DE2124979C2 - Kapazitiver Druckfühler - Google Patents
Kapazitiver DruckfühlerInfo
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Description
Erfindung betrifft einen kapazitiven Druckfühler der im Oberbegriff von Anspruch I angegebenen und
aus der US-PS 30 27 769 bekannten Art.
Bei diesen handelt es sich um einen an einen Adapter ansetzbaren Wandlerteil, wobei es darauf ankommt, den
Übergang zwischen dem Wandlerteil und dem Adapter abzuschirmen. Der Wandlerteil hat zu diesem Zweck
einen zylindrischen Mantel aus Metall, der geerdet ist und in einer Stirnseite die verstellbare Membran trägL
Innerhalb des Mantels befindet sich der Lagerblock aus Isoliermaterial, der an seiner Stirnfläche unter Abstand
von der verstellbaren Membran die feste Kondensatorplatte trägL Das herausragende Ende des Leiters bildet
einen Sockel uus Metall mit einer blanken, leitenden Oberfläche. Der Sockel umschließt den Leiter unter einem
konstanten Abstand, der genau bemessen ist, da der Sockel in eine elektrisch leitende Buchse des Adapters
passen muß, ohne mit dem Leiter in Eingriff zu kommen. Beim Aufschicben des Wandlerteils uuf den
Adapter tritt der Leiter in den Ringraum zwischen dem Sockel und dem Leiter und kommt nur mit dem Leiter in
leitende Verbindung, um das von den Kondensatorplatten gelieferte Signal einem Signalausgang zuzuleiten.
Dabei wird der Abschirm-Sockel, der unter Abstand die Kupplung der beiden Leiter für das Ausgangssignal umschließt,
mittels einer zusätzlichen Stromquelle auf einem bestimmten Potential gehalten. Dadurch sollen der
bzw. die Leiter im Bereich der Kupplung gegen Streufelder von außen und innen abgeschirmt werden.
Demgegenüber ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, im Bereich der Kondcnsatorplatten auftretende
Störsignale zu eliminieren.
Zur Lösung dieser Aufgabe werden erfindungsgemäß die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 vorgeschlagen.
Hierdurch wird der Vorteil erreicht, daß im Bereich der ersten bzw. festen Kondensatorplatte keine Streufelder
entstehen und demgemäß keine Streuströme fließen können. Dadurch ist der Druckfühler zum Erfassen
auch kleinster Kapazitätsänderungen geeignet. Dies wird dadurch erreicht, daß sich das elektrisch leitende
Abschirmmatcrial zwischen dem Leiter und dem geerdeten
Gehäuse in ganzer Länge durch den Lagerblock hindurch erstreckt. Dadurch werden nur Kapa/.itätsänderungcn
crfal.il, die sich aufgrund von Veränderungen der verstellbaren Membran ergeben.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen unter Schulz gestellt.
In der Zeichnung sind Ausfiihrungsbeispiele der Erfindung
wiedergegeben, die anhand der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert werden. Es zeigt
Fig. 1 einen Axialschnitt durch einen erfindungsgemäß
ausgebildeten kapazitiven Druckfühler,
F i g. 2 einen Schnitt nach der Linie 2-2 in F i g. 1,
F i g. 3 eine vergrößerte Schnittansicht der als Fühler wirksamen Kondensatorplatte und der Membran des in
Fig. 1 gezeigten Druckfühlers,
F i g. 4 eine teilweise Seitenansicht der Tragkonstruktion
zur Lagerung der Bezugs-Kondensatorplattc im Fühler,
Fig. 5 eine schematische Darstellung des abgeschirmten kapazitiven Fühlers nach F i g. 1 und
Fig.6 einen Axialschnitt durch eine andere Ausführiingsforni
der erfindungsgemiißcn Abschirmung.
Ein allgemein mit 10 bezeichneter Druckfühler besitzt ein äußeres Gehäuse 11 mit einer inneren Kammer, die
allgemein mit 12 bezeichnet ist. Das Gehäuse besteht zur Erleichterung der Montage aus verschiedenen Abschnitten
und wird benutzt, tun einen Druck an/ii/.eijicn.
der aus einer Druckquelle 13 über einen einen .Strömungskanal
bildenden Anschluß 14 zugeführt wird. Der Anschluß 14 ist, wie aus F i g. 1 ersichtlich ist in dem
unteren Abschnitt des Gehäuses 11 eingepaßt, wobei ein Filter 15 benutzt werden kann, um das ;n den Fühler
einströmende, unter Druck stehende Strömungsmittel /u filtern.
Die innere Kammer 12 ist in eine Fühlerkammer 12/4 und eine Bezugskammer 12ß unterteilt Die Fühlerkammer
wird von der Bezugskammer durch eine allgemein mit 16 bezeichnete Membran getrennt Dabei handelt es
sich um eine randfrei gelagerte Membran, etwa US-PS 31 95 028. Die Membran besitzt eine Hauptplatte 16Λ
und eine ringförmige, dünnwandige, rohrförmige Stützwand I6ß längs ihrer Umfangskante. Die dünnwandige
Stützwand 16ß ist mit einem massiven, ringförmigen Abschnitt 17 verbunden, der ebenfalls rohrförmig ausgebildet
ist und der zwischen zwei benachbarte Abschnitte des äußeren Gehäuses 11 paßt und dort beim
Zusammenbau festgeschweißt wird.
Die rohrförmige Stützwand 16ßund die Hauptplatte
16/4 können aus einem einzigen Block herausgearbeitet werden oder, falls gewünscht, durch Verlöten oder Verschweißen
der Hauplplatte mil der Stützwand hergestellt werden. Die Membran weist das gleiche elektrisehe
Potential wie das Fühlergehäusc auf und liegt gewöhnlich
an Masse. Eine die Kondensalorplattc aufweisende Anordnung ist allgemein mit 20 bezeichnet. Sie ist
deutlicher in Fig. 3 dargestellt Die Kondensatorplatte
21 ist auf einem zylindrischen Block 22 aus keramischem Material befestigt, der einen kreisförmigen Querschnitt
besitzt und einen sich nach oben erstreckenden Hals 23 aufweist. Das keramische Material kann Aluminiumoxyd
sein, wobei beispielsweise ein keramisches Material mit 94% Aluminiumoxyd als sehr zufriedenstellend
befunden wurde. Der Umfang des keramischen Blocks
22 ist mit einer Metallschicht 25 versehen. Der Hals 23 ist ebenfalls metallisiert. Diese Metallisierung bildet einen
sehr dünnen Metallüberzug auf dem keramischen Material. Dieser Metallüberzug ist im Querschnitt zur
deutlicheren Darstellung vergrößert gezeigt. Die Metallisierung kann durch Sprühen. Vakuumbeschichtung
oder andere erwünschte Verfahren erzeugt werden. Das gewählte Metall muß ein guter elektrischer Leiter sein.
Die Kondensatorplattc 21 wird durch Beschichtung oder auf andere Weise auf dem Block 22 befestigt und
ist, wie in übertriebenem Maßstab dargestellt ist. auf einem teilweise sphärischen Sitz angeordnet, der so gewölbt
ist, daß er sich eng der Auslenkung der Membran anpaßt. Ein rohrförmiger Leiter 27 ist in den Block 22
eingebettet und erstreckt sich durch diesen. Der Leiter ist elektrisch mit der Platte 21 verbunden. Die Kondensatorplatte
21 besteht aus einer dünnen leitenden Schicht auf der Oberfläche des Blockes 22, die als gekrümmte
Fläche in stark vergrößertem Maßstab dargcstellt ist. Die gekrümmte Oberfläche besitzt vorzugsweise
die gleiche Form wie sie die unter Druckeinfluß iiusgclenkte Membran an dieser Stelle ihrer Bewegung
hüben würde. Diese Form ermöglicht eine »vereinfachte« Be/iehung zwischen der Kapazität und dem Druck
zusätzlich zu ihrer Eignung als Stützfläche für die Membran im Falle des Auftretens übermäßiger Spannungen
bei (Jberlastungsbedingungen. Die Beziehung zwischen Kapazität und Druck bei einer genau gekrümmten
Oberllache kann wie folgt ausgedrückt werden.
Cn-C0 =
K1P
wobei P das Druckdifferential an eier Membran, C), die
Kapazität beim Druck P. Co die Kapazität bei einem Druekdifferential Null und K] und /G Konstante sind,
die die Federkonstante und Größe der Membran sowie die Größe und die elektrische Eigenschaft der Kapazität
betreffen.
Der den inneren Block 22 umgebende Metallüberzug oder die Metallschicht 25 wie auch der Überzug oder
die Schicht 24 bilden einen Teil der die Platte 21 und den
to rohrförmigen Leiter 27 umhüllenden elektrischen Abschirmung. Zu beachten ist, daß die Platte 21 gegenüber
der Metallschicht 25 isoliert ist.
Ein Ring 30 aus keramischem Material, das mit dem des Blockes 22 identisch ist beispielsweise 94% Aluminiumoxyd,
ist um den mittleren Block 22 auf der Außenseite der Metallschicht 25 aufgebracht. Die Metallschicht
25 und das innere des äußeren Ringes 30 werden durch eine Lötschicht 31 miteinander fest verbunden.
Ein rohrförmiges Element 32 aus einer Eisen-Nickel-Legierung ist auf der Außenfläche des Ringes 30 diesen
umschließend angeordnet und festgelötet weil sie mit Aluminiumoxyd verträgliche Wärmedehnungseigenschaften
besitzt.
Dann wird ein äußeres Lagerrohr 33 über den Ring 32 geschoben. Das Rohr 33 besitzt, wie aus Fig.4 ersichtlich ist, läng? seines unteren Umfangsbereiches Ausnehmungen 34, die kleine Lappen 35 bilden. Die unteren Abschnitte der Lappen 35 sind durch Punktschweißen auf dem äußeren Umfang des Ringes 32 im unteren Bereich der Lagerblockanordnung befestigt. Die Lappen 35 können für eine gute Anpassung leicht gebogen werden. Dann wird der obere Teil des Rohres 33 mit dem Lagerring 17 der randfreien Membran verschweißt, so daß die gesamte Membran-Kondensatorplatte-Anordnung als eine Einheit in das äußere Gehäuse 11 des Druckfühlers eingebaut werden kann. Die Schweißung dichtet den Lagerring 17 und die Membran-Stützkonstruktion ab.
Dann wird ein äußeres Lagerrohr 33 über den Ring 32 geschoben. Das Rohr 33 besitzt, wie aus Fig.4 ersichtlich ist, läng? seines unteren Umfangsbereiches Ausnehmungen 34, die kleine Lappen 35 bilden. Die unteren Abschnitte der Lappen 35 sind durch Punktschweißen auf dem äußeren Umfang des Ringes 32 im unteren Bereich der Lagerblockanordnung befestigt. Die Lappen 35 können für eine gute Anpassung leicht gebogen werden. Dann wird der obere Teil des Rohres 33 mit dem Lagerring 17 der randfreien Membran verschweißt, so daß die gesamte Membran-Kondensatorplatte-Anordnung als eine Einheit in das äußere Gehäuse 11 des Druckfühlers eingebaut werden kann. Die Schweißung dichtet den Lagerring 17 und die Membran-Stützkonstruktion ab.
Die Kammer 12,4. wird dadurch gegenüber der Kammer
12ß abgedichtet. Das rohrförmige Leitungselement 27 mündet in eine kleine Kammer 36, die zwischen der
oberen Oberfläche der Membranplatte 16, der unteren Oberfläche der Platte 21 und ihrer Tragkonstruktion
ausgebildet ist Es sollte beachtet werden, daß der unterc Abschnitt des Rohres 33 einen Abstand von der
Innenfläche der Membranstützwand 165 einhält. Die
Kammer 12ß ist als Bezugskammer evakuiert und dieses Vakuum wird über das Rohr 27 auch auf die Kammer
36 ausgedehnt. Falls erwünscht, kann die Kammer 12ß mit der Atmosphäre verbunden werden, um Überdruckmessungen
durchführen zu können, oder die Kammer 12ß kann mit einer zweiten Druckquelle verbunden
werden, um den Druckunterschied zweier Druckquellen zu messen.
Das Leiterrohr 27 erstreckt sich aus dem Hals 23, wo
eine geeignete elektrische Leitung 37 in üblicher Weise daran befestigt ist. Die Leitung 37 besitzt einen flexiblen
Leitungsdrahtabschnitt, der am Rohr 27 befestigt ist, wobei sich dieser Draht bis zu einem Anschlußstift er-
bo streckt Ein Abschirmrohr 40, das als metallisches, rohrförmiges
Element ausgebildet ist, ist über den Hals 23 gestreift und steht dort in elektrischer Verbindung mit
der Metallschicht 24 und der den Hals 23 umgeuenden Metallschicht, so daß ein elektrischer Kontakt zwischen
b·; dem Rohr 40 und den Metallschichten 24 und 25 bestellt.
Das Rohr 40 erstreckt sich nach oben bis zu einem Verbindungsabschnitt 41 und bildet in Verbindung mit
den Metallschichten 24 und 25 eine kontinuierliche Ab-
schirmvorrichtung 44, die am Boden des Lagerblockes
für die Kondensatorplaue 21 endet. Es ist ersichtlich,
dall die Ränder der Abschirmung mit der Kondensatorplane 21 fluchten.
Wie aus F i g. ! ersichtlich ist. erstreckt sich die Leitung 37 nach oben in den Verbindungsabschnitt 41. der
geeignete Verbindungsmittel an seiner Außenseite aufweist, so daß ein übliches dreiachsiges Kabel am Abschnitt
41 befestigt werden kann. Das Zentrum des dreiachsigen Kabels ist elektrisch mit der mittleren Leitung
37 verbunden, die die Signale von der Platte 21 überträgt,
und eine innere metallische Abschirmung im dreiachsigen Kabel ist mit dem Rohr 40 verbunden. Eine
äußere Metallscheide des dreiachsigen Kabels ist mit dem äußeren Gehäuse 11 verbunden. Die äußere Scheide
des dreiachsigen Kabels liegt somit an Masse.
Das dreiachsige Kabel stellt die Verbindung zu einer Energiequelle und einer Anzeigeeinrichtung dar. Die
mittlere Leitung, die Abschirmung und die äußere Scheide sind jeweils voneinander isoliert.
Das Rohr 40 muß Öffnungen aufweisen, so daß das im Inneren der Kammer 125 herrschende Vakuum durch
das Rohr 27 mit der Kammer 36 in Verbindung gelangen kann.
Schweißen oder auf andere Weise verbunden werden.
Diese Konstruktion ergibt einen sehr robusten und stabilen Fühler. Die Lagerung der Kondensatorplalte 21
ist sehr stabil.
Das Verfahren der Metallisierung und des anschließenden Auflötens eines äußeren Ringes aus Aluminiumoxyd
ermöglicht eine vollständige Abschirmung bis /ur Kondensatorplatte und diese umgebend.
In F i g. b ist eine abgewandelte Ausführungsform der
Abschirmung und der Lagerung der Kondensatorplatie dargestellt. Das äußere Gehäuse und die Membran, wie
auch der Druckeinlaß und dgl. sind die gleichen wie bei dem vorher beschriebenen Ausführungsbeispiel. Der
Lagerblock 50 ist am massiven Ring 17 angebracht und besitzt einen Metallbecher 51. der mit einem keramischen
Material oder Glas angefüllt ist. um ein mit 52 gekennzeichneten Block zu bilden.
Ein Abschirmrohr 53, das mil dem Rohr 40 übereinstimmt, ist in den Glasblock eingebettet und erstreckt
sich durch den Block bis zu einer Stelle, wo es elektrisch mit einer metallischen Abschirmschicht 54 verbunden
ist, die auf einer konkaven, der Membran 16Λ zugewandten Fläche des Blockes aufgebracht ist. Die Abschirmschicht
54 erstreckt sich nach unten bis zu der
Das Abschirmrohr 40 ist sehr flexibel ausgeführt, so 25 Außenfläche des Blockes,
daß der Zusammenbau und die Temperaturdehnungs- Eine dünne Schicht aus Keramikmaterial oder Glas
daß der Zusammenbau und die Temperaturdehnungs- Eine dünne Schicht aus Keramikmaterial oder Glas
unterschiede zwischen dem äußeren Gehäuse und dem Rohr selbst nicht dazu führen können, daß das Rohr
wesentliche Kräfte auf die Lagerung 20 der Kondensatorplatte ausüben kann. Dies kann dadurch geschehen,
daß das Rohr mit einer faltenbalgartigen Ausbildung versehen wird, oder daß das Rohr eine geflochtene Konstruktion
aufweist. Es ist weiterhin möglich, eine Gleitverbindung zwischen der Außenfläche des Halses 23
und der Innenfläche des Rohres 40 vorzusehen.
Die Abschirmanordnung 44 erstreckt sich in das Innere des Fühlergehäuses 11 und schirmt alle elektrischen
Komponenten ab, so daß selbst die Kondensatorplatte 21 abgeschirmt ist. Die Abschirmung wird vorzugsweise
55 wird dann über die Außenfläche der metallischen Abschirmschicht aufgebracht und bildet eine Isolierschicht
auf der Abschirmschichi 54.
Dann wird eine aus einer dünnen Metallschicht gebildete Kondensatorplatte 56 auf der Glasschicht 55 aufgebracht.
Die Kondensatorplatte 56 entspricht der Kondensatorplatte 21 des ersten Ausführungsbeispiels.
Die Kondcnsatorplatte 56 ist ebenfalls konkav und elektrisch mit einem Leiterrohr 57 verbunden, das dem
Leiterrohr 27 der ersten Ausführungsform entspricht. Das Leilerrohr und die Kondensatorplatte 56 sind wiederum
voll abgeschirmt, einschließlich der Stelle, wo die Leitung durch den Stützblock der Kondensatorplatte
auf demselben Potential gehalten wie die Kondensator- 40 geführt ist. Die Abschirmschicht 54, die Glasschicht 55
platte und ihre Leitungsdrähte, so daß kein Nebenschlußsirom
entstehen kann, der Fehler bei der Ablesung hervorrufen könnte. Fehler durch wechselnde Nebenschlußbedingungen
waren ein ernsthaftes Problem, insbesondere dort, wo hohe Temperaturen auftraten,
weil die Nebenschlußströme bei höheren Temperaturen bei üblichen Isolationsmaterialien wesentlich höher
werden und nicht angemessen ausgeglichen werden können. Die schematische Darstellung in Fig. 5 zeigt
und die Kondcnsatorplatte 56 können jeweils an Ort und Stelle aufgesprüht werden, oder es können andere
Verfahren zu ihrer Aufbringung benutzt werden. Der Fühler arbeitet wie vorstehend beschrieben.
Die Rohre 57 und 53 werden in ihre Lage gebracht, wenn der Block 52 hergestellt wird. Auf diese Weise sind
die Rohre 57 und 53 fest an ihrer Stelle gehalten. Die konkave Oberfläche, die zur besseren Darstellung im
Maßstab stark übertrieben dargestellt ist, ist so einge-
die Abschirmung in ihrer Lage zwischen der Energie- 50 schliffen, daß sie der Membranauslenkung entspricht,
quelle und der Kondensatorplatte. Die Abschirmschicht 54, die Glas- oder Keramikschicht
Eine Fühlermembran in gestreckter Form kann anstelle
der randfrei abgestützten und gezeigten Membran benutzt werden. Die Auswahl der Membran hängt
von den Bereichen der zu ermittelnden Drücke ab.
Die Konstruktion der Lagerblöcke für die Fühlerkondensatorplatte
ist wegen der aus mehreren keramischen und metallischen Teilen bestehenden Konstruktion neu,
die einen isolierten Schutzschild liefert, der sich bis zur Ebene der Kondensatorplatte 21 erstreckt Der innere ω
Block 22 wird zuerst ausgebildet dann wird die Metallisierung durchgeführt, um die Abschirmung zu bilden.
Dann wird der äußere Ring aus keramischem Material auf die Außenfläche der metallisierten Schicht des Keramikblockes
22 aufgelötet. Darauf wird das äußere μ Metallrohr aufgelötet und zur Lagerung des mittleren
Blockes auf seinen Stützring 33 benutzt Der Ring 33 kann mit der Tragkonstruktion 17 der Membran durch
55 und die Koridensatorplaite 56 werden dann an den
ihnen zugeordneten Stellen aufgebracht Die Kondensatorplatte 56 ist natürlich gegenüber der Abschirmschicht
54 isoliert Die Abschirmschicht 54 ist gegenüber dem becherförmigen Element 51 isoliert Die Verbindungen
sind die gleichen wie zuvor, wobei ein dreiachsiges Kabel dem Fühler Energie zuführt
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (5)
1. Kapazitiver Druckfühler mit einem eine Fühlerkammer aufweisenden Gehäuse, einem in dem Gehäuse
angeordneten Lagerblock mit zwei unter Abstand voneinander angeordneten Stirnflächen, einem
als elektrischen Leiter ausgebildeten Rohr zur Beaufschlagung der Fühlerkammer mit einem Bezugsdruck
und Kondensatorplatten innerhalb des Gehäuses, von denen eine erste Kondensatorplatte
auf einer der Stirnflächen des Lagerblocks angeordnet und eine zweite Kondensatorplatte nach Art einer
Membran gegenüber der ersten Kondensatorplatte verstellbar ist, wobei das als Leiter ausgebil-
dete Rohr von der ersten Kondensatorplalte ausgehend
durch den Lagerblock hindurchgeführt und außerhalb der anderen Stirnfläche des Lagerblocks
von Isoliermaterial und einem elektrisch leitenden Abschirmrohr umschlossen ist, dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen den Stirnflächen des Lagerblocks (22; 52) eine elektrisch leitende Abschirmung
(24,25; 53,54) derart angebracht ist, daß sie einerseits gegenüber der ersten Kondensatorplatte (21; 56) und andererseits gegenüber dem Ge-
häuse (11) isoliert ist, und dabei die erste Kondensatorplatte
(21; 56) und denjenigen Abschnitt des als elektrischen Leiter ausgebildeten Rohrs (27; 57) umschließt,
der sich durch den Lagerblock (22; 52) hindurch erstreckt, daß die Abschirmung (24,25; 53,54) j<
> elektrisch mit dem elektrisch leitenden Abschirmrohr (40) verbunden bzw. Bestandteil des Abschirmrohrs
(53) ist, und daß das der ersten Kondensatorplatte (21; 56) zugewandte freie Ende der Abschirmung
(25; 54) im wesentlichen auf dem gleichen elektrischen Potential wie die Kondensatorplatte
(21; 56) gehalten wird.
2. Druckfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende Abschirmung
(24, 25) als Schicht auf der äußeren Umfangsfläche des Lagerblocks (22) abgelagert ist und ein äußerer
Ring (30) aus Isoliermaterial auf dem dem Ring (30) zugewandten Teil (25) der Abschirmschicht (24, 25)
befestigt ist.
3. Druckfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hals (23) einstückig an dem
Lagerblock (22) angeformt und von dem Abschirmrohr (40) umschlossen ist, das elektrisch mit der auf
dem Lagerblock (22) befindlichen Schicht (24, 25) verbunden ist.
4. Druckfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (24,25; 54)
auf der fühlerkammerseitigen Stirnfläche von der ersten, festen Kondensatorplatte (21; 56) einen radialen
Abstand aufweist, der etwa gleich dem axialen Abstand zwischen der festen Kondensatorplatte (21;
56) und der gegenüber dieser verstellbaren Membran (\6A) ist, die entsprechend dem daran auftretenden
Druckunterschied auslenkbar ist.
5. Druckfühler nach Anspruch 1 bis 4, dadurch ge- mi
kennzeichnet, daß eine Schicht (55) aus Isoliermaterial die Abschirmmaterial-Schicht (54) von der festen
Kondensatorplatte (56) trennt.
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