DE3233356C2

DE3233356C2 - Druckmeßfühler

Info

Publication number: DE3233356C2
Application number: DE3233356A
Authority: DE
Inventors: Kaneo Fukuoka Aichi Mohri; Takeshi Okazaki Aichi Nakane
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 1981-09-09
Filing date: 1982-09-08
Publication date: 1986-06-19
Also published as: JPS5844323A; US4488436A; DE3233356A1

Abstract

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 Widerstandskörper-Elemente der Widerstandskörper-Anordnung bilden jeweils einen Zweig einer Brückenschaltung, deren Ausgangssignal ein dem Druck entsprechendes Signal darstellt.

Description

35

Die Erfindung betrifft einen Druckmeßfühler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der US-PS 35 20191 ist ein derartiger Druckmeßfühler bekannt, der mit vier herkömmlichen Dehnungsmeßstreifen arbeitet, die auf einer integral ausgebildeten, sich entsprechend dem jeweiligen Druck deformierenden Membran angebracht sind. Solche Druckmeßfühler ermöglichen zwar eine verhältnismäßig gute Druckmessung, unterliegen jedoch Beschränkungen hinsichtlich der Meßlinearität und der maximalen Einsetztemperatur. Zur Verbesserung des Meßverhaltens ist bei dem aus der US-PS 35 20 191 bekannten Druckmeßfühler daher ein Aufbau vorgeschlagen, bei dem an der Membranrückseite ein langgestreckter Stahlstreifen angeordnet ist, der im Bereich der Dehnungsmeßstreifen jeweils verhältnismäßig tiefe Rillen besitzt. Diese Ausgestaltung erfordert allerdings relativ großen konstruktiven Aufwand.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Druckmeßfühler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, der sich bei großem Einsatzbereich durch einfachen und zuverlässigen Aufbau auszeichnet.

Diese Aufgabe wird mit dem in kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Merkmal gelöst.

Der erfindungsgemäße Druckmeßfühler ermöglicht eine nahezu hysteresefreie und lineare Druckmessung, da sich der elektrische Widerstand des amorphen Metallmaterials linear mit dem Druck unter lediglich sehr geringer Hysterese ändert. Hierbei ist der Sättigungswert des Änderungsverhältnisses des elektrischen Widerstands sehr hoch und liegt beispielsweise bei 5 bis 6%. Dabei zeigt die auf der Dehnung beruhende Widerstandsänderung einen sehr einfach und zuverlässig auswertbaren sehr hohen Absolutwert, da der spezifische Widerstand des amorphen Metailmaterials um ein Vielfaches höher ist, als derjenige eines kristallinen Materials und beispielsweise 160 bis 190 μΩ χ cm beträgt. Demgegenüber lassen sich beispielsweise m:t Dehnungsmeßstreifen mit einem Widerstandsdraht aus kristallinem Metall wie beispielsweise einer Nickel-Kupfer-Legierung nur relativ geringe Ausgangsspannungen erzielen. Darüberhinaus zeichnet sich der erfindungsgemäße Druckmeßfühler im Gegensatz zu herkömmlichen, mit Nickel-Kupfer- oder Halbleitermaterial-Widerstandsdrähten arbeitenden Druckmeßfühlern durch sehr hohe mechanische Belastungsfähigkeit aus, da die maximale Belastungsfähigkeit des amorphen Metallmaterials äußerst hoch ist und beispielsweise 200 bis 400 kg/mm² beträgt Die hohe Elastizität des Materials erteilt dem erfindungsgemäßen Druckmeßfühler damit eine sehr hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber übermäßiger Belastung wie etwa einer Schockbeanspruchung. Ferner hält der erfindungsgemäße Druckmcßfühler auch sehr hohen Betriebstemperaturen von beispielsweise 200⁰C stand, während die maximale Betriebstemperatur bei herkömmlichen Dehnungsmeßstreifen zwischen 8O⁰C und 100⁰C beträgt. Schließlich zeichnet sich der erfindungsgemäße Druckmeßfühler durch sehr einfache Herstellbarkeit aus, da das amorphe Metalimaterial als dünnes plattenförmiges Band herstellbar ist, das beispielsweise 20 μηι breit 30 μιη dick ist. Insbesondere der Zusatz von geringen Mengen von Chrom verbessert darüberhinaus noch weiter die elastische Verformbarkeit und stellt sehr hohe Korrosionsbeständigkeit sicher.

Vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausfuhrungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. la eine Vertikalschnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels des Druckmeßfühlers,

F i g. Ib eine vergrößerte Ansicht eines Schnitts längs einer Linie IB-IBin Fig. la,

F i g. 2 ein Schaltbild, das einen Aufbau zum Messen der elektrischen Eigenschaften eines Bands aus amorphem Metall zeigt,

Fig.3 eine Kennlinie für den Zusammenhang zwischen einer mechanischen Belastung und einem Widerstandsänderungsverhältnis,

Fig.4 eine Kennlinie für den Zusammenhang zwischen der Anzahl von Belastungen und einer Klemmenspannung,

Fig.5 eine Kennlinie für den Zusammenhang zwischen der Temperatur und der relativen Widerstandsänderung,

Fig.6 eine vergrößerte Teildraufsicht auf einen Widerstandskörper,

Fig.7 ein Schaltbild einer Äquivalenzschaltung für das Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 und

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

Gemäß den Fig. la und Ib ist eine elektrisch isolierende Membran 1 zwischen einem Hauptteil 2;i und einem Deckelteil 2b eines Gehäuses 2 festgelegt. Auf die (in Fig. la unten liegende) Rückseite der Membran wurde zuerst eine Platte 3 aus amorphem Metalliruitcrial mit der Zusammensetzung FezeCrj (Si-B)m aufge-

bracht, aus der dann durch Ätzen vier Widerstandskörper 3a, 36,3c; 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 der Membran 1 von den Widerstandskörpern 3a, 3b, 3c und 3d umgeben ist. Die Widerstandskörper 3ß, 36 sowie die Widerstandskörper 3c und 3d sind jeweils symmetrisch zueinander angeordnet In der gezeigten Ausführungsform der jeweiligen Widerstandskörper 3a, 3b, 3c und 3 d hat die in de; 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 wesentlichen gleiche elektrische Eigenschaften haben. An Anschlüsse 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 Platte 3 aus amorphem Material verbunden, der sich zwischen der Membran 1 und dem Hauptteil 2a des Gehäuses 2 befindet und mit letztem 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 Deckelteil 2b und der Membran 1 luftdicht abgeschlossen wird. Der Deckelteil 2b hat einen mit dem Zwischenraum 6 in Verbindung stehenden FIuiddruck-Einiaß 7. Die Zuleitungsdrähte 4a, 4b und 4c sind weich, so daß sie die Verformung der Membran 1 nicht behindern.

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

40

AR.
R

= 2

ΔΙ

0)

Das amorphe Metallmaterial ermöglicht eine maximale relative Dehnung Δ ///in der Größenordnung von 3%, so daß folgich das maximale Widerstandsänderungsverhältnis bzw. die maximale relative Widerstandsänderung Δ RIR in der größenordnung von 6% liegt. Dieser Wert von 6% ist größer ais derjenige bei einem Widerstandsdraht aus einem Metall mit kristallincr Struktur. Weiterhin ist der absolute Wert der Widerstandsänderung der Probe proportional zu dem spezifischen Widerstand. Daher ist der Absolutwert bei dem amorphen Material um das Merfache höher als derjenige bei dem Widerstandsdraht aus dem Metall mit der kristallinen Struktur. Ferner hat das amorphe Metallmaterial einen Elastizitätsmodul, der in der Größenordnung von 10⁴ kg/mm² liegt und damit um 20 bis 30% kleiner als derjenige des Materials mit kristalliner Struktur ist; infolgedessen hat das amorphe Metallmaterial einen höheren Streckungs-Wirkungsgrad bei einer Zugbelastung als kristallines Material.

Fig.3 zeigt die Kennlinie für die Abhängigkeit der relativen Widerstandsänderung Δ RIR von der Zugbelastung Q als Ergebnis der Messung von Spannungen zwisehen Messing-Klemmen, zwischen denen ein Band mit einer Breite von 1 mm, einer Dicke von 35 μΐη und einer Länue von 100 mm aus amorphem Material mit der Zusammensetzung Fe7eCr3 (Si-B)i9 angebracht ist über das ein konstanter Gleichstrom von 10 mA fließt und das mit der Belastung Q gedehnt wird. Bei dieser Messung wurde die Belastung nach einer Steigerung von 0 bis 7 kg wieder allmählich auf 0 kg verringert Die relative Widerstandsänderung ARIR hatte eine maximale Hystere von 0,67% des Meßbereich-Endwerts. Bei einer Belastung von bis zu 4,5 kg (für eine relative Widerstandsänderung A RIR von ungefähr 3%) !ag die Linearitätsabweichung unter 0,6% des Meßbereich-Endwerts und zwar damit zufriedenstellend. Bei dieser Messung wurde das Band zuvor 400 mal mit 4 kg belastet um dadurch die Zugspannungs-Verteilung in einem Dauerzustand zu bringen.

F i g. 4 zeigt als Kennlinie die Änderungen der Klemmenspannung in Abhängigkeit von der Anzahl von Belastungen mit 4 kg. Wenn bei dieser Messung die Anzahl der Belastungen 100 überschritten hat ergab sich keine Änderung der Klemmenspannung mehr, so daß ein Dauerzustand erreicht ist

Fi g. 5 zeigt die Ergebnisse der Messungen der relativen Widerstandsänderung Δ RIR bei veränderter Umgebungstemperastur T. Zur Messung wurde das vorstehend beschriebene Band aus amorphem Metallmaterial für 2 min auf eine Temperatur von 350⁰C erwärmt und dann plötzlich abgekühlt wurde, wonach nach einer 400-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 195⁰C das Widerstandsänderungsverhältnis bzw. die relative Widerstandsänderung A RIR mit Toleranzen unter 0,5% des Meßbereich-Endwerts nahezu konstant. Bei einer Temperatur Tuber 200⁰C besteht die Tendenz zu einem Anstieg der relativen Widerstandsänderung Δ RIR.

F i g. 6 zeigt eine vergrößerte Teildraufsicht auf den Widerstandskörper 3a oder 3c. Wenn der in F i g. 1 a gezeigte Fluiddruck-Einlaß 7 mit Druck beaufschlagt wird, steigt der Druck in dem Zwischenraum 6 an, so daß sich die Membran 1 verformt. Dabei entsteht eine Zugspannung bzw. Dehnung in radialer Richtung. Diese Zugspannung bzw. Dehnung wird auf die Widerstandskörper 3a, 3b, 3c und 3d übertragen. Die Zugspannung im Widerstandskörper 3a wirkt in der in F i g. 6 durch den Pfeil B dargestellten Richtung, wobei sich die Länge L\ in Richtung des Pfeils B zu einer Länge L₁' vergrößert. Da andererseits die Zugspannungsrichtung an dem Widerstandskörper 3c die durch den Pfeil A gezeigte Richtung ist, wird die Länge L₂ in der Richtung des Pfeils A zu einer Länge L₂ vergrößert Bei diesem Gestaltungsmuster des Widerstandskörpers ist jedoch die Länge L\ weitaus größer als die Länge L₂. Daher kann

AL₂ = L₂'—L₂ gegenüber
AL^ = L₁' -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 amorphem Metallmaterial entsprechend der Länge, närMich der Dehnung bzw. Streckung verändert, ändern sich die Widerstandswerte der Widerstandskörper 3a und 3b entsprechend der ausgeübten Zugbelastung.

Fig. 7 ist ein Schaltbild einer Äquivalenzschaltung des Druckmeßfühlers gemäß Fig. la. Die Widerstands-

körper 3a, 36, 3c und 3d sind miteinander zu einer Brükkenschaltung verbunden. Wenn der Einlaß 7 nicht mit Druck beaufschlagt wird, ist die Brückenschaltung im Gleichgewicht, 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 4cauftritt wenn

Ra₂ Rb = Rc\ Rd ι ο

gilt, wobei Ra₁ Rb, Rc und ßc/ jeweils die Widerstandswerte der Widerstandskörper 3a, 36,3c bzw. 3d bezeichnen. Wird der Einlaß 7 mit Druck beaufschlagt, ändern sich die Widerstandswerte der Widerstandskörper Ra und Rb auf R'a bzw. R'b, wobei R'a größer als Ra und R'b größer als Rb ist. Dementsprechend wird das Gleichgewicht der Brückenschaltung gestört und dadurch eine dem anliegenden Druck entsprechende Spannung am Ausgang erzielt Wenn sich die Umgebungstemperatur ändert, erfahren alle Widerstandskörper 3a, 3b, 3c und 3d die gleiche relative Änderung des Widerstandswerts. Daher werden die Eigenschaften der Brückenschaltung durch die Temperatur nicht beeinflußt.

F i g. 8 zeigt eine Draufsicht auf die Membran t bei einem zweiten Ausführungsbeispiel des Druckmeßfühlers. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Hauptteile der Widerstandskörper 3a, 3b, 3c und 3d in der im wesentlichen gleichen, durch den Pfeil B gezeigten Riehtung ausgerichtet. Im gleichen Sinne sind die Widerstandskörper 3a und 3b in der Radialrichtung der Membran 1 ausgerichtet, während die Widerstandskörper 3c und 3d in der zu dieser Radialrichtung senkrecht stehenden Umfangsrichtung ausgerichtet sind.

Somit wird bei dem Druckmeßfühler zum Umsetzen der Verformung der Membran in ein elektrisches Signal amorphes Metallmaterial verwendet, so daß der Druckmeßfühler in einem beträchtlichen weiten Anwendungsbereich eingesetzt werden kann.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Druckmeßfühler zum Umsetzen eines Fluiddruckes in ein entsprechendes elektrisches Signal, mit einer in einem Gehäuse gelagertem Membran, deren radiale Dehnung dem jeweiligen Druck entspricht und an der mehrere Widerstandselemente angebracht sind, die in zwei Widerstandselemente-Gruppen zusammengefaßt sind, die ihrerseits in einander unter rechtem Winkel schneidenden radialen Richtungen der Membran angeordnet sind, wobei mindestens zwei Widerstandselemente jeweils einer Gruppe in der gleichen Ausrichtung angeordnet und die Widerstandselemente in Form einer Brücken- is Schaltung verbunden sind, in deren jeweils benachbarte Zweige Widerstandselemente für einander unter rechtem Winkel schneidende Richtungen geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandselemente (3a bis 3d) aus amorphem Metallmaterial bestehen.

2. Druckmeßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das amorphem Metallmaterial aus Fe₇SCr₃ (Si-BJi₉ besteht.

3. Druckmeßfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsbahnen der beiden Widerstände einer der beiden Gruppen im wesentlichen konzentrisch zum Mittelpunkt der kreisförmigen Membran (1) verlaufen, während die Widerstandsbahnen der beiden Widerstandselement der anderen Gruppe im wesentlichen radial zum Membranmittelpunkt orientiert sind.