DE3529799C2 - - Google Patents

Description

1. Technisches Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf einen Drucksensor, wel­ cher eine Druckänderung in einer Atmosphäre und/oder Flüssigkeit durch Anzeigen eines elektrischen Ausgangs­ signals nachweist.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Die Messung von Druck in einer Atmosphäre oder Flüssig­ keit wurde durch mechanische Variationen der Bourden'­ schen Röhren, von Federbalgen, von Membranen und der­ gleichen durchgeführt, welche hierfür gebräuchlich und beliebt sind, da sie billig und nicht störanfällig sind. Es ist jedoch die Entwicklung von Drucksensoren sehr wünschenswert, welche in der Lage sind, an eine fort­ geschrittene elektronische Technologie angepaßt zu wer­ den und hierdurch die Messung einer Änderung des äußeren Druckes durch Anzeigen eines elektrischen Ausgangssigna­ les ermöglichen. Ein solcher Drucksensor kann an ein Datenverarbeitungssystem angeschlossen werden, wodurch man eine automatische Druckmessung und eine automatische Steuerung der Sensoren erhält. Darüber hinaus erlaubt die Verwendung eines elektrischen Ausgangssignals für die Messung einer Druckänderung nicht nur einen extrem genauen Nachweis der Druckvariation, sondern auch ein schnelles Ansprechen. Hierdurch ist auch eine Miniaturi­ sierung der Größe und des Gewichts des Drucksensors mög­ lich. Es wurden daher eine Vielzahl von Drucksensoren entwickelt, von denen beispielsweise die folgenden ge­ nannt seien:

• 1. Ein Drucksensor, welcher aus einer metalli­ schen Membrandose mit einem Spannungsmesser in Form einer Metallfolie besteht, kann eine Variation des äußeren Druckes durch Deforma­ tion des Diaphragmas aufgrund einer Druck­ variation nachweisen, welche eine Dehnung der Metallfolie bewirkt, woraus eine Änderung des elektrischen Widerstandes der Metallfolie folgt. Dieser Sensor ist insofern nachteilig, als er weniger druckempfindlich ist und nicht in miniaturisierter Größe und Gewicht herge­ stellt werden kann, obwohl er insofern vor­ teilhaft ist, als er unter Hochdruck verwen­ det werden kann und eine ausgezeichnete Temperaturcharakteristik aufweist, welche für eine lange Zeitdauer stabil ist.
• 2. Ein Si-Drucksensor von der Membran-Bauart kann eine Variation des äußeren Druckes auf­ grund des Piezo-Widerstandeffektes nachweisen, der auf einer Variation des spezifischen Widerstandes eines Si-Kristalls bei Druckan­ wendung auf den Si-Kristall beruht. Obwohl dieser Sensor insofern Vorteile aufweist, als als ein Element hierfür Silizium verwendet wird, wodurch Halbleitertechnologie angewandt werden kann, was eine Massenproduktion hier­ für erlaubt und ein Eingliedern in die hier­ für erforderlichen äußeren Schaltkreise, hängt die Empfindlichkeit dieses Sensors in großem Umfang von der Temperatur ab, und es ist daher eine Schaltung zur Kompensation der Temperatur unbedingt erforderlich. Obwohl ein Drucksensor vorgeschlagen worden ist, der so­ wohl eine Temperaturkompensationsschaltung als auch einen Si-Drucksensor der Membranbau­ art auf dem gleichen Si-Substrat aufweist, ist dieser teuer und darüber hinaus aufgrund des Mangels der mechanischen Stabilität des Si- Diaphragmas leicht zerbrechlich.
• 3. Ein Drucksensor, der piezoelektrische Elemen­ te aus Polyvinylidenefluorid, Zinkoxyden usw. beinhaltet, kann eine Variation des äußeren Druckes aufgrund des piezoelektrischen Effektes nachweisen, der aus einer Dehnung der piezoelektrischen Elemente aufgrund des Druckes beruht, wodurch eine elektromotori­ sche Kraft erzeugt wird. Obwohl dieser Sensor insofern ausgezeichnet ist, als er klein sein kann, von geringem Gewicht und eine große Ausgangsleistung erzeugen kann, wird er in hohem Maße durch Lärm aufgrund von äußeren Vibrationen beeinflußt.
• 4. Ein Drucksensor, der einen Quarzoszillator verwendet, kann eine Variation des äußeren Druckes unter Verwendung einer linearen Be­ ziehung zwischen der Oszillationsfrequenz des Quarzes und der zu messenden Druckvaria­ tion nachweisen. Dieser Sensor ist teuer und kann nicht in einer miniaturisierten Größe und einem miniaturisierten Gewicht herge­ stellt werden.
• 5. Es wurden andere Drucksensoren entwickelt, welche eine Variation des äußeren Druckes durch Variation der elektrischen Kapazität aufgrund einer Versetzung der Membran bei einer Druckvariation nachweisen. Diese Senso­ ren sind teuer und können mit einem miniatu­ risierten Gewicht und einer miniaturisierten Größe nicht hergestellt werden.
• 6. Andere Drucksensoren wurden entwickelt, wel­ che eine Variation des äußeren Druckes auf­ grund einer Variation der Induktivität auf­ grund des magnetostriktiven Effektes nach­ weisen, welcher aus einer Drehung des hierin enthaltenen Magneten aufgrund des Druckes resultiert. Diese Sensoren sind ebenfalls teuer und können nicht in einer miniaturisier­ ten Größe und einem miniaturisierten Gewicht erzeugt werden.

Wie weiter oben erwähnt, sind die bisher entwickelten Drucksensoren entweder bezüglich ihrer Charakteristika nachteilig oder aber teuer, so daß sie für den prakti­ schen Gebrauch nicht geeignet sind.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Drucksensor zu entwickeln, der einerseits niedrige Produktionskosten, kleine Größe und große mechanische Stabilität und gleichzeitig günstige Charakteristika wie insbesondere hohe Druckempfindlichkeit, Temperatur­ unempfindlichkeit sowie Unabhängigkeit von äußeren Vibrationen aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Drucksensor einen mit Wasserdampf gefüllten luft­ dichten Behälter aufweist, daß innerhalb des Behälters ein Feuchtigkeitssensor angeordnet ist, und daß ein Feuchtigkeitsdetektor mit dem Feuchtigkeitssensor elektrisch verbunden ist, wobei zumindest ein Teil des Behälters aus einem elastischen Material besteht und wobei aufgrund der elastischen Deformation des Behälters in Abhängigkeit einer Änderung des äußeren Druckes eine Änderung des Inhaltsvolumens des Behäl­ ters eine Änderung des im Behälter vorhandenen inneren Partialdruckes hervorruft, aus welcher eine Änderung der vom Feuchtigkeitssensor absorbierten Feuchtigkeits­ menge folgt, die ihrerseits der Feuchtigkeitsdetektor elektrisch nachweist.

Aus der DE-OS 30 43 341, DE-OS 28 26 515 sowie der Zeitschrift "messen + steuern" 1970, S. 26-29, sind zwar Feuchtigkeitsdetektoren bekannt, deren Sensoren in Abhängigkeit vom Wasserdampf-Partialdruck in der herrschenden Atmosphäre durch Absorption einer ent­ sprechenden Menge von Wasserdampf-Molekülen ihren elektrischen Widerstand oder ihre Kapazität ändern und so einen elektrischen Nachweis der (relativen) Feuchtigkeit bzw. des Wasserdampf-Partialdrucks er­ möglichen. Dabei werden sowohl einander gegenüber­ stehende kammartige Elektroden als auch zusätzliche Temperatursensoren zur Kompensation der Temperaturab­ hängigkeit eingesetzt. Einen Hinweis darauf, die be­ kannten Feuchtigkeitsdetektoren bzw. -sensoren zur Messung des äußeren Drucks in der erfindungsgemäßen Weise zu verwenden, ergibt sich aus diesen Druck­ schriften jedoch nicht.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist der luft­ dichte Behälter eine zylindrische Form auf, deren Oberseite aus der elastischen Substanz besteht.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der luft­ dichte Behälter ein aus einer elastischen Substanz bestehender Balg.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Feuchtig­ keitssensor ein Feuchtigkeitssensor des Widerstands- Variations-Typs, ein Feuchtigkeitssensor des Kapazitäts- Variations-Typs oder ein keramischer Feuchtigkeits­ sensor.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt der Feuch­ tigkeitssensor ein isolierendes Substrat, einen auf dem Substrat ausgebildeten feuchtigkeitsempfindlichen Film, ein Paar kammförmiger Elektroden, die auf dem oder un­ ter dem feuchtigkeitsempfindlichen Film ausgebildet sind, sowie Verbindungsleitungen, von denen jeweils ein Ende mit den kammförmigen Elektroden verbunden ist und von denen jeweils das andere Ende mit dem Feuchtig­ keitsdetektor über Verbindungsstifte bzw. -klemmen ver­ bunden sind.

Die hier beschriebene Erfindung schafft daher einen neuartigen und nützlichen Drucksensor, bei dem 1. ein Feuchtigkeitssensor als Druckdetektor verwendet wird, wodurch eine Vereinfachung der Struktur ermöglicht wird, woraus niedrigere Produktionskosten folgen, und bei dem 2. ein luftdichter Behälter eine elastische Deformati­ on eingeht in Abhängigkeit von einer Variation des äuße­ ren Druckes und bei dem ein Feuchtigkeitssensor mit elektrischen Charakteristika, die in Abhängigkeit von der hieran absorbierten Wassermenge variieren, zusammen mit dem Behälter in einem einzigen Körper integriert sind, so daß der Drucksensor eine hohe Druckempfindlich­ keit und eine große mechanische Stabilität aufweist. Weiterhin kann er so hergestellt werden, daß er die gewünschte Struktur und die gewünschten Charakteristika aufweist.

Im folgenden werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine halbschematische perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Drucksensors,

Fig. 2(A) bzw. 2(B) charakteristische Kurven, die die Wellenform eines Betriebssignales und die Variation des Widerstandes des Drucksensors gemäß Fig. 1 zeigen, und

Fig. 3 eine halbschematische Frontansicht eines weite­ ren erfindungsgemäßen Drucksensors.

Der erfindungsgemäße Drucksensor umfaßt einen luft­ dichten Behälter, der Wasserdampf in sich einschließt, einen Feuchtigkeitssensor, der innerhalb des Behälters angeordnet ist, sowie einen Feuchtigkeitsdetektor, der eine Variation der Feuchtigkeitsmenge, die am Feuchtig­ keitssensor in Abhängigkeit vom inneren Partialdruck des Wassers des Behälters aufgrund der elastischen Deformation des Behälters bei Variation des äußeren Druckes absorbiert ist, elektrisch nachweist. Der Be­ hälter ist zumindest teilweise aus einem elastischen Material gefertigt, welches sich aufgrund einer Varia­ tion des äußeren Druckes deformiert, woraus eine Varia­ tion des Druckes des im Behälter eingeschlossenen Was­ serdampfes resultiert. Nachdem der Feuchtigkeitssensor im Behälter elektrische Charakteristika (beispielswei­ se Impedanz usw.) aufweist, die in Abhängigkeit von der hieran absorbierten Wassermenge variieren, und der Prozeß der Wasserabsorbtion am Feuchtigkeitssensor in Abhängigkeit von einer Variation des Druckes des Was­ serdampfes innerhalb des Behälters reversibel ist, kann die Variation der am Feuchtigkeitssensor zu ab­ sorbierenden Wassermenge als eine Variation der elek­ trischen Charakteristika dargestellt werden.

Ausführungsbeispiel 1

Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Drucksensor, wel­ cher einen luftdichten Behälter 10 umfaßt sowie einen Feuchtigkeitssensor 2, der innerhalb des Behälters 10 angeordnet ist. Der luftdichte Behälter 10 umfaßt einen TO-8-Fuß 1, eine auf dem Fuß 1 angeordnete zylindrische Wand 5, welche mit dem Fuß 1 luftdicht verbunden ist, sowie eine elastisch deformierbare Abdeckung 4 aus Naturkautschuk oder dergleichen, welche das obere Ende der zylindrischen Wand 5 bzw. der Kappe 5 darstellt. Der Feuchtigkeitssensor 2 umfaßt ein isolierendes Substrat 21 aus Aluminium, einen feuchtigkeitsempfindlichen Film 22 aus einem Polyelektrolyten wie beispielsweise Natriumstyrenesulfonat etc., der auf dem Substrat 21 ausgebildet ist, sowie ein Paar kammförmiger Elektroden 23, welche auf dem feuchtigkeitsempfindlichen Film 22 ausgebildet sind. Die kammförmigen Elektroden 23 können zwischen dem Substrat 21 und dem feuchtigkeitsempfind­ lichen Film 22 ausgebildet sein. Verbindungdrähte 31, die an dem Elektrodenpaar 23 angeschlossen sind, sind mit einem (nicht dargestellten) Feuchtigkeitsdetektor über Verbindungsstifte 3, 3 verbunden, welche sich vom Fuße 1 nach außen erstrecken.

Die Kappe 5 wird in einer Atmosphäre von relativer Feuchtigkeit von 50% auf den Fuß 1 luftdicht aufge­ setzt, womit ein luftdichter Behälter 10 entsteht, der Wasserdampf beinhaltet. Die deformierbare Abdeckung 4 besteht aus einer elatischen Substanz, die eine sehr geringe Gasdurchlässigkeit und eine ausgezeichnete Flexibilität aufweist, so daß eine Diffusion und/oder eine Durchdringung von Gas weder von innen nach außen noch von außen nach innen in den luftdichten Behälter 10 auftreten kann, so daß auf diese Weise der Zustand, bei dem ein ganz bestimmter Betrag an Wasserdampf im Behälter 10 eingeschlossen ist, aufrecht erhalten wer­ den kann. Wenn der luftdichte Behälter, der einen be­ stimmten Betrag an Wasserdampf enthält, einer Atmosphäre oder Flüssigkeit ausgesetzt wird, so deformiert sich die Abdeckung 4 in Richtung nach außen oder nach innen bezüglich des luftdichten Behälters in Abhängigkeit von dem Luftdruck oder von dem Flüssigkeitsdruck, wo­ raus eine Variation des Druckes des Wasserdampfes im luftdichten Behälter folgt, und auf diese Weise vari­ iert der Betrag der am Feuchtigkeitssensor 2 im luft­ dichten Behälter 10 absorbierten Wassermenge, woraus eine Variation der elektrischen Charakteristika des Feuchtigkeitssensors 2 folgt, welche von dem (nicht dargestellten) Feuchtigkeitsdetektor nachgewiesen wird, der mit dem Feuchtigkeitssensor 2 mittels der Verbin­ dungsstifte 3, 3 vebunden ist, wodurch der äußere Druck der Atmosphäre oder der Flüssigkeit, die den Drucksensor umgibt, bestimmt werden kann.

Der elektrische Widerstand des Feuchtigkeitssensors 2 des Drucksensors mit dem obengenannten Aufbau wurde unter Verwendung der Sinuswelle einer Wechselstrom­ frequenz von 1 kHz gemessen. Die Resultate sind in Fig. 2(A) und 2(B) dargestellt, welche zeigen, daß der elektrische Widerstand des Feuchtigkeitssensors 266 kΩ betrug, wenn der Drucksensor einem Atmosphären­ druck von 1,0 atm ausgesetzt wurde, und daß der elek­ trische Widerstand auf 165 kΩ reduziert wurde, wenn der Drucksensor einem positiven Druck von 1,25 atm aus­ gesetzt wurde. Das heißt, der elektrische Widerstand des Feuchtigkeitssensors nimmt von 266 auf 165 kΩ ab (d. h. also annähernd 100 kΩ), wenn der Druck von 1,0 auf 1,25 atm ansteigt (d. h. um so wenig wie 0,25 atm), und daß im Gegensatz hierzu der elektrische Widerstand zunimmt, wenn der Drucksensor einem negativen Druck ausgesetzt wird.

Ausführungsbeispiel 2

Fig. 3 zeigt einen weiteren erfindungsgemäßen Druck­ sensor, wobei die Kappe 5′ aus einem balgförmigen elastischen Zylinder aus Polyäthylen, Nylon, Kunststoff etc. besteht, welcher sich aufgrund eines äußeren Druckes in Richtung der Pfeile (dargestellt in Fig. 3) deformiert, woraus eine Änderung des Inhaltes des Be­ hälters resultiert. Nachdem der luftdichte Behälter ge­ mäß Fig. 3 nach Art eines Balges ausgeführt ist, un­ terliegt der gesamte Behälter einer elastischen Druck­ deformation, so daß der Betrag der Versetzung des In­ haltsvolumens in Abhängigkeit von einer Variation des äußeren Druckes in großem Umfang mit dem luftdichten Behälter gemäß Fig. 1 verglichen werden kann.

Ein jeder der vorstehend erwähnten Drucksensoren kann auch als Detektor für die Bestimmung einer verbleiben­ den Menge an Lösung durch Bestimmung eines Druckes der Lösung in einem Wassertank verwendet werden, in dem sich der Drucksensor befindet. Weiterhin kann der Drucksensor in einem Datenverarbeitungssystem integriert sein, um einen selbststeuernden Sensor zu bilden.

Der im Behälter eingeschlossene Wasserdampf wird von der Temperatur beeinflußt. Wenn eine solche Beein­ flussung hinsichtlich der Druckmessung kritisch ist, so kann zusammen mit dem Drucksensor ein temperatur­ kompensierender Sensor verwendet werden, und die resul­ tierende Differenz der elektrischen Widerstände wird vom elektrischen Widerstand des Drucksensors abgezogen, um hierdurch das äußere Druckniveau zu bestimmen. Ein temperaturkompensierender Sensor kann in gleicher Wei­ se ausgebildet sein wie der oben genannte Drucksensor mit der Ausnahme, daß der luftdichte Behälter keine elastisch deformierbaren Teile aufweist, so daß er keiner elastischen Deformation aufgrund äußerer Druck­ variationen unterliegt.

Obwohl in den vorstehend erwähnten Ausführungsbeispie­ len nur ein Feuchtigkeitssensor 2 beschrieben ist, der einen feuchtigkeitsempfindlichen Film aus Polyelektro­ lyt etc. aufweist, ist er hierauf nicht beschränkt. Es kann ein jeder Feuchtigkeitssensor verwendet werden, dessen elektrisches Signal in Abhängigkeit von einer Variation der Feuchtigkeit in einer Atmosphäre variiert, und andere Beispiele sind Feuchtigkeitssensoren mit Kapazitätsveränderung, keramische Feuchtigkeitssensoren etc. Die Form des luftdichten Behälters ist nicht auf eine zylindrische Form beschränkt, es können vielmehr auch kugelförmige Formen, konische Formen sowie andere mögliche Formen verwendet werden.

Claims (5)

1. Drucksensor, dadurch gekennzeichnet, daß er einen mit Wasserdampf gefüllten luftdichten Behälter (10) aufweist, daß innerhalb des Behälters (10) ein Feuchtigkeits­ sensor (2) angeordnet ist, und daß ein Feuchtigkeitsdetektor mit dem Feuchtigkeitssensor (2) elektrisch verbunden ist, wo­ bei zumindest ein Teil (4, 5′) des Behälters (10) aus einem elastischen Material besteht und wobei aufgrund der elasti­ schen Deformation des Behälters (10) in Abhängigkeit einer Änderung des äußeren Druckes eine Änderung des Inhaltsvolumens des Behälters (10) eine Änderung des im Behälter (10) vorhan­ denen inneren Partialdruckes hervorruft, aus welcher eine Än­ derung der vom Feuchtigkeitssensor (2) absorbierten Feuchtig­ keitsmenge folgt, die ihrerseits der Feuchtigkeitsdetektor elektrisch nachweist.

2. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der luftdichte Behälter (10) eine zylindrische Form aufweist, wo­ bei dessen Decke (4) aus einem elastischen Material besteht.

3. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der luftdichte Behälter (10) aus einem Balg (5) aus elastischem Material besteht.

4. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Feuchtigkeitssensor (2) ein Feuchtigkeitssensor nach Bauart der Widerstandsänderung, der Kapazitätsänderung oder ein kera­ mischer Feuchtigkeitssensor ist.

5. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Feuchtigkeitssensor ein isolierendes Substrat (21) umfaßt, einen feuchtigkeitsempfindlichen Film (22), der auf dem Sub­ strat (21) ausgebildet ist, ein Paar von kammförmigen Elektro­ den (23), die auf oder unter dem feuchtigkeitsempfindlichen Film (22) ausgebildet sind, sowie Anschlußdrähte (31), deren jeweils eines Ende mit den kammförmigen Elektroden (23) ver­ bunden ist und deren jeweils anderes Ende mit dem Feuchtig­ keitsdetektor über Verbindungsstifte (3) bzw. -klemmen ver­ bunden ist.