DE2820478C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Druck­ wandler der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen Art. Ein solcher Druckwandler ist aus der US-PS 37 15 638 bekannt.

Es gibt viele bekannte Formen von Druckwandlern, die kapazitive Fühler verwenden. Solche Wandler umfassen ty­ pisch ein Metallgehäuse mit einer metallischen Membran und weisen verschiedene Nachteile auf. Es wurden auch kapazitive Druckwandler unter Verwendung von Quarz oder anderen dielektrischen Werkstoffen für Kapseln mit leitenden Filmen auf den inneren Oberflächen hergestellt. Sie sind zum Bei­ spiel in der DE-OS 20 21 479 und in den US-PS 37 15 638 und 38 58 097 beschrieben. Die funktionellen Teile dieser bekannten Wandlerarten sind im wesentlichen flach und von im wesent­ lichen gleichmäßiger Dicke. Bei einer solchen gleichmäßigen Dicke tritt eine Belastungskonzentration im Bereich auf, wo das Material zusammengeschmolzen oder -geklebt wird, und die Durchbiegung der leitenden Oberflächen des Wandlers va­ riiert mit der radialen Lage des durchgebogenen Teils.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungs­ gemäßen Druckwandler so auszugestalten, daß er für möglichst genaue Absolutmessungen geeignet ist und Undichtigkeiten der Verbindung zwischen den Bauelementen des Druckwandlers ausgeschlossen werden.

Diese Aufgabe wird anspruchsgemäß gelöst.

Dabei ist es an sich aus den Druck­ schriften GB-PS 5 01 872 und dem Aufsatz "Druckmessung mit der Konden­ sator Meßdose" von Prof. Dr. Ing. Keinath in ATMY 132-5, Nov. 1932, Seiten 9-10 be­ kannt, Kondensatormeßdosen aus Metall, speziell Stahl, mit Membranelementen zu versehen, die in ihrem Umfangsbereich eine kleinere Dicke aufweisen, um so die als Kondensatorplatten ausge­ bildeten Bereiche der Membran vor Verbiegungen zu schützen, wodurch die Parallelität der Konden­ satorplatten gewährleistet wird.

In den Unteransprüchen sind besonders bevorzugte Aus­ führungsformen des erfindungsgemäßen Druckwandlers gekennzeichnet.

Als Verbindungsmaterial kann man Glas oder Zement ver­ wenden.

Jedes dielektrische Bauelement des Wandlers kann durch Schleifen oder andersartiges Formen einer Seite jedes der dielektrischen Bauelemente zu flachen Oberflächen in der gleichen Ebene hergestellt werden. Der Teil verringerten Querschnitts wird normalerweise durch eine Vertiefung oder Ausnehmung im Material gebildet, so daß das dielektrische Material im Bereich dieses verringerten Querschnitts nicht in der gleichen Ebene der flachen Oberfläche des Bauele­ ments liegt. Die flachen Oberflächen der Bauelemente wer­ den dann mit dem gewünschten Nennabstand der leitenden Fil­ me mit Hilfe kleiner Abstandshalter rings um den Umfang der angrenzenden Teile der elektrischen Bauelemente zusammen­ gesetzt. Material wie z. B. Glasfritte wird auf den Umfang aufgebracht, und man steigert die Temperatur bis zu einer Höhe, bei der das Glasfrittenmaterial die beiden dielektri­ schen Bauelemente zusammenschweißt. Das geschmolzene Glas­ frittenmaterial umgibt die kleinen Abstandshalter, so daß sie nicht entfernt zu werden brauchen. Für Anwendungsfälle, bei denen ein besonders erwünschter Innenbezugsdruck wie z. b. Vakuum erforderlich ist, kann das Verschmelzen in einem Vakuumofen stattfinden.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung veran­ schaulichten Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin zeigt

Fig. 1 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines Druckwandlers;

Fig. 1A eine Querschnittsansicht zur Darstellung einer Abänderung des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1;

Fig. 2 eine Aufsicht des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1 im Querschnitt;

Fig. 3 eine Querschnittsansicht zur Darstellung eines Teils des Ausführungsbeispiels nach Fig. 3 mit kapazitiven Mitteln zum Anschluß an den Konden­ sator des Wandlers.

In Fig. 1 sind zwei Profil-Keramikteile 2 und 4 im Quer­ schnitt dargestellt. Diese Teile sind beispielsweise mittels geschmolzener Glasfritte 6 miteinander verbunden. Abstands­ halter 8 dienen zur Schaffung des gewünschten Abstandes zwi­ schen den Bauelementen 2 und 4.

Die dielektrischen Bauelemente haben mittlere Teile 10 bzw. 12 mit Oberflächen 14 bzw. 16. Leitende Filme 18 und 20 sind auf die Oberflächen 14 bzw. 16 aufgebracht. Diese gegenüberliegenden leitenden Filme dienen zur Schaf­ fung der beiden Platten eines Kondensators. Die Filme 18 und 20 erstrecken sich durch Bohrungen 22 bzw. 24 zu den äußeren Oberflächen 26 und 28 der Bauelemente 2 bzw. 4. Lot oder ein anderes geeignetes Abdichtungsmaterial 30 bzw. 32 dient zum Verschluß der Bohrungen und zum Isolie­ ren des inneren, durch die beiden Bauelemente 2 und 4 ge­ bildeten Raumes gegenüber dem äußeren Druck. Innere, rela­ tiv große Volumina 34 und 36 werden durch die verringerten Querschnitte 38, 40 bzw. 42, 44 in den Bauelementen 2 und 4 gebildet.

Wenn der Wandler zum Messen des absoluten Drucks ein­ zusetzen ist, kann der innere Teil evakuiert werden, und das Material 6 kann in einem Vakuumofen geschmolzene Glas­ fritte sein. In diesem Fall müssen die Abdichtungen 30 und 32 aus Hochtemperaturmaterial, wie z. B. Silberlot, sein. Al­ ternativ können das Verschmelzen des Umfangs und die Ab­ dichtungen 30 und 32 nacheinander erfolgen. Steigerungen des äußeren Drucks bewirken eine gegenseitige Annäherung der leitenden Filme 18 und 20 auf den Oberflächen 14 und 16 aufgrund der Durchbiegung der verringerten Querschnitte 38, 40, 42 und 44. Die Verringerung des Abstandes zwischen den leitenden Filmen führt zu einer Steigerung des Kapazi­ tätswertes, der sich durch eine bekannte Schaltung unter Verwendung äußerer Stromzuführungen 31 und 33 erfassen läßt. Da die Durchbiegung fast nur in den Bereichen ver­ ringerter Dicke statt in den mittleren Teilen 10 und 12 stattfindet, bleiben die leitenden Filme 18 und 20 eben und parallel zueinander, wenn sich ihr Abstand ändert. So werden keine zusätzlichen nichtlinearen Änderungen der Ka­ pazität und keine Hysterese durch Änderungen der Oberflä­ chengestalt aufgrund einer Biegung des Materials einge­ führt. Außerdem wird jede Verformung mit Temperaturände­ rungen, die durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoef­ fizienten der leitenden Filme oder des Lots und des dielek­ trischen Materials eingeführt werden könnte, im wesentli­ chen beseitigt.

Die durch die verringerten Querschnitte der dielektri­ schen Bauelemente geschaffenen vergrößerten Volumina 34 und 36 tragen dazu bei, die Wirkung irgendwelcher geringer Poren in der Abdichtung zwi­ schen den Bauelementen oder einer Entgasung von den Wand­ lermaterialien sehr gering zu halten.

Da die Durchbiegung innerhalb des verringerten Quer­ schnitts auftritt, wirkt sehr wenig Spannung auf die dielek­ trischen Bauelemente an dem Punkt ein, wo sie an das Ein­ schmelzmaterial 6 angrenzen. Typisch können die unreduzier­ ten Querschnitte hundertmal so steif wie die reduzierten Querschnitte sein. Daher ist der Verbindungsbereich zwi­ schen den beiden dielektrischen Bauelementen nur einer sehr geringen durch die Durchbiegung der dielektrischen Bauele­ mente bei Änderungen des einwirkenden Drucks eingeführten Spannung ausgesetzt, und die Durchbiegung wird auch nicht durch die typisch niedrigere Elastizität der am Umfang oder an der Mittendurchführung verwendeten Kleb- oder Ab­ dichtungsmaterialien beeinflußt. Außerdem ist die relativ niedrige Streckspannung des Klebmaterials kein begrenzen­ der Faktor, wie es der Fall wäre, wenn Bauelemente gleich­ mäßiger Dicke benutzt würden. Obwohl es bevorzugt wird, die verringerten Querschnitte 38, 40, 42 und 44, wie darge­ stellt, so zu gestalten, daß die einwirkende Spannung in Radialrichtung verhältnismäßig gleichmäßig ist und keine Spitzenwerte an den beiden Enden des dickenverringerten Bau­ elements aufweist, können die verringerten Querschnitte zur Erleichterung der Herstellung auch befriedigend von gleich­ mäßigem Querschnitt gemacht werden. Obwohl ein solcher Quer­ schnitt zu geringen Spannungskonzentrationen am Umfang der verringerten Querschnitte führt, liegt die Beanspruchung un­ ter normalen Arbeitsbedingungen noch innerhalb zulässiger Grenzen für keramische Materialien, wie z. B. Aluminiumoxid.

In Fig. 1A ist ein Teil einer Querschnittsansicht zur Veranschaulichung eines abgewandelten Ausführungsbeispiels des Wandlers nach Fig. 1 dargestellt. Das Volumen 36, das teilweise durch die Fläche des verringerten Querschnitts 40 begrenzt ist, wurde hier durch zwei Volumina 36 A und 36 B ersetzt, die an Bereiche verringerten Querschnitts 40 A und 40 B angrenzen. Ein Bereich 41 voller Querschnittsdicke er­ streckt sich zwischen den ringförmigen Hohlvolumina 36 A und 36 B. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1A ergeben die Bereiche verringerten Querschnitts 40 A und 40 B Durchbie­ gungsbereiche, die die Durchbiegung des Wandlers bei Einwir­ kung von Druckänderungen erleichtern. Während die Bereiche verringerten Querschnitts 40 A und 40 B durch völlig flache Oberflächen begrenzt sein können, sind die Bereiche im dar­ gestellten Ausführungsbeispiel von einer gekrümmten Ober­ fläche begrenzt, um die Spannungskonzentrationen im Mate­ rial möglichst gering zu halten. Die Durchbiegung tritt im Bereich 41 auf, der als an seinem Umfang vom Bereich 40 B begrenzte frei abgestützte Scheibe wirkt. Der Bereich 40 B verringerten Querschnitts verringert das auf den Rand und das Verbindungsmaterial übertragene Biegemoment. Der Be­ reich 40 A verringerten Querschnitts dient zur Verhinderung der Übertragung des Biegemoments auf den mittleren Teil und so zur Verringerung dessen Verformung. Wenn beispielsweise die dielektrischen Bauelemente aus Materialien, wie z. B. Quarz, der maschinell bearbeitet werden muß, hergestellt sind, bietet das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1A den Vor­ teil der Verringerung der Materialmenge, die durch maschi­ nelle Bearbeitung zur Bildung des gewünschten Bauelements entfernt werden muß. Andererseits liefert es nicht das vol­ le Ausmaß des vergrößerten Volumens 36 zur Geringhaltung je­ des möglichen Fehlers, der durch Poren oder Entgasung der Materialien eingeführt wird, aus denen die Vorrichtung her­ gestellt wird.

Während die Ausbildung der beiden Hohlvolumina 36 A und 36 B entsprechend Fig. 1A ermöglicht, daß der mittlere Teil eben und unverformt unter Durchbiegungsbedingungen bleibt, kann für bestimmte Anwendungsfälle die mit der Vorsehung nur eines Hohlvolumens, z. B. 36 B, verbundene Kostenersparnis den Bedarf des Nicht-Verformens des mittleren Teils über­ wiegen. Wenn ein einziger relativ enger Bereich verringer­ ten Querschnitts vorgesehen wird, hat dieser eine Anlenk­ funktion. Der Rest des mittleren Teils verformt sich bei Einwirkung von Druck. Das an den Bereich verringerten Quer­ schnitts angrenzende Volumen 36 B dient zur wesentlichen Isolierung des Umfangs und der Verbindungsstelle zwischen den beiden dielektrischen Bauelementen gegenüber der Ein­ wirkung eines Drehmoments und zur Vermeidung der Einwirkung unnötiger Kräfte auf die Verbindungsstelle. Bei einem sol­ chen Ausführungsbeispiel muß die zugehörige Schaltung oder Verwendung des Wandlers der Tatsache Rechnung tragen, daß der mittlere Teil bei Durchbiegung gekrümmt wird und die Krümmung die Kapazitätsänderung beeinflußt.

Fig. 2 ist eine Draufsicht im Querschnitt. Sie zeigt den Abstand der Abstandshalter 8 rings um den Umfang und deutet die Tatsache an, daß die vergrößerten Volumina 34 und 36 zwei Querschnitte eines zusammenhängenden kreisförmigen Volumens sind.

Fig. 3 zeigt einen Teil einer Querschnittsansicht eines Bauelemententeils. Erfindungsgemäß ist die elektrische Verbindung mit dem Kondensator zum Erfassen des einwirken­ den Drucks durch einen Kopplungskondensator mit leitenden Filmen 47 und 49 vorgesehen. Der Kondensator besteht aus einem leitenden Film. Der innere Teil 47 kann gleich­ zeitig mit der Abscheidung des leitenden Films für den Druck­ fühlerkondensator hergestellt werden. Die äußere Kondensator­ platte 49 kann ein ähnlicher abgeschiedener Film oder irgend­ eine aufgebrachte leitende Schicht oder Platte sein. Der ver­ ringerte Querschnitt dient zum Liefern vernünftiger Kapazi­ tätswerte für Kopplungszwecke. Es ist bei einigen Anwendungsfällen erwünscht, über­ haupt keine direkte elektrische Durchführung zu haben. Der erfindungsgemäße Druckwandler hat eine völlig abgeschlossene innere Meßkammer ohne jegliche Durchführungen für Anschlüsse der Kondensatorplatten nach außen.

Wenn Werkstoffe wie z. B. Aluminiumoxid für die dielek­ trischen Bauelemente verwendet werden, können diese mit ho­ her Genauigkeit in fast jeder Ausgestaltung geformt werden. Wenn jedoch ein Werkstoff wie Quarz verwendet wird, benö­ tigt die endgültige Formgebung normalerweise eine maschinelle Bearbeitung, z. B. durch Schleifen. Für einen Druckfühler­ wandler, wie den in Fig. 1 und 3 dargestellten, läßt sich eine solche maschinelle Bearbeitung leicht mit den dort ge­ zeigten kreisförmigen Gestaltungen durchführen. Jedoch läßt sich für einen Kraftfühlerwandler der in Fig. 5 gezeigten Art der Herstellung aus einem Werkstoff wie Quarz verein­ fachen, wenn der Aufbau rechteckig statt kreisförmig ge­ macht wird. So lassen sich sie sich mit linearer Bewegung herkömmlicher Schleifvorrichtungen bilden.

Während einige bevorzugte Ausführungsbeispiele vorste­ hend beschrieben wurden, ergibt sich für Fachleute, daß Ab­ wandlungen für besondere Anwendungsfälle vorgenommen werden können. Beispielsweise kann es für die kritischsten elektri­ schen Funktionsanwendungen erwünscht sein, die einander zu­ gewandten Oberflächen, auf denen die leitenden Filme abge­ schieden werden, zu läppen, um eine absolute Flachheit zu sichern. Während die Verwendung von Glasfritten zum Ver­ schmelzen der beiden Bauelemente geeignete Anordnungen zum Widerstehen gegenüber den meisten Umgebungen liefert, kön­ nen Kosten oder Funktionseigenschaften andere Abdichtanord­ nungen für bestimmte Anwendungsfälle wünschenswert machen.

Eine besondere elektrische Schaltung zum Erfassen und Auswerten der Kapazitätsänderungen wurde nicht näher erläu­ tert. Jedoch kann man hierfür herkömmliche Meßsysteme ver­ wenden, wie sie beispielsweise in der US-PS 35 18 536 be­ schrieben sind. Die besonderen erwünschten Schaltungsfunk­ tionseigenschaften hängen von dem Gebrauch ab, der von den erfaßten Werten zu machen ist. Eine solche Verwendung kann in weiten Ausmaßen variieren. Ein Kraft- oder Druckmeß­ instrument kann erwünscht sein, oder der Wandler kann Teil eines Betriebssystems sein, in dem die Änderung der Kapazi­ tät zur Steuerung eines Parameters ausgenutzt wird, der die Systemfunktion und den gemessenen Druck beeinflußt.

Claims (7)

1. Druckwandler mit zwei dielektrischen Bauele­ menten, deren einander zugewandten Oberflächen je auf einem mittleren Teil leitende Überzüge zur Bildung eines Kondensators aufweisen, und mit die dielektri­ schen Bauelemente unter bestimmtem Abstand zur Bildung eines inneren zusammenhängenden Volumens haltenden Bauteilen, wobei ein Druckunterschied zwischen dem inneren Volumen und außerhalb wenigstens eines der Bauelemente eine Durchbiegung eines Bauelementes verursacht und die Durchbiegung eine von diesem Druckunterschied abhängige Änderung des Abstandes zwischen den leitenden Überzügen und damit der Kapazität des Kondensators hervorruft, dadurch gekennzeichnet,

• - daß wenigstens einer der mittleren Teile von einem Bereich (38, 40; 40′; 38′′, 40′′; 38′′′′, 40′′′′) umgeben ist, in dem die Dicke des dielektrischen Bauelements verringert ist,
• - die zwei Bauelemente nahe ihrem Umfang mit Abstands­ haltern in einem bestimmten Abstand zueinander ange­ ordnet und mittels eines Verbindungsmaterials dicht miteinander verbunden sind, und
• - leitende Filme (47, 49) auf den Innen- und Außenseiten der Teile des dielektrischen Bauelements (2′) mit verringerter Dicke zur Schaffung eines Kopplungskondensators angebracht sind, der zur Lieferung einer Anzeige der Änderung der Wandlerkapazität dient.

2. Druckwandler nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwei Bereiche (40 A, 40 B) verringerter Dicke in einem dielektrischen Bauelement (2) vorgesehen sind, die zum Schaffen von Anlenkbereichen zur Durchbiegung aufgrund der Druckänderung dienen.

3. Druckwandler nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Bereich (38, 40; 40′; 38′′, 40′′; 38′′′′, 40′′′′) verringerter Dicke von in Radialrichtungen vom Mit­ telpunkt aus variierender Dicke zwecks Schaffung einer im wesentlichen gleichmäßigen Belastungsverteilung in Radial­ richtung ist.

4. Druckwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerbauelemente aus Quarz gefertigt sind.

5. Druckwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerbauelemente aus geformtem Glas gefertigt sind.

6. Druckwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerbauelemente aus geformter Keramik gefertigt sind.

7. Druckwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeich­ net, daß das Mittel (6) zum Zusammenhalten der beiden Bau­ elemente (2, 4; 2′, 4′) geschmolzenes Glas ist.