DE2125663A1

DE2125663A1 - Kapazitiver Druckwandler

Info

Publication number: DE2125663A1
Application number: DE19712125663
Authority: DE
Inventors: Gyula Dipl.-Ing. Budapest. P Satori
Original assignee: Medicor Muvek
Current assignee: Medicor Muvek
Priority date: 1970-05-25
Filing date: 1971-05-24
Publication date: 1971-12-09
Also published as: FI54841C; DE2125663B2; GB1354025A; JPS5540807B1; SE378675B; US3697835A; NL174673B; FI54841B; NL7107130A; CA927622A; DK127762B; CS168054B1; NL174673C

Description

Patentanwälte

Dipl. Ing. Walter Meissner 2125663

Pipt. Ing. Herbert Tischer
Büro München
München 2, Ta! 71 München, den 24." Mai 1971

Medicor Müvek
Budapest /Ungarn

KAPAZITIVER DRUCKWANDLER

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Druckwandler.

Druckwandler sind bestimmt, Druckänderungen in elektrische Signale umzuwandeln, damit sie ausgewertet werden können. Es sind bereits Druckwandler bekannt, bei denen eine «lastische Membrane in einem Gehäuse zum Fühlen des Druckes dient· Durchbiegungen der Membrane werden mittels eines Gelenkes zum Ändern dor Werte von in Brttckenschaltungen vorgesehenen Widerständen oder Halbleitern benutzt. Die verstärkte Ausgangsspannung der Brückenspannung

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bildat ein der Druckänderung proportionales elektrisches Sigr.al. Die bekannten Druckwandler dieser Art arbeiten mit induktiven oder kapazitiven Gliedern in ihren Brückenschaltungen.

Die bekannten kapazitiven Druckwandler sind mit einer elastischen Membrane ausgestattet, deren beide Seiten je eine Elektrode von zwei Kapazitäten tragen, wobei . die anderen Elektroden derselben Kapazitäten an der inneren Wand eines die Membrane enthaltenden Gehäuses dieser, gegenüber vorgesehen sind. Zwei veränderliche Kapazitäten liegen ausserhalb des Gehäuses und bilden mit jenen innerhalb derselben eine Brückschaltung. Die Brückenschaltung

™ kann dann durch Änderung der veränderlichen Kapazitäten ausgeglichen werden. Diese bekannte Art der kapazitiven Druckwandler muss ein Ausgleich der Brückenschaltung vor den Messungen vorgenommen werden. Hierzu kommt, dass durch die Anordnung der zwei Kapazitäten ausserhalb des Druckwandlergehäuaes die Handhabung des Gerätes umständlich wird. Da nur zwei Kapazitäten veränderlich wird, werden verhältnismässig schwache Signale erhalten.

Die Erfindung bezweckt die Behebung dieser Unzulänglichkeiten und die Schaffung eines wirksamen kapazitiven Umwandlers, dessen Brückenschaltung ohne Änderung der Kapazitäten von selbst ausgeglichen und dabei durch einen gedrängten Aufbau und geningen Raumbedarf ausgezeichnet ist. Die Erfindung geht davon aus, dass durch eine vollständige Symmetrie des Aufbaues die Ausgeglichenheit der Brückenschaltung selbsttätig gesichert wird und der symmetrische Aufbau selbst erreichbar ist, wenn alle Kapazitäten innerhalb des Druckwandlergehäuses derart angebracht werden, dass sie paarweise gegeneinander wirken· Dabei können sie alle veränderlich sein, was notwendiger Weise zu starken Signalen führt. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass dies durch eine Aufteilung der Elektroden der einzelnen Kapazitäten einfach erreicht wer-

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den kann. Eine Aufteilung in zwei Teile der "beiden Elektroden an den einander gegenüberliegenden Seiten der Membrane" ergibt bereits vier beweglichen Elektroden. Die Aufteilung der Elektroden an der Gehäusewand führt wieder zu vier ortsfesten Elektroden. Es können somit vier Kapazitäten innerhalb des Gehäuses gebildet werden. Die sollen nun derart in eine Brücke geschaltet werden, dass sie einander entgegen 'wirken. Um dies zu erreichen, müssen die Kapazitäten, die sich in einander gegenüber liegenden Brückenzweigen befinden, auf derselben Seite der Membrane angebracht sein.

Somit bezieht sich die Erfindung auf einen kapazitiven Druckwandler, der in an sich bekannter Weise eine Membrane in einem Gehäuse und an der Membrane und am Gehäuse angebrachte kapazitive Elektroden aufweist, wobei die Elektroden paarweise Kapazitäten bilden, die in Brückenschaltung liegen. Die Erfindung selbst besteht darin, dass vier Elektroden an der Membrane und ihre zugeordneten Elektroden, am Gehäuse vorgesehen sind, wobei die Kapazitäten, die sich in einander gegenüber liegenden Brückenzweigen befinden, auf derselben Seite der Membrane angebracht sind.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der Zeichnung erläutert, in der eine beispielsweise AusfÜhrurigsform des kapazitiven Druckwandlers gemäss der Erfindur.g dargestellt ist.

Pig. 1 ist dabei ein Längsschnitt des Ausführungsbeispiels entlang der Linie I - I der Fig. 2.

Fig. 2 ist ein Schnitt gemäss der Linie II - II der Fig. 1.

Fig. 3 ist die Seitenansicht einer Einzelheit.

Fig. 4 ist eine Draufsicht zur Fig. 3

Fig. 5 ist ein Schnitt gemäss der Linie V-V in Fig. 6 einer anderen Einzelheit.

Fig. 6 ist eine Draufsicht zur Fig. 5. Schliess-

Fig. 7 ist ein Schaltbild.

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Wie aus ,der Zeichnung hervorgeht, hat das dargestellte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen kapazitiven Druckwandlers eine Membrane 10, die einem Gehäuse 12 untergebracht ist. Das Gehäuse 12 ist als ein hoher zylindrischer Körper ausgebildet, dessen Öffnung dutch einen Deckel 14 geschlossen werden kann.Im Gehäuse 12 befinden sich zwei gleichförmige Tragkörper 16 bzw". 18, :die in eingebautem Zustand spiegelbildlich angeordnet sindj \ "

Einzelheiten der Tragkörper 16 und 18 gehen aus Pig. 3 und 4 hervor, welche den Tragkörper 16 allein darstellen. An der oberen Seite des Tragkörpers 16 in einer .Ausnehmung 22 sind zwei feststehende Elektroden 24 und 26 vorgesehen, die entlang der Linie A-A voneinander getrennt sind und mittels je einer abgebogenen Lasche 24a bzw. 26a an der zylindrischen Innenwand des Gehäuses 12 anliegen können. Weitere Laschen 28 bzw. 30 dienen mit ihren abgebogenen JSnden zum Anschluss von an der Membrane 10 vorgesehenen Elektroden, wie dies aus Fig. 1 hervorgeht.

Der Tragkörper 18 ist dem Tragkörper 16 ähnlich ausgebildet. Ihre Elektroden sind mit 25 bzw. 27, und ihre Anechlusslaschen mit 29 bzw. 31 bezeichnet.

Die beiden Tragkörper 16 und 18 bestehen aus I-aolierstoff, z.B. aus Kunstharz, wobei die Elektroden bzw. die Ansehlusslaschen 24 bis 27 bzw. 28 bis 31 auf diese Isolierkörper z.B. aufgedampft, galvanisch aufgetragen

Einzelheiten der Membrane 10 sind in Pig. 5 und 6. dargestellt. Auf einer Scheibe aus elastischem Kunststoff, welche die Membrane 10 bildet, sind vier Elektroden 32, 34, bzw, 36, 38jeweils entlang der Linie A-A getrennt a.B. ebenfalls durch Aufdampfen oder galvanisch angebracht. Die Aussparungen in den Slektrodenflachen sind bestimmt, einen Raum for die Le ittmgs streifen der feststehenden Elektroden freizulassen.

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Beide Tragkörper 16 und 18 sind mit Abstufungen 40 bzw. 42 ausgebildet, die zum Abrollen von O-Ringen 44 bzw. 46 dienen. Diese O-Ringen 44 und 46 weisen einen Innendurchmesser auf, der etwas geringer ist als der Durchmesser D der innersten Absätze der Abstufungen 40 bzw. 42. Wenn demnach die O-Ringe 44 und 46 auf ihre Abstufungen 40 bzw. 42 gedrückt werden, müssen sich.ihre Durchmesser vergrössern, wodurch sie radial auswärts gerichtete Kräfte auf die Membrane 10 ausüben und diese gleichsam ausspannen. Das Abrollen der Ringe list dadurch gesichert, dass der Durchmesser ihres Querschnittes etwas grosser ist, als die radiale Breite der Abstufungen 40 bzw. 42.

Die Verbindung der Elektroden in eine Brückenschaltung wird durch das zylindrische Gehäuse 12 gesichert, dessen innere Wand mit vier in der Längsrichtung des Druckwandlers verlaufenden metallischen Kontaktsstreifen versehen ist, deren zwei in Fig. 1 mit 50 bzw. 52 bezeichnet sind.

Die elektrische Anordnung der Elektroden 24, 25, 26, 27 bzw. 32, 34, 36, 38 geht aus der Pig. 7 hervor. Wie ersichtlich bilden sie in der Brückenschaltung paarweise vier veränderliche Kapazitäten C₁, O₂, C, und C.* Anschlusspunkte der Brückenschaltung sind mit 54, 56, 58 bzw. 60 bezeichnet. Abschnitte der Leitungen, die auch in den anderen Abbildungen ersichtlich sind, sind mit den entsprechenden Bezugszeichen versehen. Die Anschlusspunkte 54 und 56 stellen z.B. den Eingang und die Anschlusspunkte 58 und 60 den Ausgang der Schaltung dar, wobei sie aber infolge der symmetrischen Anordnung untereinander paarweise vertauscht werden können.

⁴ Wie gezeigt werden kann, wird eine der Verschiebung der Elektroden proportionale Brückenausgangsspannung erreicht, wenn eine jede der Brückenkapazitäten C₁ bis C. sich in gleicher Weise ändert. Aus der Anordnung ist auch ersichtlich, dass in je zwei gegenüber liegenden

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Zweigen der Brückenschaltung jeweils zwei in gleichem Sinn veränderliche Kapazitäten C₁ und C₅ bzw. C« und C- vorgesehen sind, die jeweils auf derselben Seite der Membrane liegen.

Es kann ferner gezeigt werden, dass ein Druckwandler, der mit einer Brückenschaltung der beschriebener' Art versehen ist, innerhalb der Dehnungsgrenze des Menbranmaterials lineare Signale liefert, wobei durch Änderung der Membranstärke Druckwandler verschiedener Empfindlichkeit gebaut werden können.

Die Membrane 10 unterteilt den Innenraum des Druckfe wandlers in zwei Druckkammern 62 und 64, die über Kanäle 66 bzw« 68 mit Öffnungen 67 bzw. 69 im Boden des Gehäuses 12 bzw. im Gehäusedeckel 14 verbunden sind. Der zu messende Druck gelangt über die Kanäle 66 bzw. 68 in die Druckkammern 62 bzw. 64.

Die in der beschriebenen Weise ausgebildeten Teile des erfindungsgemässen Messwandlers v/erden in d«er folgenden Weise zusammengestellt:

Im Gehäuse 12 wird der Tragkörper 16 mit seinem O-Ring 44 derart angebracht, dass die linien A-A der verschiedenen" Teile zusammenfallen, d.h. die AnscHlusslaschen 28 bzw. 30 auf die Kontaktstreifen 50 bzw. 52 zu liegen kommen. Dann schliessen sich auch die Anschlusslaschen 24a * bzw. 26a an die ihnen zugeordneten nicht dargestellten Kontaktstreifen im Gehäuseinneren an. Auf den aus der Oberfläche des Tragkörpers 16 hervorstehenden Teil des O-Ringes 44 kommt die Membrane 10 zu liegen. Dann wird der Trag- körper 18 mit seinem O-Ring 46 derart auf die Membrane 10 gelegt, dass seine Anschlusslaschen 29 bzw. 31 sich wiederum an die Kontaktstreifen 50 bzw. 52 anschliessen. Auf diese Weise entsteht bereits die Brückenschaltung gemäes Fig. 7, wobei der erforderliche Kontaktdruck dadurch gesichert wird, dass der Tragkörper 18 mit seinem O-Ring 46 zusammen mit der Membrane 10, dem O-Ring 44 und dem Tragkör-

per 16 als eine Einheit durch den Deckel 14 unter Zwischen-' schaltung von Gummiunterlagen 70 bzw. 72 zusammengedrückt werden, wobei der Deckel 14 durch Haftsitz in seiner Schliesslage festgehalten wird. Die O-Ringe 44 bzw. 46 rollen dabei an ihren zugeordneten Abstufungen 40 bzw. 42 ab, so dass die Membrane 10 radial auswärts ausgespannt und zwischen den beiden O-Ringen 44 und 46 straff gehaltert wird,

Die Anschlüsse 54 und 56 werden z.B. an eine Spannungsquelle angeschlossen, die eine sinusförmige Spannung liefert. Die beiden anderen Anschlüsse 58 und 60 werden Ü-ber ein Messinstrument miteinander verbunden. Durch den beschriebenen vollkommen symmetrischen Aufbau des Druckwandlers ist die Brückenschaltung gemäss Fig. 7 in unbelastetem Zustand der Membrane 10 ausgeglichen, so dass das Messinstrument an den Anschlüssen 58 und 60 seine Nullage einnimmt.

Nun kann der Druckwandler zu Messungen verwendet werden.

Soll z.B. der Druck eines Blutstromes gemessen werden, so wird einer der Druckkammern 62 und 64, z.B. die Druckkammer 64 mit dem Blutstrom verbunden, so dass der Blutdruck über die Öffnung 69, die Gummiunterlage 72 und den Kanal 68 auch in der Druckkammer 64 (im Messraum) auftritt.

In Abhängigkeit vom Unterschied der .in den Druckkammern 62 und 64 herrschenden Drücken biegt sich die Membrane 10 in der Richtung des niedrigeren Druckes durch, wobei an den Ausgangsklemmen 58 und 60 eine amplitudenmodulierte Spannung erscheint, die zur Durchbiegung der Membrane 10 auch über die Dehnungsgrenze des Membranraaterials hinaus proportional ist, wobei innerhalb der Dehnungsgrenze des Membranmaterials die Signalspannungen auch zum auf die Membrane 10 einwirkenden Druckunterschied proportional sind.

Versuche haben gezeigt, dass der erfindungsge-

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masse Druckwandler zum Messen von Druckschwankungen in der Größenordnung von 0,1 p/cm², d.h. von Wasserüäulenmillimete::n geeignet ist, wobei die Schwankungen sich Drücken von etwa 1 ata überlagern.

Der Druckwandler gemäss der Erfindung ist den bekannten Druckwandlern ähnlicher Art durch den Vorteil ausgezeichnet, dass sein Aufbau .eine vollkommene Symmetrie bezüglich der Kapazitätsänderungen gewährleistet. Die Symmetrie des Aufbaus ist somit ein Kennzeichen des Druckwandlers gemäss der Erfindung.Hierzu kommt, dass die Gegentaktwirkung der Kapazitäten ein zweifaches Ausgangssignal zur Folge hat, im Gegensatz zu den bekannten Druckwandlern, welche nur zwei veränderliche Kapazitäten enthalten. Treten gleich grosse Drucksignale an den beiden Membranseiten, d.h. in den beiden Druckkammern 62 und 64 auf, dann erfolgt keine Durchbiegung der Membrane 10, Dies bedeutet, dass der erfindungsgemässe Druckwandler atmosphärischen Druckscbwankungen gegenüber unempfindlich ist. Durch die Anwendung von Kapazitäten der gleichen Art wird eine lineare Beziehung zwischen dem Druckunterschied auf den beiden Membranseiten und der Ausgangsspannung der Brttk— kenschaltüng erreicht. Ein weiterer Vorteil besteht im geringen Raumbedarf des erfindungsgemässen Druckwandlers, gegenüber bekannten Geräten, bei denen die Empfindlichkeit

W durch Vergrb'sserung des ^embrandurchmessers erreicht werden soll· Der robuste Aufbau des Druckwandlers gemäes der Erfindung gestattet härtere Arbeitsbedingungen, da der Druckwandler gegen unvorsichtige Bedienung unempfindlich ist. Es ist leicht einzusehen, dass die Herstellungskosten niedrig gehalten werden können, wobei Fehlermöglichkeiten äusserst gering sind. Somit eignet sich der neue Druckwandler insbesondere für die Massenherstellung.

Im Obigen ist die Erfindung anhand eines Druck-· Wandlers beschrieben worden, deren Elektroden und Zuleitungen aufgedampfte oder galvanisch aufgetragene Metall-

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schichten darstellen. Es ist aber auch möglich, dass die
Elektroden mit ihren Zuleitungen räumliche gedruckte Stromkreise darstellen.

Es ist leicht einzusehen, dass der erfindungsgemässe Druckwandler nicht nur zum Messen der Druckschwankungen in Blutströmen, sondern auch in einem weiten Gebiet industrieller Art verwendet werden kann, wie die industrielle Strömung technik von Gasen und Flüssigkeiten, Temperaturmessung, Messung von Druckunterschieden, usw.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1·) Kapazitiver Druckwandler mit einer Membrane in einem Cfefiäuse und mit kapazitiven Elektroden, die zum Teil an-der Membrane angebracht sind, wobei die Elektroden paarweise Kapazitäten bilden, die in Brückenachaltung liegen, dadurch gekennzeichnet, dass vier Elektroden (32, 34, 36, 38) an der Membrane (10), und ihre zugeordneten Elektroden (25, 27» 24 und 26) am Gehäuse (12) vorgesehen sind, wobei die Kapazitäten (0·,, C₂, C-, OA₉ die sich in einander gegnÜber liegenden Brückenzweigen befinden, auf derselben Seite der Membrane angebracht sind (C₁, C- und C₂, C,).

Jl. Druckwandler nach Anspruch 1, dadurch g e kennzeichnet, dass die Membrane (10) aus elastischem Kunststoff besteht.und in zusammengebautem Zustand des Druckwandlers zwischen zwei 0-Ringen (44v 46) eingespannt ist.

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