DE1648764B2

DE1648764B2 - Kapazitiver druckwandler

Info

Publication number: DE1648764B2
Application number: DE19671648764
Authority: DE
Inventors: Elbert Marston Glastonbury Conn Moffatt (V St A )
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1966-11-07
Filing date: 1967-11-07
Publication date: 1972-01-27
Also published as: FR1546836A; DE1648764A1; GB1138987A; US3405559A; SE338446B

Description

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Die Erlindimg betrifft einen kapazitiven Druckwandler mit einer druckempfindlichen gekrümmten Membran, welche in einem Gehäuse zwischen einer Hochdruckkammer und einer Niederdruckkammer Angeordnet ist. wobei die Membran ein erstes Kondcnliitorglird bildet, dem ein zweites Kondensatorglicd In dem Gehäuse im Abstand gegenübersteht.

Es ist bereits bekannt, derartige Druckwandler mit Mctallmcmbranen. etwa aus Stahl, herzustellen. \Vegcn der hohen Wärmedehnungszahl, der starken mechanischen Hysterese und des Auftretens von Fiießerscheinungen bei hoher Belastung weisen solche Druckwandler nur eine mäßige Genauigkeit auf.

Es ist auch bereits bekannt, zylindrische Membranen für Druckwandler zu verwenden. Durch diese Maßnahme allein läßt sich jedoch auch keine wesentlich höhere Meßgenauigkeit erzielen.

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 Temperaturgang minimal ist.

Die Lösung dieser Aufgabe ist darin zu sehen, daß bei dem eingangs genannten kapazitiven Druckwandler die Membran aus einem spröden Material besteht und ihre konvexe Oberfläche in an sich bekannter Weise der Hochdruckkammer zugewandt ist.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel ergänzend beschrieben.

F i g. 1 ist ein Querschnitt durch den Druckwandler nach der Erfindung;

F i g. 2 ist ein Schnitt längs der Linie 2-2 von Fig. 1.

F i g. 1 zeigt den Druckwandler in einem zylindrischen Gehäuse 10 mit einem Anschluß 12 für den zu messenden Druck. Die Wände des Gehäuses 10 begrenzen eine Kammer 28, in der der zu messende Druck herrscht. Innerhalb des Gehäuses ist in nachgiebigen Ringen 14 eine zylindrische DruckmeH-kapsel 16 untergebracht. Die nachgiebigen Ringe 14 halten die Druckmeßkapsel 16 konzentrisch innerhalb des Gehäuses 10 und können beispielsweise Metallfedern sein oder aus Styroporschaum oder einem anderen geeigneten Material gegossen sein, um die Kapsel 16 innerhalb des Gehäuses 10 zu unterstützen und gegen Stöße ur>'l Vibrationen zu schützen.

Die Kapsel 16 umfaßt zwei konzentrische Zylinder 18 und 20 sowie Stirnplatten 22 und 24 aus einem spröden Material, etwa geschmolzenem Quarz. Die Kapsel 16 bildet eine dichte Bezugskammer 26. und der 711 messende Druck P_x wird an die äußere Oberfläche der Kapsel 16 innerhalb der Kammer 28 angelegt. Gemäß Fig. 1 ist der äußere Zylinder 18 verhältnismäßig dünn und biegt sich unter dem hohen äußeren Druck P₁ gegen den inneren Zylinder 20. Der äußere Zylinder 18 wirkt daher als Membran zwischen der Kammer 28 und der Bezugskammer 26. Der innere Zylinder 20 ist an den Stellen 48 perforiert, inn einen Druckausgleich zu schaffen, so daß die Wände desselben sich nicht verbiegen können. Durch Einbeziehen des Volumcns innerhalb des Zylinders 20 in das Ringvolumen zwischen den Zylindern 18 und 20 wird eine größere Bezugskammer gebildet, die einen stabileren Bezugsdruck P_n aufrechterhält, wenn die äußere Membran 18 sich verbiegt. Auf der inneren Oberfläche des äußeren Zylinders 18 ist eine elek.risch leitende Schicht 30 angebracht, die die c'nc Kondensatorbelegung eines variablen Kondensators bildet. In ähnlicher Wci?c ist auf die äußere Oberfläche des inneren Zylinders 20 eine zweite elektrisch leitende Schicht 32 angebracht, die die zweite Kondensatorplattenbelegung bildet. Die elektrisch leitenden Schichten können aus irgendeinem entsprechenden Material hergestellt sein, z. B. aus Platin, und auf die Oberflächen der Zylinder durch Elcktroplaticrung. Aufdampfung. Aufsprühen aufgebracht oder in der Oberfläche sonstwie eingebettet sein.

Wenn ein Druck P₁ an den Druckwandler gelegt wird, verbiegt sich der verhältnismäßig dünne äußere Zylinder 18 nach innen. Dadurch wird die auf dem Zylinder befindliche leitende Schicht 30 näher an die elektrisch leitende Schicht 32 der gegenüberliegenden Kondensatorbelegung gebracht, und zwar in Abhängigkeit von dem Druckunterschied P_x-P₀ an dem äußeren Zylinder 18. Dadurch erhöht sich die Kapazität zwischen den beiden Platten entsprechend der

allgemeinen Formel C — k · ^ , worin C die Kapazität, k eine Proportionalitätskonstante, A die Fläche der Platten und d der Abstand zwischen den Platten ist. Um die Kapazitätsänderung feststellen zu können, sind

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elektrische Leitungen 34 und 35 mit den Plattenbeleguiigen verbunden. Diese Leitungen verbinden den Kondensator wiederum mit einer frequenzemplindliclicii Schaltung 38. Bei Kapazitätsänderungen des Wandlers ändert sich die Abstimmung der Schaltung, und ein Detektor liefert ein demoduliertes Ausgangssiunal. Das Ausgangssignal läßt sich dann an den Leiumgen -K! und 42 an ein Meßinstrument weiterleiten, welches direkt in Druckwerten geeicht ist. Um die ι ingangsimpedanz der Schaltung 38 hochzuhalten, i^i es günstig, die Kapazität der Leiter zu verringern, indem die Schaltung so dicht wie möglich an die Konden-aiorplatten gelegt wird. Aus diesem Grund ist gemäß dem Ausführungsbeispiel die Schaltung 38 innerhalb der Kammer 26 untergebracht. Um die kimirern 26 und 28 dicht zu halten, sind hennetische i."ihi-cliirchführungen44 und 46 verwendet, durch die liie Leitungen 40 und 42 in der Wand der Kapsel 16 um.! des Gehäuses 10 hindurchtreten. In Abänderung k. .η die Schaltung auch außerhalb der 'Capsei 16 an- p Jnet sein, und die Leitungen 34 und 36 können ei. η direkt von den leitenden Schichten durch die (.:.;■ üurchführungen 44 und 46 an die Schaltung 38 ί Liict werden.

■ei einer anderen abgeänderten Ausführungsform i .!er äußere Zylinder 18 perforiert, und lediglich der iipvre Zylinder 20 ist dann abgedichtet, wobei die ^v· lüde des Zylinders 20 die Membran bilden. Eine der-.;;ge Konstruktion weist eine Bezugskammer von Lvringerem Volumen auf. jedoch ist die Zahl der zur Abdichtung erforderlichen Verbindungen u.dgl. verringert. Das Ausgangssignal eines derartigen Wandlers .«eist einen umgekehrten Phasengang auf wie bei dem zuerst beschriebenen Wandler, da die Kondensatorplatten sich bei Erhöhung des Druckes voneinander entfernen.

f-in wesentliches Merkmal der Erfindung besteht dann, daß die koaxialen Zylinder 18 und 20 aus einem spröden Material bestehen. Ein sprödes Material soll in diesen Zusammenhang ein solches Material sein, welches einen vollkommen linearen Zusammenhang der Dehnung von der Spannung zwischen dem unbcanspruchttn Zustand und dem Bruch aufweist. Diese Stoffe weisen keinen Fließbereich der Deformation auf up el haben eine geringe mechanische Hysterese .md geringe Kriechfaktoren. Beispiele für derartige Stoffe .-,ind geschmolzene! Quarz. AIuminiumoxyd. Berylliiimoxyd und ein Glas.

Die Hysterese kann definiert werden als die bei einem zwischen positiven und negativen Werten verlaufenden Uccinspruchungszykliis verbrauchte Energie. Die Hysterese macht sich dadurch bemerkbar, daß in der SpaniHings-Dcl.nungskurve die beiden Kurvcnäste nicht zusammenfallen. Dieser Faktor läßt sich in denselben Ausdrücken messen wie die Dämpi'ungscharaktcristik des Materials, die Viskosität. Diese wird von dem Dämptungsmali eines Torsionspendels abgeleitet, das aus dem zu untersuchenden Material besteht und im Vakuum schwingt. Geschmolzener Quarz beispielsweise hat eine Viskosität von 0,001 · 10~^e Poise, während ein MeIaII niedriger Viskosität, etwa Nickel, einen Viskositätstvert von 1,65 · 10" „ Poise aufweist.

Bei Wandlern, be. 'Jenen sich die Membran verbiegt und das Alisgangssignal von der Größe der Verbiegung abhängt, muß dii; mechanische Hysterese so klein wie möglich gehalten werden, um eine hohe Reproduzierbarkeit der Messungen zu erreichen. Die zurückbleibende Verbiegung bei der Membran eines kapazi tiven Druckwandlers ergibt einen Restl'ehler bei der Messung. Die Formel C = k · ' zeigt die Bedeutung

des Abstandes zwischen den Kondensatorplatten. Bei

einem Meßgerät für hohe Genauigkeit zerstört der Hysteresefehler die Linearität. Ein weiterer Grund für die Verwendungeines spröden Materials als Membran in kapazitiven Druckwandlern ist der Vorteil der hystereseunabhängigen Eigenschaften, so duß dadurch

ίο bedingte übliche Restfehler vermieden sind.

Die zweite Eigenschaft dieser spröden Materialien, die sie für die Verwendung in genauen Druckwandlern geeignet erscheinen läßt, ist die geringe Kriechdeformation dieser Stoffe. Die Blende eines Wandlers kann

z. B. 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 pronortional angenommen sind, sollte die Auslenkung unJ die Widerstandskraft der Membran auch proportional sein. Die Kriechdeformation 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 Drückänderung. Hysterese und Kriechdeformation haben zwar ähnliche Wirkungen, jedoch trir 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 im Widerspruch zu der erforderlichen Flexibilität einer Membran bei Kapazitätsdruckwandlern. Diese Materialien brechen vielmehr oberhalb bestimmter Spannungskonzentrationen. Sie sind außerdem wesentlich weniger auf Zug beanspruchbar als auf Druck. Daher ist es wesentlich, daß das Material so gestaltet wird, daß es im wesentlichen einer gleichmäßigen DruckLeanspruchung unterworfen wird. Die Druckmeßkapsel 16 ist daher aus konzentrischen Zylindern zusammengesetzt. Wenn der Druck P_x an die Kapsel 16 gelegt wird, verformt sich die Membran 18 (äußerer Zylinder) nach innen und ergibt daher eine fast gleichmäßige Druckkraft. Auf diese Weise wird das spröde Material in idealer Weise beansprucht. Eine ungleichmäßige BeanrpruchunE 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 Rollt·. Die Kapsel 16 verwendet wegen der leichten Herstellung eine zylindrische Form. Es läßt sich jedoch auch eine kugelförmige Kapsel verwenden, da ein außen auf die konvexe Oberfläche der Kugel wirkender Druck eben-

falls eine gleichmäßige Druckbeanspruchung des Materials hervorruft. Natürlich lassen sich auch andere gekrümmte Oberflächen verwenden, wenn nur der zu messende Druck auf die konvexe Oberfläche des Materials wir'r.t, während die konkave Oberfläche dem niedrigeren Druck ausgesetzt ist. Das Material wird dann im wesentlichen unter Druck gesetzt.

Die Kammer 26 ist vorzugsweise evakuiert, um eine positive Druckdifferenz von der Innen- zur Außenseite

der Membran 18 zu erlangen. In diesem Fall ist die Druckdifferenz P, P_n, und da P_n 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 ist wegen mehrerer Eigenschaften für Kapazitäts-Druckwandler besonders geeignet. Dieses Material hat einen Wärmcdehnungskoefh'zienten. der ¹Z₂₀ desjenigen von Stahl beträgt. Auch die Änderung des Elastizitätskoeffizienten der Temperatur ist etwa halb so groß wie die von Stahl. Wegen d r wünschenswerten Temperalureigenschaften von geschmolzenem Quarz wird dieser daher vorzugsweise verwendet. Bei Verwendung anderer Stoffe lassen sich beispielsweise übliche Kompensiernetzwerke hinzufügen.

Der Druckwandler läßt sich noch in vielerlei Hinsicht abändern und anders ausbilden. Beispielsweise kann ein zweiter Druckanschluß vorgesehen sein zwischen der Bezugskammer und einer zweiten Druckquelle. Das Instrument zeigt sodann die Differenz der zweiten Drtickquelle und des Prüfdruckes P₁ an. Bei dieser Ausführungsform ist es vorzuziehen, daß der niedrigere Druck auf die Kammer 26 gegeben wird, um übermäßige Zugspannungen in der Membran 18 zu vermeiden. Unter diesem Umstand wird die Membran 18 nach innen ausgelenkt und ergibt eine Druckbelastung des Materials.

Der äußere Zylinder 18 und der innere Zylinder 18 sowie die Stirnplatten 22 und 24 sind bei dem dargestellten Ausfiihrungsbeispie! aus geschmolzenem Quarz hergestellt. Diese Teile lassen sich in einem Elektronenstrahlsch'.veißverfahren 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 Wärmedehnungskoeffizienten verwendet sind, so daß durch Temperaturänderungen keine Wärmespannungen innerhalb des Materials auftreten können. Da geschmolzener Quarz einen sehr geringen Wärmedehnuneskoeffizienten aufweist, bleiben die Abmessungen der Kapsel ziemlich konstant. Dies ist deswegen von Bedeutung, weil ein kapazitiver Druckwandler bei Änderungen der Dimensionen auch eine Änderung der Kapazität zwischen den leitenden Schichten 30 und 32 ergibt. Schließlich sei noch erwähnt, daß das Material zur Verbindung der einzelnen Teile die gleiche niedrige Hysterese aufweist wie die übrige Kapsel.

Man kann die Zylinder 18 und 20 sowie die Stirnplatten 22 und 24 jedoch auch mit einer dünnen Schicht aus Bleilot oder mit einem feuerfesten Zement zwischen den aneinandcrgrcn/cndcn Flächen miteinander verbinden. Diese Verfahren sind weniger kompliziert und weniger kostspielig als das Elektronenstrahlschweißverfahren.

Hs lassen sich dünne Halbkugeln, etwa aus Kupfer. an die Enden des Quarzzylinders 20 an Stelle der Stirnplatten 22 und 24 anlöten oder befestigen. Die innere Oberfläche der Halbkugeln sollte nach außen /eisen.

um dem auf die äußere Oberfläche der Kapsel 16 wirkenden Druck P₁ am günstigsten zu widerstehen. Bei Verwendung dünner metallener Halbkugcln sind die Enden der Zylinder abgedichtet, jedoch treten durch die Wärmedehnung der dünnen Halbkugeln keine wesentlichen Spannungen in dem Zylinder 20 auf. Der Druckwandler nach der Erfindung ist unempfindlich gegenüber Beschleunigungen und Vibrationen erster Ordnung. Dies rührt daher, daß eine Beschleunigung in der vertikalen Ebene von Fig. I beispielsweise bewirkt, daß die obere Hallte des Zylinder«. 18 sich näher an den Zylinder 20 heranbewegt, so daß der Abstand zwischen den Schichten 30 und 32 in diesen Bereich kleiner wird. In der unteren Hälfte bewegen sich jedoch die Zylinder 18 und 20 und damit die leitenden Schichten 30 und 32 voneinander fort, so daß dadurch eine Kompensation erreicht wird. Eine Beschleunigung in der horizontalen Ebene hat keine Wirkung auf die leitenden Schichten 30 und 32. Der Druckwandler ist daher nicht nur durch die nachgiebigen Ringe 14 gegen Beschleunigungen geschützt, sondern weist auch eine in seiner Konstruktion liegende Kompensationswirkung auf. so daß Fehler auf Grund von Beschleunigungen und Vibrationen verringert sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

1999

Claims

Patentansprüche:

1. Kapazitiver Druckwandler mit einer druckempfindlichen gekrümmten Membran, weiche in einem Gehäuse zwischen einer Hochdruckkammer und einer Niederdruckkammer angeordnet ist, wobei die Membran ein erstes Kondensatorglied bildet, dem ein zweites Kondensatcrglied in dem xj Gehäuse im Abstand gegenübersteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (18) au? einem spröden Material besteht und ihre konvexe Oberfläche in an sich bekannter Weise der Hochdruckkammer (28) zugewandt ist.

2. Druckwandler nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Membran aus geschmolzenem Quarz besteht.

3. Druckwandler nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß auf die innere Oberfläche der Membran (18) eine FCondensatorbelegung (30) aufgebracht ist.

4. Druckwandler nach Anspruch 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß die Membran aus einem an beiden Enden abgedichteten Zylinder (18) besteht und daß das zweite Kondensatorglicd ein weiterer, perforierter Zylinder (20) ist. der im Innern des Zyl^;->riers (18) angeordnet ist.

5. Druckwandler nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet, daß der perfoiierte Zylinder (20) ebenfalls aus einem spröden Matrial besteht und daß die Kondensatorbelegung (32) desselben auf die äußere Mantelfläche aufgebracht ist.

6. Druckwandler nach Anspruch 1 bis 5. dadurch gekennzeichnet, daß das spröde Material eine Viskosität von höchstens 10 ^I2 Poise hat.

7. Druckwandler nach Anspruch 4 bis 6. dadurch gekennzeichnet, daß der perforierte Zylinder (20) an den beiden Enden geschlossen ist und daß die geschlossenen Enden (22. 24) gleichzeitig die Abdichtung des äußeren Zylinders bilden.