JP2001506006A - 圧力を測定するための方法および圧力測定デバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 この発明は、トランスデューサとしての役割を果たすセンサが共振させられ、その共振によって生じる誤った読取が測定され、補償信号が測定要素にフィードバック供給され、その信号が実質的にフィルタ処理されないという概念に基づいている。この発明による装置は、上限バリア周波数がトランスデューサの共振周波数より上であり、トランスデューサにおける共振によって生じる誤差信号を検出し、かつ補償信号を発生して検出器手段に供給するための誤差検出および補償手段を装置が含むという概念に基づいている。

Description

【発明の詳細な説明】 容量性圧力トランスデューサにおける共振により生じる 誤った読取の電子補償のための方法および装置 この発明は、容量性圧力トランスデューサにおける共振により生じる誤った読 取の電子補償のための、請求項１のプリアンブルによる方法に関する。 この発明はさらに、容量性圧力トランスデューサにおける共振により生じる誤 った読取の電子補償のための装置に関する。 これまで、容量性圧力トランスデューサにおける共振により生じる誤った読取 の電子補償のための方法も装置も公知ではなかった。これは恐らく、膜が非常に 薄く、非常に低い圧力を計量する場合にしか自励発振が問題とはならないためで あろう。１トルトランスデューサに対する試験から、膜が共振に敏感であること がわかる。 この発明の目的は、先行技術の欠点を取り除き、容量性圧力トランスデューサ における共振により生じる誤った読取の電子補償のための新規の解決策を提供す ることである。 この発明は、トランスデューサとして機能するセンサを共振させ、共振により 生じる誤った読取を測定し、測定要素にフィードバック補償信号を供給し、そこ で信号は実質的にフィルタ処理されないという概念に基づいている。この発明に よる装置は、上限バリア周波数がトランスデューサの共振周波数より上であり、 トランスデューサの誤った読取を検出し、かつ検出要素へ供給すべき補償信号を 発生するための誤差検出および補償要素を装置が含むという概念に基づいている 。 より特定的には、この発明による方法は請求項１の特徴部分に記載されるもの により特徴付けられる。 この発明による装置は、請求項１０の特徴部分に記載されるものにより特徴付 けられる。 この発明はかなりの利点を提供する。 補償は非常に有効であり、歪みのない自励発振の場合、１００％まで誤った読 取をなくすことができる。 この発明は以下に詳細な説明および例示的な実施例により説明される。添付の 図面において好ましい実施例が示され、 図１は、この発明において用いることのできる容量性圧力トランスデューサの 基本的な機構の側面図であり、 図２は、図１の圧力トランスデューサのための典型的な公知の測定回路を表わ しており、 図３は、図２の要素Ｆ１のより詳細な図であり、 図４は、容量性圧力トランスデューサにおける共振により生じる誤った読取の 電子補償のための、この発明による結合を示す。 膜の共振により生じる誤った読取を補償する電子回路について以下に説明する 。 ここに説明する種類の圧力トランスデューサは一般的に容量圧力計と称される 。容量圧力計において、測定すべき圧力は膜の一方の側に作用し、膜の他方の側 には通常非常に低い基準圧力の下にある。その膜の動きを利用して圧力が測定さ れる際に、いくつかの寄生パラメータが生じ、これらは決して測定によい影響を 与えることがない。これらのパラメータのうちの１つは膜の自然共振周波数を含 む。この周波数において膜は最低限の外部からのエネルギ入力で自励発振する。 単なる直感的洞察に基づいて考えても、膜のこのような自励発振が測定の妨げと なることは明らかである。実際の測定に基づいても、その通りであることが知ら れている。このような自励発振がどのように測定に影響を及ぼすかを理解するた めに、まず、トランスデューサ要素の機能と、トランスデューサ要素の容量の変 動を電流圧力に比例する電圧に変換する電子回路の機能とを説明することが不可 欠である。図１には、膜および電流測定電極を備えたトランスデューサ要素が示 される。 膜２の動きを検出するため、基準真空空間３において膜２の内側に電極４が配 置されており、同じ空間においてハウジング体７上に第２の電極５が配置されて いる。接続ワイヤ６がこれらの電極３および４からトランスデューサハウジング の外側へ導かれる。膜２はトランスデューサハウジング７と底部８との間でガラ ス継手９によって固定され張力をかけられており、圧力が上昇するとトランスデ ューサハウジング７の高さに向かって内側に移動する。２つの電極４および５の 間の容量はここで以下の等式に従って変化する。 ここで、Ａ＝電極の表面、d＝電極間の距離、およびε＝誘電率である。このよ うに、容量は電極間の距離に反比例しており、そのため圧力にも反比例する。以 下の関係が電極間の距離と圧力との間に存在する。 ここで、r＝膜２の半径およびt＝膜２の厚さである。pは圧力であり、ｋは比例 定数を表わす。この発明によれば、測定された容量を圧力に比例する電気信号に 変換するには、以下に挙げる測定原理が適用される。 Ｃpは図２によるキャパシタにおけるトランスデューサ要素１の電極４と電極 ５との間の容量であり、よってこれらの間の距離を表わしており、この距離はま た圧力に比例している。８ｋＨｚ（Ｑ）の周波数を有する平行四辺形信号が２つ のスイッチＳＷ１およびＳＷ２に供給する。Ｕrは基準電圧であり、これは実際 にはＱと同じ周波数を有し振幅が一定である平行四辺形信号である。演算増幅器 Ｆ１の内部において以下の関係が存在する。 抵抗R2と抵抗R3との間の電圧は、ＳＷ２が増幅器Ｆ２の反転入力への接続を確 立するときはいつでも０である。このため、以下に示す関係がこれらの抵抗を通 る電流の間に存在する。 この結果、 等式３を等式５と組合せると、次の式が得られる。 ここから が導かれ、R2=R3である場合、 出力信号は基準電圧Ukおよび基準容量Crに比例し、測定された容量に反比例する 。このように、等式１によれば、出力信号は電極間の距離に比例し、このため圧 力とも比例する。 標準圧力測定において、膜は圧力に関連して移動し、これにより電極間の距離 が変化して容量の変化が生じる。膜に対する媒体の力はこの場合、膜の弾性から 生じる反力により平衡が保たれる。代わりに膜が、たとえばF=m・aによる加速に より生じる短い力のパルスにさらされると、膜はこの力が続いている間この力に 比例して移動する。この力が作用しなくなると、この力と膜の反力との平衡がな くなり、膜は反動で戻る。この結果、膜は短い間その平衡の位置の周辺で前後に 振動することになる。 発振は減衰し、膜の共振周波数において生じる。代わりに、膜の共振周波数と 同じ周波数を有する材料にパルス状または波状に力が導入されると、自励発振は 増加し、導入されたエネルギとエネルギ損とが同じとなるある振幅において一定 に保たれる。この種類の膜の動き（共振）に関連して、振幅は大きくなることが あり、標準測定範囲全体を越えることさえある。この状況にも拘らず、膜はなお 、膜の前の気体の静圧力を測定する。しかしながら、ここで正の偏差が測定結果 に加えられる。偏差は自励発振の振幅の求積に比例する。伝達関数Uut=Uk.Cr/Cp を考慮して、膜の正および負の振幅が同じ大きさである調和運動（自励発振）は 実際、これを反映する出て行く信号を発生する筈であり、すなわち、Uutはこの 自励発振の振幅に対して対称的に変動する。しかしながら、これらの膜の典型的 な共振周波数は１０００から２０００Ｈｚの間にあり、このためUutに関する上 記の関係は共振周波数においては有効ではない。接続のスイッチング周波数は積 分器により定められる。CiとR2およびR3との間の接続は通常スイッチング周波数 がほぼ３０Ｈｚとなる態様である。共振の間、周波数は非常に高いためUutが変 動する時間がない。代わりに、Uutは平均値にとどまる。Ｆ１の内部においては 共振周波数における条件は標準測定における条件とは全く 異なる。標準測定において、Usは一定であり、Us=Ukであり、Uutは容量が変化す る間、これが満たされるような態様で変動する。共振周波数においてUutは一定 に保たれ、Us=Uut Cp/Crであり、すなわちUsは容量に伴って変動する。Usの平均 値はここで、dの対称的変動の間、非自励発振の間のものとは異なる。usの平均 値は自励発振の振幅によりシフトされる。 すなわち、 このシフトは自励発振の振幅に２乗で比例する。すなわち、回路は、Usの平均値 が共振の間シフトしているように見える状態を見ることになる。実際には、この シフトは共振周波数においては生じず、代わりにスイッチング周波数より下の周 波数において生じ、このため等式８が有効である。代わりに、今度はUutがシフ トされ、UsはUkと等しくなろうとする。増幅器は高周波情報と低周波情報との間 のミクサとして動作する。Uutを振動によりシフトできる方法はこれだけではな い。Ｆ１の周囲のスイッチ図を再び参照すると、測定された容量に浮遊容量が加 えられている。 この余分な容量は実際には、増幅器Ｆ１の反転入力とＳＷ１からのフィードと の間のさらなる容量性接続のすべてにより構成され得る。これらの余分な容量（ 浮遊容量）のすべてに共通していることは、圧力の関数を構成していないことで ある。そこで浮遊容量が伝達関数に挿入されると以下の式が得られる。 さらに膜を自励発振させると、以下の式が得られる。 この式から以下の式が導かれる。 Uutは二乗でm・do₀に従属する態様で変化させられる。「m・d₀」は電極間の距 離の振幅を構成する。ここでも、Uutは共振周波数を追う時間がなく、平均値を 示す。Usは共振周波数においてUkと等しくならないが、代わりに容量に比例して 変動する。Usの変動の平均値はm・d₀に関して直流電圧の二乗の態様でシフトされ 、このためUutはUs=Ukが直流電圧の態様で存在できるような態様で新しい値をと る。この関係は前述の場合と同じである。双方の場合における基本的な理由は、 Usが共振の間に付加的なΔUsを得ることであり、このためUs＋ΔUs=Ukである。 このように、Usを測定することにより、Ukの見かけのシフトの測定を得て不平衡 を補償することが可能となる。補償信号は以下の態様で得られる。Usは、バリア 周波数が明らかに共振周波数を越えている回路によりUsとUkとの差を測定するこ とにより分離できる。公知であるようにUsは膜の共振周波数を有する正弦電圧で ある。この交流電圧は増幅され、整流され、フィルタ処理され、R2とR3との加算 点に戻るためスケーリングされる。 図４には実施の回路が示される。信号Usは抵抗R4と抵抗R5との間でUkと比較さ れ、次に増幅される。増幅器Ｆ３により増幅された後、信号はダイオードＤによ り整流され、低域フィルタＦ４によりフィルタ処理され、出力において位相のず れがＦ５により調整され、その後出力電圧Uresが抵抗器R_resを介してR2とR3との 間の節点にフィードバックされる。 実際には、膜が可変トーン発生器により共振させられるような態様で補償が起 こる。出力信号の誤った読取は非共振と比較して共振の間に記録される。補償回 路からの信号Uresは、共振の際のUutと非共振の際のUutとの差がなくなるまで切 換えられスケーリングされる。この補償は非常に効率がよく、歪みのない自己共 振の場合には１００％まで誤った読取をなくすことができる。 この種の共振の問題はシステムによってはポンプからの振動とシステム設計と の協働がうまくいかないために生じることがある。このような場合、測定を行な うのであれば補償回路は不可欠である。このような場合の共振はしばしば、時間 および大きさにおいて変動しやすい傾向があり、このため補償のない出力信号は 非常に不快なリプルのこれらの誤差の源に照らして２乗で変動する。 ダイオード整流の代わりに、測定信号を求積により整流してもよい。 この発明によれば、膜の発振の振幅の関数である電圧を発生する整流器さえ用 いてもよい。 この発明によれば、整流器の前に増幅を変化させ、かつ誤差が０である場合に は変調の程度を変化させることによって所望の態様で測定誤差を変調依存にして もよい。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】平成１０年９月１４日（１９９８．９．１４） 【補正内容】 圧力を測定するための方法および圧力測定デバイス この発明は、請求項１のプリアンブルによる容量性圧力トランスデューサを用 いて圧力を測定する方法と、請求項１０のプリアンブルによる容量性圧力トラン スデューサを含む圧力測定デバイスとに関する。 当該技術において長い間、膜を含む容量性圧力トランスデューサの容量をモニ タすることによって流体の圧力を測定することが公知であった。膜の変形は圧力 に依存しており、その容量をモニタすることにはＡＣ電圧を容量性圧力トランス デューサに印加することを含む。一般的な方法およびデバイスの説明はHans- 7/8(1958)において見ることができる。 しかしながら、このような測定の結果は容量性圧力トランスデューサの共振の 影響を受けることがあり、これは特に非常に薄い膜を用いて非常に小さい圧力を 測定する場合に言えるである。一般的な種類の１トルトランスデューサは共振に 非常に敏感であることがわかっている。これまで、共振により生じる誤った読取 を補償する方法もデバイスも知られていない。 容量性圧力トランスデューサはＪＰ−Ａ−０４ １０４ ０２７およびＥＰ− Ａ−０ １９４ ９５３から公知である。後者は力または加速を測定するのに用 いることもできる。使用中にその特性を定め、共振を避ける。 この発明の目的は先行技術の欠点を取除き、容量性圧力トランスデューサにお ける共振の影響が補償されるように圧力を測定するための方法およびデバイスを 提供することである。 この発明は、容量性圧力トランスデューサを共振させ、共振により生じる誤っ た読取を測定し、測定要素にフィードバック補償信号を供給し、信号は実質的に フィルタ処理されないという概念に基づいている。この発明によるデバイスは、 上限バリア周波数がトランスデューサの共振周波数より上であり、トランスデュ ーサの誤った読取を検出し、かつ検出要素へ供給すべき補償信号を発生するため の誤差検出および補償要素を共振の影響を補償するための装置が含むという概念 に基づいている。 より特定的には、この発明による方法は請求項１の特徴部分に記載されるもの により特徴付けられる。 この発明による装置は、請求項１０の特徴部分に記載されるものにより特徴付 けられる。 この発明はかなりの利点を提供する。 補償は非常に有効であり、歪みのない自励発振の場合、１００％まで誤った読 取をなくすことができる。 この発明は以下に詳細な説明および例示的な実施例により説明される。添付の 請求の範囲 １．容量性圧力トランスデューサ（１）を用いて圧力を測定し、かつＡＣ測定に より前記容量性圧力トランスデューサ（１）の容量を判定するための方法であっ て、前記容量性圧力トランスデューサ（１）における共振による誤った読取が、 前記容量性圧力トランスデューサ（１）を人為的に共振させるステップと、 測定回路において前記トランスデューサ（１）の前記共振によって生じた誤差 （ΔUs）を測定するステップと、 前記誤った読取を完全になくす補償信号（Ｕres）を前記測定回路に供給する ステップとによって電子的に補償されることを特徴とする、方法。 ２．前記容量性圧力トランスデューサ（１）が別個の較正状況において共振させ られることを特徴とする、請求項１に記載の方法。 ３．前記補償信号が増幅器（Ｆ１）と積分器（Ｆ２）との間で前記測定回路に供 給されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。 ４．前記容量性圧力トランスデューサ（１）からのＡＣ電圧は整流されることを 特徴とする、請求項１に記載の方法。 ５．ＡＣ電圧が容量性フィードバック演算増幅器を用いて変換されるインピーダ ンスであることを特徴とする、請求項１に記載の方法。 ６．測定信号が低域フィルタ処理されることを特徴とする、請求項１に記載の方 法。 ７．測定信号が求積により整流されることを特徴とする、請求項１に記載の方法 。 ８．膜発振の振幅の関数である電圧を発生する整流器が用いられることを特徴と する、請求項１に記載の方法。 ９．整流する前に増幅を変化させ、かつ誤差が０である場合に変調の程度を変化 させることによって所望の態様で測定誤差を変調依存にすることを特徴とする、 請求項１に記載の方法。 １０．容量性圧力トランスデューサ（１）と、前記容量性圧力トランスデューサ （１）のセンシング膜（２）の位置および圧力を同時に検出するための検出器手 段（ＳＷ１、Ｆ１、Ｆ２）とを含む圧力測定デバイスであって、上限バリア周波 数が前記トランスデューサ（１）の共振周波数より上であり前記容量性圧力トラ ンスデューサ（１）における共振により生じる誤った読取を検出し、かつ補償信 号（Ｕres）を発生して前記検出器手段（ＳＷ１、Ｆ１、Ｆ２）に供給するため の誤差検出および補償手段（Ｆ３、Ｆ４、Ｆ５）を備えた、前記容量性圧力トラ ンスデューサ（１）における共振によって生じる前記誤った読取の電子捕償のた めの装置をさらに含むことを特徴とする、デバイス。 １１．前記装置が増幅器（Ｆ３）、整流器（Ｄ）、フィルタ（Ｆ４）およびスケ ーリングデバイス（Ｆ５）を含むことを特徴とする、請求項１０に記載のデバイ ス。 １２．前記装置は前記容量性圧力トランスデューサを人為的に共振させるための 手段を含むことを特徴とする、請求項１０に記載のデバイス。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．容量性圧力トランスデューサ（１）における共振による誤った読取の電子補 償のための方法であって、 前記圧力トランスデューサ（１）の容量はＡＣ測定により定められており、 前記トランスデューサ（１）が人為的に共振させられ、 前記トランスデューサ（１）の前記共振により生じる誤差（ΔＵs）が測定回 路において測定され、 前記誤った読取を完全になくす補償信号（Ｕres）が前記測定回路（Ｆ１、Ｆ ２）へ供給されることを特徴とする、方法。 ２．前記トランスデューサ（１）が別個の較正状況において共振させられること を特徴とする、請求項１に記載の方法。 ３．前記補償信号が前記測定回路における増幅器（Ｆ１）と積分器（Ｆ２）との 間で供給されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。 ４．膜キャパシタからのＡＣ電圧が整流されることを特徴とする、請求項１に記 載の方法。 ５．ＡＣ電圧が容量性フィードバック演算増幅器を用いて変換されるインピーダ ンスであることを特徴とする、請求項１に記載の方法。 ６．測定信号が低域フィルタ処理されることを特徴とする、請求項１に記載の方 法。 ７．測定信号が求積により整流されることを特徴とする、請求項１に記載の方法 。 ８．膜発振の振幅の関数である電圧を発生する整流器が用いられることを特徴と する、請求項１に記載の方法。 ９．整流器の前に増幅を変化させ、かつ誤差が０である場合に変調の程度を変化 させることによって所望の態様で測定誤差を変調依存にすることを特徴とする、 請求項１に記載の方法。 １０．容量性圧力トランスデューサにおける共振によって生じる誤った読取の電 子補償のための装置であって、 前記圧力トランスデューサ（１）のセンシング膜（２）の位置および圧力の同 時検出のための検出器手段（ＳＷ１、Ｆ１、Ｆ２）を含んでおり、 上限バリア周波数が前記トランスデューサ（１）の共振周波数より上であり、 前記トランスデューサ（１）における共振により生じる前記誤った読取を検出し 、かつ補償信号（Ｕres）を発生して前記検出器手段（ＳＷ１、Ｆ１、Ｆ２）に 供給するための誤差検出および補償手段（Ｆ３、Ｆ４、Ｆ５）を含むことを特徴 とする、装置。 １１．装置が増幅器（Ｆ３）、整流器（Ｄ）、フィルタ（Ｆ４）およびスケーリ ングデバイス（Ｆ５）を含むことを特徴とする、請求項４に記載の装置。 １２．装置が前記トランスデューサ（１）を人為的に共振させるための手段を含 むことを特徴とする、請求項４に記載の装置。