DE4042410C2

DE4042410C2 - Kapazitiver Differenzdruckdetektor

Info

Publication number: DE4042410C2
Application number: DE4042410A
Authority: DE
Inventors: Mitsuru Tamai; Tadanori Yuhara; Kimihiro Nakamura; Kazuaki Kitamura; Toshiyuki Takano; Teizo Takahama; Mikihiko Matsuda; Shinichi Souma
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1989-04-14
Filing date: 1990-04-11
Publication date: 1993-12-09
Anticipated expiration: 2010-04-12
Also published as: DE4011734A1; KR940001481B1; DE4042411C2; GB2231159B; DE4011734C2; KR900016743A; JPH03175329A; GB2231159A; US5056369A; GB9008565D0; BR9001722A; JP2639159B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen kapazitiven Differenzdruckdetektor der im Oberbegriff des Patentanspruchs genannten Art.

Fig. 1 der Zeichnung zeigt einen Querschnitt durch den Aufbau eines üblichen aus der DE-OS 38 27 138 bekannten kapazitiven Differenzdruckdetektors. Wie dargestellt, sind feste Elektroden 15 und 20 zu beiden Seiten einer Membran 10 angeordnet. Die feste Elektrode 15 besteht aus einer ersten leitfähigen Schicht 12, die der Membran 10 gegenübersteht, und einer isolierenden Schicht 13, die auf der ersten leitfähigen Schicht 12 angeordnet ist, sowie einer zweiten leitfähigen Schicht 14, die mit der isolierenden Schicht 13 verbunden ist. Die ersteren und zweiten leitfähigen Schichten 12 und 14 sind elektrisch durch einen leitfähigen Film 27 miteinander verbunden, der auf der Innenfläche eines Druckzuführungslochs 25 angeordnet ist. Das Druckzuführungsloch 25 wirkt auch als ein Durchgangsloch.

Die feste Elektrode 15 ist mit einem ringförmigen Träger 21 versehen, der mit der isolierenden Schicht 13 verbunden ist und um eine ringförmige Nut 23 angeordnet ist, die die erste leitfähige Schicht 12 umgibt. Der Träger 21 ist mit der Membran 10 an einem Glasverbindungsabschnitt 11 vorbestimmter Dicke verbunden. Die erste leitfähige Schicht 12 und der Träger 21 sind elektrisch gegeneinander isoliert. Der Träger 21 kann entweder aus einem isolierenden Material oder aus einem leitfähigen Material bestehen. Das Druckzuführungsloch 25, das durch die feste Elektrode 15 verläuft, führt Druck P1 in einen Raum 29 ein, der zwischen der ersten Elektrode und der Membran 10 vorhanden ist.

Der Aufbau der festen Elektrode 20 entspricht dem Aufbau der festen Elektrode 15. Es werden hier daher nur die wichtigen Abschnitte erläutert. Ein Druckzuführungsloch 26, das sich durch die feste Elektrode 20 erstreckt, führt Druck P2 in einen Raum 30 ein, der zwischen der festen Elektrode 20 und der Membran 10 vorhanden ist.

Die Membran 10 und die feste Elektrode 15 bilden zusammen einen ersten Kondensator, dessen Kapazität Ca über Anschlußstifte A und C erfaßt werden kann. In gleicher Weise bilden die Membran 10 und die feste Elektrode 20 einen zweiten Kondensator, dessen Kapazität Cb über Anschlußstifte B und C erfaßt werden kann.

Wenn die Drücke P1 und P2, die an der Membran 10 anliegen, voneinander verschieden sind, dann verstellt sich die Membran entsprechend der Druckdifferenz. Die Kapazitäten Ca und Cb ändern sich entsprechend der Verstellung der Membran. Die Druckdifferenz kann auf der Grundlage der Kapazitätsänderungen gemessen werden.

Der in Fig. 1 gezeigte Druckdetektor befindet sich in einem Gehäuse, das von zwei Abdichtungsmembranen (nicht dargestellt) verschlossen ist, die jeweils die Drücke P1 und P2 aufnehmen. Das Gehäuse ist mit einem nichtkompressiblen Fluid, beispielsweise Silikonöl, gefüllt, über das der Druck übertragen wird. Unter dieser Bedingung sind die Räume 29 und 30 und die Druckzuführungslöcher 25 und 26 mit dem Silikonöl gefüllt.

Bekannte kapazitive Differenzdruckdetektoren, wie sie weiter unten im Detail erläutert werden, haben einen Nachteil dahingehend, daß die Meßbereichscharakteristik und die Linearität nachteilig durch Umgebungstemperaturschwankungen beeinflußt werden. Mit anderen Worten, die Temperaturcharakteristik des Detektors verschlechtert diesen. Die Meßbereichscharakteristik ist hier ein Variationsbereich der Kapazität relativ zum 100%igen Variationsbereich eines Differenzdrucks, d. h. der charakteristischen Verstellungsänderung der Membran.

Jede Elektrode kann als eine Art Bimetall betrachtet werden, das durch Laminierung von plattenförmigen Elementen unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten gebildet ist. Die Elektroden haben einen dreischichtigen Aufbau aus den ersten und zweiten leitfähigen Schichten aus Silicium und der isolierenden Schicht aus Cordierit, die sandwichartig zwischen den ersten und zweiten leitfähigen Schichten eingeschlossen ist. Jede Elektrode verformt sich, wenn die Umgebungstemperatur schwankt, so daß in der Siliciummembran, die am Umfang befestigt ist, eine Belastung in radialer Richtung entwickelt wird. Die Verstellung der Membran aufgrund dieser Belastung beeinträchtigt die Linearität des Differenzdrucksignals, das durch die eigentliche Verstellung der Membran, die durch die Druckdifferenz hervorgerufen wird, erzeugt wird.

Die radiale Belastung in der Membran aufgrund von Umgebungstemperaturänderungen und die Verstellung der Membran aufgrund dieser Belastungen wird im Detail erläutert.

In Fig. 1 ist der zusammengesetzte thermische Ausdehnungskoeffizient der festen Elektroden 15 und 20 gleich:

α = K1 (A - K2/β) (α1 -α2) + α2 (1d)

wobei
α1 und α2 die thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Cordierit und Silicium sind,
E1 und E2 seien die Young-Module von Cordierit und Silicium,
H1 und H2 die Dicken der Cordierit- und Siliciumschichten und
H3 sei die Dicke der Träger 21 und 22.

In der obigen Gleichung sind K1 und K2 Konstanten, die durch E1, E2, H1 und H2 bestimmt sind. Weiterhin sind A und B gleich

A = (H1 + 2 H3)/2 und B = 1/(H1 · E1).

Wenn E1=8000, E2=15 300 (kg/mm²), α1=1,1 (10^-6/°C), α2=3,1 (10^-6/°C), H1=0,5 (mm), H2=1,5 (mm), H3= 1,5 mm, dann ist α=2,53×10^-6/°C).

Wenn dementsprechend eine Änderung der Umgebungstemperatur DT ist, dann wird eine radiale Belastung "σ" in der Membran entwickelt, die die Größe hat:

σ=E · Dα · DT/(1 - ν) (2d)

wobei E und ν der Youngmodul bzw. das Poisson-Verhältnis sind,
Dα die Differenz zwischen den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der festen Elektrode und der Membran ist.

Eine Verstellung W der Membran, die eine radiale Belastung σ bei einem Differenzdruck P aufweist, ist:

W = P/[K + (4H/R²)σ] (3d)

wobei H und R die Dicke und der Radius der Membran sind
und K eine durch E, ν, H und R bestimmte Konstante ist.

Wie man aus der Gleichung (3d) entnehmen kann, wird die Verstellung W durch den ersten Faktor bestimmt, in den das Material und die Größe der Memban eingeht, und durch einen zweiten Faktor bestimmt, in den die radiale Belastung eingeht. Die Gleichung (3d) zeigt ferner, daß zur Messung eines sehr kleinen Differenzdrucks P die Dicke H der Membran klein gemacht werden muß und daß die Belastung σ einer hohen Empfindlichkeit der Differenzdruckmessung entgegensteht.

Fig. 3 zeigt eine graphische Darstellung einer charakteristischen Schwankung des Wertes W/G bei thermischer Belastung σ. Eine Messung zur Aufnahme der Daten, die in der graphischen Darstellung aufgetragen sind, wurde unter Drücken von 0,1 m WS und 3,2 m WS durchgeführt. In der Zeichnung gibt eine durchgezogene Linie eine Änderung von W/G an, wenn der Druck 0,1 m WS beträgt, und eine gestrichelte Linie gibt das W/G an, wenn der Druck 3,2 m WS beträgt. G gibt eine Spaltbreite zwischen der Membran und der festen Elektrode an, wenn der zugeführte Differenzdruck Null ist.

Wenn sich die Umgebungstemperatur innerhalb eines Bereiches von +60°C (120°C) ändert, dann zeigt die Gleichung (2d), daß die thermische Belastung "σ" sich um 0,62 kg/mm² ändert. Aufgrund der Änderung der thermischen Belastung ist das W/G der Membranverstellung etwa 82% für 0,1 m WS und etwa 6% für 3,2 m WS.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Differenzdruckdetektor der im Oberbegriff des Patentanspruchs genannten Art so weiterzubilden, daß seine Meßgenauigkeit hinsichtlich Umgebungstemperaturschwankungen noch unempfindlicher wird.

Bei einem Differenzdruckdetektor der genannten Art ist diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Patentan spruchs angegebenen Merkmale gelöst.

Eine Ausführungsform wird unter Bezugnahme auf Fig. 2, die eine Querschnittsdarstellung zeigt, beschrieben.

Isolierende Schichten 83 und 88, die in den festen Elektroden 85 und 86 enthalten sind, sind aus zwei Arten von Keramiken unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten hergestellt, die miteinander vermischt und gebrannt sind. Der resultierende thermische Ausdehnungskoeffizient ist annähernd gleich dem von Silicium. Andere Elemente sind im wesentlichen die gleichen wie die bereits beschriebenen, und daher werden entsprechende Bezugszeichen verwendet, um sie zu bezeichnen. Ein Mischungsverhältnis von Cordierit und Mullit wurde in verschiedener Weise geändert. Für diese verschiedenen Mischungsverhältnisse wurden Differenzwerte zwischen den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Mischkeramiken und der von Silicium gesammelt und als Kurve in Fig. 4 aufgetragen. In der Zeichnung repräsentiert die Abszisse einen Prozentsatz C von Mullit (%), und die Ordinate repräsentiert die Differenz β zwischen den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Mischkeramik und dem von Silicium. Wie man aus Fig. 19 entnehmen kann, liegt die Differenz β unter ±10^-6/°C, wenn der Prozentsatz C von Mullit 50% überschreitet.

Durch Verwendung der Gleichung (1d) wird α=2,71 × 10^-6/°C herausgearbeitet. Unter Verwendung der Gleichung (2d) wird σ=0,43 kg/cm^-2 herausgearbeitet. Durch Verwendung dieser Zahlen und der Gleichung (3d) wird W/G herausgearbeitet. Bei 0,1 m WS Druck zum Messen einer kleinen Druckdifferenz war es 47% für 120°C. Diese Zahl ist etwa halb so groß wie die 82% des bekannten Detektors. Wenn in Fig. 4 der Prozentsatz C von Mullit 80% beträgt, dann ist der thermische Ausdehnungskoeffizient β nahezu Null. Der Einfluß durch Temperaturschwankungen ist weiter unterdrückt im Vergleich zum vorangehenden Fall. Das Temperaturverhalten ist dementsprechend verbessert.

Claims

Kapazitiver Differenzdruckdetektor mit einer Membran (10), die mittels eines ringförmigen Trägers (21, 22) zwischen zwei plattenförmigen Elektroden (85, 86) derart eingespannt ist, daß eine Seite der einen Elektrode (85) und eine Seite der Membran (10) einen ersten Raum und eine Seite der anderen Elektrode (86) und die andere Seite der Membran einen zweiten Raum festlegen und jeder Raum über je ein zen trisches Druckzuführungsloch (25, 26) in der zugehörigen Elektrode (85, 86) mit einem den Differenzdruck definieren den Druck beaufschlagbar ist, so daß die Membran (10) unter Einwirkung dieses Differenzdrucks gegenüber den Elektroden (85, 86) auslenkbar ist und gemeinsam mit diesen differenz druckabhängige Kapazitäten bildet, wobei jede Elektrode (85, 86) zwei leitfähige Schichten, zwischen denen eine Isolier schicht (83, 88) angeordnet ist, und auf der der Membran (10) zugekehrten Seite eine konzentrisch zum Druckzufüh rungsloch (25, 26) verlaufende, ringförmige Nut (23), die bis zur Isolierschicht (13) reicht und deren radial äußerer Teil den radial inneren Teil des Trägers (21, 22) bildet, aufweist, wobei der Träger (21, 22) einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der im wesentlichen gleich dem der Membran (10) ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeausdehnungskoeffizient auch der Isolierschicht (83, 88) gleich dem der Membran (10) ist und die Isolierschicht (83, 88) aus einer Mischkeramik, bestehend aus Cordierit und Mullit, gebildet ist.