DE102020100675A1 - Capacitive pressure sensor with temperature detection - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Drucksensor mit einer Druckmesszelle (10) zur Erfassung des Drucks eines Mediums in einem Behältnis und einer Auswerteschaltung (30) zur Aufbereitung und Verarbeitung der von der Druckmesszelle (10) übertragenen Messsignale, wobei die Druckmesszelle (10) einen druckempfindlichen Messkondensator (C) und einen Referenzkondensator (C) aufweist, die beide eine gemeinsame Membranelektrode (COM) aufweisen.Um während der Druckmessung auf besonders einfache und kostengünstige Weise die Temperatur des zu Mediums zu erfassen, wird die gemeinsame Elektrode (COM) parallel zur Druckmessung auch noch zur Temperaturmessung des an der Druckmesszelle (10) anliegenden Mediums verwendet, so dass auf ein weiteres Widerstandselement zur Temperaturerfassung verzichtet werden kann.The invention relates to a capacitive pressure sensor with a pressure measuring cell (10) for detecting the pressure of a medium in a container and an evaluation circuit (30) for processing and processing the measurement signals transmitted by the pressure measuring cell (10), the pressure measuring cell (10) being a pressure sensitive measuring capacitor (C) and a reference capacitor (C), both of which have a common membrane electrode (COM). In order to record the temperature of the medium during the pressure measurement in a particularly simple and inexpensive manner, the common electrode (COM) is also parallel to the pressure measurement still used for temperature measurement of the medium applied to the pressure measuring cell (10), so that there is no need for a further resistance element for temperature detection.

Description

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Drucksensor zur Erfassung des Druckes eines an den Drucksensor angrenzenden Mediums nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a capacitive pressure sensor for detecting the pressure of a medium adjacent to the pressure sensor according to the preamble of claim 1.

Druckmessgeräte bzw. Drucksensoren werden in vielen Industriebereichen zur Druckmessung eingesetzt. Sie weisen häufig eine Druckmesszelle, als Messwandler für den Prozessdruck, und eine Auswerteelektronik zur Signalverarbeitung auf.Pressure gauges and pressure sensors are used in many industrial areas for pressure measurement. They often have a pressure measuring cell, as a measuring transducer for process pressure, and evaluation electronics for signal processing.

Typische kapazitiv arbeitende Messzellen bestehen aus einer kompakten Einheit mit einem keramischen Grundkörper und einer Membran, wobei zwischen dem Grundkörper und der Membran ein ringförmiger Abstandshalter, bspw. ein Glaslotring, angeordnet ist. Der sich dadurch ergebende Hohlraum zwischen Grundkörper und Membran ermöglicht die längsgerichtete Beweglichkeit der Membran infolge eines Druckeinflusses. 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.Typical capacitive measuring cells consist of a compact unit with a ceramic base body and a membrane, an annular spacer, for example a glass solder ring, 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 a pressure influence. Electrodes are provided on the underside of the membrane and on the opposite upper side 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.

Häufig ist im Zusammenhang mit der Druckmessung auch eine Temperaturmessung erforderlich. Hierzu ist aus der DE 40 11 901 A1 bekannt, eine ringförmige Widerstandsbahn vorzusehen, die an der der Membran zugewandten Stirnseite des Grundkörpers oder an der dem Grundkörper zugewandten Stirnseite der Membran angeordnet ist.Temperature measurement is often required in connection with pressure measurement. This is from the DE 40 11 901 A1 Known to provide an annular resistance track, which is arranged on the front side of the base body facing the membrane or on the front side of the membrane facing the base body.

Aus Platzgründen problematisch wird diese bekannte Anordnung jedoch, wenn der Druckmesswert nicht nur aus der Kapazitätsänderung eines Messkondensators ermittelt wird, sondern - wie aus der DE 198 51 506 C1 bekannt - aus dem Quotient zweier Kapazitätswerte: eines Messkondensators und eines Referenzkondensators. Das Quotientenverfahren ist insbesondere deswegen vorteilhaft, weil sich Änderungen des Dielektrikums nicht auf die Messwertermittlung auswirken. Im Folgenden wird daher von Drucksensoren, die nach dem Quotientenverfahren arbeiten, ausgegangen.However, this known arrangement becomes problematic for reasons of space if the pressure measurement value is determined not only from the change in capacitance of a measuring capacitor, but - as from the DE 198 51 506 C1 known - from the quotient of two capacitance values: a measuring capacitor and a reference capacitor. The quotient method is particularly advantageous because changes in the dielectric do not affect the measurement value determination. In the following, pressure sensors that work according to the quotient method are therefore assumed.

Da nun auf den sich gegenüberliegenden Seiten von Membran und Grundkörper durch das Vorhandensein der zwei konzentrisch angeordneten Kondensatoren entsprechend weniger Platz vorhanden ist, um dort noch eine Widerstandsbahn für die Temperaturerfassung vorzusehen, schlägt die EP 1 174 696 B1 vor, das Widerstandselement in den Glaslotring zu integrieren. Die hierfür zur Verfügung stehende Fläche zur Temperaturerfassung ist jedoch entsprechend klein. Des Weiteren befindet sich bei der Druckmesszelle im eingebauten Zustand typischerweise unterhalb des Glaslotrings und damit im Bereich des Widerstandselements mediumsseitig eine Dichtung, welche durch ihre isolierende Wirkung die Temperaturerfassung beeinflussen kann.Since there is now correspondingly less space on the opposite sides of the membrane and the base body due to the presence of the two concentrically arranged capacitors in order to provide a resistance path for the temperature detection there, the EP 1 174 696 B1 before integrating the resistance element into the glass solder ring. However, the area available for temperature detection is correspondingly small. Furthermore, the pressure measuring cell in the installed state is typically located below the glass ring and thus in the area of the resistance element on the medium side, which can influence the temperature detection due to its insulating effect.

Des Weiteren ist aus der WO 2014/154695 A1 bekannt, auf der dem Grundkörper zugewandten Stirnseite der Membran einen mehrlagen Aufbau bestehend aus der Messelektrode für Druckmessung, einer Widerstandsschicht für die Temperaturerfassung und einer dazwischenliegenden Isolationsschicht vorzusehen. Dadurch erhöht sich allerdings der fertigungstechnische Aufwand der Druckmesszelle.Furthermore, from the WO 2014/154695 A1 Known to provide a multilayer structure consisting of the measuring electrode for pressure measurement, a resistance layer for temperature detection and an intermediate insulation layer on the end face of the membrane facing the base body. However, this increases the manufacturing outlay for the pressure measuring cell.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen kapazitiven Drucksensor mit einer besonders einfachen und kostengünstigen Möglichkeit der Temperaturerfassung während der Druckmessung auszubilden.The object of the invention is to design a capacitive pressure sensor with a particularly simple and inexpensive possibility of temperature detection during pressure measurement.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen kapazitiven Drucksensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.The object is achieved by a capacitive pressure sensor with the features of claim 1. Advantageous embodiments of the invention are specified in the subclaims.

Der Erfindungsgedanke besteht darin, ausschließlich die ohnehin für die Druckmessung vorhandene Membranelektrode COM, die als gemeinsame Elektrode für den Mess- und den Referenzkondensator fungiert, dadurch nur gemäß der Dicke der Membrane von dem zu messenden Medium entfernt ist und über die maximale Mediumsberührfläche verfügt, neben der Druckmessung noch für die Erfassung der Mediumstemperatur zu verwenden, so dass auf ein weiteres Widerstandselement zur Temperaturerfassung verzichtet werden kann und die Membran nur einen einschichtigen Aufbau aus der Membranelektrode COM aufweist. Hierfür wird diese gemeinsame Membranelektrode, welche beispielsweise aus Metall mit messbarem ohmschen Temperaturkoeffizienten mäanderförmig gebildet ist, mittels eines Konstantstromreglers über eine zusätzliche, vierte Leitung mit einem konstanten Strom beaufschlagt und die dadurch über der Membranelektrode abfallende Spannung wird einer Auswerteeinheit zugeführt, an deren Ausgang ein Spannungssignal anliegt, das der von der Membranelektrode erfassten Temperatur entspricht. Die Ladeströme für den Mess- und den Referenzkondensator überlagern zwar im Druckauswertungstakt zeitlich aufgelöst den Spannungsabfall über der Membranelektrode, ihre vorzeichenbehafteten Beträge sind aber jeweils identisch und somit nach Mittelung unwirksam.The idea of the invention consists solely of the membrane electrode COM, which is already present for the pressure measurement, and which functions as a common electrode for the measuring and reference capacitors, and is therefore only removed from the medium to be measured according to the thickness of the membrane and has the maximum medium contact area to use the pressure measurement for the detection of the medium temperature, so that there is no need for a further resistance element for temperature detection and the membrane has only a single-layer structure made of the membrane electrode COM. For this purpose, this common membrane electrode, which is formed, for example, from metal with a measurable ohmic temperature coefficient in a meandering shape, is supplied with a constant current by means of a constant current regulator via an additional fourth line, and the voltage that thereby drops across the membrane electrode is fed to an evaluation unit, at the output of which a voltage signal is present that corresponds to the temperature detected by the membrane electrode. The charging currents for the measuring and reference capacitors are superimposed on the voltage drop across the membrane electrode in a time-resolved manner in the pressure evaluation cycle, but their signed amounts are identical in each case and therefore ineffective after averaging.

Die Ausbildung der Membranelektrode als mäanderförmig verlegte Widerstandsbahn ist deswegen besonders vorteilhaft, weil es gilt, die an sich für die Membranelektrode zur Verfügung stehende Fläche optimal zu nutzen. Einerseits kann durch die mäanderförmige Verlegung eine maximale Länge und damit ein größtmöglicher ohmscher Widerstand erreicht werden. Zum anderen wird durch einen Mäander mit geringstmöglichen Abstand zwischen den Bahnen eine größtmögliche, die Kapazität maßgeblich bestimmende Elektrodenfläche erreicht. Die Optimierung dieser beiden Parameter - ohmscher Widerstand und elektrische Kapazität - bei einer vorgegebenen Fläche wird vorteilhafterweise bei einer mäanderförmigen Verlegung der Widerstandsbahn erreicht.The formation of the membrane electrode as a meandering resistance path is particularly advantageous because it is important to make optimal use of the area available for the membrane electrode. On the one hand, through the meandering laying a maximum length and thus the greatest possible ohmic resistance can be achieved. On the other hand, a meander with the smallest possible distance between the tracks achieves the largest possible electrode area, which decisively determines the capacity. The optimization of these two parameters - ohmic resistance and electrical capacitance - for a given area is advantageously achieved with a meandering laying of the resistance track.

Mit der Erfindung ist es möglich, die gemeinsame Membranelektrode auch niederohmig ausgeführt zuzulassen, so dass bei der Herstellung nicht auf die sehr kostenintensive Sputtertechnologie zurückgegriffen werden muss. Vielmehr kann die gemeinsame Membranelektrode im Siebdruckverfahren auf die Membran aufgebracht werden, bspw. als mäanderförmig verlegte Gold- oder Platinbahn, mit minimalen Zwischenräumen zugunsten der kapazitiv wirksamen Fläche und maximaler Länge zugunsten des wirksamen ohmschen Widerstandes mit seiner reproduzierbaren Betragsänderung über Temperatur gemäß seines Temperaturkoeffizienten.With the invention, it is possible to allow the common membrane electrode to be designed with a low resistance, so that the very cost-intensive sputtering technology does not have to be used during manufacture. Rather, the common membrane electrode can be applied to the membrane in a screen printing process, for example as a meandering gold or platinum sheet, with minimal gaps in favor of the capacitively effective area and maximum length in favor of the effective ohmic resistance with its reproducible change in amount over temperature according to its temperature coefficient.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist der praktisch nicht vorhandene Temperaturgradient, da die Temperaturmessung in direkter Umgebung des Mediums erfolgt.Another advantage of the invention is the practically non-existent temperature gradient, since the temperature measurement takes place in the immediate vicinity of the medium.

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 gemäß 2,
  • 4 eine Ausführungsform der Erfindung auf der Basis der bekannten Auswerteschaltung nach 3.
They show schematically:
  • 1 1 shows a block diagram of a known capacitive pressure measuring device,
  • 2nd 1 shows a schematic sectional illustration of a known capacitive pressure measuring cell,
  • 3rd a known evaluation circuit for a capacitive pressure measuring cell according 2nd ,
  • 4th an embodiment of the invention based on the known evaluation circuit 3rd .

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 1 ist ein Blockdiagramm eines typischen kapazitiven Druckmessgeräts dargestellt, der zur Messung eines Prozessdrucks p (z. B. von Öl, Milch, Wasser etc.) eingesetzt wird. Das Druckmessgerät 1 ist als Zwei-Leiter-Gerät ausgeführt und besteht im Wesentlichen aus einer Druckmesszelle 10 und einer Auswerteelektronik 20. Die Auswerteelektronik 20 weist eine analoge Auswerteschaltung 30 und einen Mikrocontroller µC auf, in dem das analoge Ausgangssignal der Auswerteschaltung 20 digitalisiert und weiterverarbeitet wird. Der Mikrocontroller µC stellt das Auswerteergebnis als digitales oder analoges Ausgangssignal z. B. einer SPS zur Verfügung. Zur Energieversorgung ist das Druckmessgerät 1 an eine Spannungsversorgungsleitung (12 - 36 V) angeschlossen.In 1 a block diagram of a typical capacitive pressure measuring device is shown, which is used to measure a process pressure p (e.g. of oil, milk, water, etc.). The pressure gauge 1 is designed as a two-wire device and essentially consists of a pressure measuring cell 10th and evaluation electronics 20 . The evaluation electronics 20 has an analog evaluation circuit 30th and a microcontroller µC in which the analog output signal of the evaluation circuit 20 is digitized and further processed. The microcontroller µC provides the evaluation result as a digital or analog output signal z. B. a PLC available. The pressure gauge is for power supply 1 connected to a voltage supply line (12 - 36 V).

2 zeigt eine typische kapazitive Druckmesszelle 10, wie sie vielfältig bei kapazitiven Druckmessgeräten eingesetzt wird, in schematischer Darstellung. Die Druckmesszelle 10 besteht im Wesentlichen aus einem Grundkörper 12 und einer Membran 14, die über einen Glaslotring 16 miteinander verbunden sind. Der Grundkörper 12 und die Membran 14 begrenzen einen Hohlraum 19, der - vorzugsweise nur bei niedrigen Druckbereichen bis 50 bar - über einen Entlüftungskanal 18 mit der Rückseite der Druckmesszelle 10 verbunden ist. 2nd shows a typical capacitive pressure measuring cell 10th how it is used in many ways in capacitive pressure measuring devices, in a schematic representation. The pressure measuring cell 10th consists essentially of a basic body 12th and a membrane 14 that have a glass solder ring 16 are interconnected. The basic body 12th and the membrane 14 delimit a cavity 19th , which - preferably only at low pressure ranges up to 50 bar - via a ventilation duct 18th with the back of the pressure measuring cell 10th connected is.

Sowohl auf dem Grundkörper 12 als auch auf der Membran 14 sind mehrere Elektroden vorgesehen, die einen Referenzkondensator CR und einen Messkondensator CM bilden. Der Messkondensator CM wird durch die Membranelektrode COM und die Mittelelektrode M gebildet, der Referenzkondensator CR durch die Ringelektrode R und die Membranelektrode COM. Der Messkondensator CM und der Referenzkondensator CR besitzen also eine gemeinsame auf der Membran angeordnete Elektrode COM.Both on the main body 12th as well as on the membrane 14 several electrodes are provided, which are a reference capacitor C R and a measuring capacitor C M form. The measuring capacitor C M is made up of the membrane electrode COM and the center electrode M formed, the reference capacitor C R through the ring electrode R and the membrane electrode COM. The measuring capacitor C M and the reference capacitor C R thus have a common electrode COM arranged on the membrane.

Der Prozessdruck p wirkt auf die Membran 14, die sich entsprechend der Druckbeaufschlagung mehr oder weniger durchbiegt, wobei sich im Wesentlichen der Abstand der Membranelektrode COM zur Mittelelektrode M ändert. Dies führt zu einer entsprechenden Kapazitätsänderung des Messkondensators CM . Der Einfluss auf den Referenzkondensator CR ist geringer, da sich der Abstand zwischen Ringelektrode R und Membranelektrode COM weniger stark verändert als der Abstand zwischen Membranelektrode COM zur Mittelelektrode M. An sich sollte der Referenzkondensator CR nicht druckempfindlich sein.The process pressure p acts on the membrane 14 , which bends more or less in accordance with the pressurization, essentially the distance between the membrane electrode COM and the center electrode M changes. This leads to a corresponding change in the capacitance of the measuring capacitor C M . The influence on the reference capacitor C R is less because the distance between the ring electrode R and membrane electrode COM changed less than the distance between membrane electrode COM and the center electrode M . As such, the reference capacitor should C R not be sensitive to pressure.

Im Folgenden wird zwischen der Bezeichnung des Kondensators und seinem Kapazitätswert nicht unterschieden. CM und CR bezeichnen deshalb sowohl den Mess- bzw. Referenzkondensator an sich, als auch jeweils dessen Kapazität.No distinction is made in the following between the designation of the capacitor and its capacitance value. C M and C R therefore designate both the measuring or reference capacitor itself, as well as its capacitance.

In 3 ist eine bekannte Auswerteschaltung 30 für die Druckmesszelle 10 näher dargestellt. Eine erste Leitung L1 führt zu der gemeinsamen Elektrode COM von Messkondensator CM und Referenzkondensator CR , eine zweite Leitung L2 zu dem Messkondensator CM und eine dritte Leitung L3 zu dem Referenzkondensator CR . Der Messkondensator CM ist zusammen mit einem Widerstand R1 in einem Integrierzweig IZ und der Referenzkondensator CR zusammen mit einem Widerstand R2 in einem Differenzierzweig DZ angeordnet. Am Eingang des Integrierzweigs IZ liegt eine Rechteckspannung UE0 an, die vorzugsweise symmetrisch um 0 Volt (=Masse) alterniert und eine Periodendauer von ca. 300 µs aufweist. Die Eingangsspannung UE0 wird über den Widerstand R1 und den Messkondensator CM mithilfe eines Operationsverstärkers OP1, der als Integrator arbeitet, in ein linear ansteigendes bzw. abfallendes Spannungssignal (je nach Polarität der Eingangsspannung) umgewandelt, das als COM-Signal am Ausgang des Integrierzweigs IZ ausgegeben wird. Der Messpunkt P1 liegt dabei durch den Operationsverstärker OP1 virtuell auf Masse.In 3rd is a well-known evaluation circuit 30th for the pressure measuring cell 10th shown in more detail. A first line L1 leads to the common electrode COM of the measuring capacitor C M and reference capacitor C R , a second line L2 to the measuring capacitor C M and a third line L3 to the reference capacitor C R . The measuring capacitor C M is together with a resistance R 1 in an integrating branch IZ and the reference capacitor C R along with a resistance R 2 in a differentiation branch DZ arranged. At the entrance of the integrating branch IZ there is a square wave voltage U E0 which preferably alternates symmetrically by 0 volts (= ground) and has a period of approximately 300 µs. The input voltage U E0 is about the resistance R 1 and the measuring capacitor C M using an operational amplifier OP1 , which works as an integrator, is converted into a linearly rising or falling voltage signal (depending on the polarity of the input voltage), which as a COM signal at the output of the integrating branch IZ is issued. The measuring point P1 lies through the operational amplifier OP1 virtually on earth.

Der Ausgang COM ist mit einem Schwellwert-Komparator SG verbunden, der einen Rechteckgenerator RG ansteuert. Sobald das Spannungssignal am Ausgang COM einen Schwellwert über- bzw. unterschreitet, ändert der Komparator SG sein Ausgangssignal, woraufhin der Rechteckgenerator RG seine Ausgangsspannung jeweils invertiert.The COM output is with a threshold comparator SG connected to a rectangular generator RG controls. As soon as the voltage signal at the COM output exceeds or falls below a threshold value, the comparator changes SG its output signal, whereupon the square wave generator RG its output voltage is inverted.

Der Differenzierzweig DZ besteht weiter aus einem Operationsverstärkers OP2, einem Spannungsteiler mit den beiden Widerständen R5 und R6 und einem Rückführungswiderstand R7 . Der Ausgang des Operationsverstärkers OP2 ist mit einer Sample-and-Hold-Schaltung S&H verbunden. Am Ausgang der Sample-and-Hold-Schaltung S&H liegt die Messspannung UMess an, aus der der Prozessdruck p, der auf die Druckmesszelle 10 wirkt, gewonnen wird.The differentiator DZ also consists of an operational amplifier OP2 , a voltage divider with the two resistors R 5 and R 6 and a feedback resistor R 7 . The output of the operational amplifier OP2 is connected to an S&H sample-and-hold circuit. The measuring voltage is at the output of the S&H sample-and-hold circuit U Mess from which the process pressure p is applied to the pressure measuring cell 10th works, is won.

Nachfolgend ist die Funktion dieser Messschaltung näher erläutert. Der Operationsverstärker OP1 sorgt dafür, dass der Verbindungspunkt P1 zwischen dem Widerstand R1 und dem Messkondensator CM virtuell auf Masse gehalten wird. Dadurch fließt ein konstanter Strom I1 über den Widerstand R1 , der den Messkondensator CM solange auflädt, bis die Rechteckspannung UE0 ihr Vorzeichen wechselt.The function of this measuring circuit is explained in more detail below. The operational amplifier OP1 ensures that the connection point P1 between the resistance R 1 and the measuring capacitor C M is virtually kept to ground. As a result, a constant current I 1 flows through the resistor R 1 which is the measuring capacitor C M charges until the square wave voltage U E0 their sign changes.

Aus 3 ist ersichtlich, dass für den Fall R1= R2 und CM = CR der Messpunkt P2 im Differenzierzweig DZ sogar dann auf dem gleichen Potenzial wie der Messpunkt P1, also auf Masseniveau, liegt, wenn die Verbindung zwischen dem Messpunkt P2 und dem Operationsverstärker OP2 nicht vorhanden wäre. Dies gilt nicht nur in diesem speziellen Fall, sondern immer dann, wenn die Zeitkonstanten R1 * CM und R2 * CR zueinander gleich sind. Beim Nullpunktabgleich wird dieser Zustand über die variablen Widerstände R1 bzw. R2 entsprechend eingestellt. Wenn sich die Kapazität des Messkondensators CM durch Druckeinwirkung ändert, ist die Bedingung der Gleichheit der Zeitkonstanten im Integrierzweig IZ und im Differenzierzweig DZ nicht mehr gegeben und das Potenzial am Messpunkt P2 würde vom Wert Null abweichen. Dieser Änderung wird aber unmittelbar von dem Operationsverstärker OP2 entgegengewirkt, da der Operationsverstärker OP2 den Verbindungspunkt P2 weiterhin virtuell auf Masse hält. Am Ausgang des Operationsverstärkers OP2 liegt deshalb eine Rechteckspannung UR an, deren Amplitude vom Quotienten der beiden Zeitkonstanten abhängt und deren Periodendauer der der Eingangsspannung UE0 entspricht, d.h. ca. 300 µs beträgt. Man kann leicht zeigen, dass die Amplitude direkt proportional zum Prozessdruck p ~ CR/CM - 1 ist, wobei die Abhängigkeit im Wesentlichen linear ist. Die Amplitude lässt sich über den Spannungsteiler, der durch die beiden Widerstände R5 und R6 gebildet wird, einstellen.Out 3rd it can be seen that for the case R 1 = R 2 and C M = C R the measuring point P2 in the differentiating branch DZ even then at the same potential as the measurement point P1 , i.e. at the mass level, is when the connection between the measuring point P2 and the operational amplifier OP2 would not exist. This applies not only in this special case, but always when the time constants R 1 * C M and R 2 * C R are equal to each other. When zeroing, this state is via the variable resistors R 1 or. R 2 set accordingly. If the capacitance of the measuring capacitor C M changes due to pressure, the condition is the equality of time constants in the integrating branch IZ and in the differentiation branch DZ no longer exist and the potential at the measuring point P2 would deviate from zero. However, this change is directly affected by the operational amplifier OP2 counteracted because of the operational amplifier OP2 the connection point P2 continues to keep virtually on ground. At the output of the operational amplifier OP2 therefore there is a square wave voltage U R whose amplitude depends on the quotient of the two time constants and whose period duration that of the input voltage U E0 corresponds, ie is approx. 300 µs. It can easily be shown that the amplitude is directly proportional to the process pressure p ~ CR / CM - 1, the dependence being essentially linear. The amplitude can be adjusted via the voltage divider through the two resistors R 5 and R 6 is formed, adjust.

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 UMess am Ausgang des Operationsverstärkers OP3 ausgegeben und an den Mikrocontroller µC (nicht gezeigt) weitergeleitet. Sie könnte aber auch direkt als Analogwert ausgegeben werden. Die Amplitude der Eingangsspannung UE0 , die am Ausgang des Rechteckgenerators RG anliegt, wird in Abhängigkeit der Messspannung UMess eingestellt, um eine bessere Linearität zu erzielen. Hierfür ist ein Spannungsteiler bestehend aus den Widerständen R20 und R10 vorgesehen. Dieser Spannungsteiler ist mit einer Referenzspannung VREF verbunden und vorteilhafterweise abgleichbar.Via a sample and hold circuit S&H, the positive and negative amplitudes A + and A- of the square wave signal are added, the amount A as the measurement voltage U Mess at the output of the operational amplifier OP3 output and forwarded to the microcontroller µC (not shown). However, it could also be output directly as an analog value. The amplitude of the input voltage U E0 that at the output of the square wave generator RG is present depending on the measurement voltage U Mess set to achieve better linearity. For this there is a voltage divider consisting of the resistors R 20 and R 10 intended. This voltage divider is connected to a reference voltage VREF and can advantageously be adjusted.

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 4 ist ein Ausschnitt aus der bekannten Auswerteschaltung nach 3 - in einer abgewandelten Darstellung - ergänzt um den erfindungswesentlichen Teil in Form des zugeschalteten Konstantstromreglers KSR und der Auswerte-/Verstärkereinheit AWE abgebildet. Alle verwendeten Bezugszeichen entsprechen jeweils den in 3 abgebildeten. So schließt sich insbesondere am Ausgang des ersten Operationsverstärkers OP1 der aus 3 bekannte Kreislauf aus dem Schwellwert-Komparator SG und dem Rechteckgenerator RG (nicht gezeigt) an, dessen Ausgangssignal UE0 wieder auf der linken Seite der Schaltung zugeführt wird. Aus Darstellungsgründen wurde in 4 nur auf die erfindungswesentlichen Elemente abgehoben.In 4th is a section of the known evaluation circuit according to 3rd - In a modified representation - supplemented by the part essential to the invention in the form of the connected constant current regulator KSR and the evaluation / amplifier unit AWE pictured. All reference numerals used correspond to those in 3rd pictured. This closes in particular at the output of the first operational amplifier OP1 the one out 3rd known circuit from the threshold comparator SG and the rectangle generator RG (not shown) whose output signal U E0 is fed back on the left side of the circuit. For reasons of illustration, in 4th only raised to the elements essential to the invention.

Der Messkondensator CM und der Referenzkondensator CR sind durch jeweils ein Kreissegment dargestellt, wobei die gemeinsame Elektrode COM vorliegend als eine niederohmige, mäanderförmig verlegte Widerstandsbahn ausgeführt ist, die bspw. einen Widerstandswert von 100 Ohm aufweist und vorzugsweise aus Gold besteht. Mittels der Auswerte-/Verstärkereinheit AWE wird die über der gemeinsamen Elektrode COM abfallende Spannung abgegriffen, verstärkt und ausgewertet. Hierfür ist die Auswerte-/Verstärkereinheit AWE bspw. in Form eines Instrumentenverstärkers ausgeführt.The measuring capacitor C M and the reference capacitor C R are each represented by a segment of a circle, the common electrode COM in the present case being designed as a low-resistance, meandering resistance path which, for example, has a resistance value of 100 ohms and preferably consists of gold. By means of the Evaluation / amplifier unit AWE the voltage drop across the common electrode COM is tapped, amplified and evaluated. This is the evaluation / amplifier unit AWE for example in the form of an instrument amplifier.

Um überhaupt eine Spannung über der gemeinsamen Elektrode COM messen zu können, wird über eine vierte Leitung L4 mittels des Konstantstromreglers KSR zusätzlich zu dem jeweils für den Mess- und den Referenzkondensator CM , CR notwendigen Ladestrom von ca. 1 µA die gemeinsame Elektrode COM noch mit einem konstanten Strom Ikonst von bspw. 100 µA beaufschlagt. Damit ist der gemittelte Spannungsabfall nur noch von dem einwirkenden Temperatureinfluss abhängig und die Auswertung von niederohmigen Metall-Mäanderstrukturen möglich, weil der entstehende Spannungsabfall über Differenzverstärker simultan zur Druckmessung ausgewertet werden kann. Entgegengenommen wird dieser Strom Ikonst vom Ausgang des ersten Operationsverstärkers OP1, so dass die kapazitive Druckmessung unverfälscht bleibt.In order to be able to measure a voltage across the common electrode COM at all, a fourth line is used L4 by means of the constant current regulator KSR in addition to that for the measuring and reference capacitors C M , C R necessary charging current of approx. 1 µA the common electrode COM with a constant current I const charged by, for example, 100 µA. The averaged voltage drop is thus only dependent on the temperature influence and the evaluation of low-resistance metal meandering structures is possible because the voltage drop that arises can be evaluated simultaneously with differential amplifiers for pressure measurement. This stream is accepted I const from the output of the first operational amplifier OP1 , so that the capacitive pressure measurement remains unadulterated.

Dadurch, dass bei der in 3 dargestellten Auswerteschaltung die Mittel- und Ringelektrode M, R für den Mess- und den Referenzkondensator CM , CR virtuell auf Masse liegen und die gemeinsame Elektrode COM von Mess- und Referenzkondensator CM , CR mit einem dreieckförmigen Signal bestromt wird, ist die Temperaturauswertung und damit die erfindungsgemäße Doppelnutzung der gemeinsamen Elektrode COM ohne weiteres möglich, da zum einen parasitäre Kapazitäten nach wie vor die Druckmessung nicht mit beeinflussen und zum anderen der temperaturabhängige Spannungsabfall über der Membrane die gleichmäßige Dreieckspannung derart überlagert, dass dieser auf einfache Weise ausgewertet werden kann.The fact that at the in 3rd shown evaluation circuit, the center and ring electrodes M , R for the measuring and reference capacitor C M , C R are virtually on ground and the common electrode COM of the measuring and reference capacitor C M , C R is energized with a triangular signal, the temperature evaluation and thus the dual use according to the invention of the common electrode COM is readily possible, since on the one hand parasitic capacitances still do not influence the pressure measurement and on the other hand the temperature-dependent voltage drop across the membrane superimposes the uniform triangular voltage in this way that it can be evaluated easily.

Am Ausgang der Auswerte-/Verstärkereinheit AWE liegt ein Spannungssignal UTemp an, das der von der gemeinsamen Elektrode COM erfassten Temperatur entspricht und linear dem Temperaturverlauf folgt.At the output of the evaluation / amplifier unit AWE there is a voltage signal U temp that corresponds to the temperature detected by the common electrode COM and linearly follows the temperature profile.

BezugszeichenlisteReference list

11
DruckmessgerätPressure gauge
1010th
DruckmesszellePressure measuring cell
1212th
GrundkörperBasic body
1414
Membranmembrane
1616
GlaslotringGlass solder ring
1818th
EntlüftungskanalVentilation duct
1919th
Hohlraumcavity
2020
AuswerteelektronikEvaluation electronics
3030th
AuswerteschaltungEvaluation circuit
CM C M
MesskondensatorMeasuring capacitor
CR C R
ReferenzkondensatorReference capacitor
MM
MittelelektrodeCenter electrode
RR
RingelektrodeRing electrode
COMCOM
MembranelektrodeMembrane electrode
IZIZ
IntegrierzweigIntegrating branch
DZDZ
DifferenzierzweigDifferentiation branch
SGSG
Schwellwert-KomparatorThreshold comparator
RGRG
RechteckgeneratorRectangle generator
AWEAWE
Auswerte-/VerstärkereinheitEvaluation / amplifier unit
KSRKSR
KonstantstromreglerConstant current regulator
L1L1
erste Leitungfirst line
L2L2
zweite Leitungsecond line
L3L3
dritte Leitungthird line
L4L4
vierte Leitungfourth line

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • DE 4011901 A1 [0004]DE 4011901 A1 [0004]
  • DE 19851506 C1 [0005]DE 19851506 C1 [0005]
  • EP 1174696 B1 [0006]EP 1174696 B1 [0006]
  • WO 2014/154695 A1 [0007]WO 2014/154695 A1 [0007]

Claims (5)

Kapazitiver Drucksensor mit einer Druckmesszelle (10) zur Erfassung des Drucks eines Mediums in einem Behältnis und einer Auswerteschaltung (30) zur Aufbereitung und Verarbeitung der von der Druckmesszelle (10) übertragenen Messsignale, wobei die Druckmesszelle (10) einen druckempfindlichen Messkondensator (CM) und einen Referenzkondensator (CR) aufweist und die Druckmesszelle (10) über drei Leitungen (L1, L2, L3) mit der Auswerteschaltung (30) verbunden ist, wobei eine erste Leitung (L1) zu einer gemeinsamen Elektrode (COM) von Messkondensator (CM) und Referenzkondensator (CR) führt, eine zweite Leitung (L2) zu dem Messkondensator (CM) und eine dritte Leitung (L3) zu dem Referenzkondensator (CR) führt, wobei die Auswerteschaltung (30) einen ersten Operationsverstärker (OP1) aufweist, dessen niederohmiger Ausgang über die erste Leitung (L1) mit der gemeinsamen Elektrode (COM) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsame Elektrode (COM) zusätzlich zur Temperaturmessung des an der Druckmesszelle (10) anliegenden Mediums verwendet wird und dabei die Temperaturmessung ausschließlich über die gemeinsame Elektrode (COM) erfolgt, indem die gemeinsame Elektrode (COM) neben der dritten Leitung (L3) auch mit einer vierten Leitung (L4) verbunden ist, mittels der dritten und vierten Leitung (L3, L4) die über der gemeinsamen Elektrode (COM) abfallende Spannung abgegriffen und diese einer Auswerteeinheit (AWE) zugeführt wird, und dass am Ausgang der Auswerteeinheit (AWE) ein Spannungssignal UTemp anliegt, das der von der gemeinsamen Elektrode (COM) erfassten Temperatur entspricht, wobei die gemeinsame Elektrode (COM) als mäanderförmig verlegte Widerstandsbahn ausgeführt ist und der Drucksensor (1) einen Konstantstromregler (KSR) umfasst, durch den die gemeinsame Elektrode (COM) über eine vierte Leitung (L4) mit einem konstanten Strom Ikonst beaufschlagt wird, so dass der Verlauf der abgegriffenen Spannung nur noch von der Mediumstemperatur abhängt.Capacitive pressure sensor with a pressure measuring cell (10) for detecting the pressure of a medium in a container and an evaluation circuit (30) for processing and processing the measurement signals transmitted by the pressure measuring cell (10), the pressure measuring cell (10) being a pressure-sensitive measuring capacitor (C M ) and has a reference capacitor (C R ) and the pressure measuring cell (10) is connected to the evaluation circuit (30) via three lines (L1, L2, L3), a first line (L1) leading to a common electrode (COM) of the measuring capacitor ( C M ) and reference capacitor (C R ) leads, a second line (L2) to the measuring capacitor (C M ) and a third line (L3) leads to the reference capacitor (C R ), the evaluation circuit (30) having a first operational amplifier ( OP1), the low-resistance output of which is connected via the first line (L1) to the common electrode (COM), characterized in that the common electrode (COM) is in addition to the temperature Primary measurement of the medium applied to the pressure measuring cell (10) is used and the temperature is measured exclusively via the common electrode (COM) by connecting the common electrode (COM) to a fourth line (L4) in addition to the third line (L3) , by means of the third and fourth lines (L3, L4) the voltage drop across the common electrode (COM) is tapped and this is fed to an evaluation unit (AWE), and that a voltage signal U Temp is present at the output of the evaluation unit (AWE), which the corresponds to the temperature detected by the common electrode (COM), the common electrode (COM) being designed as a meandering resistance path and the pressure sensor (1) comprising a constant current regulator (KSR) through which the common electrode (COM) is connected via a fourth line ( L4) is supplied with a constant current I const , so that the course of the tapped voltage only depends on the medium temperature. Kapazitiver Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsame Elektrode (COM) niederohmig im Bereich von 100 Ohm ausgeführt ist.Capacitive pressure sensor after Claim 1 , characterized in that the common electrode (COM) is low-resistance in the range of 100 ohms. Kapazitiver Drucksensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der ohmsche Widerstandswert der gemeinsamen Elektrode (COM) im Bereich von 100 Ohm liegt.Capacitive pressure sensor after Claim 2 , characterized in that the ohmic resistance value of the common electrode (COM) is in the range of 100 ohms. Kapazitiver Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass gemeinsamen Elektrode (COM) aus Gold besteht.Capacitive pressure sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the common electrode (COM) consists of gold. Kapazitiver Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Konstantstromreglers (KSR) die gemeinsame Elektrode (COM) mit 100 µA beaufschlagt.Capacitive pressure sensor according to one of the preceding claims, characterized in that by means of the constant current regulator (KSR) the common electrode (COM) is supplied with 100 µA.
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