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Druckmesser mit elektro-mechanischem
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Wandler Die Erfindung betrifft einen Druckmesser mit einer in ein
Gehäuse eingespannten Membran, die auf ihrer einen Seite mit dem zu messenden Druck
beaufschlagt ist und deren druckabhängige Auslenkung durch einen elektromechanischen
Wandler in ein dem gemessenen Druck entsprechendes Messignal umsetzbar ist.
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Derartige Druckmesser sind bekannt, wobei als elektromechanische Wandler
beispielsweise Potentiometer eingesetzt werden, deren Verstellung in Abhängigkeit
Von der Auslenkung der Membran erfolgt und die dann zwischen ihrem Abgriff und dem
einen ihrer beiden anderen Anschlüsse ein entsprechendes elektrisches Messignal
liefern.
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Es ist auch bekannt, bei Druckmessern die Auslenkung der Membran unmittelbar
mechanisch in eine Anzeige umzusetzen, beispielsweise über ein Zahnstangen-Zahnradgetriebe,
wobei mit der Welle des Zahnrads der Zeiger einer Messuhr verbunden ist.
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Nachteilig an den bekannten mechanischen Druckmessern ist es, daß
sie nicht unmittelbar für eine Fernüberwachung geeignet sind. Bei den bekannten
Druckmessern mit einem Potentiometer als elektro-mechanischen Wandler ist es dagegen
nachteilig, daß durch den Verschleiß der Widerstandsbahn des Potentiometers und
durch andere mechanische Schäden, die sich im Laufe der Zeit aufgrund des Schwingens
der Membran ergeben, die Genauigkeit der MeXssergebnisse ständig abnimmt und insgesamt
nur eine relativ geringe Lebensdauererwartung vorhanden ist.
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Ausgehend vom Stande der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
einen verbesserten Druckmesser mit einem elektro-mechanischen Wandler anzugeben,
bei dem kein mechanischer Verschleiß mehr auftritt und der bei hoher Lebensdauererwartung
vergleichsweise genaue Messignale liefert.
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Diese Aufgabe wird bei einem Druckmesser der eingangs beschriebenen
Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß als Wandler eine Hallgeneratoranordnung
vorgesehen ist, der ein mit der Membran verbundener Permanentmagnet zugeordnet ist.
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Erfindungsgemäß wird also ein elektro-mechanischer Wandler dadurch
verwirklicht, daß man gewissermaßen zweistufig arbeitet, indem man durch den mit
der Membran verbundenen Permanentmagneten zunächst ein bewegliches Magnetfeld erzeugt
und dann die Änderungen der magnetischen Feldstärke im Bereich einer mit dem Permanent-Magneten
zusammenwirkenden Hallgeneratoranordnung erfasst und in ein entsprechendes elektrisches
Messignal umsetzt.
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Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn der Permanentmagnet
derart angeordnet ist, daß die Verbindungslinie seiner Pole senkrecht zur Membran
verläuft und wenn der Permanentmagnet ferner gegenüber der Hallgeneratoranordnung
seitlich versetzt angeordnet ist. Bei dieser Ausgestaltung ist nämlich im Bereich
der Hallgeneratoranordnung der Teil des magnetischen Feldes wirksam, in dem sich
die magnetische Feldstärke bei einer Auslenkung des Magneten wesentlich stärker
ändert als in einem Bereich, der angrenzend an einen der Pole des Permanentmagneten
auf einer Verlängerung der Verbindungslinie der Pole liegt.
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Vorteilhaft ist es ferner, wenn die Hallgeneratoranordnung als integrierte
Hallgenerator-Brückenschaltuny ausgebildet ist, d.h. als integrierte Schaltung mit
vier zu einer Wheatstone-Brücke verbundenen lIallgeneratorelementen, da in diesem
Fall in an sich bekannter Weise eine Unterdrückung von unerwünschten Störeinflüssen
erreichbar und damit eine höhere Genauigkeit des Messignals erzielbar ist.
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Eine solche Hallgenerator-Brückenschaltung kann dann mit anderen elektrischen
Baugruppen zu einer plattenförmigen Hybridschaltung zusammengefasst werden, die
vergleichsweise preiswert herstellbar ist und nur einen geringen Platzbedarf aufweist.
Dabei ist es günstig, wenn die plattenförmige Hybridschaltung in Ausgestaltung der
Erfindung am Gehäuse des Druckmessers in einer zur Ebene der Membran im wesentlichen
senkrechten Ebene insbesondere gegenüber dem Permanentmagneten seitlich versetzt
montiert ist. Das Gehäuse sorgt dabei
für eine stabile Halterung
der Hybridschaltung, so daß deren durch das Gehäuse hindurch nach außen geführte
Anschlüsse durch das Schwingen der Membran bei wechselnden Drücken keinen mechanischen
Belastungen ausgesetzt sind.
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Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn zur weiteren Verbesserung
der Genauigkeit des Messergebnisses eine der elektrischen Baugruppen auf der plattenförmigen
Hybridschaltung durch einen kombinierten Temperatur- und Spannungsregler gebildet
wird, wie er im Handel für andere Zwecke bereits erhältlich ist. Auf diese Weise
besteht nämlich die Möglichkeit, die Speisespannung für die Brückenschaltung sehr
genau zu regeln und damit der starken Abhängigkeit der Hall spannung von der Stromstärke
Rechnung zu tragen, während gleichzeitig eine über der normalen Umgebungstemperatur
liegende Betriebstemperatur für die Hallgenerator-Brückenschaltung aufrechterhalten
werden kann, so daß auch der starken Temperaturabhängigkeit der Hallspannung Rechnung
getragen wird.
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Als günstig hat es sich auch erwiesen, wenn die Spannung über der
Brückendiagonale der Brücken schaltung nicht direkt ausgewertet wird, sondern zunächst
einem, insbesondere rückgekoppelten, Differenzverstärker zugeführt wird, von dessen
Ausgang dann das Messignal abgreifbar ist, wobei es sich als besonders vorteilhaft
erweisen kann, wenn die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers durch eine Klemmdiode
auf einen vorgegebenen Wert begrenzt wird, da hierdurch eine erhöhte Flexibilität
hinsichtlich der mit dem Ausgang des
Druckmessers zur Auswertung
und/oder Anzeige verbundenen elektrischen Schaltungen erreicht wird.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend
anhand von Zeichnungen noch näher erläutert und/oder sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Es zeigen: Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform eines
Druckmessers gemäß der Erfindung und Fig. 2 ein elektrisches Schaltbild einer bevorzugten
Ausführungsform einer Hybridschaltung für den Druckmesser gemäß Fig. 1.
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Im einzelnen zeigt Fig. 1, daß der erfindungsgemäße Druckmesser ein
Gehäuse 10 aufweist, welches aus einem Oberteil 12 und einem Unterteil 14 zusammengesetzt
ist, die in üblicher, hier nicht näher zu beschreibender Weise miteinander verbunden
sind und zwischen denen eine Membran 16 längs ihres Randes festgeklemmt ist, wobei
darauf hinzuweisen ist, daß das Gehäuse 10 senkrecht zur Zeichenebene einen runden
Querschnitt aufweist und daß die Membran kreisförmig ausgebildet ist.
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Das Unterteil 14 und die Membran 16 begrenzen eine Druckkammer 18,
die mit einer Druckmittelquelle für ein festes oder gasförmiges Druckmedium über
einen Kanal 20 verbindbar ist, der beim Ausführungsbeispiels als Bohrung in einem
mit einem Außengewinde versehenen Anschlußstutzen des Druckmessers ausgebildet ist.
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Oberhalb der Membran ist im Inneren des Gehäuses 10 ferner eine Platte
22 mit einer Mittelöffnung 24 vorgesehen. Die Platte 22 dient dabei dem Schutz der
Membran 16 gegen eine Zerstörung oder Beschädigung wenn in der Druckkammer 18 ein
zu hoher Druck aufgebaut wird, da sich die Membran 16 in diesem Fall an der Stützplatte
22 abstützen kann. Mit der Membran 16 ist ferner ein Stift 26 verbunden, der die
Mittelöffnung 24 der Stützplatte 22 durchgreift und an seinem freien Ende einen
Permanentmagneten 28 trägt. Der Permanentmagnet 28 ist dabei derart ausgebildet
bzw. angebracht, daß eine Verbindungslinie 30 zwischen seinem Nordpol N und seinem
Südpol S senkrecht zur Membran 16 verläuft, wobei die Verbindungslinie 30 beim Ausführungsbeispiel
mit der Mittelachse des Druckmessers zusammenfällt.
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Im Oberteil 12 des Gehäuses 10 ist eine plattenförmige Ijybridschaltung
32 vorgesehen, die beim Ausführungsbeispiel in gehäusefesten Führungsschienen 34
geführt ist.
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In diese Führungsschienen 34, die einander an der Innenwand des Oberteils
12 gegenüberliegen, kann die Hybridschaltung 32 bei der Montage des Druckmessers
eingeschoben werden. Bei fertig montiertem Druckmesser liegt die Hybsidschaltung
32 dann einerseits am oberen Ende des Oberteils 12 oder an Anschlägen der Führungsschienen
34 und andererseits an Sicherungselementen im Bereich der Verbindungsstelle zwischen
Oberteil 12 und Unterteil 14, beispielsweise an der Stützplatte 22 an, so daß sie
sicher gehaltert ist. Die Hybridschaltung 32 trägt auf ihrer dem Permanentmagneten
28 zugewandten Seite eine integrierte Hallgenerator-Brückenschaltung 36, die dem
Permanentmagneten 28 seitlich gegenüberliegt.
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Weiterhin zeigt Fig. 1, daß an der Oberseite des Oberteils 12 drei
Anschlüsse für die Hybridschaltung 32 vorgesehen sind, nämlich ein Ausgangsanschluß
40, an dem das Messignal abgreifbar ist, ein Masseanschluß 38 und ein Spannungsanschluß
42.
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Ein detailliertes Schaltbild der bei der Beschreibung der Fig. 1 angesprochenen
Hybridschaltung ist in Fig. 2 dargestellt. Man erkennt, daß das Kernstück der Schaltung
gemäß Fig. 2 durch die bereits-erwähnte Hallgenerator-Brückenschaltung 36 gebildet
wird, die beispielsweise als integrierte Schaltung auf Siliziumbasis ausgebildet
sein kann, wie sie im Handel unter der Typen.
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bezeichnung KSY 10 erhältlich ist.
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Die Schaltung gemäß Fig. 2 besitzt einen Versorgungsanschluß 42, an
den eine gegenüber dem Masseanschluß 38 negative Versorgungsspannung -U anlegbar
ist. Der Anschluß 42 ist einerseits mit einer Schaltung 50 verbunden, die einen
kombinierten Temperatur- und Spannungsregler bildet, wobei diese Funktion der Schaltung
50 im Inneren des betreffenden Blockes durch die üblichen Symbole für einen Heizwiderstand
und eine Zehner-Diode angedeutet ist. Außerdem ist der Anschluß 42 über einen der
Spannungsstabilisierung dienenden Vorwiderstand 44 mit dem einen Speisespannungsanschluß
eines Differenzverstärkers 60 verbunden. Der Heizungsteil der Schaltung 50 dient
dazu, die Brücke 36 auf jeden Fall auf einer über der Umgebungstemperatur liegenden
stabilisierten Betriebstemperatur zu halten, so daß Temperaturschwankungen der Elemente
der Brücke, die die Messgenauigkeit beeinträchtigen könnten, zumindest weitgehend
ausgeschlossen
werden. Der Brücke 36 wird außerdem über einen Widerstand 46 die stabilisierte Ausgangsspannung
des Spannungsregelteiles der Schaltung 50 zugeführt, wobei das vom Anschluß 42 abgewandte
Ende des Widerstandes 44 mit dem Ausgang der Schaltung 50 und dem Widerstand 46
über eine Diode 48 verbunden ist, die der Entkoppelung der Schaltung 50 von dem
Differenzverstärker 60 dient. Der brückenseitige Anschluß des Widerstandes 46 ist
über die Widerstandsbahn eines Potentiometers 48 mit Masse verbunden, während der
Abgriff des Potentiometers 48 über einen Widerstand 52 mit dem einen diagonalen
Anschluß der Brückenschaltung 36 verbunden ist. Dieser Anschluß ist außerdem direkt
mit dem nicht invertierenden Eingang (+) des Differenzverstärkers 60 verbunden.
Der andere diagonale Anschluß der Brückenschaltung 36 ist über einen Widerstand
54 mit dem invertierenden Eingang (-) des Differenzverstärkers 60 verbunden. Der
Ausgang des Differenzverstärkers 60 ist mit dem Anschluß 40 der Schaltung verbunden,
der den Schaltungsausgang darstellt und an dem die Messpannung gegenüber dem Masseanschluß
38 abgreifbar ist. Zwischen dem Ausgang des Differenzverstärkers 60 und dessen nicht
invertierenden Eingang liegt ferner ein Kondensator 56. Außerdem ist der Ausgang
des Differenzverstärkers 60 über die Serienschaltung eines Widerstandes 58 und eines
Potentiometers 62 mit dem Verbindungspunkt zwischen der Brückenschaltung 36 und
dem Widerstand 54 verbunden. Schließlich ist in Fig. 2 noch eine Klemmdiode 70 gestrichelt
eingezeichnet, die in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung zwischen einen internen
Anschluß des Differenzverstärkers 60 und Masse gelegt ist und dazu dient, eine scharfe
Begrenzung
des Maximalwerts der Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 60 zu bewirken. Grundsätzlich
bestünde dabei auch die Möglichkeit, die Diode 70 direkt zwischen den Ausgang des
Differenzverstärkers 60 und Masse zu legen, wobei jedoch eine von der Trennlinie
der Diode relativ stark abhängige Begrenzungscharakteristik in Kauf genommen werden
müsste. Was die Klemmdiode 70 und den Differenzverstärker 60 anbelangt, so hat es
sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn als Differenzverstärker eine integrierte
Schaltung des Typs CA 3140 verwendet wird, an deren Anschluß Nr. 8 die Klemmdiode
70 angeschlossen ist.
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Bei der beschriebenen Schaltung dient der Widerstand 46 einer weiteren
Verringerung der Spannungsabhängigkeit des Ausgangssignals der Brückenschaltung
36 von der bereits stabilisierten Spannung vom Ausgang der Schaltung 50. Weiterhin
dienen das Potentiometer 48 und der Widerstand 52 dem Null-Abgleich der Brückenschaltung
36, wobei die Anpassung der Empfindlichkeit der Brückenschaltung 36 durch.geeignete
Wahl des Widerstandswertes für den Widerstand 52 erfolgt. Der Rückkopplungszweig
mit dem Widerstand 58 und dem Potentiometer 62 dient der Einstellung der Offset-Spannung
und der Anpassung der Verstärkung an den Einstellbereich. Schließlich dient der
Widerstand 54 dem Abgleich des Offset-Stroms des Differenzverstärkers 60. Außerdem
ist der Differenzverstärker 60 vorzugsweise ein Verstärker mit Feldeffekttransistor-Eingang,
welcher eine temperaturstabilisierte Verstärkung aufweist, wie dies für den oben
erwähnten Verstärkertyp gilt.
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Aus der vorstehenden Beschreibung wird deutlich, daß erfindungsgemäß
ein sehr genauer elektronischer Druck--messer bzw. Druckmessgeber geschaffen wird,
bei dem das Messergebnis nicht mehr durch mechanische Verschleißerscheinungen- verfälscht
werden kann und bei dem auch der Einfluß von Temperaturänderungen weitestgehend
ausgeschaltet ist, und zwar einerseits durch die Wahl eines geeigneten Verstärkertyps
und andererseits durch die Stabilisierung der Temperatur für die Brückenschaltung
36 mit Hilfe der Schaltung 50, wobei letztere ein handelsübllcher Temperatur- und
Spannungsregler in Form einer integrierten Schaltung sein kann, wie sie beispielsweise
unter der Typenbezeichnung LM 3999 Z erhältlich ist.
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