DE2423484C3 - Kapazitiver DruckmeBwandler - Google Patents
Kapazitiver DruckmeBwandlerInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen kapazitiven Druckmeßwandler der im Oberbegriff des Patenten
spruchs 1 genannten Art.
Bei einem solchen aus der US-PS 27 14 703 bekannten Druckmeßwandler ist die Membran aus einer
oberhalb und einer unterhalb des Tragteils angeordneten Membranhälfte gebildet so daß die Membran das
die elektrisch leitende Fläche tragende Tragteil vollständig einschließt Dieser elektrisch leitenden
Fläche gegenüber ist eine weitere elektrisch leitende Fläche angeordnet, die an dem oberen Teil der
Membran elektrisch isoliert befestigt ist Diese beiden, einander gegenüberliegenden, Flächen bilden einen
Kondensator, dessen Kapazität durch Änderung des Abstandes zwischen den beiden elektrisch leitenden
Flächen nach Maßgabe des auf die Membran von außen wirkenden Drucks sich ändert Die Membran selbst ist in
einem Gehäuse eingeschlossen, dessen Innenraum über einen Druckeinlaß mit einer Druckquelle zu verbinden
ist, deren Druck zu messen ist In einem weiteren Innenraum des Gehäuses ist eine elektrische Schaltung
untergebracht, die über elektrische Verbindungsleitungen mit den beiden elektrisch leitenden Flächen des
Kondensators verbunden ist
Aus der US-PS 29 99 385 ist ein anderer kapazitiver Druckmeßwandler bekannt, bei dem zwei Membranflächen gegenüber einer zwischen ihnen angeordneten und
von ihnen elektrisch isolierten elektrisch leitenden Fläche beweglich angeordnet sind. Die Membranflächen werden dabei von jeweils einem ihnen individuell
zugeordneten Druckeinlaß beaufschlagt se daß die Messung der Druckdifferenz zwischen den in den
beiden Druckeinlässen herrschenden Drücken möglich ist Sowohl die Konstruktion als auch die Funktionsweise dieses bekannten Druckmeßwandlers ist jedoch
aufwendig und kompliziert, so daß die Herstellung des Druckmeßwandlers teuer und seine Funktionszuverlässigkeit nicht sehr groß ist.
Aus dem Buch Merz, »Grundkurs der Meßtechnik«,
Teil Il !Auflage 1970, Seiten 102 und 103 ist ein Kapselfedermeßwerk bekannt das eine Kapselfeder
bzw. eine aus zwei Membranen gebildete Druckmeßdose aufweist, deren Innenraum über einen eisten
Druckeinlaß mit einer zu messenden Druckquelle verbindbar ist. Die eine Membran der Kapselfeder ist
über eine geeignete Hebelübertragung mit einem Zeiger verbunden, der auf einer geeigneten Skala den
jeweils gemessenen Druck anzeigt. Sowohl die Kapselfeder als auch die mit dem Zeiger verbundene
Hebelübertragung sind in einem zweiten Gehäuse eingeschlossen, in dem ebenfalls ein bestimmter Druck,
der dann als Bezugsdruck dient, vorhanden sein kann. Ist mit diesem Kapselfedermeßwerk eine Druckdifferenzmessung erwünscht, so wird der Innenraum des
Gehäuses mit einem zweiten Einlaß verbunden, über den der Innenraum des Gehäuses mit einer zweiten
Druckquelle verbunden werden kann.
Im Gegensatz zu diesem bekannten Kapselmeßwerk, das mit einer mechanischen Hebelübertragung und
einem Zeiger arbeitet, die zwangsläufig relativ ungenau sind, ist es Aufgabe der Erfindung, einen kapazitiven
Druckmeßwandler der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art so weiterzubilden, daß er zur
Messung von Differenzdrücken, absoluten Drücken und relativen Drücken vielseitig verwendbar ist, trotzdem in
seiner Anzeige aber sehr genau ist.
Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebene Lehre gelöst.
Ein wesentliches Merkmal der Erfindung betrifft die örtliche Anordnung des zweiten Druckeinlasses an oder
nahe dem Umfangsrand der elektrisch leitenden Fläche. Durch diese Anordnung des zweiten Druckeinlasses, der
zwangsläufig in den zwischen dem Tragteil und der
Membran gebildeten Hohlraum münden muß, wird sichergestellt, daß der Einfluß der Mündung des zweiten
Druckeinlasses auf die Meßgenauigkeit des kapazitiven Druckmeßwandlers so gering wie möglich und damit
vernachlässigbar klein ist Dieses rührt daher, daß die Auslenkung der Membran gegenüber der Unterlage
bzw. der elektrisch leitenden Fläche am Randbereich sehr gering ist, so daß auch eine durch die in diesem
Bereich vorgesehene Mündung des zweiten Druckeinlasses Ijsdingte Kapazitätsänderung bzw. ein Materialverlust
am Rand der elektrisch leitenden Fläche so gering wie möglich ist
Durch die Ausbildung des Deckels aus einem dielektrischen Material wird keine zusätzliche Störkapazität
zwischen der Membranaußenfläche und der Innenfläche des Deckels geschaffen. Da auch der
zwischen der Membran und dem Tragteil gebildete abgeschlossene Raum mit einem Druckeinlaß versehen
ist kann auch dieser Raum mit eineui zu messenden Druck beaufschlagt werden, so daß bei der Beaufschlagung
nur eines der beiden Druckeinlässe mit einem zu messenden Druck eine abosulte Druckmessung möglich
ist während bei der gleichzeitigen Beaufschlagung der beiden Druckeinlässe mit unterschiedlichen Drücken
eine Differenzdruckmessung möglich ist Vorzugsweise ist der neue Druckmeßwandler so aufgebaut daß die
elektrisch leitende Räche auf einer als Tragteil wirkenden dielektrischen Platte nach Art einer gedruckten
Schaltung aufgebracht wird. Auch die Membran wird gasdicht mit ihrem Rand auf einem Teil der
gedruckten Schaltung befestigt wobei dieser Teil jedoch nach Art einer ringförmig ausgebildeten und die
elektrisch leitende Fläche konzentrisch umgebenden Elektrode z. B. mit Hilfe der bekannten Ätztechnik von
der elektrisch leitenden Fläche isoliert ist. Diese Ausbildung des Druckmeßwandlers nach Art einer
gedruckten Schaltung ermöglicht einen sehr einfachen Anschluß der elektrischen Verbindungsleitungen, die
mit der ebenfalls auf der gedruckten Schaltungsplatte angeordneten elektrischen Schaltung verbunden sind.
Auf diese Weise ist der Druckmeßwandler mit äußerst geringen Abmessungen herzustellen.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen abgegeben.
Ein AusführungsPeispiel der Erfindung wird anhand
der Zeichnung beschrieben. Darin zeigt
F i g. 1 eine Drauf Sticht auf den Druckmeßwandler,
F i g. 2 eine teilweise im Schnitt längs der Linie 2-2 in
F i g. 1 gezeigte Seitenansicht des Druckmeßwandlers und
F i g. 3 eine F i g. 1 entsprechende Ansicht des Druckmeßwandlers von unten.
Der in F i g. 1 gezeigte Druckmeßwandler 10 hat ein Tragteil in Form einer ebenen Platte 12, "orzugsweise
aus einem für die Unterlagen von gedruckten Schaltungen verwendeten dielektrischen Material. Im
übrigen eignet sich für das Tragteil 12 jedes Material, welches die erforderlichen elektrischen und mechanischen
Eigenschaften über den gesamten Bereich von Umwelteinflüssen, denen der Druckmeßwandler ausgesetzt
sein kann, haben. Di* Material darf nicht von dem
Druckmittel, für welches der Wandler verwendet werden soll, angegriffen werden und muß für dieses
undurchlässig sein. Für die meisten Verwendungszwekke eignet sich ein mit Glasfasern versetztes Melaminharz.
Das Traeteil 12 trägt eine Reihe von leitenden Anschluß- oder Kontaktflächen 14 in Verbindung mit
einem herkömmlichen Steckverbinder 16, welcher der Herstellung der Anschlüsse für die Stromspeisung und
die Ausgangssignale dient
Auf dem Tragteil 12 ist eine eine feste Platte 22 damellende leitende Fläche in einem für gedruckte
Schaltungen gebräuchlichen Verfahren aufgedruckt Unter Freilassung eines Zwischenraums 24 ist um die
feste Platte 22 herum eine Membrane 26 aus elektrisch leitendem Material, vorzugsweise aus dünnem, flexiblem
Blech, abdichtend auf dem Tragteil 12 befestigt Die Membrane hat einen axial abstehenden Rand 28,
welcher das Mittelteil der Membrane in einem solchen Abstand von der festen Platte 22 hält daß es auch bei
der durch die zu messenden Drücke bewirkten stärksten Verformung der Membrane nicht zu einer Berührung
zwischen ihr und der festen Platte kommt Ein vorzugsweise aus dielektrischem Material geformter,
die Membrane 26 umgebender Deckel 18 ist hermetisch abdichtend auf dem Tragteil 12 befestigt und bildet eine
die Membrane umgebende Kammer 20.
In der dargestellten Ausführungsform ist ein kurzes Rohrstück 30 in eine Öffnung 32 eingesetzt welche
durch das Tragteil hindurch zum Zwischenraum 24 zwischen dem Rand der festen Platte 22 und dem Rand
28 der Membrane 26 verläuft Das Rohrstück 30 bildet einen Einlaß für den Anschluß eines Schlauchs oder
eines weiteren Rohrs zum Zuleiten eines Druckmittels in den Raum zwischen der Membrane 26 und dem
Tragteil 12.
Ein in eine weitere Öffnung des Tragteils eingesetztes Rohrstück 34 bildet einen Einlaß für ein Druckmittel in
den Raum 20 an der Außenseite der Membrane 26. Dieser Einlaß braucht jedoch nicht durch das Tragteil 12
hindurch zu verlaufen sondern kann auch in einer Wandung 37 des Deckels 18 gebildet sein.
Die von den über die Einlasse 30 und 34 zugeführten Drücken beaufschlagte Membrane 26 erfährt beim
Auftreten von Druckunterschieden Verformungen, aufgrund deren sich ihr Abstand zur festen Platte
verändert
Nahe dem Deckel 18 sind auf dem Tragteil 12 elektronische Schaltungseinrichtungen 35 für die Auswertung
der sich aus den Änderungen des Zwischenraums ergebenden Änderungen der Kapazität angeordnet
Für solche Zwecke geeignete Schaltungseinrichtungen sind allgemein bekannt und gehören nicht zur
Erfindung. Für die Verbindung der einzelnen Schaltungsteile untereinander können an der Rückseite des
Tragteils gedruckte oder anderswie geformte Leiter vorhanden sein. Ein Leiter 36 führt von einem an einer
Stelle 40 an der Membrane 26 angelöteten Draht 38 zu einem Anschluß 42 eines Schwingkreises (F i g. 3). Ein
Leiter 44 führt von einem Anschluß 46 des Schwingkreises durch das Tragteil 12 hindurch zu einem Anschluß 48
der festen Platte 22.
Die beschriebene Vorrichtung hat sehr kleine Abmessungen und ein geringes Gewicht und ist
wirtschaftlich herstellbar und vielseitig verwendbar. Sie kann in der beschriebenen Weise zum Messen der
Differenz zweier über die Einlasse 30 und 34 zugeführter Drücke, also als Differential-Druckmesser
verwendet werden. Bei der Verwendung als gewöhnlicher Druckmesser läßt man den einen Anschluß zur
freien Umgebung offen und führt den zu messenden Druck über den anderen Einlaß zu. In noch einer
anderen Verwendungsart kann der Raum an einer Seite der Membrane teilweise evakuiert und der betreffende
Anschluß dann verschlossen werden. Bleibt dann der andere Anschluß zur freien I lmeehime offen, so wirkt
die Vorrichtung als Barometer, und führt man über diesen Anschluß einen zu messenden Druck zu, so
arbeitet sie als Absolut-Druckmesser.
Wie vorstehend angeführt, durchsetzt der das Rohrstück 30 aufnehmende Einlaß das Tragteil 22 am
oder nahe dem Rand der festen Platte 22. Diese Anordnung verdient insofern den Vorzug, als für den
Einlaß ein Stück von der festen Platte 22 entfernt werden muß. Dies geschieht jedoch vorzugsweise an
einer Stelle, an welcher der Materialverlust eine möglichst geringe Auswirkung auf die bei gegebener
Änderung des Drucks auftretende Änderung der Kapazität ausübt. Die stärkste Bewegung der Membrane
gegenüber der festen Platte 22 findet in der Mitti derselben statt, so daß es also unzweckmäßig ist, den fü
einen Einlaß notwendigen Materialabtrag an diese Stelle der festen Platte vorzunehmen. Nahe dem Rand«
ändert sich jedoch der Abstand zwischen der Membran! und der festen Platte nur wenig, so daß der Einlaß alsc
zweckmäßig in diesem Bereich gebildet wird.
Die Verwendung eines Deckels 18 aus dielektrischen Material bietet den Vorteil, daß zwischen der Membra
ne und dem Gehäuse keine unerwünschte Störkapazitäi auftritt, wie dies bei Verwendung eines metallener
Deckels der Fall wäre.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (6)
1. Kapazitiver Druckmeßwandler mit einem Tragteil und einer hierauf angebrachten, elektrisch
leitenden Fläche, einer über dieser Fläche und von ihr elektrisch isoliert angeordneten, elektrisch
leitenden Membran, die mit der elektrisch leitenden Fläche einen elektrischen Kondensator mit druckabhängiger Kapazität bildet, mit einem die Membran
unter Belassung eines Zwischenraums umgebenden Deckel, mit einem Druckeinlaß zum Beaufschlagen
des im übrigen geschlossenen Raumes zwischen Membran und Deckel mit dem zu messenden Druck
und einer elektrischen Schaltung zum Erzeugen eines der Kapazität der Anordnung entsprechenden
Signals, dadurch gekennzeichnet, daß der Deckel (18) aus dielektrischem Material abdichtend
auf dem Tragteil (12) befestigt ist, daß ein zweiter Druckeinlaß (30, 32) vorgesehen ist, der in den im
übrigen geschlossenen Raum (24) zwischen Membran (26) und Tragteil (12) mündet und an oder nahe
dem Umfangsrand der elektrisch leitenden Fläche (22) angeordnet ist
2. Druckmeßwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Tragteil (12) eine aus
dielektrischem Material bestehende Platte ist, auf der die elektrisch leitende Fläche (22) nach Art einer
gedruckten Schaltung aufgedruckt und auch die elektrische Schaltung (35) angeordnet ist
3. Druckmeßwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß der erste Druckeinlaß
(34) an einer Stelle durch das Tragteil (12) hindurchgeführt ist, die außerhalb der Membran (26)
liegt
4. Druckmeßwandler nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster, an der
leitenden Fläche (22) angeschlossener Leiter (44) durch die Platte (12) hindurch zur gegenüberliegenden Fläche derselben geführt ist und daß ein zweiter,
an der Membran (26) angeschlossener Leiter (36) durch die Platte (12) hindurch zur gegenüberliegenden Fläche derselben geführt ist
5. Druckmeßwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Leiter
(44 bzw. 36) durch einen dritten (46) bzw. vierten (44), jeweils durch die Platte (12) hindurchgeführten
Leiter leitend mit der Schaltung (35) verbunden sind.
6. Druckmeßwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (26)
ringförmige Wellen aufweist, welche das Durchbiegen der mittleren Teile derselben ermöglichen, daß
sie einen axial hervorstehenden Rand (28) hat, welcher einen gewissen Abstand zwischen dem
mittleren Teil und der leitenden Fläche (22) aufrechterhält und daß die Membran (26) unter
Belassung eines ringförmigen Zwischenraumes zwischen dem hervorstehenden Rand und dem Umfang
der leitenden Fläche (22) auf der Unterlage (12) befestigt ist.
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