DE820975C - Kapazitiver Druckaufnehmer und Schaltung mit einem solchen Druckaufnehmer - Google Patents

Kapazitiver Druckaufnehmer und Schaltung mit einem solchen Druckaufnehmer

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DE820975C
DE820975C DE1948P0020701 DEP0020701D DE820975C DE 820975 C DE820975 C DE 820975C DE 1948P0020701 DE1948P0020701 DE 1948P0020701 DE P0020701 D DEP0020701 D DE P0020701D DE 820975 C DE820975 C DE 820975C
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pressure
temperature
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capacitor
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Expired
Application number
DE1948P0020701
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English (en)
Inventor
Maximilien Felix Reynst
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Koninklijke Philips NV
Original Assignee
Philips Gloeilampenfabrieken NV
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L23/00Devices or apparatus for measuring or indicating or recording rapid changes, such as oscillations, in the pressure of steam, gas, or liquid; Indicators for determining work or energy of steam, internal-combustion, or other fluid-pressure engines from the condition of the working fluid
    • G01L23/08Devices or apparatus for measuring or indicating or recording rapid changes, such as oscillations, in the pressure of steam, gas, or liquid; Indicators for determining work or energy of steam, internal-combustion, or other fluid-pressure engines from the condition of the working fluid operated electrically
    • G01L23/12Devices or apparatus for measuring or indicating or recording rapid changes, such as oscillations, in the pressure of steam, gas, or liquid; Indicators for determining work or energy of steam, internal-combustion, or other fluid-pressure engines from the condition of the working fluid operated electrically by changing capacitance or inductance
    • G01L23/125Devices or apparatus for measuring or indicating or recording rapid changes, such as oscillations, in the pressure of steam, gas, or liquid; Indicators for determining work or energy of steam, internal-combustion, or other fluid-pressure engines from the condition of the working fluid operated electrically by changing capacitance or inductance by changing capacitance

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Description

  • 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.
  • 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.
  • Die Erfindung bezweckt, diesem tZbelstand abzuhelfen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Der erforderliche Ausgleichskondensator ist vorzugsweise im Druckaufnehmer in der unmittelbaren Nähe der Aufnehmerkapazität untergebracht.
  • 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.
  • Jetzt kann eine statische Eichung der Druckaufnehmerschaltung bei beliebiger Temperatur, z. B.
  • Zimmertemperatur, erfolgen; die mit einer solchen Aufnehmerschaltung bei seinem Verbrennungsmotor während des Betriebs erzielten Meßergebnisse bedürfen dann keiner Temperaturkorrektur.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Zunächst wird die Bemessung des Druckaufnehmers nach der Erfindung erklärt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die der Meßdiagonale der Brückenschaltung entnommene modulierte hochfrequente Spannung steuert auf an sich bekannte Weise nach Verstärkung und Gleichrichtung (17) eine Kathodenstrahlröhre I8.
  • 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.

Claims (6)

  1. PATENTANSPRUCHE I. Druckaufnehmer mit einer druckabhängigen Kapazität, die von einer unter dem Einfluß eines Überdruckes durchbiegenden Membranelektrode und einer WGegenelektrode gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrodenabstand derart temperaturabhängig ist, daß die von einem Überdruck herbeigeführte relative Kapazitätsänderung unabhängig von der Temperaturabhängigkeit des Elastizitätsmoduls des Membranmaterials ist.
  2. 2. Druckaufnehmer nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die folgende Beziehung gilt: = fid, wo A 1 = Anderung des Elektrodenabstandes des Aufnehmerkondensators wegen linearer Ausdehnung der abstandsbestimmenden Bauteile der Elektroden bei I° C Temperatursteigerung, ß = Temperaturkoeffizient des Elastizitätsmoduls des Membranmaterials, d = Elektrodenabstand des Aufnehmerkondensators.
  3. 3. Druckaufnehmer nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ausgleich der Temperaturabhängigkeit der Aufnehmerkapazität eine Ausgleichimpedanz vorgesehen ist, deren Wert von der Umgebungstemperatur des Druckaufnehmers abhängig, jedoch unabhängig von dem auf den Druckaufnehmer einwirkenden Überdruck ist.
  4. 4. Druckaufnehmer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichimpedanz von einem Kondensator gebildet wird, der im Druckaufnehmer in der unmittelbaren Nähe des Aufnehmerkondensators untergebracht ist.
  5. 5. Schaltung mit einem Druckaufnehmer nach einem der vorangehenden Ansprüche.
  6. 6. Schaltung nach Anspruch 5, bei der der druckabhängige Aufnehmerkondensator einen Teil einer Brückenschaltung bildet und' also bei Druckänderungen die Modulation einer der Brücke zugeführten hochfrequenten Speisespannung bewirkt, dadurch gekennzeichnet, daß der druckabhängige Aufnehmerkondensator und eine mit ihm in Reihe geschaltete temperaturabhängige Ausgleichimpedanz zusammen einen zwischen den Speisepunkten der Brücke liegenden Brückenzweig bilden, bei dem die Ausgleichimpedanz eine solche negative Temperaturabhängigkeit hat, daß das Verhältnis der Impedanzwerte des Aufnehmerkondensators und der Ausgleichimpedanz innerhalb des Betriebstemperaturbereiches unabhängig von der Umgebungstemperatur des Aufnehmers ist.
DE1948P0020701 1944-05-16 1948-11-05 Kapazitiver Druckaufnehmer und Schaltung mit einem solchen Druckaufnehmer Expired DE820975C (de)

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