DE3510042C2

DE3510042C2 -

Info

Publication number: DE3510042C2
Application number: DE3510042A
Authority: DE
Inventors: Thomas P. Boxford Mass. Us Stephens
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1984-03-21
Filing date: 1985-03-20
Publication date: 1990-06-28
Also published as: DE3510042A1; FR2561514B1; US4572204A; GB2156998B; FR2561514A1; GB8507394D0; DE8508300U1; GB2156998A; JPH0477569B2; JPS60203234A

Description

Die Erfindung betrifft eine Druckmeßkapsel für Absolutdrücke zur Verwendung mit einem Druckwandler nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Eine solche Druckmeßkapsel ist Stand der Technik gemäß § 3 (2) 1. Patentgesetz (DE 35 05 924 A1).

Eine ähnliche Druckmeßkapsel ist aus US-Patent 41 85 641 bekannt. Die bekannte Druckmeßkapsel kann in Verbindung mit Druckwandlern verwendet werden, bei denen eine Oberfläche des Körpers einen zylindrischen Hohlraum aufweist, der durch eine druckempfindliche Oberfläche abgeschlossen ist und über einen Einlaß zum Druckausgleich mit der Umgebungsluft in Verbindung steht. Der Boden des zylindrischen Hohlraums und die innen liegende Seite der druckempfindlichen Oberfläche sind jeweils mit einer Schicht eines leitenden Materials beschichtet, wobei die Schichten Platten eines Kondensators sind und die dazwischen liegende Luft als Dielektrikum dient. Der Druckwandler ist im wesentlichen in einer in das Druckwandlergehäuse geformten Aushöhlung untergebracht. Im Betrieb sind Druckmeßkapsel und Druckwandlergehäuse so zusammengeklammert, daß das obere Ende der Kapselwand die Außenfläche der druckempfindlichen Oberfläche am Rand um den zylindrischen Hohlraum des Druckwandlergehäuses berührt und sich die Membran in unmittelbarem Kontakt mit der druckempfindlichen Oberfläche befindet. Beim Zu- und Abnehmen des Druckes einer Flüssigkeit in dem Hohlraum der Kapsel teilt sich der Druck über die flexible Membran der druckempfindlichen Oberfläche mit, so daß sich letztere vom Boden des Hohlraums im Druckwandlergehäuse weg- oder auf diesen zubewegt, wobei die Kapazität des Kondensators vergrößert und verkleinert wird. Der Kondensator ist durch elektrische Anschlüsse mit einem Stromkreis verbunden, der die Kapazitätsänderungen in entsprechende Signale umsetzt, die dem Flüssigkeitsdruck entsprechen. Wie die Erfahrung zeigte, führen Schwankungen der Temperatur der Außenluft oder der Flüssigkeit im Kapselhohlraum zu fehlerhaften Meßergebnissen.

Es ist ein Differenzdruckmesser bekannt (US-PS 40 86 815), bei dem eine nachgiebige Wand so ausgebildet ist, daß sie Verspannungen von der Wand fernhält. Ferner ist eine Druckmeßkapsel bekannt, die nach dem piezoelektrischen Prinzip arbeitet und eine mit dünnen Wänden gestaltete Membran aufweist, die durch Temperatureffekte hervorgerufene radial Spannungen abbauen (US-PS 40 56 009).

Bei einer Druckmeßkapsel nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 wird durch die kennzeichnenden Merkmale die Aufgabe gelöst, durch Temperaturänderungen erzeugte Wandverspannungen und dadurch bedingte Meßfehler zu vermeiden.

Anspruchsgemäß ist die den Hohlraum bildende Wand der Druckmeßkapsel so nachgiebig, daß der größte Teil der radialen Kräfte, die durch Expansion oder Kontraktion des Basisteils auf das mit dem Basisteil verbundene Ende der Wand ausgeübt werden, nicht auf das mit der Membran verbundene Ende der Wand übertragen werden, und liegt das Verhältnis der Höhe der Wand zur Stärke der Wand zwischen 10 und 2,5 und die Biegelastizität des Wandmaterials zwischen 1,0 × 10⁶ kPa und 4,8 × 10⁶ kpa. Als eine Hauptquelle für fehlerhafte Druckmessungen erwiesen sich die durch die Wärmeausdehnung des Basisteils der Druckmeßkapsel entstehenden und auf die druckempfindliche Oberfläche des Druckwandlers durch die Hohlraumwand übertragenen radialen Kräfte, die eine Wölbung der druckempfindlichen Oberfläche nach oben oder unten verursachen, wobei die Kapazität des Kondensators verändert und ein unerwünschtes Drucksignal erzeugt wird. Die Wölbung der druckempfindlichen Oberfläche des Druckwandlers, die dadurch entsteht, daß die druckempfindliche Oberfläche gegenüber dem Basisteil der Kapsel einen geringeren Wärmeausdehnungsgrad hat und sich daher nicht im gleichen Maße mit dem Basisteil ausdehnt oder zusammenzieht, wird durch die Nachgiebigkeit der Wand gemäß Anspruch 1 ebenso beträchtlich reduziert wie das Weggleiten des mit der Membran verbundenen Endes der Wand in Bezug auf die druckempfindliche Oberfläche.

Dieses Weggleiten, das ein unerwünschtes Drucksignal oder eine Nullpunktverschiebung zur Folge haben kann, tritt auf, wenn die radiale Wärmeausdehungskraft, die auf das mit der Membran verbundene Ende der Wand übertragen wird, die Reibungskraft in dem Bereich zwischen Membran und druckempfindlicher Oberfläche übersteigt, wo die Wand auf der druckempfindlichen Oberfläche aufliegt. Darüberhinaus kann eine Bewegung des oberen Endes der Wand in Bezug auf die druckempfindliche Oberfläche zu Fehlern in folgenden Druckmessungen führen, wenn die Wand nicht in ihre ursprüngliche Position auf der druckempfindlichen Oberfläche zurückkehrt, wenn die Temperatur des Basisteils ihren Ausgangswert wieder erreicht.

Ein bevorzugtes Mittel zum Erreichen der gewünschten Nachgiebigkeit ist die Vergrößerung der Wandhöhe im Verhältnis zur Wandstärke. Gute Ergebnisse wurden mit einer kreisförmigen Wand aus Polykarbonat mit einem Innendurchmesser von 2,39 cm, einer Höhe von 0,269 cm und einer Dicke von 0,064 cm erziehlt. Bei dieser Wand beträgt das Verhältnis der Höhe zur Dicke 4,2. Eine noch dünnere Wand bei gleicher Höhe wäre wünschenswert, ist jedoch im Gußverfahren kaum zu erreichen, und eine maschinelle Herstellung oder Anfügung eines separaten Teils wäre zu kostspielig.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen näher beschrieben.

In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1A, 1B, 1C Schnitte, die jeweils die in einer bekannten Druckmeßkapsel vorherrschenden Gegebenheiten in folgenden Positionen veranschaulichen: das Basisteil ist weder expandiert noch kontrahiert; das Basisteil ist expandiert; das Basisteil ist kontrahiert;

Fig. 2A, 2B, und 2C Schnitte, die jeweils die vorherrschenden Gegebenheiten in einer Druckmeßkapsel mit einer gemäß der Erfindung gefertigten Wand aus starrem Material in folgenden Positionen veranschaulichen: das Basisteil ist weder expandiert noch kontrahiert; das Basisteil ist expandiert; das Basisteil ist kontrahiert; und

Fig. 3A, 3B und 3C Schnitte, die jeweils die vorherrschenden Gegebenheiten in einer Druckmeßkapsel mit einer Wand aus nachgiebigem Material in folgenden Positionen darstellen: das Basisteil ist weder expandiert noch kontrahiert; das Basisteil ist expandiert; das Basisteil ist kontrahiert.

Identische Teile sind in den Zeichnungen gleich gekennzeichnet, und die Hohl- und Leerräume werden als kreisförmig angenommen. Aus Gründen der Klarheit sind keine elektrischen Anschlüsse gezeigt.

Fig. 1A zeigt eine bekannte mit einem Druckwandler T zusammengeklammerte Druckmeßkapsel D₁. Die Druckmeßkapsel D₁ ist mit den folgenden Bestandteilen dargestellt: einem Basisteil 2, an das der Fuß einer ringförmigen Wand W₁ anschließt, wodurch ein Hohlraum 4 gebildet wird. Ein Einlaß 6 und ein zweiter dazu identischer, nicht gezeigt, dienen zum Anschluß an einen Katheter und zum Einfüllen einer Flüssigkeit in den Katheter und den Hohlraum 4. Eine Membran M ist mit dem Ende der Wand W₁ verklebt und verschließt so den Hohlraum 4, und eine die Wand W₁ umgebende kreisförmige Wand 5 schließt an den Basisteil 2 an.

Der Druckwandler T hat einen Körper 7 mit einem in ihm ausgesparten Hohlraum 8 und einer druckempfindlichen Oberfläche d, die so mit dem Körper 7 verbunden ist, daß der Hohlraum 8 verschlossen wird. Die innenliegende Oberfläche der druckempfindlichen Oberfläche d ist mit einer Schicht 10 aus leitendem Material beschichtet, und der Boden des zylindrischen Hohlraums 8 ist beschichtet mit einer Schicht 12 aus leitendem Material, welches die Form eines Kreises hat (in diesem Schnitt nicht gezeigt), und einer von der Schicht 12 beabstandeten Schicht 14 ebenfalls aus leitendem Material. Die Schicht 14 hat die Form eines Ringes, was in Fig. 1A nicht dargestellt ist.

Die Druckmeßkapsel D₁ und der Druckwandler T können in jeder geeigneten Weise zusammengeklammert werden, z. B. durch eine bekannte Federstruktur. Diese ist schematisch dargestellt durch die jeweilige Verbindung von Spannfedern 18 und 20 zwischen der ringförmigen Wand 5 der Druckmeßkapsel D₁ und Vorsprüngen 22 und 24 am Druckwandler T.

Fig. 1B ist eine Darstellung des Druckwandlers T und der bekannten Druckmeßkapsel D₁ von Fig. 1A bei expandiertem Basisteil 2. Da die Wand W₁ mit dem Basisteil 2 verbunden ist, ist ihr Fuß ebenfalls radial expandiert, und da sie wenig nachgiebig ist, ist ihr oberes Teil um den gleichen Betrag expandiert. Da die auswärts gerichteten radialen Kräfte am oberen Ende der Wand W₁ so groß sind, daß sie die Reibungskraft zwischen der Membrane M und der druckempfindlichen Oberfläche in dem Berührungsbereich des oberen Endes der Wand W₁ mit der druckempfindlichen Oberfläche d übersteigen, bewirken sie wie gezeigt, daß das obere Ende der Wand W₁ in Bezug auf die druckempfindliche Oberfläche d nach außen weggleitet. Die solchermaßen von dem oberen Ende der Wand W₁ auf die druckempfindliche Oberfläche ausgeübte radiale Kraft erzeugt ein Drehmoment um die Kante des zylindrischen Hohlraums 8, das eine Auswölbung der druckempfindlichen Oberfläche d nach oben bewirkt, wie dargestellt, so daß der Abstand zwischen der Kondensatorplatte 10 und den Kondensatorplatten 12 und 14 vergrößert wird. Dies bewirkt eine unerwünschte Abschwächung des Durcksignals.

Fig. 1C ist eine Darstellung der bekannten Druckmeßkapsel D₁ von Fig. 1A in Verbindung mit dem Druckwandler T, wobei der Basisteil 2 der Kapsel D₁ radial kontrahiert ist. Wieder ist die Nachgiebigkeit der Wand W₁ so gering, daß sich ihr oberes Ende im gleichen Maße bis auf die gezeigte Position zusammenzieht. Die nach innen gerichteten und auf die druckempfindliche Oberfläche d ausgeübten radialen Kräfte bewirken eine Auswölbung der druckempfindlichen Oberfäche d nach unten, wodurch sich der Abstand zwischen der Kondensatorplatte 10 und den Kondensatorplatten 12 und 14 verkleinert und eine unerwünschte Zunahme des Drucksignals bewirkt.

Die Wand dieser Druckmeßkapsel hatte einen Innendurchmesser von 2,29 cm, eine Höhe von 0,269 cm und eine Stärke von 0,254 cm, d. h. das Verhältnis von Höhe zu Breite der ringförmigen Wand W₁ der bekannten Kapsel D₁ betrug 1,06 : 1.

Gut Ergebnisse wurden durch die Änderung des Verhältnisses in 4,2 : 1 erzielt. Im Idealfall sollte das Verhältnis größer sein und 19 : 1 betragen. Das niedrigste Verhältnis, das noch einen Vorteil von Bedeutung aufweist, ist bei 2,5 : 1 angesetzt. In der dargestellten Konstruktion des Ausführungsbeispiels wurde die Höhe der Wand aus speziellen Gründen begrenzt, so daß die gewünschte Vergrößerung des Verhältnisses nur dadurch erreicht werden konnte, daß die ringförmgie Wand W₂ dünner als die oben erwähnten 0,254 cm gemacht wurde. Das gewünschte Verhältnis könnte jedoch auch durch eine Zunahme der Höhe erreicht werden. Dies könnte sowohl durch Bearbeitung der Wand als auch durch Herstellung der Wand aus einem separaten Teil erreicht werden, die zusätzlichen Kosten wurden jedoch für eine kostengünstige Einwegkapsel für zu groß erachtet. Die angegebenen Daten gelten für Kapseln aus Polykarbonat mit einem elastischen Biegemodul von 2,2 × 10⁶ kPa. Materialien mit einem Elastizitätsmodul zwischen 1,0×10⁶ kPa und 4,8×10⁶ kPa wären auch verwendbar.

Fig. 2A zeigt eine mit einem Druckwandler T verbundene Druckmeßkapsel D₂ gemäß der vorliegenden Erfindung, deren Basisteil 2 weder expandiert noch kontrahiert ist. Die Kapsel D₂ ist gleichartig mit der Kapsel D₁ bis auf die Tatsache, daß die Wand W₂ im Vergleich zur Wand W₁ nachgiebiger ist, da das Verhältnis zwischen ihrer Höhe und ihrer Stärke größer ist.

Ob das obere Ende der ringförmigen Wand W₁ seine Position in Bezug auf die Peripherie des zylindrischen Hohlraums 8 wie in Fig. 1B und 1C dargestellt verändert, hängt theoretisch von der Kraft ab, mit der die Federn 18 und 20 die Kapsel D₁ und den Druckwandler T zusammenhalten. Die durch Wärmeausdehnung hervorgerufenen Kräfte sind im allgemeinen so groß, daß die durch die Federn ausgeübten Kräfte impraktikabel groß sein müßten, um ein Weggleiten zu verhindern. Darüberhinaus wären Federn, die so starke Kräfte liefern können, teuer und würden vom Benutzer das Aufwenden einer unzweckmäßig großen Kraft beim An- und Abkoppeln der Kapsel D₁ an oder vom Druckwandler T verlangen. In jedem Fall würde abgesehen vom Weggleiten, das eine Veränderung des vom Druckwandler übermittelten Ausgangssignals bewirkt, die in den Fig. 1 B und 1C gezeigte Auswölbung nach oben und unten weiterhin auftreten.

Wenn der Basisteil 2 und somit auch der Fuß der Wand W₂ sich, wie in Fig. 2B gezeigt, nach außen hin ausdehnen, biegt sich die nachgiebige Wand W₂, so daß sie die radial nach außen gerichteten Kräfte zwischen der Membrane und der druckempfindlichen Oberfläche in dem Berührungsbereich des oberen Endes der Wand mit der druckempfindlichen Oberfläche so sehr abschwächt, daß sie kleiner sind als die durch angemessene Federn erhaltenen Reibungskräfte, die die Kapsel D₂ und den Druckwandler T zusammenhalten. Unter diesen Bedingungen tritt kein Weggleiten auf. Darüber hinaus sind die zwischen der Membrane M und der druckempfindlichen Oberfläche d in dem Berührungsbereich des oberen Endes der Wand W₂ mit der druckempfindlichen Oberfläche einwirkenden radialen Kräfte so gering, daß sich das Diaphragma nicht wölbt. Fig. 2C zeigt den Zustand, wenn der Basisteil 2 der Druckmeßkapsel sich zusammenzieht. Aufgrund ihrer größeren Nachgiebigkeit biegt sich die Wand W₂ wie dargestellt, so daß die radial nach innen gerichteten Kräfte zu klein sind, um ein Weggleiten oder eine Auswölbung der druckempfindlichen Oberfläche zu verursachen. Bei Verwendung einer Druckmeßkapsel D₂ mit den Merkmalen der Erfindung hat die Ausdehnung oder Zusammenziehung des Basisteils 2 der Druckmeßkapsel somit keine signifikante Auswirkung auf das Drucksignal.

Fig. 3A, 3B und 3C stellten die Wirkung bei Verwendung einer Druckmeßkapsel D₃ dar, die von der Druckmeßkapsel D₁ dadurch verschieden ist, daß zwar ihre Wand W₃ genauso dick wie die Wand W₁ ist, aber aus Gummi hergestellt ist, so daß diese Wand in der gleichen Weise wie die Wand W₂ bei der Ausdehnung und Zusammenziehung des Basisteils nachgibt. Die Expansion und Kontraktion des elastischen Materials verschlechtert das Verhalten bei höheren Frequenzen.

Claims

1. Druckmeßkapsel für Absolutdrücke zur Verwendung mit einem kapazitiven Druckwandler mit

- einem Basisteil (2),
- einer auf dem Basisteil angeordneten Wand (W₂, W₃) zum Bilden eines Hohlraums (4),
- einer mit dem anderen Ende der Wand verbundenen, den Hohlraum verschließen, Membran (M) und
- Einlässen (6), die in den Hohlraum führen,
- wobei die Membran (M) mit ihrer dem Hohlraum (4) abgewandten Seite an einer druckempfindlichen Oberfläche (d) des Druckwandlers (T) in Anlage gehalten ist,

dadurch gekennzeichnet, daß die Wand (W₂, W₃) derart nachgiebig ausgebildet ist, daß der größte Teil der radialen Kräfte, die durch Expansion oder Kontraktion des Basisteils (2) auf das mit dem Basisteil verbundene Ende der Wand (W₂, W₃) ausgeübt werden, nicht auf das mit der Membran (M) verbundene Ende der Wand (W₂, W₃) übertragen werden, daß das Verhältnis der Höhe (W₂, W₃) zur Stärke der Wand (W₂, W₃) zwischen 10 und 2,5 liegt, und daß die Biegeelastizität des Wandmaterials zwischen 1,0 × 10⁶ kPa und 4,8 × 10⁶ kPa liegt.

2. Druckmeßkapsel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand (W₂) aus Polykarbonat besteht.

3. Druckmeßkapsel nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand (W₂) 0,064 cm dick und 0,269 cm hoch ist.

4. Druckmeßkapsel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (18, 20) dazu eingerichtet sind, die druckempfindliche Oberfläche (d) des Druckwandlers (T) mit einer Kraft von 8,9 N bis 35,6 N mit der Membran (M) in Berührung zu halten, wobei der statische Reibungskoeffizient zwischen der Membran (M) und der druckempfindlichen Oberfläche (d) zwischen 0,5 und 0,2 beträgt, und daß die Wand (W₂, W₃) so nachgiebig ist, daß ihr mit der Membran (M) verbundener Teil bei Temperaturänderungen zwischen 15° C und 40° C in einer Flüssigkeit im Hohlraum (4) oder in der Umgebungsluft in bezug auf die druckempfindliche Oberfläche (d) stationär ist.