DE4034247A1 - Capacitive transducer for differential pressure measurement - achieves precise, linear characteristic with small parallel capacitances using nonlinear flexing region of centre electrode - Google Patents
Capacitive transducer for differential pressure measurement - achieves precise, linear characteristic with small parallel capacitances using nonlinear flexing region of centre electrodeInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung ermöglicht die Messung von Wirkdrücken an lufttechnischen Anlagen zur Bestimmung des Volumenstroms in Rohrleitungen bei niedrigem Gleichdruckniveau.The invention enables the measurement of effective pressures on ventilation technology Plants for determining the volume flow in pipelines at low constant pressure level.
Sie ist auch anwendbar für Differenzdruckmessungen zur Bestimmung von Luftgeschwindigkeiten in strömungsmechanischen Anlagen (Windkanäle).It can also be used for differential pressure measurements for determination of air speeds in fluid mechanical systems (wind tunnels).
Neben einer Vielzahl von Druckaufnehmern, die nach den unterschiedlichsten physikalischen Prinzipien arbeiten, sind insbesondere auch kapazitive Druckaufnehmer bekannt. Sie arbeiten mit Einzel- oder Differentialkondensatoren und sind besonders gut zur Messung kleiner Druckdifferenzen geeignet. Sie besitzen mindestens einen sich bei Druckeinstellung deformierenden elastischen Verformungskörper, oft als Plattenfeder ausgebildet, der eine Kapazitätsänderung als Maß für die Druckänderung hervorruft, indem er, selbst eine Elektrode des Kondensators darstellend, unter der Verformung den Elektrodenabstand verändert (DE 38 21 693).In addition to a variety of pressure transducers, which are based on the most varied physical principles are special also known as capacitive pressure transducers. You work with Single or differential capacitors and are particularly good for Suitable for measuring small pressure differences. You own at least an elastic deforming when the pressure is adjusted Deformation body, often designed as a plate spring, which is a change in capacity as a measure of the pressure change by he, himself an electrode of the capacitor, under the deformation changes the electrode spacing (DE 38 21 693).
Von Nachteil bei den bekannten Lösungen ist, daß zur Realisierung eines linearen Zusammenhanges zwischen der zu messenden Druckdifferenz und dem Ausgangssignal die Durchbiegung des Verformungskörpers beim Meßbereichsendwert klein gegenüber seiner Dicke und dem Elektrodenabstand ist. Der Betrieb des linearen Deformationsverhaltens des Verformungskörpers wird nicht verlassen. Daraus resultieren gegenüber der Grundkapazität keine Kapazitätsänderungen, die eine hohe Signalverstärkung erforderlich machen, wobei eine erhöhte Empfindlichkeit gegenüber kleinen Störungen besteht. Daher sind die bekannten Lösungen für Präzisionsmessungen bei kleinen Druckdifferenzen nur begrenzt einsetzbar.A disadvantage of the known solutions is that for implementation a linear relationship between the pressure difference to be measured and the output signal the deflection of the deformation body at the end of the measuring range small compared to its thickness and the electrode gap. Operation of the linear deformation behavior of the deformation body is not left. Out of it there are no changes in capacity compared to the basic capacity, which require high signal amplification, whereby there is an increased sensitivity to small disturbances. Therefore, the well-known solutions for precision measurements can only be used to a limited extent with small pressure differences.
Es wurde weiterhin auf die Möglichkeit verwiesen, unter Ausnutzung der gegensinnig wirkenden Nichtlinearität der Beziehung zwischen Druck und Durchbiegung des Verformungskörpers einerseits und andererseits derjenigen, die durch Abweichung der Übertragungsfunktion der elektronischen Auswerteschaltung vom linearen Verlauf sowie infolge Änderung der Kapazitätsfunktion durch Parallelkapazitäten und/oder stark ausgesteuerte Meßkondensatoren hervorgerufen wird, Druckaufnehmer mit einer linearen Beziehung zwischen Druck und elektronischem Ausgangssignal zu erhalten (Pfeifer, Werthschützky, "Drucksensoren", Verlag Technik, 1989). It was also referred to the possibility of taking advantage the opposing nonlinearity of the relationship between Pressure and deflection of the deformation body on the one hand and on the other hand those caused by deviation of the transfer function the electronic evaluation circuit from linear Course and as a result of a change in the capacity function due to parallel capacities and / or heavily modulated measuring capacitors is caused, pressure transducers with a linear relationship between pressure and electronic output signal (Pfeifer, Werthschützky, "Drucksensoren", Verlag Technik, 1989).
Die konkrete Realisierung dieser Möglichkeit unter Einbeziehung eines veränderlichen schaltungsspezifischen Parameters ist jedoch nicht bekannt.The concrete realization of this possibility with inclusion of a variable circuit-specific parameter, however not known.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, mit einem einfachen mechanischen Aufbau eines kapazitiven Differenzdruckaufnehmers große Kapazitätsänderungen des Meßkondensators bei möglichst kleinen Parallelkapazitäten und eine lineare Verknüpfung zwischen Druck und elektronischem Ausgangssignal zu erreichen.The object of the present invention is with a simple mechanical construction of a capacitive differential pressure transducer large changes in capacitance of the measuring capacitor parallel capacities as small as possible and a linear connection between pressure and electronic output signal.
Die Erfindung soll auf die im Patentanspruch beschriebene Weise gelöst werden.The invention is intended in the manner described in the claim be solved.
Der kapazitive Druckaufnehmer kann als kleine kompakte Baugruppe ausgeführt werden, der zwei Druckluftzuführungen, die in gewünschter Weise an eine strömungsmechanische Anlage angeschlossen werden können, die Zuführung der Energieversorgung für die elektronische Auswerteschaltung und die Abführung des Ausgangssignals aufweist.The capacitive pressure sensor can be used as a small, compact assembly be carried out of the two compressed air supply lines, which are required Way connected to a fluid mechanical system can be the supply of energy for the electronic Evaluation circuit and the discharge of the output signal having.
Die Erfindung sei anhand eines Ausführungsbeispiels näher gezeigt und beschrieben. In den zugehörigen Zeichnungen zeigtThe invention is shown in more detail using an exemplary embodiment and described. In the accompanying drawings
Fig. 1 einen Querschnitt durch den Druckaufnehmer in einer Ausführungsvariante und Fig. 1 shows a cross section through the pressure sensor in one embodiment and
Fig. 2 einen Querschnitt durch den Druckaufnehmer in einer weiteren Ausführungsvariante. Fig. 2 shows a cross section through the pressure sensor in a further embodiment.
Eine Mittelelektrode 1 ist als eine scheibenförmige Plattenfeder ausgebildet (Fig. 1), die eine Materialdicke h hat und monolithisch mit einer ringförmigen Randversteifung 2 versehen ist. Die Mittelelektrode 1 ist zentrisch und symmetrisch zur Randversteifung 2 angeordnet. Auf jeder Seite der Randversteifung 2 liegen zwei elektrisch isolierende Scheiben 3, 4, von denen die der Mittelelektrode 1 zugewandten Scheiben 3 jeweils eine feste Elektrode 5 tragen. Die beiden festen Elektroden 5 bedecken die Mittelelektrode 1 mit einem Bedeckungsgrad γ, der kleiner als 1 ist und haben von der Mittelelektrode 1 jeweils einen Abstand s, der in der Größenordnung der Materialdicke h der Mittelelektrode 1 liegt. Zwischen den Scheiben 3 und den der Mittelelektrode 1 abgewandten Scheiben 4 verlaufen die elektrischen Leitungen 6 in möglichst kurzer Verbindung zu einer elektronischen Auswerteschaltung 7 und in möglichst großem Abstand zu anderen metallischen Teilen. Eine weitere elektrische Leitung 8 führt von der Mittelelektrode 1 zur Auswerteschaltung 7. Auf jeder der beiden Scheiben 4 liegt ein mit einem Druckluftanschlußstutzen 9 versehener Deckel 10 auf. Zwischen den Deckeln 10 und den Scheiben 4 ist ein Hohlraum 11 vorhanden. Zwischen den Scheiben 3 und der Mittelelektrode 1 ist je eine Druckkammer 12 ausgebildet. Durch die Scheibe 3 und 4 verlaufen jeweils mehrere Bohrungen 13, die die Druckkammern 12 über die Hohlräume 11 und die Druckluftanschlußstutzen 9 mit nicht dargestellten Meßstellen verbinden. Die gesamte Anordnung einschließlich der nur schematisch dargestellten elektronischen Auswerteschaltung 7 ist von einem metallischen Gehäuse 14 umgeben, das insbesondere zur Abschirmung vorgesehen ist.A center electrode 1 is designed as a disc-shaped plate spring ( FIG. 1), which has a material thickness h and is monolithically provided with an annular edge reinforcement 2 . The center electrode 1 is arranged centrally and symmetrically to the edge reinforcement 2 . On each side of the edge stiffener 2 there are two electrically insulating disks 3, 4 , of which the disks 3 facing the central electrode 1 each carry a fixed electrode 5 . The two fixed electrodes 5 cover the center electrode 1 at a coverage γ is smaller than 1 and have in each case from the center electrode 1 by a distance s, which is in the order of magnitude of the material thickness h of the center electrode. 1 Between the disks 3 and the disks 4 facing away from the center electrode 1 , the electrical lines 6 run in the shortest possible connection to an electronic evaluation circuit 7 and at the greatest possible distance from other metallic parts. Another electrical line 8 leads from the center electrode 1 to the evaluation circuit 7 . On each of the two disks 4 there is a cover 10 provided with a compressed air connection piece 9 . A cavity 11 is present between the covers 10 and the disks 4 . A pressure chamber 12 is formed between each of the disks 3 and the center electrode 1 . A plurality of bores 13 each run through the disk 3 and 4 and connect the pressure chambers 12 via the cavities 11 and the compressed air connection piece 9 to measuring points (not shown). The entire arrangement, including the only schematically illustrated electronic evaluation circuit 7, is surrounded by a metallic housing 14 , which is provided in particular for shielding.
In einer weiteren Ausführungsvariante (Fig. 2) sind die Scheiben 3, 4 (gemäß Fig. 1) jeweils zu einem Isolierkörper 15 vereinigt, auf deren der Mittelelektrode 1 zugewandten Flächen eine feste Elektrode 16 als metallische Schicht nach einem bekannten Beschichtungsverfahren aufgetragen ist. Die elektrischen Leitungen 6 sind hier in Bohrungen 17 des Isolierkörpers verlegt.In a further embodiment variant ( FIG. 2), the disks 3, 4 (according to FIG. 1) are each combined to form an insulating body 15 , on the surfaces of which face the central electrode 1, a solid electrode 16 is applied as a metallic layer by a known coating method. The electrical lines 6 are laid here in bores 17 of the insulating body.
Die Wirkungsweise des beschriebenen kapazitiven Druckaufnehmers
ist folgende:
Die an den nicht dargestellten Meßstellen anliegenden Luftdrücke
wirken in den Druckkammern 12 auf die Mittelelektrode 1 ein. Sind
die Drucke P₁ und P₂ in den beiden Druckkammern 12 gleich groß,
dann erfolgt keine Durchbiegung der Mittelelektrode 1 und die
elektrischen Kapazitäten C₁ und C₂ zwischen der Mittelelektrode 1
und jeweils einer der beiden festen Elektroden 5 sind ebenfalls
gleich groß. Verändern sich die beiden oder einer von beiden
Drücken, so daß eine Druckdifferenz P₁-P₂=ΔP≠0 entsteht,
dann biegt sich die Mittelelektrode 1 in Richtung des geringeren
Druckes durch, die Abstände s zwischen der Mittelelektrode 1 und
den festen Elektroden 5 und damit die Kapazitäten C₁ und C₂ verändern sich. Die Änderung dieser Kapazitäten wird in der elektronischen
Auswerteschaltung 7 in ein Ausgangssignal UA umgesetzt,
das ein lineares Maß der Druckdifferenz darstellt.The described capacitive pressure transducer works as follows:
The air pressures present at the measuring points, not shown, act on the central electrode 1 in the pressure chambers 12 . If the pressures P₁ and P₂ in the two pressure chambers 12 are the same size, then there is no deflection of the central electrode 1 and the electrical capacitances C₁ and C₂ between the central electrode 1 and each one of the two fixed electrodes 5 are also of the same size. Changing both or one of the two pressures so that a pressure difference P₁-P₂ = .DELTA.P ≠ arises 0, then the center electrode 1 to the lower pressure flexes in the direction of the spacing s between the center electrode 1 and the fixed electrodes 5 and thus the capacities C₁ and C₂ change. The change in these capacitances is converted in the electronic evaluation circuit 7 into an output signal U A , which represents a linear measure of the pressure difference.
Die Materialdicke h des Mittelelektrode 1 ist in Abhängigkeit von den zu messenden Druckbereichen so zu wählen, daß die Durchbiegung der Mittelelektrode 1 in ihrer geometrischen Mitte die Größenordnung der Materialdicke h und des Abstandes s erreicht. The material thickness h of the center electrode 1 is to be selected as a function of the pressure ranges to be measured so that the deflection of the center electrode 1 in its geometric center reaches the order of magnitude of the material thickness h and the distance s.
Damit wird bewußt der Bereich des linearen Deformationsverhaltens der Mittelelektrode 1 verlassen. Ziel dieser Maßnahme sind Veränderungen der Kapazitäten C₁ und C₂ in der Größenordnung der Grundkapazitäten, um die notwendige elektrische Verstärkung der auszuwertenden Signale zu verringern, was zu geringeren Auswirkungen störender kapazitätsändernder Einflüsse führt.This deliberately leaves the area of the linear deformation behavior of the center electrode 1 . The aim of this measure is to change the capacitances C 1 and C 2 in the order of magnitude of the basic capacitances in order to reduce the necessary electrical amplification of the signals to be evaluated, which leads to less effects of disturbing capacitance-changing influences.
Durch die zweckmäßige Führung der elektrischen Leitungen 6 wird die Verminderung des Einflusses von Parallelkapazitäten unterstützt. Weiterhin trägt die monolithische Bauweise der Mittelelektrode 1 und der Randversteifung 2 wesentlich zur Verbesserung der Meßgenauigkeit bei, da im Gegensatz zu einer zwischen Ringen eingespannten separaten Plattenfeder durch Konstanz der Randbedingungen ein nahezu hysteresefreies reproduzierbares Verhalten zu verzeichnen ist.The appropriate routing of the electrical lines 6 supports the reduction of the influence of parallel capacitances. Furthermore, the monolithic construction of the center electrode 1 and the edge stiffening 2 contributes significantly to the improvement of the measuring accuracy, since, in contrast to a separate diaphragm spring clamped between rings, constant hysteresis-free reproducible behavior can be observed due to the constancy of the boundary conditions.
Das nichtlineare Verhalten der Mittelelektrode 1 des Druckaufnehmers wird durch eine Abstimmung mit der elektronischen Auswerteschaltung 7 kompensiert.The non-linear behavior of the center electrode 1 of the pressure sensor is compensated for by coordination with the electronic evaluation circuit 7 .
Als erster Schritt zur Dimensionierung des Druckaufnehmers ist die Durchbiegungsfunktion W(r) für die Mittelelektrode 1 zu bestimmen. Bei einer Durchbiegung, die nicht mehr klein gegenüber der Materialdicke h ist, fester Randeinspannung sowie rotationssymmetrischer Geometrie und Belastung erhält man näherungsweise eine Beziehung zwischen dem Differenzdruck ΔP und den elastischen und geometrischen Kenngrößen der Mittelelektrode 1:The deflection function W (r) for the center electrode 1 is to be determined as the first step in dimensioning the pressure sensor. With a deflection that is no longer small compared to the material thickness h, fixed edge clamping and rotationally symmetrical geometry and load, one obtains an approximate relationship between the differential pressure ΔP and the elastic and geometric parameters of the center electrode 1 :
Hierbei sind E der Elastizitätsmodul des Materials, ν die Poisson-Zahl, R der Radius der Mittelelektrode 1 (ohne Randversteifung) und W₀ die maximale Auslenkung in der Mitte der Mittelelektrode 1.E is the elastic modulus of the material, ν is the Poisson number, R is the radius of the central electrode 1 (without edge reinforcement) and W₀ is the maximum deflection in the center of the central electrode 1 .
Die Lösung von Gleichung (1) führt zu einem Ausdruck für W₀. Setzt man diesen ein in den LösungsansatzSolving equation (1) leads to an expression for W₀. If you put this into the solution
ergibt sich die gesuchte Beziehung für W(r)the relationship for W (r) results
W(r) = K(ΔP, E, ν, R, h) (R²-r²)² (3)W (r) = K (ΔP, E, ν, R, h) (R²-r²) ² (3)
In den Ausdruck K gehen neben dem Differenzdruck ΔP die elastischen und geometrischen Kenngrößen der Mittelelektrode 1 ein. Mit der Kenntnis von W(r) können die Kapazitäten C₁ und C₂ bestimmt werdenIn addition to the differential pressure ΔP, the expression K also includes the elastic and geometric parameters of the center electrode 1 . With the knowledge of W (r) the capacities C₁ and C₂ can be determined
mit dem Bedeckungsgrad ν=RE/R, wobei RE den Radius der festen Elektroden 5 bezeichnet. Der Bedeckungsgrad ν<1 trägt der nur teilweisen Nutzung der Oberfläche der Mittelelektrode 1 Rechnung und ist so bemessen, dßa ein möglichst hoher Meßeffekt erzielt wird. Durch Einsetzen von (3) in (4) und nachfolgender Integration erhält manwith the degree of coverage ν = R E / R, where R E denotes the radius of the fixed electrodes 5 . The degree of coverage ν <1 takes into account the only partial use of the surface of the central electrode 1 and is dimensioned such that the highest possible measuring effect is achieved. By inserting (3) into (4) and subsequent integration one obtains
Die geometrischen Parameter des Druckaufnehmers wie Radius R und Materialdicke h der Mittelelektrode 1 sowie der Abstand s zu den Elektroden 5 sind unter Berücksichtigung der Parallelkapazität und von Materialkonstanten der Mittelelektrode 1 so zu wählen, daß in Kombination mit der Auswerteschaltung 7 ein AusgangssignalThe geometric parameters of the pressure transducer such as radius R and material thickness h of the central electrode 1 and the distance s to the electrodes 5 are to be selected taking into account the parallel capacitance and material constants of the central electrode 1 so that in combination with the evaluation circuit 7 an output signal
erzeugt wird, das einen linearen Zusammenhang zwischen dem zu messenden Differenzdruck ΔP und dem Ausgangssignal UA herstellt. In der Gleichung (6) ist Rν ein schaltungsspezifischer Parameter.is generated, which creates a linear relationship between the differential pressure ΔP to be measured and the output signal U A. In equation (6), R ν is a circuit-specific parameter.
Mittels numerischer Simulationen wird unter der Vorgabe, daß der Linearitätsfehler minimal werden soll und in Abhängigkeit von W₀/h, Cp, ν und Rν das jeweils günstigste Verhältnis von W₀/s, der Abstand s selbst und der jeweils minimale erreichbare Linearitätsfehler L der Gesamtanordnung berechnet.By means of numerical simulations, the stipulation that the linearity error should be minimal and depending on W₀ / h, C p , ν and R ν the most favorable ratio of W von / s, the distance s itself and the minimum achievable linearity error L is Overall arrangement calculated.
Aus den Berechnungen lassen sich, abhängig vom zu messenden Differenzdruck ΔP beliebig viele Wertequadrupel (R, h, s, ν) zur geometrischen Dimensionierung des kapazitiven Druckaufnehmers berechnen, die alle dadurch gekennzeichnet sind, daß bei ihrer Realisierung ein bestimmter minimaler Linearitätsfehler erzielt wird.From the calculations, depending on the differential pressure to be measured ΔP any number of quadrants of values (R, h, s, ν) for calculate the geometric dimensioning of the capacitive pressure transducer, which are all characterized in that when they are realized a certain minimum linearity error is achieved.
Claims (1)
daß der Abstand (a) zwischen der Mittelelektrode (1) und den beiden festen Elektroden (5) bei Druckgleichheit jeweils gleich ist und der Größenordnung der Materialdicke (h) der Mittelelektrode (1) entspricht,
daß zur Erzielung großer Kapazitätsänderungen die Auslenkung der Mittelelektrode (1) bei Druckunterschied in Richtung des geringeren Druckes in ihrer geometrischen Mitte unter Verlassen des linearen Bereiches der Durchbiegungsfunktion und der Kapazitätsfunktion die Größenordnung der Materialdicke (h) der Mittelelektrode (1) erreicht.
daß das Ausgangssignal (UA) der elektronischen Schaltung (7) in Abhängigkeit der entsprechend dem Druck sich verändernden Kapazitäten (C₁; C₂) zwischen der Mittelelektrode (1) und den beiden festen Elektroden (5) und einem veränderlichen schaltungsspezifischen Parameter (Rν) sowie in Kombination mit der Dimensionierung geometrischer Parameter des Druckaufnehmers wie Radius (R) und Materialdicke (h) der Mittelelektrode (1), Radius (RE) der Elektroden (5) und deren Abstand (s) zur Mittelelektrode (1) und mit Materialkonstanten der Mittelelektrode (1) der Bedingung genügt.Capacitive pressure transducer for the precise measurement of small differential pressures with an elastic deformation body made in a monolithic construction, representing the central electrode, which consists of a ring-shaped edge stiffening and a disc-shaped plate spring arranged centrally and symmetrically to the edge stiffening, and with the fixed electrode electrodes lying on both sides of the deformation stiffening realizes a linear connection between the pressure and the output signal generated in an electronic circuit, characterized in that
that the distance (a) between the center electrode ( 1 ) and the two fixed electrodes ( 5 ) is the same in the case of pressure equality and corresponds to the order of magnitude of the material thickness (h) of the center electrode ( 1 ),
that to achieve large changes in capacitance, the deflection of the central electrode ( 1 ) with pressure difference in the direction of the lower pressure in its geometric center, leaving the linear range of the deflection function and the capacitance function, reaches the order of magnitude of the material thickness (h) of the central electrode ( 1 ).
that the output signal (U A ) of the electronic circuit ( 7 ) depending on the capacitance (C₁; C₂) changing according to the pressure between the center electrode ( 1 ) and the two fixed electrodes ( 5 ) and a variable circuit-specific parameter (R ν ) as well as in combination with the dimensioning of geometric parameters of the pressure transducer such as radius (R) and material thickness (h) of the central electrode ( 1 ), radius (R E ) of the electrodes ( 5 ) and their distance (s) to the central electrode ( 1 ) and with material constants the center electrode ( 1 ) of the condition enough.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19904034247 DE4034247A1 (en) | 1990-10-27 | 1990-10-27 | Capacitive transducer for differential pressure measurement - achieves precise, linear characteristic with small parallel capacitances using nonlinear flexing region of centre electrode |
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| DE19904034247 DE4034247A1 (en) | 1990-10-27 | 1990-10-27 | Capacitive transducer for differential pressure measurement - achieves precise, linear characteristic with small parallel capacitances using nonlinear flexing region of centre electrode |
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| DE4034247A1 true DE4034247A1 (en) | 1992-04-30 |
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|---|---|---|---|---|
| CN108626104A (en) * | 2018-06-22 | 2018-10-09 | 佛山科学技术学院 | A kind of anti-evacuator |
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1990
- 1990-10-27 DE DE19904034247 patent/DE4034247A1/en not_active Withdrawn
Cited By (2)
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| CN108626104A (en) * | 2018-06-22 | 2018-10-09 | 佛山科学技术学院 | A kind of anti-evacuator |
| CN108626104B (en) * | 2018-06-22 | 2024-04-30 | 佛山科学技术学院 | Evacuating-proof device |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
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