DE4042411C2

DE4042411C2 - Kapazitiver Differenzdruckdetektor

Info

Publication number: DE4042411C2
Application number: DE4042411A
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: 1993-09-30
Anticipated expiration: 2010-04-12
Also published as: GB2231159B; DE4042410C2; US5056369A; JP2639159B2; GB9008565D0; BR9001722A; GB2231159A; DE4011734C2; KR940001481B1; KR900016743A; DE4011734A1; JPH03175329A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf, einen kapazitiven Differenzdruckdetektor nach dem Oberbegriff des Anspruchs. Ein solcher ist aus der DE-OS 38 27 138 bekannt.

Fig. 2 der Zeichnungen zeigt einen Querschnitt durch den Aufbau des 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 Platte 12, die der Membran 10 gegenübersteht, und einer isolierenden Platte 13, die auf der ersten leitfähigen Platte 12 angeordnet ist, sowie einer zweiten leitfähigen Platte 14, die mit der isolierenden Platte 13 verbunden ist. Die ersten und zweiten leitfähigen Platten 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 Platte 13 verbunden ist und um eine ringförmige Rille 23 angeordnet ist, die die erste leitfähige Platte 12 umgibt. Der Träger 21 ist mit der Membran 10 an einem Glasverbindungsabschnitt 11 vorbestimmter Dicke verbunden. Die erste leitfähige Platte 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 Spalt 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 Spalt 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. 2 gezeigte Druckdetektor befindet sich gemäß Fig. 1 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 Spalten 29 und 30 und die Druckzuführungslöcher 25 und 26 mit dem Silikonöl gefüllt.

Aus der DE-OS 35 23 104 ist eine Differenzdruckmeßvorrichtung bekannt, enthaltend eine Meßelektrode, der in festen Abständen eine erste und eine zweite felderzeugende Elektrode gegenüberstehen. Die Meßelektrode ist gleichzeitig eine Druckmeßmembran, deren eine Seite einem ersten Druck und deren andere Seite einem zweiten Druck ausgesetzt ist. Die felderzeugenden Elektroden weisen jeweils einen Durchbruch auf, so daß beide Seiten der Elektroden jeweils demselben Druck ausgesetzt sind und von diesem unbeeinflußt bleiben.

Bei dem konventionellen Drucksensor nach der eingangs genannten DE-OS 38 27 138 sind die ersten leitfähigen Platten 12 und 17 mechanisch durch Ultraschall oder durch Schleifen spanabhebend bearbeitet worden, weshalb es Toleranzen (gewöhnlich in der Größenordnung von 50 bis 100 µm) gibt, der Rand des spanabhebend bearbeiteten Teils nicht völlig glatt ist und eine ausgefranste Kontur aufweist und andere vergleichbare Fehler vorhanden sind. Das von dem Sensor erhältliche Signal F ist daher nicht proportional dem Differenzdruck P (=P2-P1).

Um die Proportionalität zwischen F und P aufrechtzuerhalten, ist es notwendig, diese Toleranzen zu vermindern. Hierdurch steigen die Bearbeitungskosten. Dieses ist das erste der zu lösenden Probleme.

Das zweite Problem, das zu Lösen ist, wird nachfolgend erläutert. Es sei der Fall betrachtet, daß bei dem in Fig. 2 gezeigten Aufbau ein übermäßiger Druck durch eines der Druckzuführungslöcher, beispielsweise das Loch 25, in den Differenzdruckdetektor eingeleitet wird. In diesem Falle gelangt die Membran 10 mit der festen Elektrode 20 in Berührung, die die Verstellung der Membran unter die Dicke des Glasverbindungsabschnitts 16 begrenzt, der die Membran 10 mit der festen Elektrode 20 verbindet. Aufgrund dieser Begrenzung der Membranverstellung ist die Membran 10 gegen den zugeführten übermäßigen Druck geschützt. Die mechanische, spanabhebende Bearbeitung wird auch zur Ausbildung des Druckzuführungslochs 26 im mittleren Abschnitt der ersten leitfähigen Platte 17 der festen Elektrode 20 verwendet. Dementsprechend kann der Rand des Loches ebenfalls ausgefranst oder scharf sein. Wenn die Elektrode mit der Membran in Berührung gelangt, dann können diese Randabschnitte die Membran 10 beschädigen. Insbesondere wenn die Membran 10 aus einem spröden Material, beispielsweise Silikongummi besteht, kann die Membran brechen.

Ein weiteres, drittes Problem besteht in folgendem. Wie in Fig. 2 gezeigt, ist die Membran mit dem Träger 21 unter Verwendung von Glas oder Tonerde verbunden. Bei der Herstellung der Verbindung wird die gesamte Oberfläche des Trägers 21, die der Membran 10 gegenübersteht, mit dem Glas oder der Tonerde beschichtet, und die erste leitfähige Platte 12 wird axial ausgerichtet mit einem beweglichen wirksamen Durchmesser der Membran 10 (Durchmesser der Membranfläche, die in Abhängigkeit vom zugeführten Druck verstellt werden soll), d. h. mit dem inneren Durchmesser des Glasverbindungsabschnitts 11. Im allgemeinen wird der Träger 21 durch spanabhebende Bearbeitung der ersten leitfähigen Platte 12 auf der festen Elektrode 15 ausgebildet. Die Toleranzen und die Splitter oder Spitzen, die durch die spanabhebende Bearbeitung hervorgerufen werden, führen unvermeidbar zu einem geometrischen Fehler des Innendurchmessers des Trägers 21. Dieses führt schließlich zu einem geometrischen Fehler des beweglichen wirksamen Durchmessers der Membran 10. Angenommen, der variable wirksame Durchmesser der Membran 10 sei "a" und ihre Dicke sei "h" , dann ist die Verstellung "D" der Membran aufgrund der Druckdifferenz (P2-P1) gleich:

D=K (a/2)⁴·(1/h)³

wobei K eine Materialkonstante der Membran 10 ist, die durch den Young-Modul und das Poisson-Verhältnis bestimmt ist. Wie man aus der vorstehenden Gleichung entnehmen kann, bewirkt ein Bearbeitungsfehler der variablen wirksamen Fläche "a", daß die Verstellung "D" um einen Wert schwankt, der etwa viermal so groß ist, wie ein Verhältnis des Bearbeitungsfehlers "da" zum schwankenden wirksamen Durchmesser "a". Wie bereits festgestellt, kann der Innendurchmesser "b" des Trägers 21 als dem beweglichen wirksamen Durchmesser "a" der Membran 10 gleich angesehen werden. Dementsprechend ist ein Fehler "da" des beweglichen wirksamen Durchmessers "a" gleich einem Bearbeitungsfehler "db" des Innendurchmessers des Trägers 21. Dies wird unter Verwendung spezifischer Zahlen beschrieben. Es sei der Fall angenommen, daß

a=b=7 mm
da=db=0,2 mm.

Der Bearbeitungsfehler "db" ist der gewöhnliche Fehler bei spanabhebender Bearbeitung in der Größenordnung von 0,1 mm, da der Innendurchmesser des Trägers spanabhebend erstellt wird. Das Verhältnis der Verstellung "D1" einschließlich des Bearbeitungsfehlers zur Verstellung "D", die den Fehler nicht enthält, ist:

D1/D=K((a+da)/2)⁴(1/h)3=((a+da)/a)⁴
K (a/2)⁴(1/h)³ = ((b+db)/b)⁴=1.11928.

Der relative Fehler der Verstellung "D" aufgrund des Bearbeitungsfehlers "db" des Innendurchmessers "b" des Trägers 21 beträgt somit etwa 12%. Diese Zahl ist etwa viermal so groß wie der relative Fehler von 2,86% des Innendurchmessers "b" des Trägers 21. Eine geringe Genauigkeit bei der spanabhebenden Bearbeitung des beweglichen wirksamen Durchmessers ruft daher eine entsprechende Genauigkeitsschwankung des kapazitiven Drucksensors hervor. Dies ist in hohem Maße unerwünscht.

Die konventionellen Druckdetektoren der obengenannten Art weisen weiterhin das Problem auf, daß sie langsam ansprechen. Wenn ein übermäßiger Druck plötzlich abgebaut wird, dann kann die Membran diesem Druckabbau nicht schnell genug folgen.

Die bekannten Druckdetektoren der obenbeschriebenen Art werfen noch weitere Probleme auf.

Wenn der Differenzdruck (= P2-P1) sehr groß ist, dann wird die feste Elektrode 15 nach rechts durchgebogen oder verstellt. Die Kapazität zwischen der Membran 10 und jeder der festen Elektroden 15 und 20 ändert sich in Abhängigkeit von der Verstellung der festen Elektrode allein. Diese Tatsache erkennt man leicht bei dem in dem Detektorgerät nach Fig. 1. Dort ist die feste Elektrode, die mit keinem Bezugszeichen auf der linken Seite bezeichnet ist (entsprechend der festen Elektrode 15 in Fig. 2) einem Druck P2 unterworfen, der von der linken Seite zugeführt wird, und ferner einen Druck P1 unterworfen, der von der rechten Seite zugeführt wird.

In einem Zustand, in welchem eine Verstellung "De" der festen Elektrode 15 aufgrund des Differenzdrucks und die Verstellung "D" der obenbeschriebenen Art gleichzeitig auftreten, sind die Kapazitäten C1e und C2e zwischen der Membran 10 und den festen Elektroden 15 und 20 wie folgt:

C1e= ε·A/(T-D-De)
C2e=C2=ε·A/(T+D).

Man sieht, daß die Änderungen der Kapazitäten C1e und C2e nicht differentiell sind. Dementsprechend wird das Differenzdrucksignal Fe gegeben durch:

Fe= (C1e-C2e)/(C1e+C2e) = (2D+De)/(2D-De).

Wie man aus dieser Gleichung ersieht, ist, wenn "De" im Vergleich zu "D" nicht vernachlässigbar ist, das Differenzdrucksignal Fe nicht proportional zum Differenzdruck (=P2-P1). Mit anderen Worten, die Linearität des Signals Fe ist nicht mehr gegeben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kapazitiven Druckdetektor der eingangs genannten Art anzugeben der linear und genau arbeitet und dessen Membran nicht beschädigt wird, wenn ihm übermäßiger Druck zugeführt wird.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs gelöst.

Der erfindungsgemäße Differenzdruckdetektor hat den weiteren Vorteil, daß seine Membran bei einer schnellen Verminderung eines übermäßigen Differenzdrucks schnell anspricht.

Ein weiterer Vorteil ist, daß der Differenzdruckdetektor ein Differenzdrucksignal guter Linearität auch dann erzeugt, wenn der Differenzdruck groß ist.

Ferner weist der Differenzdruckdetektor ein gutes Temperaturverhalten auf.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 und 2 Querschnittsdarstellungen durch 016bekannte Differenzdruckdetektoren,

Fig. 3 eine Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 4 eine Querschnittsdarstellung eines Druckdetektorgerätes, das die Erfindung enthält.

Fig. 1 zeigt eine Querschnittsdarstellung einer bekannten Differenzdruckdetektorvorrichtung. In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 50 den kapazitiven Differenzdruckdetektor von Fig. 2. Der Druckdetektor 50 befindet sich in einer Kammer 52 eines tubusförmigen Elements 51 mit einem Boden und ist mit einem Metallrohr 54 über ein isolierendes Element 53 verbunden. Das Metallrohr 54 ist an einer Montageplatte 55 angeschweißt, die wiederum auf einen Öffnungsabschnitt des tubusförmigen Elements 51 geschweißt ist. Eine Kappe 56 ist weiterhin auf den Öffnungsabschnitt des tubusförmigen Elements 51 geschweißt. Die Kappe 56 hat ein Durchgangsloch 57. Eine Dichtungsmembran 58 ist auf der Kappe 56 befestigt. Eine Druckaufnahmekammer 61 ist zwischen der Dichtungsmembran und der Oberfläche der Kappe ausgebildet. Die Unterseite des tubusförmigen Elements 51 hat ein Durchgangsloch 60. Eine Dichtungsmembran 59 ist auf der Unterseite befestigt, um eine Druckaufnahmekammer 62 dazwischen auszubilden. Ein hermetischer Dichtungsabschluß 63 mit Anschlußstiften A, B und C ist in einer der Seitenwände des tubusförmigen Elements 51 angebracht.

Ein Raum, der zwischen den Dichtungsmembranen 58 und 59 vorhanden ist und der die Kammer 52, Durchgangslöcher 57 und 60 und die Druckaufnahmekammern 61 und 62 einschließt, ist mit Siliconöl gefüllt. Druck, der auf jede der Dichtungsmembranen 58 und 59 einwirkt, wird durch das Siliconöl auf die Membran übertragen.

Eine Ausführungsform eines kapazitiven Differenzdruckdetektor gemäß der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Fig. 3 und 4 erläutert.

Fig. 3 zeigt eine Querschnittsdarstellung der Ausführungsform. Diese unterscheidet sich vom Stand der Technik nach Fig. 2 dahingehend, daß ein Substrat 80 mit einem Druckzuführloch 81 im mittleren Abschnitt am Umfangsrandbereich der linken Seite der leitfähigen Platte 14, die in der festen Elektrode 15 enthalten ist, durch einen Glasverbindungsabschnitt 42 befestigt ist, und daß anstelle der leitfähigen Schicht 31 eine leitfähige Schicht 34 an den Umfangsstirnflächen der leitfähigen Platte 14 und des Substrats 80 vorhanden ist. In Fig. 3 werden ansonsten gleiche Bezugszeichen verwendet, um gleiche oder äquivalente Teile von Fig. 2 zu zeigen.

Das Substrat 80 kann entweder aus isolierendem Material oder leitfähigem Material bestehen. In diesem Falle wird das gleiche leitfähige Material, wie beispielsweise Silicium, wie das der leitfähigen Platte 14 verwendet, weil es einfach zu erarbeiten ist, und um den Einfluß von Temperaturänderungen zu unterdrücken. Der Glasverbindungsabschnitt 42 kann beispielsweise aus einem Aluminium-Silicium-Eutecticum bestehen. Die Verwendung der leitfähigen Schicht 34 bringt das Substrat 80 und die leitfähige Platte 14 auf gleiches Potential.

Fig. 4 zeigt eine Querschnittsdarstellung einer Differenzdruckdetektorvorrichtung, bei der die obige Ausführungsform eingesetzt ist. In der Zeichnung unterscheidet sich die Differenzdruckdetektorvorrichtung von der nach Fig. 1 dahingehend, daß ein tubusförmiges Element 71 mit einem Boden anstelle des tubusförmigen Elementes 51 mit einem Boden verwendet wird und eine Kammer 72 die isolierende Kammer 52 ersetzt und ein Durchgangsloch 73 das Durchgangsloch 60 ersetzt. Der Unterschied entstammt der Tatsache, daß die Horizontalabmessung des kapazitiven Differenzdruckdetektors 82 länger ist als der Detektor 50, und zwar um die Länge des Substrats 80.

Die Betriebsweise der Vorrichtung wird nun unter Bezugnahme hauptsächlich auf Fig. 3 und ergänzend auf Fig. 4 erläutert.

In Fig. 3 sei angenommen, daß ein Druck P2, der von der rechten Seite zugeführt wird, sehr viel höher als ein Druck P1 von der linken Seite ist. Der Druck P2 wirkt auch auf die Umfangsaußenfläche am Detektor 82, wie in Fig. 4 gezeigt. Dementsprechend wirkt der Druck P2 auf die linke Seite des Substrats 80, während der Druck P1 auf die rechte Seite einwirkt. Eine Differenz zwischen den zugeführten Drücken (P2-P1) biegt das Substrat 80 nach rechts durch. Andererseits werden die festen Elektroden 15 und 20 nicht durchgebogen oder versetzt, weil die Drücke P1 und P2 auf beiden Seiten auf die festen Elektroden 15 und 20 einwirken.

Als Folge davon variieren die Kapazitäten, die von der Membran 10 und den festen Elektroden 15 und 20 gebildet werden, exakt in differentieller Weise. Dementsprechend variiert ein Differenzdrucksignal, das von dem Detektor 82 abgegeben wird, exakt proportional zur Änderung des Differenzdrucks.

Claims

Kapazitiver Differenzdruckdetektor mit einer Membran (10), die zwischen einer ersten und einer zweiten plattenartigen Elektrode (15, 20) mittels einer ringförmigen Einspannung derart gehalten ist, daß eine Seite der ersten Elektrode (15) und eine Seite der Membran (10) einen ersten Raum und eine Seite der zweiten Elektrode (20) und die andere der Membran (10) einen zweiten Raum festlegen und jeder dieser Räume über ein erstes bzw. zweites Druckzuführungsloch (25, 26) mit einem druckmäßig ersten bzw. druckmäßig zweiten Druckübertragungsfluid beaufschlagt ist, wobei der Diffe renzdruck durch die Differenz zwischen dem Druck im zweiten Druckübertragungsfluid und dem Druck im ersten Druckübertra gungsfluid festgelegt ist, die Membran (10) unter Einwirkung dieses Differenzdrucks gegenüber den Elektroden (15, 20) auslenkbar ist und gemeinsam mit diesen differenzdruckabhän gige Kapazitäten bildet, und das zweite Druckübertragungs fluid außer auf den zweiten Raum, die andere Seite der Mem bran (10) und die eine Seite der zweiten Elektrode (20) in nerhalb einer Kammer (72) auch auf die andere Seite der zweiten Elektrode (20) und - bezogen auf die ringförmige Einspannung (21, 22) - überdies radial auf die Membran (10), die Einspannung (21, 22), beide Räume sowie beide Elektroden (15, 20) einwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß die andere Seite der ersten plattenartigen Elektrode (15) über einen Umfangrandabschnitt (42) im einen Hohlraum definierenden Ab stand von einer Seite eines plattenförmigen Substrats (80) angeordnet ist, daß der erste Druck über ein drittes Druck zuführungsloch (81) und den Hohlraum dem ersten Druckzufüh rungsloch (25) zugeführt ist, so daß das erste Druckfluid beide Seiten der ersten Elektrode (15) beaufschlagt, und daß der gegenüber dem dritten Druckzuführungsloch (81) abgedich tete Teil der anderen Seite des Substrats (80) dem zweiten Druckfluid ausgesetzt ist.