DE2124979C2

DE2124979C2 - Kapazitiver Druckfühler

Info

Publication number: DE2124979C2
Application number: DE2124979A
Authority: DE
Inventors: Stanley Edward Hopkins Minn. Rud jun.
Original assignee: Rosemount Inc
Current assignee: Rosemount Inc
Priority date: 1970-05-21
Filing date: 1971-05-19
Publication date: 1984-06-14
Also published as: FR2091788A5; JPS5518853B1; CA936252A; DE2124979A1; GB1335128A; US3619742A

Description

Erfindung betrifft einen kapazitiven Druckfühler der im Oberbegriff von Anspruch I angegebenen und aus der US-PS 30 27 769 bekannten Art.

Bei diesen handelt es sich um einen an einen Adapter ansetzbaren Wandlerteil, wobei es darauf ankommt, den Übergang zwischen dem Wandlerteil und dem Adapter abzuschirmen. Der Wandlerteil hat zu diesem Zweck einen zylindrischen Mantel aus Metall, der geerdet ist und in einer Stirnseite die verstellbare Membran trägL Innerhalb des Mantels befindet sich der Lagerblock aus Isoliermaterial, der an seiner Stirnfläche unter Abstand von der verstellbaren Membran die feste Kondensatorplatte trägL Das herausragende Ende des Leiters bildet einen Sockel uus Metall mit einer blanken, leitenden Oberfläche. Der Sockel umschließt den Leiter unter einem konstanten Abstand, der genau bemessen ist, da der Sockel in eine elektrisch leitende Buchse des Adapters passen muß, ohne mit dem Leiter in Eingriff zu kommen. Beim Aufschicben des Wandlerteils uuf den Adapter tritt der Leiter in den Ringraum zwischen dem Sockel und dem Leiter und kommt nur mit dem Leiter in leitende Verbindung, um das von den Kondensatorplatten gelieferte Signal einem Signalausgang zuzuleiten. Dabei wird der Abschirm-Sockel, der unter Abstand die Kupplung der beiden Leiter für das Ausgangssignal umschließt, mittels einer zusätzlichen Stromquelle auf einem bestimmten Potential gehalten. Dadurch sollen der bzw. die Leiter im Bereich der Kupplung gegen Streufelder von außen und innen abgeschirmt werden.

Demgegenüber ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, im Bereich der Kondcnsatorplatten auftretende Störsignale zu eliminieren.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden erfindungsgemäß die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 vorgeschlagen.

Hierdurch wird der Vorteil erreicht, daß im Bereich der ersten bzw. festen Kondensatorplatte keine Streufelder entstehen und demgemäß keine Streuströme fließen können. Dadurch ist der Druckfühler zum Erfassen auch kleinster Kapazitätsänderungen geeignet. Dies wird dadurch erreicht, daß sich das elektrisch leitende Abschirmmatcrial zwischen dem Leiter und dem geerdeten Gehäuse in ganzer Länge durch den Lagerblock hindurch erstreckt. Dadurch werden nur Kapa/.itätsänderungcn crfal.il, die sich aufgrund von Veränderungen der verstellbaren Membran ergeben.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen unter Schulz gestellt.

In der Zeichnung sind Ausfiihrungsbeispiele der Erfindung wiedergegeben, die anhand der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 einen Axialschnitt durch einen erfindungsgemäß ausgebildeten kapazitiven Druckfühler,

F i g. 2 einen Schnitt nach der Linie 2-2 in F i g. 1,

F i g. 3 eine vergrößerte Schnittansicht der als Fühler wirksamen Kondensatorplatte und der Membran des in Fig. 1 gezeigten Druckfühlers,

F i g. 4 eine teilweise Seitenansicht der Tragkonstruktion zur Lagerung der Bezugs-Kondensatorplattc im Fühler,

Fig. 5 eine schematische Darstellung des abgeschirmten kapazitiven Fühlers nach F i g. 1 und

Fig.6 einen Axialschnitt durch eine andere Ausführiingsforni der erfindungsgemiißcn Abschirmung.

Ein allgemein mit 10 bezeichneter Druckfühler besitzt ein äußeres Gehäuse 11 mit einer inneren Kammer, die allgemein mit 12 bezeichnet ist. Das Gehäuse besteht zur Erleichterung der Montage aus verschiedenen Abschnitten und wird benutzt, tun einen Druck an/ii/.eijicn.

der aus einer Druckquelle 13 über einen einen .Strömungskanal bildenden Anschluß 14 zugeführt wird. Der Anschluß 14 ist, wie aus F i g. 1 ersichtlich ist in dem unteren Abschnitt des Gehäuses 11 eingepaßt, wobei ein Filter 15 benutzt werden kann, um das ;n den Fühler einströmende, unter Druck stehende Strömungsmittel /u filtern.

Die innere Kammer 12 ist in eine Fühlerkammer 12/4 und eine Bezugskammer 12ß unterteilt Die Fühlerkammer wird von der Bezugskammer durch eine allgemein mit 16 bezeichnete Membran getrennt Dabei handelt es sich um eine randfrei gelagerte Membran, etwa US-PS 31 95 028. Die Membran besitzt eine Hauptplatte 16Λ und eine ringförmige, dünnwandige, rohrförmige Stützwand I6ß längs ihrer Umfangskante. Die dünnwandige Stützwand 16ß ist mit einem massiven, ringförmigen Abschnitt 17 verbunden, der ebenfalls rohrförmig ausgebildet ist und der zwischen zwei benachbarte Abschnitte des äußeren Gehäuses 11 paßt und dort beim Zusammenbau festgeschweißt wird.

Die rohrförmige Stützwand 16ßund die Hauptplatte 16/4 können aus einem einzigen Block herausgearbeitet werden oder, falls gewünscht, durch Verlöten oder Verschweißen der Hauplplatte mil der Stützwand hergestellt werden. Die Membran weist das gleiche elektrisehe Potential wie das Fühlergehäusc auf und liegt gewöhnlich an Masse. Eine die Kondensalorplattc aufweisende Anordnung ist allgemein mit 20 bezeichnet. Sie ist deutlicher in Fig. 3 dargestellt Die Kondensatorplatte

21 ist auf einem zylindrischen Block 22 aus keramischem Material befestigt, der einen kreisförmigen Querschnitt besitzt und einen sich nach oben erstreckenden Hals 23 aufweist. Das keramische Material kann Aluminiumoxyd sein, wobei beispielsweise ein keramisches Material mit 94% Aluminiumoxyd als sehr zufriedenstellend befunden wurde. Der Umfang des keramischen Blocks

22 ist mit einer Metallschicht 25 versehen. Der Hals 23 ist ebenfalls metallisiert. Diese Metallisierung bildet einen sehr dünnen Metallüberzug auf dem keramischen Material. Dieser Metallüberzug ist im Querschnitt zur deutlicheren Darstellung vergrößert gezeigt. Die Metallisierung kann durch Sprühen. Vakuumbeschichtung oder andere erwünschte Verfahren erzeugt werden. Das gewählte Metall muß ein guter elektrischer Leiter sein. Die Kondensatorplattc 21 wird durch Beschichtung oder auf andere Weise auf dem Block 22 befestigt und ist, wie in übertriebenem Maßstab dargestellt ist. auf einem teilweise sphärischen Sitz angeordnet, der so gewölbt ist, daß er sich eng der Auslenkung der Membran anpaßt. Ein rohrförmiger Leiter 27 ist in den Block 22 eingebettet und erstreckt sich durch diesen. Der Leiter ist elektrisch mit der Platte 21 verbunden. Die Kondensatorplatte 21 besteht aus einer dünnen leitenden Schicht auf der Oberfläche des Blockes 22, die als gekrümmte Fläche in stark vergrößertem Maßstab dargcstellt ist. Die gekrümmte Oberfläche besitzt vorzugsweise die gleiche Form wie sie die unter Druckeinfluß iiusgclenkte Membran an dieser Stelle ihrer Bewegung hüben würde. Diese Form ermöglicht eine »vereinfachte« Be/iehung zwischen der Kapazität und dem Druck zusätzlich zu ihrer Eignung als Stützfläche für die Membran im Falle des Auftretens übermäßiger Spannungen bei (Jberlastungsbedingungen. Die Beziehung zwischen Kapazität und Druck bei einer genau gekrümmten Oberllache kann wie folgt ausgedrückt werden.

C_n-C₀ =

K₁P

wobei P das Druckdifferential an eier Membran, C), die Kapazität beim Druck P. Co die Kapazität bei einem Druekdifferential Null und K] und /G Konstante sind, die die Federkonstante und Größe der Membran sowie die Größe und die elektrische Eigenschaft der Kapazität betreffen.

Der den inneren Block 22 umgebende Metallüberzug oder die Metallschicht 25 wie auch der Überzug oder die Schicht 24 bilden einen Teil der die Platte 21 und den to rohrförmigen Leiter 27 umhüllenden elektrischen Abschirmung. Zu beachten ist, daß die Platte 21 gegenüber der Metallschicht 25 isoliert ist.

Ein Ring 30 aus keramischem Material, das mit dem des Blockes 22 identisch ist beispielsweise 94% Aluminiumoxyd, ist um den mittleren Block 22 auf der Außenseite der Metallschicht 25 aufgebracht. Die Metallschicht 25 und das innere des äußeren Ringes 30 werden durch eine Lötschicht 31 miteinander fest verbunden. Ein rohrförmiges Element 32 aus einer Eisen-Nickel-Legierung ist auf der Außenfläche des Ringes 30 diesen umschließend angeordnet und festgelötet weil sie mit Aluminiumoxyd verträgliche Wärmedehnungseigenschaften besitzt.
Dann wird ein äußeres Lagerrohr 33 über den Ring 32 geschoben. Das Rohr 33 besitzt, wie aus Fig.4 ersichtlich ist, läng? seines unteren Umfangsbereiches Ausnehmungen 34, die kleine Lappen 35 bilden. Die unteren Abschnitte der Lappen 35 sind durch Punktschweißen auf dem äußeren Umfang des Ringes 32 im unteren Bereich der Lagerblockanordnung befestigt. Die Lappen 35 können für eine gute Anpassung leicht gebogen werden. Dann wird der obere Teil des Rohres 33 mit dem Lagerring 17 der randfreien Membran verschweißt, so daß die gesamte Membran-Kondensatorplatte-Anordnung als eine Einheit in das äußere Gehäuse 11 des Druckfühlers eingebaut werden kann. Die Schweißung dichtet den Lagerring 17 und die Membran-Stützkonstruktion ab.

Die Kammer 12,4. wird dadurch gegenüber der Kammer 12ß abgedichtet. Das rohrförmige Leitungselement 27 mündet in eine kleine Kammer 36, die zwischen der oberen Oberfläche der Membranplatte 16, der unteren Oberfläche der Platte 21 und ihrer Tragkonstruktion ausgebildet ist Es sollte beachtet werden, daß der unterc Abschnitt des Rohres 33 einen Abstand von der Innenfläche der Membranstützwand 165 einhält. Die Kammer 12ß ist als Bezugskammer evakuiert und dieses Vakuum wird über das Rohr 27 auch auf die Kammer 36 ausgedehnt. Falls erwünscht, kann die Kammer 12ß mit der Atmosphäre verbunden werden, um Überdruckmessungen durchführen zu können, oder die Kammer 12ß kann mit einer zweiten Druckquelle verbunden werden, um den Druckunterschied zweier Druckquellen zu messen.

Das Leiterrohr 27 erstreckt sich aus dem Hals 23, wo eine geeignete elektrische Leitung 37 in üblicher Weise daran befestigt ist. Die Leitung 37 besitzt einen flexiblen Leitungsdrahtabschnitt, der am Rohr 27 befestigt ist, wobei sich dieser Draht bis zu einem Anschlußstift er-

bo streckt Ein Abschirmrohr 40, das als metallisches, rohrförmiges Element ausgebildet ist, ist über den Hals 23 gestreift und steht dort in elektrischer Verbindung mit der Metallschicht 24 und der den Hals 23 umgeuenden Metallschicht, so daß ein elektrischer Kontakt zwischen

b·; dem Rohr 40 und den Metallschichten 24 und 25 bestellt. Das Rohr 40 erstreckt sich nach oben bis zu einem Verbindungsabschnitt 41 und bildet in Verbindung mit den Metallschichten 24 und 25 eine kontinuierliche Ab-

schirmvorrichtung 44, die am Boden des Lagerblockes für die Kondensatorplaue 21 endet. Es ist ersichtlich, dall die Ränder der Abschirmung mit der Kondensatorplane 21 fluchten.

Wie aus F i g. ! ersichtlich ist. erstreckt sich die Leitung 37 nach oben in den Verbindungsabschnitt 41. der geeignete Verbindungsmittel an seiner Außenseite aufweist, so daß ein übliches dreiachsiges Kabel am Abschnitt 41 befestigt werden kann. Das Zentrum des dreiachsigen Kabels ist elektrisch mit der mittleren Leitung 37 verbunden, die die Signale von der Platte 21 überträgt, und eine innere metallische Abschirmung im dreiachsigen Kabel ist mit dem Rohr 40 verbunden. Eine äußere Metallscheide des dreiachsigen Kabels ist mit dem äußeren Gehäuse 11 verbunden. Die äußere Scheide des dreiachsigen Kabels liegt somit an Masse.

Das dreiachsige Kabel stellt die Verbindung zu einer Energiequelle und einer Anzeigeeinrichtung dar. Die mittlere Leitung, die Abschirmung und die äußere Scheide sind jeweils voneinander isoliert.

Das Rohr 40 muß Öffnungen aufweisen, so daß das im Inneren der Kammer 125 herrschende Vakuum durch das Rohr 27 mit der Kammer 36 in Verbindung gelangen kann.

Schweißen oder auf andere Weise verbunden werden.

Diese Konstruktion ergibt einen sehr robusten und stabilen Fühler. Die Lagerung der Kondensatorplalte 21 ist sehr stabil.

Das Verfahren der Metallisierung und des anschließenden Auflötens eines äußeren Ringes aus Aluminiumoxyd ermöglicht eine vollständige Abschirmung bis /ur Kondensatorplatte und diese umgebend.

In F i g. b ist eine abgewandelte Ausführungsform der Abschirmung und der Lagerung der Kondensatorplatie dargestellt. Das äußere Gehäuse und die Membran, wie auch der Druckeinlaß und dgl. sind die gleichen wie bei dem vorher beschriebenen Ausführungsbeispiel. Der Lagerblock 50 ist am massiven Ring 17 angebracht und besitzt einen Metallbecher 51. der mit einem keramischen Material oder Glas angefüllt ist. um ein mit 52 gekennzeichneten Block zu bilden.

Ein Abschirmrohr 53, das mil dem Rohr 40 übereinstimmt, ist in den Glasblock eingebettet und erstreckt sich durch den Block bis zu einer Stelle, wo es elektrisch mit einer metallischen Abschirmschicht 54 verbunden ist, die auf einer konkaven, der Membran 16Λ zugewandten Fläche des Blockes aufgebracht ist. Die Abschirmschicht 54 erstreckt sich nach unten bis zu der

Das Abschirmrohr 40 ist sehr flexibel ausgeführt, so 25 Außenfläche des Blockes,
daß der Zusammenbau und die Temperaturdehnungs- Eine dünne Schicht aus Keramikmaterial oder Glas

unterschiede zwischen dem äußeren Gehäuse und dem Rohr selbst nicht dazu führen können, daß das Rohr wesentliche Kräfte auf die Lagerung 20 der Kondensatorplatte ausüben kann. Dies kann dadurch geschehen, daß das Rohr mit einer faltenbalgartigen Ausbildung versehen wird, oder daß das Rohr eine geflochtene Konstruktion aufweist. Es ist weiterhin möglich, eine Gleitverbindung zwischen der Außenfläche des Halses 23 und der Innenfläche des Rohres 40 vorzusehen.

Die Abschirmanordnung 44 erstreckt sich in das Innere des Fühlergehäuses 11 und schirmt alle elektrischen Komponenten ab, so daß selbst die Kondensatorplatte 21 abgeschirmt ist. Die Abschirmung wird vorzugsweise 55 wird dann über die Außenfläche der metallischen Abschirmschicht aufgebracht und bildet eine Isolierschicht auf der Abschirmschichi 54.

Dann wird eine aus einer dünnen Metallschicht gebildete Kondensatorplatte 56 auf der Glasschicht 55 aufgebracht. Die Kondensatorplatte 56 entspricht der Kondensatorplatte 21 des ersten Ausführungsbeispiels. Die Kondcnsatorplatte 56 ist ebenfalls konkav und elektrisch mit einem Leiterrohr 57 verbunden, das dem Leiterrohr 27 der ersten Ausführungsform entspricht. Das Leilerrohr und die Kondensatorplatte 56 sind wiederum voll abgeschirmt, einschließlich der Stelle, wo die Leitung durch den Stützblock der Kondensatorplatte

auf demselben Potential gehalten wie die Kondensator- 40 geführt ist. Die Abschirmschicht 54, die Glasschicht 55

platte und ihre Leitungsdrähte, so daß kein Nebenschlußsirom entstehen kann, der Fehler bei der Ablesung hervorrufen könnte. Fehler durch wechselnde Nebenschlußbedingungen waren ein ernsthaftes Problem, insbesondere dort, wo hohe Temperaturen auftraten, weil die Nebenschlußströme bei höheren Temperaturen bei üblichen Isolationsmaterialien wesentlich höher werden und nicht angemessen ausgeglichen werden können. Die schematische Darstellung in Fig. 5 zeigt und die Kondcnsatorplatte 56 können jeweils an Ort und Stelle aufgesprüht werden, oder es können andere Verfahren zu ihrer Aufbringung benutzt werden. Der Fühler arbeitet wie vorstehend beschrieben.

Die Rohre 57 und 53 werden in ihre Lage gebracht, wenn der Block 52 hergestellt wird. Auf diese Weise sind die Rohre 57 und 53 fest an ihrer Stelle gehalten. Die konkave Oberfläche, die zur besseren Darstellung im Maßstab stark übertrieben dargestellt ist, ist so einge-

die Abschirmung in ihrer Lage zwischen der Energie- 50 schliffen, daß sie der Membranauslenkung entspricht, quelle und der Kondensatorplatte. Die Abschirmschicht 54, die Glas- oder Keramikschicht

Eine Fühlermembran in gestreckter Form kann anstelle der randfrei abgestützten und gezeigten Membran benutzt werden. Die Auswahl der Membran hängt von den Bereichen der zu ermittelnden Drücke ab.

Die Konstruktion der Lagerblöcke für die Fühlerkondensatorplatte ist wegen der aus mehreren keramischen und metallischen Teilen bestehenden Konstruktion neu, die einen isolierten Schutzschild liefert, der sich bis zur Ebene der Kondensatorplatte 21 erstreckt Der innere ω Block 22 wird zuerst ausgebildet dann wird die Metallisierung durchgeführt, um die Abschirmung zu bilden. Dann wird der äußere Ring aus keramischem Material auf die Außenfläche der metallisierten Schicht des Keramikblockes 22 aufgelötet. Darauf wird das äußere μ Metallrohr aufgelötet und zur Lagerung des mittleren Blockes auf seinen Stützring 33 benutzt Der Ring 33 kann mit der Tragkonstruktion 17 der Membran durch 55 und die Koridensatorplaite 56 werden dann an den ihnen zugeordneten Stellen aufgebracht Die Kondensatorplatte 56 ist natürlich gegenüber der Abschirmschicht 54 isoliert Die Abschirmschicht 54 ist gegenüber dem becherförmigen Element 51 isoliert Die Verbindungen sind die gleichen wie zuvor, wobei ein dreiachsiges Kabel dem Fühler Energie zuführt

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kapazitiver Druckfühler mit einem eine Fühlerkammer aufweisenden Gehäuse, einem in dem Gehäuse angeordneten Lagerblock mit zwei unter Abstand voneinander angeordneten Stirnflächen, einem als elektrischen Leiter ausgebildeten Rohr zur Beaufschlagung der Fühlerkammer mit einem Bezugsdruck und Kondensatorplatten innerhalb des Gehäuses, von denen eine erste Kondensatorplatte auf einer der Stirnflächen des Lagerblocks angeordnet und eine zweite Kondensatorplatte nach Art einer Membran gegenüber der ersten Kondensatorplatte verstellbar ist, wobei das als Leiter ausgebil- dete Rohr von der ersten Kondensatorplalte ausgehend durch den Lagerblock hindurchgeführt und außerhalb der anderen Stirnfläche des Lagerblocks von Isoliermaterial und einem elektrisch leitenden Abschirmrohr umschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Stirnflächen des Lagerblocks (22; 52) eine elektrisch leitende Abschirmung (24,25; 53,54) derart angebracht ist, daß sie einerseits gegenüber der ersten Kondensatorplatte (21; 56) und andererseits gegenüber dem Ge- häuse (11) isoliert ist, und dabei die erste Kondensatorplatte (21; 56) und denjenigen Abschnitt des als elektrischen Leiter ausgebildeten Rohrs (27; 57) umschließt, der sich durch den Lagerblock (22; 52) hindurch erstreckt, daß die Abschirmung (24,25; 53,54) j< > elektrisch mit dem elektrisch leitenden Abschirmrohr (40) verbunden bzw. Bestandteil des Abschirmrohrs (53) ist, und daß das der ersten Kondensatorplatte (21; 56) zugewandte freie Ende der Abschirmung (25; 54) im wesentlichen auf dem gleichen elektrischen Potential wie die Kondensatorplatte (21; 56) gehalten wird.

2. Druckfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende Abschirmung (24, 25) als Schicht auf der äußeren Umfangsfläche des Lagerblocks (22) abgelagert ist und ein äußerer Ring (30) aus Isoliermaterial auf dem dem Ring (30) zugewandten Teil (25) der Abschirmschicht (24, 25) befestigt ist.

3. Druckfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hals (23) einstückig an dem Lagerblock (22) angeformt und von dem Abschirmrohr (40) umschlossen ist, das elektrisch mit der auf dem Lagerblock (22) befindlichen Schicht (24, 25) verbunden ist.

4. Druckfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (24,25; 54) auf der fühlerkammerseitigen Stirnfläche von der ersten, festen Kondensatorplatte (21; 56) einen radialen Abstand aufweist, der etwa gleich dem axialen Abstand zwischen der festen Kondensatorplatte (21; 56) und der gegenüber dieser verstellbaren Membran (\6A) ist, die entsprechend dem daran auftretenden Druckunterschied auslenkbar ist.

5. Druckfühler nach Anspruch 1 bis 4, dadurch ge- mi kennzeichnet, daß eine Schicht (55) aus Isoliermaterial die Abschirmmaterial-Schicht (54) von der festen Kondensatorplatte (56) trennt.