DE3340834A1

DE3340834A1 - Schaltungsanordnung zur konstanthaltung der temperaturabhaengigen empfindlichkeit eines differenzdruckmessgeraetes

Info

Publication number: DE3340834A1
Application number: DE19833340834
Authority: DE
Inventors: Bernd Ing.(grad.) 2000 Hamburg Heck; Jürgen Dipl.-Ing. 2000 Wedel Kordts; Dierk Dr. Schröder
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 1983-11-11
Filing date: 1983-11-11
Publication date: 1985-05-23
Also published as: DE3340834C2

Description

"Schaltungsanordnung zur Konstanthaltung der temperatur-
abhängigen Empfindlichkeit eines Differenzdruckmeßgerätes" Die Erfindunq bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Konstanthaltung der temperaturabhängigen Empfindlichkeit eines Differenzdruckmeßgerätes, bestehend aus einem kapazitiven Differenzdrucksensor mit zwei Meßkondensatoren, deren sich mit dem zu erfassenden Differenzdruck ändernde Kapazitätswerte von je einer Meßschaltung zu Meßsignalen umgeformt, einem Rechenglied zur Ermittlung des Differenzdruckes zuqeführt werden.
Aus der Patentanmeldung P 33 21 580.4 ist ein Differenzdruckmeßgerät bekannt, das einen flüssigkeitsgefüllten Differenzdrucksensor mit zwei Meßkondensatoren, deren Kapazitätswerte sich mit dem zu erfassenden Differenzdruck ändern und eine Schaltungsanordnung zur Konstanthaltung der temperaturabhängigen Empfindlichkeit des Differenzdruckmeßgerätes enthält. Diese Schaltungsanordnung erzeugt aus der Differenz der reziproken Kapazitätswerte eine Spannung mit einem dem Differenzdruck entsprechenden Wert und aus der Summe der reziproken Kapazitätswerte eine Korrekturspannung, deren Wert sich mit der Temperatur des Differenzdrucksensors ändert. Durch eine Division dieser beiden Spannungen werden temperaturabhängige Meßfehler korrigiert, die entstehen, wenn sich die Empfindlichkeit des Differenzdruckmeßgerätes aufgrund einer Änderung der Temperatur des Differenzdrucksensors ändert.
Ist die dazu erforderliche Dividierschaltung analog ausgebildet, können bei der Division Rechenfehler aufgrund einer Temperaturdrift der Dividierschaltung auftreten.
Digital ausgebildete Dividierschaltungen rechnen mit einer durch die maximale Stellenzahl der Speicherzellen begrenzten Genauigkeit, sodaß bei der Division Rundungsfehler auftreten. Außerdem müssen die analogen Meßsignale unter Verwendung zusätzlicher Analog-Digitalwandler digitalisiert werden, bevor sie von der digitalen Pividierschaltung verarbeitet werden können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zur Konstanthaltung der temperaturabhängigen Empfindlichkeit des Differenzdruckmeßgerätes zu schaffen, die einfach aufgebaut ist, und die fehlerfrei arbeitet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Meßschaltungen als Integrierglieder mit je einem Meßkondensator im Rückkopplungskreis ausgebildet sind und von einem steuerbaren Oszillator gespeist werden, und daß aus den Meßsignalen über eine Rechenschaltung eine temperaturabhängige Regelspannung gewonnen wird, die nach Vergleich mit einer konstanten Referenzspannung den Oszillator derart nachsteuert, daß sich die Regelspannung der Referenzspannung angleicht. Durch eine Veränderung der Amplitude und/oder der Frequenz des vom Oszillator den Integriergliedern gelieferten Wechselsignales läßt sich die Amplitude der von den Integriergliedern erzeugten Meßsignale auf einfache Weise derart verändern, daß die Regelspannung den konstanten Wert der Referenzspannung annimmt. Da die Regelspannung einen die Empfindlichkeit des Differenzdruckmeßgerätes entsprechenden Wert hat, nimmt damit auch die temperaturabhängige Empfindlichkeit des Differenzdruckmeßgerätes einen konstanten Wert an.
Vorteilhaft ist es, daß die Rechenschaltung die Regelspannung aus der Summe der Meßsignale bildet, da eine Schaltung zur Bildung der Summe zweier Signale sehr einfach aufgebaut ist.
Eine Ausgestaltung der Erfindung ist gekennzeichnet durch einen Referenzintegrator, der vom Oszillator gespeist wird, und der Referenzsignale für die Berechnung des Differenzdruckes und der Reqelspannung erzeugt. Zur fehlerfreien Berechnung des Differenzdruckes und zur Erzeugung der Regelspannunq sind Korrektursignale erforderlich, deren Amplituden sich in gleicher Weise wie die Amplitude der Meßsignale in Abhängigkeit der Amplitude und/oder der Frequenz des vom Oszillator erzeugten Wechselsignales verändern. Dazu werden diese Korrektursignale teilweise aus den Meßsignalen und teilweise aus einem Referenzsignal gebildet. Wird das Referenzsignal als Wechselsignal direkt vom Oszillator geliefert, wird zur Konstanthaltung der temperaturabhängiqen Empfindlichkeit lediglich die Amp tude des Wechselsignals gesteuert. Die Frequenz des Wechselsignales bleibt dabei konstant. Wird das Referenzsignal jedoch von einem Referenzintegrator geliefert, der vom Oszillator mit dem Wechselsignal gespeist wird, läßt sich die Amplitude der Meßsiqnale und des Referenzsignales auch über die Oszillatorfrequenz steuern. Außerdem wird über die Regelung der Meßsignalamplitude eine mögliche Drift der Oszillatorfrequenz ausgeregelt.
Anhand der Zeichnungen werden einige Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben und deren Wirkungsweise erläutert. Es zeigen: Fig. 1 die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung für einen Zweikammerdifferenzdrucksensor, Fiq. 2 eine Ausgestaltung der Schaltungsanordnung nach der Erfindung für einen Einkammerdifferenzdrucksensor, Fig. 3 die Rechenschaltung aus der Schaltungsanordnung nach Fig. 2, Fig. 4 das Rechenglied aus der Schaltungsanordnung nach Fiq. 2.
Der in der Figur 1 dargestellte kapazitive Zweikammerdifferenzdrucksensor 1 besteht aus zwei einen mit einer inkompressiblen Flüssigkeit gefüllten Raum abschließenden Meßmembranen 2 und 3. Dieser Raum wird von einer elektrisch isolierenden Trennmembrane 4 zweigeteilt, die beidseitiq mit Schichtelektroden 4a und 4b belegt ist. Die Schichtelektrode 4a, bzw. 4b bildet mit der Elektrode 5 bzw. 6 den Meßkondensator C1 bzw. C2.
Die Operationsverstärker 7 und 8 bilden mit den Meßkondensatoren C1 und C2 Integrierglieder 9 und 10, die von einem steuerbaren Oszillator 11 mit einem Wechselsignal, beispielsweise mit einem Wechselspannungssignal gespeist werden, dessen Amplitude und Frequenz veränderbar ist. Das Wechselsignal kann beispielsweise ein Sinussignal mit der Form U-sint t sein, wobei 13 die Spannungsamplitude und ? die Frequenz des Wechselsignales bedeuten.
Die Integrierglieder 9 und 10 liefern an ein Rechenqlied 12 und an eine Rechenschaltunq 13 Meßsignale, deren Amplituden gleich U/(WR C1) bzw. U/(k> R C2) sind. R ist der Wert der Einqangswiderstände der Integrierglieder 9 und 10. Das als Subtrahierer ausgebildete Rechenglied 12 berechnet den Differenzdruck d P aus der Differenz der Meßsignale, und die als Addierer ausgebildete Rechenschaltunq 13 berechnet die Regelspannung aus der Summe der Meßsignale, die in einem Vergleicher 14 mit einer über den Anschluß 15 eingebbaren Referenzspannunq verglichen wird.
Die Differenz aus Referenzspannung und Regelspannung wird einem Regler 16 zugeführt, der den Oszillator 11 steuert.
Wirkt in Richtung des Pfeiles 17 ein größerer Druck auf die Meßmembrane 2 als in Richtung des Pfeiles 18 auf die Meßmembrane 3, lenkt die Meßmembrane 2 in Richtung des Pfeiles 17 aus und drückt Flüssigkeit in den Raum zwischen der Elektrode 6 und der Trennmembrane 4. Dadurch lenkt die Trennmembrane 4 in Richtung des Pfeiles 17 aus. Die Kapazität des Meßkondensators C2 nimmt ab und die Kapazität des Meßkondensators C1 nimmt zu. Dadurch nimmt die Amplitude des vom Integrierglied 9 erzeugten Meßsignales ab, und die Amplitude des vom Integrierqlied 10 erzeugten Meßsignales nimmt zu. Die im Rechenglied 12 gebildete Differenz der Meßsignale entspricht der Differenz der auf die Meßmembranen 2 und 3 einwirkenden Drücke.
Die Kapazitäten der Meßkondensatoren ändern sich, wenn sich die Dielektrizitätskonstante £ der Flüssigkeit mit der Temperatur ändert. Somit ändern sich auch die Amplituden der Meßsignale und der daraus berechnete Differenzdruck mit der Temperatur. Zur Kompensation dieses Temperaturganges wird in der Rechenschaltung 13 aus der Summe der Meßsignale die Regelspannung gebildet, die in gleichem Maße von der Temperatur abhänqt, wie die Differenz der Meßsignale, die aber vom Differenzdruck unabhängig ist.
Diese Regelspannung wird im Vergleicher 14 mit einer konstanten Referenzspannung verglichen. Die sich daraus ergebende Differenz aus Regelspannung und Referenzspannunq steuert über den Regler 16 den Oszillator 11 derart, daß trotz einer temperaturbedingten Änderung der Kapazitäten der Meßkondensatoren C1 und C2 die Amplituden der Meßsignale durch eine Änderung der Frequenz und/oder der Amplitude des vom Oszillator 11 den Integriergliedern 9 und 10 gelieferten Wechselsignales konstant bleiben. Dadurch bleibt auch der aus den Meßsignalen errechnete Differenzdruckmeßwert bei konstantem Differenzdruck trotz einer Änderung der Temperatur der Flüssigkeit konstant.
Der in der Fig. 2 dargestellte Einkammerdifferenzdruck- sensor 19 besteht aus zwei, einen mit einer Flüssigkeit gefüllten Hohlraum 20 abschließenden, elektrisch leitfähigen Membranen 21 und 22. Die Membrane 21 bzw. 22 bildet mit der Schichtelektrode 23 bzw. 24 den Meßkondensator C3 bzw. C4, deren Kapazitäten sich mit der Differenz der in Richtung der Pfeile 25 und 26 auf die Membranen 21 und 22 einwirkenden Drücke ändern. Der Meßkondensator C3 bzw. C4 ergibt mit dem Operationsverstärker 8 bzw. 7 den Integrator 27 bzw. 28. Ein Referenzintegrator 29, der einen Referenzkondensator 30 mit einer konstanten Kapazität aufweist, kann parallel zu den Inteqratoren 27 und 28 geschaltet sein. Die Integratoren 27 und 28 und der Referenzintegrator 29 haben denselben Eingangswiederstand R.
In der Rechenschaltung 31 für den Einkammerdifferenzdrucksensor 19 wird aus den von den Integratoren 27 und 28 gelieferten Meßsignalen, aus dem vom Referenzintegrator 29 gelieferten Referenzsignal und aus den über die Anschlüsse 32, 33 und 34 eingebbaren Siqnalen mit einstellbaren Werten die Regelspannung ermittelt, die in dem Vergleicher 14 mit der über den Anschluß 15 eingebbaren Referenzspannung verglichen wird. Mit der Differenz aus Regelspannung und Referenzspannung wird über einen Regler 16 der Oszillator 11 gesteuert, der die Integratoren 27 und 28 und den Referenzintegrator 29 speist. Die Rechenschaltung 31 liefert außerdem ein der Temperatur des Einkammerdifferenzdrucksensors 19 entsprechendes Signal über den Anschluß 55 an das Rechenglied 35, das aus diesem Temperatursignal, aus den über die Anschlüsse 48 und 49 eingebaren Meßsignalen, aus dem über den Anschluß 52 einqebbaren Referenzsignal und aus den über die Anschlüsse 36 und 37 eingebbaren Signalen mit einstellbaren Werten den Differenzdruck errechnet.
Wirkt in Richtung des Pfeiles 25 auf die Membrane 21 ein größerer Druck als in Richtung des Pfeiles 26 auf die Membrane 22, lenkt die Membrane 21 in Richtung des Pfeiles 25 aus und drückt Flüssigkeit in den Hohlraum zwischen der Membrane 22 und der Schichtelektrode 24. Dadurch lenkt die Membrane 22 ebenfalls in Richtung des Pfeiles 25 aus. Die Kapazität des Meßkondensators C3 nimmt zu und die Kapazität des Meßkondensators C4 nimmt ab. Dadurch nimmt auch die Amplitude des vom Integrator 27 erzeugten Meßsignales mit dem Wert U/(L»R C3) ab, und die Amplitude des vom Integrator 28 erzeugten Meßsignales mit dem Wert U/(S R . C4) nimmt zu. Aus der Differenz der Meßsignale wird in dem Rechenqlied 35 der Differenzdriick errechnet.
Da die Flüssigkeit im Hohlraum 20 inkompressibel ist, bleibt die Summe der Elektrodenabstände der Meßkondensatoren C3 und -C4, damit die Summe deren reziproke Kapazitäten und damit die Summe der Amplituden der Meßsignale bei einer Änderung des Differenzdruckes konstant, wenn die Temperatur des Differenzdrucksensors 19 konstant bleibt.
Verändert sich die Temperatur des Einkammerdifferenzdrucksensors 19, verändert sich auch das Volumen und die Dielektrizitätskonstante £ der Flüssigkeit zwischen den Schichtelektroden der Meßkondensatoren C3 und C4. Dadurch verändern sich die Kapazitäten der Meßkondensatoren und deshalb auch die Amplituden der Meßsignale, sodaß der errechnete Differenzdruckmeßwert mit der Temperatur driftet.
In der Rechenschaltung 31 wird aus der Summe der Meßsignale eine mit der Temperatur des Einkammerdifferenzdrucksensors 19 veränderliche Regelspannung erzeugt, die einen der Empfindlichkeit des Differenzdruckmeßgerätes proportionalen Wert hat, die aber von dem zu messenden Differenzdruck unabhängig ist. Die Reqelspannung wird im Vergleicher 14 mit der über den Anschluß 15 eingebbaren Referenzspannunq verglichen. Die Differenz aus Regelspannung und Referenz- spannung steuert über den Reqler 16 den Oszilator 11 derart, daß sich die Amplitude und/oder die Frequenz des vom Oszillator 11 erzeugten Wechselsignales und sich deshalb auch die Amplitude der Meßsignale und des Referenzsignales ändern, bis die Regelspannung den konstanten Wert der Referenzspannunq angenommen hat und die durch d;e temperaturbedingte Änderung der Empfindlichkeit verursachte Temperaturdrift des Differenzdruckmeßgerätes kompensiert ist.
Da sich mit der Temperatur das Volumen der Flüssigkeit im Hohlraum 20 des Einkammerdifferenzdrucksensors 19 ändert, lenken die Membranen 21 und 22 bei einer Temperaturänderung derart aus, daß sich die Kapazitäten der Meßkondensatoren C3 und C4 gleichsinnig ändern. Dadurch wird eine ebenfalls gleichsinnige Änderung der Amplituden der Meßsignale bewirkt. Die Summe der Meßsignalamplituden ist somit ein Maß für die Temperatur der Flüssigkeit.
Die in der Figur 3 dargestellte Rechenschaltung 31 für den Einkammerdifferenzdrucksensor 19 weist einen Eingangsaddierer 40 auf, der die über die Anschlüsse 38 und 39 eingebbaren Meßsignale summiert und ein Signal erzeugt, das einen der Temperatur des Einkammerdifferenzdrucksensors 19 entsprechenden Wert hat.
Im Reduzierglied 41 wird von der Summe der Meßsignale ein Signal subtrahiert, dessen Wert einer vorgebbaren Referenztemperatur der Flüssigkeit entspricht. Der Wert des im Reduzierglied 41 gebildeten Temperatursignals ist gleich U . f .g T/(cJ. R), wobei d T die Differenz zwischen der augenblicklichen Temperatur der Flüssigkeit des Einkammerdifferenzdrucksensors 19 und der Referenztemperatur ist.
Das dem Reduzierqlied 41 zuqeführte und der Referenztemperatur entsprechende Signal wird im Eingangsmultiplizierer 42 aus dem Produkt des über den Anschluß 43 eingebbaren Referenzsignales und eines über den Anschluß 32 eingebbaren Signales gebildet, dessen Wert gleich e/(WR) ist, falls das Referenzsiqnal vom Oszillator 11 geliefert wird, und dessen Wert gleich e.Cref ist, falls das Referenzsignal vom Referenzintegrator 29 geliefert wird. e läßt sich aus den Kapazitäten der Meßkondensatoren C3 und C4 bei der Referenztemperatur nach der Beziehung e = 1/C3 + 1/C4 berechnen. Cref bedeutet die Kapazität des Referenzkondensators 30. Das Referenzsignal entspricht dem Wechselsignal, falls das Referenzsignal vom Oszillator 11 geliefert wird und hat eine Amplitude mit dem Wert U/( e R.Cref), falls das Referenzsignal vom Referenzintegrator 29 geliefert wird.
Der Multiplizierer 44 bildet das Produkt aus dem über den Anschluß 43 eingebbaren Referenzsignal und einem über den Anschluß 33 eingebbaren Signal, dessen Wert gleich c/(lr3R) ist, falls das Referenzsignal vom Oszillator geliefert wird, und dessen Wert gleich c Cref ist, falls das Referezsignal vom Referenzintegrator 29 geliefert wird. c läßt sich durch Messunqen der Kapazitäten der Meßkondensatoren C3 und C4 bei Referenztemperatur und maximalem Differenzdruck ermitteln und nach der Beziehung c = (1/C3 - 1/C4 - a)/ P errechnen, wobei a = 1/C3 - 1/C4 bei Referenztemperatur ist, wenn der Differenzdruck gleich Null ist.
Dieses Produkt ergibt ein Signal, dessen Wert der Empfindlichkeit des Differenzdruckmeßgerätes bei der Referenztemperatur entspricht. Zu diesem Signal wird im Ausgangsaddierer 46 ein im Ausganqsmultiplizierer 45 gebildetes Signal addiert, dessen Wert der Änderung der Empfindlichkeit aufgrund einer über die Referenztemperatur hinausgehenden Temperaturänderunq & T des Differenzdrucksensors entspricht, und das aus dem Produkt des vom Reduzierglied 41 errechneten Temperatursignales und eines über den Anschluß 34 eingebbaren Signales ermittelt wird, dessen Wert gleich d/f ist, wobei sich d und f durch Messungen der Kapazitäten der Meßkondensatoren C3 und C4 bei maximal möglicher Betriebstemperatur und maximalem Differenzdruck ermitteln und nach den Beziehungen d = ((1/C3 - 1/C4 - a - bd 8 T)/(t P-8 T)) - c/T T und f = (1/C3 + 1/C4 -errechnen lassen. Nach der Beziehung b = (1/C3 - 1/C4 -läßt sich b bei maximal möglicher Betriebstemperatur ermitteln, wenn bei der Messung der Kapazitäten C3 und C4 der Differenzdruck d P gleich Null ist.
Die im Ausgangsaddierer 46 erzeugte Regelspannung weist somit einen Wert auf, der der Empfindlichkeit des Differenzdruckmeßgerätes bei der Betriebstemperatur entspricht.
Zur Berechnung des Differenzdruckes # P mittels des in der Fig. 4 dargestellten Rechengliedes 35 für den Einkammerdifferenzdrucksensor 19 bildet ein Subtrahierglied 47 aus den über die Anschlüsse 48 und 49 eingebbaren Meßsignalen ein Signal, dessen Wert dem zu messenden Differenzdruck # P entspricht.
Toleranzen bei der Fertigung des Einkammerdifferenzdrucksensors 19 bewirken, daß die Kapazitäten der beiden Meßkondensatoren C3 und C4 auch dann unterschiedlich sind, wenn kein Druck in Richtung der Pfeilo 25 und 26 auf die Membranen 21 und 22 einwirkt. Dann ist der Wert der im Subtrahierglied 47 gebildeten Differenz der Meßsignale ein Maß für die Nullpunktsverschiebung des Differenzdruckmeßgerätes.
Da sich diese Nullpunktsverschiebung mit der Temperatur ändert, wird von der Differenz der Meßsignale zunächst in der Subtrahierschaltung 50 ein im Multiplizierglied 51 gebildetes Signal mit einem der Nullpunktsverschiebung bei der Referenztemperatur entsprechenden Wert subtrahiert.
Dieses Signal wird im Multiplizierer 51 aus dem Produkt des über den Anschluß 52 eingebbaren Referenzsignales und eines über den Anschluß 36 eingebbaren Signales gebildet, dessen Wert gleich a/(O R) ist, wenn das Referenzsignal vom Oszillator geliefert wird und dessen Wert gleich a . Cref ist, wenn das Referenzsignal vom Referenzintegrator 29 geliefert wird.
Im Ausgangssubtrahierer 53 wird von dem teilweise korrigierten Differenzdruckmeßwert ein Signal mit einem der Nullpunktsverschiebung aufgrund einer über die Referenztemperatur hinausgehenden Temperaturerhöhung A T entsprechenden Wert subtrahiert, das in der Multiplizierschaltung 54 aus dem Produkt des vom Reduzierglied 41 gelieferten und über den Anschluß 55 eingebbaren Temperatursignales und eines über den Anschluß 37 eingebbaren Signales gebildet wird, dessen Wert gleich b/f ist.
Der Ausgangssubtrahierer 53 erzeugt somit einen von temperaturabhängigen Fehlern des Differenzdruckmeßgerätes freien Differenzdruckmeßwert.
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Claims

PATENTANSPRf3CHE Schaltungsanordnung zur Konstanthaltung der temperaturabhängigen Empfindlichkeit eines Diffrenzdruckmeßgerätes, bestehend aus einem kapazitiven Differenzdrucksensor mit zwei Meßkondensatoren, deren sich mit dem zu erfassenden Differenzdruck ändernde Kapazitätswerte von je einer Meßschaltung zu Meßsignalen umgeformt, einem Rechenglied zur Ermittlunq des Differenzdruckes zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßschaltungen als Integrierqlieder (9,1.0, 27, 28) mit je einem Meßkondensator (C1, C2, C3, C4) im Rückkoptlungskreis ausqebildet sind und von einem steuerbaren Oszillator (11)gespeist werden, und daß aus den Meßsignalen über eine Rechenschaltung (13, 31) eine temperaturabhängiqe Regelspannunq gewonnen wird, die nach Vergleich mit einer konstanten Referenzspannung den Oszillator (11) derart nachsteuert, daß sich die Regelspannung der Referenzspannunq angleicht.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechenschaltung (13, 31) die Regelspannung aus der Summe der Meßsignale bildet.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch einen Referenzintegrator(29), der vom Oszillator (11) gespeist wird, und der Referenzsignale für die Berechnung des Differenzdruckes und der Regelspannung erzeugt.