DE2900628A1

DE2900628A1 - Elektronischer drucksensor

Info

Publication number: DE2900628A1
Application number: DE19792900628
Authority: DE
Inventors: Ryuichi Miyamae
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1978-01-11
Filing date: 1979-01-09
Publication date: 1979-07-12
Also published as: JPS5495279A; US4206655A; DE2900628C2; DE2954227C2

Description

Sharp K.K. TER MEER ■ MÜLLER · STEINMEISTER 1204-GER

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft einen Drucksensor mit einem an einen druckabhängigen Wandler angeschlossenen Oszillator, der ein Ausgangssignal abgibt, dessen Frequenz sich in Abhängigkeit von Druckänderungen ändert.

Drucksensoren der genannten Art werden insbesondere in Blutdruckmeßgeräten mit digitaler Anzeigeeinrichtung verwendet. Es hat sich gezeigt, daß unabhängig von Schwankungen des abgetasteten Druckes die Frequenz des Ausgangssignals Änderungen unterworfen ist, die auf Umwelteinflüsse wie Änderungen der Temperatur, der Luftfeuchtigkeit, der Versorgungsspannung oder dergleichen zurückzuführen sind. Diese äußere Beeinflussung ist unerwünscht, sie verhindert eine genaue Blutdruckmessung.

15

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drucksensor der ängangs genannten Art aufzuzeigen, der solche Umwelteinflüsse kompensiert.

Der die gestellte Aufgabe lösende Erfindungsgedanke ist im Patentanspruch 1 angegeben. Für die praktische Ausführung des Erfindungsgedankens sind mehrere Lösungen aufgezeigt.

Bei einem ersten erfindungsgemäßen Lösungsweg ist vorgesehen, daß außer dem Oszillator ein ähnlich aufgebauter zweiter Oszillator vorhanden ist, der ein zweites Ausgangssignal abgibt; und daß eine Torschaltung in Abhängigkeit von dem zweiten Ausgangssignal eine Abfrageperiode für das erste Ausgangssignal bestimmt.

909828/0997

Sharp K.K. TER MEER · MÜLLER ■ STEINMEISTER 1 204-GER

Dieser Lösungsweg hat den Vorteil, daß durch den ähnlichen bzw. vorzugsweise gleichen Aufbau der beiden Oszillatoren ein Drucksensor gegeben ist, der Änderungen in der Temperatur, der Feuchtigkeit und der Versorgungsspannung in gleicher Weise kompensiert.

Vorteilhafte Weiterbildungen dieses Lösungsweges sind in den Patentansprüchen 3 bis 7 gekennzeichnet.

Bei einem zweiten erfindungsgemäßen Lösungsweg ist vorgesehen, daß zu der Kompensiereinrichtung ein den druckabhängigen Wandler unterstützendes Tragelement gehört, welches thermisch bedingte Längenänderungen des Wandlers absorbiert.

15

Bei diesem Lösungsweg wird die gestellte Aufgabe mit mechanischen Mitteln gelöst. Der auf diese Weise hergestellte Drucksensor ist von einfacher Konstruktion und ermöglicht dennoch eine von Temperaturschwankungen unbeeinflußte genaue Druckmessung.

Bei einer bevorzugten Ausführung des zweiten Lösungsweges ist vorgesehen, daß die Frequenz des Ausgangssignals des Oszillators sich in Abhängigkeit von der Position eines mit dem druckabhängigen Wandler (4) verbundenen verschiebbaren Elementes relativ zu einem frequenzändernden Element ändert, und daß die Tragplatte integral mit ihr verbundene Stützabschnitte aufweist, an denen einerseits das verschiebbare Element und andererseits das frequenzändernde Element abgestützt sind.

909828/0997

Sharp K.K.

TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTER T204-GER

Als druckabhängiger Wandler kann mit Vorteil ein Faltenbalg verwendet werden.

Eine sehr gute thermische Kompensation ergibt sich dadurch, daß die thermische Gesamt-Expansion ß+ T+ S von Faltenbalg, Kern und Spulenkörper identisch ist mit der thermischen Expansion cc der einzigen integralen Tragplatte, so daß folgende Gleichung gilt:

ot/⁰C = ß/°C + T/°C + S/°C.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind folgende thermische Expansionswerte für et, ß, 7f~ und S vorgesehen:

<*■ = 2,7 χ 10""³ItUn (/⁰C)

β = 4 χ 10"⁴mm (/⁰C)

Τ = 2 χ iO"⁴mm (/⁰C)

S = 1,2 χ 10~³mm (/⁰C) .

Die aufgeführten Expansionswerte gelten jeweils für eine Temperaturerhöhung von 1°C.

Nachstehend werden zwei die Merkmale der Erfindung aufweisende Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen: Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild für ein

erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drucksensors;

Fig. 2 ein schematisches Schaltbild eines in dem Drucksensor von Fig.1 enthaltenen Oszillators; und

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drucksensors.

909828/0997

Sharp K.K.

TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTER 1204-GER

Der in Fig. 1 dargestellte Drucksensor enthält einen auf einen zu messenden Druck P ansprechenden Faltenbalg 10 mit einem daran befestigten Kern 12, der mit steigendem Druck P in eine Spule 14 eintaucht, die einem Oszillator 16 zugeordnet ist, welcher ein Signal abgibt, dessen Frequenz sich in Abhängigkeit von dem abgetasteten Druck P verändert.

Der Drucksensor von Fig. 1 enthält einen zweiten Oszillator 18 mit gleichem Aufbau wie Oszillator 16, der jedoch ein Referenz-Frequenzsignal an einen Frequenzteiler 20 abgibt, dessen Ausgang an einen Eingang eines UND-Gatters 22 angeschlossen ist, dessen zweiter Eingang mit dem Ausgang des ersten Oszillators 16 verbunden ist. Mit dem Ausgang des UND-Gatters 22 ist ein Zähler 24 verbunden, welcher die von dem Oszillator 16 ausgehenden Impulse im Verlauf einer durch den Frequenzteiler 20 bestimmten Periode zählt. Der Zählerinhalt des Zählers 24 wird auf dem Wege über eine Decodier-Treiberschaltung 28 auf einer digitalen Anzeigeeinheit 26 angezeigt.

Da die Stellung des Kerns 12 von dem Druck P abhängig ist, ändert sich die Induktivität der Spule 14 mit dem Druck P. Folglich repräsentiert die von dem Oszillator 16 abgegebene Freqeuenz den festgestellten Druck P.

Änderungen in der Temperatur, der Feuchtigkeit oder der Versorgungsspannung des Drucksensors führen jedoch zu einer Frequenzänderung des Ausgangssignals des Oszillators 16.

30

Angenommen, aufgrund einer Änderung der Temperatur, Feuchtigkeit und/oder Versorgungsspannung oder dergleichen steigt unabhängig von Änderungen des Druckes P

909828/0997

Sharp K.K. TER MEER · MÜLLER ■ STEINMEISTER 1204-GER

die Ausgangsfrequenz des Oszillators 16 an, dann steigt zwangsläufig auch die Referenzfrequenz aus dem zweiten Oszillator 18, weil beide Oszillatoren 16 und 18 von gleicher Bauart sind. Auf diese Weise wird die Impulsbreite des vom Frequenzteiler 20 bezogenen Gatter-Steuersignals in einem Sinne verändert, daß Änderungen der Ausgangsfrequenz des Oszillators 16 kompensiert werden. Wenn die Ausgangsfrequenz des Oszillators 16 unabhängig von Änderungen des Druckes P absinkt, dann sinkt auch die Referenzfrequenz aus dem Oszillator 18. Folglich wird die Impulsbreite des Gate-Steuersignals vom Frequenzteiler 20 so verlängert, daß Änderungen der Ausgangsfrequenz von Oszillator 16 kompensiert werden.

Das schematische Schaltbild von Fig.2 zeigt den Aufbau der Oszillatoren 16 und 18, mit Fig. 1 übereinstimmende Elemente tragen gleiche Bezugszahlen. Der in Fig.2 dargestellte Oszillator 16 ist als Colpitts-Oszillator aufgebaut und enthält einen Transistor 160, Widerstände 161, 162 und 163, Kondensatoren 164, 165, 166 sowie eine variable Induktivität 167, deren Induktivität sich je nach der Stellung des Kerns 12 (siehe Fig.1) in der Spule ändert. Die Widerstände 161 bis 163 sorgen gemeinsam für eine vorbestimmte Vorspannung an der Basis von Transistor 160, und der Kondensator 164 bildet einen Beipaß für einen Wechselstrom.

Die Ausgangsfrequenz f dieses Colpitts-Oszillators ergibt sich aus folgender Gleichung:
₁

f =

2ίτ y lc ·

909828/0997

Sharp K.K.

TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTER ¹ 204-GER

- 11 -

Darin ist L die Induktivität der variablen Induktivität 167, und _{r r} r ^{1 2}

C +C

worin C₁ die Kapazität von Kondensator 165 und C„ die Kapazität von Kondensator 166 ist.

Mit steigendem Druck P (Fig.1) steigt auch der Induktivitätswert L, folglich sinkt die Ausgangsfrequenz f des Oszillators.

Der Oszillator 16 enthält ferner eine aus einem Kondensator 170, Widerständen 171, 172, 173 und einem Transistor 174 bestehenden Impulsformerschaltung, die das sinusförmige Ausgangssignal des Colpitts-Oszillators in ein für den Zähler 24 geeignetes Rechtecksignal umformt.

Der in gleicher Weise wie Oszillator 16 aufgebaute Oszillator 18 ist ebenfalls ein Colpitts-Oszillator mit einem Transistor 180, Widerständen 181 bis 183, Kondensatoren 184 bis 186, einer variablen Induktivität 187 und mit einer aus einem Kondensator 190, Widerständen 191 bis 193 und einem Transistor 194 bestehenden Impulsformerschaltung. Der Induktivitätswert der variablen Induktivität 187 ist auf einem gewünschten Wert eingestellt.

Das in Fig. 3 der Zeichnung dargestellte zweite Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drucksensors besitzt einen von einem abzutastenden Druck P abhängigen Faltenbalg 4, der mit einem Ende an einem aufragenden Endstück 2 einer Tragplatte 1 befestigt und mit seinem gegenüberliegenden Ende mit einem Kern 5 verbunden ist, welcher verschiebbar in einen Spulenkörper 6

35

909828/0997

TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTER

Sharp K.K. 1204-GER

eintaucht, der mit seinem gegenüberliegenden Ende an einem zweiten aufragenden Endstück 3 der Tragplatte 1 befestigt ist. Um den Spulenkörper 6 ist ein Spulenwickel 7 herumgelegt.

Der Spulenwickel· 7 steht in eiektrischer Verbindung mit einem Oszillator 16', dessen Frequenz sich in Abhängigkeit von der Verschiebung des Kerns 5 im Spulenkörper 6 ändert. Ein Ausgangssignal des Oszillators 16' geht in einen Zähler 24', dessen gespeicherter Inhalt dem festgestellten Druck P entspricht. Oszillator 16* und Zähler 24' entsprechen in Aufbau und Wirkungsweise dem zuvor in Verbindung mit Fig. 1 und 2 beschriebenen Oszillator 16 und Zähler 24, eine nochmalige Beschreibung an dieser Stelle erübrigt sich somit.

Die Tragplatte 1 ist aus Aluminium, der Faltenbalg 4 aus Phosphorbronze, der Kern 5 aus Ferrit und der Spulenkörper 6 aus einem Phenolharz-Material hergeste^t. Diese Eiemente sind ebenfa^s so bemessen, daß sie die nachstehend aufgeführten thermischen Expansionswerte oc, ß, T bzw. £ aufweisen, wenn sich die Temperatur um 1⁰C erhöht, und zwar in einer mit der Verschiebebewegung von Kern 5 übereinstimmenden Richtung: 25

( cL ) Tragpiatte 1 2,7 χ 10"³mm

( β ) Fal·tenbal·g 4 4x10~⁴mm

( T ) Kern 5 2 χ 10""⁴mm

( S ) Spul·enkörper 6 ..... 2,1 χ 10~ mm. 30

Genauer gesagt ist die Gesamt-Wärmeausdehnung von Faitenbal·g 4, Kern 5 und Spul·enkörper 6 = ß + T + S oder

909828/0997

Sharp K.K,

TER MEER ■ MÜLLER · STEINMEISTER 1204-GER

- 13 -

2300628

—4 —4 —3

4 χ 10 mm +2x10 mm + 2,1 χ 10 mm, und dieser

Summenwert ist identisch mit der Wärmeausdehnung <=c der Tragplatte 1, die 2,7 χ 10~ mm beträgt.

Je nach Änderung des von dem Faltenbalg 4 abgetasteten Druckes P verlängert oder verkürzt sich der Faltenbalg und überträgt eine entsprechende Verschiebebewegung auf den Kern 5. Folglich verschiebt sich der Kern 5 im Spulenkörper 6 in Abhängigkeit von Änderungen des Druckes P. Dabei ändert sich entsprechend der Induktivitätswert des Spulenwickels 7 und in gleicher Weise die Oszillatorfrequenz des Oszillators 16'.

Ändert sich beispielsweise die Temperatur, dann werden der Faltenbalg 4, der Kern 5 und der Spulenkörper 6 je einer bestimmten thermischen Expansion oder Schrumpfung unterzogen, und diese thermische Expansion oder Schrumpfung ist jeweils identisch mit derjenigen der Tragplatte 1. Auf diese Weise wird der Drucksensor gegen Temperaturänderungen kompensiert, die Verschiebebewegung des Kerns

5 im Spulenkörper 6 unterliegt keinen Einflüssen durch Temperaturänderungen.

Bei den zuvor erläuterten Ausführungsbeispielen der Erfindung werden Induktivxtätsänderungen zur Druckmessung herangezogen. Es ist jedoch ebensogut möglich, statt dessen eine Kapazitäts- oder eine Widerstandsänderung zur Druckmessung heranzuziehen.

Ein Drucksensor mit elektronischer Meßwertabgabe enthält einen Oszillator, dessen Ausgangsfrequenz sich in Abhängigkeit von dem zu messenden Druck ändert.

35

909828/0997

Claims

PATENTANWÄLTE

TER MEER-MÜLLER-STEINMEISTE

2^006

Beim Europäischen Patentamt zugalassene Vertreter — Professional Representatives boforo the European Patent Olfice Mandataires agrees pres I'Ofiico europeen des brevets

Dipl.-Chem. Dr. IM, tor Moor Dipl.-Inrj. H. Stoirimei«ter

Dipl.-Ing, F. E. Müller _o. ,

Triftstrasse A, S,ekorwall 7,

D-8OOO MÜNCHEN 22 D-4OOO BIELEFELD

12 04-GER

9. Januar 1979 Mü/Gdt/hm

SHARP KABUSHIKI KAISHA 22-22 Nagaike-cho, Abeno-ku Osaka / Japan

Elektronischer Drucksensor

Priorität: 11. Januar 1978 - Japan - No. 2100/1978

PATENTANSPRÜCHE

1.)Drucksensor mit einem an einen druckabhängigen Wandler --■"' angeschlossenen Oszillator, der ein Ausgangssignal abgibt, dessen Frequenz sich in Abhängigkeit von Druckänderungen verändert, gekennzeichnet durch eine Kompensiereinrichtung (18; 1), die frequenzändernde Umwelteinflüsse ausgleicht.

909828/0997

Sharp K.K.

TLH MEER · MÜLLER ■ STEINMEISTER 1204-GER

2. Drucksensor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , daß außer dem Oszillator (16) ein ähnlich aufgebauter zweiter Oszillator (18) vorhanden ist, der ein zweites Ausgangssignal abgibt; und daß eine Torschaltung (20,22) in Abhängigkeit von dem zweiten Ausgangssignal eine Abfrageperiode für das erste Ausgangssignal (f) bestimmt.

3. Drucksensor nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Treiberschaltung (24, 28) zur Übertragung eines Ausgangssignals der Torschaltung (20, 22) an eine Anzeigeeinrichtung (26).

4. Drucksensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Anzeigeeinrichtung eine digitale Anzeigeeinrichtung (26) ist; und daß die Treiberschaltung einen das Ausgangssignal der Torschaltung (22) aufnehmenden Zähler (24) und eine die digitale Anzeigeeinrichtung in Abhängigkeit von dem Speicherinhalt des Zählers aktivierende Decodier-Treiberschaltung (28) enthält.

5. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß

die Torschaltung einen das zweite Ausgangssignal untersetzenden Frequenzteiler (20) und ein UND-Gatter (22) umfaßt, welches das erste Ausgangssignal (f) und das Ausgangssignal des Frequenzteilers aufnimmt.

909828/0 9 97

Sharp K.K.

TER MEER · MÖLLER · STEINMEISTER 1204-GER

6. Drucksensor nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet , daß der erste und der zweite Oszillator (16, 18) als Colpitts-Oszillator ausgebildet und mit einer Impulsformerschaltung (171...; 191...) versehen sind.

7. Drucksensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß zur durckabhängigen Frequenzveränderung des Colpitts-Oszillators eine Induktivität (14) vorgeshen ist.

8. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß zu der Kompensiereinrichtung ein den druckabhängigen Wandler (4) unterstützendes Tragelement (1) gehört, welches thermisch bedingte Längenänderungen des Wandlers absorbiert.

9. Drucksensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß das Tragelement eine Tragplatte (1) mit einem bestimmten thermischen Expansionskoeffizienten ist, deren geometrische Dimensionen so festgelegt sind, daß die Tragplatte der gleichen thermischen Expansion unterworfen ist, wie der druckabhängige Wandler (4).

10. Drucksensor nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet , daß die Frequenz des Ausgangssignals (f) des Oszillators (16¹) sich in Abhängigkeit von der Position eines mit dem druckabhängigen Wandler (4) verbundenen verschiebbaren Elementes (Kern 5) relativ zu einem frequenzändernden Element (6, 7) ändert, und daß die Tragplatte (1) integral mit ihr verbundene Stützabschnitte (2, 3) aufweist, an denen

909828/0997

Sharp K.K.

TER MEER · MÜLLER ■ STEINMEISTER 1 2 04-GER

einerseits das verschiebbare Element (4, 5) und andererseits das frequenzändernde Element (6, 7) abgestützt sind.

11. Drucksensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß die beiden Stützabschnitte (2, 3) an entgegengesetzten Enden der integralen Tragplatte (1) angeordnet sind.

12. Drucksensor nach Anspruch 10 oder 11_f dadurch gekennzeichnet, daß der druckabhängige Wandler ein Faltenbalg (4) ist, der mit einem Ende an dem einen Stützabschnitt (2) der integralen Tragplatte (1) befestigt und an seinem entgegengesetzten Ende mit dem verschiebbaren Kern (5) verbunden ist, so daß sich der Kern in Abhängigkeit von Druckänderungen im Verlauf seiner Längsachse verschiebt; und daß das frequenzändernde Element aus einem an dem zweiten Stützabschnitt (3) der integralen Tragplatte (1) befestigten Spulenkörper (6), in dessen Innenraum in Längsrichtung der Kern (5) bewegbar geführt ist, und einem um den Spulenkörper (6) herumgewickelten und an den Oszillator (16') angeschlossenen Spulenwickel (7) besteht.

13. Drucksensor nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Gesamt-Expansion (ß+T + S ) von Faltenbalg (4), Kern (5) und Spulenkörper (6) identisch-ist mit der thermischen Expansion (<*-) der einzigen integralen Tragplatte (1), so daß folgende Gleichung gilt:

oc/°C = ß/°C + TY⁰C + £ /⁰C.

909828/0997

Sharp K.K.

TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTER 1204-GER

14. Drucksensor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , daß die thermischen Expansionswerte oc, ß, T bzw. $ im wesentlichen die folgenden Werte aufweisen:

Qi = 2,7 χ 10~³mm (/⁰C)

β = 4 χ 10~⁴mm (/⁰C)

T= 2 χ 10~⁴mm (/⁰C)

& = 1,2 χ 10~³mm (/⁰C).

15. Drucksensor nach Anspruch 12, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet , daß der Faltenbalg (4) aus einer Phosphorbronze, der Kern (5) aus Ferrit, der Spulenkörper (6) aus einem Phenolharz und die einzige integrale Tragplatte (1) aus Aluminium hergestellt sind.

909828/099