DE3529799C2 - - Google Patents
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- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Drucksensor, wel
cher eine Druckänderung in einer Atmosphäre und/oder
Flüssigkeit durch Anzeigen eines elektrischen Ausgangs
signals nachweist.
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.
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.
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.
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