DE102017109183A1 - Pressure measuring device - Google Patents

Pressure measuring device Download PDF

Info

Publication number
DE102017109183A1
DE102017109183A1 DE102017109183.1A DE102017109183A DE102017109183A1 DE 102017109183 A1 DE102017109183 A1 DE 102017109183A1 DE 102017109183 A DE102017109183 A DE 102017109183A DE 102017109183 A1 DE102017109183 A1 DE 102017109183A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
frequency
signal
transmitting
pressure
measuring device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102017109183.1A
Other languages
German (de)
Inventor
Thomas Blödt
Nils Ponath
Thomas Uehlin
Winfried Mayer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Endress and Hauser SE and Co KG
Original Assignee
Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Endress and Hauser SE and Co KG filed Critical Endress and Hauser SE and Co KG
Priority to DE102017109183.1A priority Critical patent/DE102017109183A1/en
Priority to PCT/EP2018/057595 priority patent/WO2018197128A1/en
Publication of DE102017109183A1 publication Critical patent/DE102017109183A1/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0072Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L11/00Measuring steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by means not provided for in group G01L7/00 or G01L9/00
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/12Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in capacitance, i.e. electric circuits therefor

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measuring Fluid Pressure (AREA)

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 WO 03/106952 A2 beschrieben. Daneben können als Membranmateriealien aber auch Keramiken (bspw. Al2O3) oder korrosionsfeste Metalle eingesetzt werden. Die Druckkammer, die Prinzipbedingt rückseitig zwischen der Membran und einem nicht verformbaren Grundkörper ausgebildet zu sein hat, ist in Abhängigkeit davon ausgelegt, ob der Drucksensor zur Bestimmung eines Relativ-, Differenz- oder Absolut-Druckes eingesetzt wird. Im Falle von Relativ- oder Differenzdruckmessung ist die Druckkammer komplett geschlossen und mit Vakuum oder einem konstanten Referenzdruck beaufschlagt. Bei Differenzdruckmessung ist die Druckkammer zu demjenigen Drucksystem hin geöffnet, zu dessen Druck der Differenz-Druck zu bestimmen ist (also beispielsweise zur Umgebungsatmosphäre).In the case of pressure measurement, the pressure is often measured by the deformation of a measuring membrane under one-sided supply of pressure. In this case, the measuring diaphragm can be formed as an integrated part of a semiconductor structure. Such a sensor is for example in the publication WO 03/106952 A2 described. In addition, it is also possible to use ceramics (for example Al 2 O 3 ) or corrosion-resistant metals as membrane materials. The pressure chamber, the principle has to be formed on the back side between the membrane and a non-deformable body, is designed depending on whether the pressure sensor is used to determine a relative, differential or absolute pressure. In the case of relative or differential pressure measurement, the pressure chamber is completely closed and subjected to a vacuum or a constant reference pressure. In differential pressure measurement, the pressure chamber is open to that pressure system to whose pressure the differential pressure is to be determined (ie, for example, to the ambient atmosphere).

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 DE 20 2016 101 491 U1 wird beispielsweise eine Temperaturkompensation der Druckmessung bei einer keramikbasierten Druckmesseinrichtung für die Prozessautomatisierungstechnik beschrieben. In diesem Fall erfolgt die Temperaturmessung an der Membran durch einen Infrarot-Sensor.In the field of process automation technology, various pressure-measuring devices are already known from the state of the art: In the Utility Model DE 20 2016 101 491 U1 For example, a temperature compensation of the pressure measurement in a ceramic-based pressure measuring device for process automation technology is described. In this case, the temperature is measured at the membrane by an infrared sensor.

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 EP 1 806 569 A1 beschreibt eine kapazitive Druckmesseinrichtung, bei der die elektronische Einheit nicht direkt an der Membran angeordnet sein muss. Das Auslesen der Kapazität erfolgt durch induktive Sensoren.The publication font EP 1 806 569 A1 describes a capacitive pressure measuring device in which the electronic unit does not have to be arranged directly on the membrane. The capacity is read out by inductive sensors.

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.
The invention achieves this object by a pressure measuring device which comprises at least the following components:
  • - 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.
In this case, the pressure measuring device according to the invention is characterized by the following components:
  • 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.
In a first, very simple implementation variant of the pressure measuring device according to the invention, the electronic unit thereof comprises the following components:
  • 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.
In particular, in this simple implementation variant of the pressure measuring device, it is possible to determine the capacity (and thus the pressure) by the high-frequency generator is designed analogous to the FMCW radar-based distance measurement method so that it generates the electrical high-frequency signal at a frequency , which changes in time within a frequency band, in particular linear. This is used the effect that the coupler structure in conjunction with the capacitor forms a resonant circuit with a pressure-dependent natural frequency. By determining the intrinsic frequency can be inferred accordingly to the pressure. The natural frequency can in turn be determined if it is in the frequency band of the emitted electromagnetic signal, since due to the natural frequency of the resonant circuit, a frequency-dependent amplitude minimum of the reflected high-frequency electromagnetic signal is formed. Accordingly, the microcontroller in this case is preferably configured such that it
  • 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
In an expanded implementation of the pressure measuring device according to the invention, the electronic unit additionally comprises the following components:
  • 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.
According to the embodiment of the pressure measuring device according to the invention with only one required transmitting-receiving antenna, a method according to the invention for determining the pressure consists of at least the following method steps:
  • - 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.
When using the pressure measuring device according to the invention in an embodiment with two transmitting / receiving antennas, a corresponding method according to the invention for determining the pressure comprises at least the following method steps:
  • 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.
The invention will be explained with reference to the following figures. It shows:
  • 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.

1 zeigt eine erfindungsgemäße Druckmesseinrichtung 1 zur Messung eines Druckes p im Bereich der Prozessautomatisierungstechnik. In diesem Anwendungsbereich erstreckt sich der zu messende Druck p potentiell über einen sehr weiten Bereich von 1 mBar bis hin zu 40 Bar. Wie bei kapazitiver oder resistiver Druckmessung nach dem Stand der Technik üblich, basiert die Druckmesseinrichtung 1 auf einem Grundkörper 2, an den eine Messmembran 3 angebracht ist. Der Grundkörper 2 ist so ausgestaltet, dass zwischen ihm und der Messmembran 3 ein Hohlraum 4 eingeschlossen ist. Bei diesem Messprinzip wird der zu messende Druck p derjenigen Fläche der Messmembran 3 zugeführt, die dem Hohlraum 4 bzw. dem Grundkörper 2 abgewandt ist. Dementsprechend ist diese Fläche der Messmembran 3 nach Installation in der Prozessanlage einem Prozessraum, in dem der Druck p zu bestimmen ist, zugewandt. Dabei kann es sich bei dem Prozessraum nicht nur um einen Behälter oder eine Kammer, sondern beispielsweise auch ein Rohr einer Prozessanlage handeln. 1 shows a pressure measuring device according to the invention 1 for measuring a pressure p in the field of process automation technology. In this application, the pressure to be measured extends p potentially over a very wide range from 1 mbar up to 40 bar. As is customary in state-of-the-art capacitive or resistive pressure measurement, the pressure measuring device is based 1 on a base body 2 to which a measuring diaphragm 3 is appropriate. The main body 2 is designed so that between it and the measuring membrane 3 a cavity 4 is included. This measuring principle becomes the pressure to be measured p the surface of the measuring membrane 3 fed to the cavity 4 or the main body 2 turned away. Accordingly, this area is the measuring diaphragm 3 after installation in the process plant a process room in which the pressure p to be determined, facing. In this case, the process space can not only be a container or a chamber, but, for example, also a pipe of a process plant.

Je nachdem, ob die Druckmesseinrichtung 1 für Absolut- oder Relativdruckmessung eingesetzt wird, ist der Hohlraum 4 entweder mit Vakuum oder mit einem konstanten Referenzdruck beaufschlagt. Nicht dargestellt ist eine mögliche Auslegung der Druckmesseinrichtung 1 für Differenzdruckmessung, bei der der Hohlraum 4 eine Öffnung zum Anschluss an ein entsprechendes Differenzdrucksystem (beispielsweise die Umgebungsatmosphäre) aufweist.Depending on whether the pressure measuring device 1 is used for absolute or relative pressure measurement, is the cavity 4 either with vacuum or with a constant reference pressure applied. Not shown is a possible interpretation of the pressure measuring device 1 for differential pressure measurement, where the cavity 4 an opening for connection to a corresponding differential pressure system (for example, the ambient atmosphere).

Wie es bei kapazitiver Druckmessung bereits bekannt ist, befindet sich im Hohlraum 4 ein Kondensator 5. Hierbei wird der Kondensator 5 aus einer ersten Elektrode 5a, die am Grundkörper 2 angeordnet ist, sowie einer zweiten Elektrode 5b, die der ersten Elektrode 5a im Hohlraum 4 in etwa gegenüberliegend an der Membran 3 angeordnet ist, gebildet. Die Kapazität C des Kondensators 5 lässt sich hierbei näherungsweise durch die Formel für Plattenkondensatoren beschreiben: C = ε 0 ε r r 2 l

Figure DE102017109183A1_0001
As is already known in capacitive pressure measurement, is located in the cavity 4 a capacitor 5 , This is the capacitor 5 from a first electrode 5a on the main body 2 is arranged, and a second electrode 5b that of the first electrode 5a in the cavity 4 approximately opposite to the membrane 3 is arranged, formed. The capacitance C of the capacitor 5 can be approximately described by the formula for plate capacitors: C = ε 0 ε r r 2 l
Figure DE102017109183A1_0001

In Bezug zu der Druckmesseinrichtung 1 entspricht l dem Abstand der zwei Elektroden 5a, 5b des Kondensators 5, bzw. der Höhe des Hohlraums 4. Im Falle einer Silizium-basierten Messmembran 5 wird im nicht ausgelenkten Zustand standardmäßig ein Abstand l von mindestens ca. 1 µm gewählt, während der Abstand l bei Verwendung von Keramik mit mindestens ca. 20 µm bemessen wird. Bei r handelt es sich im Falle von runder Auslegung der Elektroden 5a, b um deren Radius. Durch die in 1 gezeigte Anordnung erfährt der Kondensator 5 eine Kapazitätsänderung, wenn sich der Druck p ändert, der auf die Fläche der Membran 3, die dem Hohlraum 4 bzw. dem Grundkörper 2 abgewandt ist, wirkt. Wie aus der Formel zur Kapazität C des Kondensators 5 nahegelegt wird, ist es zur Verstärkung der Kapazitätsänderung bei gegebener Änderung des Druckes p zudem bekannt, den Hohlraum 4 mit einem dielektrischem Material (bspw. entsprechende Öle oder vergleichbare Fluide) mit einem Dielektrizitätswert εr größer 1 zu füllen. Typischerweise wird der Kondensator 5 so ausgelegt, dass dessen Kapazität C im Bereich von wenigen pF bis hin zu ca. 100 nF beträgt. In relation to the pressure measuring device 1 l corresponds to the distance between the two electrodes 5a . 5b of the capacitor 5 , or the height of the cavity 4 , In the case of a silicon-based measuring membrane 5 in the undeflected state, a distance l of at least approx. 1 μm is selected by default, while the distance l when using ceramic is dimensioned with at least approx. 20 μm. For r it is in the case of round design of the electrodes 5a . b around its radius. By the in 1 As shown arrangement, the capacitor undergoes 5 a capacity change when the pressure p that changes to the area of the membrane 3 that the cavity 4 or the main body 2 turned away, acts. As from the formula to the capacitance C of the capacitor 5 is suggested, it is to increase the capacity change given a change in pressure p also known as the cavity 4 with a dielectric material (for example corresponding oils or comparable fluids) having a dielectric value ε r greater than 1 to fill. Typically, the capacitor becomes 5 designed so that its capacity C is in the range of a few pF up to about 100 nF.

Somit kann der Kapazität C des Kondensators 5 ein dezidierter Druckwert p zugeordnet werden, beispielsweise nach entsprechender Kalibration der Druckmesseinrichtung 1. Dabei hängt der Messbereich des zuführbaren Druckes p neben der Dimensionierung der Kapazität C des Kondensators 5 im Wesentlichen von der Auslegung der Messmembrangeometrie ab (beispielsweise könnte eine Unterdimensionierung der Dicke t der Messmembran 3 bei zu hohem Druck p zu einem Membranbruch führen; Bei Überdimensionierung der Dicke t ist die Auslenkung Δl der Messmembran 3 zu gering, um eine Kapazitätsänderung des Kondensators 5 zu bewirken). Im Fall von Silizium wird der Durchmesser d der Messmembran 3 in der Praxis mit ca. 1,5 mm bemessen, im Fall von Keramik wird der Durchmesser d mit ca. 1 cm leicht höher ausgelegt. Zu einer geeigneten Auslegung der Geometrie der Messmembran 3 in Abhängigkeit des Druckes p kann sich außerdem der aus der Statik herleitbare Zusammenhang Δ l ( p ) = p d 4 6 E t 3

Figure DE102017109183A1_0002
zunutze gemacht werden. Entsprechend der Formel hat unter anderem das Elastizitätsmodul E des verwendeten Messmembranmaterials (vorwiegend Silizium oder eine Keramik, insbesondere Al2O3) Einfluss auf die Membranauslenkung Δl. Außerdem liegt der Formel die Annahme zugrunde, dass die Messmembran 3 kreisrund mit einem definierten Durchmesser d ausgelegt ist. Bei dem in 1 dargestellten Aufbau entspricht Δl der maximalen Änderung des Abstandes l zwischen den Elektroden 5a,b in der Mitte der Messmembran 3. Außerdem kann zur Bemaßung der Dicke t der Messmembran kann die Formel Δ l m a x = 1 2 l@ p m a x
Figure DE102017109183A1_0003
als Bemessungsgrundlage verwendet werden.Thus, the capacitance C of the capacitor 5 a decided pressure value p be assigned, for example, after appropriate calibration of the pressure measuring device 1 , The measuring range of the deliverable pressure depends on this p in addition to the dimensioning of the capacitance C of the capacitor 5 essentially from the design of the Meßmembrangeometrie (for example, a Unterdimensionierung the thickness t the measuring membrane 3 at too high pressure p lead to a membrane rupture; When oversizing the thickness t is the deflection Δl of the measuring diaphragm 3 too small to change the capacitance of the capacitor 5 to effect). In the case of silicon, the diameter becomes d the measuring membrane 3 in practice, it measures approx. 1.5 mm, in the case of ceramics the diameter becomes d 1 cm slightly higher. For a suitable design of the geometry of the measuring diaphragm 3 depending on the pressure p can also derive from the static derivable relationship Δ l ( p ) = p * d 4 6 e t 3
Figure DE102017109183A1_0002
be exploited. According to the formula, among other things, the elastic modulus E of the measuring membrane material used (predominantly silicon or a ceramic, in particular Al 2 O 3 ) has an influence on the membrane deflection Δl. In addition, the formula is based on the assumption that the measuring membrane 3 circular with a defined diameter d is designed. At the in 1 shown construction corresponds to .DELTA.l the maximum change of the distance l between the electrodes 5a , b in the middle of the measuring membrane 3 , In addition, for dimensioning the thickness t the measuring membrane can be the formula Δ l m a x = 1 2 l @ p m a x
Figure DE102017109183A1_0003
be used as the basis of assessment.

Erfindungsgemäß ist der Kondensator 5, wie in 1 dargestellt, zur Übermittlung von dessen Kapazität weder leitungsgebunden noch induktiv mit einer elektrischen Einheit 7 verbunden. Die Übertragung des Kapazitätswertes zur elektrischen Einheit 7 erfolgt im Sinne der Erfindung mittels entsprechender Signale SHF , EHF in Form elektromagnetischer Wellen. Durch diese Art der Übertragung wird der Vorteil geboten, dass die elektronische Einheit 7 nicht unmittelbar an dem Kondensator angeordnet sein muss, sondern lediglich in einer Entfernung, bei der eine ausreichende elektromagnetische Kopplung sichergestellt ist. Somit ist das Einsatzgebiet der erfindungsgemäßen Druckmesseinrichtung nicht auf sonst übliche Prozesstemperaturen von 150°C limitiert.According to the invention, the capacitor 5 , as in 1 shown, for the transmission of its capacity neither conducted nor inductive with an electrical unit 7 connected. The transmission of the capacitance value to the electrical unit 7 takes place in the meaning of the invention by means of appropriate signals S HF . E HF in the form of electromagnetic waves. This type of transmission offers the advantage that the electronic unit 7 does not have to be arranged directly on the capacitor, but only at a distance at which a sufficient electromagnetic coupling is ensured. Thus, the field of application of the pressure measuring device according to the invention is not limited to otherwise usual process temperatures of 150 ° C.

Zur Umsetzung der erfindungsgemäßen Idee ist der Kondensator 5, wie in 1 gezeigt, an eine passive Koppler-Struktur 6 kontaktiert. Zur Übertragung mittels elektromagnetischer Signale SHF , EHF nutzt die Druckmesseinrichtung 1 erfindungsgemäß den Effekt, dass die Impedanz und somit die Eigenfrequenz der Koppler-Struktur 6 von der Kapazität des Kondensators 5 abhängt (gemäß der Erfindung unterscheidet sich die Koppler-Struktur 6 zu induktiven Übertragungs-Spulen grundsätzlich dadurch, dass mittels der Koppler-Struktur 6 analog zu einpoligen Antennen kein geschlossener Gleichstromkreis ausgebildet wird, da die Koppler-Struktur 6 nur einen elektrischen Einpol, oder eine Anordnung von mehreren Einpolen darstellt. Hierdurch wird im Gegensatz zu Spulen nicht nur ein elektromagnetisches Nah-, sondern auch ein entsprechendes Fern-Feld ausgekoppelt.To implement the idea according to the invention is the capacitor 5 , as in 1 shown to a passive coupler structure 6 contacted. For transmission by means of electromagnetic signals S HF . E HF uses the pressure measuring device 1 According to the invention, the effect that the impedance and thus the natural frequency of the coupler structure 6 from the capacitance of the capacitor 5 depends (according to the invention, the coupler structure is different 6 to inductive transmission coils basically in that by means of the coupler structure 6 analogous to single-pole antennas no closed DC circuit is formed, since the coupler structure 6 represents only one electrical pole, or an arrangement of several poles. As a result, unlike coils, not only an electromagnetic near but also a corresponding far field is coupled out.

Die Eigenfrequenz bzw. die Kapazität (und somit der Druck p) dieser passiven Koppler-Struktur 6 kann in einer sehr einfachen Umsetzung der erfindungsgemäßen Idee beispielsweise ausgelesen werden, indem ein elektromagnetisches Signal SHF mit wechselnder Frequenz f (analog zum „FMCW“-Radar basierten Distanzmessverfahren vorzugsweise mit einer in etwa linearen Frequenzrampe innerhalb eines vorbestimmten Frequenzbereichs f1 - f2) von zumindest einer Sende-/Empfangs-Antenne 81, 82 in Richtung der Koppler-Struktur 6 ausgesendet wird. Wie in 2a dargestellt, kann dabei der von der Koppler-Struktur 6 reflektierte (bzw. der korrespondierende, absorbierte) Anteil EHF von entsprechenden Sende-/Empfangs-Antennen 81, 82 empfangen werden und in und in Bezug zu der Frequenz f des gesendeten Signals SHF gesetzt werden. In diesem Fall entspricht die Frequenz fmin , bei der ein minimaler Anteil EHF des elektromagnetischen Signals SHF reflektiert wird (bzw. die Frequenz der maximalen Absorption) der Eigenfrequenz der Koppler-Struktur 6. Wie in 2a dargestellt ist, verringert sich diese Frequenz fmin mit zunehmenden Druck p.The natural frequency or the capacity (and thus the pressure p ) of this passive coupler structure 6 can be read in a very simple implementation of the inventive idea, for example, by an electromagnetic signal S HF with changing frequency f (Analogous to the "FMCW" radar based distance measuring method preferably with an approximately linear frequency ramp within a predetermined frequency range f 1 - f 2 ) of at least one transmitting / receiving antenna 81 . 82 in the direction of the coupler structure 6 is sent out. As in 2a can be represented by the coupler structure 6 reflected (or the corresponding, absorbed) portion E HF from corresponding transmit / receive antennas 81 . 82 be received and in and in relation to the frequency f of the transmitted signal S HF be set. In this case, the frequency is the same f min in which a minimum share E HF the electromagnetic signal S HF is reflected (or the frequency of the maximum absorption) of the natural frequency of the coupler structure 6 , As in 2a is shown, this frequency decreases f min with increasing pressure p ,

Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Koppler-Struktur 6 planar auf einer Fläche des Grundkörpers 2 angeordnet, die der ersten Elektrode 51 des Kondensators 5 abgewandt ist. Durch die planare Anordnung ist es beispielsweise möglich, die Koppler-Struktur 6 als Leiterbahn auszugestalten oder mikrostrukturier-fähige Metallisierungstechnologien, wie Sputtern oder CVD („Chemical Vapor Deposition“), zu verwenden.At the in 1 The embodiment shown is the coupler structure 6 planar on a surface of the main body 2 arranged, that of the first electrode 51 of the capacitor 5 turned away. The planar arrangement makes it possible, for example, the coupler structure 6 as a track or to use microstructuring metallization technologies, such as sputtering or CVD ("Chemical Vapor Deposition") to use.

Angrenzend an diejenige Fläche des Grundkörpers 2, an der die Koppler-Struktur 6 angeordnet ist, schließt ein erster Endbereich eines Hohlleiters 9 an. Dabei verläuft die Längsachse des Hohlleiters 9 in etwa orthogonal zu dieser Fläche. Am zweiten, gegenüberliegenden Endbereich des Hohlleiters 9 sind eine erste Sende-/Empfangs-Antenne 81 und eine zweite Sende-/Empfangs-Antenne 81 angebracht. Korrespondierend zur Koppler-Struktur 6 ist der Hohlleiter 9 außerdem orthogonal zu zwei planar ausgestalteten Sende-/Empfangs-Antennen 81, 82 ausgerichtet. Hierdurch wird eine wirksame elektromagnetische Kopplung der elektromagnetischen Signale SHF , EHF zwischen den zwei Sende-/Empfangs-Antennen 81, 82 und der Koppler-Struktur 6 begünstigt.Adjacent to that surface of the main body 2 at the coupler structure 6 is disposed, closes a first end portion of a waveguide 9 at. In this case, the longitudinal axis of the waveguide extends 9 approximately orthogonal to this surface. At the second, opposite end region of the waveguide 9 are a first transmit / receive antenna 81 and a second transceiver antenna 81 appropriate. Corresponding to the coupler structure 6 is the waveguide 9 also orthogonal to two planar configured transmit / receive antennas 81 . 82 aligned. As a result, an effective electromagnetic coupling of the electromagnetic signals S HF . E HF between the two transmit / receive antennas 81 . 82 and the coupler structure 6 favors.

Da die Ermittlung und die Übertragung des Druckes p erfindungsgemäß auf Basis eines elektromagnetischen Signals SHF erfolgt, braucht hierfür im Vergleich zu induktivem Auslesen lediglich eine vergleichsweise geringe Signal-Sendeleistung von weniger als 1mW, vorzugsweise im Bereich von weniger als ca. 100 µW beaufschlagt werden. Hierdurch kann die Druckmesseinrichtung 1 beispielsweise über eine leistungsbegrenzte 4-20 mA Schnittstelle versorgt und ausgelesen werden. Dementsprechend ist zur Einstellung der oben genannten 100 µW Sendeleistung bei einem Sende-/Empfangswirkungsgrad der gesamten Hochfrequenz-Elektronik (also den zwei Sende-/Empfangs-Antennen 81, 82 mit einem Wirkungsgrad von jeweils bis zu 95 % und der elektronischen Einheit 7mit entsprechend geringerem Wirkungsgrad ca. 10 %) von ungefähr 20 % ein momentaner Leistungs-Eintrag durch die elektronische Einheit 7 von 0.5 mW erforderlich (welches im Bereich der vom 4-20 mA Protokoll übertragbaren Leistung liegt). Der mittlere erforderliche Leistungs-Eintrag lässt sich weiter vermindern, wenn nicht kontinuierlich gemessen wird, sondern lediglich zyklisch während einer begrenzten Mess-Zeit tmess und mit einer vorbestimmten Messrate R.As the detection and transmission of the pressure p According to the invention on the basis of an electromagnetic signal S HF takes only a comparatively low signal transmission power of less than 1mW, preferably in the range of less than about 100 uW are applied compared to inductive readout. As a result, the pressure measuring device 1 For example, it can be supplied and read out via a power-limited 4-20 mA interface. Accordingly, to set the above-mentioned 100 μW transmission power at a transmission / reception efficiency of the entire high-frequency electronics (that is, the two transmission / reception antennas 81 . 82 with an efficiency of up to 95% and the electronic unit 7 with correspondingly lower efficiency about 10%) of about 20% a momentary power input by the electronic unit 7 of 0.5mW (which is within the range of the 4-20mA transmittable power). The mean required power input can be further reduced if it is not measured continuously, but only cyclically during a limited measurement time t mess and at a predetermined measurement rate R ,

Die minimal erforderliche Mess-Zeit tmess,min ergibt sich dann gemäß dem Abtatst-Theorem mittels des Zusammenhangs: t m e s s , m i n = 2 Q f = R m a x 1

Figure DE102017109183A1_0004
The minimum required measurement time t mess, min then results according to the Abtatst theorem by means of the relationship: t m e s s . m i n = 2 * Q f = R m a x 1
Figure DE102017109183A1_0004

Wie aus der Formel zudem hervorgeht, ergibt sich aus der minimal erforderlichen Mess-Zeit tmess,min auch unmittelbar die Messrate R, in der der Druckwert im Falle der erfindungsgemäßen Druckmesseinrichtung 1 maximal ermittelt bzw. aktualisiert werden kann: Sofern die Güte Q der Koppler-Struktur 6 also bspw. Q = 4*103 beträgt (eine Ausgestaltung der Koppler-Struktur mit einer Güte von minimal Q = 5*103 wäre erfindungsgemäß jedoch vorteilhaft) und die Frequenz f des ausgesendeten elektromagnetischen Signals SHF im Bereich von 10 GHz liegt, ergibt sich eine maximal einstellbare Messrate R von 1.25 MHz beziehungsweise eine minimale Mess-Zeit tmess,min von 80 µs (endlich hohe Signallaufzeiten in der elektronischen Einheit und weitere parasitäre Effekte sind hierbei unberücksichtigt). Im Rahmen der Erfindung wäre es zwecks weiterer Leistungsreduktion aber auch denkbar, mit einer deutlich geringeren Messrate R von beispielsweise lediglich 1 Hz (oder gegebenenfalls noch geringer) zu arbeiten.As can also be seen from the formula, the minimum required measuring time t mess, min also results directly in the measuring rate R in which the pressure value in the case of the pressure measuring device according to the invention 1 maximum can be determined or updated: If the quality Q the coupler structure 6 Thus, for example, Q = 4 * 10 3 (an embodiment of the coupler structure with a quality of minimal Q = 5 * 10 3 would be advantageous according to the invention) and the frequency f the emitted electromagnetic signal S HF is in the range of 10 GHz, results in a maximum settable measuring rate R of 1.25 MHz or a minimum measuring time t mess, min of 80 μs (finally high signal propagation times in the electronic unit and further parasitic effects are disregarded here). Within the scope of the invention, however, it would also be conceivable for the purpose of further power reduction, with a significantly lower measurement rate R for example, only 1 Hz (or possibly even lower) to work.

Zwecks wirksamer elektromagnetischer Kopplung ist außerdem die Länge des Hohlleiters 9 vorzugsweise in Abhängigkeit der Frequenz f des ausgesendeten elektromagnetischen Signals SHF zu bemessen. Günstig ist es, wenn die Länge entlang der Längsachse des Hohlleiters 9 knapp ein Viertel der Wellenlänge λ (oder einem ganzzahligen Vielfachen n hiervon) gemäß λ = c f

Figure DE102017109183A1_0005
beträgt. Diese Länge verkürzt sich entsprechend durch Füllung des Hohlleiters 9 mit einem dielektrischen Material (bedingt durch die Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit c), das einen Dielektrizitätswert größer 1 aufweist. Zur Verringerung von Übertragungsverlusten ist die Länge des Hohlleiters 9 außerdem vorzugsweise mit maximal dem Vierfachen des Innendurchmessers d des Hohlleiters 9 zu bemessen. Die Bemaßung dieser Länge bewirkt im Sinne der Erfindung die thermische Entkopplung der elektronischen Einheit 7 von der Temperatur, die am Ort des zu messenden Druckes p herrscht. Ein dielektrisches Material, welches in den Hohlleiter 9 eingebracht ist und zudem thermisch isolierend wirkt, würde also im Sinne der Erfindung die thermische Entkopplung weiter fördern.For the purpose of effective electromagnetic coupling is also the length of the waveguide 9 preferably in dependence of the frequency f the emitted electromagnetic signal S HF to measure. It is favorable if the length along the longitudinal axis of the waveguide 9 almost a quarter of the wavelength λ (or an integer multiple n thereof) according to λ = c f
Figure DE102017109183A1_0005
is. This length is shortened accordingly by filling the waveguide 9 with a dielectric material (due to the change of the propagation velocity c ) having a dielectric value greater than 1. To reduce transmission losses is the length of the waveguide 9 in addition, preferably at most four times the inner diameter d of the waveguide 9 to measure. The dimensioning of this length causes the purposes of the invention, the thermal decoupling of the electronic unit 7 from the temperature at the location of the pressure to be measured p prevails. A dielectric material, which in the waveguide 9 is introduced and also acts thermally insulating, so would further promote thermal decoupling in the context of the invention.

Zur erforderlichen Kopplung zwischen den zwei Sende-/Empfangs-Antennen 81, 82 und der Koppler-Struktur 6 hat der Hohlkörper 9 zudem zumindest eine leitfähige Innenwand aufzuweisen. Im Rahmen der Erfindung ist die Querschnittsform des Hohlleiters per se nicht vorbestimmt. Der Querschnitt kann beispielsweise rechteckig ausgestaltet sein. Aufgrund der einfachen Fertigbarkeit und jedoch ein runder Querschnitt mit einem definierten Durchmesser D vorzuziehen. Dabei kann der Durchmesser D insbesondere so auf die Frequenz f des elektromagnetischen Signals SHF abgestimmt werden, dass das elektromagnetische Signal SHF in definierten Moden, vorzugsweise in der TE01 Mode, der TE11 Mode oder der TM11 Mode, ausgesendet wird. Vor allem die Ausprägung dieser drei Moden bietet sich an, da sich deren Intensitätsmaximum in Bezug zum Querschnitt des Hohlleiters 9 mittig ausbildet, wenn die zwei Sende-/Empfangs-Antennen 81, 82 entsprechend symmetrisch zur Mitte des Hohlleiter-Querschnittes angeordnet sind. Daher ist es, wie in 1 dargestellt, vorteilhaft, dass die Koppler-Struktur 6 in Bezug zum Querschnitt des Hohlleiters 9 in etwa zentral angebracht ist.The required coupling between the two transmit / receive antennas 81 . 82 and the coupler structure 6 has the hollow body 9 in addition to have at least one conductive inner wall. In the context of the invention, the cross-sectional shape of the waveguide per se is not predetermined. The cross section may for example be designed rectangular. Due to the simple manufacturability and a round cross-section with a defined diameter D preferable. The diameter can be D especially so on the frequency f the electromagnetic signal S HF be tuned that the electromagnetic signal S HF in defined modes, preferably in the TE 01 mode, the TE 11 mode or the TM 11 mode, is transmitted. Above all, the expression of these three modes lends itself to, since their intensity maximum in relation to the cross section of the waveguide 9 formed in the middle when the two transmit / receive antennas 81 . 82 are arranged symmetrically to the center of the waveguide cross-section. Therefore it is, as in 1 illustrated, advantageous that the coupler structure 6 in relation to the cross section of the waveguide 9 is centrally located approximately.

Die Wahl des Durchmessers D in Bezug zur Frequenz f des elektromagnetischen Signals SHF und der auszuprägenden Mode ist durch den Zusammenhang D = k M c π f

Figure DE102017109183A1_0006
gegeben. Dabei ist km eine von der jeweils gewählten Mode abhängige Konstante, die sich aus entsprechender Lösung der allgemein bekannten Bessel-Funktion ergibt. Im Falle der TE11-Mode beträgt kM = 1.841 (kM = 2.405 bei TM01; kM = 3.054 bei TE21, kM = 3.83171 bei TM11; kM = 4.2012 bei TE31; kM = 5.136 bei TM21; kM = 5.317 bei TE41; kM = 5.331 bei TE12; und kM = 5.52 bei TM02).The choice of the diameter D in relation to the frequency f the electromagnetic signal S HF and the fashion to be imprinted is by context D = k M * c π * f
Figure DE102017109183A1_0006
given. Here, k m is a dependent of the selected mode constant, resulting from a corresponding solution to the well-known Bessel function. In the case of the TE 11 mode, k M = 1.841 (k M = 2.405 for TM 01 , k M = 3.054 for TE 21 , k M = 3.83171 for TM 11 , k M = 4.2012 for TE 31 , k M = 5.136 TM 21 , k M = 5,317 for TE 41 , k M = 5,331 for TE 12 , and k M = 5:52 for TM 02 ).

Aus obiger Formel ergibt sich, dass der zu wählende Durchmesser D mit zunehmender Frequenz f des elektromagnetischen Signals SHF abnimmt und mit zunehmender Mode zunimmt. Somit kann die Druckmesseinrichtung 1 insgesamt kompakter ausgestaltet werden. Daher liegt es nahe, die Frequenz f des elektromagnetischen Signals SHF möglichst hochfrequent, also beispielsweise mit mindestens 100 MHz auszulegen. Technisch realisierbar ist aber auch eine Frequenz im Radar-Bereich mit mehr als 1 GHz, also beispielsweise 26 GHz. Auch mehr als 100 GHz sind denkbar. Bei einer Frequenz von 26 GHz ergibt sich für die TE11-Mode ein kompakter Durchmesser d von 14 mm.From the above formula it follows that the diameter to be selected D with increasing frequency f the electromagnetic signal S HF decreases and increases with increasing fashion. Thus, the pressure measuring device 1 be made more compact overall. Therefore, it is obvious, the frequency f the electromagnetic signal S HF as high frequency as possible, so interpreted for example with at least 100 MHz. Technically feasible is also a frequency in the radar range with more than 1 GHz, so for example 26 GHz. Also more than 100 GHz are conceivable. At a frequency of 26 GHz, the TE 11 mode has a compact diameter d of 14 mm.

Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel dienen beide Sende-/Empfangs-Antennen 81, 82 zum Aussenden des elektromagnetischen Signals SHF sowie zum Empfang des reflektierten elektromagnetischen Signals EHF (erfindungsgemäß wäre bereits die Verwendung lediglich einer einzigen Sende-/Empfangs-Antenne 81 auseichend; Alternativ wäre es außerdem vorstellbar, eine reine Sende-Antenne und eine separate Empfangs-Antenne einzusetzen).At the in 1 Shown embodiment serve both transmit / receive antennas 81 . 82 for emitting the electromagnetic signal S HF and for receiving the reflected electromagnetic signal E HF (According to the invention, the use of only a single transmitting / receiving antenna would already be used 81 auseichend; Alternatively, it would also be conceivable to use a pure transmitting antenna and a separate receiving antenna).

Die Verwendung zweier Sende-/Empfangs-Antennen 81, 82 ermöglicht die Entkopplung des im reflektierten elektromagnetischen Signal EHF enthaltenen Druckwertes p von der thermischen Ausdehnung der Druckmesseinrichtung 1, bzw. insbesondere von der thermischen Ausdehnung des Hohlleiters 9. In diesem Fall dient die zweite Sende-/Empfangs-Antenne 82 dazu, das elektromagnetische Signal SHF derart auszusenden, dass es von der Koppler-Struktur 6 unbeeinflusst (am Grundkörper 2 bzw. am Übergang zwischen Grundkörper 2 und dem Hohlleiter 9) reflektiert wird. Dadurch setzt sich das reflektierte Signal EHF aus einem von der Koppler-Struktur 6 unabhängigen- und einem von der Koppler-Struktur 6 abhängigen Anteil zusammen und kann entsprechend von der elektronischen Einheit 7 verarbeitet werden.The use of two transmit / receive antennas 81 . 82 allows decoupling of the reflected electromagnetic signal E HF contained pressure value p from the thermal expansion of the pressure measuring device 1 , or in particular of the thermal expansion of the waveguide 9 , In this case, the second transmitting / receiving antenna is used 82 to that, the electromagnetic signal S HF send out so that it from the coupler structure 6 unaffected (at the base body 2 or at the transition between the base body 2 and the waveguide 9 ) is reflected. This sets the reflected signal E HF from one of the coupler structure 6 independent and one of the coupler structure 6 dependent share together and can be adjusted accordingly by the electronic unit 7 are processed.

Das Aussenden eines von der Koppler-Struktur 6 unbeeinflussten elektromagnetischen Signals SHF durch die zweite Sende-/Empfangs-Antenne 82 kann erfindungsgemäß auf zwei verschiedene Arten erfolgen: The sending out of the coupler structure 6 unaffected electromagnetic signal S HF through the second transceiver antenna 82 can be carried out according to the invention in two different ways:

Die zweite Sende-/Empfangs-Antenne 82 kann so angesteuert werden, dass das von ihr ausgesendete Signal SHF entweder in einer anderen Mode und/oder in (vorzugsweise 90°) verdrehter Polarisation ausgesendet wird (in Bezug zu dem von der ersten Sende-/Empfangs-Antenne 81 ausgesendeten elektromagnetischen Signal SHF ). Folgende Kombinationen des unterschiedlichen Aussendens durch die zwei Sende-/Empfangs-Antennen 81, 82 sind in diesem Fall vorteilhaft: Erste Sende-/Empfangs-Antenne 81 Zweite Sende-/Empfangs-Antenne 82 TE01 Mode TE41 Mode TE11 Mode TM11 Mode, um 90° verdreht TE11 Mode TE11 Mode, um 90° verdreht TE41 Mode TM02 Mode TE21 Mode TE22 Mode TE31 Mode TE31 Mode, um 30° verdreht TE21 Mode TE2121 Mode, um 90° verdreht The second transmit / receive antenna 82 can be controlled so that the signal emitted by it S HF is transmitted either in a different mode and / or in (preferably 90 °) twisted polarization (with respect to that of the first transceiver antenna 81 emitted electromagnetic signal S HF ). The following combinations of different transmission through the two transmit / receive antennas 81 . 82 are advantageous in this case: First transmission / reception antenna 81 Second transmission / reception antenna 82 TE 01 Fashion TE 41 fashion TE 11 fashion TM 11 Mode, rotated by 90 ° TE 11 fashion TE 11 Mode, rotated by 90 ° TE 41 fashion TM 02 Mode TE 21 fashion TE 22 Fashion TE 31 Fashion TE 31 mode, rotated by 30 ° TE 21 fashion TE21 21 Mode, twisted 90 °

Wie in 2b abgebildet ist, ist es zudem vorteilhaft, die Reflektion des von der zweiten Sende-/Empfangs-Antenne 82 ausgesendeten elektromagnetischen Signals SHF zu verstärken, indem die Koppler-Struktur 6 auf dem Grundkörper 2 um eine (galvanisch getrennte) Referenz-Struktur 6c erweitert wird. Dabei ist die Referenz-Struktur 6c vorzugsweise so auszugestalten, dass sie insbesondere von der Mode des von der zweiten Sende-/Empfangs-Antenne 82 ausgesendeten Signals SHF angeregt wird. As in 2 B is shown, it is also advantageous, the reflection of the second transmitting / receiving antenna 82 emitted electromagnetic signal S HF amplify by the coupler structure 6 on the body 2 around a (galvanic isolated) reference structure 6c is extended. Here is the reference structure 6c preferably to be designed so that they in particular the mode of the second transmitting / receiving antenna 82 emitted signal S HF is stimulated.

Zum Auslesen des reflektierten Signals EHF und zur anschließenden Bestimmung des Druckes p kann bei Aussenden des elektromagnetischen Signals SHF in zwei verschiedenen Moden bzw. mit unterschiedlicher Polarisation wiederum der Effekt genutzt werden, dass die erste Sende-/Empfangs-Antenne 81 lediglich das reflektierte Signal EHF in derjenigen Mode und/oder mit derjenigen Polarisation empfängt, dessen Mode und/oder Polarisation das von ihr ausgesendete elektromagnetische Signals SHF aufweist (hierbei gilt Gleiches für die zweite Sende-/Empfangs-Antenne 82).For reading the reflected signal E HF and for subsequent determination of the pressure p can when emitting the electromagnetic signal S HF in turn, the effect can be used in two different modes or with different polarization, that the first transmitting / receiving antenna 81 only the reflected signal E HF in that mode and / or with that polarization receives whose mode and / or polarization emitted by it electromagnetic signal S HF (The same applies to the second transmitting / receiving antenna 82 ).

Um bei einem elektromagnetischen Signal SHF , das durch die zweite Sende-/Empfangs-Antenne 82 um 90° verdreht polarisiertes ausgesendet wird, zu bewirken, das dieses elektromagnetische Signal SHF unbeeinflusst von der Koppler-Struktur 6 reflektiert wird, muss die Koppler-Struktur 6 entsprechend (zur zweiten Sende-/Empfangs-Antenne 82) angeordnet sein. Eine dafür geeignete Ausgestaltungsvariante ist in 2 b gezeigt:To an electromagnetic signal S HF that through the second transmit / receive antenna 82 By 90 ° twisted polarized is emitted to cause this electromagnetic signal S HF unaffected by the coupler structure 6 must reflect the coupler structure 6 accordingly (to the second transmitting / receiving antenna 82 ) can be arranged. A suitable design variant is in 2 B shown:

Wie in 1 bereits angedeutet, illustriert 2b eine konkrete Ausgestaltung der Druckmesseinrichtung 1 mit zwei Sende-/Empfangs-Antennen 81,82 sowie einer hierauf abgestimmten Ausführung der Koppler-Struktur 6. Für alle drei Komponenten 6, 81, 82 wird eine planare Anordnung vorgeschlagen, die jeweils aus einem ersten Ringsegment 81a, 82a, 6a und einem in etwa gegenüberliegend angeordneten, zweiten Ringsegment 81b, 82b, 6b ausgestaltet sind/ist. Hierbei sind die zwei Sende-/Empfangs-Antennen 81, 82 als quasi-geschlossener Ring entworfen. Dazu sind die die jeweils zwei gegenüberliegenden Ringsegmente 81a,b, 82a,b der zwei Sende-/Empfangs-Antennen 81, 82 so angeordnet, dass abwechselnd jeweils ein Ringsegment 81a,b der ersten Sende-/Empfangs-Antenne 81 an ein Ringsegment 82a,b der zweiten Sende-/Empfangs-Antenne 82 aneinander anschließt, und umgekehrt. Durch diese Anordnung der zwei Sende-/Empfangs-Antennen 81, 82 zueinander wird die um 90° gedrehte Polarisation des ausgesendeten elektromagnetischen Signals SHF zwischen den zwei Sende-/Empfangs-Antennen 81, 82 erreicht. Zwecks ausreichender Ankopplung zur Koppler-Struktur 6 sind die zwei Sende-/Empfangs-Antennen 81, 82 bzw. deren RingSegmente 81a,b; 82a,b so auszulegen, dass sie einen hinreichenden Sende-/Empfangs-Wirkungsgrad von insbesondere mehr als 15 % aufwiesen.As in 1 already indicated, illustrated 2 B a concrete embodiment of the pressure measuring device 1 with two transmitting / receiving antennas 81,82 and a coordinated design of the coupler structure 6 , For all three components 6 . 81 . 82 a planar arrangement is proposed, each consisting of a first ring segment 81a . 82a . 6a and an approximately oppositely disposed second ring segment 81b . 82b . 6b are / is. Here are the two transmit / receive antennas 81 . 82 designed as a quasi-closed ring. These are the two opposite ring segments 81a, b . 82a, b of the two transmit / receive antennas 81 . 82 arranged such that in each case alternately a ring segment 81a, b of the first transmitting / receiving antenna 81 to a ring segment 82a, b of the second transceiver antenna 82 connected to each other, and vice versa. By this arrangement of the two transmitting / receiving antennas 81 . 82 to each other is rotated by 90 ° polarization of the emitted electromagnetic signal S HF between the two transmit / receive antennas 81 . 82 reached. For sufficient coupling to the coupler structure 6 are the two transmit / receive antennas 81 . 82 or their ring segments 81a, b ; 82a, b be interpreted as having a sufficient transmission / reception efficiency of more than 15% in particular.

Analog ist auch die Koppler-Struktur 6 zweiteilig mit gegenüberliegenden Ringsegmenten 6a,b ausgebildet, wobei die Ringsegmente 6a,b der Koppler-Struktur 6 in Bezug zur Längsachse des Hohlleiters 9 ca. 90° verdreht zu den zwei Ringsegmenten 82a,b der zweiten Sende-/Empfangs-Antenne 81 angeordnet sind (somit sind die Ringsegmente 6a,b der Koppler-Struktur 6 in Bezug zur Längsachse des Hohlleiters 9 etwa deckungsgleich zu den Ringsegmenten 81a,b der ersten Sende-/Empfangs-Antenne 81). Die exakte Winkel-Ausrichtung bzw. Position ist bspw. mittels entsprechender Simulation von den verwendeten Moden und der Länge des Hohlleiters 9 abhängig zu machen. Korrespondierend zu den zwei Sende-/Empfangs-Antennen 81, 82 ist der Koppler zwecks guter Ankopplung so zu dimensionieren, dass er eine Güte von mindestens 4000 aufweist.Similarly, the coupler structure 6 is in two parts with opposite ring segments 6a , b formed, wherein the ring segments 6a, b the coupler structure 6 in relation to the longitudinal axis of the waveguide 9 about 90 ° twisted to the two ring segments 82a, b the second transmitting / receiving antenna 81 are arranged (thus, the ring segments 6a , b of the coupler structure 6 in relation to the longitudinal axis of the waveguide 9 approximately congruent to the ring segments 81a, b the first transmitting / receiving antenna 81 ). The exact angle Orientation or position is, for example, by means of appropriate simulation of the modes used and the length of the waveguide 9 to make dependent. Corresponding to the two transmit / receive antennas 81 . 82 For reasons of good coupling, the coupler should be dimensioned such that it has a quality of at least 4000.

Durch 2b wird deutlich, dass im Fall der Koppler-Struktur 6 die Kontaktierung jedes der zwei Ringsegmente 6a,b zum Kondensator 5 hin zumindest teilweise über eine ebenfalls planare elektrische Leitung in der Ebene des jeweiligen Ringsegments 6a,b erfolgen muss. Hierbei ist es erfindungsgemäß vorzuziehen, die jeweilige planare elektrische Leitung mit einer Verzögerungsstruktur dL zu versehen, um zu verhindern, dass die planare Leitung als ein parasitärer Resonator wirkt, der das reflektierte Signal EHF verfälscht. Eine mögliche Ausführung mit Verzögerungsstruktur ist in 2c gezeigt: Die Verzögerungsstruktur dL ist hierfür, wie in 2c abgebildet, mindestens teilweise mäanderförmig ausgestaltet. Hierbei hat zumindest ein Geraden-Segment der mäanderförmigen Verzögerungsstruktur dL eine Länge entsprechend 1/8 der Wellenlänge des elektromagnetischen Signals SHF aufzuweisen, um die Wirkung der elektrischen Leitung als parasitärer Resonator zu verhindern. Wie in 2c skizziert ist, kann die Verzögerungsstruktur wiederum über ein Durchkontaktierungsloch im Grundkörper 2 aus der Ebene der der Koppler-Struktur 6 hinausgeführt werden, um die zwei Ringsegmente 6a,b mit dem Kondensator 5 zu kontaktieren.By 2 B it becomes clear that in the case of the coupler structure 6 the contacting of each of the two ring segments 6a , b to the condenser 5 at least partially via a likewise planar electrical line in the plane of the respective ring segment 6a , b must be done. In this case, it is preferable in accordance with the invention to provide the respective planar electrical line with a delay structure dL, in order to prevent the planar line from acting as a parasitic resonator which transmits the reflected signal E HF falsified. A possible execution with delay structure is in 2c shown: The delay structure dL is for this, as in 2c imaged, at least partially meander-shaped. Here, at least one straight line segment of the meandering delay structure dL has a length corresponding to 1/8 of the wavelength of the electromagnetic signal S HF to prevent the effect of the electrical conduction as a parasitic resonator. As in 2c in turn, the delay structure can turn over a via hole in the main body 2 from the plane of the coupler structure 6 be led out to the two ring segments 6a, b with the capacitor 5 to contact.

Wie in 1 dargestellt, erfolgt die Erzeugung des elektromagnetischen Signals SHF und die Verarbeitung es reflektierten Signals EHF durch die elektronische Einheit 7, indem sie mit den zwei Sende-/Empfangs-Antennen 81, 82 kontaktiert ist.As in 1 shown, the generation of the electromagnetic signal takes place S HF and the processing of it reflected signal E HF through the electronic unit 7 By using the two transmit / receive antennas 81 . 82 is contacted.

3 zeigt eine mögliche Ausführungsvariante der elektronischen Einheit 7, mittels der bei Verwendung zweier Sende-/Empfangs-Antennen 81, 82 eine sehr effiziente Ermittlung des Druckes p möglich ist. Kern der dort gezeigten elektronischen Einheit 7 ist ein Signalteiler 72. Dieser teilt ein elektrisches Hochfrequenz-Signal SHF , das von einem Hochfrequenz-Generator 71 erzeugt wird, in einen ersten Signalpfad sHF,1 und einen zweiten Signalpfad SHF,2 auf. Dabei kann der Hochfrequenz-Generator 71 insbesondere bei Erzeugung des elektrischen Hochfrequenz-Signals SHF im GHz-Bereich analog zur Radar-Messtechnik als spannungsgesteuerter Oszillator realisiert sein, wobei der Oszillator wiederum durch einen Spannungsgenerator gesteuert wird. 3 shows a possible embodiment of the electronic unit 7 , by means of the use of two transmit / receive antennas 81 . 82 a very efficient determination of the pressure p is possible. Core of the electronic unit shown there 7 is a signal divider 72 , This shares a high frequency electrical signal S HF that from a high frequency generator 71 is generated in a first signal path s HF, 1 and a second signal path S HF, 2 on. In this case, the high-frequency generator 71 in particular when generating the high-frequency electrical signal S HF be implemented in the GHz range analogous to the radar measurement technology as a voltage-controlled oscillator, the oscillator is in turn controlled by a voltage generator.

Über eine erste Sende-/Empfangsweiche 73a, die im ersten Signalpfad sHF,1 angeordnet ist, wird das elektrische Hochfrequenz-Signal SHF in die erste Sende-/Empfangs-Antenne 81 einkoppelt und entsprechend als elektromagnetisches Signal SHF in Richtung der Reflektor-Struktur 6a,b ausgesendet. Dabei ist zur Einkopplung in die erste Sende-/Empfangs-Antenne 81 zwischen ihr und der Sende-/Empfangsweiche 73a ein erster Balun 74 zwischengeschaltet. Gleichzeitig wird über die erste Sende-/Empfangsweiche 73a das von der ersten Sende-/Empfangs-Antenne 81 empfangene, reflektierte elektromagnetische Signal EHF in den ersten Signalpfad sHF,1 eingekoppelt und einem Mischer 75 zugeführt.Via a first transmitting / receiving switch 73a which is arranged in the first signal path s HF, 1 , becomes the high-frequency electrical signal S HF in the first transmitting / receiving antenna 81 coupled and accordingly as an electromagnetic signal S HF in the direction of the reflector structure 6a , b sent out. It is for coupling into the first transmitting / receiving antenna 81 between her and the transceiver 73a a first balun 74 interposed. At the same time, the first transceiver is used 73a that from the first transmit / receive antenna 81 received, reflected electromagnetic signal E HF in the first signal path s HF, 1 coupled and a mixer 75 fed.

Analog zum ersten Signalpfad sHF,1 wird über eine zweite Sende-/Empfangsweiche 73b, die im zweiten Signalpfad sHF,2 angeordnet ist, das elektrische Hochfrequenz-Signal sHF über einen zweiten Balun 74b in die zweite Sende-/Empfangs-Antenne 82 einkoppelt, um als elektromagnetisches Signal SHF in Richtung des Grundkörpers r 6a,b ausgesendet zu werden. Auch die zweite Sende-/Empfangsweiche 73a koppelt zudem das von der zweiten Sende-/Empfangs-Antenne 82 empfangene, reflektierte elektromagnetische Signal EHF wieder in den zweiten Signalpfad sHF,1 ein und führt es dem Mischer 75 zu.Analogously to the first signal path s HF, 1 is via a second transmitting / receiving switch 73b , which is arranged in the second signal path s HF, 2 , the high-frequency electrical signal s HF via a second balun 74b in the second transmitting / receiving antenna 82 coupled to an electromagnetic signal S HF in the direction of the main body r 6a , b to be sent out. Also the second transmitting / receiving switch 73a also couples that from the second transmit / receive antenna 82 received, reflected electromagnetic signal E HF again in the second signal path s HF, 1 and leads it to the mixer 75 to.

Im Mischer 75 wird somit das von der ersten Sende-/Empfangs-Antenne 81 empfangene Signal EHF mit dem von der zweiten Sende-/Empfangs-Antenne 82 empfangenen Signal EHF gemischt (wobei das reflektierte Signal EHF hierbei jeweils in einer voneinander abweichenden Mode und/oder mit unterschiedlicher Polarisation empfangen wird). Sofern der Hochfrequenz-Generator 71 also das Sende-Signal SHF mit einer sich (linear) verändernden Frequenz f erzeugt, ermöglicht das Mischen in diesem Fall eine sehr einfache Ermittlung des Druckes p: Denn die durch den Mischer 75 gebildete Differenzfrequenz sp , die sich als Differenz zwischen der Frequenz des von der ersten Sende-/Empfangs-Antenne 81 empfangenen Empfangssignals EHF und der Frequenz des von der zweiten Sende-/Empfangs-Antenne 82 empfangenen Empfangssignals EHF einstellt, ändert sich in diesem Fall linear mit dem Druck p. Die Differenzfrequenz sp kann wiederum technisch sehr einfach erfasst werden. Wie in 3 gezeigt ist, kann dies nach entsprechender A/D-Wandlung beispielsweise mittels eines Mikrocontrollers 76 erfolgen.In the mixer 75 thus becomes that of the first transmit / receive antenna 81 received signal E HF with that of the second transceiver antenna 82 received signal E HF mixed (where the reflected signal E HF each case is received in a different mode and / or with different polarization). Unless the high frequency generator 71 So the send signal S HF with a (linear) changing frequency f In this case, mixing allows a very simple determination of the pressure p : Because by the mixer 75 formed difference frequency s p , which is the difference between the frequency of the first transmitter / receiver antenna 81 received received signal E HF and the frequency of the second transceiver antenna 82 received received signal E HF In this case, the pressure changes linearly with the pressure p , The difference frequency s p again can be detected very technically easy. As in 3 is shown, this can after appropriate A / D conversion, for example by means of a microcontroller 76 respectively.

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
QQ
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

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • WO 03/106952 A2 [0003]WO 03/106952 A2 [0003]
  • DE 202016101491 U1 [0005]DE 202016101491 U1 [0005]
  • EP 1806569 A1 [0007]EP 1806569 A1 [0007]

Claims (17)

Druckmesseinrichtung, umfassend: - einen Grundkörper (2), - eine Messmembran (3), die derart ausgestaltet und auf dem Grundkörper (2) angeordnet ist, dass die Messmembran (3) zum Grundkörper (2) hin eine Druckkammer (4) einschließt, und dass die Messmembran (3) in Abhängigkeit eines zu messenden Druckes (p), der von einer dem Grundkörper (2) abgewandten Fläche auf die Messmembran (3) wirkt, verformbar ist, - einen Kondensator (5), mit • einer ersten Elektrode (5a), die in der Druckkammer (4) am Grundkörper (2) angeordnet ist, und • einer zweiten Elektrode (5b), die derart an der Messmembran (3) in der Druckkammer (4) angeordnet ist, dass die Kapazität (C(p)) des Kondensators (5) vom Druck (p) abhängig ist, gekennzeichnet durch - eine am Grundkörper (2) angeordnete elektrische Koppler-Struktur (6), die mit dem Kondensator (5) kontaktiert ist, - zumindest eine erste Sende-/Empfangs-Antenne (81) zum Aussenden eines elektromagnetischen Signals (SHF) in Richtung der Koppler-Struktur (6), und zum Empfang eines vom Grundkörper (2) und/oder von der Koppler-Struktur (6) reflektierten elektromagnetischen Signals (EHF), - einen zwischen der zumindest ersten Sende-/Empfangs-Antenne (81) und der Koppler-Struktur (6) angeordneten Hohlleiter (9), - eine elektronische Einheit (7), die zumindest mit der ersten Sende-/Empfangs-Antenne (81) kontaktiert ist, wobei die elektronische Einheit (7) ausgestaltet ist, um das elektromagnetische Signal (SHF) zu erzeugen und den Druck (p) anhand des reflektierten elektromagnetischen Signals (EHF) zu bestimmen. Pressure measuring device, comprising: - a base body (2), - a measuring diaphragm (3) which is designed and arranged on the base body (2) such that the measuring diaphragm (3) encloses a pressure chamber (4) towards the base body (2), and that the measuring diaphragm (3) is deformable as a function of a pressure (p) to be measured, which acts on the measuring diaphragm (3) from an area facing away from the main body (2), - a capacitor (5), with a • first electrode (5a), which is arranged in the pressure chamber (4) on the base body (2), and • a second electrode (5b) which is arranged on the measuring diaphragm (3) in the pressure chamber (4) such that the capacitance (C (p)) of the capacitor (5) is dependent on the pressure (p), characterized by - an electrical coupler structure (6) arranged on the main body (2) which is in contact with the capacitor (5), - at least one first transmitter - / Reception antenna (81) for emitting an electromagnetic signal (S HF ) in the direction of the coupler Structure (6), and for receiving an electromagnetic signal (E HF ) reflected by the base body (2) and / or by the coupler structure (6), - one between the at least first transmitting / receiving antenna (81) and waveguide (9) arranged in the coupler structure (6), - an electronic unit (7) which is contacted at least with the first transmitting / receiving antenna (81), wherein the electronic unit (7) is designed to accommodate the To generate electromagnetic signal (S HF ) and to determine the pressure (p) based on the reflected electromagnetic signal (E HF ). Druckmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Einheit (7) folgende Komponenten umfasst: - Einen Hochfrequenz-Generator (71) zur Erzeugung eines elektrischen Hochfrequenz-Signals (sHF), - zumindest eine erste Sende-/Empfangsweiche (73a), die derart mit der ersten Sende-/Empfangs-Antenne (81) verschaltet ist, um das elektrische Hochfrequenz-Signal (sHF) als elektromagnetisches Signal (SHF) auszusenden, und das reflektierte elektromagnetische Signal (EHF) einzukoppeln, und - einen Microcontroller (76), der mittels des eingekoppelten Signals (sp) den Druck (p) ermittelt.Pressure measuring device according to Claim 1 , characterized in that the electronic unit (7) comprises the following components: - a high-frequency generator (71) for generating a high-frequency electrical signal (s HF ), - at least a first transmitting / receiving switch (73a), which with such the first transmitting / receiving antenna (81) is connected in order to emit the electrical high-frequency signal (s HF ) as an electromagnetic signal (S HF ), and to couple the reflected electromagnetic signal (E HF ), and - a microcontroller (76 ), which determines the pressure (p) by means of the injected signal (s p ). Druckmesseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochfrequenz-Generator (71) ausgelegt ist, um - das elektrische Hochfrequenz-Signal (sHF) mit einer Frequenz (f), die sich zeitlich innerhalb eines Frequenzbandes (f1-f2) insbesondere linear ändert, zu erzeugen.Pressure measuring device according to Claim 2 , characterized in that the high-frequency generator (71) is designed to - the high-frequency electrical signal (s HF ) with a frequency (f), which varies in time within a frequency band (f 1 -f 2 ) in particular linear, to create. Druckmesseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Microcontroller (76) ausgestaltet ist, um - innerhalb des Frequenzbandes (f1-f2) zumindest ein Amplituden-Minimum des reflektierten hochfrequenten elektromagnetischen Signals (EHF) in Abhängigkeit der Frequenz (f) zu ermitteln, - eine korrespondierende Frequenz (fmin) des Amplituden-Minimums zu ermitteln, und - den Druck (p) anhand der Frequenz (fmin) des zumindest einen Amplituden-Minimums zu bestimmen.Pressure measuring device according to Claim 3 , characterized in that the microcontroller (76) is designed in order - within the frequency band (f 1 -f 2 ) to determine at least one amplitude minimum of the reflected high-frequency electromagnetic signal (E HF ) as a function of the frequency (f), determine a corresponding frequency (f min ) of the amplitude minimum, and - determine the pressure (p) based on the frequency (f min ) of the at least one amplitude minimum. Druckmesseinrichtung nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Einheit (7) folgende Komponenten umfasst: - einen Signalteiler (72), der verschaltet ist, um das elektrische Hochfrequenz-Signal (sHF) in einen ersten Signalpfad (sHF,1) und einen zweiten Signalpfad (sHF,2) aufzuteilen, wobei die erste Sende-/Empfangsweiche (73a) im ersten Signalpfad (sHF,1) angeordnet ist, - eine zweite Sende-/Empfangsweiche (73b), die im zweiten Signalpfad (sHF,2) verschaltet ist, - eine zweite Sende-/Empfangs-Antenne (82), die an die zweite Sende-/Empfangsweiche (73b) angeschlossen ist, wobei die zweite Sende-/Empfangsweiche (73b) ausgestaltet ist, um das das von der zweiten Sende-/Empfangs-Antenne (82) empfangene, reflektierte Signal (EHF) in den zweiten Signalpfad (sHF,2) einzukoppeln, und - einen Mischer (75), der mit der ersten Sende-/Empfangsweiche (73a) und der zweiten Sende-/Empfangsweiche (73b) verschaltet ist, um das in den ersten Signalpfad (sHF,2) eingekoppelte, reflektierte Signal (EHF) mit dem reflektierten Signal (EHF), das in den zweiten Signalpfad (sHF,2) eingekoppelt wird, zu mischen, wobei der Microcontroller (76) den Druck mittels einer des gemischten Signals (sp) den Druck (p) ermittelt.Pressure measuring device according to Claim 2 . 3 or 4 , characterized in that the electronic unit (7) comprises the following components: - a signal divider (72) which is connected to the high-frequency electrical signal (s HF ) in a first signal path (s HF, 1 ) and a second signal path (s HF, 2 ) to be divided, wherein the first transmitting / receiving switch (73a) in the first signal path (s HF, 1 ) is arranged, - a second transmitting / receiving switch (73b) in the second signal path (s HF, 2 ), - a second transceiver antenna (82) connected to the second transceiver (73b), wherein the second transceiver (73b) is designed to be that of the second transceiver (73b) transmitting / receiving antenna (82) received, reflected signal (e HF) in the second signal path (s HF, 2) to couple, and - a mixer (75) connected to the first transmit / receive switch (73a) and the second transmitting / receiving switch (73b) is connected to the in the first signal path (s HF, 2 ) coupled, reflected signal (E HF ) with the reflected signal (E HF ), which is coupled into the second signal path (s HF, 2 ), wherein the microcontroller (76) determines the pressure by means of one of the mixed signal (s p ) the pressure (p). Druckmesseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Sende-/Empfangs-Antenne (81) und die zweite Sende-/Empfangs-Antenne (82) derart mit der elektronischen Einheit (7) verschaltet sind, um das elektromagnetische Signal (SHF) an der zweiten Sende-/Empfangs-Antenne (82) in Bezug zur ersten Sende-/Empfangs-Antenne (81) mit einer vordefinierten Phasenverschiebung, insbesondere 90° auszusenden, und/oder wobei die erste Sende-/Empfangs-Antenne (81) und die zweite Sende-/Empfangs-Antenne (82) derart mit der elektronischen Einheit (7) verschaltet sind, um das elektromagnetische Signal (SHF) an der zweiten Sende-/Empfangs-Antenne (82) in Bezug zur ersten Sende-/Empfangs-Antenne (81) mit einer voneinander abweichenden Mode auszusenden.Pressure measuring device according to Claim 5 , characterized in that the first transmit / receive antenna (81) and the second transmit / receive antenna (82) are connected in such a way to the electronic unit (7) in order to transmit the electromagnetic signal (S HF ) to the second transmit / receive antenna Antenna (82) with respect to the first transmit / receive antenna (81) with a predefined phase shift, in particular 90 °, and / or wherein the first transmit / receive antenna (81) and the second transmit / receive antenna Antenna (82) are connected in such a way with the electronic unit (7) to the electromagnetic signal (S HF ) at the second transmitting / receiving antenna (82) with respect to the first transmitting / receiving antenna (81) with a send out divergent fashion. Druckmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochfrequenz-Generator (71) als spannungsgesteuerter Oszillator realisiert ist, der durch einen Spannungsgenerator gesteuert ist.Pressure measuring device according to one of Claims 2 to 6 , characterized in that the high-frequency generator (71) is realized as a voltage-controlled oscillator which is controlled by a voltage generator. Druckmesseinrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Sende-/Empfangsweiche (73a) und/oder die zweite Sende-/Empfangsweiche (73b) als Zirkulator oder als Koppler, insbesondere als Richtkoppler ausgestaltet sind/ist.Pressure measuring device according to at least one of Claims 2 to 7 , characterized in that the first transmitting / receiving switch (73a) and / or the second transmitting / receiving switch (73b) are designed as a circulator or as a coupler, in particular as a directional coupler / is. Druckmesseinrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das ausgesendete elektromagnetische Signal (SHF) eine Frequenz (f) von zumindest 100 MHz, insbesondere größer als 1 GHz aufweist.Pressure measuring device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the emitted electromagnetic signal (S HF ) has a frequency (f) of at least 100 MHz, in particular greater than 1 GHz. Druckmesseinrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlleiter (9) einen runden Querschnitt mit einem definierten Innendurchmesser (d) aufweist.Pressure measuring device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the waveguide (9) has a round cross section with a defined inner diameter (d). Druckmesseinrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Hohlleiter (9) ein Material mit einer Dielektrizitätszahl von größer als 1, insbesondere PE, PP, Teflon oder Glas, eingebracht ist.Pressure measuring device according to at least one of the preceding claims, characterized in that in the waveguide (9) a material having a dielectric constant of greater than 1, in particular PE, PP, Teflon or glass, is introduced. Druckmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppler-Struktur (6) in Bezug zum Querschnitt des Hohlleiters (9) in etwa zentral angebracht ist, wobei der Querschnitt, insbesondere der Innendurchmesser (d) des Hohlleiters (9) in Bezug zur Frequenz (f) des elektromagnetischen Signals (SHF) so bemessen ist, dass das elektromagnetische Signal (SHF) zumindest in der TE01 Mode, der TE11 Mode oder der TM11 Mode ausgesendet wird.Pressure measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that the coupler structure (6) with respect to the cross section of the waveguide (9) is mounted approximately centrally, wherein the cross section, in particular the inner diameter (d) of the waveguide (9) with respect to the frequency (f) of the electromagnetic signal (S HF ) is dimensioned such that the electromagnetic signal (S HF ) at least in the TE 01 mode, the TE 11 mode or the TM 11 mode is transmitted. Druckmesseinrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlleiter (9) eine Länge aufweist, die maximal das Vierfache des Innendurchmessers (d) und/oder minimal ein Viertel einer Wellenlänge des elektromagnetischen Signals (SHF) beträgt.Pressure measuring device according to at least one of Claims 9 to 12 , characterized in that the waveguide (9) has a length which is at most four times the inner diameter (d) and / or at least a quarter of a wavelength of the electromagnetic signal (S HF ). Druckmesseinrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Sende-/Empfangs-Antenne (81), die zweite Sende-/Empfangs-Antenne (82), und/oder die Koppler-Struktur (6) als eine planare Anordnung, bestehend aus einem ersten Ringsegment (81a, 82a, 6a) und einem in etwa gegenüberliegend angeordneten, zweiten Ringsegment (81b, 82b, 6b), ausgestaltet sind/ist.Pressure measuring device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the first transmitting / receiving antenna (81), the second transmitting / receiving antenna (82), and / or the coupler structure (6) as a planar arrangement consisting of a first ring segment (81a, 82a, 6a) and an approximately opposite arranged second ring segment (81b, 82b, 6b), are configured / is. Druckmesseinrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode (5b) des Kondensators (5) galvanisch zumindest von der ersten Sende-Antenne (81) getrennt ist.Pressure measuring device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the second electrode (5b) of the capacitor (5) is electrically isolated at least from the first transmitting antenna (81). Verfahren zur Bestimmung des Druckes (p) mittels einer Druckmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 14, folgende Verfahrensschritte umfassend: - Erzeugung eines elektrischen Hochfrequenz-Signals (sHF) durch einen Hochfrequenz-Generator (71), wobei die Frequenz (f) des elektrischen Hochfrequenz-Signals (sHF) innerhalb eines Frequenzbandes (f1-f2), insbesondere linear, geändert wird, - Aussenden des elektrischen Hochfrequenz-Signals (sHF) über zumindest eine erste Sende-/Empfangs-Antenne (81) als hochfrequentes elektromagnetisches Signal (SHF), - Empfang des hochfrequenten elektromagnetischen Signals (EHF) nach Reflektion an einer Koppler-Struktur (6) und/oder einem Grundkörper (2) durch zumindest die erste Sende-/Empfangs-Antenne (81), - Erfassung von zumindest einem Amplituden-Minimum des reflektierten hochfrequenten elektromagnetischen Signals (EHF) in Abhängigkeit der Frequenz (f) mittels eines Mikrocontrollers (76), - Bestimmung der Frequenz (fmin) des zumindest einen Amplituden-Minimums, und - Bestimmung des Druckes (p) anhand der Frequenz (fmin) des zumindest einen Amplituden-Minimums.Method for determining the pressure (p) by means of a pressure measuring device according to one of Claims 2 to 14 , comprising the following method steps: - generating a high-frequency electrical signal (s HF ) by a high-frequency generator (71), the frequency (f) of the high-frequency electrical signal (s HF ) within a frequency band (f 1 -f 2 ) , in particular linear, is changed, - emitting the electrical high-frequency signal (s HF ) via at least a first transmitting / receiving antenna (81) as a high-frequency electromagnetic signal (S HF ), - receiving the high-frequency electromagnetic signal (E HF ) after reflection at a coupler structure (6) and / or a base body (2) by at least the first transmitting / receiving antenna (81), - detecting at least one amplitude minimum of the reflected high-frequency electromagnetic signal (E HF ) in Dependence of the frequency (f) by means of a microcontroller (76), - determination of the frequency (f min ) of the at least one amplitude minimum, and Determining the pressure (p) based on the frequency (f min ) of the at least one amplitude minimum. Verfahren zur Bestimmung des Druckes (p) mittels einer Druckmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 15, folgende Verfahrensschritte umfassend: - Erzeugung eines elektrischen Hochfrequenz-Signals (sHF) durch einen Hochfrequenz-Generator (71), wobei die Frequenz (f) des elektrischen Hochfrequenz-Signals (sHF) innerhalb eines Frequenzbandes (f1-f2), insbesondere linear, geändert wird, - Aufteilen des elektrischen Hochfrequenz-Signals (sHF) in einen ersten Signalpfad (sHF,1) und einen zweiten Signalpfad (sHF,2), - Aussenden des elektrischen Hochfrequenz-Signals (sHF) über eine erste Sende-/Empfangs-Antenne (81) als hochfrequentes elektromagnetisches Signal (SHF), wobei das elektrische Hochfrequenz-Signal (sHF) über eine im ersten Signalpfad (sHF,1) angeordnete Sende-/Empfangsweiche (73a) in die erste Sende-/Empfangs-Antenne (81) eingekoppelt wird, - Aussenden des elektrischen Hochfrequenz-Signals (sHF) über eine zweite Sende-/Empfangs-Antenne (82) als hochfrequentes elektromagnetisches Signal (sHF), wobei das elektrische Hochfrequenz-Signal (sHF) über eine im zweiten Signalpfad (sHF,1) angeordnete Sende-/Empfangsweiche (73b) in die zweite Sende-/Empfangs-Antenne (82) eingekoppelt wird, - Empfang des hochfrequenten elektromagnetischen Signals (EHF) nach Reflektion an der Koppler-Struktur (6) und/oder dem Grundkörper (2) durch die erste Sende-/Empfangs-Antenne (81) und die zweite Sende-/Empfangs-Antenne (82), - Mischen des von der ersten Sende-/Empfangs-Antenne (81) empfangenen, reflektierten Signals (EHF) mit dem von der zweiten Sende-/Empfangs-Antenne (82) empfangenen, reflektierten Signals (EHF) mittels des Mischers (75), und - Bestimmung des Druckes (p) anhand der Differenzfrequenz sp des gemischten Signals.Method for determining the pressure (p) by means of a pressure measuring device according to one of Claims 5 to 15 , comprising the following method steps: - generating a high-frequency electrical signal (s HF ) by a high-frequency generator (71), the frequency (f) of the high-frequency electrical signal (s HF ) within a frequency band (f 1 -f 2 ) , in particular linear, is changed, - dividing the high frequency electrical signal (s HF ) into a first signal path (s HF, 1 ) and a second signal path (s HF, 2 ), - transmitting the electrical high frequency signal (s HF ) via a first transmitting / receiving antenna (81) as a high-frequency electromagnetic signal (S HF ), wherein the electrical high-frequency signal (s HF ) via a in the first signal path (s HF, 1 ) arranged transceiver (73a) is coupled into the first transmitting / receiving antenna (81), - emitting the electrical high-frequency signal (s HF ) via a second transmitting / receiving antenna (82) as a high-frequency electromagnetic signal (s HF ), wherein the electrical High frequency signal (s HF ) over one in the second signal path (s HF, 1 ) arranged transceiver (73b) is coupled into the second transceiver antenna (82), - Reception of the high-frequency electromagnetic signal (E HF ) after reflection at the coupler structure ( 6) and / or the base body (2) by the first transmitting / receiving antenna (81) and the second transmitting / receiving antenna (82), - mixing of the first transmitting / receiving antenna (81) received, reflected signal (E HF ) with the received by the second transmitting / receiving antenna (82), reflected signal (E HF ) by means of the mixer (75), and - determining the pressure (p) on the basis of the difference frequency s p of the mixed signal.
DE102017109183.1A 2017-04-28 2017-04-28 Pressure measuring device Pending DE102017109183A1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102017109183.1A DE102017109183A1 (en) 2017-04-28 2017-04-28 Pressure measuring device
PCT/EP2018/057595 WO2018197128A1 (en) 2017-04-28 2018-03-26 Pressure measuring device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102017109183.1A DE102017109183A1 (en) 2017-04-28 2017-04-28 Pressure measuring device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102017109183A1 true DE102017109183A1 (en) 2018-10-31

Family

ID=61899219

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102017109183.1A Pending DE102017109183A1 (en) 2017-04-28 2017-04-28 Pressure measuring device

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102017109183A1 (en)
WO (1) WO2018197128A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10871412B2 (en) * 2018-11-27 2020-12-22 The Boeing Company Passive wireless microphone array

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10794777B2 (en) * 2017-06-21 2020-10-06 University Of Florida Research Foundation, Incorporated Passive wireless pressure sensor for harsh environments

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19648531C1 (en) * 1996-11-24 1998-02-12 Bartels Mangold Electronic Gmb Wireless transmission from moving parts
WO2003106952A2 (en) 2002-06-18 2003-12-24 Corporation For National Research Initiatives A micro-mechanical capacitive inductive sensor for wireless detection of relative or absolute pressure
US20040159158A1 (en) * 2002-06-06 2004-08-19 Forster Ian J. Capacitive pressure sensor
EP1806569A1 (en) 2006-01-09 2007-07-11 Infineon Technologies SensoNor AS Inductive-capactive sensor
DE19853135B4 (en) * 1998-11-18 2011-02-03 Robert Bosch Gmbh Apparatus and method for wireless pressure measurement
US20160025580A1 (en) * 2013-03-26 2016-01-28 Denso Corporation Pressure sensor
DE202016101491U1 (en) 2016-03-17 2016-04-04 Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg Pressure measuring device

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CH659710A5 (en) * 1983-05-20 1987-02-13 Kern & Co Ag CAPACITIVE PRESSURE-FREQUENCY CONVERTER.
US7059195B1 (en) * 2004-12-02 2006-06-13 Honeywell International Inc. Disposable and trimmable wireless pressure sensor for medical applications
FI20106349A (en) * 2010-12-20 2012-06-21 Teknologian Tutkimuskeskus Vtt Oy Sensor and sensor system

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19648531C1 (en) * 1996-11-24 1998-02-12 Bartels Mangold Electronic Gmb Wireless transmission from moving parts
DE19853135B4 (en) * 1998-11-18 2011-02-03 Robert Bosch Gmbh Apparatus and method for wireless pressure measurement
US20040159158A1 (en) * 2002-06-06 2004-08-19 Forster Ian J. Capacitive pressure sensor
WO2003106952A2 (en) 2002-06-18 2003-12-24 Corporation For National Research Initiatives A micro-mechanical capacitive inductive sensor for wireless detection of relative or absolute pressure
EP1806569A1 (en) 2006-01-09 2007-07-11 Infineon Technologies SensoNor AS Inductive-capactive sensor
US20160025580A1 (en) * 2013-03-26 2016-01-28 Denso Corporation Pressure sensor
DE202016101491U1 (en) 2016-03-17 2016-04-04 Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg Pressure measuring device

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10871412B2 (en) * 2018-11-27 2020-12-22 The Boeing Company Passive wireless microphone array

Also Published As

Publication number Publication date
WO2018197128A1 (en) 2018-11-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102009056060B4 (en) Measuring system for wireless position-independent measurement of temperature
DE102009029490B4 (en) Level measuring device
EP2035790A1 (en) Apparatus for determining and/or monitoring the level of a medium
EP3274668B1 (en) Electromagnetic drive/receiver unit for a field device in automation
DE102013112025A1 (en) Device for determining or monitoring the level of a medium in a container
DE102013113258A1 (en) Sensor and measuring arrangement
EP2435804B1 (en) Assembly for measuring a fill level by means of a fill level measuring device operating with microwaves
WO2006120124A1 (en) Device for determining and monitoring the level of a medium in a container
EP2368094B1 (en) Circuit system and method for evaluating a sensor
EP0968404B1 (en) Position or path sensor
DE102017109183A1 (en) Pressure measuring device
DE102007042043A1 (en) Level measuring instrument for determining and monitoring level of filling material provided in container with run time measuring method of sent signals, has transducer unit and sensor unit having ultrasonic sensor
EP3361223A1 (en) Fill level switch and method for detecting a fill level of a medium in a container
EP0935127A2 (en) Antenna device for level radar
EP3353514B1 (en) Temperature measuring probe
WO2020156713A1 (en) Measuring device for determining a dielectric constant
WO2004102221A1 (en) Radar sensor for use with automobiles
EP1026492A2 (en) Wireless torque measuring arrangement and sensor therefore
DE102013019839B4 (en) Passive temperature sensor, operation and manufacture of the sensor
EP1352220B1 (en) Filling level measuring device with a coupling device
EP2629087A2 (en) Method and measuring system for measuring a variable of a thermodynamic state, in particular a pressure of a gaseous medium, and body with integrated sensor therefor
DE102018130260A1 (en) Measuring device
EP4244585A1 (en) Fill level measurement device
DE102007041522A1 (en) Capacitive position sensor has signal propagation time analysis, signal source producing emission signal, influenceable delay line and evaluation unit
DE102019121995A1 (en) Measuring device for determining a dielectric value

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