DE3011269A1

DE3011269A1 - Capacitive pressure measurement device - has board-mounted cell eliminating cabling between cell and evaluation circuit board

Info

Publication number: DE3011269A1
Application number: DE19803011269
Authority: DE
Inventors: Walter Gottlieb Haerdi; Wolfgang Saur
Original assignee: Elektrowatt AG
Current assignee: Siemens Building Technologies AG
Priority date: 1979-03-26
Filing date: 1980-03-24
Publication date: 1980-10-02

Abstract

A pressure measurement service with a capactive measurement cell connected to a board-mounted evaluation circuit provides protection for the signal's passing between cell and circuit which are easily affected by noise in conventional arrangements with relatively long cabling. Cable loss compensation is also eliminated. The measurement cell (13) is mounted on the board (11) carrying the evaluation circuit (15). The board also has one of the cell electrodes (17) mounted on it. The other cell electrode (22) is a metallic membrane separated from the board mounted electrode by a distance plate (19). The metal membrane and distance piece are clamped against the board by a cell lid (24). A connection nipple (30) or the lid is connected to the chamber formed between the membrane and the board via holes in the lid, membrane, and distance plate.

Description

Druck - MesseinrichtungPressure measuring device

Die Erfindung betrifft eine Druck-Messeinrichtung mit einer kapazitiven Messzelle, die an eine auf einer Platte angeordnete Auswertschaltung gekoppelt ist. Bei bekannten Einrichtungen dieser Art ist die kapazitive Messzelle in unmittelbarer Nähe der Mess-Stelle angeordnet und über mehr oder weniger lange elektrische Verbindungsleitungen mit der Auswertschaltung verbunden. Das von diesen Verbindungsleitungen übertragene, von der Messzelle ausgehende Signal ist verhältnismässig schwach und daher durch äussere Einflüsse leicht beeinflussbar, so dass das am Ausgang der Auswertschaltung anstehende Signal unter Umständen verfälscht wird und nicht unbedingt den von der Messzelle erfassten Druck wiedergibt. Ausserdem ist bei den bekannten Einrichtungen dieser Art eine - in der Regel an der Auswertschaltung vorzunehmende - Abgleichoperation erforderlich, um die unvermeidlichen und von Fall zu Fall verschiedenen Verluste in den elektrischen Verbindungsleitungen zwischen Messzelle und Auswertschal- tung zu kompensieren bzw. zu korrigieren.The invention relates to a pressure measuring device with a capacitive one Measuring cell which is coupled to an evaluation circuit arranged on a plate. In known devices of this type, the capacitive measuring cell is in the immediate vicinity Arranged near the measuring point and via more or less long electrical connecting lines connected to the evaluation circuit. The transmitted by these connecting lines, The signal emanating from the measuring cell is relatively weak and therefore through external influences can easily be influenced, so that at the output of the evaluation circuit pending signal may be falsified and not necessarily that of the Pressure measured by the measuring cell. In addition, it is with the known facilities of this type an adjustment operation - usually to be carried out on the evaluation circuit required to avoid the inevitable and case by case losses in the electrical connection lines between the measuring cell and the evaluation tion to compensate or correct.

Es ist daher ein Zweck der Erfindung, eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die vorstehend erwähnten Nachteile bzw. Probleme weitgehend behoben bzw. vermieden sind. Zu diesem Zweck ist die vorgeschlagene Druck-Messeinrichtung gemäss der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die Messzelle auf der Platte selbst befestigt ist.It is therefore a purpose of the invention to provide a device of the initially to create mentioned type, in which the above-mentioned disadvantages or problems have largely been remedied or avoided. The proposed pressure measuring device is for this purpose according to the invention characterized in that the measuring cell on the plate itself is attached.

Damit ist die Messzelle und die Auswertschaltung zu einem einzigen, vorzugsweise als Einschub ausgebildeten und einfach herzustellenden Block zusammengefasst, die Länge und damit die mögliche Beeinträchtigung der elektrischen Verbindungsleitungen zwischen der Messzelle und der Auswertschaltung sowie die in diesen auftretenden Verluste auf ein Mindestmass herabgesetzt. Dass die Messzelle mit einer oder zwei Rohrleitungen mit der Mess-Stelle zu verbinden ist, versteht sich, ist aber kein Nachteil, denn die Uebertragung eines statischen, selbst geringen Drukkes von der Mess-Stelle zur Messzelle ist erheblich weniger kritisch und störungsanfällig als die Uebertragung eines schwachen elektrischen Signales.This means that the measuring cell and the evaluation circuit become one, preferably designed as a slide-in block that is easy to manufacture, the length and thus the possible impairment of the electrical connection lines between the measuring cell and the evaluation circuit as well as those occurring in these Losses reduced to a minimum. That the measuring cell with one or two Pipelines are to be connected to the measuring point, of course, but it is not Disadvantage, because the transmission of a static, even low pressure from the The measuring point to the measuring cell is considerably less critical and susceptible to failure than the transmission of a weak electrical signal.

Merkmale bevorzugter Ausführungsformen sind den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.Features of preferred embodiments are the dependent claims refer to.

Obwohl die Einrichtung auch für die Druckmessung von Flüssigkeiten geeignet ist, wird gemäss der Erfindung die Verwendung der vorgeschlagenen Einrichtung als Druck-Signalgeber in Lüftungs- oder Klima-Anlagen vorgeschlagen.Although the device is also suitable for pressure measurement from liquids is suitable, is the use of the proposed device according to the invention proposed as a pressure signal transmitter in ventilation or air conditioning systems.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 in vereinfachter, perspektivischer und auseinandergezogener Darstellung eine Druck-Messeinrichtung, und Fig. 2 ein Blockschaltbild der der kapazitiven Messzelle nachgeschalteten Auswertschaltung.An embodiment of the invention is shown below with reference to the drawing explained in more detail. It shows: FIG. 1 in a simplified, perspective and exploded view Representation of a pressure measuring device, and FIG. 2 shows a block diagram of the capacitive one Evaluation circuit downstream of the measuring cell.

Die dargestellte Druck-Messeinrichtung 10 besitzt eine Platte 11, die beim vorliegenden Beispiel in der Form einer Leiterplatte für gedruckte Schaltungen ausgebildet ist. Der in Fig. 1 links erscheinende Teil 12 der Platte 11 bildet einen Bestandteil einer in auseinandergezogener Darstellung gezeigten, kapazitiven Messzelle 13, während der in Fig. 1 rechts erscheinende Teil 14 der Platte 11 der Träger für die Schaltungselemente einer gesamthaft mit 15 bezeichneten und anhand der Fig. 2 zu beschreibenden Auswertschaltung ist.The pressure measuring device 10 shown has a plate 11, that in the present example in the form of a printed circuit board is trained. The part 12 of the plate 11 appearing on the left in FIG. 1 forms a Part of a capacitive measuring cell shown in an exploded view 13, while the part 14 of the plate 11, which appears on the right in FIG. 1, is the carrier for the circuit elements of a designated as a whole with 15 and based on FIG. 2 is the evaluation circuit to be described.

Die dem Betrachter zugekehrte Oberfläche des Teiles 12 der aus einem Isolierstoff bestehenden Platte 11 ist mit Ausnahme einer ringförmigen Zone 16 mit einem elektrisch leitenden Belag versehen. Der durch die ringförmige Zone 16 abgetrennte, scheibenförmige Abschnitt des elektrisch leitenden Belages bildet die eine Elekrode 17 der kapazitiven Messzelle 13 und ist über einen vorzugsweise als Leiterbahn an der dem Betrachter abgekehrten Seite der Platte 11 ausgebildeten, in Fig. 1 jedoch als Draht eingezeichneten Verbindungsleiter 18 mit der Auswertschaltung 15 verbunden. Zur Abschirmung gegen äussere Einflüsse kann die dem Betrachter abgekehrte Seite des Teiles 12 der Platte 11 ebenfalls weitgehend metallisiert sein. Die Elektrode 17 kann ausserdem mit einem korrosionsfesten Belag, z.B. Lack, versehen sein. Ein metallischer Abstandhalter 19 mit einer Bohrung 20, deren Durchmesser grösser ist als der Durchmesser der Elektrode 17, liegt bei montierter Messzelle 13 dicht, jedoch von der Elektrode 17 elektrisch isoliert auf dem die ringförmige Zone 16 umgebenden Bereich 21 des elektrisch leitenden Belages auf dem Teil 12 auf. Auf den Abstandhalter 19 folgt eine dünne metallische Membrane 22, beispielsweise aus BeBz Lm Dickenbereich von Hundertsteln von Millimetern. Diese Membrane 22 bildet die andere Elektrode der Messzelle 13 und ist zu diesem Zweck über einen als Draht eingezeichneten Verbindungsleiter 23 an die Auswertschaltung 15 angeschlossen.The surface of the part 12 facing the viewer the consisting of an insulating material plate 11 is annular with the exception of one Provide zone 16 with an electrically conductive coating. The one through the ring-shaped Zone 16 separated, disc-shaped section of the electrically conductive covering forms one electrode 17 of the capacitive measuring cell 13 and is preferably via one designed as a conductor track on the side of the plate 11 facing away from the viewer, in Fig. 1, however, shown as a wire connecting conductor 18 with the evaluation circuit 15 connected. To shield against external influences, the viewer can turn away Side of the part 12 of the plate 11 can also be largely metallized. The electrode 17 can also be provided with a corrosion-resistant coating, e.g. paint. A metallic spacer 19 with a bore 20, the diameter of which is larger than the diameter of the electrode 17, is tight when the measuring cell 13 is installed, however electrically insulated from the electrode 17 on the one surrounding the annular zone 16 Area 21 of the electrically conductive coating on part 12. On the spacer 19 is followed by a thin metallic membrane 22, for example from BeBz Lm thickness range of hundredths of a millimeter. This membrane 22 forms the other electrode the measuring cell 13 and is for this purpose via a connecting conductor drawn in as a wire 23 connected to the evaluation circuit 15.

Den Abschluss der Messzelle 13 bildet ein Zellendeckel 24, ebenfalls aus Metall, in d.. an seiner der Membrane 22 zugekehrten Seite eine nach unten offene, runde Kammer 25 ausgespart ist, deren Durchmesser etwa jenem der Bohrung 20 entspricht. Die Messzelle 13 weist somit einen geschichteten Aufbau auf, und deren Bestandteile sind mittels Bolzen 25', die je durch eine eines Kranzes von Bohrungen 26 im Teil 12, im Abstandhalter 19, sowie in der Membrane 22 greifen und in eine Gewindebohrung 27 im Zellendeckel 24 eingeschraubt sind.The end of the measuring cell 13 is formed by a cell cover 24, Likewise made of metal, in d .. on its side facing the membrane 22 a downwardly open, round chamber 25 is recessed, the diameter of which corresponds approximately to that of the bore 20. The measuring cell 13 thus has a layered structure and its components are by means of bolts 25 ', each through one of a ring of holes 26 in the part 12, grip in spacer 19, as well as in membrane 22 and into a threaded hole 27 are screwed into the cell cover 24.

Von der Kammer 25 führt ein Durchlass 28 zu einem ersten, am Zellendeckel 24 befestigten Anschlussnippel 29. Ein zweiter, ebenfalls am Zellendeckel 24 befestigter Anschlussnippel 30 steht mit einem im Zellendeckel 24 ausgebildeten Durchlass 31 in Verbindung, der seinerseits - bei montierter Zelle 13 - mit einem Durchlass 32 in der Membrane 22, mit einem Durchlass 33 im Abstandhalter 19 und mit einer sich radial bis in die Elektrode 17 sich erstreckende, belagsfreien Vertiefung 34 im Teil 12 der Platte 11 fluchtet. Damit steht der bei montierter Zelle 13 in sich geschlossene Raum zwischen der Membrane 22 und der Elektrode 17 in Strömungsverbindung mit dem Anschlussnippel 30.A passage 28 leads from the chamber 25 to a first one on the cell cover 24 attached connection nipple 29. A second, also attached to the cell cover 24 Connection nipple 30 stands with a passage 31 formed in cell cover 24 in connection, which in turn - when the cell 13 is installed - with a passage 32 in the membrane 22, with a passage 33 in the spacer 19 and with a Depression free of deposits extending radially into the electrode 17 in the Part 12 of the plate 11 is aligned. This means that when the cell 13 is installed, it stands in itself closed space between the membrane 22 and the electrode 17 in flow connection with the connection nipple 30.

Die Elektrode 17 und die Membrane 22 bilden zusammen mit dem im dazwischen liegenden Raum vorhandenen Fluidum, z.B.The electrode 17 and the membrane 22 form together with that in between fluid, e.g.

Luft, als Dielektrikum einen Kondensator, dessen Kapazität vom Abstand zwischen der Membrane 22 und der Elektro- de 17 abhängt. Wird nun die Kammer 25 einerseits und der Raum zwischen der Elektrode 17 und der Membrane 22 von verschiedenen Drücken beaufschlagt, wölbt sich die Membrane 22 nach der Seite des geringeren Druckes durch,und die Kapazität des Kondensators verändert sich dementsprechend.Air, as a dielectric, a capacitor, its capacitance depends on the distance between the membrane 22 and the electrical de 17 depends. Will now the chamber 25 on the one hand and the space between the electrode 17 and the membrane 22 acted upon by different pressures, the membrane 22 arches to the side due to the lower pressure, and the capacitance of the capacitor changes accordingly.

Diese Kapazitätänderungen werden wie folgt durch die Auswertschaltung zu einem elektrischen, die Druckdifferenz zwischen den beiden Seiten der Membrane 22 angebenden Signal umgewandelt, wozu auf Fig. 2 verwiesen wird. Die den Kondensator bildende Messzelle 13 ist in einem der beiden RC-Zweige eines astabilen Multivibrators 35 geschaltet. Dieser Multivibrator kann eine beliebige Grundfrequenz aufweisen. Eine bbränderung der Kapazität der Messzelle 13 hat somit eine Veränderung der Frequenz und des Tastverhältnisses des vom astabilen Multivibrator erzeugten Impulszuges zur Folge.These changes in capacitance are determined by the evaluation circuit as follows to an electrical one, the pressure difference between the two sides of the diaphragm 22 indicating signal, for which reference is made to FIG. The the condenser forming measuring cell 13 is in one of the two RC branches of an astable multivibrator 35 switched. This multivibrator can have any fundamental frequency. A change in the capacitance of the measuring cell 13 thus results in a change in the frequency and the duty cycle of the pulse train generated by the astable multivibrator result.

Dieser Impulszug steht an dem einen Ausgang 36 und ein inverser Impulszug am inversen Ausgang 37 des astabilen Multivibrators 35 an. Diese Ausgänge 36 und 37 sind über Leiter 38 bzw. 39 und über je eine Siebkette 40 bzw. 41 an die Eingänge 42 bzw. 43 eines Differenzialverstärkers geführt, an dessen Ausgang somit ein Signal ansteht, das im Vorzeichen der Spannungsdifferenz zwischen den Eingängen 42, 43 entspricht und zu dieser Differenz proportional ist. Damit ist dieses Ausgangssignal auch Mass für die Druckdifferenz zwischen den beiden Seiten der Membrane. Der Verstärker 44 ist mit einem Eichpotentiometer versehen, mit dem sich der Verstärkungsfaktor verstellen lässt. Normalerweise sind die RC-Zweige im astabilen Multivibrator derart aufeinander abgestimmt, dass bei ebener Membrane 22, also bei Druckdifferenz Null, das Tastverhältnis der Impulszüge sowohl am Ausgang 36 als auch am Ausgang 37 0,5 beträgt.This pulse train is available at one output 36 and an inverse pulse train at the inverse output 37 of the astable multivibrator 35. These outputs 36 and 37 are via conductors 38 or 39 and each via a sieve chain 40 or 41 to the inputs 42 or 43 of a differential amplifier out, thus a signal at the output pending, the sign of the voltage difference between the inputs 42, 43 and is proportional to this difference. So that is this output signal also measure for the pressure difference between the two sides of the Membrane. The amplifier 44 is provided with a calibration potentiometer with which the gain factor can be adjusted. Usually the RC branches are in the astable Multivibrator matched to one another in such a way that with a flat membrane 22, that is, with Pressure difference zero, the duty cycle of the pulse trains both at output 36 and also at the output 37 is 0.5.

Die beschriebene Druck-Messeinrichtung eignet sich besonders als Differenzdruck-Messeinrichtung für Klima- und/oder Lüftungsanlagen, um aus Druckdifferenzen, z.B. auf Strömungsmengen schliessen zu können. Normalerweise ist das Anwendungsgebiet der Einrichtung auf Druckdifferenzen bis zu etwa 100 kPa beschränkt.The pressure measuring device described is particularly suitable as a differential pressure measuring device for air conditioning and / or ventilation systems in order to make use of pressure differences, e.g. on flow rates to be able to close. Usually the scope of the establishment is based on Pressure differences limited to about 100 kPa.

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Claims

PATENT CLAIMS 1. Pressure measuring device with a capacitive measuring cell (13) coupled to an evaluation circuit (15) arranged on a plate (11) is, characterized in that the measuring cell (13) on the plate (11) itself is attached.

2. Measuring device according to claim 1, characterized in that that one electrode (17) of the measuring cell (13) is applied to the plate (11) is.

3. Measuring device according to claim 2, characterized in that that the one electrode (17) opposite with the interposition of a surrounding one Spacer (19) a metal membrane forming the other electrode of the measuring cell (13) (22) is arranged, which by means of a metal membrane (22) spanning cell cover (24) sealing on the spacer (19) and this on the plate (11) is clamped.

4. Measuring device according to claim 3, characterized in that that in the cell cover (24) on its side facing the metal membrane (22) a Chamber (25) is formed, which with a first, attached to the cell cover (24), Connection nipple (29) is connected.

5. Measuring device according to claim 4, characterized in that that there is a second connection nipple (30) on the cell cover (24), which is connected via formed in the cell cover (24), in the metal membrane (22) and on the spacer (19) Passages (31, 32, 33) with the space between the one electrode (17) on the plate (11) and the metal merabrane (22) is in communication.

6. Use of the pressure measuring device according to claim 1 as Pressure signal transmitter in a ventilation or air conditioning system.

7. Use according to claim 6 of the measuring device according to claim 5 as a differential pressure measuring device, characterized in that the first connection nipple with a space with variable pressure and the second connection nipple with a Space under a reference pressure, e.g.

Atmospheric pressure.