DE3711017A1 - Druckgeber - Google Patents
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- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Druckgeber, der einen
Druck ermittelt. Insbesondere ist die Erfindung darauf abgestellt,
einen verbesserten Druckgeber zu schaffen, der eine
bewegbare, an einem Faltenbalg angebrachte Elektrodenplatte
sowie eine feste Elektrodenplatte umfaßt, wobei beide Elektrodenplatten
einen Kondensator mit einer durch eine Druckänderung
veränderlichen Kapazität bilden.
Zum Stand der Technik, von dem die Erfindung ausgeht, wird
auf die beigefügten Fig. 1-4 Bezug genommen. In diesen
zeigt
Fig. 1 eine perspektivische Übersichtsdarstellung eines
herkömmlichen Druckgebers;
Fig. 2 einen Querschnitt des herkömmlichen Druckgebers;
Fig. 3 einen vergrößerten Teil-Querschnitt des herkömmlichen
Druckgebers;
Fig. 4 schematisch eine herkömmliche Schaltung zur Ermittlung
von Druckänderungen.
Die Fig. 1-3 zeigen ein Gehäuse 10 mit einem innen liegenden
Boden 11 und mit hochstehenden Wänden 12. Im Boden ist
eine O-Ringkehle 13 zur Aufnahme eines O-Ringes 20 ausgebildet,
durch den ein hermetisch abgedichteter Raum erhalten
wird. An einem Druckeinlaß 14 steht der zu messende Druck
an, der durch eine Drucköffnung 15 in den abgedichteten Raum
im Inneren des Gehäuses 10 eingeführt wird. Im Boden 11 sind
vier Durchgangslöcher 16 für Schrauben 38 ausgebildet. Am
oberen Gehäuserand befinden sich vier Elektrodenplattenführungen
17.
Eine Basisplatte 21 aus Metall hat eine Dicke von 2 mm und
weist in ihrem Zentrum eine Drucköffnung 21 zur Einführung
des zu messenden Drucks auf. Die Basisplatte 21 ist mit einer
Elektrodenfahnenkerbe 23 sowie mit vier Gewindelöchern 24
versehen. Ein durch den eingeführten Druck bewegter Faltenbalg
25 weist eine Balgbasis 26, die vom Außenumfang des
Faltenbalgs 25 gebildet wird und mit der Basisplatte 21 verlötet
ist, auf. Die Fig. 3 zeigt die Verbindung 27 zwischen
der Balgbasis 26 und der Basisplatte 27 im einzelnen. Mit
dem Zentrum des Faltenbalgs 25 ist eine bewegbare, kreisförmige
Elektrodenplatte 29 verschweißt.
Eine feste Elektrodenplatte 30 bildet zusammen mit der bewegbaren
Elektrodenplatte 29 einen Kondensator 41 (Fig. 4) von
veränderlicher Kapazität. Über eine Elektrodenfahne 31, die
durch die Elektrodenfahnenkerbe 23 verläuft, wird die Elektrode
der Elektrodenplatte 30 mit dem unteren Teil des Gehäuses
10 verbunden. In der festen Elektrodenplatte 30 sind
vier Positionierlöcher 32 zum Durchlaß der Elektrodenplattenführungen
17 ausgebildet, um die Elektrodenplatte 30 durch
vier Befestigungsringe 34 am Gehäuse 10 festzulegen. Durch
eine Belüftungsöffnung 33 wird der Druck in dem Raum zwischen
der bewegbaren sowie festen Elektrodenplatte 29 bzw. 30 dem
äußeren Druck angeglichen. Eine Abdichthaube 39 schließt das
Gehäuse 10 elektrisch und staubdicht ab.
Wenn der am Druckeinlaß 14 anstehende Druck höher (niedriger)
wird, so wird der Faltenbalg 25 aufwärts (abwärts) bewegt,
so daß der Abstand D (Fig. 3) abnimmt (zunimmt) und die veränderliche
Kapazität 41 des Druckgebers 40 (Fig. 4) größer
(kleiner) wird. Die in Fig. 4 gezeigten Widerstände 42 sowie
43, die Inverter 44, 45 sowie 46 und der veränderliche Kondensator
41 bilden einen Oszillator, dessen Ausgangssignal
am Ausgangsanschluß 47 abgegeben wird. Der zu ermittelnde
Druck wird folglich durch zahlenmäßige Erfassung der Schwingungszahl
des Oszillators gemessen.
Der wesentliche Faktor, durch den der Wert der veränderlichen
Kapazität 41 bestimmt wird, ist der Abstand D zwischen
der festen sowie der bewegbaren Elektrodenplatte 30 bzw. 29,
wie der Fig. 3 klar zu entnehmen ist. Dieser Abstand D hängt
in der Hauptsache vom Abstand d₁ zwischen der Basisplatte
21 und dem Gehäuseboden 11, von der Dicke d₂ der Lötverbindung
27 zwischen der Faltenbalgbasis 26 und der Basisplatte
21 sowie von der Höhe d₃ der hochstehenden Gehäuseseitenwand
12 ab.
Die Basisplatte 21 wird durch die die Durchgangslöcher 16
durchsetzenden und in die Gewindelöcher 24 eingedrehten
Schrauben 38 angezogen, wobei der O-Ring 20 zusammengepreßt
sowie verformt wird, so daß der Abstand d₁ nahezu zu Null
wird.
Eine Abweichung im Abstand d₂ wird durch die Lotmenge hervorgerufen,
da der Abstand d₂ die Dicke der Verbindung 27 zwischen
der Faltenbalgbasis 26 sowie der Basisplatte 21 ist.
Auf dem gesamten Umfang der Balgbasis 26 ist eine restlos
hermetische Lötverbindung erforderlich, so daß der Lötvorgang
und die Prüfung der Lötverbindung einen hohen Kostenaufwand
hervorrufen.
Eine Verformung, z. B. eine Biegung, der Basisplatte 21 verursacht
eine Änderung im Abstand D, weshalb die Basisplatte
21 aus einer dicken Metalltafel bestehen muß. Demzufolge erhält
der herkömmliche Druckgeber eine große Dicke oder Höhe
und ein großes Gewicht.
Der Abstand d₃ in der Höhe der hochstehenden Wand 12 wird
dadurch erhalten, daß das Gehäuse 10 von komplizierter Gestalt
aus Kunststoff geformt wird, wobei die Neigung dazu
vorliegt, nach dem Formvorgang eine unerwünschte Verformung
hervorzurufen. Es ist deshalb schwierig, den Abstand d₃ mit
hoher Genauigkeit zu erlangen.
Auf Grund der oben herausgestellten Probleme werden die Abweichungen
in den Abständen d₁, d₂ sowie d₃ miteinander vereinigt,
so daß die Abweichung im Abstand D hervorgerufen wird.
Demzufolge kann der Abstand D nicht kleiner werden, weshalb
die im veränderlichen Kondensator 41 geforderte Kapazität
durch die bewegbare sowie die feste Elektrodenplatte 29 und
30, die große Flächenbereiche aufweisen, erhalten wird.
Die Basisplatte 21 von erheblicher Größe ist wegen der Verwendung
der bewegbaren sowie festen Elektrodenplatte 29 und 30,
die großflächig sind, notwendig. Je größer die Basisplatte
21 ist, desto dicker ist sie. Aus diesem Grund wird die gewünschte
und erforderliche Genauigkeit im Abstand D bei dem
herkömmlichen Druckgeber nicht erlangt.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Druckgeber von
geringer Größe, von zweckdienlicher, praktischer Verwendungsfähigkeit
und von hoher sowie genauer Leistung zu
schaffen.
Hierbei ist es ein Ziel der Erfindung, einen kostengünstigen
Druckgeber mit einer elektrischen Schaltung zur Ermittlung
von Druckänderungen, der im Gebrauch praktisch ist,
zur Verfügung zu stellen.
Ein weiteres Ziel liegt in der Schaffung eines leichten,
kleinen Druckgebers, der eine nur geringe Anzahl von Bauteilen
umfaßt sowie eine groß bemessene Basisplatte nicht benötigt,
bei dem das Anlöten eines Faltenbalgs nicht erforderlich
ist und der einen ganz geringen Abstand zwischen einer
bewegbaren sowie festen Elektrodenplatte hat, wobei dieser
Abstand zwischen den beiden Platten durch die Dicke eines
einfachen Abstandsringes bestimmt wird.
Ferner liegt ein Ziel der Erfindung in der Ausbildung eines
Druckgebers, der eine gedruckte Schaltungsplatte aufweist,
wobei eine feste Elektrodenplatte und eine Ermittlungsschaltung
an der unteren bzw. an der oberen Fläche dieser
Platte ausgebildet sind.
Durch die Erfindung wird der Hauptfaktor für eine Abweichung
im Abstand zwischen einer bewegbaren sowie festen Elektrodenplatte
eliminiert, weil ein in einem Gehäuse befindlicher
O-Ring, eine Basis eines Faltenbalgs, an dessen Zentrum eine
Elektrodenplatte geschweißt ist und die am O-Ring anliegt,
ein Abstandsring, der mit der Balgbasis in Anlage ist, und
eine feste, an der unteren Fläche einer gedruckten Schaltungsplatte
ausgebildete Elektrodenplatte, die am Abstandsring
anliegt, fest übereinander gestapelt werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der
folgenden, auf die Zeichnungen Bezug nehmenden Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsform des Gegenstandes der Erfindung
deutlich. Es zeigt
Fig. 5 eine perspektivische Übersichtsdarstellung eines
Druckgebers gemäß der Erfindung;
Fig. 6 einen Querschnitt des erfindungsgemäßen Druckgebers.
Gemäß den Fig. 5 und 6 weist der Druckgeber oder -fühler
gemäß der Erfindung ein Gehäuse 10 A auf, das beispielsweise
aus Kunststoff gefertigt ist und dessen Außenseite mit Metall
plattiert ist, um eine elektrische Abschirmwirkung zu erlangen.
Im Inneren des Gehäuses 10 A ist ein kreisförmiger Boden
11 A ausgebildet, dessen Zentrum mit einer Drucköffnung 15 A
versehen ist, um den am Druckeinlaß 14 A anstehenden, zu messenden
Druck einzuführen. Ein O-Ring 20 A, beispielsweise aus
Gummi, wird in den runden Boden 11 A eingelegt, um einen hermetisch
abgedichteten Raum zu erhalten.
Auf den O-Ring 20 A wird ein Faltenbalg 25 A so aufgebracht,
daß die Balgbasis 26 A am Umgang des Faltenbalgs 25 A luftdicht
am O-Ring 20 A anliegt. Mit dem Zentrum des Faltenbalgs 25 A
ist eine bewegbare Elektrodenplatte 29 A verschweißt.
Auf die Balgbasis 26 A wird ein Abstandsring 28 A gelegt. Eine
gedruckte Schaltungsplatte 35, an deren unten liegender
Fläche sich eine feste Elektrodenplatte 30 A befindet und die
vier Durchgangslöcher 36 an ihren Ecken aufweist, wird auf
den Abstandsring 28 A aufgebracht. Die gedruckte Schaltungsplatte
35 wird durch vier, die Durchgangslöcher 36 durchsetzende,
in die Gewindelöcher 18 A im Gehäuse 10 A eingedrehte
Schrauben 38 A festgelegt.
Durch die Herstellung dieser Schraubverbindung wird keinerlei
Abweichung vom Abstand (wie dem Abstand D bei dem herkömmlichen,
vorher abgehandelten Druckgeber) zwischen der bewegbaren
sowie festen Elektrodenplatte 29 A und 30 A hervorgerufen.
Falls die Schrauben 38 A stärker angezogen werden, so gelangt
die untere Fläche der gedruckten Schaltungsplatte 35 auf den
hoch liegenden Teil rund um den Boden 11 A, womit ein Weiterschrauben
nicht mehr möglich ist.
Der eine ganz besondere Funktion bei dem Erfindungsgegenstand
erfüllende Abstandsring 28 A kann aus Kunststoff oder Metall
gefertigt werden.
Im Fall der Fertigung des Abstandsringes 28 A aus Kunststoff
kann eine Teilfläche oder die gesamte Oberfläche dieses Ringes
plattiert werden, um über den Faltenbalg 25 A die bewegbare
Elektrode 29 A elektrisch mit der unteren Fläche der gedruckten
Schaltungsplatte 35 zu verbinden.
Die Schaltung zur Ermittlung von Druckänderungen, die in der
Fig. 4 gezeigt ist, ist an der oberen Fläche der Schaltungsplatte
35 angebracht, wobei der ermittelte Ausgang an einen
Ausgangsanschluß 47 abgegeben wird. Die Anschlüsse 48 dienen
der Energiezufuhr und der Erdung.
Zum Vergleich des herkömmlichen Druckgebers (Fig. 1-3) und
des erfindungsgemäßen Druckgebers (Fig. 5 und 6) werden im
folgenden die Außendurchmesser der bewegbaren Elektroden 29
und 29 A, die Außendurchmesser der Faltenbalge 25 und 25 A sowie
die Gesamtgewichte beider Druckfühler angegeben.
Bei den obigen Außenabmessungen der Gehäuse wurden die Abmessungen
der Druckeinlässe 14, 14 A, sowie der Anschlüsse
47 und 48 nicht mit in Betracht gezogen.
Aus der obigen Beschreibung ergibt sich klar, daß die feste
Elektrodenplatte 30 A durch Ätzen einer laminierten Kupferschicht
oder durch Verbinden einer Metallplatte mit der unteren
Fläche der gedruckten Schaltungsplatte 35 ausgebildet
werden kann. Für das Verbinden kann ein Schweiß- oder Lötverfahren
zur Anwendung kommen.
Der Abstand (D in Fig. 3) zwischen der bewegbaren Elektrodenplatte
29 A sowie der festen Elektrodenplatte 30 A bei dem Gegenstand
der Erfindung hängt vom Abstandsring 28 A ab, der
eine äußerst einfache Gestalt hat, so daß die Abmessungen
mit ausgezeichneter Genauigkeit erhalten werden können, weshalb
ein sehr geringer Abstand (als Abstand D) gewählt werden kann.
Gemäß der Erfindung kann ein Druckgeber von hoher Zuverlässigkeit
und von geringen Größenabmessungen sowie von geringem
Gewicht, der kostengünstig und im Gebrauch praktisch
sowie zweckmäßig ist, unter Verwendung einer nur kleinen Zahl
an Bauteilen sowie mit geringen Arbeitskosten geschaffen
werden.
Durch die Erfindung wird ein Druckgeber offenbart, der Druckänderungen
in Kapazitätsänderungen umwandelt. Der Kondensator
(die Kapazität) wird von einer bewegbaren sowie einer
festen Elektrodenplatte gebildet. Der Abstand zwischen diesen
beiden Elektrodenplatten hängt von einem Abstandsring mit
einfacher Gestalt ab, so daß der Abstand klein gehalten werden
kann. Ein kleiner Abstand führt zu kleinen Abmessungen der
Elektrodenplatten. Der Druckgeber hat eine geringe Größe sowie
geringes Gewicht, er ist billig und praktisch im Gebrauch.
Ferner ist ein Lötvorgang, um einen hermetisch abgedichteten
Raum zu erhalten, nicht notwendig. Der Druckgeber ist mit
einer geringen Zahl an Bauteilen und niedrigen Arbeitskosten
zu fertigen.
Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf ihre bevorzugte
Ausführungsform dargestellt und beschrieben, jedoch ist sie
darauf nicht beschränkt. Bei Kenntnis der offenbarten Erfindung
wird der Fachmann Möglichkeiten zu Abwandlungen, Auslassungen
und Änderungen sehen, die jedoch als im Rahmen
der Erfindung liegend zu betrachten sind.
Claims (8)
1. Druckgeber, gekennzeichnet
- durch ein Gehäuse (10 A) mit einem kreisrunden Boden
(11 A), das einen Anschluß (14 A, 15 A) für den in das Gehäuse
einzuführenden, zu ermittelnden Druck aufweist,
- durch einen in den Boden des Gehäuses einzusetzenden
O-Ring (20 A) zur Ausbildung eines hermetisch abgedichteten,
vom O-Ring umschlossenen Raumes,
- durch eine Faltenbalgeinrichtung (25 A), deren Außenumfang
eine Balgbasis (26 A) bildet, die an dem O-Ring
(20 A) aufliegt,
- durch eine am Zentrum der Faltenbalgeinrichtung angebrachte
bewegbare Elektrodenplatte (29 A),
- durch eine auf die Balgbasis (26 A) aufzubringende
Abstandsringeinrichtung (28 A) mit vorbestimmter Höhe
in ihrer axialen Richtung,
- durch eine gedruckte Schaltungsplatte (35), die an ihrer
unteren, mit der Abstandsringeinrichtung (28 A) in
Anlage befindlichen Fläche eine der bewegbaren Elektrodenplatte
(29 A) zugewandte feste Elektrodenplatte
(30 A) trägt, und
- durch eine die gedruckte Schaltungsplatte am Gehäuse
(10 A) festlegende Befestigungseinrichtung (18 A, 36,
38 A).
2. Druckgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die gedruckte Schaltungsplatte (35) auf ihrer oberen, zur
festen Elektrodenplatte (30 A) entgegengesetzten Fläche eine
einen Druck in ein elektrisches Signal umwandelnde Schaltung
(42-46) trägt.
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