DE10314578A1

DE10314578A1 - Hochfrequenzresonator

Info

Publication number: DE10314578A1
Application number: DE2003114578
Authority: DE
Inventors: Jochen Kruska
Original assignee: Bosch Rexroth AG
Current assignee: Bosch Rexroth AG
Priority date: 2003-03-31
Filing date: 2003-03-31
Publication date: 2004-10-14
Also published as: WO2004088266A1

Abstract

Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird ein Hochfrequenzresonator mit zwei Hohlraumresonatoren vorgesehen, wobei die Eigenfrequenz des einen Hohlraumresonators durch eine Änderung des an diesen angelegten Drucks änderbar ist und der zweite Hohlraumresonator mit dem ersten Hohlraumresonator thermisch gekoppelt ist. Die aus den zweiten Hohlraumresonatoren erhaltenen Hochfrequenzsignale werden in einer Auswerteeinrichtung in einer solchen Weise gemischt, dass ein die Druckänderung am ersten Hohlraumresonator anzeigendes Signal erhalten wird. Durch eine derartige Gestaltung lässt sich ein Druck mit hoher Empfindlichkeit messen, wobei der Einfluss der Temperatur auf das Messergebnis aufgrund der Einbeziehung der Eigenfrequenz des zweiten Hohlraumresonators verringert ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Hochfrequenzresonatoren, vorzugsweise Drucksensoren, die einen Hochfrequenzresonator aufweisen.
Drucksensoren nach dem Stand der Technik weisen beispielsweise Dehnungsmessstreifen oder einen Kondensator auf. Die Eigenschaften der in diesen Fällen verwendeten Membran bestimmen die Überlastfähigkeit, die Toleranzen und die thermischen Abhängigkeiten des Drucksensors in starkem Maße. Bei einer dünnen Membran wird ein großes elektrisches Ausgangssignal erhalten, wird aber andrerseits die Überlastfähigkeit der Membran verringert.
Aus dem US-Patent 2.494.570 ist ein in 1 gezeigter Drucksensor mit einem Hohlraum 1 bekannt, dessen Eigenfrequenz durch seine Länge mitbestimmt wird. Ein Endabschnitt des Hohlraums 1 ist durch eine Membran 2 verschlossen. In Abhängigkeit von der durch den Druck bewirkten Membranauslenkung ändert sich die Länge des Hohlraums 1 und damit die Eigenfrequenz von diesem. Ein von einem Oszillator erzeugtes Hochfrequenzsignal wird über ein erstes Kopplungselement 3 in den Hohlraum 1 eingeleitet. Über ein zweites Kopplungselement 4 wird das Hochfrequenzsignal aus dem Hohlraum 1 entkoppelt und einem Detektor zur weiteren Verarbeitung zugeführt.
Von Nachteil bei diesem genannten Stand der Technik ist, dass sich bei einer Änderung der Temperatur des Hohlraums 1 die Eigenfrequenz und somit das Messergebnis ändert.
Aus den Druckschriften US 4.604.898 und US 3.927.369 sind Drucksensoren auf der Basis von Hochfrequenzresonatoren bekannt, bei denen die Temperaturdrift ebenfalls nicht in ausreichendem Maße Beachtung findet.
Eine Lösung des Problems der Temperaturdrift von Oszillatoren bei induktiven Drucksensoren ist in der Patentschrift EP 0 060 256 offenbart. Hierbei werden die als Dünnschichtelemente ausgeführten Oszillatoren baugleich vorgesehen und räumlich dicht beinander angeordnet. Die frequenzbestimmenden Spulen der Oszillatoren sind an jeweils einer Druckmessdose vorgesehen, die jeweils über eine Leitungen mit der jeweiligen Druckquelle in Verbindung steht. Eine hohe Genauigkeit der Druckerfassung verbunden mit einer guten Überlastfähigkeit lassen sich mit den Drucksensoren aus der Patentschrift EP 0 060 256 nicht realisieren.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, die Nachteile vom Stand der Technik zu beseitigen und einen Hochfrequenzresonator vorzusehen, über den der Druck messbar ist, der auch bei Membranen mit höherer Dicke eine hohe Empfindlichkeit hat und bei dem möglichst große Nutzsignale möglichst geringe Toleranzen aufweisen.
Diese Aufgabe wird durch einen Hochfrequenzresonator nach Anspruch 1 gelöst.
Erfindungsgemäß wird ein Hochfrequenzresonator mit zwei Hohlraumresonatoren vorgesehen, wobei die Eigenfrequenz des einen Hohlraumresonators durch eine Änderung des an diesen angelegten Drucks änderbar ist und der zwei Hohlraumresonator mit dem ersten Hohlraumresonator thermisch gekoppelt ist. Die aus den zweite Hohlraumresonatoren erhaltenen Hochfrequenzsignale werden in einer Auswerteeinrichtung in einer solchen Weise gemischt, dass ein die Druckänderung am ersten Hohlraumresonator anzeigendes Signal erhalten wird. Durch eine derartige Gestaltung lässt sich ein Druck mit hoher Empfindlichkeit messen, wobei der Einfluss der Temperatur auf das Messergebnis aufgrund der Einbeziehung der Eigenfrequenz des zweiten Hohlraumresonators im wesentlichen ausgeschaltet wird.
Eine Änderung des Drucks am ersten Hohlraumresonator bewirkt vorzugsweise eine Änderung der Länge des Hohlraums von diesem. Auf diese Weise hat der erste Hohlraumresonator eine hohe Empfindlichkeit. Die Längenänderung wird dabei über eine Membran bewirkt, wodurch auch bei dicken Membranen eine erfassbare Druckänderung im ersten Hohlraumresonator in Bezug auf die Eigenfrequenz des ersten Hohlraumresonators verzeichnet werden kann.
Entsprechend einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung lässt sich die Eigenfrequenz des zweiten Hohlraumresonators über einen an diesen angelegten Druck ändern. Damit lässt sich eine Differenzdruckmessung mit hoher Empfindlichkeit umsetzen.
Das die Druckänderung anzeigende Signal ist vorzugsweise ein niederfrequentes Signal, so dass im Gegensatz zu hochfrequenten Signalen, bei denen eine Störung des Flugfunkes, der Polizei und der Rettungsdienste verhindert werden muss, eine geringere Abhängigkeit von behördlichen Vorschriften besteht.
In der Auswerteeinrichtung wird vorzugsweise eine Differenz der Eigenfrequenzem vom ersten und zweiten Hohlraumresonator erhalten, was einen direkten Schluss auf die Druckänderung am ersten Hohlraumresonator ermöglicht.
Die Hohlraumresonatoren sind vorzugsweise so gestaltet, dass jeder eine Übertragungsleitung zu einem Oszillator und eine Übertragungsleitung zu einem Detektor aufweist. Bei einer derartigen Gestaltung lässt sich über Änderungen der durch den Detektor aufgenommenen Energie auf die Eigenfrequenz des Hohlraumresonators schließen.
In einer alternativen Ausgestaltung weist jeder der Hohlraumresonatoren ein T-förmiges Kopplungselement auf, dass mit einem Oszillator und einem Detektor verbunden ist. Auf diese Weise dient der Hohlraum als Abstimmkreis des Oszillators. Durch eine solche Beschränkung der Anzahl der Ausnehmungen im Hohlraumresonator tritt eine geringere Beeinflussung der Eigenfrequenz durch geometrische Besonderheiten des Hohlraumresonators auf, wodurch ein genaueres Messergebnis erzielt werden kann.
Erfindungsgemäße Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen
1 einen Hohlraumresonator nach dem Stand der Technik zeigt,
2 einen erfindungsgemäßen Hohlraumresonator entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel zeigt, und
3 einen erfindungsgemäßen Hohlraumresonator entsprechend dem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt.
In 2 ist ein Hochfrequenzresonator entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt, bei dem in einem Gehäuse 30 ein erster Hohlraumresonator 10 und ein zweiter Hohlraumresonator 20 vorgesehen sind. Der erste Hohlraumresonator 10 und der zweite Hohlraumresonator 20 sind thermisch miteinander gekoppelt. Beispielsweise ist das gemeinsame Gehäuse 30 aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit, wie z.B. Metall, hergestellt.
Die Hohlraumresonatoren 10 und 20 sind vorzugsweise zylinderförmig ausgebildet und haben entlang der Mittelachse eine Längsausdehnung l₁ bzw. l₂, durch die neben den sonstigen Innenabmessungen der Hohlraumresonatoren die jeweilige Eigenfrequenz bestimmt wird.
Der Hohlraumresonator 10 ist an einer Stirnseite mit einer Membran 12 versehen, die sich vorzugsweise über die gesamte Querausdehnung des Hohlraumresonators 10 erstreckt. Auf die Membran 12 ist über einen Anschluss 31 ein zu messender Druck p₁ von außerhalb des Gehäuses 3C aufbringbar. Bei einer Auslenkung der Membran 12 entlang der Mittelachse des Hohlraumresonators 10 ändert sich die Länge und somit auch das Volumen des ersten Hohlraumresonators 10, was sich in einer Änderung seiner Eigenfrequenz niederschlägt.
Der vorzugsweise zylindrische, zweite Hohlraumresonator 20 ist vorzugsweise parallel zum ersten Hohlraumresonator 10 angeordnet, weist jedoch im Unterschied zum ersten Hohlraumresonator 10 keine Membran auf. Die Eigenfrequenz des zweiten Hohlraumresonators 20 wird auch durch die Länge l₂ entlang seiner Mittelachse bestimmt. Da sich diese Länge außer durch thermische Ausdehnung nicht verändert, bildet die Eigenfrequenz des zweiten Hohlraumresonators 20 einen Referenzwert. Die Durchmesser des ersten und zweiten Hohlraumresonators sind vorzugsweise gleich.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass sich bei einer Änderung der Eigenfrequenz eines Schwingkreises mit einem Kondensator und einer Spule die Impedanz des Schwingkreises bei einer vorgegebenen Frequenz ändert. Dieses Phänomen tritt in ähnlicher Form auch bei Hochfrequenzresonatoren von dem vorstehend beschriebenen Typ auf.
Zur Messung der Eigenfrequenz eines Drucksensor-Hohlraums stehen zwei Verfahren zur Verfügung.

A) Entsprechend dem ersten Verfahren dient der Hohlraum als Abstimmkreis eines Oszillators. Der Oszillator gibt ein Frequenzsignal ab, das von der Eigenfrequenz des Hohlraumresonators und somit vom zu messenden Druck abhängt.
B) Dem Hohlraumresonator wird eine Erregungsfrequenz eines Ozillators zugeführt und es wird die vom Hohlraum aufgenommene bzw. weitergeleitete Energie gemessen.

Beim in 2 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel ist eine Struktur unter Verwendung des vorstehenden Verfahrens A) gezeigt, wobei ein erster Hochfrequenzoszillator 11 in einer solchen Weise mit dem ersten Hohlraumresonator 10 in Verbindung steht, dass durch den ersten Hohlraum eine Frequenzabstimmung des ersten Oszillators 11 vorgenommen wird. Ein zweiter Hochfrequenzoszillator 21 steht in einer solchen Weise mit dem zweiten Hohlraumresonator 20 in Verbindung, dass durch den zweiten Hohlraum eine Frequenzabstimmung des zweiten Oszillators 21 vorgenommen wird. Die Ausgangssignale der Oszillatoren 11 und 21 werden einer Auswerteeinrichtung 40, beispielsweise einem Mischer, zugeführt. In der Auswerteeinrichtung 40 wird beispielsweise ein die Differenz der Eigenfrequenzen des ersten und zweiten Hohlraumresonators anzeigendes Signal erzeugt, das anschließend einer Frequenz-Spannungsumwandlung unterzogen wird. Alternativ dazu können in der Auswerteeinrichtung die Eigenfrequenzen des ersten und zweiten Hohlraumresonators anzeigenden Signale direkt mit Rechnertechnik nach dem Stand der Technik in gewünschter Weise verarbeitet und ausgewertet werden.
Vorzugsweise erfolgt die Auswertung derart, dass am Ausgang der Auswerteeinrichtung 40 ein niederfrequentes Signal anliegt, das im Gegensatz zu hochfrequenten Signalen störungssicherer übertragbar ist.
Somit sind beim ersten Ausführungsbeispiel die Hohlraumresonatoren 10 und 20 gleichen thermischen Bedingungen ausgesetzt. Der auf die Membran 12 aufgebrachte Druck p₁ bewirkt eine Auslenkung der Membran 12, die sich in einer Änderung der Länge l₁ des ersten Hohlraumresonators 10 und einer Änderung der Eigenfrequenz von diesem niederschlägt. Die Eigenfrequenz des ersten Hohlraumresonators bestimmt die Frequenz des Oszillators 11 und wird im Ausgangssignal des ersten Oszillators 11 widergespiegelt, das zusammen mit einem Signal, das die Eigenfrequenz des zweiten Hohlraumresonators 20, der den gleichen thermischen Bedingungen wie der erste Hohlraumresonator 20 ausgesetzt ist, an dem jedoch nicht der Druck p₁ anliegt, in der Auswerteeinrichtung 40 ausgewertet wird. Am Ausgang der Auswerteeinrichtung 40 werden Informationen über die Höhe des Drucks p₁ an der Membran 12 erhalten. Diese Informationen sind aufgrund des Referenz-Hohlraumresonators von thermischen Einflussgrößen bereinigt, so dass trotz der Gestaltung der Membran 12 mit großen Dicken ein großes Nutzsignal mit geringen Toleranzen erhalten werden kann.
Entsprechend einer ersten Weiterbildung des ersten Ausführungsbeispiels, bei der das vorstehend genannte Verfahren B) zum Einsatz gelangt, sind statt der Oszillatoren 11 und 21 Detektoren vorgesehen. Der erste Detektor ist dem ersten Hohlraumresonator 10 zugeordnet und der zweite Detektor ist dem zweiten Hohlraumresonator 20 zugeordnet. Am vorzugsweise in Querrichtung zum ersten Detektor gegenüberliegenden Abschnitts des ersten Hohlraumresonators 10 ist ein erstes Kopplungselement vorgesehen, das an einen ersten Oszillator gekoppelt ist. In gleicher Weise ist ein zweites Kopplungselement, das an einen zweiten Oszillator gekoppelt ist, in Querrichtung zum zweiten Detektor gegenüberliegenden Abschnitts des zweiten Hohlraumresonators 20 vorgesehen. Der erste und der zweite Oszillator sind mit einer Auswerteeinrichtung verbunden. Der sonstige Aufbau der ersten Abwandlung des ersten Ausführungsbeispiels ähnelt vom Prinzip her dem des ersten Ausführungsbeispiels.
Dem ersten Hohlraumresonator 10 wird eine Erregungsfrequenz des ersten Ozillators zugeführt und es wird durch den ersten Detektor die vom ersten Hohlraum aufgenommene bzw. weitergeleitete Energie gemessen. Diese Energie hängt von der Eigenfrequenz des ersten Hohlraums, die durch den an der Membran 12 anliegenden Druck bestimmt wird, ab. In gleicher Weise wird dem zweiten Hohlraumresonator 20 eine Erregungsfrequenz des zweiten Ozillators zugeführt und durch den zweiten Detektor die vom zweiten Hohlraum aufgenommene bzw. weitergeleitete Energie gemessen. Durch eine geeignete Auswertung über die Auswerteeinrichtung, in der die Ausgangssignale des ersten und zweiten Detektors ausgewertet werden, lässt sich durch die erste Abwandlung des ersten Ausführungsbeispiels eine genaue Druckmessung selbst bei größeren Membrandicken bereinigt von Ungenauigkeiten, die sich durch Änderung der thermischen Bedingungen ergeben, vornehmen.
Das zweite Ausführungsbeispiel entsprechend der vorliegenden Erfindung unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel darin, dass auch der zweite Hohlraumresonator 120 mit einer Membran 122 versehen ist, an die über einen Anschluss 132 ein Druck p₂ anlegbar ist. Die sonstigen Einrichtungen des zweiten Ausführungsbeispiels entsprechend denen des ersten Ausführungsbeispiels, wobei den Bezugszeichen des zweiten Ausführungsbeispiels eine "1" vorangestellt ist. Der zweite Hohlraumresonator 120 hat die gleiche Funktionsweise wie der erste Hohlraumresonator 110, wobei eine Auslenkung der Membran 122 entlang der Mittelachse des zweiten Hohlraumresonators eine Änderung der Länge l₂ bewirkt, was sich in einer Änderung der Eigenfrequenz des zweiten Hohlraumresonators 120 widerspiegelt. Eine Auswertung der Signale aus dem ersten und zweiten Hohlraumresonator 110, 120 erfolgt wie beim ersten Ausführungsbeispiel in einer Auswerteeinrichtung 140.
Somit erfolgt mit dem Hochfrequenzresonator entsprechend dem zweiten Ausführungsbeispiel eine Bestimmung der Differenz der Drücke p₁ und p₂. Dabei ist der Druck p₂ vorzugsweise ein bekannter Referenzdruck.
Entsprechend einer ersten Weiterbildung des zweiten Ausführungsbeispiels erfolgt die Bestimmung der Eigenfrequenz nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren B), wodurch beide Hohlraumresonatoren 110, 120 sowohl Detektoren als auch Oszillatoren aufweisen.
Bei der vorliegenden Erfindung kann der Hochfrequenzteil des Hochfrequenzresonators in einem hochfrequenzdichten Gehäuse untergebracht sein, wobei beispielsweise nur ein niederfrequentes Messsignal aus dem Gehäuse des Hochfrequenzresonators zu leiten ist. Das der Auswerteeinrichtung nachgeordnete System bestimmt, ob ein niederfrequentes Messsignal durch die Auswerteeinrichtung erzeugt wird, oder ob beispielsweise ein f/U-gewandeltes Signal zugeleitet wird. Aufgrund der Entwicklung der Rechnertechnik lassen sich Frequenzsignale ohne großen Aufwand verarbeiten, wodurch auf die f/U- und die anschließende A/D-Wandlung verzichtet werden kann. Dieses Frequenzsignal kann auch störungssicherer übertragen werden.
Bei Oszillatorfrequenzen von beispielsweise 24 GHz ergeben sich praktikable Abmessungen für den Hochfrequenzresonator. Vorteilhaft ist eine Eigenfrequenz im Bereich von 1 bis 100 GHz, vorzugsweise im Bereich von 20 und 30 GHz.
Die vorliegende Erfindung ist dort einsetzbar, wo eine hohe Überlastfähigkeit der Membran gefordert wird, beispielsweise bei der Druckmessung bei Hydraulikanwendungen.
Die Membranen bei der vorliegenden Erfindung sind aus beliebigen Werkstoffen herstellbar, beispielsweise Metall, Glas oder Keramik. Ist der Werkstoff elektrisch nicht leitend, so muss er mit einer elektrisch gut leitenden Schicht beschichtet sein.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird somit ein Hochfrequenzresonator mit zwei Hohlraumresonatoren vorgesehen, wobei die Eigenfrequenz des einen Hohlraumresonators durch eine Änderung des an diesen angelegten Drucks änderbar ist und der zweite Hohlraumresonator mit dem ersten Hohlraumresonator thermisch gekoppelt ist. Die aus den zweite Hohlraumresonatoren erhaltenen Hochfrequenzsignale werden in einer Auswerteeinrichtung in einer solchen Weise gemischt, dass ein die Druckänderung am ersten Hohlraumresonator anzeigendes Signal erhalten wird. Durch eine derartige Gestaltung lässt sich ein Druck mit hoher Empfindlichkeit messen, wobei der Einfluss der Temperatur auf das Messergebnis aufgrund der Einbeziehung der Eigenfrequenz des zweiten Hohlraumresonators verringert ist.

1: Hohlraum
2: Membran
3: erstes Kopplungselement
4: zweites Kopplungselement
10, 110: erster Hochfrequenzresonator
11, 111: erster Oszillator
12, 112: Membran
122: Membran
20, 120: zweiter Hochfrequenzresonator
21, 121: zweiter Oszillator
30, 130: gemeinsames Gehäuse
31, 131: Anschluss
132: Anschluss
40, 140: Auswerteeinrichtung

Claims

Hochfrequenzresonator mit einem ersten Hohlraumresonator (10; 110), dessen Eigenfrequenz durch eine Änderung eines an diesen anlegbaren Drucks änderbar ist, und mit einem zweiten Hohlraumresonator (20; 120), der mit dem ersten Hohlraumresonator (10; 140) thermisch gekoppelt ist, und einer Auswerteeinrichtung (40; 140), in der ein erstes aus dem ersten Hohlraumresonator (10; 110) erhaltenes Hochfrequenzsignal mit einem zweiten aus dem zweiten Hohlraumresonator (20; 120) erhaltenen Hochfrequenzsignal in einer solchen Weise mischbar ist, dass ein die Druckänderung am ersten Hohlraumresonator (10; 110) anzeigendes Signal erhalten wird.
Hochfrequenzresonator nach Anspruch 1, wobei der erste Hohlraumresonator (10; 110) in einer solchen Weise gestaltet ist, dass die Änderung des Drucks am ersten Hohlraumresonator eine Änderung der Länge (l₁) des Hohlraums vom ersten Hohlraumresonator bewirkt.
Hochfrequenzresonator nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Druck über eine Membran (12; 112) eine Änderung des Eigenfrequenz des ersten Hohlraumresonators (10) bewirkt.
Hochfrequenzresonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Druck am ersten Hohlraumresonator (110) ein erster Druck ist und ein zweiter Druck in der Auswerteeinrichtung (140) in einer solchen Weise auf den zweiten Hohlraumresonator (120) aufbringbar ist, dass die Eigenfrequenz des zweiten Hohlraumresonators (120) von der Höhe des zweiten Drucks abhängt.
Hochfrequenzresonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das die Druckänderung am ersten Hohlraumresonator (10, 110) anzeigende Signal ein niederfrequentes Signal ist.
Hochfrequenzresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das die Druckänderung am ersten Hohlraumresonator (10, 110) anzeigende Signal ein Spannungssignal ist.
Hochfrequenzresonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste und das zweite Hochfrequenzsignal in der Auswerteeinrichtung (40, 140) in einer solchen Weise gemischt werden, dass eine Differenz der Eigenfrequenzen des ersten und zweiten Hohlraumresonators (10, 20; 110, 120) erhalten wird.
Hochfrequenzresonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste und der zweiten Hochfrequenzresonator jeweils mit zwei Übertragungsleitungen in Verbindung steht, von denen eine erste mit einem Hochfrequenzoszillator verbunden ist und eine zweite mit einem Hochfrequenzdetektor verbunden ist.
Hochfrequenzresonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste und der zweite Hochfrequenzresonator (10, 20; 110, 120) jeweils mit einem T-förmigen Kopplungselement in Verbindung steht, dessen einer Schenkel mit einem Hochfrequenzoszillator verbunden ist und dessen anderer Schenkel mit einem Hochfrequenzdetektor verbunden ist.
Hochfrequenzresonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste und der zweite Hochfrequenzresonator (10, 20; 110, 120) in einem gemeinsamen Gehäuse (40; 140) vorgesehen sind.