SE506558C2 - Givarelement för tryckgivare - Google Patents

Description

25 35 40 506 558 2 Den dominerande orsaken till avvikelser från ett linjärt uppförande hos kapacitiva givar- element enligt ovan är emellertid 'strökapacitanser av olika slag. Dels finns randeffekter vid kondensatorplattomas kanter, dels kapacitanser i förhållande till andra elektriskt ledande ytor och områden i närheten av kondensatorelektrodema. Dessa effekter ger sålunda awikelser från det linjära beteendet hos en utsignal från givarelement, som ligger klart utanför vad som en användare av precisionstryckgivare i allmänhet kan godta. Inverkan av de olika strökapaci- tansema är komplex och kan beskrivas som kombinationer (t ex summor) av funktioner av olika typer, en konstant funktion, en linjär funktion, olinjära funktioner av olika slag såsom exponentiella funktioner, etc.

Strökapacitansemas inverkan kan uppdelas dels i att de påverkar det maximala värdet hos avvikelsen från linjärt beteende, dels som en awikelsekurva med olika utseenden över givarens mätområde. Olika former hos awikelser från det linjära uppförandet visas i ñgurer- na 2a, 2b, 2c och 2d. Avvikelsen visas som en funktion av det pålagda trycket mellan värdet 0 (motsvarar viloläget) och värdet betecknat FS (= “Full Sca1e"), som står för den övre gränsen för mätområdet. Med en digitalt arbetande processor går det givetvis att kompensera dessa olika awikelser men *med enklare elektroniska komponenter av mer robust typ kan svårigheter erhållas vid kompenseringen.

Den önskade kompensationssignalen, som skall överlagras på avvikelsen från ett linjärt förlopp för utsignalen, kan beskrivas som ett polynom av insignalens, t ex tryckets, avvikelse från normalläget. Med enklare elektroniska kretsar kan termema i kompensationssignalen upp till och med den kvadratiska termen åstadkommas. Det är svårare att använda funktioner av högre gradtal med användning av elektronikkomponenter av standardtyp. Vid en sådan linjär kompensering med högst kvadratiska termer underlättar det väsentligt, om avvikelsekurvan är symmetrisk, se fig. 2a, Den maximala storleken på awikelsen kan inställas med hjälp av anpassning av konstanter i kompensationsfunktionen. I allmänhet är det emellertid så, att ett stort värde på den maximala awikelsen också medför en ökad asymmetn' hos kurvan, vilket vid en god kompensering, även om avvikelsen från linjärt förlopp är symmetrisk enligt fig. 2a, erhålls en avvikelse med S-form, jämför tig. 2d, i den kompenserade utsignalen. Denna effekt är dock för det mesta av mer teoretisk natur och kommer i allmänhet inte att vara märkbar för en användare av tryckgivaren. i Storleken och formen hos kurvan för utsignalens avvikelse från ett linjärt beroende av insignalen kan påverkas, genom att givarelementet utformas på olika sätt. Konventionellt är att belägga givarhusdel och membrandel med ett utanpå liggande elektriskt ledande skikt, ett skärmskikt, som är förbundet med elektrisk jord. Materialskiktet kan vara guld, platina, silver, en legering av silver och platina, titannitrid, tennindiumoxid, etc. I tryckgivaren visad i patentet US-A-4,935,84l har den yttre vanligen plana ytan hos den plattformade husdelen försetts med en centralt liggande urtagning med en bottenyta, som ligger på ett litet avstånd från den elektrod i mätkondensatom, vilken är belagd på insidan av husdelen. Det yttre jorda- de ledande skiktet är också pålagt i denna urtagning och gör de elektriska förhållandena omkring husdelens kondensatorelektrod mer likformiga. Härigenom kommer utsignalens avvikelse från linjärt förlopp att påverkas både till storlek och form.

Med en sådan centralt liggande urtagning i husdelen erhåller emellertid givarelementet minskad hållfasthet och området vid urtagningens botten kan till och med bilda ett andra 10 15 20 506 558 i 3 böjligt membran, vilket i sin tur också kommer att påverkas av de yttre tryckförändringama, tex vid montering av givarelementet med en ensidig belastning av det tryck, som skall mä- tas, dvs så att trycket endast verkar på mätmembranet, varigenom detta andra sekundära membran påverkas av tryckförändringarna i omgivningen, dvs från atmosfären. Detta sekun- dära membrans rörelse ger då upphov till felaktigheter hos givarelementets funktion. Felfunk- tioner kan givetvis också inträffa, genom att bristningar uppträder vid övergången mellan de olika tjocka delarna hos husdelen.

Denna känslighet för ändringar hos det yttre atmosfärstrycket är under normala förhål- landen liten och är kraftigt utsträckt i tiden. En användare observerar den normalt inte. Vid ytterst låga yttre tryck, som kan uppträda i samband med oväder, kan dock en direkt påver- kan av givarelementet erhållas. Den mekaniskt försvagande effekten hos urtagningen kan till stor del undanröjas, genom att urtagningen fylls med en plugg i form av en liten cylindrisk platta, som fastgörs i urtagningen med hjälp av lämpligt fogmaterial, för glaskeramik en pasta innehållande finfördelat glas. Härigenom kommer givarelementets husdel att mekaniskt stabi- liseras. Ett sådant givarelement blir dock komplicerat att framställa och innehåller fortfarande en brottanvisning vid urtagningen.

REDoGöRELsE FÖR UPPFiNNiNGEN Det är ett syfte med uppfinningen att anvisa en tryckgivare med en hög linjaritet.

Det är ett ytterligare syfte med uppfinningen att anvisa en tryckgivare av kapacitiv typ, för vilken den elektriska omgivningen för kondensatorplattor ingående i ett givarelement är i hög grad likformig.

Det är ett ytterligare syfte med uppñnningen att anvisa en tryckgivare, som innefattar ett givarelement, vilket har god stabilitet och hållfasthet och vid ensidig montering motstär ' stora ändiingar i atmosfärstrycket. 25 30 35 40 Det är ett ytterligare syfte med uppfinningen att anvisa en tryckgivare med hög preci- sion och med tämligen enkel framställning av ett givarelement ingående i tryckgivaren.

Det är ett ytterligare syfte med uppfinningen att anvisa ett givarelement för en tryckgi- vare, i vilket ett mätmembran har en likformig, stabiliserad inspänning.

Det är ett ytterligare syfte med uppñnningen att anvisa en tryckgivare med ett kapacitivt givarelement, för vilket inverkan av strökapacitanser är minimerad och den eventuella avvi- kelsen från ett linjärt förlopp för en utsignal från givarelementet kan anpassas till en önskad form.

De ovan nämnda syftena uppnås med uppfinningen, vars närmare kännetecken framgår av de bifogade patentkraven.

Ett givarelement för en tryckgivare innefattar såsom konventionellt enligt ovan en tjock, stabil husdel, som på en inre yta innefattar en första kondensatorelektrod med plan yta. Vida- re finns ett membran, som har en yttre yta, vilken är avsett att blottställas för det medium, vars tryck skall mätas. På den yttre ytan är ett första elektriskt ledande skikt anbragt, som är avsett att anslutas till elektrisk jord, På den motstående ytan av membranet finns en konden- satorelektrod med plan yta. Kondensatorelektrodema är placerade mitt för varandra och på litet avstånd från varandra för bildande av en elektrisk kondensator, vars kapacitans ändras, när avståndet mellan elektrodema varierar. De olika ytoma är allmänt parallella med var- andra och husdelen och membranet är utformade som plattor med väsentligen samma kontur 10 15 20 25 35 40 506 558 4 eller form hos sin yttre kant, särskilt som cirkulära plattor med samma diameter.

Vidare finns ett andra elektriskt ledande skikt, som är anbragt inuti husdelen och som är parallellt med den första kondensatorelektroden, åtminstone dess plana yta. Detta andra le- dande skikt utgör ett område, som har en betydligt större utsträckning än den första konden- satorelektroden och som omger denna, sett vinkelrätt mot skiktet och elektrodens yta, så att sett i denna riktning det finns ett avstånd från kanten eller omkretsen hos elektroden till kan- ten av det ledande skikt minst lika stort som en diameter eller största mått hos elektroden och företrädesvis större än detta, tex 2 - 3 gånger detta största mått. Kondensatorelektroden är alltså placerad väsentligen mitt emot ett inre område av det andra elektriskt ledande skiktet, som liksom det första skiktet är avsett att anslutas till elektrisk jord.

Avståndet från det andra elektriskt ledande skiktet inuti husdelen till den på husdelen anbragta kondensatorelektroden är med fördel av samma storleksordning som avståndet från det första elektriskt ledande skiktet på membranet till den på membranet anbragta kondensa- torelektroden eller är mindre än detta och kan till och med vara väsentligt mindre än detta för att göra de elektriska förhållandena kring kondensatorelektroderna mer likformiga.

Husdelen måste ha en tillräcklig stabilitet för- att inte under några beräknade tryckskill- nader utböjas. Detta uppnås, genom att den uppbyggs av en tjockare stödplatta och en tunnare skärmplatta och det däremellan anbragta, andra elektriskt ledande skiktet.

I De olika bärande beståndsdelarna i husdelen och i membranet är på föredraget sätt av keramiskt material, särskilt glaskeramik. De är i det senare fallet fogade till varandra med hjälp av glasfogar.

För givare för låga tryck med tunna mätmembran kan det vara en fördel, om det på den yttre sidan av membranet placeras en extra del i form av en motplatta eller en motring, vars vid kanten uppstående resp liggande parti fogas mot det tunna membranet med en fog av lämpligt material, t ex en glasfog. En motplatta är i så fall försedd med genomgående hål för att trycket från det medium, vars tryck skall mätas, skall komma fram till själva mätmembra- net. Att anordna en motdel av detta slag medför, att mätmembranet blir mer likformigt in- spänt vid sitt vid omkretsen liggande parti. Motplattan eller motringen stabiliserar det tunna membranet och minskar risken för att detta skall brista vid användning av givarelementet.

FIGURBESKRIVNING Uppñnningen skall nu beskrivas närmare i anslutning till ej begränsande utföringsexem- pel i samband med de bifogade ritningama, i vilka: Fig. l visar ett tvärsnitt genom ett konventionellt tryckgivarelement, ftg. 2a, 2b, 2c och 2d visar typiska kurvformer för utsignalens avvikelse från linjärt förlopp, ñg. 3 visar ett tvärsnitt genom olika delar för åstadkommande av en tryckgivare med låg inverkan av strökapacitanser, flg. 4 visar en delsektion genom ett område av givarelementet i fig. 3, där elektrisk anslutning av ett inre skärmskikt åstadkoms, och ñg. 5 och 6 visar givarelementsdelama enligt figur 3 kompletterade med olika stödele- ment.

BESKRIVNING AV FÖREDRAGNA UTFÖRINGSFORMER I fig. 3 visas i sektion de olika delama i ett givarelement avsett för tryckgivare av 15 25 35 40 506 558 5 precisionstyp och baserat på glaskeramik före den avslutande hopfogningen genom uppvärm- ning i ugn för smältning av glasmaterial i fogområdena. Den tjockare husdelen 3' innefattar här två separata cirkulära keramiska plattor, en övre tjockare stödplatta 13 och en undre, tunnare skärmplatta 15. På skärmplattans 15 ena yta, dess inre yta, centralt på denna, är såsom tidigare den ena kondensatorelektroden 9 anbragt i form av ett tunt elektriskt ledande skikt. På den andra, motsatta ytan av skärmplattan 15 finns ett elektriskt ledande skikt 17, som sträcker sig över hela denna yta och fungerar som ett skärmplan och skall anslutas elekt- riskt till en jordledare, se nedan. Ovanpå skärmskiktet 17 finns ett fogskikt 18, som innefattar finfördelat glasmaterial fasthållet av ett, i allmänhet organiskt, bindemedel. Ett motsvarande fogskikt 19 kan också finnas på den yta av den tjockare stödplattan 13, som är vänd mot den yta av skärmplattan 15, vilken är försedd med det elektriskt skärmande skiktet 17.

Det cirkulära membranet 7 är såsom konventionellt utformat med en tjocklek anpassad till det tryckområde, vilket skall uppmätas, och är centralt på sin ena yta belagd med ett tunt skikt, vilket bildar den andra kondensatorelektroden 11, och över hela den motstäende ytan är det belagt med ett elektriskt ledande, tunt skärmande skikt 21, som också skall anslutas till en jordledare.

Vid den yttre kanten på den sida av skärmplattan 15, som är försedd med kondensator- elektroden 11, finns också ett område 23 med glasmaterial för bildande av en glasfog och detta område 23 har formen av en cirkulär cylinderring med liten utsträckning i axiell led.

Just denna utsträckning eller höjd är noga avpassad och slipad till en konstant längd för att efter uppvärmning och bildning av glasfogen ge ett önskat avstånd mellan de ytor av skärm- plattan 15 och membranet 7, vilka uppbär kondensatorelektrodema 9 resp. 11.

Såsom antytts ovan, placeras de olika i fig. 3 visade delarna under måttligt hoptryckan- de belastning i en ugn och uppvärms, varvid materialet i glasfogsområdena, dvs dels i de över hela ytorna liggande fogområdena 18 och 19 på skärmplattan 15 resp. stödplattan 13 och det ringformiga distansgivande området 23 på skärmplattan 15, smälter och det organiska bindemedlet fórflyktigas eller åtminstone den väsentliga delen därav försvinner. Härigenom bildas ett givarelement 1' i form av en integrerad enhet.

Skärmskikten 17 och 21 kan innefatta guldfilmer, som anbringas på konventionellt sätt såsom vid tillverkning av elektroniska tunnñlmsskretsar. Skârmskikten 17, 21 kan ha typiska tjocklekar av storleksordningen av 1 um eller mindre. Fogskikten mellan skärmplattan 17 och stödplattan 3 kan vart och ett vara av storleksordningen 5 um. Även elektrodema 9 och ll resp. dessas anslutningar bildade av ett lämpligt tryckt ledningsmönster, ej visat i figuren, på de ytor, där elektrodema 9 resp. ll är anbragta, kan påläggas med hjälp av samma tidigare kända metoder. Det material, som bildar fogområdena 17 resp. 19 över hela ytoma, kan påföras rastrerat, dvs så att områden eller kanaler utan glasmaterial finns vid den ursprungli- ga påläggningen av glasmaterialet. Detta underlättar bortgången av flyktiga ämnen vid den slutliga uppvärmningen, så att inga inneslutningar av gaser eller annat bildas. Med ett lämp- ligt utförande och lämplig temperatur vid uppvärmningen kan man ändå erhålla, att den av dessa skikt 17 och 19 åstadkomna fogen blir väsentligen homogen utan inneslutna hålrum.

I det färdiga givarelementet l' ligger det inre skärmskiktet 17 inte lätt åtkomligt för att få elektrisk kontakt med en jordledare, utan för detta krävs en särskild anordning. Detta åskådliggörs i detalj i tig. 4. Ett genomgående hål 23 finns sålunda i den övre stödplattan 13, 15 20 25 506 sas, 6 vilket går mellan de båda stora ytorna hos denna platta. Inom det lilla område, som motsva- rar öppningen hos detta hål 23 iglasfogsområdet 18 på skärmplattan 15, finns lödtenn 25 anordnat, som är i elektriskt ledande kontakt med skärmskiktet 17 på skärmplattan 15. Före hoppressning och uppvärmning av hela aggregatet placeras delarna såsom tidigare mot var- andra och en elektrisk ledare 27 nedförs genom hålet 23, eventuellt med något stödmaterial visat vid 29 vid sina sidor. Vid uppvärmningen eller bränningen av glasfogsområdena smälter lödtennet och kommer i elektriskt ledande kontakt med den elektriska ledaren 27. Ledaren 27 förbinds sedan elektrisk jord.

Tjockleken hos det keramiska grundmaterialet i skärmplattan 15 kan vara av samma storleksordning som tjockleken hos membranet 7 men är i många fall mindre, såsom visas i frg. 3. Fogskiktet 19 på stödplattan 13 kan utlämnas, såsom visas i fig. 4, där för åstadkom- mande av glasfogen mellan skärmplattan 15 och stödplattan 13 endast fogskiktet 18 på skärm- plattan 15 finns med.

Det kan till och med vara fördelaktigt att utforma skärmplattan med mycket ringa tjock- lek, för att utjämna de elektriska förhållanden i närheten av kondensatorplattoma 9 och 11.

Stabiliteten tillhandahålls ju av den övre stödplattan 13. Inverkan av strökapacitanser kan på detta sätt minimeras och vidare kan den kvarstående awikelsen för utsignalen från ett linjärt förlopp anpassas till en önskad form. Härigenom kan givarelementet inbyggas i en tryckgiva- re utförd utan komplicerad kompensationselektronik och endast med enkla elektroniska stan- dardkomponenter, vilket ger en låg kostnad och låg strömförbrukning för hela tryckgivaren innefattande givarelementet, ett ej visat hus och den tillhörande drivelektroniken.

För fallet med tunna membran, som används för mätning av mycket låga tryck, kan en ytterligare förstärkning anordnas för membranet, genom att ett förstärkningselement anbringas mot kanten av det tunna membranet. Detta visas schematiskt i figurerna 5 och 6, i vilka de ingående delarna av ett givarelement är avbildade liksom i fig. 3. På den sida av membranet 7, som är vänd bort från husdelen 3' och som är avsedd att vara vänd mot det medium, vilkets tryck skall mätas, anbringas sålunda ett förstärkningselement i form av en platta 31 med en ringformig upphöjning på sin ena stora yta, vid kanten av denna, och vidare med genomgående hål 33 vid det inre, mer centralt belägna området av plattan 31. Motplattan 31 kan vara av lämpligt material, tex av glaskeramiskt material liksom de övriga delarna av själva givarelementet 1' och är då fogad till skärmskiktet 21 på membranet med hjälp av lämpligt glaskeramiskt material. Förstärkningselementet kan också utgöras av ett ringformat element 31' enligt fig. 6, som motsvarar den ringformiga upphöjningen på ringplattan 31 enligt fig. 5.

Claims (7)

10 15 20 25 35 40 506 558' 7 PATENTKRAV

1. Givarelement (l') för' tryckgivare innefattande - en husdel (3') av i huvudsak elektriskt isolerande material, som på en första yta inne- fattar en första kondensatorelektrod (9) med plan yta, - ett membran (7) av i huvudsak elektriskt isolerande material, som - - på en första yta innefattar en andra kondensatorelektrod (l 1) med plan yta och - - på en andra motstående parallell yta ett första elektriskt ledande skikt (21), som är avsett att anslutas till elektrisk jord, varvid kondensatorelektrodema (9, ll) år placerade mitt för varandra och med sina plana ytor på litet avstånd från varandra för bildande av en elektrisk kondensator, vars kapa- citans ändras, när avståndet mellan elektrodema varierar, kännetecknat av »ett andra elektriskt ledande skikt (17), - som är anbragt inuti husdelen (3'), så att det är anbragt mellan en tjockare stödplatta (13) av elektriskt isolerande material och en tunnare skärmplatta (15) av elektriskt isolerande material, vilka innefattas i husdelen, - som är parallellt med den plana ytan hos den första kondensatorelektroden (9), - som har en väsentligt större utsträckning än den första kondensatorelektroden (9), vilken är placerad väsentligen mitt emot ett inre område av detta andra elektriskt ledande skikt (17), och - som år avsett att anslutas till elektrisk jord.

2. Givarelement (l') enligt krav 1, k ä n n etec k n at av att avståndet från det andra elektriskt ledande skiktet (17) inuti husdelen (3') till den första, på husdelen anbragta kondensatorelektroden (9) är av samma storleksordning som avståndet från det första elekt- riskt ledande skiktet (21) på membranet till den andra, på membranet anbragta kondensator- elektroden (11) eller är mindre än detta.

3. Givarelement (l') enligt ett av krav l - 2, k ä n n e t e c k n a t av att avståndet från det andra elektriskt ledande skiktet (17) inuti husdelen (3') till den första, på husdelen anbragta kondensatorelektroden (9) är litet jämfört med membranets (7) tjocklek för att här- igenom ligga så nära den första kondensatorelektroden (9), att dess elektriska omgivning blir i hög grad likformig.

4. Givarelement (l') enligt ett av krav 1 - 3, k ä n n e t e c k n at av ett förstärk- ningselement (31, 3l') av elektriskt isolerande material, som längs ett område vid en vid elementets (31, 31') omkrets liggande kant är fastgjort vid ett område vid omkretsen av den sida av membranet (7), där det första elektriskt ledande skiktet (21) är anbragt.

5. Givarelement (l') enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a t av att förstärkningselementet innefattar en stödplatta (31) med en plattformig huvuddel och en vid kanten liggande ring- formig upphöjning, på vilken en övre yta är fastgjord vid membranet (7).

6. Givarelement (1') enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a t av att förstärkningselementet innefattar en stödring (3l'), på vilken en ringformig plan yta är fastgjord vid membranet (7).

7. Givarelement (l') enligt ett av föregående krav, k ä n n e t e c k n at av att det elektriskt isolerande materialet år ett keramiskt material, särskilt ett glaskeramiskt material.