DE1816661C - Anordnung zum Messen von Drücken - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Mes- Tangentialspannung, der das Element unterworfen sen von Drücken, bei der eine scheibenförmige Mem- ist, das auf dem Umfangsabschnitt festgekittet ist, bran mit ihrem Rand fest eingespannt ist, die auf wesentlich kleiner ist als die Radialspannung, der das ihrer einen Fläche zwei Halbleiter-Wandlerelemente Element im zentralen Abschnitt unterworfen ist. trägt, von denen das eine in diametraler Richtung im s Weiterhin ist es schwierig, eine gute Linearität der Zentrum der Membran und das andere im Bereich Ausgangscharakteristik zu erhalten, und zwar auf des Membranrandes angeordnet und die beide in Grund der Tatsache, daß das Ausmaß der Widereinen Brückenmeßkreis gesphaltet sind. Standsänderungen der beiden Elemente pro Druck-

Das Messen von Drücken mit Hilfe von Halb- einheit nicht gleich ist. Hinzu kommt, daß der Ableiterwandlern, die auf einer deformierbaren Mem- ίο schnitt, auf dem das Element, welches den tangenbran befestigt sind, sowie die verschiedenen Mittel, tialen Spannungen ausgesetzt werden soll, aufgekittet um solche Messungen durchzuführen, sind bekannt. ist, sehr klein ist, da es sich hierbei um den Bereich

Bei einem bekannten Druckmeßgerät dieser Art handelt, der außerhalb des Grenzkreises vom Radius

wird eine deformierbare scheibenförmige Membran 0,83 r liegt. Dadurch wird' es schwierig, eine kom-

mit ihrem äußeren Umfang auf einem Gehäuse einer 15 pakte und empfindliche Meßvorrichtung zu schaffen.

Meßvorrichtung festgehalten. Ein Halbleiter-Wand- Weiterhin ist das Bindematerial, mit dem das EIe-

lerelement ist in diametraler Richtung auf einem ment in der schmalen Zone festgelegt wird, in dem

zentralen Abschnitt der Membran festgelegt, z. B. schmalen Umfangsabschnitt schlecht verteilt, so daß

verkittet. die Membranspannungen entsprechend störend be-

Ein weiteres Halbleiter-Wandlerelement ist in tan- ao einiiußt werden, was sich besonders bei solchen

gentialer Richtung auf einem äußeren Umfangsab- Meßgeräten auswirkt, die zum Messen von Mikro-

schnitt der Membran festgekittet oder festzementiert, drücken bestimmt sind.

wobei die beiden Wandlerelemente einen Brücken- In einem nicht vorveröffentlichten Vorschlag ist

kreis bilden, mit dessen Hilfe Druckänderungen, die bereits versucht worden, das Wandlerelement, wel-

auf eine äußere Fläche der Membran einwirken, ge- 25 ches tangential in dem äußeren Umfangsabschnitt der

messen werden können. scheibenförmigen Membran des bekannten Druck-

Al.lgemein gilt, daß dann, wenn eine scheiben- meßgerätes angeordnet ist, durch ein Wandlerelement förmige Membran mit ihrem äußeren Umfang fest- zu ersetzen, das in radialer Richtung aufgekittet ist. gehalten und einer gleichförmigen Druckbelastung Bei einer solchen Ausbildung und Anordnung des unterworfen wird, verschiedene unterschiedliche Ra- 30 druckempfindlichen Teils kann das in radialer Richdialspannungen und Tangentialspannungen an Punk- tung auf dem äußeren Umfangsabschnitt angeordten von unterschiedlicher Entfernung vom Membran- nete Element radiale Spannungen messen, so daß, mittelpunkt auftreten, wie dies weiter unten näher verglichen mit der obenerwähnten bekannten Anordbeschrieben wird. Wenn mit »r« der Radius der nung, eine größere Ausgangsleistung erzielt wird Membran bezeichnet wird, sind der Radialdruck oder 35 Demgegenüber ist es jedoch erforderlich, die Größe die Radialspannung an einem Punkt mit der Entfer- des in radialer Richtung angeordneten Wandlerelenung von etwa 0,63 r sowie die Tangentialspannun- mentes stark zu reduzieren, verglichen mit dem EIegen an einem Punkt mit der Entfernung von etwa ment, das auf dem zentralen Bereich befestigt ist. 0, 83 r vom Membranmittelpunkt jeweils gleich Null. Würde nämlich das Element den Grenzkreis, in Das bedeutet, daß ein Punkt mit etwa 0,63 τ und ein 40 welchem sich die Spannung umkehrt, überdecken, so Punkt mit etwa 0,83 r auf der scheibenförmigen würde es Spannungen von unterschiedlichem VorMembran jeweils einen Spannungsumkehrpunkt dar- zeichen messen, welche sich im Ergebnis gegenseitig stellt. Auf einem zentralen Abschnitt der scheiben- kompensieren oder auslöschen. Bei der notwendigen förmigen Membran innerhalb der Grenze eines kon- kleinen Ausführung oder Bemessung des Wandlerzentrischen Kreises mit dem Radius 0,63 τ bzw. auf 45 elementes wird auch die mit dem Bindemittel übereinem zentralen Abschnitt der scheibenförmigen deckte Fläche klein, so daß genaue Feststellungen Membran innerhalb der Grenze eines konzentrischen von Membranspannungen schwierig werden, was Kreises von 0,83 τ Radius wird jeweils eine positive wiederum die Herstellung einer kompakten und emp-Spannung (Zugspannung) erzeugt, während an einem findlichen Einrichtung behindert.
Umfangsabschnitt der scheibenförmigen Membran 50 Hinzu kommt, daß dann, wenn beide Elemente außerhalb der jeweils genannten Grenze eine nega- unterschiedlich in Größe und Form sind, die angetive Spannung oder Druckspannung erzeugt wird. zeigten Werte am Ausgang des Meßgerätes unstabil Auf diese Weise wird jeweils eine positive Spannungs- werden, und zwar auf Grund des Kriechdehnungsaktivierungszone und eine entsprechende negative effektes des Bindematerials.
Spannungsaktivierungszone gebildet. 55 Allgemein gesehen wird der zuletzt genannte Ef-

Bei dem obenerwähnten bekannten Druckmeßge- fekt bei einem Druckmeßgerät dieser Art um so rät wird das Wandlerelement, welches diametral auf größer, je stärker die Länge des Wandlerelementes dem zentralen Abschnitt befestigt ist, einer positiven abnimmt. In jedem Fall beeinflußt der Unterschied radialen Spannung unterworfen, während das Wand- in Größe und Form der Wandlerelemente, die in lerelement, das tangential im äußeren Bereich aufge- 60 einem Druckmeßgerät befestigt sind, die Wirkung kittet ist, einer negativen tangentialen Spannung un- und Funktionstüchtigkeit des Meßgerätes.
terworfen ist. Der Meßkreis liefert damit ein Aus- Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gangssignal, welches einer Summe der Werte der Anordnung der-eingangs näher bezeichneten Art so Druckvariationen entspricht, die mit dem Brücken- weiterzubilden, daß die oben beschriebenen Nachkreis gemessen werden, welcher die beiden Wandler- 65 teile vermieden werden, wobei insbesondere bei komelemente enthält. Es ist jedoch in der Praxis schwie- pakter Bauweise eine große Empfindlichkeit und rig, eine ausreichend große Ausgangsleistung zu er- große Ausgangsleistung erhalten werden sollen, und halten, und zwar auf Grund der Tatsache, daß die gleichzeitig die Möglichkeit geschaffen wird, eine

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gute Temperaturkompensation zwischen den Wand- auf dem zentralen Abschnitt der Membran festgelegt

lerelementen zu erzielen und die Linearität der Aus- ist, kann durch Auswahl der ständigen festen Stellung

gangsleistung in Abhängigkeit von den zu messenden und des Neigungswinkels gegenüber dem genannten

Drücken zu verbessern. Radius des am Umfang festgelegten Elementes eine

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge- 5 weiterhin verbesserte Linearität des Ausgangssignals

löst, daß das im Bereich des Membranrandes vorge- in Abhängigkeit vom Druck, der gemessen werden

sehene Halbleiterelement mit seiner die größte Emp- soll, erhalten werden, was wiederum zu einer ver-

findlichkeii aufweisenden Kristallrichtung mit jedem größerten Ausgangsleistung führt,

durch das Halbleiterelement gehenden Radius der Die Erfindung wird nachfolgend an Hand sche-

scheibenförmigem Membran einen Winkel zwischen io matischer Zeichnungen an mehreren Ausführungs-

etwa 20 und 80° bildet. Die scheibenförmige Mem- beispielen näher erläutert.

bran ist dabei fest auf einem Gehäuse des Meßgerätes Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch ein Gerät, das

mit ihrem äußeren Umfang festgelegt. Die beiden nach der Erfindung ausgebildet ist;

Wandlerelemente bestehen vorzugsweise aus zwei F i g. 2 ist ein Querschnitt entlang der Schnittlinie

Schichten eines Einkristalls eines Halbleitermaterials, 15 H-II nach Fig. 1;

welche zweckmäßigerweise die gleichen Charakte- F i g. 3 zeigt den Meßkreis, in welchem die beiden ristiken aufweisen, insbesondere das gleiche Tempe- verwendeten Wandlerelemente eingeschaltet sind;
ratur-Widerstandsverhalten. Die beiden Wandlerele- F i g. 4 ist ein diametraler Schnitt durch die Memmente sind isoliert auf der Innenfläche der Membran bran und veranschaulicht einen Zustand der Spanfestgekittet oder festzementiert. Das in diametraler ao nungsverteilung auf der Membran, welche in ihrem Richtung auf dem zentralen Abschnitt der Membran . äußeren Rande festgelegt ist; die
festgekittete Wandlerelement dient dazu, ausschließ- Fig- 5, 6 und 7 zeigen jeweils im vergrößerten lieh radiale Spannungen or zu messen. Das andere Maßstabe und in Teilausschnitten verschiedene Stel-Wandlerelement, welches im äußeren Bereich der lungen der Wandlerelemente im Rahmen der Lehre Membran in einer solchen Weise angeordnet ist, daß 25 nach der vorliegenden Erfindung,
zwischen dem durch einen Punkt des Elementes und Wie F i g. 1 zeigt, weist ein Ausführungsbeispiel das Zentrum der Membran gehenden Radius und der des Meßgerätes nach der Erfindung ein hohles zy-Kristallrichtung von maximaler Empfindlichkeit des lindrisches Gehäuse 2 auf, an dessen einem Ende Wandlerelementes stets ein Winkel zwischen 20 und eine kreisförmige Ausnehmung 2 b vorgesehen ist, in 80° eingeschlossen ist, dient demgegenüber dazu, 30 der ein Stützelement 3 befestigt ist. Auf dessen einen resultierenden Spannungsvektor aus den radialen äußerer Fläche ist ein kreisförmiger Vorsprung 3a Spannungen ar und einer Tagentialspannung at zu koaxial angeformt, um eine deformierbare scheibenmessen. förmige Membran 4 aufzunehmen, welche den Vor-

Das Meßergebnis besitzt das entgegengesetzte sprung mit ihrem äußeren Umfangsflansch 4 a überVorzeichen zu den Spannungen, welche durch das 35 greift, wobei die Membran mit Hilfe eines Befestiin der Mitte der Membran festgekittete Element ge- gungsringes 5, der anzementiert ist, festgelegt ist. messen werden. Bevor die Membran. 4 auf dem Stützelement 3 ange-

Bei dieser Anordnung kann das Wandlerelement, ordnet wird, sind zwei Halbleiter-Wandlerelemente welches im äußeren Umfangsbereich der Membran Gl und Gl mit den gleichen Charakteristiken auf angeordnet ist, außerordentlich raumsparend ange- 40 einer dünnen isolierenden Schicht auf der Innenordnet werden, da dieses Element schräg gegenüber fläche der Membran 4 festgelegt, z. B. festgekittet,
dem genannten Radius angeordnet wird. Damit kann Eines der Wandlerelemente Gl ist in einer diamedieses äußere Wandlerelement in der gleichen Größe tralen Richtung auf dem zentralen Abschnitt der und mit den gleichen Charakteristiken ausgebildet Membran 4 angeordnet, während das andere Wandwerden, wie jenes Element, das auf dem zentralen 45 lerelement G2 auf einem äußeren Umfangsabschnitt Abschnitt der Membran festgekittet ist. Damit wird der Membran 4 nahezu parallel zu dem ersten EIees möglich, die jeweiligen Widerstände der beiden ment G1 festgelegt ist (s. F i g. 2).
Wandlerelemente gleich zu machen und einen aus- An beiden Enden der jeweiligen Wandlerelemente balancierten Brückenkreis zu bilden, mit dem Er- Gl und G 2 sind Leitungsdrähte α, b, c und d angefolg, daß eine Stabilisierung des Nullpunktes, eine 50 schlossen, welche aus dem Stützelement 3 durch entverbesserte Linearität der Ausgangscharakteristik, sprechend kleine Bohrungen herausgeführt und mit Austauschbarkeit der Brückenanschlüsse sowie ein anderen Drähten E, F und G verbunden sind, um gutes Temperaturverhalten der Wandlerelemente einen halben Brückenkieis zu bilden. Der Draht E sichergestellt werden. Weiterhin wird auf Grund der ist mit einem Ende der Leitung α des Elements G1 Tatsache, daß die neue Anordnung eine besonders 55 verbunden, der Draht F ist an die andere Leitung h raumsparende ist, die Möglichkeit erhalten, ein des Elements Gl und gleichzeitig an einen der druckempfindliches Meßgerät zu schaffen, welches Drähte c des Elements G 2 angeschlossen,, während außerordentlich kleine Abmessungen aufweist. Bei der Draht G mit der anderen Leitung d des Elements diesen geringen Abmessungen ist die Volumenände- G2 verbunden ist. Diese Drähte E, F und G werden rung, die durch Verstellung der Membran hervorge- 6° durch ein isolierendes Element 6 gehalten, das in rufen wird, nahezu vernachlässigbar klein, so daß die einer Kappe 7 am anderen Ende des Gehäuses 2 bc-Druckcharakteristik in der Übergangsstufe verbessert festigt ist, wobei die Drähte durch dieses Element und eine im höchsten Maße zuverlässige Vorrichtung nach außen geführt sind. Mit Hilfe eines Gewindeerhalten wird. Da das Wandlerelement am äußeren abschnittes la nahe des vorderen Endes des Ge-Umfangsabschnitt einen resultierenden Vektor aus 65 häuses 2 kann das Meßgerät in einer Wand 8 eines der Tangentialspannung und der Radialspannung Kessels eingeschraubt werden, der die zu messende messen kann, und zwar mit im wesentlichen der Druckatmosphäre enthält,
gleichen Spannungswirkung wie das Element, das Der Draht E und der Draht G sind, wie aus F i g. 3

.f,

entsprechend wird eine wesentlich größere Ausgangsleistung erhalten als mit einem Element G 2, welches lediglich die Tangentialspannungen al feststellt. Da das Element G 2 in schräger Lage zu der 5 betreffenden Geraden oder zugehörigen Tangente mit einer vorbestimmten Neigung angeordnet ist, bereitet es keine Schwierigkeit, das Element G 2 in den vorgesehenen begrenzten Umfangsbereich der Membran anzuordnen. Damit kann das Element G 2 mit

können mit den Ausgangsanschlüssen O und P verbunden sein. Auf diese Weise wird die elektrische Ausgangsleistung angezeigt oder aufgezeichnet, welche di η durch die Wandlerelemente G1 und gemess ien Druckänderungen entsprechen.

Nachfolgend werden charakteristische Eigenschaften der druckempfindlichen Teile der Anordnung nach der vorliegenden Erfindung näher beschrieben.

hervorgeht, mit den beiden Anschlüssen einer elektrischen Stromquelle A verbunden. Zwischen diesen
beiden Anschlüssen sind feste Widerstände R J. und
R 2 sowie ein variabler Ausgleichswiderstand VR in
Reihe angeordnet, so daß sie die Stromquelle überbrücken. Der Draht F und ein Schiebekontakt S des
veränderlichen Widerstandes FTi sind mit den Ausgangsanschlüssen O und P verbunden. Irgendein geeignetes Anzeigeinstrument, z. B. ein Voltmeter, ein
Amperemeter od. dgl. oder jede Aufzeichnungsvor- io den gleichen Abmessungen und der gleichen Form richtung, z. B. ein Oszilloskop, ein Schreiber od. dgl., wie das zentral angeordnete Element Gl verwendet

werden. Dies wiederum erlaubt die Möglichkeit, zwei Elemente mit gleichem Widerstand zu verwenden, um damit einen ausbalancierten Brückenkreis zu erhai-G2 is ten. Weiterhin wird dadurch der störende Einfluß des Kricchdehnungseffektes weitgehend beseitigt.

Bei der neuen Anordnung kann man dem Element G 2 auch eine gewünschte Neigung unter einem Winkel α, wie sie in den Fig. 6 und 7 gezeigt ist.

Wie oben schon erwähnt, sind die beiden Wandler- 20 gegenüber dem zentralen Element Gl geben. DaelementeGl und G2 jeweils auf dem zentralen Ab- durch wird es möglich, nahezu jedes Ausmaß von schnitt bzw. einem äußeren Abschnitt der Membran Widerstandsabweichungen der beiden Elemente GI festgekittet oder in anderer Weise festgelegt, wobei und G 2 auszugleichen, so daß eine wesentlich vergemäß dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 5 beide besserte Linearität des Ausgangssignals in Abhängig-Wandlerelemente nahezu parallel zueinander laufen, as keit vom Druck und eine genauere Druckmessung Der Winkel zwischen einer Geraden OP, weiche von erhalten werden. Da die beiden Elemente Gl und einem Punkt P des Elementes G 2, das auf dem Um- G 2, die auf der gleichen Fläche der gleichen Memfangsabschnitt festgelegt ist, ausgeht und in Richtung bran festgelegt werden, so ausgewählt werden könauf die Mitte O der Membran führt, und der Kristall- nen, daß sie gleiche Widerstands-Temperaturverhalrichtung von maximaler Empfindlichkeit des Elemen- 30 ten zeigen, kann auch eine ausgezeichnete selbsttätige tesG2 (das ist die Richtung der Längsachse des Temperaturkompensation auf diese Weise erhalten Elementes G 2) ist ein spitzer Winkel. Wenn dieser werden.
Winkel durch den Buchstaben θ wiedergegeben wird,
wird die radiale Spannung der Membran am Punkt P
repräsentiert durch den Wert orp. In diesem Falle ist 35
die radiale Spannung o° rp, die durch das Element G 2
an einem Punkt P festgestellt wird, gleich orp cos (-).
Ähnliches gilt für die tangentialen Spannungen.
Wenn die tangentiale Spannung der Membran im
Punkt P wiedergegeben wird durch den Wert σ Ip, 4°
wird durch das Element G2 am Punkt P eine tangentiale Spannung a°tp in der Größe von σ/psin Θ
entdeckt. Damit kann das Element G 2 einen resultierenden Vektor nach folgender Gleichung messen:

oc = o°rp + o°tp.

Selbst unter Berücksichtigung der Tatsache, daß sich geringfügige Unterschiede zwischen den Werten der Winkel θ entsprechend den verschiedenen Punkten entlang der Längsachse des Elementes G 2 ergeben, liegen diese Werte stets zwischen etwa 20 und 80°, so daß.das Element G2 stets den zugehörigen resultierenden Vektor ac mißt. Da in diesem Falle das Element G 2 sich sowohl über die positive Spannungsaktivierungszone als auch über die negative Spannungsaktivierungszone erstreckt, wird der Vektor a°tp, der durch die Tangentialspannungen erzeugt wird, durch gegenseitige Auslöschung klein. Auf Grund der Tatsache jedoch, daß der Vektor o° rp, der durch die Radialspannungen erzeugt wird, groß ist, wird der gesamte resultierende Vektor ac groß. Da dieser resultierende Vektor das entgegengesetzte Vorzeichen gegenüber den Spannungen aufweist, die durch das Element Gl festgestellt werden, welches auf dem zentralen Abschnitt der Membran angeordnet ist, wird es möglich, eine Ausgangsleistung zu erhalten, welche der Summe der Widerstandsänderungen beider Elemente Gl und G2 entspricht. Dem-

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Claims (5)

Patentansprüche:

1. Anordnung zum Messen von Drücken, bei der eine scheibenförmige Membran mit ihrem Rand fest eingespannt ist, die auf ihrer einen Fläche zwei Halbleiter-Wandlerelemente trägt, von denen das eine in diametraler Richtung im Zentrum der Membran und das andere im Bereich des Membranrandes angeordnet und die beide in einen Brückenmeßkreis geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß das im Bereich des Membranrandes vorgesehene Halbleiterelement (G 2) mit seiner Kristallrichtung der größten Empfindlichkeit mit jedem durch das Halbleiterelement gehenden Radius (OP) der scheibenförmigen Membran (4) einen Winkel zwischen etwa 20 und 80° bildet.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Halbleiter-Wandlerelemente (Gl, G 2) aus zwei Einkristallschichten von gleichen charakteristischen Eigenschaften bestehen.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Halbleiter-Wandlerelemente von gleicher Größe und Form sind.

4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich das dem Randbereich der Membran zugeordnete Wandlerelement beiderseits einer Umfangslinie mit dem Radius 0,83 r, wobei τ der Membranradius ist, erstreckt.

5. Anordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, d_raß die Kristallrichtungen maximaler Empfindlichkeit von beiden Wandlerelcmenten(Gl, G 2) etwa parallel zueinander verlaufen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen