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Kapazitiver Druckaufnehmer und Schaltung mit einem solchen Druckaufnehmer
Die
Erfindung bezieht sich auf einen Druckaufnehmer mit einer druckabhängigen Kapazität,
die von einer unter dem Einfluß des Druckes durchbiegenden Nfembranelektrode und
einer Gegenelektrode gebildet wird, und kann insbesondere vorteilhaft zum Aufnehmen
von Indikatordiagrammen von Verbrennungsmotoren 0. dgl. Anwendung finden, Bekannt
sind kapazitive Druckaufnehmer der erwähnten Art, bei denen, um einen Temperaturverlauf
der Aufnehmerkapazität zu vermeiden, die abstandsbestimmenden Teile der Kondensatorelektroden
in bezug auf ihre Länge und lineare Ausdehnungskoeffizienten derart ausgebildet
sind, daß der Elektrodenabstand und somit die Aufnehmerkapazität unabhängig von
der Temperatur ist.
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Es hat sich gezeigt, daß Vorrichtungen mit solchen Druckaufnehmern
zur Verhütung beträchtlicher Meßfehler geeicht werden müssen, währenddessen der
Druckaufnehmer die zu erwartende Betriebstemperatur aufweist. Bei Änderung der Betriebstemperatur
muß die Eichung geändert werden. Auf diese Weise wird, ungeachtet der getroffenen
Maßnahmen in bezug auf den Temperaturverlauf des Aufnehmers, ein für praktische
Zwecke hinreichendes temperaturunabhängiges Meßergebnis nicht erzielt.
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Die Erfindung bezweckt, diesem tZbelstand abzuhelfen.
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Nach der Erfindung wird dafür gesorgt, daß der Elektrodenabstand
bei der Aufnehmerkapazität derart temperaturabhängig ist, daß die relative Kapazitätsänderung
unabhängig von der Temperaturabhängigkeit des Elastizitätsmoduls des Membranmaterials
ist.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die ursprüngliche
Temperaturabhängigkeit der Meßergebnisse auf zwei in ihrer Auswirkung verschiedene
Temperatureinflüsse zurückzuführen ist, d. h. einerseits Abstandsänderungen der
Kondensatorelektroden infolge der linearen Ausdehnung der abstandsbestimmenden Bauteile
dieser Elektroden, andererseits die Änderung der von einem gegebenen äußeren Druck
herbeigeführten Durchbiegung der Membranelektrode infolge der Temperaturabhängigkeit
des Elastizitätsmoduls des Membranmaterials.
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Der Einfluß des erstgenannten Faktors auf die Aufnahmekapazität ist
unabhängig von dem auf den Aufnehmer einwirkenden Druck, der des letztgenannten
Faktors aber nicht, denn es tritt beim Fehlen eines auf den Aufnehmer einwirkenden
Überdrucks keine Durchbiegung und mithin auch keine Durchbiegungsänderung der Membran
ein.
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Da es sich im folgenden also um einen reinen Temperatureinfluß einerseits
und einen druckabhängigen Temperatureinfluß andererseits handelt, kann mit einer
einzigen temperaturabhängigen Ausgleichmaßnahme, die z. B. bei den bekannten Druckaufnehmern
Anwendung findet, keine wirkliche Temperaturunabhängigkeit erzielt werden.
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Durch Anwendung der Erfindung wird der erwähnte druckabhängige Temperatureinfluß
auf die relativen Kapazitätsänderungen ausgeglichen; die alsdann auftretende, im
allgemeinen stark negative Temperaturabhängigkeit von der Aufnehmerkapazität, die
nicht von dem auf den Aufnehmer einwirkenden Druck beeinflußt wird, kann gemäß der
weiteren Erfindung durch eine temperaturabhängige Ausgleichsimpedanz, insbesondere
einen temperaturabhängigen Kondensator, der der gleichen Umgebungstemperatur wie
der Druckaufnehmer ausgesetzt ist, rückgängig gemacht werden. Ein störender Temperatureinfluß
auf die Meßergebnisse ist dann nicht mehr vorhanden.
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Der erforderliche Ausgleichskondensator ist vorzugsweise im Druckaufnehmer
in der unmittelbaren Nähe der Aufnehmerkapazität untergebracht.
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Bei Verwendung des Druckaufnehmers nach der Erfindung zusammen mit
einem Ausgleichkondensator in einer Brückenschaltung bei der, wie an sich bekannt,
die Aufnahmekapazität einen der Brückenarme bildet und also bei Druckänderungen
!die Modulation einer der Brücke zugeführten hochfrequenten Speisespannung bewirkt,
bilden der Druckaufnahmekondensator und der Ausgleichkondensator vorzugsweise zusammen
einen zwischen den Speisepunkten der Brücke liegenden Brückenzweig, bei dem der
Ausgleichkondensator eine solche negative Temperaturabhängigkeit hat, daß das Verhältnis
der Kapazitätswerte des Aufnehmer- und Ausgleichkondensators innerhalb des zu erwartenden
Betriebstemperaturbereichs bei einem beliebig gegebenen äußeren Druck von der Umgebungstemperatur
des Aufnehmers unabhängig ist.
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Jetzt kann eine statische Eichung der Druckaufnehmerschaltung bei
beliebiger Temperatur, z. B.
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Zimmertemperatur, erfolgen; die mit einer solchen Aufnehmerschaltung
bei seinem Verbrennungsmotor während des Betriebs erzielten Meßergebnisse bedürfen
dann keiner Temperaturkorrektur.
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An Hand der Fig. I und 2., die einen Druckaufnehmer nach der Erfindung
mit einem Ausgleichkondensator bzw. eine Schaltung mit einem solchen Druckaufnehmer
darstellen, wird die Erfindung näher erläutert.
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Der in Fig. I dargestellte Druckaufnehmer hat einen zylindrischen
Halter I, der an der Außenseite mit Schraubengewinde 2 versehen ist, mit dessen
Hilfe der Halter unter Zwischenfügung eines Kerzenringes 3 z. B. in der Öffnung
der Zylinderwand eines zu untersuchenden Verbrennungsmotors befestigt werden kann.
Im Halter ist mit etwas Spielraum eine Membranhülse 4 angebracht, deren Boden 5
die Membranelektrode der Druckaufnehmerkapazität bildet. Die Membranhülse ist durch
Schweißen mit einer Befestigungsbuchse 6 verbunden, die in eine rohrförmige Verlängerung
7 des Halters I eingeschraubt ist.
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Zentral in der Membranhülse 4 ist ein Porzellanstab 8 angeordnet,
dessen der Membranelektrode 5 gegenüberliegendes Ende die Gegenelektrode.g der Druckaufnehmerkapazität
trägt. Der Porzellanstab 8 wird durch die Spannung einer Feder 10 auf einen einspringenden
Rand einer innerhalb der Membranhülse liegenden Metallbuchse 1 1 aufgedrückt, die
zusammen mit einer auf dem Porzellanstab angebrachten Metallbelegung 12 einen Kondensator
bildet. Dieser Kondensator weist wegen des Unterschieds im linearen Ausdehnungskoeffizientender
Kondensatorbuchse I I und des Porzellanstabes 8 einen hohen negativen Temperaturkoeffizienten
auf und ist als Ausgleichkondensator verwendbar, wie an Hand von Fig. 2 näher erläutert
wird.
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Zunächst wird die Bemessung des Druckaufnehmers nach der Erfindung
erklärt.
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Wie bereits erwähnt, beruht die Temperaturabhängigkeit desDruckaufnehmers
auf zweiFaktoren, d. h. einerseits auf der linearen Ausdehnung der abstandsbestimmenden
Teile der Druckaufnehmerelektroden 5 und 9, andererseits auf der Temperaturabhängigkeit
des Elastizitätsmoduls E des Membranmaterials.
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Der erstgenannte Faktor verursacht eine Abstandsänderung d der Elektroden
5 und 9. Dieser Abstand ist von der Abmessung in Achsenrichtung des verdickten Randes
des Bodens der Membranhülse 4 und von der Bemessung in Achsenrichtung des einspringenden
Teils der Kondensatorbuchse II abhängig, welche Abmessungen zusammen eine Länge
ii bilden, sowie von der Länge 12 des unteren Teils des Porzellanstabes 8.
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Da der Elektrodenabstand d klein in bezug auf 11 und 12 ist, kann
die Temperaturabhängigkeit vond wie folgt ausgedrückt werden:
wo d20 = Elektrodenabstand bei Zimmertemperatur (200 C), tO = Abweichung von der
Zimmertemperatur, dt = Elektrodenabstand bei (200 + tO) C, CL = resultierender linearer
Ausdehnungskoeffizient
der abstandbestimmenden Teile der Kondensatorelektroden,
wegen der verschiedenen Ausdehnung des Porzellans und des für die Membranhülse 4
und die Kondensatorbuchse 1 1 verwendeten Metalls, z. 13. Eisen; in diesem Fall
ist CL etwa 5,5 X Io-6.
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Der zweite Faktor, d. h. die Temperaturabhängigkeit des Elastizitätsmoduls
E des Membranmaterials, ist versuchsweise bestimmt worden, und zwar angenähert als
Et = E.20 (I - fit), E20° = E bei Zimmertemperatur, t = Abweichung von der Zimmertemperatur
(wie oben), Et = E bei einer Temperatur (200 + t°) C, fi = Temperaturkoeffizient
von E, z. B. 280 X IO-8 Wenn infolge eines äußeren Drucks p die Durchbiegung der
Membran ad202 bei Zimmertemperatur beträgt, kann, wie es sich gezeigt hat, mit großer
Annäherung die durch die Änderung von E geänderte Durchbiegung bei einer Temperatur
(200 + t°)C wie folgt dargestellt werden: ddt = d200 (I + pt)- (2) Die vom erwähnten
Druck p herbeigeführte relative Kapazitätsänderung desAufnahmekondensators c - bei
Zimmertemperatur ist, falls die Durchbiegung der Membran klein in bezug auf den
Elektrodenabstand d20o ist, nahezu proportional zur relativen Änderung des Elektrodenahstands.
Also gilt
Bei einer Temperatur, die um t° C von der Zimmertemperatur abweicht, würde die relative
Kapazitätsänderung betragen:
Durch Substitution der durch die Gleichungen(I) Utl(l (2) gegelenen Werte von dt
und l dt in der Gleichung (4) kann diese wie folgt geschrieben werden:
Aus den Gleichungen (3) und (5) geht hervor, daß die relative Kapazitätsänderung
temperaturunabhängig wird, wenn
also wenn a . lj fi . d200 . (7) in welchem Fall der Einfluß der Temperaturabhängigkeit
der Membrandurchbiegung auf die relative Kapazitätsänderung durch dieTemperaturabhängigkeit
des Elektrodenabstandes ausgeglichen wird.
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Aus der Gleichung (7) geht hervor, daß nach Wahl des Elektrodenabstandes
d20 und Wahl der verwendeten Stoffe für die abstandsbestimmenden Teile der Kondensatorelektroden,
womit die Konstanten a und ß festliegen, der erwähnte Ausgleich nur durch geeignete
Wahl der Abmessung l1 (natürlich im Zusammenhang mit 12) bewirkt werden kann. Wenn
z. B. d2o = 0,I mm gewählt wird und die Konstanten CL und ,8 die vorerwähnten Werte
haben, soll d20° 280 . I0-6 . 0,0I l1 = = = etwa 0,5 cm α 5,5 . IO-6 sein.
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Jetzt ist zwar die relative Kapazitätsänderung temperaturunabhängig,
aber die Kondensatorkapazität C0 selbst keineswegs, wie aus der Temperaturabhängigkeit
des Elektrodenabstandes d hervorgeht, die aus der Gleichung (I) nach Substitution
des durch die Gleichung (7) gegebenen Wertes für l1 α folgt, d. h. d20° dz
= d200 (1 + fit) . (8) Der Einfluß des auf diese Weise auftretenden, starken negativen
Temperaturkoeffizienten der Aufnehmerkapazität C0 kann besonders einfach beseitigt
werden, wenn, wie in Fig. 2 dargestellt, die Druckaufnahmekapazität C0 einen Teil
einer Brükkenschaltung I3 bildet und also bei Druckänderungen die Modulation einer
der Brücken zugeführten hochfrequenten Spannung 14 bewirkt.
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In diesem Fall wird vorzugsweise eine Ausgleichimpedanz, insbesondere
ein Ausgleichkondensator Ce verwendet, der im Druckaufnehmer in der unmittelbaren
Nähe der Aufnehmerkapazität Co untergebracht ist, wie in Fig. I der Ausgleichkondensator
II, 12 und somit die Temperaturänderung der Aufnehmerkapazität mitmacht. Dabei wird
die Aufnehmerkapazität in Reihe mit dem Ausgleichkondensator geschaltet; es bildet
diese Reihenschaltung einen zwischen den Speisepunkten der Brücke liegenden Brückenzweig,
während der Ausgleichkondensator eine solche negative Temperaturabhängigkeit hat,
daß das Verhältnis der Kapazitätswerte der Aufnehmerkapazität CO und AusgleichkapazitätCc
innerhalb des Temperaturbereiches bei beliebigem äußerem Druck unabhängig von der
Umgebungstemperatur des Aufnehmers ist.
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Die der Meßdiagonale der Brückenschaltung entnommene modulierte hochfrequente
Spannung steuert auf an sich bekannte Weise nach Verstärkung und Gleichrichtung
(17) eine Kathodenstrahlröhre I8.
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Wie sich gezeigt hat, ist durch Anwendung der Erfindung erzielbar,
daß die mit dem Druckaufnehmer erhaltenen Meßergebnisse innerhalb des Betriebstemperaturbereiches
z. B. von 200 C bis 5000 C zaahezu ganz temperaturunabhängig sind, wodurch u. a.
der sehr wichtige Vorteil erzielt wird, daß die
Eichung der Druckaufnahmevorrichtung
bei Zimmertemperatur stattfinden kann.