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Verfahren zur Beseitigung der Gleichrichterwirkung von Druckwandlerplatten
Es sind elektrische Druckwandler und Druckmeßgeräte bekanntgeworden, die auf der
Ausnutzung der durch Druck bewirkten Änderung des Obergangswiderstandes zwischen
einem Halbleiter und einem metallischen Druckstempel beruhen. Vorzugsweise werden
als Halbleitcr Metalloxyde benutzt, die auf ihrem Muttermetall aufgewachsen sind.
Solche aus Metall und Metalloxyd bestehende Druckwandlerplatten haben nicht nur
die Eigenschaft der Widerstandsänderung bei Druckbeanspruchung, sondern sie zeigen
auch eine Gleichrichtenvirkung. Die vorliegende Erfindung hat ein Verfahren zur
Beseitigung dieser Gleichrichterwirkung zum Gegenstand, gemäß welchem ein so hoher
Druck auf die Druckwandlerplatten ausgeübt wird, daß eine stabile Metalloxydschicht
entsteht und die C:leichrichterwirkung zerstört wird.
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Im folgenden soll die nähere Begründung für das vorgeschlagene Verfahren
gegeben und weiter ausgeführt werden, welches die Vorteile dieser Erfindung sind.
Als Erläuterungsbeispiel soll eine aus Kupfer bestehende Druckwandlerplatte dienen,
auf der eine Kupferoxydulschicht aufgewachsen ist, da sicb diese Ausführung als
besonders geeignet erwiesen hat.
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Fig. I zeigt das Schema eines Druckwandlers, der aus einer Kupferplafte
I( besteht, auf der eine Kupferoxydulschicht O von etwa 0,1 mm aufgewachsen ist.
Mittels des Druckstempels S wird ein Druck auf den Druckwandler ausgeübt, wobei
der elektrische Wider
stand R vom Mutterkupfer zum Stempel druckabhängig
ist, wie dies in bekannter Weise schematisch angedeutet ist. Wird statt des normalerweise
verwandten Messingstel pels eine andere Gegenelektrode, z. B. eine Schicht Staniol,
benutzt, so sinkt die Druckabhängigkeit des Widerstandes auf 20 bis 30 ovo des ursprünglichen,Wertes.
Daraus kann man den Schluß ziehen, daß die Widerstandsänderung an der Berührungsstelle
von Kupferoxydul und Druckstempel erfolgt. Außerdem weist die beschriebene Anordnung
eine ausgeprägte Ventihvirkung auf; die bevorzugte Elektronenstromrichtung verläuft
vom Kupfer zum Stempel. Die Gleichrichterwirkung wird durch Variation der Gegenelektrode
nicht wesentlich geändert. Als Sitz dieser Erscheinung muß man daher den Übergang
vom Kupfer zum Kupferoxydul annehmen. Die sperrende Wirkung ist bis etwa 3 Volt
Spannungsdifferenz pro Platte stabil, bei höheren Spannungen tritt eine teilweise
Zerstörung der Sperrschicht ein.
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Diese Ventilwirkung der Druckwandlerplatten ist sehr unerwünscht.
Um eine geniigend große Leistung zu erhalten, muß die Spannung im allgemeinen wesentlich
größer als 3 Volt, z. B. io bis 23 Volt pro Platte, gewãhlt werden. Infolgedessen
ist dann die Sperrschicht nicht mehr stabil, und sie darf elektrisch nicht beansprucht
werden. Nur Gleichspannung in der Flußrichtung führt zu reproduzierbaren Werten,
während die Anwendung von Wechselspannung nicht möglich ist.
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Sehr oft ist aber gerade die Verwendung von Wechselstrom erwünscht,
da der Wechselstrombetrieb zahlreiche schaltungstecliIIisclle und andere Vorzüge
besitzt. Es sei z. B. erwähnt die Spannungstransformation, die Mõglichkeit der -
bequemen Anpassung und Verstärkung, die direkte Steuerung von Motoren.
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Es ist nun an sich möglich, Druckwandierplatten durch Gleichstromschaltungen
(Zweiwegschaltung, Graetzsche Schaltung und andere mehr oder weniger komplizierte
Kunstschaltungen? für Wechselstrombetrieb geeignet zu machen. Diese Maßnahme setzt
jedoch immer eine aus mehreren Druckwandlern bestehende Meßanordnung voraus, und
die Einfachheit des Wechselstrombetriebs wird durch solche umständliche Schaltungen
wieder aufgehoben; auch lassen sich seine Vorteile alsdann nur teilweise ausnutzen,
da ja der Wechselstrom wieder in Gleichstrom zurückverwandelt wird und der Stromverbraucher
im Stromkreis des Druckwandlers mit Gleichstrom gespeist wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es, durch geeignete Vorbehandlung von Druckwandlerplatten
deren Gleichrichterwirkung zu zerstören, so daß auch ohne Zuhilfenahme von Kunstschaltungen
die einzelne Druckwandlerplatte mit Wechselstrom betrieben werden kann. Es wird
damit eine bedeutende Vereinfachung des Wechselstrombetriebs in schaltungstechnischer
Hinsicht erreicht, und ferner kömlen alle Vorteile des Wechselstrombetriebs sowohl
für die zugeführte wie auch für die abgenommene elektrische Leistung ausgenutzt
werden.
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Da, wie bereits oben erwähnt wurde, die Gleichrichterwirkung an der
Berührungsstelle zwischen Mutterkupfer und Kupferoxydul auftritt, ist eine Beeinflussung
dieser Wirkung durch Behandlung der Oberflächen mittels Schleifen und Polieren oder
durch eine Änderung des Stempelmaterials aussichtslos. Temperaturbehandlung scheidet
wegen der Oxydation des Kupfers aus. Auch eine Vorbehandlung durch Ausübung eines
Druckes auf die Kupferplatten mit der aufgewachsenen Schicht erschien zunächst erfolglos.
Denn das Kupferoxydul besitzt ein äußerst sprödes, kleinkristallines Gefüge, das
bei mechanischer Beanspruchung zum Abblättern vom Mutterkupfer neigt. Demgemäß hatten
die versuchsweise durchgeführten Druckbehandlungen zunächst ein Abbröckeln der Kupferoxydu1-schicht
zur Folge, wodurch die Einrichtung natürlich als Druckwandlerplatte völlig unbrauchbar
wurde. Es zeigte sich jedoch, daß bei weiterer Drucksteigerung bis zur bleibenden
Verformung des Kupfers die Kupferoxydulschicht wieder stabil wurde. Durch derartig
hohen Druck behandelte Platten leiten nach Entlastung den Strom in beiden Richtungen
gleichmäßig, während die Druckabhängigkeit unverändert bleibt. Dieses überraschende
Ergebnis ist offenbar darauf zurückzuführen, daß durch die starken Drücke eine Verformung
der inneren Berührungsschicht eintritt. Platten von 5 mm Durchmesser wurden unter
Anwendung eines Druckes von mehr als 500 kg auf 6,2 bis 6,5 mm Durchmesser zusammengedrückt.
Fig. 2 zeigt maßstäblich die Platte vor und nach der Verformung. Die Oxydulschicht
verteilt sich - dabei gleichmälig über die ganze Fläche und haftet nach Aufhören
des Druckes fest am Kupfer.
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Die Druckbehandlung der Platten hat den weiteren Vorteil, daß auf
einfache Art eine sehr ebene OberRäche erzielt wird. Durch Verformung werden Unebenheiten
des Materials weitgehend ausgeglichen, die Oberfläche ist im allgemeinen spiegelnd.
Bisher war eine ebene und spiegelnde Oberfläche nur durch umständliches Schleifen
und Polieren zu erhalten. Das Planschleifen von Druckwandlerplatte und Druckstempel
war sogar unerläßlich, um einen linearen Druckanstieg zu erhalten. Bei der erflndungsgemäßen
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der Platten zeigte es sich dagegen, daß Platten mit
zahlreichen Sprüngen und Rissen in der Kupferoxydulschicht nach dem Pressen vollkommen
eben und spiegelnd waren.
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Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens genügt es,
daß die Oberflächen von Druckwandler und Druckstempel einigermaßen eben sind, aber
ein Schleifen ist nicht erforderlich. Ebenfalls ist ein Nachschleifen oder Polieren
nach der Druckbehandlung nicht nötig. Natürlich erfordert das erfindungsgemäße Verfahren
gewisse betriebliche Vorsichtsmaßregeln, z. B. darf die Druckbeanspruchung nicht
ruckweise erfolgen, weil sonst das Kupfer kristallisieren könnte.
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Die Drucksteigerung muß allmählich erfolgen, damit das Kupfer fließt
und die Oxydulschicht mitnimmt.
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Die gemachten Ausführungen über die Gleichrichterwirkung und ihre
Aufhebung bei einer aus Kupfer und Kupferoxydul bestehenden Druckwandlerplatte gelten
allgemein für jede Druckwandlerplatte, die aus einem Muttermetall und einer auf
ihr aufgewachsenen Metalloxydschicht besteht. Es sei als weiteres Beispiel hingewiesen
auf Aluminium und Aluminiumoxyd.