DE102018126382B3 - Capacitive pressure sensor - Google Patents
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- G01L9/12—Measuring 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
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Drucksensor mit einer Druckmesszelle (10) und einer Auswerteschaltung (30), wobei die Druckmesszelle (10) einen druckempfindlichen Messkondensator (C) und einen Referenzkondensator (C) aufweist und die Druckmesszelle (10) mit der Auswerteschaltung (30) verbunden ist, und wobei die Auswerteschaltung (30) einen ersten Operationsverstärker (OP1) aufweist, dessen niederohmiger Ausgang mit der gemeinsamen Elektrode (COM) verbunden ist.Um den kapazitiven Drucksensor mit einer einfachen und damit kostengünstig herstellbaren Grenzstandsüberwachung weiterzubilden, mit der darüber hinaus auch eine Überwachung der Funktionsfähigkeit des Drucksensors möglich ist, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zwischen dem Ausgang des ersten Operationsverstärkers (OP1) und der gemeinsamen Elektrode (COM) ein Shuntwiderstand (R) angeordnet ist, dessen Spannungsabfall ein Maß für den Ladestrom ist und mittels einer Verstärkereinheit (AWE) in ein alternierendes Spannungssignal Uumgewandelt wird, und dass eine Auswerteeinheit (AWE) vorgesehen ist, in der das alternierende Spannungssignal Uhinsichtlich zusätzlicher Außenströme ausgewertet wird.The invention relates to a capacitive pressure sensor with a pressure measuring cell (10) and an evaluation circuit (30), the pressure measuring cell (10) having a pressure sensitive measuring capacitor (C) and a reference capacitor (C) and the pressure measuring cell (10) with the evaluation circuit (30). and the evaluation circuit (30) has a first operational amplifier (OP1), the low-impedance output of which is connected to the common electrode (COM). In order to further develop the capacitive pressure sensor with a simple and therefore inexpensive to produce point level monitoring, with which also Monitoring the functionality of the pressure sensor is possible, the invention provides that a shunt resistor (R) is arranged between the output of the first operational amplifier (OP1) and the common electrode (COM), the voltage drop of which is a measure of the charging current and by means of an amplifier unit (AWE) alternate into one of the voltage signal U is converted, and that an evaluation unit (AWE) is provided in which the alternating voltage signal U is evaluated with regard to additional external currents.
Description
Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Drucksensor mit einer Druckmesszelle zur Erfassung des Drucks eines Mediums in einem Behältnis und einer Auswerteschaltung zur Aufbereitung und Verarbeitung der von der Druckmesszelle übertragenen Messsignale.The invention relates to a capacitive pressure sensor with a pressure measuring cell for detecting the pressure of a medium in a container and an evaluation circuit for processing and processing the measurement signals transmitted by the pressure measuring cell.
Kapazitive Drucksensoren bzw. Druckmessgeräte werden in vielen Industriebereichen zur Druckmessung eingesetzt. Sie weisen häufig eine keramische Druckmesszelle als Messwandler für den Prozessdruck und eine Auswerteelektronik zur Signalverarbeitung auf.Capacitive pressure sensors or pressure measuring devices are used in many industrial areas for pressure measurement. They often have a ceramic pressure measuring cell as a transducer for process pressure and evaluation electronics for signal processing.
Kapazitive Druckmesszellen bestehen aus einem keramischen Grundkörper und einer Membran, wobei zwischen dem Grundkörper und der Membran zumeist ein Glaslotring angeordnet ist. Der sich dadurch ergebende Hohlraum zwischen Grundkörper und Membran ermöglicht die längsgerichtete Beweglichkeit der Membran infolge eines Druckeinflusses. Dieser Hohlraum wird daher auch als Messkammer bezeichnet. An der Unterseite der Membran und an der gegenüberliegenden Oberseite des Grundkörpers sind jeweils Elektroden vorgesehen, die zusammen einen Messkondensator bilden. Durch Druckeinwirkung kommt es zu einer Verformung der Membran, was eine Kapazitätsänderung des Messkondensators zur Folge hat.Capacitive pressure measuring cells consist of a ceramic base body and a membrane, a glass solder ring usually being arranged between the base body and the membrane. The resulting cavity between the base body and the membrane enables the longitudinal mobility of the membrane as a result of the influence of pressure. This cavity is therefore also called the measuring chamber. Electrodes are provided on the underside of the membrane and on the opposite top of the base body, which together form a measuring capacitor. The membrane is deformed by the action of pressure, which results in a change in the capacitance of the measuring capacitor.
Mit Hilfe einer Auswerteeinheit wird die Kapazitätsänderung erfasst und in einen Druckmesswert umgewandelt. In der Regel dienen diese Drucksensoren zur Überwachung oder Steuerung von Prozessen. Sie sind deshalb häufig mit übergeordneten Steuereinheiten (SPS) verbunden.With the help of an evaluation unit, the change in capacity is recorded and converted into a pressure measurement. As a rule, these pressure sensors are used to monitor or control processes. They are therefore often connected to higher-level control units (PLCs).
Aus der
Aus der
Quotientenverfahren gehen in der Regel von folgenden Druckabhängigkeiten aus:
In der Praxis ergibt sich immer wieder der Bedarf, bei dem an den Sensor anstehenden Medium neben dem Druck noch eine weitere Prozessgröße zu messen. Weit verbreitet ist die zusätzliche Temperaturmessung, aber auch die Überwachung des Füllstandes bzw. Grenzstandes. Hierzu wird bspw. auf die
Mit dem aus der zuvor genannten
Als weiterer Stand der Technik wird die
Aufgabe der Erfindung ist es, einen kapazitiven Drucksensor mit einer einfachen und damit kostengünstig herstellbaren Grenzstandsüberwachung vorzuschlagen, mit der darüber hinaus auch eine Überwachung der Funktionsfähigkeit des Drucksensors möglich ist.The object of the invention is to propose a capacitive pressure sensor with a simple and therefore inexpensive to produce point level monitoring, with which it is also possible to monitor the functionality of the pressure sensor.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einem kapazitiven Drucksensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.The object is achieved according to the invention with a capacitive pressure sensor with the features of
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ausgehend von dem in der eingangs genannten Druckschrift
Der Vorteil besteht darin, dass die eigentliche Druckmessung durch die Funktionserweiterung nicht beeinträchtigt wird und die zusätzlichen Maßnahmen sehr preiswert zu realisieren sind.The advantage is that the actual pressure measurement is not affected by the functional expansion and the additional measures can be implemented very inexpensively.
Das am Ausgang der Auswerte-/Verstärkereinheit anliegende Spannungssignal
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass mittels eines Widerstandsnetzwerks signalmäßig jener Stromanteil abgezogen werden kann, der für die eigentliche Druckmessung ohnehin durch den Shuntwiderstand fließt. Der Vorteil besteht nun darin, dass der zusätzliche Strom, der außen durch ein Medium zur Maschinenmasse oder dem Sensorgehäuse fließt, höher verstärkt repräsentiert werden kann.A further advantageous development of the invention provides that, by means of a resistance network, that portion of the current which flows anyway through the shunt resistor for the actual pressure measurement can be deducted. The advantage now is that the additional current that flows outside through a medium to the machine ground or the sensor housing can be represented to a greater extent.
Neben der Grenzstandsüberwachung, bei der das Spannungssignal
Ein dritter Anwendungsfall ist das Erkennen eines Mediumseintritts infolge einer Membranbeschädigung. In diesem Fall würde sich aufgrund der daraus resultierenden Veränderung des Dielektrikums (Membran und Medium) das Spannungssignals
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.The invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments with reference to the drawings.
Es zeigen schematisch:
-
1 ein Blockdiagramm eines bekannten kapazitiven Druckmessgeräts, -
2 eine schematische Schnittdarstellung einer bekannten kapazitiven Druckmesszelle, -
3 eine bekannte Auswerteschaltung für eine kapazitive Druckmesszelle gemäß2 , -
4 die bekannte Auswerteschaltung nach3 , ergänzt um die erfindungsgemäße Auswerte-/Verstärkereinheit samt Shuntwiderstand und -
5 die erfindungsgemäße Auswerte-/Verstärkereinheit zusammen mit einer optionalen Sample&Hold-Schaltung.
-
1 1 shows a block diagram of a known capacitive pressure measuring device, -
2 2 shows a schematic sectional illustration of a known capacitive pressure measuring cell, -
3 a known evaluation circuit for a capacitive pressure measuring cell according to2 . -
4 the known evaluation circuit after3 , supplemented by the evaluation / amplifier unit according to the invention including shunt resistance and -
5 the evaluation / amplifier unit according to the invention together with an optional sample & hold circuit.
Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.In the following description of the preferred embodiments, the same reference symbols designate the same or comparable components.
In
Sowohl auf dem Grundkörper
Der Prozessdruck p wirkt auf die Membran
Im Folgenden wird zwischen der Bezeichnung des Kondensators und seinem Kapazitätswert nicht unterschieden.
In
Der Ausgang
Der Differenzierzweig
Nachfolgend ist die Funktion dieser Messschaltung näher erläutert. Der Operationsverstärker
Aus
Über eine Sample&Hold-Schaltung S&H werden die positive und negative Amplitude A+ bzw. A- des Rechtecksignals betragsmäßig addiert, der Betrag A als Messspannung
Die positive Betriebsspannung V+ liegt typischerweise bei +2,5 V und die negative Betriebsspannung V- bei -2,5 V.The positive operating voltage V + is typically +2.5 V and the negative operating voltage V- is -2.5 V.
In
Da die gemeinsame Gegenelektrode
Durch ein in
Neben der Grenzstandsüberwachung, bei dem das Spannungssignal
Ein dritter Anwendungsfall ist das Erkennen eines Mediumseintritts infolge einer Membranbeschädigung. In diesem Fall würde sich aufgrund der daraus resultierenden Veränderung des Dielektrikums (Membran und Medium) das Spannungssignal
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Druckmessgerätpressure monitor
- 1010
- DruckmesszellePressure measuring cell
- 1212
- Grundkörperbody
- 1414
- Membranmembrane
- 1616
- Glaslotringglass solder
- 1818
- Entlüftungskanalvent channel
- 1919
- Hohlraumcavity
- 2020
- Auswerteelektronikevaluation
- 3030
- Auswerteschaltungevaluation
- CM C M
- Messkondensatormeasuring capacitor
- CR C R
- Referenzkondensatorreference capacitor
- MM
- Mittelelektrodecenter electrode
- RR
- Ringelektrodering electrode
- COMCOM
- Membranelektrodemembrane electrode
- COM1COM1
- Anschlusspunkt nach dem ersten OperationsverstärkerConnection point after the first operational amplifier
- IZIZ
- IntegrierzweigIntegrierzweig
- DZDZ
- DifferenzierzweigDifferentiating branch
- SGSG
- Schwellwert-KomparatorThreshold comparator
- RGRG
- Rechteckgeneratorsquare wave generator
- AWEAWE
- Auswerte-/VerstärkereinheitEvaluation / amplifier unit
- RShunt R shunt
- Shuntwiderstandshunt resistor
- L1L1
- erste Leitungfirst line
- L2L2
- zweite Leitungsecond line
- L3L3
- dritte Leitungthird line
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102018126382.1A DE102018126382B3 (en) | 2018-10-23 | 2018-10-23 | Capacitive pressure sensor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102018126382.1A DE102018126382B3 (en) | 2018-10-23 | 2018-10-23 | Capacitive pressure sensor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE102018126382B3 true DE102018126382B3 (en) | 2020-01-16 |
Family
ID=69227001
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102018126382.1A Active DE102018126382B3 (en) | 2018-10-23 | 2018-10-23 | Capacitive pressure sensor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102018126382B3 (en) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0569573B1 (en) | 1991-11-28 | 1996-04-10 | Endress + Hauser Gmbh + Co. | Capacitive manometer with a highly linear response |
DE19851506C1 (en) | 1998-11-09 | 2000-10-19 | Ifm Electronic Gmbh | Capacitive sensor evaluation method e.g. for pressure sensor, has periodic input signal supplied simultaneously to integration path containing reference capacitor and series circuit containing resistor and sensor capacitor |
DE102007016792A1 (en) | 2007-04-05 | 2008-10-30 | Ifm Electronic Gmbh | Measuring cell i.e. pressure measuring cell, for e.g. pressure sensor, has membrane mechanically movable by activatable moving unit, where mechanical impulse is transmittable to medium from membrane during activation of moving unit |
DE102009002662A1 (en) | 2009-04-27 | 2010-10-28 | Ifm Electronic Gmbh | Capacitive pressure sensor, particularly combination sensor for detecting measuring parameter, has ceramic pressure measuring cell which consists of diaphragm, base body and measuring electrodes in form of conductive surface areas |
EP2738535A1 (en) | 2012-11-30 | 2014-06-04 | Sensata Technologies, Inc. | Analog front end compensation |
-
2018
- 2018-10-23 DE DE102018126382.1A patent/DE102018126382B3/en active Active
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Legal Events
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---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final |