DE3340834C2

DE3340834C2 -

Info

Publication number: DE3340834C2
Application number: DE19833340834
Authority: DE
Inventors: Dierk Dr. Schroeder; Bernd Ing.(Grad.) 2000 Hamburg De Heck; Juergen Dipl.-Ing. 2000 Wedel De Kordts
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 1983-11-11
Filing date: 1983-11-11
Publication date: 1988-05-26
Also published as: DE3340834A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Konstanthaltung der temperaturabhängigen Empfindlich keit eines Differenzdruckmeßgerätes, bestehend aus einem kapazitiven Differenzdrucksensor mit zwei Meßkondensa toren, deren sich mit dem zu erfassenden Differenzdruck ändernde Kapazitätswerte von je einer von einem Oszillator beaufschlagten Meßschaltung zu Meßsignalen umgeformt und einer Rechnerschaltung zur Ermittlung der Temperatur und des Differenzdruckes zugeführt werden.

Aus der Patentanmeldung P 33 21 580 4 ist ein Differenz druckmeßgerät bekannt, das einen flüssigkeitsgefüllten Differenzdrucksensor mit zwei Meßkondensatoren, deren Kapazitätswerte sich mit dem zu erfassenden Differenzdruck ändern und eine Schaltungsanordnung zur Konstanthaltung der temperaturabhängigen Empfindlichkeit des Differenz druckmeßgerätes enthält. Diese Schaltungsanordnung erzeugt aus der Differenz der reziproken Kapazitätswerte eine Spannung mit einem dem Differenzdruck entsprechenden Wert und aus der Summe der reziproken Kapazitätswerte eine Korrekturspannung, deren Wert sich mit der Temperatur des Differenzdrucksensors ändert. Durch eine Division dieser beiden Spannungen werden temperaturabhängige Meßfehler korrigiert, die entstehen, wenn sich die Empfindlichkeit des Differenzdruckmeßgerätes aufgrund einer Änderung der Temperatur des Differenzdrucksensors ändert.

Ist die dazu erforderliche Dividierschaltung analog ausge bildet, können bei der Division Rechenfehler aufgrund einer Temperaturdrift der Dividierschaltung auftreten.

Digital ausgebildete Dividierschaltungen rechnen mit einer durch die maximale Stellenzahl der Speicherzellen begrenzten Genauigkeit, so daß bei der Division Rundungs fehler auftreten. Außerdem müssen die analogen Meßsignale unter Verwendung zusätzlicher Analog-Digitalwandler digitalisiert werden, bevor sie von der digitalen Dividierschaltung verarbeitet werden können.

Des weiteren ist aus der DE-OS 31 25 664 ein Sensor bekannt, der aus drei beweglichen Elektrodenplatten besteht. Die Kapazitäten zwischen den Platten werden mittels einer Auswerteschaltung ermittelt, die einen Operationsverstärker mit einem rückgekoppelten Kondensator enthält. Eine Kompensation der Temperaturfehler wird nicht vorgenommen.

Aus der GB-20 48 488 A ist noch ein Differenzdrucksensor bekannt, dessen Kapazitätswerte mittels eines Oszillators bestimmt werden. Eine Rechenschaltung berechnet aus den ermittelten reziproken Kapazitätswerten einen weitgehend temperaturabhängigen Differenzdruck. Auch hierbei können bei der Division in der Rechenschaltung Rechenfehler auftreten.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zur Konstanthaltung der temperatur abhängigen Empfindlichkeit eines Differenzdruckmeßgerätes zu schaffen, die einfach aufgebaut ist, und die fehlerfrei arbeitet.

Diese Aufgabe wird mit einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Meßschaltungen jeweils als Integrierglieder mit je einem der Meßkondensatoren im Rückkopplungskreis ausge bildet sind und daß aus den Meßsignalen über die Rechen schaltung eine temperaturabhängige Regelspannung gewonnen wird, die nach Vergleich mit einer konstanten Referenz spannung den Oszillator derart steuert, daß sich die Regelspannung der Referenzspannung angleicht. Durch eine Veränderung der Amplitude und/oder der Frequenz des vom Oszillator den Integriergliedern gelieferten Wechsel signales läßt sich die Amplitude der von den Integrier gliedern erzeugten Meßsignale auf einfache Weise derart verändern, daß die Regelspannung den konstanten Wert der Referenzspannung annimmt. Da die Regelspannung einen der Empfindlichkeit des Differenzdruckmeßgerätes ent sprechenden Wert hat, nimmt damit auch die temperatur abhängige Empfindlichkeit des Differenzdruckmeßgerätes einen konstanten Wert an.

Vorteilhaft ist es, daß die Rechenschaltung die Regel spannung aus der Summe der Meßsignale bildet, da eine Schaltung zur Bildung der Summe zweier Signale sehr ein fach aufgebaut ist.

Eine Ausgestaltung der Erfindung ist gekennzeichnet durch einen Referenzintegrator, der vom Oszillator gespeist wird, und der Referenzsignale für die Berechnung des Dif ferenzdruckes und der Regelspannung erzeugt. Zur fehler freien Berechnung des Differenzdruckes und zur Erzeugung der Regelspannung sind Korrektursignale erforderlich, deren Amplituden sich in gleicher Weise wie die Amplitude der Meßsignale in Abhängigkeit der Amplitude und/oder der Frequenz des vom Oszillator erzeugten Wechselsignales verändern. Dazu werden diese Korrektursignale teilweise aus den Meßsignalen und teilweise aus einem Referenzsignal gebildet. Wird das Referenzsignal als Wechselsignal direkt vom Oszillator geliefert, wird zur Konstanthaltung der temperaturabhängigen Empfindlichkeit lediglich die Ampli tude des Wechselsignals gesteuert. Die Frequenz des Wech selsignales bleibt dabei konstant. Wird das Referenzsignal jedoch von einem Referenzintegrator geliefert, der vom Oszillator mit dem Wechselsignal gespeist wird, läßt sich die Amplitude der Meßsignale und des Referenzsignales auch über die Oszillatorfrequenz steuern. Außerdem wird über die Regelung der Meßsignalamplitude eine mögliche Drift der Oszillatorfrequenz ausgeregelt.

Anhand der Zeichnungen werden einige Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben und deren Wirkungsweise erläu tert. Es zeigt

Fig. 1 die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung für einen Zweikammerdifferenzdrucksensor,

Fig. 2 eine Ausgestaltung der Schaltungsanordnung nach der Erfindung für einen Einkammerdifferenzdrucksensor,

Fig. 3 die Rechenschaltung aus der Schaltungsanordnung nach Fig. 2,

Fig. 4 das Rechenglied aus der Schaltungsanordnung nach Fig. 2.

Der in der Fig. 1 dargestellte kapazitive Zweikammerdif ferenzdrucksensor 1 besteht aus zwei einen mit einer inkompressiblen Flüssigkeit gefüllten Raum abschließenden Meßmembranen 2 und 3. Dieser Raum wird von einer elek trisch isolierenden Trennmembrane 4 zweigeteilt, die beidseitig mit Schichtelektroden 4 a und 4 b belegt ist. Die Schichtelektrode 4 a bzw. 4 b bildet mit der Elektrode 5 bzw. 6 den Meßkondensator C 1 bzw. C 2.

Die Operationsverstärker 7 und 8 bilden mit den Meßkon densatoren C 1 und C 2 Integrierglieder 9 und 10, die von einem steuerbaren Oszillator 11 mit einem Wechselsignal, beispielsweise mit einem Wechselspannungssignal gespeist werden, dessen Amplitude und Frequenz veränderbar ist. Das Wechselsignal kann beispielsweise ein Sinussignal mit der Form U · sinω t sein, wobei U die Spannungsamplitude und ω die Frequenz des Wechselsignales bedeuten.

Die Integrierglieder 9 und 10 liefern an ein Rechenglied 12 und an eine Rechenschaltung 13 Meßsignale, deren Amplituden gleich U/(ω R C 1) bzw. U/(ω R C 2) sind. R ist der Wert der Eingangswiderstände der Integrierglieder 9 und 10. Das als Subtrahierer ausgebildete Rechenglied 12 berechnet den Differenzdruck Δ P aus der Differenz der Meßsignale, und die als Addierer ausgebildete Rechenschal tung 13 berechnet die Regelspannung aus der Summe der Meßsignale, die in einem Vergleicher 14 mit einer über den Anschluß 15 eingebbaren Referenzspannung verglichen wird. Die Differenz aus Referenzspannung und Regelspannung wird einem Regler 16 zugeführt, der den Oszillator 11 steuert.

Wirkt in Richtung des Pfeiles 17 ein größerer Druck auf die Meßmembrane 2 als in Richtung des Pfeiles 18 auf die Meßmembrane 3, lenkt die Meßmembrane 2 in Richtung des Pfeiles 17 aus und drückt Flüssigkeit in den Raum zwischen der Elektrode 6 und der Trennmembrane 4. Dadurch lenkt die Trennmembrane 4 in Richtung des Pfeiles 17 aus. Die Kapa zität des Meßkondensators C 2 nimmt ab und die Kapazität des Meßkondensators C 1 nimmt zu. Dadurch nimmt die Ampli tude des vom Integrierglied 9 erzeugten Meßsignales ab, und die Amplitude des vom Integrierglied 10 erzeugten Meßsignales nimmt zu. Die im Rechenglied 12 gebildete Differenz der Meßsignale entspricht der Differenz der auf die Meßmembranen 2 und 3 einwirkenden Drücke.

Die Kapazitäten der Meßkondensatoren ändern sich, wenn sich die Dielektrizitätskonstante ε der Flüssigkeit mit der Temperatur ändert. Somit ändern sich auch die Amplitu den der Meßsignale und der daraus berechnete Differenz druck mit der Temperatur. Zur Kompensation dieses Tempera turganges wird in der Rechenschaltung 13 aus der Summe der Meßsignale die Regelspannung gebildet, die in gleichem Maße von der Temperatur abhängt, wie die Differenz der Meßsignale, die aber vom Differenzdruck unabhängig ist. Diese Regelspannung wird im Vergleicher 14 mit einer kon stanten Referenzspannung verglichen. Die sich daraus erge bende Differenz aus Regelspannung und Referenzspannung steuert über den Regler 16 den Oszillator 11, derart, daß trotz einer temperaturbedingten Änderung der Kapazitäten der Meßkondensatoren C 1 und C 2 die Amplituden der Meßsignale durch eine Änderung der Frequenz und/oder der Amplitude des vom Oszillator 11 den Integriergliedern 9 und 10 gelieferten Wechselsignales konstant bleiben. Da durch bleibt auch der aus den Meßsignalen errechnete Dif ferenzdruckmeßwert bei konstantem Differenzdruck trotz einer Änderung der Temperatur der Flüssigkeit konstant.

Der in der Fig. 2 dargestellte Einkammerdifferenzdruck sensor 19 besteht aus zwei, einen mit einer Flüssigkeit gefüllten Hohlraum 20 abschließenden, elektrisch leitfähi gen Membranen 21 und 22. Die Membrane 21 bzw. 22 bildet mit der Schichtelektrode 23 bzw. 24 den Meßkondensator C 3 bzw. C 4, deren Kapazitäten sich mit der Differenz der in Richtung der Pfeile 25 und 26 auf die Membranen 21 und 22 einwirkenden Drücke ändern. Der Meßkondensator C 3 bzw. C 4 ergibt mit dem Operationsverstärker 8 bzw. 7 den Integra tor 27 bzw. 28. Ein Referenzintegrator 29, der einen Refe renzkondensator 30 mit einer konstanten Kapazität auf weist, kann parallel zu den Integratoren 27 und 28 ge schaltet sein. Die Integratoren 27 und 28 und der Refe renzintegrator 29 haben denselben Eingangswiderstand R.

In der Rechenschaltung 31 für den Einkammerdifferenzdruck sensor 19 wird aus den von den Integratoren 27 und 28 gelieferten Meßsignalen, aus dem vom Referenzintegrator 29 gelieferten Referenzsignal und aus den über die Anschlüsse 32, 33 und 34 eingebbaren Signalen mit einstellbaren Werten die Regelspannung ermittelt, die in dem Vergleicher 14 mit der über den Anschluß 15 eingebbaren Referenzspan nung verglichen wird. Mit der Differenz aus Regelspannung und Referenzspannung wird über einen Regler 16 der Oszil lator 11 gesteuert, der die Integratoren 27 und 28 und den Referenzintegrator 29 speist. Die Rechenschaltung 31 liefert außerdem ein der Temperatur des Einkammerdiffe renzdrucksensors 19 entsprechendes Signal über den An schluß 55 an das Rechenglied 35, das aus diesem Tempera tursignal, aus den über die Anschlüsse 48 und 49 eingeb baren Meßsignalen, aus dem über den Anschluß 52 eingebbaren Referenzsignal und aus den über die Anschlüsse 36 und 37 eingebbaren Signalen mit einstellbaren Werten den Differenzdruck errechnet.

Wirkt in Richtung des Pfeiles 25 auf die Membrane 21 ein größerer Druck als in Richtung des Pfeiles 26 auf die Membrane 22, lenkt die Membrane 21 in Richtung des Pfeiles 25 aus und drückt Flüssigkeit in den Hohlraum zwischen der Membrane 22 und der Schichtelektrode 24. Dadurch lenkt die Membrane 22 ebenfalls in Richtung des Pfeiles 25 aus. Die Kapazität des Meßkondensators C 3 nimmt zu und die Kapazi tät des Meßkondensators C 4 nimmt ab. Dadurch nimmt auch die Amplitude des vom Integrator 27 erzeugten Meßsignales mit dem Wert U/(ω R C 3) ab, und die Amplitude des vom Integrator 28 erzeugten Meßsignales mit dem Wert U /(ω R · C 4) nimmt zu. Aus der Differenz der Meßsignale wird in dem Rechenglied 35 der Differenzdruck errechnet.

Da die Flüssigkeit im Hohlraum 20 inkompressibel ist, bleibt die Summe der Elektrodenabstände der Meßkondensato ren C 3 und C 4, damit die Summe deren reziproken Kapazitäten und damit die Summe der Amplituden der Meßsignale bei einer Änderung des Differenzdruckes konstant, wenn die Temperatur des Differenzdrucksensors 19 konstant bleibt. Verändert sich die Temperatur des Einkammerdifferenzdruck sensors 19, verändert sich auch das Volumen und die Dielektrizitätskonstante ε der Flüssigkeit zwischen den Schichtelektroden der Meßkondensatoren C 3 und C 4. Dadurch verändern sich die Kapazitäten der Meßkondensatoren und deshalb auch die Amplituden der Meßsignale, so daß der er rechnete Differenzdruckmeßwert mit der Temperatur driftet.

In der Rechenschaltung 31 wird aus der Summe der Meßsigna le eine mit der Temperatur des Einkammerdifferenzdrucksen sors 19 veränderliche Regelspannung erzeugt, die einen der Empfindlichkeit des Differenzdruckmeßgerätes proportiona len Wert hat, die aber von dem zu messenden Differenzdruck unabhängig ist. Die Regelspannung wird im Vergleicher 14 mit der über den Anschluß 15 eingebbaren Referenzspannung verglichen. Die Differenz aus Regelspannung und Referenz spannung steuert über den Regler 16 den Oszillator 11 der art, daß sich die Amplitude und/oder die Frequenz des vom Oszillator 11 erzeugten Wechselsignales und sich deshalb auch die Amplitude der Meßsignale und des Referenzsignales ändern, bis die Regelspannung den konstanten Wert der Referenzspannung angenommen hat und die durch die tem peraturbedingte Änderung der Empfindlichkeit verursachte Temperaturdrift des Differenzdruckmeßgerätes kompensiert ist.

Da sich mit der Temperatur das Volumen der Flüssigkeit im Hohlraum 20 des Einkammerdifferenzdrucksensors 19 ändert, lenken die Membranen 21 und 22 bei einer Temperaturände rung derart aus, daß sich die Kapazitäten der Meßkondensa toren C 3 und C 4 gleichsinnig ändern. Dadurch wird eine ebenfalls gleichsinnige Änderung der Amplituden der Meß signale bewirkt. Die Summe der Meßsignalamplituden ist somit ein Maß für die Temperatur der Flüssigkeit.

Die in der Fig. 3 dargestellte Rechenschaltung 31 für den Einkammerdifferenzdrucksensor 19 weist einen Eingangs addierer 40 auf, der die über die Anschlüsse 38 und 39 eingebbaren Meßsignale summiert und ein Signal erzeugt, das einen der Temperatur des Einkammerdifferenz drucksensors 19 entsprechenden Wert hat.

Im Reduzierglied 41 wird von der Summe der Meßsignale ein Signal subtrahiert, dessen Wert einer vorgebbaren Refe renztemperatur der Flüssigkeit entspricht. Der Wert des im Reduzierglied 41 gebildeten Temperatursignals ist gleich U · f · Δ T/(ω · R), wobei Δ T die Differenz zwischen der augenblicklichen Temperatur der Flüssigkeit des Einkammer differenzdrucksensors 19 und der Referenztemperatur ist.

Das dem Reduzierglied 41 zugeführte und der Referenztem peratur entsprechende Signal wird im Eingangsmultiplizie rer 42 aus dem Produkt des über den Anschluß 43 eingeb baren Referenzsignales und eines über den Anschluß 32 eingebbaren Signales gebildet, dessen Wert gleich e/(ω R) ist, falls das Referenzsignal vom Oszillator 11 geliefert wird, und dessen Wert gleich e · C _ref ist, falls das Refe renzsignal vom Referenzintegrator 29 geliefert wird. e läßt sich aus den Kapazitäten der Meßkondensatoren C 3 und C 4 bei der Referenztemperatur nach der Beziehung e = 1/C 3 + 1/C 4 berechnen. C _ref bedeutet die Kapazität des Referenzkondensators 30. Das Referenzsignal entspricht dem Wechselsignal, falls das Referenzsignal vom Oszillator 11 geliefert wird und hat eine Amplitude mit dem Wert U/(ω R · C _ref), falls das Referenzsignal vom Referenzinte grator 29 geliefert wird.

Der Multiplizierer 44 bildet das Produkt aus dem über den Anschluß 43 eingebbaren Referenzsignal und einem über den Anschluß 33 eingebbaren Signal, dessen Wert gleich c/(ω R) ist, falls das Referenzsignal vom Oszillator geliefert wird, und dessen Wert gleich c · C _ref ist, falls das Referenzsignal vom Referenzintegrator 29 geliefert wird. c läßt sich durch Messungen der Kapazitäten der Meß kondensatoren C 3 und C 4 bei Referenztemperatur und maxi malem Differenzdruck ermitteln und nach der Beziehung c = (1/C 3 - 1/C 4 - a)/Δ P errechnen, wobei a = 1/C 3 - 1/C 4 bei Referenztemperatur ist, wenn der Differenzdruck gleich Null ist.

Dieses Produkt ergibt ein Signal, dessen Wert der Empfind lichkeit des Differenzdruckmeßgerätes bei der Referenztem peratur entspricht. Zu diesem Signal wird im Ausgangs addierer 46 ein im Ausgangsmultiplizierer 45 gebildetes Signal addiert, dessen Wert der Änderung der Empfindlich keit aufgrund einer über die Referenztemperatur hinausge henden Temperaturänderung Δ T des Differenzdrucksensors entspricht, und das aus dem Produkt des vom Reduzierglied 41 errechneten Temperatursignales und eines über den An schluß 34 eingebbaren Signales ermittelt wird, dessen Wert gleich d/f ist, wobei sich d und f durch Messungen der Kapazitäten der Meßkondensatoren C 3 und C 4 bei maximal möglicher Betriebstemperatur und maximalem Differenzdruck ermitteln und nach den Beziehungen

d = ((1/C 3 - 1/C 4 - a - b Δ T)/(Δ P · Δ T)) - c/Δ T und
f = (1/C 3 + 1/ C 4 - e)/Δ T

errechnen lassen. Nach der Beziehung

b = (1/C 3 - 1/C 4 - a)/Δ T

läßt sich b bei maximal möglicher Betriebstemperatur ermitteln, wenn bei der Messung der Kapazitäten C 3 und C 4 der Differenzdruck Δ P gleich Null ist.

Die im Ausgangsaddierer 46 erzeugte Regelspannung weist somit einen Wert auf, der der Empfindlichkeit des Diffe renzdruckmeßgerätes bei der Betriebstemperatur ent spricht.

Zur Berechnung des Differenzdruckes Δ P mittels des in der Fig. 4 dargestellten Rechengliedes 35 für den Einkam merdifferenzdrucksensor 19 bildet ein Subtrahierglied 47 aus den über die Anschlüsse 48 und 49 eingebbaren Meß signalen ein Signal, dessen Wert dem zu messenden Diffe renzdruck Δ P entspricht.

Toleranzen bei der Fertigung des Einkammerdifferenzdruck sensors 19 bewirken, daß die Kapazitäten der beiden Meßkondensatoren C 3 und C 4 auch dann unterschiedlich sind, wenn kein Druck in Richtung der Pfeile 25 und 26 auf die Membranen 21 und 22 einwirkt. Dann ist der Wert der im Subtrahierglied 47 gebildeten Differenz der Meßsignale ein Maß für die Nullpunktverschiebung des Differenzdruckmeß gerätes.

Da sich diese Nullpunktverschiebung mit der Temperatur ändert, wird von der Differenz der Meßsignale zunächst in der Subtrahierschaltung 50 ein im Multiplizierglied 51 ge bildetes Signal mit einem der Nullpunktverschiebung bei der Referenztemperatur entsprechenden Wert subtrahiert. Dieses Signal wird im Multiplizierer 51 aus dem Produkt des über den Anschluß 52 eingebbaren Referenzsignales und eines über den Anschluß 36 eingebbaren Signales gebildet, dessen Wert gleich a/(ω R) ist, wenn das Referenzsignal vom Oszillator geliefert wird und dessen Wert gleich a · C _ref ist, wenn das Referenzsignal vom Referenzinte grator 29 geliefert wird.

Im Ausgangssubtrahierer 53 wird von dem teilweise korri gierten Differenzdruckmeßwert ein Signal mit einem der Nullpunktsverschiebung aufgrund einer über die Referenz temperatur hinausgehenden Temperaturerhöhung Δ T ent sprechenden Wert subtrahiert, das in der Multiplizier schaltung 54 aus dem Produkt des vom Reduzierglied 41 gelieferten und über den Anschluß 55 eingebbaren Tempera tursignales und eines über den Anschluß 37 eingebbaren Signales gebildet wird, dessen Wert gleich b/f ist.

Der Ausgangssubtrahierer 53 erzeugt somit einen von temperaturabhängigen Fehlern des Differenzdruckmeßgerätes freien Differenzdruckmeßwert.

Claims

1. Schaltungsanordnung zur Konstanthaltung der temperaturabhängigen Empfindlichkeit eines Differenzdruck meßgerätes, bestehend aus einem kapazitiven Differenz drucksensor mit zwei Meßkondensatoren, deren sich mit dem zu erfassenden Differenzdruck ändernde Kapazitätswerte von je einer von einem Oszillator beaufschlagten Meßschaltung zu Meßsignalen umgeformt und einer Rechenschaltung zur Ermittlung der Temperatur und des Differenzdruckes zuge führt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßschaltungen jeweils als Integrierglieder (9, 10, 27, 28) mit je einem der Meßkondensatoren (C 1, C 2, C 3, C 4) im Rückkopplungskreis ausgebildet sind und daß aus den Meßsignalen über die Rechenschaltung (13, 31) eine temperaturabhängige Regel spannung gewonnen wird, die nach Vergleich mit einer konstanten Referenzspannung den Oszillator (11) derart steuert, daß sich die Regelspannung der Referenzspannung an gleicht.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Rechenschaltung (13, 31) die Regel spannung aus der Summe der Meßsignale bildet.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und 2, gekenn zeichnet durch einen Referenzintegrator (29), der vom Oszillator (11) gespeist wird, und der Referenzsignale für die Berechnung des Differenzdruckes und der Regelspannung erzeugt.