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DE3037802A1 - Travel-frequency transducer - has RC oscillator capacitance varying in dependence upon travel reproducing measured variable - Google Patents

Travel-frequency transducer - has RC oscillator capacitance varying in dependence upon travel reproducing measured variable

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DE3037802A1
DE3037802A1 DE19803037802 DE3037802A DE3037802A1 DE 3037802 A1 DE3037802 A1 DE 3037802A1 DE 19803037802 DE19803037802 DE 19803037802 DE 3037802 A DE3037802 A DE 3037802A DE 3037802 A1 DE3037802 A1 DE 3037802A1
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Germany
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capacitor
converter according
electrode
travel
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DE19803037802
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German (de)
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Hans 7016 Gerlingen Bäuerlen
Berthold Dr. 7250 Leonberg Wocher
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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Priority to FR8105777A priority patent/FR2479452B1/en
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    • G01L9/0082—Transmitting or indicating the displacement of capsules by electric, electromechanical, magnetic, or electromechanical means
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Abstract

The travel transducer includes a capacitor formed by fixed electrode (E1) and movable electrode (E2) whose capacitance (C5) varies in dependence upon the electrode spacing(s) reproducing a measured value. The capacitor determines the frequency of an RC oscillator comprising a Schmidt trigger (R3,R4) and associated amplifier), and an integrator (C5,R2, and associated amplifier), and thus the prevailing value of the measured variable. Trimmer capacitor (Ck) compensates for parasitic components of the first capacitor (C5); a shield electrode (E5) also is provided. The movable electrode may be part of a pressure sensitive diaphragm connected for example to the intake manifold of an i.c. engine.

Description

Kapazitiver Weg-Frequenz-Meßgrößenwandler, insbesondereCapacitive displacement-frequency transducer, in particular

Druck-Frequenzwandler (Zusatz zu P 30 11 594.7) Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Weg-Frequenz-Meßgrößenwandler nach Patent P 30 11 594.7, der einen Kondensator umfaßt, dessen Kapazität C sich in Abhängigkeit von dem die Meßgröße wiedergebenden Weg ändert und als frequenzbestimmende Größe in einem RC-Oszillator verwendet ist.Pressure-frequency converter (addition to P 30 11 594.7) The invention relates a capacitive displacement frequency transducer according to patent P 30 11 594.7, the one Capacitor includes whose capacitance C is dependent on which the measured variable reproducing path changes and as a frequency-determining variable in an RC oscillator is used.

Vor allem kann ein solcher Wandler zur Differenz- oder Absolutdruckmessung von Gasen und Flüssigkeiten verwendet werden.Above all, such a converter can be used to measure differential or absolute pressure used by gases and liquids.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde unter Verwendung des im Hauptanspruch beschriebenen Wandlers ein Gerät zur Saugrohr-Druckmessung in einem Kleinfahrzeug oder zur Blutdruckmessung zu schaffen. Hierzu wird vorgeschlagen, daß zur Bildung der Kapazität C wenigstens eine von einem zu messenden Druck beaufschlagte, metallische Membran einer Druckdose vorgesehen ist, wobei diese Membran als druckabhängig gegenüber einer Gegenelektrode verstellbare Kondensatorelektrode ausgebildet ist. Zweckmäßig kann eine konzentrische Wellmembrandose vorgesehen sein, deren Oberfläche als eine der beiden Kondensatorelektroden benutzt ist und der Gegenelektrode so gegenübersteht, daß bei den zu messenden Druckänderungen der Abstand zwischen diesen beiden Elektroden mit den Druckänderungen verändert wird-. In weiterer Ausgestaltung der Er-findung kann vorgesehen sein, daß im inneren Bereich der Gegenelektrode wenigstens eine Zone vorgesehen ist, die keinen -leitenden Elektrodenbelag trägt.The invention is based on the object using the in the main claim converter described a device for intake manifold pressure measurement in a small vehicle or to create blood pressure measurement. To this end, it is proposed that for education of the capacitance C, at least one metallic one acted upon by a pressure to be measured Membrane of a pressure cell is provided, this membrane being pressure-dependent opposite a counter electrode adjustable capacitor electrode is formed. Appropriate a concentric corrugated diaphragm can be provided, the surface of which as a of the two capacitor electrodes is used and faces the counter electrode in such a way that that with those to be measured Pressure changes the distance between them both electrodes is changed with the pressure changes. In further development According to the invention it can be provided that in the inner area of the counter electrode at least a zone is provided that does not have a conductive electrode coating.

Mittels einer solchen belagfreien Zone kann die gewünschte z.B. lineare Abhängigkeit der Frequenz des Oszillators von den zu messenden Druckänderungen eingestellt werden, wobei zweckmäßig die Membrandose von zwei Gehäuseteilen umschlossen ist, welche von oben und von unten auf eine Leiterplatte aufgesetzt sind, welche die Gegenelektrode und außerdem die Oszillatorschaltung trägt. Auf eine aus Isolierstoff bestehende Leiterplatte können außerdem noch weitere elektrische Schaltungsteile aufgetragen, insbesondere aufgedampft oder aufgespritzt sein.By means of such a coating-free zone, the desired e.g. linear Set as a function of the frequency of the oscillator on the pressure changes to be measured , whereby the diaphragm box is expediently enclosed by two housing parts, which are placed on a circuit board from above and below, which the Counter electrode and also carries the oscillator circuit. On one made of insulating material Existing circuit boards can also contain additional electrical circuit components applied, in particular vaporized or sprayed on.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann zur Kennlinienbeeinflussung wenigstens ein Abgleich-Kondensator parallel zur Meßkapazität der Membrandose und außerdem wenigstens ein zweiter Kondensator vorgesehen sein, welcher parallel zum Ladewiderstand eines Integrators angeordnet ist.In a further embodiment of the invention, it is possible to influence the characteristic curve at least one balancing capacitor parallel to the measuring capacitance of the diaphragm box and in addition, at least one second capacitor can be provided, which is parallel to the Charging resistor of an integrator is arranged.

In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt und nachstehend näher beschrieben und erläutert.Several exemplary embodiments of the invention are shown in the drawing and described and explained in more detail below.

In der Ausführungsform nach Fig. 1 isoliert eine Platte (I) aus isolierendem Material (Glasfaser-Epoxyd) die beiden Gehäuseteile G1 und G2 aus Aluminium, Zink, Messing. Beide Gehäuseteile sind mit dieser Platte verklebt. An der Oberfläche der Platte sind Elektrodenschichten El, E5 aus hochleitendem Werkstoff angebracht. Denkbar ist Kupferkaschierung mit geätzter Struktur, Dickschicht- oder Dünnschicht-Belag.In the embodiment of FIG. 1, a plate (I) insulates from insulating Material (glass fiber epoxy) the two housing parts G1 and G2 made of aluminum, zinc, Brass. Both housing parts are glued to this plate. On the surface of the Electrode layers E1, E5 made of highly conductive material are attached to the plate. Conceivable is copper cladding with an etched structure, thick-layer or thin-layer coating.

Die Elektrodenanschlüsse 5 und 1 sind durch den Gehäuseboden dicht durchgeführt.The electrode connections 5 and 1 are tight through the housing bottom carried out.

Der Gehäuseboden G1 ist über 10 mit Masse verbunden. Die Elektrode E2 (Membrandose) wird über Pin 2 und das Gehäuseoberteil G2 und den Anschluß A2 kontaktiert. Diese Methode der E2-Kontaktierung über G2 hat konstruktive und fertigungs-2 technische Vorteile; zu beachten ist aber> daß das Gehäuseteil G2 nicht auf Massepotential liegt 9 sondern eine hochfrequente (C100 kHz) Wechselspannung mit Gleichspannungsanteil führt. Kapazitive Einstreuungen in naheliegende Schaltkreise sind denkbar. Der Druckanschluß beispielsweise an das Saugrohr einer Brennkraftmaschine kann an A1 oder A2 über einen isolierenden Schlauch geschehen.The housing base G1 is connected to ground via 10. The electrode E2 (diaphragm box) is connected via pin 2 and the upper part of the housing G2 and the connection A2 contacted. This method of E2 contact via G2 has structural and manufacturing 2 technical advantages; However, it should be noted> that the housing part G2 is not at ground potential 9 but a high-frequency (C100 kHz) alternating voltage with a direct voltage component leads. Capacitive interference in nearby circuits is conceivable. The pressure connection For example, to the intake manifold of an internal combustion engine can be connected to A1 or A2 done with an insulating hose.

Die elektronische Schaltung kann entweder auf einer gedruckten Leiterplatte mit Hilfe der Pins 19 29 5, 10 unterhalb des Druckgebers befestigt und mit einem Schutzdeckel versehen werden der auch als Abschirmung dient9 oder der Druckgeber kann (wie ein Leistungstransistor) in eine Leiterplatte eingelötet werden, wobei die Schaltung neben dem Druckgeber auf der gleichen Platte sitzt (Fig..2).The electronic circuit can either be on a printed circuit board with the help of pins 19 29 5, 10 attached below the pressure transducer and with a A protective cover that also serves as a shield9 or the pressure transducer can be provided can (like a power transistor) be soldered into a printed circuit board, whereby the circuit next to the pressure transducer sits on the same plate (Fig..2).

Eine andere Möglichkeit zeigt Fig. 14.Another possibility is shown in FIG. 14.

Die Leiterplatte mit der Druckgeberauswerteschaltung und eventuell weiterer Elektronik wird direkt als Elektrodenplatte in den Druckgeber geführt, d. h. die Teile G1 und G2 werden von unten und oben auf die Platte geklebt. Die Durchführung der Elektrodenanschlüsse erfolgt mit Hilfe von Leiterbahnen in einer Kerbe des Gehäuses G2, die vergossen wird. Als Besonderheit ist bei der gezeigten Ausführung der Gewindenippel der Membrandose isoliert (durch Gewindebüchse) in das Gehäuse eingeschraubt. Das Gehäuseoberteil kann in diesem Fall geerdet werden, die Membrandose wird über eine geschirmte Leitung und den Gewindenippel angeschlossen. Die kapazitive Einstrahlung in andere Schaltungsteile kann so praktisch ganz vermieden werden.The circuit board with the pressure transducer evaluation circuit and possibly further electronics are fed directly into the pressure transducer as an electrode plate, d. H. parts G1 and G2 are glued onto the plate from below and above. the The electrode connections are made with the help of conductor tracks in one Notch of housing G2 that is potted. A special feature of the one shown is Execution of the threaded nipple of the diaphragm box insulated (by Threaded bushing) screwed into the housing. In this case, the upper part of the housing can be earthed, the diaphragm box is connected via a shielded cable and the threaded nipple. The capacitive irradiation in other circuit parts can thus be practically completely avoided will.

Fig. 5 zeigt das Layout einer praktisch ausgeführten Druckgeberplatine zu dem Druckgeber nach Bild 4.Fig. 5 shows the layout of a practical pressure transducer board to the pressure transducer according to Figure 4.

Fig. 3 deutet an, daß der Druckgeber auch mit weggebauter Auswerteelektronik betrieben werden kann; wobei eine geschirmte Leitung (2 einzeln geschirmte Adern) zur Verbindung dient.Fig. 3 indicates that the pressure transducer can also be used with the evaluation electronics removed can be operated; one shielded cable (2 individually shielded wires) serves for connection.

Fig. 6 zeigt schließlich eine Variante mit eingebauter Auswerteschaltung.Finally, FIG. 6 shows a variant with a built-in evaluation circuit.

t Elektrodenplatte und Schaltungsplatine sind dabei getrennt. t The electrode plate and circuit board are separated.

Der Anschluß der vom Gehäuse isolierten Membrandose erfolgt über einen angelöteten Pin und einen dünnen spiralförmigen Anschlußdraht.The diaphragm box, which is isolated from the housing, is connected via a soldered pin and a thin spiral connection wire.

Die Auswerteschaltung Ihr Prinzip ist im Hauptpatent erläutert. Fig. 1 zeigt die vollständige Schaltung. 18 1 ist ein Operationsverstärker mit Feldeffekt-Eingang, IS 2 ein schneller Doppelkomparator, dessen zweiter Teil als rückwirkungsfreier Ausgangstreiber verwendet wird. Der Ausgang (offener Kollektor) kann über R8 auf die Versorgungsspannung der nachfolgenden Logik gelegt werden und ist so mit verschiedenen Logikfamilien kompatibel. Das Tastverhältnis des rechteckförmigen Ausgangssignals ist 1 : 1, die Frequenz f ist das Maß für den Druck.The evaluation circuit Its principle is explained in the main patent. Fig. 1 shows the complete circuit. 18 1 is an operational amplifier with field effect input, IS 2 is a fast double comparator, the second part of which is less reactive Output driver is used. The output (open collector) can be opened via R8 the supply voltage of the following logic can be applied and is so with different Logic families compatible. The duty cycle of the square-wave output signal is 1: 1, the frequency f is the measure of the pressure.

Der zweite Komparator kann auch mit Hilfe eines weiteren Kondensators als Monoflop beschaltet werden (Bild 7). In diesem Fall ist nicht nur die Frequenz, sondern auch der Mittelwert der Ausgangsspannung U=T.U32 . f ein Maß für den Druck.The second comparator can also use a further capacitor wired as a monoflop (Fig. 7). In this case, not only is the frequency, but also the mean value of the output voltage U = T.U32. f is a measure of the pressure.

Justiermöglichkeiten Ei Feinabgleich der Steilheit #f/#p der Kennlinie f(p kann entweder über das Widerstandsverhältnis R3/R4 oder den Absolutwert von R2 erfolgen. f0 wird danach durch Verstellung der Membrandose mit Hilfe des Gewindenippels justiert. Die Kapazität CK wird einmalig per Layout auf den richtigen Wert gebracht (siehe Bild 5). Ein individueller CK-Abgleich ist vielen Fällen nicht erforderlich.Adjustment options Ei Fine adjustment of the slope # f / # p of the characteristic f (p can either be via the resistance ratio R3 / R4 or the absolute value of R2 take place. f0 is then adjusted by adjusting the diaphragm box with the help of the threaded nipple adjusted. The capacity CK is brought to the correct value once by layout (see picture 5). In many cases, an individual CK comparison is not required.

Bei einem experimentell erprobten Ausführungsbeispiel wurde eine Bauform nach Bild 4 mit einem Layout nach Bild 5 verwendet.In an experimentally tested embodiment, a design used according to Figure 4 with a layout according to Figure 5.

Die Barometerdose hatte 38 mm Durchmesser, ihre Charakteristik ist #s/#P = 0,2 cm/bar.The barometer box was 38 mm in diameter, its characteristic is # s / # P = 0.2 cm / bar.

Schaltungsdimensionierung R1 = 2,2 k # R2 = 2,2 M # IS = LF 357 R3 = 50 k Q R4 = 100 k # IS2 = LM 319 R = 5,1 k# R6 = 470 k# 5 R7 = 470 k # C1 = 33 nF C K kann durch Leiterbahnen parallel zu R2 als Layout-Kapazität verwirklicht werden.Circuit dimensioning R1 = 2.2 k # R2 = 2.2 M # IS = LF 357 R3 = 50 k Q R4 = 100 k # IS2 = LM 319 R = 5.1 k # R6 = 470 k # 5 R7 = 470 k # C1 = 33 nF C K can be used as a layout capacitance by means of conductor tracks parallel to R2 be realized.

In Fig. 8 ist die mit obigen Werten erzielte lineare Kennlinie f in Abhängigkeit vom Druck p dargestellt.In Fig. 8, the linear characteristic obtained with the above values is f in Dependence on pressure p shown.

Claims (7)

Ansprüche Kapazitiver Weg-Frequenz-Meßgrößenwandler, insbesondere aruck-Frequenz-Wandler nach Patent P 30 11 59.7, der einen Kondensator umfaßt, dessen Kapazität (C) sich in Abhãngigkeit von dem die Meßgröße wiedergebenden Weg ändert und als frequenzbestimmende Größe in einen RC-Oszillator verwendet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der Kapazität (C) wenigstens eine von dem zu messenden Druck beaufschlagte, metallische Membran (M) einer Druckdose (D) vorgesehen ist, wobei die Membran als druckabhängig gegenüber einer ¢eigen elektrode (El) verstellbare Kondensatorelektrode (E2) ausgebildet ist. Claims Capacitive displacement-frequency transducer, in particular aruck frequency converter according to patent P 30 11 59.7, which comprises a capacitor, whose Capacity (C) changes as a function of the path reproducing the measured variable and is used as a frequency-determining variable in an RC oscillator, thereby characterized in that to form the capacitance (C) at least one of the to be measured A pressurized metallic membrane (M) of a pressure cell (D) is provided, the membrane being adjustable as a function of pressure compared to its own electrode (El) Capacitor electrode (E2) is formed. 2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckdose (D) als Wellmembrandose ausgebildet ist, deren Oberfläche als eine (E2) der beiden Kondensatorelektroden (E1, E2) benutzt ist. 2. Converter according to claim 1, characterized in that the pressure cell (D) is designed as a corrugated membrane box, the surface of which is one (E2) of the two Capacitor electrodes (E1, E2) is used. 3. Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im mittleren Bereich der Gegenelektrode (El) wenigstens eine Zone vorgesehen ist, die keinen leitenden Elektrodenbelag aufweist. 3. Converter according to claim 2, characterized in that in the middle Area of the counter electrode (El) at least a zone provided that does not have a conductive electrode coating. 4. Wandler nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Membrandose (D) von zwei Gehäuseteilen (G1, G2) umschlossen ist, welche von oben und unten auf eine Leiterplatte (I) aufgesetzt sind, welche die Gegenelektrode (El) trägt.4. Converter according to claim 2 or 3, characterized in that the Diaphragm box (D) is enclosed by two housing parts (G1, G2), which from above and are placed on the bottom of a circuit board (I), which the counter electrode (El) wearing. 5. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Abgleich-Kondensator (Cp) parallel zur Meßkapazität (C) und wenigstens ein zweiter Kondensator (Ck) parallel zum Ladewiderstand (R2) eines Integrators vorgesehen sind.5. Converter according to one of claims 1 to 4, characterized in that that at least one adjustment capacitor (Cp) parallel to the measuring capacitance (C) and at least a second capacitor (Ck) parallel to the charging resistor (R2) of an integrator are provided. 6, Wandler nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Oszillatorschaltung auf der Leiterplatte (1) sitzt.6, converter according to claim 4 or 5, characterized in that the Oscillator circuit sits on the circuit board (1). 7. Wandler nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Oszillatorschaltung auf einer getrennten zweiten Leiterplatte sitzt, die unterhalb des als Boden dienenden Gehäuseteiles (G1) befestigt und vorzugsweise mit einer Abschirmhaube abgedeckt ist.7. Converter according to claim 4 or 5, characterized in that the Oscillator circuit sits on a separate second circuit board, which is below the serving as the bottom housing part (G1) attached and preferably with a Shielding hood is covered.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP0132222A1 (en) * 1983-05-20 1985-01-23 KERN & CO. AG Werke für Präzisionsmechanik Optik und Elektronik Capacitive displacement-to-frequency transducer, especially a pressure-to-frequency transducer
DE3412914A1 (en) * 1984-04-05 1985-10-31 base electronic gmbH, 2000 Hamburg METHOD AND DEVICE FOR SECURING CLOSED SPACES
DE3820878A1 (en) * 1988-06-21 1989-12-28 Wolfgang Dipl Phys Scholl Capacitive sensor element for the construction of mechanical-electrical transducers

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