DE2459612C2 - Kapazitiver Druckwandler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Druckwandler mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angeführten Merkmalen.

Bei dem bekannten Druckwandler (US-PS 37 15 638), von dem die Erfindung ausgeht, ist zur Temperaturkompensation eine Brückenschaltung vorgesehen, in deren Zweigen der auf Druck ansprechende Kondensator, ein Referenzkondensator und mehrere Schichtwiderstände angeordnet sind. Zur Temperaturkompensation sind umfangreiche Maßnahmen erforderlich, wenn eine sehr genaue Druckanzeige gewünscht wird, insbesondere, wenn der Druckwandler sehr starken Temperaturänderungen ausgesetzt ist. Der eine Kondensator kann auch mit dem Eingang eines Verstärkers verbunden sein, während der andere Kondensator in eine vom Ausgang zum Eingang des Verstärkers laufende Rückkoppelschleife geschaltet ist, so daß das Ausgangssignal proportional dem Verhältnis der beiden Kapazitäten und eine Funktion des Druckes ist.

Bei einem anderen bekannten Druckwandler (DE-AS 73 613) ist ebenfalls eine Brückenschaltung zur Temperaturkompensation vorgesehen. Dabei handelt es sich bei den druckempfindlichen Elementen um auf Dehnung ansprechende Halbleiterbauelemente, die streifenförmig auf einer Membran angeordnet sind.

Es ist auch bekannt (DE-OS 23 08 338), zur Messung von Druckschwingungen die Elektroden von mehreren in einer Brückenschaltung angeordneter. Kondensatoren und von mehreren Koppelkondensatoren in Form von halbkreisförmigen und die Halbkreise umgebenden ringförmigen Flächen anzuordnen. Eine Temperaturkompensation ist bei diesem Druckwandler nicht vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen mit Temperaturkompensation für sehr stark unterschiedliehe Temperaturen versehenen Druckwandler möglichst einfach auszubilden.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angefahrten Merkmale gelöst

ίο Durch die Anordnung der Elektroden wird auch bei hohen Temperaturänderungen nur ein kleiner oder gar kein Fehler des den Druck anzeigenden Ausgangssignals hervorgerufen. Beide Kondensatoren sind in einem Bauelement vereinigt und lassen sich in einfacher Weise mit dem Verstärker zusammenschalten.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert Es zeigt
F i g. 1 eine Aufsicht auf einen Druckwandler,

Fig.2 einen vertikalen Schnitt durch den Druckwandler und

F i g. 3 eine Schaltung, welche ein dem Verhältnis der beiden Kapazitäten proportionales, von dem auf den Druckfühler ausgeübten Druck abhängendes Ausgangssignal erzeugt

Der in den F i g. 1 .und 2 dargestellte Druckwandler weist ein Gehäuse 1 aus dielektrischem Material z. B. aus Glas oder Quarz auf. Das Gehäuse hat zwei schalenförmige Teile 3,5, die an ihren Kanten durch eine geeignete Dichtung 6 miteinander 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 Platten 9 und 11 angeordnet, weiche durch Vakuum-aufdampfen oder Sputtern hergestellt sein können. Diese bilden einen Kondensator, welcher ein dem von außen auf das Gehäuse 1 ausgeübten Druck entsprechendes Signal erzeugt Auf den einander gegenüberliegenden inneren Flächen der schalenförmigen Teile 3 und 5 sind ferner bei der Dichtung 6 leitende Platten 19, 21 angeordnet Diese bilden einen Referenzkondensator, welcher 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 F i g. 3 zeigt, mit einer elektrischen Schaltung verbunden.

Die Auslenkung der schalenförmigen 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 hinweg spürbare Kapazitätsänderungen auftreten. Jede kleine Kapazitätsänderung kann in der Anordnung leicht kalibriert werden.

Die Kapazität C_s 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 19 und 21 gemacht wird und daß zwischen den leitenden Platten 9 und 11 bzw. den leitenden Platten 19 und 21 ein gleicher Abstand aufrecht erhalten wird. Da die Kapazität Ceines Kondensators sich nach der folgenden Gleichung

ändert, wobei

A die Fläche der Platten,
D der A bstand 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 C₅ und Cr erhalten bleibt

Die durch die thermische Ausdehnung der schalenförmigen Teile 3 und 5 bei Temperaturänderungen entstehsnde Änderung des Abstandes zwischen den Kondensatorplatten beeinflußt die beiden Kapazitäten Cs und Cr im wesentlichen in gleichem Maße. Damit werden in dem dem Verhältnis der Kapazitäten entsprechenden Ausgangssignal Änderungen vermieden, die sich aus einer thermischen Ausdehnung 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 und 5 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 nicht spürbar beeinflußt werden und einen Referenzkondensator bilden. Die Auslenkung der auf Druck ansprechenden kreisförmigen Abschnitte der schalenförmigen Teile 3 und 5 wird durch die folgende Gleichung gegeben:

Wie F i g. 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. 19 und 21 gebildeten Kondensatoren verbunden sind. Die Schaltung liefert am Ausgang des Verstärkers 35 ein Ausgangssignal V, das dem Quotienten aus der Kapazität Cs des durch die Platten 9 und 11 gebildeten, auf Druck ansprechenden Kondensators und der Kapazität Cr des durch die Platten 19 und 21 gebildeten Referenzkondensators proportional ist Da die Kapazität Cysich mit dem Druck ändert und die Kapazität Cr einen festen Wert hat ist das Ausgangssignal V eine Funktion des Drukkes. Dadurch, daß der Referenzkondensalor 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

\6rrEm²t^}

(D

40 Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

wobei

W = m = a =

E —

der äußere Druck, der Kehrwert der Poissonzahl, der Scheibenradius (bis zur innenliegenden Kante der Dichtung),

der radiale Abstand des Punktes, bei dem die Auslenkung y beobachtet wird, von der Achse des Druckfühlers,
die D^:cke der Scheibe,
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 rund der Auslenkung am Mittelpunkt ist

2_-2\2

(2)

55

60

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 37 15 638 beschrieben ein« elektrostatische Abschir-

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Claims (2)

Patentansprüche:

1. Druckwandler, bestehend aus einem Gehäuse mit zwei voneinander entfernten, einander zugekehrten Wänden aus isolierendem Material, welche durch isolierendes Material an ihren Kanten miteinander verbunden sind, wobei die von den Kanten entfernten Bereiche der Wände bei Druckänderungen auslenkbar sind, aus auf den einander zugekehrten Oberflächen der Wände angeordneten Elektroden eines auf Druck ansprechenden Kondensators und aus einem Referenzkondensator, der mit dem auf Druck ansprechenden Kondensator zusammengeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (19, 21) des Referenzkondensators auf den einander zugekehrten Oberflächen der nicht auslenkbaren Bereiche der Wände zwischen den Kanten des Gehäuses und den Elektroden (9,11) des auf Dme*: ansprechenden Kondensators angeordnet sind, daß der auf Druck ansprechende Kondensator in einer Rückkopplungsschleife eines Verstärkers (35) angeordnet ist und der Referenzkondensator mit dem gleichen Eingang des Verstärkers verbunden ist, und daß je eine Sekundärwicklung (31,33) eines Transformators (25) in Serie mit jedem der Kondensatoren geschaltet ist und der andere Eingang des Verstärkers geerdet ist

2. Druckwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im unbelasteten Zustand der auf Druck ansprechende Kondensator und der Referenzkondensator jeweifc gleiche Kapazität aufweisen.