DE10128010A1 - Pressure sensor comprising an LC oscillation circuit, the inductance of which is pressure dependent, so that pressure can be related to the change in inductance with the pressure sensor insensitive to its own alignment - Google Patents
Pressure sensor comprising an LC oscillation circuit, the inductance of which is pressure dependent, so that pressure can be related to the change in inductance with the pressure sensor insensitive to its own alignmentInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft Drucksensoren. The invention relates to pressure sensors.
Aus dem Stand der Technik sind an sich viele Arten von Drucksensoren bekannt, die jedoch in ihren Anordnungs- und Verbauungsmöglichkeiten starken Beschränkungen unterworfen sind. Mit den Drucksensoren nach dem Stand der Technik verbundene Durchkontaktierungen müssen speziellen Dichtigkeitsanforderungen genügen. Alterungsprobleme können hier zu massiven Beeinträchtigungen führen. Many types of pressure sensors are known per se from the prior art, however, the restrictions in their arrangement and installation options are severe are subject. Associated with the prior art pressure sensors Vias must meet special tightness requirements. Aging problems can lead to massive impairments here.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drucksensor bereitzustellen, bei dem der Meßaufnehmer in beliebiger Ausrichtung angeordnet werden kann, und der somit wesentlich mehr Freiheitsgrade zur Unterbringung des Messaufnehmers liefert, als die aus dem Stand der Technik bekannten Drucksensoren. Außerdem sollen hinsichtlich des Drucksensors Durchkontaktierungs- und Isolationsprobleme, wie sie nach dem Stand der Technik auftreten, vermieden werden. Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, eine Verwendung eines entsprechenden Drucksensors anzugeben. The invention has for its object to provide a pressure sensor which the sensor can be arranged in any orientation, and thus provides much more degrees of freedom to accommodate the sensor than that from pressure sensors known in the prior art. In addition, regarding the Pressure sensor via and insulation problems, as they exist according to the Technology occur, be avoided. In addition, it is an object of the invention, a Specify use of an appropriate pressure sensor.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen Drucksensor nach Anspruch 1, einen Drucksensor nach Anspruch 2 und die Verwendung eines Drucksensors nach Anspruch 13. According to the invention, this object is achieved by a pressure sensor Claim 1, a pressure sensor according to claim 2 and the use of a pressure sensor according to claim 13.
Die erfindungsgemäßen Drucksensoren nach den Ansprüchen 1 und 2 gestatten es, den Messaufnehmer in beliebiger Ausrichtung anzuordnen und liefern somit beliebige Freiheitsgrade zur Unterbringung des Messaufnehmers. Bei dem erfindungsgemäßen Drucksensor nach Anspruch 1 werden darüber hinaus aufgrund der berührungslosen energetischen Kopplung zwischen dem Messaufnehmer und dem Oszillator durch Kontaktierungs- und Isolationsprobleme vermieden. The pressure sensors according to the invention according to claims 1 and 2 allow to arrange the sensor in any orientation and thus deliver any Degrees of freedom to accommodate the sensor. In the invention Pressure sensor according to claim 1 are also due to the non-contact energetic coupling between the sensor and the oscillator Avoiding contacting and insulation problems.
Vorteilhafte und bevorzugte Ausführungsformen des Drucksensors nach Anspruch 1 sind Gegenstand der Ansprüche 4 bis 12 und vorteilhafte und bevorzugte Ausführungsformen des Drucksensors nach Anspruch 2 sind Gegenstand der Ansprüche 3 und 5 bis 11. Advantageous and preferred embodiments of the pressure sensor according to claim 1 are the subject of claims 4 to 12 and advantageous and preferred Embodiments of the pressure sensor according to claim 2 are the subject of claims 3 and 5 to 11th
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Drucksensoren anhand von Figuren erläutert. Es zeigt. Exemplary embodiments of the pressure sensors according to the invention are described below explained with reference to figures. It shows.
Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Drucksensors, Fig. 1 is a schematic diagram of an embodiment of a pressure sensor according to the invention,
Fig. 2 einen prinzipiellen Frequenzgang der Ausgangsspannung der Schaltung von Fig. 1, Fig. 2 shows a basic frequency response of the output voltage of the circuit of Fig. 1,
Fig. 3 verschiedene Ausführungsbeispiele eines Leiters zur Verwendung als Teil eines Messaufnehmers bei Ausführungsbeispielen eines erfindungsgemäßen Drucksensors, Fig. 3 different embodiments of a conductor for use as part of a transducer in embodiments of a pressure sensor according to the invention,
Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel eines Messaufnehmers eines erfindungsgemäßen Drucksensors und Fig. 4 shows an embodiment of a sensor of a pressure sensor according to the invention and
Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Messaufnehmers eines erfindungsgemäßen Drucksensors. Fig. 5 shows another embodiment of a sensor of a pressure sensor according to the invention.
Das in Fig. 1 dargestellte Prinzipschaltbild trifft Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Drucksensors. The basic circuit diagram shown in FIG. 1 applies to exemplary embodiments of a pressure sensor according to the invention.
Die Schaltung weist einen LC-Schwingkreis als Messaufnehmer 1 sowie einen Oszillator 2 zur Anregung des Schwingkreises 1 auf. Ferner sind eine Durchstimmeinrichtung 3 zur frequenzmäßigen Durchstimmung des Oszillators 2 und eine Mess- und Auswerteschaltung 4 vorhanden. Die Mess- und Auswerteschaltung 4 dient zur Erfassung des Bedämpfüngszustandes des Oszillators 2 und zum Bereitstellen eines Signals, das proportional zum auf dem Messaufnehmer 1 wirkenden Druck ist. Das genannte Signal wird am Ausgang 5 der Schaltung bereitgestellt. The circuit has an LC resonant circuit as a measuring sensor 1 and an oscillator 2 for exciting the resonant circuit 1 . A tuning device 3 for frequency tuning of the oscillator 2 and a measuring and evaluation circuit 4 are also provided. The measurement and evaluation circuit 4 serves to detect the damping state of the oscillator 2 and to provide a signal which is proportional to the pressure acting on the sensor 1 . Said signal is provided at output 5 of the circuit.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind der Messaufnehmer 1 und der Oszillator 2 berührungslos energetisch gekoppelt. Bei anderen Ausführungsbeispielen erfindungsgemäßer Drucksensoren kann die Kopplung zwischen dem Messaufnehmer 1 und dem Oszillator 2 auch auf galvanischem Wege erfolgen, wobei dann wichtig ist, dass der Messaufnehmer 1 nur aus einem Leiter 6 und einem drucksensiblen Material 7, 8 besteht, so wie es weiter unten mit Bezug auf die Fig. 4 und 5 näher erläutert wird. In the embodiment shown in FIG. 1, the sensor 1 and the oscillator 2 are energetically coupled without contact. In other exemplary embodiments of pressure sensors according to the invention, the coupling between the measuring sensor 1 and the oscillator 2 can also take place by galvanic means, it then being important that the measuring sensor 1 only consists of a conductor 6 and a pressure-sensitive material 7 , 8 , as described further below is explained in more detail with reference to FIGS. 4 and 5.
Die Durchstimmeinrichtung 3 kann manuell, jedoch vorzugsweise automatisch betrieben werden. Sie sorgt für die frequenzmäßige Durchstimmung des Oszillators 2. Wenn die aktuelle Oszillatorfrequenz mit der Resonanzfrequenz f0 des Messaufnehmers 1 übereinstimmt, ist die Bedämpfung des Oszillators 2 deutlich höher als bei Nichtübereinstimmung der beiden letztgenannten Frequenzen. Die starke Bedämpfung im Resonanzfall führt zu einer deutlichen Verringerung der am Ausgang 5 der Schaltung bereitgestellten Spannung U, so wie es in Fig. 2 zu sehen ist. The tuning device 3 can be operated manually, but preferably automatically. It ensures the frequency tuning of the oscillator 2 . If the current oscillator frequency coincides with the resonance frequency f 0 of the sensor 1 , the damping of the oscillator 2 is significantly higher than if the latter two frequencies do not match. The strong damping in the case of resonance leads to a significant reduction in the voltage U provided at the output 5 of the circuit, as can be seen in FIG. 2.
Wie aus der Gleichung
hervorgeht, wir die Resonanzfrequenz f0 des LC-Schwingkreises 1 durch die Größe der
Induktivität L beeinflusst.
As from the equation
emerges, the resonance frequency f 0 of the LC resonant circuit 1 is influenced by the size of the inductance L.
Bei allen erfindungsgemäßen Drucksensoren weist das induktive Bauteil L des als Messaufnehmer dienenden LC-Schwingkreises 1 ein seine Induktivität beeinflussendes Material 7, 8 auf, das in seiner Induktivitätsbeeinflussungsstärke druckabgängig ist. Entsprechende Fette oder andere hochpermeable Materialien sind dem Fachmann aus dem Stand der Technik bekannt. Bei Änderung des auf den Messaufnehmer 1 wirkenden Druckes ändert sich folglich die Induktivität L und damit gemäß der oben angegebenen Gleichung die Resonanzfrequenz f0 des LC-Schwingkreises 1. In all pressure sensors according to the invention, the inductive component L of the LC resonant circuit 1 serving as a measuring sensor has a material 7 , 8 which influences its inductance and which is pressure-dependent in its inductance influencing strength. Corresponding fats or other highly permeable materials are known to the person skilled in the art from the prior art. When the pressure acting on the sensor 1 changes, the inductance L consequently changes, and thus the resonance frequency f 0 of the LC resonant circuit 1 in accordance with the equation given above.
Somit steht die Resonanzfrequenz f0 des Schwingkreises 1 und damit die am Ausgang 5 der in Fig. 1 dargestellten Prinzipschaltung bereitgestellte Spannung U in ihrem Frequenzgang in Abhängigkeit zu der vom Messaufnehmer zu detektierenden äußeren Größe, nämlich zur Größe des auf den Messaufnehmer wirkenden Druckes. Thus, the resonance frequency f 0 of the oscillating circuit 1 and thus the voltage U provided at the output 5 of the basic circuit shown in FIG. 1 is dependent in its frequency response on the external variable to be detected by the measuring sensor, namely the size of the pressure acting on the measuring sensor.
In anderen Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Drucksensoren wird am Ausgang 5 der dargestellten Schaltung nicht der in Fig. 2 gezeigte Frequenzgang der Spannung U bereitgestellt, sondern ein von der Mess- und Auswerteschaltung 4 noch weiter aufbereitetes Signal, das proportional zum auf den Messaufnehmer wirkenden Druck ist. Dieses Signal kann dann wiederum zur Steuerung anderer Vorrichtungen, wie zum Beispiel Pumpen, Ventilen oder Anzeigeeinrichtungen dienen. In other exemplary embodiments of the pressure sensors according to the invention, the frequency response of the voltage U shown in FIG. 2 is not provided at the output 5 of the circuit shown, but a signal which is further processed by the measuring and evaluation circuit 4 and is proportional to the pressure acting on the measuring sensor. This signal can in turn be used to control other devices such as pumps, valves or display devices.
In Fig. 3 sind Ausführungsbeispiele von Leitern 6 für bestimmte erfindungsgemäße Drucksensoren dargestellt, wobei das besondere der Messaufnehmer, die solche Leiter verwenden, ist, dass sie jeweils nur aus einem Leiter und dem genannten drucksensiblen Material bestehen, wobei das drucksensible Material in Fig. 3 nicht dargestellt ist. Auf der rechten Seite von Fig. 3 ist das jeweils entsprechende Ersatzschaltbild zu sehen, dass sie wieder genau so ein passiver LC-Schwingkreis ist, wie er schon in Fig. 1 gezeigt worden war. Die Besonderheit besteht darin, dass die Eigenkapazität der Leiteranordnung zur Realisierung der Kapazität C des LC-Schwingkreises genutzt wird. In Fig. 3 embodiments are shown of conductors 6 for certain inventive pressure sensors, wherein the particular one of the sensor using such conductor is, that they each consist of a conductor and said pressure-sensitive material, wherein the pressure sensitive material in Fig. 3 is not shown. On the right-hand side of FIG. 3, the corresponding equivalent circuit diagram can be seen that it is again a passive LC resonant circuit, as was already shown in FIG. 1. The special feature is that the internal capacitance of the conductor arrangement is used to realize the capacitance C of the LC resonant circuit.
Vorteilhafterweise wird der Leiter 6 des LC-Schwingkreises in Planartechnik ausgeführt, wie es in den Fig. 3 und 5 gezeigt ist. In Fig. 5 ist darüber hinaus auch das drucksensible Material 8 dargestellt, welches im Ausführungsbeispiel des Messaufnehmers von Fig. 5 dem planaren Leiter 6 als Träger dient. The conductor 6 of the LC resonant circuit is advantageously implemented using planar technology, as shown in FIGS. 3 and 5. In Fig. 5 above and the pressure-sensitive material 8 is shown also that the planar conductor 6 is used in the embodiment of the sensor of FIG. 5 as the carrier.
In anderen Ausführungsbeispielen kann der Leiter 6 aber auch in konventioneller Wickeltechnik realisiert sein, wie es in dem Ausführungsbeispiel des Messaufnehmers von Fig. 4 dargestellt ist. Hier dient als drucksensibles Material ein Ringkern 7 aus entsprechend geeignetem Ferrit. In other exemplary embodiments, however, the conductor 6 can also be implemented using conventional winding technology, as is shown in the exemplary embodiment of the measuring sensor from FIG. 4. Here, a ring core 7 made of appropriately suitable ferrite serves as the pressure-sensitive material.
Die zu verwendenden Formen sind nicht etwa auf die in den Fig. 3 bis 5 dargestellten geometrischen Formen beschränkt. Vielmehr ist eine große Vielfalt anderer Formen denkbar. Dem Fachmann ist bekannt, dass jede Leiteranordnung stets eine gewisse parasitäre Kapazität aufweist, die bei den entsprechenden Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Drucksensoren ausgenutzt wird. Sternförmige Anordnungen sind ebenfalls denkbar, genauso wie andere geometrische Formen, die dem jeweiligen Einsatzort des entsprechenden Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Drucksensors am besten angepasst sind. The shapes to be used are not limited to the geometric shapes shown in FIGS. 3 to 5. Rather, a wide variety of other forms are conceivable. It is known to the person skilled in the art that each conductor arrangement always has a certain parasitic capacitance, which is used in the corresponding exemplary embodiments of the pressure sensors according to the invention. Star-shaped arrangements are also conceivable, as are other geometric shapes which are best adapted to the respective place of use of the corresponding exemplary embodiment of the pressure sensor according to the invention.
Bei bestimmten Ausführungsbeispielen erfindungsgemäßer Drucksensoren ist der Messaufnehmer in einen Träger integriert, wobei der Messaufnehmer 1 im Querschnitt des Trägers gesehen näher zu einer Frontfläche des Trägers hin angeordnet ist, als zu der anderen Frontfläche des Trägers. Anstatt der Integration in einen Träger kann der Messaufnehmer 1 auch an einen Träger montiert sein. In certain exemplary embodiments of pressure sensors according to the invention, the measuring sensor is integrated in a carrier, the measuring sensor 1 , viewed in cross section of the carrier, being arranged closer to a front surface of the carrier than to the other front surface of the carrier. Instead of being integrated into a carrier, the sensor 1 can also be mounted on a carrier.
Bei vielen Ausführungsbeispielen nicht nur erfindungsgemäßer Drucksensoren, die mit berührungsloser energetischer Kopplung zwischen dem Messaufnehmer 1 und dem Oszillator 2 arbeiten, liegt der Abstand zwischen dem Oszillator 2 und dem Messaufnehmer 1 im Bereich von 1 cm bis Im. Insbesondere kann sich z. B. der Messaufnehmer 1 innerhalb eines Kraftfahrzeugreifens befinden und der mit dem Messaufnehmer 1 berührungslos energetisch gekoppelte Oszillator 2 kann wie die Durchstimmeinrichtung 3 und die Mess- und Auswerteschaltung 4 in den Innenraum des Kraftfahrzeugs eingebaut sein. So lässt sich laufend, auch während der Fahrt, berührungslos und ohne irgendwelche Durchkontaktierungsprobleme der Reifendruck bestimmen. Bei Integration des letztgenannten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Drucksensors in ein geeignetes Steuer- bzw. Regelsystem lässt sich der Reifendruck dann auch jederzeit problemlos auf einen gewünschten Wert einstellen. In many exemplary embodiments, not only pressure sensors according to the invention, which operate with contactless energetic coupling between the measuring sensor 1 and the oscillator 2 , the distance between the oscillator 2 and the measuring sensor 1 is in the range from 1 cm to 1 m. B. the sensor 1 are located inside a motor vehicle tire and the oscillator 2 which is energetically coupled to the sensor 1 in a contactless manner, like the tuning device 3 and the measuring and evaluation circuit 4, can be installed in the interior of the motor vehicle. In this way, the tire pressure can be determined continuously, even while driving, without contact and without any through-hole problems. When the latter embodiment of a pressure sensor according to the invention is integrated into a suitable control system, the tire pressure can then be set to a desired value at any time without any problems.
Des Weiteren ist bei anderen Ausführungsbeispielen erfindungsgemäßer Drucksensoren mindestens ein weiterer LC-Schwingkreis als weiterer Messaufnehmer vorgesehen. Häufig werden dabei der weitere Messaufnehmer beziehungsweise einer der weiteren Messaufnehmer zur Referenzmessung verwendet. Bei verschiedenen derart ausgelegten Ausführungsbeispielen erfindungsgemäßer Drucksensoren sind die einzelnen Schwingkreise so ausgelegt, dass sich ihre Eigenfrequenzen im Arbeits-Druckbereich des Drucksensors nicht überschneiden. Furthermore, it is more inventive in other exemplary embodiments Pressure sensors at least one further LC resonant circuit provided as a further sensor. Often, the other sensor or one of the others Sensor used for reference measurement. In various such designed Exemplary embodiments of pressure sensors according to the invention are the individual ones Vibrating circuits designed so that their natural frequencies in the working pressure range of the Do not overlap the pressure sensor.
Claims (13)
einen LC-Schwingkreis als Messaufnehmer (1), wobei das induktive Bauteil (L) des Messaufnehmers (1) ein seine Induktivität beeinflussendes Material (7, 8) aufweist, das in seiner Induktivitätsbeeinflussungsstärke druckabhängig ist,
einen Oszillator (2) zur Anregung des Schwingkreises, wobei der Messaufnehmer (1) und der Oszillator (2) berührungslos energetisch gekoppelt sind,
eine Durchstimmeinrichtung (3) zur frequenzmässigen Durchstimmung des Oszillators (2) und
eine Mess- und Auswerteschaltung (4) zur Erfassung des Bedämpfungszustandes des Oszillators (2) und zum Bereitstellen eines Signals, das proportional zum auf den Messaufnehmer (1) wirkenden Druck ist. 1. Pressure sensor, characterized by
an LC resonant circuit as a measuring sensor ( 1 ), the inductive component (L) of the measuring sensor ( 1 ) having a material ( 7 , 8 ) which influences its inductance and which is pressure-dependent in terms of its inductance influence strength,
an oscillator ( 2 ) for excitation of the resonant circuit, the sensor ( 1 ) and the oscillator ( 2 ) being energetically coupled without contact,
a tuning device ( 3 ) for frequency tuning of the oscillator ( 2 ) and
a measuring and evaluation circuit ( 4 ) for detecting the damping state of the oscillator ( 2 ) and for providing a signal which is proportional to the pressure acting on the sensor ( 1 ).
einen LC-Schwingkreis als Messaufnehmer (1), wobei das induktive Bauteil (L) des Messaufnehmers (1) ein seine Induktivität beeinflussendes Material (7, 8) aufweist, das in seiner Induktivitätsbeeinflussungsstärke druckabhängig ist, wobei der Messaufnehmer (1) nur aus einem Leiter (6) und dem genannten drucksensiblen Material (7, 8) besteht,
einen Oszillator (2) zur Anregung des Schwingkreises,
eine Durchstimmeinrichtung (3) zur frequenzmäßigen Durchstimmung des Oszillators (2) und
eine Mess- und Auswerteschaltung (4) zur Erfassung des Bedämpfungszustandes des Oszillators (2) und zum Bereitstellen eines Signals, das proportional zum auf den Messaufnehmer (1) wirkenden Druck ist. 2. Pressure sensor, characterized by
an LC resonant circuit as a measuring sensor ( 1 ), the inductive component (L) of the measuring sensor ( 1 ) having a material ( 7 , 8 ) which influences its inductance and which is pressure-dependent in terms of its inductance influence strength, the measuring sensor ( 1 ) consisting of only one Conductor ( 6 ) and said pressure-sensitive material ( 7 , 8 ),
an oscillator ( 2 ) to excite the resonant circuit,
a tuning device ( 3 ) for tuning the frequency of the oscillator ( 2 ) and
a measuring and evaluation circuit ( 4 ) for detecting the damping state of the oscillator ( 2 ) and for providing a signal which is proportional to the pressure acting on the sensor ( 1 ).
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