DE69710606T2 - Verfahren und vorrichtung zum elektronischen ausgleich von resonanz-messfehlern in einem kapazitiven druckwandler - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Druckmessung unter Verwendung eines kapazitiven Druckwandlers gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, und auf eine Druckmeßvorrichtung, die einen kapazitiven Druckwandler umfaßt, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10.
• Seit beträchtlicher Zeit ist im Stand der Technik bekannt, den Druck eines Fluids zu Messen durch Überwachen der Kapazität eines kapazitiven Druckwandlers, der eine Membran umfaßt, deren Verformung vom Druck abhängt, wobei die Überwachung der Kapazität das Anlegen einer Wechselspannung an den kapazitiven Druckwandler umfaßt. Eine Beschreibung des allgemeinen Verfahrens und der Vorrichtung sind zu finden in: Hans-Werner Drawin: "Kondensator-Membran-Manometer für Druckmessungen im Hoch- und Feinvakuumgebiet, unabhängig von der Gasart", Vakuum-Technik 7/8 (1958).
• Das Ergebnis einer solchen Messung kann jedoch beeinträchtigt werden durch die Resonanz des kapazitiven Druckwandlers, insbesondere wenn sehr kleine Drücke unter Verwendung sehr dünner Membranen gemessen werden. Es wurde festgestellt, daß ein 1-Torr-Wandler des allgemeinen Typs sehr empfindlich gegenüber einer Resonanz ist. Bisher waren weder ein Verfahren noch eine Vorrichtung bekannt, in denen fehlerhafte Meßwerte, die durch Resonanz hervorgerufen worden sind, kompensiert werden.
• Kapazitive Druckwandler sind bekannt aus JP-A-04 104 027 und EP-A-0 194 953. Letzterer kann auch für die Messung von Kraft oder Beschleunigung verwendet werden. Seine Eigenschaften sind bestimmt und die Resonanz wird während der Verwendung vermieden.
• Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Druckmessung zu schaffen, bei denen der Einfluß der Resonanz im kapazitiven Druckwandler kompensiert wird.
• Die Erfindung beruht auf dem Konzept, den kapazitiven Druckwandler zur Resonanz zu veranlassen, den durch die Resonanz hervorgerufenen fehlerhaften Meßwert zu messen und ein Rückkopplungskompensationssignal zum Meßelement zu leiten, wo das Signal im wesentlichen ungefiltert ist. Die Vorrichtung gemäß der Erfindung beruht auf dem Konzept einer Vorrichtung zum Kompensieren der Effekte der Resonanz, die Fehlererfassungs- und Kompensationselemente umfaßt, deren obere Sperrfrequenz über der Resonanzfrequenz des Wandlers liegt, um einen fehlerhaften Meßwert des Wandlers zu erfassen und ein Kompensationssignal zu erzeugen, das in die Erfassungselemente eingegeben wird.
• Genauer ist das Verfahren gemäß der Erfindung durch den kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 charakterisiert.
• Die Vorrichtung gemäß der Erfindung ist durch den kennzeichnenden Teil des Anspruchs 10 charakterisiert.
• Die Erfindung bietet beträchtliche Vorteile.
• Die Kompensation ist höchst effizient, wobei im Fall der unverzerrten Eigenschwingung der fehlerhafte Meßwert zu 100% eliminiert wird.
• Im folgenden wird die Erfindung mittels einer genauen Beschreibung und mittels beispielhafter Ausführungsformen beschrieben. In den beigefügten Zeichnungen sind bevorzugte Ausführungsformen gezeigt, wobei:
• Fig. 1 eine Seitenansicht des Grundschemas eines kapazitiven Druckwandlers ist, der in der Erfindung verwendet werden kann;
• Fig. 2 eine typische bekannte Meßschaltung für den Druckwandler der Fig. 1 zeigt;
• Fig. 3 eine genauere Darstellung des Elements F1 in Fig. 2 ist; und
• Fig. 4 eine Kopplung gemäß der Erfindung für die elektronische Kompensation der fehlerhaften Meßwerte zeigt, die durch Resonanz in einem kapazitiven Druckwandler hervorgerufen werden.
• Im folgenden wird eine elektronische Schaltung beschrieben, die fehlerhafte Meßwerte kompensiert, welche durch Resonanz der Membran hervorgerufen werden.
• Der Typ des hier beschriebenen Druckwandlers wird im allgemeinen als Kapazitätsmanometer bezeichnet. In einem Kapazitätsmanometer wirkt der zu messende Druck auf eine Seite der Membran, während deren andere Seite einem Referenzdruck ausgesetzt ist, der üblicherweise sehr niedrig ist. Wenn der Druck unter Verwendung der Bewegungen der Membran gemessen wird, werden mehrere parasitäre Parameter erzeugt, die in keiner Weise positiv zur Messung beitragen. Einer dieser Parameter umfaßt die natürliche Resonanzfrequenz der Membran. Bei dieser Frequenz gerät die Membran mit einer minimalen externen Energiezufuhr in Eigenschwingung. Es ist anzunehmen, daß eine solche Eigenschwingung der Membran die Messung stört. Auf der Grundlage praktischer Messungen ist ferner bekannt, daß dies wirklich der Fall ist. Um zu verstehen, wie eine solche Eigenschwingung die Messung beeinträchtigt, ist es wesentlich, zuerst die Funktion des Wandlerelements sowie die Funktion der elektronischen Schaltung zu beschreiben, die die Kapazitätsänderung des Wandlerelements in eine Spannung umsetzt, die proportional zum aktuellen Druck ist. Fig. 1 zeigt das Wandlerelement mit Membranen und Strommeßelektroden.
• Um die Bewegung der Membran 2 zu erfassen, wurden eine Elektrode 4 an ihrer Innenseite im Referenzvakuumraum 3 und eine zweite Elektrode 5 am Gehäusekörper 7 im gleichen Raum angebracht. Verbindungsdrähte 6 führen von diesen Elektroden 3 und 4 zur Außenseite des Wandlergehäuses. Die Membran 2 ist fest zwischen dem Wandlergehäuse 7 und dem unteren Teil 8 mittels Glasübergängen 9 gespannt und bewegt sich unter einem erhöhten Druck in Richtung zur Ebene des Wandlergehäuses 7. Die Kapazität zwischen den zwei Elektroden 4 und 5 wird hierdurch entsprechend der folgenden Gleichung geändert.
• C = ε A/d (1)
• wobei A die Oberfläche der Elektrode ist, d der Abstand zwischen den Elektroden ist und ε die die Elektrizitätskonstante ist. Die Kapazität ist somit umgekehrt proportional zum Abstand der Elektroden und somit auch zum Druck. Die folgende Beziehung besteht zwischen dem Abstand zwischen den Elektroden und dem Druck.
• Δd = p·k r&sup4;/t³ (2)
• wobei r der Radius der Membran 2 ist und d die Dicke der Membran 2 ist. p ist der Druck und k stellt eine Proportionalitätskonstante dar. Um gemäß der Erfindung die gemessene Kapazität in ein elektrisches Signal proportional zum Druck umzusetzen, wird das im folgenden beschriebene Meßprinzip angewendet.
• Cp ist die Kapazität zwischen den Elektroden 4 und 5 des Wandlerelements 1 in dem Kondensator gemäß Fig. 2, und stellt somit den Abstand zwischen diesen dar, wobei der Abstand seinerseits proportional zum Druck ist. Ein Parallelogrammsignal mit einer Frequenz von 8 kHz (Q) speist die zwei Schalter SW1 und SW2. Ur ist eine Referenzspannung, die in Wirklichkeit ein Parallelogrammsignal mit der gleichen Frequenz wie Q und mit einer konstanten Amplitude ist. Intern herrscht über dem Operationsverstärker F1 die folgende Beziehung.
• Us = Uut Cp/Cr (3)
• Die Spannung ist jedes Mal dann zwischen den Widerständen R2 und R3 gleich 0, wenn S2 die Verbindung zum invertierenden Eingang des Verstärkers F2 herstellt. Somit besteht die im folgenden gezeigte Beziehung zwischen den Strömen durch diese Widerstände.
• Als Ergebnis ergibt sich:
• Us = Uk R2/R3 (5)
• Wenn Gleichung 3 mit Gleichung 5 kombiniert wird, wird folgendes erhalten:
• was zu
• führt, wobei dann, wenn R2 = R3 gilt, das Ausgangssignal proportional zur Referenzspannung Uk
• Uut = Uk Cr/Cp (8)
• und zur Referenzkapazität Cr ist, und umgekehrt proportional zur gemessenen Kapazität. Gemäß Gleichung 1 ist somit das Ausgangssignal proportional zum Abstand zwischen den Elektroden, wobei es ferner proportional zum Druck ist.
• Während der normalen Druckmessung wird die Membran mit Bezug auf den Druck verschoben, wodurch der Abstand zwischen den Elektroden geändert wird, was zu einer geänderten Kapazität führt. Die Kraft des Mediums gegen die Membran wird in diesem Fall durch die Gegenkraft der Membran ausgeglichen, die durch deren Elastizität erzeugt wird. Wenn die Membran statt dessen einem kurzen Kraftimpuls ausgesetzt wird, der z. B. durch eine Beschleunigung gemäß F = m·a erzeugt wird, wird die Membran proportional zu dieser Kraft verschoben, während diese andauert. Wenn die Kraft zu wirken aufhört, besteht kein Gleichgewicht mehr zwischen dieser Kraft und der Gegenkraft der Membran, weshalb die Membran zurückspringt. Dies führt dazu, daß die Membran für eine kurze Zeitspanne nach hinten und nach vorne um ihre Gleichgewichtsposition schwingt.
• Die Schwingung ist gedämpft und tritt bei der Resonanzfrequenz der Membran auf. Wenn die Kraft statt dessen in Form von Impulsen oder Wellen in den Werkstoff eingeleitet wird, die die gleiche Frequenz wie die Resonanzfrequenz der Membran aufweisen, wird die Eigenschwingung gesteigert und anschließend bei einer bestimmten Amplitude konstant gehalten, bei der die eingeleitete Energie und die Energieverluste gleich sind. In Verbindung mit diesem Typ von Membranbewegung (Resonanz) kann die Amplitude groß werden und sogar den gesamten normalen Meßbereich überschreiten. Trotz dieses Umstands mißt die Membran den statischen Druck des Gases vor der Membran. Eine positive Abweichung wird jedoch nun zu den Meßergebnis addiert, wobei die Abweichung proportional zum Quadrat der Amplitude der Eigenschwingung ist. Hinsichtlich der Übertragungsfunktion Uut = Uk·Cr/Cp sollte eine harmonischen Bewegung (Eigenschwingung), bei der die positive und die negative Amplitude der Membran gleich groß sind, tatsächlich ein Ausgangssignal erzeugen, das dies widerspiegelt, d. h. Uut verändert sich symmetrisch mit der Amplitude dieser Eigenschwingung. Die typische Resonanzfrequenz für diese Membranen liegt jedoch zwischen 1000 und 2000 Hz, weshalb die obige Beziehung für Uut bei der Resonanzfrequenz nicht gültig ist. Die Schaltfrequenz der Verbindung wird durch den Integrator bestimmt. Die Verbindung zwischen Ci und R2, R3 ist üblicherweise so beschaffen, daß die Schaltfrequenz etwa 30 Hz beträgt. Während der Resonanz ist die Frequenz so hoch, daß Uut keine Zeit hat, sich zu ändern. Statt dessen verharrt Uut auf einem Mittelwert. Intern ist über F1 die Bedingung bei der Resonanzfrequenz vollständig verschieden von der Bedingung während der normalen Messung. Während der normalen Messung ist Us konstant und Us = Uk, und Uut ändert sich während einer Änderung der Kapazität, so daß diese erfüllt ist. Bei der Resonanzfrequenz bleibt Uut konstant und Us = Uut Cp/Cr, d. h. Us verändert sich mit der Kapazität. Der Mittelwert für Us ist nun während der symmetrischen Schwankung von t nicht der gleiche wie während der Nicht-Eigenschwingung. Der Mittelwert Us wird mit der Amplitude der Eigenschwingung verschoben.
• Das heißt: Δ Us = f(Δd²)
• Diese Verschiebung ist in der zweiten Potenz proportional zur Amplitude der Eigenschwingung. Somit sieht die Schaltung einen Zustand, bei dem der Mittelwert von Us während der Resonanz verschoben erscheint. In Wirklichkeit tritt diese Verschiebung nicht bei der Resonanzfrequenz auf, sondern bei einer Frequenz unterhalb der Schaltfrequenz, wodurch Gleichung 8 gültig ist. Statt dessen wird Uut nicht verschoben, wobei Us versucht, gleich Uk zu sein. Der Verstärker wirkt wie ein Mischer zwischen der Hochfrequenz- und der Niedrigfrequenz-Information. Dies ist nicht die einzige Möglichkeit, wie Uut während der Schwingung verschoben werden kann. Wie mit dem Schaltbild um F1 gezeigt, wurde ein Streukapazität zur gemessenen Kapazität addiert.
• Diese zusätzliche Kapazität kann in Wirklichkeit von allen zusätzlichen kapazitiven Verbindungen zwischen dem invertierenden Eingang des Verstärkers F1 und der Zuführung von SW1 gebildet werden. Eine Tatsache, die alle diese zusätzlichen Kapazitäten (Streukapazitäten) gemeinsam haben, ist, daß sie keine Funktion des Drucks bilden. Wenn die Streukapazität anschließend in die Übertragungsfunktion eingesetzt wird, wird folgendes erhalten:
• Uut = Uk Cr/ (9)
• Wenn die Membran ferner in Eigenschwingung kommen kann, wird folgendes erhalten:
• Das führt zu:
• Uut wird so geändert, daß sie abhängig ist von m·d&sub0; in der zweiten Potenz. "m·d&sub0;" bildet die Amplitude des Abstands zwischen den Elektroden. Wie vorher hat Uut keine Zeit, der Resonanzfrequenz zu folgen, sondern zeigt den Mittelwert an. Us ist nicht gleich Uk bei der Resonanzfrequenz, sondern ändert sich statt dessen proportional zur Kapazität. Der Mittelwert für die Veränderung von Us wird in der Weise der Gleichspannung zur zweiten Potenz in Beziehung auf m·d&sub0; verschoben, wobei Uut einen neuen Wert annimmt, so daß Us = Uk in der Weise der Gleichspannung vorherrschen kann. Die Beziehung ist die gleiche wie im vorangehenden Fall. Der Hauptgrund in beiden Fällen ist, daß Us während der Resonanz ein zusätzliches ΔUs erhält, wodurch Us + ΔUs = Uk gilt. Somit ist es durch Messen von Us möglich, eine Messung der fiktiven Verschiebung von Uk zu erhalten und das Ungleichgewicht zu kompensieren. Das Kompensationssignal wird in folgender Weise erhalten. Us kann durch Messen der Differenz zwischen Us und Uk mittels einer Schaltung abgetrennt werden, deren Sperrfrequenz deutlich jenseits der Resonanzfrequenz liegt. Wie bekannt ist, ist Us eine sinusförmige Spannung mit der Resonanzfrequenz der Membran. Diese Wechselspannung wird verstärkt, gleichgerichtet, gefiltert und skaliert für die Rückgabe zum Summierungspunkt zwischen R2 und R3.
• Fig. 4 zeigt die Schaltung in der Praxis. Das Signal Us wird mit Uk zwischen den Widerständen R4 und R5 verglichen und anschließend verstärkt. Die Verstärkung durch den Verstärker F3 des Signals wird durch die Diode D gleichgerichtet und durch das Tiefpaßfilter F4 gefiltert, wobei am Ausgang die Phasenverschiebung durch F5 angepaßt wird, woraufhin die Ausgangsspannung Ures zu dem Knotenpunkt zwischen R3 und R4 über einen Widerstand Rres zurückgegeben wird.
• In der Praxis findet die Kompensation so statt, daß die Membran mittels eines veränderlichen Tongenerators veranlaßt wird, in Resonanz zu schwingen. Der fehlerhafte Meßwert des Ausgangssignals wird während der Resonanz im Vergleich zur Nicht-Resonanz aufgezeichnet. Das Signal Ures von der Kompensationsschaltung wird geschaltet und skaliert, bis keine Differenz zwischen Uut während der Resonanz und während der Nicht- Resonanz meßbar ist. Die Kompensation ist sehr effizient, wobei im Fall der unverzerrten Eigenresonanz der fehlerhafte Meßwert zu 100% eliminiert werden kann.
• Resonanzprobleme dieses Typs können in bestimmten Systemen während eines ungünstigen Zusammenwirkens von Schwingungen von Pumpen und der Systemkonfiguration auftreten. Die Kompensationsschaltung ist in solchen Fällen unbedingt erforderlich, wenn Messungen durchzuführen sind. Häufig neigt die Resonanz in solchen Fällen dazu, in der Zeit und der Größe veränderlich zu sein, weshalb das Ausgangssignal ohne Kompensation sich in der zweiten Potenz hinsichtlich dieser Fehlerquellen in einer sehr störenden Welligkeit ändert.
• Alternativ zur Diodengleichrichtung kann das Meßsignal durch Quadrierung gleichgerichtet werden.
• Gemäß der Erfindung kann sogar ein Gleichrichter verwendet werden, der eine Spannung erzeugt, die eine Funktion der Amplitude der Membranschwingung ist.
• Gemäß der Erfindung kann der Meßfehler auch in der gewünschten Weise modulationsabhängig gemacht werden durch Ändern der Verstärkung vor dem Gleichrichter und durch Verändern des Modulationsgrades, wenn der Fehler gleich 0 ist.

Claims (12)

1. Verfahren zur Druckmessung unter Verwendung eines kapazitiven Druckwandlers (1) und zur Bestimmung der Kapazität des kapazitiven Druckwandlers (1) durch Wechselstrommessung, dadurch gekennzeichnet, dass resonanzbedingte Messfehler im kapazitiven Druckwandler (1) durch

- künstliches Versetzen des kapazitiven Druckwandlers (1) in Resonanz, Messen des Fehlers (ΔUs), der von der Resonanz des Wandlers (1) in der Messschaltung verursacht wird, und

- Senden eines Kompensationssignals (Ures), das den Messfehler vollständig behebt, zur Messschaltung, elektronisch kompensiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der kapazitive Druckwandler (1) in einer gesonderten Eichsituation in Resonanz versetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompensationssignal zur Messschaltung zwischen einem Verstärker (F1) und einem Integrator (F2) gesendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselspannung vom kapazitiven Druckwandler (1) gleichgerichtet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselspannung unter Verwendung eines Funktionsverstärkers mit kapazitiver Rückkopplung impedanzgewandelt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsignal tiefpassgefiltert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsignal durch Quadratur gleichgerichtet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gleichrichter verwendet wird, der eine Spannung erzeugt, die eine Funktion der Amplitude der Membranschwingung ist.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Messfehler in der gewünschten Weise modulationsabhängig gemacht wird, indem die Verstärkung vor dem Gleichrichten geändert wird und der Modulationsgrad geändert wird, wenn der Fehler Null ist.

10. Druckmessvorrichtung mit einem kapazitiven Druckwandler (1) und Detektormitteln (SW1, F1, F2) zum gleichzeitigen Feststellen der Position der Abtastmembran (2) des kapazitiven Druckwandlers (1) und des Drucks, dadurch gekennzeichnet, dass sie außerdem eine Vorrichtung zur elektronischen Kompensation von resonanzbedingten Messfehlern im kapazitiven Druckwandler (1) mit Fehlererkennungs- und -kompensationsmitteln (F3, F4, f5) aufweist, deren obere Grenzfrequenz größer als die Resonanzfrequenz des Wandlers (1) ist, um den resonanzbedingten Messfehler im kapazitiven Druckwandler (1) festzustellen und ein Kompensationssignal (Ures) zu erzeugen, das zu den Detektormitteln (SW1, F1, F2) gesendet wird.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie außerdem einen Verstärker (F3), einen Gleichrichter (D), ein Filter (F4) und eine Skaliervorrichtung (F5) aufweist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel zum künstlichen Versetzen des kapazitiven Druckwandlers in Resonanz aufweist.