DE3942020A1

DE3942020A1 - Druckaufnehmer fuer hydrostatische fuellstandsmessung mit einem kapazitiven druckwandler

Info

Publication number: DE3942020A1
Application number: DE19893942020
Authority: DE
Inventors: Ewald Boehler; Thomas Dipl Ing Oehler
Original assignee: Vega Grieshaber KG
Current assignee: Vega Grieshaber KG
Priority date: 1989-12-20
Filing date: 1989-12-20
Publication date: 1991-07-04
Anticipated expiration: 2009-12-21
Also published as: DE3942020C2

Description

Die Erfindung betrifft einen Druckaufnehmer für hydrostati sche Füllstandsmessung mit einem kapazitiven Druckwandler, der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.

Ein derartiger Druckaufnehmer ist aus der DE-PS 27 09 945 im Prinzip bekannt. Allerdings sind bei diesem anstelle eines Grundkörpers mit einer elastischen Membran zwei Membranen miteinander verbunden. Die zueinander parallelen und ebenen Innenflächen der beiden Membranen sind mit gegeneinander isolierten Schichtelektroden versehen, welche einen Meßkon densator bilden. Bei druckbedingter elastischer Verformung der Membrane ändert sich der Abstand der Schichtelektroden voneinander und damit die Kapazität des Kondensators. Diese Änderung ist ein Maß für die zu bestimmende Druckänderung.

Die Membranen bestehen aus weitgehend hysteresefrei ela stisch verformbarem, elektrisch isolierenden Material, z. B. Aluminiumoxyd, geschmolzener Kieselerde bzw. Quarzglas oder Pyrexglas. Diese Materialien sind nur begrenzt verformbar. Bei deutlich über dem Nenndruck liegenden Überdrücken werden die Membranen so stark verformt, daß es zu einer Zerstörung kommen kann. Um dies zu verhindern, ist der Abstand der Membranen zueinander bzw. der Membran zu einem Grundkörper so bemessen, daß die Membran bei unzulässig hohem Druckan stieg in der Mitte an der gegenüberliegenden Membran bzw. dem gegenüberliegenden Grundkörper anliegt.

Diese bekannte Maßnahme schützt die Membran gegen Bruch noch nicht in ausreichendem Maße. Bei weiterem Druckanstieg wird nämlich die Membrane auch in dem Bereich zwischen der auf liegenden Mitte und dem eingespannten Rand weiter verformt und auf Biegung und Scherung extrem beansprucht. Dies kann bei weiterer Steigerung des Drucks trotz mittlerer Abstüt zung zu einem Membranbruch führen, wobei die Bruchlinie kreisförmig nahe dem Rand des fest eingespannten Membran teils verläuft.

Ein weiterer Nachteil der bekanten Druckaufnehmer besteht darin, daß die elektrischen Anschlüsse der Schichtelektroden seitlich zwischen Membran und einem die Membranen miteinan der verbindenden Glaslotring herausgeführt sind. An den Durchführungsstellen entstehen im Glaslotring stufenartige Höhenunterschiede, welche beim Aufglasen der Membrane eine gleichmäßige Verbindung behindern, was wiederum zu einer erhöhten Bruchgefahr bei Überlastdruck führt.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Druckaufnehmer der gattungsgemäßen Art zu schaffen, welcher die beschriebenen Nachteile nicht besitzt, d. h. eine höhere Überlastfestigkeit auch bei Verwendung vergleichswei se spröder Materialien für die Membran gewährleistet.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die mit dem Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale. Hiernach ist die der Membran zugewandte Oberfläche des Grundkörpers als Stützbett für die Membrane ausgebildet, dessen Profil dem Verlauf der Membran bei Überlastdruck entspricht.

Dieser Profilverlauf weist Doppel-S-Form auf, kann jedoch näherungsweise auch mit den Merkmalen nach Anspruch 2 reali siert werden.

Bei einem Druckaufnehmer, bei welchem die Membran im Randbe reich mittels eines Glaslotringes verbunden ist, ergibt sich zwischen dem Glaslotring und der sich anschließenden Schichtelektrode zwangsläufig ein Ringspalt, der bei auflie gender Membran zu einer Scherbeanspruchung führt. Von einem derartigen Druckaufnehmer geht der weitere Vorschlag gemäß Anspruch 3 aus. Um bei der erfindungsgemäßen Anordnung diese Scherbeanspruchung auf ein Minimum zu reduzieren, ist gemäß Anspruch 3 vorgeschlagen, den Glaslotring so weit zu ver breitern, daß der erwähnte Spalt in dem Bereich liegt, in welchem die mechanische Radialspannungen der bei Überlast druck anliegenden Membran etwa null sind, wobei natürlich in bekannter Weise die Schichtelektrode und der Glaslotring wenigstens in Nachbarschaft gleiche Stärke aufweisen müssen.

Eine weitere Problematik ergibt sich, wenn die den Referenz kondensator bildenden Schichtelektroden auf den gleichen Seiten wie die Schichtelektroden des Meßkondensators ange ordnet sind, wie das z. B. bei dem Druckaufnehmer nach der EP 01 10 992 B1 der Fall ist. Hierbei ist die Schichtelektrode für den Referenzkondensator, dessen Kapazität bei Druckän derungen konstant bleiben sollte, im Randbereich der Membran angeordnet. In diesem Bereich kann also die Membran bei Überlastdrücken nicht abgestützt werden.

Um bei dem erfindungsgemäßen Druckaufnehmer ohne Inkaufnahme weiterer Nachteile einen Referenzkondensator zu realisieren, wird gemäß Anspruch 4 vorgeschlagen, diesen in einer auf der Rückseite des Druckwandlers gebildeten zweiten Kammer vorzu sehen, deren Abmessungen mit denjenigen der ersten Kammer bei unverformter Membran entsprechen. Diese beiden Kammern sind miteinander über eine Entlüftungsbohrung verbunden. Für Absolutdruckmessungen sind die Kammern gemäß Anspruch 6 evakuiert, bei Relativdruckmessungen sind sie gemäß Anspruch 7 mit der äußeren Atmosphäre verbunden.

Zur Vermeidung von Scherbelastungen im Bereich der elektri schen Anschlüsse an den Schichtelektroden wird eine Anord nung der Anschlußstifte gemäß Anspruch 8 vorgeschlagen, bei welcher diese achsparallel verlaufen und nur auf einer Seite, nämlich der Außenseite der Abschlußplatte, zur Bil dung des elektrischen Anschlusses enden.

Weitere konstruktive Einzelheiten, die für eine gleichmäßige Flächenbelastung der Membrane sowie die erforderliche Symme trie zwischen Meß- und Referenzkondensator sorgen, sind Gegenstand der Ansprüche 9 und 10.

Die bevorzugten Materialien für den Grundkörper, die Membran und die Abdeckplatte sind mit den Ansprüchen 11 bis 13 angegeben.

Der Gegenstand der Erfindung ist nachstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles, das in den Zeichnungen dargestellt ist, im einzelnen erläutert. In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 Axialschnitt des im wesentlichen rotationssym metrischen Druckaufnehmers,

Fig. 2 Axialschnitt des gegenüber Fig. 1 um 90° gedrehten Druckaufnehmers,

Fig. 3 vergrößerter und übertriebener Axialschnitt des Grundkörpers zur Veranschaulichung des doppel-S-förmigen Profils,

Fig. 3A übertrieben und vergrößert dargestelltes dop pel-S-förmiges Profil,

Fig. 4 Ansicht in Richtung IV-IV in Fig. 1,

Fig. 5 Ansicht in Richtung V-V in Fig. 1 und

Fig. 6 Ansicht in Richtung VI-VI in Fig. 2.

Die Schnittdarstellungen in den Fig. 1 und 2 lassen den grundsätzlichen Aufbau des erfindungsgemäßen Druckaufnehmers erkennen. Dieser besteht aus einem Grundkörper 1 in Form eines flachen Zylinders mit beidseitigen Vertiefungen. Die in Fig. 1 untere Seite des Grundkörpers 1 ist mit einer elastisch verformbaren Membran 6 mittels eines gasdichten Glaslotringes 5 verbunden. Membran 6 und Grundkörper 1 bilden eine erste Kammer 18.

Die gegenüberliegende Seite des Grundkörpers 1 ist gleich falls mittels eines gasdichten Glaslotringes 4 mit einer jedoch nicht verformbaren Abdeckplatte 7 verbunden. Grund körper 1 und Abdeckplatte 7 bilden eine zweite Kammer 17. Die Kammern 17 und 18 sind miteinander über eine Entlüf tungsbohrung 19 und mit der äußeren Atmosphäre über eine Entlüftungsbohrung 16 verbunden. Der Meßkondensator ist aus einer an der Innenseite der Membran 6 angebrachten Schicht elektrode 8 und einer am Grundkörper 1 vorgesehenen, gegen überliegenden Schichtelektrode 9 gebildet. Wie Fig. 2 erkennen läßt, ist die Schichtelektrode 8 mit einem An schlußstift 12 verbunden, welcher eine kreisförmige Ausspa rung des Glaslotringes 5, den Grundkörper 1, eine weitere kreisförmige Aussparung 4a des Glaslotringes 4 sowie die Abdeckplatte 7 durchsetzt und als Anschlußkontakt auf der obengelegenen Außenseite der Abdeckplatte 7 endet.

Die der Schichtelektrode 8 zugeordnete und am Grundkörper vorgesehene Schichtelektrode 9 ist über ein die Entlüftungs bohrung 19 durchsetzendes, metallisches Rohrstück 9b und einen auf der Oberfläche 3 des Grundkörpers 1 verlaufenden Steg 9c (vgl. auch Fig. 5) mit dem Anschlußstift 13 verbun den, welcher gleichfalls die Abdeckplatte 7 durchsetzt und auf deren Außenseite einen Anschlußkontakt bildet. Wie die Ansicht gemäß Fig. 5 zeigt, ist der Steg 9c in einem Ein schnitt 11a der Schichtelektrode 11 elektrisch isoliert geführt.

Der in der zweiten Kammer 17 vorgesehene Referenzkondensator ist aus einer an der Abdeckplatte 7 vorgesehenen Schicht elektrode 10 und einer gegenüberliegend an dem Grundkörper 1 vorgesehenen weiteren Schichtelektrode 11 gebildet. Die Schichtelektrode 11 ist, wie die Fig. 1 und 5 zeigen über einen Steg 11b mit einem die Abdeckplatte 7 durchsetzenden Anschlußstift 14 verbunden. Die Schichtelektrode 10 ist, wie Fig. 6 deutlich macht, gleichfalls über einen Steg 10a mit dem weiteren Anschlußstift 15 verbunden, der wiederum die Abdeckplatte 7 durchsetzt und auf deren Außenseite einen Anschlußkontakt bildet. Bei druckbedingter Verformung der Membran 6 ändert sich der Kapazitätswert des von den Schichtelektroden 8 und 9 gebildeten Kondensators, welcher über die Anschlußstifte 12 und 13 mit einer nicht darge stellten Auswerteelektronik verbunden ist.

Als Bezugswert dient die Kapazität des von den Schichtelek troden 10 und 11 gebildeten Referenzkondensators, der mit tels der Anschlußstifte 14 und 15 gleichfalls mit der Aus werteelektronik verbunden ist.

Die Membran 6 und die der Membran zugewandte Oberfläche des Grundkörpers 1 sind so bemessen, daß sich die Membran bei Überschreiten eines vorgegebenen Druckes an das sogenannte Stützbett 2 des Grundkörpers 1 vollflächig anlegt. Um bei dieser Abstützung einen möglichst gleichmäßigen Flächendruck auf die sich anlegende Membran zu gewährleisten, ist das Stützbett 2 so ausgebildet, daß sein Profil dem Querschnitt der bei Überlastdruck deformierten Membran 6 entspricht. Aus diesem Grunde hat das Stützbett 2, wie übertrieben in Fig. 3 veranschaulicht ist, die Form eines flachen Doppel-S. Hierbei setzt sich das Stützbett 2 aus einer am Rand vorge sehenen Kreisringfläche 2a, die parallel zur Oberfläche der nicht verformten Membran 6 verläuft, und einer etwa glocken förmig innerhalb der Kreisringfläche 2a gelegenen, vertief ten Oberfläche mit im Querschnitt doppel-S-förmigem Profil zusammen. In vereinfachter Näherung kann diese Fläche, wie gestrichelt angedeutet, von einem flachen Kreiskegel gebil det werden, wobei die Übergänge von Kreisringfläche 2a zur Kegelfläche 2b sowie die Spitze des Kreiskegels bei 2d abgerundet sind, wie dies mit den gestrichelten Linien in Fig. 3A angedeutet ist.

Wie in den Fig. 1 bis 3 ferner veranschaulicht ist, überdeckt der Glaslotring 5 nicht nur die Kreisringfläche 2a sondern einen Teil des Stützbettes 2. Hierdurch wird er reicht, daß der sich zwischen Glaslotring 5 und der Schicht elektrode 9 ergebende Ringspalt 20 in einem Bereich liegt, in welchem die mechanische Radialspannung der bei Überlast druck anliegenden Membran 6 nahezu null ist, was zur Über lastfestigkeit der Membrane beiträgt. Voraussetzung hierfür ist natürlich, daß die Oberfläche 5a des Lotringes in der gleichen Ebene wie die Oberfläche 9a der Schichtelektrode 9 liegt, Lotring und Schichtelektrode also vorzugsweise glei che Stärke haben.

Der erfindungsgemäße Druckaufnehmer kann als Absolutdruck sensor eingesetzt werden. In diesem Fall sind die über die Entlüftungsbohrung 19 miteinander verbundenen Kammern 17 und 18 zu evakuieren und die Entlüftungsbohrung 16 in der Abdeckplatte 7 zu verschließen.

Bei Verwendung des Druckaufnehmers als Relativdrucksensor bleibt dagegen die Entlüftungsbohrung 16 offen.

Vorzugsweise bestehen Grundkörper 1, Membran 6 und Abdeck platte 7 aus einem oxidischen Werkstoff, wie z. B. Al₂O₃-Keramik.

Die Schichtelektroden 8, 9, 10 und 11 können mit Hilfe einer Dickschichtpaste aufgedruckt werden, welche im eingebrannten Zustand elektrisch leitfähige Metallbeläge und damit die Schichtelektroden ergeben.

Die Glaslotringe 4 und 5 bestehen vorzugsweise aus schmelz barem Glas, einer Glasfritte, welche den Grundkörper 1 einerseits mit dem Membran 6 und andererseits der Abdeck platte 7 verbinden und die so gebildeten Kammern 17 und 18 nach außen gasdicht abschließen.

Figurenlegende

1 zylindrischer Grundkörper
2 Stützbett
2a) Kreisringfläche
2b) Oberfläche des glockenförmigen Stützbettes
2c, d) abgerundete Übergänge
3 Oberfläche des Grundkörpers
4 Glaslotring
4a) Aussparung
5 Glaslotring
5a) Oberfläche des Glaslotringes
5b) Aussparung
6 Membran
7 Abdeckplatte
8 Schichtelektrode
9 Schichtelektrode
9a) Elektrodenoberfläche
9b) Rohrstück
9c) Steg
10 Schichtelektrode
10a) Steg
11 Schichtelektrode
11a) Einschnitt
11b) Steg
12-15 Anschlußstifte
16 Entlüftungsbohrung
17, 18 Kammern
19 Entlüftungsbohrung
20 Ringspalt

Claims

1. Druckaufnehmer für hydrostatische Füllstandsmessung mit einem kapazitiven Druckwandler, bestehend aus einem zylindrischen Grundkörper, einer im Abstand zum Grund körper unter Bildung einer Kammer angeordneten, ebenen und kreisförmigen Membran aus elektrisch isolierendem elastisch und hysteresefrei verformbaren Material, wobei der Abstand zwischen Membran und Grundkörper so bemessen ist, daß sich die Membran bei Überlastdrücken zumindest teilweise am Grundkörper abstützt und wobei Grundkörper und Membran auf den einander zugewandten Flächen gegeneinander isolierte Schichtelektroden zur Bildung eines Kondensators aufweisen, dadurch gekenn zeichnet, daß die der Membran (6) zugewandte Oberfläche des Grundkörpers (1) als Stützbett (2) ausgebildet ist, das in Axialrichtung betrachtet etwa ein doppel-S-för miges Profil besitzt und an welches die Membran (6) bei Überlastdruck, vorzugsweise bei 1,25 bis 2-fachen Nenn druck, ganzflächig anliegt.

2. Druckaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stützbett (2) des Grundkörpers (1) aus einer außen gelegenen, schmalen, zur Oberfläche der unbe lasteten Membran (6) parallel verlaufenden Kreisring fläche und der Oberfläche (2b) einer flachen, etwa kreiskegelförmigen Vertiefung zusammengesetzt ist, wobei die Übergänge (2c) von Kreisringfläche (2a) zur Kreiskegelfläche (2b) sowie die Spitze (2d) des Kreis kegels abgerundet sind.

3. Druckaufnehmer nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem im Randbereich des Grundkörpers auf der der Membran zuge wandten Fläche ein den Abstand zwischen Grundkörper und Membran bedingender Verbindungsring aus Glaslot vorge sehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Glaslotring (5) so breit bemessen ist, daß sein Innenrand (5a) in dem Bereich endet, in welchem die mechanische Radial spannung der bei Überlastdruck anliegenden Membran (6) etwa null ist, und daß die innerhalb des Ringes (5) mit geringem Abstand (20) von diesem angeordnete Schicht elektrode (9) des Grundkörpers (1) die gleiche Stärke wie der Glaslotring (5) aufweist.

4. Druckaufnehmer nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Stützbett (2) gegenüberlie gende Oberfläche (3) des Grundkörpers (1) gleiche Abmessungen wie das Stützbett (2) aufweist und zusammen mit einer nicht verformbaren Abdeckplatte (7), welche mit dem Grundkörper über einen weiteren Glaslotring (4) verbunden ist, eine zweite Kammer (17) bildet, wobei die einander zugewandten Flächen der Abdeckplatte (7) und des Grundkörpers (1) einen Referenzkondensator bildende Schichtelektroden (10, 11) aufweisen.

5. Druckaufnehmer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kammern (17, 18) über eine vorzugsweise zentrisch im Grundkörper angeordnete Entlüftungsbohrung (19) miteinander verbunden sind.

6. Druckaufnehmer nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn zeichnet, daß die Kammern (17, 18) evakuiert sind.

7. Druckaufnehmer nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn zeichnet, daß die Kammern (17, 18) über eine Entlüf tungsbohrung (16) mit der äußeren Atmosphäre verbunden sind.

8. Druckaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da durch gekennzeichnet, daß die Schichtelektroden (8 bis 11) mit metallischen Anschlußstiften (13 bis 15) elek trisch leitend verbunden sind, welche im Randbereich angeordnet sind und den Grundkörper (1) und/oder die Abdeckplatte (7) und gegebenenfalls die Glaslotringe (4, 5) achsparallel zur Grundkörperachse durchsetzen und auf der Außenseite der Abschlußplatte (7) zur Bildung des elektrischen Anschlusses enden.

9. Druckaufnehmer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die auf dem Stützbett (2) angeordnete Schichtelek trode (9) über einen den Grundkörper (1) durchsetzenden Leiter (9b) und einen auf der dem Stützbett (2) gegen überliegenden Seite (3) des Grundkörpers (1) geführten schmalen Steg (9c) mit einem die Abdeckplatte (7) durchsetzenden Anschlußstift (13) elektrisch leitend verbunden ist, wobei der Steg (9c) gegenüber der in der zweiten Kammer (17) befindlichen Schichtelektrode (11) des Grundkörpers (1) elektrisch isoliert ist.

10. Druckaufnehmer nach Anspruch 5 und 9, dadurch gekenn zeichnet, daß in der Entlüftungsbohrung (19) des Grund körpers (1) ein metallisches Rohrstück (9b) angeordnet ist, das mit der Schichtelektrode (9) in der ersten Kammer (18) und dem Steg (9c) in der zweiten Kammer (17) elektrisch verbunden ist, wobei die Schichtelek trode (11) in der zweiten Kammer (17) in Nachbarschaft des Steges (9c) einen die Isolierung bewirkenden Ein schnitt (11a) besitzt.

11. Druckaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (1), die Membran (6) und die Abdeckplatte (7) aus einem oxidi schen Werkstoff, vorzugsweise aus Al₂O₃-Kera mik, bestehen.

12. Druckaufnehmer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtelektro den (8 bis 11) mittels einer elektrisch leitenden Dickschichtpaste aufgedruckt und in die Oberfläche des Grundkörpers (1), der Membran (6) und der Abdeckplatte (7) eingebrannt sind.

13. Druckaufnehmer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Glaslotringe (4, 5) aus Glasschmelze bestehen und den Grundkörper (1) mit der Mebran (6) bzw. der Abdeckplatte (7) gas dicht verbinden.