DE2125663B2

DE2125663B2 - Kapazitiver Druckwandler

Info

Publication number: DE2125663B2
Application number: DE2125663A
Authority: DE
Inventors: Gyula Dipl.-Ing. Budapest Satori
Original assignee: Medicor Muvek
Current assignee: Medicor Muvek
Priority date: 1970-05-25
Filing date: 1971-05-24
Publication date: 1975-09-04
Also published as: JPS5540807B1; US3697835A; FI54841B; CS168054B1; DE2125663A1; DK127762B; GB1354025A; SE378675B; FI54841C; NL174673C; NL7107130A; CA927622A; NL174673B

Description

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Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Druckwandler mit einer Membran in einem Gehäuse und mit kapazitiven Elektroden an der Membran und Gegenelektroden am Gehäuse, wobei die Elektroden und Gegenelektroden paarweise Kapazitäten bilden, die in Brückenschaltung liegen, und v/obei die Membran in einer Spannvorrichtung eingespannt ist.

Bei den bekannten kapazitiven Druckwandlern ist die elastische Membran beidseitig mit je einer Elektrode von zwei Kapazitäten versehen, wobei die anderen Elektroden derselben Kapazitäten an der inneren Wand eines die Membran enthaltenden Gehäuses angeordnet sind. Zwei veränderliche Kapazitäten liegen außerhalb des Gehäuses und bilden mit den im Gehäuse befindlichen eine Brückenschaltung. Die Brücken- schaltung kann durch Änderung der veränderlichen Kapazitäten abgeglichen werden. Bei derartigen kapazitiven Druckwandlern muß ein Brückenabgleich vor der Messung vorgenommen werden. Darüber hinaus wird durch die Anordnung der beiden Kapazitäten außerhalb des Gehäuses des Druckwandlers die Handhabung des Gerätes erschwert. Da nur zwei Kapazitäten veränderlich sind, werden verhältnismäßig schwache Signale erhalten.

Es ist eine Vorrichtung der genannten Art bekannt, bei der die Membran aus Metall besteht und die beiden Membranseiten direkt als Elektrode wirken (GB-PS 9 07 567).

Es sind aber auch bereits aus Gummi oder einem ähnlichen elastischen Material bestehende Membranen bekannt, die mit Elektroden versehen sind (US-PS 34 18 850). Hierbei sind jedoch die Elektroden im Inneren der Membran angeordnet, von außen also nicht zugänglich. Der dadurch erforderliche Fertigungsaufwand führt zu unerwünschten Herstellungsmehrkosten.

Bei einem anderen bekannten Druckwandler in Form einer Kraftmeßdose liegen alle Meßfühler auf derselben Seite der Membran, so daß weder eine mechanische noch eine pneumatische Symmetrierung erreicht ist (DT-PS 11 29 317 und 12 26 806). ⁶S

Auch bei einem noch bekannten kapazitiven Druckwandler werden nur an einer Seite der Membran Elektroden von Kapazitäten vorgesehen, die in einan der benachbarten Zweigen der Brückenschaltung angebracht sind, so daß verhältnismäßig schwache Signale geliefert werden (US-PS 32 22 581).

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen wirksamen kapazitiven Druckwandler zu schaffen, dessen Brückenschaltung ohne Änderung der Kapazitäten von selbst abgeglichen wird, einen geringen Raum beansprucht und stärkere Signale liefert als die bekannten Wandler dieser Art

Dies wird bei dem eingangs genannten Gerät erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Membran aus elastischem Kunststoff besteht, daß auf der einen Seite der Membran zwei Elektroden und auf der anderen Seite zwei Elektroden angebracht sind, und daß die von ihnen zusammen mit den Gegenelektroden gebildeten Kapazitäten so geschaltet sind, daß die Elektroden der sich in einander gegenüberliegenden Brückenzweigen befindenden Kapazitäten jeweils auf derselben Seite der Membran angebracht sind.

Es wird also eine vollständige Symmetrie des Aufbaus des Druckwandlers erreicht, durch die die selbst tätige Abgleichung der Brückenschaltung gesichert wird, wobei alle Kapazitäten innerhalb des Druckwandlergehäuses derart angebracht sind, daß sie paarweise gegeneinander wirken. Dabei können sie alle veränderlich sein, wodurch starke Signale erzeugt werden. Eine Aufteilung der Elektroden an den einander gegenüberliegenden Seiten der Membran in zwei Teile ergibt dabei vier bewegliche Elektroden. Eine weitere Aufteilung der Elektroden an der Gehäusewand führt zu vier ortsfesten Elektroden. Innerhalb des Gehäuses können also vier Kapazitäten gebildet werden. Diese sind derart in eine Brücke geschaltet, daß sie einander entgegenwirken. Um dies zu erreichen, müssen die Kapazitäten, die sich in einander gegenüberliegenden Brückenzweigen befinden, auf derselben Seite der Membran angebracht sein. Die elastische Membran ist in einer Spannvorrichtung eingespannt, die aus O-Ringen besteht, die beim Zusammenbau des Gehäuses an im Deckel und im Tragkörper der Membran vorgesehenen Abstufungen abrollen und dadurch die Membran radial nach außen spannen, so daß sie zwischen den O-Ringen straff gehalten wird.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung erläutert, in der eine beispielsweise Ausführungsform des kapazitiven Druckwandlers dargestellt ist.

F i g. 1 ist dabei ein Längsschnitt des Ausführungsbeispiels entlang der Linie I-I der F i g. 2;

Fig.2 ist ein Schnitt gemäß der Linie 11-11 dei F i g. 1;

F i g. 3 ist die Seitenansicht einer Einzelheit; F i g. 4 ist eine Draufsicht zur F i g. 3;

F i g. 5 ist ein Schnitt gemäß der Linie V-V in F i g. ( einer anderen Einzelheit:

F i g. 6 ist eine Draufsicht zur F i g. 5; schließlich F i g. 7 ist ein Schaltbild.

Wie aus der Zeichnung hervorgeht, hat das darge stellte Ausführungsbeispiel des kapazitiven Druck wandlers eine Membrane 10, die in einem Gehäuse W untergebracht ist. Das Gehäuse 12 ist als ein hohe zylindrischer Körper ausgebildet, dessen öffnung durcl einen Deckel 14 geschlossen werden kann. Im Gehäusi 12 befinden sich zwei gleichförmige Tragkörper Il bzw. 18, die in eingebautem Zustand spiegelbildlich an geordnet sind.

Einzelheiten der Tragkörper 16 und 18 gehen au F i g. 3 und 4 hervor, welche den Tragkörper 16 alleii darstellen. An der oberen Seite des Tragkörpers 16 ii

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 'tonnen. Weitere Laschen 28 bzw. 30 dienen mit ihren abgebogenen Enden zum Anschluß von an der Membrane IO vorgesehenen Elektroden, wie dies aus F i g. 1 hervorgeht.

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

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

Einzelheiten der Membrane 10 sind in F i g. 5 und 6 dargestellt. Auf einer Scheibe aus elastischem Kunststoff, welche die Membrane 10 bildet, sind vier Elektroden 32,34 bzw. 36.38 jeweils entlang der Linie A-A getrennt z. B. ebenfalls durch Aufdampfen oder galvanisch angebracht. Die Aussparungen in den Elektrodenflächen sind bestimmt, einen Raum für die Leitungsstreifen der feststehenden Elektroden freizulassen.

Beide Tragkörper 16 und 18 sind mit Abstufungen 40 bzw. 42 ausgebildet, die zum Abrollen von O-Ringen 44 bzw. 46 dienen. Diese O-Ringe 44 und 46 weisen einen Innendurchmesser auf, der etwas geringer ist als der Durchmesser Oder innersten Absätze der Abstufungen 40 bzw. 42. Wenn demnach die O-Ringe 44 und 46 auf ihre Abstufungen 40 bzw. 42 gedruckt 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 ist dadurch gesichert, daß der Durchmesser ihres Querschnittes etwas größer 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 Kontakistreifen versehen ist, deren zwei in F i g. 1 mit 50 bzw. 52 bezeichnet sind.

Die elektrische Anordnung der Elek öden 24, 25. 26, 27 bzw. 32, 34, 36, 38 geht aus der F ι ^. 7 hervor. Wie ersichtlich bilden sie in der Brückenschaltung paarweise vier veränderliche Kapazitäten Ci, Ci, Ci und Ca. Anschlußpunkte der Brückelschaltung 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.

Wie gezeigt werden kann, wird eine der Verschiebung der Elektroden proportionale Brückenausgangsspannung erreicht, wenn eine jede der Brückenkapazitäten Ci bis Ca sich in gleicher Weise ändert. Aus der Anordnung ist auch ersichtlich, daß in je zwei gegenüberliegenden Zweigen der Brückenschaltung jeweils zwei in gleichem Sinn veränderliche Kapazitäten Ci und Cj bzw. Q und Ca vorgesehen sind, die jeweils auf derselben Seite der Membrane 10 liegen.

Es kann ferner gezeigt werden, daß ein Druckwandler, der mit einer Brückenschaltung der beschriebenen Art versehen ist, innerhalb der Dehnungsgrenze des Membranmaterials lineare Signale liefert, wobei durch Änderung der Membranstärke Druckwandler verschiedener Empfindlichkeit gebaut werden können. Die Membrane 10 unterteilt den Innenraum des Druckwandlers 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.

ίο Die in der beschriebenen Weise ausgebildeten Teile des Meßwandlers werden in der 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 Tragkörper 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 gemäß F i g. 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 Tragkörper 16 als eine Einheit durch den Deckel 14 unter Zwischenschaltung 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 Spannungsqueüe angeschlossen, die eine sinusförmige Spannung liefert. Die beiden anderen Anschlüsse 58 und 60 werden über ein Meßinstrument miteinander verbunden. Durch den beschriebenen vollkommen symmetrischen Aufbau des Druckwandlers ist die Brückenschal· lung gemäß F i g. 7 in unbelastetem Zustand der Membrane 10 abgeglichen, 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 Blutsirom verbunden, so daß der Blutdruck über die öffnung 69, die Gummiunterlage 72 und den Kanal 68 auch in der Druekkammer 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 Membranmaterials hinaus proportional ist, wobei innerhalb der Dehnungsgrenze des Membranmaterials die Signalspannungen auch zum auf die Membrane 10 einwirkende Druckunterschied proportional sind.

Versuche haben gezeigt, daß dieser Druckwandler zum Messen von Druckschwankungen in der Größen-

Ordnung von 0,1 p/cm², d. h. von Wassersäulenmiilimetern geeignet ist, wobei die Schwankungen sich Driikken von etwa 1 ata überlagern.

Dieser Druckwandler 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 wichtiger Gesichtspunkt. 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 Druckwandler atmosphärischen Druckschwankungen 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 Brückenschaltung erreicht. Ein weiterer Vorteil besteht im geringen Raumbedarf des Druckwandlers gegenüber bekannten Geräten, bei denen die Empfindlichkeit durch Vergrößerung des Membrandurchmessers erreicht werden soll. Der robuste Aufbau des Druckwandlers 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 ein Druckwandler beschrieben worden, dessen Elektroden und Zuleitungen aufgedampfte oder galvanisch aufgetragene Metallschichten darstellen. Es ist aber auch möglich, daß die Elektroden mit ihren Zuleitungen räumliche gedruckte Stromkreise darstellen.

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

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Kapazitiver Druckwandler mit einer Membran in einem Gehäuse und mit kapazitiven Elektroden an S der Membran und Gegenelektroden am Gehäuse, wobei die Elektroden und Gegenelektroden paarweise Kapazitäten bilden, die in Brückenschaltung liegen, und wobei die Membran in einer Spannvorrichtung eingespannt ist, dadurch gekenn- '° zeichnet, daß die Membran aus elastischem Kunststoff besteht, daß auf der einen Seite der Membran die Elektroden (32,34) und auf der anderen Seite die Elektroden (36, 38) angebracht sind, und daß die von ihnen zusammen mit den Gegen- <s elektroden (25, 27, 24, 26) gebildeten Kapazitäten (Ci, Ca, Ci, G) so geschaltet sind, daß die Elektroden der sich in einander gegenüberliegenden Brückenzweigen befindenden Kapazitäten (Ci, Ci bzw. Ci, Ct) jeweils auf derselben Seite der Mem- *° bran angebracht sind.