DE2236907A1

DE2236907A1 - Gasdrucksensor

Info

Publication number: DE2236907A1
Application number: DE2236907A
Authority: DE
Inventors: Robert Favre
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1971-08-05
Filing date: 1972-07-27
Publication date: 1973-02-15
Also published as: DE2236907B2; DE2236907C3; US3789666A

Description

Patentanwalt Dipl.-Ing. Joadiim Strasse

845 Hanau/Main, Römer*tr«ee 19 Postfadl7T3Tel.20a03

25. JuI! 1972 -/Jg - 10 806

Robert Favre Lausanne (Schweiz)

Gasdrucksensor

In verschiedenen Anwendungsgebieten besteht ein Bedürfnis für einen Hochgenauigkeits-Gasdrucksensor, der einen genügend grossen Arbeitsbereich - in gewissen Fällen einen solchen von Null bis mehrere ata - hat und verhältnismäßig preisgünstig ist. In einem besonderen Anwendungsfalle soll ein solcher Gasdrucksensor beispielsweise einer meteorologischen Sonde beigegeben werden können, die oft "bei ihrer Verwendung verloren geht.

Um bei diesem letztgenannten Beispiel zu bleiben, ist darauf hinzuweisen, dass die meteorologischen Sonden, die durch einen Ballon bis in sehr grosse Höhen gebracht werden, die Messung des atmosphärischen Druckes mit einer Präzision von mehreren %o erlauben sollten, also vom Druck in Bodennähe bis zu sol-

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Fall l*la

ehern von der Grössenordnung 1/100 Atmosphäre. Die klassische Messmethode unter Verwendung einer deformierbaren Aneroiddose und Uebertragung durch Hebelgestänge ist weit davon entfernt, eine solche Genauigkeit zu erlauben, besonders bei Messung von in grossen Höhen herrschenden atmosphärischen Drücken.

Demgegenüber ist es möglich, mechanische Resonatoren von grosser Stabilität zu verwirklichen und sie zur Steuerung von selbsterhaltenden Oszillatoren mittels Transducern und eines geeigneten elektrischen Stromkreises zu verwenden. Durch einen geeigneten Aufbau kann man erreichen, dass die Resonanzfrequenz eines solchen Resonators in weitem Ausmass von einem Gasdruck abhängt, wobei unter Anwendung zusätzlicher Massnahmen erreicht werden kann, dass sie von demselben in einer genau vorbestimmten Beziehung steht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gasdrucksensor zu schaffen, der mit hohen Genauigkeit in einem für technische Anwendungen verschiedenster Art genügend grossen Arbeitsbereich brauchbar ist, einen verhältnismässig einfachen und wenig kostspieligen Aufbau und trotzdem eine gute Betriebssicherheit besitzt. Der erfindungsgemässe Gasdrucksensor 1st gekennzeichnet durch einen mechanischen Resonator, dessen Resonanzfrequenz eng an den zu messenden Druck gebunden ist, und einen Oszillator, der durch den Resonator gesteuert ist.

Beiliegende Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes und eine Variante einer Einzelheit dar. Es zeigen:

Fig. 1 einen teilweisen Aufriss und teilweisen Vertikalschnitt eines solchen Ausführungsbeispieles,

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Fig. 2 einen halben Seitenriss dieses Ausführungsbeispieles,

Fig. 3 - ein Schema eines beispielsweisen elektronischen Stromkreises zur Unterhaltung der Schwingung, mit Vorrichtung zur Stabilisierung der Amplitude,

Fig. 4 ein Diagramm, welches eine typische Beziehung zwischen der in der Koordinate aufgetragenen Frequenz und dem in der Abszisse aufgetragenen Druck veranschaulicht,

Fig."5 und 6 einen Seitenriss bzw. eine Draufsicht einer Ausführungsvariante.

Im Gerät, das in Fig. 1 gezeigt ist, besteht der mechanische Resonator im wesentlichen aus kreisseitenförmigen, im Profil gewellten, elastischen Membranen 1 und 2, die an ihrem Aussenrand durch einen Ring 3 miteinander verbunden sind zur Einschliessung eines Raumes ¹J.

Jede der beiden Membranen ist in ihrem Zentrum durch eine Masse 7 bzw. 8 belastet, die als Teil eines Transducers wirkt. Diese beiden Massen sind dazu bestimmt, in Gegenphase zueinander zu , schwingen, damit das dynamische Gleichgewicht des so gebildeten Resonators respektiert wird.

Zur elastischen Struktur dieses Resonators gehören einerseits die Membranen selbst und andererseits das im Raum Ί eingeschlossene Gas. Der Einfluss des Gasdruckes auf die Frequenz wird um so grosser sein als diese letztgenannte elastische Komponente von ^pneumatischem Ursprung" grosser ist im Verhältnis Bur ersteren, die von "mechanifqhem'.'ürsprung ist«

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-Ji-

Den Spezialisten auf dem einschlägigen Fachgebiet ist es bekannt, dass ein Resonator elastisch mit seinem Träger verbunden sein muss, wenn man so weit wie möglich den Einfluss der Beschaffenheit des den Resonator tragenden Bodens auf die Resonanzfrequenz ausschalten will. Aus diesem Grund 1st im gezeigten Gerät die elastische Verbindung 5 des Resonators mit se.inem Support 6 vorgesehen.

Ein elektrodynamischer Transducer klassischer Bauart setzt sich Im wesentlichen zusammen aus:

einem Anker 7 bzw. 8 aus Weicheisen, der beweglich ist, einem Permanentmagneten 9 bzw. 10, der mit dem Anker fest

verbunden ist,
- einer feststehenden Zwischenspule 11 bzw. 12, die mit einem Support 13 bzw. Ik fest verbunden ist.

Eine elektrische Spannung, die an den Ausgängen der Spule 11 angelegt ist, bewirkt die Ausübung einer Axialkraft auf die Membrane 1. Reziprok erzeugt die axiale Bewegung der Membran in bezug auf den Support 13 eine elektrische Spannung an den Ausgängen der Spule 11' gemäss Gesetzen, die in der Elektrodynamik wohl bekannt sind.

Dadurch, dass in eine der Spulen das verstärkte Signal eingegeben wird, das in der anderen Spule induziert wurde, kann eine Schwingung unterhalten werden mit der Resonanzfrequenz der Membranen des Resonators.

Die Fig. 2, welche einen halben Seitenriss gewisser Organe des Resonators veranschaulicht, lässt die Analogie dieses letzteren mit einer Aneroidbarometerdose erkennen, wenn von den Hilfsvorrichtungen abgesehen wird.

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In der Pig. 3 1st das Schema eines elektrischen Stormkreises zur Selbstunterhaltung einer Schwingung gezeigt, welche durch den Resonator nach den FIg, 1 und 2 gesteuert ist.

Die an der Spule 1.1 abgenommene Spannung wird in einem Transistor 15 verstärkt, der als Verstärker mit Gegenreaktion ausgebil-. det ist, weiter durch einen Transistor 16, bevor sie wieder der Spule 12 zugeleitet wird, die hier die Rolle einer "motorischen" Spule spielt« Bei genügender Verstärkung und Respektierung der relativen Phasen kommt dann der Resonator in eine selbsterhaltende Schwingung, wobei die Membranen 1 und 2 in Gegenphase schwingen.

Die Schwingungsamplitude wird durch den Transistor 17 stabilisiert» Dies rührt daher, dass, sobald die Spitzenspannung auf ihrer Basis das Deblockierniveau erreicht, die Spannung, die in 18 zur motorischen Spule 12 gelangt, sehr rasch abfällt, wodurch sich eine Stabilisierung der Amplitude in der Umgebung dieser Bedingung gibt.

An den Stromkreis sind in geeigneter, jedem bekannten Weise Mittel 10 angeschlossen, die eine Information in Punktion der Resonanzfrequenz liefern oder diese Resonanzfrequenz messen und gegebenenfalls anzeigen, die für den zu messenden Gasdruck representativ ist.

In ihrer Anwendung auf meteorologischen Sonden für die Aufzeichnung der atmosphärischen Spannung in Funktion der Höhe muss der Innenraum *J des Resonators lediglich mit der Umgebungsiuft verbunden sein j wobei aber zur Vermeidung einer wesentlichen Dämpfung der Resonanz es erforderlich ist» dass diese in den Pig« I und 2 an der Stelle 7 gezeigte Verbindung eine solche mit hohem aerodynamischem Widerstand ist* Deshalb muss diese Verbindung aus einem Kanal von sehr engem Querschnitt bestehen oder aus einem Kanal, der mit einem porösen Material ausgestopft ist* Es könnte aber anstattdessen ein Kanal mit einem Sperrhahn vorgesehen sein, der jeweils für die Zeitdauer einer Messung zu schliessen wäre*

Bei der Verwendung zur Messung irgendeines Druckes können die folgenden beiden Fälle in Betracht gezogen werden:

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Falls das "tote" Volumen des Gasdrucksensors sehr klein gehalten sein soll, so wird der Hohlraum 4 ganz allein dem zu messenden Druck unterworfen, der durch den Kanal 7 eingeführt wird. Die Membranen erfahren dann eine Deformation in solcher V/eise, dass der gemessene Druck nahe bei dem Umgebungsdruck bleiben muss.

- Falls das "tote" Volumen nicht von Bedeutung ist, kann der Gasdruckmesser in einem Hilfsgehäuse eingeschlossen sein, innerhalb welchem der zu messende Gasdruck herrscht, der dann sowohl von aussen wie auch von innen auf den Resonator wirkt wie im Falle der Messung des atmosphärischen Druckes. Wohlverstanden ist in diesem Falle das "tote" Volumen grosser als im vorhergehenden Fall, da es ja auch das Volumen des Resonators mit demjenigen des Hilfsgehäuses umfasst. Der gemessene Druck kann in diesem Fall irgendeine Grosse haben.

Die Eichkurven werden in den beiden Ausbildungsarten verschieden ausfallen und die Empfindlichkeit wird im zweiten Ausführungsfall grosser sein.

Die Fig. 4 übergibt eine typische Eichkurve bei einer Ausführungsform für die Messung eines Druckes, der zwischen Null bis zum normalen atmosphärischen Druck variiert. Eine Teilung in der Druckskala würde beispielsweise 150 Torr (mm Hg) bedeuten und eine Teilung der Frequenzskale würde beispielsweise für 50 Hz gelten. Man ersieht aus dieser Kurve eine Empfindlichkeit, die zunimmt gegen die kleinen Drücke hin, was sich für die Messungen derselben günstig auswirkt.

Es versteht sich von selbst, dass, falls ein Gasmesser im Betrieb etwa in meteorologischen Sonden grossen TemperaturVeränderungen ausgesetzt wird, es erforderlich 1st, die Membranen 1 und 2 aus einer thermokompensierenden Legierung herzustel-

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len; solche Legierungen'sind im Handel unter den Markenbezeichnungen "NIVAROX", "ISOVAL", "DURINVAL", "NI SPAN C", u.a. erhältlich. Bei Einhaltung dieser Forderung, wird die Resonanzfrequenz von der Temperatur praktisch unabhängig sein.

Es kann in gewissen Fällen erwünscht sein, die Möglichkeit zu haben, die Nennresonanzfrequenz eines solchen Gasdrucksensors in engen Grenzen (weniger als 1%) zu verstellen. Dies kann getan werden mit sehr empfindlicher Ansprechung durch Anlegen eines äusseren axialen Magnetfeldes auf den Anker der Transducer, wobei dieses Magnetfeld erzeugt wird durch eine Hilfsspule, die mit einem regulierbaren Strom gespeist wird. Es ist auch denkbar, durch die Unterhaltsphase zu wirken.

Bei der praktischen Anwendung kann man in die-Lage kommen, einen Druck integrieren zu wollen in Funktion der Zeit, beispielsweise zur Ermittlung des Volumens eines Gases, das eine Venturidüse durchströmt. Eine solche Anwendung findet sich beispielsweise in der Medizin bei der Bestimmung des Atemvolumens (Pneumotachograph) oder bei der Messung der pulmonaren Nachgiebigkeit. Der erfindungsgemässe Gasdrucksensor eignet sich besonders gut für die .Anwendung bei der Integration einer solchen zyklisch variierenden Grosse. In der Tat wird das Integral direkt bestimmt durch die Drehung der Schwingungsphase des Resonators in bezug auf eine feste Bezugsfrequenz, was leicht zu beweisen ist; Die Mittel, welche ^:das Integral bilden, sind eine der möglichen Ausfuhrungsformen von Mitteln zur Ausnützung der ermittelten, für den zu messenden Gasdruck repräsentativen Resonanzfrequenz. -■■--.'■

Der erfindungsgemässe Gasdrücksensor"erbt direkt seine hohe * Präzision, Stabilität und Einfachheit von den mechanischen Resonatoren, die in den* letzten-'Jahr'pn-eine grdsse Verbreitung gefunden haben, insbesondere "auf dem'Gebietder¹Eeit.* ■'

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messung, was auf die fundamentalen Eigenschaften zurückzuführen ist, die oben erwähnt wurden. Die Bestimmung eines Gasdruckes mit einer Präzision von 10~ , ja sogar 10~* stellt keine Probleme.

Die mit einer Sensorausführung nach den Fig. 1 bis 3 ausgeführte Messung eines Gasdruckes von nur etwa 100 Torr hat eine Störung in Erscheinung treten lassen; diese entspricht zwei unterschiedlichen Resonanzfrequenzen für den gleichen Druck, wobei auch eine äusserst grosse Dmäpfung auftritt. Dieses Verhalten dürfte darauf zurückzuführen sein, dass bei "hohem" Gasdruck die beiden Membranen 1, 2 einer erheblichen Kopplung pneumatischen Ursprunges unterworfen sind, wogegen bei niedrigem Gasdruck die auf einen gemeinsamen Stützfuss 5 zurückzuführende Kopplung mechanischen Ursprunges die Oberhand gewinnt.

Es wurde herausgefunden, dass die Störerscheinung eliminiert wird durch eine direkte mechanische Kopplung, welche durch mindestens eine Zusatzfeder gebildet wird, welche auf die zentralen Partien der Membranen einwirkt.

Die Fig. 5 und 6 zeigen eine Ausführungsvariante des Resonators nach den Fig. 1 und 2, bei der zwei solche Zusatzfedern vorgesehen sind. Diese sind mit 20 bzw. 21 bezeichnet und als U-förmig gebogene Blattfedemausgeblldet, wobei die freien Enden der Blattfederschenkel auf den Ankern 7 und 8 befestigt sind. Im übrigen ist der Resonator gegenüber jenem nach den Fig. 5 und 6 unverändert.

Die optimale Elastizitätskonstante der Hilfsfedem 20, 21 hat einen Wert, der in der gleichen Grössenordnung liegt wie Jener der Membranen 1 und 2.

Die Hilfsfederii könnten anders ausgebildet und im Hohlraum 4

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eingeschlossen sein. Auch bei Anordnung im Hohlraum könnten sie als U-förmige Blattfedern, oder möglicherweise als Spiral- oder Schraubenfedern ausgebildet sein, in der Achse des Resonators oder symmetrisch in bezug auf dieselbe angeordnet.

Diese Hilfsfeder oder -federn sind unerlässlich falls der Gasdrucksensor bei Gasdruckwerten von etwa 100 Torr benützt werden soll wie dies z.B. der Fall ist in stratosphärischen Son-¹ den. ""■'""-"■"" ·

Es wäre denkbar, die Störerscheinungen auszuschalten durch Verwendung eines Resonators mit einer einzigen Membrane, der nicht dynamisch ausbalanziert wäre. Dann müsste aber im Resonator eine sehr grosse Reaktivmasse des Supports vorgesehen werden, was mit den Anforderungen einer meteorologischen Sonde - geringes . Gewicht - unvereinbar wäre.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

lQ Gasdrucksensor, gekennzeichnet durch einen mechanischen Resonator (1,2,3,Ί,7,8), dessen Resonanzfrequenz eng an den zu messenden Druck gebunden 1st, und einen Oszillator (11,12,15, 16), der durch den Resonator gesteuert 1st.
2. Gasdrucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanische Resonator so ausgebildet ist, dass der zu messende Gasdruck auf ihn eine wesentliche elastische pneumatische Oszillationskomponente ausübt, "die, bei sonst unveränderten Parametern, für die genannte Resonanzfrequenz massgeblich 1st.
3. Gasdrucksensor nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der besagte mechanische Resonator cine ZwIl- 1Inesanordnung von zwei elastischen Membranen (1,2) aufweist, die in Gegenphase zueinander oszillieren und einen Hohlraum (4) umschliessen, der mit dem Innenraum einer Barometerdose vergleichbar ist, wobei dieser Innenraum unter dem zu messenden Gasdruck steht.
k, Gasdrucksensor nach den Ansprüchen 1-3» dadurch gekennzeichnet, dass jede der beiden Membranen (1,2) in ihrem Zentrum einen Anker (7,8) und einen Permanentmagneten (9,10) eines zugehörigen Transducers trägt, su dem je noch eine feststehende Spule (11, 12) gehört, wobei diese Spulen in einem die Schwingung mit der Resonanzfrequenz des Resonators selbsterhaltenden elektrischen Stromkreis eingeschlossen sind.
5. Gasdrucksensor nach den Ansprüchen 1-3« dadurch gekennzeichnet, dass der besagte mechanische Resonator elastisch mit einem Support (6) in solcher Weise verbunden ist, dass die be-

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sagte Resonanzfrequenz von der Beschaffenheit des Bodens unabhängig ist, auf dem der Support ruht.
6. Gasdrucksensor nach den Ansprüchen 1-3» dadurch gekennzeichnet, dass die besagten Membranen (1, 2) aus einer thermdkompensierenden Legierung bestehen, so dass die besagte Resonanzfrequenz mindestens angenähert von der Umgebungstemperatur unabhängig ist.
7. Gasdrucksensor nach den Ansprüchen 1-3» dadurch gekennzeichnet, dass der besagte Innenraum (4) mit einem Raum, in dem der zu messende Gasdruck herrscht, durch einen Durchlass (7) mit hohem aerodynamischem Widerstand verbunden ist, so dass die Dämpfung der Resonanzschwingung weitgehend herabgesetzt ist.
8. Gasdrucksensor nach den Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass der besagte Innenraum mit der Umgebung durch einen Durchlass (7) von hohem aerodynamischem Widerstand verbunden 1st, zur Ermöglichung des Gleichgewichtes zwischen dem Innen- und dem Aussendruck unter gleichzeitiger Begrenzung bzw. Verminderung der Dämpfung der Resonanzschwingung.
9. Gasdrucksensor nach den Ansprüchen 1 - 3,und 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator in einem Hilfsgehäuse eingeschlossen ist, Innerhalb welchem der zu messende Gasdruck herrscht, der somit sowohl innerhalb wie auch ausserhalb des zwischen den Membranen gelegenen Innenraumes (4) zur Wirkung gelangt.
10. Gasdrucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die besagte Resonanzfrequenz leicht einstellbar gemacht ist durch ti ie Wirkung," eines elektrischen Feldes), das erzeugt wird durch eine'Yes'üsibhende Spule auf einen rerm?inpntmagneton, der die Schwingung dos Oszillators mitmacht.

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11. Gasdrucksensor nach Anspruch 1, ausgebildet als Integrator eines zyklisch variierenden oder kurzzeitig variierenden Drukkes in Funktion der Zeit, gekennzeichnet durch eine Ausbildung, durch welche die Integration durchgeführt wird durch die Rotation der Schwingungsphase des Resonators In bezug auf eine Bezugsfrequenz.
12. Gasdrucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass die Schwingungsamplitude des Resonators stabilisiert ist, so dass sie nicht wesentlich variiert in Punktion des zu messenden Druckes bzw. von der Dämpfung der Resonanz.
13· Gasdrucksensor nach den Ansprüchen 1 und 3, gekennzeichnet durch mindestens eine Zusatzfeder (20, 21), welche auf
die zentralen Partien der beiden elastischen Membranen (1,2)
wirkt im Sinne der Herstellung einer zusätzlichen mechanischen Kopplung dieser Membranen.
14. Verwendung des Gasdrucksensors nach einem der Ansprüche 1-12, zur Messung des atmosphärischen Druckes durch meteorologische Sonden.

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