DE102017109183A1 - Pressure measuring device - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine kapazitive, Membran-basierte Druckmesseinrichtung (1) für die Prozessautomatisierung, mittels der vor allem die Bestimmungen bezüglich Explosionsschutz und Hitzebeständigkeit eingehalten werden können. Sie zeichnet sich aus durch: Eine elektrische Koppler-Struktur (6), die mit dem druckabhängigen Kondensator (5) kontaktiert ist; Zumindest eine erste Sende-/Empfangs-Antenne (81) zum Aussenden eines elektromagnetischen Signals (S) in Richtung der Koppler-Struktur (6), und zum Empfang eines von der Koppler-Struktur (6) reflektierten elektromagnetischen Signals (E); Einen zwischen der zumindest ersten Sende-/Empfangs-Antenne (81) und der Koppler-Struktur (6) angeordneten Hohlleiter (9). Hierdurch ist es erfindungsgemäß möglich, den Druck (p) kabellos mittels einer elektronischen Einheit (7) auszulesen. Durch diese kabellose Form der Druckwert-Übertragung wird ermöglicht, dass direkt an der Messmembran (3) keine aktiven, spannungsführenden Komponenten angebracht sein müssen. Hierbei bildet die Beabstandung der Sende-/Empfangs-Antenne (81, 82) hin zur Messmembran (3) mittels des Hohlleiters (9) die notwendige Distanz, um die in der Prozessautomatisierungstechnik geltenden Bestimmungen erfüllen zu können.The invention relates to a capacitive, membrane-based pressure measuring device (1) for process automation, by means of which, in particular, the provisions relating to explosion protection and heat resistance can be met. It is characterized by: an electrical coupler structure (6) which is in contact with the pressure-dependent capacitor (5); At least one first transmitting / receiving antenna (81) for emitting an electromagnetic signal (S) in the direction of the coupler structure (6), and for receiving an electromagnetic signal (E) reflected by the coupler structure (6); A waveguide (9) arranged between the at least first transmitting / receiving antenna (81) and the coupler structure (6). This makes it possible according to the invention to read the pressure (p) wirelessly by means of an electronic unit (7). This wireless form of pressure value transmission makes it possible to ensure that no active, live components are attached directly to the measuring diaphragm (3). In this case, the spacing of the transmitting / receiving antenna (81, 82) towards the measuring diaphragm (3) by means of the waveguide (9) forms the necessary distance in order to be able to fulfill the requirements applicable in process automation technology.
Description
Die Erfindung betrifft eine Druckmesseinrichtung sowie ein entsprechendes Verfahren zur Bestimmung des Druckes mittels der erfindungsgenmäßen Druckmesseinrichtung.The invention relates to a pressure measuring device and a corresponding method for determining the pressure by means of the pressure measuring device according to the invention.
In der Automatisierungstechnik, insbesondere in der Prozessautomatisierungstechnik, werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder zur Beeinflussung von Prozessvariablen entsprechender Prozessmedien dienen. Zur Erfassung von Prozessvariablen werden Sensoren eingesetzt, die beispielsweise in Füllstandsmessgeräten, Durchflussmessgeräten, Druck- und Temperaturmessgeräten, pH-Redoxpotential-Messgeräten, Leitfähigkeitsmessgeräten, usw. zum Einsatz kommen. Sie erfassen die entsprechenden Prozessvariablen, wie Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert, Redoxpotential oder Leitfähigkeit. Eine Vielzahl dieser Feldgeräte wird von der Firma Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.In automation technology, in particular in process automation technology, field devices are often used which serve for detecting and / or influencing process variables of corresponding process media. For the detection of process variables, sensors are used which are used, for example, in level gauges, flowmeters, pressure and temperature measuring devices, pH redox potential measuring devices, conductivity meters, etc. They record the corresponding process variables, such as level, flow, pressure, temperature, pH, redox potential or conductivity. A large number of these field devices are manufactured and sold by Endress + Hauser.
Im Fall von Druckmessung wird der Druck häufig anhand der Verformung einer Messmembran unter einseitiger Zuführung des Druckes gemessen. Dabei kann die Messmembran als integrierter Teil einer Halbleiter-Struktur ausgebildet sein. Ein derartiger Sensor ist beispielsweise in der Veröffentlichungsschrift
Die mechanische Verformung der Messmembrane wird mittels des (piezo-) resistiven oder mittels des kapazitiven Prinzips in ein elektrisches Messsignal umgewandelt. Dies bedeutet, dass ein oder mehrere resisitive oder kapazitive Elemente an der Messmembran angeordnet sind, deren Widerstand bzw. Kapazität sich mit der Verformung ändert.The mechanical deformation of the measuring diaphragm is converted into an electrical measuring signal by means of the (piezo) resistive or by means of the capacitive principle. This means that one or more resistive or capacitive elements are arranged on the measuring diaphragm whose resistance or capacity changes with the deformation.
Im Bereich der Prozessautomatisierungstechnik sind aus dem Stand der Technik bereits diverse Druckmesseinrichtungen bekannt: In der Gebrauchsmusterschrift
Allerdings ist der Einsatz von Druckmesseinrichtungen in der Prozessautomatisierungstechnik aufgrund der dort in der Regel erhöhten Anforderungen bezüglich Hitzebeständigkeit und Explosionsschutz problematisch. Grund dafür sind die oftmals hohen Prozesstemperaturen, beispielsweise in Reaktoren, sowie die nicht selten explosiven Prozessatmosphären. Die Einhaltung dieser Anforderungen (wie sie im Falle des Explosionsschutzes beispielsweise in der Normenreihe IEC 60079 festgelegt sind) ist bei Membran-basierten Druckmesseinrichtungen jedoch nur bedingt möglich. Ein Teil der elektronischen Einheit zum Auslesen des Druckes muss direkt an der Membran bzw. an dem angrenzenden Grundkörper angebracht sein, damit parasitäre Leitungs-Kapazitäten und somit Messfehler unterbunden werden. Eine nahe der Messmembran angebrachte elektronische Einheit ist jedoch unmittelbar den Prozesstemperatur-Einflüssen ausgesetzt. Dies ist zum einen nachteilhaft, als dass oberhalb einer Temperatur von ca. 150° C die elektronische Einheit irreversibel geschädigt werden kann. Zum anderen stellt die elektronische Einheit bezüglich Explosionsschutz-Aspekten aufgrund ihrer elektrischen Energieversorgung eine potentielle Gefahrenquelle dar.However, the use of pressure measuring devices in process automation technology is problematic because of the generally higher requirements with regard to heat resistance and explosion protection. This is due to the often high process temperatures, for example in reactors, as well as the often explosive process atmospheres. However, compliance with these requirements (as defined, for example, in the case of explosion protection in the IEC 60079 series of standards) is only possible to a limited extent in membrane-based pressure measuring devices. A part of the electronic unit for reading out the pressure must be attached directly to the membrane or to the adjoining main body in order to prevent parasitic conduction capacitances and thus measurement errors. However, an electronic unit mounted close to the measuring diaphragm is directly exposed to the process temperature influences. This is on the one hand disadvantageous, as that above a temperature of about 150 ° C, the electronic unit can be irreversibly damaged. On the other hand, the electronic unit with respect to explosion protection aspects because of their electrical energy supply is a potential source of danger.
Die Veröffentlichungsschrift
Trotzdem ist es im Fall von induktivem Auslesen notwendig, zumindest den induktiven Sensor nah an der Membran anzubringen, um das magnetische Nah-Feld nicht zu verlassen. Darüber hinaus ist der Energieverbrauch aufgrund der hohen erforderlichen Induktionsströme höher als bei drahtgebundener Anbindung der Kapazität, so dass auch hier der Explosionsschutz vermindert wird. Aufgrund dieser Zusammenhänge ist es daher auch bei diesem Typ von Druckmesseinrichtungen schwierig, die oben genannten Anforderungen zu erfüllen.Nevertheless, in the case of inductive readout, it is necessary to attach at least the inductive sensor close to the diaphragm so as not to leave the magnetic near field. In addition, the energy consumption is higher due to the high induction currents required than with wired connection of the capacitance, so that here too the explosion protection is reduced. Because of these relationships, it is therefore difficult even in this type of pressure measuring devices to meet the above requirements.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Druckmesseinrichtung bereitzustellen, die den Anforderungen in der Prozessautomatisierungstechnik gerecht wird. The invention is therefore based on the object to provide a pressure measuring device that meets the requirements in process automation technology.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Druckmesseinrichtung, die zumindest folgende Komponenten umfasst:
- - Einen Grundkörper,
- - eine Messmembran, die derart ausgestaltet und auf dem Grundkörper angeordnet ist, dass die Messmembran zum Grundkörper hin eine Druckkammer einschließt, und dass die Messmembran in Abhängigkeit eines zu messenden Druckes, der von einer dem Grundkörper abgewandten Fläche auf die Messmembran wirkt, verformbar ist,
- - einen Kondensator, mit
- • einer ersten Elektrode, die in der Druckkammer am Grundkörper angeordnet ist, und
- • einer zweiten Elektrode, die derart an der Messmembran in der Druckkammer angeordnet ist, dass die Kapazität des Kondensators vom Druck abhängig ist.
- - a basic body,
- a measuring diaphragm which is designed and arranged on the base body such that the measuring diaphragm encloses a pressure chamber towards the base body, and that the measuring diaphragm is deformable in dependence on a pressure to be measured acting on the measuring diaphragm from a surface facing away from the base body,
- - a capacitor, with
- A first electrode, which is arranged in the pressure chamber on the base body, and
- • A second electrode, which is arranged on the measuring diaphragm in the pressure chamber such that the capacitance of the capacitor is dependent on the pressure.
Dabei zeichnet sich die erfindungsgemäße Druckmesseinrichtung durch nachfolgende Komponenten aus:
- - Eine am Grundkörper angeordnete elektrische Koppler-Struktur, die mit dem Kondensator kontaktiert ist,
- - zumindest eine erste Sende-/Empfangs-Antenne zum Aussenden eines elektromagnetischen Signals in Richtung des Grundkörpers bzw. der Koppler-Struktur, und zum Empfang eines vom Grundkörper und/oder von der Koppler-Struktur reflektierten elektromagnetischen Signals (erfindungsgemäß wäre ebenso der Einsatz einer reinen Sende-Antenne und einer separaten Empfangs-Antenne denkbar),
- - einen zwischen der zumindest ersten Sende-/Empfangs-Antenne und der Koppler-Struktur angeordneten Hohlleiter,
- - eine elektronische Einheit, die zumindest mit der ersten Sende-/Empfangs-Antenne kontaktiert ist. Dabei ist die elektronische Einheit ausgestaltet, um das elektromagnetische Signal zu erzeugen und den Druck anhand des reflektierten, elektromagnetischen Signals zu bestimmen.
- An electrical coupler structure arranged on the main body, which is contacted with the capacitor,
- At least one first transmitting / receiving antenna for emitting an electromagnetic signal in the direction of the base body or the coupler structure, and for receiving an electromagnetic signal reflected from the base body and / or from the coupler structure (according to the invention would also be the use of a pure transmitting antenna and a separate receiving antenna conceivable),
- a waveguide arranged between the at least first transmitting / receiving antenna and the coupler structure,
- - An electronic unit which is contacted at least with the first transmitting / receiving antenna. In this case, the electronic unit is designed to generate the electromagnetic signal and to determine the pressure based on the reflected electromagnetic signal.
Durch die erfindungsgemäße Druckmesseinrichtung kann die Kapazität (und damit einhergehend der Druck) kabellos mittels elektromagnetischer Signale ausgelesen werden. Ein leitungsgebundenes oder induktives Auslesen ist folglich nicht nötig. Durch diese Form der kabellosen Übertragung wird ermöglicht, dass die Messmembran galvanisch von jeglichen aktiv spannungsversorgten Komponenten (wie der elektronischen Einheit) getrennt ist, da die Messmembran die nächstliegende elektrische Komponente zum Prozessraum hin, in dem der Druck gemessen wird, ist.By the pressure measuring device according to the invention, the capacity (and concomitantly the pressure) can be read wirelessly by means of electromagnetic signals. A wired or inductive readout is therefore not necessary. This form of wireless transmission allows the sensing diaphragm to be galvanically isolated from any actively powered components (such as the electronic unit) since the sensing diaphragm is the closest electrical component to the process space in which the pressure is being measured.
Hierbei bildet die Beabstandung der Sende-/Empfangs-Antenne hin zur Messmembran mittels des Hohlleiters die notwendige Distanz, um die in der Prozessautomatisierungstechnik geltenden Bestimmungen bezüglich Explosionsschutz und Hitzebeständigkeit einhalten zu können.In this case, the spacing of the transmitting / receiving antenna towards the measuring diaphragm by means of the waveguide forms the necessary distance in order to be able to comply with the regulations regarding explosion protection and heat resistance valid in process automation technology.
In einer ersten, sehr einfachen Umsetzungsvariante der erfindungsgemäßen Druckmesseinrichtung umfasst deren elektronische Einheit folgende Komponenten:
- - Einen Hochfrequenz-Generator zur Erzeugung eines elektrischen Hochfrequenz-Signals (beispielsweise als spannungsgesteuerter Oszillator realisiert, der durch einen entsprechenden Spannungsgenerator gesteuert ist),
- - zumindest eine erste Sende-/Empfangsweiche, die derart mit der ersten Sende-/Empfangs-Antenne verschaltet ist, um das elektrische Hochfrequenz-Signal als elektromagnetisches Signal auszusenden, und das reflektierte elektromagnetische Signal einzukoppeln, und
- - einen Microcontroller oder eine entsprechend geeignete elektrische Vorrichtung, der mittels des reflektierten, eingekoppelten Signals den Druck ermittelt.
- A high-frequency generator for generating a high-frequency electrical signal (realized, for example, as a voltage-controlled oscillator, which is controlled by a corresponding voltage generator),
- - At least a first transmitting / receiving switch, which is so connected to the first transmitting / receiving antenna to emit the high-frequency electrical signal as an electromagnetic signal, and couple the reflected electromagnetic signal, and
- - A microcontroller or a correspondingly suitable electrical device which detects the pressure by means of the reflected, coupled signal.
Insbesondere bei dieser einfachen Umsetzungsvariante der Druckmesseinrichtung ist es möglich, die Kapazität (und somit den Druck) zu ermitteln, indem der Hochfrequenz-Generator analog zum FMCW-Radar-basierten Abstandsmessverfahren so ausgelegt wird, dass er das elektrische Hochfrequenz-Signal mit einer Frequenz erzeugt, die sich zeitlich innerhalb eines Frequenzbandes insbesondere linear ändert. Hierbei wird der Effekt genutzt, dass die Koppler-Struktur in Verbindung mit dem Kondensator einen Schwingkreis mit einer druckabhängigen Eigenfrequenz bildet. Durch Bestimmung der Eigenefrequenz kann entsprechend auf den Druck rückgeschlossen werden. Die Eigenfrequenz kann wiederum ermittelt werden, wenn sie sich in dem Frequenzband des ausgesendeten elektromagnetischen Signals befindet, da sich aufgrund der Eigenfrequenz des Schwingkreises ein Frequenz-abhängiges Amplituden-Minimum des reflektierten hochfrequenten elektromagnetischen Signals ausbildet. Dementsprechend ist der Microcontroller in diesem Fall vorzugsweise so ausgestalten, dass er
- - innerhalb des Frequenzbandes zumindest ein Amplituden-Minimum des reflektierten hochfrequenten elektromagnetischen Signals in Abhängigkeit der Frequenz ermittelt,
- - eine korrespondierende Frequenz des Amplituden-Minimums ermittelt, und
- - den Druck anhand der Frequenz des zumindest einen Amplituden-Minimums bestimmt.
- at least one amplitude minimum of the reflected high-frequency electromagnetic signal as a function of the frequency is determined within the frequency band,
- - Finds a corresponding frequency of the amplitude minimum, and
- - Determines the pressure based on the frequency of the at least one amplitude minimum.
In einer erweiterten Umsetzung der erfindungsgemäßen Druckmesseinrichtung umfasst die elektronische Einheit zusätzlich folgende Komponenten:
- - einen Signalteiler, der verschaltet ist, um das elektrische Hochfrequenz-Signal in einen ersten Signalpfad und einen zweiten Signalpfad aufzuteilen, wobei die erste Sende-/Empfangsweiche im ersten Signalpfad angeordnet ist,
- - eine zweite Sende-/Empfangsweiche, die im zweiten Signalpfad verschaltet ist (beide Sende-/Empfangsweichen können bspw. als Zirkulator oder als Koppler, insbesondere als Richtkoppler, realisiert sein),
- - eine zweite Sende-/Empfangs-Antenne, die an die zweite Sende-/Empfangsweiche angeschlossen ist, wobei die zweite Sende-/Empfangsweiche ausgestaltet ist, um das das von der zweiten Sende-/Empfangs-Antenne empfangene, reflektierte Signal in den zweiten Signalpfad einzukoppeln, und
- - einen Mischer, der mit der ersten Sende-/Empfangsweiche und der zweiten Sende-/Empfangsweiche verschaltet ist, um das in den ersten Signalpfad eingekoppelte, reflektierte Signal mit dem reflektierten
- a signal divider which is connected in order to divide the high-frequency electrical signal into a first signal path and a second signal path, wherein the first transceiver is arranged in the first signal path,
- a second transmitting / receiving diplexer which is connected in the second signal path (both transmitting / receiving switches can be realized, for example, as a circulator or as a coupler, in particular as a directional coupler),
- a second transceiver antenna connected to the second transceiver, the second transceiver being configured to transfer the reflected signal received from the second transceiver antenna to the second transceiver Coupling signal path, and
- - A mixer, which is connected to the first transmitting / receiving switch and the second transmitting / receiving switch to the coupled in the first signal path, the reflected signal with the reflected
Signal, das in den zweiten Signalpfad eingekoppelt wird, zu mischen. Hierbei ermittelt der Microcontroller den Druck zumindest in dieser Umsetzungsvariante mittels des gemischten Signals.Signal, which is coupled into the second signal path to mix. In this case, the microcontroller determines the pressure at least in this implementation variant by means of the mixed signal.
Diese Erweiterung bietet zum einen den Vorteil, dass sich die Frequenz des gemischten Signals bei entsprechender Auslegung des auszusendenden elektromagnetischen Signals linear mit der Kapazität des Kondensators bzw. dem Druck ändert. Eine Bestimmung der Frequenz des gemischten Signals ist wiederum technisch sehr leicht zu realisieren. Zum anderen lässt sich durch die Verwendung zweier Sende-/Empfangs-Antennen der Temperatur-bedingte Fehler durch thermische Ausdehnung des Hohlleiters kompensieren. Allerdings ist hierbei die zweite Sende-/Empfangs-Antenne vorzugsweise so anzusteuern, dass das von ihr ausgesendete elektromagnetische Signal von der Koppler-Struktur unbeeinflusst am Grundkörper bzw. am Übergang zwischen Grundkörper und dem Hohlleiter reflektiert wird. Dadurch setzt sich das reflektierte Signal insgesamt aus einem von der Koppler-Struktur unabhängigen- und einem von der Koppler-Struktur abhängigen Anteil zusammen.On the one hand, this extension offers the advantage that the frequency of the mixed signal, with a corresponding design of the electromagnetic signal to be transmitted, changes linearly with the capacitance of the capacitor or the pressure. A determination of the frequency of the mixed signal is in turn technically very easy to implement. On the other hand, the use of two transmit / receive antennas makes it possible to compensate for the temperature-related errors by thermal expansion of the waveguide. However, in this case the second transmitting / receiving antenna is preferably to be controlled such that the electromagnetic signal emitted by it is reflected by the coupler structure unaffected on the base body or at the transition between the base body and the waveguide. As a result, the reflected signal is altogether composed of a component independent of the coupler structure and a component dependent on the coupler structure.
Hierzu geeignete Möglichkeiten der Ansteuerung bestehen darin, dass die erste Sende-/Empfangs-Antenne und die zweite Sende-/Empfangs-Antenne derart mit der elektronischen Einheit verschaltet sind, um das elektromagnetische Signal an der zweiten Sende-/Empfangs-Antenne in Bezug zur ersten Sende-/Empfangs-Antenne mit einer vordefinierten Phasenverschiebung (insbesondere 90°) auszusenden. Zusätzlich oder alternativ hierzu können die erste Sende-/Empfangs-Antenne und die zweite Sende-/Empfangs-Antenne auch derart mit der elektronischen Einheit verschaltet werden, dass das elektromagnetische Signal an der zweiten Sende-/Empfangs-Antenne in Bezug zur ersten Sende-/Empfangs-Antenne mit einer voneinander abweichenden Mode ausgesendet wird. Entsprechend ist es zur thermischen Entkopplung in beiden Fällen, also bei abweichender Mode oder bei verschobener Polarisation zwischen der ersten Sende-/Empfangs-Antenne und der zweiten Sende-/Empfangs-Antenne, notwendig, die Koppler-Struktur so auszulegen, dass sie von der Mode bzw. der Polarisation des von der zweiten Sende-/Empfangs-Antenne ausgesendeten Signals nicht angeregt wird.For this purpose, suitable options for driving are that the first transmitting / receiving antenna and the second transmitting / receiving antenna are connected in such a way with the electronic unit to the electromagnetic signal to the second transmitting / receiving antenna with respect to first transmitting / receiving antenna with a predefined phase shift (in particular 90 °) emit. Additionally or alternatively, the first transmit / receive antenna and the second transmit / receive antenna can also be connected to the electronic unit in such a way that the electromagnetic signal at the second transmit / receive antenna is related to the first transmit and receive antenna. / Receiving antenna is emitted with a different mode. Accordingly, it is necessary for the thermal decoupling in both cases, so in deviating mode or shifted polarization between the first transmitting / receiving antenna and the second transmitting / receiving antenna, the coupler structure so that they are of the Mode or the polarization of the emitted by the second transmitting / receiving antenna signal is not excited.
Insbesondere zur Ausprägung der gewünschten Mode(n) des ausgesendeten elektromagnetischen Signals ist es von weiterem Vorteil, wenn der Hohlleiter einen runden Querschnitt mit einem definierten Innendurchmesser aufweist. Die weitere Einflussgröße auf den Innendurchmesser bildet hierbei die Frequenz des auszusendenden elektromagnetischen Signals: Je höher die Frequenz ist, desto kleiner ist der Innendurchmesser zu bemessen. Zwecks kompakter Abmessung des Holleiters ist es daher von Vorteil, wenn das ausgesendete elektromagnetische Signal eine Frequenz von zumindest 100 MHz, insbesondere größer als 1 GHz aufweist. Um den Hohlleiter auch bezüglich seiner Länge kompakt auszugestalten, ist es daneben erfindungsgemäß zweckdienlich, wenn in den Hohlleiter ein Material mit einer Dielektrizitätszahl von größer als 1, insbesondere PE, PP, Teflon oder Glas, eingebracht ist (entsprechend der erhöhten Ausbreitungsgeschwindigkeit des ausgesendeten und reflektierten Signals verringert sich die notwendige Länge des Hohlleiters zur Kopplung zwischen der ersten Sende-/Empfangs-Antenne und der Koppler-Struktur). Daneben erhöht die Einbringung eines solchen Materials natürlich potentiell auch den Explosionsschutz, da das Material entsprechend als Barriere hin zu dem Prozessraum, in dem der Druck zu messen ist, wirkt. Zur Reduktion von Übertragungsverlusten ist es außerdem zweckdienlich, den Hohlleiter so zu dimensionieren, dass er eine Länge aufweist, die maximal das Vierfache des Innendurchmessers und/oder minimal ein Viertel einer Wellenlänge des elektromagnetischen Signals beträgt.In particular, for the expression of the desired mode (s) of the emitted electromagnetic signal, it is of further advantage if the waveguide has a round cross-section with a defined inner diameter. The further influencing factor on the inner diameter forms the frequency of the electromagnetic signal to be emitted: the higher the frequency, the smaller the inner diameter is to be dimensioned. For the sake of compact dimensions of the Holleiters, it is therefore advantageous if the emitted electromagnetic signal has a frequency of at least 100 MHz, in particular greater than 1 GHz. In order to make the waveguide compact even with respect to its length, it is additionally useful according to the invention if a material with a dielectric constant greater than 1, in particular PE, PP, Teflon or glass, is introduced into the waveguide (corresponding to the increased propagation velocity of the emitted and reflected light Signal decreases the necessary length of the waveguide for coupling between the first transmitting / receiving antenna and the coupler structure). In addition, the incorporation of such a material, of course, potentially increases the explosion protection, as the material acts accordingly as a barrier to the process space in which the pressure is to be measured. To reduce transmission losses, it is also expedient to dimension the waveguide so that it has a length which is at most four times the inner diameter and / or at least a quarter of a wavelength of the electromagnetic signal.
Zur gewünschten Kopplung zwischen der Koppler-Struktur und der ersten Sende-/Empfangs-Antenne mit der Koppler-Struktur kann es zudem von Vorteil sein, wenn die Koppler-Struktur in Bezug zum Querschnitt des Hohlleiters in etwa zentral angebracht ist. Hierzu ist der Querschnitt, insbesondere der Innendurchmesser des Hohlleiters in Bezug zur Frequenz des elektromagnetischen Signals so zu bemessen, dass das elektromagnetische Signal zumindest in der TE01 Mode, der TE11 Mode oder der TM11 Mode ausgesendet wird. Denn das Intensitätsmaximum des elektromagnetischen Signals befindet sich bei Ausstrahlung in der TE01 Mode, der TE11 Mode oder der TM11 Mode (in Bezug zum Innendurchmesser des Hohlleiters) in etwa mittig, so dass sich hierdurch eine effiziente Kopplung zur Koppler-Struktur hin einstellt. Alternativ zu einer (Teil-) ringförmigen Struktur wäre auch eine Ausgestaltung als Fraktal-Struktur denkbar.For the desired coupling between the coupler structure and the first transmitting / receiving antenna with the coupler structure, it may also be advantageous if the coupler structure is mounted approximately centrally with respect to the cross section of the waveguide. For this purpose, the cross section, in particular the inner diameter of the waveguide with respect to the frequency of the electromagnetic signal to be dimensioned so that the electromagnetic signal is transmitted at least in the TE 01 mode, the TE 11 mode or the TM 11 mode. This is because the intensity maximum of the electromagnetic signal is approximately centered when emitted in the TE 01 mode, the TE 11 mode or the TM 11 mode (in relation to the inner diameter of the waveguide), so that an efficient coupling to the coupler structure ensues , Alternatively to a (partial) annular structure, an embodiment as a fractal structure would also be conceivable.
Vor allem, um die erfindungsgemäße Druckmesseinrichtung möglichst kompakt dimensionieren zu können, ist es weiterhin vorzuziehen, die erste Sende-/Empfangs-Antenne, die zweite Sende-/Empfangs-Antenne, und/oder die Koppler-Struktur als eine planare Anordnung, bestehend aus einem ersten Ringsegment und einem in etwa gegenüberliegend angeordneten, zweiten Ringsegment, auszugestalten.Above all, in order to dimension the pressure measuring device according to the invention as compact as possible, it is further preferable, the first transmitting / receiving antenna, the second transmitting / receiving antenna, and / or the coupler structure as a planar array consisting of a first ring segment and an approximately opposite arranged, second ring segment to design.
Nach dem erfindungsgemäßen Ansatz ist zumindest diejenige Elektrode des Kondensators, die mit der Koppler-Struktur verbunden ist, galvanisch von den Sende-/Empfangs-Antennen getrennt, damit die rein elektromagnetische Kopplung zur Koppler-Struktur möglich ist. Daneben ist es jedoch zudem vorteilhaft, wenn darüber hinaus auch die zweite Elektrode des Kondensators galvanisch von der ersten Sende-Antenne bzw. der elektronischen Einheit (und bei Vorhandensein der zweiten Sende-/Empfangs-Antenne auch von dieser) getrennt ist. Hierdurch kann vor allem die elektromagnetische Verträglichkeit der Druckmesseinrichtung gegenüber paristären elektromagnetischen Störsignalen vermindert werden.According to the inventive approach, at least that electrode of the capacitor which is connected to the coupler structure, galvanically separated from the transmitting / receiving antennas, so that the purely electromagnetic coupling to the coupler structure is possible. In addition, however, it is also advantageous if, in addition, the second electrode of the capacitor is also galvanically isolated from the first transmitting antenna or the electronic unit (and also in the presence of the second transmitting / receiving antenna). As a result, in particular the electromagnetic compatibility of the pressure measuring device can be reduced with respect to parallary electromagnetic interference signals.
Entsprechend der Ausführung der erfindungsgemäßen Druckmesseinrichtung mit lediglich einer erforderlichen Sende-Empfangs-Antenne besteht ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Bestimmung des Druckes aus mindestens folgenden Verfahrensschritten:
- - Erzeugung eines elektrischen Hochfrequenz-Signals durch einen Hochfrequenz-Generator, wobei die Frequenz des elektrischen Hochfrequenz-Signals innerhalb eines Frequenzbandes, insbesondere linear, geändert wird,
- - Aussenden des elektrischen Hochfrequenz-Signals über zumindest eine erste Sende-/Empfangs-Antenne als hochfrequentes elektromagnetisches Signal,
- - Empfang des hochfrequenten elektromagnetischen Signals nach Reflektion an einer Koppler-Struktur und/oder einem Grundkörper durch zumindest die erste Sende-/Empfangs-Antenne,
- - Erfassung von zumindest einem Amplituden-Minimum des reflektierten hochfrequenten elektromagnetischen Signals in Abhängigkeit der Frequenz mittels eines Mikrocontrollers,
- - Bestimmung der Frequenz des zumindest einen Amplituden-Minimums, und
- - Bestimmung des Druckes anhand der Frequenz des zumindest einen Amplituden-Minimums.
- - Generation of a high-frequency electrical signal by a high-frequency generator, wherein the frequency of the electrical high-frequency signal within a frequency band, in particular linear, is changed,
- Transmitting the high-frequency electrical signal via at least one first transmitting / receiving antenna as a high-frequency electromagnetic signal,
- Reception of the high-frequency electromagnetic signal after reflection at a coupler structure and / or a base body by at least the first transmitting / receiving antenna,
- Detecting at least one amplitude minimum of the reflected high-frequency electromagnetic signal as a function of the frequency by means of a microcontroller,
- Determining the frequency of the at least one amplitude minimum, and
- - Determining the pressure based on the frequency of the at least one amplitude minimum.
Beim Einsatz der erfindungsgemäßen Druckmesseinrichtung in einer Ausführungsform mit zwei Sende-/Empfangs-Antennen umfasst ein korrespondierendes erfindungsgemäßes Verfahren zur Bestimmung des Druckes zumindest die nachfolgenden Verfahrensschritte:
- - Erzeugung eines elektrischen Hochfrequenz-Signals durch einen Hochfrequenz-Generator, wobei die Frequenz des elektrischen Hochfrequenz-Signals innerhalb eines Frequenzbandes, insbesondere linear, geändert wird,
- - Aufteilen des elektrischen Hochfrequenz-Signals in einen ersten Signalpfad und einen zweiten Signalpfad,
- - Aussenden des elektrischen Hochfrequenz-Signals über eine erste Sende-/Empfangs-Antenne als hochfrequentes elektromagnetisches Signal, wobei das elektrische Hochfrequenz-Signal über eine im ersten Signalpfad angeordnete Sende-/Empfangsweiche in die erste Sende-/Empfangs-Antenne eingekoppelt wird,
- - Aussenden des elektrischen Hochfrequenz-Signals über eine zweite Sende-/Empfangs-Antenne als hochfrequentes elektromagnetisches Signal, wobei das elektrische Hochfrequenz-Signal über eine im zweiten Signalpfad angeordnete Sende-/Empfangsweiche in die zweite Sende-/Empfangs-Antenne eingekoppelt wird,
- - Empfang des hochfrequenten elektromagnetischen Signals nach Reflektion an der Koppler-Struktur und/oder dem Grundkörper durch die erste Sende-/Empfangs-Antenne und die zweite Sende-/Empfangs-Antenne,
- - Mischen des von der ersten Sende-/Empfangs-Antenne empfangenen, reflektierten Signals mit dem von der zweiten Sende-/Empfangs-Antenne empfangenen, reflektierten Signals mittels des Mischers, und
- - Bestimmung des Druckes anhand der Differenzfrequenz sp des gemischten Signals.
- Generating a high-frequency electrical signal by a high-frequency generator, the frequency of the high-frequency electrical signal being changed within a frequency band, in particular linearly,
- Splitting the high-frequency electrical signal into a first signal path and a second signal path,
- Transmitting the electrical high-frequency signal via a first transmitting / receiving antenna as a high-frequency electromagnetic signal, wherein the electrical high-frequency signal is coupled into the first transmitting / receiving antenna via a transmitting / receiving switch arranged in the first signal path,
- Emitting the electrical high-frequency signal via a second transmitting / receiving antenna as a high-frequency electromagnetic signal, wherein the electrical high-frequency signal is coupled via a arranged in the second signal path transmitting / receiving switch in the second transceiver antenna,
- Reception of the high-frequency electromagnetic signal after reflection at the coupler structure and / or the base body by the first transmitting / receiving antenna and the second transmitting / receiving antenna,
- Mixing the reflected signal received from the first transmitting / receiving antenna with the reflected signal received from the second transmitting / receiving antenna by means of the mixer, and
- - Determining the pressure based on the difference frequency s p of the mixed signal.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren erläutert. Es zeigt:
-
1 : Eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Druckmesseinrichtung, -
2a : ein Diagramm zur Veranschaulichung eines möglichen Verfahrens zur Druck-Bestimmung mittels der erfindungsgemäßen Druckmesseinrichtung. -
2b : eine vorteilhafte Anordnung einer Koppler-Struktur zu zwei Sende-/Empfangs-Antennen, -
2c : eine Detailansicht zur Koppler-Struktur, -
3 : eine vorteilhafte Realisierung einer elektronischen Einheit der Druckmesseinrichtung.
-
1 : A sectional view of a pressure measuring device according to the invention, -
2a : a diagram for illustrating a possible method for pressure determination by means of the pressure measuring device according to the invention. -
2 B : an advantageous arrangement of a coupler structure to two transmitting / receiving antennas, -
2c : a detailed view of the coupler structure, -
3 an advantageous realization of an electronic unit of the pressure measuring device.
Je nachdem, ob die Druckmesseinrichtung
Wie es bei kapazitiver Druckmessung bereits bekannt ist, befindet sich im Hohlraum
In Bezug zu der Druckmesseinrichtung
Somit kann der Kapazität C des Kondensators
Erfindungsgemäß ist der Kondensator
Zur Umsetzung der erfindungsgemäßen Idee ist der Kondensator
Die Eigenfrequenz bzw. die Kapazität (und somit der Druck
Bei dem in
Angrenzend an diejenige Fläche des Grundkörpers
Da die Ermittlung und die Übertragung des Druckes
Die minimal erforderliche Mess-Zeit tmess,min ergibt sich dann gemäß dem Abtatst-Theorem mittels des Zusammenhangs:
Wie aus der Formel zudem hervorgeht, ergibt sich aus der minimal erforderlichen Mess-Zeit tmess,min auch unmittelbar die Messrate
Zwecks wirksamer elektromagnetischer Kopplung ist außerdem die Länge des Hohlleiters
Zur erforderlichen Kopplung zwischen den zwei Sende-/Empfangs-Antennen
Die Wahl des Durchmessers
Aus obiger Formel ergibt sich, dass der zu wählende Durchmesser
Bei dem in
Die Verwendung zweier Sende-/Empfangs-Antennen
Das Aussenden eines von der Koppler-Struktur
Die zweite Sende-/Empfangs-Antenne
Wie in
Zum Auslesen des reflektierten Signals
Um bei einem elektromagnetischen Signal
Wie in
Analog ist auch die Koppler-Struktur 6 zweiteilig mit gegenüberliegenden Ringsegmenten
Durch
Wie in
Über eine erste Sende-/Empfangsweiche
Analog zum ersten Signalpfad sHF,1 wird über eine zweite Sende-/Empfangsweiche
Im Mischer
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- DruckmesseinrichtungPressure measuring device
- 22
- Grundkörperbody
- 33
- Messmembranmeasuring membrane
- 44
- Druckkammerpressure chamber
- 5a, b5a, b
- Kondensator / Elektroden des KondensatorsCapacitor / electrodes of the capacitor
- 6a,b,c6a, b, c
- Koppler-StrukturCoupler structure
- 77
- Elektronische EinheitElectronic unit
- 99
- Hohlleiterwaveguide
- 7171
- Hochfrequenz-GeneratorHigh-frequency generator
- 7272
- Signalteilersignal splitter
- 73a,b73a, b
- Sende-/EmpfangsweicheTransmit / receive switch
- 74a,b74a, b
- Balunebaluns
- 7575
- Mischermixer
- 7676
- Mikrocontrollermicrocontroller
- 81,8281.82
- Sende-/Empfangs-AntennenTransmit / receive antennas
- AE,HF A E, HF
- Amplitude des reflektierten elektromagnetischen SignalsAmplitude of the reflected electromagnetic signal
- EHF E HF
- Reflektiertes elektromagnetisches SignalReflected electromagnetic signal
- DD
- Durchmesser des HohlleitersDiameter of the waveguide
- dd
- Durchmesser der MessmembranDiameter of the measuring diaphragm
- ff
- Frequenzfrequency
- fmin f min
- Frequenz des AmplitudenminimumsFrequency of the amplitude minimum
- ll
- Elektrodenabstandelectrode distance
- pp
- Druckprint
- Güte der Koppler-StrukturGoodness of the coupler structure
- RR
- Messratemeasuring rate
- rr
- Radius der Elektroden des KondensatorsRadius of the electrodes of the capacitor
- SHF S HF
- Elektromagnetisches SignalElectromagnetic signal
- sHF,1,2 s HF, 1.2
- Signalpfadesignal paths
- sp s p
- Differenzfrequenzdifference frequency
- tt
- Dicke der MessmembranThickness of the measuring membrane
- tmess t mess
- Mess-ZeitMeasuring Time
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- EP 1806569 A1 [0007]EP 1806569 A1 [0007]
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R163 | Identified publications notified | ||
R082 | Change of representative |
Representative=s name: HAHN, CHRISTIAN, DIPL.-PHYS. DR.RER.NAT., DE Representative=s name: ANDRES, ANGELIKA, DIPL.-PHYS., DE |
|
R082 | Change of representative |
Representative=s name: ANDRES, ANGELIKA, DIPL.-PHYS., DE |