DE2133394C3 - Pressure sensor and method of its operation - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Drucksensor mit einem auf konstanter Temperatur gehaltenen plattenförmigen
Körper aus ferroelektrischem Material, dessen beide gegenüberliegende Stirnflächen mit jeweils einem
Elektrodenüberzug versehen sind, sowie ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Drucksensors.
Es ist bereits bekannt, daß die reziproke Elektrizitätskonstante von ferroelektrischen Substanzen in der
Umgebung des Phasenumwandlungspunktes folgendermaßen beschrieben werden kann:The invention relates to a pressure sensor with a plate-shaped body made of ferroelectric material which is kept at a constant temperature, the two opposite end faces of which are each provided with an electrode coating, as well as a method for operating such a pressure sensor.
It is already known that the reciprocal electricity constant of ferroelectric substances in the vicinity of the phase transition point can be described as follows:
11 == T-To CT-To C.
In dieser Gleichung bedeutet die reziprokeIn this equation, means the reciprocal
Dielektrizitätskonstante, C die Curie-Konstante, T die is Temperatur und 7o die Curie-Temperatur. Von verschiedenen Autoren konnte experimentell nachgewiesen werden, daß sich die Werte von 7o linear in Abhängigkeit von einem auf die Substanz wirkenden hydrostatischen Druck verschieben. Solche Nachweise ίο wurden beispielsweise geführt für Bariumtitanat, Strontiumtitanat, Triglycinsulfat, Seignettesalz und Antimonschwefeljodid. Die lineare Verschiebung von To bei Einwirkung eines hydrostatischen Druckes erfolgt nach folgender Gleichung:Dielectric constant, C the Curie constant, T the is temperature and 7o the Curie temperature. Various authors have been able to demonstrate experimentally that the values of 70 shift linearly as a function of the hydrostatic pressure acting on the substance. Such evidence ίο was carried out, for example, for barium titanate, strontium titanate, triglycine sulfate, seignette salt and antimony sulfur iodide. The linear shift of To under the action of hydrostatic pressure is based on the following equation:
Td = Tu± k ■ p.Td = Tu ± k ■ p.
In dieser Gleichung bedeutet Td die verschobene Curie-Temperatur, ρ den Druck und k eine Konstante, ίο die für die meisten ferroelektrischen Substanzen einige 10-3 Grad (kg · cm~2)-' beträgt. Der größte bisher bekanntgewordene Druckkoeffizient wurde bei SbSJ gefunden, und zwar beträgt für diese SubstanzIn this equation, Td is the shifted Curie temperature, the pressure and ρ k is a constant, the ferroelectric for most substances ίο some 10- 3 degrees (kg · cm -2) - is'. The largest pressure coefficient known to date was found for SbSJ, namely for this substance
is A: = (1,5 ± 0,2) · 10 2 Grad · (kg ■ cm -1) ' .is A: = (1.5 ± 0.2) · 10 2 degrees · (kg · cm- 1 ) '.
Damit erhält man die reziproke Dielektrizitätskonstante zuThis gives the reciprocal dielectric constant to
1 T- T1, ί kp 1 T - T 1 , ί kp
Aus dieser Gleichung kann entnommen werden, daß die Dielektrizitätskonstante sowohl vom Druck als auch von der Temperatur abhängt. Wenn daher Druckmessungen mit ferroelektrischen Substanzen in der Weise vorgenommen werden sollen, daß die Änderung der Dielektrizitätskonstanten gemessen wird, so muß die Temperatur konstant gehalten werden. Die Empfind-From this equation it can be seen that the dielectric constant depends on both pressure and depends on the temperature. Therefore, if pressure measurements with ferroelectric substances in the way are to be made that the change in the dielectric constant is measured, the Temperature to be kept constant. The sensation
so lichkeit ist in der Nähe des ferroelektrischen Phasenumwandlungspunktes am größten.so chance is near the ferroelectric phase transition point the biggest.
Der Verlauf der Dielektrizitätskonstanten in Abhängigkeit vom Druck ist physikalisch genau erfaßt, ebenso die Abhängigkeit von Piezomoduln von der TemperaturThe course of the dielectric constant as a function of the pressure is physically precisely recorded, as well the dependence of piezo modules on temperature
ss (Ergebnisse der exakten Naturwissenschaften, Band XXIII, 1950, Seiten 241 bis 245). Jedoch bereitet die Konstanthaltung der Temperatur sehr große Schwierigkeiten. Berücksichtigt man nämlich die bekannten Werte für C und k, so kann man die erforderlichess (Results of the exact natural sciences, Volume XXIII, 1950, pages 241 to 245). However, keeping the temperature constant is very difficult. If one takes into account the known values for C and k, one can find the required
do Temperaturkonstanz abschätzen. Wenn beispielsweise für die Druckmessung eine Empfindlichkeit von 0,001 kg ■ cm 2 gewünscht wird, so ergibt sich für ferroelektrische Drucksensoren aus Triglycinsulfat oder SbSJ eine erforderliche Temperaturkonstanz vondo estimate temperature constancy. If, for example, a sensitivity of 0.001 kg · cm 2 is desired for the pressure measurement, then for ferroelectric pressure sensors made of triglycine sulfate or SbSJ a required temperature constancy of
ds 2 · 10 60C bzw. 10~5 'C. Infolge dieser hohen erforderlichen Temperaturkonstanz erscheint es zunächst aussichtslos, die Änderung der Dielektrizitätskonstanten mit dem Druck bei ferroelek'rischen Substanzen zurds 2 · 10 60 C or 10 ~ 5 'C. As a result of this high required temperature constancy, it initially seems hopeless to change the dielectric constant with the pressure in ferroelectric substances
Druckmessung zu verwenden, da es unmöglich erscheint, in der Praxis eine so hohe Temperaturkonstanz zu erreichen.To use pressure measurement because it seems impossible in practice to have such a high temperature constancy to reach.
Aus der DE-AS 10 58 773 ist ein elektromechanischer Wandler bekannt, der aus mehreren scheibenförmigen Keramikplatten aus polykristallinem Bariumtitanat gebildet ist Jede der Stirnflächen der Platten ist mit einem Elektrodenüberzug aus Silber veriehen. Die Platten werden unter konstantem radialen Druck gehalten. Sie sind in einem mit Druckflüssigkeit gefüllten Gehäuse untergebracht, welches als öldichte Stahltrommel ausgebildet ist. Im Gehäuse befindliche Stahlmembranen üben bei angelegten elektroakusiischen Signalen auf die Druckflüssigkeit und damit auf die Platten einen Druck in Polarisationsrichtung, also in senkrechter Richtung, aus, welcher am elektrischen Ausgang der Anordnung ein elektrisches Signal verursacht. Mit einer solchen Anordnung läßt sich ein gegenüber konventionellen elektromechanischen Wandlern erhöhler elekiromechanischer Kopplungsfaktor erzielen. Das Problem Temperaturstabilisierung tritt hier nicht auf.From DE-AS 10 58 773 is an electromechanical Known transducer, which consists of several disc-shaped ceramic plates made of polycrystalline barium titanate Each of the end faces of the plates is provided with a silver electrode coating. the Plates are kept under constant radial pressure. They are in one with hydraulic fluid housed filled housing, which is designed as an oil-tight steel drum. Located in the housing When electroacoustic signals are applied, steel membranes exert pressure on the hydraulic fluid and thus on it the plates exert a pressure in the direction of polarization, i.e. in the vertical direction, which is applied to the electrical Output of the arrangement caused an electrical signal. With such an arrangement one can higher electromechanical coupling factor compared to conventional electromechanical converters achieve. The problem of temperature stabilization does not arise here.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drucksensor zu schaffen, bei welchem die Änderung der Dielektrizitätskonstanten mit dem Druck bei ferroelektrischen Substanzen unter Konstanthaltung der Temperatur zur Druckmessung verwendet wird, se vie ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Drucksensors.The invention has for its object to provide a pressure sensor in which the change in Dielectric constants with the pressure in ferroelectric substances while keeping the temperature constant is used for pressure measurement, se vie a method for operating such a pressure sensor.
Zum Messen von statischen und quasistatischen Drücken ist ein Drucksensor der eingangs genannten Art vorgesehen, bei welchem gemäß der Erfindung zur Konstanthaltung der Temperatur ein (gegebenenfalls zusätzliches) ferroelektrisches Element vorgesehen ist, das ebenfalls mit Elektroden versehen ist, die an eine Wechselspannungsquelle angeschlossen sind.For measuring static and quasi-static pressures, a pressure sensor is of the type mentioned at the beginning Kind provided in which according to the invention to keep the temperature constant (if necessary additional) ferroelectric element is provided, which is also provided with electrodes that are connected to a AC voltage source are connected.
Das Verfahren zum Betrieb eines solchen Drucksensors ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß das zur Konstanthaltung der Temperatur dienende ferroelektrische Element in der Nähe des ferroelektrischen Phasenumwandlungspunktes betrieben wird und daß die angelegte Wechselspannung so gewählt wird, daß die durch die Wechselspannung im Element erzeugte Verlustwärme gleich der an die Umgebung abgeführten Wärme ist.The method for operating such a pressure sensor is characterized according to the invention in that the ferroelectric element used to keep the temperature constant is in the vicinity of the ferroelectric element Phase transition point is operated and that the applied alternating voltage is chosen so that the heat loss generated by the alternating voltage in the element is equal to that of the surroundings is dissipated heat.
Es wird also eine Temperaturstabilisierung verwendet, die es ermöglicht, die Temperatur des ferroelektrischen Körpers in so hohem Maße konstant zu halten, daß erst dadurch die Verwendung eines ferroelektrischen Körpers zur Messung von hydrostatischen Drücken möglich erscheint.So it is a temperature stabilization used, which allows the temperature of the ferroelectric Body to such a high degree constant that only then the use of a ferroelectric Body for measuring hydrostatic pressures appears possible.
Die Temperaturstabilisierung gelingt mit Hilfe eines ferroelektrischen Elementes mit Temperaturselbststabilisierung. The temperature stabilization is achieved with the help of a ferroelectric element with temperature self-stabilization.
Es ist bereits bekannt, daß beim Anlegen einer hinreichend hohen Wechselspannung an ein ferroelektrisches Element Wärme erzeugt wird, die im Endeffekt zu einer Temperaturstabilisierung des Elementes führt. Die dielektrischen Verluste eines ferroelektrischen Elementes, welche durch Polarisationsumkehr erklärt werden können, durchlaufen nämlich in der Nähe des ferroelektrischen Phasenumwandlungspunktes ein Maximum. Es gibt daher für ein solches ferroelektrisches Element eine Temperatur, bei der die Wärmeableitung des Elementes an die Umgebung und die Erzeugung von Wärme im Inneren des Elementes sich das Gleichgewicht halten. Geringe Abweichungen zu höheren Temperaturwerten führen zu einer Verringerung der Wärmeproduktion und damit zu einer Abnahme derIt is already known that when a sufficiently high AC voltage is applied to a ferroelectric Element heat is generated, which ultimately leads to a temperature stabilization of the element. The dielectric losses of a ferroelectric element, which are explained by polarization reversal namely, pass through a maximum in the vicinity of the ferroelectric phase transition point. There is therefore a temperature for such a ferroelectric element at which the heat can be dissipated the element to the environment and the generation of heat inside the element is the equilibrium keep. Small deviations from higher temperature values lead to a reduction in the Heat production and thus a decrease in
Temperatur des Elementes, während Abweichungen zu geringeren Temperaturwenen zu einer Erhöhung der Wärmeproduktion und damit einer Erhöhung der Temperatur führen. Ein solches ferroelektrisches Element kann daher dazu verwendet werden, die Temperatur eines Systems konstant zu halten. Untersuchungen haben ergeben, daß es möglich ist, mit einem solchen Element die Temperatur im Be. eich von 10 '· ois 10"b 0C konstant zu halten.Temperature of the element, while deviations to lower temperatures lead to an increase in heat production and thus an increase in temperature. Such a ferroelectric element can therefore be used to keep the temperature of a system constant. Studies have shown that it is possible to use such an element to measure the temperature in the Be. calibration of 10 ' o to 10 " b 0 C to keep constant.
Mit einem solchen ferroelektrischen Element mit Temperaturselbststabilisierung ist es also möglich, einen ferroelektrischen Körper mit sehr hoher Genauigkeit auf einer konstanten Temperatur zu halten, wodurch es erst ermöglicht wird, einen ferroelektrischen Körper durch Messung der Dielektrizitätskonstanten zur Messung von hydrostatischen Drücken zu verwenden.With such a ferroelectric element with temperature self-stabilization, it is possible to produce a keep ferroelectric body at a constant temperature with very high accuracy, thereby making it It is only possible to produce a ferroelectric body by measuring the dielectric constant To use measurement of hydrostatic pressures.
Bisher wurde als Druckkoeffizient k derjenige für den hydrostatischen, also für den allseitigen Druck bezeichnet. Es lassen sich jedoch ähnliche Beziehungen auch für einen linearen Druck, d. h. einen Druck, der normal 7.u den Elektroden des ferroelektrischen Körpers wirkt, so daß dessen ferroelektrische Richtung mit der Druckrichtung zusammenfällt, ableiten. Wenn man die Verhältnisse bei einem plattenförmigen ferroelektrischen Körper betrachtet, auf den ein Druck wirkt, so läßt sich zeigen, daß die Druckabhängigkeit der Dielektrizitätskonstante im Prinzip nicht verändert wird, wenn statt des hydrostatischen ein linearer Druck auf den ferroelekn'ischen Körper wirkt. Es ändert sich allerdings die Größe des Druckkoeffizienten. Verschiedene Autoren konnten jedoch zeigen, daß beispielsweise am Bariumtitanat die Änderungen nur gering sind. In den meisten Fällen ist die Druckabhängigkeit der Dielektrizitätskonstante gegenüber einem linearen Druck im obigen Sinne größer als gegenüber einem hydrostatischen Druck. Das Verhalten für eine spezieiie Substanz wird im wesentlichen durch deren Elektro-Striktionskoeffizienten bestimmt.So far, the pressure coefficient k for the hydrostatic, i.e. for all-round pressure, has been designated. However, similar relationships can also be derived for a linear pressure, ie a pressure which acts normally on the electrodes of the ferroelectric body so that its ferroelectric direction coincides with the pressure direction. If one considers the conditions in a plate-shaped ferroelectric body on which a pressure acts, it can be shown that the pressure dependence of the dielectric constant is in principle not changed if a linear pressure acts on the ferroelectric body instead of the hydrostatic one. However, the size of the pressure coefficient changes. However, various authors have been able to show that the changes to barium titanate, for example, are only minor. In most cases, the pressure dependency of the dielectric constant with respect to a linear pressure in the above sense is greater than with respect to a hydrostatic pressure. The behavior for a specific substance is essentially determined by its electrostriction coefficient.
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Refinements of the invention are characterized in the subclaims.
In der Zeichnung ist eine Anordnung zur Messung von statischen und quasistatischen Drücken als Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt. Ein ferroelektrischer Körper 1 hat die Form eines flachen Kreiszylinders, der auf seinen beiden Stirnflächen die Elektroden trägt. Als besonders geeignet haben sich plattenförmige Körper aus SbSJ und aus Triglycinsulfat erwiesen. Auf der Oberseite sind zwei zueinander konzentrisch angeordnete Elektroden 2 und 3 in Form von Metallschichten auf dem zylindrischen Körper angeordnet, während auf der gegenüberliegenden Stirnfläche des Körpers 1 eine gemeinsame Elektrode 4 angeordnet ist. Die Elektroden haben zweckmäßig die Form einer Kreisfläche bzw. die eines Kreisringes. Der Druck ρ wirkt senkrecht zu der oberen Stirnfläche etwa in der Mitte des Elementes auf die Elektrode 2. Die Gegenelektrode zu der Elektrode 2 bildet dnr mittlere Teil der gegenüberliegenden Elektrode 4. Diese beiden Elektroden sind an die Kapazitatsmeßeinrichtung mit Anschlüssen 7 und 8 angeschlossen, wobei ein Kondensator 6 parallel zu dem Drucksensor geschaltet ist.In the drawing, an arrangement for measuring static and quasi-static pressures is shown schematically as an embodiment of the invention. A ferroelectric body 1 has the shape of a flat circular cylinder which carries the electrodes on its two end faces. Plate-shaped bodies made of SbSJ and triglycine sulfate have proven to be particularly suitable. On the upper side, two electrodes 2 and 3 arranged concentrically to one another are arranged in the form of metal layers on the cylindrical body, while a common electrode 4 is arranged on the opposite end face of the body 1. The electrodes expediently have the shape of a circular area or that of a circular ring. The pressure ρ acts perpendicular to the upper end face approximately in the middle of the element on the electrode 2. The counter electrode to the electrode 2 forms the middle part of the opposite electrode 4. These two electrodes are connected to the capacitance measuring device with connections 7 and 8, whereby a capacitor 6 is connected in parallel with the pressure sensor.
DI.· ringförmige Elektrode 3 bildet mit dem äußeren Teil der Elektrode 4 die beiden Elektroden des Elementes für die Temperaturselbststabilisierung. Diese beiden Elektroden sind daher an eine Wechselstromquellc 5 angeschlossen. Durch die angelegte Wechselspannung wird der mittlere Teil der Scheibe 1 ausDI. · Ring-shaped electrode 3 forms with the outer Part of the electrode 4, the two electrodes of the element for temperature self-stabilization. These both electrodes are therefore connected to an alternating current source 5. By the applied alternating voltage the middle part of the disc 1 is made
ferroelektrischem Material auf einer konstanten Temperatur gehalten, und zwar vorzugsweise dicht unterhalb des Curie-Punktes des ferroelcktrischen Materials. An diesem System kann nun die Kapazität bzw. die Dielektrizitätskonstante mit Hilfe einer Kapazitätsmeßbrücke bei konstanter Temperatur bestimmt werden. Die Temperaturschwankungen in dem äußeren Teil der Scheibe 1, welche das temperaturselbststabilisierie Element bildet, machen sich wegen der endlichen Wärmeleitung im ferroelektrischen Material nur verzögert bemerkbar, wodurch kurzzeitige Schwankungen gedämpft werden, so daß die bereits hohe Regelgenauigkeit weiter verbessert wird.ferroelectric material kept at a constant temperature, preferably just below of the Curie point of the ferro-electrical material. The capacity or the Dielectric constant can be determined with the help of a capacitance bridge at constant temperature. The temperature fluctuations in the outer part of the disc 1, which the temperature self-stabilizing Element forms, because of the finite heat conduction in the ferroelectric material, make themselves only delayed noticeable, whereby short-term fluctuations are dampened, so that the already high control accuracy is further improved.
Bei Druckänderungen ändert sich die Dielektrizitätskonstante, so tiaß die an den Anschlüssen 7 und 8 angeschlossene Kapazitätsmeßbrücke verstimmt wird.When the pressure changes, the dielectric constant changes, so that at the connections 7 and 8 connected capacitance measuring bridge is detuned.
Das Signal der Kapazitätsmeßbrücke kann in einen geeigneten Instrument angezeigt werden. Anstelle det Kapazitätsmeßbrücke kann auch ein anderes die Kapazität bzw. die Dielektrizitätskonstante anzeigenThe signal from the capacitance measuring bridge can be displayed in a suitable instrument. Instead of det Capacitance measuring bridge can also indicate the capacitance or the dielectric constant
.s des Gerät verwendet werden..s of the device can be used.
Es können auch auf einem einzigen plattenförmiger Körper mehrere solche voneinander getrennter Elek trodensysteme nebeneinander angeordnet sein, so dafi sich also mehrere Druckmeßsysteme nebeneinanderIt can also be on a single plate-shaped body several such separate Elek trode systems be arranged side by side, so that So there are several pressure measurement systems next to each other
ίο ergeben, von denen jedes seine eigene Temperaturstabi lisierung besitzt.ίο result, each of which has its own temperature stabilizer ization owns.
Infolge der sehr großen Temperaturempfindlichkeil des ferroelektrischen Drucksensors wird dieser in cinei evakuierten Umhüllung angeordnet, um eine unnötigeDue to the very large temperature sensitivity wedge of the ferroelectric pressure sensor, this is in cinei evacuated enclosure arranged to avoid an unnecessary
ι s Wärmeableitung von der Oberfläche des iilcmenlci möglichst zu vermeiden.ι s heat dissipation from the surface of the iilcmenlci to avoid if possible.
Blatt ZuidinuimenLeaf Zuidinuimen
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
| 8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |