DE2514511C2 - Kapazitiver Meßfühler - Google Patents

Description

reich Verwendung finden kann und durch ihre besondere Ausgestaltung neben dem einfachen Aufbau gewährleistet, daß kein elektrischer Kontakt zwischen der Kondensatorplatte und der Kondensatormembran entsteht, und die Verwendung einer einzigen Meßleitung ermöglicht

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

Hierdurch wird der Vorteil erreicht, daß gewünschtenfalls die zentralen Abschnitte der Membran in der Dicke verringert werden können, so daß ein dünner Abschnitt nahe der zentralen Achse gebildet wird. Dabei wird die maximale Spannung der Membran für eine bestimmte Verformungsbelastung im Vergleich zu einer Membrankonstruktion ohne zentralen dünnen Wandabschnitt verringert Durch die Erfindung wird somit nicht nur eine randfreie Lagerung der verformbaren Membran nahe ihrem Umfangsrand, sondern auch ein Bereich mit geringerer Dicke der Membran in ihrem Mittelbereich geschaffen, so daß die radialen Biegekräfte in der Mitte der Membran verringert werde;» können.

Die Befestigung einer Kondensatorplatte direkt an der Membran (die als die andere Kondensatorplatte dient) verringert bzw. beseitigt die bislang bestehenden Probleme aufgrund von Temperaturinstabilitäten, unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten und FehlanpasÄingen zwischen der Platte und der Membran. Ferner läßt sich eine größere Kapazität und damit ein größerer Störabstand des Meßsignales erreichen, da größere Bereiche der Kondensatorplatte gegenüber der Membran bewegt werden können. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen unter Schutz gestellt

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

F i g. 1 einen Vertikalschnitt durch einen kapazitiven Druck-Meßfühler und

F i g. 2 ein^n Vertikalschnitt durch eine abgewandelte Ausführungsform des Druck-Meßfühlers zur Differenzialdruckmessung.

F i g. 1 zeigt einen Druckmeßfühler 10, der aus einem Gehäuse 11 besteht, das einen kreisförmigen Querschnitt und eine etwa zentrale Achse hat Das Gehäuse hat eine Vertiefung bzw. Öffnung 12. Die Vertiefung bildet sine Membran 13, die mit den Umfangswänden des Gehäuses einstückig ausgebildet ist und ein Ende der Vertiefung schließt

Ein Druckanschlußstück 14 ist mit einer Gewindebohrung 15 zur Aufnahme einer Druckleitung einer Quelle eines zu messenden Druckes vorgesehen. Das Druckanschlußstück ist mit dem Gehäuse 11 durch geeignete Kopfschrauben 16 verbunden. Zwischen dem Druckanschlußstück und dem Gehäuse kann eine Isoliermembran 17 vorgesehen sein. Die Isoliermembran ist direkt an der Membran 13 mit einer gummiartigen Klebstoffschicht 18 befestigt, und ein geeigneter Abstandshalter 19 ist um den Umfang der Isoliermembran verwendet, um zu verhindern, daß der gummiartige Klebstoff herausgedrückt wird. Ein geeigneter Ö-Ring 20 kann verwendet werden, um die Isoliermembran gegenüber dem Druckanschlußstück abzudichten, wie gezeigt ist

Die Haußtmeßmombran 13 ist derart ausgebildet, daß sie sich durch Drücke verformt, die durch das Anschlußstück 14 und die öffnung 15 zugeführt werden und die auf die Isoliermembran und über die gummiartige Klebstoffschicht wirken und die Meßmembran 13 verformen. Im Inneren der Vertiefung bzw. Ausnehmung 12 des Gehäuses il ist eine Kondensatorplattenanordnung 25 befestigt Diese Kondensatorplattenanordnung besteht aus einer Platte 26 aus Aluminiumoxid oder einem ähnlichen Isoliermaterial, das an einem becherförmigen Metallträger 27 mit einer Schicht Weichlötmaterial 28 oder anderen geeigneten Befestigungsmitteln befestigt ist Der becherförmige Träger 27 ist durch eine geeignete

ίο Punktschweißung an der inneren Oberfläche der Meßmembran 13 angeschweißt Der Träger 27 und die Lötmittelschicht 28 halten die Plattenanordnung 25 an der Membran 13. Die Kondensatorplatte 26 bildet einen freitragenden Ringflansch, der sich unbehindert (mit Ausnahme des Trägers 27) parallel zu der inneren Oberfläche der Membran 13 erstreckt Die Platte 26 kann nahe der inneren Oberfläche der Meßmembran 13 angeordnet sein. Die äußeren Teile der Platte 26 sind in bekannter Weise mit einer geeigneten Metallschicht überzogen, um eine leitende Meßoberfläche 30 zu bilden. Die Metallschicht erstreckt sicii über die Ränder der Platte 26 zu deren oberer Oberfläche 31, um elektrische Verbindungen zu der Kondensatorplatte herzustellen.

Die Metallschicht auf der unteren Oberfläche der Platte iö endet kurz vor der Weichlötmittelschicht, die die Platte mit dem Träger 27 verbindet, so daß die leitende Oberfläche 30 von dem Träger 27 isoliert ist Die Membran 13 besteht aus Metall oder hat wenigstens leitende Oberflächenteile, die der Oberfläche 30 der Platte 26 zugewandt sind. Die Membran kann gegebenenfalls einen Metallüberzug haben. Die Membran muß bestimmte Einrichtungen haben, um eine leitende Oberfläche zu biiden, die eine Kondensatorplatte bzw. eine Oberfläche des Meßfühlers bilden.

Die öffnung 12 in dem Gehäuse 11 ist durch ein geeignetes Zwischenstück 36 verschlossen, das in der Öffnung steckt, wie gezeigt ist, und das durch eine geeignete Schweißung 37 mit dem Gehäuse verschweißt ist Das Zwischenstück 36 hat einen elektrisch leitenden Stab bzw, eine Leitung 38 mit einem Federkontaktglied 39 am unteren Ende. Das Kontaktglied 39 kann eine flache Stahlfeder sein, die an dem Stab 38 befestigt ist und deren Rand umgebogen ist, wie gezeigt ist, und federnd auf der Metallschicht auf der oberen Oberfläche 32 der Platte 26 aufliegt, um eine elektrische Verbindung mit der Metallschicht zu bilden, die sich zu der Schicht auf der Oberfläche 30 erstreckt Der Stab 38 ist in einer zentralen öffnung des Zwischenstücks 36 angeordnet

so und mit diesem durch ein Isoliermaterial wie geschmolzenes Glas verbunden, wie bei 40 gezeigt ist Der Stab 38 verschiebt sich somit nicht bezüglich des Zwischenstücks und ist von diesem isoliert Der Stab 38 bildet eine der Leitungen des kapazitiven Meßfühlers und kommt von der Kondensatorplatte, die an der Unterseite der Platte 26 gebildet ist. Das Kontaktglied wird durch die Verformung der Membran mit der Schicht in Berührung gehalten. Eine elektrische Leitung kann mit dem Gehäuse 11 verbunden nein, um die elektrische Verbindung mit der Membran 13 herzustellen.

Die Verformung der Membran 13 bew^;jki eine Verschiebebewegung der Platte 26 zusammen mit der Membran und die Durchbiegung der Membran führt zu einer wesentlichen änderung der Kapazität zwischen den beiden leitenden Oberflächen, die die innere Oberfläche der Meßmembran 13 und die untere Oberfläche 30 der Platte 26 umfassen. Diese Änderung der Kapazi-

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tat erzeugt eine Anzeige der Verformung der Membran. benachbarten Oberflächen 57,4 und 57B der Meßmem-

Eine bündig abschließende bzw. flache Membran- bran. Bei dieser Konstruktion sind die Kondensatorplat-

meßfühlerkonstruktion kann mit der in F i g. 1 gezeigten ten ebenfalls direkt an der Membran befestigt und be-

Ausführungsform der Erfindung dadurch erreicht wer- wegen sich zusammen mit dieser. Wenn die Membran

den, daß das Gehäuse 11 nur mit einigen Mitteln zur 5 sich verschiebt bzw. bewegt, biegt sie sich durch und die

Befestigung des Gehäuses an der gewünschten Struktur, Kapazität zwischen den Meßoberflächen der Platten 60

z. B. Bolzenöffnungen oder anderen Anschlüssen verse- und 61 und den benachbarten Oberflächen 57A und 57ß

hen ist Das Gehäuse 11 selbst kann zur Bildung einer ändert sich, um eine Anzeige des Unterschiedes des

bündig abschließenden Membraneinheit durch ein Ge- Druckes zwischen den jeweiligen Kammern 55 und 56

winde an der äußeren Oberfläche des Gehäuses in einen io zu liefern.

Anschluß geschraubt werden. Bei allen Ausführungsformen der Erfindung ist eine Wenn die Meßfühlereinheit hergestellt wird, wird zu- Membran mit einer Einrichtung, die eine gleitende

erst die Platte 26 metallisiert (in den gewünschten Berei- Oberfläche bildet, Belastungen bzw. Kräften unterwor-

chen mit Metall überzogen), und wird dann mit Weich- fen, die sie verformen. Eine zweite Kondensatorplatte

lötmittel an dem becherförmigen Metallträger 27 befe- 15 ist direkt an der Membran befestigt und verschiebt sich

stigt Der Träger 27 wird dann an der inneren Oberflä- bzw. verstellt sich zusammen mit der Membran. Die

ehe der Membran 13 durch Punktschweißen befestigt. zweite Platte hat leitende Oberflächenteile im Abstand

jede Fehlfluchtung kann dann durch Unterlegen der von den Befestigungsvorrichtungen, die den leitenden

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membran 13 korrigiert werden. Dies bedeutet, daß 20 flächenteile ändern ihre räumliche Beziehung zu der flache Scheiben bzw. Ringe der richtigen Dicke zwi- Membranoberfläche, wenn sich die Membran verformt, sehen die Platte 26 und die innere Oberfläche der Mem- Die Kondensatorplatten können direkt an der Membran gelegt und dann das Weichlötmittel erhitzt wird, bran an einer anderen Stelle als der zentralen Achse, die bis es erweicht Die Platte 26 wird dann wieder in der die gezeigte Stelle ist, befestigt werden. Zum Beispiel richtigen Lage bezüglich der Meßmembran angeordnet, 25 können die Kondensatorplatten an der Membran an wenn das Lötmittel abgekühlt ist ihren Rändern oder an irgendeiner Zwischenstelle wie

F i g. 2 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform der dem Momentennullpunkt bei einer Konstruktion mit Erfindung zur Verwendung in Differentialdruckmeß- einer Ni;mbran mit festem Rand befestigt werden. Die fühlern. Die Druckmeßfühleranordnung 50 besteht aus zentrale Befestigung ist jedoch im Hinblick auf Tempeeinem zentralen Gehäuse 51 und Verschlußdeckeln 52 30 raturstabilität und zufriedenstellendes Ansprechverhal- und 53, die an dem Gehäuse angeschweißt sein können. ten die bevorzugte Ausführungsform.

Die Deckel 52 und 53 haben Anschlüsse 54, die zu Quel-

len eines zu messenden Druckes führen. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Das Gehäuse 51 hat zwei Vertiefungen 55 und 56, die

eine Membran 57 bilden. Die Membran hat eine obere 35 und eine untere Oberfläche 57A bzw. 57B, von denen jede eine Kondensatorplattenoberfläche bildet, die mit dem Druckmeßfühler verwendet wird. Die Meßfühleranordnung hat außerdem eine Kondensatorplatte 60 und eine Kondensatorplatte 61 an gegenüberliegenden 40 Seiten der Membran. Die Platten 60 und 61 können aus einem Isoliermaterial wie Aluminiumoxid bestehen und mit Metall überzogen sein, um Kondensatorplatten an den Oberflächen zu bilden, die den Oberflächen 57A und 57 S zugewandt sind. Geeignete elektrische An- 45 Schlüsse wie eine Metallschicht erstrecken sich von den Oberflächen aus, die die Kondensatorplatten nahe den Oberflächen der Membran bilden, zu Anschlußleitungen 62 und 63, die durch öffnungen in den Deckeln 52 und 53 geführt und in Glasmaterial eingeschmolzen 50 sind.

Die Platten 60 und 61 sind von ihren jeweiligen Oberflächen 57A und 57Z? durch Unterlegscheiben 64 und 65 entfernt und ein Bolzen 66 ist durch öffnungen in der Membran 57 und in jeder der Platten 60 und 61 geführt 55 Der Bolzen 66 kann an einem Ende einen Kopf haben und eine Mutter, die auf das andere Ende geschraubt ist Der Kopf und die Mutter wirken gegen Tellerfedern 67 und 68, um die Platten 60 und 61 gegen die Unterlegscheiben 64 und 65 mit einer bekannten Kraft zu drük- 60 ken und die Anordnung zusammenzuhalten. Der elektrisch leitende Teil der Platten 60 und 61 muß von dem

Bolzen 66 isoliert sein und der Bolzen 66 muß zur Mem- ,

bran 57 hermetisch abgedichtet sein.

Der Differentialdruck in den Kammern 55 und 56 65 bewirkt dann eine Verformung der Membran 57 und diese Verformung verursacht eine Änderung der Kapazität zwischen den Platten 60 und 61 und den jeweiligen

Claims (6)

1 2 Schluß (14; 54) aufweist, mit welchem eine Flüssig- Patentansprüche: keits-Druckquelle zur Erzeugung der Auslenkbewe gung der Membran (13; 57) in Verbindung steht

1. Kapazitiver Meßfühler, bestehend aus einem 7. Meßfühler nach Anspruch 6, gekennzeichnet Träger für eine Membran, die mit ihrem äußeren 5 durch eine verformbare Isolierung (17), die zwischen Rand an dem Träger gelagert ist und gegenüber der Membran (13) und der Druckquelle angeordnet diesem bei Beaufschlagung mit einer Kraft verform- ist, um eine Berührung der Druckquellen-Flüssigkeit bare Abschnitte aufweist, wobei die Membran erste mit der Membran (13) zu verhindern.

elektrisch leitende Oberflächenabschnitte umfaßt, 8. Meßfühler nach Anspruch 7, dadurch gekenn-

und einer Platte die mittels einer Stütze unmittelbar to zeichnet, daß die Isolierung (17) von der Membran

an der Membran angeordnet und so zusammen mit (13) durch eine gummiartige Klebstoffschicht ge-

dieser auslenkbar ist, wobei die Platte und die ersten trennt ist
elektrisch leitenden Oberflächenabschnitte der

Membran einen Abstand von einander aufweisen

und gegenüber einander entspannt sind, so daß die υ
verformbaren Abschnitte den Abstand zwischen den

elektrisch leitenden Oberflächenabschnitten und der Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Meßfühler

Platte verändern, dadurch gekennzeich- der im Oberbegriff von Anspruch 1 angegebenen und

net, daß die Platte (26; 60,61) aus elektrisch üsolie- aus der Literaturstelle IEEE Transactions on Biomedical

rendem Material besteht und eine Metallbeschich- 20 Engineering, JuU 1973, Bd.20, Nr.4, Seite 313, Fig.2,

tung trägt die zweite elektrisch leitende Oberflä- bekannten Art.

chenabschnitte auf der Platte (26; 60,61) gegenüber Bei dem dort beschriebenen und dargestellten Meß-

der Membran (13; 57) bildet, wobei die restlichen fühler wird die erste Kondensatorplatte durch einen in

Abschnitte der Platte (26; 60,61) frei von einer Me- oder auf der Membran angeordneten Ring aus elek-

tallbeschichtung sind, und daß die Stütze (27; 66) an 25 trisch leitendem Material gebildet und die zweite Kon-

den restlichen Abschnitten der Platte angreift und so densatorplatte von einer Platte, die ganz aus elektrisch

die zweiten elektrisch leitenden Oberflächenab- leitendem Material besteht und über eine mit dieser

schnitte gegenüber den ersten elektrisch leitenden einstückig verbundene Stütze, die ebenfalls aus elek-

Oberflächenabschnitten der Membran (13; 57) iso- trisch leitfähigem Material besteht, zentral auf der

liert 30 Membran befestigt Die Kontaktstelle zwischen dem

2. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekenn- Träger und der Membran bildet das Gate eines Feldefzeichnet, daß die Membran (13; 57) eine zentrale fekttransistors. Dieses ist vollständig in der Membran Achse aufweist, die ίκι wesentlichen parallel zu der integriert und dient als Vorverstärker und Impedanz-Richtung einer auf die Membran (13; 57) zu deren wandler für das Meßsignal.

Verformung einwirkenden K. 4ft ausgerichtet ist, 35 Das Meßsignal wird bei dieser Anordnung dadurch daß der erste elektrisch leitfähige Oberflächenab- erzeugt, daß dem Ring ein Eingangssignal zugeführt schnitt der Membran (13; 57) im wesentlichen auf wird, das während des Meßvorganges durch die K apazider Achse zentriert ist und daß die Metallbeschich- tat des Plattenkondensators variiert und dem Feldeftung auf der Platte (26; 60, 61) zu der zentralen fekttransistor zugeführt wird. Die Kapazität des Kon-Achse symmetrisch angeordnet ist 40 densators dient dabei als Eingangsitnpedanz des Feldef-

3. Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 oder 2, fekttransistors. Das vom Feldeffekttransistor verstärkte dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (13; 57) Signal wird dann über eine Ausgangsleitung einer Meßelektrisch leitfähige Oberflächenabschnitte auf ihren station zugeführt

einander gegenüberliegenden Seiten aufweist, und Diese speziell für miniaturisierte kapazitive Meßfüh-

daß eine zweite Platte (61) auf der der Platte (26; 60) 45 ler mit hohen Eingangsimpedanzen gedachte Anordgegenüberliegenden Seite der Membran (13; 57) be- nung hat neben dem eingeschränkten Anwendungsbefestigt ist, die eine zweite Metallbeschichtung trägt reich den Nachteil, daß die beiden Kondensatorplatten

4. Meßfühler nach Anspruch 3, dadurch gekenn- über den Feldeffekttransistor in einer elektrischen Verzeichnet, daß die erste Platte (60) und die zweite bindung stehen und außerdem neben einer Signalein-Platte (61) an der Membran (57) durch ein gemeinsa- so gangs- und einer Signalausgangsleitung noch zwei weimes Teil (66) befestigt sind, das durch die Membran tere Leitungen zur Versorgung des Feldeffekttransi- und durch Teile der Platten (60,61) verläuft, und daß stors notwendig sind.

Federeinrichtungen (67, 68) an gegenüberliegenden Aus der GB-PS 12 90 469 ist ein Meßfühler für Druck-Seiten der Membran (57) die Platten (60,61) gegen differenzen bekannt, bei welchem die gegenüber dem die Membran (57) drücken. 55 Gehäuse in ganzer Fläche parallel verschiebbare Meß-

5. Meßfühler nach einem der vorhergehenden An- platte in einem Raum gelagert und bewegbar ist, der Sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Federkon- durch Trennmembran abgedichtet ist Bei einem derartakt (39) an der Platte (26; 60, 61) an der von der tigen Meßfühler wird die Kapazität zwischen festen Membran (13; 57) abgewandten Seite angreift, daß Platten und beweglichen Platten als Meßgröße verwender Federkontakt (39) gegen die Platte (26; 60, 61) 60 det Nachteilig hinsichtlich Temperaturinstabilität, ungerichtet ist und elektrisch mit der Metallbeschich- terschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten und tung auf der Platte (26; 60, 61)in Verbindung steht, Fehlanpassungen ist es hierbei, daß die feste Platte me- und daß der Federkontakt (39) mit der Platte (26; 60, chanisch unabhängig von der Membran ausgebildet ist. 61) während der Auslenkbewegung der Membran Zudem ist für den Anschluß eines derartigen Meßfüh-(13;57) in Anlage verbleibt. 65 lers eine Mehrzahl von Meßleitungen erforderlich.

6. Meßfühler nach einem der vorhergehenden An Demgegenüber ist es Aufgabe der vorliegenden Ersprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger findung, eine Anordnung gemäß dem Oberbegriff des (ll;51)einGehäuse(lO) und einen Druckleitungsan- Anspruchs 1 zu schaffen, die in einem großen Meßbe-