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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Allgemein
definiert bezieht sich der Begriff "Prozessvariable" auf einen physikalischen oder chemischen
Zustand einer Materie oder eine Umwandlung von Energie. Beispiele
für Prozessvariablen
schließen Druck,
Temperatur, Strömung,
Leitfähigkeit,
pH-Wert sowie andere
Eigenschaften ein. Der Begriff "Prozessmessung" bezieht sich auf
den Erhalt von Informationen, welche die Größe von Prozessgrößen bestimmen. Druck
wird insofern als grundlegende Prozessvariable angesehen, da er
für die
Messung von Strömung
(die Differenz zwischen zwei Drücken),
Pegelstand (Andruck oder Gegendruck), und sogar Temperatur (Fluiddruck in
einem Wärmesystem)
verwendet wird.
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Ein
industrieller Prozesssender ist ein Messwandler, der auf eine mit
einem Messelement gemessene Variable anspricht und die Variable
in ein genormtes Übertragungssignal
umwandelt, beispielsweise ein elektrisches oder optisches Signal
oder Luftdruck, welche alle eine Funktion der gemessenen Variable
darstellen. Industrielle Prozessdrucksender werden bei der Druckmessung
in einem industriellen Prozess, wie z.B. in Trüben, Flüssigkeiten, Dämpfen und
Gasen in chemischen, Zellstoff-, Erdöl-, Gas-, pharmazeutischen,
Nahrungsmittel- und anderen Fluidverarbeitungsanlagen eingesetzt.
Industrielle Prozesssender werden oft in der Nähe von Prozessfluiden oder
in Feldanwendungen angeordnet. Oft sind diese Feldanwendungen rauben
und veränderlichen
Umweltbedingungen ausgesetzt, die Herausforderungen an Konstrukteure
solcher Sender stellen.
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Das
Messelement in vielen Drucksendern ist ein Kapazitätssensor,
der eine biegsame oder ablenkbare Messmembran ("Membran") und zwei Kondensatorelektroden einschließt. Eine
erste Art von Messelement weist eine Membran auf, bei welcher es
sich um eine leitfähige
gespannte Membran handelt, die sich ansprechend auf einen ausgeübten Druck
auf beiden Seiten der Membran wölbt
oder durchbiegt, und zwei Kondensatorelektroden, eine auf jeder
Seite der Membran. Ein dielektrisches Füll-Fluid wird zwischen den
Kondensatorplatten und der Membran verwendet. Das Füll-Fluid,
das mit einer Isoliermembran verwendet wird, die mit dem Prozessfluid
eine Schnittstelle bildet, verhindert, dass das Prozessfluid, das
manchmal rauh, korrosiv, schmutzig oder verunreinigt sein kann,
auf die Bauteile des Messelements einwirkt und die Bauteile unter
Umständen
beschädigt.
Eine erste Kondensatorelektrode auf einer Seite der Membran, die
mit der leitfähigen Membran
verbunden ist, bildet einen ersten Kondensator. Eine zweite Kondensatorelektrode
auf der gegenüberliegenden
Seite der Membran, die mit der Membran verbunden ist, bildet einen
zweiten Kondensator. Die Kapazität
eines jeden Kondensators verändert
sich im Verhältnis
zum Umkehrwert des Abstands zwischen der Kondensatorplatte und der
Membran. Auf diese Weise verändert
sich die Kapazität
eines jeden Kondensators, da sich die Membran ansprechend auf die
angelegten Drücke
wölbt oder
durchbiegt. Der Grad der Wölbung oder
die Biegemenge steht in Zusammenhang mit der Differenz zwischen
den beiden angelegten Drücken oder
einem Differenzdruck. Die Differenzkapazität zwischen einer jeden Kondensa torplatte
und der leitfähigen Membran
wird erfasst und zur Lieferung des genormten Übertragungssignals verwendet,
das mit dem Differenzdruck in Zusammenhang steht.
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Das
Messelement ist besonders zur Erfassung der Membranwölbung in
einer Prozessfeldumgebung ausgelegt. Die ungefähre Beziehung zwischen der
Kapazität
C und dem Abstand zwischen einer der Kondensatorplatten, X, lautet
folgendermaßen:
C = εK/X,
wobei ε die
absolute Dielektrizitätskonstante
des Füll-Fluids ist
und K eine Konstante ist, die von mehreren Faktoren, wie z.B. der
Geometrie des Messelements, abhängig ist.
Die absolute Dielektrizitätskonstante
eines typischen Füll-Fluids
ist empfindlich gegenüber
Veränderungen in
einer Prozessfeldumgebung. Die absolute Dielektrizitätskonstante ε weicht für gewöhnlich ungefähr 15% von
den typischen Temperaturbereichen eines Füll-Fluids in Prozessfeldumgebungen ab.
Das Messelement mit zwei gegenüberliegenden
Kondensatoren ist derart konfiguriert, dass das Ausgangssignal im
Allgemeinen unabhängig
von einer sich verändernden
absoluten Dielektrizitätskonstanten
ist. Die beiden Kondensatoren in dem Messelement liefern im Allgemeinen
ein Ausgangssignal, das mit dem Verhältnis (C1 – C2)/(C1 + C2) in Zusammenhang steht, wobei C1 die Kapazität des ersten Kondensators und
C2 die Kapazität des zweiten Kondensators
in dem Messelement darstellen. Die absolute Dielektrizitätskonstante ε im Zähler und
die absolute Dielektrizitätskonstante
im Nenner dieses Quotienten heben sich gegenseitig auf. Dementsprechend
ist das Messelement im Allgemeinen unempfindlich gegenüber den
Temperaturveränderungen
eines Füll-Fluids
in einer Prozessfeldumgebung.
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Eine
zweite Art von kapazitivem Messelement ist bekannt, wobei jedoch
anders als bei der vorstehend beschriebenen ersten Art von Messelement,
die zweite Art von Messelement nicht für das Messen von Differenzdruck
geeignet ist. Anstelle dessen wird die zweite Art von Messelement
zum Messen des Absolutdrucks verwendet. Die zweite Art von Messelement
weist zwei Konden satorplatten auf, welche zwei Kondensatoren bilden,
und zwar eher auf einer Seite der Membran als vielmehr auf gegenüberliegenden
Seiten der Membran. Die zweite Art von Sensor verwendet kein Füll-Fluid.
Ein absoluter Prozessdruck wird an eine Sensormembran auf der den
Elektroden gegenüberliegenden
Seite angelegt. Die zweite Art von Sensor schließt ein keramisches Substrat
ein, um die beiden Elektroden in gleichem Abstand zur ungewölbten leitfähigen Membran
anzuordnen. Die beiden Kondensatorelektroden werden in einer Ebene
auf einer Seite der Membran angeordnet, um eine unerwünschte Bewegung
des keramischen Substrats zu kompensieren. Das Sensorausgangssignal steht
in Zusammenhang mit der Differenz der Kapazitäten. Der Sensor erfasst eine
Krümmung
der parabolisch gewölbten
Membran und das Sensorausgangssignal hebt eine kolbenähnliche
Bewegung des keramischen Substrats auf oder ignoriert diese, die
für gewöhnlich als
Ergebnis von Temperaturveränderungen
auftritt. Der Sensor zweiter Art ist nicht für die Verwendung mit einem
Füll-Fluid
auf der Elektrodenseite der Membran geeignet, da die Transferfunktion,
welche eine kolbenähnliche
Bewegung des Substrats kompensiert, nicht in der Lage ist, Veränderungen
der absoluten Dielektrizitätskonstanten
des Füll-Fluids
bei Temperaturveränderungen zu
kompensieren.
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Die
Fähigkeit
zur Erfassung der Krümmung
der abgelenkten oder gewölbten
Membran in einer Feldprozessumgebung weist Vorteile gegenüber einer
bloßen
Fähigkeit
zur Erfassung der Ablenkungsgröße oder Biegemenge
der Membran auf. Idealerweise ist die Verlagerung der Membran proportional
zu den Druckunterschieden, die an beiden Seiten der Membran angelegt
werden. Leider wölbt
sich die Membran nicht in idealer Weise. Aufgrund physikalischer
Kräfte,
die gedehnten Membranen von Natur anhaften, werden Membranen oft
verformt, nachdem sie abgelenkt wurden. Die Verformung kann als "Offset" beschrieben werden,
wobei genau die Ränder
oder Kanten der Membran derart gekrümmt werden, dass der flache
Abschnitt der Membran einen engeren Abstand zu einer der Elektroden
aufweist, als dass dies bei einer idealen Beabstandung der Fall
wäre, d.h.
die Kanten werden derart gekrümmt,
dass der flache Mittelabschnitt in Richtung der einen oder anderen
Elektrode vorspringt. Der Offset wird nicht durch bloßes Messen
der Membranwölbung
in dem Messelement der ersten Art erfasst, und dieser Offset verursacht
ungenaue Ablesungen des Prozessdrucks. Die ungenauen Ablesungen
wurden aus mindestens zwei Gründen
nicht kompensiert. Zum einen fehlte es an der Erkennung der Quelle
dieser Fehler und des daraus entstehenden Membran-Offsets. Zum anderen
sind die Messelemente und die gegenwärtig zur Verfügung stehenden
Sender nicht in der Lage, Krümmung
von Offset bei einer Messung der Ablenkung zu trennen, und komenpensieren
immer noch unterschiedliche absolute Dielektrizitätskonstanten
aufgrund sich verändernden
Temperaturen in einer Prozessfeldumgebung.
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US-Patent
Nr. 3,557,621 offenbart einen kapazitiven Drucksender mit einer
biegsamen Metallmembran. Elektroden sind der Membran zugewandt und
liefern variable Kondensatoren, deren Kapazität zur Bestimmung der Membranablenkung
gemessen wird. Dünne
ringförmige
Bänder
aus leitendem Material umgeben beide Elektroden. Eine Spannung wird
an die ringförmigen
Bänder
aus leitendem Material angelegt, so dass sie Schützelektroden bereitstellen,
um Oberflächen-Leckströme zwischen
Elektroden und der Membran zu verhindern.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung stellt einen Drucksensor gemäß Anspruch
1 bereit.
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Die
vorliegende Erfindung liefert zudem einen Drucksender gemäß Anspruch
11.
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Die
vorliegende Erfindung schafft darüber hinaus ein Verfahren zum
Messen von Differenzdruck gemäß Anspruch
19.
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Vorzugsweise,
jedoch optional, sind Merkmale des Drucksensors, des Drucksenders
und des Verfahrens in den anliegenden Ansprüchen dargelegt.
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Die
Erfindung ist auf eine neue Vorrichtung gerichtet, die eine verbesserte
Fehlerkompensation bei der Messung des Prozessdrucks bereitstellt.
Die neue Vorrichtung ist in der Lage, einen Membran-Offset und unterschiedliche
absolute Dielektrizitätskonstanten,
die in einer Prozessfeldumgebung vorliegen, zu kompensieren. Frühtests haben
gezeigt, dass die neue Vorrichtung die Genauigkeit der Prozessdruckmessung
erheblich verbessert und einige Offset-Fehler mindestens um eine
Größenordnung
reduzieren kann.
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Ein
Aspekt der Erfindung ist auf ein verbessertes Messelement, oder
einen Drucksensor gerichtet. Der Drucksensor, der mit einem dielektrischen
Füll-Fluid
gefüllt
ist, weist mindestens drei Kondensatorelektroden auf, die um eine
Membran angeordnet sind. Mindestens zwei Kondensatorelektroden sind
auf einer Seite einer leitenden Membran positioniert und sind auf
eine besondere Art und Weise im Hinblick auf die Membran angeordnet.
Mindestens eine Kondensatorelektrode ist auf der anderen Seite der
Membran angeordnet. Beispielsweise weist der Sensor einen Zellenkörper mit
einem Innenhohlraum auf, der mit dem dielektrischen Füll-Fluid
gefüllt
ist. Die ablenkbare Membran mit einem leitenden Abschnitt wird über den
Innenhohlraum gespannt und trennt den Innenhohlraum in zwei kleinere
Hohlräume.
Mindestens zwei Elektroden sind mit der Hohlraumwand in dem ersten
der beiden kleineren Hohlräume
verbunden. Eine der Elektroden weist einen engeren Abstand zu der
Mitte der Hohlraumwand als die andere Elektrode auf, d.h. eine der
Elektroden befindet sich in einer "Mittelzone" und die andere Elektrode befindet sich
in einer "Randzone". In dem zweiten
der beiden kleinerer Hohlräume
ist mindestens eine Elektrode mit der Hohlraumwand verbunden. In
einer Ausführungsform
weist jeder der beiden kleineren Hohlräume zwei Elektroden auf, die
mit den jeweiligen Hohlraumwänden
verbunden sind. Diese Ausführungsform
verwendet vier Kondensatorelektroden.
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Ein
erfindungsgemäßer Sensor
eignet sich für
die Verwendung in einem verbesserten Prozessdrucksender. Der Prozessdrucksender
weist den Drucksensor auf, der elektrisch mit einem Analog-Digital-Wandler verbunden
ist, so dass die Elektroden des Drucksensors eine Eingabe in den
Analog-Digital-Wandler bereitstellen. Eine Art von Analog-Digital-Wandler
ist ein Kapazitäts-Digital-Wandler (CDC-Wandler).
In einer Ausführungsform
werden die Elektroden entweder direkt oder über Schaltkreiselemente miteinander
verbunden und dann für
den Analog-Digital-Wandler bereitgestellt. Diese Ausführungsform
erlaubt eine Verbindung des Sensors mit bestehenden Analog-Digital-Schaltkreisen.
Andere Ausführungsformen
ziehen die Verwendung speziell konstruierter Analog-Digital-Schaltkreise
in Erwägung.
Der Sender ist zur Verwendung in einer Prozessfeldumgebung geeignet.
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Die
vorliegende Erfindung verringert Fehler aufgrund eines Membran-Offsets,
oder "Offset-Fehlern" erheblich. Eine
Art von Offset-Fehler wird als "Druck-Hysteresefehler" bezeichnet. Beispielsweise
liefert der Sensor bei Zunahme des Prozessdrucks von einem niedrigeren
zu einem höheren
Wert ein Ausgangssignal bei Punkten entlang des Wegs. Bei Abnahme
des Prozessdrucks von einem höheren
Wert auf einen niedrigeren Wert kann sich das Ausgangssignal jedoch
an denselben Punkten unterscheiden. Die Trennung zwischen dem skalenmäßig höheren Ausgangssignal
und dem skalenmäßig niedrigeren
Ausgangssignal an einem Punkt wird als der Druck-Hysteresefehler
bezeichnet. Das ideale Ausgangssignal, d.h. ein Ausgangssignal, das
dem Eingangssignal präzise
entspricht, liegt oftmals irgendwo zwischen dem auf der Skala höheren Ausgangssignal
und dem auf der Skala niedrigeren Ausgangssignal, und das tatsächliche
Ausgangssignal ist oft keine genaue Wiedergabe des Prozessdrucks.
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Sensoren
des Standes der Technik können
ein Ausgangssignal erzeugen, das Druck-Hysteresefehler von ungefähr 0,11%
beinhaltet, wohingegen die vorliegende Erfindung ein Ausgangssignal
mit Druck-Hysteresefehlern von weniger als 0,01 bereitstellen kann.
Die vorliegende Erfindung verringert zudem im Stand der Technik
bekannte Offset-Fehler bedeutend, wie z.B. eine Überdruck-RZ-Hysterese (RZ =
return to zero, Rückkehr
zu Null), einen Nulllinien-Druckfehler, einen Nulltemperatur-Hysteresefehler,
und verbessert eine langfristige Nullpunktdrift.
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Weitere
Einzelheiten, Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden
Kurzbeschreibung der Erfindung anhand der Zeichnungen.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Es
zeigen:
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1 ein
Prozessmesssystem mit einem erfindungsgemäß konstruierten Prozesssender;
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2 eine
Darstellung in aufgelösten
Einzelteilen des Prozesssenders von 1;
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3 ein
funktionales Blockdiagramm des in 1 gezeigten
Prozesssenders;
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4 eine
Perspektivansicht eines in Teilabschnitte zerlegten Sensorsmoduls
und eines Drucksensors, welche Abschnitte des Senders von 1 sind;
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5 eine
seitliche Schnittansicht des Drucksensors von 4;
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6 eine
teilweise Darstellung des Drucksensors von 4 in aufgelösten Einzelteilen;
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7 bis 9 teilweise
Auflösungen
in Einzelteile von anderen Drucksensoren, die erfindungsgemäß konstruiert
sind;
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10 eine
Seitenschnittansicht eines weiteren Drucksensors, der erfindungsgemäß konstruiert
ist;
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11 bis 15 Schemaansichten
von Senderkonfigurationen, die erfindungsgemäß konstruiert sind und den
Drucksensor aus 4 implementieren;
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16 bis 18 Schemaansichten
des Drucksensors von 4 während des Betriebs; und
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19 eine
vereinfachte Schemaansicht des Drucksensors von 4.
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BESCHREIBUNG
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In
der folgenden Beschreibung wird auf die anliegenden Zeichnungen
Bezug genommen. Die Zeichnungen und die Beschreibung stellen spezifische
Beispiele oder "Ausführungsformen" bereit, wie die
Erfindung eingesetzt oder "ausgeübt" werden kann.
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1 zeigt
im Allgemeinen die Umgebung eines Prozessmesssystems 32. 1 zeigt
ein Prozessrohrnetz 30, das ein unter Druck gesetztes Fluid
enthält,
das zur Messung eines Prozessdrucks mit dem Prozessmesssystem 32 verbunden
ist. Das Prozessmesssystem 32 weist ein Impulsrohrnetz 34 auf,
das mit dem Rohrnetz 30 verbunden ist. Das Impulsrohrnetz 34 ist
mit einem Prozessdrucksender 36 verbunden. Ein Hauptbauelement 33,
wie beispielsweise eine Messblende oder Stauscheibe, ein Venturirohr,
eine Durchflussdüse,
und dergleichen, kommt mit dem Prozessfluid an einer Stelle in dem
Prozessrohrnetz 30 zwischen den Rohren des Impulsrohrnetzes 34 in
Kontakt. Das Hauptbauelement 33 bewirkt eine Druckveränderung
in dem Fluid, da die ses das Hauptbauelement 33 passiert.
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Bei
dem Sender 36 handelt es sich um eine Prozessmessvorrichtung,
die Prozessdrücke über das
Impulsrohrnetz 34 empfängt.
Der Sender 36 misst die Prozessdrücke und wandelt diese in ein
genormtes Übertragungssignal
um, bei dem es sich um eine Funktion des Prozessdrucks handelt.
Sender können
auch mehrere Prozessvariablen messen oder können derart konfiguriert sein,
dass sie Prozesssteuerungsfunktionen bereitstellen. In dem Beispiel
handelt es sich bei dem Sender 36 um einen Differenzdrucksender.
Differenzdruck ist die Differenzgröße zwischen zwei Druckwerten,
wie z.B. die Differenz zwischen zwei Prozessdrücken, die in einen Sender eingegeben
werden. Die Messung des Differenzdrucks schließt die Messung des Manometerdrucks
ein, wobei der in den Sender eingegebene Referenzdruck Luftdruck
ist, und weist zudem die Messung von absolutem Druck auf, wobei
der in den Sender eingegebene Referenzdruck ein Vakuum ist. 1 zeigt den
Sender, der zur Messung des Durchflusses konfiguriert ist. Es werden
jedoch auch andere Verwendungen des Senders für die Differenzdruckmessung
in Erwägung
gezogen.
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Eine
Prozessschleife 38 erleichtert sowohl ein Energiesignal
an den Sender 36 als auch eine bidirektionale Kommunikation
und kann gemäß einer
Reihe von Prozesskommunikationsprotokollen konstruiert sein. In
dem veranschaulichten Beispiel handelt es sich bei der Prozessschleife 38 um
eine Zweidrahtschleife. Eine Zweidrahtschleife verwendet, wie der
Name bereits sagt, zwei Drähte
zur elektrischen Verbindung des Senders 36 mit einer abgelegenen
Steuerwarte 40. Die Zweidrahtschleife wird zur Übertragung
der gesamten Energie an, und der gesamten Kommunikationen an und
von dem Sender 36 während
des normalen Betriebs mit einem 4–20 mA Signal verwendet. Dementsprechend
wird der Sender 36 gemäß Darstellung
oft als "Zweidrahtsender" bezeichnet, obwohl
andere Konfigurationen, wie z.B. Dreidraht- und Vierdraht-Sender,
usw. ebenfalls bekannt sind und in Erwägung gezogen werden. Kommunikationen
können
mit Hilfe eines 4–20
mA starken analogen Signals und des offenen digitalen Protokoll-Kommunikationsformats
HART® (Highway
Adressable Remote Transducer), das gleichzeitige digitale Kommunikationen
mit dem 4–20
mA Signal bereitstellt, ausgeführt
werden. Eine Kommunikation kann auch mit einem offenen FOUNDATIONTM-Feldbus-Protokoll erfolgen, welches einen
digitalen Kommunikationslink zwischen einem intelligenten Feldpegel
und Steuervorrichtungen bereitstellt und mit diesem zusammenwirkt.
Der Sender 36 kann so konfiguriert sein, dass er mit anderen
Prozessprotokollen, einschließlich
Device Bus, Sensor Bus, Profibus, Ethernet, und anderen verwendet
werden kann, die alle weltweit eingesetzt werden. Ein Computer 42 oder
ein anderes Informationsverarbeitungssystem durch ein Modem 44,
oder eine andere Netzwerkschnittstelle, wird zur Kommunikation mit dem
Sender 36 verwendet. Eine abgelegene Spannungsversorgung 46 betreibt
den Sender 36.
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2 zeigt
eine Darstellung in aufgelösten
Einzelteilen des Senders 36. Ein Flansch 50 ist
an einem Sensormodul 52 befestigt, um eine Schnittstelle
mit einem Impulsrohrnetz 34 zu bilden. Der Sensormodul 52 weist
ein Gehäuse 53 mit
Gewinde auf, bei welchem es sich um eine vollständig geschweißte Konstruktion handelt,
um die Innenbauteile von dem Prozessmedium und der Feldumgebung
zu isolieren. 3 zeigt ein Blockdiagramm des
Senders 36, das 2 entspricht. Ein Prozessdruck 54 wird
an den Sensormodul 52 angelegt. Ein Drucksensor 56,
der mechanisch, elektrisch und thermisch von dem Prozessmedium isoliert
ist, empfängt
die Prozessdrücke 54 und
liefert ein analoges elektrisches Signal 58, das den Differenzdruck
wiedergibt. Das Signal 58 wird verarbeitet und an der Sensormodulelektronik 60,
welche einen Analog-Digital-Wandler 62 und einen Sensormodulspeicher 64 aufweist,
in ein digitales Signal umgewandelt. Der Speicher 64 enthält spezifische
Information über
den Sensormodul und Korrekturkoeffizienten für den Sensormodul 52. Ein
Temperatursensor 63 liefert ein analoges Sig nal, das die
Umgebungstemperatur der Sensorelektronik 60 wiedergibt.
Das digitale Signal wird über
ein mehrpoliges Kabel 66 ausgegeben. Wie in 2 gezeigt,
wird das mehrpolige Kabel 66 als rückziehbares Band, das von einer
Hülle 68 auf
der Abdeckung 70 des Sensormoduls 52 umgeben ist,
realisiert.
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Ein
Elektronikgehäuse 71 trägt Senderbauteile,
die mit dem Sensormodul 52 und der Schleife 38 eine Schnittstelle
bilden. Das mehrpolige Kabel 66 wird in eine Elektronkbaugruppe 72 eingesteckt. 3 zeigt, dass
die Elektronikbaugruppe ein Mikroprozessorsystem 74 und
einen Speicher 76 aufweist, die zur weiteren Aufbereitung
des digitalen Signals verwendet werden. Ein Analog-Digital-Wandler 78 oder
eine digitale Kommunikations-Schaltkreisanordnung 80 wird
für die
Erzeugung und den Empfang entweder eines analogen oder digitalen Übertragungssignals über die
Schleife 38 verwendet, und wird daher oft als ein "Kommunikationsschaltkreis" bezeichnet. Die
Schleife 38 ist mit dem Sender über Öffnungen oder Durchbohrungen 82 verbunden,
wie es in 2 gezeigt ist. Ein Anschlussblock 84 ist
elektrisch mit der Elektronikbaugruppe 72 verbunden, um
einen direkten Zugriff auf die erzeugten Signale zu schaffen. Das
Elektronikgehäuse 71 nimmt
den Sensormodul 52 sowie die Abdeckungen 86 mit
O-Ringen 88 auf, um ein explosionssicheres Gehäuse in einem
montierten Sender 36 bereitzustellen, der für eine Feldinstallation
geeignet ist. Das Gehäuse
schützt
die Senderelektronik, die in dem Sensormodul 52 und dem
Elektronikgehäuse 71 liegt.
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4 zeigt
eine Schnittansicht des Sensormoduls 52. Ein Differenzprozessdruck 54,
für gewöhnlich in
Form eines Fluids (Gas oder Flüssigkeit)
wird an den Sensormodul 52 an Isoliermembranen 90 angelegt. Jede
Isoliermembran 90 wölbt
sich ansprechend auf die aufgebrachten Prozessdrücke 54 in ihrer Isolierkammer 92.
Die Isolierkammern 92 kommunizieren mit Isolierrohren 94,
die mit einem Füll-Fluid 95 gefüllt sind,
das die aufgebrachten Prozessdrücke 54 an
einen Sensor 56 über trägt, der
ebenfalls schematisch in 3 bei dem Bezugszeichen 56 angezeigt
ist. Die Isoliermembranen 90 dienen zum Schutz des Sensors 56 vor
dem Prozessfluid, das für
den Sensor korrosiv wirken oder anderweitig schädlich sein kann. Der Sensor 56 schließt einen
Zellenkörper 98 mit
einem Innenhohlraum 100 ein, der mit dem Füll-Fluid 95 gefüllt ist.
Eine Membran 102, die oft als Messmembran bezeichnet wird,
trennt den Innenhohlraum 100 in zwei im Allgemeinen gleiche und
gegenüberliegende
Hohlraumhälften,
und wölbt
sich ansprechend auf den Prozessdruck 54, so wie er in den
Innenhohlraum 100 übertragen
wird. Die Verlagerung der abgelenkten Membran 102 ist proportional
zu der Druckdifferenz zwischen den beiden Hälften des Hohlraums 100.
Die Position der Membran 102 im Hinblick auf den Hohlraum 100 wird
mit Hilfe von Kondensatorelektroden in dem Hohlraum 100 erfasst
(wird nachfolgend noch ausführlich
beschrieben). Leitungsdrähte 104, 106, 108, 110 erstrecken
sich durch Öffnungen 111 und 113 und
verbinden die Kondensatorelektroden mit einer Elektronikbaugruppe 112 des
Sensors, die die Sensorelektronik 60 aufweist. Auf diese
Weise wandelt der Sensor 56 den Differenz-Prozessdruck
in ein analoges elektrisches Signal um, und die Sensorelektronik 60 wandelt
das analoge elektrische Signal in ein digitales elektrisches Signal
um.
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5 zeigt
eine ausführliche
Seitenansicht des Sensors 56 gemäß dem Schnitt in 4 und 6 zeigt
eine teilweise Darstellung des Sensors 56 in aufgelösten Einzelteilen.
Der Zellenkörper 98 kann
aus jedem beliebigen geeigneten Werkstoff hergestellt sein, der
bei der Herstellung von Kapazitäts-Drucksensoren verwendet
wird. In dem gezeigten Beispiel schließt der Zellenkörper 98 ein
Metallgehäuse 114 ein,
das aus zwei tassenähnlichen
Hälften 116, 118 vor
der Montage gebildet wird. Die tassenähnlichen Hälften 116, 118 werden
jeweils mit einem starren Isolator 120, wie z.B. Keramik
oder Glas, gefüllt,
der mit dem Metallgehäuse 114 verschmolzen
ist. Der Isolator 120 weist Öffnungen 122 auf,
die mit den Isolier rohren 94 kommunizieren. Jede Öffnung 122 kommuniziert
mit Öffnungen 124 in
den keramischen Rohren 125, in denen sich die Öffnungen 124 durch
den Isolator 120 und in den Innenhohlraum 100 erstrecken.
Jede der Hälften 116, 118 ist
zerspanend bearbeitet, so dass sie eine konkave Oberfläche in mindestens
dem Isolator 120 und dem Rohr 125 bildet. Ein
Abschnitt des Zellenkörper 98 ist
ebenfalls zerspanend bearbeitet, um in dem gezeigten Beispiel eine
konkave Form aufzuweisen. Diese konkave Oberfläche wird als eine erste Innenwand 126 in
der ersten Hälfte 116 und
als eine zweite Innenwand 128 in der zweiten Hälfte 118 bezeichnet.
Die konkaven Innenwände 126, 128 in
dem gezeigten Beispiel sind zumindest teilweise im Allgemeinen kugelförmig. Die
konkaven Innenwände 126, 128 sind
gegenüberliegend
voneinander angeordnet und bilden und begrenzen den Innenhohlraum 100 in
einem montierten Sensor 96. Als eine Alternative zu einer
konkaven Oberfläche
kann der Zellenkörper
eine rechteckige Vertiefung aufweisen, die zwei im Allgemeinen gegenüberliegende
Innenwände
erzeugt.
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Die
Membran 102 wird zwischen den beiden Hälften 116, 118 straff
gespannt, und mit einem fortlaufend aufgetragenen Material 130 in
der richtigen Position festgeschweißt. Das aufgetragene Material 130 verbindet
und dichtet die Hälften 116, 118 hermetisch
ab, um den Zellenkörper 98 zu
bilden. Die Schweißnaht 130 hält zudem
die Membran 102 unter einer gewissen Spannung, so dass
diese als ablenkbares Federelement wirken kann, das, wenn es einer
Kraft ausgesetzt wird, gegen die eine oder andere der ersten und
zweiten Innenwände 126, 128 gedrückt wird.
Mindestens ein Abschnitt der Membran 102 schließt ein elektrisch
leitendes Material ein. Bei dem in den 5 und 6 gezeigten
Beispiel handelt es sich bei der Membran 102 um eine dünne Metallmembran,
so dass die gesamte Membran 102 leitend ist. Eine Achse 99 ist
aus Referenzgründen
so dargestellt, dass sie sich senkrecht vom Mittelpunkt der Membran 102 und
durch den Zellenkörper 98 erstreckt.
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Die
Membran 102 trennt den Innenhohlraum 100 in einen
ersten Hohlraum 132 und einen zweiten Hohlraum 134.
In dem gezeigten Beispiel begrenzen die Membran 102 und
die erste Innenwand 126 den ersten Hohlraum 132.
Die Membran 102 und die zweite Innenwand 128 definieren
den zweiten Hohlraum 134, der im Allgemeinen gegenüberliegend
zu der Membran 102 von dem ersten Hohlraum 132 aus
liegt. Die Innenwände 126, 128 sind
in Randzonen 136 bzw. 138 und in Mittelzonen 140 bzw. 142 unterteilt.
Die Abschnitte einer jeden Innenwand 126, 128 in
unmittelbarer Nähe
zu dem Bereich, in welchem die Innenwand 126, 128 die
Membran 102 berührt,
sind die Randzonen 136, 138. Ebenso sind die Abschnitte
einer jeden Innenwand 126, 128, die den Bereich
einschließen,
an dem die Achse 99 sich durch die Innenwände 126, 128 erstreckt, die
Mittelzonen 140, 142. Die Randzonen 136, 138 einer
jeden Innenwand 126, 128 umgeben die jeweiligen Mittelzonen 140, 142.
Das Verhältnis
der Fläche
der Randzonen 136, 138 zu den Mittelzonen 140, 142 kann sich
verändern.
In dem gezeigten Beispiel erstreckt sich der Isolator 120 durch
die Membran, wodurch die Innenwände 126, 128 gebildet
werden. In anderen Versionen erstreckt sich der Isolator 120 nicht
durch die Membran 102, und die Innenwände 126, 128 schließen eine
Zone ein, die in den tassenähnlichen
Hälften 116, 118 gebildet
werden, wobei diese Zone in der Nähe der Membran 102 liegt.
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Dielektrisches
Füll-Fluid 95 füllt jeweils
den ersten Hohlraum 132, den zweiten Hohlraum 134,
die Öffnungen 122,
die Isolierrohre 94 sowie die Isolierkammern 92.
Während
der Herstellung des Sensors 96 wird das Füll-Fluid 95 in
den Sensor 96 injiziert, um die Isolierrohre 94 zu
füllen.
Das Füll-Fluid 95 ist
mit dem Sensor 56 kompatibel, und Beispiele für bekannte
dielektrische Füll-Fluide
schließen
Silikon-Öl,
inerten Halogenkohlenstoff und andere ein. In dem Beispiel wird
die dieselbe Art von Füll-Fluid 95 in
beiden Hohlräumen 132, 134 verwendet.
Das dielektrische Füll-Fluid 95 erhöht die Kapazität des Sensors 96 im
Vergleich zu einer vergleichbaren mit Luft gefüll ten Vorrichtung erheblich,
wobei jedoch die dielektrische Konstante des Füll-Fluids 95 als Funktion
von Temperatur und Druck variiert. Im Allgemeinen ist das Volumen
des Füll-Fluids 95 in
dem ersten Hohlraum gleich dem Volumen des Füll-Fluids 95 in dem
zweiten Hohlraum 134. Da sich eine oder beide Isoliermembranen 90 wölben oder
durchbiegen, verlagert sich das Füllfluid 95 in den
Hohlräumen 132, 134,
und das Füll-Fluid übt eine
Kraft auf die Membran 102 aus. Diese Kraft entspricht,
im Allgemeinen der Kraft, die an die Isoliermembranen 90 über den
unterschiedlichen Prozessdruck 54 angelegt wird. Unterschiede
zwischen den Kräften,
die auf die Membran von jedem Hohlraum ausgeübt werden, bewirken eine Ablenkung
oder Verlagerung der Membran.
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In
einer Version berührt
die Membran 102 die Innenwände 126, 128 und
stützt
sich auf diesen ab, bevor eine der Isoliermembranen 90 vollständig in
ihren jeweiligen Isolierkammern 92 abgelenkt wird und bevor erheblicher
Schaden an der Membran 102 entsteht. Auf diese Weise wirken
die Innenwände 126, 128 als Überdruck-Stopps
und schützen
die Membran 102. Auf ähnliche
Weise ist die kugelförmige
Form der konkaven Innenwände 126, 128 derart,
dass sich im Allgemeinen die gesamte Membran 102 an entweder
der Wand 126 oder der Wand 128 abstützt, um
die Membran 102 vor lokalisierten dauerhaften Verformungen
zu schützen.
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Eine
dünne Metallbeschichtung,
oder eine erste "Elektrode" 144, ist
mit der ersten Innenwand 126 verbunden. In dem gezeigten
Beispiel ist die erste Elektrode 144 auf der ersten Innenwand 126 angeordnet
und in dem ersten Innenhohlraum 132 positioniert. Verfahren
zum Anbringen der Elektroden schließen Sputtern oder Kathodenzerstäubung, physikalische
oder chemische Gasphasenabscheidung, Plasmaabscheidung, Siebdruckverfahren,
oder andere geeignete Verfahren zur Verbindung der Elektrode mit
der Innenwand ein. Die Dicke der Elektrode ist zur Verdeutlichung
in den Figuren übertrieben
dargestellt. Die Elektrode 144 liegt in der Mittelzone 140 der
ersten Innenwand, liegt in unmittelbarer Nähe zu dem Keramikrohr 125,
und ist gegenüberliegend
zu dem ersten Innenhohlraum 132 von der Membran 102 aus
angeordnet. Die erste Elektrode 144 ist direkt mit einem
Leitungsdraht 104 verbunden, der in dem Isolator 120 eingebettet
ist und sich durch einen keramischen Stopfen 109 in eine Öffnung 111 erstreckt.
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Eine
zweite Elektrode 146 ist ebenfalls mit der ersten Innenwand
mit Hilfe eines geeigneten Abscheidungsverfahrens verbunden. In
dem gezeigten Beispiel wird die zweite Elektrode 146 durch
Sputtern auf der ersten Innenwand 126 in dem ersten Innenhohlraum 132 aufgetragen,
und ist gegenüberliegend
zu dem ersten Innenhohlraum 132 von der Membran 102 aus
angeordnet. Die Dicke der Elektrode ist zur Verdeutlichung in den
Figuren übertrieben
dargestellt. Die zweite Elektrode 146 liegt in der Randzone 136,
oder ist mit einer größeren Beabstandung
entlang der Innenwand 126 von der Achse 99 aus
angeordnet als die erste Elektrode 114 entlang der Innenwand 126 von
der Achse 99. Die Elektroden 144, 146 sind
beabstandet voneinander am Isolator 120 und an der Membran
angeordnet, so dass sich die Elektroden nicht direkt gegenseitig
oder die Membran berühren.
In dem in 6 gezeigten Beispiel erstreckt
sich die zweite Elektrode 146 um die erste Elektrode 144.
Die zweite Elektrode 146 ist direkt mit dem Leitungsdraht 106 verbunden,
der beabstandet von dem Leitungsdraht 104 angeordnet ist
und nicht in direktem Kontakt mit diesem steht, und erstreckt sich
darüber hinaus
durch einen keramischen Stopfen 109 in eine Öffnung 11.
Eine dünne
Ablagerung von Siliziummonoxid (nicht dargestellt) oder eines anderen
geeigneten Isolators bedeckt die Elektroden 144, 146,
um einen direkten Kontakt mit der Membran 102 in Überdrucksituationen
zu verhindern.
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Die
Elektroden 144, 146, 148, 150 können eine
Vielzahl von Konfigurationen aufweisen. 6 zeigt, dass
die zweite Elektrode 146 in der Randzone aus zwei Elektrodenhälften 145 und 147 gebildet
ist, welche die erste Elektrode 144 umgeben. Die Elektrodenhälften 145, 147 sind
beabstandet voneinander auf der ersten Innenwand 126 angeordnet,
wobei sie jedoch in dem Isolator 120 des Zellenkörpers direkt
miteinander und mit dem Leitungsdraht 106 verbunden sind.
Die 7 bis 9 zeigen weitere Beispiele für den Sensor 56.
In 7 ist die Elektrode 1146 analog zu der
Elektrode 146 von 6 ausgebildet,
und wird als "zweite
Elektrode" bezeichnet.
Die Elektrode 1146 erstreckt sich nur teilweise um die
erste Elektrode 144 und ist ebenfalls mit dem Leitungsdraht 106 verbunden.
In 8 wird die Elektrode 2146 als "zweite Elektrode" bezeichnet und weist
die Form eines Ringes auf, der die erste Elektrode 144 vollständig umgibt.
In 9 wird die Elektrode 3146 als die "zweite Elektrode" bezeichnet und weist
eine willkürliche
Form in der Randzone 136 auf. Es werden auch andere Formen
und Konfigurationen der zweiten Elektrode in Erwägung gezogen. Beispielsweise kann
es sich bei der "zweiten
Elektrode" um das
bloße
Ende des Leitungsdrahtes 106 handeln, das in dem Innenhohlraum 100 freiliegt
und keine andere Metallbeschichtung aufweist, die mit der ersten
Innenwand 126 verbunden ist. Die unterschiedlichen Formen
für die
zweite Elektrode 146 können
auch für
die vierte Elektrode 150 angewendet werden. Ähnlich können die
erste und dritte Elektrode 144 bzw. 148 eine Vielzahl
von Formen aufweisen. Beispielsweise können die erste und dritte Elektrode 144 bzw. 148 eine
flache Form aufweisen oder willkürlich
geformt sein.
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Die
Elektroden 144, 146 arbeiten als Kondensatorelemente
oder Kondensatorplatten, wobei alle über ein elektrisches Feld durch
das dielektrische Füll-Fluid 95 elektrisch
an die Membran 102 angeschlossen sind, d.h. "kapazitiv gekoppelt" sind. Die Membran 102 arbeitet
auch als weitere Kondensatorplatte und es liegt keine direkte Verbindung
zwischen der Membran 102 und einer der beiden Elektroden 144 oder 146 vor.
Auf diese Weise bilden die erste Elektrode 144 und die
Membran 102 einen ersten Kondensator, und die zweite Elektrode 146 und
die Mem bran 102 bilden einen zweiten Kondensator. Der Begriff "Kondensator" wird zur Beschreibung
des Aufbaus verwendet, auch wenn die "Kondensatorplatten" (einschließlich der Membran) nicht immer geladen
sind. Daher werden beispielsweise die erste Elektrode 144 und
die Membran 102 sogar dann als "kapazitiv gekoppelt" angesehen, wenn sie nicht geladen sind.
Die Membran 102 arbeitet als eine Kondensatorplatte, die
sowohl dem ersten als auch dem zweiten Kondensator gemeinsam ist.
Die Elektroden 144, 146 sind im Hinblick auf die
bewegliche Membran 102 befestigt, und somit handelt es
sich bei dem ersten und zweiten Kondensator um "Regel-Kondensatoren". Die Kapazität eines jeden Regel-Kondensators
verändert
sich bei Wölbung
der Membran. Insbesondere ist die Kapazität eines Kondensators im Allgemeinen
proportional zum Umkehrwert des Abstands zwischen den Kondensatorplatten
des Kondensators.
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Während des
Betriebs liefert die Sensorelektronik 60 ein Signal zum
Laden der Membran 102. Aufgrund der Wölbung der Membran 102 in
dem Innenhohlraum 100 ansprechend auf den angelegten Prozessdruck
verändert
sich der Abstand zwischen der Membran und jeder Elektrode 144, 146.
Dies bewirkt eine Veränderung
der Kapazität
eines jeden Kondensators, wobei die Kapazität eine Funktion des Prozessdrucks 54 ist.
Die Leitungsdrähte 104, 106 und
die Membran 102 sind direkt mit der Baugruppe 112 der
Sensorelektronik verbunden. Die Ladung auf der Elektrode 144 und
dem Leitungsdraht 104 ist eine Funktion der Kapazität des ersten
Kondensators, und die Ladung auf der Elektrode 146 und
dem Leitungsdraht 106 ist eine Funktion der Kapazität des zweiten
Kondensators. Die Sensorelektronik 60 misst die variablen
Kapazitäten,
die zur Bestimmung des angelegten Prozessdrucks verwendet werden
können.
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Eine
dritte Elektrode 148 ist mit der zweiten Innenwand 128 verbunden
und in dem zweiten Innenhohlraum 134 angeordnet. Ein Verfahren
zum Koppeln der Elektrode 148 erfolgt durch Sputtern. Die
Dicke der Elektrode ist zur Verdeutlichung in den Figuren übertrieben
dargestellt. Die dritte Elektrode 148 ist in der Mittelzone 142 der
zweiten Innenwand 128 angeordnet, ist gegenüberliegend
dem zweiten Innenhohlraum 128 von der Membran 102 aus
angeordnet, ist ähnlich
in Größe und Form
wie die erste Elektrode 144 und ist gegenüberliegend
dem Innenhohlraum 100 von der ersten Elektrode aus angeordnet.
Die dritte Elektrode 148 ist im Hinblick auf die Membran 102 befestigt,
und die dritte Elektrode 148 und die ablenkbare Membran
bilden einen dritten Regel-Kondensator. Die dritte Elektrode 148 ist
direkt mit dem Leitungsdraht 108 verbunden, der in dem
Isolator 120 eingebettet ist und sich durch den keramischen
Stopfen 115 in eine Öffnung 113 erstreckt.
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Eine
vierte Elektrode 150 ist mit der zweiten Innenwand 128 in
dem zweiten Innenhohlraum 134 in der Randzone 138 der
zweiten Innenwand 128 verbunden. Ein Verfahren für den Anschluss
der vierten Elektrode 150 erfolgt durch Sputtern. Die Dicke
der Elektrode ist zur Verdeutlichung in den Figuren übertrieben
dargestellt. Die vierte Elektrode 150 ist gegenüberliegend
dem zweiten Innenhohlraum 134 von der Membran 102 aus
angeordnet, ist ähnlich
in Größe und Form
wie die zweite Elektrode 146 und ist gegenüber dem
Innenhohlraum 100 von der zweiten Elektrode 146 aus
angeordnet. Die Elektroden 148, 150 sind über dem
Isolator 120 und zu der Membran 102 beabstandet
voneinander angeordnet, so dass die Elektroden 148, 150 sich
oder die Membran 102 nicht direkt berühren. Die vierte Elektrode 150 ist
direkt mit dem Leitungsdraht 110 verbunden, der beabstandet
von dem Leitungsdraht 108 und nicht in Kontakt mit diesem
angeordnet ist, und sich zudem durch einen keramischen Stopfen 115 in
die Öffnung 113 erstreckt.
Alternativ kann die vierte Elektrode 150 lediglich das
Ende des Leitungsdrahts 110 sein, das in dem Hohlraum 128 freiliegt.
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Die
dritte und vierte Elektrode 148 bzw. 150 dienen
jeweils als Kondensatorplatte für
separate Kondensatoren. Die dritte Elektrode 148 ist kapazitiv
mit der Membran 102 gekoppelt, um einen dritten Regel-Kondensator
zu bilden, und die vierte Elektrode 150 ist kapazitiv mit
der Membran 102 gekoppelt, um einen vierten Regel-Kondensator
zu bilden. Der dritte und vierte Kondensator sind ähnlich dem
ersten und zweiten Kondensator ausgebildet, jedoch auf der zweiten
Halbzelle 118. Eine mangelnde Symmetrie zwischen den Elektroden 144, 146 auf
der ersten Innenwand 126 und den Elektroden 148, 150 auf
der zweiten Zwischenwand 128 wird ebenfalls in Erwägung gezogen.
Das Beispiel von 10 weist keine vierte Elektrode
und keinen entsprechenden Leitungsdraht auf, und weist somit auch
keinen vierten Kondensator auf. In dem Beispiel ist die dritte Elektrode 148 gegenüberliegend
zu der ersten Elektrode 144 angeordnet, obwohl die dritte
Elektrode in dieser Konfiguration an einer beliebigen Stelle auf
der zweiten Innenwand 128 angeordnet werden kann.
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4 zeigt
Leitungsdrähte 104, 106, 108, 110,
die mit der Elektronik-Baugruppe 112 verbunden sind, und 3 zeigt
an, dass der Sensor 56 betriebsbereit mit einem Analog-Digital-Wandler 62 gekoppelt
ist, wie beispielsweise einem Kapazitäts-Digital-Wandler. Der Analog-Digital-Wandler 62 ist
mit einer anderen Elektronik in dem Sender 36, oder in
der "Senderelektronik" verbunden, wie es
vorstehend bereits mit Bezug auf die 2 und 3 beschrieben
worden ist. Es sind verschiedene Analog-Digital-Wandler bekannt,
die ein analoges Eingangssignal in ein digitales Ausgangssignal
umwandeln und sind für
die Verwendung mit dem Prozessdrucksender 36 annehmbar.
Eine Art von Analog-Digital-Wandler 62 ist ein Sigma-Delta-Wandler,
oder besser bekannt durch sein Symbol ΣΔ. Ein Merkmal, das den Sigma-Delta-Schaltkreis
von anderen Arten von Analog-Digital-Wandlern unterscheidet, liegt
darin, dass der Sigma-Delta-Wandler
einen Ausgleichsstrom mit einer Polarität bereitstellt, der von einem
mit einem Integrator verbundenen getakteten Regler geregelt wird. Der
Analog-Digital-Wandler 62 schließt einen Sigma-Delta-Schaltkreis
ein und kann als anwenderspezifischer integrierter Schaltkreis realisiert
werden. In einem Beispiel ist der anwenderspezifische integrierte
Schaltkreis auf der Sensorelektronik-Baugruppe 112 und
nahe dem Sensor 56 angeordnet. Der anwenderspezifische
integrierte Schaltkreis kann jedoch in einem explosionssicheren
Gehäuse
des Senders 36 angeordnet werden. Der anwenderspezifische
integrierte Schaltkreis kann je nach Bedarf oder Wunsch andere Schaltkreiselemente
einschließen,
um zusätzliche
Funktionen zusätzlich
zu denen des Sigma-Delta-Schaltkreises zu liefern. Eine solche Funktion
kann zur Bestimmung der Kapazität
der Sensorkondensatoren dienen und ein Ausgangssignal bereitstellen,
das eine Funktion des Prozessdrucks ist.
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Die 11 bis 14 zeigen
ein paar Beispiele für
den Sensor 56, der mit dem Analog-Digital-Wandler 62 verbunden
ist. In jedem der dargestellten Beispiele sind die Leitungsdrähte 104, 106, 108, 110 und
somit die Elektroden 144, 146, 148, 150 elektrisch
mit dem Analog-Digital-Wandler 62 verbunden, der als ein
anwenderspezifischer integrierter Schaltkreis 151 in 11 und
als 152 in den 12 bis 14 realisiert
ist, wobei diese das Ausgangssignal 149 liefern. Der Schaltkreis 151 von 11 schließt den Schaltkreis 152 sowie
zusätzliche
Schaltkreiselemente oder elektrische Verbindungen ein. Der anwenderspezifische
integrierte Schaltkreis 152 ist im Stand der Technik bekannt
und kann zusammen mit Sensoren des dazugehörigen Standes der Technik verwendet
werden. Der Schaltkreis 152 wird in dem Modell 3051C Prozessdrucksender
verwendet, der von der Firma Rosemount Inc. mit Sitz in Eden Prairie,
Minn. hergestellt und verkauft wird. Der Schaltkreis 152 in
den 12 bis 14 weist
ein Sensor-Erregungsausgangssignal 155 auf, das mit der
Membran 102 zur elektrischen Ladung der Membran und zur
Erzeugung eines elektrischen Feldes in dem Innenhohlraum 100 elektrisch
verbunden ist. Der Schaltkreis 152 schließt auch
ein hohes Kapazitäts-Eingangssignal 153 und ein
niedriges Kapazitäts-Eingangssignal 154 ein,
die mit den Elektroden 144 bis 150 und einem Linearisationskondensator-Erregungsanschluss 156 elektrisch
verbunden sind.
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Die 12 und 13 zeigen
die erste und vierte Elektrode 144 und 150, die
außerhalb
des Innenhohlraums 100 an einem ersten Knoten 161 elektrisch
miteinander verbunden sind, und die zweite und dritte Elektrode 146 und 148 sind
außerhalb
des Innenhohlraums 100 an einem zweiten Knoten 162 elektrisch
miteinander verbunden. Der erste und zweite Knoten 161, 162 sind
mit dem Schaltkreis 152 elektrisch verbunden. Insbesondere
ist der erste Knoten 161 direkt mit dem hohen Kapazitäts-Eingangssignal 153 und
der zweite Knoten direkt mit dem niedrigen Kapazitäts-Eingangssignal 154 elektrisch
verbunden. Die Linearisierungskondensatoren 157, 158 sind
zwischen den Knoten 161 bzw. 162 angeschlossen
sowie an den Knoten 159, der für den Anschluss 156 bereitgestellt
ist. 12 zeigt Leitungsdrähte 104 und 110,
die zur Bildung eines Knotens 161 gebunden sind, und die
Leitungsdrähte 106, 108 sind
zur Bildung eines Knotens 162 gebunden. In 13 ist
ein erster Einstellungs-Kondensator 165 elektrisch zwischen
der vierten Elektrode 150 und dem ersten Knoten 161 angeschlossen.
Darüber
hinaus ist ein zweiter Einstellungs-Kondensator 167 elektrisch
zwischen der zweiten Elektrode 146 und dem zweiten Knoten 162 angeschlossen.
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14 zeigt
die erste und zweite Elektrode 144, 146, die außerhalb
des Innenhohlraums 100 an einem dritten Knoten 163 elektrisch
miteinander verbunden sind, sowie die dritte und vierte Elektrode 148, 150, die
außerhalb
des Innenhohlraums 100 an einem vierten Knoten 164 miteinander
verbunden sind. Ein erster invertierender Ladungsverstärker 166 ist
mit der zweiten Elektrode 146 elektrisch verbunden und
sein Ausgangssignal wird an den dritten Knoten 163 geliefert.
Ein zweiter invertierender Ladungsverstärker 168 ist mit der
vierten Elektrode 150 elektrisch verbunden und sein Ausgangssignal
wird an den vierten Knoten 164 geliefert. Die invertierenden
Ladungsverstärker
sind in der Technik bekannt und sind im Allgemeinen durch ihre Funktion
zur Verstärkung
und Umkehrung der Polarität
eines Ladungssignals definiert. Der dritte Knoten und vierte Knoten 163, 164 sind
direkt mit dem hohen und niedrigen Kapazitäts-Eingangssignalen 153 bzw. 154 elektrisch
verbunden.
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Die 12 bis 14 zeigen,
dass die Schaltkreiselemente und Knoten außerhalb des Sensors ebenfalls
separat von dem anwenderspezifischen integrierten Schaltkreis 152 angeordnet
sind. Diese Schaltkreiselemente können auf der Baugruppe 112 der
Sensorelektronik angeordnet sein und dann mit dem Schaltkreis 152,
der sich ebenfalls auf der Baugruppe 112 befindet, verbunden
werden. 11 zeigt ein Beispiel, bei dem
ein anwenderspezifischer integrierter Schaltkreis 151 den
Schaltkreis 152 und zusätzliche
Schaltkreiselemente in monolithischer Form aufweist, so dass jede
der in den 12 bis 14 gezeigte
Ausführungsformen
als ein mikroelektronischer Chip realisiert werden kann. Der Schaltkreis 151 kann
auch andere Schaltkreiselemente aufweisen, welche für eine.
spezielle Anwendung geeignet sind. Die Leitungsdrähte 104, 106, 108, 110 sind
direkt mit den Eingangssignalen 170, 172, 174 und 176 des
Schaltkreises 151 verbunden. Der Schaltkreis 151 weist
die in den 12 bzw. 13 gezeigten
Knoten und Kondensatoren auf, oder die in 14 gezeigten
Knoten und invertierenden Ladungsverstärker.
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15 zeigt
die Leitungsdrähte 104, 106, 108, 110 des
Sensors, die mit dem anwenderspezifischen integrierten Schaltkreis 178 an
den Eingängen 180, 182, 184, 186 verbunden
sind. Der Schaltkreis 178 weist zudem den Sensor-Erregungsausgang 181 und
den Schaltkreis-Ausgang 183 auf, welche analog zu denen der
Schaltkreise 151 und 152 sind. Der Schaltkreis 178 unterscheidet
sich vom Schaltkreis 151 insofern, dass Schaltkreis 178 einen
besonderen Sigma-Delta-Wandler verwendet, der sich von dem als Schaltkreis 152 angegebenen
Wandler unterscheidet.
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Die
Membran 102 ist als gerade und flach in 5 gezeigt,
was einen gleichmäßigen angelegten Druck
in dem ersten und zweiten Hohlraum 132, 134 anzeigt.
Wenn eine Druckdifferenz zwischen den Hohlräumen 132, 134 vorliegt,
wie z.B. bei dem Fall, dass der Druck im Hohlraum 134 größer als
der Druck im Hohlraum 132 ist, wölbt sich die Membran von ihrer
ursprünglichen
Position aus, wie es in 16 vorgeschlagen ist.
Die Dicke der Elektrode ist zur besseren Verdeutlichkeit übertrieben
dargestellt. Idealerweise ist die Form einer gewölbten Membran 102 parabolisch,
wie es in 16 gezeigt ist. Die ideale parabolische
Form der gewölbten
Membran stimmt im Allgemeinen mit dem kugelförmigen Umriss der ersten Innenwand 126 überein (ähnlich würde die
Form der gewölbten
Membran im Allgemeinen mit dem Umriss der zweiten Innenwand 128 übereinstimmen,
falls der Druck umgekehrt würde).
Eine ideale Wölbung
der Membran als ein Prozentsatz des Umrisses der ersten Innenwand
ist im Allgemeinen an allen Stellen der Membran identisch. Die Prozentveränderung
bei der variablen Kapazität
ist ebenfalls identisch, da die Membran in diesem Beispiel gegen
die erste Innenwand 126 gedrückt wird. Dementsprechend sollten
der erste und zweite Kondensator dieselben verhältnismäßigen Veränderungen der Kapazität messen,
während
die Membran gegen die erste Innenwand 126 gedrückt wird,
und diese Kapazität
steht mit dem angelegten Prozessdruck in Zusammenhang.
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Die
Membran 102 jedoch wölbt
sich nicht in einer derartigen idealischen parabolischen Art und
Weise. Anstelle dessen verlagert sich die Membran 102 und
wird nach anfänglicher
Wölbung
flach. Beispielsweise zeigt 17 eine
Membranverformung, wenn die Drücke
in beiden Hohlräumen 132, 134 identisch
zueinander sind. Die Membran 102 erstreckt sich in den
einen oder anderen Hohlraum, wenn sie idealerweise ganz und gar
flach sein sollte. Die Größe des in
den 17 und 18 gezeigten
Offset ist lediglich zur Veranschaulichung dargestellt und die tatsächliche
Größe der Verformung
ist übertrieben
dargestellt. Im Allgemeinen wird dieser Offset durch Biegemomente
von Kanten verursacht, die an der Zone 152 auftreten, wo
die Membran 102 in physikalischen Kontakt mit der ersten
und zweiten Innenwand 126 bzw. 128 kommt. Die
Biegemomente der Kanten schließen
Reibungsmomente sowie Nachgiebigkeits- oder Schlupfmomente der Kanten
ein. Die Größe oder
Menge der Biegung entlang der Membran ist zur Verdeutlichung ebenfalls übertrieben
dargestellt. Beispielsweise sind alle Elektroden 144, 146, 148, 150 in
einem tatsächlichen
Sensor 96 für
gewöhnlich
gegenüber
dem flachen Abschnitt der verlagerten Membran 102 angeordnet. 18 zeigt
eine Membranverformung, wenn der Druck im Hohlraum 134 größer als
der Druck im Hohlraum 132 ist. Die Membran 102 wölbt sich
parabolisch, wobei sie sich jedoch von dem Offset-Zustand aus wölbt, und
weist somit eine Offset-Komponente auf. Die Größe der Membranwölbung wird
als Ergebnis des Differenzdrucks, der zu der Größe des Membran-Offset als Ergebnis
der Kanten-Biegemomente addiert wird, zur parabolischen Wölbung.
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Der
Vorgang der Fehlerkompensation wird mit Bezug auf 19 eingeführt, bei
der es sich um ein vereinfachtes Schemadiagramm des Sensors 56 handelt.
Eine Fehlerkompensation beginnt mit der Messung zweier Entfernungen
der Membranwölbung
zu einer ausgewählten
Position, oder Referenzebene, und Subtraktion einer Entfernung von
der anderen Entfernung, um zu einem Wert zu gelangen, der proportional
zu einem fehlerkorrigierten Ausgangssignal ist. Beispielsweise kann
es sich bei der ausgewählten
Position um eine Referenzebene 190 handeln, die eine ideale
Membran im Ruhezustand darstellt. In diesem Beispiel weist die Membran
einen Mittelbereich 192 auf, der im Allgemeinen gegenüberliegend
zu dem Mittelbereich 140 der ersten Innenwand 126 angeordnet
ist, sowie eine Randzone 194, die im Allgemeinen gegenüberliegend
zu der Randzone 136 der ersten Innenwand 126 liegt.
Die erste Entfernung X1 ist die Entfernung
des Mittelbereichs 192 der Membran zu einer Ebene 190.
Die zweite Entfernung X2 ist die Entfernung
der Randzone 194 der Membran zu der Ebene 190.
Die zweite Entfernung X2 wird von der ersten
Entfernung X1 subtrahiert, um einen Wert
zu liefern, der proportional zu einem fehlerkorrigierten Ausgangssignal
einer Differenzdruckmessung oder R ist. Insbeson dere ist R = K(X1 – X2).
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Der
Wert K kann ein Einheitswert oder eine andere Konstante sein. Der
Wert K wird für
gewöhnlich
zur Skalierung des Ausgangssignals verwendet ist oft identisch mit
oder liegt zwischen (–1)
und (1). In einem Beispiel ist K gleich dem Umkehrwert, der aus
der Entfernung X01 des Mittelbereichs 140 der
Innenwand zu der Ebene 190, die zu der Entfernung X02 der Randzone 136 der Innenwand
zu der Ebene 190 addiert wird, resultiert. Insbesondere
ergibt sich: K = 1/(X01 + X02).
Bei der Implementierung des Sensors 96 wird X01 durch
Messen der Entfernung zwischen den Mittelelektroden 144, 148 und
durch Dividieren durch zwei erhalten. Bei der Implementierung des
Sensors 96 wird X02 durch Messen
der Entfernung zwischen den Randelektroden 146, 150 und
durch Dividieren durch zwei erhalten. Dementsprechend ergibt sich: R = (X1 – X2)/(X01 + X02)
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Falls
die Innenwand gekrümmt
ist, ist X01 nicht gleich X02.
Diese Transferfunktion kann in einer Vielzahl von Sensoren implementiert
werden, die ein dielektrisches Füll-Fluid
für die
Kompensation einer Membranverformung und Veränderungen der Dielektrizitätskonstanten
des Füll-Fluids
aufweisen. Ein Sensor, der zur Implementierung dieser Transferfunktion
eingesetzt wird, ist der Sensor von 5 mit vier
Elektroden. In einer Transferfunktion, die vom Sensor aus 10 mit
drei Elektroden implementiert ist, gibt es keinen Wert X02. Somit ergibt sich: K = 1/X01.
Dementsprechend ergibt sich folgende Gleichung: R
= (X1 – X2)/X01
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Die
Berechnungen und das Ergebnis können
von einer beliebigen Signalverarbeitungseinrichtung aus einer Vielzahl
von Vorrichtungen zusätzlich
zu dem vorstehend beschriebenen anwenderspezifischen integrierten
Schaltkreisen bereitgestellt werden.
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Eine
Grundform einer bei dem Sender von 2 zur Lieferung
eines fehlerkompensierten Ausgangssignals bei der Messung des Prozessdrucks
verwendeten Transferfunktion nutzt vier Kapazitätsmessungen, die vom Sensor 56 bereitgestellt
werden. Die Kapazität
des ersten Kondensators steht mit einem elektrischen Signal an einer
ersten Elektrode 144 in Zusammenhang und wird als erste
Kapazität
oder C1 beschrieben. Die Kapazität des zweiten
Kondensators steht mit einem elektrischen Signal an der zweiten
Elektrode 146 in Zusammenhang und wird als zweite Kapazität, oder
C2 beschrieben. Die Kapazität des dritten
Kondensators steht mit einem elektrischen Signal an der dritten
Elektrode 148 in Zusammenhang und wird als dritte Kapazität, oder
C3 beschrieben. Die Kapazität des vierten
Kondensators steht mit einem elektrischen Signal an der vierten
Elektrode 150 in Zusammenhang und wird als vierte Kapazität, oder
C4 beschrieben.
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Das
Ausgangssignal R der grundlegenden Transferfunktion zeigt eine Differenzdruckmessung
an, wobei eine Membranverformung kompensiert ist. Ein Ausdruck der
grundlegenden Transferfunktion ist in Gleichung A gezeigt: R = ((C1 – C3) – (C2 – C4))/((C1 + C3) – (C2 + C4)) [A]
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In
Gleichung A wird die vierte Kapazität C4 von
der zweiten Kapazität
C2 subtrahiert, um eine erste Differenz
(C2 – C4) zu erhalten. Die dritte Kapazität C3 wird von der ersten Kapazität C1 subtrahiert, um eine zweite Differenz (C1 – C3) zu erhalten. Die erste Differenz wird
von der zweiten Differenz zum Erahlt eines Zählers subtrahiert. Der Nenner
weist eine erste Summe aus der zweiten und vierten Kapazität (C2 + C4) auf, die
von einer zweiten Summe aus der ersten und dritten Kapazität (C1 + C3) subtrahiert
wird. Der Zähler
wird zum Erhalt des Ergebnisses R durch den Nenner dividiert. Diese
Schritte können
auch in einer anderen Reihenfolge oder es können auch mehrere Schritte
gleichzeitig ausgeführt
werden.
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Die
grundlegende Transferfunktion der Gleichung A steht mit der Fehlerkompensation
basierend auf einem Abstand der Wölbung oder Ablenkung in Zusammenhang,
wie es vorstehend mit Bezug auf 19 beschrieben
worden ist. Das Verhältnis
der Kapazität
der Randelektrode zu der Kapazität
der Mittelelektrode wird zur Leistungsverbesserung des Sensors ausgewählt. Beispielsweise
ergibt sich, wenn X01/X02 =
(C2 + C4)/(C1 + C3), oder C2/C1 = C4/C3 = X01/X02 ist, dann R = (X1 – X2)/(X01 + X02). In der Praxis ergibt sich daraus, dass
die Abmessung der Elektroden in der Randzone, d.h. der Elektroden 146, 150,
ziemlich klein ist, oder im Falle einer Ring- oder teilweisen Ringkonfiguration
dünn ist.
Eine andere Möglichkeit,
dieses Ergebnis zu erzielen, besteht darin, einige oder alle vier
Kapazitäten,
die mit den jeweiligen elektrischen Signalen in Zusammenhang stehen,
zu verstärken,
abzuschwächen
oder eine Kombination von beiden, bevor die Transferfunktion zum
Arbeiten mit den Kapazitäten
verwendet wird. Eine Abschwächung
bedeutet zugleich eine Verstärkung;
insbesondere handelt es sich um eine Verstärkung von weniger als eins.
Auf diese Weise werden die "rohen" elektrischen Signale,
die an den Elektroden 144, 146, 148, 150 tatsächlich vorliegen,
jeweils mit einem ausgewählten
Verstärkungsfaktor
zur Lieferung von elektrischen Signalen, die die vier Kapazitäten wiedergeben,
die zur Implementierung von Transferfunktionen geeignet sind, multipliziert.
In dem Sensor von 5 werden die rohen elektrischen
Signale der Elektroden 146 und 150 um einen Verstärkungsfaktor
kleiner als Eins verstärkt, um
Signale zu liefern, die in der Transferfunktion verwendet werden.
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14 zeigt
eine Implementierung der grundlegenden Transferfunktion. Der Schaltkreis 152 empfängt zwei
Eingangssignale, welche die Kapazitäten an dem hohen und dem niedrigen
Kapazitätseingang 153, 154 darstellen,
wobei die Kapazitäten
als CH und CL abgekürzt werden.
Der Schaltkreis 152 empfängt die Eingangssignale und
liefert ein Ausgangssignal R1, welches sich
in Gleichung B folgendermaßen
ausdrücken lässt: R1 =
(CL – CH)/(CH + CL) [B]
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Der
Eingang 153 empfängt
ein Signal CL, das gleich (C1 – C2) ist; und Eingang 154 empfängt ein
Signal CH, das gleich (C3 – C4) ist. Dementsprechend lässt sich das Ausgangssignal
des Schaltkreises 152 als Gleichung C ausdrücken: R1 =
((C1 – C2) – (C3 – C4))/((C1 – C2) + (C3 – C4)) [C]
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Oft
werden Streukapazitäten
in die Kapazitätsmessungen
des Sensors 96 eingebracht. Als Ergebnis kann jeder Kapazitästerm in
Gleichung A einen Hauptkapazitätsterm
aufweisen, der die Kapazität
zwischen der Elektrode und der Membran 102 darstellt, sowie
eine Streukapazität.
Beispielsweise kann die erste Kapazität eine erste Hauptkapazität und eine
erste Streukapazität
aufweisen, so dass C1 = (C1M +
C1S). Ähnlich
ergibt sich C2 = (C2M +
C2S), C3 = (C3M + C3S) und C4 = (C4M + C4S).
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Die
Implementierung von 14 zieht die Auswirkung von
Streukapazitäten
in Betracht. Wenn die Verstärkungen
bei invertierenden Ladungsverstärkern 166, 168 auf
(–1) eingestellt
werden, ist die Transferfunktion der Implementierung unabhängig von
der Streukapazität,
wenn C1S = C2S =
C3S = C4S. Im Allgemeinen invertiert
der erste invertierende Ladungsverstärker 166 jedoch die
Polung von C2 und multipliziert das Ergebnis
um eine Verstärkung
A1, und der zweite invertierende Ladungsverstärker 168 invertiert
die Polung von C4 und multipliziert das
Ergebnis um eine Verstärkung
A2. Daher lautet ein Ausdruck des Ergebnisses
der Konfiguration von 14, der mit der grundlegenden
Transferfunktion übereinstimmt,
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Die
gewünschte
Kompensation kann durch Einstellen der Verstärkungen A1 und
A2 erreicht werden. Die Wirkung von Streukapazität kann durch
eine optimale Konstruktion eines Sensors reduziert werden, und Verstärkungen
A1 und A2 können unabhängig voneinander
eingestellt werden, um eine fehlende physikalische Symmetrie zu
kompensieren.
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Die 12 und 13 zeigen
zwei Beispiele für
eine weitere Implementierung der grundlegenden Transferfunktion.
Ein Ausdruck der grundlegenden Transferfunktion ist als Gleichung
D dargestellt: R
= ((C1 + C4) – (C2 + C3))/((C1 + C4) + (C2 + C3)) [D]
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Gleichung
E stimmt mit dem Ausdruck von Gleichung A überein. In Gleichung D wird
die erste Kapazität
C1 zu der vierten Kapazität C4 addiert, um eine erste Summe (C1 + C4) zu erhalten.
Die zweite Kapazität C2 wird zu der dritten Kapazität C3 zum Erhalt einer zweiten Summe (C2 + C3) addiert.
Die erste Summe wird zu der zweiten Summe zum Erhalt des Nenners
addiert und die zweite Summe wird von der ersten Summe zum Erhalt
des Zählers
subtrahiert. Der Zähler
wird durch den Nenner geteilt, um das Ergebnis R zu erhalten.
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Zusätzliche
Kapazitätswerte
sind in der Implementierung der Transferfunktion für das Beispiel
von 12 eingeschlossen. Die Implementierung ist auch
anfällig
für Auswirkungen
von Streukapazität.
In einer Konstruktion des Sensors sind die vier Streukapazitäten identisch
zueinander. In einer anderen Konstruktion sind die Streukapazitäten wirksam
beseitigt. Das Beispiel weist zudem zwei Linearisations-Kondensatoren 157, 158 ein,
die Linearisationskapazitäten
CL1 bzw. CL2 einbringen,
welche die Transferfunktion beeinflussen. Daher lautet ein Ausdruck
des Ergebnisses R2 der Konfiguration von 12 unter
Berücksichtigung
der Linearisations- und Streukapazitäten folgendermaßen:
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Der
Schritt des Addierens der ersten Kapazität C1 zu
der vierten Kapazität
C4 in Gleichung D schließt das Subtrahieren einer ersten
Linearisationskapazität
CL1, welche mit einem elektrischen Signal
an einem ersten Linearisationskondensator 157 in Zusammenhang
steht, von der ersten oder vierten Kapazität zum Erhalt der ersten Summe
ein. Zudem schließt
der Schritt des Addierens der dritten Kapazität C3 und
der zweiten Kapazität
C2 in Gleichung D das Subtrahieren einer
zweiten mit einem elektrischen Signal an einem zweiten Linearisations-Kondensator 158 in
Zusammenhang stehenden Linearisationskapazität CL2 von
der zweiten oder dritten Kapazität
zum Erhalt der zweiten Summe ein.
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Noch
zusätzliche
Kapazitätswerte
sind in der Implementierung der Transferfunktion für das Beispiel aus 13 eingeschlossen.
Das Beispiel weist zwei Einstellungs-Kondensatoren 165, 167 auf,
die Einstellungskapazitäten
CA1 bzw. CA2 einbringen,
welche die Transferfunktion beeinflussen. Somit ist ein Ausdruck des
Ergebnisses R3 der Konfiguration in Gleichung E gezeigt:
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Die
zweite Kapazität
C2 aus Gleichung D wird zu einer zweiten
Effektivkapazität
C2E in Gleichung E, und wird folgendermaßen ausgedrückt: C2E = C2A(C2M + C2S)/(CA2 + C2M + C2S)
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Die
zweite Effektivkapazität
C2E schließt die zweite Einstellungskapazität CA2 ein, die mit der Summe aus der zweiten
Hauptkapazität
C2M sowie einer zweiten Streukapazität C2S multipliziert ist, und durch die Summe
aus der zweiten Einstellungskapazität CA2,
der zweiten Hauptkapazität
C2M und der zweiten Streukapazität C2S dividiert ist.
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Die
vierte Kapazität
C4 aus Gleichung D wird zu einer vierten
Effektivkapazität
(C4E) in Gleichung E und wird folgendermaßen ausgedrückt: C4E = CA1(C4M + C4S)/(CA1 + C4M + C4S)
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Die
vierte Effektivkapazität
C4E schließt die erste Einstellungskapazität CA1 multipliziert mit der Summe aus der vierten
Hauptkapazität
C4M und der vierten Streukapazität C4S und dividiert durch die Summe aus der ersten
Einstellungskapazität
CA1, der vierten Hauptkapazität C4M und der vierten Streukapazität C4S ein.
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Gleichung
A kann in vielen Formen implementiert werden. Beispielsweise empfängt der
Schaltkreis 178 von 15 elektrische
Signale, die mit den vier Kapazitäten der Leitungsdrahte 104, 106, 108, 110 in
Zusammenhang stehen. Der Schaltkreis 178 verarbeitet dann
die Signale zur Erzeugung eines Ausgangssignals, das mit der in
Gleichung A dargelegten grundlegenden Transferfunktion übereinstimmt.
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Die
vorstehend beschriebene Gleichung R = (X1 – X2)/X01 kann mit Hilfe
eines Sensors mit drei Kondensatoren implementiert werden, ähnlich dem
Sensor von 10. Die Kapazität des esrsten
Kondensators steht mit einem elektrischen Signal an der ersten Elektrode 144 in
Zusammenhang und wird als erste Kapazität oder C1 beschrieben.
Die Kapazität
des zweiten Kondensators steht mit einem elektrischen Signal an
der zweiten Elektrode 146 in Zusammenhang und wird als
die zweite Kapazität
oder C2 beschrieben. Die Kapazität des dritten
Kondensators stelzt mit einem elektrischen Signal an der dritten
Elektrode 148 in Zusammenhang und wird als die dritte Kapazität oder C3 besschrie ben.
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Das
Ergebnis R der diesen Sensor verwendenden Transferfunktion lautet
folgendermaßen:
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In
dieser Gleichung wird die erste Kapazität C1 mit
der dritten Kapazität
C3 und mit einer ersten Konstanten A multipliziert,
um einen ersten Wert (AC1C3)
zu erhalten. Der erste Wert wird zum Erhalt eines zweiten Werts
(AC1C3/C2) durch die zweite Kapazität C2 dividiert. Der zweite Wert wird von der
dritten Kapazität
C3 zum Erhalt eines vierten Werts subtrahiert,
der dann zum Erhalt eines Zählers
von der ersten Kapazität
C1 subtrahiert wird. Der Zähler wird
durch die Summe aus der ersten Kapazität C1,
der dritten Kapazität
C3 und einer zweiten Konstanten B dividiert.
Die Konstanten A und B werden so gewählt, dass R = (X1 – X2)/X01.
