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Kapazitiver Druckgeber Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Druckgeber,
dth4 einen Wandler, der den Wert einer mechanischen Kraft auf kapazitivem Wege in
eine elektrische Größe umsetzt.
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Die französische Patentschrift 1 552 069 schlägt einen kapazitiven
Druckgeber vor, der eine zur Aufnahme der Kraft bestimmte Mittelsäule aufweist,
die Uber eine untere Platte mit einem ringförmigen Sockel verbunden ist, wobei Zugstäbe
ringförmig um die Mittelsäule herum angeordnet sind und die Zugstäbe ihrerseits
von Druckstäben umgeben sind0 Die Verbindung zwischen den Zugstäben und den Druckstäben
erfolgt über radiale Joche; die Anordnung ist derart dimensioniert, daß sich die
beim Anlegen der Meßkraft eintretenden elastischen Verformungen im wesentlichen
auf die Zugstäbe beschränken0 Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine derartige
Anordnung zu verbessern.
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Der Druckgeber nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß
die elastischen Verbindungsglieder von radialen Jochen gebildet
sind,
die den oberen Teil der Säule mit einem koaxialen, zylindrischen Sockel verbindens
Auf diese Weise wird eine Anordnung erhalten, die eine wesentlich geringere Höhe
erhalten kann und die, falls sie aus einem geeigneten Werkstoff gefer-, tigt ist,
ebenfalls sehr genaue Messungen erlaubt, Das System mit veränderlicher Kapazität
wird vorzugsweise von einer mittleren Elektrode, die am unteren Ende der Mittelsäule
befestigt und mit Masse verbunden ist, und zwei isolierten Elektroden gebildet,
die zu beiden Seiten der Mittelelektrode angeordnet sind und von denen die eine
einen Teil des Meßkreises bildet9 während die andere in einem dem Meßkreis zugeordneten
Kompensationskreis liegt. Die Mittelelektrode kann in Form einer kreisförmigen Platte
ausgeführt sein, während die isolierten Elektroden von flachen Ringen gehildet-werden,
-deren Außendurchmesser kleiner als derjenige der Platte ist. Auf diese Weise wird
eine völlig symmetrische Anordnung erhalten, bei der Linearitätsfehler, die in der
Kondensatortechnik als Randeffekt bezeichnet werden9 auf einen Kleinstwert beschränkt
werden können0 Gleichzeitig werden auch die parasitären Kapazitäten verringert,
die sich den für die Messung ausgenutzten veränderlichen Kapazitäten überlagernO
Die Fehler9 die auf Änderungen des Elastieitätsmoduls des den Druckgeber bildenden
Werkstoffes als Punktion der Temperatur zurückzuführen sind, werden kompensiert,
indem Mittel vorgesehen werden, die bewirken, daß die veränderliche Kapazität oder
veränderlichen
Kapazitäten ihrerseits durch die Temperatur in einem solchen Sinne beeinflußt werden,
daß die erwünschte Kompensation eintritt, Diese Kapazitätsänderung kann insbesondere
dadurch erhalten werden, daß mindestens bestimmte der Elektroden in einer ausreichenden
Stärke aus einem Metall gefertigt werdeng das einen Ausdehnungskoeffizienten besitzt,
der sich in zweckentsprechender Weise von denjenigen des Werkstoffes des Druckgebers
unterscheidetOStattdessen können die Elektroden in eine isolierende Flüssigkeit
eingetaucht werden, deren Dielektrizitätskonstante sich in Abhängigkeit von der
Temperatur ändert. Beide Maßnahmen können auch miteinander kombiniert werden0 Die
Erfindung ist im folgenden an Hand eines AugfUhrungsbeispiels in Verbindung mit
den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt: Figur 1 eine Draufsicht auf einen kapazitiven
Druckgeber nach der Erfindung, Figur 2 einen lotrechten Axialschnitt entlang der
Linie - II der Figur 1 und Figur 3 einen waagrechten Schnitt entlang der Linie III-III
der Figur 2.
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Der gezeigte Druckgeber weist einen zylindrischen hohlen Sockel 1
auf, dessen obere Stirnseite mit vier radialen Jochen 2 vereinigt ist, die den Sockel
mit dem oberen Teil einer nach unten gerichteten Mittelsäule 3 verbinden, Diese
Säule hat eine geringere Höhe als der Sockel 1 und trägt an ihrem unteren Ende eine
Metallplatte 4, die an der Säule mittels einer axial verlaufenden Schraube 5 befestigt
ist. Zu beiden Seiten der Platte sind in geringem Abstand von ihr zwei flache Metallringe
6 und 7 angeordnet, die von Scheiben 8 und 9 aus Isolierstoff getragen werden0 Die
beiden Scheiben sind mittels eines kurzen zylindrischen AbstandwEückes 10 voneinander
getrennt. Die Anordnung 8, 9, 10 wird in einem durch eine Schulter begrenzten Teil
der Bohrung des Sockels 1 mittels eines Deckels Ii gehalten, der seinerseits mittels
Schrauben 12 festgemacht ist. Das Abstandsstück 10 besitzt eine seitliche Öffnung
10a, die mit einer Radialbohrung Ia des Sockels 1 ausgerichtet ist, sodaß ein Auslaß
für nicht dargestellte elektrische Anschlußleitungen erhalten wird, die zu den Metallringen
6 und 7 führen.
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Die Anordnung ist vorzugsweise derart getroffen, daß die beiden Ringe
6 und 7 im Ruhezustand des Druckgebers im wesentlichen den gleichen Abstand von
der mittleren Platte 4 haben.
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Die Ringe 6 und 7 sind mit nicht veranschaulichten elektrischen Stromkreisen
derart verbunden, daß jede von ihnen zusammen mit der Platte 4 einen kleinen Kondensator
bildet, dessen Kapazität von der Höhenlage der Platte abhängt.
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Es kann ein Vergleichssystem, beispielsweise eine Brücke, aufgebaut
werden9 bei dem im Ruhezustand ein Gleichgewicht zwischen den Kapazitäten der Ringe
oder Elektroden 6 und 7 gegenüber der mittleren Platte 4 herrscht, die die gemeinsame,
mit Masse verbundene Elektrode darstellt, Wenn auf die Mittelsäule 3 eine nach unten
gerichtete Kraft P aufgebracht wird, verformt sich der Druckgeber9 wobei die Verformung
im wesentlichen auf die radialen Joche 2 beschränkt ist, die eine Biegebewegung
ausführen Auf Grund der axialen Symmetrie führt diese Verformung zu einer Verschiebung
der Platte 4 nach unten, d0h., die Platte 4 entfernt sich von der oberen Elektrode
7 und nähert sich der unteren Elektrode 60 Die Vergleichsschaltung wird dadurch
außer Gleichgewicht gebracht; die Größe der Gleichgewichtsverschiebung stellt ein
Maß für die auf die Säule ausgeübte Kraft dar, Es ist leicht zu zeigen, daß bei
Bestimmung des Wertes der Kapazitäten unter Ausnutzung des Resonanzeffektes eine
im wesentlichen lineare Beziehung zwischen den hervorgerufenen Kapazitätsänderungen
und den an den Druckgeber angelegten Kräften erhalten wird0 Das von der Platte 4
und den beiden isolierten Ringen oder Elektroden 6 und 7 gebildete Doppelkapazitätsßystem
erlaubt es einerseits, die Empfindlichkeit des Druckgebers zu steigern und gestattet
es andererseits, den Einfluß von parasitären Effekten auf die Linearität der Messungen
kleinstmöglich zu halten.
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Die beschriebene Ausbildung beschränkt ferner Randeffekte auf ein
Mindestmaß, die bekanntlich Linearitätsfehler bei den veränderlichen Kapazitäten
hervorrufen könnten, Was den Temperatureinfluß anbelangt9 so ist zunächst festzustellen,
daß auf Grund der Fertigung der Mittelsäule 3, der Joche 2 und des Sockels 1 aus
dem gleichen Metall die Ausdehnungen sich gegenseitig kompensieren und keine Verschiebung
der Platte 4 zwischen den Elektroden 6 und 7 zur Folge haben. Eine Beeinflussung
durch Änderungen des Elastiitätsmoduls des den Druckgeber bildenden Werkstoffes
ist zwar nicht zu vermeiden, die Größe dieses parasitären Einflusses kann Jedoch
erheblich herabgesetzt werden9 indem Nickelstähle mit einem extrem niedrigen Ausdehnungskoeffizienten
benutzt werden, beispielsweise ein unter dem Namen Invar bekannter Stahl, und indem
große Unterschiede zwischen der Meßtemperatur und der Eichtemperatur vermieden werden0
Außerdem können die Fehler, die auf geringfügige Änderungen des Elastizitätsmoduls
zurückzuführen sind, mindestens in gewissem Umfang dadurch kompensiert werden, daß
Mittel vorgesehen werden, die bewirken, daß sich die beiden von der Platte 4 und
den Elektroden 6 und 7 gebildeten Kapazitaten ihrerseits ändern, und zwar derart,
daß dem Einfluß auf Grund-einer Änderung des Elastizitätsmoduls entgegengewirkt
wird.
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Für diesen Zweck kann die Platte 4 verhältnismäßig dick ausgebildet
und aus einet Metall gefertigt werden, das gegenüber dem Abstandsstück tO einen
hinreichend unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten
besitzt,
um eine Änderung des Abstandes zwischen den Stirnflächen der Platte und den beiden
Elektroden 6 und 7 herbeizuführen0 In entsprechender Weise könnte auch bei den beiden
Elektroden 6 und 7 selbst verfahren werden0 Eine weitere Möglichkeit besteht darin9
das Elektrodensystem und die Mittelplatte in eine isolierende Flüssigkeit einzutauchen,
deren Dielektrizitätskonstante sich in Abhängigkeit von der Temperatur wandert0
Es versteht sich, daß die beiden oben genannten Maßnahmen auch miteinander kombiniert
angewendet werden können0