DE1807613A1 - Capacitive pressure transmitter - Google Patents

Description

Kapezitiver Druckgeber Die Erfindung betritt einen kapazitiven Druckgeber, d.h. einen Wandler, der den Wert einer mechanischen Kraut auf kapezitivem Wege in eine elektrische Größe umsetzt. Capacitive pressure transmitter The invention involves a capacitive pressure transmitter, i.e. a converter that capitalizes the value of a mechanical herb in converts an electrical quantity.

Es sind kapazitive Druckgeber bekannt, die eine bewegbare Elektrode aufweisen, die einer ortsfesten Elektrode gegenübersteht und deren Lage mit Bezug auf die ortsfeste Elektrode durch ein Bauteil bestiset ist, des durch die Meßkraft elastisch verforebar ist, so daß sich die Kapazität des von den beiden Elektroden gebildeten Kondensators in Abhängigkeit von dar an den Druckgeber angelegten Krart hindert. Ein Nachteil bekennter Druckgeber dieser Art besteht darin, daß die elastische Verformung des die bewegbare Elektrode tragenden Bauteiles im allgemeinen verhältnismäßig verwickelt ist und keinen linearen Gesetz tolgt, wodurch die Messungen komplieiziert werden. Außerdem treten Fehler dann er, wenn die an den Druckgeber angelegte Kratt nicht genau in der vorgesehenen Richtung autgebrecht wird. Ferner sind die bekannten Druckgeber nicht aus gleichartigen Werkstoften autgebaut, so daß sie von TeMperaturschwankungen beeinträchtigt werden, die auf die verschiedenen Bauteile in unterschiedlicher Weise einwirken.Capacitive pressure transducers are known which have a movable electrode have facing a stationary electrode and its position with reference is bestiset on the stationary electrode by a component, the by the measuring force is elastically deformable, so that the capacitance of the two electrodes formed capacitor depending on the Krart applied to the pressure transducer hinders. A disadvantage of known pressure transducers of this type is that the elastic Deformation of the component carrying the movable electrode is generally proportionate is involved and does not follow a linear law, which complicates the measurements will. In addition, errors occur when the Kratt applied to the pressure transducer is not stopped exactly in the intended direction. Furthermore, the well-known Pressure transducers are not built from similar materials, so that they are affected by temperature fluctuations affecting the various components in different ways way act.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die genannten angel auszuräumen. Der kapazitiven Druckgeber ist erfindungege mäß dadurch gekennzeichnet, daß das elastisch verformbare Bauteil uon Zugstäben gebildet ist, die zwischen einer die bewegbare Elektrode tragenden Platte, auf die die Meßkraft parallel zu den Zugstäben einwirkt, und jochen angeordnet sind, die über Druckatäbe mit einem die ortsfeste Elektrode tragenden Sockel verbunden sind, und daß der Sockel, die Druckstäbe und die Joche derart dimensioniert sind, daß sich die beim Anlegen der meBkrart eintretende Verformung im wesentlichen auf die Zugstäbe beschränkt. Die unter diesen Bedingungen erfolgende Verformung tritt praktisch nur als eine Dehnung der Zugstäbe in Erscheinung, die eine lineare Funktion der angelegten Kraft ist. Wenn die Meßkreft mit Bezug auf die Zugstäbe geringfUgig schräg gerichtet ist, biegen sich die Zugstäbe leicht aus, wo bei sie nach Art von Gelenkhebeln wirken, ohne daß ein Meßfehler eingeführt wird. Außerdem kenn die gesamte aus der Platte, den Zugstäben, den Jochen, den Druckatäben und dem Sockel be stehende Anordnung aus einem einzigen, zweckentsprechend bearbeiteten metallischen Rohling gefertigt werden, wodurch die Homogenität des den Druckgeber bildenden Werkstoffes gewähr leistet ist.The invention is based on the object of eliminating the above-mentioned angel. The capacitive pressure transmitter is according to the invention characterized in that the elastically deformable component is formed uon tension rods between a die movable electrode-carrying plate on which the measuring force is parallel to the tension rods acts, and yokes are arranged, which are fixed on the pressure bar with a Electrode supporting base are connected, and that the base, the pressure rods and the yokes are dimensioned in such a way that the when the meBkrart is applied Deformation essentially limited to the tension rods. Those under these conditions deformation occurs practically only as an elongation of the tension rods, which is a linear function of the applied force. If the measuring force with reference is directed slightly obliquely towards the tension rods, the tension rods bend slightly from where they act like articulated levers without introducing a measurement error will. In addition, know the whole of the plate, the tension rods, the yokes, the pressure rods and the base be standing arrangement from a single, appropriately machined metallic blank can be manufactured, thereby ensuring the homogeneity of the pressure transducer forming material is guaranteed.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand eines Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt: Figur 1 eine Draufsicht auf einen kapezitiven Druckgeber nach der Erfindung, Figur 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II in F1-gur 1 und Figur 3 einen waagrechten Schnitt entlang der Linie III-III in Figur 2.The invention is based on an exemplary embodiment below in Connection with the drawings explained in more detail. It shows: FIG. 1 a plan view on a capacitive pressure transducer according to the invention, Figure 2 along a section the line II-II in F1-gur 1 and Figure 3 is a horizontal section along the line III-III in Figure 2.

Der gezeigte Druckgeber weist eine zylindrische Mittesäule 1 auf, deren unteres Ende mit einer Platte 2 verbunden ist. Das obere Ende dieser Plagge ist seinerseits mit vier Zugstäben 3 verbunden, die entsprechend den Ecken eines Zu der Säule 1 konzentrischen Quadrates regelmäßig gruppiert sind (Figur 3).The pressure transducer shown has a cylindrical central column 1, the lower end of which is connected to a plate 2. The top of this plague is in turn connected to four tie rods 3, which correspond to the corners of a To the column 1 concentric squares are regularly grouped (Figure 3).

Das obere Ende jedes Zugstabes 3 steht mit einem radialen Joch 4 in Verbindung (Figuren 1 und 2). Die Joche 4 haben, wie aus Figur 1 hervorgeht, die Form eines abgerundeten Dreiecks und sind seitlich mit einem Druckstab 5 verbunden. Die Druckstäbe 5 sind ebenfalls entsprechend den Ecken eines zu der mittelsäule 1 konzentrlschen Quadrates gruppiert (Figur 3). Die unteren Enden der Druckstäbe 5 sind mit einem gemeinsamen, ringförmigen Sockel 6 verbunden.The upper end of each tension rod 3 stands with a radial yoke 4 in Connection (Figures 1 and 2). The yokes 4 have, as can be seen from Figure 1, the Shape of a rounded triangle and are laterally connected to a pressure rod 5. The pressure rods 5 are also corresponding to the corners of one of the central pillar 1 group of concentric squares (Figure 3). The lower ends of the compression bars 5 are connected to a common, annular base 6.

Unterhalb der Platte 2 befindet sich ein flacher, vorspringender Ring 7, der mit der Platte 2 Uber Schreuben 8 verbunden ist. Die untere Stirnfläche des Sockels 6 ist durch einen itteile Schrauben 10 festgeheltenen Deckel 9 abgeschlossen. Der Deckel 9 tragt eine axial gerichtete Schraube 11, die gegen die Oberseite des Deckels zwei isolierscheiben 12 und 13 anpreßt. Die de. Ring 7 ei nächsten liegende Isolierscheibe 12 tragt auf ihrer Oberseite eine dOnne, ringförmige, metallische Elektrode 14, die in geringen Abstand von der Unterseite des Ringes 7 steht. Die Isolierscheibe 13 trägt euf ihrer Unterseite eine weitere dünne, ringförmige, metallische Elektrode 15 ähnlich der Elektrode 14. Wie gezeigt, ist in die Oberseite des Deckels 9 eine flache Nut 9a eingearbeitet, so daß die Elektrode 15 in gering Abstand von da. den Deckel bildenden Metall steht. Zwischen den beiden isolierscheiben 12 und 13 befindet sich eine dritte dUnne, ringförmige, metallische Elektrode 16.Below the plate 2 there is a flat, protruding ring 7, which is connected to the plate 2 via 8 screws. The lower face of the The base 6 is closed off by a cover 9 secured in place by means of screws 10. The cover 9 carries an axially directed screw 11 which is against the top of the Cover two insulating washers 12 and 13 presses. The de. Ring 7 on the next one Insulating disk 12 carries a thin, ring-shaped, metallic one on its upper side Electrode 14, which is at a small distance from the underside of the ring 7. the Insulating disk 13 carries another thin, ring-shaped, metallic one on its underside Electrode 15 similar to electrode 14. As shown, is in the top of the lid 9 incorporated a shallow groove 9a, so that the electrode 15 at a small distance from there. the metal forming the lid. Between the two insulating washers 12 and 13 there is a third thin, ring-shaped, metallic electrode 16.

Eine in dem Sockel 6 ausgebildete Öffnung 6a erlaubt die Herausführung von zweckentsprechenden Anschlüssen.An opening 6a formed in the base 6 allows it to be led out of appropriate connections.

Der Druckgeber arbeitet wie folgt: Der Sockel 6 ruht auf einer geeigneten Unterlage. Die meßkraft wird auf des obere Ende der Mittelsäule 1 parallel zu deren Achse aufgebracht. Diese Kraft wird Ober die Zugstäbe 3, die radialen Joche 4, die eins ausreichende Hbhe haben, un sich nicht erklich durchzubiegen, und die Druckatäbe 5 auf den Sockel 6 übertragen. Wie gezeigt, ist der Querschnitt der Zugstäbe 3 gegenüber dem Querschnitt der Drucketäbe 5 sehr klein, so deß sich die bei dem Anlegen der Meßkraft eintretende, elastische Verformung auf die Zugstäbe 3 beschrinkt, die sich entsprechend eine. linearen Gesetz dehnen. infolgedessen nähert sich der flache Ring 7 der Elektrode 14, wodurch die Kapazität der Anordnung 7-14 geändert wird. Die Kapazitätsänderung kann durch beliebige bekannte Mittel erfaßt werden, beispielweisweise mit Hilfe einer zweckentspreckenden Brücke. Bei der Messung der Kapazitätsänderung kann als Bezugskapazität die Kapazität der Elektrode 15 gegenüber da. Deckel 9, d.h. der Masse des Druckgebers, verwendet werden. In gleicher Weise kann davon ausgegangen werden, daß der Druckgeber zwei Kapazitäten 14-7 und 15-9 einschließt, die einen gemeinsamen Maaseanschluß besitzen, wobei der Wert der einen dieser Kapazitäten durch die aus die Mittelsäule 1 aufgebrachte Kraft beeinflußt wird. Die dritte Elektrode 16 kenn in beliebiger Weise ausgenutzt werden, insbesondere als Abschirmung zwischen den Elektroden 14 und 15.The pressure transmitter works as follows: The base 6 rests on a suitable one Document. The measuring force is applied to the upper end of the center column 1 parallel to it Axis applied. This force is over the tension rods 3, the radial Yokes 4, which have a sufficient height, and not to bend noticeably, and transfer the print bars 5 to the base 6. As shown, the cross section is the tension rods 3 compared to the cross section of the compression rods 5 is very small, so deß itself the elastic deformation on the tension rods that occurs when the measuring force is applied 3, which accordingly has a. stretch linear law. Consequently the flat ring 7 approaches the electrode 14, thereby reducing the capacitance of the assembly 7-14 is changed. The change in capacitance can be by any known means be detected, for example with the help of an appropriate bridge. at When measuring the change in capacitance, the capacitance of the electrode can be used as the reference capacitance 15 across from there. Cover 9, i.e. the mass of the pressure transducer, can be used. In In the same way it can be assumed that the pressure transmitter has two capacities 14-7 and 15-9, which have a common Maas connection, the Value of one of these capacities due to the force applied from the center column 1 being affected. The third electrode 16 can be used in any way, in particular as a shield between electrodes 14 and 15.

Bei dem aben beschriebenen Druckgeber kdnnen die littelsäule 1, die Platte 2, die Zugstäbe 3, die Jochs 4, die Druckatäbe S und der Sockel 6 ohne weiteres einteilig ausgehend von einem zylindrischen Körper aus einem zweckentsprechenden Metall (Stahl) gefertigt werden. Dabei wird in diesen Körper zunächst auf der Drehbank ein. erste Nut e (figur 2) eingeschnitten, die die Mittulsäule 1 begrenzt und di. bis zu der Hähe reicht, die für die Oberseite der Platte 2 vorgesehen ist. Durch Bearbeitung des Körpers vo. and.r.n Ende aus wird ein. zweite Nut b ausgebildet, die us die Nut a und die Mittelsäule 1 herum zwei ununterbrochene, konzentrische Ringe entstehen läßt, die mitenander über eine ringförmige Werkstoffmassen von auseichender Höhe verbunden bleiben. Gleichzeitig wird der Innenraum des Sockels 6 ausgebildet, Das auf diese Weis erhaltene Werkstück wird denn auf eine Fräsmaschine genommen, wo vier radiale Nuten eingeschnitten worden, die die beiden genannten, konzentrischen Ringe unterteilen. Auf diese Weise gelangt man zu der in den Figuren 1 bis 3 veranschaulichten Anordnung.In the above-described pressure transducer, the central column 1, the Plate 2, the tension rods 3, the yokes 4, the pressure rods S and the base 6 easily in one piece, starting from a cylindrical body from an appropriate one Metal (steel) can be manufactured. This is done in this body first the Lathe a. first groove e (Figure 2) cut into the middle column 1 delimits and di. extends up to the height that is provided for the top of the plate 2. By processing the body from and.r.n end off becomes on. second groove b is formed, the us the groove a and the center column 1 around two continuous, concentric Rings can arise, which with each other over a ring-shaped material mass of sufficient Stay connected. At the same time, the interior of the base 6 is formed, The workpiece obtained in this way is then taken to a milling machine, where four radial grooves have been cut, the two mentioned, concentric Divide rings. In this way one arrives at that illustrated in FIGS. 1 to 3 Arrangement.

Durch diese von einem einteiligen metalalischen Werkstück ausgehende Art der Fertigung wird sichergestellt, daß die Verformbare Anordnung vollkommen symmetrisch und homogen ist, so daß sich der Ring 7 unter dem Einfluß einer lotrechten Kraft (Figur 2) der Elektrode 14 gleichmäßig nähert.Through this starting from a one-piece metallic workpiece The method of manufacture ensures that the deformable assembly is perfect is symmetrical and homogeneous, so that the ring 7 is under the influence of a perpendicular Force (Figure 2) of the electrode 14 approaches evenly.

Wenn die auf die Mittelsäule 1 aufgebrachte Kraft geringfühig schräg verläuft, wirken die Zugstäbe 3 nach Art von Gelenkhebeln. Der Ring 7 verschiebt sich dabei parallel zu sich slbst, wobei er sich theoretisch von der Elektrode 14 entfernt. Die seitliche Verschiebung des Ringes spielt keine Rolle, wenn, eie gezeigt, dafür gesorgt ist, daß er einen Durchmesser hat, der deutlich gröBer als derjenige der Elektrode 14 ist. Die lotrechte Verschiebung ist, da es sich bei dem Neigungswinkel der ZugstZbe 3 ui einen sehr kleinen Winkel handelt, in der Praxis ahne weiteres vernachlässigbar.When the force applied to the center pillar 1 is slightly oblique runs, the tension rods 3 act like articulated levers. The ring 7 moves is parallel to itself, theoretically moving away from the electrode 14 removed. The lateral displacement of the ring does not matter if, as shown, it is ensured that it has a diameter that significantly larger than that of the electrode 14. The perpendicular displacement is because it is at the angle of inclination of the ZugstZbe 3 ui is a very small angle, in practice without further ado negligible.

Die Einflüsse von TEmperaturschwenkungen auf die Abmessungen des Druckgebers koapensieren sich, weil jeder Längenänderung der Zugstäbe 3 eine gleiche Längenänderung der Druckstäbe 5 entspricht. Es braucht nur dafür gesorgt zu werden, daß die Dehnungen des Deckels 9 und der Isolierscheiben 13 und 12 keine Meßfehler aufgrund einer zu groß an Abweichung ihres Ausdehnungskoeffizienten von denjenigen des Socke 10 6 selbst verursachen.The influences of temperature fluctuations on the dimensions of the pressure transducer coapensate because every change in length of the tension rods 3 results in the same change in length the pressure rods 5 corresponds. It just needs to be taken care of that the stretches of the cover 9 and the insulating washers 13 and 12 no measurement errors due to a too large in the deviation of its coefficient of expansion from that of the sock 10 6 cause yourself.

Was den Temperatureinflüß auf die Elastizität des Werkstoffes des Druckgebera anbelangt, so kann dieser praktisch dadurch ausgeschaltet werden, daß ein Wickelstahl verwendet wird, der innerhalb eins ausreichenden Temperaturbereiches konstante Elastizität besitzt (Elinvor-Stahl).What the influence of temperature on the elasticity of the material of the As far as Druckgebera is concerned, this can practically be switched off in that a winding steel is used which is within a sufficient temperature range has constant elasticity (Elinvor steel).

Die Anzahl und Anordnung der Stäbe 3 und 5 können variiert werden. Die Mittelsäule 1 kann als getrenntes Bauteil ausgebildet sein, das auf der Platte 2 ruht. Die bewegbare Elektrode 7 kann auch eine zwischen zwei ortafeeten Elektroden angeordnete Platte sein, die Mit dar Platte 2 über eine axial verlautende Stange verbunden ist, so daß zwei Kapazitäten erhalten erden, die sich gegenläufig verändern.The number and arrangement of the rods 3 and 5 can be varied. The center column 1 can be designed as a separate component that is on the plate 2 rests. The movable electrode 7 can also be one between two ortafeet electrodes be arranged plate, the With the plate 2 on an axially extending rod is connected so that two capacitances are obtained that change in opposite directions.

Claims (5)

A n s p r ü c h eExpectations 1. Kapazitiver Druckgeber mit einer bewegbaren Elektrode, die einer ortsfesten Elektrode gegenübersteht und deren Lage Mit Bezug auf die ortsfeste Elektrode durch ein Bau teil bestimmt ist, dss durch die Meßkraft elastisch verformbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das elastisch verformbare Bauteil von Zugstäben (3) gebildet ist, die zwischen siner die bewegbare Elektrode (7) tragenden Plette (2), auf die die Meßkraft parallel zu den Zugetäbon einwirkt, und Jochen (4) angeordnet sind, die über Drucketäbe (5) Mit einem die ortsfeste Elektrode (14) tragenden Sockel (6) verbunden sind, und daß der Sockel, die DrucktSbe und die Joche derart dimensioniert sind, daß sich die beim Anlegen der Meßkraft eintretende Werformung im wesentlichen auf die Zugstäbe beschränkt.1. Capacitive pressure transducer with a movable electrode that is a stationary electrode faces and its position with reference to the stationary electrode is determined by a construction part that is elastically deformable by the measuring force, characterized in that the elastically deformable component of tension rods (3) is formed between siner the movable electrode (7) supporting plate (2), on which the measuring force acts parallel to the Zugetäbon, and arranged yokes (4) are that via pressure rods (5) with a base that supports the stationary electrode (14) (6) are connected, and that the base, the DrucktSbe and the yokes are dimensioned in such a way are that the Werformung occurring when the measuring force is applied essentially limited to the tension rods. 2. Druckgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (2) mit einer Mittelsäule (1) verbunden ist, die dem Anlegen der Meßkraft an die Platte dient.2. Pressure transmitter according to claim 1, characterized in that the plate (2) is connected to a central column (1), the application of the measuring force to the Plate is used. 3. Druckgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sockel (6) ringförmig ist und einen Deckel (9) aufnimmt, auf dem die ortsfeste Elektrode (14) montiert ist.3. Pressure transmitter according to claim 1, characterized in that the base (6) is ring-shaped and has a cover (9) on which the stationary electrode (14) is mounted. 4. Druckgeber nach AnsprUchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (2), die Zugstäbe (3), die Joche (4), die Druckatäbe (5) und der ringförmige Sockel (6) einteilig aus einem Drehkörper gefertigt sind, in den eine sich nur zur einen Stirnseite öffnende Mittelbohrung und eine an der anderen Stirnasite mündende Ringnut ausgebildet sind, die zwei Ringe begrenzt, in die radiele Einschnitt.4. Pressure transmitter according to claims 1 and 3, characterized in that the plate (2), the tension rods (3), the yokes (4), the pressure rods (5) and the annular Base (6) are made in one piece from a rotating body, in which one is only for one end face opening central bore and one opening at the other end face Annular groove are formed, the two rings delimited, in the radiele incision. eingebracht sind, die ihrerseits die Zug- und Druckatäbe begrenzen. are introduced, which in turn limit the tensile and compressive forces. 5. Druckgeber nach Ansprüchen 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daB die Mittelsäule (1) dadurch gebildet ist, daß die ittelbohrung des Drehkörpers die Forin einer weiteren Ringnut hat.5. Pressure transmitter according to claims 2 and 4, characterized in that the central column (1) is formed in that the central hole of the rotating body Forin another ring groove. L e e r s e i t eL e r s e i t e