DE3937205A1 - Messeinrichtung zur erfassung einer physikalischen groesse - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßeinrichtung zur Erfassung einer physi­ kalischen Größe mit einem Meßfühler und zwei metallischen Elektroden. Derartige Meßeinrichtungen werden zur Erfassung einer Vielzahl physi­ kalischer Größen eingesetzt, beispielsweise Druck, Länge, pH-Wert, elektrische Spannung, und dergleichen. Je nach Ausbildung der Meßein­ richtung werden physikalische Effekte des Meßfühlers ausgenutzt, die auf die zu messende Größe schließen lassen.

Allerdings ändern sich bei zahlreichen Meßfühlern deren Eigenschaften nicht nur in Abhängigkeit von der zu messenden Größe, sondern darüber hinaus auch in Abhängigkeit von der Temperatur. Um hieraus entstehende Fehler zu erkennen beziehungsweise den Temperatureinfluß auf die Messung zu kompensieren, muß entweder die Temperatur konstant gehalten oder kom­ pensiert werden, was jedoch in vielen Fällen aufgrund des Meßproblems nicht möglich ist, oder aber die Temperatur getrennt gemessen werden. Dies läßt sich grundsätzlich durch einen weiteren, auf den vorliegenden Temperaturbereich abgestimmten Temperaturmeßfühler oder -sensor errei­ chen, stößt jedoch in der Praxis häufig auf Schwierigkeiten.

Zunächst einmal ist in vielen Fällen eine Temperaturmessung in unmittel­ barer Nähe des Meßfühlers für die eigentlich interessierende physikali­ sche Größe nicht möglich, da die Messung der physikalischen Größe durch einen weiteren Sensor beeinflußt werden kann. Darüber hinaus benötigt der Temperatursensor einen bestimmten Raum, der häufig dort nicht zur Verfügung steht, wo die eigentlich interessierende physikalische Größe gemessen werden soll, beispielsweise im Falle von Druckmessungen, bei denen in den seltensten Fällen am Ort der Druckmessung noch ein zusätz­ licher Temperatursensor angeordnet werden kann.

Darüber hinaus können in der Hinsicht Probleme auftauchen, daß bei einer sich zeitlich schnell ändernden physikalischen Größe kein Temperatursen­ sor zur Verfügung steht, der ebenso schnell der sich ändernden Tempera­ tur folgt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß - über die voranstehend angegebenen Probleme hinaus - durch eine getrennte Tempera­ turmessung mit einem Temperatursensor in den seltensten Fällen tatsäch­ lich die Temperatur dort gemessen wird, wo sie eigentlich interessiert, nämlich direkt am Ort des Meßfühlers für die zu erfassende physikalische Größe, beispielsweise den Druck. Zwar mißt der Temperatursensor eine Temperatur, jedoch nicht unbedingt die Temperatur am eigentlich interes­ sierenden Ort, nämlich dem Ort des Meßfühlers für die physikalische Größe.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßeinrichtung zur Ver­ fügung zu stellen, welche direkt die Bestimmung des Temperatureinflusses auf den Meßfühler für die interessierende physikalische Größe gestattet.

Die Aufgabe wird durch eine Meßeinrichtung zur Erfassung einer physika­ lischen Größe, beispielsweise des Drucks, gelöst, die einen Meßfühler zur elektrischen Bestimmung der physikalischen Größe und zwei elektrisch leitende Elektroden des Meßfühlers aufweist, wobei im aktiven Bereich des Meßfühlers eine elektrische Temperaturmeßeinrichtung ausgebildet ist.

Hierdurch wird sichergestellt, daß direkt im aktiven Bereich, in welchem der Meßfühler auf die zu erfassende physikalische Größe anspricht, gleichzeitig die Temperatur gemessen werden kann.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist im aktiven Bereich eine auf einer der Elektroden angebrachte Zusatzelek­ trode zur Ausbildung einer elektrischen Temperaturmeßeinrichtung vor­ gesehen. Die ohnehin für den Meßfühler erforderliche eine Elektrode wird daher zusammen mit der Zusatzelektrode als elektrische Temperaturmeß­ einrichtung genutzt. Vorteilhafterweise bilden die Elektrode und die Zusatzelektrode ein Thermoelement. Falls sich die Zusatzelektrode im wesentlichen über den gesamten Verlauf der Elektrode erstreckt, so ist dies zwar herstellungstechnisch besonders einfach, allerdings führt diese starke Überlappung, nämlich sowohl im aktiven Bereich des Meß­ fühlers als auch darüber hinaus, dazu, daß bei einem starken Temperatur­ gradienten die Temperatur nicht nur im eigentlichen interessierenden aktiven Bereich, sondern über den gesamten Verlauf des Meßfühlers gemes­ sen wird. Beim Auftreten starker Temperaturgradienten wird daher vor­ zugsweise eine Ausführungsform der Erfindung eingesetzt, bei welcher sich die Elektrode und die Zusatzelektrode, die zusammen das Thermoele­ ment bilden, nur im aktiven Bereich des Meßfühlers überlappen.

Statt ein Thermoelement auszubilden können die Elektrode und die Zusatz­ elektrode zusammen auch einen Widerstands-Temperatursensor bilden. Um auch in diesem Fall sicherstellen zu können, daß nur eine Messung im eigentlich interessierenden aktiven Bereich des Meßfühlers erfolgt, weist vorteilhafterweise die Zusatzelektrode im aktiven Bereich des Meß­ fühlers einen dessen eine Elektrode im wesentlichen umschließenden Be­ reich auf.

Besondere Vorteile bietet die erfindungsgemäße Anordnung dann, wenn der Meßfühler eine Meßfühlerfolie aus Polyvinylidenfluorid (PVDF) aufweist. Eine derartige Meßfühlerfolie weist auf jeder Seite je eine Elektrode auf, und dies läßt dem Konstrukteur große Freiheiten bei der Art der Anbringung der Zusatzelektrode.

Allerdings kann der Meßfühler auch ein Druckmeßfühler aus einem Quarz­ körper mit an dessen beiden Enden angebrachten Elektroden sein, und auf einer seiner Elektroden eine Zusatzelektrode aufweisen.

Es ist ebenfalls möglich, einen vorzugsweise als Druckmeßfühler mit einem Quarzkörper ausgebildeten Meßfühler mit an dessen beiden Enden angebrachten Elektroden vorzusehen, wobei an eine dieser Elektroden ein Temperaturmeßwiderstand angeschlossen ist.

Vorzugsweise sind in sämtlichen voranstehend beschriebenen Fällen die Elektroden und/oder die Zusatzelektrode des Meßfühlers als vorzugsweise aufgesputterte dünne Metallfilme ausgebildet.

Beispielsweise kann die Elektrode als Kaltleiter ausgebildet sein, also aus einem reinen Material bestehen wie vorzugsweise Platin, aber auch Nickel oder Kupfer, bei welchen der elektrische Widerstand mit der Tem­ peratur anwächst. Ebenso kann aber auch für die Elektrode zumindest im aktiven Bereich des Meßfühlers ein Material auf Oxidbasis zur Ausbil­ dung eines Heißleiters vorgesehen werden, bei welchem der Widerstand mit steigender Temperatur sinkt.

Zur Ausbildung der Temperaturmeßeinrichtung als Thermoelement werden das Material der Elektrode und der Zusatzelektrode so aufeinander abge­ stimmt, wie es an sich für Thermoelemente bekannt ist. Thermoelemente gestatten eine besonders trägheitsarme Messung auch von sich zeitlich schnell ändernden Temperaturen und sind daher besonders für derartige Anwendungsfälle geeignet, bei denen sich die eigentlich interessierende physikalische Größe, beispielsweise der Druck, schnell ändert.

Hiermit steht im Zusammenhang, daß vorzugsweise als Meßfühler zur Messung insbesondere sich zeitlich schnell ändernder Drucke ein piezo­ elektrischer Druckmeßfühler eingesetzt wird. Derartige Druckmeßfühler können sowohl hohe Drucke im Bereich von kbar und - etwa für Ultra­ schallmessungen - niedrige Drucke im Bereich von mbar messen. Der Meß­ fühler kann, wie voranstehend erwähnt wurde, eine Meßfühlerfolie aus Polyvinylidenfluorid (PVDF) aufweisen, oder einen Druckmeßfühler aus einem Quarzkörper, etwa mit zwei an dessen beiden Enden angebrachten Elektroden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Aus­ führungsbeispiele näher erläutert, aus welchen weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen.

Es zeigen:

Fig. 1 in Fig. 1a eine Aufsicht und in Fig. 1b eine Seitenansicht eines Druckmeßfühlers nach dem Stand der Technik;

Fig. 2 eine Fig. 1 entsprechende Darstellung eines Druckmeßfühlers mit integriertem Temperaturmeßfühler gemäß einer ersten Ausführungs­ form der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 eine Fig. 2 entsprechende Darstellung einer zweiten Ausführungs­ form der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einem Pt-Meßwiderstand, wobei Fig. 4a eine Aufsicht und Fig. 4b einen Schnitt entlang der in Fig. 4a angegebenen Schnittlinie zeigt;

Fig. 5 eine vierte Ausführungsform der Erfindung mit einem Temperatur­ meßfühler, der im gleichen Gehäuse angeordnet ist wie ein Druckmeßfühler, jedoch von diesem getrennt;

Fig. 6 eine fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 7 eine sechste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 8 eine siebte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

In Fig. 1 ist ein piezoelektrischer Druckmeßfühler nach dem Stand der Technik dargestellt, und zwar in Fig. 1a in einer Aufsicht und in Fig. 1b in einer Seitenansicht. Der bekannte Meßfühler weist eine Folie 4 aus PVDF auf, auf deren Oberseite eine erste Elektrode 2 und auf deren Unterseite eine zweite Elektrode 3 angeordnet ist. Wie aus Fig. 1b her­ vorgeht, ist das eigentliche aktive Volumen oder der aktive Bereich, in welchem die Druckmessung stattfindet, in dem Überlappungsbereich der Elektroden 2, 3 angeordnet. Anschlußleitungen für die metallischen Elektroden 2, 3 sind in Fig. 1 nicht dargestellt. Die in Fig. 1 gezeigte Meßeinrichtung ist, wie eingangs erwähnt wurde, aufgrund nicht feststellbarer Temperatureinflüsse ungenau; hier soll die vorliegende Erfindung Abhilfe schaffen.

Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsform einer Meßeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, und zwar in Fig. 2a in einer Aufsicht und in Fig. 2b in einer Seitenansicht. Diese Ausführungsform der vorliegenden Erfindung geht aus von dem in Fig. 1 dargestellten Stand der Technik.

Die in Fig. 2 dargestellte Meßeinrichtung weist eine erste metalli­ sche Elektrode 12, eine zweite metallische Elektrode 13 und eine dazwi­ schen angeordnete Meßfühlerfolie 14 aus Polyvinylidenfluorid (PVDF) auf und unterscheidet sich insoweit nicht vom Stand der Technik. Gemäß der Erfindung ist eine Zusatzelektrode 10 vorgesehen, die ebenfalls aus Metall besteht (wie die Elektroden 12, 13), und im wesentlichen parallel zur Elektrode 12 verläuft, jedoch diese im aktiven Bereich 15 überdeckt. Die Form der Elektroden kann den jeweiligen Erfordernissen angepaßt sein, die Parallelität ist für die Funktion nicht erforderlich.

Die Elektroden 10, 12 bilden zusammen eine elektrische Temperaturmeß­ einrichtung aus. Je nach Material der Elektrode 12 beziehungsweise der Zusatzelektrode 10 kann die Temperaturmeßeinrichtung 10, 12 beispiels­ weise als Thermoelement oder aber als Widerstandstemperatursensor ausge­ bildet sein. Die Elektroden, insbesondere die Elektrode 12 und die Zu­ satzelektrode 10, sind vorzugsweise in einem Sputteringverfahren auf die Meßfühlerfolie 14 aufgedampft. Hierdurch werden gut reproduzierbare Ei­ genschaften der Temperaturmeßeinrichtung 10, 12 erhalten. Dadurch, daß sich die Elektrode 12 und die Zusatzelektrode 10 nur im aktiven Bereich 15 überlappen, ist sichergestellt, daß die Temperaturmessung genau dort und nur dort stattfindet, wo die Messung der physikalischen Meßgröße, nämlich des Druckes, stattfindet.

Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 3 dargestellt, in einer der Fig. 2 entsprechenden Darstellung. Die in Fig. 3 gezeigte Meßeinrichtung weist eine Meßfühlerfolie 34, eine erste Elektrode 32 und eine zweite Elektrode 33 auf und bildet so einen piezo­ elektrischen Drucksensor. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist, sich über den überwiegenden Bereich der Elektrode 32 erstreckend, eine auf dieser angeordnete Zusatzelektrode 31 vorgesehen.

Weiterhin sind in Fig. 3b eine Anschlußleitung 37 für die Elektrode 33, eine Anschlußleitung 38 für die Elektrode 32 und eine Anschlußleitung 36 für die Zusatzelektrode 31 dargestellt. Der aktive Bereich der Meßein­ richtung, in welchem die Druckmessung stattfindet, ist mit der Bezugs­ ziffer 35 bezeichnet.

Aufgrund der Tatsache, daß sich die Zusatzelektrode 31 über den im we­ sentlichen gesamten Verlauf der Elektrode 32 erstreckt, ist die Anord­ nung aus der Elektrode 32 und der Zusatzelektrode 31 nicht als Wider­ standstemperatursensor geeignet, sondern als Thermoelement ausgebildet. Dies wird durch entsprechende Materialwahl der Elektrode 32 einerseits und der Zusatzelektrode 31 andererseits erreicht.

Die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform einer Meßeinrichtung gemäß der Erfindung ist besonders einfach herstellbar. Da sich jedoch das aus Elektrode 32 und Zusatzelektrode 31 gebildete Thermoelement nicht nur über den aktiven Bereich 35, sondern entsprechend der Ausdehnung der Elektrode 32 weit darüber hinaus erstreckt, ist diese Ausführungsform nur dann sinnvoll einsetzbar, wenn keine allzu starken Temperaturgradi­ enten (vom aktiven Bereich 35 aus zu den Enden der Elektrode 32 hin) auftreten.

In Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Meß­ einrichtung gezeigt, bei welcher mit einem Widerstandstemperatursensor nur unmittelbar am aktiven Bereich, in welchem die Druckmessung der Meßeinrichtung stattfindet, die Temperatur bestimmt wird.

Fig. 4a zeigt eine Aufsicht auf die Meßeinrichtung und Fig. 4b einen Schnitt entlang der Ebene durch die in Fig. 4a angegebene Schnittlinie.

An der Unterseite einer Druckmeßfühlerfolie 44 aus PVDF ist eine Elek­ trode 43 angeordnet und an der Oberseite der Meßfühlerfolie eine Elek­ trode 42. Insoweit stellt dies einen Druckmeßfühler der in Fig. 1 be­ schriebenen Art dar.

In einem Umschließungsbereich 46 der Elektrode 42 ist eine die Elektrode 42 im aktiven Bereich 45 (Fig. 4b) umschließende Zusatzelektrode 41 an­ gebracht, die sich ansonsten etwa parallel zur Elektrode 42 und von dieser getrennt erstreckt. Nur im Umschließungsbereich 46, also im we­ sentlichen im aktiven Bereich 45, in welchem die Druckmessung statt­ findet, wird durch die Elektrode 42 und die Zusatzelektrode 41 ein Widerstandstemperatursensor ausgebildet. Hierdurch wird sichergestellt, daß im eigentlich interessierenden Bereich, nämlich dem aktiven Bereich 45, in welchem die elektrische Druckmessung stattfindet, auch die Tem­ peraturmessung erfolgt, und zwar bei der in Fig. 4 dargestellten Aus­ führungsform durch einen Widerstandstemperatursensor.

Die bislang beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung gingen von einem Stand der Technik aus, wie er anhand von Fig. 1 beschrieben wurde, nämlich einem piezoelektrischen Druckmeßfühler mit einer PVDF- Folie. In den folgenden Fig. 5 bis 8 sind Ausführungsformen der vor­ liegenden Erfindung erläutert, welche einen piezoelektrischen Druckmeß­ fühler verwenden, der einen Quarzkörper (oder einem Körper aus einem an­ deren geeigneten Material) mit je einer endseitig angeordneten Elektro­ de aufweist.

Fig. 5a erläutert hierzu den Stand der Technik. Ein zylindrischer Quarzkörper 51 weist an seinem oberen Ende eine scheibenförmige Elektro­ de 52 und eine hierauf angebrachte elektrische Anschlußleitung 53 auf. Am unteren Ende des Quarzkörpers 51 sind entsprechend eine scheiben­ förmige Metallelektrode 52′ und eine zugeordnete elektrische Anschluß­ leitung 53′ vorgesehen.

Bei der in Fig. 5b dargestellten Ausführungsform der Erfindung sind dem in Fig. 5a gezeigten Stand der Technik entsprechende Teile mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Darüber hinaus ist bei dem in Fig. 5b ge­ zeigten Druckmeßfühler auf der scheibenförmigen Metallelektrode 52 eine metallische Schicht als Zusatzelektrode 54 vorgesehen. Auf der Zusatz­ elektrode 54 ist eine elektrische Anschlußleitung 55 angebracht. Da sich der aktive Bereich des Druckmeßfühlers 51 zwischen den Elektroden 52, 52′ befindet, wird durch die elektrische Temperaturmeßeinrichtung (Thermoelement) 52, 54 eine Temperaturmessung unmittelbar am aktiven Bereich ermöglicht.

Eine ähnliche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 6 dargestellt. Ein piezoelektrischer Quarzkörper 61 von zylindrischer Ge­ stalt ist an einem Ende mit einer scheibenförmigen Metallelektrode 62 und am anderen Ende mit einer entsprechenden scheibenförmigen Metall­ elektrode 62′ versehen. Elektrische Anschlußleitungen 63, 63′ sind mit der Elektrode 62 beziehungsweise 63 verbunden.

Mit der oberen Elektrode 62 ist ein elektrischer Meßwiderstand 66 ver­ bunden, der eine elektrische Anschlußleitung 65 aufweist. Die unmittel­ bare Anbringung des elektrischen Meßwiderstands 66 an der Elektrode 62 sorgt für eine Temperaturerfassung unmittelbar am aktiven Bereich des piezoelektrischen Druckmeßfühlers 61, 62, 62′ .

In den Fig. 7 und 8 sind zwei weitere Ausführungsformen der vorlie­ genden Erfindung dargestellt, bei welchen - im Unterschied zu den in den Fig. 5, 6 gezeigten Ausführungsformen - elektrische Temperaturmeß­ einrichtungen nicht den Elektroden zugeordnet sind, sondern davon ge­ trennt unmittelbar am aktiven Bereich eines piezoelektrischen Quarz­ körpers angebracht sind.

Der in Fig. 7 gezeigte piezoelektrische Druckmeßfühler weist einen zy­ lindrischen Quarzkörper 71 mit einer endseitigen scheibenförmigen Metallelektrode 72 und zugeordneter Anschlußleitung 73 auf sowie eine weitere, scheibenförmige metallische Elektrode 72′ am entgegengesetzten Ende, die mit einer elektrischen Anschlußleitung 73′ versehen ist. Im mittleren Bereich des Quarzkörpers 71 sind an dessen Außenseite zwei Zu­ satzelektroden 76, 78 mit zugeordneten Anschlußleitungen 75 beziehungs­ weise 77 angebracht, wobei die Zusatzelektroden 76, 78 ein Thermoelement ausbilden. Auch bei der in Fig. 7 dargestellten Ausführungsform wird daher die Temperatur unmittelbar am aktiven Bereich des Quarzkörpers 71 gemessen.

Hiervon unterscheidet sich die in Fig. 8 dargestellte Ausführungsform der Erfindung im wesentlichen nur dadurch, daß hier statt eines Thermo­ elements ein Pt-Meßwiderstand 86, 88 vorgesehen ist. Ein zylindrischer Quarzkörper 81 weist eine Metallelektrode 82 mit zugeordneter Anschluß­ leitung 83 an einem Ende auf und am anderen Ende eine entsprechende Elektrode 82′ mit zugehöriger elektrischer Anschlußleitung 83′. Zwei Elektroden 86, 88 aus geeignetem Material bilden einen Pt-Meßwiderstand, dessen Anschlußleitungen mit den Bezugsziffern 85, 87 bezeichnet sind. Der Pt-Meßwiderstand 86, 88 ist auf der Außenseite des Quarzkörpers 81 etwa in der Mitte zwischen den Elektroden 82, 82′ angeordnet. Auch hier erfolgt daher eine Temperaturbestimmung bei dem piezoelektrischen Druck­ meßfühler 81, 82, 82′ unmittelbar an dessen aktivem Bereich.

Claims (10)

1. Meßeinrichtung zur Erfassung einer physikalischen Größe, beispiels­ weise des Drucks, mit einem Meßfühler zur elektrischen Bestimmung der physikalischen Größe und zwei elektrisch leitenden Elektroden des Meßfühlers; dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar am aktiven Bereich (15) des Meßfühlers (12, 13, 14) eine elektrische Temperaturmeßeinrichtung (10, 12) ausgebildet ist.

2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar am aktiven Bereich (15, 35) eine auf einer der Elektroden (12, 32) angebrachte Zusatzelektrode (10, 31) zur Ausbildung einer elektrischen Temperaturmeßeinrichtung (10, 12; 31, 32) vorgesehen ist.

3. Meßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (32) und die Zusatzelektrode (31) ein Thermoele­ ment bilden.

4. Meßeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Zusatzelektrode (31) im wesentlichen über den gesamten Verlauf der Elektrode (32) erstreckt.

5. Meßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (12) und die Zusatzelektrode (10) einen Wider­ stands-Temperatursensor bilden.

6. Meßfühler nach Anspruch 3 oder 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die Zusatzelektrode (41) im aktiven Bereich (45) des Meßfühlers (42, 43, 44) einen dessen eine Elektrode (42) im wesent­ lichen umschließenden Bereich (46) aufweist.

7. Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Meßfühler eine Meßfühlerfolie (14, 34) aus Polyvinylidenfluorid (PVDF) aufweist.

8. Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Meßfühler (52, 51, 52′) auf einer seiner Elektroden (52) eine Zusatzelektrode (54) aufweist, und daß der Meß­ fühler ein Druckmeßfühler aus einem Quarzkörper (51) mit an dessen beiden Enden angebrachten Elektroden (52, 52′) ist.

9. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler (62, 61, 62′) einen an eine seiner Elektroden (62) angeschlossenen Temperatur-Meßwiderstand (66) aufweist.

10. Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Elektroden und/oder die Zusatzelektrode des Meßfühlers als vorzugsweise aufgesputterte dünne Metallfilme ausge­ bildet sind.