DE3233356A1 - Druckfuehler - Google Patents

Description

TicrvTi/re „,,,, Df₁₁,. .... _mmm ΙΛ,^,.,-. Patentanwälte und

IEDTKE DUHLING Γ .IVlNflE Vertreter beim EPA

f* Ol ·* ί"**'· · ϊ ·''..: . '."'. * ^: Dipl.-Ing. H.Tiedtke

IaRUPE - ΓΈ LLM ANN ^.ΙΛΒΆΜ"&· ..· ·..·.:.". Dlpl.-Chem. G. Bühling

Dipl.-Ing. R. Kinne

O O ο ο O ir c ~^7j~ Dipl.-Ing. R Grupe

O Δ $ 0 Ο 0 0 Dipl.-Ing. B. Pellmann

Dipl.-Ing. K. Grams

Bavariaring 4, Postfach 202403 8000 München 2

Tel.: 089-539653

Telex: 5-24845 tipat

cable: Germaniapatent München

ö. September I982 DE 2470 case V/-1Ö96

Aisin Seiki Kabushiki Kaisha Kariya-eity, Japan

Druckfühler

Die Erfindung bezieht sich auf einen Druckfühler, der FluiddrUcke in elektrische Signale umsetzt, und insbesondere auf einen Druckfehler, bei dem die Flulddriicke mittels einer Membran erfasut werden und Verformungen der Membran in elektrische Signale umgesetzt werden.

Ein Druckfühler dieser Art hat im allgemeinen einen Aufbau, bei dem Druckänderungen eines Fluids in der Form von Membranverformungen aufgenommen werden und Ausgangssignale mit Hilfe eines an der Membran angebrachten Dehnungsmeßstreifens gewonnen werden. Bei einem herkömmlichen Druckfühler wird als Dehnungsmeßstreifen ein Widerstandsdraht aus Metall wie beispielsweise einem Nickel-Kupfer-System oder ein Halbleiter in Piezo-Widerstands-Ausführung oder Diffusions-Ausführung eingesetzt. Bei einem Dehnungsmeßstreifen mit einem Widerntandndrnhl. ·ί.π;·. IVtnll beut oh U zwar der Vorteil , daß die Stabilität bezüglich Torriperatut'cn hoch 1st, Jedoch bestehen einige Nachteile darin, daß die Ausgangsspannung klein wie beispielsweise geringer als B mV ist,

A/25

Droadnor Bank (München) KIo. 3 939 844 Baynr. Verolnsbank (Münchon) KIo. 508 041 Pontarhock (Monotron) Kto. 070-43 004

daß die maximale Betriebstemperatur niedrig ist, nämlieh beispielsweise in der Größenordnung von 80⁰C liegt, und daß der Widerstandsdraht aus Metall durch eine übermäßige Verformung zerstört, werden kann, da seine maximale Belastungsfähigkeit gering ist. Bei einem Dehnungsmeßstreifen mit einem Halbleiter besteht zwar der Vor·· teil, daß die Empfindlichkeit, nämlich das Meßverhältnis hoch ist, jedoch bestehen einige Unzulänglichkeiten darin, daß die Temperaturbeständigkeit gering ist und beispielsweise tornpor.'iturbedlngte Fehler von über o, 1% des Meßbetii Jo ⁰C ontstoheri, daß die maximale Betrlebstemperatur niedrig ist und beispielsweise loo°C beträgt, und daß Maßnahmen zum Schutz des Halbleiters erforderlich sind, da der Halbleiter stoßempfindlich ist. Durch diese Eigenschaften des Dehnungsmeßstreifens ist der Anwendungsbereich des Druckfühlers stark eingeschränkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Ausschaltung der Unzulänglichkeiten herkömmlicher Druckfühler einen Druckfühler zu schaffen, der in einem weiten Anwendungsbereich und einfach einsetzbar ist.

Ferner sollen bei dem erfindungsgemäßen Druckfühler verhältnismäßig einfache mechanische Bauteile verwendet werden, die wirtschaftlich herstellbar und im Betrieb äußerst zuverlässig sind.

Zur Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß als Material für einen Meßfühler ein amorphes Metallmaterial verwendet. Eine Anordnung von Widerstandskörpern aus einem amorphen 35

Metallmaterial hat mindestens vier Widex'standskorper-Elemente. Zivei Gruppen aus jeweils zwei Elementen werden auf Linien' angeordnet, die einander unter rechtem Winkel schneiden. Die beiden Linien weiden in die Radialrichtungen einer Membran gelegt, nämlich auf Linien, die die Mitte der Membran mit dem Umfang derselben verbinden. Alle Widerstandskörper-Elemente v/erden im wesentlichen in der gleichen Ausrichtung angeordnet. Jeder Widerstandskörper kann einen Zweig einer Brückenschaltung bilden, aus deren Ausgangssignal dann das dem Druck entsprechende Signal gewonnen wird. Durch die Verwendung der vorstehend genannten Gestaltung wird der Druck in ein elektrisches Signal in Form einer Widerstandswert-Änderung des amorphen Metallmaterials umgesetzt.

Das amorphe Metallmaterial hat die folgenden Eigenschaf^ten:

1) Der elektrische Widerstand ändert sich linear mit dem

Druck, wobei zwischen einem Druckanstieg und einem Druckabfall eine geringe Hysterese besteht.

2) Der maximale bzw. Sättigungswert des A'nderungsverhält_oc nisses des elektrischen Widerstands ist hoch und be-

trägt beispielsweise 5 bis 6%. Da der spezifische Widerstand des amorphen Metallmaterials um eine vielfaches höher als derjenige eines kristallinen Materials ist und beispielsweise l6o bis 190 /«Ω-cm beträgt, QQ hat die auf der Dehnung beruhende Widerstandsänderung einen sehr hohen Absolutwert.

"³O Die maximale Belastungsfähigkeit ist sehr hoch und beträgt beispielsweise 2oo bis ^!loo kg/mm". Aufgrund der hohen Elastizität ist die Widerstandsfähigkeit gegen-

über einer übermäßigen Belastung hoch.

Ί) Dn dir: Kr l.citnT.lifia.tJ ο nr. temperatur hoch ist und belb _o

r;piolrujoJü<5 '5oo C beträft, ist auch die maximale Betriebstemperatur hoch und beträgt beispielsweise 2oo°C.

5) Da leicht ein dünnes plattenförmiges Band in Plattenform hergestellt werden kann, das beispielsweise 2o/im breit und 3oMm dick ist, kann die Gestaltung einfach vorgenommen werden. Insbesondere hat ein amorphes Material, dem geringe Mengen von Chrom zugesetzt sind, ein großes Verhältnis hinsichtlich der elastischen

Verformung und überlegene Korrosionsbeständigkeit. 15

Da somit zum Erfassen der Verformung.der Membran ein amorphes Metallmaterial verwendet wird, ist es möglich, einen Druckfühler zu schaffen, der in einem beträchtlich erweiterten Anwendungsbereich eingesetzt werden ^kann·

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbei-. spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert,

Fig. la ist eine Vertikalschnittansicht des Druckfühlers 25

gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.

Fig. Ib ist eine vergrößerte Ansicht eines Schnitts längs einer Linie IB-IB in Fig. la.

Fig. 2 ist ein Schaltbild, das einen Aufbau zum Messen

Uer elektrischen Eigenschaften eines Bands aus amorphem Metall zeigt.

Fig. 3· zeigt eine Kennlinie für den Zusammenhang zwischen einer mechanischen Belastung und einem Widerstands-. änderungsverhältnis.

Fig. 4 zeigt eine Kennlinie für den Zusammenhang /.wischen einer Anzahl von Belastungen und einer Spannung

zwischen Klemmen.
10

Fig. 3 zeigt eine Kennlinie für den Zusamm^nhanf: zwi der Temperatur und der relativen Widerstandsänderung. <

Fig. 6 ist eine vergrößerte Teildraufsicht auf einen

Widerstandskörper 3a oder 3c.

Fig. 7 ist ein Schaltbild einer Äquivalenzschaltung für das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1.

Fig. 8 ist eine Draufsicht auf eine Membran und eine Widerstandskörper-Anordnung bei einem zweiten Ausführungsbeispiel des Druckfühlers.

Gemäß den Figuren la und Ib ist eine elektrisch isolierende Membran 1 mittels eines Hauptteils 2a und eines Deckelteils 2b eines Gehäuses 2 festgelegt. Auf die (in Fig. la unten liegende) Rückseite der Membran wurde zuerst eine Band-Platte 3 aus amorphem Metallmaterial

Fe₇gCr, (Si-B),q aufgebracht, aus der dann durch fitzen

vier Widerstandskörper 3a, $b, 3c, 3d in Rechteck- bzw. Mäanderform gebildet wurden. Die Widerstandskörper 3a, 3b, 3c und 3d sind alle in der gleichen, durch den Doppelpfeil A gezeigten Richtung ausgerichtet, wobei die Mitte 35

der Membran 1 von den Widerstandskörpern 3a, 3b, 3c und 3d umgeben ist. Die Widerstandskörper 3a, 3b sowie die

Widerstandskörper 3c und Jd sind jeweils symmetrisch zueinander angeordnet. In der gezeigten Ausführungsform der jeweiligen Widerstandskörper 3a·* 3b, 3c und 3d hat die in der durch den Doppelpfeil B dargestellten Richtung verlaufende Längenkomponente den größten Anteil an der Gesamtlänge. Die Widerstandskörper sind so ausgebildet, daß sie ohne eine Druckbelastung des Fühlers im wesent-* liehen gleiche elektrische Eigenschaften haben. An Anschlußteile zwischen den Widerstandskörpern 3a und 3c, , _ zwischen den Widerstandskörpern 3c und 3b und zwischen

den Widerstandskörpern 3b und 3d sind jeweils Zuleitungsdrähte 4a, 4b bzw. 4c angeschlossen. Die Widerstandskörper 3a und 3d sind mit einem Restteil der Band-Platte 3 aus dem amorphen Material verbunden, der zwischen die Membran 1 und den Hauptteil 2a des Gehäuses 2 gesetzt

ist und damit mit dem Hauptteil 2a verbunden ist. In eine in der Innenfläche des Deckelteils 2b ausgebildete Ringnut ist ein O-Ring 5 eingesetzt, durch den ein Zwischenraum 6 zwischen dem Deckel teil 2b und der Membran 1 __ luftdicht abgeschlossen wird. Der Deckelteil 2b hat einen mit dem Zwischenraum 6 in Verbindung stehenden Fluiddruck-Einlaß 7· Die Zuleitungsdrähte 4a, 4b und 4c sind weich, so daß sie die Verformung der Membran 1 nicht behindern.

_on Vor der Erläuterung der Funktionsweise des Druckfühlers gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird zunächst das Funktionsprinzip, nämlich die Widerstandsänderung des amorphen Metallmaterials in Abhängigkeit von der Dehnung erläutert.

Wenn R der Wlderstandswert eines Bands aus dem amorphen Metallmaterial mit der Länge 1 ist, hängt eine durch eine Dehnung verursachte Widerstandswert-Änderung AR nahezu ausschließlich von einer Verlängerung Δ. 1 des Bands ab. Da unabhängig von der Verlängerung Al der spezifische Widerstand und das Volumen konstant sind, kann die folgende Gleichung aufgestellt werden:

AR ^ 2 Δ1

"TT " "T"

Da das amorphe Metallmaterial eine maximale relative Dehnung Δ l/l in der Größenordnung von jfo hat, liegt

folglich das maximale Widerstandsänderungsverhältnis bzw. die maximale relative Widerstandsänderung AR/R in der. Größenordnung von 6%. Dieser Wert von 6% ist größer als derjenige bei einem Widerstandsdraht aus

einem Metall mit kristalliner Struktur. Wenn Probestücke 20

die gleiche Länge und die gleiche Quoröchnittsflfiche haben, ist der absolute Wert der Widerstandsänderung der Probe proportional zu dem spezifischen Widerstand. Daher ist der Absolutwert bei dem amorphen Material um das Mehrfache höher als derjenige bei dem Widerstands-

draht aus dem Metall mit der kristallinen Struktur. Ferner hat das amorphe Metallmaterial einen Elastizitäts-

h ο

modul, der die Größenordnung von Io kg/mm hat und damit um 2o bis J>o% kleiner als derjenige des Materials mit

der kristallinen Struktur ist; infolgedessen hat das 30

amorphe Metallmatcrial einen höheren Streckungs-Wirkungsgrad bei der Zugbelastung als das Material mit der kristallinen Struktur.

Die Flg. 3 zeigt eine Kennlinie für den Zusammenhang zwischen einer Zugbelastung Q und der relativen' Widerst andsanderung AR/R als Ergebnis der Messung von Spannungen zwischen Messing-Klemmen, zwischen denen ein Band mit einer Breite von lmm.«· einer Dicke von 35 /*m und einer Länge von loo mm aus dem amorphen Material Fe₇OCr^₅(Si-B)-Q

angebracht ist, über das ein konstanter Gleichstrom von 10

Io mA fließt und das mit der Belastung Q gedehnt wird.

Bei dieser Messung wurde die Belastung nach einer Steigerung von ο M.'„s 7 kg wieder allmählich auf ο kg verringert. D.1.0 relativ« Widerstandsänderung AR/H hatte eine maximale Hysterese von 0,67 % des Meßbereich-Endwerts. Bei einer Belastung von bis zu 4,5 kg (für eine relative Widerstandsänderung Ar/r von ungefähr 3$) lag die Linear'itätGabweichung unter 0,6$ des Meßbereich-Endwerts und war damit zufriedenstellend. Bei dieser Messung wurde

das Band zuvor 4oo mal mit 4 kg belastet, um dadurch die 20

Zugspannungs-Verteilung in einen Dauerzustand zu bringen.

Die Fig. 4 zeigt eine Kennlinie, die Änderungen der Klemmenspannung bei einer ,jeweiligen Anzahl von Belastungen

mit 4 kg --',eigt. Wenn bei dieser Messung die Anzahl der 25

Belastungen loo überschritten hat, ergab sich keine Änderung der Klemmenspannung mehr, so daß ein Dauerzustand erreicht war.

Die Fig. 5 zeigt eine Kennlinie, die Ergebnisse von 30

Messungen der relativen Widerstandsänderung AR/R bei veränderter Umgebungstemperatur T darstellt, wobei zur Messung das gleiche Band aus dem amorphen Metallmaterial für 2 min auf eine Temperatur von 35o°C erwärmt und dann

plötzlich abgekühlt wurde, xvonach nach einer 4oo-maligen Belastung mit 4 kg die Belastung Q, von 4 kg an dem Band aufgebracht wurde. Gemäß diesen Messungen ist bei einer Umgebungstemperatur T unterhalb von 195°C das Widerstandsänderungsverhältnis bzw. die relative Widerstandsänderung ά R/R nahezu konstant, nämlich beispielsweise auf o,5$ des Meßbereich-Endwerts konstant. Bei einer Temperatur T über P.oo°C besteht die Tendenz /,u einem Anstieg der relativen Widerstandsänderung AR/R.

Die Fig. 6 ist eine vergrößerte Teildraufsieht auf den Widerstandskörper 3^a oder 3c. Wenn der in Fig. la gezeigte Fluiddruek-Einlaß 7 mit Druck beaufschlagt wird, steigt der Druck in dem Zwischenraum 6 an, so daß die Membran 1 verformt wird. Dabei entsteht eine Zugspannung bzw. Dehnung in der radialen Richtung. Diese Zugspannung bzw. Dehnung wird auf die Widerstandskörper 3a, 3*>» 3c und 3d übertragen. Sobald die Zugspannung auf den Widerstandskörper 3a in der in Fig. 6 durch Pfeil B dargestellten Richtung übertragen wird, wird eine Länge L, in der Richtung des Pfeils B zu einer Länge L', gestreckt.

Da andererseits die Zugspannungsrichtung an dem Widerstandskörper 3c die durch den Pfeil A gezeigte Richtung ist, wird eine Länge Lp in der Richtung des Pfeils A zu einer Länge L'₂ gedehnt. Bei diesem Gestaltungsmuster des Widerstandskörpers ist jedoch die Länge L, weitaus größer als die Länge L₂, so daß L₁ '■$> L₂ gilt. Daher kann

AL₂ = L^f ₂ - L₂ gegenüber ΔΙ><= L^ - L₁ vernachlässigt werden. Der Widerstandskörper 3b wird wie der Widerstandskörper 3a stark gestreckt, während der Widerstandskörper 3d wie der Widerstandskörper 3c nur wenig gestreckt wird.

Da sich dabei gemäß den vorangehenden Ausführungen der Widerstandswert des Widerstandskörpers aus dem amorphen Metallmaterial entsprechend der Länge, nämlich der Dehnung bzw. Streckung verändert, ändern sich die Widerstandswerte der Widerstandskörper 3a und 3b entsprechend der ausgeübten Zugbelastung.

Die Fig. 7 ist ein Schaltbild einer Äquivalenzschaltung des Oruckfühlcro gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. la. Die Widerstandskörper 3a, 3b, 3c und 3d sind miteinander zu einer Brückenschaltung verbunden. Wenn der Ein-, laß 7 nicht mit Druck beaufschlagt wird, besteht in der Brückenschaltung der Gleichgewichtszustand, so daß daher beim Anlegen einer Gleich- oder Wechselspannung zwischen den Zuleitungsdraht 4b und das Gehäuse 2 keine Spannung am Ausgang zwischen den Zuleitungsdrähten 4a und 4c hervorgerufen wird. D.h., falls Ra, Rb, Rc und Rd jeweils die Widerstandswerte der Widerstandskörper Ja,-3b, 3c bzw. 3d sind, besteht der Gleichgewichtszustand der Brückenschaltung, wenn RaRb = RcRd gilt. Falls der Einlaß ¹J mit Druck beaufschlagt wird, ändern sich die Widerstandswerte der Widerstandskörper Ra und Rb auf R*a

bzw. It¹ b, wobei R'a größer als Ra und R'b größer als Rb ist. Dementsprecnend wird das Gleichgewicht der Brückenschaltung gestört und dadurch die dem anliegenden Druck entsprechende Spannung am Ausgang erzielt. Wenn sich die

Umgebungstemperatur ändert, erfahren alle Widerstands-" 30

körper Jb., 3b, 3c und 3d die gleiche relative Änderung des Widerstandswerts. Daher werden im ganzen die Eigenschaften der Brückenschaltung nicht von der Temperatur beeinflusst.

Die Pig. 8 ist eine Draufsicht auf die Membran 1 bei

einem zweiten AusfUhrungsboispiel des Üruckfühlers. 5

Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Ilauptteile der Widerstandskörper 3a.» yo, ?>c und Jd in der im wesentlichen gleichen, durch den Pfeil B gezeigten Richtung ausgerichtet. Im gleichen Sinne sind die Widerstandskörper ^a und j5b in der Radialrichtung der Membran 1 ausgerichtet, während die Widerstandskörper J>o und j5d in der zu dieser Radialrichtung senkrecht stehenden Radialrichtung ausgerichtet sind.

Somit wird bei dem Druckfühler gemäß den Ausführungs-

beispielen als Mittel für das Umsetzen der Verformung der Membran in ein elektrisches Signal ein amorphes Metallmaterial verwendet. Folglich kann dieser Druck-» fühler aufgrund der verschiedenartigen Vorteile des amorphen Metallmaterials in einem beträchtlich weiten

Anwendungsbereich eingesetzt werden.

Es wird ein Druckfühler angegeben, bei dem ein Fluiddruck mittels der Verformung einer Membran in ein elektrisches Signal umgesetzt wird. Der Druckfühler hat eine Anordnung von Widerstandskörpern aus einem amorphen Metallmaterial, das als ein Material für einen Dehnungsmeßstreifen verwendet wird. Die Widerstandckörper-Elemente der Widerstandskörper-Anorduung bilden jeweils einen Zweig einer Brückensehaltung, deren Ausgangssignal ein

dem Druck entsprechendes Signal darstellt.

jr.

Leerseite

Claims (2)

1. TeDTKE - BüHLING "...KlNNE 5SSTSK

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   Dipl.-Ing. R. Kinne

   2 3 3 3 5 ß Dipl.-Ing. R Grupe

   ^w Dipl-Ing B Pellm

   Dipl.-Ing. B. Pellmann Dipl.-Ing. K. Grams

   Bavariaring 4, Postfach 202403 8000 München 2

   Tel.: 089-539653

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   8. September I982 DE 2470 case W-1896

   Patentansprüche

   1J Druckfühler zum Umsetzen von Fluiddrücken in elektrische Signale, gekennzeichnet durch eine Membran (l), in der unter Druck eine Dehnung in radialer Richtung entsteht, ein Gehäuse (2), in dem die Membran gelagert ist, und eine an der Membran angebrachte Anordnung von Widerstandskörpern (3^a> 3b, 3c, 3d), die aus einem amorphen Metallmaterial bestehen und zwei W.iderstandakörper-Gruppen mit Widerstandskörper-Elementen bilden, wobei die Gruppen in einander unter rechtem Winkel schneidenden radialen Richtungen der Membran angeordnet sind, mindestens zwei Elemente einer Gruppe in der gleichen Ausrichtung angeordnet sind, jedes Element einen Widerstandskörper-Teil hat, der den größten Anteil der Gesamtlänge des Widerstandskörpers enthält und im xNresentlichen in der gleichen Ausrichtung angeordnet ist, und die Elemente zu einer Rrükkenschaltung verbindbar sind, in deren jeweils benachbarte Zweige Elemente für einander unter rechtem Winkel schneidende Richtungen geschaltet sind.
2. 2. Druckfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandskörper-Anordnung aus vier Widerstandskörper-Elementen (j5a, 3b, j5c, 3d) besteht, die im Ruhezustand gleiche elektrische Eigenschaften haben.

   A/25

   Dresdner Bank (München) Kto. 3 939 344 Bayer. Vereinsbank (München) Kto. 508 941 Postscheck (München) Kto. 670-43-804

   y. Druckfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß jedes Widerstandskörper-Element (^a J5b, J>Q, 3>d) ein Rechteck- bzw. Mäandermuster hat..