DE2117271C2

DE2117271C2 - Beschleunigungskompensierter kapazitiver Druckwandler

Info

Publication number: DE2117271C2
Application number: DE2117271A
Authority: DE
Inventors: Edward J. Woodcliff Lake N.J. Hazen
Original assignee: Bendix Corp
Current assignee: Bendix Corp
Priority date: 1970-04-16
Filing date: 1971-04-08
Publication date: 1982-05-06
Also published as: JPS5331394B1; CA945270A; GB1305885A; DE2117271A1; US3645137A; FR2089682A5

Description

Die Erfindung betrifft einen beschleunigungskompensierten kapazitiven Druckwandler gemäß dem Oberbegriff des Anspruches I.

Ein derartiger Druckwandler ist in der US-PS 08 545 beschrieben. Bei ihm bestehen die elektrisch leitenden Membranen, welche zusammen einen Plattenkondensator mit gemäß dem in der durch die Membranen begrenzten Druckkammer herrschenden Druck veränderlicher Kapazität bilden, aus Metall, z. B. Messing. Änderungen in der Umgebungstemperatur können daher über eine entsprechende thermische Dimensionsänderung der Membranen zu Meßfehlern führen.

In der FR-PS 15 46 836 ist ferner ein Druckwandler beschrieben, der eine ringförmige Druckkammer aufweist, welche durch ein formstabiles Quarzrohr und durch ein geringe Wandstärke aufweisendes, verformbares Quarzrohr begrenzt ist. Die beiden Quarzrohre tragen auf ihren die Druckkammer begrenzenden, einander gegenüberliegenden Mantelflächen jeweils eine dünne, mechanisch nicht ins Gewicht fallende Metallschicht, und durch diese Schichten ist wiederum ein Plattenkondensator vorgegeben. Auch bei diesem Druckwandler erhält man noch eine Verfälschung des Meßergebnisses durch Beschleunigungskräfte, da letztere auf das verformbare Quarzrohr in Umfangsrichtung in gleicher Weise einwirken, während sich die lokale Kapazität hyperbolisch in Abhängigkeit vom lokalen Abstand der Kondensatorplatten ändert. Damit mittel!

sich der Einfluß der Beschleunigungskräfte auf die Gesamtkapazität in Umfangsrichtung nicht heraus.

Letzteres auch deshalb nicht, weil das verformbar Quarzrohr in Richtung der Beschleunigungskräfte gesehen auf der einen Seite auf Druck, auf der anderen Seite auf Zug beansprucht wird, und die transversalen

Belastbarkeiten eines dünnen Rohres auf Zug und auf Druck erheblich voneinander verschieden sind.

Außerdem besteht bei dem Druckwandler nach der

ίο FR-PS 15 46 836 das Problem einer standfesten gasdichten Verschmelzung des verformbaren Quarzrohres mit dem formstabilen Quarzrohr. Bei dem hierzu erforderlichen starken Erwärmen an der Stoßstelle zwischen den beiden Quarzrohren entstehen in dem dünnwandigen Quarzrohr erhebliche thermische Spannungen, weiche zu einem baldigen Bruch führen können. In der GB-PS 9 49 433 ist ferner ein kapazitiver Druckwandler beschrieben, bei welchem die Kondensatorplatten durch metallische Scheiben gebildet sind, welche Ober Metallfedern am Wandlergehäuse aufgehängt sind. Durch Abstimmung der Biegesteifigkeit der Kondensatorpiatten auf die Biegesteifigkeit einer die Druckkammer begrenzenden Membran kann aber ebenfalls nur eine unzureichende Eliminierung des Einflusses von ßeschleunigungskräften auf das Meßergebnis erhalten werden, insbesondere parallel zur Ebene der Membran und der Kondensatorplatten gerichtete Bescäleunigungskräfte können nicht unschädlich gemacht werden. Auch in der Auswahl für die Materialien der Membran und der Kondensatorplatten ist man beschränkt, wenn man keinen Temperaturgang des Wandlers in Kauf nehmen will.

Durch die vorliegende Erfindung soll ein beschleunigungskompensierter kapazitiver Druckwandler gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 so weitergebildet werden, daß weiterhin keinerlei Einflüsse von Beschleunigungskräften auf das Meßergebnis erhalten werden, zugleich aber auch eine Kompensation thermisch bedingter Meßfehler erhalten wird, und zwar bei hoher Lebensdauer des Druckwandlern

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch einen Druckwandler gemäß Anspruch I.

Bei dem erfindungsgemäßen Druckwandler finden aus Quarz gefertigte becherförmige Körper Verwendung, deren Böden die durch Druck verformbaren Membranen darstellen. Die Böden der becherförmigen Körper sind zur Bildung eines Plattenkondensators mit einer dünnen metallischen Schicht versehen, und durch das Verschmelzen der freien Enden der becherförmigen

so Körper aus Quarz mit den Enden des sie umgebenden Gehäusekörpers aus Quarz ist sichergestellt, daß dieses Verschmelzen nicht zu hohen thermischen Spannungen in den elastisch verformbaren Böden führt, was die Lebensdauer des Druckwandlers spürbar beeinträchligen würde.

Der erfindungsgemäße Druckwandler spricht deshalb nicht auf Beschleunigungen an, da die elektrisch leitenden Schichten von den Böden identisch ausgebildeter becherförmiger Körper getragen sind, welche in gleicher Weise den Beschleunigungskräften ausgesetzt sind. Damit hängt der Abstand zwischen den elektrisch leitenden Schichten lediglich vom Druck ab. Da die becherförmigen Körper aus Quarz hergestellt sind und Quarz ein sehr stabiles Temperaturverhalten aufweist.

wird das Meßergebnis des erfindungsgemäßen Druckwandlers auch nicht durch Temperaturschwankungen beeinflußt.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in

Unteransprüchen angegeben. Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 4 wird erreicht, daß der Druckwandler auch zum Messen von Druckunterschieden verwendet werden kann. Dabei wird durch die in der Druckkammer befindliche Flüssigkeit gewährleistet, daß keine Feuchtigkeit und Verunreinigungen in den zwischen den elektrisch leitenden Schichten liegenden Raum eindringen können. Das Kapillarrohr gestattet temperaturbedingte Volamensänderungen der Flüssigkeitsfüllung ebenso wie die Aufnahme druckbedingter to Änderungen im Volumen der Druckkammer. Infolge des geringen Durchmessers des Kapillarrohres wird die Schützflüssigkeit allein schon durch die Oberflächenspannung im Druckwandler gehalten, und durch die Verwendung eines Kapillarrohres werden auch sich ändernde Meßfehler ausgeschaltet, die bei bekannten Druckwandlern durch die Federkennlinie der Membran bedingt sind.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigt

Fig.! einen horizontalen Schnitt durch einen beschieunigungskompensierten kapazitiven Druckwandler längs der Linie 1 -1 von F i g. 2;

Fig. 2 einen senkrechten Schnitt durch den Druckwandler nach F i g. 1 längs der dortigen Schnittlinie 2-2;

Fig.3 eine Aufsicht auf einen weiteren beschieunigungskompensierten kapazitiven Druckwandler; und

Fig.4 einen senkrechten Schnitt durch den Druckwandler nach F i g. 3 längs der dortigen Schnittlinie 4-4.

In den F i g. 1 und 2 ist ein Druckwandler zum Messen eines Absolutdruckes P\ wiedergegeben. Der Druckwandler weist zwei identisch ausgebildete becherförmige Körper 1 auf, die aus Quarz hergestellt sind. Diese haben dünne flexible Boden 3 und zylindrische Wände 5, weiche somit zusammen jeweils einen am einen Ende verschlossenen Hohlzylinder bilden. Die Höhe der zylindrischen Wand 5 ist gleich der halben Breite des Bodens 3.

Die Wand 5 eines jeden der becherförmigen Körper 1 trägt jex.eils einen nach innen vorstehenden Stutzen 7, der eine Durchführung 9 vorgibt. Auf den einander zugewandten Oberflächen der Böden 3 der becherförmigen Körper 1 ist jeweils eine Schicht 11 aus elektrisch leitendem Metall angeordnet. An die elektrisch leitenden Schichten 11 sind Verbindungsleiter 13 angescnlossen, welche durch die Durchführungen 9 der Stutzen 7 hindurchlaufen. Die Durchführungen 9 der Stutzen 7 sind bei 10 durch Verschmelzen verschlossen. Das Aufbringen der elektrisch leitenden Schichten 11 auf die Böden 3 erfolgt durch Aufplattieren oder Aufstreichen.

Ein aus Quarz gefertigter rohrförmiger Gehäusekörper 15 nimmt in seinem Innenraum die becherförmigen Körper 1 koaxial auf. Der Gehäusekörper 15 hat ferner einen nach außen vorstehenden Rohrstutzen 19, welcher einen Durchgang 21 begrenzt, der mit dem Innenraum des Gehäusekörpers 15 in Verbindung steht.

Die becherförmigen Körper 1 sind derart in den Gehäusekörper 15 eingesetzt, daß die elektrisch leitenden Schichten 11 einander zugewandt sind und um eine Strecke D voneinander entfernt sind. Die elektrisch leitenden Schichten 11 bilden so einen Plattenkondensator. Die Wand des rohrförmigen Gehäusekörpers 15 ist in der Nähe ihrer freien Ränder 22 mit den freien Rändern der becherförmigen Körper 1 dicht verschmolzen. Die becherförmigen Körper 1 begrenzen sonnt zusammen mit dem fohrförmigen Gehäusekörper 15 eine Druckkammer 17, welche nach dem Zusammenfügen der becherförmigen Körper und des Gehäusekörpers über den Rohrstutzen 19 evakuiert wird, der dann bei 24 abgeschmolzen wird.

Die Verbindungsleiter 13 werden an eine äußere Meßschaltung angeschlossen, welche die Kapazität des durch die elektrisch leitenden Schichten 11 gebildeten Plaitenkondensators mißt. Die MeßschaUung kann einen Schwingkreis enthalten, dessen Arbeitsfrequenz durch die Kapazität des Plattenkondensators vorgegeben ist

Bei einer Druckmessung sind die Böden 3 der becherförmigen Körper 1 dem Druck P\ ausgesetzt, und hierdurch werden die Böden 3 verbogen, so daß sich der Abstand D der elektrisch leitenden Schichten 11 um einen dem Druck Pi entsprechenden Betrag verändert Damit ändert sich die Kapazität des durch die elektrisch leitenden Schichten 11 gebildeten Plattenkondensators in Abhängigkeit vom Druck P].

Da sich die mechanischen Eigenschaften von Quarz in Abhängigkeit von der Temper .ar nur gering ändern und da Quarz nur είπε geringe mechanische Hysterese aufweist, arbeitet der oben beschriebene Druckwandler frei von Hysteresefehlern und temperaturbedingten Meßfehlern. Auch Beschleunigungskräfte verfälschen das Meßergebnis nicht, da die becherförmigen Körper 1 gleich ausgebildet sind und die verformbaren Böden 3 gleiche I-lache und Maße haben. Beschleunigungskräfte führen somit zu einer identischen Verformung beider Böden 3, so daß der Abstand D zwischen den elektrisch leitenden Schichten nur vom zu messenden Druck P\ abhängt. Da die Verschmelzung der becherförmigen Körper 1 und des Gehäusekörpers 15 bei den von den Böden 3 abliegenden Rändern der becherförmigen Körper und des Gehäusekörpers erfolgt, werden die flexiblen Böden der becherförmigen Körper beim Verschmelzen nicht nennenswert erhitzt und behalten ihre ursprünglichen mechanischen Eigenschaften.

Man erkennt, daß der oben beschriebene Druckwandler sich auch sehr leicht zusammenbauen läßt, da die becherförmigen Körper 1 zusammen mit den elektrisch leitenden Schichten 11 und der gasdichten Durchführung für die Verbindungsleiter 53 getrennt fertiggestellt werden können und erst hernach in den Gehäusekörper 15 eingesetzt und mit diesem verschmolzen werden.

Die Fig.3 und 4 zeigen einen abgewandelten Druckwandler, welcher zum Messen des Unterschiedes zwischen zwei Drücken P] und P2 geeignet ist. Schon oben unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 beschriebene Wandlerteile sind wieder mit denselben Bezugszeichen versehen und werden hier nicht noch einmal genau beschrieben.

Die Druckkammer 17 ist beim Druckwandler nach den Fig.3 und 4 mit dem zweiten Druck P2 beaufschlagt, und hierzu ist an den Rohrstutzen 19 ein Kapillarrohr 2? angeschlossen; die Druckkamme'- 17 ist also nicht mehr evakuiert. Das Kapillarrohr 25 is? mit dem Druck P₂ beaufschlagt, während der Druck P] weiterhin direkt auf die becherförmigen Körper 1 einwirkt. Dan.it entspricht der effektiv auf die Böden 3 einwirkende Druck der Differenz zwischen den Drücken P\ und P₂, und die Böden 3 wurden somit gemäß der Druckdifferenz P₁ — P% vevformt, so daß sich auch der Abstand D zwischen den elektrisch leitender Schichten 11 entsprechend ändert.

Die Kapazität des durch die elektrisch leitenden Schichten 11 vorgegebenen Plattenkondensators hängt nun zusätzlich von der Dielektrizitätskonstanten des

zwischen den Schichten Ii befindlichen Mediums ab. Wäre dieses Medium Luft, so müßte man Meßfehler in Kauf nehmen, die auf der Änderung der Dielektrizitätskonstanten von Luft infolge sich ändernden Feuchtigkeitsgehaltes und infolge von Verunreinigungen beruht. Daher ist die Druckkammer 17 mit einer Flüssigkeit 23 gefüllt, die eine gleichbleibende Dielektrizitätskonstante hat, z. B.einesilikonhaltige Flüssigkeit.

Durch die Säule der Flüssigkeit 23 werden die verformbaren Böden 3 zwar mit einer zusätzlichen Kraft beaufschlagt, welche zu einer zusätzlichen geringen Verformung der Böden 3 führt. Diese zusätzliche Verformung ist jedoch im wesentlichen konstant und hängt nicht von der Lage des Druckwandlers ab.

Wie oben schon dargelegt, beträgt die Höhe der zylindrischen Wände 5 etwa die halbe Breite der Böden 3. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß die Flüssigkeitssäule stets mit etwa dem gleichen Abstand über der Mitte der flexiblen Böden 3 liegt, so daß der EinfluU der Flüssigkeitssäule im wesentlichen unabhängig von der Lageorientierung des Druckwandler ist.

Das an den Durchgang 21 des Rohrstutzens 19 angeschlossene Kapillarrohr ist teilweise mit der Flüssigkeit 23 gefüllt, um sicherzustellen, daß der Druckraum 17 auch dann vollständig gefüllt bleibt, wenn sich das Volumen der Druckkammer 17 infolge einer Verformung der Böden 3 verändert oder sich die Flüssigkeit infolge von Temperaturänderungen ausdehnt oder zusammenzieht. Das Kapillarrohr 25 ist so lang, daß sein Gesamtvolumen größer ist als die maximale durch eine Verformung der Böden 3 hervorgerufene Volumenänderung der Druckkammer 17 und die maximale thermisch bedingte Volumenänderung der Flüssigkeit 23. Das Kapillarrohr 25 ist um den Rohrkörper 15 gewickelt, um eine Änderung des

to Flüssigkeitsdruckes zu verhindern, wenn sich das Flüssigkeitsvolumen im Kapillarrohr ändert.

Der Druck P? wird an das freie Ende des Kapillarrohres 25 angelegt und wird über die Flüssigkeit 23 übertragen, so daß die einander zugewandten Flächen der Böden 3 mit einer entsprechenden Kraft beaufschlagt werden. Das Kapillarrohr 25 dient nicht nur dazu, den Druck P? auf die Flüssigkeit 23 zu übertragen, sondern hält zugleich auch die Flüssigkeit im Druckwandler zurück. Durch die Oberflächenspannung der Flüssigkeit 23 bildet sich im Kapiiiarrohr 25 ein Meniskus aus, der verhindert, daß die Flüssigkeit aus dem Druckwandler ausströmt. Man benötigt daher weder eine zusätzliche Membran, noch einen Balg zur Kompensation temperaturbedingter Volumensänderungen der Übertragungsflüssigkeit, so daß auch keine Verfälschung des Meßergebnisses durch die Federkennlinie eines solchen Balges erhalten wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Beschleunigungskompensierter kapazitiver Druckwandler mit einem Gehäuse und zwei von diesem getragenen identischen Membranen, welche axial fluchtend unter Abstand zueinander angeordnet sind und zusammen mit dem Gehäuse eine Druckkammer begrenzen, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranen jeweils durch den Boden (3) eines becherförmigen Körpers aus Quarz gebildet und mit elektrisch leitendem Material (11) beschichtet sind, und daß die freien Ränder der becherförmigen Körper mit den Enden des sie umgebenden, ebenfalls aus Quarz gefertigten Gehäusekörpers (15) verschmolzen sind.

2. Druckwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Abmessung der becherförmigen Körper halb so groß wie ihr Durchmesser ist.

3. Druckwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Verbindungsieiter (S3), die die leitende Verbindung von außen zu den elektrisch leitenden Schichten (11) herstellen, sich durch den zwischen den becherförmigen Körpern und dem Gehäusekörper (15) liegenden Zwischenraum erstrecken und durch die zylindrische Wand (5) der becherförmigen Körper gasdicht hindurchgeführt sind.

4. Druckwandler nach einem der Ansprüche 1 —3, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die b.echerförmigen Körper und den Gehäusekörper (15) begrenzte Druckkammer mit einer Flüssigkeit gefüllt ist und über ein ebenfalls mit der Flüssigkeit gefülltes Kapillarrohr (25) mit der Drucksignalquelle verbindbar ist.