 242 zusammen mit der in den

•to Kammern 244 bzw. 246 enthaltene Flüssigkeit (beispielsweise öl) zum Einschließen der jeweiligen Membranoberllächen 216,218 und zum Übertragen des Belastungsdruckes auf die Membran 210 vorgesehen sind, ist die Belastungsfähijjkeit dieser Wandlerform in zwei Richtungen durch die Pfeile 248 und 250 angedeutet. Wenn positiver Druck in Richtung des Pfeiles 248 ausgeübt wird, biegt sich der biegsame Membranteil nach oben (betrachtet gemäß F i g. 8) und die Dehnungsmeßfühlcr 226, 228,232,238 werden cinei

so Zugspannung unterworfen, with rend die Dehnungsmeß· fühler 224, 230, 234, 236 einer Druckspannung unterworfen werden. Wenn umgekehrt ein posilivei Druck in Richtung ties Pfeils 250 ausgeübt wird, ist dct Spannungs/uslnnd in ilen verschiedenen Oehnungs-

ss mcßfühlcrn in jedem Fall umgekehrt.

Trotz der verhältnismäßig erhöhten l.inraritilt einei vollständig festgeklemmten Mcmbranform, wie sie be dem in Fig. 8 dargestellten Wandler verwendet wird wird eine solche Mcmbninform nicht für so vorteilhaf

(«1 gehalten wie eine halbfcstgcklcmmtc Mcmbranform, di eine vollständig festgeklemmte Ringmembran mi doppelter Erhebung oder Verdickung (beispielsweise die; Membran 210) viel schwieriger herzustellen ist insbesondere bezüglich der Ausbildung der Brücken

'¹S anordnung aiii derselben.

Fig.9 gibt eine hulblognritliniischc gniphischi Darstellung der radialen Spanmmgskocffi/icnlcn /,„ M und N, für verschiedene Werte von b/n im Bereich voi

0,1 bis 0,8 bei theoretisch vollständiger Festklemmung. Aus den in diesen Kurven gezeigten Daten ist zu entnehmen, daß bei Steigen des Verhältnisses b/a die Werte der nichtlinearen Koeffizienten M_rund N_r schnell wesentlich kleiner werden und daß ein verhältnismäßig großes Verhältnis b/a eine verhältnismäßig bessere Linearität ergibt. Diese Angabe wurde durch experimentelle Versuche mit einer Wandleranordnung untermauert, welche ein Verhältnis b/a von 0,75 aufweist, wobei die auf Zug und die auf Druck beanspruchten aktiven Arme in der in F i g. 2 gezeigten Weise angeordnet sind. Dieser Wandler zeigt einen so geringen Grad von Ansprechnichtlinearität, daß die Nichtlinearität durch zufällige Veränderungen überdeckt ist. Bei einem Endbelastungsdruck von 9.0 kp/cm*, einer Belastung mit normaler Ausgangsleistung, beträgt die Nichtlinearität des Wandlers weniger als 0,2%.

Das Verhältnis b/a soll im allgemeinen weniger als etwa 0,3 betragen, um eine wesentliche Verbesserung der Linearität zu erhalten, und dieses Verhältnis soll nicht mehr als 0,8 als praktische obere Grenze bezüglich des Aufbaus betragen. Diese obere Grenze wird durch Überlegungen bezüglich der Anforderungen an die Abmessungen der radial verlaufenden Brückenarmabschnitte und der Bearbeitungsschwierigkeiten festgelegt, welche auftreten, wenn die radiale Abmessung des biegsamen Ringbereichs der Membran verhältnismäßig klein gemacht wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Meßwertwandler mit einer Membran mit einem biegsamen Ringbereich, welcher eine starre, mittig angeordnete Verdickung aufweist, mit Einrichtungen zum Festhalten des äußeren Randes des biegsamen Ringbereichs und mit Dehnungsmeßfühlern, welche im wesentlichen auf dem biegsamen Ringbereich der Membran aufgebracht sind, und mit Einrichtungen zur gleichmäßigen Druckbelastung einer Oberfläche der Membran zwecks Durchbiegung derselben, dadurch gekennzeichnet, daß die mittige Verdickung zur Erzielung einer linearen Ansprechcharakterisiik über einen weiten Druckbeiastungsbereich mindestens zweimal so dick ist wie der biegsame Ringbereich und der Radius der Verdickung mindestens das 0,3fache des äußeren Radius des biegsamen Ringbereichs beträgt.

2. Meßwertwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius der starren Verdikkung zwischen dem 0,3fachen und dem 0,8fachen des Radius des biegsamen Ringbereichs beträgt.

3. Meßwertwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Dehmingsmeßfühler teilweise auf dem und teilweise außerhalb des biegsamen Ringbereichs der Membran liegt, so daß er weniger spannungsempfindlich ist als der andere Dehnungsmeßfühler.

4. Meßwertwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die starre Verdickung in axialer Richtung von den Innenrändern beider Oberflächen des biegsamen Ringbereichs vorsteht.