DE1909979A1 - Capacitive pressure transmitter - Google Patents

Description

Kapazitiver Druckgeber Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Druckgeber, dth4 einen Wandler, der den Wert einer mechanischen Kraft auf kapazitivem Wege in eine elektrische Größe umsetzt. Capacitive pressure transmitter The invention relates to a capacitive pressure transmitter, dth4 a transducer that capacitively converts the value of a mechanical force into converts an electrical quantity.

Die französische Patentschrift 1 552 069 schlägt einen kapazitiven Druckgeber vor, der eine zur Aufnahme der Kraft bestimmte Mittelsäule aufweist, die Uber eine untere Platte mit einem ringförmigen Sockel verbunden ist, wobei Zugstäbe ringförmig um die Mittelsäule herum angeordnet sind und die Zugstäbe ihrerseits von Druckstäben umgeben sind0 Die Verbindung zwischen den Zugstäben und den Druckstäben erfolgt über radiale Joche; die Anordnung ist derart dimensioniert, daß sich die beim Anlegen der Meßkraft eintretenden elastischen Verformungen im wesentlichen auf die Zugstäbe beschränken0 Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine derartige Anordnung zu verbessern.French patent 1,552,069 proposes a capacitive one Pressure transducer, which has a central column designed to absorb the force, which is connected to an annular base via a lower plate, with tension rods are arranged in a ring around the central column and the tension rods in turn are surrounded by compression rods0 The connection between the tension rods and the compression rods takes place via radial yokes; the arrangement is dimensioned such that the essentially elastic deformations occurring when the measuring force is applied restrict to the tension rods0 The invention is based on the object of such a Improve arrangement.

Der Druckgeber nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die elastischen Verbindungsglieder von radialen Jochen gebildet sind, die den oberen Teil der Säule mit einem koaxialen, zylindrischen Sockel verbindens Auf diese Weise wird eine Anordnung erhalten, die eine wesentlich geringere Höhe erhalten kann und die, falls sie aus einem geeigneten Werkstoff gefer-, tigt ist, ebenfalls sehr genaue Messungen erlaubt, Das System mit veränderlicher Kapazität wird vorzugsweise von einer mittleren Elektrode, die am unteren Ende der Mittelsäule befestigt und mit Masse verbunden ist, und zwei isolierten Elektroden gebildet, die zu beiden Seiten der Mittelelektrode angeordnet sind und von denen die eine einen Teil des Meßkreises bildet9 während die andere in einem dem Meßkreis zugeordneten Kompensationskreis liegt. Die Mittelelektrode kann in Form einer kreisförmigen Platte ausgeführt sein, während die isolierten Elektroden von flachen Ringen gehildet-werden, -deren Außendurchmesser kleiner als derjenige der Platte ist. Auf diese Weise wird eine völlig symmetrische Anordnung erhalten, bei der Linearitätsfehler, die in der Kondensatortechnik als Randeffekt bezeichnet werden9 auf einen Kleinstwert beschränkt werden können0 Gleichzeitig werden auch die parasitären Kapazitäten verringert, die sich den für die Messung ausgenutzten veränderlichen Kapazitäten überlagernO Die Fehler9 die auf Änderungen des Elastieitätsmoduls des den Druckgeber bildenden Werkstoffes als Punktion der Temperatur zurückzuführen sind, werden kompensiert, indem Mittel vorgesehen werden, die bewirken, daß die veränderliche Kapazität oder veränderlichen Kapazitäten ihrerseits durch die Temperatur in einem solchen Sinne beeinflußt werden, daß die erwünschte Kompensation eintritt, Diese Kapazitätsänderung kann insbesondere dadurch erhalten werden, daß mindestens bestimmte der Elektroden in einer ausreichenden Stärke aus einem Metall gefertigt werdeng das einen Ausdehnungskoeffizienten besitzt, der sich in zweckentsprechender Weise von denjenigen des Werkstoffes des Druckgebers unterscheidetOStattdessen können die Elektroden in eine isolierende Flüssigkeit eingetaucht werden, deren Dielektrizitätskonstante sich in Abhängigkeit von der Temperatur ändert. Beide Maßnahmen können auch miteinander kombiniert werden0 Die Erfindung ist im folgenden an Hand eines AugfUhrungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt: Figur 1 eine Draufsicht auf einen kapazitiven Druckgeber nach der Erfindung, Figur 2 einen lotrechten Axialschnitt entlang der Linie - II der Figur 1 und Figur 3 einen waagrechten Schnitt entlang der Linie III-III der Figur 2.The pressure transmitter according to the invention is characterized in that the elastic connecting links are formed by radial yokes are, which connect the upper part of the column with a coaxial, cylindrical base In this way an arrangement is obtained which has a significantly lower height and which, if it is made of a suitable material, also allows very precise measurements, the system with variable capacity is preferably from a central electrode, which is at the bottom of the central column is fixed and connected to earth, and two isolated electrodes are formed, which are arranged on both sides of the central electrode and one of which forms one part of the measuring circuit9 while the other is in one assigned to the measuring circuit Compensation circle lies. The center electrode can be in the form of a circular plate be carried out, while the insulated electrodes are formed by flat rings, -whose outside diameter is smaller than that of the plate. That way will obtain a completely symmetrical arrangement, with the linearity errors that occur in the Capacitor technology can be referred to as the edge effect9 and is limited to a minimum value 0 At the same time, the parasitic capacitances are also reduced, which are superimposed on the variable capacitances used for the measurement The errors9 are due to changes in the modulus of elasticity of the pressure transducer Material as puncture of the temperature are compensated, by providing means that cause the variable capacitance or mutable Capacities are in turn influenced by temperature in such a way that that the desired compensation occurs. This change in capacitance can in particular can be obtained by having at least certain of the electrodes in a sufficient Strength are made of a metal that has a coefficient of expansion, which differs in an appropriate manner from that of the material of the pressure transducer Instead, the electrodes can be immersed in an insulating liquid are immersed, the dielectric constant of which varies depending on the Temperature changes. Both measures can also be combined with one another In the following, the invention is based on an exemplary embodiment in connection with the drawings explained in more detail. It shows: FIG. 1 a plan view of a capacitive one Pressure transducer according to the invention, Figure 2 is a vertical axial section along the Line - II of Figure 1 and Figure 3 shows a horizontal section along the line III-III of Figure 2.

Der gezeigte Druckgeber weist einen zylindrischen hohlen Sockel 1 auf, dessen obere Stirnseite mit vier radialen Jochen 2 vereinigt ist, die den Sockel mit dem oberen Teil einer nach unten gerichteten Mittelsäule 3 verbinden, Diese Säule hat eine geringere Höhe als der Sockel 1 und trägt an ihrem unteren Ende eine Metallplatte 4, die an der Säule mittels einer axial verlaufenden Schraube 5 befestigt ist. Zu beiden Seiten der Platte sind in geringem Abstand von ihr zwei flache Metallringe 6 und 7 angeordnet, die von Scheiben 8 und 9 aus Isolierstoff getragen werden0 Die beiden Scheiben sind mittels eines kurzen zylindrischen AbstandwEückes 10 voneinander getrennt. Die Anordnung 8, 9, 10 wird in einem durch eine Schulter begrenzten Teil der Bohrung des Sockels 1 mittels eines Deckels Ii gehalten, der seinerseits mittels Schrauben 12 festgemacht ist. Das Abstandsstück 10 besitzt eine seitliche Öffnung 10a, die mit einer Radialbohrung Ia des Sockels 1 ausgerichtet ist, sodaß ein Auslaß für nicht dargestellte elektrische Anschlußleitungen erhalten wird, die zu den Metallringen 6 und 7 führen.The pressure transducer shown has a cylindrical, hollow base 1 on, the upper end of which is combined with four radial yokes 2, which form the base connect to the upper part of a downward center column 3, this Column has a lower height than the base 1 and carries a at its lower end Metal plate 4 attached to the column by means of an axially extending screw 5 is. On both sides of the plate are two flat metal rings at a short distance from it 6 and 7, which are supported by disks 8 and 9 made of insulating material the two disks are separated from one another by means of a short cylindrical spacing 10 separated. The arrangement 8, 9, 10 is in a part delimited by a shoulder the bore of the base 1 held by means of a cover Ii, which in turn means Screws 12 is tightened. The spacer 10 has a side opening 10a, which is aligned with a radial bore Ia of the base 1, so that an outlet is obtained for electrical connection lines, not shown, which lead to the metal rings 6 and 7 lead.

Die Anordnung ist vorzugsweise derart getroffen, daß die beiden Ringe 6 und 7 im Ruhezustand des Druckgebers im wesentlichen den gleichen Abstand von der mittleren Platte 4 haben.The arrangement is preferably made such that the two rings 6 and 7 in the idle state of the pressure transducer essentially the same distance from the middle plate 4 have.

Die Ringe 6 und 7 sind mit nicht veranschaulichten elektrischen Stromkreisen derart verbunden, daß jede von ihnen zusammen mit der Platte 4 einen kleinen Kondensator bildet, dessen Kapazität von der Höhenlage der Platte abhängt.The rings 6 and 7 are with unillustrated electrical circuits so connected that each of them together with the plate 4 a small capacitor forms, the capacity of which depends on the height of the plate.

Es kann ein Vergleichssystem, beispielsweise eine Brücke, aufgebaut werden9 bei dem im Ruhezustand ein Gleichgewicht zwischen den Kapazitäten der Ringe oder Elektroden 6 und 7 gegenüber der mittleren Platte 4 herrscht, die die gemeinsame, mit Masse verbundene Elektrode darstellt, Wenn auf die Mittelsäule 3 eine nach unten gerichtete Kraft P aufgebracht wird, verformt sich der Druckgeber9 wobei die Verformung im wesentlichen auf die radialen Joche 2 beschränkt ist, die eine Biegebewegung ausführen Auf Grund der axialen Symmetrie führt diese Verformung zu einer Verschiebung der Platte 4 nach unten, d0h., die Platte 4 entfernt sich von der oberen Elektrode 7 und nähert sich der unteren Elektrode 60 Die Vergleichsschaltung wird dadurch außer Gleichgewicht gebracht; die Größe der Gleichgewichtsverschiebung stellt ein Maß für die auf die Säule ausgeübte Kraft dar, Es ist leicht zu zeigen, daß bei Bestimmung des Wertes der Kapazitäten unter Ausnutzung des Resonanzeffektes eine im wesentlichen lineare Beziehung zwischen den hervorgerufenen Kapazitätsänderungen und den an den Druckgeber angelegten Kräften erhalten wird0 Das von der Platte 4 und den beiden isolierten Ringen oder Elektroden 6 und 7 gebildete Doppelkapazitätsßystem erlaubt es einerseits, die Empfindlichkeit des Druckgebers zu steigern und gestattet es andererseits, den Einfluß von parasitären Effekten auf die Linearität der Messungen kleinstmöglich zu halten.A comparison system, for example a bridge, can be set up be9 in which at rest there is an equilibrium between the capacities of the rings or electrodes 6 and 7 prevail opposite the middle plate 4, which has the common, represents ground connected electrode, If on the center column 3 one down Directed force P is applied, the pressure transducer9 is deformed, the deformation is essentially limited to the radial yokes 2, which have a bending movement execute Due to the axial symmetry, this deformation leads to a displacement of the plate 4 downwards, i.e., the plate 4 moves away from the upper electrode 7 and approaches the lower electrode 60. The comparison circuit is thereby out of balance; adjusts the size of the equilibrium shift A measure of the force exerted on the column. It is easy to show that at Determination of the value of the capacities using the resonance effect essentially linear relationship between the induced changes in capacitance and the forces applied to the pressure transducer 0 that is obtained from the plate 4 and the double capacitance system formed by the two insulated rings or electrodes 6 and 7 On the one hand, it allows the sensitivity of the pressure transducer to be increased and allows on the other hand, the influence of parasitic effects on the linearity of the measurements to keep it as small as possible.

Die beschriebene Ausbildung beschränkt ferner Randeffekte auf ein Mindestmaß, die bekanntlich Linearitätsfehler bei den veränderlichen Kapazitäten hervorrufen könnten, Was den Temperatureinfluß anbelangt9 so ist zunächst festzustellen, daß auf Grund der Fertigung der Mittelsäule 3, der Joche 2 und des Sockels 1 aus dem gleichen Metall die Ausdehnungen sich gegenseitig kompensieren und keine Verschiebung der Platte 4 zwischen den Elektroden 6 und 7 zur Folge haben. Eine Beeinflussung durch Änderungen des Elastiitätsmoduls des den Druckgeber bildenden Werkstoffes ist zwar nicht zu vermeiden, die Größe dieses parasitären Einflusses kann Jedoch erheblich herabgesetzt werden9 indem Nickelstähle mit einem extrem niedrigen Ausdehnungskoeffizienten benutzt werden, beispielsweise ein unter dem Namen Invar bekannter Stahl, und indem große Unterschiede zwischen der Meßtemperatur und der Eichtemperatur vermieden werden0 Außerdem können die Fehler, die auf geringfügige Änderungen des Elastizitätsmoduls zurückzuführen sind, mindestens in gewissem Umfang dadurch kompensiert werden, daß Mittel vorgesehen werden, die bewirken, daß sich die beiden von der Platte 4 und den Elektroden 6 und 7 gebildeten Kapazitaten ihrerseits ändern, und zwar derart, daß dem Einfluß auf Grund-einer Änderung des Elastizitätsmoduls entgegengewirkt wird.The training described also limits edge effects to one Minimum, the known linearity errors in the variable capacities With regard to the influence of temperature9 it must first be established that that due to the manufacture of the center column 3, the yokes 2 and the base 1 from the same metal the expansions compensate each other and no displacement of the plate 4 between the electrodes 6 and 7 result. An influence by changes in the modulus of elasticity of the material forming the pressure transducer Although this cannot be avoided, the size of this parasitic influence can, however can be significantly reduced9 by using nickel steels with an extremely low coefficient of expansion may be used, for example a steel known under the name Invar, and by large differences between the measuring temperature and the calibration temperature can be avoided 0 Also, the errors can be due to minor changes in the elastic modulus are due to be compensated at least to a certain extent by the fact that Means are provided which cause the two of the plate 4 and the electrodes 6 and 7 in turn change capacitances in such a way that that the influence due to a change in the modulus of elasticity is counteracted will.

Für diesen Zweck kann die Platte 4 verhältnismäßig dick ausgebildet und aus einet Metall gefertigt werden, das gegenüber dem Abstandsstück tO einen hinreichend unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten besitzt, um eine Änderung des Abstandes zwischen den Stirnflächen der Platte und den beiden Elektroden 6 und 7 herbeizuführen0 In entsprechender Weise könnte auch bei den beiden Elektroden 6 und 7 selbst verfahren werden0 Eine weitere Möglichkeit besteht darin9 das Elektrodensystem und die Mittelplatte in eine isolierende Flüssigkeit einzutauchen, deren Dielektrizitätskonstante sich in Abhängigkeit von der Temperatur wandert0 Es versteht sich, daß die beiden oben genannten Maßnahmen auch miteinander kombiniert angewendet werden können0For this purpose, the plate 4 can be made relatively thick and made of a metal that is opposite to the spacer tO one sufficiently different expansion coefficients owns, a change in the distance between the faces of the plate and the two Electrodes 6 and 7 could be brought about in a similar way for the two Electrodes 6 and 7 can be moved by yourself0 Another possibility is9 immersing the electrode system and the middle plate in an insulating liquid, whose dielectric constant changes as a function of temperature0 It goes without saying that the two measures mentioned above are also combined with one another can be applied0

Claims (3)

Ansprüche 1. Claims 1. Kapazitiver Druckgeber mit einer eine bewegbare Elektrode tragenden Säule, die über verformbare elastische Verbindungsglieder mit einem Sockel verbunden ist, der eine der bewegbaren Elektrode gegenüberliegende, feststehende Elektrode der art trägt, daß eine auf die Säule ausgeübte Kraft durch der formung der Verbindungsglieder eine Änderung des gegenseitigen Abstandes der Elektroden bewirkt, dadurch gekennzeichnet, daß die elastischen Verbindungsglieder von radialen Jochen (2) gebildet sind, die den oberen Teil der Säule mit einem koaxialen, zylindrischen Sockel (1) verbinden0 2o Druckgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Sockel (1) zwei feststehende, ringförmige Elektroden (6,7) trägt, die zu beiden Seiten der bewegbarenF,Elektrode (4) angeordnet sind, die als Platte mit einem größeren Durchmesser als die feststehenden Elektroden ausgebildet ist und zusammen mit den feststehenden EleXtrod.en zwei Kapazitäten bildet, deren Größe sich bei Verformungen der radialen Joche (2) in entgegengesetztem Sinne ändert.Capacitive pressure transducer with a movable electrode load-bearing column connected to a base by means of deformable elastic links is connected, the one of the movable electrode opposite, stationary Electrode of the type that carries a force exerted on the column through the formation of the connecting links a change in the mutual spacing of the electrodes causes, characterized in that the elastic connecting members of radial Yokes (2) are formed, which the upper part of the column with a coaxial, cylindrical Connecting base (1) to pressure transducer according to Claim 1, characterized in that the cylindrical base (1) carries two stationary, ring-shaped electrodes (6,7), which are arranged on both sides of the movable electrode (4), which act as a plate is formed with a larger diameter than the fixed electrodes and together with the fixed EleXtrod.en forms two capacities, their size changes in the opposite sense when the radial yokes (2) are deformed. 3 Druckgeber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem zylindrischen Sockel (i) isolierende Scheiben (8,9) angeordnet sind, die die ringförmigen, feststehenden Elektrode den (6,7) tragen, mittels eines ringförmigen Abstandsstückes (10) in Abstand voneinander gehalten und mittels eines Dekkels (11) festgelegt sind, der an dem unteren Ende des Sockels befestigt isto 4o Druckgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Einflüsse durch temperaturbedingte Änderungen des Elastizitätsmoduls der radialen joche durch lastunabhängige, unmittelbar temperaturbedingte Kapazitätsänderungen kompensiert sind.3 pressure transducer according to claim 2, characterized in that in the cylindrical Base (i) insulating disks (8,9) are arranged, which form the annular, stationary electrode wear the (6,7) by means of an annular spacer (10) are kept at a distance from each other and fixed by means of a cover (11), which is attached to the lower end of the base 4o pressure transducer according to claim 1, characterized in that influences due to temperature-related changes in the modulus of elasticity of the radial yokes through load-independent, directly temperature-related changes in capacity are compensated. So Druckgeber nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herbeiführung der temperaturbedingten Kapazitätsänderungen mindestens bestimmte der Elektroden verhältnismäßig dick und aus einem Metall-gefertigt sind, das einen großen Ausdehnungskoeffizienten besitzt0 6 Druckgeber nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herbeiführung der temperaturbedingten Kapazitätsänderungen zwischen die Elektroden eine isolierende Flüssigkeit eingebracht ist, deren Dielektrizitätskonstante sich in Abhängigkeit von der Temperatur ändert, L e e r s e i t eSo pressure transmitter according to claim 4, characterized in that for bringing about the temperature-related changes in capacitance at least certain of the electrodes relatively thick and made of a metal that has a large coefficient of expansion possess0 6 pressure transducer according to claim 4, characterized in that for bringing about the temperature-related changes in capacitance between the electrodes create an insulating Liquid is introduced, the dielectric constant of which depends on changes from temperature, L e r s e i t e