DE3921237A1

DE3921237A1 - Kapazitiver dehnungssensor fuer hohe temperaturen

Info

Publication number: DE3921237A1
Application number: DE19893921237
Authority: DE
Inventors: Juergen Dipl Ing Knapp; Goetz Dr Andreae; Gottfried Niessen
Original assignee: Bundesanstalt fuer Materialforschung und Pruefung BAM
Current assignee: Bundesanstalt fuer Materialforschung und Pruefung BAM
Priority date: 1989-06-26
Filing date: 1989-06-26
Publication date: 1991-01-10
Also published as: DE3921237C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Dehnungssensor der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.

Hierbei wird von einem Stand der Technik ausgegangen, wie er z.B. Chr. Rohrbach, Handbuch für experimentelle Span nungsanalyse, VDI-Verlag Düsseldorf, 1989, Seite 565 bis 577, sowie dem dort zitierten Schrifttum zu entnehmen ist. Insbesondere auf Seite 573 der vorgenannten Quelle wird ein kapazitiver Dehnungssensor nach dem Prinzip des Differen tialkondensators beschrieben. Darüber hinaus gehört es zum Wissen des durchschnittlichen Fachmanns, daß Sensoren, die nach dem Differentialprinzip konstruiert sind, wie z.B. Differentialkondensatorsensoren oder Differentialtransfor matorsensoren, für schwierige Umgebungsbedingungen, wie insbesondere hohe Temperaturen, besonders geeignet sind, weil die Störgrößen in der Hauptsache als Gleichtaktstö rungen wirken und deshalb infolge des Differentialprinzips unterdrückt werden. Ein weiterer, ebenfalls allgemein be kannter Vorteil des Differentialprinzips ist die bessere Linearität der Kennlinie.

Die in der genannten Quelle erwähnten Nachteile der be kannten Ausführung des kapazitiven Dehnungssensors nach dem Prinzip des Differentialkondensators, nämlich die geringe Empfindlichkeit und die große Drift, sind im wesentlichen darauf zurückzuführen, daß es sich um einen Sensor mit veränderlicher Elektrodenfläche handelt, und daß an den Übergängen Metall/Keramik-Materialien mit sehr unterschied lichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten verwendet wer den. Der o.g. Quelle ist ebenfalls zu entnehmen, daß kapa zitive Sensoren mit veränderlichem Elektrodenabstand bei vergleichbarem Bauvolumen im allgemeinen eine höhere Auf lösung ermöglichen als Sensoren mit veränderlicher Elek trodenfläche. Die auf den Seiten 571 und 572 der genannten Quelle beschriebenen Dehnungssensoren mit variablem Elek trodenabstand arbeiten jedoch nicht nach dem Prinzip des Differentialkondensators und sind deshalb wegen der stär keren Störgrößenabhängigkeit für den Bereich oberhalb 750°C ungeeignet. Außerdem fehlen bei diesen Sensoren mechanische Glieder, die eine Parallelführung der Elektrodenbewegung gewährleisten; großflächige Elektroden und kleine Luft spalte lassen sich deshalb hier nicht verwirklichen.

Die Erfindung hat zum Ziel, Dehnungen bei Temperaturen bis ca. 900°C mit geringer Drift, hoher Empfindlichkeit und kleinem Linearitätsfehler messen zu können.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 ange gebene technische Lehre.

Die Vorzüge des erfindungsgemäßen Dehnungssensors beruhen insbesondere darauf, daß

- das Prinzip des Differentialkondensators mit veränder lichem Elektrodenabstand angewendet wird,
- eine aus zwei Blattfedern bestehende Parallelführung großflächige Elektroden und kleine Luftspalte ermög licht,
- der kammartige Aufbau des Elektrodensystems eine kom pakte Bauweise begünstigt.

Bei besonders bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, deren Merkmale aus den Unteransprüchen zu entnehmen sind, bestehen Vorzüge darin, daß

- durch Verwendung überwiegend keramischer Komponenten eine hohe Temperaturbeständigkeit und Temperaturunab hängigkeit erzielt werden,
- durch Verwendung dünner Platinschichten als Elektroden flächen das Metall/Keramik-Fügeproblem auf einfache Wei se gelöst wird,
- die Wirkung von Stör- und Streufeldern durch geerdete Federn (21, 22) auf einfache Weise verringert werden kann,
- die aufwendige Herstellung komplizierter Formteile durch Zusammenfügen plattenförmigen Materials vermieden wird.

In den Zeichnungen ist eine Ausführungsform der Erfindung schematisch dargestellt. Dabei zeigen:

Fig. 1 einen Dehnungssensor in perspektivischer Dar stellung,

Fig. 2 eine Einzelheit bezüglich der elektrischen Anschluß technik.

Bei der Ausführungsform in Fig. 1 besteht der Differential kondensator aus drei Elektroden (11, 12 und 13), die zu zwei verschiedenen Stapeln gehören und kammförmig ineinan dergreifen. Die beiden Stapel werden über zwei Blattfedern (21, 22) beweglich miteinander verbunden derart, daß Pa rallelverschiebungen der beiden Stapel zueinander möglich sind. Jedem Stapel ist ferner ein biegesteifes Einleitungs stück (31 bzw. 32) zugeordnet. Zwischen benachbarten Plat ten jedes Stapels befindet sich außerdem je ein Abstands stück (41 bis 47). An den im Bereich der Mittellinie des Sensors sich überlappenden Enden der Einleitungsstücke (31, 32) sind Laschen (51, 52) angebracht, die der Befestigung des Sensors am Meßobjekt dienen. Die Dehnung des Meßobjekts verursacht eine Parallelverschiebung der beiden Platten stapel gegeneinander, und damit eine gegenläufige Änderung der Abstände zwischen den äußeren Elektroden (11, 12) einerseits und der mittleren Elektrode (13) andererseits.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind alle Platten (11 bis 32) und Abstandsstücke (41 bis 47) aus keramischem Material gefertigt. Die Leitfähigkeit der Elektroden (11 bis 13) wird durch eine leitende Beschich tung, vorzugsweise aus Platin, hergestellt. Auch die Federn (21, 22) können vorteilhafterweise leitfähig ausgebildet und an Massepotential gelegt werden, um so eine elektrische Abschirmung des innen liegenden Elektrodensystems zu ermög lichen. Für das Zusammenfügen der Stapel sind bekannte Fü geverfahren einsetzbar, z.B. das reaktive Löten.

Die nach außen hin über die Fügestelle hinausragenden Enden der leitfähigen Platten (11 bis 22) sind als Anschlußfahnen ausgebildet.

Eine vorteilhafte Ausführung eines elektrischen Anschlusses ist in Fig. 2 dargestellt. In ein Loch der keramischen Elektrode (11) ist ein Stift (61) aus duktilem Material mit ähnlichem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, z.B. Pla tin, eingepreßt. Das Einpressen kann vor oder nach dem Beschichten geschehen. Die plastische Verformung des Stif tes während des Einpressens gewährleistet einen festen Sitz und einen sicheren Kontakt zur Metallschicht. Der Stift (61) kann als Stützpunkt zum Anschweißen eines Anschluß drahtes (71) verwendet werden. Die Anschlußdrähte (71 bis 75) werden vorteilhafterweise schraubenlinienförmig aus gebildet, um eine Zugentlastung der Anschlüsse zu gewähr leisten.

Die Laschen (51, 52) in Fig. 1 sind mit entlastenden Ein schnitten (81, 82) versehen; diese Maßnahme ist insbeson dere nützlich, wenn die beiden Fügepartner, hier die Ein leitungsstücke (31 bzw. 32) einerseits und die Laschen (51 bzw. 52) andererseits, stark unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten besitzen. Die Laschen werden vor zugsweise aus metallischem Material gefertigt sein, um eine einfache Befestigung mittels Punktschweißen an metallischen Objekten zu ermöglichen, während die Einleitungsstücke (31, 32) vorteilhafterweise aus keramischem Material bestehen. Die Laschen (51, 52) bestehen vorzugsweise aus dünnem, bie geweichem Material, um eine Anpassung an Krümmungen der Oberfläche des Meßobjekts zu ermöglichen.

Claims

1. Kapazitiver Dehnungssensor für hohe Temperaturen nach dem Prinzip des Differentialkondensators mit variabler Luftspaltgeometrie und Laschen zur Befestigung an Meß objekten, gekennzeichnet durch zwei Stapel mit ebenen, rechteckigen, parallelliegenden Platten (31, 21, 11, 12, 22 bzw. 21, 13, 22, 32) als

- innen liegende, kammartig ineinander greifende leitfä hige Elektroden (11, 12, 13) des Differentialkonden sators,
- beide Stapel verbindende, biegeweiche Blattfedern (21, 22),
- je ein biegesteifes Einleitungsstück (31, 32) an jedem Stapel als äußere Platte des Dehnungssensors und
- zwischen den Platten eingefügten Abstandsstücken (41 bis 47),

wobei die Laschen (51, 52) an den sich im Bereich der Mittelachse des Dehnungssensors überlappenden freien Enden der zugehörigen Einleitungsstücke (31 bzw. 32) senkrecht zur Plattenebene befestigt sind.

2. Kapazitiver Dehnungssensor nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Platten (11 bis 32) und die Ab standsstücke (41 bis 47) aus keramischem Material be stehen.

3. Kapazitiver Dehnungssensor nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die Elektroden (11, 12, 13) allseitig mit einer dünnen Platinschicht versehen sind.

4. Kapazitiver Dehnungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Federn (21, 22) elektrisch leitfähig ausgebildet sind.

5. Kapazitiver Dehnungssensor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fügeverbindungen zwischen den Platten (11 bis 32) einerseits und den Abstandsstücken (41 bis 47) andererseits sowie zwischen den Einleitungsstücken (31, 32) einerseits und den Laschen (51, 52) andererseits durch reaktives Löten hergestellt sind.

6. Kapazitiver Dehnungssensor nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Laschen (51, 52) an der dem Sensor zugewandten Seite entlastende Ein schnitte (81, 82) aufweisen.

7. Kapazitiver Dehnungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß elektrisch leitfähige Platten (11 bis 22) nach außen über die Fügestelle hinausragende Anschlußfahnen aufweisen.

8. Kapazitiver Dehnungssensor nach Anspruch 7, dadurch ge kennzeichnet, daß keramische, leitfähig ausgebildete Platten (11 bis 22) Löcher in den Anschlußfahnen und eingepreßte Stifte (61 bis 65) aus duktilem, metalli schem Material als Stützpunkte für Anschlußdrähte (71 bis 75) aufweisen.