DE2423484B2 - Kapazitiver Druckmeßwandler - Google Patents

Description

iiic Erfindung bezieht sich auf einen kapaziiiven iVuckmelJwandler der im Oberbegriff des Patentan- '>"' spiuchs 1 genannten Art.

Bei einem solchen aus der US-PS 27 M 703 oberhalb und einer unterhalb des Tragteils angeordneten Membranhälfte gebildet, so daß die Membran das die elektrisch leitende Fläche tragende Tragteil vollständig einschließt Dieser elektrisch leitenden Fläche gegenüber ist eine weitere elektrisch leitende Fläche angeordnet, die an dem oberen Teil der Membran elektrisch isoliert befestigt ist Diese beiden, einander gegenüberliegenden, Flächen bilden einen Kondensator, dessen Kapazität durch Änderung des Abstandes zwischen den beiden elektrisch leitenden Flächen nach Maßgabe des auf die Membran von außen wirkenden Drucks sich ändert Die Membran selbst ist in einem Gehäuse eingeschlossen, dessen Innenraum über einen Druckeinlaß mit einer Druckquelle zu verbinden ist, deren Druck zu messen ist In einem weiteren Innenraum des Gehäuses ist eine elektrische Schaltung untergebracht die über elektrische Verbindungsleitungen mit den beiden elektrisch leitenden Flächen des Kondensators verbunden ist

Aus der US-PS 29 99 385 ist ein anderer kapazitiver Druckmeßwandler bekannt, bei dem zwei Membranflächen gegenüber einer zwischen ihnen angeordneten und von ihnen elektrisch isolierten elektrisch leitenden Fläche beweglich angeordnet sind. Die Membranflächen werden dabei von jeweils einem ihnen individuell zugeordneten Druckeinlaß beaufschlagt, so daß die Messung tfer Druckdifferenz zwischen den in den beiden Druckeinlässen herrschenden Drücken möglich ist. Sowohl die Konstruktion als auch die Funktionsweise dieses bekannten Druckmeßwandlers ist jedoch aufwendig und kompliziert, so daß die Herstellung des Druckmeßwandlers teuer und seine Funktionszuverlässigkeit nicht sehr groß ist.

Aus dem Buch Merz, »Grundkurs der Meßtechnik«, Teil II 2. Auflage 1970, Seiten 102 und 103 ist ein Kapselfedermeßwerk bekannt, das eine Kapselfeder bzw. eine aus zwei Membranen gebildete Druckme3dose aufweist, deren Innenraum über einen ersten Druckeinlaß mit einer zu messenden Druckquelle verbindbar ist. Die eine Membran der Kapselfeder ist über eine geeignete Hebelübertragung mit einem Zeiger verbunden, der auf einer geeigneten Skala den jeweils gemessenen Druck anzeigt. Sowohl die Kapselfeder als auch die mit dem Zeiger verbundene Hebelübertragung sind in einem zweiten Gehäuse eingeschlossen, in dem ebenfalls ein bestimmter Druck, der dann als Bezugsdruck dient, vorhanden sein kann. Ist mit diesem Kapselfedermeßwerk eine Druckdifferenzmessung erwünscht, so wird der Innenraum des Gehäuses mit einem zweiten Einlaß verbunden, über den der Innenraum des Gehäuses mit einer zweiten Druckquelle verbunden werden kann.

Im Gegensatz zu diesem bekannten Kapselmeßwerk, das mit einer mechanischen Hebelübertragung und einem Zeiger arbeitet, die zwangsläufig relativ ungenau sind, ist es Aufgabe der Erfindung, einen kapazitiven Dr uckmeß wandler der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art so weiterzubilden, daß er zur Messung von Differenzdrücken, absoluten Drücken und relativen Drücken vielseitig verwendbar ist, trotzdem in seiner Anzeige aber sehr genau ist.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebene Lehre gelöst.

Ein wesentliches Merkmal der Erfindung betrifft die örtliche Anordnung des zweiten Druckeinlasses an oder nahe dem Umfangsrand der elektrisch leitenden Fläche. Durch diese Anordnung des zweiten Druckeinlasses, der 2\vanocljjijfiff in Ηρη zwischen di*rn Tragleil und der

Membran gebildeten Hohlraum münden muß, wird ichergestellt, daß der Einfluß der Mündung des zweiten Druckeinlasses auf die Meßgenauigkeit des kapazitiven Druckmeßwandlers so gering wie möglich und damit vernachlässigbar klein ist Dieses rühr! daher, daß die Auslenkung der Membran gegenüber der Unterlage bzw. der elektrisch leitenden Fläche am Randbereich sehr gering ist, so daß auch eine durch die in diesem Bereich vorgesehene Mündung des zweiten Druckeinlasses bedingte Kapazitätsänderung bzw. ein Materialverlust am Rand der elektrisch leitenden Fläche so gering wie möglich ist

Durch die Ausbildung des Deckels aus einem dielektrischen Material wird keine zusätzliche Störkapazität zwischen der Membranaußenfläche und der Innenfläche des Deckels geschaffen. Da auch der zwischen der Membran und dem Tragteil gebildete abgeschlossene Raum mit einem Druckeinlaß versehen ist, kann auch dieser Raum mit einem zu messenden Druck beaufschlagt werden, so daß bei der Beaufschlagung nur eines der beiden Druckeinlässe mit einem zu messenden Druck eine abosulte Druckmessung möglich ist, während bei der gleichzeitigen Beaufschlagung der beiden Druckeinlässe mit unterschiedlichen Drücken eine Differenzdruckmessung möglich ist. Vorzugsweise ist der neue Druckmeßwandler so aufgebaut, daß die elektrisch leitende Fläche auf einer als T agteil wirkenden dielektrischen Platte nach Art einer gedruckten Schaltung aufgebracht wird. Auch die Membran wird gasdicht mit ihrem Rand auf einem Teil der gedruckten Schaltung befestigt, wobei dieser Teil jedoch nach Art einer ringförmig ausgebildeten und die elektrisch leitende Fläche konzentrisch umgebenden Elektrode z. B. mit Hilfe der bekannten Ätztechnik von der elektrisch leitenden Fläche isoliert ist. Diese Ausbildung des Druckmeßwandlers nach Art einer gedruckten Schaltung ermöglicht einen sehr einfachen Anschluß der elektrischen Verbindungsleitungen, die mit der ebenfalls auf der gedruckten Schaltungsplatte angeordneten elektrischen Schaltung verbunden sind. Auf diese Weise ist der Druckmeßwandler mit äußerst geringen Abmessungen herzustellen.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung beschrieben. Darin zeigt

F i g. 1 eine Draufsicht auf den Druckmeßwandler,

F i g. 2 eine teilweise im Schnitt längs der Linie 2-2 in F i g. 1 gezeigte Seitenansicht des Druckmeßwandlers und

F i g. 3 eine F i g. 1 entsprechende Ansicht des Druckmeßwandlers von unten.

Der in Fig. 1 gezeigte Druckmeßwandler tu hat ein Tragteil in Form einer ebenen Platte 12, vorzugsweise aus einem für die Unterlagen von gedruckten Schaltungen verwendeten dielektrischen Material. Im übrigen eignet sich für das Tragteil t2 jedes Material, welches die erforderlichen elektrischen und mechanischen Eigenschaften über den gesamten Bereich von Umwelteinflüssen, denen der Druckmeßwandler ausgesetzt sein kann, haben. Das Material darf nicht von dem Druckmittel, für welches der Wandler verwendet werden soll, angegriffen werden und muß für dieses undurchlässig sein. Für die meisten Verwendungszwekke eignet sich ein mit Glasfasern versetztes Melaminharz. Das Tragteil 12 trägt eine Reihe von leitenden Anschluß- oder Kontaktflächen 14 in Verbindung mit einem herkömmlichen Steckverbinder 16. welcher der Herstellung der Anschlüsse für die Stronispeisung und die Ausgangssignale dient.

Auf dem Tragteil 12 ist eine eine feste Platte 22 darstellende leitende Fläche in ehern für gedruckte Schaltungen gebräuchlichen Verfahren aufgedruckt Unter Freilassung eines Zwischenraums 24 ist um die feste Platte 22 herum eine Membrane 26 aus elektrisch leitendem Material, vorzugsweise aus dünnem, flexiblem Blech, abdichtend auf dem Tragteil 12 befestigt Die

in Membrane hat einen axial abstehenden Rand 28, welcher das Mittelteil der Membrane in einem solchen Abstand von der festen Platte 22 hält, daß es auch bei der durch die zu messenden Drücke bewirkten stärksten Verformung der Membrane nicht zu einer Berührung

ι 3 zwischen ihr und der festen Platte kommt Ein vorzugsweise aus dielektrischem Material geformter, die Membrane 26 umgebender Deckel 18 ist hermetisch abdichtend auf dem Tragteil 12 befestigt und bildet eine die Membrane umgebende Kammer 20.

2<i In der dargestellten Ausführungsform ist ein kurzes Rohrstück 30 in eine öffnung 32 eingesetzt welche durch das Tragteil hindurch zum Zwischenraum 24 zwischen dem Rand der festen Platte 22 und dem Rand 28 der Membrane 26 verläuft. Das Rohrstück 30 bildet

2) einen Einlaß für den Anschluß eines Schlauchs oder eines weiteren Rohrs zum Zuleiten eines Druckmittels in den Raum zwischen der Membrane 26 und dem Tragteil 12.

Ein in eine we'tere öffnung des Tragteils eingesetztes

jo Rohrstück 34 bildet einen Einlaß für ein Druckmittel in den Raum 20 an der Außenseite der Membrane 26. Dieser Einlaß braucht jedoch nicht durch das Tragteil 12 hindurch zu verlaufen sondern kann auch in einer Wandung 37 des Deckels 18 gebildet sein.

)■> Die von den über die Einlasse 30 und 34 zugeführten Drücken beaufschlagte Membrane 26 erfährt beim Auftreten von Druckunterschieden Verformungen, aufgrund deren sich ihr Abstand zur festen Platte verändert.

•to Nahe dem Deckel 18 sind auf dem Tragteil 12 elektronische Schaltungseinrichtungen 35 für die Auswertung der sich aus den Änderungen des Zwischenraums ergebenden Änderungen der Kapazität angeordnet. Für solche Zwecke geeignete Schaltungseinrichtun-

■i^r> gen sind allgemein bekannt und gehören nicht zur Erfindung. Für die Verbindung der einzelnen Schaltungsteile untereinander können an der Rückseite des Tragteils gedruckte oder anderswie geformte Leiter vorhanden sein. Ein Leiter 36 führt von einem an einer

■ίο Stelle 40 an der Membrane 26 angelöteten Draht 38 zu einem Anschluß 42 eines Schwingkreises (Fig.3). Ein Leiter 44 führt von einem Anschluß 46 des Schwingkreises durch das Tragteil 12 hindurch zu einem Anschluß 48 der festen Platte 22.

π Di« beschriebene Vorrichtung hat sehr kleine Abmessungen und ein geringes Gewicht und ist wirtschaftlich herstellbar und vielseitig verwendbar. Sie kann in der beschriebenen Weise zum Messen der Differenz zweier über die Einlasse 30 und 34

fco zugeführter Drücke, also als Differential-Druckmesser verwendet werden. Bei der Verwendung als gewöhnlicher Druckmesser läßt man den einen Anschluß zur freien Umgebung offen und führt den zu messenden Druck über den anderen Einlaß zu. In noch einer

b^ri anderen Verwendungsart kann der Raum an einer Seite der Membrane teilweise evakuiert und der betreffende Anschluß dann verschlossen werden. Bleibt dann der andere Anschluß zur freien Umgebung offen, so wirkt

die Vorrichtung als Barometer, und führt man über diesen Anschluß einen zu messenden Druck zu, so arbeitet sie als Absolut-Druckmesser.

Wie vorstehend angeführt, durchsetzt der das Rohrstück 30 aufnehmende Einlaß das Tragteil 22 am oder nahe dem Rand der festen Platte 22. Diese Anordnung verdient insofern den Vorzug, als für den Einlaß ein Stück von der festen Platte 22 entfernt werden muß. Dies geschieht jedoch vorzugsweise an einer Stelle, an welcher der Materialverlust eine möglichst geringe Auswirkung auf die bei gegebener Änderung des Drucks auftretende Änderung der Kapazität ausübt. Die stärkste Bewegung der Membra-

ne gegenüber der festen Platte 22 findet in der Mitte derselben statt, so daß es also unzweckmäßig ist, den für einen Einlaß notwendigen Materialabtrag an dieser Stelle der festen Platte vorzunehmen. Nahe dem Rande ändert sich jedoch der Abstand zwischen der Membrane und der festen Platte nur wenig, so daß der Einlaß also zweckmäßig in diesem Bereich gebildet wird.

Die Verwendung eines Deckels 18 aus dielektrischem Material bietet den Vorteil, daß zwischen der Membrane und dem Gehäuse keine unerwünschte Störkapazität auftritt, wie dies bei Verwendung eines metallenen Deckels der Fall wäre.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Kapazitiver Druckmeßwandler mit einem Tragteil und einer hierauf angebrachten, elektrisch leitenden Fläche, einer über dieser Fläche und von ihr elektrisch isoliert angeordneten, elektrisch leitenden Membran, die mit der elektrisch leitenden Fläche einen elektrischen Kondensator mit druckabhängiger Kapazität bildet, mit einem die Membran unter Belassung eines Zwischenraums umgebenden Deckel, mit einem Druckeinlaß zum Beaufschlagen des im übrigen geschlossenen Raumes zwischen Membran und Deckel mit dem zu messenden Druck und einer elektrischen Schaltung zum Erzeugen eines der Kapazität der Anordnung entsprechenden Signals, dadurch gekennzeichnet, daß der Deckel (18) aus dielektrischem Material abdichtend auf dem Tragteil (12) befestigt ist, daß ein zweiter Druckeinlaß (30, 32) vorgesehen ist, der in den im übrigen geschlossenen Raum (24) zwischen Membran (26) und Tragteil (12) mündet und an oder nahe dem Umfangsrand der elektrisch leitenden Fläche (22) angeordnet isL

2. Druckmeßwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Tragteil (12) eine aus dielektrischem Material bestehende Platte ist, auf der die elektrisch leitende Fläche (22) nach Art einer gedruckten Schaltung aufgedruckt und auch die elektrische Schaltung (35) angeordnet ist.

3. Druckmeßwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Druckeinlaß (34) an einer Stelle durch das Tragteil (12) hindurchgeführt ist, die außerhalb der Membran (26) liegt.

4. Druckmeßwandler nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster, an der leitenden Fläche (22) angeschlossener Leiter (44) durch die Platte (12) hindurch ^ur gegenüberliegenden Fläche derselben geführt ist und daß ein zweiter, an der Membran (26) angeschlossener Leiter (36) durch die Platte (12) hindurch zur gegenüberliegenden Fläche derselben geführt ist.

5. Druckmeßwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Leiter (44 bzw. 36) durch einen dritten (46) bzw. vierten (44), jeweils durch die Platte (12) hindurchgeführten Leiter leitend mit der Schaltung (35) verbunden sind.

b. Druckmeßwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (26) ringförmige Wellen aufweist, welche das Durchbiegen der mittleren Teile derselben ermöglichen, daß sie einen axial hervorstehenden Rand (28) hat, weicher einen gewissen Abstand zwischen dem mittleren Teil und der leitenden Fläche (22) aufrechterhält und daß die Membran (26) unter Belassung eines ringförmigen Zwischenraumes zwischen dem hervorstehenden Rand und dem Umfang der leitenden Fläche (22) auf der Unterlage (12) befestigt ist.

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