DE2936452A1

DE2936452A1 - Pressure transducer for process control - has measuring diaphragm in recess on external cylinder, which has isolating disc fitted inside with metallic foil electrodes

Info

Publication number: DE2936452A1
Application number: DE19792936452
Authority: DE
Inventors: Mitsuru Dipl Ing Tamai; Takeshi Dipl Ing Yasuhara
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1978-09-11
Filing date: 1979-09-10
Publication date: 1980-03-27
Also published as: JPS5537968A

Abstract

The pressure transducer consists of an external cylinder, an isolating disc and a measuring diaphragm. The disc is fitted inside the cylinder and has metallic foil electrodes on the two surfaces. It has a hole in the centre. The diaphragm is contained in a recess in the cylinder. The cylinder (23) has a sealed base (22) of the approximate size of the diaphragm holder (26). The edges of the diaphragm (27) are welded to the holder. There is a supporting disc (42) with a hole at the opposite side of the cylinder. There is also a separating diaphragm (43) with a reference electrode (37).

Description

Druck-MeßwandlerPressure transducer

Die Erfindung bezieht sich auf einen Druck-Meßwandler mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a pressure transducer having the features according to the preamble of claim 1.

Ein bekannter Druck-Meßwandler dieser Art, mit dem sich in einfacher Weise ein Druck in eine elektrische Größe zur Anzeige oder Verarbeitung in einer Steuereinrichtung umsetzen läßt, ist in Fig. 1 dargestellt. Der bekannte Meßwandler weist einen äußeren Zylinder 1 auf, in dessem Innern eine isolierende Scheibe 2 angeordnet ist. Diese Scheibe 2 ist an ihren beiden Oberflächen 3a und 3b knnkav gewölbt ausgebildet. Elektroden 4a und 4b aus Metallfolie sind auf die Oberflächen 3a und 3b aufgebracht. Zuführungsleitungen 5a und 5b sind an die betreffenden Elektroden 4a und 4b angeschlossen und durch die isolierende Scheibe 2 und einer mit einem isolierendem Teil versehenen Öffnung in der Wand des äußeren Zylinders 1 geführt sowie am Boden des Meßwandlers herausgeführt. Die isolierende Scheibe 2 ist mit einem durchgehenden Loch 7 versehen, welches in axialer Richtung von der Oberfläche 3azur Oberfläche 3b führt. Eine Meßmembran 8b und eine weitere Meßmembran 8a sind an die beiden Seiten des äußeren Zylinders 1 flüssigkeitsundurchlässig angeschweißt.A known pressure transducer of this type, with which in a simple Way a print into an electrical quantity for display or processing in one Can implement control device is shown in FIG. The well-known transducer has an outer cylinder 1, in the interior of which an insulating disk 2 is arranged. This disk 2 is knnkav on both of its surfaces 3a and 3b arched. Electrodes 4a and 4b made of metal foil are on the surfaces 3a and 3b applied. Feed lines 5a and 5b are connected to the electrodes concerned 4a and 4b connected and through the insulating disc 2 and one with a insulating part provided opening in the wall of the outer cylinder 1 out as well as on the ground of the transducer led out. The insulating disc 2 is provided with a through hole 7, which in the axial direction of the Surface 3a leads to surface 3b. A measuring membrane 8b and another measuring membrane 8a are welded to the two sides of the outer cylinder 1 in a liquid-impermeable manner.

Eine Isolierflüssigkeit (z. B. Silikonöl) ist in den Raum eingefüllt, der durch den äußeren Zylinder 1 die weitere Meßmembran 8a und die Meßmembran db begrenzt wird. Die Isolierflüssigkeit dient einer elektrischen Isolation zwischen den Elektroden 4a und 4b und den Meßmembranen 8a und 8b genauso wie einerÜbertragung des Drucks zwischen den inneren Oberflächen der Meßmembranen 8a und 8b. Die Elektroden 4a und 4b liegen der Meßmembran 8a und 8b derart gegenüber, daß sie mit ihnen Kondensatoren bilden, zwischen denen sich die Isolierflüssigkeit befindet.An insulating liquid (e.g. silicone oil) is filled into the room, through the outer cylinder 1, the further measuring membrane 8a and the measuring membrane db is limited. The insulating liquid is used for electrical insulation between the electrodes 4a and 4b and the measuring diaphragms 8a and 8b as well as a transfer of the pressure between the inner surfaces of the measuring diaphragms 8a and 8b. The electrodes 4a and 4b are opposite the measuring membrane 8a and 8b in such a way that they are capacitors form, between which the insulating liquid is located.

Außenplatten lla und lib, die Membranhalter darstellen, sind auf die entsprechenden Außenseiten der Meßmembranen 8a und 8b aufgebracht. Die Außenplatte 11a ist mit einer Ausnehmung 9a und einem durchgehenden Loch 10 versehen. Die andere Außenplatte lib ist mit einer Ausnehmung 9b versehen. Beide Außenplatten 11a und lib sind mittels Schrauben 12 und Muttern 13 zusammengeschraubt. Die Ausnehmung 9 ist durch die Meßmembran 8b abgeschlossen und auf einem Referer.zdruck gehalten. Ein zu messender Druck liegt durch das durchgehende Loch 10 im Inneren des Meßwandlers an, wobei ein Unterschied zwischen diesen beiden Drücken eine Auslenkung ins Innere des Meßwandlers derjenigen Meßmembran verursacht, welche dem niedrigen Druck ausgesetzt ist und eine Auslenkung nach außen bei der Meßmembran, welche dem höheren Druck ausge- setzt ist. Die Auslenkungen bewirken eine Veränderung der Kapazität zwischen den Meßmembranen und den Elektroden 4a und 4b, so daß eine Anzeige des zu messenen Drucks ermöglicht ist.Outer plates lla and lib, which represent membrane holders, are on the corresponding outer sides of the measuring membranes 8a and 8b applied. The outer panel 11a is provided with a recess 9a and a through hole 10. The other Outer plate lib is provided with a recess 9b. Both outer plates 11a and lib are screwed together by means of screws 12 and nuts 13. The recess 9 is closed by the measuring membrane 8b and kept on a Referer.zdruck. A pressure to be measured is through the through hole 10 in the interior of the transducer with a difference between these two pressures being an inward deflection of the transducer caused the measuring diaphragm which is exposed to the low pressure and an outward deflection in the measuring diaphragm, which corresponds to the higher pressure excellent is set. The deflections cause a change in Capacity between the measuring diaphragms and the electrodes 4a and 4b, so that a display of the pressure to be measured is enabled.

Nachteilig ist bei diesem bekannten Druck-Meßwandler, daß durch eine Ausdehnung der Isolierflüssikeit infolge eines Anstiegs der Umgebungstemperatur die empfindlichen Meßnenbranen 8a und 8b beide nach außen ausgelenkt werden, so daß die resultierende Veränderung der Kapazität zwischen ihnen und den Elektroden 4a und 4b einen Meßfehler verursacht. Im Falle eines starken Abfalls der Umgebungstemperatur mit starker Verdichtung der Isolierflüssigkeit sind die Meßmembranen nicht in der Lage, proportional zur Flüssigkeitsverdichtung ausgelenkt zu werden; ein somit entstehender freier Raum, bekannt als ein Toricellisches-Vakuum, welcher eine proportionale Ubertragung eines Drucks durch die Isolierflüssigkeit verhindert, verursacht weitere Meßfehler.The disadvantage of this known pressure transducer is that by a Expansion of the insulating liquid as a result of an increase in the ambient temperature the sensitive Meßnenbranen 8a and 8b are both deflected outwards, so that the resulting change in capacitance between them and the electrodes 4a and 4b causes a measurement error. In the event of a sharp drop in ambient temperature with strong compression of the insulating liquid, the measuring diaphragms are not in the Able to be deflected proportionally to the liquid compression; a thus arising free space, known as a toricellic vacuum, which is proportional transfer a pressure through the insulating liquid prevented, causes further measurement errors.

In der Regel ist der äußere Zylinder 1 aus rostfreiem Stahl hergestellt, während die Meßmembranen 8a und 8b aus einem anderen Material mit hoher Elastizität jedoch mit vom äußeren Zylinder unterschiedlichem Wärmeausdehnungs-Koeffizienten bestehen. Eine Temperaturänderung verursacht somit eine unterschiedliche radiale Ausdehnung oder Zusammenziehung der Randteile der Meßmembranen 8a, 8b und dem äußeren Zylinder 1, was zu radialen mechanischen Spannungen zwischen diesen Teilen fahrt und weitere Meßfehler verursacht.As a rule, the outer cylinder 1 is made of stainless steel, while the measuring diaphragms 8a and 8b made of a different material with high elasticity but with a different coefficient of thermal expansion from the outer cylinder exist. A temperature change thus causes a different radial Expansion or contraction of the edge parts of the measuring diaphragms 8a, 8b and the outer one Cylinder 1, which leads to radial mechanical stresses between these parts and causes further measurement errors.

Weiterhin führt die Verwendung von Schrauben 12 und Muttern 13 zur Verspannung der Außenplatten lla und 17b zu einem weiteren mechanischen Druck auf die Meßmembranen 8a und 8b; auch bewirkt eine axiale Verspannung des äußeren Zylinders 1 eine Veränderung der Entfernung zwischen den Elektroden 4a, 4b und der weiteren Membran 8a bzw. der Meßmembran 8b, was ebenfalls einen Fehler in der Messung verursacht.Furthermore, the use of bolts 12 and nuts 13 leads to Bracing of the outer plates 11a and 17b to a further mechanical pressure the measuring diaphragms 8a and 8b; also causes axial bracing of the outer cylinder 1 shows a change in the distance between the electrodes 4a, 4b and the other Diaphragm 8a or the measuring diaphragm 8b, which also causes an error in the measurement.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist de Beseitigung der aufgeführten Nachteile und einen Druck-Meßwandler zu schaffen, der für genaue Messungen geeignet ist.The object of the present invention is to eliminate those listed Disadvantages and to provide a pressure transducer which is suitable for accurate measurements is.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist der eingangs beschriebene Druck-Meßwandler gemäß den Merkmalen des Kennzeichens des Anspruchs 1 ausgebildet.The pressure transducer described at the beginning is used to solve this problem formed according to the features of the characterizing part of claim 1.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.Advantageous further developments result from the subclaims.

Zur Erläuterung der Erfindung ist in Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Druck-Meßwandlers im Schnitt dargestellt.An exemplary embodiment is shown in FIG. 2 to explain the invention of the pressure transducer according to the invention shown in section.

Der Druck-Meßwandler nach Fig. 2 enthält einen äußeren Zylinder 23, welcher einen geschlossenen Boden 22 und eine seitliche Öffnung 21 für Zuleitungsdrähte aufweist. Ein Membranhalter 26 nimmt in einer Ausnehmung 24 eine scheibenförmige Meßmembran 27 auf, die mit ihrem Rand mit dem Rand des Membranhalters 26 verbunden ist und somit eine abgeschlossene Ausnehmung 24 bildet. Eine isolierende Scheibe 32, die mit Metallfolien-Elektroden 29a und 29b an beiden seitlichen Oberflächen 28a und 28b versehen ist, weist ein durch- gehendes Loch 30 auf, welches die beiden seitlichen Oberflächen 28a und 28b miteinander verbindet. Weiterhin ist eine scheibenförmige Referenzeletrode 37 dargestellt, welche mit einem durchgehenden Loch 34, das beide seitlichen Oberflächen 33a und 33b miteinander verbindet, versehen ist und mit einem Vorsprung 25 auf der seitlichen Oberfläche 33a der isolierenden Scheibe 32 gegenüberliegt. Zwischen der Referenzelektrode 37 und einer Anordnung 44 ist eine konische oder glockenförmige Feder 38 angeordnet, wobei die Anordnung 44 aus einer Trennmembran 43 und einer Stützscheibe 42 besteht und die Stützscheibe 42 mit einer gewellten Oberfläche 39 auf der äußeren Seite versehen ist. Die Stützscheibe 42 weist ein durchgehendes Loch 41 auf, welches von der Oberfläche 39 zur anderen Oberfläche 40 der Stützscheibe 42 führt, während die Trennmembran 43 am Rand der Stützscheibe 42 auf der gewellten Oberfläche 39 bzw. am äußeren Zylinder 23 angeschweißt ist. Der Membranhalter 26 ist im Inneren des äußeren Zylinders 23 angeordnet, so daß die hintere Seite 45 an den Boden 22 des äußeren Zylinders 23 angrenzt. Die isolierende Scheibe 32 ist durch die angrenzenden Teile im Inneren des äußeren Zylinders 23 derart gehalten, daß die Metallfolien-Elektrode 29a auf der isolierenden Scheibe 32 der Meßmembran 27 in einer bestimmten Entfernung gegenüberliegt. Die Entfernung ist durch die Erhebung 46 bestimmt, die als Rand der Ausnehmung 24 gebildet ist.The pressure transducer of Fig. 2 includes an outer cylinder 23, which has a closed bottom 22 and a side opening 21 for lead wires having. A membrane holder 26 takes a disk-shaped recess 24 Measuring membrane 27, which is connected with its edge to the edge of the membrane holder 26 is and thus forms a closed recess 24. An insulating disc 32 with metal foil electrodes 29a and 29b on both side surfaces 28a and 28b is provided, has a through going hole 30 on, which connects the two side surfaces 28a and 28b together. Farther a disk-shaped reference electrode 37 is shown, which with a continuous Hole 34 connecting both side surfaces 33a and 33b together is and with a protrusion 25 on the side surface 33a of the insulating Washer 32 is opposite. Between the reference electrode 37 and an arrangement 44 a conical or bell-shaped spring 38 is arranged, the arrangement 44 consists of a separating membrane 43 and a support disk 42 and the support disk 42 is provided with a corrugated surface 39 on the outer side. The support disc 42 has a through hole 41, which from the surface 39 to the other Surface 40 of the support disk 42 leads, while the separating membrane 43 at the edge of the Support disk 42 is welded to the corrugated surface 39 or to the outer cylinder 23 is. The membrane holder 26 is arranged inside the outer cylinder 23, see above that the rear side 45 adjoins the bottom 22 of the outer cylinder 23. the insulating washer 32 is through the adjacent parts inside the outer cylinder 23 held in such a way that the metal foil electrode 29a on the insulating disk 32 of the measuring membrane 27 is opposite at a certain distance. The distance is determined by the elevation 46, which is formed as the edge of the recess 24.

Mit seinem äußeren Rand 25 grenzt der Membranhalter 26 an die seitliche Oberfläche 28a der isolierenden Scheibe 32 an. Zuleitungsdrähte 47a und 47b sind durch das Innere der isolierenden Scheibe 32 und durch die seitliche Öffnung 21 im äußeren Zylinder 23 geführt.With its outer edge 25 of the membrane holder 26 borders on the side Surface 28a of the insulating disk 32. Lead wires 47a and 47b are through the inside of the insulating disk 32 and through the side opening 21 guided in the outer cylinder 23.

Die Öffnung 21 wird nach dem Herausführen der Zuleitungsdrähte 47a und 47b mit einer Dichtung 48 hermetisch verschlossen. Die Referenzelektrode 37 ist im äußeren Zylinder 23 nahe der isolierenden Scheibe 32 derart gehalten, daß eine seitliche Oberfläche 33a der Referenzelektrode 37 der Metallfolien-Elektrode 29b auf der isolierenden Scheibe in einer bestimmten Entfernung gegenüberliegt. Festgelegt ist diese Entfernung durch die Erhöhung 35 der Referenzelektrode 37, die an die seitliche Oberfläche 38b der isolierenden Scheibe 32 angrenzt. Die glockenförmige bzw. konische Feder 38 ist im Inneren des äußeren Zylinders 23 an die Referenzelektrode 37 angelegt. Die Anordnung 44 ist mit dem äußeren Zylinder 23 und der Trennmembran 43 von außen an der Endoberfläche 49 des äußeren Zylinders 23 verschweißt, so daß die Feder 38 zwischen der Oberfläche 40 der Stützscheibe 42 und der Oberfläche 38b der Referenzelektrode 37 zusammengedrückt ist. Die Feder 38 dient somit dem Zusammenpressen der Referenzelektrode 37, der isolierenden Scheibe 32 und des Membranhalters 26.The opening 21 is after leading out the lead wires 47a and 47b hermetically sealed with a seal 48. The reference electrode 37 is on the outside Cylinder 23 close to the insulating disk 32 in such a way held that a side surface 33a of the reference electrode 37 of the metal foil electrode 29b is opposite on the insulating disk at a certain distance. This distance is determined by the elevation 35 of the reference electrode 37, which is adjacent to the side surface 38b of the insulating disk 32. The bell-shaped or conical spring 38 is inside the outer cylinder 23 to the reference electrode 37 created. The assembly 44 is with the outer cylinder 23 and the separation membrane 43 welded from the outside to the end surface 49 of the outer cylinder 23 so that the spring 38 between the surface 40 of the support disc 42 and the surface 38b the reference electrode 37 is compressed. The spring 38 thus serves to compress the reference electrode 37, the insulating disk 32 and the membrane holder 26.

Ein freier Raum innerhalb der abgeschlossenen Ausnehmung 24 ist auf einem Referenzdruck gehalten, z. B.A free space within the closed recess 24 is open held a reference pressure, e.g. B.

Vakuum oder ein Druck von einer Atmosphäre, auf eine Weise, die hier nicht dargestelllt ist. Der verbleibende freie Raum innerhalb des Druck-Meßwandlers, nach außen abgegrenzt durch die Trennmembran 43, ist mit einer Isolierflüssigkeit gefüllt.Vacuum, or one atmosphere pressure, in a way that's here is not shown. The remaining free space inside the pressure transducer, delimited from the outside by the separating membrane 43, is with an insulating liquid filled.

Wenn ein zu messender Druck an der Trennmembran 43 anliegt, wird dieser durch die Trennmembran 43 auf die Isolierflüssigkeit übertragen und wird somit durch die Durchführungslöcher 41, 34 und 30 auf die Meßmembran 27 weitergeleitet. Eine Differenz zwischen diesem zu messenden Druck und dem Referenzdruck, der auf die rechte Seite der Meßmembran 27 wirkt, verursacht eine Auslenkung der Meßmembran, was zu einer Veränderung der Kapa- zität zwischen der Meßmembran und der Metallfolien-Elektrode 29a führt. Durch einen Vergleich dieser veränderten Kapazität mit der anderen nicht veränderten Kapazität zwischen der Referenzelektrode 37 und der Metallfolien-Elektrode 29b kann das Ausmaß der Veränderung der erstgenannten Kapazität festgestellt werden, und somit kann der zu messende Druck angezeigt werden.If a pressure to be measured is applied to the separating membrane 43, this is transferred through the separating membrane 43 to the insulating liquid and is thus through the feed-through holes 41, 34 and 30 are passed on to the measuring membrane 27. One Difference between this pressure to be measured and the reference pressure applied to the right side of the measuring membrane 27 acts, causing a deflection of the measuring membrane, resulting in a change in capacity between the measuring membrane and the metal foil electrode 29a. By comparing these changed Capacity with the other unchanged capacity between the reference electrode 37 and the metal foil electrode 29b can change the extent of the former Capacity can be determined, and thus the pressure to be measured can be displayed.

In diesem Druck-Meßwandler, ausgebildet mit der Trennmembran 43, die ausreichende Elastizität, um große Auslenkungen zu erlauben, aufweist, ist verhindert, daß Ausdehnungen oder Verdichtungen der Isolierflüssigkeit in Abhängigkeit von einer Veränderung der Umgebungstemperatur eine die Messung verfälschende Auslenkung der Meßmembran 27 verursachen oder daß das Auftreten eines Toricelli -Vakuums ebenfalls einen Meßfehler verursacht. Die Trennmembran ist so ausgeführt, daß sie eine Nachgiebigkeit hat, die mehrere zehn- oder mehrere hundertmal größer ist als die der Meßmembran.In this pressure transducer, formed with the separating diaphragm 43, the has sufficient elasticity to allow large deflections is prevented, that expansions or compressions of the insulating fluid depending on a A change in the ambient temperature results in a deflection of the measurement which falsifies the measurement Cause measuring membrane 27 or that the occurrence of a Toricelli vacuum as well causes a measurement error. The separating membrane is designed so that it has a resilience which is several tens or several hundred times larger than that of the measuring membrane.

Die Meßmembran 27, die in der Ausnehmung 24 des Membranläters 26 angeordnet ist, hat einen Wärmaausdehnungs-Koeffizienten, der im wesentlichen dem des embranhalters 26 entspricht: es ist damit also verhindert, daß eine Veränderung der Umgebungstemperatur eine radiale Verspannung der Meßmembran 27 hervorruft. Wenn der äußere Zylinder 23 einigen axialen Verspannungen ausgesetzt ist, verursacht dies durch die Spannung in der Feder 38 keine Veränderungen in den Entfernungen zwischen der Metallfolien-Elektrode 29a und der Meßmembran 27 wie zwischen der Metallfolien-Elektrode 29b und der Oberfläche 33a der Referenzelektrode 37. Damit ist auch ein Meßfehler in der Druckmessung durch axiale Verspannungen verhindertund es können somit genaue Ergebnisse erreicht werden.The measuring membrane 27, which is arranged in the recess 24 of the membrane fan 26 has a coefficient of thermal expansion that is essentially that of the embranch holder 26 corresponds: it is thus prevented that a change in the ambient temperature a radial tension of the measuring membrane 27 causes. If the outer cylinder 23 is exposed to some axial tension, this is caused by the tension in the spring 38 no changes in the distances between the metal foil electrodes 29a and the measuring membrane 27 as between the metal foil electrode 29b and the surface 33a of the reference electrode 37. This also eliminates a measurement error in the pressure measurement prevents axial tension and thus accurate results can be achieved.

Claims

Claims pressure transducer with a) an outer cylinder, b) an insulating washer, which bl) is arranged inside the outer cylinder, b2) carries metal foil electrodes on both of its surfaces and b3) with a is provided durch'gchenden hole in the axial direction, and c) a measuring membrane which ci) is arranged opposite one side of the insulating disk and c2) with the formation of a closed recess by means of a membrane holder on the outside Cylinder is held, characterized by the following features: d) the outer cylinder (23) has a closed bottom (22), e) the membrane holder (26) is in Inside the outer cylinder (23) whose bottom (22) is arranged adjacent, f) the Sleßmembran (27) is welded at its outer edge to the membrane holder (26), g) inside the outer cylinder (23) lies on the other side (28b) of the insulating Disc (32) has a reference electrode (37) which g1) is disc-shaped and g2) with a through hole (30) is provided in the axial direction, h) on that of the bottom (22) facing away from the end of the outer cylinder (23) a support disc (42) is welded, the hl) provided with a through hole (34) in the axial direction and the h2) is assigned a separating membrane (43), i) a spring (38) is inside of the outer cylinder (23) between the support disc (42) and the reference electrode (37) arranged, and J) the space between the separating membrane (43) and the measuring membrane (27) is filled with an insulating liquid.

2. Pressure transducer according to claim 1, characterized by: k) the Separating membrane (43) is welded to the outer cylinder (23).

3. Pressure transducer according to claim 1, characterized by: 1) the Separating membrane (43) is welded to the support disc (42).

4. Pressure transducer according to one of the preceding claims, characterized by: m) the material of the membrane holder (26) is a metal whose coefficient of thermal expansion essentially corresponds to that of the material of the measuring membrane (27).

5. pressure transducer according to one of the preceding claims, characterized by: n) there is a vacuum in the closed recess (24).

6. Pressure transducer according to one of claims 1 to 4, characterized by: o) prevails in the closed recess (24) pressure of an atmosphere.

7. Pressure transducer according to one of the preceding claims, characterized by: p) the flexibility of the separating membrane (43) is several ten times or several hundred times larger than that of the measuring membrane (27).