DE3133043A1

DE3133043A1 - Druckfuehler

Info

Publication number: DE3133043A1
Application number: DE19813133043
Authority: DE
Inventors: Shinichiro 48057 Auburn Heights Mich. Iwasaki
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 1980-08-29
Filing date: 1981-08-21
Publication date: 1982-04-01
Also published as: JPS5772039A; JPS6355014B2; US4339955A

Description

Die Erfindung "bezieht sich auf einen Druckfühler, der einen Gas- oder Flüssigkeitsdruck in ein elektrisches Signal umsetzt, und insbesondere auf einen Druckfühler mit einem "bewegbaren Körper, der einem Gas- oder Flüssigkeitsdruck ausgesetzt wird, welcher eine Versetzung herbeiführt, die in ein elektrisches Signal umgesetzt wird.

Es ist ein herkömmlicher Aufbau bekannt, bei dem eine Membran einem Gas- oder Flüssigkeitsdruck ausgesetzt wird, die mit einer Schraubenfeder gegen den Gasoder Flüssigkeitsdruck vorgespannt ist und mit einem Schleifer eines Potentiometers verbunden ist. Bei dieser Anordnung gibt das Potentiometer eine Analogspannung ab, die dem Ausmaß der Bewegung der Membran entspricht, wenn diese dem Gas- oder Flüssigkeitsdruck ausgesetzt wird. Bei diesem Druckfühler soll ein das Potentiometer bildender Dünnfilm-Widerstand eine hohe Abriebfestigkeit zeigen und für eine vorgegebene Schleiferstellung eine gleichmäßige Ausgangsspannung ergeben. Ferner ist anzustreben, daß der bewegbare Körper und der Schleifer mechanisch mit-

Deuischo Bank !München) KIo 51/61070

Dresdner Bank (München) Klr> .W <M4

Posischeck (München) Kto. 670-43-804

-£- DE 1357

einander mit einem minimalen Spiel verbunden sind und daß zwischen dem Schleifer und dem Dünnfilm-Widerstand bei Vorliegen von Schwingungen bzw. Vibrationen oder Stoßen ein gleichmäßiger Kontakt aufrechterhalten ist. Da jedoch der Schleifer mit dem Dünnfilm-Widerstand unter Druck in Berührung; gebracht wird, können ein Abrieb oder Schwingungen bzw. Vibrationen die Erzeugung einer bezüglich des gemessenen Gas- oder Flüssigkeitsdrucks ungleichmäßigen Ausgangsspannung verursachen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Druckfühler mit einer berührungsfreien Druckumsetzvorrichtung zu schaffen, bei der in dem mechanisch-elektrischen Umsetzsystem, das eine mechanische Versetzung in ein entsprechendes elektrisches Signal umsetzt, kein mechanischer Kontaktmechanismus enthalten ist.

Ferner soll mit der Erfindung ein Druckfühler geschaffen werden, der eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Schwingungen bzw. vibrationen und Stoßen hat.

Weiterhin soll erfindungsgemäß ein Druckfühler geschaffen werden, bei dem nur eine verhältnismäßig einfache Verarbeitung eines Druckmeßsignals notwendig ist.

Ferner soll es der erfindungsgemäße Druckfühler ermöglichen, Druckdaten mit einer verhältnismäßig einfachen Ausleselogik in Form einer integrierten Schaltung mit hohem Integrationsgrad (LSI) wie eines Mikrocomputers aus-

zulesen, der in der letzten Zeit Gegenstand großer Fortschritte war.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Druckfühler gelöst, der ein Gehäuse hat, dessen innerer Raum mittels eines bewegbaren Körpers in einen ersten Raum, der. mit einem zu bestimmenden Gas- oder Flüssigkeitsdruck beaufschlagt wird, und einen zweiten Raum aufgeteilt ist, in den ein Fluid bzw. ein Gas oder eine Flüs-

■#- DE 1357

sigkeit wie normalerweise Luft mit einem vorgegebenen Druck wie normalerweise Atmosphärendruck eingeschlossen wird oder eingeleitet wird. In einem der Räume ist ein magnetisch weiches Teil angeordnet, das hohe permeabilitat (μ_ΐη&χ > -1O⁵) und geringe Koerzitivkraft (< 1,0 Oe) zeigt und an dem eine elektrische Spule angebracht ist, während ein Permanentmagnet nahe dem magnetisch weichen Teil angeordnet und an dem bewegbaren Körper fest angebracht ist. (Einige magnetisch weiche Materialien sind in dem Artikel "Soft Magnetic properties of Metallic Glasses - Recent Developments", J. Appl. Phys. 50(3)» März 1979, Seiten 1551-1556 von Hasegawa und anderen beschrieben. Magnetisch weiche Materialien werden unter der Handelsbezeichnung METG-LAS (TM) von der Allied Chemical Corp. vertrieben.) Bei zumindest einem Ausführungsbeispiel ist in dem ersten Raum eine Federvorrichtung enthalten, die in einer Richtung zum Zusammendrücken des Volumens des zweiten Raums wirkt, während in dem zweiten Raum das die elektrische Spule tragende magnetisch weiche Teil angeordnet ist, wobei der Permanentmagnet an dem freien Ende eines in den zweiten Raum ragenden stabförmigen Ausläufers des bewegbaren Körpers befestigt ist. Bei weiteren zusätzlichen Ausftihrungsbeispielen sind das die elektrische Spule tragende magnetisch weiche Teil sowie eine den bewegbaren Körper in einer Richtung zum Zusammendrücken des Volumens des ersten Raums vorspannende Federvorrichtung in dem zweiten Raum angeordnet, während der Permanentmagnet an dem freien Ende eines in den zweiten Raum ragenden stabförmigen Ausläufers des bewegbaren Körpers befestigt ist. Das magnetisch weiche Teil hat einen Querschnitt mit kleinen Ausmaßen, so daß leicht eine magnetische Sättigung erreiohbar ist. Die elektrische Spule hat eine große Windungsanzahl, so daß das magnetisch weiche Teil durch Anlegen einer verhältnismäßig niedrigen Spannung bzw. bei einer geringen Stromstärke magnetisch gesättigt werden kann. Der Permanentmagnet ist körperlich unter Einhalten der

-Ki- DE 1357

Bedingung kleingehalten, daß er an das magnetisch weiche Teil ein Magnetfeld einer Stärke abgibt, die von einer Wegstrecke innerhalb eines vorbestimmten Bewegungsbereichs des Magneten abhängt.

Eine Zeit T, die für das Sättigen des magnetisch weichen Teils vom Augenblick des Anlegens einer Spannung an eine an dem Teil angeordnete Spule an nötig ist,. kann annähernd folgendermaßen angegeben werden: 10

T = I tt_m-*_x) (1)

wobei E die angelegte Spannung ist, N die Windungsanzahl der Spule ist, j&_ der maximale Fluß ist, der annähernd gleich dem Sättigungsfluß ist, und φ_. ein einem äußeren Magnetfeld zuzuschreibender Fluß ist. Da sich die Größe des Flusses φ, der dem magnetisch weichen Teil aufgeprägt wird, entsprechend einer Bewegung des Permanentmagneten ändert, ändert sich auch der Wert der Zeit T. Wenn daher der Permanentmagnet in Übereinstimmung mit einem Gas- oder Flüssigkeitsdruck versetzt wird, so daß eine Änderung hinsichtlich des äußeren Flusses d an dem magnetisch weichen Teil hervorgerufen wird, ändert sich die Länge der Zeit T von dem Anlegen einer Spannung an die Spule an bis zu dem Zeitpunkt, zu dem der Spulenstrom einen vorgegebenen Pegel erreicht. Dementsprechend ist bei dem erfindungsgemäßen Druckfühler eine elektrische Schaltung oder eine elektronische Halbleitereinheit vorgesehen, die den wert der Zeit T erfaßt und ein elektrisches Signal in Form eines Spannungspegels oder eines digitalen Codes abgibt, das diesen wert darstellt.

Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Druckfühlers wird zur Bildung des magnetisch weichen Teils ein amorphes magnetisches Material verwendet. Da ein amorphes magnetisches Material durch Abschrecken aus Metall in der Flüssigphase hergestellt werden muß, hat

-K- DE 1357

das Material die Form eines dünnen Blatts. Es zeigt Ferromagnetismus und hat einen hohen Pegel magnetischer Sättigung, hohe Permeabilität und eine geringe Koerzitivkraft, während es eine sehr hohe Bruchfestigkeit, eine hervorragende Elastizität und^veine hervorragende Beständigkeit zeigt. Diese Eigenschaften des amorphen Materials sind für die Anwendung "bei dem erfindungsgemäßen Druckfühler sehr vorteilhaft. Seine Anwendung erleichtert in vorteilhafter Weise die Signalverarbeitung und steigert die Genauigkeit hinsichtlich der Bestimmung des Werts der Zeit T. Ferner ist in mechanischer Hinsicht die Herstellung vereinfacht, während die Widerstandsfähigkeit gegenüber Schwingungen bzw. Vibrationen oder Stoßen gesteigert ist.

15 '

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 ist eine Längsschnittansicht eines Druckfühlers gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.

Fig. 2a ist ein Schaltbild einer mit dem in Fig. 1 gezeigten Druckfühler verbundenen elektrischen Verarbeitungsschaltung zur Erzeugung einer Analogspannung mit einem pegel, der dem Meßdruck entspricht.

Fig. 2b ist eine graphische Darstellung, die Kurvenformen von Eingangs- und AusgangsSignalen der in Fig. 2a gezeigten Verarbeitungsschaltung zeigt.

Fig. 3a ist ein Schaltbild einer mit dem Druckfühler nach Fig. 1 verbundenen weiteren elektrischen Verarbeitungsschaltung zur Abnahme von Impulsen, die eine Verzögerungszeit darstellen, welche dem Meßdruck entspricht.

Fig. 3b ist eine graphische Darstellung, die Kurven-

DE 1357

formen von Eingangs- und Ausgangssignalen der in Fig. 3a gezeigten Verarbeitungsschaltung zeigt.

Fig. 4 ist ein Blockschaltbild einer Zählerschaltung, die eine Verzögerungszeit zwischen einem Eingangsimpuls und einem Ausgangsimpuls der in Fig. 3s. gezeigten Verarbeitungsschaltung in ein digitales Codesignal umsetzt.

Fig. 5 ist ein Blockschaltbild einer mit dem in Fig. 1 gezeigten Druckfühler verbundenen elektronischen Verarbeitungseinheit zur Ermittlung einer Zeitverzögerung der Anstiegsflanke eines Stroms, der entsprechend einer von einem Einzelbaustein-Mikrocomputer an eine

15 elektrische Spule des Druckfühlers angelegten Impulsspannung durch die Spule fließt.

Fig. 6a ist eine perspektivische Ansicht, die die Relativlage eines magnetisch weichen Teils und eines Permanentmagneten zeigt, wobei diese Anordnung zur Ermittlung einer Verzögerungszeit verwendet wird, welche sich entsprechend der Lage des Permanentmagneten bezüglich des magnetisch weichen Teils ändert.

Fig. 6b ist eine graphische Darstellung, die Spannungsdaten über die Verzögerungszeit zeigt, die sich bei einem weg χ eines 10 mm langen Permanentmagneten in Y-Y-Richtung unter Verwendung der in Fig. 6a gezeigten Anordnung verändert, wenn an eine an die in Fig. 2a gezeigte elektrische Verarbeitungsschaltung angeschlossene elektrische Spule eine impulsspannung in der Weise angelegt wird, daß an dem gemäß Fig. 6a oberen Ende des magnetisch weichen Teils ein S-PoI erzeugt wird.

Fig. 6c ist eine graphische Darstellung entsprechender Daten für einen 30 mm langen Permanentmagneten.

Fig. 6d ist eine graphische Darstellung, die Daten

-15- DE 1357

für einen 30 mm langen Permanentmagneten zeigt und der in Fig. 6b gezeigten mit der Ausnahme entspricht, daß an die elektrische Spule eine Impulsspannung mit einer derartigen Polung angelegt wird, daß an dem gemäß Fig. 6a

5 oberen Ende des magnetisch, weichen Teils ein N-PoI erzeugt wird.

Fig. 7 ist eine Längsschnittansicht eines Druckfühlers gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.

Fig. 8a ist eine graphische Darstellung, die Spannungsdaten für eine Verzögerungszeit zeigt, die sich entsprechend einem Weg χ eines 10 mm langen Permanentmagneten in X-X-Richtung bei Verwendung der in Fig. 6a gezeigten Anordnung verändert, wenn an die mit der in Fig. 2a gezeigten elektrischen Verarbeitungsschaltung verbundene elektrische Spule eine Impulsspannung mit einer derartigen Polung angelegt wird, daß in dem gemäß Fig. 6a oberen Ende des magnetisch weichen Teils ein S-

20 pol erzeugt wird.

Fig. 8b ist eine graphische Darstellung, die Verzögerungszeit-Daten für den Fall zeigt, daß die Spule an die in Fig. 3a gezeigte elektrische Verarbeitungsschaltung angeschlossen ist, wobei die Eingangs- und Ausgangsimpulse an ein Synchroskop angelegt werden, die in Fig. oa gezeigte Anordnung verwendet wird, der Permanentmagnet in der X-X-Richtung bewegt wird und die an die elektrische Spule angelegte Impulsspannung so gepolt ist, daß

an dem gemäß Fig. 6a oberen Ende des magnetisch weichen Teils ein S-PoI erzeugt wird.

Fig. 8c ist eine graphische Darstellung, die entsprechend der Fig. 8a Daten in dem Fall zeigt, daß die impulsspannung an die elektrische Spule mit einer Polung angelegt wird, bei der an dem gemäß Fig. 6a oberen Ende des magnetisch weichen Teils ein IT-Pol erzeugt wird.

-JA- DE 1557

Pig. 8d ist eine graphische Darstellung, die entsprechend der Fig. 8b Daten in dem Fall zeigt, daß die Impulsspannung an die elektrische Spule mit einer Polung angelegt wird, "bei der an dem gemäß Fig. 6a oberen Ende

5 des magnetisch weichen Teils ein N-pol erzeugt wird.

Fig. 8e ist eine graphische Darstellung, die entsprechend der Fig. 8a Daten "bei der Verwendung eines 30 mm langen Permanentmagneten zeigt. 10

Fig. 8f ist eine graphische Darstellung, die entsprechend der Fig. 8b Daten bei Verwendung eines 30 mm langen Permanentmagneten zeigt.

Fig. 9 ist eine Längsschnittansicht eines Druckfühlers gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.

Fig. 10a ist ein Schaltbild einer mit dem in Fig. gezeigten Druckfühler verbundenen elektrischen Verarbeitungsschaltung zur Erzeugung einer Analogspannung mit einem Pegel, der von dem Meßdruck abhängt.

Fig. 1Ob ist ein Blockschaltbild einer mit dem in Pig· 9 gezeigten Druckfühler verbundenen elektrischen Verarbeitungsschaltung zur Erzeugung eines digitalen Codes, der den Meßdruck darstellt.

Fig. 10c ist ein Blockschaltbild einer mit dem in Pig· 9 gezeigten verbundenen elektronischen logischen Verarbeitungseinheit zur Erzeugung eines digitalen Codes, der den Meßdruck darstellt.

Fig. 11a ist eine perspektivische Ansicht, die die Relativlage eines Paars magnetisch weicher Teile und eines Permanentmagneten zeigt, wobei diese Anordnung zur Ermittlung einer der Lage des Permanentmagneten in Bezug auf die Teile entsprechenden Verzögerungszeit an zugeordneten elektrischen Spulen verwendet wird.

->5- DE 1357

Fig. 1Tb ist eine graphische Darstellung, die Spanmingsdaten über eine Verzögerungszeit zeigt, welche sich entsprechend einem weg χ eines 30 mm langen Permanentmagneten in X-X-Richtung unter Verwendung der in Pig. 11a gezeigten Anordnung und eines Paars elektrischer Spulen verändert, die in einem Abstand von 35 mm stehen und an die in Pig. 10a gezeigte elektrische Verarbeitung sschaltung angeschlossen sind, wobei an die elektrischen Spulen jeweils eine Impulsspannung mit einer derartigen Polung angelegt wird, daß an dem gemäß Pig. 11a oberen Ende des jeweiligen magnetisch weichen Teils ein S-PoI erzeugt wird. .

Fig. 11c ist eine graphische Darstellung, die entsprechend der Fig. 11b Daten für den Fall zeigt, daß an die elektrischen Spulen jeweils eine Impulsspannung mit einer Polung angelegt wird, bei der an dem gemäß Fig. 11a oberen Ende des jeweiligen magnetisch weichen Teils

ein N-PoI erzeugt wird. 20

Fig. 11d ist eine graphische Darstellung, die entsprechend der Fig. 11b Daten für den Fall zeigt, daß die elektrischen Spulen einen Abstand von 50 mm haben.

Fig. 11e ist eine graphische Darstellung, die entsprechend der Fig. 11c Daten für den Fall zeigt, daß die elektrischen Spulen einen Abstand von 50 mm haben.

Fig. 12 ist eine Längsschnittansicht eines Druckfühlers gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel, bei dem der Druckfühler nach Fig. 1 so abgewandelt ist, daß er die Messung eines Überdrucks ermöglicht.

Fig. 13 ist eine Längsschnittansicht eines Druckfühlers gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel, das eine Abwandlung des in Fig. 7 gezeigten Fühlers zu einer Messung eines Überdrucks darstellt.

-Ve- DE 1357

Fig. H ist eine Längsschalttansicht eines Druckfühlers gemäß einem sechsten Ausführungs"beispiel, das eine Abwandlung des in Fig. 9 gezeigten Fühlers zu einer Messung eines Überdrucks darstellt. 5

Fig. 15 ist eine graphische Darstellung, das für verschiedenerlei magnetisch weiche Teile Spannungsdaten für die aus der in Fig. 2a gezeigten elektrischen Verarbeitungsschaltung abgenommene Verzögerungszeit und die Versetzung "bzw. den weg χ des Permanentmagneten in der X-X-Richtung bei der in Fig. 6a gezeigten Anordnung zeigt.

In der Zeichnung bezeichnen durchgehend in den verschiedenen Darstellungen gleiche Bezugszeichen identische oder einander entsprechende Teile; im einzelnen zeigt die Fig. 1 einen Druckfühler 1 mit einem ersten Gehäusekörper 3, der aus Harzmaterial gebildet ist und einen Einlaß 2 hat, in den ein in dem Ansaugverteiler einer Fahrzeugmaschine herrschender Unterdruck eingegeben wird, und mit einem zweiten Gehäusekörper 4, der gleichfalls aus Harzmaterial gebildet ist und durch Ultraschallschweißen mit dem Gehäusekörper 3 verbunden ist. Eine Membran 6 ist mit ihrem Umfang zwischen dem ersten und dem zweiten Gehäusekörper 3 und 4 festgelegt und hat einen mittigen flachen Bereich, durch den hindurch ein daran befestigter Permanentmagnet-Halter 7 ragt. Die Kombination aus der Membran 6 und dem Halter teilt den durch den ersten und den zweiten Gehäusekörper 3 und 4 begrenzten inneren Raum in einen ersten Innenraum 8, der mit der Öffnung 2 in Verbindung steht, und einen zweiten Innenraum 9 auf, der mit der Atmosphäre bzw. Umgebungsluft in Verbindung steht. Der Halter 7 ist mittels einer in dem ersten Innenraum 8 angeordneten

Schraubendruckfeder 10 in einer Richtung zur Verkleinerung des zweiten Innenraums 9 bzw. gemäß Fig. 1 nach rechts zu vorgespannt. Wenn in dem ersten Innenraum 8 Atmosphärendruck herrscht, stößt ein an dem freien Ende

DE 1357

eines aus der Rückseite des Halters 7 ausragenden rohrförmigen Ausläufers ausgebildeter Haken 11 gegen einen Plansch 13» der an dem Schaft einer Schraube 12 ausgebildet ist, die mit dem ersten Gehäusekörper 3 in Schraubverbindung steht (siehe Fig. 1). Es ist ersichtlich, daß sich die Schraube 12 bei ihrem Drehen zu der Membran 6 hin oder von dieser weg bewegen kann. D.h., durch die Schraube 12 wird eine Bewegung des Halters 7 nach rechts zu an einer Stelle begrenzt, die durch Drehen der Schraube 12 einstellbar ist. An seiner Vorderseite hat der Halter einen stabförmigen Vorsprung, an dessen freiem Ende ein Permanentmagnet 14 befestigt ist. An seiner Rückseite ist der Halter 7 mit einem Ringvorsprung 16 ausgestaltet, der in einen aus dem ersten Gehäusekörper 3 heraus stehenden Kreisring 1.7 eingesetzt ist. Auf diese Weise wird der Halter 7 "bei seiner axialen Bewegung von dem Ring 17 geführt. Parallel zu dem Permanentmagneten H ist in dem zweiten Innenraum ein magnetisch weiches Teil 18 angeordnet, das mit seinem einen Ende mit Hilfe einer Schraube 19 an dem Gehäusekörper 4 befestigt ist und mit seinem anderen Ende von einem aus dem Gehäusekörper 4 ragenden Ausläufer 20 gehalten wird. Das magnetisch weiche Teil 18 erstreckt sich durch einen Spulenkörper 21 hindurch, an dem eine elektrische Spule 22 angebracht ist. Die einander gegenüberliegenden Wicklungsenden der Spule 22 sind über Anschlüsse 23 und 24 an ein Paar von Zuleitungsdrähten 25 und 26 angeschlossen. Wenn der erste Innenraum 8 über den Einlaß 2 mit einem Unterdruck einer einen vorgegebe-

nen Wert übersteigenden Höhe beaufschlagt wird, werden sowohl die Membran 6 als auch der Halter 7 gegen die Federkraft der Feder 10 nach links zu bzw. in einer Richtung zur Verkleinerung des Volumens des ersten Innenraums bewegt, so daß sich der Permanentmagnet 14 axial

° nach links zu bewegt, wobei er zu dem magnetisch weichen Teil 18 parallel bleibt. Die Versetzungslage des Permanentmagneten 14 wird mittels einer elektrischen Verarbeitungsschaltung oder einer elektronischen logischen

-*8- DE 1357

1 Verarbeitungseinheit ermittelt bzw. gemessen.

Die Pig. 2a zeigt eine Form einer elektrischen Verarbeitungsschaltung 100. Die Schaltung 100 hat einen An-Schluß 101, der an eine vorgegebene Gleichspannung beispielsweise in der Größenordnung von +5 V angeschlossen wird. Die Schaltung 100 hat ferner einen Eingangsanschluß 102, an den Spannungsimpulse mit einer Frequenz in der Größenordnung von beispielsweise 5 bis 25 kHz angelegt werden. Ein NPN-Transistor 103» der mit seiner Basis an den Eingangsanschluß 102 angeschlossen ist, i»t während der Zeit positiver impuls spannung durehp.eschal tet und wird gesperrt, wenn die impulsspannung Massepegel annimmt. Wenn der Transistor 103 durchgeschaltet bzw. gesperrt wird, wird ein PHP-Transistor 104 durchgeschaltet bzw. gesperrt. Daher wird an die elektrische Spule 22 eine Versorgungsspannung Vco während der Zeit angelegt, während der der an den Eingangsanschluß 102 angelegte Spannungsimpuls positiv bleibt, während an die Spule keine Spannung während der Zeit angelegt wird, während der die Impulsspannung auf dem Massepegel bleibt. An einem Widerstand 105 entsteht eine zu dem über die Spule 22 fließenden Strom proportionale Spannung, die mittels eines Integrators aus einem Widerstand 106 und einem Kondensator 107 integriert wird, wobei die integrierte Spannung an einem Ausgangaanschluß 108 erscheint. Die Fig. 2b zeigt graphisch die Kurvenformen der Eingangsund der Ausgangsspannung der in Fig. 2a gezeigten Schaltung. Eine Verzögerungszeit t_d von der Anstiegsflanke

der Eingangsspannung IN bis zum Übersteigen des vorgegebenen Pegels durch die Spannung an dem Widerstand 105 sowie eine integrierte Spannung Vx, die ein Integral der Spannung an dem widerstand 105 darstellt, hängen beide

von der Lage des Permanentmagneten 14 ab. 35

Die Fig. 3a zeigt eine weitere elektrische Verarbeitungsschaltung 120. in diesem Fall sind ein NPN-Transistor 103 und ein PNP-Transistor 104 während der

-Ttf- Dl 1357

Zeit positiver Eingangsspannung IN durchgeschaltet, wodurch die konstante Versorgungsspannung Vco an die Spule 22 angelegt wird. Während der Zeit des Massepegels der Eingangsspannung IN sind die Transistoren 103 und 104 gesperrt. Ein Paar von N-Kanal-Sperrschicht-Feldeffekttransistoren FET 1 und I¹ET 2 "bilden zusammen eine Konstantstromquelle, die während des Durchsehaltens der Transistoren 103 und 104· einen konstanten Stromfluß über die Spule aufrechterhält .. Die Stärke des über den FeIdeffekttransistor FET 2 fließenden Stroms kann mittels eines veränderbaren Widerstands 122 eingestellt werden. Die Spannung, die an demjenigen Anschluß der Spule entsteht, der mit den Feldeffekttransistoren FET 1 und FET 2 verbunden ist, wird einem Paar von in Kaskade geschalteten invertierenden Verstärkern IN 1 und IN 2 zugeführt, die die Spannung verstärken und formen.

Die Fig. 3"b zeigt graphisch die Kurvenformen der Eingangs- und der Ausgangsspannung der Schaltung nach Fig. 3a. Die Schaltung 120 erzeugt ein Ausgangssignal OUT, das die Form von Spannungsimpulsen hat, die Jeweils in Bezug auf Eingangsimpulse IN um eine Verzögerungszeit t. verzögert sind, deren Länge von der Lage des Permanentmagneten 14 abhängt.

..·"■".

Die Fig. 4 zeigt eine Zählerschaltung 140, die die Länge der Verzögerungszeit t, in einen entsprechenden ' digitalen Code umsetzt. Bei der Schaltung nach Fig. 4 wird von der Anstiegsflanke der Eingangsspannung IN ein

Flipflop F1 gesetzt, wodurch dessen Q-Ausgangssignal auf hohen Pegel "1" wechselt, der ein UND-Glied A1 durchschaltet, um damit von einem Taktimpulsoszillator 141 erzeugte Impulse zu einem Zählimpulseingarig CK eines Zählers 142 durchzulassen. Ein Ausgangsimpuls OUT und

^⁵ das Q-Ausgangssignal des Flipflops F1 werden an ein

UND-Glied A2 angelegt, das hohen Pegel "1" abgibt, wenn der Ausgangsimpuls OUT auf hohen Pegel ansteigt. Zu diesem Zeitpunkt wird das Flipflop F1 rückgesetzt, wodurch

-¹Ho- DE 1357

sein Q-Ausgangssignal auf niedrigen Pegel "0" zurückgeschaltet wird. Dadurch wird das UND-Glied A1 gesperrt, so daß daher die Zufuhr von Taktimpulaen zu dem Zähler

142 unterbrochen wird. Während der Zeit, während der das UND-Glied A2 ein Ausgangssignal "1" abgibt, wird ein den Zählstand des Zählers 142 anzeigender Code in einen Zwischenspeicher 143 eingespeichert. Nach dem Rücksetzen des Flipflops F1 und dem Beschicken des Zwischenspeichers

143 mit dem Zählstand-Code läßt das UND-Glied A3 einen Taktimpuls zum Löschen des Zählers 142 durch. Das Ausgangs code signal aus dem Zwischenspeicher 143 gibt die Anzahl der während des Zeitintervalls t-, durchgelassenen Taktimpulse an und stellt damit die Länge der Verzögerungszeit tj dar.

Eine in Fig. 5 gezeigte elektronische Verarbeitungseinheit 160 hat einen Einzelbaustein-Mikrocomputer (integrierte Halbleitereinheit mit hohem Integrationsgrad, LSI) 161, einen Verstärker 162, einen N-Kanal-Sperrschicht-Feldeffekttransistor FET 1, der als Konstantstromquelle wirkt, einen Widerstand 163, einen Kondensator 164, einen Verstärker 165 und einen Taktimpulsoszillator 166. Die Zusammenschaltung aus dem Widerstand 163 und dem Kondensator 164 bildet ein Filter, das Spannungsschwingungen mit Frequenzen unterdrückt, die höher als die Frequenz der Eingangs- und Ausgangsimpulse sind. Der Mikrocomputer 161 bildet entsprechend den Taktimpulsen Impulse mit einer vorgegebenen Frequenz in einem Bereich von 5 bis 30 kHz und führt diese dem Verstärker 162 zu. Andererseits überwacht der Mikrocomputer 161 die an dem Verbindungspunkt zwischen dem N-Kanal-Feldeffekttransistor FET 1 und einem Wicklungsende der Spule entstehende Spannung bzw. die Ausgangsspannung des Verstärkers 165 und zählt die Taktimpulse, die während der Zeit-

dauer von der Anstiegsflanke des von dem Mikrocomputer ausgegebenen.Impulses bis zum Anstieg der Ausgangsspannung des Verstärkers 165 auf einen vorgegebenen Pegel erzeugt werden. Diese Zeitdauer entspricht der Verzöge-

-ST- DE 1357 ·

rungszeit t_d, für deren Wert der Mikrocomputer ein Ausgangscodesignal bildet.

Wie vorangehend erläutert ist, kann der Druckfühler 1 nach Pig. 1 mit verschiedenen elektrischen Verarbeitungsschaltungen oder einer elektronischen logischen Verarbeitungseinheit verbunden werden, um ein elektrisches Signal zu schaffen, das die Lage des Permanentmagneten innerhalb des Drückfühlers 1 angibt. Nunmehr wird die Anwendung des in Pig. 1 gezeigten Druckfühlers 1 in Verbindung mit einer der elektrischen Verarbeitungsschaltungen 100, 120 und 140 oder der logischen Verarbeitungseinheit 160 zum Ableiten eines einen negativen Gas- oder Flüssigkeitsdruck bzw, einen Gas- oder plüssigkeitsunterdruck darstellenden elektrischen Signals beschrieben.

Zunächst setzt die Zusammenstellung aus der Membran 6, dem Halter 7 und der Feder 10 des Druckfühlers 1 den an dem Einlaß 2 herrschenden Gas- oder Flüssigkeitsunterdruck in eine Lage bzw. Versetzung des Permanentmagneten 14 um. Die Umsetzung der Lage des Permanentmagneten 14 in ein elektrisches Signal wird nun anhand von Versuchsdaten beschrieben, die in den Fig. 6b bis 6d dargestellt sind. Bei diesen Versuchen wurde das magnetisch weiche Teil 18 derart fest angebracht, wie es in Fig. 6a gezeigt ist, und der Permanentmagnet 14 wurde parallel zu dem Teil angeordnet. Eine X-X-Achse wurde so gewählt, daß sie durch die Mitte des magnetisch weichen Teils 18 senkrecht zu dessen Längsrichtung verläuft, die eine Y-

^ Y-Achse darstellt. Der Ort des Permanentmagneten 14, der auf der X-X-Achse liegt, wurde als Ursprung bzw. Nullpunkt gewählt. Dann wurden die Werte Vy und t, als Funktion der Wegstrecke bzw. des Wegs y des Permanentmagneten 14 in der Y-Y-Richtung bestimmt. Die besonderen Wer-

"" te der verschiedenen Parameter und das Material des

magnetisch weichen Teils sowie die erzielten Daten sind in der nachstehenden Tabelle 1 als Fälle Nr. 1 bis 3 aufgelistet.

co ο

(O

cn

Tabelle 1

PaIl- Nr.	Magnetisch weiches Teil 18	Dicke mm	a mm	Ίο mm	Blatt- anzahl	Spule 22
1	Material (Atom-Gew.^)	0,050	40	1,8	5	Windungs- anzahl
2	amorph	n	11	Il	11	1000
3	ti	11	ti	Il	ti	tt
4	It	11	Il	tt	It	Il
vji	Il	It	It	ti	Il	tt
6	It	It	Il	It	tt	It
7	Il	ti	It	11	ti	tt
8	tt	Il	ti	Il	It	It
9	Il	Il	M	Il	tt	Il
11	11

OO OO CD

ND

to
ο

αϊ

Tabelle 1

FaIl- Nr.	Magnetisch weiches Teil 18	Dicke mm	a τπτη	Id τη τη	VJl	Il	Ul	It	Blatt anzahl	Spule 22
14	Material (Atom-Gew.^)	0,058	40	1,8	5	Windungs- anzahl
15	amorph	tt	Il	ti	tt	1000
16	It	0,200	40	2	If
17	Nio/\]?eλ /-Mo ι oU Ίο 4· u-Metall	tt	It	It	1000
18	It	0,100	40	2	It
19	*^Ni80^e20** Super-Permalloy	It	Il	It	1000
It	II

ω ο

IO O

cn

Tabelle 1

FaIl- Nr.	Permanentmagnet 14	d τηπι	θ mm	Abstand	Me ßvorri chtung und Eing.-Im pulsfrequenz	Spannungs polarität	Daten
1	C τπτη	5	4	f mm	Schaltung 100 5 IcHz	S-N	Fig. 6b
2	10	Tl	It	5	Il	ti	Fig. 6c
3	30	Il	ti	Il	Il	N-N	Fig. 6d
4	30	H	Il	It	Il	S-N	Fig. 8a
5	10	Il	Il	X	Schaltung 120 und Synchroskoü 5 kHz	S-N	Fig. 8b
6	10	It	Il	X	Schaltung 100 5 kHz	N-N	Fig. 8c
7	10	Il	tt	X	Schaltung 120 und Synchroskop 5 kHz	N-N	Fig. 8d
8	10	It	Il	X	It	S-N	Fig. 8c
9	30	11	It	X	tt	N-N	Fig. 8f
30	X

co ο

to
ο

Tabelle 1

PaIl- Nr.	Permanentmagnet H	d mm	Θ mm	Abstand	Meßvorrichtung und Eing.-Im pulsfrequenz .	Spannungs polarität	Daten
H	C mm	5	4	f mm.	Schaltung 100 5 kHz	S-N	Pig. 15 A.1
15	30	11	Ii	X	H	N-N	Pig. 15 A2
16	Il	5	4	X	Schaltung 100 5 kHz	S-N	Pig. 15 Bi
17	30	It	M	X	11	N-N	Pig. 15 B2
18	11	11	It	X	Il	S-N	Pig. 15 σι
19	Il	Il	11	X	11	N-N	Pig. 15 02
Il	X

CO CO CD

-β6- DE 1357

Die Angabe "S-N" in der Spalte für die Spannungspolung bedeutet, daß die Spule 22 mit der elektrischen Schaltung 100 oder 120 so verbunden ist, daß an dem oberen Ende des magnetisch weichen Teils 18 ein S-PoI erzeugt wird. Gleichermaßen bedeutet die Angabe "N-N", daß die Spule 22 dermaßen an die elektrische Schaltung 100 oder 120 angeschlossen ist, daß an dem oberen Ende des magnetisch weichen Teils ein N-Pol erzeugt wird.

Wie aus den in Fig. 6b gezeigten Daten ersichtlich ist, kann bei dem Fall Nr. 1 eine Spannung Vy sehr hoher Genauigkeit für einen Weg y des Magneten von 0 mm bis 14 mm oder von -1 mm bis -15 mm oder vorzugsweise von +2 mm bis +12 mm oder von -3 mm bis -13 mm in Richtung der Y-Y-Achse erzielt werden. Ferner ist aus der Fig. 6d ersichtlich, daß bei dem Fall Nr. 3 eine Spannung Vy hoher Genauigkeit für einen Weg y des Magneten über einen erweiterten Bereich erzielt wird. Bei dem Fall Nr. 2 (nach Fig. 6c) ist der Bereich guter Linearität in seiner Breite verhältnismäßig eingeschränkt, jedoch ist die Spannung auf verschiedene Bereiche von y verteilt. Daher kann ein Arbeitsbereich des Magneten 14 in dem Druckfühler 1 nach Fig. 1 so gewählt werden, daß die Spannung Vy in Bezug auf den Weg bzw. die Lage y des Magneten ei-

25 ne gute Linearität zeigt.

Die ^Fig. 7 bis 8d veranschaulichen ein zweites Ausführungsbeispiel des Druckfühlers. Bei dem in Fig. 7 gezeigten Druckfünler 1 ist an einem Halter 7 ein Permanentmagnet 14 derart fest angebracht, daß die Achse des Magneten mit einer Y-Y-Achse ausgerichtet ist, die zu einer X-X-Achse senkrecht steht, auf der sich der Halter 7 bewegt; parallel zu der Achse des Permanentmagneten 14 ist ein magnetisch weiches Teil 18 angeordnet. Ein zweiter Gehäusekörper 4 trägt fest einen an ihm mit Schrauben 19 und 28 befestigten dritten Gehäusekörper 27, wobei zwischen dem zweiten und dem dritten Gehäusekörper 4 bzw. 27 die einander gegenüberliegenden Enden des

-3T- DE 1357

magnetisch weichen Teils 18 festgehalten sind. Bei diesem Druckfühler bewegt sich der Permanentmagnet 14 in der Richtung der in Pig. 6a gezeigten X-X-Achse in Bezug auf das magnetisch weiche Teil 18, sobald sich der Halter 7 bewegt. Die auf diese Weise durch eine Bewegung des Permanentmagneten 14 erzielten Versuchsdaten sind in den Pig. 8a bis 8f dargestellt. In der Tabelle 1 sind als Fälle Nr. 4 bis 9 verschiedene Parameter wie der Aufbau, die Größe und die Anordnung der zugeordneten Teile angegeben, die zur Erzielung der in den Pig. 8a bis 8f dargestellten Daten verwendet werden. Aus den in den Pig. 8a bis 8f gezeigten Daten ist ersichtlich, daß bei der Verstellungsbewegung des Permanentmagneten 14 in der Richtung der X-X-Achse der Bereich guter Linearität einer Spannung Vx oder der Verzögerungszeit t-, als Punktion des Wegs χ des Permanentmagneten 14 verhältnismäßig eingeengt ist. Da jedoch in diesem eingeengten Bereich die Änderung groß ist, kann der Aufbau so getroffen werden, daß sich der permanentmagnet 14 über diesen eingeengten

20 Bereich bewegt.

Die ^Fig. 9 "bis 11e veranschaulichen ein drittes Ausführungsbeispiel des Druckfühlers. Bei dem in Fig. 9 gezeigten Druckfühler 1 wird entsprechend einem an dem Einlaß 2 herrschenden Gas- oder Flüssigkeitsunterdruck ein Permanentmagnet 14 in Richtung der X-X-Achse so bewegt, daß er allgemein auf die gleiche Weise wie bei dem in Fig. 7 gezeigten Druckfühler einem magnetisch weichen Teil 18 angenähert wird oder von diesem weg bewegt wird.

Es ist jedoch anzumerken, daß dem ersten magnetisch weichen Teil 18 unter Zwischensetzung des Permanentmagneten 14 ein gesondertes zweites magnetisch weiches Teil 29 gegenübergesetzt ist. Das magnetisch weiche Teil 29 ragt durch einen Spulenkörper 30 hindurch, der eine elektri-

35 sehe Spule 31 trägt.

Die Fig. 10a zeigt eine elektrische Verarbeitungsschaltung 180, die eine Analogspannung Vx in Überein-

-äff- DE 1557

Stimmung mit der Lage des Permanentmagneten 14 in dem in Fig· 9 gezeigten Druckfühler 1 erzeugt. Im einzelnen ist bei der Schaltung 180 ein NPN-Transistor 103 während der Zeit durchgeschaltet, während der eine Eingangsimpulsspannung IN auf ihrem positiven Pegel bleibt, und während der Zeit gesperrt, während der die Eingangsimpulsspannung Massepegel annimmt. Die Kollektorspannung des Transistors 105 wird mittels eines Paars invertierender Verstärker IN3 und IN4 verstärkt und geformt, bevor sie an die Basis eines NPN-Transistors 121 angelegt wird. Auf diese weise ist bei positivem Pegel der Eingangsimpulsspannung IN der Transistor 103 durchgeschaltet, während der Transistor 121 gesperrt ist.. Demzufolge ist während dieses Zeitintervalls ein PNP 104 gesperrt.

Während des Massepegels der Eingangsimpulsspannung ist der Transistor 103 gesperrt, während die Transistoren 121 und 104 durchgeschaltet sind. D.h., es wird auf gleichartige Weise wie bei der Schaltung 120 nach Pig. 3a an die Spule 22 eine Impulsspannung angelegt, wodurch ein Spannungsimpuls an einem Widerstand 105 mit einer dem Abstand x^ des Permanentmagneten 14 von dem magnetisch weichen Teil entsprechenden Verzögerungszeit t,.. von der Abfallflanke der Eingangsimpulsspannung IN an auftritt. An die zweite elektrische Spule 51 wird eine Konstantspannung über einen PNP-Transistor 181 angelegt. Wenn während der Zeit, während der die Eingangsimpulsspannung IN positiven Pegel annimmt, der Transistor durchgeschaltet ist, so daß ein invertierender Verstärker IN5 ein positives Ausgangssignal abgibt, das seinerseits einen NPN-Transistor 182 durchschaltet, ist auch der Transistor 181 durchgeschaltet, wogegen dieser gesperrt wird, wenn die Eingangsimpulsspannung IN Massepegel annimmt. Demzufolge wird an die zweite Spule eine konstante Spannung angelegt, wenn an die erste Spule

^OJ keine Spannung angelegt wird, wogegen keine Spannung an die zweite Spule 31 angelegt wird, wenn an die Spule Spannung angelegt wird. D.h., die Konstantspannung wird entsprechend der Eingangsimpulsspannung IN abwechselnd

DE 1357

an die erste und die zweite Spule 22 "bzw. 31 angelegt. Die zweite Spule 31 ist an einen Widerstand 183 angeschlossen, an dem ein Sp&nnungsimpuls auftritt, dessen Anstiegsflanke gegenüber der Anstiegsflanke der Eingang s impuls spannung IN um ein Zeitintervall "bzw. eine Verzögerungszeit t-,« verzögert ist, die von dem Abstand Xp cles Permanentmagneten 14 von dem magnetisch, weichen Teil 29 abhängt. Die an dem Widerstand 105 entstehende Spannung Vx1 wird an einen Belag eines Kondensators angelegt, während an den anderen Belag des Kondensators 184 die an dem Widerstand 183 entstehende Spannung Vx2 angelegt wird. Da der Abstand zwischen dem Permanentmagneten 14 einerseits und dem ersten bzw. dem zweiten magnetisch weichen Teil 18 bzw. 29 andererseits mit x-, bzw. Xp gegeben sind, wobei X₁ = X₂ = k (Konstante) gilt, und da Vx1 und 7x2 jeweils proportional zur Größe von X₁ bzw. x₂ sind, entspricht die Potentialdifferenz an dem Kondensator 184 der Größe (χ- -X₂). Der Kondensator 184 bildet zusammen mit einem Widerstand 185 einen Integrator, so daß an dem Kondensator eine Spannung hervorgerufen wird, die der Größe (X₁ - X₂) entspricht. Da X₂ = k - X.J gilt, ist X₁ - x₂ = 2x^ + k. Daher entspricht die Spannung an dem Kondensator 184 der Größe 2X₁. D.h., es wird eine Analogspannung erzielt, die dem Doppelten des Wegs X₁ des Permanentmagneten 14 in Bezug auf das erste magnetisch weiche Teil 18 entspricht. Die gegenpoligen Anschlüsse des Kondensators 184 sind mit den beiden Eingängen eines Rechenverstärkers 186 verbunden, der als Differenzverstärker ausgebildet ist. Der verstärker 186 gibt eine Analogausgangsspannung Vx ab, die der Größe 2X₁ entspricht.

Die Fig. 10b zeigt eine weitere elektrische Verarbeitung sschaltung 200, die ein Paar von Impulsen hervorbringt, die jeweils gegenüber der Anstiegsflanke eines Eingangsimpulses um Zeitintervalle bzw. Verzögerungszeiten t_d1 bzw. t^2 verzögert sind. Diese Impulse werden jeweils an ein Paar von Zählerschaltungen 140 angelegt,

-'■'■ -^::--^: 31330 A3

->©- BE 1357

wo sie in ein Paar von Codesignalen S18 bzw. S29 umgesetzt werden, die die Verzögerungszeiten t·,.. "bzw. t_ä2 daretellen. Diese Codesignale werden an einen Subtrahierer 201 angelegt, der den Wert (t,.. - t,₂) berechnet und ein digitales Ausgangscodesignal Sx = S18 - S29 abgibt, das die Größe (t-^ - t-^) bzw. 2X₁ darstellt. Die Pig. 10c zeigt eine elektronische logische Verarbeitungseinheit 220 mit einem Einzelbaustein-Mikrocomputer 221, der einen Einzelimpuls an die mit der elektrischen Spule 22 verbundene Schaltung 120 anlegt, während er einen Zeitzählvorgang von der Anstiegsflanke dieses Impulses an einleitet, um damit einen t,--Zählungs-Datenwert S1Ö zu erzielen, der gespeichert wird. Darauffolgend legt der Mikrocomputer einen Einzelimpuls an die mit der elektrisehen Spule 31 verbundene Schaltung 120 an, während er den Zeitzählvorgang von der Anstiegsflanke dieses Impulses an einleitet, um einen t^p-Zählungs-Datenwert S29 zu erhalten. Danach berechnet der Mikrocomputer die Differenz (t_d1 - t,«) ¹^ gibt ein entsprechendes Ausgangscodesignal Sx = S18 - S29 ab. Solange ein Meßbefehlsignal vorliegt, setzt der Mikrocomputer diesen Betriebsablauf weiter fort.

Unter Verwendung eines Aufbaus gemäß der Darstellung in der Pig. 11a, bei dem die magnetisch weichen Teile und 29 parallel zueinander fest angeordnet sind, während der Permanentmagnet 14 parallel zu den beiden Teilen 18 und 29 mittig zu diesen angeordnet ist, wurde der Wert der Ausgangsspannung Vx als Funktion der Wegstrecke buw. des Wegs χ des Permanentmagneten 14 in der Rich'tung der X-X-Achse ermittelt. Als X-X-Achse wurde eine durch den Magneten und die Teile 18 und 29 senkrecht zu deren Achsen hindurchgehende Achse gewählt, wobei der Ursprung (x = 0) an dem Ort des Magneten 14 bei dessen Stellung in der Mitte zwischen den Teilen 18 und 29 gewählt wurde. In der nachstehenden Tabelle 2 sind als Fälle Nr. 10 bis 13 in Übereinstimmung mit zugeordneten Meßdaten Parameter a bis f für die Gestaltung und die Anordnung

-31- DE 1357

1 sowie das Material der magnetisch weichen Teile angegeben.

10

15 20 25

30

ω ο

IO CJi

to

Oi

Tabelle 2

PaIl- Nr.	Magnetisch weiche Teile 18 und 29	Dicke ΤΠΤΠ	a mm	mm	Blatt anzahl	Spulen 22 u.31
10	Material (Atom-Gew.^)	0,05	30	. 1,8	4	Windungs- anzahl
11	^Fe40^lTi40^Mo2^B18 amorph	It	11	11	It	1000
12	11	It	11	11	Il	ti
13	11	11	tt	Il	11	Il
Il	It

ω ο

cn

ro ο

Tabelle 2

PaIl- Nr.	Permanentmagnet 14	d mm	e τητρ	Abstand	Meßvorrichtung und Eing.-im pulsfrequenz	Spannungs- polarität	Daten
10	C mm	5	4	1 mm	Schaltung 180 5 kHz	S-N	Pig. 11b
11	30	It	tt	35	It	N-N	Pig. 11c
12	Il	tt	It	35	ti	S-N	Pig. 11d
13	ti	M	ti	50	ti	N-N	Fig. 11θ
Il	50

OJ CD -P-CO

DE 1357

Wenn der Abstand zwischen den magnetisch weichen Teilen 18 und 29 klein ist, wird ein Vx - χ Ansprechvermögen mit guter Linearität in Bezug auf den Abstand in einem Bereich von -10mm < χ < 10 mm erzielt, wie es in den Pig. 1Tb und 11c dargestellt ist. Pur einen vergrößerten Abstand f zwischen den Teilen 18 und 29 wird gemäß der Darstellung in der Pig. 11 d "bei der S-N-Polungsart eine verhältnismäßig gute Linearität in einem Bereich von -9 mm < χ <c 9 mni erzielt, jedoch ist damit der Bereich, über den die gute Linearität erzielbar ist, enger als der bei einem kleineren Wert von f erzielte. Perner ist im Vergleich zu der mit dem kleineren Wert von f erzielten die Linearität herabgesetzt. Gemäß der Darstellung in der Pig. 11e ist bei der N-IT-Polungsart die Li- nearität in einem Bereich nahe dem Ursprung (x = 0) sehr schlecht, während bei der Annäherung an eines der magnetisch weichen Teile die Linearität besser wird und derjenigen bei den Fällen Nr. 4 bis 9 sehr nahe kommt. Dies ist darauf zurückzuführen, daß bei einer Stellung des Magneten nahe dem Ursprung das Magnetfeld abgeschwächt ist, das von dem Permanentmagneten 14· an den magnetisch weichen Teilen 18 und 29 hervorgerufen wird. Da damit das v(x - x) Ansprechvermögen nicht nur von dem Abstand f zwischen den magnetisch weichen Teilen 18 und 29, sondern auch von der Gestaltung des Permanentmagneten 14 sowie der von diesem hervorgerufenen Feldstärke abhängt, kann ein erwünschtes Ansprechvermögen auf eine verhältnismäßig einfache Weise erzielt werden.

Die Pig. 12 bis 14 zeigen weitere Ausführungsbeispiele des Druckfühlers. Während die bisher beschriebenen Ausführungsbeispiele zur Messung eines Gas- oder Flüssigkeitsunterdrucks ausgebildet sind, ist der Druckfühler gleichermaßen zur Messung eines positiven Gas- oder Plüssigkeitsdrucks bzw. eines Gas- oder Flüssigkeitsüberdrucks anwendbar. Die S¹Ig, 12 zeigt eine Abwandlung des in Fig. 1 gezeigten Druckfühlers in der Hinsicht, daß der Druckfühler als Uberdruckfühler aus-

^;J^: J -O .^:: 3 1330 A3

-VS- DE 1357

gebildet ist. Nach Pig. 12 ist in einem zweiten Innenraum 9 eine Blattfeder 34 angebracht, die einen kegelstumpf förmigen Querschnitt hat und einen Ringsteg 34a und m ehrere an den Ringsteg 34a angrenzende zungenförmige Federarme 34b hat, wobei der Ringsteg 34a an einem zweiten Gehäusekörper 4 festgelegt ist. Die freien Enden der Federarme 34b stoßen gegen einen Halter 7, so daß dieser nach links zu vorgespannt wird. In einen Einlaß wird ein Fluid bzw, ein Gas oder eine Flüssigkeit mit einem positiven bzw. Überdruck eingeleitet, der zu ermitteln ist.

Die Fig. 13 zeigt einen tjberdruckfühler, der eine Abwandlung des in Fig. 7 gezeigten Unterdruckfühlers darstellt. Auch hierbei ist in einem zweiten Innenraum eine Blattfeder 34 angeordnet, die einen Halter 7 nach links zu vorspannt. Die Fig. 14 zeigt einen Überdruckfühler, der eine Abwandlung des in Fig. 9 gezeigten Unterdruckfühlers darstellt. In diesem Fall ist in einem zweiten Innenraum 9 eine Schraubendruckfeder 35 angeordnet, die einen Halter 7 nach links zu vorspannt.

Bei den vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispielen und Abwandlungsformen besteht jedes der magnetisch weichen Teile 18 und 29 aus mehreren Blättern aus einem • amorphen magnetischen Material, das eine hohe Elastizität und einen hohen Formveränderungswiderstand zeigt. Bei der Ausgestaltung des Druckfühlers können jedoch für die magnetisch weichen Teile 18 und 29 auch andere magnetische Materialien verwendet werden. Die Fig. 15 zeigt graphisch V (x - x) Daten für einen Vergleich zwischen der Anwendung eines amorphen magnetischen Materials und anderer magnetischer Materialien. Zur Erzielung dieser Daten werden das magnetisch weiche Teil und der Perma-

^⁵ nentmagnet entsprechend der Darstellung in der Fig. 6a angeordnet, wobei der Permanentmagnet in Richtung der X-X-Achse verstellt wird. Verschiedene Parameter hinsichtlich der Gestaltung und der Anordnung der Teile

DE 1357

sind als Fälle Nr. 14 bis 19 in der Tabelle 1 angegeben. Die Kurven A1 bis C2 in der Fig. 15 zeigen, daß jegliches magnetisch weiche Teil eine hohe Linearität hinsichtlich des V (x - x) -Ansprechvermögens über einen Bereich von mindestens 6 mm zeigt (wie beispielsweise von χ = 10 mm bis χ = 16 mm bei der Kurve Al und von χ = 8 mm bis χ = 14 mm bei der Kurve B1); daher können die magnetisch weichen Teile bei dem Druckfühler angewandt werden. Pur Anwendungszwecke, bei denen eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Schwingungen bzw. Vibrationen und Verformung notwendig sind, ist ein aus einem amorphen Material gebildetes magnetisch weiches Teil vorzuziehen.

Aus der vorstehenden Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele und der Darstellung von Versuchsdaten ist ersichtlich, daß bei dem Druckfühler kein Schleifkontakt verwendet wird, sondern eine dem Anlegen eines Gas- oder Flüssigkeitsdrucks entsprechende Versetzung eines bewegbaren Elements in eine Zeitverzögerung t_d zwischen einem Eingabeimpuls an einer elektrischen Spule und einem Stromimpuls durch die Spule umgesetzt wird. Die Zeitverzögerung bzw. Verzögerungszeit t, wird dann in eine Analogspannung oder einen Zeitzählungscode umgesetzt. Auf

25 diese weise wird durch elektrische Verarbeitung ein

Druckmeßsignal so erzielt, daß es in hohem Ausmaß gegenüber Einflüssen durch Schwingungen bzw. vibrationen unempfindlich ist und weniger hinsichtlich .einer Verschlechterung wie beispielsweise einer durch mechanischen Abrieb verursachten Verschlechterung anfällig ist. Da zwischen dem bewegbaren Element bzw. Körper und dessen zugeordnetem Wandler kein Verbindungsmechanismus liegt, wird kein Spiel hervorgerufen, so daß eine Druckmessung in gleichmäßiger bzw. beständiger Weise erzielt wird.

von größerer Bedeutung ist es, daß die mit dem Fühler verbundene elektrische Verarbeitungsschaltung einfach aufgebaut ist. Im einzelnen kann zum Erzeugen eines Meßimpulses und zur Abnahme einer in Form eines digitalen

-ΎΙ- DE 1357

Codesignals ausgedrückten Verzögerungszeit zwischen dem Impuls und einem Stromimpuls über die elektrische Spule eine Halbleitereinheit mit hohem Integrationsgrad (LSI) wie ein Einzerbaustein-Mikrocomputer verwendet werden. 5

im Vorstehenden wurden der Aufbau und die Funktion von ausgewählten Ausführungsbeispielen mit dem dem Druckfühler zugrundeliegenden Grundgedanken ausführlich dargelegt, jedoch sind damit aber auch für den Fachmann verschiedenerlei andere Ausführungsbeispiele sowie bestimmte Änderungen und Abwandlungen der hier gezeigten und beschriebenen Ausführungsbeispiele offensichtlich. Beispielsweise kann statt eines bewegbaren Körpers mit einer Membran und einem Halter, wie es in den Ausführungsbeispielen dargestellt ist, ein Kolben oder eine Zusammenstellung aus einem Kolben mit einem Halter verwendet werden.

Es wird ein üruckfühler angegeben, der einen Druck/ Versetzungs-Umsetzmechanismus mit einem durch einen Gasoder Flüssigkeitsdruck verstellbaren bewegbaren Körper " und einer Feder, die den bewegbaren Körper in Gegenrichtung zu dem Druck vorspannt, und eine Versetzungs-Impulsphasen-Umsetzeinheit mit einem an dem bewegbaren Körper befestigten Permanentmagneten und einem magnetisch weichen Teil aufweist, das eine elektrische Spule trägt und an einer ortsfesten Stelle nahe dem Bewegungsbereich des Permanentmagneten angeordnet ist. An ein Wicklungsende der elektrischen Spule wird eine impulsspannung angelegt, während das andere Wicklungsende zu einem Widerstand in ■Reihe geschaltet ist. An dem Widerstand wird ein Spannungsabfall ermittelt, dessen auf die Impulsspannung bezogene Zeitverzögerung, die ein Maß für den Gas- oder Flüssigkeitsdruck darstellt, in Form einer Analogspannung oder eines digitalen Codes ausgegeben wird.

Leerseite

Claims

TlEDTKE - BüHLING - K_)N«E ξ : r\ :': I

Grupe - Pellmann

Dipl.-Ing. R. Kinne ^

Dipl.-Ing. R Grupe Dipl.-Ing. B. Pellmann

Bavariaring 4, Postfach 20 240? 8000 München 2

Tel.:089-53 9653

Telex: 5-24845 tipat

cable: Germaniapatent Mancher·

21.August 1981

DE 1357

case w-1622

Patentansprüche

Druckfühler, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (3» 4; 3, 4, 27), das einen Innenraum abgrenzt, einen bewegbaren Körper (6, 7)» der den Innenraum des Gehäuses in einen ersten Raum (8) und einen zweiten Raum (9) aufteilt, eine Gas- oder Flüssigkeitsöffnung (2), die mit dem ersten Raum in Verbindung steht, eine Federvorrichtung (10; 34; 35), die den bewegbaren Körper in einer vorgegebenen Richtung zur Verkleinerung des Volumens ^

des ersten oder des zweiten Raums vorspannt, einen Per- ^

manentmagneten (14), der mit dem bewegbaren Körper verbunden ist, einen Kern, der mit mindestens einem aus magnetisch weichem Material bestehenden Teil gebildet ist, das magnetisch mit dem Permanentmagneten gekoppelt ist und nahe einem Bewegungsbereich des Permanentmagneten angeordnet ist, und eine elektrische Spule (22; 22, 31), die an dem mindestens einen Teil des Kerns angebracht' ist.
2. Druckfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der bewegbare Körper (6, 7) eine Membran (6) und einen an dieser befestigten Halter (7) aufweist, an dem der permanentmagnet (14) fest angebracht ist.
3. Druckfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Federvorrichtung eine in dem ersten Raum (8) angeordnete Schraubendruckfeder (10) aufweist.

Deutsch» Bank (München) KIo 51/61 (VO Diiir-rinnr Bnnk (München) KIo .'!!139B41 Piwtsrhm* (Mimchonl KIo Ort) Ί.1 H(M

-Z- DE 1357
4. Druckfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Federvorrichtung eine in dem zweiten Raum (9) angeordnete Blattfeder (34·) aufweist.
5. Druokfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Federvorrichtung eine in dem zweiten Raum (9) angeordnete Schraubendruckfeder (35) aufweist.
6. Druckfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (18; 18, 29) ein amorphes magnetisches Material aufweist.
7. Druckfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (H) in Längsrichtung magnetisiert ist und an dem bewegbaren Körper (6, 7) unter Ausrichtung seiner Längsrichtung mit der Bewegungsrichtung des bewegbaren Körpers fest angebracht ist und daß der Kern (18) mit seiner Längsrichtung parallel zu der Bewegungsrichtung des bewegbaren Körpers angeordnet ist (Fig. 1, 12).
8. Druckfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (14) in Längsrichtung magnetisiert ist und an dem bewegbaren Körper (6, 7) mit seiner Längsrichtung senkrecht zur Bewegungsrichtung des bewegbaren Körpers fest angebracht ist und daß der Kern (18) mit seiner Längsrichtung senkrecht zur Bewegungsrichtung des bewegbaren Körpers ange-

³⁰ ordnet ist (Fig. 7, 13).
9. Druckfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, •dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (14) in Längsrichtung magnetisiert ist und an dem bewegbaren Körper (6, 7) mit seiner Längsrichtung senkrecht zur Bewegungsrichtung des bewegbaren Körpers fest angebracht ist, daß der Kern ein Paar magnetisch weicher Teile (18, 29) aufweist, die einander unter Zwischensetzung des

I ""■'

-JF- DE 1357

α-Permanentmagneten gegenübergesetzt sind, und daß jeweils an jedem der magnetisch weichen Teile des Kerns eine elektrische Spule (22, 31) angebracht ist (Pig. 9, U).
10. Druckfühler, gekennzeichnet durch einen ersten und einen zweiten Gehäuseteil (3 bzw. 4), eine Membran (6), deren Umfang zwischen dem ersten und dem zweiten Gehäuseteil gehalten ist und die den von dem ersten und dem zweiten Gehäuseteil umschlossenen inneren Raum in einen ersten und einen zweiten Innenraum (8 bzw. 9) aufteilt, eine Gas- oder Flüssigkeitsöffnung (2), die mit dem ersten Innenraum in Verbindung steht, einen Halter (7), der mittig an der Membran fest angebracht ist und einen Stabteil hat, der in den zweiten Innenraum ragt, einen Permanentmagneten (14), der fest an dem stabteil des Halters angebracht ist, einen Kern, der mit mindestens einem ein magnetisch weiches Material enthaltenden Teil (18) aufgebaut ist, das in dem zweiten Innenraum angeordnet ist und an dem zweiten Gehäuseteil fest angebracht * ist, eine elektrische Spule (22), die an dem mindestens

einen Teil des Kerns angebracht ist, und eine Schrauben- *>

druckfeder (10), die in dem ersten Innenraum angeordnet ist und den Halter in einer Richtung zur Verkleinerung des Volumens des zweiten Innenraums (9) vorspannt.
11. Druckfühler, gekennzeichnet durch einen ersten und einen zweiten Gehäuseteil (3 bzw. 4), eine Membran (6), deren Umfang zwischen dem ersten und dem zweiten Gehäuseteil festgelegt ist und die einen von dem ersten und dem zweiten Gehäuseteil umschlossenen inneren Raum in einen ersten und einen zweiten Innenraum (8 bzw. 9) aufteilt, eine Gas- oder PlussigkeitsÖffnung (2), die mit dem ersten Innenraum in Verbindung steht, einen Halter (7), der mittig an der Membran fest angebracht ist und mindestens einen Stabteil aufweist, der in den zwei- ^ ten Innenraum ragt, einen Permanentmagneten (14), der fest an dem Stabteil des Halters angebracht ist, einen ,

Kern, der mit mindestens einem aus einem magnetisch

if" "

-β- DE 1357

weichen Material bestehenden Teil (18) ausgebildet ist, das in den zweiten Innenraum ragt und fest an dem zweiten Gehäuseteil angebracht ist, eine elektrische Spule (22), die an dem mindestens einen Teil des Kerns angeordnet ist, und eine Federvorrichtung (34» 35)» die in dem zweiten Innenraum angeordnet ist und den Halter in einer Richtung zur Verkleinerung des Volumens des ersten Innenraums (8) vorspannt»
12. Druckfühler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Federvorrichtung eine Blattfeder (34) aufweist.
1-3 · Druckfühler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Federvorrichtung eine Schraubendruck-Xeder (35) aufweist.
14. Druckfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 9» bei dem eine durch den Druckunterschied zwischen dem ersten Raum und dem zweiten Raum hervorgerufene Versetzung des bewegbaren Körpers eine Versetzung des Permanentmagneten ergibt, die die magnetische Kopplung zwischen dem Magneten und dem Kern ändert, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (103, 104; 161, 162, 166; 103, 104,121, 181, 182, IU3, IN4, IN5), die an die Spule (22; 22, 31) ein elektrisches Signal anlegt, um damit den Kern (18; 18, 29) magnetisch zu sättigen, und eine Einrichtung (105 bis 107; FETt, FET2, ΙϊΠ, IN2, HOj FEH, 161, 163 bis 166; 183 bis 186), die aufgrund der Verzögerungszeit ("^) zwischen dem Anlegen des elektrischen Signals und der Sättigung des Kerns ein den Druckunterschied zwischen dem ersten Raum (8) und dem zweiten Raum (9) darstellendes Druckausgangssignal erzeugt.
15. Druckfühler nach einem der Ansprüche 10 bis 13, bei dem eine durch einen Druckunterschied zwischen dem ersten Innenraum und dem zweiten Innenraum hervorgerufene Versetzung der Membran eine Versetzung des Permanent-

-tf- DE 1357

magneten ergibt, die die magnetische Kopplung zwischen dem Magneten und dem Kern ändert, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (103, 104; 161, 162, 166; 103, 104, 121, 181, 182, IN3, IN4, IN5), die an die Spule (22; 22, 31) ein elektrisches signal anlegt, um damit den Kern (18; 18, 29) magnetisch zu sättigen, und eine Einrichtung (105 bis 107; FEH, PET2, IN1, IN2, 140; FET1 , 161, 163 bis 166; 183 bis 186), die aufgrund einer Verzögerungszeit (ta) zwischen dem Anlegen des elektrischen Signals und der Sättigung des Kerns ein den Druckunterschied zwischen dem ersten Innenraum (8) und dem zweiten Innenraum (9) darstellendes Druckausgangssignal erzeugt.