WO2018197128A1 - Pressure measuring device - Google Patents

Pressure measuring device Download PDF

Info

Publication number
WO2018197128A1
WO2018197128A1 PCT/EP2018/057595 EP2018057595W WO2018197128A1 WO 2018197128 A1 WO2018197128 A1 WO 2018197128A1 EP 2018057595 W EP2018057595 W EP 2018057595W WO 2018197128 A1 WO2018197128 A1 WO 2018197128A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
frequency
shf
signal
transmitting
pressure
Prior art date
Application number
PCT/EP2018/057595
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Thomas Blödt
Nils Ponath
Thomas Uehlin
Winfried Mayer
Original Assignee
Endress+Hauser SE+Co. KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Endress+Hauser SE+Co. KG filed Critical Endress+Hauser SE+Co. KG
Publication of WO2018197128A1 publication Critical patent/WO2018197128A1/en

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0072—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L11/00—Measuring steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by means not provided for in group G01L7/00 or G01L9/00
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/12—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in capacitance, i.e. electric circuits therefor

Definitions

  • the invention relates to a pressure measuring device and a corresponding method for determining the pressure by means of the pressure measuring device according to the invention.
  • Process variables are sensors used, for example, in
  • Level gauges, flow meters, pressure and temperature measuring devices, pH redox potential measuring devices, conductivity meters, etc. are used. They record the corresponding process variables, such as level, flow, pressure, temperature, pH, redox potential or conductivity. A large number of these field devices are manufactured and sold by Endress + Hauser.
  • the measuring diaphragm can be formed as an integrated part of a semiconductor structure.
  • a sensor is described for example in the publication WO 03/106952 A2.
  • ceramics for example Al 2 O 3
  • corrosion-resistant metals as membrane materials.
  • the pressure chamber the principle has to be formed on the back side between the membrane and a non-deformable body, is designed depending on whether the pressure sensor is used to determine a relative, differential or absolute pressure. In the case of relative or differential pressure measurement, the pressure chamber is completely closed and subjected to a vacuum or a constant reference pressure.
  • the pressure chamber is open to that pressure system to whose pressure the differential pressure is to be determined (ie, for example, to the ambient atmosphere).
  • the mechanical deformation of the measuring diaphragm is converted into an electrical measuring signal by means of the (piezo) resistive or by means of the capacitive principle. This means that one or more resistive or capacitive elements on the
  • Measuring diaphragm are arranged, whose resistance or capacity is with the
  • Process automation technology is problematic due to the usually increased requirements regarding heat resistance and explosion protection. This is due to the often high process temperatures, for example in reactors, as well as the often explosive process atmospheres.
  • compliance with these requirements (as defined, for example, in the case of explosion protection in the IEC 60079 series of standards) is only possible to a limited extent in membrane-based pressure measuring devices.
  • a part of the electronic unit for reading out the pressure must be attached directly to the membrane or to the adjoining main body in order to prevent parasitic conduction capacitances and thus measurement errors.
  • an electronic unit mounted close to the measuring diaphragm is directly exposed to the process temperature influences. This is on the one hand disadvantageous, as that above a temperature of about 150 ° C, the electronic unit can be irreversibly damaged.
  • the electronic unit with respect to explosion protection aspects because of their electrical energy supply is a potential source of danger.
  • Pressure measuring device in which the electronic unit does not have to be arranged directly on the membrane.
  • the capacity is read out by inductive sensors.
  • the invention is therefore based on the object, a pressure measuring device
  • the invention achieves this object by a pressure measuring device which comprises at least the following components:
  • a measuring diaphragm which is designed and arranged on the base body such that the measuring diaphragm encloses a pressure chamber towards the base body, and that the measuring diaphragm is deformable as a function of a pressure to be measured acting on the measuring diaphragm from a surface facing away from the base body, a capacitor, with
  • a first electrode which is arranged in the pressure chamber on the base body, and
  • a second electrode which is arranged on the measuring diaphragm in the pressure chamber such that the capacitance of the capacitor is dependent on the pressure.
  • the pressure measuring device is characterized by the following components:
  • the electronic unit is designed to generate the electromagnetic signal and to determine the pressure based on the reflected electromagnetic signal.
  • the capacity (and concomitantly the pressure) can be read wirelessly by means of electromagnetic signals.
  • a wired or inductive readout is therefore not necessary.
  • This form of wireless transmission allows the diaphragm to be galvanically isolated from any active voltage supplied components (such as the
  • the measuring diaphragm is the closest electrical component to the process space in which the pressure is being measured.
  • the spacing of the transmitting / receiving antenna towards the measuring diaphragm by means of the waveguide forms the necessary distance to those in the
  • Pressure measuring device includes the electronic components of the following components:
  • a high-frequency generator for generating a high-frequency electrical signal (realized, for example, as a voltage-controlled oscillator, which is controlled by a corresponding voltage generator), at least one first transmitting / receiving pair, which is so connected to the first transmitting / receiving antenna to emit the high-frequency electrical signal as an electromagnetic signal, and the reflected
  • a microcontroller or a correspondingly suitable electrical device which detects the pressure by means of the reflected, coupled signal.
  • the high-frequency generator is designed analogous to the FMCW radar-based distance measurement method so that it generates the electrical high-frequency signal at a frequency , which changes in time within a frequency band, in particular linear.
  • the effect is used that the coupler structure in conjunction with the capacitor forms a resonant circuit with a pressure-dependent natural frequency. By determining the intrinsic frequency can be inferred accordingly to the pressure.
  • Natural frequency can in turn be determined if it is in the frequency band of the emitted electromagnetic signal, since due to the
  • Natural frequency of the resonant circuit forms a frequency-dependent amplitude minimum of the reflected high-frequency electromagnetic signal. Accordingly, the microcontroller in this case is preferably configured such that it
  • the electronic unit additionally comprises the following components:
  • a signal divider which is connected in order to divide the high-frequency electrical signal into a first signal path and a second signal path, wherein the first transceiver is arranged in the first signal path,
  • transceiver can be realized, for example, as a circulator or as a coupler, in particular as a directional coupler
  • a second transceiver antenna connected to the second transceiver, the second transceiver configured to convert the reflected signal received from the second transceiver antenna into the second signal path to couple, and a mixer coupled to the first transceiver and the second transceiver for mixing the reflected signal coupled into the first signal path with the reflected signal coupled into the second signal path.
  • the microcontroller determines the pressure at least in this implementation variant by means of the mixed signal.
  • this extension offers the advantage that the frequency of the mixed signal, with a corresponding design of the electromagnetic signal to be transmitted, changes linearly with the capacitance of the capacitor or the pressure.
  • the use of two transmit / receive antennas can compensate for the temperature-related errors due to thermal expansion of the waveguide.
  • the second transmitting / receiving antenna is preferably to be controlled such that the electromagnetic signal emitted by it is uninfluenced by the coupler structure at the base body or at the transition between
  • the reflected signal is altogether composed of a component independent of the coupler structure and a component dependent on the coupler structure.
  • suitable options for the control consist in that the first transmitting / receiving antenna and the second transmitting / receiving antenna in such a way
  • the interconnected electronic unit to emit the electromagnetic signal at the second transceiver antenna with respect to the first transceiver antenna with a predefined phase shift (in particular 90 °).
  • the first transmit / receive antenna and the second transmit / receive antenna can also be connected to the electronic unit in such a way that the electromagnetic signal at the second transmit / receive antenna is related to the first transmit and receive antenna.
  • Receiving antenna is emitted with a different mode.
  • the coupler structure so that they are of the Mode or the polarization of the emitted by the second transmitting / receiving antenna signal is not excited.
  • the waveguide has a round cross section with a defined inner diameter.
  • the further influence on the inner diameter forms the frequency of the
  • the emitted electromagnetic signal has a frequency of at least 100 MHz, in particular greater than 1 GHz.
  • a material with a dielectric constant greater than 1, in particular PE, PP, Teflon or glass is introduced into the waveguide (corresponding to the increased propagation velocity of the emitted and reflected light Signal decreases the necessary length of the waveguide for coupling between the first transmitting / receiving antenna and the coupler structure).
  • the incorporation of such a material potentially increases the explosion protection, as the material acts accordingly as a barrier to the process space in which the pressure is to be measured.
  • the coupler structure is mounted approximately centrally with respect to the cross section of the waveguide.
  • the cross section, in particular the inner diameter of the waveguide with respect to the frequency of the electromagnetic signal is to be dimensioned such that the
  • electromagnetic signal is transmitted at least in the TE01 mode, the TEn mode or the TMn mode. Because the intensity maximum of the electromagnetic signal is in the TE01 mode, the TEn mode or the TMn mode (in relation to the inner diameter of the waveguide) in the middle, so that thereby an efficient coupling to the coupler structure adjusts.
  • a (partial) annular structure an embodiment as a fractal structure would also be conceivable.
  • the first transmitting / receiving antenna, the second transmitting / receiving antenna, and / or the coupler structure as a planar array consisting of a first ring segment and an approximately opposite arranged, second ring segment to design. According to the approach of the invention, at least that electrode of the
  • Capacitor which is connected to the coupler structure, galvanically separated from the transmitting / receiving antennas, so that the purely electromagnetic coupling to the coupler structure is possible.
  • the second electrode of the capacitor is galvanically isolated from the first transmitting antenna or the electronic unit (and in the presence of the second transmitting / receiving device). Antenna is also separated from this).
  • a method according to the invention for determining the pressure consists of at least the following method steps:
  • FIG. 1 is a sectional view of a pressure measuring device according to the invention
  • FIG. 2a shows a diagram for illustrating a possible method for determining the pressure by means of the pressure measuring device according to the invention.
  • Fig. 3 an advantageous realization of an electronic unit of
  • the pressure measuring device 1 shows a pressure measuring device 1 according to the invention for measuring a pressure p in the field of process automation technology.
  • the pressure to be measured p potentially extends over a very wide range from 1 mbar up to 40 bar.
  • the pressure measuring device 1 is based on a base body 2, to the one Measuring diaphragm 3 is attached.
  • the main body 2 is designed such that a cavity 4 is enclosed between it and the measuring diaphragm 3.
  • the pressure p to be measured is supplied to that surface of the measuring diaphragm 3 which faces away from the cavity 4 or the main body 2.
  • the process space can not only be a container or a chamber, but, for example, also a pipe of a process plant.
  • the pressure measuring device 1 is used for absolute or relative pressure measurement
  • the cavity 4 is acted upon either with vacuum or with a constant reference pressure. Not shown is a possible interpretation of
  • Pressure measuring device 1 for differential pressure measurement wherein the cavity 4 has an opening for connection to a corresponding differential pressure system (for example, the
  • a capacitor 5 is located in the cavity 4.
  • the capacitor 5 is made up of a first electrode 5a, which is arranged on the main body 2, and a second electrode 5b, that of the first electrode 5a in the cavity 4 is arranged approximately opposite to the membrane 3 is formed.
  • the capacitance C of the capacitor 5 can be approximately described here by the formula for plate capacitors:
  • I corresponds to the distance between the two electrodes 5a, 5b of the capacitor 5, or the height of the cavity 4.
  • a distance I of at least approximately 1 ⁇ is selected by default in the undeflected state while the distance I when using ceramic with at least about 20 ⁇ is measured.
  • r is their radius.
  • the capacitor 5 undergoes a change in capacitance when the pressure p changes, which acts on the surface of the membrane 3 facing away from the cavity 4 or the main body 2.
  • the capacitance C of the capacitor 5 it is to increase the capacitance change given a change in the
  • Pressure p also known to fill the cavity 4 with a dielectric material (for example, corresponding oils or similar fluids) having a dielectric constant ⁇ ⁇ greater than 1.
  • the capacitor 5 is designed so that its capacitance C is in the range of a few pF up to about 100 nF.
  • the capacitor C of the capacitor 5 a dedicated pressure value p can be assigned, for example, after appropriate calibration of the pressure measuring device. 1
  • the measuring range of the deliverable pressure p in addition to the dimensioning of the capacitance C of the capacitor 5 depends essentially on the design of the
  • Measuring diaphragm geometry for example undersizing of the thickness t of the measuring diaphragm 3 could lead to diaphragm rupture at too high pressure p
  • the thickness t is oversized, the deflection ⁇ of the measuring diaphragm 3 is too small to effect a capacitance change of the capacitor 5).
  • the diameter d of the measuring diaphragm 3 in practice is about 1.5 mm, in the case of ceramic, the diameter d is designed slightly higher with about 1 cm.
  • Elasticity modulus E of the measuring membrane material used influences the membrane deflection ⁇ .
  • the formula is based on the assumption that the measuring diaphragm 3 is designed circular with a defined diameter d.
  • ⁇ corresponds to the maximum change of the distance I between the electrodes 5a, b in the middle of the measuring diaphragm 3.
  • the formula for dimensioning the thickness t of the measuring diaphragm, the formula
  • the capacitor 5, as shown in Fig. 1, for the transmission of the capacitance is neither conducted nor inductively connected to an electrical unit 7.
  • the transmission of the capacitance value to the electrical unit 7 takes place in the sense of the invention by means of
  • the field of application of the pressure measuring device according to the invention is not limited to otherwise usual process temperatures of 150 ° C.
  • the capacitor 5 as shown in Fig. 1, contacted to a passive coupler structure 6.
  • a passive coupler structure 6 For transmission via
  • the coupler structure differs 6 to inductive transmission coils in principle in that, by means of the coupler structure 6, analogous to unipolar antennas, no closed DC circuit is formed, since the coupler structure 6 has only one electrical circuit Einpol, or represents an arrangement of several poles. This is in the
  • this passive coupler structure 6 can be read in a very simple implementation of the inventive idea, for example, by an electromagnetic signal SHF with changing frequency f (analogous to the "FMCW radar based Distance measuring method preferably with an approximately linear frequency ramp within a predetermined frequency range fi - h) of at least one transmitting / receiving antenna 81, 82 in FIG
  • the portion EHF reflected by the coupler structure 6 (or the corresponding, absorbed portion) can be received by corresponding transmit / receive antennas 81, 82 and in and in relation to the frequency f of FIG signal SHF set.
  • the frequency f m in corresponds to a minimum EHF of the
  • the electromagnetic signal SHF is reflected (or the frequency of maximum absorption) of the natural frequency of the coupler structure 6. As shown in Fig. 2a, this frequency fmin decreases with increasing pressure p.
  • the coupler structure 6 is arranged planar on a surface of the base body 2, which is the first electrode 51 of the
  • Condenser 5 is turned away.
  • the planar arrangement makes it possible, for example, to design the coupler structure 6 as a conductor or to use microstructuring-capable metallization technologies, such as sputtering or CVD ("Chemical Vapor Deposition").
  • a first end region of a waveguide 9 Adjacent to that surface of the base body 2, on which the coupler structure 6 is arranged, a first end region of a waveguide 9 adjoins. In this case, the longitudinal axis of the waveguide 9 extends approximately orthogonal to this surface.
  • a first transmitting / receiving antenna 81 and a second transmitting / receiving antenna 81 are mounted.
  • Coupler structure 6 of the waveguide 9 is also aligned orthogonal to two planar configured transmit / receive antennas 81, 82.
  • an effective electromagnetic coupling of the electromagnetic signals SHF, EHF between the two transmitting / receiving antennas 81, 82 and the coupler structure 6 is favored.
  • the determination and transmission of the pressure p according to the invention is based on an electromagnetic signal SHF, this requires only a comparatively low signal transmission power of less than in comparison to inductive readout 1 mW, preferably in the range of less than about 100 ⁇ ⁇ ⁇ / be applied.
  • the pressure measuring device 1 can be supplied and read out, for example, via a power-limited 4-20 mA interface. Accordingly, to adjust the above 100 ⁇ ⁇ ⁇ / transmission power at a transmission / reception efficiency of the entire high-frequency electronics (ie the two transmitting / receiving antennas 81, 82 with an efficiency of up to 95% and the electronic unit 7 with a correspondingly lower efficiency of approximately 10%) of approximately 20%, a current power input by the electronic unit 7 of 0.5 mW (which lies within the range of the power transferable by the 4-20 mA protocol). The mean required power input can be further reduced if it is not measured continuously, but only cyclically during a limited measurement time t ms ss and at a predetermined measurement rate R.
  • electromagnetic signal SHF is in the range of 10 GHz, results in a maximum settable measurement rate R of 1 .25 MHz or a minimum measurement time t m ess, mi of 80 is (finally high signal propagation times in the electronic unit and other parasitic effects here disregarded).
  • R the maximum settable measurement rate
  • mi of 80 is (finally high signal propagation times in the electronic unit and other parasitic effects here disregarded).
  • R the measurement rate
  • the length of the waveguide 9 is preferably to be dimensioned as a function of the frequency f of the emitted electromagnetic signal SHF ZU. It is advantageous if the length along the longitudinal axis of the waveguide 9 is just under a quarter of the wavelength ⁇ (or an integer multiple n thereof) according to is. This length is shortened accordingly by filling the waveguide 9 with a dielectric material (due to the change of the
  • Propagation speed c which has a dielectric value greater than 1.
  • the length of the waveguide 9 is also preferably to be sized with a maximum of four times the inner diameter d of the waveguide 9. The dimensioning of this length causes in the context of the invention the thermal decoupling of the electronic unit 7 from the temperature prevailing at the location of the pressure to be measured p.
  • the hollow body 9 also has at least one conductive inner wall.
  • the cross-sectional shape of the waveguide per se is not predetermined.
  • the cross section may for example be designed rectangular. Due to the simple manufacturability and a round cross section with a defined diameter D preferable. In this case, the diameter D can in particular be matched to the frequency f of the electromagnetic signal SHF such that the electromagnetic signal SHF is emitted in defined modes, preferably in the TE01 mode, the TE11 mode or the TMn mode.
  • the expression of these three modes lends itself to since the maximum intensity with respect to the cross section of the waveguide 9 is formed centrally when the two transmitting / receiving antennas 81, 82 are arranged correspondingly symmetrical to the center of the waveguide cross section. Therefore, as shown in Fig. 1, it is advantageous that the coupler structure 6 is mounted approximately centrally with respect to the cross section of the waveguide 9.
  • both transmit / receive antennas 81, 82 serve to transmit the electromagnetic signal SHF and to receive the reflected electromagnetic signal EHF (according to the invention, the use of only a single transmit / receive antenna 81 would already be sufficient Alternatively, it would also be conceivable to use a pure transmitting antenna and a separate receiving antenna).
  • the use of two transmit / receive antennas 81, 82 makes it possible to decouple the pressure value p contained in the reflected electromagnetic signal EHF from the thermal expansion of the pressure measuring device 1, or in particular from the thermal expansion of the waveguide 9.
  • the second transmit serves -
  • the reflected signal EHF is composed of one component which is independent of the coupler structure 6 and one component dependent on the coupler structure 6 and can accordingly be processed by the electronic unit 7.
  • the emission of an electromagnetic signal SHF, which is uninfluenced by the coupler structure 6, by the second transmitting / receiving antenna 82 can take place according to the invention in two different ways:
  • the second transmit / receive antenna 82 can be controlled such that the signal SHF transmitted by it is emitted either in another mode and / or in (preferably 90 °) twisted polarization (in relation to that of the first transmit / Receiving antenna 81 emitted electromagnetic signal SHF).
  • the following combinations of the different transmission by the two transmitting / receiving antennas 81, 82 are advantageous in this case: First Transmitter Antenna 81 Second Transmitter Antenna 82
  • the reference structure 6c is preferably to be designed in such a way that it is excited, in particular, by the mode of the signal SHF emitted by the second transmit / receive antenna 82.
  • the effect that the first transmitting / receiving antenna 81 only reflects the reflected signal EHF can again be used when transmitting the electromagnetic signal SHF in two different modes or with different polarization in that mode receives and / or with that polarization, the mode and / or polarization of which it has emitted electromagnetic signal SHF (the same applies to the second transceiver antenna 82).
  • FIG. 2 b A suitable embodiment variant is shown in FIG. 2 b:
  • FIG. 2b illustrates a specific embodiment of the pressure measuring device 1 with two transmitting / receiving antennas 81, 82 and a configuration of the coupler structure 6 tuned thereto.
  • the two transmitting / receiving antennas 81, 82 are designed as a quasi-closed ring. These are the two of them
  • the two transmitting / receiving antennas 81, 82 or their ring segments 81 a, b; 82a, b be designed so that they had a sufficient transmission / reception efficiency of more than 15% in particular.
  • the coupler structure 6 is formed in two parts with opposite ring segments 6a, b, wherein the ring segments 6a, b of the coupler structure 6 with respect to the longitudinal axis of the waveguide 9 about 90 ° twisted to the two ring segments 82a, b of the second transmission Are arranged / (that is, the ring segments 6a, b of the coupler structure 6 with respect to the longitudinal axis of the waveguide 9 approximately
  • the coupler is to be dimensioned so that it has a quality of at least 4000 for the purpose of good coupling.
  • FIG. 2b it is clear that in the case of the coupler structure 6, the contacting of each of the two ring segments 6a, b to the capacitor 5 out at least partially via a likewise planar electrical line in the plane of the respective ring segment 6a, b must be made.
  • a delay structure dL it is preferable in accordance with the invention to provide the respective planar electrical line with a delay structure dL in order to prevent the planar line from acting as a parasitic resonator which falsifies the reflected signal EHF.
  • FIG. 2c A possible embodiment with a delay structure is shown in FIG. 2c:
  • the delay structure dL is at least partially meander-shaped, as shown in FIG. 2c.
  • At least one straight line segment of the meandering delay structure dL has to have a length corresponding to 1/8 of the wavelength of the electromagnetic signal SHF in order to prevent the effect of the electric conduction as a parasitic resonator.
  • the delay structure can in turn be led out of the plane of the coupler structure 6 via a through-hole in the main body 2 in order to contact the two ring segments 6 a, 6 b with the capacitor 5.
  • the generation of the electromagnetic signal SHF and the processing of the reflected signal EHF by the electronic unit 7 are made by contacting with the two transmitting / receiving antennas 81, 82.
  • FIG. 1 the generation of the electromagnetic signal SHF and the processing of the reflected signal EHF by the electronic unit 7 are made by contacting with the two transmitting / receiving antennas 81, 82.
  • FIG. 3 shows a possible embodiment variant of the electronic unit 7, by means of which a very efficient determination of the pressure p is possible when two transmitting / receiving antennas 81, 82 are used.
  • the core of the electronic unit 7 shown there is a signal divider 72. This divides a high-frequency electrical signal SHF, which is generated by a high-frequency generator 71, in a first signal path SHF.I and a second signal path SHF, 2.
  • the high-frequency generator 71 can be realized in particular in the generation of the electrical high-frequency signal SHF in the GHz range analogous to radar measurement technology as a voltage-controlled oscillator, wherein the oscillator is in turn controlled by a voltage generator.
  • the electrical high-frequency signal SHF is coupled into the first transmitting / receiving antenna 81 and correspondingly as the electromagnetic signal SHF in the direction of the reflector structure 6a , b sent out.
  • a first balun 74 is interposed between the latter and the transmission / reception diverter 73a for coupling into the first transmission antenna 81.
  • the reflected electromagnetic signal EHF received by the first transmitting / receiving antenna 81 is coupled into the first signal path SHF.I via the first transmitting / receiving switch 73a and fed to a mixer 75.
  • the high-frequency electrical signal SHF is coupled via a second transceiver 73b, which is arranged in the second signal path SHF, 2, into the second transceiver antenna 82 via a second balun 74b. to be emitted as electromagnetic signal SHF in the direction of the main body r 6a, b.
  • the second transmitting / receiving switch 73a also couples the reflected electromagnetic signal EHF received by the second transmitting / receiving antenna 82 back into the second signal path SHF.I and supplies it to the mixer 75.
  • the signal EHF received by the first transmitting / receiving antenna 81 is thus mixed with the signal EHF received by the second transmitting / receiving antenna 82 (the reflected signal EHF being in a different mode from each other and / or or received with different polarization).
  • the high-frequency generator 71 thus generates the transmission signal SHF with a (linearly) changing frequency f, the mixing in this case enables a very simple determination of the pressure p: ## EQU1 ## Because the mixer formed by the mixer 75
  • Difference frequency s which is the difference between the frequency of the first Transmit / receive antenna 81 receives received signal EHF and the frequency of the reception signal received from the second transmitting / receiving antenna 82 EHF changes in this case linearly with the pressure p.
  • the difference frequency s can again be detected very technically very easily. As shown in FIG. 3, this can be done after appropriate A / D conversion, for example by means of a microcontroller 76.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measuring Fluid Pressure (AREA)

Abstract

The invention relates to a capacitive, diaphragm-based pressure-measuring device (1) for process automation, by means of which primarily regulations concerning explosion protection and heat resistance can be complied with. The invention is characterized by: an electrical coupler structure (6), which is in contact with the pressure-dependent capacitor (5); at least one first transmitter/receiver antenna (81) for transmitting an electromagnetic signal (SHF) to the coupler structure (6) and for receiving an electromagnetic signal (EHF) reflected from the coupler structure (6); a waveguide (9) arranged between the at least first transmitter/receiver antenna (81) and the coupler structure (6). According to the invention, this makes it possible to read the pressure (p) wirelessly by means of an electronic unit (7). As a result of this wireless form of pressure value transmission, it is made possible for no active live components to have to be mounted directly on the measuring diaphragm (3). The necessary distance from the transmitter/receiver antenna (81, 82) to the measuring diaphragm (3) is formed by the waveguide (9) so that regulations applicable in process automation technology can be met.

Description

Druckmesseinrichtung  Pressure measuring device
Die Erfindung betrifft eine Druckmesseinrichtung sowie ein entsprechendes Verfahren zur Bestimmung des Druckes mittels der erfindungsgenmäßen Druckmesseinrichtung. The invention relates to a pressure measuring device and a corresponding method for determining the pressure by means of the pressure measuring device according to the invention.
In der Automatisierungstechnik, insbesondere in der Prozessautomatisie-rungstechnik, werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder zur Beeinflussung von Prozessvariablen entsprechender Prozessmedien dienen. Zur Erfassung von In automation technology, in particular in process automation technology, field devices are often used which serve for detecting and / or influencing process variables of corresponding process media. To capture
Prozessvariablen werden Sensoren eingesetzt, die beispielsweise in Process variables are sensors used, for example, in
Füllstandsmessgeräten, Durchflussmessgeräten, Druck- und Temperaturmessgeräten, pH-Redoxpotential-Messgeräten, Leitfähigkeitsmessgeräten, usw. zum Einsatz kommen. Sie erfassen die entsprechenden Prozessvariablen, wie Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert, Redoxpotential oder Leitfähigkeit. Eine Vielzahl dieser Feldgeräte wird von der Firma Endress + Hauser hergestellt und vertrieben. Level gauges, flow meters, pressure and temperature measuring devices, pH redox potential measuring devices, conductivity meters, etc. are used. They record the corresponding process variables, such as level, flow, pressure, temperature, pH, redox potential or conductivity. A large number of these field devices are manufactured and sold by Endress + Hauser.
Im Fall von Druckmessung wird der Druck häufig anhand der Verformung einer In the case of pressure measurement, the pressure is often based on the deformation of a
Messmembran unter einseitiger Zuführung des Druckes gemessen. Dabei kann die Messmembran als integrierter Teil einer Halbleiter-Struktur ausgebildet sein. Ein derartiger Sensor ist beispielsweise in der Veröffentlichungsschrift WO 03/106952 A2 beschrieben. Daneben können als Membranmateriealien aber auch Keramiken (bspw. AI2O3) oder korrosionsfeste Metalle eingesetzt werden. Die Druckkammer, die Prinzipbedingt rückseitig zwischen der Membran und einem nicht verformbaren Grundkörper ausgebildet zu sein hat, ist in Abhängigkeit davon ausgelegt, ob der Drucksensor zur Bestimmung eines Relativ-, Differenz- oder Absolut-Druckes eingesetzt wird. Im Falle von Relativ- oder Differenzdruckmessung ist die Druckkammer komplett geschlossen und mit Vakuum oder einem konstanten Referenzdruck beaufschlagt. Bei Differenzdruckmessung ist die Druckkammer zu demjenigen Drucksystem hin geöffnet, zu dessen Druck der Differenz- Druck zu bestimmen ist (also beispielsweise zur Umgebungsatmosphäre). Die mechanische Verformung der Messmembrane wird mittels des (piezo-) resistiven oder mittels des kapazitiven Prinzips in ein elektrisches Messsignal umgewandelt. Dies bedeutet, dass ein oder mehrere resisitive oder kapazitive Elemente an der Measuring membrane measured under one-sided supply of pressure. In this case, the measuring diaphragm can be formed as an integrated part of a semiconductor structure. Such a sensor is described for example in the publication WO 03/106952 A2. In addition, it is also possible to use ceramics (for example Al 2 O 3) or corrosion-resistant metals as membrane materials. The pressure chamber, the principle has to be formed on the back side between the membrane and a non-deformable body, is designed depending on whether the pressure sensor is used to determine a relative, differential or absolute pressure. In the case of relative or differential pressure measurement, the pressure chamber is completely closed and subjected to a vacuum or a constant reference pressure. In differential pressure measurement, the pressure chamber is open to that pressure system to whose pressure the differential pressure is to be determined (ie, for example, to the ambient atmosphere). The mechanical deformation of the measuring diaphragm is converted into an electrical measuring signal by means of the (piezo) resistive or by means of the capacitive principle. This means that one or more resistive or capacitive elements on the
Messmembran angeordnet sind, deren Widerstand bzw. Kapazität sich mit der Measuring diaphragm are arranged, whose resistance or capacity is with the
Verformung ändert. Im Bereich der Prozessautomatisierungstechnik sind aus dem Stand der Technik bereits diverse Druckmesseinrichtungen bekannt: In der Gebrauchsmusterschrift DE 20 2016 101 491 U1 wird beispielsweise eine Temperaturkompensation der Druckmessung bei einer keramikbasierten Druckmesseinrichtung für die Prozessautomatisierungstechnik beschrieben. In diesem Fall erfolgt die Temperaturmessung an der Membran durch einen Infrarot-Sensor. Allerdings ist der Einsatz von Druckmesseinrichtungen in der Deformation changes. In the field of process automation technology, various pressure-measuring devices are already known from the prior art: In the utility model DE 20 2016 101 491 U1, for example, a temperature compensation of the pressure measurement in a ceramic-based pressure measuring device for process automation technology is described. In this case, the temperature is measured at the membrane by an infrared sensor. However, the use of pressure measuring devices in the
Prozessautomatisierungstechnik aufgrund der dort in der Regel erhöhten Anforderungen bezüglich Hitzebeständigkeit und Explosionsschutz problematisch. Grund dafür sind die oftmals hohen Prozesstemperaturen, beispielsweise in Reaktoren, sowie die nicht selten explosiven Prozessatmosphären. Die Einhaltung dieser Anforderungen (wie sie im Falle des Explosionsschutzes beispielsweise in der Normenreihe IEC 60079 festgelegt sind) ist bei Membran-basierten Druckmesseinrichtungen jedoch nur bedingt möglich. Ein Teil der elektronischen Einheit zum Auslesen des Druckes muss direkt an der Membran bzw. an dem angrenzenden Grundkörper angebracht sein, damit parasitäre Leitungs-Kapazitäten und somit Messfehler unterbunden werden. Eine nahe der Messmembran angebrachte elektronische Einheit ist jedoch unmittelbar den Prozesstemperatur-Einflüssen ausgesetzt. Dies ist zum einen nachteilhaft, als dass oberhalb einer Temperatur von ca. 150° C die elektronische Einheit irreversibel geschädigt werden kann. Zum anderen stellt die elektronische Einheit bezüglich Explosionsschutz-Aspekten aufgrund ihrer elektrischen Energieversorgung eine potentielle Gefahrenquelle dar.  Process automation technology is problematic due to the usually increased requirements regarding heat resistance and explosion protection. This is due to the often high process temperatures, for example in reactors, as well as the often explosive process atmospheres. However, compliance with these requirements (as defined, for example, in the case of explosion protection in the IEC 60079 series of standards) is only possible to a limited extent in membrane-based pressure measuring devices. A part of the electronic unit for reading out the pressure must be attached directly to the membrane or to the adjoining main body in order to prevent parasitic conduction capacitances and thus measurement errors. However, an electronic unit mounted close to the measuring diaphragm is directly exposed to the process temperature influences. This is on the one hand disadvantageous, as that above a temperature of about 150 ° C, the electronic unit can be irreversibly damaged. On the other hand, the electronic unit with respect to explosion protection aspects because of their electrical energy supply is a potential source of danger.
Die Veröffentlichungsschrift EP 1 806 569 A1 beschreibt eine kapazitive The publication EP 1 806 569 A1 describes a capacitive
Druckmesseinrichtung, bei der die elektronische Einheit nicht direkt an der Membran angeordnet sein muss. Das Auslesen der Kapazität erfolgt durch induktive Sensoren. Pressure measuring device, in which the electronic unit does not have to be arranged directly on the membrane. The capacity is read out by inductive sensors.
Trotzdem ist es im Fall von induktivem Auslesen notwendig, zumindest den induktiven Sensor nah an der Membran anzubringen, um das magnetische Nah-Feld nicht zu verlassen. Darüber hinaus ist der Energieverbrauch aufgrund der hohen erforderlichen Induktionsströme höher als bei drahtgebundener Anbindung der Kapazität, so dass auch hier der Explosionsschutz vermindert wird. Aufgrund dieser Zusammenhänge ist es daher auch bei diesem Typ von Druckmesseinrichtungen schwierig, die oben genannten Anforderungen zu erfüllen. Nevertheless, in the case of inductive readout, it is necessary to attach at least the inductive sensor close to the diaphragm so as not to leave the magnetic near field. In addition, the energy consumption is higher due to the high induction currents required than with wired connection of the capacitance, so that here too the explosion protection is reduced. Because of these relationships, it is therefore difficult even in this type of pressure measuring devices to meet the above requirements.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Druckmesseinrichtung The invention is therefore based on the object, a pressure measuring device
bereitzustellen, die den Anforderungen in der Prozessautomatisierungstechnik gerecht wird. to meet the requirements of process automation technology.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Druckmesseinrichtung, die zumindest folgende Komponenten umfasst: The invention achieves this object by a pressure measuring device which comprises at least the following components:
- Einen Grundkörper,  - a basic body,
eine Messmembran, die derart ausgestaltet und auf dem Grundkörper angeordnet ist, dass die Messmembran zum Grundkörper hin eine Druckkammer einschließt, und dass die Messmembran in Abhängigkeit eines zu messenden Druckes, der von einer dem Grundkörper abgewandten Fläche auf die Messmembran wirkt, verformbar ist, einen Kondensator, mit a measuring diaphragm, which is designed and arranged on the base body such that the measuring diaphragm encloses a pressure chamber towards the base body, and that the measuring diaphragm is deformable as a function of a pressure to be measured acting on the measuring diaphragm from a surface facing away from the base body, a capacitor, with
• einer ersten Elektrode, die in der Druckkammer am Grundkörper angeordnet ist, und  A first electrode, which is arranged in the pressure chamber on the base body, and
• einer zweiten Elektrode, die derart an der Messmembran in der Druckkammer angeordnet ist, dass die Kapazität des Kondensators vom Druck abhängig ist. • A second electrode, which is arranged on the measuring diaphragm in the pressure chamber such that the capacitance of the capacitor is dependent on the pressure.
Dabei zeichnet sich die erfindungsgemäße Druckmesseinrichtung durch nachfolgende Komponenten aus: In this case, the pressure measuring device according to the invention is characterized by the following components:
Eine am Grundkörper angeordnete elektrische Koppler-Struktur, die mit dem Kondensator kontaktiert ist,  An electrical coupler structure arranged on the main body, which is contacted with the capacitor,
- zumindest eine erste Sende-/Empfangs-Antenne zum Aussenden eines  - At least a first transmitting / receiving antenna for emitting a
elektromagnetischen Signals in Richtung des Grundkörpers bzw. der Koppler- Struktur, und zum Empfang eines vom Grundkörper und/oder von der Koppler- Struktur reflektierten elektromagnetischen Signals (erfindungsgemäß wäre ebenso der Einsatz einer reinen Sende-Antenne und einer separaten Empfangs- Antenne denkbar),  electromagnetic signal in the direction of the base body or the coupler structure, and for receiving an electromagnetic signal reflected from the base body and / or from the coupler structure (according to the invention, the use of a pure transmitting antenna and a separate receiving antenna would also be conceivable),
einen zwischen der zumindest ersten Sende-/Empfangs-Antenne und der Koppler-Struktur angeordneten Hohlleiter,  a waveguide disposed between the at least first transceiver antenna and the coupler structure,
eine elektronische Einheit, die zumindest mit der ersten Sende-/Empfangs- Antenne kontaktiert ist. Dabei ist die elektronische Einheit ausgestaltet, um das elektromagnetische Signal zu erzeugen und den Druck anhand des reflektierten, elektromagnetischen Signals zu bestimmen.  an electronic unit that is contacted at least with the first transmitting / receiving antenna. In this case, the electronic unit is designed to generate the electromagnetic signal and to determine the pressure based on the reflected electromagnetic signal.
Durch die erfindungsgemäße Druckmesseinrichtung kann die Kapazität (und damit einhergehend der Druck) kabellos mittels elektromagnetischer Signale ausgelesen werden. Ein leitungsgebundenes oder induktives Auslesen ist folglich nicht nötig. Durch diese Form der kabellosen Übertragung wird ermöglicht, dass die Messmembran galvanisch von jeglichen aktiv spannungsversorgten Komponenten (wie der By the pressure measuring device according to the invention, the capacity (and concomitantly the pressure) can be read wirelessly by means of electromagnetic signals. A wired or inductive readout is therefore not necessary. This form of wireless transmission allows the diaphragm to be galvanically isolated from any active voltage supplied components (such as the
elektronischen Einheit) getrennt ist, da die Messmembran die nächstliegende elektrische Komponente zum Prozessraum hin, in dem der Druck gemessen wird, ist. electronic unit), because the measuring diaphragm is the closest electrical component to the process space in which the pressure is being measured.
Hierbei bildet die Beabstandung der Sende-/Empfangs-Antenne hin zur Messmembran mittels des Hohlleiters die notwendige Distanz, um die in der Here, the spacing of the transmitting / receiving antenna towards the measuring diaphragm by means of the waveguide forms the necessary distance to those in the
Prozessautomatisierungstechnik geltenden Bestimmungen bezüglich Explosionsschutz und Hitzebeständigkeit einhalten zu können. In einer ersten, sehr einfachen Umsetzungsvariante der erfindungsgemäßen  Process automation technology to comply with applicable regulations regarding explosion protection and heat resistance. In a first, very simple implementation variant of the invention
Druckmesseinrichtung umfasst deren elektronische Einheit folgende Komponenten:  Pressure measuring device includes the electronic components of the following components:
Einen Hochfrequenz-Generator zur Erzeugung eines elektrischen Hochfrequenz- Signals (beispielsweise als spannungsgesteuerter Oszillator realisiert, der durch einen entsprechenden Spannungsgenerator gesteuert ist), zumindest eine erste Sende-/Empfangsweiche, die derart mit der ersten Sende- /Empfangs-Antenne verschaltet ist, um das elektrische Hochfrequenz-Signal als elektromagnetisches Signal auszusenden, und das reflektierte A high-frequency generator for generating a high-frequency electrical signal (realized, for example, as a voltage-controlled oscillator, which is controlled by a corresponding voltage generator), at least one first transmitting / receiving pair, which is so connected to the first transmitting / receiving antenna to emit the high-frequency electrical signal as an electromagnetic signal, and the reflected
elektromagnetische Signal einzukoppeln, und  to couple electromagnetic signal, and
- einen Microcontroller oder eine entsprechend geeignete elektrische Vorrichtung, der mittels des reflektierten, eingekoppelten Signals den Druck ermittelt.  - A microcontroller or a correspondingly suitable electrical device which detects the pressure by means of the reflected, coupled signal.
Insbesondere bei dieser einfachen Umsetzungsvariante der Druckmesseinrichtung ist es möglich, die Kapazität (und somit den Druck) zu ermitteln, indem der Hochfrequenz- Generator analog zum FMCW-Radar-basierten Abstandsmessverfahren so ausgelegt wird, dass er das elektrische Hochfrequenz-Signal mit einer Frequenz erzeugt, die sich zeitlich innerhalb eines Frequenzbandes insbesondere linear ändert. Hierbei wird der Effekt genutzt, dass die Koppler-Struktur in Verbindung mit dem Kondensator einen Schwingkreis mit einer druckabhängigen Eigenfrequenz bildet. Durch Bestimmung der Eigenefrequenz kann entsprechend auf den Druck rückgeschlossen werden. Die In particular, in this simple implementation variant of the pressure measuring device, it is possible to determine the capacity (and thus the pressure) by the high-frequency generator is designed analogous to the FMCW radar-based distance measurement method so that it generates the electrical high-frequency signal at a frequency , which changes in time within a frequency band, in particular linear. In this case, the effect is used that the coupler structure in conjunction with the capacitor forms a resonant circuit with a pressure-dependent natural frequency. By determining the intrinsic frequency can be inferred accordingly to the pressure. The
Eigenfrequenz kann wiederum ermittelt werden, wenn sie sich in dem Frequenzband des ausgesendeten elektromagnetischen Signals befindet, da sich aufgrund der  Natural frequency can in turn be determined if it is in the frequency band of the emitted electromagnetic signal, since due to the
Eigenfrequenz des Schwingkreises ein Frequenz-abhängiges Amplituden-Minimum des reflektierten hochfrequenten elektromagnetischen Signals ausbildet. Dementsprechend ist der Microcontroller in diesem Fall vorzugsweise so ausgestalten, dass er Natural frequency of the resonant circuit forms a frequency-dependent amplitude minimum of the reflected high-frequency electromagnetic signal. Accordingly, the microcontroller in this case is preferably configured such that it
innerhalb des Frequenzbandes zumindest ein Amplituden-Minimum des reflektierten hochfrequenten elektromagnetischen Signals in Abhängigkeit der Frequenz ermittelt,  determines at least one amplitude minimum of the reflected high-frequency electromagnetic signal as a function of the frequency within the frequency band,
eine korrespondierende Frequenz des Amplituden-Minimums ermittelt, und - den Druck anhand der Frequenz des zumindest einen Amplituden-Minimums bestimmt.  determines a corresponding frequency of the amplitude minimum, and - determines the pressure based on the frequency of the at least one amplitude minimum.
In einer erweiterten Umsetzung der erfindungsgemäßen Druckmesseinrichtung umfasst die elektronische Einheit zusätzlich folgende Komponenten: In an expanded implementation of the pressure measuring device according to the invention, the electronic unit additionally comprises the following components:
- einen Signalteiler, der verschaltet ist, um das elektrische Hochfrequenz-Signal in einen ersten Signalpfad und einen zweiten Signalpfad aufzuteilen, wobei die erste Sende-/Empfangsweiche im ersten Signalpfad angeordnet ist,  a signal divider which is connected in order to divide the high-frequency electrical signal into a first signal path and a second signal path, wherein the first transceiver is arranged in the first signal path,
eine zweite Sende-/Empfangsweiche, die im zweiten Signalpfad verschaltet ist (beide Sende-/Empfangsweichen können bspw. als Zirkulator oder als Koppler, insbesondere als Richtkoppler, realisiert sein),  a second transmitting / receiving pair, which is connected in the second signal path (both transceiver can be realized, for example, as a circulator or as a coupler, in particular as a directional coupler),
eine zweite Sende-/Empfangs-Antenne, die an die zweite Sende- /Empfangsweiche angeschlossen ist, wobei die zweite Sende-/Empfangsweiche ausgestaltet ist, um das das von der zweiten Sende-/Empfangs-Antenne empfangene, reflektierte Signal in den zweiten Signalpfad einzukoppeln, und einen Mischer, der mit der ersten Sende-/Empfangsweiche und der zweiten Sende-/Empfangsweiche verschaltet ist, um das in den ersten Signalpfad eingekoppelte, reflektierte Signal mit dem reflektierten Signal, das in den zweiten Signalpfad eingekoppelt wird, zu mischen. a second transceiver antenna connected to the second transceiver, the second transceiver configured to convert the reflected signal received from the second transceiver antenna into the second signal path to couple, and a mixer coupled to the first transceiver and the second transceiver for mixing the reflected signal coupled into the first signal path with the reflected signal coupled into the second signal path.
Hierbei ermittelt der Microcontroller den Druck zumindest in dieser Umsetzungsvariante mittels des gemischten Signals. In this case, the microcontroller determines the pressure at least in this implementation variant by means of the mixed signal.
Diese Erweiterung bietet zum einen den Vorteil, dass sich die Frequenz des gemischten Signals bei entsprechender Auslegung des auszusendenden elektromagnetischen Signals linear mit der Kapazität des Kondensators bzw. dem Druck ändert. Eine On the one hand, this extension offers the advantage that the frequency of the mixed signal, with a corresponding design of the electromagnetic signal to be transmitted, changes linearly with the capacitance of the capacitor or the pressure. A
Bestimmung der Frequenz des gemischten Signals ist wiederum technisch sehr leicht zu realisieren. Zum anderen lässt sich durch die Verwendung zweier Sende-/Empfangs- Antennen der Temperatur-bedingte Fehler durch thermische Ausdehnung des Hohlleiters kompensieren. Allerdings ist hierbei die zweite Sende-/Empfangs-Antenne vorzugsweise so anzusteuern, dass das von ihr ausgesendete elektromagnetische Signal von der Koppler-Struktur unbeeinflusst am Grundkörper bzw. am Übergang zwischen  Determining the frequency of the mixed signal is in turn technically very easy to implement. On the other hand, the use of two transmit / receive antennas can compensate for the temperature-related errors due to thermal expansion of the waveguide. However, in this case the second transmitting / receiving antenna is preferably to be controlled such that the electromagnetic signal emitted by it is uninfluenced by the coupler structure at the base body or at the transition between
Grundkörper und dem Hohlleiter reflektiert wird. Dadurch setzt sich das reflektierte Signal insgesamt aus einem von der Koppler-Struktur unabhängigen- und einem von der Koppler-Struktur abhängigen Anteil zusammen. Base body and the waveguide is reflected. As a result, the reflected signal is altogether composed of a component independent of the coupler structure and a component dependent on the coupler structure.
Hierzu geeignete Möglichkeiten der Ansteuerung bestehen darin, dass die erste Sende- /Empfangs-Antenne und die zweite Sende-/Empfangs-Antenne derart mit der For this purpose, suitable options for the control consist in that the first transmitting / receiving antenna and the second transmitting / receiving antenna in such a way
elektronischen Einheit verschaltet sind, um das elektromagnetische Signal an der zweiten Sende-/Empfangs-Antenne in Bezug zur ersten Sende-/Empfangs-Antenne mit einer vordefinierten Phasenverschiebung (insbesondere 90°) auszusenden. Zusätzlich oder alternativ hierzu können die erste Sende-/Empfangs-Antenne und die zweite Sende- /Empfangs-Antenne auch derart mit der elektronischen Einheit verschaltet werden, dass das elektromagnetische Signal an der zweiten Sende-/Empfangs-Antenne in Bezug zur ersten Sende-/Empfangs-Antenne mit einer voneinander abweichenden Mode ausgesendet wird. Entsprechend ist es zur thermischen Entkopplung in beiden Fällen, also bei abweichender Mode oder bei verschobener Polarisation zwischen der ersten Sende-/Empfangs-Antenne und der zweiten Sende-/Empfangs-Antenne, notwendig, die Koppler-Struktur so auszulegen, dass sie von der Mode bzw. der Polarisation des von der zweiten Sende-/Empfangs-Antenne ausgesendeten Signals nicht angeregt wird. interconnected electronic unit to emit the electromagnetic signal at the second transceiver antenna with respect to the first transceiver antenna with a predefined phase shift (in particular 90 °). Additionally or alternatively, the first transmit / receive antenna and the second transmit / receive antenna can also be connected to the electronic unit in such a way that the electromagnetic signal at the second transmit / receive antenna is related to the first transmit and receive antenna. / Receiving antenna is emitted with a different mode. Accordingly, it is necessary for the thermal decoupling in both cases, so in deviating mode or shifted polarization between the first transmitting / receiving antenna and the second transmitting / receiving antenna, the coupler structure so that they are of the Mode or the polarization of the emitted by the second transmitting / receiving antenna signal is not excited.
Insbesondere zur Ausprägung der gewünschten Mode(n) des ausgesendeten In particular, for the expression of the desired mode (s) of the emitted
elektromagnetischen Signals ist es von weiterem Vorteil, wenn der Hohlleiter einen runden Querschnitt mit einem definierten Innendurchmesser aufweist. Die weitere Einflussgröße auf den Innendurchmesser bildet hierbei die Frequenz des electromagnetic signal, it is of further advantage if the waveguide has a round cross section with a defined inner diameter. The further influence on the inner diameter forms the frequency of the
auszusendenden elektromagnetischen Signals: Je höher die Frequenz ist, desto kleiner ist der Innendurchmesser zu bemessen. Zwecks kompakter Abmessung des Holleiters ist es daher von Vorteil, wenn das ausgesendete elektromagnetische Signal eine Frequenz von zumindest 100 MHz, insbesondere größer als 1 GHz aufweist. Um den Hohlleiter auch bezüglich seiner Länge kompakt auszugestalten, ist es daneben erfindungsgemäß zweckdienlich, wenn in den Hohlleiter ein Material mit einer Dielektrizitätszahl von größer als 1 , insbesondere PE, PP, Teflon oder Glas, eingebracht ist (entsprechend der erhöhten Ausbreitungsgeschwindigkeit des ausgesendeten und reflektierten Signals verringert sich die notwendige Länge des Hohlleiters zur Kopplung zwischen der ersten Sende- /Empfangs-Antenne und der Koppler-Struktur). Daneben erhöht die Einbringung eines solchen Materials natürlich potentiell auch den Explosionsschutz, da das Material entsprechend als Barriere hin zu dem Prozessraum, in dem der Druck zu messen ist, wirkt. Zur Reduktion von Übertragungsverlusten ist es außerdem zweckdienlich, den Hohlleiter so zu dimensionieren, dass er eine Länge aufweist, die maximal das Vierfache des Innendurchmessers und/oder minimal ein Viertel einer Wellenlänge des emitted electromagnetic signal: the higher the frequency, the smaller the inner diameter is to be measured. For the compact dimension of the Holleiters, it is therefore advantageous if the emitted electromagnetic signal has a frequency of at least 100 MHz, in particular greater than 1 GHz. In order to make the waveguide compact even with respect to its length, it is additionally useful according to the invention if a material with a dielectric constant greater than 1, in particular PE, PP, Teflon or glass, is introduced into the waveguide (corresponding to the increased propagation velocity of the emitted and reflected light Signal decreases the necessary length of the waveguide for coupling between the first transmitting / receiving antenna and the coupler structure). In addition, the incorporation of such a material, of course, potentially increases the explosion protection, as the material acts accordingly as a barrier to the process space in which the pressure is to be measured. To reduce transmission losses, it is also expedient to dimension the waveguide so that it has a length which is at most four times the inner diameter and / or at least a quarter of a wavelength of the
elektromagnetischen Signals beträgt. electromagnetic signal.
Zur gewünschten Kopplung zwischen der Koppler-Struktur und der ersten Sende- /Empfangs-Antenne mit der Koppler-Struktur kann es zudem von Vorteil sein, wenn die Koppler-Struktur in Bezug zum Querschnitt des Hohlleiters in etwa zentral angebracht ist. Hierzu ist der Querschnitt, insbesondere der Innendurchmesser des Hohlleiters in Bezug zur Frequenz des elektromagnetischen Signals so zu bemessen, dass das For the desired coupling between the coupler structure and the first transmitting / receiving antenna with the coupler structure, it may also be advantageous if the coupler structure is mounted approximately centrally with respect to the cross section of the waveguide. For this purpose, the cross section, in particular the inner diameter of the waveguide with respect to the frequency of the electromagnetic signal is to be dimensioned such that the
elektromagnetische Signal zumindest in der TE01 Mode, der TEn Mode oder der TMn Mode ausgesendet wird. Denn das Intensitätsmaximum des elektromagnetischen Signals befindet sich bei Ausstrahlung in der TE01 Mode, der TEn Mode oder der TMn Mode (in Bezug zum Innendurchmesser des Hohlleiters) in etwa mittig, so dass sich hierdurch eine effiziente Kopplung zur Koppler-Struktur hin einstellt. Alternativ zu einer (Teil-) ringförmigen Struktur wäre auch eine Ausgestaltung als Fraktal-Struktur denkbar. electromagnetic signal is transmitted at least in the TE01 mode, the TEn mode or the TMn mode. Because the intensity maximum of the electromagnetic signal is in the TE01 mode, the TEn mode or the TMn mode (in relation to the inner diameter of the waveguide) in the middle, so that thereby an efficient coupling to the coupler structure adjusts. Alternatively to a (partial) annular structure, an embodiment as a fractal structure would also be conceivable.
Vor allem, um die erfindungsgemäße Druckmesseinrichtung möglichst kompakt dimensionieren zu können, ist es weiterhin vorzuziehen, die erste Sende-/Empfangs- Antenne, die zweite Sende-/Empfangs-Antenne, und/oder die Koppler-Struktur als eine planare Anordnung, bestehend aus einem ersten Ringsegment und einem in etwa gegenüberliegend angeordneten, zweiten Ringsegment, auszugestalten. Nach dem erfindungsgemäßen Ansatz ist zumindest diejenige Elektrode des Above all, in order to dimension the pressure measuring device according to the invention as compact as possible, it is further preferable, the first transmitting / receiving antenna, the second transmitting / receiving antenna, and / or the coupler structure as a planar array consisting of a first ring segment and an approximately opposite arranged, second ring segment to design. According to the approach of the invention, at least that electrode of the
Kondensators, die mit der Koppler-Struktur verbunden ist, galvanisch von den Sende- /Empfangs-Antennen getrennt, damit die rein elektromagnetische Kopplung zur Koppler- Struktur möglich ist. Daneben ist es jedoch zudem vorteilhaft, wenn darüber hinaus auch die zweite Elektrode des Kondensators galvanisch von der ersten Sende-Antenne bzw. der elektronischen Einheit (und bei Vorhandensein der zweiten Sende-/Empfangs- Antenne auch von dieser) getrennt ist. Hierdurch kann vor allem die elektromagnetische Verträglichkeit der Druckmesseinrichtung gegenüber paristären elektromagnetischen Störsignalen vermindert werden. Capacitor, which is connected to the coupler structure, galvanically separated from the transmitting / receiving antennas, so that the purely electromagnetic coupling to the coupler structure is possible. In addition, however, it is also advantageous if, in addition, the second electrode of the capacitor is galvanically isolated from the first transmitting antenna or the electronic unit (and in the presence of the second transmitting / receiving device). Antenna is also separated from this). As a result, in particular the electromagnetic compatibility of the pressure measuring device can be reduced with respect to parallary electromagnetic interference signals.
Entsprechend der Ausführung der erfindungsgemäßen Druckmesseinrichtung mit lediglich einer erforderlichen Sende-Empfangs-Antenne besteht ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Bestimmung des Druckes aus mindestens folgenden Verfahrensschritten: According to the embodiment of the pressure measuring device according to the invention with only one required transmitting-receiving antenna, a method according to the invention for determining the pressure consists of at least the following method steps:
Erzeugung eines elektrischen Hochfrequenz-Signals durch einen Hochfrequenz- Generator, wobei die Frequenz des elektrischen Hochfrequenz-Signals innerhalb eines Frequenzbandes, insbesondere linear, geändert wird,  Generation of a high-frequency electrical signal by a high-frequency generator, wherein the frequency of the electrical high-frequency signal within a frequency band, in particular linear, is changed,
Aussenden des elektrischen Hochfrequenz-Signals über zumindest eine erste Sende-/Empfangs-Antenne als hochfrequentes elektromagnetisches Signal, Empfang des hochfrequenten elektromagnetischen Signals nach Reflektion an einer Koppler-Struktur und/oder einem Grundkörper durch zumindest die erste Sende-/Empfangs-Antenne,  Emitting the electrical high-frequency signal via at least one first transmitting / receiving antenna as a high-frequency electromagnetic signal, receiving the high-frequency electromagnetic signal after reflection at a coupler structure and / or a base body by at least the first transmitting / receiving antenna,
Erfassung von zumindest einem Amplituden-Minimum des reflektierten hochfrequenten elektromagnetischen Signals in Abhängigkeit der Frequenz mittels eines MikroControllers,  Detecting at least one amplitude minimum of the reflected high-frequency electromagnetic signal as a function of the frequency by means of a microcontroller,
Bestimmung der Frequenz des zumindest einen Amplituden-Minimums, und Bestimmung des Druckes anhand der Frequenz des zumindest einen Amplituden- Minimums.  Determining the frequency of the at least one amplitude minimum, and determining the pressure based on the frequency of the at least one amplitude minimum.
Beim Einsatz der erfindungsgemäßen Druckmesseinrichtung in einer Ausführungsform mit zwei Sende-/Empfangs-Antennen umfasst ein korrespondierendes When using the pressure measuring device according to the invention in an embodiment with two transmitting / receiving antennas comprises a corresponding
erfindungsgemäßes Verfahren zur Bestimmung des Druckes zumindest die Inventive method for determining the pressure at least the
nachfolgenden Verfahrensschritte: following process steps:
Erzeugung eines elektrischen Hochfrequenz-Signals durch einen Hochfrequenz- Generator, wobei die Frequenz des elektrischen Hochfrequenz-Signals innerhalb eines Frequenzbandes, insbesondere linear, geändert wird,  Generation of a high-frequency electrical signal by a high-frequency generator, wherein the frequency of the electrical high-frequency signal within a frequency band, in particular linear, is changed,
- Aufteilen des elektrischen Hochfrequenz-Signals in einen ersten Signalpfad und einen zweiten Signalpfad,  Splitting the high-frequency electrical signal into a first signal path and a second signal path,
Aussenden des elektrischen Hochfrequenz-Signals über eine erste Sende- /Empfangs-Antenne als hochfrequentes elektromagnetisches Signal, wobei das elektrische Hochfrequenz-Signal über eine im ersten Signalpfad angeordnete Sende-/Empfangsweiche in die erste Sende-/Empfangs-Antenne eingekoppelt wird,  Emitting the electrical high-frequency signal via a first transmitting / receiving antenna as a high-frequency electromagnetic signal, wherein the electrical high-frequency signal is coupled via a arranged in the first signal path transmitting / receiving switch in the first transceiver antenna,
Aussenden des elektrischen Hochfrequenz-Signals über eine zweite Sende- /Empfangs-Antenne als hochfrequentes elektromagnetisches Signal, wobei das elektrische Hochfrequenz-Signal über eine im zweiten Signalpfad angeordnete Sende-/Empfangsweiche in die zweite Sende-/Empfangs-Antenne eingekoppelt wird, Emitting the electrical high-frequency signal via a second transmitting / receiving antenna as a high-frequency electromagnetic signal, wherein the electrical high-frequency signal via a arranged in the second signal path Transmitting / receiving switch is coupled into the second transceiver antenna,
Empfang des hochfrequenten elektromagnetischen Signals nach Reflektion an der Koppler-Struktur und/oder dem Grundkörper durch die erste Sende- /Empfangs-Antenne und die zweite Sende-/Empfangs-Antenne,  Receiving the high-frequency electromagnetic signal after reflection at the coupler structure and / or the base body by the first transmitting / receiving antenna and the second transmitting / receiving antenna,
Mischen des von der ersten Sende-/Empfangs-Antenne empfangenen, reflektierten Signals mit dem von der zweiten Sende-/Empfangs-Antenne empfangenen, reflektierten Signals mittels des Mischers, und  Mixing the reflected signal received from the first transmitting / receiving antenna with the reflected signal received from the second transmitting / receiving antenna by means of the mixer, and
Bestimmung des Druckes anhand der Differenzfrequenz s des gemischten Signals.  Determining the pressure based on the difference frequency s of the mixed signal.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren erläutert. Es zeigt: The invention will be explained with reference to the following figures. It shows:
Fig. 1 : Eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Druckmesseinrichtung, 1 is a sectional view of a pressure measuring device according to the invention,
Fig. 2a: ein Diagramm zur Veranschaulichung eines möglichen Verfahrens zur Druck- Bestimmung mittels der erfindungsgemäßen Druckmesseinrichtung. 2a shows a diagram for illustrating a possible method for determining the pressure by means of the pressure measuring device according to the invention.
Fig. 2b: eine vorteilhafte Anordnung einer Koppler-Struktur zu zwei Sende-/Empfangs- Antennen, 2b shows an advantageous arrangement of a coupler structure to two transmitting / receiving antennas,
Fig. 2c: eine Detailansicht zur Koppler-Struktur, 2c shows a detail view of the coupler structure,
Fig. 3: eine vorteilhafte Realisierung einer elektronischen Einheit der Fig. 3: an advantageous realization of an electronic unit of
Druckmesseinrichtung. Pressure measuring device.
Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Druckmesseinrichtung 1 zur Messung eines Druckes p im Bereich der Prozessautomatisierungstechnik. In diesem Anwendungsbereich erstreckt sich der zu messende Druck p potentiell über einen sehr weiten Bereich von 1 mBar bis hin zu 40 Bar. Wie bei kapazitiver oder resistiver Druckmessung nach dem Stand der Technik üblich, basiert die Druckmesseinrichtung 1 auf einem Grundkörper 2, an den eine Messmembran 3 angebracht ist. Der Grundkörper 2 ist so ausgestaltet, dass zwischen ihm und der Messmembran 3 ein Hohlraum 4 eingeschlossen ist. Bei diesem Messprinzip wird der zu messende Druck p derjenigen Fläche der Messmembran 3 zugeführt, die dem Hohlraum 4 bzw. dem Grundkörper 2 abgewandt ist. 1 shows a pressure measuring device 1 according to the invention for measuring a pressure p in the field of process automation technology. In this area of application, the pressure to be measured p potentially extends over a very wide range from 1 mbar up to 40 bar. As is customary with capacitive or resistive pressure measurement according to the prior art, the pressure measuring device 1 is based on a base body 2, to the one Measuring diaphragm 3 is attached. The main body 2 is designed such that a cavity 4 is enclosed between it and the measuring diaphragm 3. In this measuring principle, the pressure p to be measured is supplied to that surface of the measuring diaphragm 3 which faces away from the cavity 4 or the main body 2.
Dementsprechend ist diese Fläche der Messmembran 3 nach Installation in der Accordingly, this surface of the measuring diaphragm 3 after installation in the
Prozessanlage einem Prozessraum, in dem der Druck p zu bestimmen ist, zugewandt. Dabei kann es sich bei dem Prozessraum nicht nur um einen Behälter oder eine Kammer, sondern beispielsweise auch ein Rohr einer Prozessanlage handeln. Je nachdem, ob die Druckmesseinrichtung 1 für Absolut- oder Relativdruckmessung eingesetzt wird, ist der Hohlraum 4 entweder mit Vakuum oder mit einem konstanten Referenzdruck beaufschlagt. Nicht dargestellt ist eine mögliche Auslegung der Process plant facing a process space in which the pressure p is to be determined. In this case, the process space can not only be a container or a chamber, but, for example, also a pipe of a process plant. Depending on whether the pressure measuring device 1 is used for absolute or relative pressure measurement, the cavity 4 is acted upon either with vacuum or with a constant reference pressure. Not shown is a possible interpretation of
Druckmesseinrichtung 1 für Differenzdruckmessung, bei der der Hohlraum 4 eine Öffnung zum Anschluss an ein entsprechendes Differenzdrucksystem (beispielsweise die Pressure measuring device 1 for differential pressure measurement, wherein the cavity 4 has an opening for connection to a corresponding differential pressure system (for example, the
Umgebungsatmosphäre) aufweist. Ambient atmosphere).
Wie es bei kapazitiver Druckmessung bereits bekannt ist, befindet sich im Hohlraum 4 ein Kondensator 5. Hierbei wird der Kondensator 5 aus einer ersten Elektrode 5a, die am Grundkörper 2 angeordnet ist, sowie einer zweiten Elektrode 5b, die der ersten Elektrode 5a im Hohlraum 4 in etwa gegenüberliegend an der Membran 3 angeordnet ist, gebildet. Die Kapazität C des Kondensators 5 lässt sich hierbei näherungsweise durch die Formel für Plattenkondensatoren beschreiben:  As is already known in the case of capacitive pressure measurement, a capacitor 5 is located in the cavity 4. In this case, the capacitor 5 is made up of a first electrode 5a, which is arranged on the main body 2, and a second electrode 5b, that of the first electrode 5a in the cavity 4 is arranged approximately opposite to the membrane 3 is formed. The capacitance C of the capacitor 5 can be approximately described here by the formula for plate capacitors:
In Bezug zu der Druckmesseinrichtung 1 entspricht I dem Abstand der zwei Elektroden 5a, 5b des Kondensators 5, bzw. der Höhe des Hohlraums 4. Im Falle einer Siliziumbasierten Messmembran 5 wird im nicht ausgelenkten Zustand standardmäßig ein Abstand I von mindestens ca. 1 μιη gewählt, während der Abstand I bei Verwendung von Keramik mit mindestens ca. 20 μιη bemessen wird. Bei r handelt es sich im Falle von runder Auslegung der Elektroden 5a, b um deren Radius. Durch die in Fig. 1 gezeigte Anordnung erfährt der Kondensator 5 eine Kapazitätsänderung, wenn sich der Druck p ändert, der auf die Fläche der Membran 3, die dem Hohlraum 4 bzw. dem Grundkörper 2 abgewandt ist, wirkt. Wie aus der Formel zur Kapazität C des Kondensators 5 nahegelegt wird, ist es zur Verstärkung der Kapazitätsänderung bei gegebener Änderung desIn relation to the pressure measuring device 1, I corresponds to the distance between the two electrodes 5a, 5b of the capacitor 5, or the height of the cavity 4. In the case of a silicon-based measuring diaphragm 5, a distance I of at least approximately 1 μιη is selected by default in the undeflected state while the distance I when using ceramic with at least about 20 μιη is measured. In the case of a round design of the electrodes 5a, b, r is their radius. As a result of the arrangement shown in FIG. 1, the capacitor 5 undergoes a change in capacitance when the pressure p changes, which acts on the surface of the membrane 3 facing away from the cavity 4 or the main body 2. As suggested by the formula for the capacitance C of the capacitor 5, it is to increase the capacitance change given a change in the
Druckes p zudem bekannt, den Hohlraum 4 mit einem dielektrischem Material (bspw. entsprechende Öle oder vergleichbare Fluide) mit einem Dielektrizitätswert εΓ größer 1 zu füllen. Typischerweise wird der Kondensator 5 so ausgelegt, dass dessen Kapazität C im Bereich von wenigen pF bis hin zu ca. 100 nF beträgt. Pressure p also known to fill the cavity 4 with a dielectric material (for example, corresponding oils or similar fluids) having a dielectric constant ε Γ greater than 1. Typically, the capacitor 5 is designed so that its capacitance C is in the range of a few pF up to about 100 nF.
Somit kann der Kapazität C des Kondensators 5 ein dezidierter Druckwert p zugeordnet werden, beispielsweise nach entsprechender Kalibration der Druckmesseinrichtung 1 . Dabei hängt der Messbereich des zuführbaren Druckes p neben der Dimensionierung der Kapazität C des Kondensators 5 im Wesentlichen von der Auslegung der Thus, the capacitor C of the capacitor 5 a dedicated pressure value p can be assigned, for example, after appropriate calibration of the pressure measuring device. 1 In this case, the measuring range of the deliverable pressure p in addition to the dimensioning of the capacitance C of the capacitor 5 depends essentially on the design of the
Messmembrangeometrie ab (beispielsweise könnte eine Unterdimensionierung der Dicke t der Messmembran 3 bei zu hohem Druck p zu einem Membranbruch führen; Bei Überdimensionierung der Dicke t ist die Auslenkung ΔΙ der Messmembran 3 zu gering, um eine Kapazitätsänderung des Kondensators 5 zu bewirken). Im Fall von Silizium wird der Durchmesser d der Messmembran 3 in der Praxis mit ca. 1 ,5 mm bemessen, im Fall von Keramik wird der Durchmesser d mit ca. 1 cm leicht höher ausgelegt. Zu einer geeigneten Auslegung der Geometrie der Messmembran 3 in Abhängigkeit des Druckes p kann sich außerdem der aus der Statik herleitbare Zusammenhang Measuring diaphragm geometry (for example undersizing of the thickness t of the measuring diaphragm 3 could lead to diaphragm rupture at too high pressure p) If the thickness t is oversized, the deflection ΔΙ of the measuring diaphragm 3 is too small to effect a capacitance change of the capacitor 5). In the case of silicon, the diameter d of the measuring diaphragm 3 in practice is about 1.5 mm, in the case of ceramic, the diameter d is designed slightly higher with about 1 cm. For a suitable design of the geometry of the measuring diaphragm 3 as a function of the pressure p can also be deduced from the statics context
Al(p) = p Al (p) = p
GEt3 zunutze gemacht werden. Entsprechend der Formel hat unter anderem das GEt 3 be taken advantage of. According to the formula has, among other things
Elastizitätsmodul E des verwendeten Messmembranmaterials (vorwiegend Silizium oder eine Keramik, insbesondere AI2O3) Einfluss auf die Membranauslenkung ΔΙ. Außerdem liegt der Formel die Annahme zugrunde, dass die Messmembran 3 kreisrund mit einem definierten Durchmesser d ausgelegt ist. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Aufbau entspricht ΔΙ der maximalen Änderung des Abstandes I zwischen den Elektroden 5a, b in der Mitte der Messmembran 3. Außerdem kann zur Bemaßung der Dicke t der Messmembran kann die Formel Elasticity modulus E of the measuring membrane material used (predominantly silicon or a ceramic, in particular Al 2 O 3) influences the membrane deflection ΔΙ. In addition, the formula is based on the assumption that the measuring diaphragm 3 is designed circular with a defined diameter d. In the structure shown in Fig. 1, ΔΙ corresponds to the maximum change of the distance I between the electrodes 5a, b in the middle of the measuring diaphragm 3. In addition, for dimensioning the thickness t of the measuring diaphragm, the formula
_ 1 _ 1
^max ~ ^ 1 @ Pmax als Bemessungsgrundlage verwendet werden. Erfindungsgemäß ist der Kondensator 5, wie in Fig. 1 dargestellt, zur Übermittlung von dessen Kapazität weder leitungsgebunden noch induktiv mit einer elektrischen Einheit 7 verbunden. Die Übertragung des Kapazitätswertes zur elektrischen Einheit 7 erfolgt im Sinne der Erfindung mittels ^ max ~ ^ 1 @ Pmax be used as the basis for assessment. According to the invention, the capacitor 5, as shown in Fig. 1, for the transmission of the capacitance is neither conducted nor inductively connected to an electrical unit 7. The transmission of the capacitance value to the electrical unit 7 takes place in the sense of the invention by means of
entsprechender Signale SHF, EHF in Form elektromagnetischer Wellen. Durch diese Art der Übertragung wird der Vorteil geboten, dass die elektronische Einheit 7 nicht unmittelbar an dem Kondensator angeordnet sein muss, sondern lediglich in einer Entfernung, bei der eine ausreichende elektromagnetische Kopplung sichergestellt ist. Somit ist das Einsatzgebiet der erfindungsgemäßen Druckmesseinrichtung nicht auf sonst übliche Prozesstemperaturen von 150°C limitiert. corresponding signals SHF, EHF in the form of electromagnetic waves. This type of transmission offers the advantage that the electronic unit 7 need not be arranged directly on the capacitor, but only at a distance at which a sufficient electromagnetic coupling is ensured. Thus, the field of application of the pressure measuring device according to the invention is not limited to otherwise usual process temperatures of 150 ° C.
Zur Umsetzung der erfindungsgemäßen Idee ist der Kondensator 5, wie in Fig. 1 gezeigt, an eine passive Koppler-Struktur 6 kontaktiert. Zur Übertragung mittels To implement the inventive idea, the capacitor 5, as shown in Fig. 1, contacted to a passive coupler structure 6. For transmission via
elektromagnetischer Signale SHF, EHF nutzt die Druckmesseinrichtung 1 erfindungsgemäß den Effekt, dass die Impedanz und somit die Eigenfrequenz der Koppler-Struktur 6 von der Kapazität des Kondensators 5 abhängt (gemäß der Erfindung unterscheidet sich die Koppler-Struktur 6 zu induktiven Übertragungs-Spulen grundsätzlich dadurch, dass mittels der Koppler-Struktur 6 analog zu einpoligen Antennen kein geschlossener Gleichstromkreis ausgebildet wird, da die Koppler-Struktur 6 nur einen elektrischen Einpol, oder eine Anordnung von mehreren Einpolen darstellt. Hierdurch wird im electromagnetic signals SHF, EHF uses the pressure measuring device 1 according to the invention the effect that the impedance and thus the natural frequency of the coupler structure 6 depends on the capacitance of the capacitor 5 (according to the invention, the coupler structure differs 6 to inductive transmission coils in principle in that, by means of the coupler structure 6, analogous to unipolar antennas, no closed DC circuit is formed, since the coupler structure 6 has only one electrical circuit Einpol, or represents an arrangement of several poles. This is in the
Gegensatz zu Spulen nicht nur ein elektromagnetisches Nah-, sondern auch ein entsprechendes Fern-Feld ausgekoppelt. Die Eigenfrequenz bzw. die Kapazität (und somit der Druck p) dieser passiven Koppler- Struktur 6 kann in einer sehr einfachen Umsetzung der erfindungsgemäßen Idee beispielsweise ausgelesen werden, indem ein elektromagnetisches Signal SHF mit wechselnder Frequenz f (analog zum„FMCW'-Radar basierten Distanzmessverfahren vorzugsweise mit einer in etwa linearen Frequenzrampe innerhalb eines vorbestimmten Frequenzbereichs fi - h) von zumindest einer Sende-/Empfangs-Antenne 81 , 82 inContrary to coils not only an electromagnetic Nah-, but also a corresponding Fern field decoupled. The natural frequency or the capacitance (and thus the pressure p) of this passive coupler structure 6 can be read in a very simple implementation of the inventive idea, for example, by an electromagnetic signal SHF with changing frequency f (analogous to the "FMCW radar based Distance measuring method preferably with an approximately linear frequency ramp within a predetermined frequency range fi - h) of at least one transmitting / receiving antenna 81, 82 in FIG
Richtung der Koppler-Struktur 6 ausgesendet wird. Wie in Fig. 2a dargestellt, kann dabei der von der Koppler-Struktur 6 reflektierte (bzw. der korrespondierende, absorbierte) Anteil EHF von entsprechenden Sende-/Empfangs-Antennen 81 , 82 empfangen werden und in und in Bezug zu der Frequenz f des gesendeten Signals SHF gesetzt werden. In diesem Fall entspricht die Frequenz fmin, bei der ein minimaler Anteil EHF des Direction of the coupler structure 6 is emitted. As shown in FIG. 2a, the portion EHF reflected by the coupler structure 6 (or the corresponding, absorbed portion) can be received by corresponding transmit / receive antennas 81, 82 and in and in relation to the frequency f of FIG signal SHF set. In this case, the frequency f m in corresponds to a minimum EHF of the
elektromagnetischen Signals SHF reflektiert wird (bzw. die Frequenz der maximalen Absorption) der Eigenfrequenz der Koppler-Struktur 6. Wie in Fig. 2a dargestellt ist, verringert sich diese Frequenz fmin mit zunehmenden Druck p. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Koppler-Struktur 6 planar auf einer Fläche des Grundkörpers 2 angeordnet, die der ersten Elektrode 51 des electromagnetic signal SHF is reflected (or the frequency of maximum absorption) of the natural frequency of the coupler structure 6. As shown in Fig. 2a, this frequency fmin decreases with increasing pressure p. In the embodiment shown in Fig. 1, the coupler structure 6 is arranged planar on a surface of the base body 2, which is the first electrode 51 of the
Kondensators 5 abgewandt ist. Durch die planare Anordnung ist es beispielsweise möglich, die Koppler-Struktur 6 als Leiterbahn auszugestalten oder mikrostrukturier-fähige Metallisierungstechnologien, wie Sputtern oder CVD („Chemical Vapor Deposition"), zu verwenden. Condenser 5 is turned away. The planar arrangement makes it possible, for example, to design the coupler structure 6 as a conductor or to use microstructuring-capable metallization technologies, such as sputtering or CVD ("Chemical Vapor Deposition").
Angrenzend an diejenige Fläche des Grundkörpers 2, an der die Koppler-Struktur 6 angeordnet ist, schließt ein erster Endbereich eines Hohlleiters 9 an. Dabei verläuft die Längsachse des Hohlleiters 9 in etwa orthogonal zu dieser Fläche. Am zweiten, gegenüberliegenden Endbereich des Hohlleiters 9 sind eine erste Sende-/Empfangs- Antenne 81 und eine zweite Sende-/Empfangs-Antenne 81 angebracht. Adjacent to that surface of the base body 2, on which the coupler structure 6 is arranged, a first end region of a waveguide 9 adjoins. In this case, the longitudinal axis of the waveguide 9 extends approximately orthogonal to this surface. At the second, opposite end portion of the waveguide 9, a first transmitting / receiving antenna 81 and a second transmitting / receiving antenna 81 are mounted.
Korrespondierend zur Koppler-Struktur 6 ist der Hohlleiter 9 außerdem orthogonal zu zwei planar ausgestalteten Sende-/Empfangs-Antennen 81 , 82 ausgerichtet. Hierdurch wird eine wirksame elektromagnetische Kopplung der elektromagnetischen Signale SHF, EHF zwischen den zwei Sende-/Empfangs-Antennen 81 , 82 und der Koppler-Struktur 6 begünstigt. Corresponding to the coupler structure 6 of the waveguide 9 is also aligned orthogonal to two planar configured transmit / receive antennas 81, 82. As a result, an effective electromagnetic coupling of the electromagnetic signals SHF, EHF between the two transmitting / receiving antennas 81, 82 and the coupler structure 6 is favored.
Da die Ermittlung und die Übertragung des Druckes p erfindungsgemäß auf Basis eines elektromagnetischen Signals SHF erfolgt, braucht hierfür im Vergleich zu induktivem Auslesen lediglich eine vergleichsweise geringe Signal-Sendeleistung von weniger als 1 mW, vorzugsweise im Bereich von weniger als ca. 100 μ\Λ/ beaufschlagt werden. Since the determination and transmission of the pressure p according to the invention is based on an electromagnetic signal SHF, this requires only a comparatively low signal transmission power of less than in comparison to inductive readout 1 mW, preferably in the range of less than about 100 μ \ Λ / be applied.
Hierdurch kann die Druckmesseinrichtung 1 beispielsweise über eine leistungsbegrenzte 4-20 mA Schnittstelle versorgt und ausgelesen werden. Dementsprechend ist zur Einstellung der oben genannten 100 μ\Λ/ Sendeleistung bei einem Sende- /Empfangswirkungsgrad der gesamten Hochfrequenz-Elektronik (also den zwei Sende- /Empfangs-Antennen 81 , 82 mit einem Wirkungsgrad von jeweils bis zu 95 % und der elektronischen Einheit 7mit entsprechend geringerem Wirkungsgrad ca. 10 %) von ungefähr 20 % ein momentaner Leistungs-Eintrag durch die elektronische Einheit 7 von 0.5 mW erforderlich (welches im Bereich der vom 4-20 mA Protokoll übertragbaren Leistung liegt). Der mittlere erforderliche Leistungs-Eintrag lässt sich weiter vermindern, wenn nicht kontinuierlich gemessen wird, sondern lediglich zyklisch während einer begrenzten Mess-Zeit tmess und mit einer vorbestimmten Messrate R. As a result, the pressure measuring device 1 can be supplied and read out, for example, via a power-limited 4-20 mA interface. Accordingly, to adjust the above 100 μ \ Λ / transmission power at a transmission / reception efficiency of the entire high-frequency electronics (ie the two transmitting / receiving antennas 81, 82 with an efficiency of up to 95% and the electronic unit 7 with a correspondingly lower efficiency of approximately 10%) of approximately 20%, a current power input by the electronic unit 7 of 0.5 mW (which lies within the range of the power transferable by the 4-20 mA protocol). The mean required power input can be further reduced if it is not measured continuously, but only cyclically during a limited measurement time t ms ss and at a predetermined measurement rate R.
Die minimal erforderliche Mess-Zeit tmess,min ergibt sich dann gemäß dem Abtatst-Theorem mittels des Zusammenhangs: The minimum required measurement time t me ss, min then results according to the Abtatst theorem by means of the relationship:
* *
f — 1 _ p-l  f - 1 _ p-l
Lmess,min † ^max L meas, min † ^ max
Wie aus der Formel zudem hervorgeht, ergibt sich aus der minimal erforderlichen Mess- Zeit tmess,min auch unmittelbar die Messrate R, in der der Druckwert im Falle der erfindungsgemäßen Druckmesseinrichtung 1 maximal ermittelt bzw. aktualisiert werden kann: Sofern die Güte Q der Koppler-Struktur 6 also bspw. Q = 4*103 beträgt (eine Ausgestaltung der Koppler-Struktur mit einer Güte von minimal Q = 5*103 wäre erfindungsgemäß jedoch vorteilhaft) und die Frequenz f des ausgesendeten As can also be seen from the formula, the minimum required measuring time tmess, min also directly results in the measuring rate R in which the pressure value can be determined or updated maximally in the case of the pressure measuring device 1 according to the invention: If the quality Q of the coupler Structure 6, for example, Q = 4 * 10 3 (an embodiment of the coupler structure with a quality of minimum Q = 5 * 10 3 would be advantageous according to the invention) and the frequency f of the emitted
elektromagnetischen Signals SHF im Bereich von 10 GHz liegt, ergibt sich eine maximal einstellbare Messrate R von 1 .25 MHz beziehungsweise eine minimale Mess-Zeit tmess,mi von 80 is (endlich hohe Signallaufzeiten in der elektronischen Einheit und weitere parasitäre Effekte sind hierbei unberücksichtigt). Im Rahmen der Erfindung wäre es zwecks weiterer Leistungsreduktion aber auch denkbar, mit einer deutlich geringeren Messrate R von beispielsweise lediglich 1 Hz (oder gegebenenfalls noch geringer) zu arbeiten. electromagnetic signal SHF is in the range of 10 GHz, results in a maximum settable measurement rate R of 1 .25 MHz or a minimum measurement time t m ess, mi of 80 is (finally high signal propagation times in the electronic unit and other parasitic effects here disregarded). In the context of the invention, for the purpose of further power reduction, however, it would also be conceivable to operate at a significantly lower measurement rate R of, for example, only 1 Hz (or possibly even less).
Zwecks wirksamer elektromagnetischer Kopplung ist außerdem die Länge des Hohlleiters 9 vorzugsweise in Abhängigkeit der Frequenz f des ausgesendeten elektromagnetischen Signals SHF ZU bemessen. Günstig ist es, wenn die Länge entlang der Längsachse des Hohlleiters 9 knapp ein Viertel der Wellenlänge λ (oder einem ganzzahligen Vielfachen n hiervon) gemäß beträgt. Diese Länge verkürzt sich entsprechend durch Füllung des Hohlleiters 9 mit einem dielektrischen Material (bedingt durch die Änderung der For the purpose of effective electromagnetic coupling, moreover, the length of the waveguide 9 is preferably to be dimensioned as a function of the frequency f of the emitted electromagnetic signal SHF ZU. It is advantageous if the length along the longitudinal axis of the waveguide 9 is just under a quarter of the wavelength λ (or an integer multiple n thereof) according to is. This length is shortened accordingly by filling the waveguide 9 with a dielectric material (due to the change of the
Ausbreitungsgeschwindigkeit c), das einen Dielektrizitätswert größer 1 aufweist. Zur Verringerung von Übertragungsverlusten ist die Länge des Hohlleiters 9 außerdem vorzugsweise mit maximal dem Vierfachen des Innendurchmessers d des Hohlleiters 9 zu bemessen. Die Bemaßung dieser Länge bewirkt im Sinne der Erfindung die thermische Entkopplung der elektronischen Einheit 7 von der Temperatur, die am Ort des zu messenden Druckes p herrscht. Ein dielektrisches Material, welches in den Hohlleiter 9 eingebracht ist und zudem thermisch isolierend wirkt, würde also im Sinne der Erfindung die thermische Entkopplung weiter fördern. Propagation speed c), which has a dielectric value greater than 1. To reduce transmission losses, the length of the waveguide 9 is also preferably to be sized with a maximum of four times the inner diameter d of the waveguide 9. The dimensioning of this length causes in the context of the invention the thermal decoupling of the electronic unit 7 from the temperature prevailing at the location of the pressure to be measured p. A dielectric material, which is introduced into the waveguide 9 and also acts thermally insulating, would thus further promote thermal decoupling within the meaning of the invention.
Zur erforderlichen Kopplung zwischen den zwei Sende-/Empfangs-Antennen 81 , 82 und der Koppler-Struktur 6 hat der Hohlkörper 9 zudem zumindest eine leitfähige Innenwand aufzuweisen. Im Rahmen der Erfindung ist die Querschnittsform des Hohlleiters per se nicht vorbestimmt. Der Querschnitt kann beispielsweise rechteckig ausgestaltet sein. Aufgrund der einfachen Fertigbarkeit und jedoch ein runder Querschnitt mit einem definierten Durchmesser D vorzuziehen. Dabei kann der Durchmesser D insbesondere so auf die Frequenz f des elektromagnetischen Signals SHF abgestimmt werden, dass das elektromagnetische Signal SHF in definierten Moden, vorzugsweise in der TE01 Mode, der TE11 Mode oder der TMn Mode, ausgesendet wird. Vor allem die Ausprägung dieser drei Moden bietet sich an, da sich deren Intensitätsmaximum in Bezug zum Querschnitt des Hohlleiters 9 mittig ausbildet, wenn die zwei Sende-/Empfangs-Antennen 81 , 82 entsprechend symmetrisch zur Mitte des Hohlleiter-Querschnittes angeordnet sind. Daher ist es, wie in Fig. 1 dargestellt, vorteilhaft, dass die Koppler-Struktur 6 in Bezug zum Querschnitt des Hohlleiters 9 in etwa zentral angebracht ist. For the required coupling between the two transmitting / receiving antennas 81, 82 and the coupler structure 6, the hollow body 9 also has at least one conductive inner wall. In the context of the invention, the cross-sectional shape of the waveguide per se is not predetermined. The cross section may for example be designed rectangular. Due to the simple manufacturability and a round cross section with a defined diameter D preferable. In this case, the diameter D can in particular be matched to the frequency f of the electromagnetic signal SHF such that the electromagnetic signal SHF is emitted in defined modes, preferably in the TE01 mode, the TE11 mode or the TMn mode. Above all, the expression of these three modes lends itself to since the maximum intensity with respect to the cross section of the waveguide 9 is formed centrally when the two transmitting / receiving antennas 81, 82 are arranged correspondingly symmetrical to the center of the waveguide cross section. Therefore, as shown in Fig. 1, it is advantageous that the coupler structure 6 is mounted approximately centrally with respect to the cross section of the waveguide 9.
Die Wahl des Durchmessers D in Bezug zur Frequenz f des elektromagnetischen Signals SHF und der auszuprägenden Mode ist durch den Zusammenhang kM * c The choice of the diameter D with respect to the frequency f of the electromagnetic signal SHF and the mode to be impressed is given by the relationship k M * c
D =  D =
π * f gegeben. Dabei ist km eine von der jeweils gewählten Mode abhängige Konstante, die sich aus entsprechender Lösung der allgemein bekannten Bessel-Funktion ergibt. Im Falle der TEn-Mode beträgt kM = 1 .841 (kM = 2.405 bei TM0i ; kM = 3.054 bei TE21 , kM = 3.83171 bei TMn; kM = 4.2012 bei TE31 ; kM = 5.136 bei TM21 ; kM = 5.317 bei TE41 ; kM = 5.331 bei TEi2; und kM = 5.52 bei TM02). Aus obiger Formel ergibt sich, dass der zu wählende Durchmesser D mit zunehmender Frequenz f des elektromagnetischen Signals SHF abnimmt und mit zunehmender Mode zunimmt. Somit kann die Druckmesseinrichtung 1 insgesamt kompakter ausgestaltet werden. Daher liegt es nahe, die Frequenz f des elektromagnetischen Signals SHF möglichst hochfrequent, also beispielsweise mit mindestens 100 MHz auszulegen. given π * f. Here, k m is a dependent of the selected mode constant, resulting from a corresponding solution to the well-known Bessel function. In the case of TEn mode, k M = 1.841 (k M = 2.405 at TM 0 i, k M = 3.054 at TE21, k M = 3.83171 at TMn, k M = 4.2012 at TE31, k M = 5.136 at TM21 k M = 5,317 for TE41, k M = 5,331 for TE i2 , and k M = 5:52 for TM 02 ). From the above formula it follows that the diameter D to be selected decreases with increasing frequency f of the electromagnetic signal SHF and increases with increasing mode. Thus, the pressure measuring device 1 can be made more compact overall. It therefore makes sense to design the frequency f of the electromagnetic signal SHF as high as possible, that is, for example, at least 100 MHz.
Technisch realisierbar ist aber auch eine Frequenz im Radar-Bereich mit mehr als 1 GHz, also beispielsweise 26 GHz. Auch mehr als 100 GHz sind denkbar. Bei einer Frequenz von 26 GHz ergibt sich für die TEn-Mode ein kompakter Durchmesser d von 14 mm. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel dienen beide Sende-/Empfangs- Antennen 81 , 82 zum Aussenden des elektromagnetischen Signals SHF sowie zum Empfang des reflektierten elektromagnetischen Signals EHF (erfindungsgemäß wäre bereits die Verwendung lediglich einer einzigen Sende-/Empfangs-Antenne 81 auseichend; Alternativ wäre es außerdem vorstellbar, eine reine Sende-Antenne und eine separate Empfangs-Antenne einzusetzen).  Technically feasible is also a frequency in the radar range with more than 1 GHz, so for example 26 GHz. Also more than 100 GHz are conceivable. At a frequency of 26 GHz, the TEn-mode results in a compact diameter d of 14 mm. In the exemplary embodiment shown in FIG. 1, both transmit / receive antennas 81, 82 serve to transmit the electromagnetic signal SHF and to receive the reflected electromagnetic signal EHF (according to the invention, the use of only a single transmit / receive antenna 81 would already be sufficient Alternatively, it would also be conceivable to use a pure transmitting antenna and a separate receiving antenna).
Die Verwendung zweier Sende-/Empfangs-Antennen 81 , 82 ermöglicht die Entkopplung des im reflektierten elektromagnetischen Signal EHF enthaltenen Druckwertes p von der thermischen Ausdehnung der Druckmesseinrichtung 1 , bzw. insbesondere von der thermischen Ausdehnung des Hohlleiters 9. In diesem Fall dient die zweite Sende-The use of two transmit / receive antennas 81, 82 makes it possible to decouple the pressure value p contained in the reflected electromagnetic signal EHF from the thermal expansion of the pressure measuring device 1, or in particular from the thermal expansion of the waveguide 9. In this case, the second transmit serves -
/Empfangs-Antenne 82 dazu, das elektromagnetische Signal SHF derart auszusenden, dass es von der Koppler-Struktur 6 unbeeinflusst (am Grundkörper 2 bzw. am Übergang zwischen Grundkörper 2 und dem Hohlleiter 9) reflektiert wird. Dadurch setzt sich das reflektierte Signal EHF aus einem von der Koppler-Struktur 6 unabhängigen- und einem von der Koppler-Struktur 6 abhängigen Anteil zusammen und kann entsprechend von der elektronischen Einheit 7 verarbeitet werden. / Reception antenna 82 to send the electromagnetic signal SHF so that it is unaffected by the coupler structure 6 (on the base body 2 and at the transition between the base body 2 and the waveguide 9) is reflected. As a result, the reflected signal EHF is composed of one component which is independent of the coupler structure 6 and one component dependent on the coupler structure 6 and can accordingly be processed by the electronic unit 7.
Das Aussenden eines von der Koppler-Struktur 6 unbeeinflussten elektromagnetischen Signals SHF durch die zweite Sende-/Empfangs-Antenne 82 kann erfindungsgemäß auf zwei verschiedene Arten erfolgen: The emission of an electromagnetic signal SHF, which is uninfluenced by the coupler structure 6, by the second transmitting / receiving antenna 82 can take place according to the invention in two different ways:
Die zweite Sende-/Empfangs-Antenne 82 kann so angesteuert werden, dass das von ihr ausgesendete Signal SHF entweder in einer anderen Mode und/oder in (vorzugsweise 90°) verdrehter Polarisation ausgesendet wird (in Bezug zu dem von der ersten Sende- /Empfangs-Antenne 81 ausgesendeten elektromagnetischen Signal SHF). Folgende Kombinationen des unterschiedlichen Aussendens durch die zwei Sende-/Empfangs- Antennen 81 , 82 sind in diesem Fall vorteilhaft: Erste Sende-ZEmpfangs-Antenne 81 Zweite Sende-ZEmpfangs-Antenne 82The second transmit / receive antenna 82 can be controlled such that the signal SHF transmitted by it is emitted either in another mode and / or in (preferably 90 °) twisted polarization (in relation to that of the first transmit / Receiving antenna 81 emitted electromagnetic signal SHF). The following combinations of the different transmission by the two transmitting / receiving antennas 81, 82 are advantageous in this case: First Transmitter Antenna 81 Second Transmitter Antenna 82
TE01 Mode TE41 ModeTE01 Fashion TE41 Mode
TE11 Mode TM11 Mode, um 90° verdrehtTE11 Mode TM11 Mode, rotated by 90 °
TE11 Mode TE11 Mode, um 90° verdrehtTE11 Mode TE11 Mode, twisted 90 °
TE41 Mode TM02 ModeTE41 Mode TM02 Mode
TE21 Mode TE22 ModeTE21 Fashion TE22 Fashion
TE31 Mode TE31 Mode, um 30° verdrehtTE31 Mode TE31 Mode, rotated by 30 °
TE21 Mode TE2I 21 Mode, um 90° verdreht TE21 Mode TE2I 21 Mode, rotated 90 °
Wie in Fig. 2b abgebildet ist, ist es zudem vorteilhaft, die Reflektion des von der zweiten Sende-/Empfangs-Antenne 82 ausgesendeten elektromagnetischen Signals SHF ZU verstärken, indem die Koppler-Struktur 6 auf dem Grundkörper 2 um eine (galvanisch getrennte) Referenz-Struktur 6c erweitert wird. Dabei ist die Referenz-Struktur 6c vorzugsweise so auszugestalten, dass sie insbesondere von der Mode des von der zweiten Sende-/Empfangs-Antenne 82 ausgesendeten Signals SHF angeregt wird. Zum Auslesen des reflektierten Signals EHF und zur anschließenden Bestimmung des Druckes p kann bei Aussenden des elektromagnetischen Signals SHF in zwei verschiedenen Moden bzw. mit unterschiedlicher Polarisation wiederum der Effekt genutzt werden, dass die erste Sende-/Empfangs-Antenne 81 lediglich das reflektierte Signal EHF in derjenigen Mode und/oder mit derjenigen Polarisation empfängt, dessen Mode und/oder Polarisation das von ihr ausgesendete elektromagnetische Signals SHF aufweist (hierbei gilt Gleiches für die zweite Sende-/Empfangs-Antenne 82). As shown in Fig. 2b, it is also advantageous to enhance the reflection of the emitted by the second transmitting / receiving antenna 82 electromagnetic signal SHF ZU by the coupler structure 6 on the base body 2 by a (galvanic isolated) reference Structure 6c is extended. In this case, the reference structure 6c is preferably to be designed in such a way that it is excited, in particular, by the mode of the signal SHF emitted by the second transmit / receive antenna 82. For reading out the reflected signal EHF and for the subsequent determination of the pressure p, the effect that the first transmitting / receiving antenna 81 only reflects the reflected signal EHF can again be used when transmitting the electromagnetic signal SHF in two different modes or with different polarization in that mode receives and / or with that polarization, the mode and / or polarization of which it has emitted electromagnetic signal SHF (the same applies to the second transceiver antenna 82).
Um bei einem elektromagnetischen Signal SHF, das durch die zweite Sende-ZEmpfangs- Antenne 82 um 90° verdreht polarisiertes ausgesendet wird, zu bewirken, das dieses elektromagnetische Signal SHF unbeeinflusst von der Koppler-Struktur 6 reflektiert wird, muss die Koppler-Struktur 6 entsprechend (zur zweiten Sende-/Empfangs-Antenne 82) angeordnet sein. Eine dafür geeignete Ausgestaltungsvariante ist in Fig. 2 b gezeigt: In order to cause an electromagnetic signal SHF, which is transmitted through the second transmitting antenna 82 rotated 90 ° polarized, to reflect this electromagnetic signal SHF unaffected by the coupler structure 6, the coupler structure 6 must be correspondingly (to the second transmitting / receiving antenna 82) may be arranged. A suitable embodiment variant is shown in FIG. 2 b:
Wie in Fig. 1 bereits angedeutet, illustriert Fig. 2b eine konkrete Ausgestaltung der Druckmesseinrichtung 1 mit zwei Sende-/Empfangs-Antennen 81 ,82 sowie einer hierauf abgestimmten Ausführung der Koppler-Struktur 6. Für alle drei Komponenten 6, 81 , 82 wird eine planare Anordnung vorgeschlagen, die jeweils aus einem ersten Ringsegment 81 a, 82a, 6a und einem in etwa gegenüberliegend angeordneten, zweiten Ringsegment 81 b, 82b, 6b ausgestaltet sind/ist. Hierbei sind die zwei Sende-/Empfangs-Antennen 81 , 82 als quasi-geschlossener Ring entworfen. Dazu sind die die jeweils zwei As already indicated in FIG. 1, FIG. 2b illustrates a specific embodiment of the pressure measuring device 1 with two transmitting / receiving antennas 81, 82 and a configuration of the coupler structure 6 tuned thereto. For all three components 6, 81, 82 proposed a planar arrangement, each of a first ring segment 81 a, 82 a, 6 a and an approximately opposite arranged, second ring segment 81 b, 82 b, 6 b configured / is. Here, the two transmitting / receiving antennas 81, 82 are designed as a quasi-closed ring. These are the two of them
gegenüberliegenden Ringsegmente 81 a,b, 82a, b der zwei Sende-/Empfangs-Antennen 81 , 82 so angeordnet, dass abwechselnd jeweils ein Ringsegment 81 a,b der ersten Sende-/Empfangs-Antenne 81 an ein Ringsegment 82a, b der zweiten Sende-/Empfangs- Antenne 82 aneinander anschließt, und umgekehrt. Durch diese Anordnung der zwei Sende-/Empfangs-Antennen 81 , 82 zueinander wird die um 90° gedrehte Polarisation des ausgesendeten elektromagnetischen Signals SHF zwischen den zwei Sende-ZEmpfangs- Antennen 81 , 82 erreicht. Zwecks ausreichender Ankopplung zur Koppler-Struktur 6 sind die zwei Sende-/Empfangs-Antennen 81 , 82 bzw. deren Ring-Segmente 81 a,b; 82a, b so auszulegen, dass sie einen hinreichenden Sende-/Empfangs-Wirkungsgrad von insbesondere mehr als 15 % aufwiesen. opposite ring segments 81 a, b, 82 a, b of the two transmitting / receiving antennas 81, 82 arranged so that alternately each one ring segment 81 a, b of the first transmitting / receiving antenna 81 to a ring segment 82 a, b of the second transmitting / receiving antenna 82 connected to each other, and vice versa. By this arrangement of the two transmitting / receiving antennas 81, 82 to each other, the rotated by 90 ° polarization of the emitted electromagnetic signal SHF between the two transmitting receiving antennas 81, 82 is reached. For sufficient coupling to the coupler structure 6, the two transmitting / receiving antennas 81, 82 or their ring segments 81 a, b; 82a, b be designed so that they had a sufficient transmission / reception efficiency of more than 15% in particular.
Analog ist auch die Koppler-Struktur 6 zweiteilig mit gegenüberliegenden Ringsegmenten 6a, b ausgebildet, wobei die Ringsegmente 6a, b der Koppler-Struktur 6 in Bezug zur Längsachse des Hohlleiters 9 ca. 90° verdreht zu den zwei Ringsegmenten 82a, b der zweiten Sende-/Empfangs-Antenne 81 angeordnet sind (somit sind die Ringsegmente 6a, b der Koppler-Struktur 6 in Bezug zur Längsachse des Hohlleiters 9 etwa Analogously, the coupler structure 6 is formed in two parts with opposite ring segments 6a, b, wherein the ring segments 6a, b of the coupler structure 6 with respect to the longitudinal axis of the waveguide 9 about 90 ° twisted to the two ring segments 82a, b of the second transmission Are arranged / (that is, the ring segments 6a, b of the coupler structure 6 with respect to the longitudinal axis of the waveguide 9 approximately
deckungsgleich zu den Ringsegmenten 81 a,b der ersten Sende-/Empfangs-Antenne 81 ). Die exakte Winkel-Ausrichtung bzw. Position ist bspw. mittels entsprechender Simulation von den verwendeten Moden und der Länge des Hohlleiters 9 abhängig zu machen. Korrespondierend zu den zwei Sende-/Empfangs-Antennen 81 , 82 ist der Koppler zwecks guter Ankopplung so zu dimensionieren, dass er eine Güte von mindestens 4000 aufweist. congruent with the ring segments 81 a, b of the first transmitting / receiving antenna 81). The exact angle orientation or position is, for example, to be made dependent on the modes used and the length of the waveguide 9 by means of a corresponding simulation. Corresponding to the two transmitting / receiving antennas 81, 82, the coupler is to be dimensioned so that it has a quality of at least 4000 for the purpose of good coupling.
Durch Fig. 2b wird deutlich, dass im Fall der Koppler-Struktur 6 die Kontaktierung jedes der zwei Ringsegmente 6a, b zum Kondensator 5 hin zumindest teilweise über eine ebenfalls planare elektrische Leitung in der Ebene des jeweiligen Ringsegments 6a, b erfolgen muss. Hierbei ist es erfindungsgemäß vorzuziehen, die jeweilige planare elektrische Leitung mit einer Verzögerungsstruktur dL zu versehen, um zu verhindern, dass die planare Leitung als ein parasitärer Resonator wirkt, der das reflektierte Signal EHF verfälscht. Eine mögliche Ausführung mit Verzögerungsstruktur ist in Fig. 2c gezeigt: Die Verzögerungsstruktur dL ist hierfür, wie in Fig. 2c abgebildet, mindestens teilweise mäanderförmig ausgestaltet. Hierbei hat zumindest ein Geraden-Segment der mäanderförmigen Verzögerungsstruktur dL eine Länge entsprechend 1/8 der Wellenlänge des elektromagnetischen Signals SHF aufzuweisen, um die Wirkung der elektrischen Leitung als parasitärer Resonator zu verhindern. Wie in Fig. 2c skizziert ist, kann die Verzögerungsstruktur wiederum über ein Durchkontaktierungsloch im Grundkörper 2 aus der Ebene der der Koppler-Struktur 6 hinausgeführt werden, um die zwei Ringsegmente 6a, b mit dem Kondensator 5 zu kontaktieren. Wie in Fig. 1 dargestellt, erfolgt die Erzeugung des elektromagnetischen Signals SHF und die Verarbeitung es reflektierten Signals EHF durch die elektronische Einheit 7, indem sie mit den zwei Sende-/Empfangs-Antennen 81 , 82 kontaktiert ist. Fig. 3 zeigt eine mögliche Ausführungsvariante der elektronischen Einheit 7, mittels der bei Verwendung zweier Sende-/Empfangs-Antennen 81 , 82 eine sehr effiziente Ermittlung des Druckes p möglich ist. Kern der dort gezeigten elektronischen Einheit 7 ist ein Signalteiler 72. Dieser teilt ein elektrisches Hochfrequenz-Signal SHF, das von einem Hochfrequenz-Generator 71 erzeugt wird, in einen ersten Signalpfad SHF.I und einen zweiten Signalpfad SHF,2 auf. Dabei kann der Hochfrequenz-Generator 71 insbesondere bei Erzeugung des elektrischen Hochfrequenz-Signals SHF im GHz-Bereich analog zur Radar-Messtechnik als spannungsgesteuerter Oszillator realisiert sein, wobei der Oszillator wiederum durch einen Spannungsgenerator gesteuert wird. Über eine erste Sende-/Empfangsweiche 73a, die im ersten Signalpfad SHF.I angeordnet ist, wird das elektrische Hochfrequenz-Signal SHF in die erste Sende-/Empfangs-Antenne 81 einkoppelt und entsprechend als elektromagnetisches Signal SHF in Richtung der Reflektor-Struktur 6a, b ausgesendet. Dabei ist zur Einkopplung in die erste Sende- ZEmpfangs-Antenne 81 zwischen ihr und der Sende-/Empfangsweiche 73a ein erster Balun 74 zwischengeschaltet. Gleichzeitig wird über die erste Sende-/Empfangsweiche 73a das von der ersten Sende-/Empfangs-Antenne 81 empfangene, reflektierte elektromagnetische Signal EHF in den ersten Signalpfad SHF.I eingekoppelt und einem Mischer 75 zugeführt. Analog zum ersten Signalpfad SHF.I wird über eine zweite Sende-/Empfangsweiche 73b, die im zweiten Signalpfad SHF,2 angeordnet ist, das elektrische Hochfrequenz-Signal SHF über einen zweiten Balun 74b in die zweite Sende-/Empfangs-Antenne 82 einkoppelt, um als elektromagnetisches Signal SHF in Richtung des Grundkörpers r 6a, b ausgesendet zu werden. Auch die zweite Sende-/Empfangsweiche 73a koppelt zudem das von der zweiten Sende-/Empfangs-Antenne 82 empfangene, reflektierte elektromagnetische Signal EHF wieder in den zweiten Signalpfad SHF.I ein und führt es dem Mischer 75 zu. By Fig. 2b it is clear that in the case of the coupler structure 6, the contacting of each of the two ring segments 6a, b to the capacitor 5 out at least partially via a likewise planar electrical line in the plane of the respective ring segment 6a, b must be made. In this case, it is preferable in accordance with the invention to provide the respective planar electrical line with a delay structure dL in order to prevent the planar line from acting as a parasitic resonator which falsifies the reflected signal EHF. A possible embodiment with a delay structure is shown in FIG. 2c: For this purpose, the delay structure dL is at least partially meander-shaped, as shown in FIG. 2c. Here, at least one straight line segment of the meandering delay structure dL has to have a length corresponding to 1/8 of the wavelength of the electromagnetic signal SHF in order to prevent the effect of the electric conduction as a parasitic resonator. As outlined in FIG. 2 c, the delay structure can in turn be led out of the plane of the coupler structure 6 via a through-hole in the main body 2 in order to contact the two ring segments 6 a, 6 b with the capacitor 5. As shown in FIG. 1, the generation of the electromagnetic signal SHF and the processing of the reflected signal EHF by the electronic unit 7 are made by contacting with the two transmitting / receiving antennas 81, 82. FIG. 3 shows a possible embodiment variant of the electronic unit 7, by means of which a very efficient determination of the pressure p is possible when two transmitting / receiving antennas 81, 82 are used. The core of the electronic unit 7 shown there is a signal divider 72. This divides a high-frequency electrical signal SHF, which is generated by a high-frequency generator 71, in a first signal path SHF.I and a second signal path SHF, 2. In this case, the high-frequency generator 71 can be realized in particular in the generation of the electrical high-frequency signal SHF in the GHz range analogous to radar measurement technology as a voltage-controlled oscillator, wherein the oscillator is in turn controlled by a voltage generator. Via a first transmitting / receiving switch 73a, which is arranged in the first signal path SHF.I, the electrical high-frequency signal SHF is coupled into the first transmitting / receiving antenna 81 and correspondingly as the electromagnetic signal SHF in the direction of the reflector structure 6a , b sent out. In this case, a first balun 74 is interposed between the latter and the transmission / reception diverter 73a for coupling into the first transmission antenna 81. At the same time, the reflected electromagnetic signal EHF received by the first transmitting / receiving antenna 81 is coupled into the first signal path SHF.I via the first transmitting / receiving switch 73a and fed to a mixer 75. Analogously to the first signal path SHF.I, the high-frequency electrical signal SHF is coupled via a second transceiver 73b, which is arranged in the second signal path SHF, 2, into the second transceiver antenna 82 via a second balun 74b. to be emitted as electromagnetic signal SHF in the direction of the main body r 6a, b. The second transmitting / receiving switch 73a also couples the reflected electromagnetic signal EHF received by the second transmitting / receiving antenna 82 back into the second signal path SHF.I and supplies it to the mixer 75.
Im Mischer 75 wird somit das von der ersten Sende-/Empfangs-Antenne 81 empfangene Signal EHF mit dem von der zweiten Sende-/Empfangs-Antenne 82 empfangenen Signal EHF gemischt (wobei das reflektierte Signal EHF hierbei jeweils in einer voneinander abweichenden Mode und/oder mit unterschiedlicher Polarisation empfangen wird). Sofern der Hochfrequenz-Generator 71 also das Sende-Signal SHF mit einer sich (linear) verändernden Frequenz f erzeugt, ermöglicht das Mischen in diesem Fall eine sehr einfache Ermittlung des Druckes p: Denn die durch den Mischer 75 gebildete In the mixer 75, the signal EHF received by the first transmitting / receiving antenna 81 is thus mixed with the signal EHF received by the second transmitting / receiving antenna 82 (the reflected signal EHF being in a different mode from each other and / or or received with different polarization). If the high-frequency generator 71 thus generates the transmission signal SHF with a (linearly) changing frequency f, the mixing in this case enables a very simple determination of the pressure p: ## EQU1 ## Because the mixer formed by the mixer 75
Differenzfrequenz s , die sich als Differenz zwischen der Frequenz des von der ersten Sende-/Empfangs-Antenne 81 empfangenen Empfangssignals EHF und der Frequenz des von der zweiten Sende-/Empfangs-Antenne 82 empfangenen Empfangssignals EHF einstellt, ändert sich in diesem Fall linear mit dem Druck p. Die Differenzfrequenz s kann wiederum technisch sehr einfach erfasst werden. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, kann dies nach entsprechender A/D-Wandlung beispielsweise mittels eines Mikrocontrollers 76 erfolgen. Difference frequency s, which is the difference between the frequency of the first Transmit / receive antenna 81 receives received signal EHF and the frequency of the reception signal received from the second transmitting / receiving antenna 82 EHF changes in this case linearly with the pressure p. The difference frequency s can again be detected very technically very easily. As shown in FIG. 3, this can be done after appropriate A / D conversion, for example by means of a microcontroller 76.
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Druckmesseinrichtung 1 pressure measuring device
2 Grundkörper  2 main body
3 Messmembran 3 measuring membrane
4 Druckkammer  4 pressure chamber
5a, b Kondensator / Elektroden des Kondensators  5a, b Capacitor / electrodes of the capacitor
6a,b,c Koppler-Struktur 6a, b, c coupler structure
7 Elektronische Einheit  7 Electronic unit
9 Hohlleiter 9 waveguide
71 Hochfrequenz-Generator  71 high-frequency generator
72 Signalteiler  72 signal divider
73 a,b Sende-/Empfangsweiche  73 a, b Transceiver
74 a,b Balune  74 a, b Balune
75 Mischer 75 mixers
76 MikroController  76 microcontroller
81 ,82 Sende-/Empfangs-Antennen  81, 82 transmit / receive antennas
AE.HF Amplitude des reflektierten elektromagnetischen Signals AE.HF Amplitude of the reflected electromagnetic signal
EHF Reflektiertes elektromagnetisches Signal EHF Reflected electromagnetic signal
D Durchmesser des Hohlleiters D Diameter of the waveguide
d Durchmesser der Messmembran d Diameter of the measuring diaphragm
f Frequenz f frequency
fmin Frequenz des Amplitudenminimums fmin Frequency of the amplitude minimum
I Elektrodenabstand  I electrode distance
p Druck p pressure
Q Güte der Koppler-Struktur  Q quality of the coupler structure
R Messrate  R measuring rate
r Radius der Elektroden des Kondensators r radius of the electrodes of the capacitor
SHF Elektromagnetisches Signal  SHF Electromagnetic signal
SHF,I,2 Signalpfade SHF, I, 2 signal paths
s Differenzfrequenz s difference frequency
t Dicke der Messmembran t thickness of the measuring membrane
tmess Mess-Zeit tmess measuring time

Claims

Patentansprüche claims
1. Druckmesseinrichtung, umfassend: A pressure measuring device comprising:
einen Grundkörper (2),  a main body (2),
- eine Messmembran (3), die derart ausgestaltet und auf dem Grundkörper (2) angeordnet ist, dass die Messmembran (3) zum Grundkörper (2) hin eine Druckkammer (4) einschließt, und dass die Messmembran (3) in Abhängigkeit eines zu messenden Druckes (p), der von einer dem Grundkörper (2)  - A measuring membrane (3) which is designed and arranged on the base body (2), that the measuring diaphragm (3) to the base body (2) towards a pressure chamber (4) includes, and that the measuring diaphragm (3) in dependence on measuring pressure (p) coming from one of the main body (2)
abgewandten Fläche auf die Messmembran (3) wirkt, verformbar ist,  facing away from the measuring membrane (3) acts, is deformable,
- einen Kondensator (5), mit  - A capacitor (5), with
• einer ersten Elektrode (5a), die in der Druckkammer (4) am Grundkörper (2) angeordnet ist, und  A first electrode (5a), which is arranged in the pressure chamber (4) on the base body (2), and
• einer zweiten Elektrode (5b), die derart an der Messmembran (3) in der  • a second electrode (5b), which in such a way on the measuring diaphragm (3) in the
Druckkammer (4) angeordnet ist, dass die Kapazität (C(p)) des Kondensators (5) vom Druck (p) abhängig ist,  Pressure chamber (4) is arranged, that the capacitance (C (p)) of the capacitor (5) is dependent on the pressure (p),
gekennzeichnet durch marked by
eine am Grundkörper (2) angeordnete elektrische Koppler-Struktur (6), die mit dem Kondensator (5) kontaktiert ist,  an electrical coupler structure (6) arranged on the main body (2) and in contact with the capacitor (5),
zumindest eine erste Sende-/Empfangs-Antenne (81 ) zum Aussenden eines elektromagnetischen Signals (SHF) in Richtung der Koppler-Struktur (6), und zum at least one first transmitting / receiving antenna (81) for emitting an electromagnetic signal (SHF) in the direction of the coupler structure (6), and the
Empfang eines vom Grundkörper (2) und/oder von der Koppler-Struktur (6) reflektierten elektromagnetischen Signals (EHF), Receiving an electromagnetic signal (EHF) reflected by the base body (2) and / or by the coupler structure (6),
einen zwischen der zumindest ersten Sende-/Empfangs-Antenne (81 ) und der Koppler-Struktur (6) angeordneten Hohlleiter (9),  a waveguide (9) arranged between the at least first transmitting / receiving antenna (81) and the coupler structure (6),
- eine elektronische Einheit (7), die zumindest mit der ersten Sende-ZEmpfangs- - an electronic unit (7), which at least with the first transmitting ZEmpfangs-
Antenne (81 ) kontaktiert ist, wobei die elektronische Einheit (7) ausgestaltet ist, um das elektromagnetische Signal (SHF) ZU erzeugen und den Druck (p) anhand des reflektierten elektromagnetischen Signals (EHF) ZU bestimmen. Antenna (81) is contacted, wherein the electronic unit (7) is designed to generate the electromagnetic signal (SHF) and to determine the pressure (p) based on the reflected electromagnetic signal (EHF).
2. Druckmesseinrichtung nach Anspruch 1 , 2. Pressure measuring device according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
die elektronische Einheit (7) folgende Komponenten umfasst: the electronic unit (7) comprises the following components:
Einen Hochfrequenz-Generator (71 ) zur Erzeugung eines elektrischen  A high frequency generator (71) for generating an electrical
Hochfrequenz-Signals (SHF),  High-frequency signal (SHF),
- zumindest eine erste Sende-/Empfangsweiche (73a), die derart mit der ersten - At least a first transmitting / receiving switch (73 a), which is so with the first
Sende-/Empfangs-Antenne (81 ) verschaltet ist, um das elektrische Hochfrequenz- Signal (SHF) als elektromagnetisches Signal (SHF) auszusenden, und das reflektierte elektromagnetische Signal (EHF) einzukoppeln, und Transmitter / receiver antenna (81) is connected to send out the high-frequency electrical signal (SHF) as an electromagnetic signal (SHF), and to couple the reflected electromagnetic signal (EHF), and
einen Microcontroller (76), der mittels des eingekoppelten Signals (s ) den Druck (p) ermittelt. a microcontroller (76), which determines the pressure (p) by means of the coupled signal (s).
3. Druckmesseinrichtung nach Anspruch 2, 3. Pressure measuring device according to claim 2,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
der Hochfrequenz-Generator (71 ) ausgelegt ist, um the high-frequency generator (71) is designed to
das elektrische Hochfrequenz-Signal (SHF) mit einer Frequenz (f), die sich zeitlich innerhalb eines Frequenzbandes { -h) insbesondere linear ändert, zu erzeugen.  the electrical high-frequency signal (SHF) with a frequency (f), which changes in time within a frequency band {-h), in particular linearly generate.
4. Druckmesseinrichtung nach Anspruch 3, 4. Pressure measuring device according to claim 3,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
der Microcontroller (76) ausgestaltet ist, um the microcontroller (76) is configured to
- innerhalb des Frequenzbandes (fi-f2) zumindest ein Amplituden-Minimum des reflektierten hochfrequenten elektromagnetischen Signals (EHF) in Abhängigkeit der Frequenz (f) zu ermitteln,  to determine at least one amplitude minimum of the reflected high-frequency electromagnetic signal (EHF) as a function of the frequency (f) within the frequency band (fi-f2),
eine korrespondierende Frequenz (fmin) des Amplituden-Minimums zu ermitteln, und to determine a corresponding frequency (f m in) of the amplitude minimum, and
- den Druck (p) anhand der Frequenz (fmin) des zumindest einen Amplituden-- the pressure (p) based on the frequency (f m in) of the at least one amplitude
Minimums zu bestimmen. To determine minimums.
5. Druckmesseinrichtung nach Anspruch 2, 3 oder 4, 5. Pressure measuring device according to claim 2, 3 or 4,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
die elektronische Einheit (7) folgende Komponenten umfasst: the electronic unit (7) comprises the following components:
einen Signalteiler (72), der verschaltet ist, um das elektrische Hochfrequenz- Signal (SHF) in einen ersten Signalpfad (SHF.I ) und einen zweiten Signalpfad (SHF,2) aufzuteilen, wobei die erste Sende-/Empfangsweiche (73a) im ersten Signalpfad (SHF.I ) angeordnet ist,  a signal divider (72) connected to divide the high frequency electrical signal (SHF) into a first signal path (SHF.I) and a second signal path (SHF, 2), the first transceiver (73a) in first signal path (SHF.I) is arranged,
- eine zweite Sende-/Empfangsweiche (73b), die im zweiten Signalpfad (SHF,2) verschaltet ist,  a second transmitting / receiving switch (73b), which is connected in the second signal path (SHF, 2),
eine zweite Sende-/Empfangs-Antenne (82), die an die zweite Sende- /Empfangsweiche (73b) angeschlossen ist, wobei die zweite Sende- /Empfangsweiche (73b) ausgestaltet ist, um das das von der zweiten Sende- /Empfangs-Antenne (82) empfangene, reflektierte Signal (EHF) in den zweiten a second transceiver antenna (82) which is connected to the second transceiver (73b), wherein the second transceiver (73b) is configured to the second of the second transceiver Antenna (82) received, reflected signal (EHF) in the second
Signalpfad (SHF,2) einzukoppeln, und Coupling signal path (SHF, 2), and
einen Mischer (75), der mit der ersten Sende-/Empfangsweiche (73a) und der zweiten Sende-/Empfangsweiche (73b) verschaltet ist, um das in den ersten Signalpfad (SHF,2) eingekoppelte, reflektierte Signal (EHF) mit dem reflektierten Signal (EHF), das in den zweiten Signalpfad (SHF,2) eingekoppelt wird, zu mischen, wobei der Microcontroller (76) den Druck mittels einer des gemischten Signals (s ) den Druck (p) ermittelt.  a mixer (75) which is connected to the first transmitting / receiving switch (73a) and the second transmitting / receiving switch (73b), to the in the first signal path (SHF, 2) coupled, reflected signal (EHF) with the reflected signal (EHF), which is coupled into the second signal path (SHF, 2), wherein the microcontroller (76) determines the pressure by means of one of the mixed signal (s) the pressure (p).
6. Druckmesseinrichtung nach Anspruch 5, 6. Pressure measuring device according to claim 5,
dadurch gekennzeichnet, dass die erste Sende-/Empfangs-Antenne (81 ) und die zweite Sende-/Empfangs-Antenne (82) derart mit der elektronischen Einheit (7) verschaltet sind, um das elektromagnetische Signal (SHF) an der zweiten Sende-/Empfangs-Antenne (82) in Bezug zur ersten Sende- ZEmpfangs-Antenne (81 ) mit einer vordefinierten Phasenverschiebung, insbesondere 90° auszusenden, characterized in that the first transmitting / receiving antenna (81) and the second transmitting / receiving antenna (82) are connected to the electronic unit (7) in such a way as to transmit the electromagnetic signal (SHF) to the second transmitting / receiving antenna (82) in relation to the first transmitting antenna (81) with a predefined phase shift, in particular 90 °,
und/oder and or
wobei die erste Sende-/Empfangs-Antenne (81 ) und die zweite Sende-ZEmpfangs- Antenne (82) derart mit der elektronischen Einheit (7) verschaltet sind, um das elektromagnetische Signal (SHF) an der zweiten Sende-/Empfangs-Antenne (82) in Bezug zur ersten Sende-/Empfangs-Antenne (81 ) mit einer voneinander abweichenden Mode auszusenden. wherein the first transmission / reception antenna (81) and the second transmission reception antenna (82) are connected to the electronic unit (7) in such a way as to transmit the electromagnetic signal (SHF) to the second transmission / reception antenna (82) with respect to the first transmitting / receiving antenna (81) with a different mode emit.
7. Druckmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, 7. Pressure measuring device according to one of claims 2 to 6,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
der Hochfrequenz-Generator (71 ) als spannungsgesteuerter Oszillator realisiert ist, der durch einen Spannungsgenerator gesteuert ist. the high-frequency generator (71) is realized as a voltage-controlled oscillator which is controlled by a voltage generator.
8. Druckmesseinrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 2 bis 7, 8. Pressure measuring device according to at least one of claims 2 to 7,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
die erste Sende-/Empfangsweiche (73a) und/oder die zweite Sende-/Empfangsweiche (73b) als Zirkulator oder als Koppler, insbesondere als Richtkoppler ausgestaltet sind/ist. the first transmitting / receiving switch (73a) and / or the second transmitting / receiving switch (73b) are configured as a circulator or as a coupler, in particular as a directional coupler / is.
9. Druckmesseinrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 9. pressure measuring device according to at least one of the preceding claims, characterized in that
das ausgesendete elektromagnetische Signal (SHF) eine Frequenz (f) von zumindest 100 MHz, insbesondere größer als 1 GHz aufweist. the emitted electromagnetic signal (SHF) has a frequency (f) of at least 100 MHz, in particular greater than 1 GHz.
10. Druckmesseinrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 10. Pressure measuring device according to at least one of the preceding claims, characterized in that
der Hohlleiter (9) einen runden Querschnitt mit einem definierten Innendurchmesser (d) aufweist. the waveguide (9) has a round cross-section with a defined inner diameter (d).
1 1. Druckmesseinrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 1 1. Pressure measuring device according to at least one of the preceding claims, characterized in that
in den Hohlleiter (9) ein Material mit einer Dielektrizitätszahl von größer als 1 , insbesondere PE, PP, Teflon oder Glas, eingebracht ist. in the waveguide (9) a material having a dielectric constant of greater than 1, in particular PE, PP, Teflon or glass, is introduced.
12. Druckmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 12. Pressure measuring device according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass die Koppler-Struktur (6) in Bezug zum Querschnitt des Hohlleiters (9) in etwa zentral angebracht ist, wobei der Querschnitt, insbesondere der Innendurchmesser (d) des Hohlleiters (9) in Bezug zur Frequenz (f) des elektromagnetischen Signals (SHF) SO bemessen ist, dass das elektromagnetische Signal (SHF) zumindest in der TE01 Mode, der TE11 Mode oder der TMn Mode ausgesendet wird. characterized in that the coupler structure (6) is mounted approximately centrally with respect to the cross section of the waveguide (9), the cross section, in particular the inner diameter (d) of the waveguide (9), being related to the frequency (f) of the electromagnetic signal (SHF) Is dimensioned such that the electromagnetic signal (SHF) is transmitted at least in the TE01 mode, the TE11 mode or the TMn mode.
13. Druckmesseinrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 9 bis 12, 13. Pressure measuring device according to at least one of claims 9 to 12,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
der Hohlleiter (9) eine Länge aufweist, die maximal das Vierfache des the waveguide (9) has a length which is at most four times that of
Innendurchmessers (d) und/oder minimal ein Viertel einer Wellenlänge des Inside diameter (d) and / or at least a quarter of a wavelength of
elektromagnetischen Signals (SHF) beträgt. electromagnetic signal (SHF).
14. Druckmesseinrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 14. Pressure measuring device according to at least one of the preceding claims, characterized in that
die erste Sende-/Empfangs-Antenne (81 ), die zweite Sende-/Empfangs-Antenne (82), und/oder die Koppler-Struktur (6) als eine planare Anordnung, bestehend aus einem ersten Ringsegment (81 a, 82a, 6a) und einem in etwa gegenüberliegend angeordneten, zweiten Ringsegment (81 b, 82b, 6b), ausgestaltet sind/ist. the first transmit / receive antenna (81), the second transmit / receive antenna (82), and / or the coupler structure (6) as a planar array consisting of a first ring segment (81 a, 82a, 6a) and an approximately opposite arranged, second ring segment (81 b, 82b, 6b), are configured / is.
15. Druckmesseinrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 15. Pressure measuring device according to at least one of the preceding claims, characterized in that
die zweite Elektrode (5b) des Kondensators (5) galvanisch zumindest von der ersten Sende-Antenne (81 ) getrennt ist. the second electrode (5b) of the capacitor (5) is electrically isolated at least from the first transmitting antenna (81).
16. Verfahren zur Bestimmung des Druckes (p) mittels einer Druckmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 14, folgende Verfahrensschritte umfassend: 16. A method for determining the pressure (p) by means of a pressure measuring device according to one of claims 2 to 14, comprising the following method steps:
Erzeugung eines elektrischen Hochfrequenz-Signals (SHF) durch einen  Generation of a high-frequency electrical signal (SHF) by a
Hochfrequenz-Generator (71 ), wobei die Frequenz (f) des elektrischen  High frequency generator (71), wherein the frequency (f) of the electric
Hochfrequenz-Signals (SHF) innerhalb eines Frequenzbandes (fi-f2), insbesondere linear, geändert wird,  Radio frequency signal (SHF) within a frequency band (fi-f2), in particular linear, is changed,
Aussenden des elektrischen Hochfrequenz-Signals (SHF) über zumindest eine erste Sende-/Empfangs-Antenne (81 ) als hochfrequentes elektromagnetisches Signal (SHF),  Transmitting the high-frequency electrical signal (SHF) via at least one first transmitting / receiving antenna (81) as a high-frequency electromagnetic signal (SHF),
Empfang des hochfrequenten elektromagnetischen Signals (EHF) nach Reflektion an einer Koppler-Struktur (6) und/oder einem Grundkörper (2) durch zumindest die erste Sende-/Empfangs-Antenne (81 ),  Reception of the high-frequency electromagnetic signal (EHF) after reflection at a coupler structure (6) and / or a base body (2) by at least the first transmitting / receiving antenna (81),
Erfassung von zumindest einem Amplituden-Minimum des reflektierten hochfrequenten elektromagnetischen Signals (EHF) in Abhängigkeit der Frequenz (f) mittels eines MikroControllers (76),  Detecting at least one amplitude minimum of the reflected high-frequency electromagnetic signal (EHF) as a function of the frequency (f) by means of a microcontroller (76),
- Bestimmung der Frequenz (fmin) des zumindest einen Amplituden-Minimums, und Bestimmung des Druckes (p) anhand der Frequenz (fmin) des zumindest einen Amplituden-Minimums. Determining the frequency (f m in) of the at least one amplitude minimum, and Determining the pressure (p) based on the frequency (f m in) of the at least one amplitude minimum.
17. Verfahren zur Bestimmung des Druckes (p) mittels einer Druckmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 15, folgende Verfahrensschritte umfassend: 17. A method for determining the pressure (p) by means of a pressure measuring device according to one of claims 5 to 15, comprising the following method steps:
Erzeugung eines elektrischen Hochfrequenz-Signals (SHF) durch einen  Generation of a high-frequency electrical signal (SHF) by a
Hochfrequenz-Generator (71 ), wobei die Frequenz (f) des elektrischen  High frequency generator (71), wherein the frequency (f) of the electric
Hochfrequenz-Signals (SHF) innerhalb eines Frequenzbandes (fi-f2), insbesondere linear, geändert wird,  Radio frequency signal (SHF) within a frequency band (fi-f2), in particular linear, is changed,
- Aufteilen des elektrischen Hochfrequenz-Signals (SHF) in einen ersten Signalpfad - Splitting the high-frequency electrical signal (SHF) in a first signal path
(SHF.I ) und einen zweiten Signalpfad (SHF,2), (SHF.I) and a second signal path (SHF, 2),
Aussenden des elektrischen Hochfrequenz-Signals (SHF) über eine erste Sende- /Empfangs-Antenne (81 ) als hochfrequentes elektromagnetisches Signal (SHF), wobei das elektrische Hochfrequenz-Signal (SHF) über eine im ersten Signalpfad (SHF.I ) angeordnete Sende-/Empfangsweiche (73a) in die erste Sende-/Empfangs- Emitting the electrical high-frequency signal (SHF) via a first transmitting / receiving antenna (81) as a high-frequency electromagnetic signal (SHF), wherein the electrical high-frequency signal (SHF) via a in the first signal path (SHF.I) arranged transmitter / Receive switch (73a) into the first transmit / receive
Antenne (81 ) eingekoppelt wird, Antenna (81) is coupled,
Aussenden des elektrischen Hochfrequenz-Signals (SHF) über eine zweite Sende- /Empfangs-Antenne (82) als hochfrequentes elektromagnetisches Signal (SHF), wobei das elektrische Hochfrequenz-Signal (SHF) über eine im zweiten Signalpfad (SHF.I) angeordnete Sende-/Empfangsweiche (73b) in die zweite Sende- Emitting the electrical high-frequency signal (SHF) via a second transmitting / receiving antenna (82) as a high-frequency electromagnetic signal (SHF), wherein the electrical high-frequency signal (SHF) via a second signal path (SHF.I) arranged transmitter - / receiving switch (73b) in the second transmission
/Empfangs-Antenne (82) eingekoppelt wird, / Receiving antenna (82) is coupled,
Empfang des hochfrequenten elektromagnetischen Signals (EHF) nach Reflektion an der Koppler-Struktur (6) und/oder dem Grundkörper (2) durch die erste Sende- /Empfangs-Antenne (81 ) und die zweite Sende-/Empfangs-Antenne (82), - Mischen des von der ersten Sende-/Empfangs-Antenne (81 ) empfangenen,  Reception of the high-frequency electromagnetic signal (EHF) after reflection at the coupler structure (6) and / or the base body (2) by the first transmitting / receiving antenna (81) and the second transmitting / receiving antenna (82) , Mixing the received from the first transmitting / receiving antenna (81),
reflektierten Signals (EHF) mit dem von der zweiten Sende-/Empfangs-Antenne (82) empfangenen, reflektierten Signals (EHF) mittels des Mischers (75), und Bestimmung des Druckes (p) anhand der Differenzfrequenz s des gemischten Signals.  reflected signal (EHF) with the received by the second transmitting / receiving antenna (82) reflected signal (EHF) by means of the mixer (75), and determining the pressure (p) from the difference frequency s of the mixed signal.
PCT/EP2018/057595 2017-04-28 2018-03-26 Pressure measuring device WO2018197128A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102017109183.1 2017-04-28
DE102017109183.1A DE102017109183A1 (en) 2017-04-28 2017-04-28 Pressure measuring device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2018197128A1 true WO2018197128A1 (en) 2018-11-01

Family

ID=61899219

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2018/057595 WO2018197128A1 (en) 2017-04-28 2018-03-26 Pressure measuring device

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102017109183A1 (en)
WO (1) WO2018197128A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20180372563A1 (en) * 2017-06-21 2018-12-27 University Of Florida Research Foundation, Incorporated Passive wireless pressure sensor for harsh environments

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10871412B2 (en) * 2018-11-27 2020-12-22 The Boeing Company Passive wireless microphone array
JP2021139759A (en) * 2020-03-05 2021-09-16 Tdk株式会社 Pressure sensor

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0132222A1 (en) * 1983-05-20 1985-01-23 KERN & CO. AG Werke für Präzisionsmechanik Optik und Elektronik Capacitive displacement-to-frequency transducer, especially a pressure-to-frequency transducer
WO2003106952A2 (en) 2002-06-18 2003-12-24 Corporation For National Research Initiatives A micro-mechanical capacitive inductive sensor for wireless detection of relative or absolute pressure
US20060117859A1 (en) * 2004-12-02 2006-06-08 Honeywell International, Inc. Disposable and trimmable wireless pressure sensor for medical applications
EP1806569A1 (en) 2006-01-09 2007-07-11 Infineon Technologies SensoNor AS Inductive-capactive sensor
WO2012085333A1 (en) * 2010-12-20 2012-06-28 Teknologian Tutkimuskeskus Vtt Sensor and a sensor system
DE202016101491U1 (en) 2016-03-17 2016-04-04 Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg Pressure measuring device

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19648531C1 (en) * 1996-11-24 1998-02-12 Bartels Mangold Electronic Gmb Wireless transmission from moving parts
DE19853135B4 (en) * 1998-11-18 2011-02-03 Robert Bosch Gmbh Apparatus and method for wireless pressure measurement
US7100432B2 (en) * 2002-06-06 2006-09-05 Mineral Lassen Llc Capacitive pressure sensor
JP5983493B2 (en) * 2013-03-26 2016-08-31 株式会社デンソー Pressure sensor

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0132222A1 (en) * 1983-05-20 1985-01-23 KERN & CO. AG Werke für Präzisionsmechanik Optik und Elektronik Capacitive displacement-to-frequency transducer, especially a pressure-to-frequency transducer
WO2003106952A2 (en) 2002-06-18 2003-12-24 Corporation For National Research Initiatives A micro-mechanical capacitive inductive sensor for wireless detection of relative or absolute pressure
US20060117859A1 (en) * 2004-12-02 2006-06-08 Honeywell International, Inc. Disposable and trimmable wireless pressure sensor for medical applications
EP1806569A1 (en) 2006-01-09 2007-07-11 Infineon Technologies SensoNor AS Inductive-capactive sensor
WO2012085333A1 (en) * 2010-12-20 2012-06-28 Teknologian Tutkimuskeskus Vtt Sensor and a sensor system
DE202016101491U1 (en) 2016-03-17 2016-04-04 Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg Pressure measuring device

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20180372563A1 (en) * 2017-06-21 2018-12-27 University Of Florida Research Foundation, Incorporated Passive wireless pressure sensor for harsh environments
US10794777B2 (en) * 2017-06-21 2020-10-06 University Of Florida Research Foundation, Incorporated Passive wireless pressure sensor for harsh environments

Also Published As

Publication number Publication date
DE102017109183A1 (en) 2018-10-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2018197128A1 (en) Pressure measuring device
DE102010063167B4 (en) Level meter working with high-frequency microwaves
EP2593757B1 (en) Microwave fluid level sensor measuring the fluid level in a container using a time of flight measurement
DE102006030965A1 (en) Device for determining and / or monitoring the fill level of a medium
EP2435804B1 (en) Assembly for measuring a fill level by means of a fill level measuring device operating with microwaves
DE102013113258A1 (en) Sensor and measuring arrangement
EP3338515B1 (en) Core temperature probe, microwave cooking device, and system
EP2467688A1 (en) Measurement system for the wireless position-independent measurement of the temperature
EP1880174A1 (en) Device for determining and monitoring the level of a medium in a container
DE102013112025A1 (en) Device for determining or monitoring the level of a medium in a container
EP3918313B1 (en) Measuring device for determining a dielectric constant
EP3824258B1 (en) High-frequency module
WO2006015920A1 (en) Device for transmitting broadband high-frequency signals
EP3361223A1 (en) Fill level switch and method for detecting a fill level of a medium in a container
EP3353514B1 (en) Temperature measuring probe
EP2350572B1 (en) Distance measurement device and method for determining a distance in a line structure
CN104409860B (en) Surely frequency scans leaky-wave antenna to liquid crystal based on dual control methods
WO2008019862A2 (en) Distance measuring device, method for determining a distance, and suitable reflective member
WO2014090565A1 (en) Fill state measuring device
CN202259614U (en) Cavity filter and communication apparatus
EP1026492A2 (en) Wireless torque measuring arrangement and sensor therefore
DE102013019839B4 (en) Passive temperature sensor, operation and manufacture of the sensor
DE102018130260A1 (en) Measuring device
EP3884246B1 (en) Measuring device
Kim et al. A novel inkjet-printed chipless RFID-based passive fluid sensor platform

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 18715566

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 18715566

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1