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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft kapazitive Druckwandler. Genauer
betrifft die vorliegende Erfindung kapazitive Druckwandler mit verbesserten
thermischen Eigenschaften.
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ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
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1 zeigt
eine Schnittansicht eines herkömmlichen
geheizten kapazitiven Druckwandlers 100. Der Wandler 100 beinhaltet
mehrere Hauptbestandteile wie etwa einen Außenmantel 110, einen Heizvorrichtungsmantel 120,
eine Heizvorrichtung 130, einen kapazitiven Drucksensor 140,
einen vorderen Elektronikaufbau 160, einen Heizvorrichtungssteuerungselektronikaufbau 170 und
einen Eingabe/Ausgabe(E/A)-Elektronikaufbau 180. Wie nachstehend
ausführlicher
besprochen werden wird, erzeugt der Wandler 100 ein Ausgangssignal,
das einen durch den Sensor 140 gemessenen Druck angibt.
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Zur
Bequemlichkeit der Darstellung wurden in 1 viele
mechanische Einzelheiten des Wandlers 100 wie etwa der
Aufbau des Sensors 140 und die Anbringung des Sensors 140 und
der Elektronikaufbauten 170, 180 weggelassen.
Geheizte kapazitive Druckwandler wie etwa der Druckwandler 100 sind
jedoch wohlbekannt und zum Beispiel in den US-Patentschriften Nr.
5,625,152 (Pandorf); 5,911,162 (Denner); und 6,029,525 (Grudzien)
beschrieben.
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Kurz
gesagt beinhaltet der Außenmantel 110 ein
unteres Gehäuse 112,
ein oberes Elektronikgehäuse 114 und
ein Verbindungselement 116, das die Gehäuse 112, 114 zusammenhält. Der
Heizvorrichtungsmantel 120 ist im unteren Gehäuse 112 angeordnet
und beinhaltet ein unteres Gehäuse
oder eine Dose 122 und eine Abdeckung 124. Die Heizvorrichtung 130 beinhaltet
eine Trommelheizvorrichtung 132 und eine Endheizvorrichtung 134.
Die Trommelheizvorrichtung 132 ist um die äußere zylinderförmige Seitenwand
der Dose 122 geschlungen, und die Endheizvorrichtung 134 ist
am Boden der Dose 122 angeordnet. Die Trommelheizvorrichtung 132 und
die Endheizvorrichtung 134 sind über Drähte 136 elektrisch
verbunden, so dass die beiden Heizvorrichtungen 132, 134 gleichzeitig über ein
einzelnes elektrisches Signal gesteuert werden können. Der Sensor 140 und
der vordere Elektronikaufbau 160 sind im Heizvorrichtungsmantel 120 angeordnet.
Anbringungssäulen 162 tragen
den vorderen Elektronikaufbau 160 über dem Sensor 140,
und Drähte 164 verbinden
den vorderen Elektronikaufbau 160 und den Sensor 140 elektrisch.
Der Heizvorrichtungssteuerungselektronikaufbau und der E/A-Elektronikaufbau 180 sind
im oberen Elektronikgehäuse 114 angeordnet.
Ein Temperatursensor (z.B. ein Thermistor) 190 ist an einer
inneren Oberfläche
des Heizvorrichtungsmantels 120 fixiert.
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Der
Sensor 140 beinhaltet eine metallische biegsame Membran 142 und
ein Druckrohr 144. Das Rohr 144 erstreckt sich
von einem Punkt nahe der Membran durch den Heizvorrichtungsmantel 120 und durch
das untere Sensorgehäuse 112.
Das untere, oder äußere, Ende
des Rohrs 144 ist im Allgemeinen mit einer Fluidquelle
(nicht gezeigt) gekoppelt. Der Druck des Fluids in der Quelle wird über das
Rohr 144 zur unteren Oberfläche der Membran 142 übertragen,
und die Membran 142 biegt sich als Reaktion auf Veränderungen
des Drucks im Rohr 144 aufwärts oder abwärts. Die
Membran 142 und eine leitfähige Bezugsplatte des Sensors 1401 bilden
einen Kondensator, und die Kapazität dieses Kondensators schwankt
gemäß der Bewegung
oder Biegung der Membran. Demgemäß zeigt
diese Kapazität
den Druck im Rohr 144 an. Der vordere Elektronikaufbau 160 und
der E/A-Elektronikaufbau 180 erzeugen zusammenwirkend ein
Ausgangs signal, das für
die Kapazität
des Sensors 140 kennzeichnend ist, welche natürlich auch
für den
Druck im Rohr 144 kennzeichnend ist. Der E/A-Elektronikaufbau 180 macht
dieses Ausgangssignal über
einen elektronischen Steckverbinder 182 für die Umgebung
außerhalb
des Wandlers 100 verfügbar.
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2 zeigt
ein Beispiel, wie ein kapazitiver Drucksensor 140 aufgebaut
sein kann. Kapazitive Drucksensoren der in 2 gezeigten
Art sind in der US-Patentschrift Nr. 6,029,525 (Grudzien) ausführlicher
besprochen. Der in 2 gezeigte Sensor 140 beinhaltet
eine kreisförmige,
leitfähige,
metallische, biegsame Membran 142, ein Druckrohr 144,
und eine Elektrode 246. Die Elektrode 246 und
die Membran 142 sind in einem Gehäuse 248 angebracht.
Die Elektrode 246 beinhaltet einen Keramikblock 250 und
eine leitfähige
Platte 252. Der Keramikblock 250 ist starr am
Gehäuse 248 angebracht,
so dass eine untere Fläche
des Blocks 250 im Allgemeinen parallel zur Membran und
davon beabstandet verläuft.
Die untere Fläche
des Blocks 250 ist normalerweise flach und kreisförmig. Die
leitfähige
Platte 252 ist auf der unteren Fläche des Blocks 250 abgelagert
und verläuft
ebenfalls parallel zur Membran und davon beabstandet. Die leitfähige Platte 252 und
die Membran 142 bilden zwei Platten eines veränderlichen
Kondensators 254. Die Kapazität des Kondensators 254 wird
teilweise durch den Abstand, oder die Beabstandung, zwischen der
Membran 142 und der leitfähigen Platte 252 bestimmt.
Da sich die Membran als Reaktion auf Druckveränderungen im Rohr 144 aufwärts und
abwärts
biegt (und dadurch die Beabstandung zwischen der Membran 142 und
der leitfähigen
Platte 252 verändert
wird), gibt die Kapazität
des Kondensators 254 den Druck im Rohr 144 an.
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2 zeigt
nur eine der vielen bekannten Weisen zur Gestaltung eines kapazitiven
Drucksensors 140. Kapazitive Drucksensoren 140 beinhalten jedoch
im Allgemeinen einen oder mehr Leiter, die in einer beabstandeten
Beziehung zu einer biegsamen, leitfähigen Membran gehalten werden.
Die Membran und die Leiter bilden Platten eines oder mehrerer veränderlicher
Kondensatoren, und die Kapazität
dieser Kondensatoren schwankt gemäß einer Funktion des Drucks
im Rohr 144.
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Kapazitive
Drucksensoren beinhalten häufig zusätzliche
Merkmale wie etwa wie in 2 gezeigt ein Rohr 260 und
einen Getter 262. Wenn der Sensor 140 aufgebaut
wird, ist das Rohr 260 anfänglich offen und wird es verwendet,
um im Abschnitt des Gehäuses 248 über der
Membran 142 einen Bezugsdruck (z.B. ein Vakuum) herzustellen.
Sobald der gewünschte
Bezugsdruck hergestellt ist (z.B. durch Anbringen einer Vakuumpumpe
am Rohr 260), wird der obere Abschnitt des Rohrs 260 geschlossen,
oder "abgeklemmt", um den gewünschten
Bezugsdruck im Inneren des oberen Abschnitts des Gehäuses 248 beizubehalten.
Der Getter 262 ist häufig
aufgenommen, um Gasmoleküle,
die (z.B. über
eine Gasaushauchung der Elektrode 250) in den oberen Abschnitt des
Gehäuses 248 gelangen,
nachdem das Rohr 260 abgeklemmt wurde, zu absorbieren.
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Unter
Rückkehr
zu 1 misst der vordere Elektronikaufbau 160 beim
Betrieb die Kapazität (oder
Kapazitäten)
des Sensors 140 und erzeugt er ein Spannungssignal, das
für diese
Kapazität
kennzeichnend ist (z.B. kann das Spannungssignal mit Veränderungen
in der Kapazität
linear schwanken). Der E/A-Elektronikaufbau 180 verstärkt und
bereitet dieses Spannungssignal typischerweise weiter auf, um das
Ausgangssignal des Wandlers 100 zu erzeugen.
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In
Hochleistungswandlern muss der vordere Elektronikaufbau 160 fähig sein,
sehr kleine Veränderungen
in der Kapazität
des Sensors 140 aufzulösen
(z.B. entspricht ein Deltadruck von 0,1 Torr in einem Sensor, der
Drücke
im Bereich von einem Torr misst, typischerweise einer Veränderung
von nur zwei Picofarad in der Kapazität des Sensors 140). Demgemäß ist es
wichtig, jedwede Streukapazitäten, die
mit der Messung der Kapazität
des Sensors 140 verbunden sind, auf ein Mindestmaß zu verringern. Ein
Verfahren zur Verringerung dieser Streukapazitäten auf ein Mindestmaß ist, den
vorderen Elektronikaufbau 160 dicht am Sensor 140 anzuordnen
und dadurch die Länge
der Drähte 164,
die den Aufbau 160 und den Sensor 140 elektrisch
verbinden, auf ein Mindestmaß zu
verringern.
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Idealerweise
schwankt das Ausgangssignal des Wandlers 100 nur gemäß Veränderungen
im Druck des Fluids im Rohr 144. Doch Veränderungen in
der Temperatur des Wandlers 100 oder Temperaturgefälle im Wandler 100 können das
Ausgangssignal beeinflussen. Dies liegt hauptsächlich an den unterschiedlichen
Wärmeausdehnungskoeffizienten der
verschiedenen Materialien, die verwendet wurden, um den Sensor 140 aufzubauen.
Eine sekundäre
Wirkung steht mit der temperaturempfindlichen Leistung der vorderen
Elektronik 160 in Zusammenhang. Demgemäß kann die Genauigkeit des
Wandlers 100 durch Temperaturveränderungen in der umgebenden
Umgebung nachteilig beeinflusst werden.
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Um
die nachteilige Wirkung der sich verändernden Umgebungstemperatur
auf ein Mindestmaß zu
verringern, sind die temperaturempfindlichen Bestandteile des Wandlers 100 (d.h.,
der Sensor 140 und die vordere Elektronik 160)
im Heizvorrichtungsmantel 120 angeordnet und versucht die
Heizvorrichtung 130 beim Betrieb, den Heizvorrichtungsmantel 120 auf
eine gesteuerte kon stante Temperatur zu erhitzen. Die Heizvorrichtung 130 und
der Heizvorrichtungsmantel 120 bilden im Wesentlichen einen
temperaturgesteuerten Ofen, der versucht, die Temperatur der temperaturempfindlichen
Bestandteile bei einem konstanten vorgewählten Wert zu halten.
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Der
Aufbau von Heizvorrichtungen, die für die Heizvorrichtung 130 verwendet
werden können, ist
wohlbekannt. Eine bevorzugte Heizvorrichtung ist in der ebenfalls
anhängigen
US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 09/685,154 (Anwaltsliste
Nr. MKS-78, US-A-6,772,640, veröffentlicht
am 10. August 2004) beschrieben. Kurz gesagt wird die Heizvorrichtung 130 normalerweise
durch Anordnen von Drähten
oder Leiterzügen
(z.B. Kupfer), die durch einen ausgewählten elektrischen Widerstand
gekennzeichnet sind, auf einem biegsamen, elektrisch isolierenden,
wärmeleitfähigen Mantel
gebildet. Die Leiterzüge
sind so gewählt,
dass sie den Heizvorrichtungsmantel 120 auf eine vorgewählte Temperatur
erhitzen werden, wenn ein bestimmtes elektrisches Signal an die
Leiterzüge
angelegt wird. Der elektrisch isolierende, wärmeleitfähige Mantel ist gewöhnlich aus
dünnen
Schichten von Silikongummi oder Kapton (d.h., ein von Dupont unter
dem Markennamen Kapton verkaufter Polyimid-Hochtemperaturfilm) hergestellt.
Die Heizvorrichtung 130 ist wie in 1 angegeben
normalerweise dauerhaft an die äußere Oberfläche des Heizvorrichtungsmantels 120 gebunden.
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Beim
Betrieb legt der Heizvorrichtungssteuerungselektronikaufbau 170 ein
elektrisches Signal über
Drähte 172 an
die Heizvorrichtung 130 an. Der Heizvorrichtungssteuerungselektronikaufbau 170 beinhaltet
normalerweise Bestandteile zum Überwachen
der Temperatur des Heizvorrichtungsmantels 120 über einen
Sensor 190 und zum Regulieren des an die Heizvorrichtung 130 angelegten Signals,
um den Mantel 120 bei einer konstanten Temperatur zu halten.
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Trotz
der wie oben beschriebenen Verwendung von Heizvorrichtungsmänteln 120 und
Heizvorrichtungen 130 ist der kapazitive Sensor 140 nach wie
vor häufig
Wärmegefällen ausgesetzt.
Zum Beispiel kann die Oberseite des Sensors 140 beim Betrieb
etwas heißer
als die Unterseite des Sensors werden. Derartige Gefälle beeinflussen
die Leistung des Wandlers 100 nachteilig. Die US-Patentschrift Nr.
5,625,152 (Pandorf) offenbart einen Aufbau, der dazu neigt, die
Wärmegefälle am kapazitiven
Drucksensor zu verringern. Die in jener Patentschrift offenbarten
Wandler beinhalten zwei Heizvorrichtungsmantel, die voneinander
getrennt sind. Der kapazitive Sensor ist an einem der Heizvorrichtungsmäntel angeordnet,
und die Elektronik ist im anderen Heizvorrichtungsmantel angeordnet.
Jeder Heizvorrichtungsmantel ist mit seiner eigenen Heizvorrichtung ausgestattet,
und die beiden Mäntel
können
auf unterschiedliche Temperaturen erhitzt werden. Ein Problem bei
diesem Aufbau ist, dass das Bereitstellen von zwei gesonderten Heizvorrichtungsmänteln die Kosten
des Wandlers nachteilig erhöht.
Ein anderes Problem bei diesem Aufbau ist, dass er dazu neigt, den
Abstand zwischen dem Sensor und der Elektronik zu erhöhen, wodurch
die Kapazität
der Drähte, die
sie verbinden, erhöht
wird.
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Demgemäß wäre es vorteilhaft,
einen Aufbau zu entwickeln, um Temperaturgefälle in kapazitiven Druckwandlern
auf billige Weise zu verringern.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Diese
und andere Vorteile werden durch eine thermische Sperre bereitgestellt,
die im Heizvorrichtungsmantel zwischen dem Sensor und dem vorderen
Elektronikaufbau angeordnet ist. Somit wird nach der vorliegenden
Erfindung ein Druckwandler bereitgestellt, der Folgendes umfasst:
(A) ein Gehäuse;
(B) einen kapazitiven Drucksensor, der im Gehäuse angeordnet ist, wobei der
Sensor eine biegsame Membran und einen Leiter umfasst, wobei eine
Kapazität zwischen
der Membran und dem Leiter einen Druck auf die Membran anzeigt;
(C) einen Elektronikaufbau, der im Gehäuse angeordnet ist, wobei der
Aufbau elektrisch mit dem Sensor verbunden ist, wobei der Aufbau
ein Signal erzeugt, das für
die Kapazität kennzeichnend
ist; (D) eine wärmeleitfähige Platte, die
im Gehäuse
angeordnet ist, wobei die Platte zwischen dem Sensor und dem Aufbau
angeordnet ist; und (E) eine wärmeleitfähige Feder,
die im Gehäuse angeordnet
ist, wobei die Feder mit einem äußerem Umfang
der Platte und dem Gehäuse
in Kontakt steht. Das Gehäuse
umfasst vorzugsweise einen wärmeleitfähigen Heizvorrichtungsmantel.
Die wärmeleitfähige Platte
und die Feder bilden die thermische Sperre, die den Heizvorrichtungsmantel
vorzugsweise in einen unteren Abschnitt und einen oberen Abschnitt
teilt, wobei der Sensor im unteren Abschnitt angeordnet ist. Die
thermische Sperre und der untere Abschnitt des Heizvorrichtungsmantels
bilden ein Gehäuse
mit gleichmäßiger Temperatur,
das den Sensor umgibt.
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Wärme, die
vom Elektronikaufbau zum Sensor strömt, wird durch die thermische
Sperre abgefangen und zum Heizvorrichtungsmantel geleitet, wodurch
die Wärmegefälle am Sensor
verringert werden. In der gleichen Weise wird ein Wärmefluss
(der z.B. durch eine nichtsymmetrische Anordnung der Heizvorrichtungen
verursacht wird) von der Unterseite des Heizvorrichtungsmantels
zur Oberseite des Mantels durch die thermische Sperre aufgenommen, wodurch
Wärmegefälle im unteren
Abschnitt des Heizvorrichtungsmantels verringert werden.
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Noch
andere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden Fachleuten
aus der folgenden ausführlichen
Beschreibung, in der mehrere Ausführungsformen einfach durch
Darstellung der besten Weise der Erfindung gezeigt und beschrieben sind,
leicht ersichtlich werden. Wie man erkennen wird, ist die Erfindung
zu anderen und unterschiedlichen Ausführungsformen fähig, und
sind ihre verschiedenen Einzelheiten zu Abänderungen in verschiedenster
Hinsicht fähig,
ohne von der Erfindung abzuweichen. Demgemäß sollen die Zeichnungen und
die Beschreibung als veranschaulichend und nicht in einem beschränkenden
oder begrenzenden Sinn betrachtet werden, wobei der Umfang der Anmeldung
in den Ansprüchen
angegeben ist.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Für ein vollständigeres
Verständnis
der Natur und der Aufgaben der vorliegenden Erfindung sollte auf
die folgende ausführliche
Beschreibung Bezug genommen werden, die in Verbindung mit den beiliegenden
Zeichnungen vorgenommen wird, in denen die gleichen Bezugszeichen
verwendet werden, um gleiche oder ähnliche Teile anzugeben, wobei
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1 eine
Schnittansicht eines geheizten kapazitiven Druckwandlers nach dem
Stand der Technik zeigt.
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2 zeigt
eine Schnittansicht eines kapazitiven Drucksensors nach dem Stand
der Technik.
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3 zeigt
eine Schnittansicht eines geheizten kapazitiven Druckwandlers, der
nach der Erfindung aufgebaut ist.
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4A zeigt
eine Seitenansicht einer thermischen Platte, die nach der Erfindung
aufgebaut ist.
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4B zeigt
eine Ansicht der Unterseite der thermischen Platte in der Richtung
der in 4A gezeigten Linie 4B-4B.
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4C zeigt
eine Ansicht der Oberseite der thermischen Platte in der Richtung
der in 4A gezeigten Linie 4C-4C.
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4D zeigt
eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform einer thermischen Platte,
die nach der Erfindung aufgebaut ist.
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5A und 5B zeigen
eine Vorderansicht bzw. eine Seitenansicht einer thermischen Feder,
die nach der Erfindung aufgebaut ist.
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5C und 5D zeigen
eine Vorderansicht bzw. eine Seitenansicht einer anderen Ausführungsform
einer thermischen Feder, die nach der Erfindung aufgebaut ist.
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6A und 6B zeigen
Schnittansichten eines Abschnitts einer bevorzugten Ausführungsform eines
geheizten kapazitiven Druckwandlers, der nach der Erfindung aufgebaut
ist.
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7 zeigt
eine Schnittansicht eines ungeheizten kapazitiven Druckwandlers,
der nach der Erfindung aufgebaut ist.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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3 zeigt
eine Schnittansicht eines geheizten kapazitiven Wandlers 300,
der nach der Erfindung aufgebaut ist. Der Wandler 300 ist
dem Wandler 100 nach dem Stand der Technik (wie in 1 gezeigt) ähnlich,
doch beinhaltet der Wandler 300 zusätzlich eine thermische Sperre 310,
die zwischen dem Sensor 140 und der vorderen Elektronik 160 angeordnet
ist. Die thermische Sperre 310 verbessert die Leistung
des Wandlers 300, indem sie die Wärmegefälle am Sensor 140 verringert
und die thermische Stabilität
der vorderen Elektronik 160 bewahrt.
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Die
thermische Sperre 310 beinhaltet eine hochwärmeleitfähige Platte 320 und
eine hochwärmeleitfähige Feder 340.
Die Feder 340 ist zwischen dem äußeren Umfang der Platte 320 und
der Innenwand des Heizvorrichtungsmantels 120 angeordnet und
stellt einen mechanischen und einen thermischen Kontakt damit her.
Demgemäß bildet
die thermische Sperre 310 eine wärmeleitfähige Wand, die das Innere des
Heizvorrichtungsmantels 120 in einen unteren umschlossenen
Raum 352 und einen oberen umschlossenen Raum 354 trennt,
wobei der Sensor 140 im unteren Raum 352 angeordnet
ist, und der vordere Elektronikaufbau 160 im oberen Raum 354 angeordnet
ist. Der untere Raum 352 wird durch die thermische Sperre 310 und
durch den Abschnitt 356 der Dose 122, der sich
unter der thermischen Sperre 310 befindet, begrenzt. Der
obere Raum 354 wird durch die thermische Sperre 310,
die Abdeckung 124, und den Abschnitt 358 der Dose 122,
der sich über
der thermischen Sperre 310 befindet, begrenzt.
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Beim
Betrieb des Wandlers 300 ist der vordere Elektronikaufbau 160 häufig der
heißeste
Bestandteil, der im Mantel 120 angeordnet ist. Dies liegt daran,
dass die im Aufbau 160 verwendete Elektrizität Wärme erzeugt,
wohingegen die anderen Bestandteile im Mantel 120, wie etwa
der Sensor 140, passive Vorrichtungen sind, die keine Wärme erzeugen.
Beim Wandler 100 des Stands der Technik konnte die durch
den Elektronikaufbau 160 erzeugte Wärme abwärts wandern und die Oberseite
des Sensors 140 erhitzen, wodurch ein unerwünschtes
Wärmegefälle über den
Sensor 140 erzeugt wurde, indem die Oberseite des Sensors 140 heißer als
die Unterseite des Sensors 140 gemacht wurde. Im Gegensatz
zum Stand der Technik wird beim Wandler 300 Wärme, die
durch den Aufbau 160 erzeugt wird und sich (sowohl durch
Konvektion als auch durch Ausstrahlung) abwärts zum Sensor 140 ausbreitet, durch
die thermische Sperre 310 abgefangen und durch die thermische
Sperre 310 zu den Wänden
der Dose 122 geleitet. Dies verringert Wärmegefälle am Sensor 140 vorteilhaft
und schafft ein (durch den unteren Abschnitt 356 der Dose 122 und
die thermale Sperre 310 gebildetes) Gehäuse mit gleichmäßiger Temperatur,
das den Sensor 140 umgibt.
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Eine
andere Quelle für
Temperaturgefälle
am Sensor 140 des Wandlers 100 des Stands der
Technik steht mit der Anordnung der Heizvorrichtung 130 in
Zusammenhang. Wie in 1 gezeigt sind die Heizvorrichtungen 132, 134 an
den Seitenwänden und
an der Unterseite des Heizvorrichtungsmantels 120 angeordnet,
doch ist keine Heizvorrichtung an der Oberseite des Heizvorrichtungsmantels 120 angeordnet.
Aufgrund dieser Heizvorrichtungsgestaltung kann die Oberseite des
Heizvorrichtungsmantels kühler
als der Rest des Mantels werden, wodurch im Heizvorrichtungsmantel 120 ein
Temperaturgefälle
hergestellt wird. Dieses Gefälle
kann wiederum verursachen, dass sich ein Temperaturgefälle über den
Sensor 140 entwickelt, so dass die Unterseite des Sensors 140 heißer als
die Oberseite ist.
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Da
der Wandler 300 die gleiche Gestaltung der Heizvorrichtungen
verwendet, die im Wandler 100 verwendet wird, können sich
im Heizvorrichtungsmantel 120 des Wandlers 300 Temperaturgefälle entwickeln
(wobei die Oberseite 124 des Heizvorrichtungsmantels 120 kühler als
die Unterseite des Mantels ist). Doch im Gegensatz zum Stand der Technik
erzeugt dieses Gefälle
im Heizvorrichtungsmantel beim Wandler 300 entweder kein
Temperaturgefälle
im Sensor 140 oder nur ein verringertes Temperaturgefälle im Sensor 140.
Beim Wandler 300 wird Wärme,
die in den Wänden
des Heizvorrichtungsmantels 120 von der Unterseite der
Dose 122 zur Abdeckung 124 wandert, durch die
thermische Sperre 310 aufgenommen und geleitet. Dies hat
die Wirkung der Neigung, jedwede Wärmegefälle im Heizvorrichtungsmantel 120 auf
den Bereich über
der thermischen Sperre 310 zu beschränken, und der Neigung, jedwede
Wärmegefälle aus
dem Abschnitt des Heizvorrichtungsmantels 120 unter der
thermischen Sperre 310 zu beseitigen oder zu verringern.
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Zusammengefasst
umgibt das Vorhandensein der thermischen Sperre 310 ungeachtet
des bestimmten Grunds für
ein thermisches Ungleichgewicht im Wandler 300 den Sensor 140 mit
einem Gehäuse,
das sich bei einer gleichmäßigen Temperatur befindet
(wobei das Gehäuse
durch die thermische Sperre 310 und durch den Abschnitt
des Heizvorrichtungsmantels 120 unter der Sperre 310 gebildet
ist), und verringert oder beseitigt es dadurch vorteilhaft Wärmegefälle vom
Sensor 140.
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Andere
Vorteile der thermischen Sperre 310 beinhalten (1) das
Verbessern der Temperatursteuerung des Sensors 140, ohne
eine Zunahme in der Entfernung zwischen dem Sensor 140 und
dem vorderen Elektronikaufbau 160 notwendig zu machen, und
(2) das Einschließen
des vorderen Elektronikaufbaus 160 in einer temperaturgesteuerten
Umgebung (die durch die Abdeckung 124, die thermische Sperre 310 und
den Abschnitt der Dose 122 über der thermischen Sperre 310 gebildet
wird), wodurch nachteilige Wirkungen, die durch die temperaturempfindliche Leistung
des Aufbaus 160 verursacht werden, verringert werden.
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4A zeigt
eine Seitenansicht einer Ausführungsform
der Platte 320. 4B zeigt
eine Ansicht der Unterseite der Platte 320 entlang der
Richtung der in 4A gezeigten Linie 4B-4B. 4C zeigt
eine Ansicht der Oberseite der Platte 320 entlang der Richtung
der in 4A gezeigten Linie 4C-4C. 4D zeigt
eine perspektivische Ansicht der Platte 320.
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Die
Platte 320 ist im Allgemeinen scheibenförmig und definiert eine kreisförmige obere
Fläche 321 und
eine kreisförmige
untere Fläche 322.
Wie am besten in 4C und 4D ersichtlich
definiert die Platte 320 fünf Öffnungen 331, 332, 333, 334, 335, die
sich alle von der oberen Fläche 321 zur
unteren Fläche 322 durch
die Platte 320 erstrecken. Wenn die Platte 320 in
den Wandler 300 eingebaut ist, erstrecken sich zwei Anbringungssäulen 162 durch
die Öffnungen 331, 332.
Diese Anbringungssäulen 162 halten
den Elektronikaufbau 160 in einer festen Beziehung zum
Sensor 140. Wenn die Platte 320 in den Wandler 300 eingebaut
ist, erstrecken sich außerdem
elektrische Drähte,
oder Durchführungen,
164 durch die Öffnung 333.
Diese Drähte 164 verbinden den
Sensor 140 elektrisch mit dem Aufbau 160. Das Führen der
Drähte 164 durch
die Öffnung 333 isoliert sie
elektrisch von der Platte 320. Die Öffnungen 334, 335 sind
in der Platte 320 bereitgestellt, um andere Merkmale unterzubringen,
die gewöhnlich
im Sensor 140 vorhanden sind, wie etwa wie in 2 gezeigt das
Rohr 260 und den Getter 262.
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Die
Platte 320 definiert zusätzlich zwei zylinderförmige Ansätze 336, 337,
die sich von der unteren Fläche 322 abwärts erstrecken.
Der Ansatz 336 ist um den Umfang der Öffnung 332 angeordnet,
und der Ansatz 337 ist um den Umfang der Öffnung 331 angeordnet.
Wenn die Platte 320 in den Wandler 300 eingebaut
ist, ruht die Unterseite der Ansätze 336, 337 auf
der oberen Oberfläche
des Sensors 140. Die Ansätze 336, 337 stellen
vorzugsweise eine Ausrichtungs- oder Anordnungsfunktion bereit.
Das heißt,
in bevorzugten Ausführungsformen
des Wandlers 300 passen die Ansätze 336, 337 über zwei
Vorsprünge (nicht
gezeigt), die in der oberen Oberfläche des Sensors 140 bereitgestellt
sind. Wenn die Platte 320 so ausgerichtet ist, dass sich
die Ansätze 336, 337 über die
Vorsprünge
fügen,
sind auch die Öffnungen
in der Platte 320 mit den Anbringungssäulen, den Drähten, und
anderen Merkmalen, die sich durch die Öffnungen erstrecken, ausgerichtet.
Die Ansätze 336, 337 trennen
(oder beabstanden) die Platte 320 und den Sensor 140 auch,
so dass zwischen dem Sensor 140 und dem Großteil der
Platte 320 ein Luftraum gebildet wird. Die Ansätze 336, 337 verringern
dadurch den Oberflächenbereich
des Kontakts zwischen der Platte 320 und dem Sensor 140.
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Wie
in 4A gezeigt definiert die Platte 320 zusätzlich zur
oberen Fläche 321 und
zur unteren Fläche 322 auch
eine Seitenwand 323, die sich um den äußeren Umfang der Platte 320 erstreckt.
Die Seitenwand 323 definiert eine Vertiefung 326 zwischen
der oberen und der unteren Fläche 321, 322. Aufgrund
des Vorhandenseins dieser Vertiefung ist der Außendurchmesser OD1 der Platte 320 an
oder oberen und an der unteren Fläche 321, 322 größer als
der Außendurchmesser
OD2 der Platte 320 an einem Punkt zwischen der oberen und
der unteren Fläche 321, 322.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist OD1 im Wesentlichen gleich 2,185 Zoll; ist OD2 im Wesentlichen gleich
2,085 Zoll; ist die Dicke T1 der Platte 320 zwischen der
oberen und der unteren Fläche 321, 322 im
Wesentlichen gleich 0,190 Zoll; und ist die Dicke T2 der Platte
zwischen der oberen Fläche 321 und
dem unteren Ende der Ansätze 326, 327 im
Wesentlichen gleich 0,265 Zoll. Bevorzugte Materialien zum Aufbauen
der Platte 320 und des Heizvorrichtungsmantels 120 sind
hochwärmeleitfähige Materialien
wie etwa Aluminium.
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Bei
der in 4D veranschaulichten Ausführungsform
definiert die Platte 320 zusätzlich drei Öffnungen,
oder Kerben, 327, die um den äußeren Umfang der Platte 320 angeordnet
sind. Obwohl die Kerben 327 beinhaltet sein können, um
zusätzliche
Anordnungsmerkmale bereitzustellen, beinhalten bevorzugte Ausführungsformen
der Platte 320 keine Kerben 327. Abgesehen von
der Aufnahme der Kerben 327 zeigt 4D eine
genauere Darstellung der bevorzugten Ausführungsform der Platte 320,
als dies 4A bis 4C tun.
Im Besonderen zeigt 4D bevorzugte Stellen der fünf Öffnungen 331 bis 335 und
der zwei Ansätze 336, 337 genauer,
als dies 4A bis 4C tun.
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Wie
in 3 gezeigt ist die Feder 340 zwischen
dem Heizvorrichtungsmantel 120 und der Platte 320 angeordnet,
wenn der Wandler 300 zusammengesetzt ist. Genauer ruht
die Feder 340 in der Vertiefung 326, die in der
Seitenwand 323 der Platte definiert ist.
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Die
Feder 340 ist vorzugsweise aus einem hochwärmeleitfähigen Material
hergestellt und stellt einen thermischen Kontakt zwischen der Dose 122 des
Heizvorrichtungsgehäuses 120 und
der Platte 320 bereit. Eine Möglichkeit zur Ausführung der
Feder 340 ist, einen Wendeldraht zu verwenden. 5A und 5B zeigen
eine Vorderansicht bzw. eine Seitenansicht einer Wendeldraht-Ausführungsform
der Feder 340. 5C und 5D zeigen
eine Vorderansicht bzw. eine Seitenansicht einer anderen Wendeldraht-Ausführungsform
der Feder 340. Federn der in 5A bis 5D veranschaulichten
Art sind von Bal Seal Engineering Company, Inc., Santa Ana, Kalifornien,
im Handel erhältlich.
Als eine Alternative zu einem Wendeldraht kann die Feder 340 unter
Verwendung eines Metallnetzes ausgeführt werden, das sich um einen
elastomeren Kern erstreckt. Derartige Federn sind zum Beispiel von
Tecknit USA, Cranford, New Jersey, im Handel erhältlich.
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Die
Feder 340 stellt vorzugsweise zwei Funktionen bereit. Erstens
stellt sie eine gute Wärmeleitfähigkeit
zwischen dem Heizvorrichtungsgehäuse 120 und
der Platte 320 bereit. Demgemäß wird die Feder 340 vorzugsweise
aus einem guten Wärmeleiter
(z.B. Kupfer oder einer hochwärmeleitfähigen Legierung)
hergestellt. Zweitens stellt die Feder 340 eine verhältnismäßig schwache
Federkraft zwischen dem Inneren des Heizvorrichtungsmantels 120 und
der Seitenwand 323 der Platte 320 bereit. Die
durch die Feder 340 bereitgestellte Federkraft sollte ausreichend
stark sein, um eine Bewegung der Platte 320 im Wandler 300 zu
verhindern, wenn die thermische Sperre 310 im Heizvorrichtungsmantel 120 angebracht
ist. Die durch die Feder 340 bereitgestellte Federkraft
sollte auch ausreichend schwach sein, um zu verhindern, dass die
Feder 340 eine bedeutende mechanische Beanspruchung auf
das Heizvorrichtungsgehäuse 120 ausübt. Bevorzugte Auswahlmöglichkeiten
für die
durch die Feder 340 bereitgestellte Federkraft, wenn die
thermische Sperre 310 in den Wandler 300 eingebaut
ist, liegen im Bereich von zwei bis fünfzehn Gramm pro Zoll Umfang
(d.h., zwei bis fünfzehn
Gramm für
jeden Zoll des Umfangs). Man wird verstehen, dass die Feder 340 unter
Verwendung anderer Aufbauten als eines Wendeldrahts oder eines Metallnetzes,
das einen elastomeren Kern umgibt, ausgeführt werden kann, sofern die
Feder 340 das gewünschte
Ausmaß an Wärmeleitfähigkeit
und die gewünschte
Federkraft bereitstellt.
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Bei
der in 4A veranschaulichten Ausführungsform
beinhaltet die Seitenwand 323 einen Vorsprung 324 an
der oberen Fläche 321 und
einen Vorsprung 325 an der unteren Fläche 322 und ist die Vertiefung 326 zwischen
den Vorsprüngen 324, 325 definiert.
Man wird verstehen, dass die Vertiefung 326 nur eine bequeme
Stelle zur Anordnung der Feder 340 oder zum Fangen der
Feder 340 zwischen der Platte 320 und dem Heizvorrichtungsmantel 120 bereitstellt.
Demgemäß könnte die
Vertiefung 326 in einer Vielfalt von Weisen geformt sein
und muss die Platte 320 keine wie in 4A gezeigten
Vorsprünge 324, 325 beinhalten.
Zum Beispiel könnte
die Seitenwand 323 in einer anderen Ausführungsform
im Allgemeinen C-förmig sein.
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6A und 6B zeigen
zwei Schnittansichten einer bevorzugten Ausführungsform eines Abschnitts
des Wandlers 300. Genauer zeigen 6A und 6B das
Druckrohr 144, den Heizvorrichtungsmantel 120,
und im Heizvorrichtungsmantel 120 angeordnete Bestandteile.
Zur Klarheit sind Bestandteile, die sich außerhalb des Heizvorrichtungsmantels 120 befinden
(wie der Außenmantel 110), und
die Feder 340 in 6A und 6B nicht
gezeigt.
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7 zeigt
eine andere Ausführungsform
eines kapazitiven Druckwandlers 700, der nach der Erfindung
aufgebaut ist. Der Wandler 700 ist eine ungeheizte Einheit.
Somit beinhaltet der Wandler 700 anders als der Wandler 300 keinen
Heizvorrichtungsmantel 120 oder keine Heizvorrichtung 130.
Doch abgesehen vom Fehlen des Heizvorrichtungsmantels 120 und
der zugehörigen
Bestandteile ist der Wandler 700 dem Wandler 300 ähnlich.
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Wie
in 7 gezeigt beinhaltet der Wandler 700 eine
thermische Sperre 310, die zwischen dem Sensor 140 und
dem vorderen Elektronikaufbau 160 angeordnet ist. Die Abmessungen
der thermischen Sperre 310, die im Wandler 700 verwendet
wird, unterscheiden sich etwas von jenen der im Wandler 300 verwendeten
thermischen Sperre. Genauer ist der Außendurchmesser der thermischen
Sperre vorzugsweise erweitert, so dass die thermische Sperre 310 mit
dem Außenmantel 110 des
Wandlers 700 in Kontakt steht.
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Obwohl
der Wandler 700 nicht geheizt ist, stellt die thermische
Sperre 310 eine ähnliche
Funktion wie im Wandler 300 bereit. Wenn die thermische Sperre 310 nicht
im Wandler 700 vorhanden wäre, könnte zum Beispiel Wärme, die
durch den Elektronikaufbau 160 erzeugt wird, die Oberseite
des Sensors 140 erhitzen, wodurch im Sensor 140 ein
Wärmegefälle erzeugt
wird und die Leistung des Wandlers nachteilig beeinflusst wird.
Doch im Wandler 700 wird Wärme, die sich von der Anordnung 160 zum
Sensor 140 hin ausbreitet, durch die thermische Sperre 310 abgefangen
und vom Sensor 140 weg und über den Mantel 110 in
die umgebende Umgebung geleitet.
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Man
wird verstehen, dass es verhältnismäßig einfach
ist, die Vorteile der Erfindung zu erlangen. Zum Beispiel könnte die
thermische Sperre 310 leicht in Druckwandler mit den Modellnummern 627 und 622,
die vom Zessionär
der vorliegenden Erfindung im Handel erhältlich sind, aufgenommen werden.
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Man
wird ferner verstehen, dass die Erfindung Veränderungen und Abänderungen
der oben beschriebenen Ausführungsformen
einschließt.
Zum Beispiel kann die Feder 340 aus der thermischen Sperre 310 beseitigt
werden. Bei derartigen federlosen Ausführungsformen sind die Abmessungen
der Platte 320 vorzugsweise erweitert, so dass die Seitenwand
der Platte mit dem Heizvorrichtungsmantel oder dem Außengehäuse des
Wandlers in Kontakt oder beinahe in Kontakt steht. Bei derartigen
federlosen Ausführungen
muss die Platte 320 auch keine Kerbe 326 definieren.
Als anderes Beispiel wurde die Platte 320 als im Allgemeinen
scheibenförmig
(z.B. mit einer kreisförmigen
oberen und unteren Fläche) beschrieben.
Doch die Form der Platte 320 kann leicht zur Verwendung
in Wandlern angepasst werden, die andere Geometrien (z.B. quadratisch)
verwenden.