DE2948165C2

DE2948165C2 - Kapazitiver Druckmeßfühler

Info

Publication number: DE2948165C2
Application number: DE2948165A
Authority: DE
Inventors: Robert Lee Chatsworth Calif. Bell
Original assignee: Sybron Corp
Current assignee: ABB Instrumentation Inc
Priority date: 1978-12-01
Filing date: 1979-11-29
Publication date: 1986-01-02
Also published as: GB2038487A; JPS5578228A; FR2443054A1; DE2948165A1; US4295376A; CA1134164A; IT7927775A0; FR2443054B1; IT1126466B; GB2038487B; JPS632046B2

Description

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Druckmeßfühler entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiger Meßfühler ist aus der DE-OS 25 14 511 bekannt. In einer Ausführungsform weist dieser Meßfühler einen Plattenkondensator auf, dessen eine Platte als Membran ausgebildet ist und dessen andere Platte gegenüber der Membran zusammen mit dieser verschiebbar gelagert ist Bei einer Verformung der Membran wird die andere Kondensatorplatte verstellt.

gleichzeitig ändert sich aber aufgrund der Verformung der Membran der Abstand zwischen den Kondensatorplatten entsprechend der Verformung. In einer weiteren Ausführungsform ist dieser Meßfühler als Differentialdruckmeßfuhler mit zwei Plattenkondensatoren ausge bildet, von denen jeweils die eine Platte durch eine gemeinsame Membran gebildet ist Auch bei dieser Ausbildung verändert sich der Plattenabstand der eiifselnen Kondensatoren in Abhängigkeit von der Membranver formung. Diese Abhängigkeit hat zur Folge, daß sich das vom Meßfühler abgegebene Ausgangssignal nicht linear mit dem Druck ändert

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den kapazitiven Druckmeßfühler der eingangs genannten Art so auszubilden, daß eine lineare Abhängigkeit zwischen dem Druck und dem Ausgangssignal erzielt werden kann.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Durch die vorgeschlagene Ausbildung werden zwei Plattenkondensatoren gebildet, deren Kapazitäten sich aufgrund der unterschiedlichen Verformung der Membran im zentralen Beräch und im Randbereich unterschiedlich ändern. Diese unterschiedliche Änderung kann zur Erzeugung eines Differenzsignals ausgenutzt werden, so daß die Verwendung eines Bezugskondensa tors nicht erforderiich ist Wichtig ist dabei, daß die jeweils eine Platte der beiden Kondensatoren tragende Bezugsplatte bei der Verformung der Membran nicht verformt wird Dies wird durch die Abstandshalter zwischen der Membran und der Bezugsplatte erreicht

Die Erfindung wird nachstehend anhand der F i g. 1 bis Il beispielsweise erläutert Es zeigt:

F i g. 1 teilweise im Schnitt eine perspektivische Darstellung des Meßfühlers, F i g. 2 einen Vertikalschnitt des Meßfühlers,

F i g. 3 einen Schnitt längs der Linie 3-3 in F i g. 2,

Fig.4 in auseinandergezogener Anordnung die Membran und die Bezugsplatte des Meßfühlers der F ig. Ibis 3, Fig.5 einen vergrößerten Ausschnitt eines Ab- Standshalters und eines Torsionsstabes des Meßfühlers der F ig. Ibis 4,

F i g. 6 eine Darstellung, aus der sich die relative Lage von Druckplatte und Membran bei Verformung der Membran ergibt,

so F i g. 7 ein Diagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise des Meßfühlers,

F i g. 8 einen Vertikaischnitt eines Meßfühlers in einer weiteren Ausführungsform, und Fig.9, 10 und 11 weitere Ausgestaltungen der Ab-

Standshalter und der Torsionsstäbe.

Die F i g. 1 bis 4 zeigen einen kapazitiven Druckmeßfühler 10 mit einem zugehörigen integrierten Schaltkreis 12, der mit einem Prozessor 14 verbunden ist, der z. B. die Brennstoffzufuhr und/oder die Abgasemission eines Motors steuert Der Schaltkreis 12 ist auf einer Verlängerung 17 eines aus einem keramischen Werkstoff bestehenden Membrankörpers 16 angeordnet Der Membrankörper 16 hat eine kreisförmige, verhältnismäßig dünne Membran 18 und begrenzt dadurch einen Hohlraum 20. Der Membrankörper 16 stützt sich mit einem O-Ring 24 in einem Randflansch 22 auf einer Gehäusebodenplatte 26 ab. Der Flansch 22 ist wesentlich dicker als die Membran 18, so daß sich die Membran

nur im Bereich des Hohlraumes 20 verformen läßt

Die Bodenplatte 26 weist einen Anschluß 28 für die Zuführung eines Strömungsmittels auf, dessen Druck gemessen werden soll Oben ist das Gehäuse des Meßfühlers 10 durch eine Platte 30 abgeschlossen.

Der Schaltkreis 12 umfaßt entsprechend Fig.! zwei schematisch dargestellte Kondensatoren Cl und C 2, deren veränderbare Kapazität durch die noch zu beschreibende Elektrodenanordnung des Meßfühlers 10 bestimmt wird, Abgleichwiderstände 34,35, von denen letzterer durch einen Leiter 36 überbrückbar ist, sowie Oszillatoren 40 (F 1) und 42 (F2) veränderbarer Frequenz, deren Ausgangssignale einem Demodulator 44 (F2—Fl) zugeführt werden, der in einer bestimmten Zeitperiode eine Anzahl von Impulsen abgibt, die der Differenz der von den Oszillatoren abgegebenen Impulsfolgen entspricht

F i g. 3 zeigt den Schaltkreis 12 in detaillierterer Ausbildung mit einem Masseanschluß 88, einem Ausgangsanschluß 90 und einem Spannungsanschluß 89 sowie einen IC-Chip 86.

In dem die Membran 18 überlappenden Bei eich hat der Meßfühler 10 eine verformbare Bezugsplatts 50, die ebenfalls aus Keramikmaterial bestehen kann.

Wie F i g. 4 zeigt, weisen die Membran 18 und die Bezugsplatte 50 an den einander gegenüberliegenden Oberflächen im zentralen Bereich zwei einander gegenüberliegende Elektroden 52, 60 auf, die einen ersten Plattenkondensator bilden. Diese inneren Elektroden sind außen von zwei weiteren, einander gegenüberliegenden ringförmigen Elektroden 54, 62 umgeben, die einen zweiten Plattenkondensator bilden. Die äußere Elektrode 54 der Membran 18 liegt dabei innerhalb des Verformungsbereichs der Membran. Die Elektroden können aus Gold oder Silber bestehen und im Aufdampfverfahren aufgebracht sein. Die Elektroden der Membran 18 und der Bezugsplatte 50 weisen außerdem Anschlüsse 56,58 und 64,66 auf. Zwischen der inneren und der äußeren Elektrode 52,54 der Membran 18 und der inneren und äußeren Elektrode 60 und 62 der Bezugsplatte 30 befindet sich ein geerdeter Schutzring 59 bzw. 63. Diese Schutzringe verhindern eine Streuwirkung zwischen den gebildeten Kondensatoren, insbes. dann, wenn ein leitendes Strömungsmittel in den Meßfühler eingeleitet wird. Wechselwirkungen zwischen den Kondensatoren könnten auch auftreten, wenn die Oszillatoren harmonische Schwingungen erzeugen.

Der normale Abstand der Bezugsplatte 50 von der Membran 18 beträgt nur 25,4 ujn, kann jedoch in den meisten Fällen 254 μπι bis 2,54 μΐη betragen. Die Dicke der Elektroden beträgt vorzugsweise nicht mehr als 10% des Abstandes, vorzugsweise etwa 1 % des Abstandes zwischen den einander gegenüberliegenden Elektroden.

Wie die F i g. 1 und 2 zeigen, ist die Bezugsplatte 50 von einem gasdichten Gehäuse 68 umgeben, das auf der Oberseite des Membrankörpers 16 außerhalb des Verformungsbereiches der Membran aufliegt. Ggf. vorgespannte Lagerelemente 70 drücken den O-Ring 24 abdichtend gegen die Grundplatte 26. Es können weitere Dichtungselemente vorgesehen sein, um das Gehäuse 68 evakuieren und auch absolute Druckmessungen durchführen zu können.

Die Bezugsplatte 50 ist beabstandet zur Membran 18 und in einem bestimmten Bereich konzentrisch hierzu angeordnet Zwischen der Bezugsplatte 50 und der Membran 18 befinden siel/ Abstandshalter in Form von drei Wülsten 74.75,76, die als kurvenförmige Bogenabschnitte ausgebildet sind, die mit einem vorbestimmten Radius die Mittelachse umgeben und unabhängig von Verformungen der Membran die Bezugsplatte 50 parallel zu ihrer Ausgangslage halten. Die Abstandshalter 74 bis 76 können aus Glas oder einem leitenden Keramikmaterial bestehen und sowohl mit der Bezugsplatte 50 als auch mit der Membran 18 verbunden sein. Wenn größere Abstände und eine geringere Oberflächengüte zulässig sind, können die Abstandshalter auch einstükkig ausgebildet sein.

Wie noch im einzelnen beschrieben wird, müssen die Abstandshalter 74 bis 76 Bewegungsunterschiede zwischen der starren Bezugsplatte 50 und der flexiblen Membran 18 ausgleichen. Zu diesem Zweck sind an der Bezugsplatte 50, wie F i g. 5 zeigt, Torsionsstäbe 80 angeordnet, die sich längs der Abstandshalter erstrecken. Die Torsionsstäbe 80 sind bei diesem Beispiel durch Schlitze 81,82 gebildet Die Stäbe 80 haben eine geringere Dicke als die Bezugsplatte 50, um Torsionskräfte besser aufnehmen zu können. Auf dr relativ starren Abstandshalter 75 bis 76 bei der Verformung der Membran 18 ausgeübte Torsionskräfte werden somit von den Stäben 80 absorbiert, so daß ein Bruch der Bezugplatte 50 verhindert, diese aber in ihrer ebenen Lage gehalten bleibt

Die Arbeitsweise des Meßfühlers wird nun anhand der F i g. 6 erläutert In dieser ist in durchgehenden Linien die Bezugplatte 50 in ihrer Ausgangslage zur nicht verformten Membran 18 und in gestrichelten Linien in ihrer Lage bei verformter Membran entsprechend einem Druck P gezeigt, durch den ein Differentialdruck über der Membran erzeugt wird. Zur Vereinfachung sind zwei Abstandshalter 74 und 74' als einander diametral gegenüberliegend gezeigt

Wenn die Membran 18 nicht verformt ist, beträgt der Abstand zwischen den inneren Elektroden 52.60 d 1 und der Abstand zwischen den äußeren Elektroden 64, 62 dZ. Diese Abstände können gleich sein, können jedoch durch Abstimmvorgänge geringe Änderungen erfahren.

Wenn jedoch die Membran in die gestrichelte Lage verform: wird, ändern sich die Kapazitäten zwischen den Elektrodenpaaren gegensinnig, d. h. der Abstand zwischen den inneren Elektroden 52,60 verringert sich auf d Γ und der Abstand zwischen den äußeren Elektroden 54, 62 erhöht sich auf d2'. In der Praxis kann diese Differentiaiwirkung so eingestellt werden, daß sich das Ausgangssignal exakt linear zum Druck ändert

Das Diagramm der F i g. 7 zeig; das Verhalten von drei verschiedenen Meßfühlern. Die Kurven A und B

so zeigen die Abweichungen von der idealen geraden Kurve C bei einer druckabhängigen Verformung nach oben bzw. unten, während die Kurve C das Verhalten des erftndi<r.gsgemäßen Meßfühlers zeigt
Die F i g. 8 bis 10 zeigen eine weitere Ausführungsform, bei der die Membran 18' auf eine Mechanisch ausgeübte Kraft anspricht Die gesamte Anordnung ist kreisförmig und die elektrischen Anschlüsse der Elektroden erfolgen über flexible Leitungen 92, die durch ein zylindrisches Gehäuse 94 und eine abdichtende obere Wand 96 zu einer gedruckten Schaltkreisplatte 98 geführt sind, auf der elektronische Elemente 100 angeordnet sind Dieser Meßfühler hat vier Abstandshalter 102, die zueinander und zur Mittelachse abstandsgleich angeordnet sind, um die Bezugsplatte 50' zur unverform-

es ten Membran 18' parallel zu halten. Torsionsstäbe 104 sind an der Bezugsplatte 50' durch U-förmige Schlitze 106 gebildet
F i g. 11 zeigt eine weitere Ausführungsform einer

Bezugsplatte 110, bei der die Torsion der Abstandshalter 112 der nicht gezeigten Membran in dünnen Stegen absorbiert wird, die durch Bohrungen 116 in der gegenüberliegenden Seite der Bezugsplatte HO gebildet sind

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

10

15

20

25

30

35

40

50

55

60

65

Claims

Patentansprüche:

1. Kapazitiver Druckmeßfühler, bestehend aus einer flexiblen Membran mit einem festen Rand und mit einer mit dieser unter Abstand verbundenen, beweglichen, im wesentlichen nicht verformbaren Bezugsplatte und Elektroden an den einander gegenüberliegenden Oberflächen der Membran und der Bezugsplatte, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (18) und die Bezugplatte (50) an den einander gegenüberliegenden Oberflächen im zentralen Bereich zwei einander gegenüberliegende Elektroden aufweisen, die einen ersten Plattenkondensator bilden, und im äußeren Bereich zwei weitere, gegenüberliegende Elektroden (54,62), die einen zweiten Plattenkondensator bilden, und daß die Membran (18) und die Bezugsplatte (SO) im Bereich zwischen den äußeren und inneren Elektroden (52, 54.60.62) &9ch Abstandshalter (74.75.76) verbunden sind, die eine Verformung der Bezugplatte (50) verhindern.

2. Kapazitiver Druckmeßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den Abstandshaltern (74 bis 76) Torsionsstäbe (80,114) zugeordnet sind, die an der Bezugsplatte (50) angeordnet sind und den Abstandshaltern gegenüberliegen.

3. Kapazitiver DruckmeßfChler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Torsionsstäbe (80, 114) eine geringere Dicke als die Bezugsplatte (50, HO) aufweisen.

4. Kapazitiver Drw&meßfut'Jer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch wenigstens drei, auf einem Kreis angeordE .Ve Abstandshalter (74 bis 76).

5. Kapazitiver Druckmeßfuhler nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Torsionsstäbe (80) durch Schlitze (81,82) in der Bezugsplatte (50) gebildet sind

6. Kapazitiver Druckmeßfühler nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Torsionsstäbe (114) durch Bohrungen (116) in der Bezugsplatte (110) gebildet sind

7. Kapazitiver Druckmeßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter (74 bis 76,102) sowohl mit der Membran (18) als auch mit der Bezugsplatte (50, 110) verbunden sind

8. Kapazitiver Druckmeßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch geerdete Schutzelektroden (59,63) zwischen den Elektroden (52,64,60,62) der Membran (18) und der Bezugsplatte (50).