-
Stand der Technik
-
Im
Stand der Technik sind kapazitive Sensoren bekannt und finden beispielsweise
als Drucksensoren Verwendung. Kapazitiven Sensoren bilden eine abhängig von
der Messgröße variable
elektrische Kapazität,
welche durch eine geeignete Auswertungsschaltung ausgewertet wird.
Insbesondere im Kraftfahrzeugbau werden kapazitive Drucksensoren
in vielfacher Weise eingesetzt. Die Randbedingungen, unter denen
Druck gemessen wird, verschärfen
sich dabei zunehmend. Beispielsweise wird in Rußpartikelfiltern der Differenzdruck
am Filter im Abgasstrang gemessen. Dabei ist der Sensor direkt den
chemisch aggressiven Gasen und Flüssigkeiten bei hohen Temperaturen
ausgesetzt. Um die Messvorrichtung zu schützen, wird daher teilweise
ein Sensorelement aus medienresistenten Materialien aufgebaut, das
heißt
aus Materialien, die durch das aggressive Umfeld nicht angegriffen
werden. Die empfindliche Auswertungsschaltung wird gekapselt und
vom Sensorelement durch eine Trennwand getrennt. Die Auswertung
des Sensorelementes erfolgt über
eine induktive Kopplung durch die Trennwand hindurch. 1 zeigt
ein Beispiel für
einen nach diesem Prinzip aufgebauten Drucksensor 10.
-
Der
Drucksensor weist eine mit der Umgebung verbundene Sensorkammer 18 auf,
die durch eine Trennwand 13 von einer hermetisch abgeschlossenen
Kammer 19 getrennt ist. In der hermetisch abgeschlossenen
Kammer 19 ist eine Auswertungseinheit mit einer Auswertungselektronik 12 angeordnet,
welche über
eine Datenleitung 17 das Messsignal zur Verfügung stellt.
Die Sensorkammer 18 enthält einen kapazitiven Drucksensor 11,
der nach bekanntem Prinzip aufgebaut ist. Den Kern des Drucksensors
bildet eine Kammer, in der auf gegenüberliegenden Seiten zwei Elektroden 14a und 14b angeordnet
sind, welche als Kondensa torplatten fungieren. Im gezeigten Beispiel
ist die Elektrode 14a auf einer mechanisch verformbaren
Seite der Kammer angeordnet, so dass sich der Abstand der Elektroden 14a, 14b relativ
zueinander und somit auch die Kapazität der Anordnung entsprechend
dem Umgebungsdruck verändern
kann.
-
Die
Elektroden
14a,
14b sind mit jeweils entgegengesetzten
Enden einer Planarspule
15 verbunden, welche in
1 im
Schnitt dargestellt ist. Die Planarspule
15 bildet mit
dem kapazitiven Drucksensor
11 einen Schwingkreis, dessen
Resonanzfrequenz von der Kapazität
des von den Elektroden
14a,
14b gebildeten Kondensators
abhängig
ist. Es gilt dabei für
die Resonanzfrequenz f
0 die allgemein bekannte
Formel:
wobei L die Induktivität der Planarspule
15 und
C(p) die druckabhängige
Kapazität
des von den Elektroden
14a,
14b gebildeten Kondensators
bedeutet.
-
Wird
der Schwingkreis zum Schwingen angeregt, kann über eine mit der Auswertungselektronik 12 verbundene
zweite Planarspule 16 durch die Trennwand 13 hindurch
ein Sensorsignal ausgelesen werden, dessen Frequenz ein Maß für den in
der Sensorkammer 18 herrschenden Druck ist. Die Auswertungselektronik 12 bestimmt
die Frequenz des Sensorsignals und erzeugt so das Messsignal, welches über die
Datenleitung 17 zur weiteren Verarbeitung ausgegeben wird.
Schwierig ist hierbei, dass die Resonanzfrequenz f0 aufgrund
der geringen Kapazität
des Drucksensors 11 und der baubedingt begrenzten Induktivität der Planarspule
sehr hoch, die druckabhängige Änderung
der Frequenz jedoch gering ist. Zudem kann die Messung durch Störeinflüsse wie
Veränderungen
der Temperatur verfälscht werden.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die
Erfindung führt
daher eine Messvorrichtung mit einer Sensoreinheit und einer von
der Sensoreinheit durch eine Trennwand galvanisch getrennten Auswertungseinheit
ein. Die Sensoreinheit umfasst einen mit einer ersten Spule zu einem
ersten Schwingkreis elektrisch verbundenen ersten kapazitiven Sensor
und eine mit einer zweiten Spule zu einem zweiten Schwingkreis elektrisch
verbundene Referenzkapazität.
Die Auswertungseinheit umfasst eine dritte Spule, die mit der ersten
Spule und der zweiten Spule induktiv gekoppelt ist. Die Auswertungseinheit
ist ausgebildet, eine Schwebungsfrequenz eines von dem ersten Schwingkreis
und dem zweiten Schwingkreis in die dritte Spule induktiv eingekoppelten
Schwebungssignals als Messsignal zu bestimmen und auszugeben. Die
Erfindung hat den Vorteil, dass in der dritten Spule die von erstem
und zweitem Schwingkreis eingekoppelten Signale ein Schwebungssignal
erzeugen, wenn sich die Resonanzfrequenzen von erstem und zweitem
Schwingkreis minimal voneinander unterscheiden. Die Schwebungsfrequenz
fS des Schwebungssignals folgt dabei der
Formel: fS = |f1 – f2|wobei f1 und
f2 die Resonanzfrequenzen von erstem bzw.
zweitem Schwingkreis bedeuten.
-
Obgleich
f1 und f2 weiterhin
sehr hohe Frequenzen sein können,
ist die Schwebungsfrequenz fS gleich dem
Frequenzunterschied zwischen f1 und f2 und somit deutlich niedriger und messtechnisch
einfacher auszuwerten. Relativ gesehen kleine Änderungen der Resonanzfrequenzen
bewirken daher eine relativ gesehen große Änderung der Schwebungsfrequenz.
-
Indem
die Referenzkapazität
möglichst ähnlich dem
kapazitiven Sensor aufgebaut ist, verhält sich die Referenzkapazität unter
Störeinflüssen entsprechend
dem kapazitiven Sensor. Aufgrund der Differenzbildung heben sich
somit Änderungen
der Referenzfrequenzen von erstem und zweitem Schwingkreis aufgrund
von Störeinflüssen wenigstens
näherungsweise
auf, wodurch die Messgenauigkeit zusätzlich verbessert wird.
-
Besonders
bevorzugt ist der kapazitive Sensor ein kapazitiver Drucksensor,
die Erfindung ist jedoch auch auf beliebige andere Arten von kapazitiven
Sensoren anwendbar.
-
Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist die Referenzkapazität als zweiter kapazitiver Sensor,
insbesondere als zweiter kapazitiver Drucksensor, ausgeführt. Hierbei
sind wenigstens zwei Varianten vorstellbar:
Bei einer ersten
Variante bilden der erste kapazitive Sensor und der zweite kapazitive
Sensor einen differentiellen kapazitiven Sensor, welcher ausgebildet ist,
ein Sensorsignal als Differenz der Kapazitäten des ersten kapazitiven
Sensors und des zweiten kapazitiven Sensors zu erzeugen. Diese Variante
bildet z. B. einen Differenzdrucksensor, der eine Druckdifferenz
zwischen zwei verschiedenen Orten bestimmen kann. Wenn erster und
zweiter kapazitiver Sensor identisch aufgebaut und thermisch gut
gekoppelt sind, heben sich Störeinflüsse wie
oben beschrieben optimal gegeneinander auf. Der erste kapazitive
Sensor und der zweite kapazitive Sensor sollten dabei in getrennten
Kammern angeordnet sein, die jeweils mit unterschiedlichen Orten
der Messumgebung räumlich
verbunden sind.
-
In
einer zweiten Variante sind der erste kapazitive Sensor und der
zweite kapazitive Sensor in derselben Kammer angeordnet. Der zweite
kapazitive Sensor wird dabei entweder fixiert, so dass seine Kapazität von der
Messgröße unabhängig wird,
oder aber so ausgelegt, dass seine Charakteristik entgegengesetzt
der des ersten kapazitiven Sensors ist, sich also Änderungen
der Messgröße mit entgegengesetztem
Vorzeichen auf die Kapazität
des Sensors auswirken. In letzterem Fall addieren sich die variablen
Anteile der Resonanzfrequenzen von erstem und zweitem Schwingkreis
aufgrund der Differenzbildung gemäß der obenstehenden Formel
für die
Schwebungsfrequenz fS, wodurch die Messempfindlichkeit erhöht wird.
-
Die
Resonanzfrequenz des ersten Schwingkreises kann bei vorbestimmten
Umgebungsbedingungen, insbesondere bei einem vorbestimmten Druck
und/oder einer vorbestimmten Temperatur, gleich der Resonanzfrequenz
des zweiten Schwingkreises sein. Die vorbestimmten Umgebungsbedingungen
definieren so einen Bezugspunkt der Messvorrichtung, bei der die
Schwebungsfrequenz Null wird. Weichen die tatsächlichen Umgebungsbedingungen
von den vorbestimmten Umgebungsbedingungen ab, werden auch die Resonanzfrequenzen von
erstem und zweitem Schwingkreis voneinander abweichen, so dass sich
eine entsprechende Schwebungsfrequenz ergibt.
-
Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Messvorrichtung kann die Auswertungseinheit über eine Anregungsspule verfügen, welche
ausgebildet ist, den ersten Schwingkreis und den zweiten Schwingkreis
zum Schwingen anzuregen. Diese Ausführungsform erlaubt es, die
Sensoreinheit passiv auszulegen, so dass es nicht nötig ist,
einen eventuell Korrosion unterworfenen elektrischen Leiter oder
dergleichen in dem der chemisch aggressiven Umgebung ausgesetzten
Teil der Messvorrichtung vorzusehen.
-
Dabei
kann die Auswertungseinheit ausgebildet sein, einen Strompuls zu
erzeugen und an die Anregungsspule auszugeben. Die Länge des
Strompulses bestimmt sich nach den in einer bestimmten Messvorrichtung
tatsächlich
gegebenen Resonanzfrequenzen von erstem und zweitem Schwingkreis. Je
höher die
Resonanzfrequenz, desto kürzer
sollte der Strompuls sein.
-
Alternativ
kann die Anregungsspule mit einer Anregungskapazität zu einem
dritten Schwingkreis elektrisch verbunden sein, welcher eine aktive
Anregung besitzt. In diesem Fall kann der dritte Schwingkreis aufgrund
der aktiven Anregung über
einen längeren
Zeitraum auf seiner Resonanzfrequenz schwingen und so den ersten
und zweiten Schwingkreis über
die induktive Kopplung zum Schwingen anregen.
-
Bei
beiden vorgenannten Alternativen kann die Anregungsspule die dritte
Spule sein. Ebenso ist es jedoch vorstellbar, die Anregungsspule
zusätzlich vorzusehen.
-
Zur
Bestimmung der Schwebungsfrequenz kann die Auswertungseinheit beispielsweise über einen
Gleichrichter, ein Tiefpassfilter und einen Frequenzzähler verfügen. Der
Gleichrichter ist dabei ausgebildet, das Schwebungssignal gleichzurichten, und
das Tiefpassfilter ist ausgebildet, das gleichgerichtete Schwebungssignal
tiefpasszufiltern. Der Frequenzzähler
wiederum ist ausgebildet, eine Frequenz des tiefpassgefilterten
gleichgerichteten Schwebungssignals als Schwebungsfrequenz zu bestimmen.
Alternativ hierzu sind andere Auswertungsschaltungen vorstellbar,
die dem Fachmann aus dem Stand der Technik zur Verfügung stehen.
-
Kurzbeschreibung der Abbildungen
-
Die
Erfindung soll im Folgenden anhand von Abbildungen von Ausführungsbeispielen
näher beschrieben
werden. Es zeigen:
-
1 einen
kapazitiven Drucksensor mit induktiver Kopplung gemäß dem Stand
der Technik;
-
2 ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung als differentiellen kapazitiven Drucksensor;
-
3 Beispielsignale
für eine
Messung mittels der erfindungsgemäßen Messvorrichtung; und
-
4 ein
zweites Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
-
Detaillierte Beschreibung
der Abbildungen
-
2 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung als differentiellen kapazitiven Drucksensor 20.
Zwei kapazitive Drucksensoren 21a, 21b bekannter
Bauweise sind in zwei voneinander getrennten Sensorkammern 28a, 28b angeordnet,
welche jeweils mit verschiedenen Umgebungen verbunden sind. Der
differentielle kapazitive Drucksensor 20 ist ausgebildet,
Druckunterschiede zwischen den verschiedenen Umgebungen zu messen.
Jeder der beiden kapazitiven Drucksensoren 21a, 21b ist
mit einer Planarspule 25a, 25b umgeben und mit
dieser elektrisch zu einem Schwingkreis gekoppelt. Die beiden Sensorkammern 28a, 28b sind
durch eine Trennwand 23 von einer hermetisch abgeschlossenen Kammer 29 getrennt,
welche eine elektronische Auswertungseinheit 22 enthält. Die
Auswertungseinheit 22 ist mit einer dritten Planarspule 26 elektrisch
gekoppelt, die dazu dient, die Planarspulen 25a, 25b einerseits
zum Schwingen anzuregen und andererseits die von den Schwingkreisen
aus den kapazitiven Drucksensoren 21a, 21b und
den Planarspulen 25a, 25b erzeugten Schwingungen
zu empfangen und als Schwebungssignal an die Auswertungseinheit 22 auszugeben.
Die Auswertungseinheit 22 bestimmt die Schwebungsfrequenz
des Schwebungssig nals und gibt ein entsprechendes Messsignal über eine Datenleitung 27 aus.
Die Schwebungsfrequenz des Schwebungssignals ist ein Maß für den Druckunterschied
in den beiden Sensorkammern 28a und 28b. Indem
die Sensorkammern 28a, 28b und die darin angeordneten
kapazitiven Drucksensoren 21a, 21b möglichst
gleichartig aufgebaut werden, entstehen möglichst ähnliche elektrische und thermische
Eigenschaften der beiden Sensoreinheiten, so dass eine hohe Messgenauigkeit über einen
weiten Temperaturbereich sichergestellt werden kann. Da gemäß dem Erfindungsgedanken
nur der Frequenzunterschied zwischen den von den Sensoreinheiten
erzeugten Schwingungen bestimmt wird, heben sich temperatur- oder
von sonstigen Umgebungsbedingungen abhängige Teile der Resonanzfrequenzen der
beiden Schwingkreise durch die Differenzbildung weg.
-
3 zeigt
Beispielsignale für
eine Messung mittels der erfindungsgemäßen Messvorrichtung. In einem
ersten von drei Teildiagrammen ist ein Transientensignal eines ersten
Schwingkreises mit einer Resonanzfrequenz f1 aufgetragen, in einem
zweiten Teildiagramm ein entsprechendes Signal eines zweiten Schwingkreises
mit einer Resonanzfrequenz f2. Die beiden Resonanzfrequenzen f1
und f2 des gezeigten Beispiels unterscheiden sich voneinander um lediglich
ca. 15%. Im dritten Teildiagramm ist das aus der Überlagerung
der beiden Resonanzfrequenzen f1 und f2 entstehende Schwebungssignal über der Zeit
aufgetragen. Deutlich ist die mit einer wesentlich niedrigeren Frequenz
ausgestattete Einhüllende
zu erkennen, deren Frequenz die Schwebungsfrequenz ist und dem Betrag
der Differenz der beiden Resonanzfrequenzen f1 und f2 entspricht.
Durch geeignete Filterung kann die Schwebungsfrequenz ähnlich einer
Demodulierung eines amplitudenmodulierten Signals aus dem Schwebungssignal
herausgefiltert und so dann bestimmt werden.
-
4 zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel 30 der
Erfindung. Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel 30 sind
zwei kapazitive Drucksensoren 31a und 31b in derselben
Sensorkammer 38 angeordnet. Der kapazitive Drucksensor 31b dient
als Referenz und besitzt eine druckunveränderliche Kapazität, was im gezeigten
Beispiel dadurch erreicht wird, dass die Kondensatorplatten 34a, 34b des
kapazitiven Drucksensors 31b mechanisch blockiert wurden,
so dass sie sich nicht relativ zueinander verschieben lassen. Dadurch
wird die Resonanzfrequenz des durch elektrische Kopplung des kapazitiven
Drucksensors 31b mit einer Planarspule 35b erzeugten
Referenzschwingkreises unabhängig
von Druckverände rungen,
kann aber beispielsweise noch durch Temperaturveränderungen
beeinflusst werden. Die eigentliche Druckmessung wird durch den
kapazitiven Drucksensor 31a vorgenommen, welcher mit einer Planarspule 35a zu
einem Schwingkreis gekoppelt ist. Das zweite Ausführungsbeispiel 30 der
Erfindung erlaubt die Bestimmung des Druckes (oder bei Verwendung
anderer kapazitiver Sensortypen entsprechend anderer Messgrößen) an
einem einzigen Ort, profitiert aber dennoch von den Vorteilen des
erfindungsgemäßen Auswertungsprinzips,
indem eine Schwebung zwischen einem kapazitiven Sensor und einer
ansonsten baugleichen, aber festgestellten, Referenz erzeugt wird.
Dementsprechend besitzt das zweite Ausführungsbeispiel 30 eine
von der Sensorkammer 38 durch eine Trennwand 33 getrennte
und hermetisch abgeschlossene Kammer 39 mit einer Auswertungseinheit 32,
welche mit einer weiteren Planarspule 36 gekoppelt und
ausgebildet ist, die Schwebungsfrequenz einer durch Überlagerung
der Resonanzfrequenzen der beiden Schwingkreise erzeugten Schwebung
zu bestimmen und ein entsprechendes Messsignal über eine Datenleitung 37 auszugeben.
-
Das
Prinzip der Erfindung kann auch mit weiteren Typen kapazitiver Sensoren
und Drucksensoren verwendet werden. So kann für die Messung eines Differenzdrucks
auch ein Drucksensor mit einem zwei getrennte Elektroden umfassenden
Membransystem, bei dem sich die zwei getrennten Elektroden in Abhängigkeit
des Drucks relativ zu einer feststehenden Mittelelektrode bewegen,
verwendet werden. Die beweglichen Elektroden sind jeweils mit einer Spule
zu einem Schwingkreis verbunden und bilden mit der Mittelelektrode
einen Kondensator mit druckveränderlicher
Kapazität.
Diese Ausführungsvariante besitzt
den besonderen Vorteil, dass über
das Membransystem direkt physikalisch der Differenzdruck gebildet
wird. Die Membran kann in ihrer Empfindlichkeit speziell für die Differenzdruckanwendung
ausgelegt werden unabhängig
von einem eventuell angelegten hohen Absolutdruck. Das heißt, dass
die Membran nur so fest sein muss, dass sie den Druckunterschied
zwischen zwei verschiedenen Drücken aushalten
können
muss. In dem in 2 gezeigten Beispiel hingegen
muss jeder der kapazitiven Drucksensoren 21a, 21b dem
jeweiligen Absolutdruck standhalten können.
