DE2459612A1 - Kapazitiver druckwandler - Google Patents

Kapazitiver druckwandler

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DE2459612A1 DE19742459612 DE2459612A DE2459612A1 DE 2459612 A1 DE2459612 A1 DE 2459612A1 DE 19742459612 DE19742459612 DE 19742459612 DE 2459612 A DE2459612 A DE 2459612A DE 2459612 A1 DE2459612 A1 DE 2459612A1
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    • G01L9/12—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in capacitance, i.e. electric circuits therefor
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Description

Die Erfindung betrifft einen Druckwandler, bei dem ein auf Druck ansprechender Kondensator und ein Referenzkondensator Verwendung findet.
Zur Umwandlung der Kapazitäts-ränderungen eines auf Druck ansprechenden Kondensators eines Druckwandlers in ein elektrisches Ausgangssignal findet in vielen Fällen ein Referenzkondensator Verwendung. Der Referenzkondensator und der auf Druck ansprechende Kondensator können in Zweige einer Brückenschaltung geschaltet sein, oder der eine Kondensator kann mit dem Eingang eines Verstärkers verbunden sein, während der andere Kondensator in eine vom Ausgang zum Eingang des Verstärkers laufende Rückkoppelleitung geschaltet ist, so daß das Ausgangssignal proportional zum Verhältnis der beiden Kapazitäten ist und eine Funktion des Druckes ist, dem der Druckwandler ausgesetzt ist.
-3·—
509828/0534
Bei den bisher bekannten kapazitiven Druckwandlern besteht unter anderem das Problem, daß durch Temperaturänderungen eine fehlerhafte Druckanzeige hervorgerufen wird. Durch Temperaturänderungen wird der Abstand zwischen den Platten der Kondensatoren geändert, was auf die thermische Ausdehnung zurückzuführen ist. Wird der Druckwandler in einem Flugzeug verwendet, so kann er großen Temperaturunterschieden ausgesetzt sein. Die Größe der Fehlanzeige hängt hauptsächlich von den für den Druckwandler verwendeten Ma-: terialien, konstruktiven Einzelheiten und von dem Temperaturbereich ab, in dem der Druckwandler arbeitet. Es treten beim Herbeiführen des gewünschten Maßes an Stabilität des Kondensators Schwierigkeiten auf, insbesondere dann, wenn der Druckwandler sehr starken Temperaturänderungen ausgesetzt ist.
Durch die Erfindung soll daher ein kapazitiver Druckwandler geschaffen werden, der stark unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt werden kann, ohne daß die Genauigkeit des von ihm erzeugten Drucksignales nachteilig beeinflußt wird.
Erfindungsgemäß v/eist der Druckwandler ein hohles Gehäuse mit zv/ei voneinander entfernten, sich gegenüberliegenden Wänden aus isolierendem Material auf, welche durch isolierendes Material an ihren Kanten mit einander verbunden sind, wobei die von den Kanten abgelegenen Bereiche der Wände durch Druckänderungen ausgelenkt werden können, während die bei den Kantengelegenen Bereiche der Wände im wesentlichen nicht auslenkbar sind. Die Elektroden des auf Druck ansprechenden Kondensators sind auf den einander gegenüberliegenden Oberflächen der auslenkbaren Bereiche
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; angeordnet, während die Elektroden des Referenzkondensators auf den- einander gegenüberliegenden Oberflächen der nicht auslenkbaren Bereiche angeordnet sind.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf, die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine Aufsicht auf einen erfi.ndungsgemäßen Druckfühler;
Fig. 2 einen vertikalen Schnitt durch den erfindungsgemäßen Druckfühler; und
Fig. 3 eine Schaltung, welche ein dem Verhältnis der beiden Kapazitäten proportionales, von dem auf den Druckfühler ausgeübten Druck abhängendes Ausgangssignal erzeugt.
Der in den Fign. 1 und 2 dargestellte .erfindungsgemäße Druckwandler v/eist ein Gehäuse 1 aus dielektrischem Material z.B. aus Glas ι oder Quarz auf. Das Gehäuse hat zwei schalenform!ge Teile 3, 5, die an ihren Kanten durch eine geeignete Dichtung 6 mit einander verbunden sind. Sie begrenzen eine zwischen ihnen liegende Kammer . 7, welche in bekannter Weise evakuiert werden kann. Auf den einander gegenüberliegenden, inneren Flächen der auslenkbaren Abschnitte der schalenförmigen Teile 3 und 5 sind den Druck messende leitende
; j
' Platten 9 und 11 angeordnet, we.lche durch Vakuum-aufdampfen oder ; Sputtern hergestellt sein können. Diese bilden einen Kondensator, ■ welcher ein dem von außen auf das Gehäuse 1 ausgeübten Druck ent- -4-
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sprechendes Signal erzeugt. Auf den einander gegenüberliegenden innneren Flächen der schalenform!gen Teile 3 und 5 sind ferner bei der Dichtung 6 leitende Platten 19, 21 angeordnet. Diese bilden einen Referenzkondensator, v/elcher ein Referenzsignal erzeugt. Die Platten 9 und 11 bzw. 19 und 21 der Kondensatoren sind mit elektrischen Leitern 13 und 15 bzw. 23 und 24 verbunden. Durch diese sind die Kondensatoren, wie Fig. 3 zeigt, mit einer elektrischen Schaltung verbunden.
Die Auslenkung der schalenform!gen Teile 3 und 5 an ihren Kanten kann unter Verwendung der unten stehenden Gleichung (1) berechnet werden. Diese Auslenkung ist so klein, daß der Referenzkondensator auf den schalenförmigen Teilen 3, 5 vorgesehen werden kann, ohne daß über den zu messenden Druckbereich hinv/eg spürbare Kapazitätsänderungen auftreten. Jede kleine Kapazitäts-änderung kann in der Anordnung leicht kalibriert werden.
Die Kapazität C_ des auf Druck ansprechenden Kondensators und die Kapazität CR des Referenzkondensators werden vorzugsweise so gewählt, daß sie bei dem kleinsten zu messenden Druck gleich sind. Dies kann dadurch erreicht werden, daß die Fläche der leitenden Platten 9 und 11 gleich der Fläche der leitenden Platten 19i i
und 21 gemacht wird und daß zwischen den leitenden Platten 9 und ' 11 bzw. den leitenden Platten 19 und 21 ein gleicher Abstand auf- j ι recht erhalten wird. Da die Kapazität C eines Kondensators sich , nach der folgenden Gleichung
ί
i
C = K^ (3)
_5_
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ändert, wobei A die Fläche der Platten,
D der Abstand zwischen den Platten, und K eine Proportionalitätskonstante ist,
kann der Abstand zwischen den Kondensatorplatten und ihre Fläche gemäß der oben stehenden Gleichung so geändert werden, daß der Wert der Kapazitäten C_ und Cn erhalten bleibt.
Die durch die thermische Ausdehnung der schalenform!gen Teile 3 und 5 bei Temperaturänderungen entstehende Änderung des Abstandes zwischen den Kondensatorplatten beeinflußt die beiden Kapazitäten Ca und Cn im wesentlichen in gleichem Maße. Damit werden in dem dem Verhältnis der Kapazitäten entsprechenden Ausgangs-
signal Änderungen vermieden, die sich aus einer thermischen Aus-.
dehnung ergeben würden.
Die leitenden Platten 9 und 11 haben kreisförmige Gestalt und sind im wesentlichen in der Mitte der sich gegenüberliegenden inneren Flächen der schalenförmigen Teile 3 und 5 angeordnet. Die leitenden Platten 19 und 21 haben ringförmige Gestalt und sind an den Kanten gegenüberliegender innerer Flächen der schalenförmigen Teile 3 undS angeordnet.Von außen auf das Gehäuse 1 ausgeübte Druckänderungen führen bei dieser Anordnung zu einer gegenseitigen Bewegung der leitenden Platten 9 und 11 und zur Ausgabe eines dem ausgeübten Druck entsprechenden Signales, während die leitenden Platten 19 und 21 im wesentlichen feststehend angeordnet sind, durch Druckänderungen niht spürbar beeinflußt werden und einen Referenzkondensator bilden. Die Auslenkung der auf Druck ansprechenden kreisförmigen Abschnitte der schalenförmigen
509828/0534'
- 6 Teile 3 und 5 wird durch die folgende Gleichung gegeben:
3W(m2 - 1 16TTEm2t3
1 (a2 - r2)2
2
(D
wobei W = der äußere Druck,
m = der Kehrwert der Poissonzahl,
a = der Scheibenradius (bis zur innenliegenden Kante der Dichtung),
r = der radiale Abstand des Punktes, bei dem die Auslenkung y beobachtet wird, von der Achse des Druckfühlers,
t = die Dicke der Scheibe,
E = der Elastizitätsmodul ist.
Die maximale Auslenkung der schalenförmigen Teile 3 und 5 wird an deren Mittelpunkt (r = 0) erhalten. Das Verhältnis der Auslenkung bei irgendeinem Punkt r und der Auslenkung am Mittelpunkt ist
2 2 2
Y/y = I (a2 - r2)2 (2,
nax a
um das Einkoppeln einer Störkapazität bei den elektrischen Messungen zu vermeiden, kann auf den äußeren Oberflächen des Gehäuses 1 eine dünne metallische Schicht vorgesehen werden, welche wie in der US-PS 3715 638 beschrieben eine elektrostatische Abschirmung darstellt.
509828/0534
Wie Fig. 3 zeigt, ist der durch die leitenden Platten 19 und 21 gebildete Referenzkondensator mit dem Eingang eines Verstärkers 35 verbunden. Der auf Druck ansprechende, durch die leitenden Platten 9 und 11 gebildete Kondensator ist in eine vom Ausgang des Verstärkers 35 zu seinem Eingang zurückführende Rückkoppelleitung geschaltet. Die Kondensatoren werden über einen Transformator 25 an Spannung gelegt, welcher mit einer Wechselspannungsquelle verbundene Primärwindungen 27 und 29 und hieran induktiv angekoppelte Sekundärwindungen 31 und 33 aufweist, welche mit den durch die Platten 9 und 11 bzw. 9 und 21 gebildeten Kondensatoren verbunden sind. Die Schaltung liefert am Ausgang des Verstärkers.35 ein Ausgangssignal V, das dem Quotienten aus der Kapazität Cq des durch die Platten 9 und 11 gebildeten, auf Druck ansprechenden Kondensators und der Kapazität C des durch die Platten 19 und 21 gebildeten Referenzkondensators proportional ist. Da die Kapazität Cg sich mit dem Druck ändert und die Kapazität Cn einen festen Wert hat, ist das Ausgangssignal V eine Funktion des Druckes. Dadurch daß der Referenzkondensator und der auf Druck ansprechende Kondensator als angeformte Teile des Druckwandlers ausgebildet sind, werden beide Kondensatoren durch Temperaturänderungen in gleicher Weise beeinflußt. Durch Temperaturänderungen wird daher nur ein kleiner oder gar kein Fehler des den Druck anzeigenden Ausgangssignales V hervorgerufen. Daß '' beide Kondensatoren in einem einzigen Baustein enthalten sind, ist auch aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten vorteilhaft.
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Claims (7)

_ g _ . Patentanwälte Dipl. Ing. H. Hauck Dipl. Phys. W. Schmitz Dipl. Ing. E, Graaifs Dipl. Ing. W. Wehnert The Bendix Corporation DiP'· Phys. W. Carstens . 8 München 2 Executive Offices Mozartstr. 23 Bendix Center 13. Dezember 1974 Southfield,Mich.48075,USA .Anwaltsakte M-3329 Patentansprüche
1. Druckwandler, bei dem ein auf Druck ansprechender Kondensator und ein Referenzkondensator Verwendung findet, dadurch gekennzeichnet, daß er ein hohles Gehäuse (1) aufweist, das zwei voneinander entfernte, einander zugewandte Wände (3,5) aus isolierendem Material hat, welche durch isolierendes Ma- : terial (6) an ihren Kanten miteinander verbunden sind, daß die von den Kanten entfernten Bereiche der Wände (3,5) bei Druckänderungen auslenkbar sind, während die beiden Kanten der Wände (3,5) gelegenen Bereiche im wesentlichen nicht aus-;
lenkbar sind, und daß die Elektroden (9,11) des auf Druck an-; sprechenden Kondensators auf den einander zugewandten Ober- j flächen der auslenkbaren Bereiche angeordnet sind, während die Elektroden (19,21) des Referenzkondensators auf den einander gegenüberliegenden Oberflächen der nicht auslenkbaren Bereiche angeordnet sind.
2. Druckwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er Leiter (13,15) zum Verbinden der Kondensatoren mit einer
50982870534 ~9~
- 9 äußeren Schaltung aufweist.
3. Druckwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das hohle Gehäuse (1) aus Quarz hergestellt ist.
4. Druckwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3,dadurch gekennzeichnet, daß das hohle Gehäuse (1) kreisförmige Gestalt aufweist, und daß die voneinander entfernten, einander gegenüberliegenden Wände (3,5) in Umfangsrichtung an ihren Kanten zusammengefügt sind.
5. Druckwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das hohle Gehäuse (1) eine Vakuumkammer darstellt.
6.Druckwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (9,11) des auf Druck ansprechenden Kondensators kreisförmig sind und in der Mitte angeordnet sind, während die Elektroden (19,21) des Referenzkondensators kreisförmig sind und am Rand angeordnet sind.
7. Druckwandler nach einem der Ansprücze l'.bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der auf Druck ansprechende Kondensator und der Referenzkondensator die gleiche Kapazität aufweisen.
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Λ0
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