DE69219762T2

DE69219762T2 - Kompensator des statischen drucks für druckwandler

Info

Publication number: DE69219762T2
Application number: DE69219762T
Authority: DE
Inventors: Roger Frick
Original assignee: Rosemount Inc
Current assignee: Rosemount Inc
Priority date: 1991-03-08
Filing date: 1992-03-02
Publication date: 1997-08-28
Anticipated expiration: 2012-03-03
Also published as: US5163326A; DE69219762D1; JPH06507487A; JP3190337B2; CA2101440A1; EP0574539B1; EP0574539A4; WO1992015850A1; EP0574539A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Differenzdrucksensor. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf das Kompensieren von Änderungen des statischen Drucks bei einem Drucksensor.
Gegenwärtig gibt es viele Anwendungsgebiete für Differenzdrucksensoren. Derartige Sensoren weisen oft ein Sensorgehäuse mit einer Innenkammer auf. Innerhalb der Kammer ist eine auslenkbare Membran eingebracht, die die Kammer in zwei Hohlräume teilt. Ein erster Druck wird dem ersten Hohlraum zugeführt, während ein zweiter Druck dem zweiten Hohlraum zugeführt wird. Basierend auf der Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Druck wird die Membran ausgelenkt.
Die Membran weist typischerweise auch einen leitfähigen Abschnitt auf, der von leitfähigen Abschnitten auf den Innenwänden der Hohlräume getrennt, aber mit diesen ausgerichtet ist. Der leitfähige Abschnitt auf der Membran bildet eine Kondensatorplatte. Ahnlich bilden auch die leitfähigen Abschnitte auf den Innenwänden der Hohlräume Kondensatorplatten. Deshalb bildet die Kondensatorplatte auf der Membran mit der Kondensatorplatte auf der Innenwand des ersten Hohlraums einen ersten variablen Kondensator und mit der Kondensatorplatte auf der Innenwand des zweiten Hohlraums einen zweiten variablen Kondensator. Wenn die Membran aufgrund des Differenzdrucks ausgelenkt wird, ändern sich die Kapazitätswerte der beiden variablen Kondensatoren. Der Drucksensor erzeugt ein Ausgangssignal, das das Verhältnis der Kapazitätswerte der variablen Kondendatoren wiedergibt, und basierend auf diesen Kapazitätswerten wird der Differenzdruck bestimmt.
Aufgrund von Nicht-Linearitäten in derartigen Kapazitätsdrucksensoren können jedoch Probleme auftreten. Zum Beispiel kännen
Streukapazitäten im System Nicht-Linearitäten verursachen, die kompensiert werden müssen.
Auch können sich aufgrund von Änderungen des statischen Drucks Fehler ergeben. Statischer Druck, der gewöhnlich auch als Leitungsdruck bezeichnet wird, kann auf verschiedene Arten definiert sein. Zum Beispiel kann der erste und zweite Druck, der dem ersten und zweiten Hohlraum des Drucksensors zugeführt wird, Werte von 2990 psi (etwa 206,3 bar) (PL) und 3000 psi (etwa 207 bar) (PH) aufweisen. In diesem Fall beträgt der Differenzdruck 10 psi (3000 psi - 2990 psi) (etwa 0,69 bar). Statischer Druck ist manchmal auch als der Durchschnitt von und PL oder 2995 psi (etwa 206,6 bar) definiert. Statischer Druck kann auch einfach als PH oder PL allein definiert sein. Ungeachtet, welche Definition für statischen Druck verwendet wird, können sich jedoch basierend auf Änderungen des statischen Drucks Fehler im Ausgangssignal des Drucksensors ergeben.
Für den Differenzdrucksensor ist es wünschenswert, ein Ausgangssignal zu erzeugen, das durch Änderungen des statischen Drucks unbeeinflußt ist. Zum Beispiel beträgt bei PH = 3000 psi (etwa 207 bar) und PL = 2990 psi (etwa 206,3 bar) der Differenzdruck 10 psi (etwa 0,69 bar) und der statische Druck 2995 psi (etwa 206,6 bar) (wobei der Durchschnitt von PH und PL als Messung für statischen Druck verwendet wird). Bei PH = 10 psi (etwa 0,69 bar) und PL = 0 psi (0 bar) beträgt jedoch der statische Druck 5 psi (etwa 0,34 bar), aber der Differenzdruck immer noch 10 psi (etwa 0,69 bar). Aufgrund von gewissen auf das Gehäuse des Drucksensors aufgebrachten Belastungen, kann sich das Ausgangssignal eines typischen Differenzdrucksensors pro 1000 psi (etwa 69 bar) Änderung des statischen Drucks um 1 % ändern. Somit kann sich bei dem oben genannten Beispiel das Ausgangssignal aus dem Differenzdruck mit der Änderung des statischen Drucks signifikant ändern.
Das US-Patent Nr. 4,370,890 von Frick, das auf den Patentinhaber der vorliegenden Erfindung übertragen wurde, offenbart eine mechanische Anordnung für einen Differenzdrucksensor, die versucht, die unerwünschten mechanischen Belastungen auf das Drucksensorgehäuse aufgrund einer Änderung des statischen Drucks auszuschalten oder zu kompensieren. Dies hilft, Änderungen des Ausgangssignals des Differenzdrucksensors aufgrund einer Änderung des statischen Drucks auszuschalten. Es besteht jedoch weiterhin Bedarf an Kompensationsmechanismen, die Änderungen des Ausgangssignals aufgrung von Änderungen des statischen Drucks kompensieren und die durch eine elektrische anstatt durch eine mechanische Vorrichtung eingestellt werden können.
Das US-Patent Nr. 4,878,012 von Schulte et al. und das US- Patent 4,791,352 von Frick sind dem Patentinhaber der vorliegenden Erfindung übertragen worden.
Die DE-A-34 14 896 offenbart einen Druckdifferenzsensor, bei dem gleiche Berichtigungskondensatoren parallel mit jedem der Meßkondensatoren verbunden sind, um Auswirkungen aufgrund von Temperaturdrift zu verringern.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Bei der vorliegenden Erfindung erfaßt eine Kapazitäts-Erfassungsvorrichtung einen Differenzdruck und erzeugt basierend auf dem erfaßten Differenzdruck ein Differenzdrucksignal. Die Kapazitäts-Erfassungsvorrichtung weist einen Kapazitätswert auf, der sich mit Änderungen des statischen Drucks ändert, das Differenzdrucksignal ändert sich ebenso mit Änderungen des statischen Drucks. Die Kapazitäts-Kompensationsvorrichtung weist einen Kapazitätswert auf, der relativ zu Änderungen des statischen Drucks fest ist, und ist mit der Kapazitäts-Erfassungsvorrichtung verbunden. Die Kapazitäts-Kompensationsvorrichtung kompensiert Änderungen des Differenzdrucksignals aufgrund von Änderungen des statischen Drucks.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Es zeigen:
Fig. 1 einen Abschnitt eines Differenzdrucksensors in einer teilweisen Blockdiagrammform; und
Fig. 2 ein schematisches Diagramm eines Differenzdrucksensors mit einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kapazitäts-Kompensation.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Fig. 1 zeigt einen Differenzdrucksensor 5, der ein Gehäuse 7 mit einer Innenkammer 9 aufweist, die mit Öl mit einem Dielektrik-Koeffizienten &epsi;&sub0; gefüllt ist. Die Innenkammer 9 ist durch eine Membran 15 in einen ersten Hohlraum 11 und einen zweiten Hohlraum 13 geteilt. Die Membran 15 weist einen leitfähigen Abschnitt 17 auf, der im allgemeinen mit zwei anderen leitfähigen Abschnitten 19 und 21 auf den inneren Oberflächen der Hohlräume 11 bzw. 13 ausgerichtet, aber von diesen getrennt ist.
Die leitfähigen Abschnitte 17 und 19 bilden zwei Platten eines variablen Kondensators C&sub1;, die an ihren Mitten um einen Abstand X&sub1; getrennt sind. Die leitfähigen Abschnitte 17 und 21 bilden zwei Platten eines zweiten variablen Kondensators C&sub2;, die an ihren Mitten um einen Abstand X&sub2; getrennt sind. Zwei Drücke, die durch Pfeile P&sub1; und P&sub2; angedeutet sind, werden durch beliebige geeignete Vorrichtungen 23 und 25 den Hohlräumen 11 und 13 zugeführt. Die Vorrichtungen zum Zuführen der Drücke P&sub1; und P&sub2; zu den Hohlräumen 11 und 13 sind vorzugsweise denjenigen ähnlich, die im US-Patent 4,370,890 von Frick detaillierter diskutiert werden.
Abhängig von der Differenz zwischen den Drücken P&sub1; und P&sub2; wird die Membran 15 innerhalb der Kammer 11 entweder zur Platte 19 oder zur Platte 21 hin ausgelenkt. Diese Auslenkung bewirkt eine Änderung der Kapazitätswerte der variablen Kondensatoren C&sub1; und C&sub2;. Der Sensor 5 erzeugt ein Ausgangssignal, das die Kapazitätswerte der variablen Kondensatoren C&sub1; und C&sub2; und die Streukapazitäten CS1 und CS2 wiedergibt. Basierend auf dem Ausgangssignal wird der Differenzdruck bestimmt.
Bei Änderung des auf den Kapazitäts-Drucksensor 5 aufgebrachten statischen Drucks werden jedoch Belastungen auf das Gehäuse 7 aufgebracht. Diese Belastungen schaffen eine Änderung der Kapazitätswerte der variablen Kondensatoren C&sub1; und C&sub2;. Dies führt zu Fehlern im Ausgangssignal des Kapazitäts-Drucksensors 5.
Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines Rückkopplungs-Meßwertgebers mit ausgeglichener Ladung, bei dem eine erfindungsgemäße Kompensation eingesetzt wird. Ein Meß-Schaltkreis 10 weist einen Ladungspaket-Erzeugungsschaltkreis 12, einen Integrations- und Vergleichs-Schaltkreis 14, einen Rückkopplungs-Schaltkreis 16, einen Ausgangs-Schaltkreis 18 und einen Auslese-Schaltkreis 20 auf.
Der Ladungspaket-Erzeugungsschaltkreis 12 weist den Kapazitäts-Drucksensor 5 auf, der schematisch das Paar variabler Kondensatoren C&sub1; und C&sub2; zeigt. Die Kondensatoren C&sub1; und C&sub2; weisen, wie es oben beschrieben ist, einen Kapazitätswert auf, der sich als eine Funktion des Differenzdrucks ändert.
Der Ladungspaket-Erzeugungsschaltkreis 12 weist auch Linearitätskorrektur-Kondensatoren CL1 und CL2, Rauschunterdrückungs- Widerstände R1 und R2 und Schalter S1, S2, S3 und S4 auf. Die Kondensatoren CL1 und CL2 sind miteinander in Reihe und mit dem Kapazitäts-Sensor 5 parallel geschaltet. Komplementäre Antriebssignale φ&sub0; und &sub0; werden den Knoten 24 bzw. 26 zugeführt. Der Knoten 24 ist mit der mittleren Kondensatorplatte 17 des Sensors 5 verbunden, während der Knoten 26 mit der Verbindungsstelle der Kondensatoren CL1 und CL2 verbunden ist.
Der Widerstand R1 ist an einem Ende mit den Kondensatoren C&sub1; und CL1 und an seinem gegenüberliegenden Ende mit den Schaltern S1 und S4 verbunden. Auf ähnliche Weise ist der Widerstand R2 an einem Ende mit den Kondensatoren C&sub2; und CL2 und an seinem gegenüberliegenden Ende mit den Schaltern S2 und S3 verbunden. Antriebssignale &sub1;, &sub2;, &sub3; und &sub4; steuern die leitfähigen Zustände der Schalter S1, S2, S3 bzw. S4.
Die Schalter S1 und S2 sind zusammen mit dem invertierenden (-)-Eingang eines Integrationsverstärkers 30 im Integrationsund Vergleichs-Schaltkreis 14 verbunden. Die Schalter S3 und S4 sind mit einem Bezugspotential VREF und mit dem nichtinvertierenden (+)-Eingang des Integrationsverstärkers 30 verbunden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform liegt die Bezugsspannung VREF in der Mitte zwischen den Versorgungsspannungen VDD und VSS.
Der Integrations- und Vergleichs-Schaltkreis 14 weist auch einen Integrations-Kondensator CI, Schalter S5, S6 und S7, Widerstände R3 und R4 und eine Vergleichsvorrichtung 32 auf. Die Schalter S5, S6 und S7 werden durch Signale φI, φVDD bzw. φVSS gesteuert, um einen Multiplexer zum Zuführen der Integrationsspannung VI, der Versorgungsspannung VDD oder der Versorgungsspannung VSS zum invertierenden (-)-Eingang der Vergleichsvorrichtung 32 auszubilden. Der Widerstand R3 ist zwischen dem Ausgang der Vergleichsvorrichtung 32 und ihrem nicht-invertierenden (+)-Eingang angeschlossen, und der Widerstand R4 ist zwischen dem nicht-invertierenden (+)-Eingang der Vergleichsvorrichtung 32 und VREF angeschlossen, um eine Hysterese zu schaffen. Folglich weist die Vergleichsvorrichtung 32 an ihrem (+)-Eingang, abhängig vom Zustand ihrer Ausgangsspannung VC, zwei verschiedene mögliche Schwellenpegel auf.
Die Ausgangsspannung VC aus der Vergleichsvorrichtung 32 wird als ein Eingangssignal dem Rückkopplungs-Schaltkreis 16 zugeführt. Basierend auf dem Zustand des Signals VC leitet der Rückkopplungs-Schaltkreis 16 zehn Signale von einem Basis- Taktsignals FCLK ab. Diese Signale sind φ&sub0;, &sub0;, φVDD, φVSS, φI, &sub1;, &sub2;, &sub3;, &sub4; und UD.
Der Rückkopplungs-Schaltkreis 16 steuert die Ladungspakete, die der Integrationsvorrichtung 30 vom Ladungspaket-Erzeugungsschaltkreis 12 zugeführt werden, um über die Zeit einen Ladungsausgleich zu erreichen. Ein oder mehrere Ladungspakete einer ersten Polarität werden zugeführt, wenn das &sub1;-Signal den Schalter S1 schließt und somit die Kondensatoren C&sub1; und CL1 durch den Widerstand R1 mit dem (-)-Eingang der Integrationsvorrichtung 30 verbindet. Ladungspakete einer entgegengesetzten Polarität werden der Integrationsvorrichtung 30 zugeführt, wenn das &sub2;-Signal den Schalter S2 dazu bringt, geschlossen zu werden.
Der Ausgangs-Schaltkreis 18 empfängt die &sub1; und &sub2;-Signale zusammen mit dem UD-Signal aus dem Rückkopplungs-Schaltkreis 16. Das UD-Signal zeigt an, ob sich die Integrationsvorrichtung nach oben oder unten ändert. Der Ausgangs-Schaltkreis 18 akkumuliert Anzahlen von Paketen mit entgegengesetzter Polarität, indem er, abhängig vom UD-Signal, entweder aufwärts- oder abwärts zählt. Basierend auf den Zählwerten liefert der Ausgangs-Schaltkreis 18 dem Auslese-Schaltkreis 20 ein Ausgangssignal, das den durch den Kapazitäts-Sensor 25 erfaßten Differenzdruck (wie er durch die Linearitäts-Kondensatoren CL1 und CL2 korrigiert ist) wiedergibt. Die Zeitsteuerung und der Betrieb des Meß-Schaltkreises 10 sind im US-Patent Nr. 4,878,012 von Schulte et al. detaillierter beschrieben.
Die Auswirkung von statischem Druck auf das Ausgangssignal eines Kapazitäts-Differenzdrucksensors hat sich als erheblich herausgestellt. Bei derartigen Sensoren führt eine Änderung des statischen Drucks zu einer Verformung des Sensorgehäuses. Diese Verformung bewirkt Änderungen der Kapazitätswerte der variablen Kondensatoren C&sub1; und C&sub2; sowie Spannungen in der mittleren Membran. Somit ergeben sich Fehler im Ausgangssignal. Bei einigen Drucksensoren hat sich zum Beispiel herausgestellt, daß Meßbereichsfehler für 1000 psi (etwa 69 bar) Änderung des statischen Drucks ungefähr 1 % des Auslesewerts betragen. Ähnliche Null-Fehler treten bei niedrigem oder Null Differenzdruck auch im Ausgangssignal auf, wenn sich der statische Druck ändert.
Zum Kompensieren dieser Fehler werden CL1 und CL2 50 ausgewählt, daß sie solche Werte aufweisen, die zum Kompensieren der durch eine Änderung des statischen Drucks verursachten Null- und Meßbereichsfehler ausreichen. Bei der Bestimmung der passenden Werte für CL1 und CL2 werden mehrere Schritte vorgenommen. Zuerst wird der Meßwandler Null statischem Druck ausgesetzt und Null und der Meßbereich werden gemessen, wenn der Differenzdruck geändert wird. Dann wird der Sensor maximalem statischen Druck ausgesetzt, und die sich ergebenden Änderungen oder Fehler bei Null und im Meßbereich werden gemessen, wenn der Differenzdruck von Null auf den Skalenendwert geändert wird. Schließlich wird der Wert der Kompensations-Kondensatoren CL1 und CL2 bestimmt, und diese Kondensatoren werden im Schaltkreis angeordnet, um die Fehler im Differenzdruck- Ausgangssignal, die durch Änderungen des statischen Drucks verursacht werden, zu kompensieren.
Es ist festzuhalten, daß, wenn nur der Meßbereichsfehler oder der Null-Fehler ein erhebliches Problem darstellt, dies der einzige Fehler sein kann, der kompensiert wird. Es ist auch festzuhalten, daß die Werte der Kondensatoren CL1 und CL2 auch so bestimmt werden können, daß sie durch Streukapazitäten CS1 und CS2 verursachte Linearitätsfehler kompensieren. Dies ist im US-Patent 4,878,012 von Schulte et al. ausführlicher beschrieben.
Die in vielen Differenzdrucksensoren, wie z.B. dem Sensor 5, verwendete Übertragungsfunktion ist: Gleichung 1 Übertragungsfnkt.
wobei ΔP = Differenzdruck;
C&sub1; = Kapazitätswert des variablen Kondensators C&sub1;;
C&sub2; = Kapazitätswert des variablen Kondensators C&sub2;; und
CL1 + CL1 = der Kapazitätswert der festen Kompensations- Kondensatoren.
Bei einem Sensor, bei dem es eine Zunahme der Hohlraumtiefe gibt, die sich aus dem Leitungsdruck ergibt und ungefähr proportional zu diesem ist, und bei dem es eine Zunahme der Dielektrik-Konstante gibt, die sich aus dem Leitungsdruck ergibt und ungefähr proportional zu diesem ist, ist dann: Gleichung 2
und wenn
Nenn-Hohlraumtiefe, zeigt eine
Teilableitung, daß: Gleichung 3
Somit ist, wenn
dann ist
und C&sub1; + C&sub2; ist eine lineare Funktion von PL, wobei
&epsi;&sub0; = der Dielektrizitätskoeffizient der Ölfüllung;
C&sub0;&sub1; und C&sub0;&sub2; = der Kapazitätswert von C&sub1; und C&sub2;, der sich nicht mit einer Änderung von PL ändert; und
PL = statischer Druck (oder Leitungsdruck).
Somit ist eine Übertragungsfunktion, die zum Kompensieren einer Änderung aufgrund von Änderungen des statischen Drucks ausgeführt werden kann: Gleichung 4
K&sub1; und K&sub2; sind Kompensationsterme des Leitungsdrucks;
K&sub1; kompensiert hauptsächlich Null-Fehler und K&sub2; kompensiert Meßbereichsfehler aufgrund von Änderungen des statischen Drucks;
K&sub1; = CL1 - CL2;
K&sub2; = CL1 + CL2;
und CL1 und CL2 sind feste Kondensatoren, die sich nicht mit dem Leitungsdruck ändern.
Ein bevorzugtes Verfahren zur Ausführung dieser Übertragungsfunktion ist das Auswählen der Kondensatoren CL1 und CL2 basierend auf mit bekannten Standardwerten von CL1 und CL2 gemessenen Leitungsdruckfehlern, dann das Auswählen neuer Werte für CL1 und CL2, die voraussichtlich Leitungsdruckfehler auf annehmbare Niveaus vermindern. Nach der Einbringung dieser Kondensatoren werden dann Ausgangssignal-Linearitätsfehler des Meßwertgebers als eine Funktion des Differenzdrucks und Ausgangssignalfehler, die durch Temperaturschwankungen verursacht werden, vorzugsweise durch wohlbekannte digitale Verfahren kompensiert.
Als besonderes Beispiel werden die Verschiebungen im Sensor mit statischem Druck wie folgt kompensiert. Das Ausgangssignal des Kapazitäts-Drucksensors (Ausgangssignal) wird durch die Übertragungsfunktion:

Gleichung 5

Ausgangssignal
beschrieben, was ungefähr proportional zu ΔP ist, wobei
CA1 = aktive variable Kapazität von Kondensator C&sub1;, die mit ΔP zunimmt;
CA2 = aktive variable Kapazität von Kondensator C&sub2;, die mit ΔP abnimmt;
CS1 = mit CA1 parallele Streukapazität;
CS2 = mit CA2 parallele Streukapazität;
CL1 = Linearitäts-Berichtigungskondensator, der von C&sub1; subtrahiert;
CL2 = Linearitäts-Berichtigungskondensator, der von C&sub2; subtrahiert;
PL = statischer Druck; und
ΔP = Differenzdruck.
Bei einem typischen Metallzellensensor:

Gleichung 6

ist ΔP ungefähr proportional zu R C&sub1; - C&sub2;/C&sub1; + C&sub2;,
wobei R = Verhältnis-Ausgangssignal.
Auch ist für eine typische Zelle Gleichung 7
= - 1% pro 1000 psi ( 69 bar)
= + 0,5 %/1000 psi (etwa 69 bar) - 1,5 %/1000 psi (etwa 69 bar) = - 1 %/1000 psi (etwa 69 bar).
Wenn zum Beispiel die Null-Verschiebung bei statischem Druck mit CL1 CS1, CL2 CS2 und CL1 = CL2 gemessen wird, dann ist: Gleichung 8
bei ΔP = 0, da C&sub1; C&sub2;. Somit ändert sich das Ausgangssignal nicht, wenn C&sub1; + C&sub2; mit dem statischen Druck abnimmt. Wenn jedoch CL1 um eine Größe ΔC verkleinert und CL2 um die Größe ΔC vergrößert wird, wird eine Null-Verschiebung mit dem statischen Druck wie folgt verursacht: Gleichung 9
Dieser neue Null-Ausgangspegel ändert sich, wenn C&sub1; + C&sub2; mit
dem statischen Druck abnimmt (z.B., wenn sich
- 1%/1000 psi ( 69 bar) bei
statischem Druck ändern.)
Da der Zähler nun Nicht-Null ist, ist das Verhältnis-Ausgangssignal (R) eine Funktion des statischen Drucks. Die Prozentwerte ändern sich als eine Funktion des Skalenendwert-Ausgangssignals, wobei ΔP = Skalenendwert und das nominelle Verhältnis-Ausgangssignal (R) = + 0,5 wie folgt ist:

Gleichung 10

% Null-Verschiebung/1000 psi ( 69 bar) als ein Prozentwert des Skalenendwert-ΔP
R(bei ΔP=0, PL=1000psi( 69bar))-R(bei ΔP=0, PL=0psi(0bar))/ R Skalenendwert x100
wobei
= -0,01/1000 psi ( 69 bar) Gleichung 11

Gleichung 12

%Null-Verschiebung/1000psi( 69 bar) pf = -4 % (1pf/80pf)pro 1000 psi ( 69bar)
= - 0,05%/1000 psi ( 69 bar)
Somit wird für eine Null-Berichtigung von -0,1 % pro 1000 psi (etwa 69 bar) eine Berichtigung von ΔC = 2pf benötigt. Mit anderen Worten, für negative 0,1 % pro 1000 psi (etwa 69 bar) Berichtigung wäre es eine passende Einstellung, CL1 um 2pf von seinem Nennwert zu erhöhen und CL2 um 2pf von seinem Nennwert zu verringern. Oder:

Gleichung 13

CL CS1 + ΔC
CL2 CS2 -ΔC
Man erinnere sich, daß CL1 der Linearitätskondensator ist, der vom variablen Sensorkondensator C&sub1;, der mit ΔP größer wird, subtrahiert und körperlich mit diesem verbunden ist. Diese Berichtigungen könnten vorgenommen werden, indem Kondensatoranordnungen, die im Schaltkreis 10 verfügbar sind, in oder aus dem Schaltkreis 10 geschalten werden, um durch die Verwendung einer Steuervorrichtung die richtigen Pegel zu erreichen.
Beim Stand der Technik werden die Werte von CL1 und CL2 so ausgewählt, daß sie nominell gleich CS1 und CS2 sind. Dies minimiert Nicht-Linearitätsfehler im Ausgangssignal als eine Funktion von ΔP und maximiert Änderungen im Ausgangssignal aufgrund von Temperaturänderungen, die bewirken, daß sich die Dielektrizitätskonstante verschiebt. Da dieses Verfahren bewirkt, daß CL1 und CL2 von diesen Idealwerten abweichen, benötigt das Sensor-Ausgangssignal eine verstärkte Kompensation für diese Fehler. Da Meßwertgeber nach dem Stand der Technik digitale Berichtigungs-Algorithmen für diese Fehler aufweisen, ist es eine einfache Angelegenheit, diese Fehler
des Meßwertgebers nach der Einbringung von CL1 und CL2, die so ausgewählt werden, daß sie Leitungsdruckfehler minimieren, zu charakterisieren und zu kompensieren. Somit wird die Gesamtleistung des Meßwertgebers verstärkt.
Wenn zusätzlich zur oder anstelle der Null-Kompensation die Meßbereichs-Kompensation gewünscht ist, wird der Ausdruck K&sub2; = CL1 + CL2 auf ähnliche Weise angepaßt. Da
R = C&sub1; - C&sub2;/C&sub1; + C&sub2; - K&sub2;
kann gezeigt werden, daß
%Meßbereichs-Verschiebung/1000 psi ( 69 bar)=(K&sub2;/C&sub1;+C&sub2;)
Somit ist dann, wenn K&sub2; um 2 pf (CL1 = +1pf, CL2 = -1pf) verschoben wird, die %Meßbereichs-Verschiebung
=(2pf/80pf) (-1%/1000psi ( 69bar))= -0,025% pro 1000psi ( 69bar).
Es ist festzuhalten, daß bei einer bevorzugten Ausführungsform CL1 und CL2 mit einem Temperaturkoeffizienten ausgewählt werden, der im wesentlichen gleich dem Temperaturkoeffizienten der Dielektrizitätskonstante der Ölfüllung ist. Auch werden CL1 und CL2 sehr nahe dem Sensor 5 angeordnet, somit liegen die Temperaturen von CL1 und CL2 und dem Sensor 5 sehr nahe beieinander.
Bei noch einer anderen Ausführungsform kann die Kapazitäts- Kompensationsvorrichtung andere Formen als ein Paar Kondensatoren CL1 und CL2 annehmen. Zum Beispiel ein einzelner Kompensations-Kondensator mit einer sich ändernden Erregerspannung und einem wahlweisen Schalten von Knoten kann ebenfalls das Kompensationsmerkmal der vorliegenden Erfindung erfüllen.
Obgleich die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben worden ist, erkennen Fachleute, daß Form und Details geändert werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.

Claims

1. Eine Vorrichtung zur Messung eines Differenzdrucks in einem 2-Draht-Meßwertgeber, die folgendes aufweist:

eine Kapazitäts-Erfassungsvorrichtung zur Erfassung eines Differenzdrucks, die einen Kapazitätswert aufweist, der sich mit einem statischen Druck ändert, wobei die Kapazitäts-Erfassungsvorrichtung basierend auf dem erfaßten Differenzdruck ein Differenzdrucksignal erzeugt, wobei sich das Differenzdrucksignal mit Änderungen des statischen Drucks ändert; und gekennzeichnet ist durch:

eine Kapazitäts-Kompensationsvorrichtung, die einen Wert aufweist, der durch Änderungen des statischen Drucks im wesentlichen unverändert bleibt, wobei der Wert ausgewählt ist, um Änderungen des Differenzdrucksignals aufgrund von Änderungen des statischen Drucks zu kompensieren.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazitäts-Kompensationsvorrichtung folgendes aufweist:

eine erste Kapazitäts-Kompensationsvorrichtung, die einen Kapazitätswert CL1 aufweist und mit der Kapazitäts-Erfassungsvorrichtung verbunden ist, um Fehler des Differenzdrucksiguals, die durch eine Änderung des statischen Drucks verursacht werden, zu kompensieren; und

eine zweite Kapazitäts-Kompensationsvorrichtung, die einen Kapazitätswert CL2 aufweist und mit der Kapazitäts-Erfassungsvorrichtung verbunden ist, um Fehler des Differenzdrucksignals, die durch eine Änderung des statischen Drucks verursacht werden, zu kompensieren.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß CL1 und CL2 solche Werte aufweisen, daß CL1 - CL2 Null-Fehler des Differenzdrucksignals kompensiert.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß CL1 und CL2 solche Werte aufweisen, daß CL1 + CL2 Meßbereichsfehler des Differenzdrucksignals kompensiert.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazitäts-Erfassungsvorrichtung folgendes aufweist:

einen ersten variablen Kondensator, der einen Kapazitätswert C&sub1; aufweist, der sich mit dem Differenzdruck und dem statischen Druck ändert; und

einen zweiten variablen Kondensator, der einen Kapazitätswert C&sub2; aufweist, der sich mit dem Differenzdruck und dem statischen Druck ändert.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Differenzdrucksignal zu

C&sub1; - C&sub2; - CL1 + CL2/C&sub1; + C&sub2; - CL1 - CL2

proportional ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazitäts-Erfassungsvorrichtung folgendes aufweist:

ein Gehäuse, das einen Hohlraum aufweist;

Öl, das den Hohlraum füllt und einen Dielektrik-Koeffizienten, &epsi;&sub0;, aufweist;

eine Membran, die sich über den Hohlraum erstreckt, was den Hohlraum in erste und zweite Kammern aufteilt, wobei die Membran mindestens einen leitfähigen Abschnitt aufweist, der eine erste Platte bildet;

einen zweiten leitfähigen Abschnitt, der mit der ersten Kammer verbunden und vom leitfähigen Abschnitt der Membran um einen Abstand X&sub1; beabstandet ist, um eine zweite Platte des ersten variablen Kondensators zu bilden; und

einen dritten leitfähigen Abschnitt, der mit der zweiten Kammer verbunden und vom leitfähigen Abschnitt der Membran um einen Abstand X&sub2; beabstandet ist, um eine zweite Platte des zweiten variablen Kondensators zu bilden.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum eine Nenntiefe X&sub0; aufweist, daß ein statischer Druck durch PL wiedergegeben ist, und daß

pro 1000 psi (69 bar) Schwankung von PL.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazitäts-Kompensationsvorrichtung thermisch nahe der Kapazitäts-Erfassungsvorrichtung liegt, und daß die Kapazitäts-Kompensationsvorrichtung einen Temperaturkoeffizienten aufweist, der im wesentlichen gleich einem Temperaturkoeffizienten des Dielektrik-Koeffizienten der Ölfüllung ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Differenzdrucksignal aufgrund einer Temperaturänderung und einer Streukapazität ändert, und sie weiterhin folgendes aufweist:

eine Vorrichtung zur Kompensation des Differenzdrucksignals aufgrund von Temperatur- und Streukapazitätsänderungen, wobei die Kompensationsvorrichtung einen Kompensationsschritt ausführt, nachdem die Kapazitäts-Kompensationsvorrichtung ausgewählt ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazitäts-Erfassungsvorrichtung eine Vielzahl von variablen Erfassungskondensatoren aufweist, und daß die Kapazitäts- Kompensationsvorrichtung folgendes aufweist:

eine Vielzahl von Kondensatoren, die mit den variablen Erfassungskondensatoren verbunden sind und Kapazitätswerte aufweisen, die Änderungen der variablen Erfassungskondensatoren, die durch eine Änderung des statischen Drucks verursacht werden, kompensieren.

12. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazitäts-Kompensationsvorrichtung thermisch nahe dem Gehäuse angeordnet ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazitätswerte der ersten und zweiten Kapazitäts-Kompensationsvorrichtungen eine Streukapazität des Differenzdrucksignals teilweise kompensieren.