DE1773491A1 - Druckempfindliche Vorrichtung - Google Patents

Description

Patentanwälte

Dipl. In.-.C.WVl.-ch

Li. ing. G. Koch

Dr, T. Haibach

.8 Müchen2

Kaufingerstr. 8, Tel. 2402?ö

SPERBY BAND CORPORATION. New York. N.Y.. T.St.T.A. Druckeapfindliohe Torrichtung

Die Erfindung bezieht eich auf eine druekenpfindliche Torrichtung ssur Umwandlung το η Druck in eine Frequens»

Gemäß eines Aueftthrungebelspiel der Erfindung ist eine flache Menbran länge ihres Uafangs eingespannt und Druckdifferenzen «wischen ihren beiden Selten ausgesetzt. Für eine Anwendung» wo der absolute Druck geessen werden soll, wird die eine Seite der Meahran auf eines Bezugsdruck beispielsweise Takuua gehalten« DlfforcriialdrUcke können durch Toreehen getrennter Drucköffnungen BU ^eder Seite der Menbran geaeeeen werden· 31c Meabran ist so ausgebildet» daß si« auf nicht lineare Art steifer wird» je weiter sie aus ihre flachen unbeanspruchten Zustand durch den Druck des gesessenen Oases entfernt ri.rd, der auf die andere Seite der Meabran einwirkt. Die Menbran rerforat sieh für die ersten kleinen angelegten Druoksuwäohoe leicht» wenn der Druck aber ansteigt» wird die susäta11ehe Deforaatloa proportional gerlager. Betrachtet aan die Meabran ala ein Feder-Massesystea, so kana sie bei einer charakteristischen Eeeonanifrequen; angetrlooen werden» die eine funktion Ihrer Masse und Feder» Steifheit 1st· Wenn die Meabran aehr oder weniger durch die

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Druck&nder.ngen deformiert wird, eo ändert «loh ihre Steifheit und die mechanische Resonansfrequcns ändert eich als wahre Funktion des angelegten Jrucka. Soalt bealtst die einfache, flache Membran die gewttnechte Eigenschaft, daft eie wirklich einen Druckfrequensuawandler bildet, der für Anwendungen bei digitalen Luftdaten- und Htthenberlohtssysteaen geeignet ist·

Das beschriebene Aueftihrungebeieplel aiftt den Druck statt der ^ Dichte, wobei sein Frequensweeheel sieh aus einer Änderung dee mechanischen Federkoeffislenten der Membran infolge der Druokbelastung ergibt. Zudem beaitst ee eine Ausgangefrequetievariatloa, die in dem Entwurfadruokbereloh -vorhanden let, der für Anwendungen bei Luftdaten- und Huhenberiohtseysteaen you Interesse 1st·

V.'eitere Torteile und Blnselhelten der Erfindung ergeben sieh aus der Beschreibung eines Ausftthrungsbelspleles an Band der Zeichnung; in der Zeichnung zeigts

* Flg. 1 einen Schnitt eines DruokfUhlers alt vibrierender Membran, der als . bsolutdruok-FUhler dargestellt lstf

Flg. 2 ein schematieohes elektrisches Schaltbild - teilweiee als Blockschaltbild - des elektromechanischen OselUatorkrei-

sesf '

Fig. 3 eine typische Darstellung der Frequent abhängig vom gemessenen Druck.

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Ια Fig· 1 1st eine hohle rohrföraige Tragvorrichtung 2 gezeigt mit der eine kreisförmige» ebene* elastische llrtallaeBbren 1 längs ihres Umfange verschweigt ist) die Metalleembran lcana auch al3 Teil der Tragvorrichtung 2 ausgebildet sein. Sie Tragvorrichtung 2 ist au Basisteil 3 alt Hilfe von Dichtungen 4 luftdicht befestigt» um einen ersten luftdichten Hohlreim 5 zu bilden«, Der Hohlraum 5 kann durch ein Evakuierungsroir 6 evakuiert werden, welches sich durch das Basletell 3 un3 teilweifle durch einen zylindrischen Sockel 7 erstreckt, ua mit d

dem Hohlraum 5 in Verbindung eu stehen. Nach Evakuierung des

Hohlraumes 5 wird das Ende den Bohres 6, welches sich von der

•vie
Basis 3 nach außen erstreckten/gezeigt, abgedichtet, ua sin Bezugsvakuum Innerhalb des Holilrauees 5 auf einer Seite der Ilembran 1 zu bilden. Eine hohle "ohrförmige Abdeckung β 1st zur Definition eines zweiten luftdichten Hohlraums 9 luftdicht an der Basis 3 befestigt. Lin Druckrohr 10 erstreckt si'jh dxrch die Basis 3 und steht alt dem Hohlraum 9 in Verbindung und -erzeugt auf der anderen Seite d«>r Membran 1 einen zu messimden Luftdruck P. "

ur.fcer Druck stehende Luft über das Rohr 10 in den Hohlraum 9 eingelassen wird, so wird die Ilembran 1 verbogen oder deformiert (wie dies mit gestrichelten Linien angedeute ; itrfc) und wird steifer, wenn sie auf ihrem ebenen oder unbeaniipruchten - in durchgehend*»»? Linien dargestellten - Zustand ausgelenlct wird Diese Eigenschaft eier uich ändernden Steifheit bewirkt, daß die

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mechanische Resonansfrequenz der Membran eich alt dta angelegten Druck ändert.

Eine Spule und Hagnetanordnung 11 dient sun Anlegen einer Antriebskraft an die Membran ι. Ein kleiner sylindrleoher Peraaaentaagnet 12 let Blttele eines Rlngnagnetgehäuaee 13 la Zentrue der Heabrmn 1 und but Bewegung mit dieser innerhalb des Hohlräume 5 angeordnet· Eine Antriebe- und AbfUhlspule 14 let an einen Ende dee Soekele | 7 in «usammenwirkender koaxiAer Besiehung alt den Ilagneten 12 und den Hagnetgehäuse 13 angeordnet. Durch Anlegen ein·· variablen elektrischen Signale an die Spule 14 schwingt (vibriert) dl· Membran 1 mit der Antrlebsfrequens. Das l/andleraaepreohen erreicht dann eine Resonansepitse, wenn die Antriebefrequeuegleleh der mechanischen Resonanzfrequenz der Heabran 1st» die duroh den Über Rohr 10 angelegten Druck bestiaat 1st. Es let daher muglloh, die Antriebs- und AbfUhlepule 14 in einer RUckkopplungeeohaltung - wie sie in Flg. 2 geaelgt let- derart eu eohalten, daB die bei

12 "■"■'.·■

der Bewegung des Magneten/besüglloh der Spule 14 ermeugte "Bücksum Eingang des AntriebeTeretärkere 14 Burüokgekoppelt wird.

Die Klemmen der Spule 14 sind mittel· Leitungen 18 über aiaedloh- £ tungen 24 in der Basis 3 mit einer BrUckenechaltung 19 (**«· 2) verbunden. Der Ausgang der Brüokeneohaltung 19 1st alt dem Eingang des Verstärkers 16 verbunden, um das Rüok-EMK.-Signal tu verstärken und um es an die Spule 14 über die Brückeneohaltung 19 ⁱ als Antriebssignal anzulegen. Auf diese V/else arbeitet die geschlossene Schleifeaaohaltung 17 ale elektromechanischen Selbet-

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mit der
resonanz-Osi&lllator, der/Bugenbllckllchen Resonanzfrequenz der · Membran 1 schwingt. Die Ausgangsgröße des Verstärkers 16 wird duroh einen Ausgangsverstärker 20 welter verstärkt, um «In verstärktes Signal zu erzeugen, dessen Prequenz eine Punktion des Druckes 1st; dieses Signal wird einer Nutzsehaltung, beispielsweise einem Zähler 21 zugeführt·

Zum genauen Ausgleichen der Brückeneohaltung 19 kann eine einen weiteren Zweig der Brückenaohaltung 19 bildende Spule 22 ebenfall· " im Hohlraum 5 angeordnet werden, um daduroh der glelohen Umgebung wie die Spule 14 ausgesetzt zu seln.Dle Klemmen der Spule 22 können in ähnlicher V/eise über Leitungen 23 duroh die Olasdlohtungen 24 mit der Brüokenschaltung 19 verbunden sein.

Sie Arbeltswelse des Druckfühlβrs mit schwingender Membran basiert auf den grundsätzlich nicht linearen Charakteristiken einer flachen eingespannten elastischen Membran und kann mathematisch erläutert werden. Eine ebene Membran wird - wenn die Verbiegung ansteigt - ä steifer und diese Änderung der Steifheit oder "Pederkooetaaten" bewirkt, daß sich die Resonanzfrequenz als Punktion der Verbiegung ändert · In der folgenden Ableitung let- um Reeonanzoharakterietiken zu erhalten - angenommen, daß die Sohwlngungsamplltude gegen* über der Membrandioke klein let, damit da· Problem al« Linear- _# tedermeeeesyetem behandelt werden kann und die folgend· Standarddifferentialglelohen anwendbar letι

) M

P & + k_f

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«*·* ^iet ._ -A

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II >B_e -*- V_n * wlrkeaae Meabranaaaee pine Hesse der

IIagnetanordnung P * Dänpfungekoefflslent k_f* Kraftfederkonstante I₀= BIL * Spitzenwert der Antriebskraft der Spult

· Yibratioaererbieguug la 3«ntxua B s Ilagnetfluödichte L * Drahtlänge der Spule I & Aatrlebeatroii der Spul·

_f (t) « ^U χ οοβ (Wt- ψ)

tan"¹ *

1 -

wobei ÜA _o die une*diiapfte natürliche frequeas de» Syatea» und P_Q der Koefflsleat für die krltleohe Plfpfum Ut. Der Oeeohwindl«kelteauedruok let

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"fyk_f x Wain (CJ t - Ψ ) *

^ _ι/2

P"

Aus den VerschiebxuigB- und (toeohwlndlgkeltsauedrUoken ist zu ersehen» daß

£(t)« - S ix) cot (ωχ-ψ)

Der Iu den Abftitaler durch die RelatiTbtwegung der Spul· und des Magnetfeldes erseugte Stroa (i) let 1 - M, ^ (t) _f

wobei H der Spulenwlderetand ist. Setzt »an diesen Wert in

dea Ausdruck für die HeBbremrerechiebung ^ ein» so er-

hai ^ man

i(t) « - IR cot (CJt - ψ)

(Null- Indizes bzelchnen Spitzenwerte)·

Zur Vorhersage der üesonanzfrequenz der druokbelasteten

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~ 8 - . ■■ · ■'£■

lesen '■'{''

Membran/ getrennte Theorien fttr sowohl kleine al· auoh groBe Verschiebungen kombiniert werden· Bei der Theorie kleiner Ver- ,

sohlebungen ist die Scher- und Blegebeanapruchung in der Membran ·:

erforderlich, ua die Druokbelaetung tu unterstütien, während 7 in der Theorie fttr große Verschiebung die Behnungebeanapruohung

der Membran die Belastung unterβtütet. In der kombinierten Theorie 1

wird die Belastung^le Suaae ron cwel TeildrUoken betrachtet. t

Der Ausdruck

P₁ m 16Eh³

3(1 -

stellt die Bedingungen fttr Biegebeanepruohungen (kleine Tersohiebung) dar» während der Ausdruck

P₂

(0.662)V

die Bedingung fttr Sehnungabeanspruehung (große Verschiebungen)
darstellt.

Die gesamte kombinierte Belastung wird demnach ausgedrttekt dureh

P«P, + P« ■

h?£i I 16 + __ i_,__ Si

dabei let

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b« der Membranradius h * die Meabrandloke

F * die auf die Membran einwirkende Druekbelastung E * der ELaetizitätemodul dee Menbranwerketoffa V~ die PoIeeotische Zahl für den Membranwerkatoff

Den Druckfederkoeffizienten der Membran erhält nan durch Differentiation der obigen Gleichungs

K * ^dP " ^E h ³ ( 16

3(1 -^) (0.662)

vobel A_Ä die wirkeaae Fläche der Membran let. ?Ur aehr kleine e

Tr 2 Verschiebungen, A » U b » let

/ 4 + 2

I 3(1-/) 4 (O.

662

Dieee Gleichung beechxelbt die V/irkung der Veraohlebung auf die PederkonBtante. Diese Änderung der Federkonetante 1st für die Änderung der Reeonansfrequens bei Druokbelaetungeänderungen ▼erantwortlloh· Die ungedäspfte natürliche Prequene des Llneareyetene lat ι

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wenn

dann let f μ 1

E h

4 (0.662)⁵

lib

P*

Diese Gleichung beschreibt susanaen alt der GIelohung für den Druck als Funktion der Verschiebung dl· JDruok~7requens~ funktion des Sohwlngaeabran-Druckftihler··

Von. einem Entwurfaatandpunkt aus gesehen» wird der Membran werkstoff in erster Linie la Hinblick auf alnlaale Hysteresiaeigenschaften ausgewählt. Ua die erwünschten Eigenschaften su erhalten» wird «In Meaabranwerkstoff alt einea alnlaalen Koeffizienten, innerer Reibung gewählt. Erwägungen hlnelohtlieh der Größe und des Frequensberelcha führt·» unter Berücksichtigung der obigen Erwägungen r,ur Wahl einer Bexllllu· - Kupfer-Heabran von elnea lioll (2,54ca) Burohaeasar und 0_r005 Seil

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(1,27 χ 10 ca) 3>leke₉ ua die im der graphischen Darstellung gemäß Flg. 3 geseigten Ergebaieae.su erhalten. Ee kann auch eine Legierung mit konstantes Slaetlsltätemodul wie beleplelswelee Hi - Span 0 sur Auebildung der Membran verwendet werden» und wird eine Auegangefunktion ergeben» die derjenigen τοη Berilllum-Kupfer ähnelt· Die Verwendung eines derartigen Materials vermindert Fehler infolge der Temperaturempfindllohkelt eehr stark.

Gemäß dem beschriebenen AusfUhrungsbeiapiel wurde ein Magnet verwendet» der eich Bit der Membran bewegt und mit einer befestigten Spule suaammenarbeitet. Ea wird jedoch daraufhingewiesen» daß auch andere Möglichkeiten sum Antreiben und Feetetellen

und

der Reeonansbewegung der Membran möglich sind ,/beispielsweise folgende Vorrichtungen aufweisen kttnneni

1) Eine bewegliche Spule und ein festliegender Magnet» ähnlich dem in der USA-Patentschrift 2 764 019 gezeigtem die genannte USA-Patentschrift 1st am 25. September 1956 ausgegeben worden und hat den Titel "Vibration measuring device¹ und läuft auf den Hamen Linkholm et al.

2) Elektrostatischer Antrieb mit variabler Kapaeitatsfeststellung.

3) Techniken mit beweglichem Anker.

4) P:.i,relektrische Techuiken.

Patentansprüche t 109826/0278

Claims (1)

1. . _m3491 j

   /1J Druckempfindliche Torrichtung der Bauart mit einer elastischen ^; ^S Membran, die durch Einrichtungen in Schwingungen rersetst wird, ' gekennseiohnet duroh swel Hohlräume (5»9)» durch die Membran (1) derart getrennt sind, &w ein Differential- ι druck auf der Membran herrscht und deren Deformation bewirkt, ^;

   ■1 womit eine daraus folgende Änderung in der Eeaoaanafrequena

   in der Membran rerbunden 1st, wobei die Torrlohtungen (It)» I ( welche die Membran in Schwingungen rersetzen, derart ausgebildet sind, daß sie bewirken, daß die Membran mit ihrer augenblickliche ti Eesonansfrequeue schlugt, und dafi die Torrlohtungen (11) ebenfalls ein Auegangssignal erzeugen, welohee ein· frequens besltst, die eine Punktion des erwähnten Differentialdruoks 1st.

   2· Torrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennaelohnat« daß der eine Hohlraum (5) einem bekannten Besugsdruok ausgesetst 1st, und defl der andere Hohlraum (9) dam au acesenden Druck ausgesetst 1st.

   3. Torrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennselohnet, dafi die Meabran (1) nur längs Ihres ünfangs befestigt ist.

   4* Vorrichtung nach einem der Aneprttohe 1 bis 3» daduroh g e kennzelchaet, daß die Meabrac (1) aus einem Werkstoff mit im weseatllchou konstanten ElastlcltHtsmodul besteht·

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   5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet* daß die Schwingvorrichtungen (11) eine Spule (14) und einen Permanentmagneten (12) aufweisen, von denen der eine von der Membran (1) und der andere an einem feststehenden Bauteil (7) derart befestigt 1st, daß die Relativbewegung zwischen beiden sowohl die Antriebeschwingung ΓλΙο auch eine Abftthlfimkticn erzeugt.

   6» Torrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet^ dal) die Spule (14) in einen Zwoig einer Brückeneohaltung (19) liegt, deren Ausgang nach Art einer Rückkopplung geschaltet 1st, um «ine Eigenresonanii-Oezillatorschaltung zu bilden·

   7· Torrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Zweig der Brücke (19) eine svelte Spule (22) aufweist, die der ersten Spule (14) gleicht ä

   und dergleichen Umgebung wie diese ausgesetzt 1st, üb so die Brückenechaltung in auegewogenen Zustand zu halten.

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