DE3142387C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Druckfühler, bestehend aus einer Membran mit elektrisch leitfähigem Mittenabschnitt, einem konkaven Grundglied, das die Elektro­ de umfaßt und zentral mit einer Elektrodenhalterung verbunden ist, wobei das Grundglied mit seinen Rändern einen Flansch bildet, der in einer zur Mittenachse senkrechten Ebene liegt und ein Gegenstück aufweist, das eine zu diesem Flansch komplementäre Oberfläche hat und die Membran gleich­ zeitig haltert und festklemmt.

Einen derartigen kapazitiven Druckfühler zeigt die US-PS 32 49 833. Dabei besteht das Grundglied aus zwei miteinander verschraubten Teilen, von denen der Mittelteil aus Kunst­ stoff und die Flansche aus Metall bestehen. Die Elektroden selbst bestehen aus Metall und sind auf einer metallischen Mittenachse befestigt. Eine solche Ausführung erfordert einen für die Massenfertigung zu großen Aufwand, der in einer Vielzahl von Teilen, Schrauben und Gewindelöchern liegt. Die Montage gestaltet sich schwierig. Die Herstellung ist teuer.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kapa­ zitiven Druckfühler der eingangs geschilderten Art dahingehend zu verbessern, daß er über einen großen Temperaturbereich eine relativ hohe Empfindlichkeit aufweist, daß er sehr zuverlässig arbeitet und daß er einfach zu montieren sowie einfach und kostengünstig herstellbar ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die im Hauptanspruch gekennzeichneten Merkmale. Die Unteransprüche enthalten zweckmäßige weitere Ausbildungen.

Der erfindungsgemäße Druckfühler arbeitet sehr zuver­ lässig und ist auch bei kleinen Druckdifferenzen ein­ setzbar. Er ist einfach herstellbar und weniger anfällig für Fehler, die durch thermische Änderungen und mechani­ sche Montagespannungen hervorgerufen werden.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung gibt es nur sehr wenig innerhalb enger Fertigungstoleranzen zu bearbei­ tende Teile und keine komplizierten Montagevorgänge, wobei der einzige Montagevorgang, bei dem kritische Dimensionen einzuhalten sind, die ursprüngliche Aus­ richtung der Elektrode relativ zu dem Flansch des Grund­ glieds ist. Da dieser Schritt jedoch nur mit Feststoffen bei Raumtemperatur durchgeführt wird, entstehen dabei nur minimale mechanische Spannungen. Es ergeben sich keine Probleme infolge von nicht aufeinander abge­ stimmten Temperaturkoeffizienten.

Gemäß einem bevorzugten Fertigungsverfahren werden die dielektrische Elektrodenhalterung und die Elektrode zuerst mit dem Grundglied und der Grundgliedhalterung verbunden, wobei der ebene Abschnitt der Elektrode parallel zu dem Flansch des Grundglieds und mit einem vorbestimmten Abstand d davon verläuft. Dann wird die Membran über dem Flansch des Grundglieds in Kontakt mit demselben so angeordnet, daß sie über der Flansch­ vertiefung liegt. Die Membran wird dann am Flansch z. B. durch eine Serie von Punktschweißstellen fest­ gelegt. Die Flansche können entweder eine Umfangs­ vertiefung aufweisen oder sie können im wesentlichen eben sein. Bei einigen Ausführungsformen kann zwischen der Membran und dem Flansch ein Dichtmaterial vorge­ sehen sein. Somit ist die Membran an ihrem Rand über dem Flansch des Grundglieds festgelegt und gehaltert. Sie kann auch gleichzeitig unter radialer Spannung gehalten werden.

In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele des er­ findungsgemäßen Druckfühlers dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 eine Querschnittsansicht eines kapazitiven Druckfühlers; und

Fig. 2 und 3 Querschnittsansichten weiterer Ausfüh­ rungsbeispiele.

Nach Fig. 1 umfaßt der kapazitive Druckfühler 10 ein ihn umschließendes Druckgehäuse 11, bevorzugt aus rost­ freiem Stahl. Das Gehäuse 11 weist eine Drucköffnung 12 auf, die mit dem Gehäuseinneren in Verbindung steht. Ein Regelkondensator 13 ist im Gehäuse 11 angeordnet und damit gekoppelt. Dieser Kondensator 13 weist ein Grundglied 14 auf, das becherförmig ausgebildet ist und aus einem homogenen metallischen Material besteht. Das Grundglied 14 ist mit einer Grundgliedhalterung 16 in der Mitte des Grundglieds 14 an dessen Unterseite verbunden. Die Grundgliedhalterung 16 verläuft längs einer Mittenachse 14 a des Grundglieds 14. Der Konden­ sator 13 ist innerhalb des Gehäuses 11 mit Muttern 15 a und 15 b an einem ein Außengewinde tragenden Ab­ schnitt der Grundgliedhalterung 16 befestigt. Das Grundglied 14 hat einen Flansch 18, der von seinem Rand ausgeht. Der Flansch 18 kann eben oder mit einer Umfangsvertiefung 18 a ausgebildet sein. Die Vertie­ fung 18 a kann "negativ" sein, d. h. sie kann ein Steg sein oder sie kann von dem eigentlich ebenen Teil des Flansches 18 nach oben verlaufen. Bei einer be­ vorzugten Ausführungsform besteht das Grundglied 14 aus rostfreiem Preßblech mit einem Abschnitt, der die Form eines Kugelsektors hat. Dadurch ergibt sich ein kostengünstiges steifes Grundglied. Bei anderen Ausführungsformen kann das Grundglied 14 z. B. als gerader kreiszylindrischer Becher, der durch maschi­ nelles Bearbeiten herstellbar ist, ausgebildet sein.

Eine relativ dünne, verformbare leitfähige Membran 20 ist über das Grundglied 14 so gespannt, daß ihre Ränder über dem Flansch 18 liegen.

Die Membran 20 kann aus rostfreiem Stahl mit einer Dicke im Bereich von 0,005-0,76 mm bestehen. Alter­ nativ kann die Membran 20 entsprechend der DE-PS 31 42 440 ausgebildet sein. Die Membran kann eine Metallfolie oder ein nicht leitfähiges Material mit einem leitfähigen Abschnitt, z. B. durch einen aufge­ dampften leitfähigen Film gebildet, sein.

Der Druckfühler nach Fig. 1 umfaßt ferner einen Ein­ spannring 24, dessen Unterseite komplementär (18 b) zu der Oberseite des Flansches 18 einschließlich dessen Vertiefung 18 a ausgebildet ist. Der Einspann­ ring 24 wird auf dem Rand der Membran 20 und des Flanschs 18 befestigt, wodurch innerhalb der durch das Grundglied 14 und die Membran 20 gebildeten Bau­ gruppe ein geschlossener Raum 26 entsteht. Bei ande­ ren Ausführungsformen kann zwischen der Membran 20 und dem Flansch 18 eine konventionelle Dichtmasse verwendet werden.

Ein Schutzgehäuse für die Membran 20 kann alternativ durch ein oberes Element gebildet werden, das eine Metallplatte sein kann, deren Radius dem Außenradius des Flanschs 18 entspricht, wobei diese Platte von einem Ringkörper aus Elastomer abgestützt ist, der auf der Oberfläche des Einspannrings 24 befestigt ist.

Der Druckfühler umfaßt ferner innerhalb des geschlossenen Raums 26 eine Elektrodenhalterung 30, die mit der Grundgliedhalte­ rung 16 verbunden ist, und eine zugehörige Elektrode 32 mit einer ebenen Oberfläche. Die Elektrodenhalterung 30 ist ein Dielektrikum, z. B. Keramik, mit einer ebenen ringförmigen Oberfläche. Die Elektrode 32 ist ein metallischer Dünnfilm auf dieser Oberfläche. Der Film kann z. B. durch Thermo­ abscheidung oder durch Aufdampfen auf die dielektrische Elektrodenhalterung 30 aufgebracht sein. Bei dem erläuter­ ten Ausführungsbeispiel umfaßt die Elektrodenhalterung 30 eine mittige vertiefte bzw. versenkte Zone zur Aufnahme eines Anschlags 34 der Grundgliedhalterung 16, und der leitfähige Film ist ringförmig, so daß während des Betriebs Nichtlinearitäten aufgrund der allgemeinen kugeligen Form des Mittenbereichs der Membran 20 minimierbar sind.

Die Grundgliedhalterung 16 weist ein Außengewinde auf und ist mit dem oberen Anschlag 34 versehen. Bei dieser Ausbildung kann zwischen der Elektrode 32 und der Membran 20 ein Soll-Spalt d (längs der Achse 14 a) eingestellt werden mittels einer Mutter 35 sowie mit Abstandselementen (falls erforderlich) zwischen dem Grundglied 14 und der Elektrodenhalterung 30.

Die Elektrodenhalterung 30 und die Membranhalterung auf dem Grund­ glied 14 sind mittig auf der Grundgliedhalterung 16 mon­ tiert, wodurch die Auswirkung einer unterschiedlichen Wärme­ ausdehnung auf die Abmessungen des Spalts d minimierbar sind.

Bevorzugt ist der Kontaktbereich zwischen 14, 16 und 30 klein, um die Auswirkung einer Wärmeausdehnung auf den Spalt sowie die Wärmespannung weiter zu minimieren.

Eine Zuleitung 36 sorgt für einen externen elektrischen Kon­ takt zur Elektrode 32 über isolierende Durchführungsanschlüsse 38 und 40. Der externe elektrische Kontakt zur Membran 20 wird durch die Grundgliedhalterung 16 (über das Grundglied 14) hergestellt. Diese beiden elektrischen Kontaktstellen sind mit herkömmlichen Kapazitäts-Meßschaltungen verwendbar zur Erzeu­ gung eines Signals, das der der Elektrode 32 und der Membran 20 zugeordneten Kapazität entspricht.

Bei anderen Ausführungsformen kann die elektrische Kopp­ lung zu der Membran 20 und der Elektrode 32 unterschiedlich sein. Zum Beispiel können die Elektrode 32, ihre Elektrodenhalte­ rung 30 und die Grundgliedhalterung 16 eine einstückige metallische Einheit sein, wobei das Grundglied 14 in be­ zug auf die Grundgliedhalterung 16 isoliert ist. Dabei kann der elektrische Kontakt mit der Grundgliedhalterung 16 und dem Grundglied 14 erfolgen. Bei dem erläuterten Ausführungs­ beispiel weist die Grundgliedhalterung 16 einen mittigen Kanal 16 a auf, der einen Druckkanal zu dem geschlossenen Raum 26 bildet.

Die Membran 20 kann an ihrem Rand unter radialer mechanischer Spannung gehaltert sein. Es ist hierbei möglich, die Membran 20 mit einem einzigen Schritt zu befestigen und zu spannen. Nach einem bevorzugten Fertigungsverfahren werden das Grundglied 14 und die Elektrodenhalterung 30 zuerst so zusammengesetzt, daß der ebene Teil der Elektrode 32 parallel zu und in einem be­ stimmten Abstand d von dem ebenen Flansch 18 verläuft. Dann wird die Zuleitung 36 eingeführt. Anschließend wird die Membran 20 über den Flansch 18 gespannt, und der Einspannring 24 wird in Verbindung mit dem Flansch und dessen Vertiefung 18 a ge­ drückt. Dann wird der Einspannring durch Punktschweißen oder ein anderes geeignetes Verfahren festgelegt. Beim Verbinden des Einspannrings 24 mit der Vertiefung 18 a wird die Membran 20 derart verformt, daß sie radial gespannt wird. Bei anderen Ausführungsformen, insbesondere solchen mit im wesentlichen ebenen Membranen, können der Flansch 18 und der Einspannring 24 im wesentlichen ebene gegenüberliegende Flächen (d. h. ohne die Umfangsvertiefung) aufweisen. Es ist auch möglich, daß die komplementären Flächen von Flansch 18 und Einspann­ ring 24 z. B. konisch geformt sind.

Bei einem anderen Montageverfahren kann die Membran, wenn der Flansch 18 eben ist, mit dem Flansch 18 unter radialer Spannung mit folgenden Schritten verbunden werden: Zuerst wird das Grundglied 14 in eine Einspannvorrichtung einge­ spannt, die den Flansch 18 von unten haltert und die Grund­ gliedhalterung 16 nach unten zieht, so daß diese gering ver­ formt wird. Dann wird die Membran 20 über dem Flansch 18 positioniert, und der Einspannring 24 wird über der Membran 20 und dem Flansch 18 positioniert. Dann wird der Einspann­ ring 24 mit dem Flansch 18 verschweißt, so daß die Membran festgelegt ist. Wenn dann die Grundgliedhalterung 16 frei­ gegeben wird, kehrt sie zu ihrer Ausgangsform zurück und bringt dabei die Membran 20 unter radiale Spannung.

Bei Verwendung einer Membran 20 mit Faltenmuster entspre­ chend der DE-PS 31 42 440 braucht die Membran 20 nicht unter radialer Spannung über dem Flansch 18 festgelegt zu werden, sie wird vielmehr einfach über dem Flansch 18 positioniert und daran befestigt.

Der Druckfühler 48 nach Fig. 2 ist ähnlich demjenigen nach Fig. 1 ausgebildet. Er umfaßt ein konkaves oberes Element 50, das einen ringförmigen Umfangsflansch 52 mit einer Unter­ seite aufweist, die zu der Oberseite des Flanschs 18 des Grundglieds 14 komplementär ist. Die gegenüberliegenden Flächen der Flansche 18 und 52 sind eben, sie können aber auch komplementäre Umfangsvertiefungen oder -stege 18 a, 18 b aufweisen.

Die Muttern 15 a und 15 b sichern den Druckfühler 48 (über den Druckkanal 12) an einer externen Halterung 60. Die Halte­ rung 60 dient gleichzeitig als Gehäuse für den Druckfühler 48 und umfaßt eine Eingangsleitung 16 a zum Zuführen eines Eingangs­ drucks in den Bereich zwischen Membran 20 und Grundglied 14. Dabei kann die Zuleitung 36 mit einer Meßschaltung 62 gekoppelt sein, die innerhalb des Gehäuses 60 angeordnet ist. Es ist nicht notwendig, Durchführungsverbindungen entsprechend den Verbindungen 38 und 40 von Fig. 1 vorzusehen. Das obere Element 50 bildet einen einstückigen eingangsseitigen Hohlraum. Ferner bildet das obere Element 50 einen Schutz in bezug auf zu hohen Unterdruck, einen physischen Schutz für die Membran sowie ein Organ zum Befestigen der Vorrichtung, wodurch die empfindlichen spaltbildenden Elemente des Druckfühlers isoliert werden. Die Elektrodenhalterung 30 und die Elektro­ de 32 bilden einen Schutz gegen positiven Überdruck.

Wenn die Druckfühler 10 und 48 als Differenzdruckfühler arbeiten sollen, wird der Kanal 12 an eine erste Druckversorgung und der Mittelkanal 16 a innerhalb der Grundgliedhalterung 16 an die zweite Druckversorgung angeschlossen. Jede Druck­ differenz bewirkt ein Durchbiegen der Membran 20 entweder zu der Elektrode 32 oder davon weg. Eine solche Abstands­ änderung zwischen der Membran 20 und der Elektrode 32 be­ wirkt eine Änderung der Kapazität zwischen diesen beiden Elementen. Diese Kapazität kann dann zwischen der Zuleitung 36 und der Grundgliedhalterung 16 durch konventionelle Kapazitätsmeßeinrichtungen (nicht gezeigt) erfaßt werden. Die Druckfühler 10 und 48 können auch als Absolutdruck­ fühler eingesetzt werden, wobei dann entweder der Kanal 12 oder der Kanal 16 a der Grundgliedhalterung 16 dicht abge­ schlossen wird, während der offene Kanal mit der Zone ver­ bunden wird, deren Druck zu erfassen ist. Ebenso wie vorher wird der Druck durch Erfassen der Änderung der dem Spalt zwischen Membran 20 und Elektrode 32 zugeordneten Kapazität bestimmt. Aufgrund der mittigen Befestigung, wobei sowohl die Elektrode 32 als auch ihre Elektrodenhalterung 30 und das Grundglied 14 mittig von der Grundgliedhalterung 16 ge­ halten sind (mit einem relativ kleinen Kontaktbereich zwi­ schen dem metallischen Grundglied 14 und der Keramik- Elektrodenhalterung 30), werden aus Montagespannungen resultierende Verformungen beseitigt, so daß Montage­ spannungen sowie durch unterschiedliche Wärmeausdehnung hervorgerufene mechanische Spannungen als Fehlerquellen ausgeschaltet werden.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Druck­ fühlers 70. Dieser gleicht dem Druckfühler 48 von Fig. 2, wobei jedoch das obere Element 50 des Druckfühlers 48 durch eine obere Elementeinheit ersetzt ist, die im wesentlichen der Grundeinheit des Druckfühlers 48 gleicht. Elemente der oberen Einheit des Druckfühlers 70 die Elementen in der unteren Einheit des Fühlers 48 entsprechen, sind mit gleichen Be­ zugszeichen, gefolgt von einem "a", bezeichnet. Der Fühler 70 umfaßt eine leitfähige mittige Membran 20, die zwischen zwei ebenen leitfähigen (einstellbar positionierten) Flächen 32 und 32 a angeordnet und davon durch Zwischenräume d und d′ beabstandet ist. Die elektrischen Zuleitungen 36 und 36 a sowie eine mit dem Rand der Membran 20 gekoppelte Zuleitung können mit kapazitiven Meßinstrumenten, z. B. entsprechend der US-PS 40 54 833, verwendet werden.

Claims (4)

1. Kapazitiver Druckfühler, bestehend aus

• - einer Membran mit elektrisch leitfähigem Mittenab­ schnitt,
• - einem konkaven Grundglied, das die Elektrode umfaßt und zentral mit einer Elektrodenhalterung verbunden ist, wobei das Grundglied mit seinen Rändern einen Flansch bildet, der in einer zur Mittenachse senk­ rechten Ebene liegt und ein Gegenstück aufweist, das eine zu diesem Flansch komplementäre Oberfläche hat und die Membran gleichzeitig haltert und fest­ klemmt, und
• - Elektroden, die auf dem die Mittenachse des Druck­ fühlers darstellenden Elektrodenhalter sitzen,

dadurch gekennzeichnet,

• - daß der Elektrodenhalter (30, 30 a) aus dielektrischem Material besteht, wobei seine der Membran (20) zuge­ kehrte Oberfläche die Elektroden (32, 32 a) aus einem ringförmigen metallischen Dünnfilm trägt,
• - daß das Grundglied (14) becherförmig ausgebildet ist und aus einem homogenen Material besteht, und
• - daß die die Membran haltende Oberfläche als integraler Teil eines Einspannringes ausgebildet ist.

2. Druckfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (20) bei ihrer Halterung auf dem Flansch (18) gleichzeitig radial gespannt wird.

3. Druckfühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Flansch (18) eine ringförmige Vertiefung (18 a) aufweist und daß ein Einspannring (24) vorgesehen ist, der mit einem der Vertiefung (18 a) komplementären Vorsprung (18 b) versehen ist.