DE3321580A1 - Device for measuring temperature in order to compensate temperature-dependent errors in a capacitive differential-pressure sensor - Google Patents
Device for measuring temperature in order to compensate temperature-dependent errors in a capacitive differential-pressure sensorInfo
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Abstract
Description
PHILIPS PATENTVEWALTUNG GMBH ^ PHD 83-064PHILIPS PATENTVEWALTUNG GMBH ^ PHD 83-064
Einrichtung zur Erfassung der Temperatur für die Kompensation temperaturabhängiger Fehler in einem kapazitiven DifferenzdrucksensorDevice for recording the temperature for the compensation of temperature-dependent errors in one capacitive differential pressure sensor
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Erfassung der Temperatur für die Kompensation temperaturabhängiger Fehler in einem kapazitiven Differenzdrucksensor, der aus zwei einen mit einer Flüssigkeit gefüllten Hohlraum abschließenden, elektrisch leitfähigen, elastischen Membranen besteht, auf die der zu erfassende Differenzdruck im Sinne von Kapazitätsänderungen einwirkt.The invention relates to a device for detecting the temperature for the compensation of temperature-dependent Fault in a capacitive differential pressure sensor, which consists of two liquid-filled cavities, there is electrically conductive, elastic membrane on which the differential pressure to be detected is in the sense of changes in capacity.
Es ist bekannt, Einrichtungen zur Erfassung der Temperatur, beispielsweise zur Kompensation temperaturabhängiger Fehler in einem aus der Patentanmeldung P 32 38 430.0 bekannten kapazitiven Differenzdrucksensor als Temperaturmeßelemente, wie z. B. als Widerstandsthermometer, als Heißleiter oder als Kaltleiter auszubilden. Ein Temperaturmeßelement kann die Flüssigkeitstemperatur jedoch nur punktweise erfassen, so daß die mittlere Temperatur einer Flüssigkeit bei der Kompensation temperaturbedingter Meßfehler einesDifferenzdrucksensors unberücksichtigt bleibt und der Differenzdrucksensor einen fehlerhaften Meßwert liefert.It is known devices for detecting the temperature, for example to compensate for temperature-dependent errors in a capacitive differential pressure sensor known from patent application P 32 38 430.0 as temperature measuring elements, such as B. as a resistance thermometer, as an NTC thermistor or as a PTC thermistor. A temperature measuring element can only detect the liquid temperature point by point, so that the mean temperature is a Liquid is not taken into account when compensating for temperature-related measurement errors of a differential pressure sensor and the differential pressure sensor delivers an erroneous measured value.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Temperatur der Flüssigkeit in einem Differenzdrucksensor unter Auswertung der temperaturabhängigen Kapazitätsänderungen eines 2b Meßkondensators ohne Verwendung zusätzlicher Temperaturmeßelemente zu erfassen.The object of the present invention is to evaluate the temperature of the liquid in a differential pressure sensor the temperature-dependent changes in capacitance of a 2b measuring capacitor without the use of additional temperature measuring elements capture.
- g - £ PHD 83-064-g- £ PHD83-064
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Temperatur des Differenzdrucksensors aus der Summe der reziproken Kapazitätswerte der von den Membranen gebildeten Meßkondensatoren ermittelt wird. Werden zur Ermittlung der Flüssigkeitstemperatur die Kapazitätswerte der Meßkondensatoren ausgewertet, wird die mittlere Temperatur der gesamten Flüssigkeit in einem Differenzdrucksensor erfaßt, wodurch eine fehlerfreie Kompensation der temperaturabhängigen Meßfehler möglich ist. Zusätzlich notwendige Temperaturmeßelemente werden eingespart.This object is achieved in that the Temperature of the differential pressure sensor from the sum of the reciprocal Capacitance values of the measuring capacitors formed by the membranes is determined. Will be used to identify the Liquid temperature, the capacitance values of the measuring capacitors are evaluated, the mean temperature of the entire Liquid detected in a differential pressure sensor, whereby an error-free compensation of the temperature-dependent Measurement error is possible. Additionally required temperature measuring elements are saved.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich dadurch, daß der Differenzdrucksensor den Differenzdruck aus der Differenz der reziproken Kapazitätswerte der Meßkondensatoren ermittelt und diesen Meßwert unter Berücksichtigung der aus der Temperaturänderung sich ergebenden Änderung der Ausdehnung und der Dielektrizitätskonstanten der Flüssigkeit korrigiert. Eine elektronische Schaltung zur Ermittlung eines fehlerfreien Differenzdruckmeßwertes, die neben arithmetischen Grundoperationen lediglich die Summe und die Differenz reziproker Kapazitätswerte berechnet, ist unter Verwendung einfacher Schaltungskomponenten realisierbar.An advantageous embodiment of the invention results from the fact that the differential pressure sensor measures the differential pressure determined from the difference between the reciprocal capacitance values of the measuring capacitors and taking this measured value into account the change in expansion and dielectric constant resulting from the change in temperature of the liquid corrected. An electronic circuit for determining an error-free differential pressure measurement value, which, in addition to basic arithmetic operations, only includes the sum and the difference of reciprocal capacity values calculated, can be implemented using simple circuit components.
Anhand der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben und dessen Wirkungsweise erläutert.An exemplary embodiment of the invention is illustrated with the aid of the drawing described and its mode of operation explained.
Die Figur zeigt einen Differenzdrucksensor mit einer Einrichtung zur Erfassung der Flüssigkeitstemperatur und einer Schaltung zur Ermittlung des Differenzdruckes.The figure shows a differential pressure sensor with a device for recording the liquid temperature and a circuit for determining the differential pressure.
Der in der Figur dargestellte Differenzdrucksensor 1 weistThe differential pressure sensor 1 shown in the figure has
- 2 -η PHD 83-064- 2 -η PHD 83-064
zwei mit Schichtelektroden 4 und 5 belegte Membranen 2 und 3 auf, die mit auf einem Grundkörper 6 angeordneten Schichtelektroden 7 und 8 Meßkondensatoren bilden. Der Meßkondensator mit den Schichtelektroden 5 und 8 hat die Kapazität C1 , und der Meßkondensator mit den Schichtelektroden 4 und 7 hat die Kapazität C2.two membranes 2 and 3 coated with layer electrodes 4 and 5, which are also arranged on a base body 6 Layer electrodes 7 and 8 form measuring capacitors. The measuring capacitor with the layer electrodes 5 and 8 has the Capacitance C1, and the measuring capacitor with the layer electrodes 4 and 7 has the capacitance C2.
Die Membranen 2 und 3 schließen einen mit einer inkompressiven Flüssigkeit, wie z. B. Siliconöl, gefüllten Hohlraum 9 flüssigkeitsdicht ab. Auf die Membranen 2 und 3 wirken Drücke in Richtung der Pfeile 10 und 11.The membranes 2 and 3 close one with an incompressible liquid, such as. B. silicone oil, filled Cavity 9 from liquid-tight. On membranes 2 and 3 pressures act in the direction of arrows 10 and 11.
Die Meßschaltungen 12 und 13 sind mit den Elektroden 4, 5, 7 und 8 elektrisch verbunden und ermitteln die reziproken Kapazitätswerte 1/C1 bzw. 1/C2 der Meßkondensatoren. In einer Summierschaltung 14 wird die Summe der reziproken Kapazitätswerte gebildet, die in einer Subtrahierschaltung 15 um eine Konstante e reduziert und zur Berechnung der Temperatur Δ Τ anhand der BeziehungThe measuring circuits 12 and 13 are connected to the electrodes 4, 5, 7 and 8 are electrically connected and determine the reciprocal capacitance values 1 / C1 and 1 / C2 of the measuring capacitors. In a summing circuit 14, the sum of the reciprocal capacitance values is formed in a subtracting circuit 15 reduced by a constant e and used to calculate the Temperature Δ Τ based on the relationship
in einem Dividierglied 16 durch eine Konstante f dividiert wird..AT ist die Differenz zwischen der augenblicklichen Betriebstemperatur der Flüssigkeit und einer konstanten Referenztemperatur. Die Konstante e läßt sich anhand der Beziehungdivided in a divider 16 by a constant f will..AT is the difference between the instantaneous Operating temperature of the liquid and a constant reference temperature. The constant e can be determined using the relationship
ο =·^ ♦ ^2- bei AT = 0,ο = ^ ♦ ^ 2 - at AT = 0,
PHD 83-064PHD 83-064
und die Konstante f anhand der Beziehungand the constant f based on the relationship
Cl + C2Cl + C2
bei maximalem Δ Τ ermitteln.determine at maximum Δ Τ.
Zur Ermittlung des temperaturunabhängigen Differenzdruckes wird zunächst in einer Differenzschaltung 17 die Differenz der in den Meßschaltungen 12 und 13 gebildeten reziproken Kapazitätswerte ermittelt. Diese Differenz wird in einer Reduzierschaltung 18 um den Wert einer Konstanten a und in einem Ausgangssubtrahierer 19 um den Wert b χ Λ T verringert, der in einem vom Dividierglied 16 angesteuerten Multiplizierer 20 errechnet wird. In einem Ausgangsmultiplizierer 21 wird der vom Dividierglied 16 ermittelte Temperaturwert mit einer Konstanten d multipliziert und anschließend in einem Ausgangssummierer 22 um den Wert c vergrößert. Der Ausgangsdividierer 23 erzeugt das Differenzdrucksignal· Δ Ρ anhand der BeziehungTo determine the temperature-independent differential pressure the difference of the reciprocal formed in the measuring circuits 12 and 13 is first in a differential circuit 17 Capacity values determined. This difference is in a reducing circuit 18 by the value of a constant a and in an output subtracter 19 reduced by the value b χ Λ T, which is calculated in a multiplier 20 controlled by the dividing element 16. In an output multiplier 21, the temperature value determined by the divider 16 is multiplied by a constant d and then increased by the value c in an output summer 22. The output divider 23 generates the differential pressure signal Δ Ρ based on the relationship
&* - c + d - ΔΤ & * - c + d - ΔΤ
Die Konstante a ergibt sich aus der BeziehungThe constant a results from the relationship
1 11 1
a = CT■ " Ü2 a = CT ■ "Ü2
PHD 83-064PHD 83-064
die Konstante b ergibt sich aus der Beziehungthe constant b results from the relationship
FT ~ rJ a FT ~ rJ a
bei 4P = O und maximalem at 4P = O and maximum
die Konstante c ergibt sich aus der Beziehungthe constant c results from the relationship
1- - i- - a
Π C?
c= bei λτ = ° und maximalem ^ 1- - i- - a
Π C? c = at λ τ = ° and maximum ^
und die Konstante d ergibt sich aus der Beziehungand the constant d results from the relationship
iy-^-a-b-ΔΤiy - ^ - a-b-ΔΤ
^ = U1 ^-z bei maximalem Δ Ρ und^ = U1 ^ - z at maximum Δ Ρ and
α ΔΡ - ΔΤ α ΔΡ - ΔΤ
maximalem Δτ·maximum Δ τ
Wirkt auf die Membranen 2 und 3 kein Differenzdruck, lenken die Membranen 2 und 3 nicht aus. Wegen Fertigungstoleranzen sind die Kapazitäten C1 und C2 der Meßkondensatoren jedoch nicht gleich groß, so daß die in der Differenzschaltung 17 ermittelte Differenz der reziproken Kapazitätswerte einen von Null abweichenden Wert annimmt. Von dieser Differenz wird in der Reduzierschaltung 18 die Konstante a und im Ausgangssubtrahierer 19 der im Multiplizierer 20 errechnete temperaturabhängige Wert b χ Δτ subtrahiert. Dadurch wird der vom Ausgangssubtrahierer 23 erzeugte Differenzdruckmeßwert Λ P zu Null, falls auf den Differenzdrucksensor kein Differenzdruck einwirkt. Wirkt auf die Membrane 2 ein größerer Druck als auf dieIf there is no differential pressure on membranes 2 and 3, membranes 2 and 3 do not deflect. Because of manufacturing tolerances, however, the capacitances C1 and C2 of the measuring capacitors are not of the same size, so that the difference between the reciprocal capacitance values determined in the differential circuit 17 assumes a value deviating from zero. The constant a is subtracted from this difference in the reducing circuit 18 and the temperature-dependent value b χ Δ τ calculated in the multiplier 20 is subtracted in the output subtracter 19. As a result, the measured differential pressure value Λ P generated by the output subtracter 23 becomes zero if no differential pressure acts on the differential pressure sensor. Acts on the membrane 2 a greater pressure than on the
- /β - 7T PHD 83-064- / β - 7 T PHD 83-064
Membrane 3, lenken beide Membranen 2 und 3 in Richtung des Pfeiles 10 aus. Die Kapazität C2 wird größer, und die Kapazität C1 wird kleiner. Die in der Differenzschaltung 17 erzeugte Differenz der reziproken Kapazitätswerte nimmt zu. 5Membrane 3, both membranes 2 and 3 deflect in the direction of arrow 10. The capacitance C2 increases, and so does the capacitance C1 gets smaller. The difference in the reciprocal capacitance values generated in the difference circuit 17 increases. 5
Bei einer Änderung der Temperatur der Flüssigkeit im Hohlraum 9 verändert sich die Dielektrizitätskonstante der Flüssigkeit, so daß der in der Differenzschaltung 17 erzeugte Differenzwert fehlerhaft ist.When the temperature of the liquid in the cavity 9 changes, the dielectric constant of the changes Liquid, so that the difference value generated in the differential circuit 17 is incorrect.
Durch eine Temperaturzunähme der Flüssigkeit ändert sich deren Volumen, die Abstände der Elektroden 5 und 8 bzw. 4 und 7 nehmen zu, die Kapazitäten Cl und C2 der Meßkondensatoren nehmen ab, so daß auch die in der Summierschaltung 14 errechnete Summe der reziproken Kapazitätswerte zunimmt und einen der Temperatur der Flüssigkeit entsprechenden Wert annimmt.When the temperature of the liquid increases, it changes their volume, the distances between the electrodes 5 and 8 or 4 and 7 increase, the capacitances C1 and C2 of the measuring capacitors decrease, so that the sum of the reciprocal capacitance values calculated in the summing circuit 14 also increases and assumes a value corresponding to the temperature of the liquid.
Die fehlerhafte, temperaturbedingte Änderung des vom Ausgangsdividierer 23 gelieferten Differenzdruckmeßwertes wird kompensiert, indem aus dem vom Dividierglied 16 errechneten Temperaturwert im Multiplizierer 20 die temperaturabhängige Nullpunktdrift des Differenzdrucksensors 1 errechnet und im Ausgangssubtrahierer 19 vom Differenzdruckmeßwert subtrahiert wird, und indem der im Ausgangssubtrahierer 19 teilweise korrigierte Differenzdruckmeßwert im Ausgangsdividierer 23 durch einen der temperaturabhängigen Empfindlichkeit des Differenzdrucksensors 1 entsprechenden und im Ausgangsmultiplizierer 21 und im Ausgangssummierer 22 errechneten Wert dividiert wird.The incorrect, temperature-related change in the output divider 23 delivered differential pressure measured value is compensated in that calculated from the dividing member 16 Temperature value in the multiplier 20, the temperature-dependent zero point drift of the differential pressure sensor 1 is calculated and in Output subtracter 19 subtracted from the differential pressure measured value and by the differential pressure measured value partially corrected in the output subtracter 19 in the output divider 23 by one of the temperature-dependent sensitivity of the differential pressure sensor 1 corresponding and the value calculated in the output multiplier 21 and the output summer 22 is divided.
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