DE1773491B2 - Druckempfindliche Vorrichtung mit einer elastischen Membran - Google Patents

Description

Metallmembran 1 längs ihres Umfangs verschwelst ist; die Metallmembran kann auch als Teil der Tragvorrichtung 2 ausgebildet sein. Die Tragvorrichtung 2 ist am Basisteil 3 mit Hilfe von Dichtungen 4 luftdicht befestigt, um einen ersten luftdichten Hohlraum 5 zu bilden. Der Hohlraum 5 kann durch ein Evakuierungsrohr 6 evakuiert werden, welches sich durch das Basisteil 3 und teilweise durch einen zylindrischen Sockel 7 erstreckt, um mit dem Hohlraum 5 in Verbindung zu stehen. Nach Evakuierung des Hohlraumes 5 wird das Ende des Rohres 6, welches sich von der Basis 3 nach außen erstreckt, wie gezeigt, abgedichtet, um ein Bezugsvakuum innerhalb des Hohlraumes S auf einer Seite der Membran 1 zu bilden. Eine hohle rohrförmige Abdeckung 8 ist zur Definition eines zweiten luftdichten Hohlraumes 9 luftdicht an der Basis 3 befestigt Ein Druckrohr 10 erstreckt sich durch die Basis 3 und steht mit dem Hohlraum 9 in Verbindung und erzeugt auf der anderen Seite der Membran 1 einen zu messenden Luftdruck P.

Wenn unter Druck stehende Luft über das Rohr 10 in den Hohlraum 9 eingelassen wird, so wird di& Membran 1 verbogen oder deformiert (wie dies mit gestrichelten Linien angedeutet ist) und wird steifer, wenn sie aus ihrem ebenen oder unbeanspruchten — in durchgehenden Linien dargestellten — Zustand ausgelenkt wird. Diese Eigenschaft der sich ändernden Steifheit bewirkt, daß die mechanische Resonanzfrequenz der Membran sich mit dem angelegten Druck ändert

Eine Spule und Magnetanordnung 11 dient zum Anlegen einer Antriebskraft an die Membran 1. Ein kleiner zylindrischer Permanentmagnet 12 ist mittels eines Ringmagnetgehäuses 13 im Zentrum der Membran 1 und zur Bewegung mit dieser innerhalb des Hohlraums S angeordnet Eine Antriebs- und Abfühlspule 14 ist am einen Ende des Sockels 7 in zusammenwirkender koaxialer Beziehung mit dem Magneten 12 und dem Magnetgehäuse 13 angeordnet Durch Anlegen eines variablen elektrischen Signals an die Spule 14 schwingt (vibriert) die Membran 1 mit der Antriebsfrequenz. Das Wandleransprechen erreicht dann eine Resonanzspitze, wenn die Antritbsfrequenz gleich der mechanischen Resonanzfrequenz der Membran ist, die durch den fiber Rohr 10 angelegten Druck bestimmt ist Es ist daher möglich, die Antriebs- und AbfOhlspule 14 in einer Rückkopplungsschaltung — wie sie in F i g. 2 gezeigt ist — derart zu schalten, daß die bei der Bewegung des Magneten 12 bezüglich der Spule 14 erzeugte »Rück-EMK« zum Eingang des Antriebsverstärkers 16 zurückgekoppelt wird.

Die Klemmen der Spule 14 sind mittels Leitungen 18 über Glasdichtungen 24 in der Basis 3 mit einer Brückenschaltung 19 (Fig. 2) verbunden. Der Ausgang der Brückenschaltung 19 ist mit dem Eingang des Verstärkers 16 verbunden, um das Rück-EMK-Signal zu verstärken und um es an die Spule 14 Ober die Brückenschaltung 19 als Antriebssignal anzulegen. Auf diese Weise arbeitet die geschlossene Schleifenschaltung 17 als elektromechanischer SetbstresonanzOszillator, der mit der augenblicklichen Resonanzfrequenz der Membran 1 schwingt Die Ausgangsgröße des Verstärkers 16 wird durch einen Atisgmgsventlrker 20 weiter verstärkt, um ein verstärktes Signal zu erzeugen, dessen Frequenz eine Funktion des Druckes ist; dieses Signal wird einer Wi'tzschaltung, beispielsweise einem Zähler 21 zugeführt

Zur Aufrechterhaltung des Abgleicht der Brückenschaltung 19 bei sich ändernden Umgebungsbedingungen kann eine einen weiteren Zweig der Brückenschaltung 19 bildende Spule 22 ebenfalls im Hohlraum 5 angeordnet werden, um dadurch der gleichen Umgebung wie die Spule 14 ausgesetzt zu sein. Die Klemmen der Spule 22 sind über Leitungen 23 durch die Glasdichtungen 24 mit der Brückenschaltung 19 verbunden.

Die Arbeitsweise des Druckfühlers mit schwingender Membran basiert auf den grundsätzlich nicht linearen Charakteristiken einer flachen eingespannten eleastischen Membran und kann mathematisch erläutert werden. Eine ebene Membran wird — wenn die Verbiegung ansteigt — steifer und diese Änderung der Steifheit oder »Federkonstanten« bewirkt, daß sich die Resonanzfrequenz als Funktion der Verbiegung ändert In der folgenden Ableitung ist — um Resonanzcharakteristiken zu erhalten — angenommen, daS die Schwingungsamplitude gegenüber der Membrandicke klein ist, damit das Problem als Linearfedermassesystem behandelt werden kann und die folgende Sr^adarddifferentialgieichung anwendbar ist:

Mi) + on + lift) — F₀COSiHt .

dabei ist

rn_e+m_m=wirksame Membranmasse plus Masse

der Magnetanordnung,
ρ = Dämpfungskoeffizient,
kf = Federkonstante,
F₀-= B-L- /= Spitzenwert der Antriebskraft der Spule,

δ - Vibrationsverbiegung im Zentrum,
B = Magnetflußdichte,
L = Drahtlänge der Spule,
/ = Antriebsstrom der Spule.

\l,\- F₀ ■ m ■ COS(„,t - ψ)

Γ(4-

ι ν «'*

ψ = tan

wobei α>ο die ungedämpfte Eigenfrequenz des Systems und Qc der Koeffizient für die kritische Dämpfung sind.
Der Geschwindigkeitsausdruck ist

— F₀ ■

— ψ)

Aus den Verschkbungs- und Geschwindigkeitsausdrücken ist zu ersehen, daß

Der in dem Aufnehmer durch die Relativbewegung der Spule und des Magnetfeldes erzeugte Strom (^ist

wobei R der Spulenwiderstand ist Setzt man diesen

Wert in den Ausdruck für die Membranverschiebung δ man durch Differentiation der obigen Gleichung: ein, so erhält man _{k =}*L₌E£ ( 16 3λ" ν

0(0=--?- co«M-_v-) ' ^d'^y ** V 3(ΠΓ?> ⁺ (0.662)^

wobei Ae die wirksame Fläche der Membran ist Für sehr kleine Verschiebungen.

worin *=Spitzenwert von i.

Zur Vorhersage der Resonanzfrequenz der druckbelasteten Membran müssen getrennte Theorien für sowohl kleine als auch große Verschiebungen kombiniert werden. Bei der Theorie kleiner Verschiebungen ist die Scher- und Biegebeanspruchung in der Membran erforderlich, um Hi? OnirjcKplflctnno 711 unterstützen während in der Theorie für große Verschiebung die Dehnungsbeanspruchung der Membran die Belastung unterstützt. In der kombinierten Theorie wird die Belastung als die Summe von zwei Teildrücken betrachtet.

Der Ausdruck

I6E/I-V

in dem 6' die Auslenkung der Membranmitte ist, stellt die Bedingungen für Biegebeanspruchungen (kleine Verschiebung) dar, während der Ausdruck

P, =

(0.662J^J/>*

die Bedingung für Dehnungsbeanspruchung (große Verschiebungen) darstellt.

Die gesamte kombinierte Belastung wird demnach ausgedrückt durch

P=P₁+^ =

rV Γ 16 1_ ,Y¹I

ϊ [3(T-I²) ⁺ (0.662)' 7i^TJ

E/rV
fr

dabei ist

b = der Membranradius,
h — die Membrandicke,

P = die auf die Membran einwirkende Druckbelastung,

E = der Elastizitätsmodul des Membranwerkstoffs,
ν = die Poissonsche Zahl für den Membranwerkstoff.

Den Druckfederkoeffizienten der Membran erhält

3 ^\
L662)' h¹ ) '

4(0.662)-'

Diese Gleichung beschreibt die Wirkung der Verschiebung auf die Federkonstante. Diese Änderung der

1 bUVinvlUWIHI. U>C IUI UIW rillUVIUItg 141»! IVVdVliaiUllb' quenz bei Druckbelastungsänderungen verantwortlich. Die ungedämpfte natürliche Frequenz des Linearsystems ist:

'=2

wenn

dann ist

^f * Vb

M = . .ih¹ ho +

Eh³

4 3

J(T-V²I ⁺ 4(0.662)

,Y>\
P W)

Diese Gleichung beschreibt zusammen mit der Gleichung für den Druck als Funktion der Verschiebung

η die Druck-Frequenzfunktion des Schwingmembran-Druckfühlers.

Von einem Entwurfsstandpunkt aus gesehen, wird der Membranwerkstoff in erster Linie im Hinblick auf minimale Hysteresiseigenschaften ausgewählt Um die erwünschten Eigenschaften zu erhalten, wird ein Membranwerkstoff mit einem minimalen Koeffizienten innerer Reibung gewählt Erwägungen hinsichtlich der Größe und des Frequenzbereichs führten unter Berücksichtigung der obigen Erwägungen zur Wahl eines Berilüum-Kupfer-Membran von einem Zoll (2,54 cm) Durchmesser und 0,005 Zoll (1,27 χ 10~² cm) Dicke, um die in der graphischen Darstellung gemäß F i g. 3 gezeigten Ergebnisse zu erhalten. Es kann auch eine Legierung mit konstantem Elastizitätsmodul wie beispielsweise Ni-Span C zur Ausbildung der Membran verwendet werden, und wird eine Ausgangsfunktion ergeben, die derjenigen von Berillium-Kupfer ähnelt Die Verwendung eines derartigen Materials vermindert Fehler infolge der Temperaturempfindlichkeit sehr stark.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Einrichtung zum Antrieb der Membran steuert Diese Patentansprüche: bekannte Vorrichtung weist einen relativ komplizierten mechanischen Aufbau auf, so daß die Herstellungsko-

1. Druckempfindliche Vorrichtung mit einer sten relativ hoch sind. Weiterhin ergibt die Verwendung elastischen Membran, die einstöckig mit einem Ende 5 eines Mikrophons oder eines kapazitiven Aufnehmers eines rohrförmigen Bauteils ausgebildet und so eine erhöhte Empfindlichkeit gegen äußere mechaniangeordnet ist, daß zwei Kammern gebildet werden, sehe oder elektrische Beeinflussungen, die in vielen so daß ein Druckunterschied zwischen diesen beiden Fällen störend ist

Kammern eine Verformung der Membran und eine Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine sich daraus ergebende zugehörige Änderung der 10 vereinfachte druckempfindliche Vorrichtung der einResonanzfrequenz der Membran hervorruft und mit gangs genannten Art zu schaffen, deren Herstellung einer elektromagnetischen Einrichtung zum Antrieb geringere technologische Schwierigkeiten aufweist
der Membran derart, daß sie mit ihrer momentanen Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst. Resonanzfrequenz schwingt und über einen Aufneh- daß ein Permanentmagnet nebst Spule zugleich die roer ein elektrisches Ausgangssignal liefert, dessen 15 elektromagnetische Einrichtung und den Aufnehmer Frequenz eine Funktion des Druckunterschiedes ist, bilden.

dadurch gekennzeichnet, daß ein Perma- Durch diese Ausgestaltung der druckempfindlichen

nentmagnet (12) nebst Spule (14) zugleich die Vorrichtung ergibt sich ein besonders einfacher Aufbau

elektromagnetische Einrichtung und den Aufnehmer und auf Grund der Verwendung des die elektromagneti-

bilden. 20 sehe Einrichtung zum Antrieb der Membran bildenden

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- Permanentmagneten nebst Spule als Aufnehmer ergibt zeichnet, daß die Spule (14) in einen Zweig einer sich weiterhin eine hohe Störsicherheit der druckemp-Brückenschaltung (19) eingeschaltet ist, deren fmdlichen Vorrichtung.

Ausgang in Rückkopplungsweise derart beschaltet Es ist zwar bereits bekannt (Literaturstelle »Freiburist, daß eine selbstschwingende Oszillatorschaltung 25 ger Forschungshefte«, C130, Geophysik, 1962, Seiten 88 gebildet wird bis 91) zur Eichung von Seismometern die Seismometer-

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn- spule eines elektrodynamischen Tauchspulensystems zeichnet, daß ein anderer Zweig der Brückenschal- gleichzeitig sowohl zur Schwingungsanregung als auch tung (19) eine zweite Spule (22) einschließt, die gleich zur Schwingungsaufnahme zu verwenden. Diese dopder ersten Spule (14) ist und die der gleichen 30 pelte Verwendung des Tauchspulensystems ist dabei Umgebung ausgesetzt ist, so daß die Brückenschal- jedoch nur während der Eichung des Seismometers tung im statischen Zustand syrnmetriert bleibt vorgesehen und nicht im allgemeinen Schwingungsmeß-

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden betrieb dieses Seismometers, so daß diese Anordnung Ansprache, dadurch gekennzeichnet, daß die Mem- keinen Hinweis auf die erfindungsgemäße Ausgestal· bran aus einem Metall mit einer- geringen inneren 35 tung der druckempfindlichen Vorrichtung gibt
Reibung und geringen mechanischen Hystereseei- Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfingenschaften hergestellt ist dung ist die Spule in einen Zweig einer Brückenschal-

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden tung eingeschaltet, deren Ausgang in Rückkopplungs-Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mem- weise derart beschaltet ist, daS eine *e!bstschwingende bran (1) aus Beryllium-Kupfer hergestellt ist 40 Oszillatorschaltung gebildet wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn- Ein anderer Zweig der Brückenschaltung kann zeichnet, daß die Membran (1) einen Durchmesser hierbei eine zweite Spule einschließen, die gleich der von 25,4 mm und eine Stärke von 0,127 mm aufweist ersten Spule ist und die der gleichen Umgebung

ausgesetzt ist, so daß die Brückenschaltung im

45 statischen Zustand symmetriert bleibt

Zur Erzielung einer zweckmäßigen Ausgangsfunktion

der druckempfindlichen Vorrichtung ist vorzugsweise

Die Erfindung bezieht sich auf eine druckempfindli- vorgesehen, daß die Membran aus einem Metall mit

ehe Vorrichtung mit einer elastischen Membran, die einer geringen inneren Reibung und geringen mechani-

einstückig mit einem Ende eines rohrförmigen Bauteils so sehen Hystereseeigenschaften hergestellt ist

ausgebildet und so angeordnet ist, daß zwei Klammern Ein bevorzugtes Material für die Membran ist

gebildet werden, so daß ein Druckunterschied zwischen Beryllium-Kupfer, wobei die Membran vorzugsweise

diesen beiden Kammern eine Verformung der Membran einen Durchmesser von 25,4 mm und eine Stärke von

und eine sich daraus ergebende zugehörige Änderung 0,127 mm aufweist

der Resonanzfrequenz der Membran hervorruft und mit ss Die Erfindung wird durch Beschreibung eines

einer elektromagnetischen Einrichtung zum Antrieb der Ausführungsbeispiels anhand von Figuren erläutert Es

Membran derart, daß sie mit ihrer momentanen zeigt

Resonanzfrequenz schwingt und Ober einen Aufnehmer Fi g. 1 einen Schnitt einer Ausführungsform der

ein elektrisches Ausgangssignal liefert, dessen Frequenz druckempfindlichen Vorrichtung mit elastischer Mnm-

eine Funktion des Druckunterschiedes ist eo bran, die als Absolutdruck-Meßvorrichtung dargestellt

Bei einer bekannten druckempfindlichen Vorrichtung ist;

dieser Art (britische Patentschrift 982 930) wird die Fig.2 ein schematiches elektrisches Schaltbild,

§ Schwingung der Membran mit einem Mikrophon oder teilweise als Blockschaltbild des elektromechanischen

mit einem kapazitiven Aufnehmer gemessen, der durch Oszillatorkreises,

die Membran und eine feste Elektrode gebildet ist Das 65 F i g. 3 eine typische Darstellung der Frequenz in

Ausgangssignal dieses Mikrophons oder des kapaziti- Abhängigkeit von dem gemessenen Druck,

ven Aufnehmers wird dem Eingang eines Verstärkers In F i g. 1 ist eine hohle rohrförmige Tragvorrichtung

zugeführt, dessen Ausgang die elektromagnetische 2 gezeigt mit der eine kreisförmige, ebene, elastische