DE1648764A1

DE1648764A1 - Druckwandler

Info

Publication number: DE1648764A1
Application number: DE19671648764
Authority: DE
Inventors: Moffatt Elbert Marston
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1966-11-07
Filing date: 1967-11-07
Publication date: 1971-06-09
Also published as: SE338446B; GB1138987A; DE1648764B2; US3405559A; FR1546836A

Description

München, den 7.11.196? Hein Zeichen« 2 -

Beschreibung BU der Patentanmeldung der

United Aircraft Corporation, 400 Main Street« Saat Hartford, Connecticut 06108, U.S.A.

betreffend
"Druckwandler*

Priorität: 7. November 1966 - U.S.A.

Die Erfindung bezieht eich auf Druckwandler und betrifft insbesondere einen genauen kapazitiven Druckwandler, der verhältnismäßig unbeeinflußt von äußeren Faktoren, wie der Temperatur und Schwingungen, arbeitet.

kapazitiven Druckwandlern wird der Druck gewöhnlich auf eine Membran wirken lassen, welche einen Beleg eines Kondensators trägt, wobei sich die Membran sodann von einer zweiten Kondensatorplatte, die feststehend oder auslenkbar sein kann, fort- oder hinbewegt. Die Auelenkung einer Platte eines Kondensators in Bezug auf die andere bewirkt eine Kapazitätsänderung. Der Kondensator ist mit

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einer Detektorschaltung verbunden» etwa einer auf Frequenzänderungen ansprechenden Schaltung, so daß eine Änderung der Kapazität aufgrund der Auslenkung der Membran in ein elektrisches Signal umgewandelt wird, welches »it den zu messenden Druck in direkter Beziehung steht. Bei derartigen Wandlern widersteht die Membran dem angewandten Druck aufgrund ihrer eigenen Festigkeit. Die mechanischen Eigenschaften von Membranen spielen daher eine überragende Bolle bezüglich des Ausgangssignalee des Wandlers· PUr eine genaue Messung sollten die Temperaturkoeffizienten, die Hysteresis und die Kriechdeformlerung auf einem minimalen Wert gehalten werden« um reproduzierbare Hessergebnisse zu erhalten·

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Druckwandler zu schaffen» der eine um etwa eine Größenordnung höhere Genauigkeit als die bekannten Druckwandler aufweist und dessen Tenperaturabhängigkeit auf einem minimalen Wert gehalten ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe umfaßt der Druckwandler nach der Erfindung eine Meßkapsel aus einem spröden Material, etwa geschmolzenem Quarz, und enthält eine Membran mit einem sehr kleinen mechanischen Hysteresefaktor und niedriger Kriechdeformierung, so daß genau reproduzierbare Messungen möglich sind. Außerdem ist die Membran so beschaffen, daß Vibrationen und Besohleunigungsfehler erster Ordnung kompensiert werden.

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Die Erfindung ist im folgenden anhand schemat lecher Zeichnungen an einem Ausführungsbeiapiel ergänsend beschrieben.

Figur 1 ist ein Querschnitt durch den Druckwandler nach der Erfindung;

Figur 2 ißt ein Schnitt länge der Linie 2-2 von figur 1;

Figur 1 zeigt den Druckwandler in einen zylindrischen Gehäuse 1o mit einem Anschluß 12 für den zu »essenden ^

Druck.Die Wände des Gehäuses to begrenzen eine Kammer 28, in der der zu messende Druck herrscht. Innerhalb des Gehäuses ist in nachgiebigen R iigen 14 eine zylindrische Drucl·meßkapsel 16 untergebracht. Die nachgiebigen B£nge 14 halten die Pruclcmeßkapsel 16 konzentrisch Innerhalb des Gehäuses 1o und können beispielsweise Metallfedern sein oder aus Styroporschaum oder einem anderen geeigneten Material gegossen sein, um die Kapsel 16 innerhalb des Gehäuses 1o zu unterstützen und gegen Stöße und Vibrationen zu schützen.

Die Kapsel 16 umfaßt zwei konzentrische Zylinder 18 und sowie Stirnplatten 22 und 24 aus einem spröden Material, etwa geschmolzenem Quarz. Die Kapsel 16 bildet eine dichte P.esugskammer 26, und der zu messende Druck P₁ wird an die äußere Oberfläche der Kapsel 16 innerhalb der Kammer 28 angelegt. Gemäß Figur 1 ist der äußere Zylinder 18 verhältnismäßig dünn und biegt sich unter dem hohen äue- '

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seren Druck P₁ gegen den inneren Zylinder So. Der äußere Zylinder 18 wirkt daher als Membran zwischen der Kam» mer 28 und der Bezugskammer 26. Der innere Zylinder 2o ist an den Stellen 48 perforiert, um einen Druckausgleich zu schaffen, so daß die Wände desselben sich nicht verbiegen können* Durch Sinbeziehen des Volumens innerhalb des Zylinders 2o in das Ringvolumen zwischen den Zylindern 18 und 2o wird eine größere Bezugskammer gebildet, die einen stabileren Bezug&druck Pq aufrecht erhält, wenn die äußere Membran 18 sich verbiegt· Auf der Inneren Oberfläche des äußeren Zylinders 18 ist eine elektrisch leitende Schicht 3o angebracht, die die eine Kondensatorbelegung eines variablen Kondensators bildet. In ähnlicher v«eise ist auf die äußere Oberfläche des inneren Zylinders 2o eine zweite elektrisch leitende Schicht 32 angebracht, die die zweite Kondensatorplattenbelegung bildet. Die elektrisch leitenden Schichten können aus irgend einem entsprechenden Material hergestellt sein, z.B. aus Platin, und auf die Oberflächen der Zylinder durch Eüektroplatierung, Aufdampfung, Aufsprühen aufgebracht oder in der. Oberfläche sonstwie eingebettet sein.

Wenn ein Druck P₁ an den Druckwandler gelegt wird, verbiegt eich der verhältnismäßig dünne äußere Zylinder 18 nach innen. Dadurch wird die auf dem Zylinder befindliche leitende Schicht 3o näher an die elektrisch leitende Schicht 32 der gegenüberliegenden Kondensatorbelegung

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gebracht» und zwar in Abhängigkeit von dem Druckunterschied P₁ - Pq an dem äußeren Zylinder 18, Dadurch erhöht sich die Kapazität zwischen den beiden Platten entsprechend der allgemeinen Formel C = k. A worin C die Kapazität, k eine Proportionalitätakonstante, A die Fläche der Platten und d der Abetand zwischen den Platten ist. Um die Kapazitätsänderung feststellen zu können, sind elektrische Leitungen 34 und 36 mit den Plattenbelegungen verbunden. Biese leitungen verbinden den Kondensator wiederum mit einer frequenzempfindllohen Schaltung 33. Bei Kapazitätsänderungen des Wandlers ändert sich die Abstimmung der Schaltung, und ein Detektor liefert ein demoduliertes Auegangssignal· Das Auegangssignal läßt sich dann an den Leitungen 4o und 42 an ein Heßinstrument weiterleiten, welches direkt in Druckwerten geeicht ist. Um die Eingangsimpedanz der Schaltung 38 hochzuhalten, 1st es günstig, die Kapazität der Leiter zu verringern, in_vdem die Schaltung so dicht wie möglich an die Kondensatorplatten gelegt wird· Aue diesem Grund ist gemäß dem Ausführungsbeispiel die Schaltung 38 innerhalb der Kammer 26 unter,, ebracht. Um die Kammern 26 und 28 dichtzuhalten, sind hermetische GlasdurchfUhrungen 44 und 46 verwendet, durch die die Leitungen 4o und 42 in der Vfend der Kapsel 16 und deß Gehäuses 1o hindurohtreten. In Abänderung kann die Schaltung auch außerhalb der Kapsel 16 angeordnet sein,

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und die Leitungen 34 und 36 können dann direkt von den leitenden Schichten durch die GlaedurchfEhrungen 44 und 46 an die Schaltung 38 geleitet werden.

Bei einer anderen abgeänderten Ausführungeform ist der äußere Zylinder 18 perforiert,und lediglich der innere Zylinder 2o ist dann abgedichtet, wobei die Wände dee Zylinders 2o die Membran bilden. Bine derartige Konstruk tion weist eine Besugskammer von geringerem Volumen auf, jedoch ist die Zahl der zur Abdichtung erforderlichen Verbindungen und dergleichen verringert. Das Auegangesignal eines derartigen Wandlers weist einen umgekehrten Phasengang auf wie bei dem zuerst beschriebenen Wandler, da die Kondensatorplatten sich bei Erhöhung des Druckes voneinander entfernen.

wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin· daß die koaxialen Zylinder 18 und 2o aus einem spröden (brittle) Material bestehen. Ein sprödes Material coil in diesem Zusammenhang ein solches Material sein, welches einen vollkommen linearen Zusammenhang der Dehnung von der Spannung zwischen dem unbeanspruchten Zustand und dem Bruch aufweist. Diese Stoffe weisen keinen Fließbereieh der Deformation auf und haben eine geringe mechanische Hysterese und geringe Kriechfaktoren· Beispiele für derartige Stoffe sind geschmolzener Quarz, Aluminiumoxyd, Berylliumoxyd und ein Glas, etwa Pyrex.

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Die Hysterese kann definiert werden als die bei eine« zwischen positiven und negativen Werten verlaufenden Beeinepruchungszyklus verbrauchte Energie· Die Hysterese macht eich dadurch bemerkbar, daß in der Spannungs-Debnungekurve die beiden Kurvenäste nicht «ueaeaaenfallen. Dieser Faktor läßt eich in den selben Ausdrücken meeeen wie die Dämpfungßcharakteristik des Materials, die VIskosität. Diese wird von dem Dämfpungsmaß eines Toreionspendeis abgeleitet, das aus den zu untersuchenden Material besteht und im Vakuum schwingt. Geschmolzener | Quarz beispielsweise hat eine Viskosität von 0,001 ι 10 ' poise, während ein Metall niedriger Viskosität, etwa Hiekel, einen Viskositatewert von 1,65 χ 10 ⁷ poise aufweist.

Bei Wandlern, bei denen sich die Membran verbiegt und das Ausgangssignal von der Grude der Verbiegung abhängt, muß die mechanische Hysterese so klein wie nOgllch gehalten werden, um eine hohe Heproduzierbarkeit der Messungen zu erreichen. Die zurückbleibende Verbiegung bei der Membran eines kapazitiven Druckwandlers ergibt ei» nen Restfehler bei der Messung. Die Formel C = k. A zeigt die Bedeutung des Abstandes zwischen den Kondensatorplatten. Bei einem Meßgerät für hohe Genauigkeit zerstört der Hysteresefehler die linearität· Ein weiterer Grund für die Verwendung eines spröden Materials als Membran in kapazitiven Druckwandlern ist der Vorteil der hystereseunabhängigen Eigenschaften, so daß

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dadurch bedingte übliche Reetfehler vermieden Bind.

Die zweite Eigenschaft dieeer spröden Materialien, dl« sie für die Verwendung in genauen Druckwandlern geeignet erscheinen läßt» ist die geringe Kriechdeforaation dieeer Stoffe. Die Blende eines Wandlere kann zun Beispiel längere Zeit einem steten Druck ausgesetzt sein« Da die Auslenkung der Membran bei einem kapazitiven Wandler und der Wert des Druckes, dem die Membran ausgesetzt ist, als proportional angenommen sind, sollte die Auslenkung und die Widerstandskraft der Membran auch proportional sein. Die Krieohdeformation bewirkt jedoch eine dauernde Streckung der Membran, wodurch sie sich in zunehmendem Maße ausbiegt, ohne, daß die dem Druck entgegengesetzte Kraft zunimmt· Dadurch ändert sich der Ablesewert des Instrumentes ohne eine entsprechende Druckänderung. Hysterese und Kriechdeformation haben zwar ähnliche Wirkungen, jedoch tritt die Hysterese in dynamischen und die Kriechdeformation in verhältnismäßig statischen Zuständen auf« Bei Verwendung eines spröden Materials für einen Druckwandler nach der Erfindung ergibt sich daher eine sowohl von Hysterese als auch von Kriecherscheinungen freie Umwandlung .

Trotz der wünschenswerten Eigenschaften spröder Materialien steht diese Eigenschaft in Widerspruch zu der erforderlichen Flexibilität einer Membran bei Kapazitäts-

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druckwandler^ Diese Materialien brechen vielmehr oberhalb bestimmter Spannungskonzentrationen· Sie sind ausserdem wesentlich veniger auf Zug beanspruchbar als auf Druck. Daher ist es wesentlich, daß das Material so gestaltet wird, daß es im wesentlichen einer gleichmässigen Druckbeanspruchung unterworfen wird« Die Druckmeßkapsel 16 ist daher aus konzentrischen Zylindern zusammengesetzt. Venn der Druck P₁ an die Kapsel 16 gelegt wird, verformt sich die Membran 18 (äußerer Zylinder) λ

nach innen und ergibt daher eine fast gleichmäßige Druckkraft. Auf diese Weise wird das spröde Material in Idealer Weise beansprucht. Sine ungleichmäßige Beanspruchung tritt jedoch an den Enden der Membran auf, diese läßt sich jedoch berechnen und es läßt sich zeigen, daß die dabei auftretenden Zugspannungen innerhalb zulässiger Werte liegen·

Die Form der Membran spielt also bei Verwendung eines spröden Materials eine wesentliche Rolle, Die Kapsel 16 " verwendet wegen der leichten Herstellung «Ine zylindrische Fora. Es läßt sich jedoch auch eine kugelförmige Kapsel verwenden, da ein außen auf dl· konvexe Oberfläche der Kugel wirkender Druck ebenfalls eine gleichmäßige Druckbeanspruchung des Materials hervorruft· Natürlich lassen sich auch andere gekrümmte Oberflächen verwenden, wenn nur der zu messende Druck auf dl« konvexe Oberfläche des Materials wirkt, während die konkave Oberfläche dem niedrigeren Druck ausgesetzt ist.

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Dae Material wird dann in wesentlichen unter Druck gesetzt.

Die Kaminer 26 1st vorzugsweise evakuiert, um eine positive Druckdifferenz von der Innen- zur Außenseite der Membran 18 zu erlangen. In diesem Pail ist die Druckdifferenz * P₁ - Fq und da P₀ verschwindet, erhält man mit einem derartigen Instrument also eine Anzeige des absoluten Druckes. Die Membran 18 ist immer dem höheren Druck von außen ausgesetzt, so daß das Material der Membran 18 immer unter Druck steht.

Geschmolzener Quarz 1st wegen mehrerer Eigenschaften tür Kapazitäts-Druckwandler besonders geeignet. Dieses Material hat einen Wärmedehnungskoeffizienten, der 1/20 desjenigen von Stahl beträgt. Auch die Änderung des Elastizitätskoeffizlenten der Temperatur ist etwa halb so groß wie die von Stahl. Vegen der wünschenswerten Temperatureigenschaften von geschmolzenem Quarz wird dieser daher vorzugsweise verwendet. Bei Verwendung anderer Stoffe lassen sich beispielsweise Übliche Konpensiernetzwerke hinzufügen.

läßt sich noch in vielerlei Hineicht abändern und anders ausbilden. Beispielsweise kann ein zweiter Druckanschluß vorgesehen sein zwischen der Bezugskammer und einer zweiten Druckquelle. Das Instru-

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ment eeigt sodann die Different der zweiten Druckwelle und des Prüfdruckte P₁ an. Bel dieser Aueführungefora ist es vorzuziehen, daß der niedrigere Druck auf dl« Kammer 26 gegeben wird, um übermäßige Zugspannungen in der Membran 18 su vermeiden· Unter diesem Umstand wird die Membran 18 nach Innen auegelenkt und ergibt eine Druckbelastung des Materials·

Der äußere Zylinder 18 und der Innere Zylinder 18 sowie ( die Stirnplatten 22 und 24 sind bei den dargestellten Ausftihrungebeispiel aus geschmolzenen Quarz hergestellt· Biese Teile lassen sich in einem Elektronenstrahlschweißverfahren miteinander verbinden. Sodann bilden sämtliche wesentlichen Bauteile einen einzigen Körper aus geschmolzenem Quarz. Diese Bauart weist den Vorteil auf« daß keine ungleichen Materialien mit ungleichen Wärmedehnungekoeffizienten verwendet sind, so daß durch Temperaturänderungen keine Wärmespannungen innerhalb des Materials auftreten können. Da geschmolzener Quarz einen sehr geringen WärmedehnungekoeffIelenten aufweist, bleiben die Abmessungen der Kapsel ziemlich konstant. Dies ist deswegen von Bedeutung, well ein kapazitiver Druckwandler bei Änderungen der Dimensionen auch eine Änderung der Kapazität zwischen den leitenden Schichten 3o und 32 ergibt. Schließlich sei noch erwähnt, daß das Material zur Verbindung der einzelnen Teile die gleiche niedrige Hysterese aufweist wie die übrige Kapsel.

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Han kann die Zylinder 18 und 2o sowie die Stirnplatten 22 und 24 jedoch auch mit einer dünnen Schicht aue Bleilot oder mit einem feuerfesten Zement .ssvriechen den anelnandergrenzenden Flächen miteinander verbinden. Diese Verfahren sind veniger kompliziert und weniger kostspielig als das Elektronenstraiilschweißverfahren.

Es lassen eich dünne Halbkugeln, etwa aus Kupfer» an die Enden des QuarζZylinders 2o anstelle.der Stirnplatten 22 und 24 anlöten oder befestigen. Die ,innere Oberfläche der Halbkugeln sollte nach außen zeigen, um dem auf die äußere Oberfläche der Kapsel 16 wirkenden Druck F₁ an günstigsten zu widerstehen. Bei .Verwendung dünner metallener Halbkugeln sind die Enden der Zylinder abgedichtet, jedoch treten durch die Wärmedehnung der dünnen Halbkugeln keine wesentlichen Spannungen in dem Zylinder 2ο auf.

Der Druckwandler nach der Erfindung ist unempfindlich gegenüber Beschleunigungen und Vibrationen erster Ordnung« Dies rUhrt daher, daß eine Beschleunigung in der vertikalen Ebene von Figur 1 beispielsweise bewirkt« daß die obere Hälfte des Zylinders 18 sich näher an den Zylinder 2o heranbewegt, so dafc der Abstand zwlsehen den Schichten 3o und 32 in diesem Bereich kleiner wird. In der unteren Hälfte bewegen sich jedoch die Zylinder 18 und 2o und damit die leitenden Sehich-

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ten 3o und 32 voneinander fort, so daß dadurch eine Kompensation erreicht wird. Eine Beschleunigung In der horizontalen Ebene hat keine V.irkung auf die leitenden Schichten 3o und 32· Der Druckwandler let daher nicht nur durch die nachgiebigen Ringe 14 gegen Beschleuni gungen geschützt, sondern weist auch eine in «einer Konstruktion liegende Kompensationswirkung auf, so dmfi Fehler aufgrund von Beschleunigungen und Vibrationen verringert sind.

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Claims

Patentansprüche

1. Kapazitiver Druckwandler, nit einem auf Brück ansprechenden Element aus einem spröden Material» gekennzeichnet durch ein Gehäuse (1o) mit einer Hoehdruckkanmer (28) und einer Niederdruckkaamer (26), die beide durch eine konvexe Membran (18) aus einem spröden Material voneinander getrennt sind, welche innerhalb des Gehäuses angebracht ist und durch Druckänderungen in den Kammern deformierbar ist, wobei die konvexe Oberfläche der Membran der Hochdruckkammer zugewandt ist, durch eine erste Kondensatorbelegung (3o) in Form einer elektrisch leitenden Schicht auf der Membran und durch eine zweite Kondensatorbelegung (32) in Form einer elektrisch leitenden Schicht auf einem der Membran gegenüberstehenden Teil, so daß die beiden Kondensatorbelegungen (3o, 32) einen auf Druckänderungen in den Kammern ansprechenden variablen Kondensator bilden«

2. Druckwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die konvexe Membran Teil einer Kapsel Bit einer spröden, duroh Druck deformierbaren Wandung mit einer

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konkaven Innenfläche und einer konvexen Außenfläche ist» daß die konvexe Außenfläche einen Druoketröaungemittel ausgesetzt ist und eine der Oberflächen «ine elektrisch leitende Schicht aufweist» die die durch Druck deformierbare erste Platte βineβ variablen Kondensators bildet, und daß eine zweite Platte desselben im Abstand von der ersten Platte angeordnet ist.

3. Druckwandler nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapsel einen äußeren und einen inneren Zylinder (13, 20) aufweist, die konzentrisch zueinander angeordnet in der Hochdruckkamner (28) angebracht sind, daß der äußere Zylinder (18) als Membran ausgebildet ist und an seinen Enden abgedichtet ist und die liederdruckkammer (26) begrenzt, in der ein Strömungemittel unter einem niedrigeren Druck als dein zu messenden Druck steht, daß die Wand des äußeren Zylinders (18) aus einem spröden Material mit einer Viskosität von höchstens 0,001 " x 10 ⁷ poise hergestellt ist, und daß der äußere Zylinder (1S) eine erste elektrisch leitende Schicht (3C) und der innere Zylinder (20) eine zweite elektrisch leitende Schicht (32) aufweist, welche die Kondeneatorbelegungen bilden.

4. Druckwandler nach Anspruch 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinder (18, 20) aus geschmolzenem Cuarz bestehen.

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5. Druckwandler nach Anspruch 1 "bis 4» dadurch gekennzeichnet, daß der innere Zylinder (2C) dickwandiger ausgebildet ist. als der äußere Zylinder (18), daß die Stirnflächen des inneren Zylinders (20) durch Stirnplatten (22, 24) hermetisch abgeschlossen sind und daß die aus den Zylindern (18, 20) gebildete Einheit in nachgiebigen Halterungen (14) in dem Gehäuse (10) gehalten ist.

6. Druckwandler nach Anspruch 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß in der Niederdruckkammer (26) eine Schaltung (38) zum Messen von Kapazitätsänderungen untergebracht ist»

7. Druckwandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußleitungen der Schaltung (38) über Glasdurchführungen (44» 46) nach außen geführt sind.

8. Druckwandler nach Anspruch 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß der innere Zylinder (20) perforiert ist.

9. Druckwandler nach Ansi-ruch 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitenden Schichten (30, 32) an den einander zugewandten Oberflächen des inneren und äußeren Zylinders (18, 20) angebracht sind.

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