DE3142440A1

DE3142440A1 - Membran

Info

Publication number: DE3142440A1
Application number: DE19813142440
Authority: DE
Inventors: Dennis K. Marlboro Mass. Briefer
Original assignee: Setra Systems Inc
Current assignee: Setra Systems Inc
Priority date: 1980-10-27
Filing date: 1981-10-26
Publication date: 1982-06-24
Also published as: FR2492937B1; US4434203A; JPS5918586B2; GB2086586B; DE3142440C2; JPS57127161A; GB2086586A; FR2492937A1

Description

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Setra Systems, Inc. Natick, Massachusetts ol76o, V.St.A.

Membran

Die Erfindung bezieht sich auf eine Membran, insbesondere zum Einsatz in Meßwertumformern, die als Fühler eine verformbare Membran aufweisen.

Es gibt eine große Anzahl bekannte Meßwertumformer, die als Fühler eine Membran enthalten. Solche Fühler werden auch in linear verstellbaren Differentialübertragern und anderen Dewegungswandlern verwendet. Außerdem werden in bestimmten bekannten Dehnungsmeßstreifen solahe Membranen verwendet. In praktisch allen diesen Fällen ist das Membraii-Fühlelement im wesentlichen ein relativ glattes, dünnes verformbares.- Element, das häufig zwischen am Rand liegenden Haltepunkten gespannt ist. Solche Membranen erfüllen zwar normalerweise ihre Funktionen in wirksamer Weise, häufig sind sie jedoch die leistungsbegrenzenden Elemente beim Betrieb von Fühlereinheiten über größere Temperaturbereiche sowie hinsichtlich der Empfindlichkeit solcher Fühlereinheiten. Zur Erzielung einer optimalen Leistung muß das Membranfühlelement relativ dimensionsstabil über einen größeren Temperaturbereich sein als auch eine gleichmäßige Empfindlichkeit aufweisen. Für eine hohe Empfindlichkeit muß die Membran gegenüber Verformungskräften hochempfindlich sein.

Normalerweise sind die bekannten gespannten Membranen (z. B. dünne Folien aus rostfreiem Stahl mit einer Dicke von 0,005 mm) sowohl hinsichtlich Empfindlichkeit als auch hinsichtlich Stabilität ziemlich begrenzt.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer verbesserten Membran für einen Meßwertumformer, die bei hoher Empfindlichkeit relativ stabil ist und die einen Abschnitt aufweist, der längs einer dazu senkrechten Achse elastisch verformbar ist.

Die Membran nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Faltenmuster aufweist, so daß sie in bezug auf jeden Bezugspunkt in ihrem Mittenabschnitt sowohl radial als auch tangential aufweitbar ist. Gemäß einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung hat die Membran einen nominell ebenen Teil und eine Mehrzahl Faltenabschnitte, die von mindestens einer Seite oder, gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, von beiden Seiten des ebenen Teils ausgehen.

Diese Konfiguration resultiert in einem dimensionsstabilen Element, das in bezug auf angelegte Druckdifferenzen hochempfindlich ist. Z. B. beträgt bei einer Metallfolien-Membran, die nach der Erfindung hergestellt und zur Verwendung in einem kapazitiven Meßwertumformer geeignet ist, die Verbesserung der Empfindlichkeit und Stabilität das lOfache eines kapazitiven Meßwertumformers mit einer vergleichbare Abmessungen aufweisenden konventionellen ebenen Membran.

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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel

der Membran nach der Erfindung; Fig. 2A eine Querschnittsansicht eines Teils der

Membran von Fig. 1;
Fig. 2B eine Querschnittsansicht eines Teils einer

Membran mit einem mäßig dichten Faltenmuster; Fig. 2C eine Querschnittsansicht eines Teils einer Membran mit relativ dichtem Faltenmuster; und

Fig. weitere Ausführungsbeispiele der Membran 3-13 nach der Erfindung.

Die Fig. 1 und 2A zeigen eine Membran IO nach der Erfindung. Die Membran 10 ist eine kreisrunde Metallfolie (z. B. aus Aluminium) mit einer Dicke von ca. 0,005 mm. Die Folie ist im wesentlichen eben, umfaßt jedoch eine Mehrzahl Faltenabschnitte, die von einer Seite ausgehen. Bei dem Ausführungsbeispiel sind die Faltenabschnitte durch die kurzen Striche bezeichnet. Die Fa'ltenabschnitte verlaufen nur in eine einzige Richtung, ausgehend von dem ebenen Teil der Membran (d. h. zu einer Seite desselben). Bei anderen Ausführungsformen können jedoch einige der Faltenabschnitte auf der einen Seite der Membran verlaufen, während andere Faltenabschnitte auf der anderen Seite verlaufen.

In Fig. 1 werden die Faltenabschnitte als Störungen oder Abweichungen von einem nominell ebenen Teil betrachtet. Bei Ausführungsbeispielen mit relativ dichtem Faltenmuster kann es jedoch sein, daß der "ebene Teil" nicht exakt eben ist, sondern eher die "Basis" bildet, von der Enden der Falten-

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abschnitte ausgehen. Bei wieder anderen Ausführungsbeispielen kann die Faltenverteilung so dicht sein, daß die Faltenabschnitte nur als Falten bezeichnet werden, ohne daß auf eine Basis bezug genommen wird. Z. B. zeigt Fig. 2B einen Querschnitt durch eine Membran mit einem mäßig dichten Faltenmuster. Die Strichlinie 14 ist eine beispielsweise Bezugslinie, die - ausschließlich für die Zwecke der Erläuterung - die "Faltenabschnitte" (oberhalb der Linie 14) von den "ebenen Teilen" (unterhalb der Linie 14) trennt. Dabei werden die Teile unterhalb der Linie 14, obwohl sie nicht exakt eben sind, als "eben" bezeichnet. Wie in dem weniger dichten Muster nach Fig. 2A zu sehen ist, ist der "ebene Teil" (d. h. unterhalb der Linie 14) dort eher eben. Fig. 2C zeigt ein Faltenmuster mit relativ hoher Faltendichte. Bei einigen Ausführungsbeispielen der Membran ist diese gering "gewölbt", so daß die Faltenabschnitte von einem nominell sphärischen Teil der Membran ausgehen. Bei diesen Ausführungsbeispielen ist der Radius der Wölbung jedoch relativ groß im Vergleich zu den Faltenabmessungen. Infolgedessen wird der sphärische Teil als unter den Begriff "ebener Teil" fallend angesehen.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 sind die Faltenabschnitte in der Membran 10 willkürlich über die Oberfläche der Membran angeordnet. Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch die Folie, und zwar durch einen der Faltenabschnitte der Membran IO.

Die Membran 10 kann ζ. B. mit ihrem Rand unter radialer Spannung in eine kapazitive Druckfühlereinheit eingespannt sein. In einem solchen Druckfühler kann der Mittenabschnitt der

Membran 10 relativ leicht in eine Richtung bewegt werden, die zu der Ebene des eingespannten Rands der Membran 10 senkrecht verläuft, und zwar infolge von Änderungen der Druckdifferenz über die Membran. Bei dem Aufbau nach der Erfindung ist diese Verschiebung des Mittenabschnitts der Membran 10 eine in hohem Maß wiederholbare Funktion der Druckdifferenz. Ferner ist diese Wiederholbarkeit über einen weiten Temperaturbereich relativ gleichbleibend. Insgesamt ist die Membran um einen Faktor 10 in bezug auf Empfindlichkeit und Stabilität (sowohl über die Zeit als auch hinsichtlich der Temperatur) besser als eine konventionelle ebene Membran gleicher Dicke.

Jeder Faltenabschnitt in der Membran 10 ist gerade und verläuft längs einer zugehörigen Hauptachse in der Ebene des ebenen Teils. Bei anderen Ausführungsbeispielen können mindestens einige der Faltenabschnitte gekrümmt sein und längs entsprechend gekrümmten Bezugslinien in der Ebene des ebenen Teils verlaufen.

Die Membran 10 nach Fig. 1 kann durch die folgenden Schritte gebildet werden: Zuerst wird ein ebenes elastisches Element, z. B. eine Gummitafel, in zwei senkrechten Richtungen gereckt, so daß das gereckte elastische Element in einer Ebene liegt. Dann wird eine relativ dünne Metallfolie durch Reibung mit der Oberfläche des gereckten elastischen Elements verbunden, so daß die Folie flach an dem gereckten elastischen Element anliegt. Z. B. kann die Folie mit der Oberfläche des elastischen Elements schwach verklebt werden, oder sie kann mittels eines relativ hohen Gasdrucks an dem gereckten elastischen Element gehalten werden. Die Einspannung des elastischen Elements wird dann gelöst, so daß dieses in

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den nichtgereckten Zustand zurückkehren kann. Während das elastische Element in diesen Zustand zurückkehrt, bewirkt die Reibungsverbindung zwischen der Folie und dem elastischen Element eine Faltenbildung der Folie in einem niederenergetischen Muster, so daß die Folie dann einen relativ ebenen Teil und eine Mehrzahl Faltenabschnitte aufweist. Dann wird die Folie von dem Membranelement getrennt (z. B. durch Wegnehmen des relativ hohen Luftdrucks von der Seite, von der sie gegen das Membranelement gehalten wird), und die erhaltene Faltenfolie kann als Fühlerelement für einen Meßwertumformer verwendet werden.

Bei einem zweiten Verfahren zum Herstellen der Membran wird eine relativ dünne Metallfolie sandwichartig zwischen zwei randgelagerten ebenen elastischen Elementen (z. B. Gummibahnen) positioniert, und zwar mit einem Druck P, außerhalb der Sandwichkonfiguration und angrenzend an die eine Bahn, einem Druck P„ zwischen den beiden Bahnen und einem Druck P_ außerhalb der Sandwichkonfiguration und angrenzend an die andere Bahn. Anfangs ist P, = P„, und P, und P„ sind größer als P-.. Dann werden die Drücke so eingestellt, daß P-, größer als P„ und dieser wiederum größer als P₃ ist, so daß die Sandwichkonfiguration gestreckt wird. Dann werden die Drücke so eingestellt, daß P, = P₃, wobei sowohl P, als auch P- größer als P_ sind. Durch diesen Schritt werden die Bahnen in ihre ursprüngliche ungestreckte Position zurückgebracht. Während sich die Bahnen zusammenziehen, wird, durch den Reibungskontakt mit der Folie (bewirkt durch den relativ niedrigen Druck P^ während dieses Schritts) eine Faltenbildung in der Folie hervorgerufen. Schließlich werden die Drücke P,, P„ und P₃ gleich gemacht, die Bahnen werden voneinander getrennt, und die Folienmembran wird entfernt.

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Es ist zu beachten, daß die beiden vorstehend erläuterten Verfahren in relativ niederenergetischen Konfigurationen der Folie resultieren. Infolgedessen eignen sich die Membranen gut zum Einsatz in kapazitiven Druckfühlern, die randgelagerte Membranen verwenden und wobei die Mittenabschnitte der Membranen bewegbar sind.

Gemäß verschiedenen weiteren Ausführungsbeispielen kann die Membran elektrisch nichtleitfähig sein, wenn z. B. die Position des Mittenabschnitts optisch erfaßbar ist. Bei anderen Ausführungsformen kann die Membran zwar nichtleitend sein, jedoch eine leitfähige Zone auf einer Oberfläche aufweisen, die z. B. durch einen niedergeschlagenen leitfähigen Film gebildet ist. Im letzteren Fall verläuft ein Abschnitt des leitfähigen Films bis zum Rand der Membran, so daß ein elektrischer Kontakt mit externen Meßinstrumenten möglich ist. Bei diesen und weiteren Ausführungsformen handelt es sich um eine "weiche" Membran, die nicht nur in einem kapazitiven Druckfühler, sondern in weiteren Vorrichtungen einsetzbar ist. Z. B. kann die Membran die konventionellen Membranen in bestimmten bekannten Dehnungsmeßstreifen und Schaltern ersetzen. Alternativ kann die Membran dazu verwendet werden, zwei Fluide voneinander zu trennen, wenn es sich darum handelt, Druckunterschiede über die Interfluid-Grenzflachen zu übertragen.

Die Fig. 3-6 zeigen weitere Ausführungsformen der Membran. Fig. 3 zeigt einen Teil einer der Membran 10 ähnlichen Membran, wobei die Faltenabschnitte gekrümmt sind und längs entsprechend gekrümmten Bezugslinienabschnitten in der Ebene des ebenen Teils der Membran 10 verlaufen.

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Fig. 4 zeigt einen begrenzten Bereich einer Membran mit einem Muster, bei dem gerade Faltenabschnitte jeweils im wesentlichen mit einer von drei Achsen in der Ebene des ebenen Teils fluchten, wobei diese drei Achsen um jeweils 6O° voneinander versetzt verlaufen. Dieses Muster ist ein "Schneeschuh"-Muster mit einer Mehrzahl gleichseitiger Dreiecks- und Hexagonalabschnitte des durch die Faltenabschnitte gebildeten ebenen Musters.

Fig. 5 zeigt einen begrenzten Bereich eines weiteren Ausführungsbeispiels der Membran, wobei die geraden Faltenabschnitte mit einer von zwei Achsen in der Ebene des ebenen Teils ausgerichtet sind und diese beiden Achsen um 90° voneinander versetzt verlaufen. Das erhaltene Muster umfaßt eine Mehrzahl Viereckbereiche in dem ebenen Teil, die durch die Faltenabschnitte gebildet sind.

Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Membran eine Mehrzahl konzentrische Zickzack-Ringmuster, die durch die Faltenabschnitte gebildet sind, aufweist. Dabei sind die Zickzackmuster diskontinuierlich, d. h. jeder Zickzackring umfaßt ein Paar miteinander verbundene geradlinige Faltensegmente, die mit den jeweils benachbarten Paaren im Ring nicht verbunden sind. Bei anderen Ausfuhrungsformen kann das Muster so ausgebildet sein, daß auch diese Paare nicht miteinander verbunden sind.

Die Fig. 7-13 zeigen Draufsichten auf Membranausführungen, die verschiedene Faltenmuster gemäß der Erfindung aufweisen. Dabei sind die Membranen jeweils mit 10 bezeichnet, und ein Abschnitts des Außenrands jeder Membran ist mit 12 bezeichnet.

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Das Faltenmuster der Membranen nach den Fig. 7-10 umfaßt im wesentlichen Zickzackring-Faltenabschnitte, die kontinuierlich sind (d. h. jeder Zickzackring umfaßt relativ kurze/ aus Geraden bestehende Faltensegmente, die mit ihren Enden mit jeweils angrenzenden geraden Faltensegmenten verbunden sind). Die Membranen nach den Fig. 7 und 10 weisen ferner eine Gruppe von V-förmigen Faltenabschnitten auf, die im übrigen leere Bereiche im Muster füllen.

Die verschiedenen Ringe des Faltenmusters der Membran nach Fig. 7 sind im wesentlichen gleichbeabstandet von benachbarten Ringen, so daß innere Ringwinkel resultieren, die von Ring zu Ring mit zunehmendem Radialabstand von der Membranmitte größer werden. Abwechselnd aufeinanderfolgende Innenwinkel jedes Rings der Faltenmuster der Membranen nach den Fig. 8, 9 und 10 sind gleichbleibend (120° bzw. 90° bzw. 90°) von Ring zu Ring unabhängig von ihrer Entfernung vom Membranmittelpunkt. Bei einer weiteren Ausführungsform kann die Membran eine Mehrzahl von ineinandergeschachtelten, radial verlaufenden Zickzack-Faltenabschnitten aufweisen. Bei allen diesen Ausführungsformen ist jeder Bereich in dem Faltenmuster der Membran 10 sowohl radial als auch tangential in bezug auf jeden Punkt auf der Membran einschließlich jedes Punkts im Mittenabschnitt der Membran aufweitbar.

Die Fig. 12 und 13 zeigen begrenzte Ausschnitte von weiteren Ausführungsbeispielen der Membran, die Faltenmuster mit geraden Zickzack-Faltenabschnitten aufweisen. In Fig. 12 sind die Faltenabschnitte kontinuierlich, während sie in Fig. 13 diskontinuierlich sind. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Membranen nach den Fig. 12 und 13 betragen die Winkel zwischen den Faltenscheiteln (d. h. den schwarzen Zickzack-

linien von Fig. 12) 90°, die von den Muldenflächen zwischen den Faltenscheiteln gebildeten Winkel betragen 90°, und die von den Scheitelflächen zu beiden Seiten der Faltenscheitel gebildeten Winkel betragen ebenfalls 90°.

Bei anderen Ausführungsformen können die Faltenabschnitte längs unterschiedliche orientierten Achsen ausgerichtet sein.

Bei sämtlichen vorstehend erläuterten Ausführungsbeispielen können die Faltenabschnitte mit einem Werkzeug gebildet werden, das eine im wesentlichen ebene Fläche mit Ausnahme von Abweichungen entsprechend dem erwünschten Faltenmuster aufweist. Zuerst kann die Folie an das Werkzeug angelegt werden. Dann wird ein Hochdruckgas verwendet, um die Folie in die durch das Werkzeug definierte Form zu drücken. Alternativ kann die Folie gegen das Werkzeug von einem Gummidruckstück gedruckt werden, das von der Spindel einer hydraulischen Presse getrieben wird. Z. B. kann ein Fühlelement entsprechend Fig. 10 mit einem Durchmesser von 43,18 mm aus rostfreiem Stahl Nr. 303 mit einer Dicke von O,0068 mm mittels eines Werkzeugs hergestellt werden, das Faltenmuster-Nuten aufweist, die eine Weite von 0,63 mm und eine Tiefe von 0,12-0,25 mm haben, wobei die Nuten voneinander um jeweils 0,63 mm beabstandet sind. Der Mittenabschnitt der erhaltenen Membran ist bei einer Druckdifferenz von 0,0001 bar um . 0,12 mm durchbiegbar.

In weiteren alternativen Ausführungsformen sind verschiedene Kombinationen der vorstehend angegebenen Faltenmuster gleichzeitig in der gleichen Membran verwendbar. Bei sämtlichen Ausführungsformen liegen jedoch bevorzugt sämtliche Achsen in der nominellen Ebene oder Fläche der Membran und werden von wenigstens einem Faltenabschnitt gekreuzt.

Leerseite

Claims

Patentansprüche

dadurch* gekennzeichnet, daß die Membran (lo) ein Faltenmuster aufweist, so daß sie in bezug auf jeden Bezugspunkt in ihrem Mittenabschnitt sowohl radial als auch tangential aufweitbar ist.
2. Membran naqh Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittenabschnitt eine elektrisch leitfähige Oberfläche aufweist.
3. Membran nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen;Randbereich aufweist, an dem sie so einspannbar ist,^;daß der Mittenabschnitt im wesentlichen eben ist. "
4. Membran nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Faltenmuster einen nominell ebenen Teil und eine Mehrzahl^ Faltenabschnitte aufweist, die von mindestens einer Seite des ebenen Teils ausgehen.

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5. Membran nach Anspruch 4·, dadurch gekennzeichnet, daß die Faltenabschnitte von beiden Seiten des ebenen Teils ausgehen.
6. Membran nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Falte reltaiv kurz und gerade ist.
7. Membran nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einige Falten gekrümmt sind (Fig. 3) .
8. Mombrnn nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptachsen der Falten mit einer von zwei Achsen auf der Oberfläche des Mittenabschnitts fluchten, so daß die Faltenabschnitte eine Mehrzahl von geraden Zickzackmustern bilden.
9. Membran nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptachsen mindestens einiger Falten miteinander fluchten, so daß Falten eine Mehrzahl von konzentrischen Zickzackringmustern bilden, die von dem Mittenabschnitt ausgehen
(Fig. 6-10).
10. Membran nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Zickzackringmuster kontinuierlich ist (Fig. 7-10).

"*· 3H2U0
11. Membran nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Zickzackmuster diskontinuierlich ist (Fig. 6) . ·
12. Membran nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß abwechselnd aufeinanderfolgende Innenwinkel jedes äer Ringmuste:
(Fig. 9, 10).

der Ringmuster 90 betragen
13. Membran nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß abwechselnd aufeinanderfolgende Innenwinkel jedes Ringmuste:

(Fig. 8) .

Ringmusters 120° betragen
14. Membran nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände zwischen Ringmustern im wesentlichen gleichbleibend sind.
15. Membran für einen Meßwertumformer, gekennzeich η e t d u r c h einen nominell ebenen Teil und eine Mehrzahl Faltenabschnitte, die von mindestens einer Seite des ebenen Teils ausgehen, wobei jeder Faltenabschnitt relativ kurz ist.
16. Membran nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Faltenabschnitt gerade ist und längs einer zugeordneten Hauptachse in der Ebene des ebenen Teils verläuft.
17. Membran nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einige Faltenabschnitte gekrümmt sind und längs einer entsprechend gekrümmten Bezugslinie in der Ebene des ebenen Teils verlaufen.
18. Membran nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptachsen der Faltenabschnitte mie einer von zwei Achsen in der Ebene des ebenen Teils fluchten, so daß die Faltenabschnitte eine Mehrzahl von linearen Zickzackmustern bilden.
19. Membran nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß Hauptachsen wenigstens einiger Faltenabschnitte miteinander ausgerichtet sind, so daß Faltenabschnitte eine Mehrzahl konzentrische Zickzackringmuster bilden, die von dem ebenen Teil ausgehen.